Что такое гидроразрыв? Плюсы и минусы

Фрекинг, сокращение от гидравлического разрыва пласта, представляет собой особую технику бурения, которая позволяет горнякам извлекать нефть и природный газ из горных пород, залегающих глубоко под поверхностью. Другими словами, это способствует восстановлению труднодоступных природных ресурсов.

Хотя эта технология была усовершенствована в 1950-х годах, на сегодняшний день она остается серьезной противоречивой проблемой как с экологической, так и с политической точки зрения.

Ниже мы обсудим процесс, связанный с гидроразрывом, его историю и его влияние на общество. Мы также собираемся изучить будущее этой техники.

Как работает гидроразрыв?

Схема процесса | Изображение предоставлено:Майк Нортон

Согласно Агентству по охране окружающей среды США или EPA, гидроразрыв - это процесс интенсификации притока скважин, который значительно увеличивает общее количество природных ресурсов, таких как нефть и природный газ, извлекаемые из сланцев и других горных пород.

Техника гидроразрыва пласта состоит из двух компонентов. Один из них - гидравлическое бурение, которое сначала выполняется вертикально, а затем горизонтально. Другой включает закачку или закачку жидкостей для гидроразрыва (мы немного поговорим об этом) в пробуренную скважину под высоким давлением.

Из чего состоит «жидкость для гидроразрыва»?

Вообще говоря, жидкость для гидроразрыва пласта - это в основном вода, смешанная с различными химическими веществами, включая кислоты, смазочные материалы и спирт. В дополнение к ним также добавляются небольшие количества мельчайших твердых частиц, таких как песок. Эти частицы известны как «проппанты».

Хотя необработанный песок является обычным проппантом, со временем он подвержен образованию мелких частиц (уменьшению размера). А для поддержания идеального размера зерна песок часто покрывают смолой, чтобы получить специальный песок (песок с покрытием из отверждаемой смолы). Также существуют другие альтернативы, такие как боксит (спеченный) и керамика.

Агентство по охране окружающей среды США выявило в среднем 14 химических веществ, используемых на участках гидроразрыва пласта в стране. Этанол, соляная кислота и нефтяные дистилляты были, пожалуй, наиболее распространенными среди них.

Процесс

Установка гидроразрыва пласта в Северной Дакоте | Изображение предоставлено:Джошуа Дубек

Процесс гидроразрыва начинается с пробуренной вертикально скважины, которая может простираться до 3 км ниже поверхности земли. Как только вертикальная скважина достигает определенной глубины (на которой лежит богатая минералами порода), она поворачивается на 90 градусов и продолжается горизонтально. Согласно публикации Техасского университета A&M, горизонтальное бурение может растягиваться до 1,6 км от точки пересечения.

По окончании бурения скважину закрывают; Закаленная полая труба (сделанная из стали или цемента) вставляется для предотвращения разлива углеводородов и жидкостей гидроразрыва в подземные источники воды.

Затем жидкость для гидроразрыва нагнетается в скважину в условиях чрезвычайно высокого давления. Этот процесс часто выполняется при уровнях давления более 62 000 килопаскалей, что составляет около 9 000 фунтов на квадратный дюйм или фунтов на квадратный дюйм.

При высоких давлениях жидкость гидроразрыва создает трещины и трещины в породах, через которые углеводороды (нефть и природный газ) могут протекать очень свободно. Частицы песка или проппанты сохраняют эти трещины открытыми даже после сброса давления, обеспечивая непрерывный высвобождение ценных ресурсов.

Наряду с уловленными нефтью и газом из скважины выходит большое количество сточных вод или «возвратной» жидкости. Откачиваемая жидкость содержит воду и различные токсичные загрязнители, включая тяжелые металлы, радиоактивные материалы и другие токсины.

Открытый устье скважины | Изображение предоставлено:Джошуа Дубек

Сточные воды из скважин гидроразрыва можно либо утилизировать, либо повторно использовать после очистки. Однако у обоих методов есть свои сложности.

История гидроразрыва

Первое зарегистрированное использование техники моделирования горных пород датируется 1860-ми годами. Динамиты часто использовались для увеличения общей добычи нефти из геологических формаций. Эта идея легла в основу техники «взрывающейся торпеды», которую в 1865 году разработал ветеран гражданской войны в США полковник Эдвард А. Л. Робертс.

Здесь канистры со взрывчаткой (изначально порох или нитроглицерин) были привязаны веревкой к колодцу, который уже заполнен водой, чтобы усилить эффект взрыва. Взрыв торпеды приведет к разрушению минеральной породы и удалению парафинового парафина, который со временем накапливается, чтобы обеспечить непрерывный поток нефти.

До того, как торпеды, заполненные нитроглицерином, заливали кипятком или бензолом, чтобы попытаться растворить парафин.

Современная версия гидроразрыва пласта была внедрена в США в конце 1940-х годов.

Преимущества и экономические эффекты

Технология гидроразрыва пласта не только позволяет энергетическим компаниям извлекать ценные ресурсы из труднодоступных резервуаров, но и получать их в более значительных количествах (по сравнению с традиционными методами).

Хотя гидроразрыв используется в основном при добыче нефти и природного газа, он может применяться и в других условиях. Например, он может стимулировать скважины с грунтовыми водами или помочь избавиться от отходов глубоко в скалах.

Замечательный рост технологий гидроразрыва пласта в Соединенных Штатах резко увеличил добычу нефти и газа в стране. В 2008 году общий объем добычи природного газа в стране превысил объем добычи в России, и она стала крупнейшим производителем природного газа в мире.

