EKOLOGICZNE ASPEKTY BUDOWY I EKSPLOATACJI KAWERNOWYCH PODZIEMNYCH MAGAZYNÓW GAZU

Transkrypt

1 EKOLOGICZNE ASPEKTY BUDOWY I EKSPLOATACJI KAWERNOWYCH PODZIEMNYCH MAGAZYNÓW GAZU Galiniak Grzegorz Koło Naukowe RX Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. J. Klich Opiekun koła: mgr inż. A. Ostręga 1. STRESZCZENIE W referacie przedstawiona została analiza wpływu podziemnych magazynów gazu zlokalizowanych w złożach soli na poszczególne elementy środowiska przyrodniczego: atmosferę, hydrosferę i litosferę zarówno w fazie budowy jak i eksploatacji magazynów. Przedmiotem pracy jest jedyny w Polsce zbiornik tego typu a mianowicie Kawernowy Podziemny Magazyn Gazu (KPMG) Mogilno. Omówiono również wymagania stawiane tego typu podziemnym magazynom gazu. Zidentyfikowano niekorzystne oddziaływania KPMG na środowisko oraz ukazano sposoby ograniczające ten ujemny wpływ na środowisko. Przedstawiono pokrótce przebieg najważniejszych procesów zachodzących w czasie budowy i eksploatacji zbiornika w kawernach. Opisane zostały także funkcje magazynu oraz jego wady i zalety. Wykorzystano przy tym prace i wyniki badań z zakresu ochrony środowiska Instytutu Górnictwa Naftowego i Gazownictwa (IGNiG) oraz materiały literaturowe, konferencje naukowo-techniczne o tematyce Kawernowych Podziemnych Magazynów Gazu. Analiza ta pozwoliła na sformułowanie wniosku, że Kawernowe Podziemne Magazyny Gazu nie zaliczają się do obiektów uciążliwych dla środowiska, o ile magazynowy gaz nie zawiera w swym składzie węglowodorów aromatycznych. 2. WSTĘP Podziemne magazynowanie gazu ziemnego zyskało na całym świecie ogromne znaczenie i jest systematycznie rozwijane jako metoda: - wyrównania sezonowych i innych nierównomierności zapotrzebowania na gaz, - wyrównania nierówności wydobycia ze złoża, - tworzenia rezerw dyspozycyjnych oraz rezerw strategicznych,

2 - realizowania różnych form powiązań technologicznych z gazociągami tranzytowymi (w tym w tzw. układach rewersyjnych). Dysponowanie dostosowaną do wielkości i struktury zużycia gazu pojemnością podziemnych magazynów gazu (PMG) oraz ich odpowiednią mocą dyspozycyjną (maksymalne objętościowe natężenie poboru gazu z magazynu) przynosi znaczne korzyści, w tym również ekonomiczne. W praktyce przemysłowej spotyka się dwa rodzaje magazynów określanych jako tzw. Podziemne Zbiorniki Gazu (PZG) oraz tzw. Podziemne Magazyny Gazu (PMG). Podziemny zbiornik gazu (PZG) jest niewielkim nagromadzeniem gazu ziemnego w sztucznym zbiorniku, najczęściej metalowym, na niewielkiej głębokości rzędu kilku metrów, bądź na powierzchni. Ciśnienie w takich zbiornikach jest małe i nie przekracza wartości kilku barów. W związku z tym w PZG gromadzi się nieznaczne ilości gazu, bardzo często nie przekraczające 0,1 mln m 3, które są wykorzystywane głównie lub wyłącznie dla celów lokalnych. W sporadycznych przypadkach sztuczny zbiornik metalowy albo metalowa rura (jako pojemnik-zbiornik) może być umieszczona w wyrobisku górniczym np. w szybie kopalni, jak ma to miejsce na KWK Morcinek, gdzie zgromadzono niewielkie ilości gazu (rzędu 40 tys. m 3 ) przy niskim ciśnieniu roboczym [6]. Podziemny magazyn gazu (PMG) jest sztucznie wytworzonym nagromadzeniem (zmagazynowaniem) gazu ziemnego w naturalnych strukturach i w naturalnym środowisku porowatym, bądź w naturalnych obiektach skał lub pokładów, (..) na dość znacznej głębokości rzędu kilkuset i więcej metrów (...), które generalnie podzielić można na następujące rodzaje obiektów: a) struktury wyeksploatowanych złóż węglowodorów, najczęściej sczerpanych złóż gazu ziemnego, rzadziej ropy naftowej, b) struktury zawodnionych horyzontów i wybranych warstw wodonośnych, c) kawerny wypłukane w wysadach solnych lub pokładach soli kamiennej, d) wyrobiska górnicze starych kopalń w naturalnym środowisku, a rzadziej naturalne komory lub groty skalne [6].

