WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT 1 2 2011 Jan Macuda*, Piotr Marchel** ODDZIA YWANIE PRAC WIERTNICZYCH NA ŒRODOWISKO PRZY POSZUKIWANIU GAZU UPKOWEGO W POLSCE 1. WSTÊP Udostêpnianie z³ó gazu ziemnego ze z³ó niekonwencjonalnych (Shale gas) prowadzi siê wielodennymi otworami wiertniczymi o g³êbokoœci kilku tysiêcy metrów, rozmieszczonymi najczêœciej w siatce o boku kilkuset metrów. Wiercenie tych otworów ze wzglêdu na rodzaj i zakres prac stanowi potencjalne zagro enie dla wszystkich elementów œrodowiska naturalnego, a stopieñ oddzia³ywania prac wiertniczych uzale niony jest od wielu czynników. Do najwa niejszych z nich mo na zaliczyæ [3]: usytuowanie wiertni w terenie, wra liwoœæ poszczególnych elementów œrodowiska na zanieczyszczenie, typ urz¹dzenia wiertniczego, g³êbokoœæ wierconego otworu, rodzaj przewiercanych ska³, technologie udostêpniania gazu. Charakterystyczn¹ cech¹ wierceñ realizowanych dla celów udostêpniania gazu ³upkowego jest bardzo du a iloœæ zabiegów szczelinowania ska³ w poziomym odcinku ka dego z otworów. Stosowana technologia udostêpniania tego gazu wymaga u ycia bardzo du- ych iloœci wody oraz œrodków chemicznych, niezbêdnych do przygotowania cieczy szczelinuj¹cych. Podczas realizacji tych zabiegów powstaj¹ równie du e iloœci odpadów wiertniczych, które musz¹ byæ poddane zabiegom utylizacji. Œrodowiskowe uwarunkowania wiercenia takich otworów bêd¹ szczególnie istotne przy koniecznoœci ich realizacji w terenach o wysokim stopniu zurbanizowania oraz na terenach objêtych ró nymi formami ochrony. * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Poszukiwania Nafty i Gazu NAFTA Sp. z o.o. w Pile 263
Zagro enia œrodowiska naturalnego wystêpuj¹ce przy organizacji i prowadzeniu prac wiertniczych za gazem ³upkowym zwi¹zane s¹ g³ównie z [3,4,5,6]: czasowym pozbawieniem terenów zajêtych pod wiertniê i drogi dojazdowe mo liwoœci pe³nienia normalnych funkcji, mo liwoœci¹ zanieczyszczenia w obrêbie wiertni powierzchni ziemi oraz wód podziemnych œrodkami technologicznymi, stosowanymi do przygotowania p³uczek i cieczy szczelinuj¹cych oraz materia³ami pêdnymi, nadmiernymi poborami wody z ujêæ lokalnych i u ytkowych poziomów wodonoœnych, emisj¹ ha³asu z urz¹dzeñ wiertniczych, emisj¹ zanieczyszczeñ do powietrza atmosferycznego, awaryjnymi zrzutami do œrodowiska p³uczek lub p³ynów z³o owych, migracj¹ gazu ziemnego do zalegaj¹cych w nadk³adzie utworów przepuszczalnych. 2. ZAGRO ENIA DLA GLEB I GRUNTÓW Podczas wiercenia otworów eksploatacyjnych za z³o ami konwencjonalnymi o g³êbokoœci 3000 4000 m wielkoœæ terenu zajmowanego pod wiertniê i drogi dojazdowe zawiera siê najczêœciej w przedziale od 80000 do 10000 m 2. Przy realizacji otworów udostêpniaj¹cych gaz ³upkowy wymagane jest jednak zajêcie wiêkszej powierzchni terenu. Wynika to z koniecznoœci odwiercenia z jednego placu wiertni kilku otworów oddalonych od siebie na niewielk¹ odleg³oœæ oraz budowy zbiornika wody technologicznej do procesu szczelinowania ska³ ³upkowych. W ka dym przypadku, na wielkoœæ zajmowanej powierzchni istotny wp³yw ma d³ugoœæ drogi dojazdowej, wielkoœæ urz¹dzenia wiertniczego, iloœæ planowanych otworów oraz pojemnoœæ zbiornika na wodê. Obecnie w trakcie wykonywania w Polsce otworów badawczych za gazem ³upkowym wykonuje siê najczêœciej zbiorniki o pojemnoœci od 6000 do 8000 m 3, a ich powierzchnia zale y od warunków posadowienia i mo e wynosiæ od 2000 do 4000 m 2. Budowanie zbiornika wody technologicznej uzasadnione jest ekonomicznie tylko w przypadku prowadzenia zabiegów szczelinowania w kilku otworach znajduj¹cych siê w jego pobli u. Natomiast zabiegi szczelinowania w jednym otworze mo na przeprowadziæ przy wykorzystaniu kilkudziesiêciu zbiorników o pojemnoœci od 40 do 80 m 3, ustawionych na placu wiertni po zdemontowaniu urz¹dzenia wiertniczego. Aby ograniczyæ mo liwoœæ wyst¹pienia zanieczyszczeñ gleb i wód podziemnych w obrêbie wiertni, ca³y jej teren i zbiornik na wodê uszczelniane s¹ geomembran¹. Na rysunku 1 przedstawiono widok zagospodarowania wiertni w trakcie realizacji pierwszego w Polsce otworu poszukiwawczego za gazem ³upkowym przy wykorzystaniu urz¹dzenia MASSARENTI model MAS 5000 E. 264
Rys. 1. Widok zagospodarowania wiertni podczas wiercenia otworu za gazem ³upkowym urz¹dzeniem MASSARENTI model MAS 5000 E [8] 3. ZAGRO ENIA DLA WÓD POWIERZCHNIOWYCH I PODZIEMNYCH Do zabiegów hydraulicznego szczelinowania ska³ ³upkowych niezbêdne s¹ du e iloœci wody technologicznej, a przygotowana ciecz szczelinuj¹ca i powstaj¹ce po zabiegach odpady p³ynne zawieraj¹ substancje w postaci: œrodków powierzchniowo czynnych, biocydów, inhibitorów korozji, kwasu solnego oraz innych, niezbêdnych do w³aœciwego przeprowadzenia procesu szczelinowania. Substancje zawarte w cieczy szczelinuj¹cej i powsta- ³ych odpadach mog¹ byæ niebezpieczne dla œrodowiska, zw³aszcza w tych sytuacjach kiedy gospodarkê odpadami prowadzi siê w sposób nieodpowiedni. Dlatego, dla ograniczenia negatywnego wp³ywu na œrodowisko wodne niezwykle istotna jest identyfikacja substancji stosowanych do przygotowania cieczy szczelinuj¹cej na podstawie kart charakterystyki oraz okreœlenie stopnia ich toksycznoœci dla œrodowiska wodnego. W praktyce przemys³owej bardzo czêsto mamy jednak do czynienia z sytuacjami, kiedy receptura i sk³ad cieczy szczelinuj¹cej s¹ objête tajemnic¹ handlow¹ i wtedy nie jest mo liwa w³aœciwa ocena potencjalnego zagro enia. Jest to bardzo istotny czynnik determinuj¹cy podjêcie w³aœciwych kroków w przypadku ewentualnego zanieczyszczenia wód podziemnych i powierzchniowych. 265
4. EMISJA DO POWIETRZA W trakcie wiercenia otworów za gazem ³upkowym emisja zanieczyszczeñ do atmosfery jest porównywalna z prowadzeniem prac wiertniczych przy udostêpnianiu z³ó konwencjonalnych. Ró nica mo e wynikaæ jedynie z czasu prowadzenia prac, który przy rozwiercaniu z³ó gazu ³upkowego jest d³u szy z powody realizacji kilku otworów z terenu jednej wiertni. 