Нагнетательная скважина — это устройство, которое помещает жидкость глубоко под землю в пористые горные породы, такие как песчаник или известняк, или в или под неглубокий слой почвы . Жидкостью может быть вода , сточные воды , рассол (соленая вода) или вода, смешанная с промышленными химическими отходами. [1]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) определяет нагнетательную скважину как «пробуренную, просверленную или забитую шахту, или вырытую яму, которая глубже своей ширины, или улучшенную карстовую воронку, или систему распределения подземной жидкости». Конструкция скважины зависит от нагнетаемой жидкости и глубины зоны нагнетания. Глубокие скважины, предназначенные для нагнетания опасных отходов или углекислого газа глубоко под поверхностью Земли, имеют несколько слоев защитной обсадки и цемента, тогда как неглубокие скважины, нагнетающие неопасные жидкости в источники питьевой воды или выше них, сконструированы проще. [1]
Нагнетательные скважины используются для многих целей.
Очищенные сточные воды можно закачивать в землю между непроницаемыми слоями горных пород, чтобы избежать загрязнения поверхностных вод. Инжекционные скважины обычно строятся из сплошных труб на большой высоте, чтобы предотвратить смешивание инжектата с окружающей средой. [1] Инжекционные скважины используют землю в качестве фильтра для очистки сточных вод до того, как они достигнут водоносного слоя. Этот метод утилизации сточных вод также служит для распространения инжектата на большой площади, что еще больше снижает воздействие на окружающую среду. [ необходима цитата ]
В Соединенных Штатах имеется около 800 глубоких скважин для закачки отходов, используемых такими отраслями промышленности, как химическая промышленность, нефтеперерабатывающие заводы, производители продуктов питания и муниципальные очистные сооружения. [2] Большая часть добываемой воды, получаемой из скважин для добычи нефти и газа в США, также утилизируется в глубоких скважинах для закачки. [3]
Критики скважин для закачки сточных вод ссылаются на опасения по поводу потенциального загрязнения грунтовых вод. Утверждается, что воздействие некоторых закачанных отходов в грунтовые воды не полностью изучено, и что наука и регулирующие органы не успевают за быстрым расширением практики утилизации в США, где по состоянию на 2012 год насчитывается более 680 000 скважин. [4]
Альтернативы нагнетательным скважинам включают прямой сброс очищенных сточных вод в водоприемники, кондиционирование нефтяного бурения и добываемой воды фрекинга для повторного использования, использование очищенной воды для орошения или водопоя скота или обработку воды на промышленных очистных сооружениях. [5] Прямой сброс не рассеивает воду по большой площади; воздействие на окружающую среду сосредоточено на определенном участке реки и ее нижнем течении или на прибрежном водоеме. Экстенсивное орошение нетипично для районов, где добываемая вода имеет тенденцию быть соленой, [5] и эта практика часто является непомерно дорогой и требует постоянного обслуживания и большого потребления электроэнергии. [6]
С начала 1990-х годов округ Мауи , Гавайи, был вовлечен в борьбу за 3–5 миллионов галлонов сточных вод в день, которые он сбрасывал ниже сооружения по переработке сточных вод Лахайна , из-за утверждения, что вода выходила в виде просачиваний, которые вызывали цветение водорослей и другой ущерб окружающей среде. Примерно через двадцать лет на него подали в суд экологические группы после того, как многочисленные исследования показали, что более половины инжектируемой воды появлялось в близлежащих прибрежных водах. Судья в иске отклонил доводы округа, потенциально подвергая его миллионам долларов федеральных штрафов. Постановление о согласии 2001 года требовало, чтобы округ получил сертификат качества воды от Департамента здравоохранения Гавайев , чего он не сделал до 2010 года, после того как иск был подан. [7] Дело было передано в Апелляционный суд Соединенных Штатов по девятому округу , а затем в Верховный суд Соединенных Штатов . В 2020 году суд постановил в деле округа Мауи против Гавайского фонда дикой природы , что нагнетательные скважины могут быть «функциональным эквивалентом прямого сброса» в соответствии с Законом о чистой воде, и поручил Агентству по охране окружающей среды сотрудничать с судами для установления правил, в которых для таких типов скважин должны требоваться разрешения. [8]
Другое применение нагнетательных скважин — добыча природного газа и нефти . Пар, углекислый газ , вода и другие вещества могут быть закачаны в нефтедобывающую установку для поддержания пластового давления, нагрева нефти или снижения ее вязкости, что позволяет ей течь в близлежащую добывающую скважину. [9]
Еще одно применение для инъекционных скважин - это экологическая ремедиация , для очистки почвы или грунтовых вод от загрязнения . Инъекционные скважины могут вводить чистую воду в водоносный горизонт , тем самым изменяя направление и скорость потока грунтовых вод, возможно, в сторону скважин добычи ниже по градиенту, которые затем могли бы более быстро и эффективно удалять загрязненные грунтовые воды. Инъекционные скважины также могут использоваться для очистки почвы от загрязнения, например, с помощью системы озонирования. Сложные углеводороды и другие загрязняющие вещества, захваченные в почве и иным образом недоступные, могут быть разрушены озоном , высокореактивным газом, часто с большей экономической эффективностью, чем при раскопках пораженной области. Такие системы особенно полезны в застроенных городских условиях, где раскопки могут быть нецелесообразны из-за расположенных выше зданий. [10]
