Сланцевые углеводороды. Технологии добычи. Экологические угрозы


В.В. ТЕТЕЛЬМИН, В.А. ЯЗЕВ, А.А. СОЛОВЬЯНОВ,





                СЛАНЦЕВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ




            ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УГРОЗЫ






Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

Фотография на врезке в верхней части обложки - территория типичного месторождения сланцевого газа в США [33]

УДК 547.665.9
Т 37
БК 35.514
Рецензенты:
         Проректор по научной работе Государственного университета управления, заведующий кафедрой «Управление в нефтегазовом комплексе», доктор экономических наук, профессор В.Я. Афанасьев;
Директор Института геоэкологии РАН, академик РАН, профессор В.И. Осипов

    Тетельмин В.В., Язев В.А., Соловьянов А.А.
Т 37 Сланцевые углеводороды. Технологии добычи. Экологические угрозы: Учебное пособие / Тетельмин В.В., Язев В.А., Соловьянов А.А. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 296 с.
    ISBN 978-5-91559-167-6

      В учебном пособии приводятся характеристики осадочных пород, сланцевых углеводородов и их распределение в земной коре.
      Детально описаны технологии бурения и добычи сланцевой нефти и сланцевого газа, при этом существенное внимание уделено теории и практике гидравлического разрыва пород.
      В книге проанализированы все виды вредных воздействий на окружающую среду при добыче сланцевых углеводородов и мероприятия по минимизации экологического ущерба.
      Для студентов и преподавателей нефтяных и экологических специальностей и работников нефтегазовой отрасли, экологов.



ISBN 978-5-91559-167-6

БК 35.514
УДК 547.665.9


                                          © 2014, Тетельмин В.В., Язев В.А., Соловьянов А.А.
                                          © 2014, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

  Оглавление




   ВВЕДЕНИЕ............................................7

   Глава 1. ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ, ВМЕЩАЮЩИЕ СЛАНЦЕВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ............................ 11
          1.1. Земная кора и геологическое время......11
          1.2. Свойства осадочных пород.............. 17
             1.2.1. Плотность, прочность и упругость. 17
             1.2.2. Пористость и пр оницаемость...... 19
          1.3. Горное и пластовое давление.............25
          1.4. Тепловой режим осадочных пород..........28
         1.5. Упругий запас флюидов в продуктивном пласте.......................................30
          1.6. Горючие и метаморфические сланцы.......34

   Глава 2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА СЛАНЦЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ............................40
          2.1. Органическое вещество в осадочных породах.40
         2.2. Эволюция органического вещества в осадочных породах......................................42
          2.3. Состав и свойства нефти................46
          2.4. Состав и свойства углеводородных газов.52
         2.5. Условия залегания флюидов в продуктивном пласте.......................................58
          2.6. Распределение углеводородов в земной коре.61

   Глава 3. БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ И РАСТВОРЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СЛАНЦЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ.............69
          3.1. Технологическая схема бурения скважин .69
          3.2. Установки глубокого бурения ...........71
          3.3. Породоразрушающие инструменты..........78
          3.4. Буровые растворы и их функции..........80
             3.4.1. Функции буровых растворов.........80

Оглавление

            3.4.2. Водные глинистые растворы..............82
            3.4.3. Растворы на нефтяной основе............84
            3.4.4. Утяжеленные буровые растворы...........85
        3.5. Выбор типа бурового раствора.................86

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ГИДРАВЛИЧЕСКИМ РАЗРЫВОМ...................................90
        4.1. Напряженное состояние и устойчивость горных пород в прискважинной зоне .................90
        4.2. Развитие трещин в горных породах с позиций механики хрупкого разрушения.................92
        4.3. Механизм гидравлического разрыва горных пород.......................................94

