Добыча углеводородного газа из сланцевых месторождений имеет специфические особенности. В силу высокой плотности и прочности газоносного сланца для высвобождения газа из сланца практически единственной технологией является разрушение пласта с помощью гидроразрыва пласта. При этом низкая газонасыщенность пласта вынуждает разрушать пласт многократно и в разных направлениях с использованием технологии веерного бурения (получившей широкое распространение в 2008 – 2009 гг.), как это схематически показано на рис. 1. Таким образом, при добыче сланцевого газа воздействие на недра осуществляется в значительных масштабах.
Рис. 1. Схема освоения (разбуривания и гидроразрыва) месторождения сланцевого газа [1]
Табл. 1. Оценка ресурсов, необходимых для добычи 9 млрд м3 сланцевого газа в год в течение 20 лет в условиях месторождений Великобритании [1]
Основными компонентами жидкости для гидроразрыва являются вода и проппант (песок), на долю которых приходится не менее 98% общего объема. Кроме того, в жидкость добавляют различные химические вещества, которые должны снизить вязкость раствора, уменьшить его корродирующую способность, предотвратить осаждение на стенках труб минеральных солей и т.д.
По некоторым оценкам, перечень химических добавок включает до семисот наименований, причем многие из этих веществ обладают не только острым токсическим действием, но и являются также мутагенами и канцерогенами [1]. Подавляющее их большинство обладает хронической или острой токсичностью в водном растворе или просто острой токсичностью. Достаточно много среди них канцерогенных соединений (бензол, 14-диоксан, окись этилена, акриламид, формальдегид и др.), причем некоторые является также и мутагенами.
Воздействие на атмосферный воздух
В газ, который добывается из сланцевых месторождений, расположенных по всему миру, в качестве основного компонента входит метан, ради которого, собственно, и идет разработка месторождений. Кроме метана, в сланцевом газе можно обнаружить [2] такие летучие углеводороды, как этан, пропан, а также негорючие газы (CO2 и N2). Как правило, доля метана в сланцевом газе составляет более 80%, но есть месторождения (например, Antrim в США), где его доля на отдельных участках не превышает 30%. При бурении, гидроразрыве пласта, добыче газа, подготовке газа и т.д. часть этих газоообразных веществ оказывается в атмосферном воздухе.Анализ показывает [3], что в целом потери метана при добыче сланцевого газа могут составить от 3,6 до 7,9% от общего объема добычи, что заметно выше, чем при добыче природного газа из традиционных коллекторов. При этом в сравнении с добычей природного газа к наибольшим потерям ведет стадия подготовки к добыче, а точнее, потери газа, который выходит после гидроразрыва пласта с жидкостью обратного притока.
Для некоторых скважин месторождения Haynesville за 10 дней обратного притока потери метана достигали 6,8 млн м3 или в среднем по 680 тыс. м3 в день. Для других месторождений потери во время обратного притока были намного ниже. Однако в обоих случаях ежедневные потери были сравнимы с дебетом скважины при добыче метана на начальном этапе эксплуатации. Сводные данные по потерям метана на различных месторождениях США приведены в табл. 2.
Табл. 2. Эмиссия метана на разных стадиях добычи углеводородов на месторождения США [3]
*) Среднее значение для Eckhardt, Piceance, Barnett, Denver – Julesburg.
**) Продолжительность обратного притока составляла 9 дней для Barnett, 8 дней для Piceance, 5 дней для Uinta и 12 дней для Denver - Julesburg; среднее значение для Haynesville принято 10 дней.
**) Продолжительность обратного притока составляла 9 дней для Barnett, 8 дней для Piceance, 5 дней для Uinta и 12 дней для Denver - Julesburg; среднее значение для Haynesville принято 10 дней.
В 2010 г. Комиссия Техаса по качеству окружающей среды (Texas Commission on Environmental Quality – TCEQ) опубликовала данные о загрязнении атмосферного воздуха вблизи одной из газовых скважин, расположенной на территории сланцевого месторождения Barnett. Всего было обнаружено 35 загрязняющих веществ, а максимально разовые концентрации бензола достигали 15 000 ppb. Бензол был обнаружен также и в 64 точках в пределах буровой площадки, причем его концентрация достигала 180 ppb.