В последнее время возможность пополнения природных водоносных горизонтов путем инъекции или фильтрации стала более важной, особенно в самом засушливом регионе мира — регионе MENA (Ближний Восток и Северная Африка). [11]
Поверхностный сток также может быть пополнен в сухие колодцы или просто бесплодные колодцы, которые были модифицированы для работы в качестве цистерн. [12] Эти гибридные системы управления ливневыми водами , называемые пополняющими колодцами, имеют преимущество пополнения водоносного слоя и мгновенной подачи питьевой воды одновременно. Они могут использовать существующую инфраструктуру и требуют очень мало усилий для модификации и эксплуатации. Активация может быть такой же простой, как вставка полимерного покрытия (фольги) в шахту колодца. Вертикальные трубы для проведения перелива на дно могут повысить производительность. Область вокруг колодца действует как воронка. Если эта область хорошо обслуживается, вода будет требовать небольшой очистки перед попаданием в цистерну. [13]
Инжекционные скважины используются для извлечения геотермальной энергии из горячих пористых горных пород под поверхностью путем закачки жидкостей в землю, которая нагревается в земле, а затем извлекается из соседних скважин в виде жидкости, пара или их комбинации. Нагретый пар и жидкость затем могут быть использованы для выработки электроэнергии или непосредственно для геотермального отопления . [14] [15] [16]
В Соединенных Штатах деятельность нагнетательных скважин регулируется Агентством по охране окружающей среды и правительствами штатов в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде (SDWA). [1] Раздел «Основная ответственность штата за обеспечение соблюдения» SDWA предусматривает, что штаты могут представить свою предлагаемую программу UIC в Агентство по охране окружающей среды, чтобы запросить принятие штатом на себя основной ответственности за обеспечение соблюдения. [17] Тридцати четырем штатам были предоставлены полномочия по обеспечению соблюдения UIC для скважин классов I, II, III, IV и V. [18] Для штатов, не имеющих утвержденной программы UIC, администратор Агентства по охране окружающей среды предписывает программу для применения. [19] Агентство по охране окружающей среды выпустило правила контроля за подземными закачками (UIC) в целях защиты источников питьевой воды. [20] [21]
Правила EPA определяют шесть классов нагнетательных скважин. Скважины класса I используются для нагнетания муниципальных и промышленных отходов под подземные источники питьевой воды. Скважины класса II используются для нагнетания жидкостей, связанных с добычей нефти и газа, включая отходы от гидроразрыва пласта. Скважины класса III используются для нагнетания жидкостей, используемых при добыче минеральных растворов под подземными источниками питьевой воды. Скважины класса IV, как и скважины класса I, использовались для нагнетания опасных отходов, но нагнетают отходы в подземные источники питьевой воды или над ними, а не под ними. EPA запретило использование скважин класса IV в 1984 году. [22] Скважины класса V используются для всех неопасных инъекций, которые не охватываются классами I–IV. Примерами скважин класса V являются скважины ливневой канализации и поля выщелачивания септических систем . Наконец, скважины класса VI используются для нагнетания углекислого газа для секвестрации или долгосрочного хранения. [1] С момента введения класса VI в 2010 году по состоянию на 2022 год было построено только две скважины класса VI, обе на одном и том же предприятии в Иллинойсе; четыре других одобренных проекта не были запущены в строительство. [23]
Исследование, проведенное в июле 2013 года ученым Геологической службы США Уильямом Эллсвортом, связывает землетрясения с местами закачки сточных вод. За четыре года с 2010 по 2013 год число землетрясений магнитудой 3,0 и выше в центральной и восточной части США резко возросло. После десятилетий стабильного уровня землетрясений (в среднем 21 событие в год) активность возросла с 2001 года и достигла пика в 188 землетрясений в 2011 году, включая рекордное землетрясение магнитудой 5,7 недалеко от Праги, штат Оклахома , которое стало самым сильным землетрясением, когда-либо зарегистрированным в Оклахоме. Ученые Геологической службы США обнаружили, что в некоторых местах рост сейсмичности совпадает с закачкой сточных вод в глубокие скважины для утилизации. Считается, что землетрясения, вызванные закачкой, вызваны изменениями давления из-за избыточной жидкости, закачиваемой глубоко под поверхность, и их называют «рукотворными» землетрясениями. [24] 3 сентября 2016 года около города Пони, штат Оклахома , произошло землетрясение магнитудой 5,8 , за которым последовало девять афтершоков магнитудой 2,6 и 3,6 в течение трех с половиной часов. Землетрясение побило предыдущий рекорд, установленный пятью годами ранее. Толчки ощущались даже в Мемфисе, штат Теннесси , и Гилберте, штат Аризона . Мэри Фоллин , губернатор Оклахомы, объявила местную чрезвычайную ситуацию, а Комиссия корпорации Оклахомы отдала распоряжение о закрытии местных скважин для утилизации. [25] [26] Результаты продолжающихся многолетних исследований индуцированных землетрясений Геологической службой США (USGS), опубликованные в 2015 году, показали, что большинство значительных землетрясений в Оклахоме, таких как землетрясение магнитудой 5,5 в Эль-Рино в 1952 году, могли быть вызваны глубокой закачкой сточных вод нефтяной промышленностью. [27]
линий доказательств далее предполагают, что большинство значительных землетрясений в Оклахоме в 20 веке также могли быть вызваны деятельностью по добыче нефти. Глубокое закачивание сточных вод, которое теперь признано потенциально вызывающим землетрясения, на самом деле началось в штате в 1930-х годах.