Давно збирався написати чергову статтю про сланцевий газ для наукового журналу, але стримувало те, що чекати її виходу довго й ефект буде, як завжди, нульовий. Тому що більшість науковців не читає чужих статей, а меншість, яка читає, не виявляє жодної реакції.
А про сланцевий газ писати треба терміново, тому що починається випробування зарубіжних технологій з видобутку газу з нетрадиційних покладів. Чого тільки не випробовували на теренах нашої країни. Взяти хоча б соціалізм із колгоспним устроєм. Старий вояка Бісмарк спромігся розгледіти, що то за халепа, і висловився прямо: випробовувати соціалізм можна на країні, якої не шкода. Трохи менше біди принесло випробування мирним атомом у радянському виконанні. Тепер от сланцевий газ пропонують. Подивимося, що то за один, як кажуть на нашому далекому заході.
Відомо, що газ і нафта у природних умовах можуть зберігатися у покладах, що містяться у гірських породах з відносно великими порами і тріщинами (їх називають пластами-колекторами) і в породах з мікропорами та мікротріщинами, в яких колекторські властивості практично відсутні. Коли свердловина потрапила у гарний пласт-колектор, то газ або нафта самі рухаються під дією пластового тиску у свердловину, і дай Бог цей рух контролювати. А от із пластів, складених глинистими сланцями, вугіллям або щільними пісковиками, газ і нафта самостійно і у достатній кількості у свердловину не підуть, якщо не здійснити спеціальних операцій з утворення колектору. Тому ще років 40 тому фахівці з нафтогазової справи розпочали у США розробку технології з вилучення газу та нафти з так званих нетрадиційних покладів.
У принципі існують два можливі варіанти штучного утворення колектору для витоку вуглеводнів з нетрадиційних покладів:
- варіант, розроблений і відпрацьований американськими фірмами, полягає у тому, щоб пробурити горизонтальну свердловину у непроникний газонасичений пласт і утворити грубі тріщини за рахунок закачування рідини і матеріалу, що розклинює тріщини (операція гідророзриву пласта);
- розроблений в Україні спосіб включає буріння ствола свердловини у непроникний пласт так, щоб вона увійшла в нього паралельно існуючим тектонічним тріщинам, і розкриття цієї "гармошки" мікротріщин періодичним пониженням тиску для вільного виходу газу та нафти у свердловину (гідророзрив "навпаки").
Гідророзрив як технологічна операція дуже корисний і ефективний, коли необхідно відновити колекторські властивості продуктивного пласта, забрудненого під час буріння свердловини та цементування експлуатаційної колони.
Що таке "сланцевий газ"
Нині українська спільнота бурхливо обговорює плани використання американської технології видобутку сланцевого газу на Олеській та Юзівській ліцензійних ділянках. Оскільки свого часу я опублікував кілька статей про видобування вуглеводнів з нетрадиційних покладів, то вважаю за необхідне представити до уваги читачів поважного тижневика кілька аргументів, які слабко прозвучали в цій полеміці.
Ці аргументи буде сформульовано, коли ми спробуємо відповісти на такі запитання:
1. Чи існують поклади сланцевого газу в Україні?
2. Що представляє собою газ, який міститься у сланцях?
3. Чи варто розробляти родовища сланцевого газу?
4. Які можуть бути екологічні наслідки розробки покладів сланцевого газу?
Почнемо здалеку. Фахівцями з геології нафти і газу встановлено, що метан утворюється на великій глибині, по розломах у земній корі піднімається вгору, насичує практично всі породи поблизу розломів і накопичується у пластах-колекторах, що перекриті згори непроникними породами, які можуть бути і глинистими сланцями, насиченими метаном.
Оскільки в Україні є традиційні газові родовища поряд з геологічними розломами, то повинні бути і сланцеві пласти, насичені газом.
Відповідь на перше запитання: поклади сланцевого газу в Україні існують.
Тепер розглянемо природу метану у пластах глинистого сланцю. Хоч як дивно, але американські фахівці і переважна більшість наших мають хибне уявлення про те, що таке сланцевий газ. Судячи з мультиків, викладених в Інтернеті, газ міститься в якихось комірках (по-науковому - лінзах) у вільному стані, а при гідророзриві ці комірки з'єднуються із свердловиною.