Воздействие на недра
Месторождения сланцевого газа в США (табл. 3) занимают очень большие площади (от 13 до 245 тыс. кв. км), располагаются на глубине от нескольких сотен до нескольких тысяч метров, а толщина пласта варьирует от нескольких метров до нескольких десятков метров. Даже однократный гидроразрыв пласта, который проводится под давлением жидкости от 500 до 1 500 атмосфер, разрушает породу вблизи продуктивной скважины на площади в несколько квадратных километров и на несколько сотен метров по вертикали. Сброс давления приводит к возникновению многочисленных микросейсмических явлений, эффект которых проявляется прежде всего вблизи продуктивной скважины. Количество этих микросейсмических явлений может составлять несколько сотен, а величина варьировать от 1,6 до 3,6 баллов по шкале Рихтера (рис. 2).Табл. 3. Характеристика месторождений сланцевого газа США [11]
Рис. 2. Распределение по магнитуде землетрясений при многостадийном гидроразрыве пласта сланцевого месторождения [4]
Воздействие на грунтовые воды
Исследования показывают [5,6], что вблизи газовых скважин в районах активной добычи сланцевого газа концентрация метана в подпочвенных водах значительно выше, чем в районах, где нет деятельности по бурению и гидроразрыву пласта. В пробах подпочвенных вод, взятых над месторождениями Marcellus и Utica, концентрация метана варьировала от 10 до 64 мг/л. В среднем концентрация метана в активной зоне составляла 19,2 мг/л, при этом она была в 17 раз выше, чем в неактивной зоне (1,1 мг/л). В ряде случае содержание метана значительно превышало безопасный уровень, что было чревато взрывами в смеси с кислородом воздуха. Были даже известны случаи, когда вода, взятая из источников с высокой концентрацией в Пенсильвании, могла «гореть».Помимо метана в подпочвенных водах были обнаружены также этан, пропан и другие углеводороды, которые не могут иметь биогенную природу. В неактивной зоне этан был обнаружен лишь в трех скважинах питьевой воды из 34, а в активной зоне он присутствовали в 21 из 26 скважин питьевой воды. Пропан и бутан были обнаружены только в активной зоне.
Еще в одном исследовании объектом интереса были скважины питьевого водоснабжения городских поселений округов Bradford, Lackawanna, Sullivan, Susquehanna, Wayne и Wyoming в пределах Аппалачского плато (Северо-Восточная Пенсильвания), под которым расположены пласты месторождения Marcellus. Метан был обнаружен в 115 скважинах из 141, то есть в 82% источников водоснабжения. В скважинах питьевой воды, которые находились на расстоянии менее 1 км от пробуренных газовых скважин (59 из 141), концентрация метана была в 6 раз выше, чем в скважинах питьевой воды, которые находились на значительно большем расстоянии от газовых скважин.
Загрязнение подземных горизонтов может происходить не только углеводородами сланцевого газа, но и другими веществами, содержащимися, в частности, в жидкости гидроразрыва. Так, по данным Массачусетского технологического института [7], в 43 случаях загрязнения воды в 2010 г. в США в ходе бурения 20 000 скважин и гидроразрыва пласта 48% случаев были связаны с загрязнением подземных вод компонентами жидкости гидроразрыва пласта или сланцевым газом, 33% – с разливом загрязненных вод на буровой площадке, 10% – с утечками при транспортировке сточных вод и аварийными выбросами вод обратного притока, 9% – с последующими операциями с удаленными сточными водами.
Воздействие на ландшафт, поверхностные воды и почву
Воздействие на ландшафт при добыче сланцевого газа связано, прежде всего, с необходимостью размещения на определенной территории (буровой площадке) бурового и другого технического оборудования, транспортных средств, хранилищ (емкостей) химических веществ и проппанта. Значительное место могут занимать также емкости для воды, если вода непосредственно не забирается из поверхностных водоемов, а также хранилища жидкости обратного притока. Загрязнение территории может также происходить за счет протечек химикатов или жидкости обратного притока.Разработка месторождений сланцевого газа требует достаточно высокой плотности размещения буровых площадок на поверхности над месторождением, однако этот показатель зависит от требований соответствующего законодательства. В США на типичном месторождении одна площадка приходится приблизительно на 2,6 км2. На месторождении Barnett на 1 км2 приходится 1,5 скважины. В конце 2010 г. на этом месторождении на общей площади 13 002,6 км2 было пробурено почти 15 тысяч скважин, то есть на 1 км2 приходилось приблизительно 1,15 скважины. Пример размещения буровых площадок на таком месторождении приведен на рис. 3.