5. EMISJA HA ASU DO ŒRODOWISKA Podczas wiercenia g³êbokich otworów eksploatacyjnych istotny wp³yw na œrodowisko ma równie emisja ha³asu [1, 2]. W przypadku lokalizacji wiertni w rejonach o wysokim stopniu zurbanizowania lub na terenach wymagaj¹cych szczególnej ochrony, niezbêdne jest prowadzenia prac wiertniczych przy wykorzystaniu urz¹dzeñ z dobrze wyciszonymi podzespo³ami i zainstalowanymi ekranami akustycznymi. Do g³ównych Ÿróde³ ha³asu na terenie wiertni nale ¹: agregaty pr¹dotwórcze, silniki napêdowe urz¹dzenia wiertniczego i pomp p³uczkowych, pompy p³uczkowe oraz sita wibracyjne. Agregaty pr¹dotwórcze najczêœciej znajduj¹ siê w pomieszczeniach zamkniêtych, ze œciankami o niewielkiej izolacyjnoœci akustycznej, natomiast silniki napêdowe i pompy p³uczkowe s¹ ca³kowicie lub czêœciowo os³oniête wiat¹ lub te czêœciowo zabudowane. Sita wibracyjne s¹ na ogó³ ca³kowicie ods³oniête. Do realizacji pierwszego w Polsce otworu poszukiwawczego za gazem ³upkowym wykorzystano urz¹dzenie wiertnicze MASSARENTI model MAS 5000 E, które posiada³o napêd wyci¹gu wiertniczego w postaci 2 silników pr¹du sta³ego 5GE 752 AR o mocy ci¹g³ej 1500 KM, napêd pomp p³uczkowych w postaci 2 silników elektrycznych 5GE 752 AR ka da oraz 4 silników spalinowych Caterpillar 3512 C4 do napêdu generatorów pr¹du o mocy 1400 KM. Na rysunku 2 przedstawiono rozk³ad poziomu ha³asu w otoczeniu urz¹dzenia wiertniczego MASSARENTI model MAS 5000 E podczas wiercenia otworu poszukiwawczego za gazem ³upkowym na g³êbokoœci 2700 m. 6. TOKSYCZNOŒÆ ODPADÓW P YNNYCH Aktualnie u ywane ciecze szczelinuj¹ce s¹ mieszanin¹ wody zawieraj¹cej pewne iloœci substancji o okreœlonym dzia³aniu, wspomagaj¹cych proces szczelinowania. Do substancji tych nale ¹: œrodki zmniejszaj¹ce tarcie, w wyniku których ciecz szczelinuj¹ca mo e byæ zat³aczana z wiêkszym wydatkiem i przy mniejszym ciœnieniu, biocydy zapobiegaj¹ce rozwojowi mikroorganizmów, œrodki zapobiegaj¹ce korozji przewodu wiertniczego, rur ok³adzinowych i wewnêtrznego uzbrojenia otworu, kwas solny do oczyszczenia strefy przyodwiertowej z osadu p³uczki wiertniczej. 266
Rys. 2. Rozk³ad poziomu ha³asu w otoczeniu urz¹dzenia wiertniczego MASSARENTI model MAS 5000 E [8] Na rysunku 3 przedstawiono diagram ukazuj¹cy iloœciowy i jakoœciowy sk³ad cieczy szczelinuj¹cej, a w tabeli 1 zestawiono g³ówne substancje wraz z ich zastosowaniem w innych ga³êziach przemys³u. Na podstawie analizy diagramu (rys. 3) mo na stwierdziæ, e g³ównym sk³adnikiem cieczy szczelinuj¹cych jest woda, a z substancjami u ytymi do jej przygotowania stykamy siê w yciu codziennym. Dostêpnoœæ dodatków chemicznych do cieczy szczelinuj¹cych i powszechnoœæ ich wykorzystania w yciu codziennym daje wiêksze mo liwoœci ich utylizacji. Po wykonaniu zabiegu szczelinowania ska³ ³upkowych i obni eniu ciœnienia na g³owicy ciecz szczelinuj¹ca, powracaj¹ca do otworu znacznie zmienia swój sk³ad chemiczny w wyniku mieszania siê z wodami z³o owymi oraz kontaktu ze ska³¹ macierzyst¹. W cieczy powracaj¹cej do otworu najczêœciej wzrasta iloœæ rozpuszczonych soli oraz koncentracja wêglowodorów. 267
Rys. 3. Iloœciowy i jakoœciowy sk³ad cieczy szczelinuj¹cej [8] Tabela 1 Zestawie substancji wykorzystywanych do przygotowania cieczy szczelinuj¹cych wraz z ich zastosowaniem w innych ga³êziach przemys³u [5] Rodzaj dodatku G³ówne sk³adniki cieczy kwasuj¹cej Powszechne zastosowanie Kwas HCL œrodki chemiczne do czyszczenia ³azienek Biocyd glutaraaldehyd przemys³ farmaceutyczny Œrodek rozk³adaj¹cy polimery inhibitory korozji Œrodki zmniejszaj¹ce tarcie chloran sodu n.n dimetyl formamidy produkty destylacji ropy naftowej konserwanty ywnoœci u ywany do krystalizacji medium w przemyœle farmaceutycznym przemys³ kosmetyczny, kremy, szampony do w³osów 268
