Нагнетательная скважина — это устройство, которое закачивает жидкость глубоко под землю в пористые горные породы, такие как песчаник или известняк, или в неглубокий слой почвы или под него . 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, пробуренную или приводную шахту, или вырытую яму, глубина которой превышает ее ширину, или улучшенную воронку, или систему распределения подземной жидкости». Конструкция скважины зависит от закачиваемой жидкости и глубины зоны закачки. Глубокие колодцы, предназначенные для закачки опасных отходов или углекислого газа глубоко под поверхность Земли, имеют несколько слоев защитной обсадной колонны и цемента, тогда как мелкие колодцы, закачивающие неопасные жидкости в источники питьевой воды или над ними, устроены 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. Нагнетательные скважины обычно сооружаются из труб со сплошными стенками на большую высоту, чтобы предотвратить смешивание закачиваемой жидкости с окружающей средой. [1] Нагнетательные скважины используют землю в качестве фильтра для очистки сточных вод до того, как они достигнут водоносного горизонта. Этот метод удаления сточных вод также способствует распространению инъецированного раствора на большую территорию, что еще больше снижает воздействие на окружающую среду. [ нужна цитата ]
В Соединенных Штатах имеется около 800 скважин для захоронения отходов с глубоким нагнетанием, используемых такими отраслями промышленности, как химические производители, нефтеперерабатывающие заводы, производители продуктов питания и муниципальные очистные сооружения. [2] Большая часть добываемой воды, добываемой из нефтяных и газовых скважин в США, также сбрасывается в глубокие нагнетательные скважины. [3]
Критики скважин для закачки сточных вод выражают обеспокоенность по поводу потенциального загрязнения грунтовых вод. Утверждается, что воздействие некоторых закачиваемых отходов в подземные воды не до конца изучено, и что наука и регулирующие органы не поспевают 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 приемные воды, подготовку воды, полученной в результате бурения нефтяных скважин и гидроразрыва пласта , для повторного использования, использование очищенной воды для орошения или поения скота или обработку воды на очистных сооружениях промышленных сточных вод . [5] Прямой слив не рассеивает воду по большой площади; воздействие на окружающую среду сосредоточено на определенном участке реки и ее нижнем течении или на прибрежном водоеме. Обширное 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 в округе Мауи , Гавайи, ведется борьба из-за от 3 до 5 миллионов галлонов сточных вод в день, которые они сбрасывают под установку очистки сточных вод Лахайны , из-за утверждения о том, что вода вытекает из источников, вызывающих появление водорослей. цветение и другой экологический ущерб. Примерно через двадцать лет на него подали в суд экологические организации после того, как многочисленные исследования показали, что более половины инъекционного препарата оказалось в близлежащих прибрежных водах. Судья в иске отклонил доводы округа, что потенциально может подвергнуть его федеральным штрафам на миллионы долларов. Указ о согласии 2001 года требовал от округа получения сертификата качества воды от Министерства здравоохранения Гавайев , чего он не смог сделать до 2010 года, после того как был подан иск. [7] Дело рассматривалось в Апелляционном суде девятого округа США , а затем в Верховном суде США . В 2020 году суд постановил в деле «Округ 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 работать с судами над установлением правил, когда эти типы скважины должны требовать разрешения. [8]
Еще одним применением нагнетательных скважин является добыча природного газа и нефти . Пар, углекислый газ , вода и другие вещества могут закачиваться в нефтедобывающую установку для поддержания пластового давления, нагрева нефти или снижения ее вязкости, позволяя ей перетекать в близлежащую добывающую скважину. [9]
Еще одним применением нагнетательных скважин является восстановление окружающей среды , очистка почвы или грунтовых вод от загрязнений . Нагнетательные скважины могут подавать чистую воду в водоносный горизонт , тем самым изменяя направление и скорость потока грунтовых вод, возможно, в сторону нисходящего уклона добывающих скважин, что затем может более быстро и эффективно удалять загрязненные грунтовые воды. Нагнетательные скважины также можно использовать для очистки почвы от загрязнения, например, с помощью системы озонирования. Сложные углеводороды и другие загрязняющие вещества, попавшие в почву и недоступные иным образом, могут быть расщеплены озоном , высокореактивным газом, часто с большей экономической эффективностью, чем это можно было бы получить, раскопав пораженный участок. Такие системы особенно полезны в застроенной городской среде, где копание может быть нецелесообразным из-за расположенных выше зданий. [10]
В последнее время вариант пополнения природных водоносных горизонтов с помощью закачки или перколяции стал более важным, особенно в самом засушливом регионе мира, регионе MENA (Ближний Восток и Северная Африка). [11]