Рис. 3. Размещение буровых площадок на территории типичного месторождения сланцевого газа в США [8]
Наконец, определенную территорию занимают объекты, используемые для подготовки (в частности – компрессорные станции), хранения и транспортировки добытого сланцевого газа. В случае небольших дебетов газовых скважин газ накапливается в емкостях, из которых далее периодически вывозится транспортными средствами. В случае больших дебетов может строиться система транспортных газопроводов.
Воздействие промышленности, связанной с добычей сланцевого газа, на поверхностные водоемы проявляется в двух направлениях. С одной стороны, это забор из водоемов или других источников водоснабжения больших объемов воды (табл. 1), а с другой стороны, это загрязнение поверхностных вод веществами, содержащимися в жидкости обратного притока, даже если эта жидкость подвергается предварительной очистке.
Второй аспект воздействия добычи сланцевого газа на поверхностные водоемы и почвы связан с выходом жидкости обратного притока. Основное ее количество оказывается на поверхности в течение 7 – 10 дней и зависит от условий залегания пласта. Однако и после этого срока жидкость продолжает поступать на поверхность. В зависимости от месторождения возврат составляет от 25 до 70% закачанного объема воды (табл. 4).
Табл. 4. Выход вод обратного притока после гидроразрыва пласта на различных месторождениях США [9]
Для оценки влияния разработки месторождений сланцевого газа на поверхностные водоемы в течение 2000 – 2011 гг. на территории месторождения Marcellus было исследовано [10] более 20 000 проб воды, взятых из различных речных систем. Основное внимание было обращено на содержание в воде хлоридов щелочных металлов и взвешенных частиц. В результате было установлено, что при сбросе сточных вод, прошедших обработку на муниципальных предприятиях по очистке сточных вод, в речном стоке возрастает концентрация хлорид-ионов, а концентрация взвешенных частиц остается без изменения. При этом, чем больше предприятий задействовано для обработки жидкости обратного притока, тем выше содержание в воде хлорид-иона – в среднем каждые 1,5 предприятия увеличивают концентрацию хлорид-иона на 10 – 11%. Следствием роста концентрации хлорид-иона может быть деградация водных экосистем и высвобождение из донных осадков фосфатов и тяжелых металлов.
Что касается концентрации взвешенных частиц в речном стоке, то оказалось, что ее повышение зависело от присутствия в водосборной площади газовых скважин. При этом было установлено [10], что на каждые 18 буровых площадок приходится повышение концентрации взвешенных частиц на 5%. Взвесь состояла из неорганических и органических частиц, которые имели явно антропогенное происхождение.
Эффекты радиоактивности
Одной из серьезных проблем, которые порождает добыча полезных ископаемых, в том числе сланцевого газа, является вынос на поверхность в ходе бурения скважин и их эксплуатации природных радионуклидов и радиоактивных продуктов их расщепления, например радона. Сланец содержит значительное количество природных радионуклидов. Особенно много в нем таких изотопов, как 87Rb, 232Th и 238U. Большинство сланцевых месторождений США содержит (1,6 – 2,0)х10-3 % урана, или в 25 больше, чем в окружающих пласт породах. В частности, повышенной радиоактивностью обладают так называемые «черные сланцы», составляющие месторождение Marcellus.
Распад природных радиоактивных элементов приводит к образованию радиоактивного газа радона, который при разрушении пласта мигрирует к поверхности земли и может проникать в здания и сооружения, становясь источником облучения персонала и населения.
В графстве Onondaga (штат Нью-Йорк), в недрах которого находятся пласты месторождения Marcellus, радон (222Rn) был обнаружен в 410 домах. Среднее его содержание составляло 326 Бк/м3 , что значительно выше установленного ЕРА безопасного уровня содержания 222Rn в 148 Бк/м3. При этом среднее содержание радона в домах США составляет 48 Бк/м3. Установлено также, что рост содержания радона на 100 Бк/м3 приводит увеличению заболеваний раком легких на 10%.
