Gaz łupkowy - niekonwencjonalne ...
Gaz łupkowy - niekonwencjonalne źródło energii, Zarządzanie i inżynieria produkcji, Ekologia, Gospodarka ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
KATARZYNA ZAR
Ę
BSKA
*
, PAWEŁ BARAN
*
Gaz łupkowy - niekonwencjonalne
Ź
ródło energii
Słowa kluczowe
metan – gaz łupkowy
Streszczenie
Wzrastaj
ą
ce zapotrzebowanie zapewnienia bezpiecze
ń
stwa energetycznego Europy i
ś
wiata oraz gwał-
towny rozwój technologii wydobycia spowodował wzrost zainteresowania niekonwencjonalnymi zło
ż
ami
gazu. Obecnie szczególnie intensywnie prowadzone s
ą
prace dotycz
ą
ce wydobycia gazu łupkowego, którego
zasoby skutecznie reguluj
ą
sytuacj
ę
energetyczn
ą
w Stanach Zjednoczonych. W oparciu o dane geologiczne
oraz analiz
ę
potencjału gazowego szacuje si
ę
, i
ż
na terenie Polski zlokalizowane s
ą
znacz
ą
ce zło
ż
a tego
surowca. Technologia udost
ę
pniania złó
ż
niekonwencjonalnych wymaga jednak doskonałego rozpoznania
geologicznego, geochemicznego, jak i ekologicznego. Równie istotny jest czynnik ekonomiczny, który zale
ż
y
zarówno od całkowitych zasobów gazu, wydajno
ś
ci wydobycia oraz kosztów eksploatacyjnych. Dlatego
koniecznym elementem strategii pozyskiwania gazu z łupków jest dokładne okre
ś
lenie warunków zło
ż
owych,
technologicznych i przepisów prawa, w celu minimalizacji ryzyka inwestycji oraz zapewnienia ochrony
energetycznej pa
ń
stwa i inwestorów.
1. Wprowadzenie
Zło
ż
a gazu ziemnego według ogólnego kryterium mo
ż
na podzieli
ć
na gaz znajduj
ą
cy si
ę
w zło
ż
ach konwencjonalnych i niekonwencjonalnych. Gaz ziemny powstawał na przestrzeni
milionów lat, unosz
ą
c si
ę
stopniowo ku powierzchni do momentu napotkania pułapki, zazwyczaj
w postaci porowatych skał, izolowanych dodatkowo warstw
ą
skał nieprzepuszczalnych. Pułapki te
stanowi
ą
rezerwuary, z których przy pomocy wierce
ń
wydobywany jest gaz konwencjonalny. Gaz
niekonwencjonalny z punktu widzenia ekonomicznego jest trudniejszy i mniej opłacalny
w eksploatacji, ze wzgl
ę
du na fakt i
ż
znajduje si
ę
w skałach macierzystych o bardzo niskiej
przepuszczalno
ś
ci, w których powstał. W Polsce okre
ś
lany jest powszechnie terminem gaz
łupkowy (ang.
shale gas
)
,
ale wyró
ż
nia si
ę
tak
ż
e wi
ę
cej rodzajów złó
ż
niekonwencjonalnych [5].
Poza gazem łupkowym wyst
ę
puje gaz zamkni
ę
ty (ang.
tight gas
)
,
pochodz
ą
cy z
pokładów w
ę
gla
*
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw
e-mail: zarebska@agh.edu.pl
175
Zar
ę
bska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne
ź
ródło energii
(ang.
coalbed methane
)
,
gaz gł
ę
binowy (ang.
deep gas
)
oraz
hydraty gazowe
.
Ró
ż
ni je przede
wszystkim miejsce wydobycia, s
ą
to skały łupkowe, izolowane pory skalne oraz zło
ż
a w
ę
gla.