Глава 5. БУРЕНИЕ И ПОДГОТОВКА ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН К ЭКСПЛУАТАЦИИ....................... 102
        5.1. Конструкция скважин........................ 102
        5.2. Бурение горизонтальных скважин............. 105
        5.3. Кустовое и многозабойное бурение .......... 109
        5.4. Крепление скважин.......................... 111
        5.5. Заканчивание и освоение скважин............ 113
        5.6. Полный цикл строительства скважин.......... 116

Глав а 6. ДОБЫЧА СЛАНЦЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ............ 120
        6.1. Схема обустройства месторождений углеводородов............................... 120
        6.2. Особенности разработки месторождений сланцевой нефти............................. 128
        6.3. Особенности разработки месторождений сланцевого газа ............................136
        6.4. Технологии гидравлического разрыва пород....................................... 142
        6.5. Особенности упругого режима работы пласта......................................151
        6.6. Способы эксплуатации нефтедобывающих скважин.................................... 156
            6.6.1. Фонтанный способ эксплуатации........ 156
            6.6.2. Газлифтный способ эксплуатации скважин ............................... 159
            6.6.3. Насосный способ эксплуатации скважин. 160

Оглавление

5

          6.7. Промысловый сбор и подготовка углеводородов................................. 163
              6.7.1. Промысловый сбор скважинной продукции. 163
              6.7.2. Промысловая подготовка нефти....... 165
              6.7.3. Промысловая подготовка газа........ 168

   Глава 7. ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ДОБЫЧЕ СЛАНЦЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ................... 171

          7.1. Оценка загрязнений окружающей среды.........171
          7.2. Классы опасности вредных веществ ........ 177
          7.3. Химическое загрязнение окружающей среды.....182
          7.4. Виды физического загрязнения окружающей среды......................................... 190

   Глава 8. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БУРЕНИЯ И ДОБЫЧИ СЛАНЦЕВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ..................... 195

          8.1. Экологические проблемы нефтегазовой отрасли....................................... 195
          8.2. Осложнения и аварии на скважинах..........201
              8.2.1. Нарушение целостности стенок скважины.201
              8.2.2. Поглощение бурового раствора........205
              8.2.3. Газовые и нефтяные проявления.......207
          8.3. Потери углеводородов из резервуаров и трубопроводов..................................211

   Глава 9. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОМЫСЛОВОГО ОБЪЕКТА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ...................................215

          9.1. Воздействие на атмосферу..................215
          9.2. Воздействие на гидросферу.................222
          9.3. Воздействие на почву растительный и животный мир.................................237
          9.4. Воздействие на недра......................245
          9.5. Воздействие на здоровье населения.........252
          9.6. Последствия сжигания попутного нефтяного газа для окружающей среды и населения........256
              9.6.1. Характеристика токсичности примесей.256
             9.6.2. Загрязнение атмосферного воздуха продуктами сгорания.........................258
             9.6.3. Влияние сжигания на жизненные циклы животных и растений...........................261
              9.6.4. Загрязнение почв в результате выпадения продуктов сгорания.......................264

Оглавление

Глава 10. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ УЩЕРБА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ДОБЫЧЕ
УГЛЕВОДОРОДОВ..................................268
       10.1. Экологическое сопровождение проектирования объектов разработки месторождений.......268
       10.2. Экологическое сопровождение эксплуатации нефтегазовых месторождений .............270
       10.3. Мероприятия по охране окружающей среды...................................273
      10.4. Мероприятия при ликвидации объектов инфраструктуры промысла..................276
       10.5. Мероприятия по ликвидации последствий разливов...............................276

ГЛОССАРИЙ......................................280

ЛИТЕРАТУРА.....................................292

                              Природу побеждают, только повинуясь ее законам.

