Газ в заточении: скважина

Сланцы представляют собой осадочные породы, прошедшие определенные стадии преобразования. Первым делом происходит накопление рыхлых осадков — как правило, в водоемах. Самыми мощными отложениями являются озерно-болотные и морские прибрежные. С течением времени осадки уплотняются (литогенез), потом происходит формирование породы (диагенез), далее порода преобразуется (катагенез). Заключительная стадия — метаморфизм. Таким образом из рыхлого песка образуется сначала песчаник, потом песчано-глинистый сланец и, наконец, гнейс.

Все эти геологические подробности нужны для понимания условий, в которых появляется и хранится в природе сланцевый газ. Дело в том, что на финальной стадии — стадии метаморфизма — происходит не просто дальнейшее уплотнение породы и ее дегидратация, но и образование в условиях высокой температуры и высокого давления новых минералов, таких, например, как калинит, хлорит, глауконит, с характерной для глинистых минералов плоской таблетчатой формой.

Если изначально в донных отложениях наряду с обломочной частью (песчинками кварца и полевого шпата) находится некоторое количество органики, то в определенных случаях эта органика концентрируется и производит пласты углей (один из видов так называемого керогена). Другие виды керогена становятся исходным материалом для формирования впоследствии нефти и газа. Под действием давления и температуры бурые угли преобразуются в так называемые тощие угли, выделяя при этом большое количество газа. Например, лабораторными исследованиями установлено, что при преобразовании 1 т угля буроугольной стадии выделяется 140 м³ газа. Это очень большие объемы генерации, и потому в тех местах, где залегало большое количество концентрированной органики, сформировались высокогазоносные пласты, а газ из этих пластов, наряду со сланцевым, является ресурсом, добываемым из нетрадиционных источников.

Однако в случае со сланцами геологи имеют дело с рассеянной органикой, преобразование которой приводит к выделению газа, но он так и остается в микротрещинах между минералами. Минералы эти, как уже говорилось, имеют плоскую таблетчатую форму и, что самое главное, практически непроницаемы для газа.

Традиционные газовые и нефтяные месторождения приурочены, как правило, к структурным ловушкам — антиклинальным структурам. По сути это складка породы, направленная вверх (противоположность такой складке, то есть впадина, называется синеклизой). Антиклинальная складка образует своего рода свод, под которым за счет силы гравитации происходит перераспределение фаз: вверху формируется некая газовая «шапка», ниже — нефтяная или газоконденсатная оторочка, еще ниже — газово-водяной контакт. Причем породы, слагающие структуры классических месторождений углеводородов, должны обладать хорошими фильтрационными характеристиками, с тем чтобы газ или микроскопические частички нефти могли за счет разности в плотности и весе подниматься к центральной части этой структуры, а вода — отжиматься вниз. Таким образом, частички нефти и пузырьки газа могут проходить сквозь породу большие расстояния и собираться с обширного пространства, формируя крупные залежи. Сланцевый же газ скапливаться в больших объемах не может — он заперт в микротрещинах между пластинками минералов с крайне низкими фильтрующими свойствами. Этим и объясняются все особенности и проблемы его добычи.

Что если пробурить скважину в районе залегания газоносных сланцевых пластов? Газа из нее удастся получить совсем немного. В этом случае зона влияния скважины окажется равной нескольким сантиметрам — именно с этого крошечного пятачка под землей удастся собрать газ (для сравнения — зона влияния скважины в традиционном месторождении равна сотням метров). Непроницаемые сланцы держат свои углеводородные сокровища взаперти. Однако у сланцев есть свойство, которое так и называется — сланцеватость. Свойство это заключается в том, что все трещины ориентированы в определенных направлениях, и если пробурить горизонтальную скважину «в крест», то есть перпендикулярно трещинам, можно одновременно вскрыть гораздо больше полостей с газом.

