Гидроразрывы заподозрили в повышении солености поверхностных вод

Pietro Bonetti et al. / Science, 2021

Статистические исследования выявили корреляцию между работой нефтедобывающих скважин, на которых применяется технология гидроразрыва пласта, и уровнем солености поверхностных вод. Ученые сопоставили данные о расположении более 46 тысяч скважин в США и измерениями содержания ионов солей в реках и ручьях в близлежащих районах водосбора за 10,5 лет. Небольшой рост концентрации солей был отмечен в районах с новыми скважинами и происходил спустя несколько месяцев после их запуска, сообщает статья в журнале Science.

Метод гидравлического разрыва пласта (ГРП), или фрекинг, используется для повышения продуктивности скважин путем обеспечения притока флюида (нефть, газ, конденсат) через искусственно создаваемые в пласте трещины. Его применяют с середины XX века при разработке нетрадиционных источников углеводородов, таких как пласты, сложенные породами с низкой проницаемостью — сланцами, плотными песчаниками или известняками.

При ГРП в целевой пласт через перфорацию в обсадной колонне нагнетательной скважины закачивается жидкость разрыва. Состав ее может быть различным в зависимости от геологических характеристик пласта. В общем случае она представляет собой сложную смесь на водной основе, включающую гелеобразователи, поверхностно-активные вещества, вещества для снижения трения, ингибиторы коррозии и образования отложений, разжижители, биоцидные соединения и другие реагенты. После падения давления, которое происходит вследствие разрыва, для предотвращения смыкания трещин в скважину вводят проппант — расклинивающий агент, в качестве которого может применяться кварцевый песок или синтетический гранулированный материал. Чтобы обеспечить его попадание в трещины, в скважину под большим давлением нагнетают продавочную жидкость. На последнем этапе цикла гидроразрыва скважину промывают для удаления остатков проппанта. В карбонатных породах для поддержания и развития трещин вместо проппанта используют кислоту.

На всех стадиях цикла ГРП в работе используются химические вещества, многие из которых токсичны, и их попадание в источники воды необходимо исключить. Для контроля движения жидкости в пласте и обнаружения возможных утечек в обсадных колоннах скважин используют трассерный, или индикаторный метод, основанный на применении меченых растворов. Трассеры могут быть флуоресцентными, радиоактивными или химическими. Чтобы избежать утечки в водоносные горизонты, отработанную жидкость, содержащую вредные реагенты, нагнетают через утилизационные (сбросовые) скважины в пласты с водонепроницаемой кровлей. Кроме того, поступление содержащих вредные реагенты жидкостей в почву и подземные воды предотвращают, изолируя пласт путем цементирования и строительства многоколонных скважин. Такие скважины оборудованы несколькими промежуточными обсадными колоннами.


Вредные вещества могут попадать в окружающую среду разными путями. Главные причины их утечки — разливы во время цикла ГРП (например, при разрыве подающих стальных труб), разливы утилизационных бассейнов и нарушения целостности скважин выше водонепроницаемой кровли пласта. Как возвратная, так и попутная пластовая вода содержат много солей, и по их присутствию в поверхностных водах вблизи нефтеразработок можно судить о происходящей утечке.

Исследователи из Великобритании, Испании и США во главе с Пьетро Бонетти (Pietro Bonetti) из Университета Наварры в Барселоне проанализировали данные о концентрации солей в районах поверхностного водосбора вблизи нефтепромыслов, использующих технологию гидроразрыва, в различных регионах США. Ученые сосредоточили внимание на присутствии в воде хлорид- и бромид-ионов (Cl, Br), а также бария Ba2+ и стронция Sr2+. Как правило, эти ионы в больших концентрациях содержатся и в возвратной, и в попутной воде. Кроме того, в отличие от многих органических компонентов, подверженных биологическому разложению, они могут быть обнаружены и спустя несколько лет после попадания в воду. В исследование были включены данные о 60783 измерениях их концентрации на 2038 станциях мониторинга в 408 областях водосбора. Временной охват исследования составил 10,5 лет — с января 2006 по июнь 2016 года.