Ф. Бэкон

Введение
США достигли мирового признания в области добычи сланцевого газа. Этот успех объясняется не только технологическим прорывом, но и политической поддержкой, и льготной системой налогообложения на добычу углеводородов из нетрадиционных источников. Кроме сланцевого газа на первый план выходит добыча сланцевой нефти, которая способна перекроить мировую карту запасов углеводородов. По экспертным оценкам к 2030 г. производство сланцевого газа в мире увеличится в три раза, а сланцевой нефти в шесть раз. В результате доля сланцевых энергоносителей в мировом топливном балансе вырастет до 20%.
    Под термином «сланцевая нефть» понимают продукт, получаемый из горючих сланцев — высоковязкую сланцевую смолу «shale oil», и легкую нефть «tight oil», получаемую из плотных сланцевых коллекторов с низкими фильтрационно-емкостными свойствами. В дальнейшем мы будем говорить о свойствах и извлечении легкой сланцевой нефти «tight oil».
    Добыча УВ, как из традиционных коллекторов, так и из сланцевых пород связана со значительным воздействием на окружающую среду — на геологические структуры, подземные и поверхностные воды, атмосферный воздух, почвы и земли. При этом в той или степени опасность представляют все стадии технологической цепочки — разведка, бурение, извлечение УВ на поверхность, их подготовка, транспортировка и хранение.
    Во всех сферах нефтегазового бизнеса необходимо обеспечивать экологическую безопасность, под которой понимается защищенность жизненно важных интересов личности, общества и государства от угроз природного и техногенного

Введение

характера. Буровую вышку нефтяную скважину, магистральный трубопровод следует рассматривать как встроенные в природную среду чужеродные элементы. Например, система «буровая установка—природная среда» характеризуется сложным набором прямых и обратных связей. В таких случаях важно найти пути наименьшего взаимного влияния: техногенного — на окружающую среду и природных процессов — на скважину.
   В процессе сооружения скважины во вскрытом ею интервале возникает канал связи между проходимыми пластами и атмосферой. В случае ошибок при проектировании скважины или нарушении технологии бурения, вскрытые пласты могут сообщаться между собой, что приводит к перетокам флюидов. Содержащиеся в продуктивных пластах вещества углеводородной природы, а также другие газы (углекислый газ, азот, сероводород, аргон, радон или др.) могут мигрировать к поверхности Земли, загрязняя подземные воды, почву и атмосферный воздух. Подобным образом по вертикали и по горизонтали могут мигрировать различные компоненты буровых растворов.
   Современные технологии, направленные на повышение нефте- и газоотдачи пластов, приводят к значительным разрушениям вмещающих пород, а также к появлению в недрах разнообразных органических и неорганических веществ антропогенного происхождения. Причем влияние промыслов по добыче сланцевых углеводородов на окружающую среду намного более сильное, чем влияние добычи традиционных углеводородов. При добыче сланцевых УВ не приходится говорить о минимизации антропогенных воздействий, так как в данном случае задача промысловиков заключается в максимальном разрыхляющем воздействии на сланцевый пласт с целью его максимального дробления и увеличения проницаемости.
   Добыча углеводородов из сланцевых месторождений имеет специфические особенности. В силу высокой плотности и прочности сланцев для высвобождения нефти и газа из их порового пространства практически единственным при