Regulator granicy p³yniêcia Œrodek zapobiegaj¹cy powstawaniu soli elaza guara gum hydroxyethyl cellulose Tabela 1 cd. 2-hydroxy-1,2,3-propanetricaboxylic kwas przemys³ kosmetyczny, przyprawy kwasek cytrynowy u ywany do usuwania osadów Przeciwutleniacze ammonium bisulfite przemys³ kosmetyczny Materia³ podpieraj¹cy szczeliny Inhibitor zapobiegaj¹cy powstawaniu soli wapnia i magnezu Œrodek powierzchniowoczynny krzemionka, piasek kwarcowy ethylene glycol izopropanol Zwyk³y piasek np. na pla y œrodek zapobiegaj¹cy zamarzaniu, p³yn do spryskiwaczy przemys³ kosmetyczny, dezodoranty, farby do w³osów Regulator ph soda, wêglan potasu detergenty, myd³o Po zabiegu szczelinowania ciecz szczelinuj¹ca nie powraca natychmiast w ca³oœci do otworu. Proces ten trwa czasem do kilku dni, co znacznie zwiêksza czas reakcji cieczy ze ska³¹ zbiornikow¹. Z literatury [6, 10] wynika, e przy wykonywaniu zabiegów szczelinowania ska³ ³upkowych w wielu przypadkach ró nica w objêtoœci zat³oczonej cieczy szczelinuj¹cej do odebranej mo e wynosiæ od 30 do nawet 70%. Ciecz ta w póÿniejszej fazie mo e byæ wydobywana na powierzchniê razem z eksploatowanym gazem. Czêœæ cieczy szczelinuj¹cej jest jednak tracona bezpowrotnie, gdy pozostaje ona w mikroszczelinach, sorbuje siê na minera³ach ska³y macierzystej i nie stanowi adnego zagro enia dla œrodowiska. 7. ZARZ DZANIE ODPADAMI P YNNYMI PO SZCZELINOWANIU SKA UPKOWYCH Powstawanie du ych iloœci odpadów p³ynnych w procesie szczelinowania ska³ ³upkowych jest nieuniknione i dlatego nale y podj¹æ wszelkie mo liwe dzia³ania organizacyjne i technologiczne, aby je w³aœciwie zagospodarowaæ lub zutylizowaæ. Znaj¹c sk³ad cieczy szczelinuj¹cej oraz przeprowadzaj¹c na bie ¹co badania fizykochemiczne powsta³ych odpadów, mo na okreœliæ stopieñ ich toksycznoœci dla œrodowiska wodnego oraz opracowaæ odpowiednie dzia³ania prewencyjne w celu ograniczenia mo liwoœci zanieczyszczenia horyzontów wód pitnych. Na podstawie doœwiadczeñ zdobytych w Stanach Zjednoczonych, w trakcie prowadzenia prac wiertniczych za gazem ³upkowym mo na stwierdziæ, e wiêkszoœæ postaj¹cych odpadów p³ynnych mo e byæ utylizowana w oczyszczalniach komunalnych lub przemys³owych. 269
Bior¹c jednak pod uwagê du e koszty przygotowania cieczy szczelinuj¹cej, nale y d¹- yæ do wielokrotnego jej u ycia, a to poci¹ga za sob¹ koniecznoœæ jej magazynowana. Taki sposób gospodarowania odpadami wiertniczymi zwiêksza jednak ryzyko wyst¹pienia zanieczyszczenia wód podziemnych i powierzchniowych oraz gleb. Aby zminimalizowaæ to ryzyko, nale y w odpowiedni sposób uszczelniaæ zbiorniki magazynowe i nie dopuœciæ do przedostania siê odpadów p³ynnych do œrodowiska. 