Что такое гидроразрыв? Определение, влияние на окружающую среду

Гидроразрыв – это наиболее распространенное название гидравлического разрыва пласта, который является распространенной практикой, предназначенной для облегчения добычи нефти и природного газа из осадочных пород (также называемых сланцами) и угля.

Гидроразрыв заставляет жидкость, состоящую из воды, смешанной с песком и химикатами, проходить через трубы, называемые «обсадными колоннами», которые погружены на сотни метров под землю. Отверстия, расположенные вдоль обсадных колонн, создают мощные выбросы жидкости внутри пластов сланца и угля. Это создает глубокие трещины, которые позволяют ископаемому топливу просачиваться наружу и подниматься на поверхность. (1, 2)

Гидроразрыв чрезвычайно распространен в качестве вспомогательного средства при бурении нефтяных и газовых скважин. В 2016 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) подсчитало, что каждый год с 2011 по 2014 год в США было пробурено 25000–30000 новых скважин. До 95% новых скважин, пробуренных сегодня, имеют гидроразрыв пласта. (3)

В мае 2016 года Управление энергетической информации США заявило, что на долю гидроразрыва приходится около двух третей добычи природного газа и около половины всей добычи сырой нефти в США. (4)

Гидроразрыв имеет экономический смысл для нефтяной и газовой промышленности, потому что пласты сланца и угля особенно богаты древним органическим материалом, который можно перерабатывать в ископаемое топливо. (5, 6)

Сотни миллионов лет назад сланец был просто илом или грязью, который вместе с кусками ранее существовавших горных пород погрузился в углубления вместе с разлагающимися останками древних животных и растений. Со временем отложения оказались погребенными под другими слоями породы и обломков, и гравитация сжала частицы в трудно проницаемую осадочную породу. Формирование угля происходило, по существу, так же, но с добавлением геологически произведенного тепла. (7, 8)

История гидроразрыва

American Oil & Gas Historical Society (AOGHS) приписало убийце президента Авраама Линкольна, Джона Уилкса Бута, одну из первых попыток гидроразрыва пласта. Нефтяная лихорадка совпала с бешеным успехом Бута как театрального актера («звезда первой величины» и «самый красивый мужчина на сцене в Америке»). Несмотря на то, что Бут был знаменитостью, он мечтал о богатствах, которые можно было добыть из нефти. (9)

В 1863 году он и его партнер основали Dramatic Oil Company, которая начала бурение в 1864 году и имела достаточно ранний успех, чтобы Бут бросил актерское мастерство и сосредоточил всю свою энергию на нефти.

К сожалению, одна из попыток Dramatic Oil Company по гидроразрыву оказалась катастрофически печальной. Используя технику под названием «выстрел в колодец», рабочие подожгли внутри колодца большое количество взрывчатого пороха. Взрыв должен был выбить нефть из скалы. Вместо этого колодец обрушился, положив конец карьере Бута как нефтяника. Несколько недель спустя он поселился в отеле Barnum в Балтиморе, где вместе с сообщниками начал планировать убийство Линкольна в 1865 году.

AOGHS также сообщил, что во время сражения при Фредериксбурге во время Гражданской войны полковник Эдвард А. Л. Робертс заметил эффект артиллерийских взрывов на заполненных водой каналах. Взрывы вытеснили воду по каменным плитам, выстилающим каналы, растрескивая их, но также подавляя взрывы в достаточной степени, чтобы каналы не разрушались безвозвратно. (10)

В 1865 году Робертс успешно добыл нефть, взорвав восемь фунтов черного пороха в заполненной водой скважине, пробуренной шестью годами ранее в Северной Пенсильвании. Согласно AOGHS, это положило начало более успешной эре добычи нефти.

В 1864 году Робертс подал патент на торпеду, которую можно было использовать в колодцах, заполненных водой. Согласно AOGHS, Робертс получил этот патент 25 апреля 1865 года. К 1865 году Робертс также выпускал акции компании Roberts Petroleum Torpedo Company, которая забрасывала наполненные порохом торпеды в нефтяные скважины. Техника Робертса «стрелять в скважины» увеличила приток нефти в 40 раз. (11, 12)

Через год или два порох внутри торпед был заменен на нитроглицерин. К 1940-м годам скважины вообще перестали полагаться на взрывчатые вещества. Вместо этого стал популярным современный метод продувки жидкостей через обсадные трубы под высоким давлением.

