Woda w procesie wydobycia gazu z łupków

Wydobycie gazu ziemnego z formacji łupkowych rozpoczęto na początku lat 90. ubiegłego stulecia w basenie sedymentacyjnym Fort Worth (Teksas) i do tego obszaru ograniczało się ono przez ok. dekadę. Dopiero w 2002 r., gdy po raz pierwszy zastosowano wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne poziomego odcinka otworu wiertniczego i komercyjność produkcji z tego typu złóż zdecydowanie się poprawiła, nastąpiło szybkie przenoszenie tego podejścia technologicznego na inne baseny sedymentacyjne. Skalę procesu ilustruje kilkadziesiąt tysięcy otworów wiertniczych wykonanych na złożach łupkowych w USA i Kanadzie.

Wraz z rozwojem nowego sektora przemysłu naftowego pojawiły się obawy, czy w pełni rozumiane są jego konsekwencje dla środowiska naturalnego. Najwięcej kontrowersji zrodziło się wokół możliwości zanieczyszczenia wód pitnych oraz skali poboru wody do szczelinowania. Samą zaś technologię często określano jako nową i niesprawdzoną. W istocie jednak szczelinowanie hydrauliczne nie jest zabiegiem wymyślonym na potrzeby wydobycia gazu ziemnego z łupków. Pierwsze jego zastosowanie w przemyśle naftowym datuje się na 1949 r., a w samych tylko Stanach Zjednoczonych wykonano już ok. miliona takich szczelinowań. Naturalnie w latach 50. czy 60. XX w. robiono to inaczej niż obecnie, niemniej skala doświadczeń z zastosowania tej technologii jest ogromna.

Co zatem wyróżnia wydobycie gazu ziemnego z łupków? Przede wszystkim to, że w przypadku złóż konwencjonalnych szczelinowanie hydrauliczne poziomego odwiertu jest wyjątkiem, a złóż niekonwencjonalnych – regułą. W efekcie złoża gazu w łupkach oraz w zwięzłych piaskowcach cechuje duża skala stosowania tego zabiegu. Ze skalą tą, a nie z naturą procesu technologicznego, wiązać można niepożądane oddziaływanie na środowisko.

 

Zagadnienie skali odnosi się w pierwszym rzędzie do poboru wody do szczelinowania, która, zdaniem krytyków wydobycia gazu z łupków, może ograniczyć zasoby wód pitnych, dostępnych dla ludności. Argument ten w przypadku większości basenów sedymentacyjnych jest niesłuszny w skali regionalnej, gdyż konsumpcja wody do szczelinowania zwykle nie przekracza 1% jej ogólnego zużycia w danym regionie (rys.). Dostępność wody to jednak zagadnienie mające ściśle lokalny charakter i w każdym przypadku powinno być analizowane indywidualnie.

W trakcie pojedynczego szczelinowania do wybranego interwału złoża zatłacza się ok. 1000-5000 m³ wody. Takich zabiegów w jednym otworze wykonuje się na kolejnych interwałach poziomego odcinka wiercenia zwykle kilkanaście. Łączne zużycie wody w otworze może wynosić 10 000-70 000 m³ (najczęściej ok. 20 000-30 000 m³). Cykl takich szczelinowań wykonuje się zazwyczaj tylko raz w danym odwiercie, zatem jest to zużycie wody jednokrotne w całej kilkudziesięcioletniej historii produkcji gazu z otworu. Po każdym szczelinowaniu część zatłoczonego płynu wraca na powierzchnię (średnio 20-25%) i jest wykorzystywana w kolejnym zabiegu, co w pewnym stopniu pozwala redukować zużycie wody.

Taka cyfrowa charakterystyka poboru wody nie jest łatwa w odbiorze. Można ją zilustrować poprzez porównanie. Warszawa do celów konsumpcji komunalnej dziennie zużywa ok. 410 000 m³ wody. W przypadku sukcesu obecnie prowadzonych prac poszukiwawczych na etapie wiercenia otworów produkcyjnych można oczekiwać, że na Pomorzu, wschodnim Mazowszu i wschodniej Lubelszczyźnie łączne zużycie wody do szczelinowania będzie pięcio- lub dziesięciokrotnie mniejsze niż konsumpcja wody w Warszawie w porównywalnym okresie. Analiza poszczególnych stref w obrębie obszaru potencjalnej produkcji gazu w północnej i wschodniej Polsce pokazała, że obszar ten cechuje się ogólnie wysoką zasobnością wód, z wyjątkiem aglomeracji trójmiejskiej, rejonu Kwidzyna oraz Łęcznej. Trudno zatem przyjąć, że wydobycie gazu ziemnego z łupków stanowi zagrożenie dla zasobów wód.