3 Tabela.1. Wady i zalety podziemnych magazynów gazu [4] Rodzaj magazynu Koszt magazynu [USD/100m 3 ] Czas uruchomienia magazynu Ograniczenia - maksymalne ciśnienie pracy zależne od ciśnienia pierwotnego, - jakość skał zbiornikowych i skał Wyeksploatowane nadkładowych, lata złoża - stan technicznych istniejących odwiertów, - możliwość zanieczyszczenia gazu w magazynie - kosztowne prace poszukiwawcze i rozpoznawcze, Warstwy - badania dotyczące lat zawodnione złoża i inżynierii złożowej, - koszt wytworzenia poduszki gazowej - duże koszty wytworzenia kawern solnych, Kawerny solne lat - dostępność dużych ilości wody do ługowania, - koszty utylizacji solanki Zalety - minimalny koszt rozpoznania złoża, - znajomość historii wydobycia i parametrów złoża, - niepotrzebne lub niewielkie nakłady na wytworzenie poduszki gazowej - możliwość zmagazynowania dużych objętości gazu - modułowość instalacji zbiornikowych, - osiągnięcie dużych wydatków gazu

4 3. EKOLOGICZNE ASPEKTY BUDOWY KPMG Inwestycja jaką jest budowa podziemnego magazynu gazu związana jest z budową części naziemnej i części podziemnej. Dlatego też określenie budowa jest adekwatne wyłącznie w odniesieniu do części naziemnych, które obejmują typowe instalacje i urządzenia, takie jak: sprężarki z napędem turbinowym lub silnikowym, stacje filtrów, stacje pomiarów i rozdziału gazu, instalacje osuszania gazu odbieranego z magazynu, kotłownie i instalacje pomocnicze. Ogólnie rzecz biorąc budowa części naziemnej PMG jest zadaniem w zasadzie podobnym do budowy dużych tłoczni na trasie gazociągów przesyłowych (oczywiście z wyjątkiem instalacji osuszania i innych różnic). Analogiczne są też problemy ochrony środowiska (zajęcie terenu, prace ziemne oraz okresowe zwykłe krótkotrwałe emisje zanieczyszczeń z silników spalinowych napędzających pojazdy i maszyny). Natomiast prace wiążące się z budową podziemnej części magazynów są zadaniami niezwykle specyficznym wymagającymi możliwie pełnego rozpoznania złóż, w których zakłada się potencjalną możliwość magazynowania gazu ziemnego. W przypadku Kawernowych Podziemnych Magazynach Gazu (KPMG) w trakcie rozpoznania złóż lub wysadów solnych metodą wierceń stosowane są płuczki solne, których szkodliwość dla środowiska wynika głównie z dużej zawartości anionów chlorkowych i kationów sodowych bądź potasowych. Ponadto wiąże się ona z obecnością takich składników jak: reduktory, związki metali czy inne związki organiczne. Tabela 2. Skład i stopień toksyczności modelowych płuczek wiertniczych [2] Rodzaj płuczki Iłowa (betonitowa) Solna Polimerowa 5 % bentonitu węglowego 0,1 % NaOH 26 % NaCl 1,5 % Tylose CHR- 0,05 % Kelzan 0,7 % Drillpolimer Skład płuczki 0,2 % Na 2 CO 3 IM 0,3 % Glikocel AS-30 1 % Glikocel AS % Tylose B-77 1,5 % kreda 0,5 % Tylose B % łupek eoceński baryt (2,15 kg/dm 3 ) 0,05 % NaOH 0,15 % Argistab