Введение

9

емом является разрушение пласта с помощью гидравлического разрыва. При этом низкая проницаемость и насыщенность пласта вынуждает разрушать пласт многократно в разных направлениях с использованием технологии веерного бурения. Таким образом, при добыче сланцевого газа воздействие на недра осуществляется в значительных масштабах.
   Для строительства нефте- и газодобывающих предприятий и их инфраструктуры (дорожной сети, водопроводов, продуктопроводов, линий электропередач и др.) требуются большие участки земли, которые в ряде случаев необходимо изымать из сельскохозяйственного, лесохозяйственного, рекреационного или иного пользования. На этих участках приходится размещать не только добывающие объекты (кустовые площадки, пункты сбора и подготовки углеводородов), но и хранилища (склады, емкости, резервуары) необходимых химических реагентов, в том числе достаточно токсичных, проливы которых могут серьезно загрязнять почву, поверхностные и подпочвенные воды. Кроме того, необходимо создавать объекты (амбары, хвостохранилища, пруды-испарители и др.) для временного хранения отходов бурения или поступающей из скважины жидкости.
   Наконец, для строительства и эксплуатации промысловых объектов требуется огромное количество транспортных средств и различной обеспечивающей техники (автомобилей, тракторов, бульдозеров, буровых установок, речных и морских судов, самолетов и вертолетов, компрессоров и др.), которые загрязняют окружающую среду отходами производственной деятельности. Шумовое и химическое загрязнение, являющееся следствием функционирования добывающих предприятий, также оказывает значительное негативное влияние на фауну, оказывающуюся в зоне воздействия этих предприятий, а также на население.
   В мире нет апробированных технологий добычи сланцевых углеводородов, которые не наносили бы большого ущерба окружающей среде, влияние которого превосходит пределы ассимиляционной емкости и устойчивости окружаю

Введение

щей среды. Поэтому в европейских странах с их густонаселенными территориями и строгим экологическим законодательством добыча сланцевых углеводородов вряд ли в ближайшем будущем будет развиваться.
   К настоящему времени наибольший опыт по добыче сланцевых углеводородов накоплен в США и Великобритании. Именно опыт этих стран явился основой для проведенного анализа воздействия этой отрасли промышленности на окружающую среду.

Глава 1

    ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ, ВМЕЩАЮЩИЕ СЛАНЦЕВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ


1.1. Земная кора и геологическое время
Земная кора представляет собой верхний слой упругой оболочки Земли — ее литосферы. Земная кора состоит из легкого, менее плотного по сравнению с подстилающей ее мантией вещества, которое недра «вытолкнули» из себя. Доля земной коры в общем объеме Земли составляет 1,5%. Геологические процессы непрерывно изменяют земную кору, приводя к разрушению одних горных пород и образованию других. Поверхность земной коры формируется за счет разнонаправленных тектонических движений и осадконакопления.
   Границей раздела земной коры и верхней мантии принято считать «поверхность М», залегающую на глубинах 30—60 км на континентах и 5—10 км под дном океана. Эта поверхность определяется глубиной, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн—в среднем до 8 км/с. Обычно с этой поверхностью отождествляется нижняя граница гидратации земных недр. Граница между корой и мантией подвижна: повышение температуры мантии приводит к расплавлению нижней части коры и смещает границу вверх, а понижение температуры — вниз. Особое значение «поверхности М» заключается в том, что на ее уровне примерно соблюдается архимедово равновесие земной коры, «плавающей» в вязком веществе мантии.
   Нижним ярусом континентальной земной коры является толстый базальтовый слой, на котором покоится гранитный слой, покрытый чехлом осадочных пород. Океанское ложе состоит из базальтовой подстилки и тонкого слоя осадочных пород (рис. 1.1).

Глава 1. Осадочные породы, вмещающие сланцевые углеводороды

   Средний химический состав земной коры: SiO₂ — 53,5%, А1₂оз — 15,9%, СаО — 9,4%, FeO — 7,6%, MgO — 5,4%, Na^ — 2,7%, СО₂— 1,0%, Н₂О —0,78%. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода: кларк кислорода — 47%. Далее по мере убывания идут кларки кремния — 29,5; алюминия — 8,05; железа — 4,65; кальция — 2,96; натрия и калия— по 2,50; магния— 1,87 ититана—0,45%. В сумме это составляет более 99% массы земной коры. Суммарное содержание в земной коре остальных 80 элементов не превышает 1 %.