 

Dyskusja dotycząca tego zagadnienia bazuje na założeniu, że woda do szczelinowania pochodzić będzie w całości z poziomów wód pitnych. Jest ono jednak niewłaściwe. W wielu regionach (np. łupki Marcellus w Pensylwanii) szczelinowanie prowadzone jest z użyciem wód powierzchniowych, tj. z rzek i jezior. W polskich warunkach istotnym źródłem wody do szczelinowania mogą być też płytkie solanki, występujące w warstwach kredowych i jurajskich. Są to poziomy wód o podwyższonym zasoleniu, więc nie są użyteczne do innych celów i występują na głębokości ok. 500 m. Coraz częściej do szczelinowania stosuje się też oczyszczone ścieki komunalne i przemysłowe. W polskich warunkach używane mogą być przykładowo wody pochodzące z odwadniania kopalni Bogdanka czy kamieniołomów wapieni na Lubelszczyźnie.

Zapewne w praktyce wody z różnych źródeł będą wykorzystywane uzupełniająco i żadne indywidualne źródło nie będzie pod presją zbyt dużego poboru. Ponadto wody pitne są w Polsce chronione przed zbyt intensywnym wykorzystywaniem do celów przemysłowych istniejącymi regulacjami. Pozwolenie wodno-prawne, które stanowi podstawę do czerpania wody do takich celów, nie może być wydane, jeśli pobór wody pitnej mógłby zagrażać jej dostępności do celów komunalnych, rolniczych oraz przemysłowych, które posiadają prawne pierwszeństwo. Z punktu widzenia ochrony wód pitnych i powierzchniowych znacznie istotniejsze jest tempo poboru wody, niż jej skumulowana ilość. Tempo to również jest ściśle regulowane pozwoleniem wodno-prawnym. Warto zauważyć, że obecnie prowadzi się eksperymenty związane ze szczelinowaniem bez użycia wody, która może być zastępowana np. skroplonym propanem (gaz węglowodorowy), CO₂ bądź azotem.

Produkcja energii z gazu ziemnego pochodzącego ze złóż łupkowych jest znacznie efektywniejsza pod względem zużycia wody niż z wielu innych źródeł.

W ten sposób wyprodukowana jednostka energii zużywa ponad dwukrotnie mniej wody niż jej odpowiednik z węgla kamiennego czy nawet trzy- czterokrotnie mniej niż w przypadku energii jądrowej. Pojawia się jednak argument sceptyków, że jest to woda zabrana z ekosystemu i wpompowana pod ziemię, podczas gdy wiele innych nośników energii produkuje ścieki, które wracają po oczyszczeniu do obiegu wody w przyrodzie. Nie jest to argument w pełni słuszny, gdyż przy spalaniu gazu (utlenienie węglowodorów) powstaje para wodna w ilości, przewyższającej ilość wody użytej do szczelinowania.

 

O ile zagrożenia związane z poborem wody można uznać za mało istotne, o tyle większą uwagę warto zwrócić na możliwość spowodowania zanieczyszczeń gleby lub wód w wyniku prac wydobywczych. Wiąże się to nie z naturą procesu technologicznego, lecz z prawdopodobieństwem wystąpienia awarii lub błędów ludzkich. W tym przypadku mamy do czynienia z powszechnym mitem, zakładającym, że szczelinowanie może wywołać skażenie wód pitnych metanem bądź dodatkami chemicznymi do płynu szczelinującego w wyniku migracji ze złoża przez górotwór do poziomów wodonośnych. Do tej pory nie udokumentowano takich przypadków, a z teoretycznego punktu widzenia zjawisko takie również jest trudne do wyobrażenia. Przykładowo w polskich realiach ordowickie i sylurskie łupki gazonośne występują na głębokościach rzędu 3000-4000 m. Zasięg spękań w skale to maksymalnie 100-200 m wokół otworu wiertniczego, a nad nimi występuje ok. 1500-3000 m skał uszczelniających. Wody pitne znajdują się dopiero 100-200 m pod powierzchnią. Po szczelinowaniu, płyn bądź gaz może migrować tylko w kierunku otworu wiertniczego, gdyż po zabiegu ciśnienie w nim jest znacznie niższe niż w obrębie górotworu. Jednak średnio 80% zatłoczonego płynu do niego nie wraca, gdyż albo zatrzymują go siły kapilarne na powierzchni siatki spękań albo zostaje uwięziony w iłach, powodując ich pęcznienie.

