Цемент пускает пузыри

Сточная вода из нефтяной скважины, Мидленд, штат Техас. Фото: Pat Sullivan / AP

Геологи нашли причину загрязнения грунтовых вод при добыче сланцевой нефти и газа

Александр Телишев

16 сентября, 2014 10:46

11 мин

Американские ученые проследили за работой скважин, добывающих нефть и газ из пластов сланца, и пришли к выводу, что главная причина загрязнения близлежащих грунтовых вод углеводородами — ошибки при проектировке и постройке цементных колодцев, через стенки которых газ просачивается во внешний мир. Исправление этих конструктивных недочетов должно в разы снизить загрязнение вод и ликвидировать большую часть экологических проблем, связанных с добычей сланцевых углеводородов, уверены авторы статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Мы обнаружили восемь групп близкорасположенных скважин — семь на территории Пенсильвании и одну в Техасе — где грунтовые воды были загрязнены. Собранные нами данные четко указывают на то, что источником загрязнения послужили утечки газа, возникшие из-за плохой изоляции скважины и из-за проблем с цементировкой. Это открытие — хорошая новость для всех нас, так как подавляющее большинство проблем, которые мы раскрыли, можно избежать в будущем после улучшений в герметичности колодцев», — объясняет Томас Дарра из Университета Дьюка в Дареме (США).

Дарра и его коллеги пришли к такому выводу в ходе наблюдений за круговоротом воды и химикатов, которые нефтяные компании используют во время «разрыва» пластов сланцев и при извлечении углеводородов из их толщи. В общей сложности геологи и химики проанализировали свыше 150 проб воды из артезианских колодцев, собранных в окрестностях скважин сланцевой нефти на территории Пенсильвании и Техаса. Число подобных вышек стремительно растет в последние годы в этих штатах и в других уголках США, и их появление часто вызывает недовольство местных жителей.

Соединенные Штаты, Великобритания и многие другие государства обладают обширными запасами сланцев, в толще которых содержится значительное количество нефти и природного газа. По большей части они состоят из негорючих минералов, что осложняет извлечение из них органики и ее переработку. В последние годы идея извлекать топливные ресурсы из сланцев нашла большое количество противников и сторонников практически во всех нефтяных державах мира.

Добыча сланцевого газа и нефти вызывает беспокойство у экологов по той причине, что грунтовые воды у многих скважин загрязняются этаном и метаном, концентрация которых часто превышает предельно допустимые концентрации в сотни и тысячи раз. В последние годы вопрос добычи топливных ресурсов из залежей сланца становится вопросом политическим. Как пишет Шерин Киршенбаум, директор Центра энергоопросов в Университете Техаса в Остине, быстрый рост сланцевого сектора позволил Соединенным Штатам выйти на первое место в мире по добыче нефти и впервые за последние сорок лет снизить зависимость экономики страны от зарубежного «черного золота».

Нефтеперерабатывающий завод Шеврон в Ричмонде. Фото: Ben Margot / AP

Добыча сланцевого газа, как передает Associated Press, будет еще быстрее расти в ближайшие годы. Только в августе этого года «Шеврон», BP, ConocoPhilips и несколько других крупных нефтяных компаний потратили в общей сложности свыше 140 миллионов долларов на покупку прав на извлечение полезных ископаемых на 1600 квадратных километрах морского дна у берегов Техаса, где находятся крупные залежи сланцев. В ближайшие пять лет правительство США проведет аукционы еще на 87 тысячах квадратных километров морского дна, чья общая стоимость составляет как минимум 2,6 миллиарда долларов. Это решение вызвало протесты среди жителей тех районов Пенсильвании и Техаса, где добыча сланцевого газа и нефти уже привела к загрязнению грунтовых вод.

В появлении и работе таких сообществ чиновники США начинают видеть руку «пятой колонны» из России. Неделю назад Дэвид Портер, комиссионер нефтяного ведомства штата, направил письмо госсекретарю США, в котором он попросил Джона Керри ввести дополнительные санкции против «Газпромбанка», который, по мнению техасского чиновника, финансирует подобные организации. Местные активы российского банка, используемые внутри Америки, не попадают под секторальные санкции, что позволяет «Газпрому» (как пишет комиссионер) тратить их на финансирование противников «фрекинга». По словам Портера, подобные пиар-кампании, которые на средства российского газового гиганта проводила компания Ketchum, уже привели к запрету добычи сланцевого газа в Австрии, Италии, Франции, Чехии и в других европейских странах.

