Сланцевый газ в наших условиях — пузырь газа и много бед

Давно собирался написать для научного журнала очередную статью о сланцевом газе, но сдерживало то, что ждать ее выхода долго, да и эффект будет, как всегда, нулевой. Поскольку большинство ученых не читают чужих статей, а читающее меньшинство не проявляет какой-либо реакции.

А о сланцевом газе писать нужно срочно, потому что начинается испытание зарубежных технологий по добыче газа из нетрадиционных залежей. Чего только не испытывали на просторах нашей страны. Взять хотя бы социализм с колхозным устройством. Старый вояка Бисмарк смог разглядеть, что это за напасть, и высказался прямо: испытывать социализм можно на стране, которую не жалко. Немного меньше беды принесло испытание мирным атомом в советском исполнении. Теперь вот сланцевый газ предлагают. Посмотрим, "що то за один", как говорят на нашем далеком западе.

Известно, что газ и нефть в естественных условиях могут храниться в залежах, находящихся в горных породах с относительно крупными порами и трещинами (их называют пластами-коллекторами) и в породах с микропорами и микротрещинами, у которых коллекторские свойства практически отсутствуют. Когда скважина попала в хороший пласт-коллектор, то газ или нефть сами двигаются под действием пластового давления в скважину, и дай Бог это движение контролировать. А вот из пластов, состоящих из глинистых сланцев, угля или плотных песчаников, газ и нефть самостоятельно и в достаточном количестве в скважину не пойдут, если не осуществить специальные операции по образованию коллектора. Поэтому еще лет 40 назад специалисты по нефтегазовому делу начали в США разработку технологии по извлечению газа и нефти из так называемых нетрадиционных залежей.

В принципе существуют два возможных варианта искусственного образования коллектора для выхода углеводородов из нетрадиционных залежей:

- вариант, разработанный и отработанный американскими фирмами, состоит в том, чтобы пробурить горизонтальную скважину в непроницаемый газонасыщенный пласт и образовать крупные трещины за счет закачивания жидкости и материала, расклинивающего трещины (операция гидроразрыва пласта);

- разработанный в Украине способ включает бурение ствола скважины в непроницаемый пласт таким образом, чтобы она вошла в него параллельно существующим тектоническим трещинам, и раскрытие этой "гармошки" микротрещин периодическим понижением давления для свободного выхода газа и нефти в скважину (гидроразрыв "наоборот").

Гидроразрыв как технологическая операция очень полезен и эффективен, когда необходимо восстановить коллекторские свойства продуктивного пласта, загрязненного при бурении скважины и цементировании эксплуатационной колонны.

Что такое "сланцевый газ"

Сегодня украинская общественность бурно обсуждает планы применения американской технологии добычи сланцевого газа на Олесском и Юзовском лицензионных участках. Поскольку в свое время я опубликовал несколько статей о добыче углеводородов из нетрадиционных залежей, то считаю необходимым представить вниманию читателей уважаемого еженедельника несколько аргументов, слабо прозвучавших в этой полемике.

Эти аргументы будут сформулированы, когда мы попробуем ответить на следующие вопросы:

1. Существуют ли залежи сланцевого газа в Украине?

2. Что представляет собой газ, содержащийся в сланцах?

3. Следует ли разрабатывать месторождения сланцевого газа?

4. Какие могут быть экологические последствия разработки залежей сланцевого газа?

Начнем издалека. Специалистами по геологии нефти и газа установлено, что метан образуется на большой глубине, по разломам в земной коре поднимается вверх, насыщает практически все породы вблизи разломов и накапливается в пластах-коллекторах, перекрытых сверху непроницаемыми породами, которые могут быть и глинистыми сланцами, насыщенными метаном.

Поскольку в Украине есть традиционные газовые месторождения рядом с геологическими разломами, то должны быть и сланцевые пласты, насыщенные газом.

Ответ на первый вопрос: залежи сланцевого газа в Украине существуют.

Теперь рассмотрим природу метана в пластах глинистого сланца. Как это ни странно, но американские специалисты и подавляющее большинство наших имеют ошибочное представление о том, что такое сланцевый газ. Судя по мультикам, выложенным в Интернете, газ содержится в каких-то пузырях (по-научному - линзах) в свободном состоянии, а при гидроразрыве эти пузыри соединяются со скважиной.

