МЕТОДЫ ДОБЫЧИ СЛАНЦЕВОГО ГАЗА И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

METHODS FOR THE PRODUCTION OF SHALE GAS AND THEIR IMPACT ON THE ENVIRONMENT

Yuri Nifontov

doctor of technical Sciences, Professor of the St. Petersburg State Marine Technical University,

head of Department of Ecology of industrial zones and waters,

Russia, Saint Petersburg

Olga Surzhanskaia

master of the Department of Ecology of industrial zones and waters

of the St. Petersburg State Marine Technical University,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

Одной из проблем использования традиционных источников энергии является ограниченность их запасов, что, в итоге, приведет к полному истощению ископаемого топлива. Проблема настолько очевидна, что не нуждается в доказательстве. В настоящее время обсуждается лишь время, в течение которого запасы ископаемого углеводородного топлива иссякнут. По пессимистическим прогнозам этих запасов осталось на 30–40 лет. Существуют и более оптимистические прогнозы, но все они не превышают ста лет. Это значит, что не позднее последней четверти текущего столетия наступит энергетический кризис использования традиционных источников энергии. В связи с этим особый интерес вызывает разработка газосланцевых месторождений и добыча сланцевого газа, который совмещает в себе качества природного газа и одновременно является возобновляемым источником энергоресурсов.

В мировом сообществе возникает множество споров относительно плюсов и минусов разработки газосланцевых месторождений. Сторонники добычи сланцевого газа говорят о позитивных факторах: возможность добычи сланцевого газа в плотно заселенных районах и непосредственная близость к конечному потребителю. С другой стороны, противники разработки газосланцевых месторождений приводят ряд негативных и существенных факторов: добыча сланцевого газа нерентабельна, месторождения характеризуются быстрой истощаемостью и падением первоначальных дебитов, в ряде случаев коэффициент извлечения сланцевого газа не превышает 20 % и, один из самых существенных минусов – экологические риски в процессе разработки и добычи сланцевого газа. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, посвященные проблеме снижения экологических рисков при освоении газосланцевых месторождений.

Целью работы является оценка воздействия на окружающую среду методов повышения газоотдачи при добыче сланцевого газа.

Современный базовый метод добычи сланцевого газа, а именно гидравлический разрыв пласта (ГРП), оказывает негативное воздействие на все компоненты окружающей среды. И для снижения воздействия в настоящее время ведутся разработки новых, экологически безопасных безводных и экономичных методов, в числе которых плазменно-импульсное воздействие на пласт, газодинамический и криодинамический разрывы пласта.

В результате проделанной работы, был сделан вывод о том, что вышеуказанные методы находятся на одном уровне с таким высокоэффективным методом, как гидравлический разрыв пласта, однако стоимость операции при этом каждого из методов значительно меньше, чем при реализации ГРП.

ABSTRACT

One problem with the use of traditional energy sources is their limited reserves, which eventually lead to the complete exhaustion of fossil fuels. The problem is so obvious that it needs no proof. Currently under discussion time during which the fossil hydrocarbon fuel reserves will run out. According to the pessimistic forecasts of reserves remained at 30–40 years. There are also more optimistic forecasts, but they do not exceed one hundred years. This means that no later than the last quarter of this century, the energy crisis will come the use of traditional energy sources. In this regard, of particular interest is the development of shale gas and shale gas production, which combines the quality of natural gas and at the same time, is a renewable source of energy.

In the international community there is a lot of debate regarding the pros and cons of the development of shale gas. Supporters of shale gas extraction say the positive factors: the possibility of shale gas production in densely populated areas and close proximity to the end consumer. On the other hand, the opponents of mining shale gas cause a number of negative and significant factors: shale gas production unprofitable, the field is characterized by rapid exhaustion and fall of the initial flow rates, in some cases, shale gas extraction ratio does not exceed 20 % and one of the most significant downsides – environmental risks in the development and production of shale gas. In this regard, of particular relevance acquire the studies on the problem of reducing the environmental risks associated with the development of shale gas.

The aim of the work is to evaluate the environmental impact of shale gas production methods.

Modern method of extraction of shale gas, namely hydraulic fracturing has a negative impact on all components of the environment. And to minimize exposure is currently underway to develop new, environmentally safe and economical methods, including plasma-pulse impact, gas-dynamic fracturing and cryo-fracking.

As a result, it was concluded that the above methods are flush with hydraulic fracturing, but the cost of operation with each of the methods is significantly less than fracturing implementation.

Ключевые слова: сланцевый газ; нетрадиционные ресурсы; горизонтальное бурение; гидравлический разрыв пласта; экологические проблемы добычи нетрадиционных ресурсов.

