Gospodarka wodna w fazie poszukiwania i eksploatacji złóż gazu Autor: dr Małgorzata Woźnicka, kierownik Programu Hydrogeozagrożenia Państwowy Instytut Geologiczny Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa ( Czysta Energia - nr 11/2012) Mówiąc o nowych źródłach energii w Polsce, na myśl nasuwa się gaz z niekonwencjonalnych złóż, a w szczególności z łupków (ang. shale gas), który śmiało można okrzyknąć odkryciem ostatniej dekady. A wszystko to za sprawą rewolucji gazowej na rynku północnoamerykańskim, która została spowodowana gwałtownym wzrostem wydobycia gazu z łupków. Przełomem było przekroczenie barier technologicznych. Możliwość wykonywania wierceń kierunkowych oraz wielokrotnych zabiegów stymulacji złoża (szczelinowania hydraulicznego) sprawiły, że niedostępne dotychczas złoża stały się osiągalne, a wydobycie z nich gazu po prostu opłacalne. Nowe wyzwanie dla Polski Następstwem sukcesu wydobywczego na kontynencie północnoamerykańskim było zainteresowanie możliwościami wydobycia gazu z łupków także w Europie. Polska śmiało podeszła do wyzwania i aktualnie jest niewątpliwym liderem w Europie w zakresie rozpoznawania niekonwencjonalnych złóż z jednej strony oraz stosowania nowych rozwiązań technologicznych z drugiej. Aktualnie ponad 20 firm krajowych i zagranicznych prowadzi w Polsce badania w ramach udzielonych koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie niekonwencjonalnych złóż węglowodorów typu shale gas. Takich koncesji wydano ponad 100 i obejmują one obszar ciągnący się od północno-wschodniego Pomorza, poprzez wschodnie Mazowsze aż po Lubelszczyznę. Jest to strefa potencjalnie najbardziej perspektywiczna dla tego typu złóż gazu. W latach 60. i 70. XX w. Państwowy Instytut Geologiczny udokumentował występowanie, określił głębokość i miąższość oraz właściwości geologiczne łupków paleozoicznych, będących dziś przedmiotem zainteresowania przemysłu naftowego. Dzięki wieloletnim projektom badawczym, ukierunkowanym na rozpoznanie budowy geologicznej Polski, dysponowano wiedzą, która umożliwiła wskazanie obszarów perspektywicznych dla prowadzenia prac poszukiwawczych. W ramach udzielonych koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie niekonwencjonalnych złóż gazu dotychczas odwierconych zostało 31 otworów, z których w 10 przeprowadzono zabieg szczelinowania hydraulicznego (dwa zabiegi w odcinkach poziomych oraz osiem zabiegów w odcinkach pionowych otworów). W ciągu najbliższych lat firmy będą wykonywały kolejne odwierty oraz zabiegi stymulujące złoże. Przewiduje się, że w okresie do 2020 r. na terenie Polski odwierconych zostanie ok. 270 głębokich otworów poszukiwawczych (wg danych Ministerstwa Środowiska, www.mos.gov.pl). Dopiero po tym czasie będzie można określić zasoby gazu z łupków i podejmować ewentualne decyzje o jego eksploatacji. Jednakże niezależnie od przyszłych wyników prac poszukiwawczo-rozpoznawczych, już dziś należy zmierzyć się z wyzwaniem, jakie stanowi ten proces.
Szczelinowanie Wyzwania wynikają bezpośrednio z używanej technologii. Ze względu na występowanie gazu w skałach charakteryzujących się niską przepuszczalnością konieczne jest zastosowanie zabiegów stymulujących złoże, czyli szczelinowania hydraulicznego. Zabieg ten polega na wtłoczeniu pod dużym ciśnieniem do poziomego odcinka odwiertu pewnych ilości wody z dodatkiem substancji chemicznych oraz proppantem (zazwyczaj piaskiem). Wtłoczona ciecz (tzw. płyn szczelinujący) powoduje wytworzenie w skale gęstej sieci drobnych szczelin, które dzięki zastosowaniu materiału podsadzkowego (piasku) nie zaciskają się i tworzą drogi przepływu dla gazu. Po wykonaniu zabiegu szczelinowania uwolniony gaz wypycha najpierw ciecz szczelinującą, a następnie odwiertem wydobywa się na powierzchnię, gdzie jest ujmowany (rys. 1). Rys. 1. Schemat procesu wydobycia gazu z łupków (materiały PIG-PIB, 2011) Odpowiedzialne prowadzenie prac z zastosowaniem nowych technologii wymaga systemowego podejścia do zagadnienia, w tym przede wszystkim przeprowadzenia szczegółowej analizy presji przedmiotowego przedsięwzięcia oraz wypracowania procedur zarządzania potencjalnym ryzykiem (rys. 2). Zasadniczą sprawą jest szczegółowe rozpoznanie procesu podlegającego analizie, wskazanie kluczowych elementów kształtujących rodzaj i siłę presji na środowisko, a także określenie oceny ich oddziaływania na poszczególne komponenty środowiska.