5 Wyniki badań ChZT [g O 2 /kg] 8,5 16,5 12,0 Zawartość fenoli lotnych [%] Zawartość substancji ekstrahujących się chloroformem [mg/kg] Zawartość substancji rozpuszczanych w wodzie [%] Zawartość toksycznych metali ciężkich [%] Cu, Cr, Hg, As, Cd, Pb, Cr Zawartość substancji powierzchniowo czynnych niejonowych [g/cm 3 ] Stopień toksyczności obliczany na podstawie wyników badań 195,0 284,0 60,0 0,3 26 1,4 0,005 0,1 <0,005 0,005<Cr<0,01 << 0, , Chlorki, które są jednym ze składników płuczek solnych oraz bardzo zasolonych odpadach wiertniczych, w razie przedostania się do środowiska, mogą spowodować znaczne zasolenie gleby, w wyniku czego następuje uszkodzenie roślin i zahamowanie ich wzrostu. Płuczki solne i wysokozasolone odpady z wierceń prowadzonych z ich użyciem stwarzają zatem potencjalne zagrożenie dla środowiska głównie dla gleb oraz wód powierzchniowych i podziemnych. Istnieje kilka podstawowych kierunków działań, które mogą w jakiś sposób zminimalizować te zagrożenia. Do działań tych należą przed wszystkim (...): - racjonalna gospodarka płuczką i odpadami zasolonymi przynosząca zmniejszenie ilości tych odpadów (np. regeneracja zużytej płuczki i jej ponowne wykorzystanie, odrębne składowanie odpadów zasolonych i niezasolonych),

6 - składowanie odpadów zasolonych w możliwie pełnej izolacji od środowiska (przechowywanie w specjalnych zbiornikach przy wiertni zamykanych zaraz po wypełnieniu, składowiska ze skutecznymi, ale kosztownymi geomembranami), - odsalanie odpadów prowadzone przede wszystkim w celu zmniejszenia stężenia anionów chloru do bezpiecznie niskiego poziomu (np. około 3 g Cl 1- /kg) nie stwarzających zagrożeń dla środowiska (...) [5]. Dość często zasolenie jest zdecydowanie najpoważniejszą przyczyną toksyczności odpadu dla środowiska, a usunięcie soli może uczynić odpad mało szkodliwy. Stateczność oraz szczelność komór magazynowych wyługowanych w złożach soli, czyli technicznie i ekologicznie bezpieczna eksploatacja, zależą w głównej mierze od prawidłowości wyboru złoża (wysadu) na KPMG, a więc od uprzedniego możliwie pełnego rozpoznania budowy geologicznej tego złoża i otaczającego je górotworu (m.in. ułożenia warstw skalnych; formy, wielkości i głębokości zalegania złoża; stopnia czystości i właściwości reologicznych soli). Na podstawie takiego rozpoznania i wiedzy z zakresu stratygrafii oraz tektoniki ocenia się pierwsze przydatność złoża pod budowę KPMG, a następnie dokonuje wyboru i optymalizacji głębokości zlokalizowania oraz kształtu i wymiarów przyszłych komór. Należy przy tym uwzględniać dodatkowo ocenę zaburzeń pierwotnej równowagi górotworu, która może być konsekwencją zmian naprężeń wokół wykonanej komory. Komora po zatłoczeniu gazu jest poddawana od wewnątrz działaniu jego ciśnienia, a od zewnątrz działaniu ciśnienia górotworu. W związku z tym podstawowe znaczenie ma określenie zakresu ciśnienia roboczego w komorach, bezpiecznego z punktu widzenia wytrzymałości górotworu solnego na konturze komory (minimalne ciśnienie magazynowania) oraz szczelinowania górotworu (maksymalne ciśnienie w komorze) [1]. Od wartości ciśnienia roboczego i charakteru jego zmian zależy przede wszystkim zminimalizowanie tzw. konwergencji, czyli zaciskania się wyrobisk górniczych w konsekwencji efektu płynięcia soli. Nieodzowną wartość minimalnego ciśnienia w komorach osiąga się poprzez utrzymanie tzw. poduszki gazowej. Stateczność komór magazynowych zależy zatem od utrzymania w nich ciśnienia nie niższego od założonego ciśnienia minimalnego. Jest to więc problem bezpiecznej eksploatacji PMG zarówno od strony technicznej jaki i ekologicznej. Mimo tego problem ten musi rozważany już w trakcie projektowania i budowy magazynu. Chodzi o optymalny wybór głębokości posadowienia komór, od której zależy zakres ciśnień roboczych. Optymalizacja tej głębokości (np m pod powierzchnią) musi uwzględniać nie tylko przyszłe parametry eksploatacyjne (czy problem konwergencji), ale także konieczność pozostawienia ze względów