Skały zawieraj
ą
ce gaz niekonwencjonalny to łupki bitumiczne, prawie zupełnie nieprzepuszczalne,
albo piaskowce o bardzo niskiej przepuszczalno
ś
ci [1, 2, 3]. Zawarty w nich metan izolowany jest
w mikroszczelinach, b
ą
d
ź
fizycznie zwi
ą
zany z materi
ą
organiczn
ą
. W piaskowcach o wi
ę
kszej
przepuszczalno
ś
ci, charakteryzuj
ą
cych si
ę
nisk
ą
porowato
ś
ci
ą
, metan pozostał w mikroskopijnych
zamkni
ę
tych porach. Wówczas nazywany jest gazem zamkni
ę
tym (
tight gas
). Zło
ż
a typu
tight gas
s
ą
zwi
ą
zane ze skałami piaszczystymi, niekiedy w
ę
glanowymi, maj
ą
cymi nisk
ą
porowato
ść
, rz
ę
du
kilku procent, a przepuszczalno
ść
poni
ż
ej 0,1 milidarcy [3]. W Polsce znaczne zasoby gazu
ziemnego mog
ą
akumulowa
ć
piaszczyste skały zbiornikowe o niskiej przepuszczalno
ś
ci w basenie
czerwonego sp
ą
gowca. Natomiast, do tej pory nie były brane pod uwag
ę
skały macierzyste,
zawieraj
ą
ce ciemne łupki ilaste jako rezerwuary gazu, gdy
ż
jak wskazywały wielokrotnie
prowadzone badania charakteryzowały si
ę
praktycznie zupełnym brakiem przepuszczalno
ś
ci.
2. Wybrane aspekty technologiczne i ekonomiczne wydobycia gazu łupkowego
Pierwsze próby eksploatacji gazu łupkowego zostały podj
ę
te na pocz
ą
tku XVIII wieku, jednak
zostały przerwane stosunkowo szybko, w zwi
ą
zku z mał
ą
efektywno
ś
ci
ą
procesu wydobycia.
Dopiero rozwój technologii, zamiana wierce
ń
pionowych w poziome, przy jednoczesnym dreno-
waniu sieci sp
ę
ka
ń
w skale pozwoliły na dalsze prace w realizacji podobnych projektów. Proces
„otwierania” skał nazywany jest
szczelinowaniem hydraulicznym (hydraulic fracture)
, polega
na wtłoczeniu wody pod ci
ś
nieniem około 600 atmosfer, a nast
ę
pnie drobnoziarnistego piasku
wciskaj
ą
cego si
ę
w powstałe w skale p
ę
kni
ę
cia, w celu uniemo
ż
liwienia ich ponownego zamkni
ę
-
cia. Wraz z rozwojem technologii woda oraz piasek zostały zast
ą
pione bardziej zaawansowanymi
płynami oraz materiałami ceramicznymi o regulowanej lepko
ś
ci i wielko
ś
ci zale
ż
nej od zło
ż
a.
Płyny te zawieraj
ą
borany, rozpuszczalniki organiczne, antyoksydanty, enzymy i polimery, nato-
miast zamiast piasku stosowane s
ą
materiały ceramiczne, metalowe i plastikowe kulki oraz płyny
organiczne, które przekształcaj
ą
si
ę
w siatk
ę
włókien. Nowoczesne szczelinowanie hydrauliczne to
w pełni kontrolowany proces, przetestowany w warunkach laboratoryjnych, obj
ę
ty patentami,
stosunkowo drogi, gdy
ż
szacuje si
ę
,
ż
e mo
ż
e pochłon
ąć
nawet około 25 % kosztów wykonania
odwiertu. Otwieranie szczelin kontrolowane jest za pomoc
ą
sond mikrosejsmicznych i
ś
wiatłowo-
dów. Przede wszystkim jednak przed podj
ę
ciem prac bada si
ę
próbki skał, w celu okre
ś
lenia ich
własno
ś
ci geomechanicznych i napr
ęż
e
ń
w górotworze. W oparciu o uzyskane informacje
dobierane s
ą
płyny, ci
ś
nienie oraz czas trwania poszczególnych etapów projektu, a cały proces
poprzedzaj
ą
symulacje cyfrowe. Dzi
ę
ki intensywnie prowadzonym pracom laboratoryjnym
uzyskuje si
ę
w łupkach bitumicznych precyzyjne, koncentryczne strefy sp
ę
ka
ń
o promieniu nawet
900 m (w piaskowcach do 200 m) [10]. Całkowite wydrenowanie zło
ż
a gazu łupkowego mo
ż
na
osi
ą
gn
ąć
poprzez systemy otworów poziomych, multilateralnych lub falistych (z wielokrotnym
przej
ś
ciem interwału zło
ż
owego), z wytworzeniem g
ę
stych systemów szczelin o pionowej
orientacji i strefami skruszenia, obejmuj
ą
cymi cał
ą
mi
ąż
szo
ść
pakietu. Technologia udost
ę
pniania
złó
ż
tego typu wymaga geonawigacji o wysokiej precyzji, dobrego rozpoznania sejsmicznego 3D,
zaawansowanych systemów telemetrycznych i geofizyki otworowej oraz
ś
cisłej współpracy
geologów i sedymentologów w celu rozpoznania architektury wypełnie
ń
basenu [7]. Nast
ę
pnie
prowadzone jest szczelinowanie hydrauliczne, uj
ę
cie gazu przy pomocy głowicy wydobywczej
oraz doprowadzenie do gazoci
ą
gu.