Zdarzało się też, że zgłaszano obecność palnego metanu w wodzie pitnej i w kranach, podejrzewając, że jest to spowodowane przez przemysł naftowy. Po licznych analizach stwierdzono jednak, że nie miało to nic wspólnego z wydobyciem gazu ziemnego z łupków. W badanych przypadkach, takich jak sceny z płonącymi kranami w dokumentalnym filmie „Gasland”, obecność gazu spowodowana była niewłaściwym wykonaniem ujęcia wody. Było to związane z tym, że dla ujęcia wody wywiercono prywatne studnie na 10-20 m, zlokalizowane w strefie, gdzie tuż pod powierzchnią występuje węgiel kamienny, który z natury zawiera metan. Metan uwalnia się z węgla pod wpływem obniżenia ciśnienia, co ma miejsce np. w kopalniach. Pompowanie wody spomiędzy pokładów węgla prowadziło do lokalnego obniżenia ciśnienia, które skutkowało uwalnianiem się metanu, zbierającego się następnie w rurach. Gaz ten jest też geochemicznie łatwy do odróżnienia od gazu ze złoża za pomocą technik laboratoryjnych.

W glebie, a w efekcie w poziomach wodonośnych, powszechnie występuje ponadto metan pochodzący z fermentacyjnego rozkładu szczątków organicznych, rozproszonych w osadach. Nie jest on jednak nigdy mocno skoncentrowany i w efekcie pozostaje niezauważalny.

Zagrożenie skażeniem płynem szczelinującym oraz gazem ziemnym wiąże się przede wszystkim z możliwością wypadku czy awarii. Takie sytuacje mają jednak bardzo ograniczoną skalę oddziaływania. Znane są przypadki błędów przy wykonaniu uszczelnienia przestrzeni między rurami w otworze a ścianą skały go otaczającej, czyli podczas tzw. cementowania. Powodowały one przesiąkanie gazu ziemnego na powierzchnię przez przestrzeń wokółotworową. Takie błędy zdarzają się w identycznym zakresie przy wykonywaniu otworów produkcyjnych w konwencjonalnych złożach. Jest to problem głównie na obszarach intensywnej produkcji gazu ze złóż konwencjonalnych w dawnych czasach, np. w pierwszej połowie ubiegłego stulecia, kiedy poziom technologii i standardy techniczne odnośnie zabezpieczania otworu wiertniczego były znacznie słabsze. Oczywiście istnieją techniczne sposoby zamknięcia i uszczelnienia takiego uszkodzonego otworu. Innym źródłem incydentalnego zanieczyszczenia mogą być wypadki samochodowe przy transporcie na teren wiertni, doprowadzające do lokalnego wycieku z uszkodzonej cysterny. Ponadto niespodziewana skala ulewnych deszczów (związanych głównie z huraganami w USA) doprowadziła do przepełnienia basenu na płyn do szczelinowania, więc część zawartosci przelała się na otaczające pola. Każdy taki przypadek powodował, że wyciągano z niego wnioski i poprawiano procedury. Z pewnością nigdy nie będzie możliwe całkowite wyeliminowanie tego typu zagrożeń.

 

Jeżeli jednak dochodzi do awarii i wycieku, trzeba wiedzieć, jakie substancje w wyniku takiego zdarzenia mogą być wprowadzone do środowiska. Największą uwagę w tym zakresie przykuwają chemikalia, dodawane do płynu szczelinującego. Ok. 99% tego płynu to woda i piasek. Samo zatłaczanie wody do wybranego odcinka otworu w obrębie złoża ma zadziałać jak „hydrauliczny młotek”, który poprzez oddziaływanie na skałę podwyższonym ciśnieniem powoduje otwieranie się w niej systemów drobnych spękań. Ich zasięg to maksymalnie 50-100 m w pionie i 200 m poziomo. Spękania tworzą pajęczynę mikroskopijnych dróg migracji gazu do otworu, którym następnie wydostaje się on na powierzchnię.