.. Rys. 2. Procedura przeprowadzenia analizy presji przedsięwzięcia Szczelinowanie hydrauliczne, podobnie jak inne zabiegi stymulujące złoże oraz wszelka eksploatacja kopalin, jest procesem oddziałującym na środowisko naturalne. Potencjalnie zagrożonymi elementami środowiska są wody, zarówno podziemne, jak i powierzchniowe, powierzchnia terenu (gleba i grunt), a także atmosfera. Dodatkowo nie można zapominać o zmianach w krajobrazie, wzmożonym ruchu ciężkich samochodów i hałasie, negatywnie wpływających na komfort życia ludzi oraz zwierząt. Większość z wymienionych potencjalnych oddziaływań jest krótkotrwała oraz możliwa do zminimalizowania w stosunkowo prosty sposób, np. poprzez instalację ekranów dźwiękoszczelnych lub stosowanie urządzeń niskoemisyjnych czy też izolację powierzchni terenu. Prawidłowa konstrukcja otworów, w tym przede wszystkim odpowiednia izolacja poziomów wodonośnych, zapobiega zanieczyszczeniu wód podziemnych ze strefy przyotworowej, zaś odpowiednia rekultywacja terenu umożliwia doprowadzenie terenu do jego poprzedniego użytkowania. Potrzeby wodne W wyniku przeprowadzonych analiz wykonanych w oparciu o dotychczasowe doświadczenia, w tym także z obszaru Polski, można postawić tezę, że najbardziej newralgicznym elementem procesu są potrzeby wodne oraz konieczność zagospodarowania znacznych ilości odpadów. Te dwa aspekty stanowią też największe wyzwanie, z którym zmagają się zarówno firmy prowadzące prace poszukiwawcze, jak i ośrodki naukowo-badawcze, w tym Państwowy Instytut Geologiczny. Istotne jest, aby problematykę tę rozpatrywać nie tylko w kontekście aktualnego etapu poszukiwania i rozpoznawania złóż, lecz także w wariancie przyszłej potencjalnej eksploatacji. W tym przypadku zasadnicze znaczenie ma skala przedsięwzięcia. Zapotrzebowanie na wodę, wynikające z konieczności stosowania płynu szczelinującego, wynosi średnio ok. kilkunastu tysięcy m 3 na jeden odwiert poziomy, a takich odwiertów na etapie eksploatacji w pojedynczej lokalizacji może być kilkanaście (tab. 1). Konieczność dostarczenia tak dużych ilości wody może wpływać ujemnie na stan zasobów wód podziemnych i powierzchniowych w rejonie prowadzonych prac, szczególnie, że może dojść do tzw. skumulowanego poboru w stosunkowo krótkim czasie. Dlatego też już na etapie projektowania prac należy zdefiniować źródło dostarczenia wody oraz określić możliwości jej pozyskania. Należy także uwzględnić lokalne warunki hydrogeologiczne i hydrologiczne, w
tym lokalizację obszarów o wrażliwych stosunkach wodnych (ekosystemy lądowe zależne od wód podziemnych). Źródło danych: Potrzeby wodne zabiegu szczelinowania hydraulicznego Obszar prac Ilość wykorzystanej wody na jeden otwór z pełnym zabiegiem szczelinowania [m 3 ] Barnett (USA)* 8 700 Marcellus (USA)* 14 300 Fayetteville (USA)* 10 900 Haynesville (USA)* 10 200 otwór Łebień (Polska)** 17 300 * Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer. US. Department of Energy, wartości uśrednione z wielu wierceń, ** Raport Ocena oddziaływania na środowisko procesu szczelinowania hydraulicznego wykonanego w otworze Łebień LE-2H, wartość rzeczywista z jednego otworu Biorąc pod uwagę fakt, że woda wykorzystywana w zabiegu szczelinowania hydraulicznego nie musi spełniać wygórowanych norm jakości, warto rozpatrzyć inne źródła zaopatrzenia w nią niż wyłącznie wody podziemne. Poza wodami powierzchniowymi, w sprzyjających lokalizacjach można wykorzystać wody technologiczne (poprodukcyjne), wody odprowadzane z kanalizacji burzowej, wody z odwodnień górniczych, wodę morską lub solanki. Rys. 3. Schemat obiegu wody w procesie szczelinowania hydraulicznego