Это правильное решение, но необходимого эффекта не дает и оно, ибо не гарантирует хорошей связи ствола скважины с большим количеством трещин. Поэтому бурение горизонтальной скважины обязательно дополняется гидроразрывом породы, причем гидроразрывом многостадийным. На первой стадии гидроразрывная жидкость подается в самую дальнюю, призабойную часть скважины. Затем участок трубы длиной 150−200 м перекрывается специальным клапаном в виде шарика, и следующий гидроразрыв производится уже ближе к устью скважины. Таким образом, если ствол скважины имеет длину 1000−1200 м, то на ее протяжении делается пять-семь гидроразрывов. Вместе с жидкостью в образовавшиеся полости поступает пропант, который не дает породе вновь сомкнуться. Пропант состоит из песка или керамических шариков, то есть по определению имеет хорошие фильтрующие свойства и не мешает газу проникать в ствол скважины.

Технологии прокладки горизонтальных скважин и гидроразрывов уже достаточно хорошо отработаны и используются в коммерческой добыче. И все же по сравнению с добычей газа из традиционных источников извлечение сланцевого газа из недр несет с собой ряд проблем как экономического, так и экологического характера.

Сразу после вскрытия скважины давление выходящего из земли газа и его объемы (дебиты) весьма высоки. Однако поскольку емкость хранящих газ трещин все же невелика, то в течение года эти показатели падают на 70−75%. Например, если на начальном этапе скважина поставляет 200−500 тысяч кубометров в сутки, то через год это будет всего лишь 8−10 тысяч. Если учесть, что газ в основном добывается не просто так, про запас, а во исполнение контрактных обязательств перед потребителем, такое существенное падение объемов добычи придется компенсировать за счет добуривания новых скважин. При этом надо учитывать, что оборудование горизонтальной скважины для добычи сланцевого газа обходится примерно в полтора-два раза дороже, чем традиционная вертикальная. Отсюда первая серьезная проблема: добыча сланцевого газа имеет чрезвычайно экстенсивный характер, несет с собой большие затраты на создание все новых и новых скважин, а также занимает обширные территории, что делает использование этой технологии проблематичным для густонаселенных стран.

Поскольку по мере истощения скважины, имеющей зону влияния всего в несколько десятков метров (даже после гидроразрывов), давление в ее устье существенно падает, это создает и вторую серьезную экономическую проблему: газ с низким давлением нельзя подавать непосредственно в газотранспортную систему, где стандартное давление составляет 75 атм. Та же проблема, кстати, и с метаном из угольных пластов: давление на устье составляет всего 1,5 атм. Значит, «нетрадиционный» газ надо дополнительно сжимать, используя при этом так называемый отжимной компрессор, который очищает газ от пыли и влаги и дополнительно дожимает. Это дорогая машина с низким КПД, так что придется тратить на ее функционирование немалое количество добытого газа.

Теперь самое время вспомнить, что именно стало недавно поводом для «антисланцевой» инициативы ряда видных деятелей западного шоу-бизнеса, таких как Йоко Оно и Пол Маккартни. Всех этих людей обеспокоили возможные экологические последствия добычи сланцевого газа в богатом месторождениями штате Нью-Йорк. Чтобы бур не зажало горным давлением, при бурении используются промывочные жидкости, содержащие, как нетрудно догадаться, ряд не очень полезных для человека веществ. Авторы экологической инициативы опасаются, что по мере расширения добычи газа компоненты промывочных жидкостей попадут водные горизонты, откуда забирается питьевая вода.

Почему же, несмотря на все эти проблемы и сложности, сланцевый газ продолжают добывать, особенно в Северной Америке? Во-первых, здесь играет свою роль политика. В Соединенных Штатах правительством поставлена задача приобрести максимальную независимость от внешних поставок энергоносителей, и если еще пару лет назад Америка покупала газ у Канады, то совсем недавно даже отправила один газовоз на экспорт, подчеркивая тем самым свой новый статус экспортера. Во-вторых, чем выше цены на углеводороды, тем выше интерес к источникам их добычи даже при высокой себестоимости. И это как раз случай сланцевого газа.