Практика бурения и особенности поведения при этом сланцевого газа свидетельствуют о том, что метан в сланцах находится в связанном, сжиженном состоянии. Теория, объясняющая переход метана в сжиженное, жидкое, состояние, основывается на свойстве всех жидкостей самопроизвольно двигаться в том направлении, где их структура более уплотненная, упорядоченная (явление энтропоосмоса). Известно, что метан на поверхности трещин горных пород адсорбируется и образует слой, который можно рассматривать как двумерную жидкость. В самой тонкой части микротрещины адсорбционные слои перекрываются и образуют уже нормальную, трехмерную, жидкость. Затем в сжиженном метане формируется поток, направленный к вершине трещины, где структура жидкости более упорядочена. Очевидно, что энтропоосмотический поток в ограниченном пространстве трещины дополнительно уплотняет структуру жидкого метана. Уплотнение структуры усиливает движущую силу потока, т.е. разницу в структурной организованности. Таким образом, результат действия потока усиливает причину, которая его вызвала, что является проявлением действия положительной обратной связи. Обратим внимание на то, что поток жидкости направлен в тупиковую часть трещины, к ее вершине, и что он порождает накопление давления.

Одна из аксиом физики утверждает: давление всегда передается от большего потенциала к меньшему. И жидкость, согласно аксиоме, должна двигаться от большего потенциала давления к меньшему. На примере произвольного движения жидкостей в трещинах горных пород видим проявление парадокса №1: энтропоосмотический поток имеет направление движения против градиента структурной организованности и от меньшего потенциала давления к постоянно растущему потенциалу.

Еще одна аксиома запрещает преобразование теплоты в механическую энергию. В рассмотренном нами примере перехода метана в сжиженное состояние и накопления давления в сланце проявляется парадокс №2:
хаотичное тепловое движение молекул метана превращается в направленный поток (момент самоорганизации) и затем приводит к накоплению давления в жидкости.

Парадокс №3 ученые назвали инверсией градиента давления: в глинистых сланцах, перекрывающих залежь газа, давление всегда значительно выше, чем в находящемся ниже пласте-коллекторе.

Наиболее важным для нас является вывод из парадокса №1: поток сжиженного метана существует до тех пор, пока существует трещина в сланце, и он направлен не в сторону выхода из трещины. Это означает, что гидроразрыв в сланцевом пласте может разрушить мизерную часть существующих микротрещин и высвободить небольшую долю метана. Практика добычи сланцевого газа в США подтверждает справедливость этого вывода: степень извлечения газа из сланцев составляет лишь несколько процентов, но и их можно добыть только после нескольких гидроразрывов, проведенных с интервалом в 3–6 месяцев. Из информационных источников известно, что на каждую тысячу кубометров добытого сланцевого газа в среднем расходуется 2 кубометра воды и 100 кг песка. А нам для самообеспечения не хватает каких-то 10 млрд кубометров газа. Не дай Бог получить их по технологии, связанной с многочисленными гидроразрывами.

Ответ на второй вопрос: метан в глинистых сланцах находится в связанном, сжиженном состоянии.

Сразу появляется ответ и на третий вопрос: гидроразрыв не является достаточно эффективным способом извлечения сланцевого газа.

Негерметичность скважины: субъективная
и объективная причины

А теперь рассмотрим возможные экологические последствия добычи сланцевого газа в Украине. Будем исходить из опыта США, а именно - рассмотрим целесообразность подобного проекта только при условии бурения нескольких тысяч эксплуатационных скважин, не учитывая разведывательных.

Когда речь идет о массовом бурении, то очевидно, что ни одна зарубежная компания не способна самостоятельно осуществить его. Это означает, что и наши буровые предприятия примут участие в строительстве скважин. Наши буровики в свое время разбурили Западную Сибирь и были там лучшими. Вот только техника уже устарела и технологии назвать инновационными не получается. А самое слабое место в технологии строительства скважин - крепление их обсадными колонами. Результаты крепления таковы, что работ по капитальному ремонту хватит на сто лет вперед. Самый распространенный вид ремонта - ликвидация негерметичности скважин, устранение заколонных и межколонных перетоков газа. Грубо разделим причины появления негерметичности скважин на две:

- субъективную, т.е. плохое выполнение операции цементирования колонны (некачественный цементный раствор, недоподъем цементного раствора за колонной, поглощение раствора и т.п.);

- якобы объективную, т.е. неизбежность образования со временем в цементе как любом твердом теле трещин и каналов для перетока газов и жидкостей под влиянием знакопеременных механических и термических нагрузок.

Если при строительстве скважины сработали обе причины, то неудачное подземное сооружение передается добывающему предприятию, где сразу ставится в очередь на капитальный ремонт. Если реализуется только объективная причина, то негерметичность проявит себя немного позже. Неожиданно.