8. WP YW PRAC WIERTNICZYCH NA CZ OWIEKA Z literatury [3, 10] wynika, e ska³y ³upkowe w Polsce wystêpuj¹ w znacznej czêœci na terenach obszarów wiejskich, ale w wielu przypadach mamy równie zabudowê miejsk¹ i tereny wymagaj¹ce podwy szonej ochrony. Podjêcie prac wiertnicznych za gazem ³upkowym na takich terenach bêdzie powodowa³o pewne obawy spo³ecznoœci lokalnej o swoje bezpieczeñstwo, a w szczególnoœci bêdzie wp³ywa³o na pogorszenie klimatu akustyczngo i chwilow¹ zmianê krajobrazu. Du a intensywnoœæ prac wiertniczych mo e równie wp³ywaæ na pogorszenie jakoœci wód u ytkowych poziomów wodoœnych w wyniku ucieczki nawet niewielkich iloœci p³uczki do przewiercanych ska³ wodonoœnych. 9. WNIOSKI 1. Wp³yw prac wiertniczych na œrodowisko, realizowanych w Polsce za gazem ³upkowym, bêdzie bardzo zró nicowany i w istotnym stopniu uzale niony od stopnia zurbanizowania terenu, wra liwoœci poszczególnych elementów œrodowiska oraz zastosowanej organizacji prowadzenia oprac wiertniczych. 2. W celu ograniczenia negatywnego wp³ywu prac wiertniczych na œrodowisko nale y podj¹æ odpowiednie dzia³ania ju na etapie projektowania i lokalizacji otworów eksploatacyjnych. 3. Wa nym czynnikiem, determinuj¹cym bezpieczeñstwo œrodowiska gruntowo-wodnego jest prawid³owe wykonanie otworu wiertniczego, monitoring procesu szczelinowania ska³ ³upkowych oraz monitoring nadleg³ych poziomów wodonoœnych. 4. Aby zmniejszyæ negatywny wp³yw cieczy szczelinuj¹cych na œrodowisko wodne nale- y udoskonaliæ ich receptury przez szersze wykorzystanie substancji nietoksycznych lub o bardzo niskiej toksycznoœci. 5. W celu ogarniczenia emisji ha³asu do œrodowiska wszystkie urz¹dzenia powinny byæ odpowiednio wyciszone i mieæ skuteczne ekrany akustyczne. LITERATURA [1] Engel Z.: Ochrona œrodowiska przed drganiami i ha³asem. WNT, Warszawa 2001 [2] Dubiel S., Macuda J., Jamrozik A.: Ocena wp³ywu technologii stosowanych w wiertnicwie naftowym na œrodowisko gruntowo-wodne. Wiertnictwo Nafta Gaz (rocznik AGH), r. 20/2, 2003 270
[3] Macuda J.: Œrodowiskowe aspekty potencjalnej produkcji gazu ziemnego z niekonwencjonalnych z³ó. Przeg. Geolog., nr 1/2010 [4] Macuda J., ukañko.: Pomiary ha³asu œrodowiskowego w przemyœle naftowym i gazowniczym. Wiertnictwo Nafta Gaz (pó³rocznik AGH), t. 25 z. 1, 2008 [5] Macuda J., Nagy S., Zawisza L.: Prognozowanie wp³ywu odpadów wiertniczych deponowanych w zbiorczym dole urobkowym na wody podziemne. X Konferencja Naukowo-Techniczna Nowe metody i technologie w geologii naftowej, wiertnictwie, eksploatacji otworowej i gazownictwie. Kraków, AGH, 1999 [6] Macuda J., Zawisza L.: Techniczne uwarunkowania sk³adowania odpadów p³ynnych w górotworze metod¹ otworow¹. Wiertnictwo Nafta Gaz (rocznik AGH), 23/1, 2006 [7] Macuda J., Lewkiewicz-Ma³ysa A.: Toxic chemical waste deposition in deep postextraction Wells. Netradièní metody vyuzití lozisek. II. Mezinárodni konference, Ostrava 17 18 listopad 1999 [8] Materia³y archiwalne, (2010) Poszukiwania Nafty i Gazu NAFTA Sp. z o.o. w Pile [9] Wszo³ek T., Macuda J., Wszo³ek W., Stryniewicz L.: Analiza wp³ywu urz¹dzeñ wiertniczych na klimat wibroakustyczny œrodowiska. Wiertnictwo Nafta Gaz (rocznik AGH), r. 19/2, 2002 [10] Zawisza L., Macuda J. et al.: Ocena zagro eñ dla œrodowiska naturalnego wystêpuj¹cych przy poszukiwaniu i rozpoznawaniu oraz podczas eksploatacji z³ó wêglowodorów. MŒZNiL, Warszawa 2007 (praca niepublikowana) 271