Микробиология гидроразрыва пласта
Гидравлический разрыв пласта, или ГРП, - один из основных методов добычи ископаемого топлива, питающего большую часть планеты.
ГРП означает увеличение проницаемости подповерхностных пород в глубине Земли для извлечения нефти и газа, находящихся в них. Микроорганизмы, населяющие жидкости для ГРП, подземные пласты, продукты эксплуатации и оборудование, усложняют этот процесс, снижая качество нефти и газа и вызывая коррозию оборудования. Изучение форм и функций этих микробных сообществ необходимо для минимизации экономических, экологических и медицинских рисков, связанных с гидроразрывом пласта, в условиях перехода к более безопасному будущему.
ГРП позволяет высвободить нефть и природный газ, залегающие в мельчайших порах сланца - мелкозернистой осадочной породы, залегающей на много километров ниже поверхности Земли. Процесс гидроразрыва пласта включает в себя бурение ствола скважины на несколько километров вглубь Земли для разрезания сланцевых пластов, содержащих нефть или газ (так называемых "сланцевых пластов"), а затем горизонтальное бурение еще на несколько километров, чтобы охватить как можно больше подземных пластов. Жидкость, подаваемая через отверстия вдоль ствола скважины, создает трещины в породе. Эта жидкость содержит воду, химические добавки и частицы (например, песок или керамические гранулы), которые препятствуют закрытию трещин в породе во время добычи.
После периода остановки скважины жидкость вместе с добытой нефтью или газом возвращается на поверхность. Состав этой жидкости варьирует в зависимости от времени, прошедшего после закрытия скважины. Обратная вода - первая жидкость, возвращающаяся из глубин Земли, - по составу аналогична исходной жидкости ГРП, тогда как пластовая вода, образующаяся в течение всего срока эксплуатации скважины, более соленая и содержит извлеченные углеводороды (т.е. нефть и газ) вместе с другими соединениями природного происхождения (например, металлами). Как обратная, так и пластовая вода собираются до очистки, перерабатываются или утилизируются, часто путем закачки далеко под землю.
Некоторые из проблем, связанных с гидроразрывом пласта, связаны с микроорганизмами. Например, бактерии могут вырабатывать коррозионно-активные соединения, ослабляющие целостность инфраструктуры и оборудования ГРП, что повышает вероятность выхода из строя оборудования и/или утечек, а также выделять сероводород, который "подкисляет" добытые углеводороды. Таким образом, "если мы поймем микробиологию этих систем [ГРП], мы сможем применять более эффективные и целенаправленные методы биоконтроля", - поясняет Джуна Гулливер, исследователь в области экологической инженерии из Национальной лаборатории энергетических технологий США. "Кроме того, микробиология в этих системах может сигнализировать о различных типах поведения недр и инфраструктуры, которые мы иначе не смогли бы понять".
Но откуда именно берутся микроорганизмы, обитающие в сланцах? Подповерхностная сланцевая среда не всегда благоприятна для обитания микроорганизмов из-за таких факторов, как низкая проницаемость и поры нанометрового размера (в которых микробные клетки, большинство из которых относятся к микрометровому диапазону, не могут поместиться). Хотя ответ на этот вопрос пока не ясен, принято считать, что микробы, присутствующие в продуктах ГРП (например, в жидкости ГРП), могут заселять трещины, образующиеся в процессе ГРП, и размножаться в новых пространственных нишах, получая питательные вещества из жидкости ГРП для поддержания своего роста.
Микробные сообщества, связанные с ГРП, обычно включают метаногены (организмы, продуцирующие метан), бактерии с ферментативным метаболизмом и бактерии, продуцирующие сероводород из сульфата или тиосульфата (распространенных солей окружающей среды). Сульфидопроизводящие организмы, включая виды бактерий рода Halanaerobium, обладающих способностью восстанавливать тиосульфат, представляют особую опасность при проведении ГРП, поскольку сульфид способен разъедать металлическое оборудование и создавать угрозу эксплуатации. Исследование Гулливер позволяет предположить, что жидкость ГРП может вымывать сульфаты из сланцев, особенно по мере продвижения к другим скважинам сланцевого месторождения; это может стать дополнительным метаболическим топливом для сульфидовосстанавливающих организмов и впоследствии привести к увеличению выработки сульфидов, запустив тем самым порочный круг.
Однако, несмотря на наличие общих черт, не все сланцевые породы одинаковы, а значит, одинаковы и связанные с ними микробные сообщества. Например, Halanaerobium широко распространен в сланцах Marcellus Shale, расположенных в штатах Нью-Йорк, Пенсильвания и Западная Вирджиния, а также в бассейне Permian Basin в Техасе и Нью-Мексико, но отсутствует в месторождениях Оклахомы и Великобритании, вероятно, потому, что в этих районах соленость ниже, чем в бассейнах с высоким содержанием соли, где Halanaerobium процветает.
"Поскольку существует так много различных сланцевых месторождений, а между ними так много различий, микробная экология во всех этих различных средах до конца не изучена", - отмечает Гулливер. Такие факторы, как соленость, температура и даже присутствие бактериофагов, влияют на состав и функционирование микробных сообществ, извлеченных из добываемой жидкости. Кроме того, в жидкость для гидроразрыва пласта регулярно добавляются биоциды для минимизации роста биопленок, которые могут формировать структуру сообщества путем отбора устойчивых к биоцидам бактерий, что может свести на нет эффективность биоцидов и создать "горячие точки" устойчивых организмов.