7 geomechanicznych i technologicznych tzw. półki bezpieczeństwa nad komorą, mającej odpowiednią miąższość [1]. Nie wchodząc w problemy technologiczne ługowania komór KPMG w złożach soli można w wielkim uproszczeniu stwierdzić, że istota tego procesu polega na wtłaczaniu wody (lub rozcieńczonej solanki) do otworu ługowniczego przez wewnętrzną rurę w koncentrycznej kolumnie rur otworu. Solanka (o stężeniu kg/m 3 ) jest odbierana przez przestrzeń międzyrurową, przy czym zmiany położenia butów rur wewnętrznej i zewnętrznej (w stosunku do siebie i w stosunku do komory) umożliwiają wyługowanie komory mającej pożądany kształt. Podczas ługowania chroni się strop przed niekontrolowanym rozługowaniem za pomocą medium izolującego jakim jest olej solarowy oraz kontroluje specjalnymi echosondami ultradźwiękowymi zmiany kształtui objętości komory następującej w miarę postępu ługowania. Z punktu widzenia ochrony środowiska można w trakcie projektowania i budowy kawernowego PMG w złożach soli wyróżnić dwie grupy problemów.(...) 1. Problemy (rozwiązania) wpływające bezpośrednio na zminimalizowanie potencjalnych zagrożeń ekologicznych w trakcie późniejszej eksploatacji magazynu, np.: - wykonywanie odwiertów z odchyleniem od osi nieprzekraczającym 1, co potem w trakcie ługowania warunkuje należyte formowanie się kształtu komory, istotnego z punktu widzenia jej stateczności podczas eksploatacji, - odwiercenie otworów kontrolnych do poziomu zwierciadła solnego, co w czasie eksploatacji umożliwia wykrywanie ewentualnej migracji magazynowanego gazu z komory do czapy wysadu soli, - wybór optymalnej średnicy i konstrukcji rur koncentrycznych otworu eksploatacyjnego oraz ich usytuowanie w otworze w sposób zapewniający np. spełnienie wymagań co do izolacji nadkładu i uszczelnienia utworów gipsowej czap wysadu, - zastosowanie specjalnej technologii cementowania kolumny eksploatacyjnej gwarantującej należytą szczelność w warunkach eksploatacji KPMG, w trakcie której zagrożeniem dla tej szczelności są cykliczne, intensywne oddziaływania sprężania i rozprężania gazu (cykle zatłaczania i odbioru) oraz zmiany temperatury w komorze

8 i kolumnie eksploatacyjnej jako konsekwencja przenoszenia ciepła pomiędzy komorą i kolumną a górotworem. 2. Problemy ekologiczne, które trzeba uwzględniać i rozwiązywać bezpośrednio podczas budowy KPMG, np.: - bezpieczne ekologicznie składowanie (utylizacja) odpadów z wierceń prowadzonych z zastosowaniem płuczek solnych, - prowadzenie ługowania komór z zabezpieczeniem gleby i wód przed wyciekami solanki zanieczyszczonej olejem solarowym (np. przez wykonanie wokół otworu szczelnych mis betonowych, w których przejściowo są zbierane wycieki), - prowadzenie badań kontrolnych gleby i wód w celu sprawdzenia, czy nie doszło do ich skażenia płuczką solną, solanką z ługowania czy olejem solarowym, - problem bezpiecznego zrzutu lub użytecznego wykorzystania solanki z ługowania (...) [5]. 4. EKOLOGICZNE ASPEKTY EKSPLOATACJI KPMG Największym zagrożeniem dla środowiska związanym z funkcjonowaniem PMG jest przenikanie gazu ziemnego do otaczających struk-tur geologicznych. Zagrożenia niekontrolowaną migracją gazu lub jego awaryjnymi ucieczkami mogą wynikać z (...): - nieszczelności otworów technologicznych (ewentualnie ich głowic) spowodowanych np. korozją rur okładzinowych lub złym stanem zacementowania, - nieszczelności samej warstwy magazynowej (migracja przez szczeliny, przez nieciągłości w postaci uskoków czy przez warstwy nadkładu, które okazały się przepuszczalne, pomimo że pierwotne rozpoznanie geologiczne było inne), - zbyt wysokiego ciśnienia magazynowego gazu (...) [5]. Zagrożenia dla środowiska związane z eksploatacją naziemnej części PMG (obejmującej sprężarki z napędem turbinowym lub silnikowym, stacje filtrów, stacje redukcyjno-pomiarowe, instalacje osuszenia, gazociągi oraz kotłownie i inne obiekty pomocnicze) są jeśli chodzi o emisję metanu, tlenków azotu i tlenku węgla analogicznie do zagrożeń stwarzanych przez