Keywords: shale gas; unconventional resources; horizontal drilling; hydraulic fracturing; environmental concerns production of unconventional resources.

В настоящее время в связи с наращиванием темпов производства и истощением запасов традиционных источников энергии особый интерес у мирового сообщества вызывает разработка нетрадиционных скоплений углеводородов, наиболее обсуждаемым из которых является сланцевый газ.

Под «сланцевыми» газами понимаются природные, преимущественно метановые газы, хранящиеся в толще сланцевого слоя осадочной породы Земли в небольших газовых образованиях, коллекторах.

Первая коммерческая газовая скважина в сланцевых пластах была пробурена в США в 1821 г. под руководством Вильяма Харта на месторождении Fredonia (New York) во время исследований грунтов. Ситуация изменилась с внедрением новых технологий – горизонтального бурения в сочетании с гидравлическим разрывом пласта и промышленная добыча была начата в 2000-ых годах.

В 2009 году в США прошла «газовая революция». С приходом к власти в США Барака Обамы главная цель новой энергетической политики страны направлена на снижение зависимости страны от импорта нефти и газа. В условиях ограниченности запасов нефти и газа в стране, особое внимание уделяется вопросам поддержки и развития добычи нетрадиционных источников энергии, что позволило стране выйти в лидеры по добыче данного вида топлива и приобрести новый статус экспортера [1, с. 30–33].

Мировые ресурсы газа составляют 641 трлн. м³, из которых 32 % залегают в сланцевых породах. Самыми богатыми по ресурсам сланцевого газа странами являются Китай, Аргентина, Алжир и США. Только на их долю приходится 45 % ресурсов сланцевого газа. Несмотря на обилие ресурсов сланцевого газа и в других странах, его активная добыча ведется только в США.

Огромные запасы и ресурсы традиционного газа в России, наличие подготовленных к разработке его крупных месторождений, а также успешные поисково-разведочные работы российских компаний на сахалинском шельфе «отодвигают» начало добычи трудно извлекаемого газа в отдаленное будущее. «Сланцевая газовая революция» в США не отразилась на процессах в газовой сфере России. Единственный прямой отклик на нее – это «прикидочные» оценки ресурсов трудно извлекаемого газа, выполненные специалистами научных организаций при опоре на параметры разрабатываемых газосланцевых полей США.

Однако запасов нефти и газа в России при существующем уровне добычи хватит на 23 и 52 года соответственно. Поэтому система энергоснабжения страны будет вынуждена переходить на возобновляемые источники, одним из перспективных вариантов которого является сланцевый газ ввиду своей экономичности и наличия большого количества месторождений.

К факторам, ограничивающим разработку сланцевого газа в разных странах, относятся отсутствие буровых мощностей, запасов пресной воды, развитой инфраструктуры и наличие достаточного количества традиционных источников [2, с. 59–61].

Ввиду быстрой потери продуктивности сланцевых скважин, основным способом добычи сланцевого газа является метод гидравлического разрыва пласта, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Технология добычи сланцевого газа методом ГРП

Он подразумевает бурение вертикальной и серии горизонтальных скважин длиной от 2 до 5 километров. После этого в готовую сеть скважин под высоким давлением подается специальный гелевый раствор из воды, проппанта и химикатов. Под высоким давлением нагнетаемого раствора в сланцевой породе образуются трещины и расширяются уже имеющиеся, высвобождая сланцевый газ, а проппант и химикаты не позволяют порам сомкнуться, и таким образом улучшается проницаемость сланцевых пород.

Сегодня первое место по добыче сланцевого газа занимают США. Уже сейчас в некоторых американских штатах можно наблюдать экологические проблемы, которые постепенно приобретают статус катастрофы. В местах добычи сланцевого газа концентрация метана в питьевой воде и в почве превышает норму в десятки раз, что приводит к усиление парникового эффекта. Газ и химические реактивы для гидравлического разрыва пласта загрязняют поверхностные и подземные воды, попадая в близлежащие водоносные горизонты, предназначенные для отбора питьевой воды. В больницах регистрируются тысячи отравлений химическими веществами в год, также в разы возросло количество онкологических заболеваний в районах, непосредственно прилегающих к зоне добычи сланцевого газа [3, с. 10].

В процессе ГРП закачиваемая жидкость разрушает процессы в самом грунте и в почве, что приводит к сейсмической нестабильности и землетрясениям амплитудой до 4 баллов. Растет число недовольных среди населения, как США, так и других стран, которые активно разрабатывают новые месторождения. Крупные месторождения сланцевого газа обнаружены в Австрии, Англии, Венгрии, Германии, Швеции, Польше, Китае и Украине [4, с. 123–132].

