«Мы надеемся, что эта работа позволит разработать новые способы изучения процессов, которые происходят во время гидроразрыва пласта в более контролируемых лабораторных условиях», — сказал Трэвис Таскер, докторант в области инженерии окружающей среды Пенсильванского университета и главный исследователь. «Это также может иметь значение для управления сточными водами, которые возвращаются на поверхность, или понимания внутрискважинных минеральных преобразований, которые могут образовывать осадки, закупоривать поры и снижать продуктивность скважины по газу».Многие газовые образования, такие как сланцы Марцелла, существуют на несколько тысяч футов ниже поверхности в условиях более высокого давления и температуры. Гидравлический разрыв пласта, также известный как гидроразрыв, является распространенным методом добычи природного газа из этих пластов.
Фрекинг использует процесс закачки миллионов галлонов смеси, состоящей из песка, воды и химических добавок, в сланцевые пласты под высоким давлением. Эта закачка приводит к разрыву сланца и высвобождению захваченных газов.
После гидроразрыва химические добавки вместе с металлами, связанными с самим сланцем, в высоких концентрациях стекают обратно на поверхность в сточных водах.Поскольку многие химические вещества, используемые для добычи природного газа, имеют острые или хронические последствия для здоровья человека, перенос, разложение и преобразование этих добавок важно понимать при рассмотрении вопроса об управлении и удалении сточных вод, которые возвращаются на поверхность.«Общей целью нашего проекта было понять, как добавки в жидкости для гидроразрыва пласта влияют на извлечение металла из сланца, и как они могут трансформироваться или разрушаться после воздействия высоких давлений и температур во время гидроразрыва пласта», — сказал Таскер.
Чтобы ответить на эти вопросы, команда, в которую входил Tasker; Уильям Бургос, профессор инженерной экологии; Паулина Пиотровски, докторант химии и биогеохимии; и Фрэнк Дорман, доцент биохимии и молекулярной биологии, должен был определить, где сосредоточены металлы в образцах сланца, как состав жидкостей гидроразрыва влияет на подвижность металлов и как жидкости гидроразрыва трансформируются в условиях высокого давления и температуры.Чтобы определить, где сконцентрированы металлы, команда собрала пробы сланцев с глубины более 4000 футов в шести местах по всей Пенсильвании и подвергла их воздействию различных растворов, предназначенных для вытеснения металлов из определенных минералов в сланце. Затем они подвергли образцы сланца воздействию высоких давлений и температур (> 3000 фунтов на квадратный дюйм и> 60 градусов C) с синтетической жидкостью для гидроразрыва пласта, типичной для того, что многие газовые компании используют на месторождении. Затем полученная жидкость была исследована, чтобы определить, как конкретные условия, такие как давление, pH, температура и органический состав, повлияли на судьбу добавок жидкости для гидроразрыва и мобилизацию металла из сланца, а также для того, чтобы точно определить, где в процессе мобилизации металлов.
«Мы смогли показать, что жидкости с кислотами, окислителями и высокой соленостью увеличивают количество металлов, мобилизованных из сланца после гидроразрыва пласта», — сказал Таскер.Исследование также показало, что многие добавки, используемые в синтетических жидкостях для гидроразрыва, разлагаются в условиях высокого давления и температуры или поглощаются самим сланцем. Однако поверхностно-активные вещества, обычная добавка ко многим бытовым моющим средствам, разлагались лишь минимально при всех испытанных условиях pH, давления, сланца и температуры.
«Это говорит о том, что, хотя многие добавки для гидроразрыва пласта разрушаются в скважине, добавки, такие как поверхностно-активные вещества или потенциально другие гидрофильные соединения, могут вернуться на поверхность, где их необходимо будет обработать надлежащим образом», — сказал Таскер.Кроме того, только сочетание сланца и условий высокого давления и температуры привело к почти полному удалению синтетических жидкостей гидроразрыва из раствора.Эти результаты показывают важность давления, температуры и глинистости при попытке создать модель для изучения органического преобразования или разложения добавок для гидроразрыва пласта.После этого исследования исследователи хотели бы посмотреть, как химический состав жидкости гидроразрыва влияет на механические свойства сланца.
«Наша работа показала, что химический состав жидкости для гидроразрыва действительно влияет на выщелачивание металла из сланца, которое может привести к вторичному осаждению минералов», — сказал Таскер. «Важно понимать, как осаждение минералов и другие минералогические изменения повлияют на общую добычу газа».Это исследование было опубликовано в журнале Environmental Engineering Science в октябре 2016 года.