Данные рассматривались в привязке к геокодированной базе, которая содержит информацию о 46479 скважинах: координаты, тип (вертикальная или горизонтальная), специализацию (нефтяная, газовая) и дату ввода в эксплуатацию. Колебания концентрации, определенные для областей водосбора (HUC10 в кодировке Геологической службы Соединенных Штатов), суммировались по более крупным гидрографическим единицам — подбассейнам (HUC8) и подрегионам (HUC4). Статистическая обработка проводилась с помощью регрессионного анализа с учетом таких переменных, как среднесуточные температуры и количество осадков за три дня, включая день забора пробы воды. На их основе ученые методом наименьших квадратов рассчитали коэффициенты, позволяющие оценить суммарные изменения концентрации каждого типа ионов на определенной территории. Такая оценка достигается умножением коэффициента на среднюю концентрацию ионов в период, предшествующий началу работы скважин, и на среднее количество скважин в пределах этой территории.


Результаты анализа показали, что содержание ионов солей в воде в районах использования гидроразрыва возрастает в периоды от 91 до 180 дней после пуска новой скважины. Этот временной интервал соответствует ранним этапам добычи, когда производится наибольшее количество возвратной и попутной воды. Кроме того, в течение года после пуска те станции мониторинга, которые располагались в пределах 15 километров ниже по течению ручьев и рек, в которых происходит водосбор, отмечали повышенный уровень содержания ионов (за исключением брома). Однако в районах, где глубокие водоносные пласты отличаются высоким уровнем минерализации, повышенные концентрации солей в пробах наблюдались и до пуска, то есть вне связи с работой скважин.


Превышение концентрации везде оказалось небольшим. Так, в пределах подбассейнов (области площадью около 1800 квадратных километров) оно составило для ионов Cl 2,233 миллиграмма на литр, для Br 3,25 микрограмма на литр, для Ba2+ — 1,02 микрограмма на литр и для Sr2+ — 8,88 микрограмма на литр. Максимальный уровень загрязнения поверхностных вод по стандартам Агентства по охране окружающей среды США (USEPA, US Environmental Protection Agency) составляет для ионов бария 2,0 миллиграмма на литр и для хлорид-ионов — 250,0 миллиграмма на литр. Уровень содержания стронция, безопасный для здоровья при суточном воздействии, определен в 25,0 миллиграмма на литр. Данные по максимально допустимому загрязнению воды бромом USEPA не предоставляет. Бонетти и его коллеги указывают, что, несмотря на незначительность роста содержания ионов, он отличается постоянством и проявляется во всех регионах, связанных с нефтедобычей.


Авторы исследования отмечают также, что обнаруженную корреляцию между возрастанием солености вод и применением ГРП нельзя однозначно трактовать как следствие утечек отработанной жидкости в местах, где ведется активная разработка месторождений. Проникновение солей из отработанной воды может рассматриваться лишь как наиболее вероятное на данный момент объяснение такой корреляции. Следует учитывать, что многие пункты мониторинга состояния воды расположены достаточно далеко от рабочих скважин и нередко находятся выше по течению. Это искажает оценку содержания вредных веществ, среди которых могут присутствовать и потенциально более опасные соединения, чем соли стронция и бария. Для того чтобы выяснить механизмы их попадания в водоемы, требуются расширенные исследования, в том числе активный мониторинг солености в приустьевой зоне скважин.

Ранее N + 1 рассказывал о том, что американские инженеры разработали систему отбора проб воды с дрона и создали нанокомпозитный магнитный сорбент для ликвидации последствий разливов нефти, а микробиологи обнаружили сообщества бактерий, которые формируются в сланцевых пластах, подвергающихся гидроразрыву.

Винера Андреева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.