В статье, опубликованной в текущем выпуске «Журнала нетрадиционных ресурсов нефти и газа», Терри Энгельдер, профессор геолого-геофизических наук, Пенсильванский университет; Лоуренс Кэтлс, профессор наук о Земле и атмосфере Корнельского университета; и Тарас Брындзиа, геолог, Shell International Exploration and Production Inc., сообщают, что закачиваемая вода, которая остается под землей, задерживается в горной породе и, следовательно, не представляет серьезного риска для водоснабжения.
Гидравлический разрыв пласта — это метод бурения, обычно используемый для извлечения газа из ранее недоступных «плотных» запасов газа, включая газ, захваченный в сланцевых пластах, таких как Marcellus. Во время этой техники между 1.2 и 5 миллионов галлонов воды, смешанной с песком и химическими добавками, закачиваются под высоким давлением в каждую скважину для разрыва породы и выпуска газа.
Обычно менее половины закачиваемой воды возвращается на поверхность в виде «обратного потока» или, позже, в виде производственного рассола, и во многих случаях извлечение составляет менее 30 процентов. В дополнение к химическим добавкам, обратная вода содержит природные компоненты газового сланца, включая соли, некоторые металлы и радионуклиды, и может ухудшить качество воды, если ее выбросить без надлежащей обработки.
Хотя обратная вода может регулироваться и обрабатываться на поверхности, судьба воды, оставшейся на месте, называемой остаточной водой для обработки или RTW, ранее была неопределенной.
Некоторые предположили, что RTW может течь вверх по естественным путям, в основном по трещинам и разломам, и загрязнять вышележащие грунтовые воды. Другие предположили, что естественная утечка Marcellus происходит без помощи человека через трещины с высокой проницаемостью, соединяющие Marcellus непосредственно с уровнем грунтовых вод, и что гидроразрыв может ухудшить эту ситуацию.
Исследователи сообщают, что загрязнение грунтовых вод маловероятно, потому что скорость доставки загрязняющих веществ была бы слишком мала, даже если бы утечка была возможна, но, что более важно, восходящая миграция RTW маловероятна из-за капиллярных и осмотических сил, которые продвигают RTW внутрь, а не из него. сланец. Их исследование показывает, что RTW будет стабильно удерживаться в сланцевом пласте из-за многофазных капиллярных явлений.
«Капиллярные силы и связанные процессы диффузии-осмоса являются причинами, по которым рассолы и RTW не могут свободно выходить из газового сланца», — сказал Энгельдер. "Самым прямым доказательством этих сил является наблюдение, что более половины очищенных вод не восстанавливаются. Введение лечебной воды заставляет газовый сланец действовать как губка, основанная на принципах впитывания.
«Поглощение газового сланца стало возможным благодаря высокому капиллярному всасыванию, которое мелкозернистая, смоченная водой матрица сланца может воздействовать на воду.
Когда вода попадает в газовый сланец, природный газ из сланца выталкивается наружу. Капиллярные силы, которые засасывают RTW в газовый сланец, удерживают его там."
Оценка впитывания сложна, но простые эксперименты, проведенные исследователями, показывают, что вода может быть легко впитана в газовый сланец в количествах, полностью способных изолировать RTW. Исследователи продемонстрировали этот процесс в серии экспериментов на шламе, извлеченном из месторождения Юнион-Спрингс из газового сланца Марселлус в Пенсильвании, и на керновых пробках из газового сланца Хейнсвилля на северо-западе Луизианы.
«Жидкость для гидроразрыва пласта состоит в основном из поверхностных вод с очень низкой соленостью, в то время как сланцы содержат высокие концентрации водорастворимых неорганических катионов и анионов», — сказал Энгельдер. «Во время гидроразрыва пласта вода теряется, а неорганические катионы и анионы переносятся из пласта в трещину гидроразрыва. Диффузионный осмос способствует быстрому впитыванию воды сланцами и диффузии ионов в обрабатываемую воду, вызывая высокую соленость, наблюдаемую в возвратных жидкостях. Здесь следует подчеркнуть, что это осмотическое давление выталкивает жидкости гидроразрыва в сланцевую матрицу, вытесняя газ и катионы, создавая обратный поток с высокой соленостью в процессе."
Исследователи полагают, что помимо того, что в сланцах недостаточно воды для загрязнения грунтовых вод, наиболее важным моментом их работы является то, что необходимо учитывать многофазные капиллярные явления в случаях, когда неводная жидкость присутствует в подповерхностном поровом пространстве.
Зона вадозы — область от поверхности до грунтовых вод — и миграцию нефти и газа нельзя понять с использованием однофазных методов потока в пористой среде, и любые политические идеи или предписания, основанные на соображениях однофазности, будут фатально ошибочными. , они утверждают.
«Практическое значение состоит в том, что жидкости гидроразрыва будут заключены в ту же« тюрьму проницаемости », которая удерживала газ с избыточным давлением более 200 миллионов лет», — сказал Энгельдер. "Если кто-то хочет избавиться от гидроразрывных вод, вероятно, нельзя выбрать более безопасный способ сделать это, чем закачать их в газовый сланец."