By w formacji łupkowej wymusić podwyższenie ciśnienia, stosunkowo szybko należy wodę zatłoczyć do wybranego odcinka otworu, czemu przeciwdziała opór, związany z tarciem wody o ściany otworu. Aby ograniczyć tarcie, dodaje się środki obniżające napięcie powierzchniowe wody. Niegdyś w tym celu do wody dolewano dieslowskich paliw. W związku z tym, że zawierają one ropopochodne substancje, np. benzeny i tolueny, potencjalnie szkodliwe dla człowieka, budziło to kontrowersje. Obecnie takiego rozwiązania już się nie stosuje, a paliwa zastąpiono innymi substancjami, znanymi np. z kuchennych środków czystości.

Po zakończeniu pompowania i ustąpieniu ciśnienia, spękania w skale natychmiast by się szczelnie zacisnęły, zamykając drogę przepływu gazu. By temu przeciwdziałać do wody dodaje się znaczne ilości starannie wyselekcjonowanego, drobnego piasku, bądź też piasku ceramicznego (proppantu). Jednakże piasek w kolumnie wody natychmiast opada na dno, więc nie można go rozprowadzić po całym systemie spękań. Do wody dodaje się więc środki żelujące, np. gumę guar, pozwalające utrzymać go w rozproszeniu w obrębie płynu. Są to zazwyczaj substancje podobne do stosowanych w przemyśle spożywczym czy kosmetycznym. Aby przeciwdziałać zmianom lepkości cieczy przy wzrastającej wraz z głębokością temperaturze, używa się kolejnego dodatku, jakim jest odczynnik sieciujący, np. sól kwasu borowego. Żelowata konsystencja płynu utrudnia jednak dopływ gazu do otworu po szczelinowaniu. Przeciwdziała się temu, dodając do wody substancje, które z kilkunastogodzinnym opóźnieniem odwracają reakcję żelowania i przywracają konsystencję płynną (tzw. łamacze, np. nadsiarczan amonu). Ich stosowanie nie jest szczególnie problematyczne, a tego typu środki używane są np. w wybielaczach.

Do wody dodaje się ponadto środki bakteriobójcze (biocydy, np. aldehyd glutarowy), gdyż naturalnie występujące w wodzie bakterie wprowadzone wraz z nią pod ziemię, gdzie temperatura jest wyższa niż na powierzchni, intensywnie się rozwijają, powodując działanie korozyjne. We wstępnej fazie szczelinowania niekiedy dodaje się do wody rozcieńczony kwas solny (15% HCl). Służy on, podobnie jak przy wierceniach na konwencjonalnych złożach, do oczyszczenia strefy otworowej z okruchów wapiennych. Podobne środki stosowane są np. do czyszczenia basenów kąpielowych. Dodaje się również środki zapobiegające korozji rur (np. dimetyloformamid), a także substancje przeciwdziałające strącaniu się kamienia w rurach otworu bądź spękaniach skały (np. glikol etylenowy), co blokowałoby przepływ gazu. Ponadto można zwiększyć zasolenie wody (np. chlorek potasu), by przeciwdziałać pęcznieniu iłów w skale łupkowej.

Wymienione dodatki chemiczne stanowią zwykle od 0,5 do 1% całego płynu, tj. łącznie ok. 5-50 m³ na jedno szczelinowanie. Nie wszystkie są używane równocześnie. Zazwyczaj dodaje się kilka z nich, zależnie od lokalnej specyfiki skały. W ciągu kilkunastu godzin po szczelinowaniu ok. 20-30% z objętości 1000-5000 m³ zatłoczonego płynu wypływa otworem wiertniczym z powrotem na powierzchnię. Oprócz silnie rozcieńczonych dodatków chemicznych, płyn ten zawiera też muł i okruchy skalne, wypłukane z formacji łupkowej. Jest on również bardziej zasolony od zatłaczanego płynu, co jest spowodowane kontaktem z naturalnie występującymi pod ziemią solankami.

Płyn wracający na powierzchnię nie jest substancją obojętną dla środowiska, ale też nie jest toksyczny, jak to się często przedstawia. Wszystkie zawarte w nim związki chemiczne są stosowane w życiu codziennym. Niemniej wymaga on utylizacji, co jest nie tyle trudne, co kosztowne. Przykład tego, jak można zminimalizować zagrożenia środowiskowe związane z dodatkami do szczelinowania pokazuje jedna z firm, świadcząca obecnie usługę szczelinowania z wykorzystaniem dodatków chemicznych, pochodzących wyłącznie z przemysłu spożywczego.

Z punktu widzenia oddziaływania na środowisko prac wydobywczych na złożach gazu ziemnego w łupkach bardzo istotne jest to, że część z form oddziaływania wiąże się ze specyfiką lokalnych uwarunkowań geologicznych, przyrodniczych i urbanistycznych.