Korzystne jest także powtórne użycie płynu szczelinującego, który wraca na powierzchnię po wykonanym zabiegu szczelinowania (tzw. płyn zwrotny). Płyn ten, po dokonaniu odpowiednich zabiegów oczyszczających, może być z powodzeniem powtórnie skierowany do wykorzystania w kolejnym zabiegu szczelinowania. Schemat obiegu wody w procesie szczelinowania przedstawia rysunek 3. Ryzyka zanieczyszczenia wód Innym aspektem gospodarki wodnej w fazie poszukiwania i eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu jest potencjalne ryzyko zanieczyszczenia wód. Analizując te zagadnienia, pod uwagę należy brać wszystkie teoretyczne drogi migracji zanieczyszczeń, w tym możliwość zanieczyszczenia wód podziemnych w przewiercanych formacjach wodonośnych ze strefy przyotworowej, a także z powierzchni terenu. Nie do pominięcia jest również ryzyko związane z nieprzewidzianą propagacją szczelin, która może doprowadzić do niekontrolowanej migracji gazu lub płynów technologicznych. Zanieczyszczenia te mogą być spowodowane przez szereg mechanizmów w trakcie procesu poszukiwania i produkcji gazu, wynikających zarówno z nieprzewidywalności reakcji środowiska geologicznego, jak i zdarzeń losowych oraz ryzyka związanego z tzw. czynnikiem ludzkim. W zasadzie wszystkie przypadki potencjalnego zanieczyszczenia wód należy rozpatrywać w kategoriach zdarzeń awaryjnych, spowodowanych nieprawidłowościami w prowadzonych pracach lub zawodnością urządzeń. Prawidłowa konstrukcja otworu oraz badania szczelności cementowania skutecznie chronią warstwy wodonośne przed potencjalnym zanieczyszczeniem. Prawidłowa gospodarka odpadami oraz odpowiedni sposób postępowania ze stosowanymi substancjami chemicznymi w połączeniu z zabezpieczeniem powierzchni terenu (uszczelnienie i drenaż) minimalizują ryzyko przedostania się zanieczyszczeń do gruntu i wód podziemnych. Nie mniej biorąc pod uwagę złożoność procesu, a także mnogość czynników na każdym etapie, które mogą zadecydować o niepowodzeniu przedsięwzięcia, kluczową sprawą wydaje się zaprojektowanie i wdrożenie procedur prac w trybie awaryjnym oraz wskazanie ewentualnych działań naprawczych. Zalecane jest zaprojektowanie i prowadzenie dedykowanego monitoringu badawczego, ukierunkowanego na rozpoznanie potencjalnych zanieczyszczeń spowodowanych działalnością poszukiwawczą lub wydobywczą. Aby określić rzeczywisty rodzaj i siłę oddziaływania na środowisko procesu poszukiwania i ewentualnej przyszłej eksploatacji gazu z łupków, a także prowadzić odpowiedzialną gospodarkę wodną w tym zakresie, niezbędne są dalsze badania, pozwalające z jednej strony na monitorowanie realizowanych prac i ocenę oddziaływania na środowisko zabiegów wykonanych w konkretnej lokalizacji, zaś z drugiej strony umożliwiające formułowanie wniosków ogólnych, dotyczących stosowanych technologii, popartych doświadczeniami i wynikami badań. Zaawansowane, wielowariantowe badania prowadzą też do ukierunkowania dalszego rozwoju technologii tak, aby wydobycie gazu z łupków mogło być prowadzone w sposób bezpieczny, a także przy aprobacie społeczeństwa. I to jest największe wyzwanie, przed którym obecnie stoi Polska.