В ходе выполнения работы был произведен типовой расчет со стандартными исходными данными. Гидравлический разрыв пласта осуществляется в скважине глубиной Н=2000 м, с начальным дебитом скважины в Q₁ = 20 м³/сут.

Результатом расчета стали значения основных расчетных показателей гидравлического разрыва пласта. В результате проппантного ГРП с закачкой 26,7м³ жидкости-проппантоносителя; 8,9 т песка; 46м³ продавливающей жидкости дебит скважины увеличился в 2,17 раз. Время проведения ГРП составляет 1 ч 29 мин. Согласно выполненному расчету для создания эффективного ГРП необходимо преодолеть давление в 35,6 МПа [5, с. 140].

Однако на практике нефтегазоносные месторождения, в том числе и сланцевые, находятся на глубинах, превышающих 2000 м. Глубина залегания газоносных сланцев, как и традиционных месторождений нефти и газа, находится в очень широком диапазоне и может достигать 6000 м. Так, при добыче газа на газовом месторождении Haynesville Shale (Северная и Восточная Луизиана, Техас) используются глубокие вертикальные скважины 3200–4500 м; глубина Barnett Shale (Техас), первого месторождения сланцевого газа в США, достигает 2000–3000 м.

С увеличением глубины добывающей скважины увеличивается и давление разрыва пласта, которое на глубине 5000 м может достигать 90 МПа. Для России виду экономических санкций невозможность импорта оборудования может послужить основной причиной отсрочки начала добычи трудно извлекаемого газа.

Именно поэтому необходимо разрабатывать альтернативные, более экономичные, экологически чистые, безводные, не требующие создания большого давления, методы увеличения газоотдачи. В данной работе более подробно рассмотрены следующие технологии увеличения нефте- и газоотдачи: плазменно-импульсное воздействие на пласт, газодинамический и криодинамический методы разрывы пласта.

Метод плазменно-импульсного воздействия был разработан российскими учеными, во главе с профессором Санкт-Петербургского Горного университета А.А. Молчановым. Предполагает использование генератора плазменно-импульсного воздействия, принцип действия которого заключается в преобразовании энергии металлической плазмы в импульсное давление в жидкости для очистки призабойной зоны скважины.

Газодинамический разрыв пласта основан на воспламенении и сгорании горюче окислительного состава, в результате чего происходит необратимое расширение трещин. Технология разработана в ЗАО «Пермский инженерно-технический центр «ГЕОФИЗИКА» под руководством В.Н. Бабурова.

Криодинамический разрыв пласта (Крио ОПЗ) основан на применении жидкого азота и использовании двух физических явлений:

• криостатическое расширение пластового флюида при замерзании в микротрещиноватых породах на уровне матрицы, с целью разрушения межкристаллических связей и высыпания продуктов обработки в образовавшиеся поры;
• термодинамическое расширение жидкого азота в пласте при испарении.

Гидравлический разрыв пласта является первым и на текущий момент основным методом, позволяющим добывать сланцевый газ. Но ввиду губительного воздействия ГРП на компоненты окружающей среды в настоящее время учеными разрабатываются новые экологически более чистые безводные методы, которые являются более эффективными и экономичными, что наглядно отображено в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики методов добычи углеводородов

Рассмотренные методы находятся на одном уровне с таким высокоэффективным методом, как гидравлический разрыв пласта, однако стоимость операции при этом каждого из методов значительно меньше, чем при реализации ГРП. Развитие и применение экологичных и доступных технологий приведет к усовершенствованию и возможности безопасного освоения месторождений сланцевого газа.

Список литературы:

1. Захарченков И.А. Сланцевая революция: мифы и реальность [Текст] / И. Захарченков // Рынок ценных бумаг. – 2013. – № 6. – С. 30–33.
2. Лесничий В.Г., Николаев В.А. Трудная нефть. Что делать? // Нефть России. Нефтегазовая вертикаль. – 1998. – № 2. – С. 59–61.
3. Соловьянов А.А. Экологические последствия разработки месторождений сланцевого газа / Александр Соловьянов – М.: Зеленая книга, 2014. – 60 с.
4. Сорокин С.Н., Горячев А.А. Основные проблемы и перспективы добычи сланцевого газа // Сб. ст. по итогам научно-образовательной конференции «Экономика энергетики как направление исследований: передовые рубежи и повседневная реальность». – М., 2012. С. 123–132.
5. Юрчук А.М. Расчеты в добыче нефти – М.: Недра, 1969. – 240 с.