экологические проблемы «сланцевой революции»

Антропоэкосистема
120
В.А. Щерба
Экологические проблемы
«сланцевой революции»
В статье описаны экологические проблемы, связанные с резким увеличением
объема добычи сланцевого газа в США в результате использования революционных технологий, а также возможные пути решения этих проблем.
Ключевые слова: сланцевый газ, сланцевая революция, нетрадиционный газ,
выбросы газа из скважин, гидравлический разрыв пласта, поверхностные воды,
грунтовые воды, загрязнение, загрязнители, сейсмические риски, экологические
проблемы.
В последнее время в прессе и научных публикациях часто встречается
понятие «сланцевая революция», которая означает внедрение в промышленную эксплуатацию технологии добычи газа из залежей сланцевых
пород в США в начале XXI в. Здесь в больших объемах осуществляется добыча сланцевого газа из сланцевых месторождений. Использова-
121
Социально-экологические
технологии
ние горизонтального бурения в сочетании с гидравлическим разрывом
пластов (ГРП) значительно расширили возможности производителей
выгодно добывать природный газ из геологических образований с низкой проницаемостью, особенно сланцевых пластов. Сланцевый газ – это
разновидность природного газа, хранящегося в виде небольших газовых образований в коллекторах, в толще сланцевого слоя осадочной
породы Земли. Запасы отдельных газовых коллекторов невелики, но в
совокупности они огромны и требуют специальных технологий добычи. Сланцевые залежи встречаются на всех континентах, таким образом, практически любая энергозависимая страна может себя обеспечить
необходимым энергоресурсом. Благодаря «сланцевой революции» США
стали крупнейшим производителем сланцевого природного газа в мире,
что повлекло падение мировых цен на этот энергоноситель. Результатом
сланцевой революции стал тот факт, что доля сланцевого газа в общем
объеме национальной добычи природного газа США в 2012 г. достигла
40% [1; 3].
Запасы сланцевых пород равномерно распределены по всему миру,
они есть как на суше, так и на морском дне. Отличается только глубина
залегания пласта, которая варьируется от 200 м до 7 км. По оценке Департамента энергетики США, объем «технически извлекаемых» мировых
запасов сланцевого газа в 41 стране мира составляет более 200 трлн. м3.
Ведущее место по извлекаемым запасам сланцевого газа в порядке убывания занимают Китай, Аргентина, Алжир, США и Канада. Россия по
запасам сланцевого газа находится на 9 месте. Следует отметить, что по
сравнению с 2011 г. суммарные извлекаемые запасы сланцевого газа в
мире увеличились на 10% [6; 7].
Преимуществом добычи сланцевого газа в отличие от крупнейших
традиционных месторождений является приближенность к центрам потребления. Вместе с тем, добыча сланцевого газа приводит к возникновению серьезных экологических проблем из-за охвата больших площадей, а также значительного и интенсивного нарушения целостности
недр. Среди основных экологических проблем, возникающих при освоении месторождений сланцевого газа, необходимо выделить следующие:
загрязнения поверхностных вод и почвы, загрязнение грунтовых вод,
газовые выбросы, сейсмические риски [2].
В связи с использованием значительного количества различных химических реагентов на буровых площадках и большого количества твердых и жидких отходов, получаемых в процессе бурения скважин, особое
внимание необходимо уделять тому, чтобы эти вещества не загрязняли
поверхностные воды и почву во время их транспортировки, хранения и
Антропоэкосистема
122
утилизации. Жидкости, используемые для проведения современной операции гидравлического разрыва пласта (ГРП), как правило, на 95–98%
состоят из воды и пропантов, и лишь незначительную часть составляют
различные химические реагенты. Поскольку состав жидкостей для ГРП в
каждом случае будет индивидуален по составу химических реагентов и
эти вещества могут быть опасными при достаточной концентрации, регулирующим органам и специалистам по здравоохранению необходимо
производить тестирование воды и почвы. Для снижения экологических
рисков необходимо проводить исследования по созданию более безвредных жидкостей для ГРП. Для хранения и очистки жидкостей необходимо
использование закрытых резервуаров с постоянной проверкой герметичности всех соединений и целостности самых резервуаров для избегания
разливов вредных веществ на земную поверхность.
Горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта способствуют увеличению объема добычи сланцевого газа, но их потенциальное воздействие на
окружающую среду остается пока негативным. Острой проблемой является загрязнение грунтовых вод. Дело в том, что при проведении ГРП в
глубоких образованиях сланца могут возникнуть микротрещины, через
которые метан и жидкости для ГРП могут мигрировать в вышележащие
водоносные горизонты, предназначенные для отбора питьевой воды.
Увеличенное содержание рассеянных газов было обнаружено во многих скважинах с питьевой водой в пределах крупнейшего месторождения
сланцевого газа Марцеллус. Американские ученые проанализировали
141 скважину с питьевой водой на территории Аппалачской физикогеографической провинции в северо-восточной Пенсильвании. Изучение
концентраций природных газов проводилось в непосредственной близости от скважин со сланцевым газом. В 82% проб в скважинах с питьевой
водой был обнаружен метан со средними концентрациями в 6 раз выше
нормативных показателей. Исследуемые водяные скважины находились
на расстоянии менее 1 км от скважин с природным газом. Содержание
этана было в 23 раза выше нормы при расстоянии менее 1 км от газовых
скважин. Пропан был обнаружен в 10 водозаборных скважинах, все они
находились на расстоянии в пределах примерно 1 км [4].
Гидравлический разрыв в толщах горных пород опасен, т.к. способствует возникновению различных форм загрязнения воды. Существующие
потенциальные пути загрязнения, горизонтальный перенос через весь
объем породы и преимущественный поток через трещины, могут способствовать переносу загрязняющих веществ из трещиноватых сланцев
к водоносным горизонтам. Есть немало доказательств того, что природные трещины могут привести к вертикальной миграции загрязняющих
123
Социально-экологические
технологии
веществ, в основном, рассолов, близко к поверхности из глубинных соленосных источников. В соответствии с проведенным моделированием для
такой миграции загрязняющих веществ к поверхности может потребоваться до десятков тыс. лет. Однако ГРП сланцев может сократить сроки
этого перемещения до десятков и сотен лет. Возникающие неисправности
оборудования и наличие зон разломов, присутствие которых на территории месторождения Марцеллус вполне возможно, может сократить время
переноса загрязняющих веществ. При использовании гидроразрыва пласта необходима система мониторинга для отслеживания перемещения
загрязняющих веществ из газовых скважин [5].
Одной из основных причин загрязнения подземных источников питьевых вод может быть также плохое цементирование затрубного пространства обсадных колонн. В настоящее время существует широкий круг
мероприятий, позволяющий определить качество цементирования и
решить подобную проблему. Постоянный контроль и тестирование позволят производителям и регулирующим органам предотвращать такие катастрофы.
Выбросы газа из скважин в Пенсильвании и Западной Виржинии во
время буровых работ на газосланцевом месторождении Марцеллус свидетельствуют об экологических проблемах, связанных с бурением в зоне
высоких давлений и закачке под давлением жидкостей для ГРП. Так, в
Пенсильвании выброс газа произошел, потому что противовыбросовое
оборудование не было рассчитано на столь высокое давление. В Западной
Виржинии, по сообщениям специалистов, они столкнулись с карманом
метана в заброшенной угольной шахте на глубине порядка 300 м, а противовыбросовое оборудование тогда еще не было установлено [2].
Еще одной экологической проблемой, связанной с добычей сланцевого газа, является возникновение землетрясений с малой магнитудой
из-за бурения скважин и проведения ГРП. В частности, в 2008 и 2009 гг.
в городе Клебурн, штат Техас, произошли несколько землетрясений магнитудой до 3,3 баллов по шкале Рихтера. Поскольку в этом городе за
142-летнюю историю его существования никогда не были зарегистрированы землетрясения, некоторые жители предположили, что это вызвано
значительным увеличением объема местных буровых работ, связанных с
разработкой газосланцевого месторождения Барнетт. Исследования, проведенные сейсмологами из Техасского университета и Южного методического университета, не нашли убедительной связи между проведением
ГРП и этими землетрясениями. В то время, как процесс ГРП сопровождается большим количеством микросейсмических событий, их следы обнаружить на поверхности достаточно трудно. В целом, скважинные сейсмо-
Антропоэкосистема
124
метры обнаружили порядка 1000 микроземлетрясений. Магнитуда самых
сильных микроземлятресений составляет около 1,6. Данная проблема
требует дальнейших исследований. От проведения столь частых операций ГРП и способности сланцев легко расщепляться на отдельные пластины могут возникнуть техногенные катастрофы на поверхности [2; 4].
Наличие нетрадиционных ресурсов природного газа дает возможность
получить доступ к относительно чистым видам ископаемого топлива, что
потенциально может привести к энергетической независимости для некоторых стран. Горизонтальное бурение и гидроразрыв позволяют сделать
добычу газа из сланцевых пластов экономически целесообразной. Однако эти технологии не свободны от экологических рисков. Они связаны с
региональным ухудшением качества воды, миграцией газа, перемещением загрязняющих веществ через искусственные и природные трещины,
сбросом сточных вод, а также аварийных разливов. Использование долгосрочного мониторинга поможет управлять качеством воды и уменьшить экологические риски сегодня и в будущем [3].
Анализ данных, полученных в процессе освоения месторождений сланцевого газа, говорит о наличии целого ряда экологических проблем. Практически все отходы бурения (смесь метана, химикаты и органические соединения) на данный момент сжигаются. Смог, возникающий при этом,
является не только сильным парниковым газом, но и мощным канцерогеном. Экологи отмечают, что в населенных пунктах, находящихся недалеко от бурильных скважин, наблюдается значительное увеличение онкологических заболеваний у людей и животных. Если разрабатываемый пласт
залегает неглубоко (200–500 м), возможно загрязнение грунтовых вод
вследствие проникновения в них химикатов, используемых при гидравлическом разрыве пласта. Отмечаются локальные землетрясения, вызываемые деформацией пород при закачке в них жидкости во время гидравлического разрыва пласта [3–5].
В процессе эксплуатации скважин по добыче сланцевого газа на месторождениях США в течение последних лет было установлено, что
нерешенными оказываются многие проблемы, в частности, технология
гидравлического разрыва пласта требует крупных запасов воды вблизи
месторождений. Для одного гидравлического разрыва пласта используется смесь воды (7 500 т), песка и химикатов. В результате этого вблизи месторождений скапливаются значительные объемы отработанной
загрязненной воды, которая не утилизируется добытчиками с соблюдением экологических норм. По данным экологов, добыча сланцевого газа
приводит к значительному загрязнению грунтовых вод толуолом, бензолом, диметилбензолом, этилбензолом, мышьяком и др. Некоторые ком-
Библиографический список
1. Адамович Г.А., Дербичев А.-Г.Б. Возможна ли сланцевая революция в России? // Экология и жизнь. 2013. №1. С. 52–57.
2. 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.
125
Социально-экологические
технологии
пании используют соляно-кислотный раствор, загущенный с помощью
полимера: для одной операции гидравлического разрыва пласта используется 80–300 т химикатов.
В ряде случаев в отходах сланцевых месторождений отмечается увеличенное значение радиоактивности сланцевого шлама, в десятки раз превышающие допустимые нормы.
При добыче сланцевого газа имеются значительные потери метана,
что приводит к усилению парникового эффекта. В Брюсселе опубликован отчет о результатах исследований Агентства по охране окружающей
среды США. В отчете приведены факты, подтверждающие, что выбросы
парниковых газов при добыче сланцевого газа больше, чем у угля, нефти
и обычного газа. Общий объем потерь метана при добыче газа составляет 3,6–7,9%.
В последнее время в США разработан новый метод добычи сланцевого
газа. Это так называемый метод безводного разрыва. В отличие от метода гидравлического разрыва пласта, где используется смесь песка, воды и
химических реагентов, здесь используется гель из сжиженного пропана.
Таким образом, в процессе поисков, разведки и освоения месторождений сланцевого газа возникает значительное количество экологических
проблем, большинство из которых могут быть решены в процессе совершенствования технологии добычи сланцевого газа, а также за счет более
жесткого контроля процессов бурения и добычи газа. Одним из важных
вопросов является изучение влияния ГРП на возникновения сейсмической активности и различного рода оползней. Перспективы добычи сланцевого газа весьма значительны, особенно в слабозаселенных районах и в
странах, которые выражают согласие на снижение уровня экологической
безопасности. В настоящее время практически во всех странах, где имеется возможность начать промышленную добычу сланцевого газа, а также в
США, созданы экологические комиссии по рассмотрению экологических
рисков, связанных с добычей сланцевого газа.
Антропоэкосистема
126
3. Impact of Shale Gas Development on Regional Water Quality / Vidic R.D.,
Brantley S.L., Vandenbossche J.M., Yoxtheimer D., Abad J.D. // Science. 2013.
Vol. 340. № 6134. May.
4. Increased stray gas abundance in a subset of drinking water wells near Marcellus
shale gas extraction / Jackson R.B., Vengosh A., Darrah T.H., Warner N.R.,
Down A., Poreda R.J., Osborn S.G., Zhao K., Karr J.D., Affiliations A. // PNAS.
2013. Vol. 110, № 28. July 9. P. 11250–11255.
5. Myers T. Potential Contaminant Pathways from Hydraulically Fractured Shale to
Aquifers // Ground Water. 2012. April.
6. Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of
137 Shale Formations in 41 Countries outside the United States. Washington,
2013.
7. World Shale Gas Resources: An Initial Assessment of 14 Regions outside the
United States. Washington, 2011.