9 tłocznie i stacje gazowe. Tak samo jest z problemem zagrożeń dla klimatu akustycznego środowiska. W schematach instalacji naziemnej PMG pracują instalacje glikolowego osuszania gazu zawodnionego podczas magazynowania. Możliwe jest w takim przypadku zaistnienie i konieczność rozwiązania problemu zawartości jednopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w gazie odlotowym z węzła regeneracji glikolu. 5. MONITORING PRACY KPMG Dla bezpiecznej eksploatacji KPMG oraz zapewnienia ciągłej kontroli wpływu przedsięwzięcia na środowisko naturalne prowadzony musi być szereg badań kontrolnych. Do najważniejszych z nich należą: - monitoring migracji gazu ziemnego czyli kontrolujący szczelność całego magazynu, - monitoring powierzchni ziemi (gleb) badania składu chemicznego powietrza glebowego, zawartości chlorków i substancji ropopochodnych, oznaczenie ph gleby,, - monitoring wód powierzchniowych i podziemnych badania barwy, odczynu, zawartości substancji rozpuszczonych, suchej pozostałości, zawartości sodu, chlorków oraz zawartości ropy naftowej i ropopochodnych, - monitoring emisji zanieczyszczeń powietrza badania emisji zanieczyszczeń. 6. EKOLOGICZNE ASPEKTY LIKWIDACJI KPMG Likwidacja KPMG polega w głównej mierze na opróżnieniu komór z gazu, zdemontowaniu głowic i rurociągu gazowego a następnie wypełnieniu komór do stropu solanką. Po zlikwidowaniu komór istnieje też możliwość dodatkowej eksploatacji zasobów złoża soli z 300-metrowego filaru granicznego oraz z filarów między komorami magazynowanymi. 7. WNIOSKI Analiza wpływu KPMG na elementy środowiska naturalnego, uwzględniając fazę budowy i eksploatacji, pozwala stwierdzić, że: - jeśli podczas budowy magazynu przestrzegane są przepisy, zobowiązujące do ochrony środowiska przyrodniczego, prowadzona jest racjonalna gospodarka płuczkami i odpadami wiertniczymi, to ujemny wpływ budowy na środowisko jest znacznie zminimalizowany; - magazyny te nie zaliczane są do obiektów uciążliwych dla środowiska, o ile jedynym zanieczyszczeniami emitowanymi do atmosfery są dwutlenek azotu, tlenek węgla i alkohol metylowy;

10 - jeżeli magazynowany gaz zawiera w swym składzie węglowodory aromatyczne, to istnieje znaczne zagrożenie dla czystości powietrza atmosferycznego; - dużą uciążliwością dla środowiska może być także emisja hałasu. 8. LITERATURA [1] - Brańka S., Urbańczyk K.(1984) Koncepcja budowy podziemnego gazu w wysadowym złożu soli w Polsce, Sympozjum, Górnictwo surowców chemicznych, Zbiorniki podziemne, Środowisko naturalne; [2] Ciesielczyk E., Szuster T., Zaleska-Bartosz J. (1995) Ekologiczne aspekty budowy i eksploatacji PMG, Podziemne magazynowanie gazu; [3] Galiniak G. (2003). Problemy ochrony środowiska podczas budowy i eksploatacji podziemnych magazynów w kawernach solnych na przykładzie KPMG Mogilno, Praca dyplomowa, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, AGH; [4] Hoszowski A.(1994). Ocena geologiczno-złożowa wybranych złóż pod kątem możliwości wykorzystania ich na podziemne magazyny gazu, Praca dyplomowa, Wydział Wiertniczo- Naftowy, AGH; [5] Molenda J., Steczko K. (2000). Ochrona środowiska w gazownictwie i wykorzystaniu gazu; [6] Reinisch R. (2000). Wybrane, istotne aspekty podziemnych magazynów gazu: (u progu XXI wieku),