В 21 веке вошла в употребление современная (и на самом деле весьма разнообразная) смесь песка, химикатов и воды, а также практика создания в обсадных трубах углов под углом 90 градусов. Обсадные трубы, которые можно было направить горизонтально от вертикального бурения скважины и проложить глубоко под землей, позволяли владельцам скважин «выпускать» жидкость для гидроразрыва пласта в сотни метров горных пород и угольных пластов. (2)

Воздействие гидроразрыва на окружающую среду

Жидкость, используемая при гидроразрыве пласта, в основном состоит из воды с добавлением песка и химикатов в различных пропорциях в зависимости от геологических характеристик пластов, подлежащих гидроразрыву. (13)

Что касается гидроразрыва пласта, основными областями, вызывающими обеспокоенность в отношение окружающей среды, являются расход воды, загрязнение воды, загрязнение воздуха и землетрясения. (14)

Расход воды

По данным Геологической службы США (научное агентство Министерства внутренних дел США), для гидроразрыва одной скважины может потребоваться от 5,5 до 60 миллионов литров воды в зависимости от «горной породы, оператора, является ли скважина вертикальной или горизонтальной, а также количества участков (или стадий) скважины, которые подвергаются гидроразрыву». (15)

Однако какими бы впечатляющими ни были 60 миллионов литров воды на первый взгляд, это не особенно высокий показатель по сравнению с использованием воды в других отраслях. Статья Университета Дьюка 2014 года, опубликованная в рецензируемом журнале Science Advances, показала, что гидроразрыв использует незначительное количество воды, используемой промышленностью по всей стране, хотя в статье также говорилось, что водный «след» гидроразрыва неуклонно увеличивается. (16)

Загрязнение воды

Агентство по охране окружающей среды отметило, что в смесь песка и воды добавляется любая комбинация 1084 различных химикатов. К ним относятся минералы, биоциды, ингибиторы коррозии и гелеобразователи. Некоторые из них (например, метанол, этиленгликоль и пропаргиловый спирт) являются известными токсинами. Однако степень опасности, которую представляют многие другие химические вещества, неизвестна. (3, 17, 18)

В статье 2017 года, опубликованной в рецензируемом журнале Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology, группа ученых из Йельского университета проверила 1021 химическое вещество на предмет их токсичности для репродуктивной системы и развития. Они сделали это, изучив REPROTOX, базу данных, разработанную Агентством репродуктивных технологий. Ученые из Йельского университета обнаружили, что информация о 781 (76%) химическом веществе отсутствует. Они также обнаружили, что в базе данных отмечена репродуктивная токсичность 103 химических веществ и токсичность для развития 41 из них. (19)

К сожалению, как сообщает Национальный совет по защите ресурсов, большой процент химикатов для гидроразрыва пласта не включен в REPROTOX, потому что до тех пор, пока производитель считает конкретную химическую формулу коммерческой тайной, ни один федеральный закон не требует раскрытия названия или характера соединения. Более того, даже если бы соединения были названы, Агентство по охране окружающей среды не имело бы полномочий регулировать их. (20)

В 2005 году поправка к Закону о безопасной питьевой воде, продвинутая тогдашним вице-президентом Энергетической целевой группы Диком Чейни, освободила жидкость для гидроразрыва от регулирования. Неудивительно, что эту поправку быстро назвали «лазейкой для Halliburton», поскольку Чейни когда-то был генеральным директором Haliburton, одной из крупнейших в мире компаний по обслуживанию нефтяных месторождений и одного из крупнейших производителей жидкостей для гидроразрыва пласта. (21)

Большая часть жидкости для гидроразрыва пласта, богатой химическими веществами и песком, проходит через обсадные колонны во время гидроразрыва, возвращается на поверхность в виде сточных вод, откуда ее часто утилизируют путем вливания глубоко под поверхность Земли в пористую породу. Подобно этой пористой породе, в основном непроницаемые пласты угля и сланца, в которые изначально «выстреливаются» жидкости гидроразрыва, обычно лежат на глубине в сотни метров ниже поверхности Земли. Это означает, что вероятность того, что жидкость для гидроразрыва пласта будет загрязнять водосборные бассейны на этапах бурения или удаления сточных вод процесса гидроразрыва, мала. По крайней мере, такова теория.