Практика буріння і особливості поведінки при цьому сланцевого газу свідчать, що метан у сланцях перебуває у зв'язаному, скрапленому стані. Теорія, яка пояснює перехід метану у скраплений, рідкий, стан, ґрунтується на властивості всіх рідин довільно рухатись у тому напрямку, де їх структура більш ущільнена, впорядкована (явище ентропоосмосу). Відомо, що метан на поверхні тріщин гірських порід адсорбується і утворює шар, який можна розглядати як двовимірну рідину. У найтоншій частині мікротріщини адсорбційні шари перекриваються і утворюють уже нормальну, тривимірну, рідину. Далі в рідині скрапленого метану формується потік, направлений до вершини тріщини, де структура рідини більш упорядкована. Очевидно, що ентропоосмотичний потік в обмеженому просторі тріщини додатково ущільнює структуру рідкого метану. Ущільнення структури посилює рушійну силу потоку, тобто відмінність у структурній організованості. Таким чином, наслідок дії потоку посилює причину, яка його викликала, що є проявом дії позитивного зворотного зв'язку. Звернімо увагу на те, що потік рідини направлений у тупикову частину тріщини, до її вершини, і що він породжує накопичення тиску.
Одна з аксіом фізики стверджує: тиск завжди передається від більшого потенціалу до меншого. І рідина, згідно з аксіомою, повинна рухатися від більшого потенціалу тиску до меншого. На прикладі довільного руху рідин у тріщинах гірських порід бачимо прояв парадоксу №1: ентропоосмотичний потік має напрям руху проти градієнту структурної організованості і від меншого потенціалу тиску до потенціалу, що постійно зростає.
Ще одна аксіома заперечує перетворення теплоти у механічну енергію. У розглянутому нами прикладі переходу метану у скраплений стан і накопичення тиску у сланці проявляється парадокс №2: хаотичний тепловий рух молекул метану перетворюється на направлений потік (момент самоорганізації) і далі приводить до нагромадження тиску у рідині.
Парадокс №3 науковці назвали інверсією градієнта тиску: у глинистих сланцях, які перекривають поклад газу, тиск завжди значно вищий, ніж у пласті-колекторі, що залягає нижче.
Найважливішим для нас є висновок з парадоксу №1: потік скрапленого метану існує доти, доки існує тріщина у сланці, і він направлений не у бік виходу з тріщини. Це означає, що гідророзрив у сланцевому пласті може зруйнувати мізерну частину існуючих мікротріщин і вивільнити невелику частку метану. Практика видобутку сланцевого газу у США підтверджує справедливість цього висновку: ступінь вилучення газу зі сланців становить лише кілька відсотків, та й їх можна видобути тільки після кількох гідророзривів, проведених з інтервалом у 3–6 місяців. З інформаційних джерел відомо, що на кожну тисячу кубометрів видобутого сланцевого газу в середньому витрачається 2 кубометри води і 100 кг піску. А нам до самозабезпечення бракує якихось 10 млрд кубометрів газу. Не приведи Господь одержати їх за технологією, пов'язаною з численними гідророзривами.
Відповідь на друге запитання: метан у глинистих сланцях знаходиться у зв'язаному, скрапленому стані.
Одразу відповідь і на третє запитання: гідророзрив не є достатньо ефективним способом вилучення сланцевого газу.
Негерметичність свердловини: суб'єктивна
і об'єктивна причини
А тепер розглянемо можливі екологічні наслідки видобутку сланцевого газу в Україні. Будемо виходити з досвіду США, а саме - розглянемо доцільність такого роду проекту лише за умови буріння кількох тисяч експлуатаційних свердловин, не враховуючи розвідувальних.
Коли йдеться про масове буріння, то очевидно, що жодна зарубіжна компанія не спроможна самостійно здійснити його. Це означає, що і наші бурові підприємства братимуть участь у будівництві свердловин. Наші буровики свого часу розбурили Західний Сибір і були там найкращими. От тільки техніка вже застаріла і технології назвати інноваційними не можна. А найслабкіше місце у технології будівництві свердловин - кріплення їх обсадними колонами. Результати кріплення такі, що роботи з капітального ремонту вистачить на століття вперед. Найпоширеніший вид ремонту - ліквідація негерметичності свердловин, усунення заколонних і міжколонних перетоків газу. Грубо розділимо причини появи негерметичності свердловин на дві:
- суб'єктивну, тобто погане виконання операції цементування колони (неякісний цементний розчин, недопідіймання цементного розчину за колоною, поглинання розчину тощо);
- нібито об'єктивну, тобто приреченість цементу як будь-якого твердого тіла з часом утворювати тріщини і канали для перетоку газів і рідин під впливом знакозмінних механічних і термічних навантажень.
Якщо при будівництві свердловини спрацювали обидві причини, то невдала підземна споруда передається видобувному підприємству, де одразу стає у чергу на капітальний ремонт. Якщо реалізується тільки об'єктивна причина, то негерметичність проявить себе трохи згодом. Несподівано.