Рис. 1.1. Схематический разрез земной коры

   По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические; осадочные и метаморфические.
   Магматические породы имеют кристаллическое строение и образуются из расплавленной магмы при застывании ее на некоторой глубине или при выходе ее на поверхность. На долю магматических пород приходится примерно 95% объема земной коры. Наиболее важными минералами в составе этих пород являются окись кремния (кремнезем) SiO₂ и окись алюминия А1₂О,,.
   Осадочные породы залегают слоями и образуются в результате переотложения продуктов разрушения ранее существовавших коренных горных пород, а также из продуктов жизнедеятельности организмов. Так, песчаник образуется из песков, сланец — из ила, известняк — из морских раковин. Осадочные породы подстилаются древними магматическими или метаморфическими породами. Залежи нефти и газа, как правило, приурочены к осадочным породам. В большинстве случаев осадочные породы состоят из трех

1.1. Земная кора и геологическое время

13

компонентов. Во-первых, это минералы, такие как полевой шпат или морские раковины. Во-вторых, это природные цементирующие вещества, объединяющие частицы. В-третьих, это поровое пространство, заполненное флюидами (вода, газ, нефть).
   Нефтяные и газовые месторождения в основном приурочены к осадочным породам. Эти породы образуются в результате действия различных экзогенных факторов и залегают в верхней части земной коры, занимая около 75% площади земной поверхности. Среди осадочных пород на долю кристаллических пород приходится около 25%, на долю обломочных — около 21 %, на долю глинистых — около 54%.
   Кристаллические осадочные породыпредставляют собой агрегаты минеральных зерен, образовавшихся в результате выпадения солей из водных растворов, химических реакций в земной коре или в результате жизнедеятельности организмов. Среди этих пород наиболее распространены карбонатные породы (известняки, доломиты, мергели), сульфатные (гипсы, ангидриты), галоидные (каменная соль) и кремнистые (кремни, диатомиты, яшмы) породы. Важными разновидностями осадочных пород, образующих мощные слоистые толщи, являются мономинеральные разности: каменная соль, гипс и ангидрит, которые образуются в результате выпадения солей из растворов.
   Обломочные осадочные пороЭыпредставляют собой продукты механического и физико-химического разрушения, осевшие без растворения и перекристаллизации. По размерам обломков различают:
   •    грубообломочные породы (размер обломков магматических и метаморфических пород более 2 мм), которые в разрезах нефтяных месторождений распространены редко;
   •    песчаные породы (размер обломков из минералов кварца, слюды, полевых шпатов и др. от 0,1 до 2 мм), которые бывают рыхлыми и сцементированными;
   •    мелкоземистые породы — супеси, суглинки и лесс, которые часто встречаются в сцементированном виде (алевролиты);

Глава 1. Осадочные породы, вмещающие сланцевые углеводороды

   •    глинистые породы (размер частиц менее 0,01 мм), сцементированные халцедоном SiO₂, не размокающие в воде и имеющие высокую прочность (аргиллиты, глинистые сланцы).
   Природные цементы по составу могут быть кремнистые, карбонатные, сульфатные, глинистые, битумные и другие. Два наиболее распространенных цементирующих вещества— это кальцит и кварц (SiO₂). От характера цемента и плотности цементации зависит прочность и твердость пород. Цементы в горных породах по своей форме могут быть четырех типов (рис. 1.2):
   1) контактовый;
   2) пленочный;
   3) поровый;
   4)   базальный, когда обломки породы погружены в цементирующее вещество и не контактируют друг с другом.


Рис. 1.2. Типы природных цементов в обломочных породах: а—контактовый; б—пленочный; в — поровый; г—базальный, когда обломки породы погружены в цементирующее вещество и не контактируют друг с другом

   Сцементированные грубообломочные породы независимо от состава обломков и цемента называют конгломератом или брекчией. Сцементированные среднеобломочные породы называют песчаниками, мелкообломочные — алевролитами.
   Рыхлые осадочные породы делятся на несвязные и связные (глинистые). На долю глинистых пород приходится свыше 50 % объема всех осадочных пород. Среди глинистых минералов главную роль играют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Силы связи в глинистых породах имеют физико-химическую природу и обусловлены особым коллоидным состоянием глинистых минералов. В зависимости от степе