Разнообразие микроорганизмов на разных сланцевых месторождениях означает, что тактика борьбы с микробами, связанными с системами ГРП, также может меняться в зависимости от конкретной ситуации. "Не может быть одного микроорганизма, который доминировал бы в каждой пробуренной скважине", - утверждает Каэла Амундсон из Университета штата Колорадо, изучающая подповерхностные микробиомы сланцев. По этой причине, отмечает она, важно иметь возможность профилировать сланцевые микробиомы, включая определение идентичности и функций подповерхностных сланцевых микроорганизмов.
С учетом этого Амундсон и ее коллеги разрабатывают базу данных и инструментарий под названием MAP-FRAC (Microbes Affecting Production in FRACturing systems), которые позволяют исследователям изучать состав и функциональный потенциал микробных сообществ сланцевых пород. Помимо таксономической классификации, MAP-FRAC обобщает метаболические функции геномов, собранных на основе метагеномов (MAGS) из сланцевых образцов. Цель MAP-FRAC - упростить и повысить эффективность работы ученых по изучению структуры и метаболических процессов микробов в скважинах гидроразрыва пласта, а в перспективе и в других инженерных системах.
Например, используя MAP-FRAC, Амундсон и ее коллеги проанализировали 978 MAGS образцов, собранных из 36 сланцевых скважин в 11 бассейнах США, Канады, Китая и Великобритании, представляющих целый ряд микроорганизмов из сланцев в различных географических регионах. Они обнаружили, что ни одна бактериальная фила не является общей для всех 11 бассейнов, что подчеркивает микробную вариабельность сланцевых пород.
Однако, несмотря на уникальность состава сообществ, три вида микробных метаболизмов (ферментация, сульфатредукция и метаногенез) встречаются во всех бассейнах, хотя и с небольшими различиями в относительной частоте. Полученные результаты свидетельствуют о том, что, хотя организмы могут отличаться в разных сланцевых бассейнах, существуют общие метаболические процессы, используемые организмами для выживания в этих условиях. "Очень полезно иметь специальный инструмент для анализа такого большого количества данных, чтобы увидеть, чем [эти микробные сообщества] отличаются друг от друга и чем они похожи", - говорит Амундсон, отмечая, что следующим шагом будет определение того, как использовать информацию, полученную в результате такого анализа, в полевых условиях.
Гулливер и ее сотрудники также работают над созданием легко находимой базы данных микробных ДНК, характерных для пластовых вод. Она подчеркнула, что эта база данных может быть полезна для определения способов управления пластовыми водами с учетом микробных процессов. По словам Гулливер, в сочетании с вычислительным анализом эта база данных может быть использована для "выявления микробов, которые оказывают более сильное воздействие на микробное сообщество", связанное с системами гидроразрыва пласта. В конечном счете, выявление и нацеливание на эти так называемые "ключевые виды" может стать основой для более целенаправленных стратегий по снижению воздействия биоцидов, а не для уничтожения всех микробов, которые могут там присутствовать.
Разведка недр обеспечивает запасы нефти и газа, которые способствуют изменению климата. Так зачем вообще изучать микробные основы гидроразрыва? Не лучше ли ученым обратить свое внимание на возобновляемые источники энергии?
Реальность такова, что ГРП лежит в основе значительной части производимой в США энергии - в 2022 г., по оценкам, 80% общей добычи сухого природного газа и 66% общей добычи сырой нефти в США были связаны с ГРП. И, по словам Амундсон, по прогнозам, "гидроразрыв пласта будет оставаться важным аспектом энергетического портфеля США в ближайшие десятилетия". Конечно, отметила она, переход на возобновляемые источники энергии крайне важен, но этот переход не будет быстрым и будет происходить по-разному в разных странах. В связи с этим гидроразрыв пласта иногда рассматривается как "ступенька" или "переход" к возобновляемым источникам энергии. В исследовании, проведенном в 2016 году, ученые сообщили, что в течение 30 лет энергия природного газа, добываемого методом гидроразрыва пласта, может быть использована для создания ветровой, водной и солнечной систем, способных обеспечить 83% потребности США в электроэнергии. Использование природного газа, добываемого с помощью гидроразрыва пласта, также позволило сократить количество сжигаемого в США угля, который, хотя и остается ископаемым топливом, имеет значительно больший объем выбросов CO2.
Изучение микроорганизмов, связанных с гидроразрывом пласта, позволит исследователям обеспечить максимально эффективную работу систем в условиях разработки и внедрения экологически чистых источников энергии. Кроме того, Гулливер подчеркивает, что "понимание микроорганизмов этих систем помогает... [нам] понять, как контролировать [скважины ГРП] и какие процессы могут происходить, когда мы принимаем решение об их ликвидации". Если скважины не закупорить и не управлять ими должным образом, то из них может происходить утечка метана, газа, разогревающего атмосферу, и других загрязняющих веществ в окружающую среду. Существует также возможность использования существующей инфраструктуры ГРП для новых целей, например, для хранения водорода в случае, если США перейдут от углеродной энергетики (ископаемое топливо) к водородной. Знание того, какие микроорганизмы присутствуют или могут появиться в скважинах ГРП, полезно для определения того, можно ли перепрофилировать эти скважины и каким образом.
Несмотря на негативное воздействие микробов в системах ГРП, они также изучаются с точки зрения их возможностей по очистке некоторых побочных продуктов ГРП, таких как удаление вредных соединений и органических веществ из пластовой воды. "Если мы сможем понять, как использовать микробы [связанные с ГРП], это будет очень эффективно", - считает Амундсон.