Несмотря на это, о множестве случаев загрязнения сообщали новости в авторитетных изданиях, таких как New York Times, Guardian, Philadelphia Inquirer и Consumer Reports. Более того, количество реальных случаев загрязнения может быть огромным. (23, 24, 25, 26)

В августе 2021 года в рецензируемом журнале Science было опубликовано большое исследование, проведенное экономистами по оценке экологических норм. Было обнаружено, что, хотя жидкости гидроразрыва могут не сразу загрязнять водосборные бассейны, они, похоже, в конечном итоге это делают. Экономисты проанализировали данные за 11 лет по 40 000 скважин для гидроразрыва пласта и поверхностным водам в 408 водоразделах. Вблизи скважин, подвергнутых гидроразрыву, они постоянно обнаруживали увеличение количества ионов трех конкретных солей, используемых в жидкостях для гидроразрыва пласта. Это не является прямым доказательством экологического отравления; тем не менее, это действительно показывает, что жидкости гидроразрыва обычно проникают в водоносные горизонты, и, таким образом, подразумевает, что содержащиеся в них токсичные химические вещества загрязняют воду. (27)

Загрязнение воздуха

Уже давно известно, что обычное бурение скважин для добычи нефти и природного газа приводит к образованию загрязнителей воздуха. Когда бурение дополняется гидроразрывом, в атмосферу добавляются дополнительные газовые и пылевые загрязнители.

Природный газ, извлекаемый с помощью гидроразрыва, состоит в основном из метана, мощного парникового газа, который более чем в 25 раз сильнее углекислого газа в нагревании атмосферы Земли. (28, 29)

Некоторые этапы процесса гидроразрыва требуют открытого сжигания метана. Вклад метана в глобальное потепление особенно продолжителен. После девятилетнего «существования» в атмосфере он окисляется до углекислого газа и продолжает вносить свой вклад в парниковый эффект еще 300–1000 лет. (30, 31, 32)

Другие факторы, способствующие загрязнению воздуха гидроразрывом, включают соединения, образующие смог, такие как оксид азота, а также летучие органические соединения, включая бензол, толуол, этилбензол и ксилол, которые обычно содержатся в бензине. Также обычно встречаются формальдегид и сероводород. (33, 34)

Американское онкологическое общество называет формальдегид «вероятным канцерогеном для человека». Бензол, толуол, этилбензол и ксилол связаны с рядом проблем центральной нервной системы. Большинство из них также связаны с респираторными заболеваниями. (35)

Как показало исследование 2014 года, опубликованное в рецензируемом журнале Environmental Health, пробы воздуха, проанализированные в соответствии с утвержденным EPA методом, показали, что около скважин для гидроразрыва пласта уровни восьми летучих химических веществ, включая бензол, формальдегид и сероводород, превышают федеральные нормы. (36)

Песок, добавленный в жидкость для гидроразрыва, также способствует загрязнению воздуха. Он используется, чтобы держать трещины открытыми. Кварц высокой чистоты, называемый «песком для гидроразрыва», особенно устойчив к раздавливанию. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC), «каждый этап операции гидроразрыва обычно включает сотни тысяч фунтов песка для гидроразрыва». При добыче песка для гидроразрыва в воздух попадает силикатная пыль. Эта пыль может вызвать силикоз, который вызывает воспаление и рубцевание легких и, в его острой форме, может быть смертельным. (37, 38)

Землетрясения и толчки

Большая часть сточных вод, образующихся в результате гидроразрыва, сбрасывается через «нагнетательные скважины», которые проникают в пористые породы глубоко под землей. В 2015 году геологи из Колорадо и Калифорнии опубликовали в рецензируемом журнале Science результаты исследования, предполагающего, что нагнетательные скважины виноваты в «беспрецедентном росте» числа землетрясений в центральной и восточной части США в течение 2009–2015 годов. Согласно исследованию, с 1973 по 2008 год типичными были 25 землетрясений магнитудой три и выше в год. Однако после бума гидроразрыва в 2009 году их среднее число резко возросло, и только в 2014 году их число превысило 65022. (39)

Ни одно из этих землетрясений не было катастрофическим. Тем не менее в отдельном исследовании 2015 года, опубликованном в журнале Science Advances и посвященном шквалу землетрясений в Оклахоме после 2009 года, ученые Стэнфордского университета объяснили, что попадание сточных вод из гидроразрыва в пористую породу может вызвать критические изменения в давлении на уже подвергшиеся стрессу геологические разломы. Они отметили: «Хотя большинство недавних землетрясений не представляют большой опасности для населения, нельзя сбрасывать со счетов возможность спровоцировать разрушительные землетрясения при потенциально активных разломах фундамента».

Treehugger