Кстати, в 2013 году страна обогнала Саудовскую Аравию и стала крупнейшим производителем нефти в мире.

Крупнейшие страны-производители природного газа | Изображение предоставлено Statista

Мировой спрос на природный газ будет только расти. Согласно прогнозу консалтинговой компании McKinsey в 2019 году, спрос на СПГ (сжиженный природный газ), вероятно, будет увеличиваться на 3,6 процента в год до 2035 года.

Ожидается, что благодаря своим обширным запасам сланцевого газа и передовой технологии гидроразрыва пласта к тому же периоду Соединенные Штаты будут поставлять более половины мирового природного газа.

Исследования, проводимые для определения экономического аспекта гидроразрыва пласта, были в основном положительными. В отчете Brookings Institution за 2017 год указывается, что одна только добыча сланцевого газа увеличила потребительские выгоды на душу населения до 432 долларов в западно-южно-центральном регионе США.

Кроме того, усиление гидроразрыва пласта значительно снизило годовые расходы страны на газ. Общая годовая экономическая выгода от этого метода составляет около 74 миллиардов долларов.

Однако гидроразрыв может отрицательно сказаться на таких секторах экономики, как сельское хозяйство. По крайней мере, одно исследование показало, что урожайность орошаемых культур в городе снижается на 5,7 процента, когда скважина пробурена в непосредственной близости (радиус 11-20 км). Согласно тому же исследованию, канадская провинция Альберта потеряла около 14,8 млн долларов сельскохозяйственных доходов в 2014 году.

Безопасен ли гидроразрыв? Это влияние на окружающую среду и общество

Нет сомнений в том, что обширный гидроразрыв пласта преобразовал энергетический рынок Америки и сделал его самостоятельным на ближайшие сто лет. Это способствовало росту экономики США, и многие страны по всему миру пытались повторить то же самое.

Однако эта технология подвергается широкой критике даже в Соединенных Штатах.

Марш чистой энергии в Филадельфии (2016 г.) | Марк Диксон / Flickr

Использование гидроразрыва пласта в течение длительного периода может нанести вред окружающей среде более чем одним способом. Загрязнение грунтовых вод, частые землетрясения, шумовое загрязнение, высокий уровень водопотребления, изменение климата и общий риск для здоровья были связаны с гидроразрывом.

Вот уже несколько десятилетий противники гидроразрыва пласта гоняют на буксире против тех, кто его поддерживает. Сторонники гидроразрыва пласта часто ссылаются на его экономические преимущества и тот факт, что природный газ является гораздо более чистой заменой угля.

Наибольшую озабоченность при использовании этой технологии вызывает загрязнение грунтовых и поверхностных вод. В 2016 году исследование, проведенное Домиником ДиДжиулио, бывшим ученым EPA, предполагает, что водозаборные скважины в Павильоне (Вайоминг) загрязнены вредными химическими веществами, которые используются в жидкости для гидроразрыва пласта. Были сделаны и другие аналогичные выводы. Потенциально высокий риск загрязнения подземных вод и воздуха в результате гидроразрыва пласта был определен в отчете 2012 года Генерального директората ЕС по окружающей среде.

Огромное количество воды, необходимое для жидкости для гидроразрыва, также является серьезной проблемой. Средние по размеру установки гидроразрыва пласта (одиночная скважина) используют до 3,5 миллионов галлонов воды, а большие - около 5 миллионов галлонов.

Процесс закачки жидкости при гидроразрыве пласта часто связан с индуцированными сотрясениями. Хотя эти толчки обычно незначительны, немногие из них достаточно сильны, чтобы вызвать материальный ущерб. Сообщается, что около 8 миллионов человек, проживающих в американских штатах Колорадо, Нью-Мексико, Техас, Канзас и Оклахома, сталкиваются с опасностью землетрясений, вызванных гидроразрывом.

Фрекинг также оказывает немедленное и долгосрочное воздействие на здоровье. Предварительное исследование, проведенное Центрами по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) в 2014 году, предполагает, что работники гидроразрыва пласта подвергаются опасному воздействию бензола (химического соединения, повышающего риск рака). У них также могут развиться другие тяжелые заболевания, например силикоз.

Прочтите:Каковы возможности добычи астероидов с помощью бактерий?

Фрекинг в других регионах мира

Помимо Соединенных Штатов, гидроразрыв пласта проводится в других странах мира, по крайней мере, в некоторой степени. В настоящее время гидроразрыв в Южной Африке находится на начальной стадии развития. Это относительно широко распространено в Канаде, где в 2012 году действовало более 356 буровых установок.

Такие европейские страны, как Германия и Великобритания, внедрили технологию гидроразрыва пласта в 1970-х годах. Однако сегодня эти страны либо полностью запретили, либо ввели временные запреты на это.

В 2011 году после общенациональных протестов Франция стала первой страной, полностью запретившей его использование.

Правительственные постановления

Страны, которые в настоящее время используют технологию гидроразрыва пласта (в любой степени), имеют по крайней мере некоторые правила и положения на национальном, региональном и местном уровнях.

В Соединенных Штатах при проведении гидроразрыва не требуется раскрывать подробную информацию о химических веществах, используемых в процессе (в противном случае это является обязательным в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде). Хотя штаты обязаны соблюдать федеральный закон, они могут устанавливать системы безопасности и правила. Некоторые штаты, включая Техас, Вайоминг и Мичиган, требуют, чтобы горнодобывающие компании раскрывали такие подробности.

Читайте:12 самых твердых минералов в мире | По шкале Мооса

Вермонт стал первым штатом США, запретившим гидроразрыв пласта в 2012 году. Три года спустя за ним последовал Нью-Йорк.