Поверхностный сток также можно пополнять в сухие колодцы или просто бесплодные колодцы, которые были модифицированы для использования в качестве цистерн. [12] Эти гибридные системы управления ливневыми водами , называемые подпиточными колодцами, имеют преимущество одновременного пополнения водоносного горизонта и мгновенной подачи питьевой воды. Они могут использовать существующую инфраструктуру и требуют очень небольших усилий для модификации и эксплуатации. Активация может быть такой же простой, как вставка полимерного покрытия (фольги) в ствол скважины. Вертикальные трубы для отвода слива вниз могут повысить производительность. Область вокруг колодца действует как воронка. Если эта зона поддерживается в хорошем состоянии, воде потребуется небольшая очистка перед попаданием в цистерну. [13]
Нагнетательные скважины используются для использования геотермальной энергии в горячих пористых горных породах под поверхностью путем закачки жидкости в землю, которая нагревается в земле, а затем извлекается из соседних скважин в виде жидкости, пара или их комбинации. Нагретый пар и жидкость затем можно использовать 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 SDWA «Основная ответственность государства за обеспечение соблюдения» предусматривает, что государства должны представить предлагаемую программу UIC в Агентство по охране окружающей среды, чтобы потребовать от государства принять на себя основную ответственность за обеспечение соблюдения. [17] Тридцати четырем штатам были предоставлены полномочия по обеспечению примата МСЖД в отношении скважин классов I, II, III, IV и V. [18] Для штатов, где нет утвержденной программы UIC, администратор EPA предписывает программу для подачи заявки. [19] Агентство по охране окружающей среды (EPA) издало правила контроля за подземной закачкой (UIC) с целью защиты источников питьевой воды. [20] [21]
Правила EPA определяют шесть классов нагнетательных скважин. Скважины I класса используются для закачки бытовых и промышленных отходов под подземные источники питьевой воды. Скважины II класса используются для закачки жидкостей, связанных с добычей нефти и газа, в том числе отходов гидроразрыва пласта. Скважины III класса используются для закачки жидкостей, используемых при добыче минеральных растворов под подземными источниками питьевой воды. Скважины класса IV, как и колодцы класса I, использовались для закачки опасных отходов, но закачивали отходы в подземные источники питьевой воды или над ними, а не ниже них. Агентство по охране окружающей среды запретило использование скважин класса IV в 1984 году. [22] Скважины класса V — это скважины, используемые для всех неопасных закачек, которые не подпадают под классы с I по IV. Примеры колодцев класса V включают колодцы для отвода ливневых вод и поля для выщелачивания септических систем . Наконец, скважины класса VI используются для закачки углекислого газа для секвестрации или долгосрочного хранения. [1] В настоящее время в эксплуатации нет скважин класса VI, но ожидается, что к 2016 году будет введено в эксплуатацию от 6 до 10 скважин.
Исследование, проведенное в июле 2013 года ученым Геологической службы США Уильямом Эллсуортом, связывает землетрясения с местами закачки сточных вод. За четыре года с 2010 по 2013 год количество землетрясений магнитудой 3,0 и выше в центральной и восточной части США резко возросло. После десятилетий стабильной частоты землетрясений (в среднем 21 событие в год), активность возросла, начиная с 2001 года, и достигла пика в 188 землетрясений в 2011 году, включая рекордное землетрясение силой 5,7 балла недалеко от Праги, Оклахома, которое было самым сильным землетрясением, когда-либо зарегистрированным в Оклахома. Ученые Геологической службы США обнаружили, что в некоторых местах повышение сейсмичности совпадает с закачкой сточных вод в скважины глубокого захоронения. Считается, что землетрясения, вызванные инъекциями, вызваны изменениями давления из-за избыточной жидкости, закачиваемой глубоко под поверхность, и их называют «искусственными» землетрясениями. [23] 3 сентября 2016 года недалеко от Пауни, штат Оклахома , произошло землетрясение магнитудой 5,8 , за которым последовали девять афтершоков магнитудой 2,6 и 3,6 в течение трех с половиной часов. Землетрясение побило предыдущий рекорд, установленный пятью годами ранее. Подземные толчки ощущались даже в Мемфисе, штат Теннесси , и в Гилберте, штат Аризона . Мэри Фаллин , губернатор Оклахомы, объявила местную чрезвычайную ситуацию, и Комиссия Оклахомы отдала приказ об отключении местных водозаборных колодцев. [24] [25] Результаты продолжающегося многолетнего исследования землетрясений, проведенного Геологической службой США (USGS), опубликованные в 2015 году, показали, что большинство значительных землетрясений в Оклахоме, таких как землетрясение в Эль-Рино магнитудой 5,5 в 1952 году, возможно, было вызван глубокой закачкой сточных вод нефтяной промышленности. [26]
Некоторые данные также позволяют предположить, что большинство сильных землетрясений в Оклахоме в 20 веке также могли быть вызваны деятельностью по добыче нефти.
Глубокое закачивание сточных вод, которое, как сейчас признано, потенциально может вызвать землетрясения, на самом деле началось в штате в 1930-х годах.