Можно привести интересный пример, из которого станет понятна связь между качеством крепления скважин, применением современных высоких технологий и экологическими последствиями. Тимофеевское газоконденсатное месторождение в Полтавской области разрабатывалось таким образом, что из добытого газа извлекали газовый конденсат, а "сухой" газ возвращали в продуктивный пласт для поддержания давления. Эта технология называется сайклинг-процесс. Какое, по вашему мнению, самое уязвимое место этой технологии? Правильно - обеспечение герметичности подземного сооружения!

Закачивание газа на Тимофеевском газоконденсатном месторождении в негерметичные скважины на протяжении многих лет привело к образованию техногенных залежей со сверхвысоким давлением во всех песчаниках вплоть до устья скважины и появления грифонов, т.е. поступления газа непосредственно из земли недалеко от скважины. Обошлось, слава Богу, без жертв, но экономические потери и вред окружающей среде были большими.

"Наша жидкость
не такая глупая, чтобы выбирать трудные пути"

Вернемся к сланцевому газу. Его по американской технологии добывают из скважин, в которых осуществлен гидроразрыв пластов сланцев. Сам гидроразрыв сланцевой породы можно отнести к тому типу работ, которые ярко охарактеризовал И.Плющ: "намагатися впихнуть невпихуємоє". У жидкости гидроразрыва часто есть выбор: прорываться в сплошной камень (а сланец - это камень) или по готовым трещинам за колонной подниматься вверх. Не знаю, как американская жидкость, а наша не такая глупая, чтобы выбирать трудные пути. Так что если тысячи скважин будут построены по нашим старым технологиям, то обе причины негерметичности - объективная и субъективная - в полной мере проявят себя. Тогда тысячи кубометров жидкости, которую не стоит пить, попадут в подземные горизонты с питьевой водой.

Предположим невероятное: тысячи построенных скважин являются абсолютно герметичными, и вся жидкость (сотни или тысячи кубометров из одной скважины) после гидроразрыва собирается до капли и в автоцистернах и по нашим классным дорогам вывозится для нейтрализации (как в США) на специальные заводы. Запроектированы ли эти заводы? Кто выделил средства на их строительство?

Еще следует коснуться темы техногенных землетрясений как последствий гидроразрывов. Идет информационная война между сторонниками и противниками разработки сланцевого газа, в которой у обеих сторон нет главного аргумента - физического механизма накопления огромной энергии в геологических формациях после осуществления гидроразрыва или закачивания загрязненных вод с целью их утилизации. Вместе с тем физическая модель очень проста и известна:

- вода имеет свойство произвольно двигаться в том направлении, где ее структура более упорядочена, уплотнена;

- закачивание воды в горные породы приводит к появлению широких трещин, что обуславливает произвольное движение в направлении тупиковой части, где структура воды более упорядочена;

- далее возникает поток, уплотняющий воду в тонкой части трещин до давлений, которые превышают вес залегающих выше горных пород, так как энтропоосмотический поток беспрерывно усиливается действием положительной обратной связи;

- когда прочность горных пород не выдерживает неограниченного роста давления, то происходит горный удар, землетрясение и т.п.

Если закачивать жидкости в прочные горные породы, то землетрясение непременно произойдет. Заклинания сторонников сланцевого газа могут усыпить бдительность людей, но не силы природы. Интересно сопоставить энергетические затраты на закачивание жидкости с энергетическими последствиями физико-химического процесса в трещинах пласта, в который закачивается вода: с одной стороны, сожженный бак солярки, а с другой - высвобождение энергии землетрясения магнитудой в 2–3 балла, что на несколько порядков больше.

Сделаем краткие выводы.

Во-первых, Украина - не Америка. У нас нет ровных, как стол, сланцевых пластов, насыщенных газом, площадью в десятки тысяч квадратных километров на глубине от одной до двух тысяч метров. Просто нет ничего подобного.

Во-вторых, реализация проекта по добыче сланцевого газа требует огромных инвестиций, связанных со строительством большого количества горизонтальных и достаточно глубоких скважин, а также с проведением многократных гидроразрывов. Эффективность технологии низкая.

В-третьих, реализация проекта по добыче сланцевого газа в Украине угрожает экологической катастрофой.

Следует ли его реализовывать?

Об авторе

Васильченко Анатолий Александрович, 1947 г. рождения (г. Нижний Тагил, Свердловской области), окончил среднюю школу в Харькове и Харьковский политехнический институт. С 1971-го по 2009 г. работал в УкрНИИгазе в отделе бурения. В 2001 г. защитил кандидатскую диссертацию в ИФНТУНГ в г. Ивано-Франковск. Старший научный сотрудник и действительный член Украинской нефтегазовой академии.