Можна навести цікавий приклад, з якого стане зрозумілим зв'язок між якістю кріплення свердловин, застосуванням сучасних високих технологій і екологічними наслідками. Тимофіївське газоконденсатне родовище у Полтавській області розроблялось у такий спосіб, що з видобутого газу вилучали газовий конденсат, а "сухий" газ повертали у продуктивний пласт для підтримання тиску. Ця технологія називаєтьсясайклінг-процес. Яке, на вашу думку, найуразливіше місце цієї технології? Правильно - забезпечення герметичності підземної споруди!
Закачування газу на Тимофіївському газоконденсатному родовищі у негерметичні свердловини протягом багатьох років призвело до утворення техногенних покладів з надвисоким тиском у всіх пісковиках аж до устя свердловини і появи грифонів, тобто витоку газу безпосередньо із землі неподалік свердловини. Обійшлося, слава Богу, без жертв, але економічні втрати і шкода навколишньому середовищу були великими.
"Наша рідина не така дурна, щоб обирати важкі шляхи"
Повернімося до сланцевого газу. Його за американською технологією видобувають із свердловин, в яких здійснили гідророзрив пластів сланців. Сам гідророзрив сланцевої породи можна віднести до того типу робіт, які яскраво охарактеризував І.Плющ: "намагатися впихнуть невпихуємоє". У рідини гідророзриву часто є вибір: пнутись у суцільне каміння (а сланець - це каміння), або по готових тріщинах за колоною підніматися вгору. Не знаю, як американська рідина, а наша не така дурна, щоб обирати важкі шляхи. Тож якщо тисячі свердловин будуть побудовані за нашими старими технологіями, то обидві причини негерметичності - об'єктивна і суб'єктивна - сповна проявлятимуть себе. Тоді тисячі кубометрів рідини, якої не варто пити, потраплять у підземні горизонти з питною водою.
Припустимо неймовірне: тисячі побудованих свердловин є абсолютно герметичними, і вся рідина (сотні або тисячі кубометрів з однієї свердловини) після гідророзриву збирається до краплі і в автоцистернах нашими класними дорогами вивозиться для нейтралізації (як у США) на спеціальні заводи.Чи запроектовані ці заводи? Хто виділив кошти на їх будівництво?
Ще слід торкнутись теми техногенних землетрусів як наслідків гідророзривів. Точиться інформаційна війна між прихильниками та противниками розробки сланцевого газу, в якій обидві сторони не мають головного аргументу - фізичного механізму нагромадження величезної енергії у геологічних формаціях після здійснення гідророзриву або закачування брудних вод з метою їх утилізації. Натомість фізична модель дуже проста і відома:
- вода має властивість довільно рухатись у тому напрямку, де її структура більш впорядкована, ущільнена;
- закачування води у гірські породи призводить до появи широких тріщин, що зумовлює довільний рух у напрямку тупикової частини, де структура води більш впорядкована;
- далі виникає потік, що стискає воду у тонкій частині тріщин до тисків, які перевищують вагу гірських порід, що залягають вище, тому що ентропоосмотичний потік безперервно посилюється дією позитивного зворотного зв'язку;
- коли міцність гірських порід не витримує необмеженого зростання тиску, то відбувається гірський удар, землетрус тощо.
Якщо закачувати рідини у міцні гірські породи, то землетрус станеться неодмінно. Заклинання прибічників сланцевого газу можуть приспати пильність людей, але не сили природи. Цікаво зіставити енергетичні витрати на закачування рідини з енергетичними наслідками фізико-хімічного процесу у тріщинах пласта, в який закачується вода: з одного боку, спалений бак солярки, а з іншого - вивільнення енергії землетрусу магнитудою у 2–3 бали, що на кілька порядків більше.
Зробимо короткі висновки.
По-перше, Україна - не Америка. У нас немає рівних, як стіл, сланцевих пластів, насичених газом, площею у десятки тисяч квадратних кілометрів на глибині від однієї до двох тисяч метрів. Просто немає нічого подібного.
По-друге, реалізація проекту з видобування сланцевого газу потребує величезних інвестицій, пов'язаних з будівництвом великої кількості горизонтальних і достатньо глибоких свердловин, а також з проведенням багаторазових гідророзривів. Ефективність технології низька.
По-третє, реалізація проекту з видобування сланцевого газу в Україні загрожує екологічною катастрофою.
Чи варто його реалізовувати?
Про автора
Васильченко Анатолій Олександрович, 1947 р. народження (м. Нижній Тагіл, Свердловської області), закінчив середню школу у Харкові і Харківський політехнічний інститут. З 1971-го по 2009 р. працював в УкрНДІгазі у відділі буріння. У 2001 р. захистив кандидатську дисертацію в ІФНТУНГ у м. Івано-Франківськ. Старший науковий співробітник і дійсний член Української нафтогазової академії.