Авторы статьи проверили на практике один из основных тезисов противников фрекинга — то, что разрыв сланцевых пластов и горизонтальное бурение неизбежно приводит к появлению трещин в нефтеносных породах, через которые загрязненная вода и газы выходят из сланца. Для этого геохимики стали следить не только за концентрацией метана, этана и других газов и жидких углеводородов, а также за долями гелия, небольшое количество которого всегда присутствует в нефтеносных пластах сланца.

Благородные газы, такие как гелий, химически инертны, и их доля в атмосфере и почве крайне мала. Благодаря своей небольшой атомной массе, гелий быстрее движется к поверхности Земли сквозь породы и почвы по сравнению с метаном и более тяжелыми углеводородами. Эта физическая особенность позволяет ученым практически с абсолютной точностью находить точки, откуда произошла утечка углеводородов в грунтовые воды, ориентируясь на разницу в концентрации гелия в воде из артезианских колодцев и в нефти или газе из скважины.

Начиная с декабря 2012 года, Дарра и другие участники его научной команды начали наблюдать за распространением благородных газов в окрестностях этих нефтяных скважин, попутно замеряя уровни метана, этана и прочих углеводородов, которые обычно загрязняют грунтовые воды. Предварительные итоги этого исследования были опубликованы в том же журнале PNAS около года назад — тогда геохимики показали, что питьевая вода была загрязнена этаном и метаном на расстоянии в километр от скважин на территории Пенсильвании. В общей сложности штат потерял около 7% от общего числа артезианских источников воды. Сторонники фрекинга посчитали предоставленные авторами статьи данные недостаточными, указав на возможность появления метана в воде в результате жизнедеятельности микробов в глубинных слоях почвы или каких-либо природных геологических процессов.

На акции против загрязнения грунтовых вод, Флауэр Маунд, Texas LM Otero / AP

Еще во время подготовки первой статьи к публикации ученые обратили внимание на необычную вещь: колодцы у одной нефтяной скважины могли быть сильно загрязнены, тогда как источники воды у соседней с ней вышки были практически кристально чистыми. Это натолкнуло Дарру и его коллег на мысль о том, что причиной утечек были не трещины в пластах сланца, а проблемы с герметичностью скважины, то есть человеческий фактор. Они проверили эту гипотезу, сопоставив уровни гелия в воде в окрестностях нескольких «грязных» и «чистых» скважин.

Оказалось, что в загрязнении воды действительно был виноват человек. Стабильно высокие доли гелия в воде в окрестностях всех загрязняющих природу нефтяных и газовых вышек на территории Пенсильвании и Техаса указали на то, что утечки происходят не в нижней части скважины, в самих пластах сланцев, а практически у ее поверхности. Судя по тому, что концентрация гелия в воде была максимально высокой в тех артезианских колодцах, которые были расположены ближе всего к вышкам, метан и другие газы поднимаются вверх и проникают в грунтовые воды через сам ствол скважины.

Для предотвращения подобных утечек, как объясняют исследователи, нефтяные компании обычно заливают цементом пустые пространства между трубами, по которым в скважину закачивается вода и выкачиваются нефть и газ. По всей видимости, часто это процедура осуществляется неправильно при добыче сланцевой нефти и газа и в цементной «трубе» возникают трещины и пустоты, через которые газообразные углеводороды проникают в грунтовые воды.

«Подобные результаты исключают возможность того, что метан мог проникнуть в артезианские колодцы из глубинных горных пород в результате горизонтального бурения или разрыва пластов сланцев при помощи давления воды, чего опасались некоторые люди», — добавляет Авнер Венгош, другой автор статьи из университета Дьюка.

Как считают исследователи, все эти проблемы с герметизацией скважины достаточно легко исправить, если нефтедобывающие компании примут на вооружение новые стандарты по цементировке скважин. Подобная мера, как говорят Дарра и его коллеги, позволит им резко снизить потенциальную опасность добычи сланцевого газа и нефти, и примириться с противниками этого способа добычи «черного золота» и «голубого топлива».

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе