Экономические науки.

География и геология / 6. Природопользование и

экологический мониторинг

Кондратенко Е.В. ( АО «Газпомпромгаз») , к.т.н. Казаков В.М. (Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина)

Система комплексного геодинамического мониторинга при добыче сланцевых углеводородов.

Наделавшее много шума масштабное промышленное производство сланцевого газа было начато компанией Devon Energy в США в начале 2000-х, которая на месторождении Barnett Shale в 2002 году пробурила впервые горизонтальную скважину. Благодаря резкому росту его добычи, названному в СМИ «газовой революцией», уже в 2009 году США стали одним из лидеров добычи газа (745,3 млрд. куб. м), причём более 40 % приходилось на нетрадиционные источники (метан угольных пластов и сланцевый газ).

Основной технологий добычи сланцевого газа является технология гидравлического разрыва пласта (Hydraulic fracturing) в горизонтальных скважинах. Гидравлический разрыв пласта в данном случае предполагает введение смеси воды, песка и химических веществ в газоносные породы под чрезвычайно высоким давлением (500-1500 атм.). Давление приводит к образованию трещин. Вся эта система трещин связывает скважину с удалёнными от забоя продуктивными частями пласта.

Для осуществления гидроразрыва в сланцевых пластах в скважину под высоким давлением закачиваются несколько десятков тысяч кубометров разрывающей жидкости, которая образует трещины в сланцевой породе.

Многие исследователи не без основания считают, что количество просачивающейся в породу ядовитой жидкости может превышать 70% от закачанного объёма и это при том, что на каждую тысячу кубометров добытого сланцевого газа в среднем расходуется 2 кубометра воды и 100 кг песка.

Сама по себе закачка огромного количества рабочего агента в стабильно существовавшую геологическую среду является весьма существенным и важным фактором, влияющем на геодинамическое состояние среды. Создание трещин приводит к изменению объёма геологического тела, а насыщение водой – к его утяжелению. Кроме того, изменяется энергетическое состояние среды. Разумеется, что геологическая среда не может демпфировать эти явления и будет реагировать непредсказуемым образом.

Известные нам формы реакции при таком вторжении в недра могут быть представлены как загрязнением питьевых вод и зоны питания растений (о чём много пишут экологи), так и изменением направления движения подпочвенных вод, что может вызвать как осушение, так и заболачивание поверхности или их засолонение. Причём загрязнение питьевых вод может быть вызвано не только продуктами гидроразрыва, но так же минерализованными водами, изменившими направление традиционного движения, спровоцированное геодинамическими последствиями мощного энергетического воздействия на сланцы. Кроме того, обычными последствиями мощного вторжения в геологическую среду являются просадки или вспучивание грунта и малые землетрясения, что может привести к нарушению крепления стволов скважин и газосборных коммуникаций, что, в свою очередь, может иметь негативные экологические последствия.

Американские источники пишут, что технологии гидроразрыва выбираются с учётом геологического строения участка недр с целью недопущения прорыва жидкости, используемой при гидроразрыве в водоносные пласты, а отработанная жидкость утилизируется. Однако, те же источники пишут, что отбирается не более 30% используемой жидкости, остальная остаётся в пласте. Учитывая, что гидроразрывы на каждой скважине приходится применять до 10 раз в год, даже допуская, что при повторных гидроразрывах процент утилизации будет возрастать можно представить, что в дренируемое пространство скважины будет закачано безвозвратно до 100 тыс. тонн воды. Следует иметь в виду, что радиус дренирования скважины зависит от длины горизонтального ствола и распространения зоны искуственной трещиноватости, а значит, что на месторождении должно быть (а так и есть) достаточно много скважин. В этом случае становится понятно какое огромное количество чужеродного агента (воды) искусственно будет введено в ограниченный участок геологической среды. Не беря во внимание откуда эта вода будет взята стоит понять, что и термодинамические и физические свойства пласта изменятся кардинально.

В начале 2015г. геологическая служба США представила первый официальный отчет о влиянии нефтегазовых разработок на сейсмическую активность. Ученые выявили 17 опасных зон в восьми штатах, а также заявили, что такого рода техногенные землетрясения могут достигать магнитуды в 7 баллов по шкале Рихтера — этого достаточно для обрушения зданий. О докладе сообщает издание Science News.

Известно, что введение жидкости в подземные скважины способно поднять давление в порах глубинных пород, а сам фрекинг даёт мощный энергетический ипульс окружающей геологической среде , что, в свою очередь, серьёзно влияет на псевдостабильность геологических разломов. Произошедший резкий рост числа слабых землетрясений в центральных штатах США в последние годы привлек особое внимание к этому явлению. Усиление сейсмической активности совпало с началом применения новых методов извлечения нефти и газа.

Рисунок 1.

«Красные» зоны на карте (Рис.1) (например, центральная Оклахома) по уровню сейсмической опасности уже приближаются к таким штатам, как Калифорния — эпицентр естественных землетрясений на западе страны. Пока наиболее разрушительным искусственным землетрясением в США было 5,6-балльное, эпицентр которого пришелся на город Прагу в Оклахоме (тогда рухнуло несколько десятков домов).

Но геофизики заявляют, что нефтегазовая промышленность способна и на большее. «Есть разломы достаточно крупные, чтобы вызвать землетрясение в семь баллов. Мы не исключаем такой возможности», — отметил соавтор доклада Джастин Рубинштайн (Justin Rubinstein).

Обычно карты сейсмической опасности составляются Геологической службой США в расчете на 50 лет (это также является средней «продолжительностью жизни» зданий). Однако интенсивность техногенных землетрясений зависит от быстро меняющихся факторов: скважины для сточных вод бурят в новых районах, падение цен на нефть заставляет останавливать добычу, правительства штатов меняют законы, регулирующие нефтегазовую отрасль.

По этой причине в новой карте учитывается вероятность землетрясений в пределах одного года. Кроме того, уже к концу 2015 года ее пересмотрят — но даже сейчас она приносит практическую пользу: власти, например, могут решить, какие мосты штата ремонтировать в первую очередь.

В последнее время и ученые, и официальные лица начали более серьезно относиться к угрозе техногенных землетрясений. Так, 21 апреля 2015 года Геологическая служба Оклахомы впервые признала, что недавнее учащение подземных толчков связано не с естественными причинами, а с закачиванием в пласты отработанной воды.

Американские ученые пришли к выводу, что землетрясения 2013 года в Огайо связаны с фрекингом, используемым при добыче сланцевого газа. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Seismological Research Letters.

Согласно исследованиям, почти 400 небольших землетрясений произошли в американском штате Огайо в период с 1 октября по 13 декабря 2013 года. При этом время десяти землетрясений с положительной магнитудой, варьирующейся от 1,7 до 2,2 за время со 2 по 19 октября, совпали с фрекингом на местных нефтегазовых скважинах.

Фрекинг, по мнению исследователей, привел к образованию микротрещин и землетрясений. Обычно гидроразрыв приводит к небольшим землетрясениям магнитудой от -3 до -1, однако в штате Огайо сейсмологи наблюдали увеличение ее на три единицы. По мнению сейсмологов, после проведения гидроразрывов следуют землетрясения и наблюдаемая учеными связь не носит характер статистической закономерности, а является причинно-следственной.

Разумеется, что такое серьёзное вторжение в недра не должно быть бесконтрольно. Если этот процесс нельзя остановить (слишком большие деньги в нём участвуют и от него зависят), то организовать контроль состояния геологической среды крайне необходимо.[1,2,3]

В качестве средства контроля необходимо использовать комплексный геодинамический мониторинг, описанный в работе [4 ].

Комплексный геодинамический мониторинг месторождений углеводородов (КГМув).

Рисунок 2.

Структура комплексного мониторинга природно-техногенных геодинамических и флюидо- динамических процессов в комплексе с геоэкологическими исследованиями может быть представлена трмя взаимно-связанными блоками. В состав этих блоков входят базовые методы и виды наблюдений. В зависимости от результатов, которые будут получены в процессе долгосрочного систематического мониторинга, базовые методы могут быть дополнены другими методами.

1. Деформационный блок состоит из совокупности методов наблюдений, обеспечивающих получение всей необходимой информации о текущем напряжённо-деформированном состоянии геологической среды различного пространственного масштаба. И включает в себя:

- Спутниковые геодезические наблюдения с применением системы GPS. - Точное нивелирование. В данном блоке возможно применение систем дистанционного зондирования земли из космоса (ДЗЗ), что будет способствовать повышению оперативности и точности контроля.

2. Геофизический блок включает комплекс методов, обеспечивающих получение необходимой информации о вариациях геофизических полей во времени, обусловленных природными и техногенными геодинамическими, флюидодинамическими, газохимическими процессами.

3. Флюидогеохимический блок включает совокупность методов и наблюдений, обеспечивающих получение информации о вариациях химического состава флюидов и динамическом состоянии флюидных систем тектогенного и техногенного происхождения.

3.1. Эманационная съёмка. Цель работ – определение количественного изменения уровня эманации во времени по главному определителю – радону.

Основана на    пространственной и временной взаимосвязи между эманированием грунтов и подвижностью горного массива. Эта взаимосвязь позволяет использовать эманационные исследования для изучения текущих геодинамических  процессов как на площади (геодинамическое картирование), так и во времени (геодинамический мониторинг). 

3.2. Гелиеметрические исследования. Цель работ – определение изменения количества гелия во времени. Амплитуда колебаний концентраций гелия во времени является индикатором устойчивости геологической среды, и/или косвенно отражает техногенные сейсмические процессы, что позволяет выполнить качественную прогнозную оценку устойчивости территории к сейсмическим событиям.

3.3. Геохимическая съёмка. Цель работы - определение возникновения геохимических аномалий в реальном времени с привязкой к поверхности земли для определения ареала местонахождения разгерметизировавшихся объектов (скважин, трубопроводов, искусственных подземных сооружений…).

Существует несколько дополняющих друг друга методов:

3.3.1. Гидрогеохимический метод поисков.

Гидрогеохимический метод основан на изучения распределения химических элементов в подземных н поверхностных водах, омывающих месторождения и их ареалы рассеяния.

3.3.2. Атмогеохимический метод поисков

Атмогеохимический метод основан на измерении концентрации газов в почвенном воздухе. Установлено, что над месторождениями любого генезиса существуют газовые ореолы, которые в нашем случае можно разделить на 2 группы:

1) газы из зон тектонических нарушении:

2) газы, возникающие при гипергенных процессах.

По составу это обычно смесь углеводородов (в первую очередь, метан), углекислый газ, пары металлов (в первую очередь, ртути.

3.4. Контроль за уровнем и химическим составов приповерхностных и пластовых вод. Цель работы - определение возникновения гидрогеологических аномалий в реальном времени для определения ареала местонахождения разгерметизировавшихся объектов (скважин, трубопроводов, искусственных подземных сооружений…)

Контроль состояния гидросферы в районе углеводородных месторождений предложенным методом позволяет фиксировать начальные фазы углеводородного загрязнения вод и рекомендовать проведение профилактических или ликвидационных мероприятий по конкретным объектам. Максимально возможное приближение наблюдательных водопунктов к кустам нефтяных и газовых скважин обеспечит регистрацию первых порций компонентов-индикаторов углеводородного загрязнения пресных вод и позволит своевременно определить формирующийся источник загрязнения.

Заключение.

Предлагаемая технология комплексного геодинамического мониторинга (КГМув), схематично представленная на рис.2, реализуемая в комплексе с экологическим мониторингом позволяет на фоне проявления региональных (фоновых) процессов надёжно выявлять и исследовать локальные аномальные чрезвычайные геологические ситуации (ЧГС) с привязкой к конкретным объектам и системам углеводорододобывающего комплекса. Только в этом случае можно достичь оперативного контроля возможного воздействия ЧГС на системы и объекты обустройства. Кроме того, КГМув является необходимой информационной основой предмета охраны недр.

Для реализации комплексного мониторинга на всех месторождениях сланцевого газа и нефти, необходимо создать стационарные пункты контроля, включающие в себя реперы для геодезической космической съёмки, гравиметрические станции и геохимические пункты отбора проб ( система разработана РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва). Кроме того в систему КГМув включаются существующие гидрогеологические скважины и скважины, дополнительно пробуренные с учётом геологической специфики конкретного месторождения. Так же необходимо создать дополнительные пункты отбора проб для геохимического контроля.

В целом геодинамический мониторинг, в комплексе с наблюдениями за состоянием экосистем региона, может рассматриваться как эффективная система регулярных наблюдений, в рамках вышеуказанных подсистем, за геодинамическим состоянием геологической среды и состоянием систем и объектов углеводорододобывающего комплекса для прогнозирования их изменений и повреждений, зависящих от природных и техногенных причин.

Внедрение комплексного мониторинга развития процессов изменения состояния геологической среды при разработке месторождений сланцевого газа и нефти безусловно ляжет тяжким бременем на, и без того, низкую экономическую эффективность добычи, однако позволит с высокой степенью точности контролировать состояние геологической среды, прогнозировать возникновение ЧГС и разработать меры по предотвращению их негативного влияния на процессы разработки месторождений УВ, охрану недр и возникновение ЧГС.

Литература:

1. Мартынов В.Г., Кондратенко Е.В., Казаков В.М. К вопросу об охране геологической среды// Нефть, газ и бизнес, М. - 2011. -№10. - С. 10-13.

2. Казаков В.М. Некоторые аспекты теории охраны недр при разработке месторождений нефти и газа. // Газовая промышленность, М. – 2012. -№ 1. - С. 16-19.

3. Кондратенко Е.В., Казаков В.М., Ермолаев А.И. О ликвидации и консервации скважин // «Нефть, газ, бизнес», М.- 2011.- №5. - С. 17-21.

4. Мартынов В.Г., Кондратенко Е.В., Казаков В.М. Комплексный мониторинг состояния геологической среды при разработке месторождений углеводородов. «Нефть, Газ, бизнес» № 2, 2013г. стр.41-46. УДК 504.55:504.064.36