Opłacalno
ść
wydobycia gazu z łupków zale
ż
y w du
ż
ym stopniu od istnienia naturalnej sieci
sp
ę
ka
ń
oraz serii zabiegów stymulacji hydraulicznej. Ze wzgl
ę
du na znaczne zró
ż
nicowanie
warunków zło
ż
owych, nawet w obr
ę
bie tego samego zło
ż
a opłacalno
ść
mo
ż
e si
ę
znacznie ró
ż
ni
ć
.
176
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
W 2009 r. Credit Suisse oszacowało próg opłacalno
ś
ci wydobycia gazu łupkowego na cen
ę
0,12
USD – 0,37 USD za 1 m
3
przy
ś
redniej 0,28 USD za 1 m
3
. Wewn
ę
trzn
ą
stop
ę
zwrotu (IRR) przy
cenie 0,26 USD za 1 m
3
oszacowano na 1% do 48% (
ś
rednio 5%) [2]. W Polsce eksploatowane
klasyczne zło
ż
a gazu ziemnego, w przeciwie
ń
stwie do wydobycia ropy (niespełna 1 mln ton
w 2007), zaspokajaj
ą
istotn
ą
(roczne wydobycie ok. 4,3 mld m
3
), cho
ć
nadal zbyt mał
ą
cz
ęść
krajowego zapotrzebowania (około 30%). Pozyskanie gazu łupkowego jest dro
ż
sze ni
ż
w przy-
padku tradycyjnych form wydobycia, w USA waha si
ę
w przedziale 80 – 130 USD za 1000 m
3
.
Na rysunku 1 przedstawiono wzrost pozyskania gazu łupkowego w USA w ostatnich latach.
Warto pokre
ś
li
ć
,
ż
e jak pokazuj
ą
do
ś
wiadczenia USA rosn
ą
cy udział pozyskania gazu ze złó
ż
niekonwencjonalnych przyczynił si
ę
do wzrostu bezpiecze
ń
stwa energetycznego USA. Warto
tak
ż
e podkre
ś
li
ć
,
ż
e m.in. wzrostowi wydobycia gazu ze złó
ż
niekonwencjonalnych w 2009 r.
Stany Zjednoczone wysun
ę
ły si
ę
na pozycje
ś
wiatowego lidera w rankingu pa
ń
stw o najwi
ę
kszym
wydobyciu – 593 mld m
3
[11].
gaz łupkowy
CBM
gaz zamkni
Ę
ty
udział gazu niekonwencjonalnego w całkowitej produkcji
Rysunek 1. Produkcja gazu niekonwencjonalnego w USA [11]
Figure 1. Unconventional gas as share of total production
3. Gaz łupkowy w Polsce
W oparciu o prowadzone na szerok
ą
skal
ę
badania geologiczne ocenia si
ę
,
ż
e zło
ż
a te mog
ą
w Polsce odgrywa
ć
istotn
ą
rol
ę
w pozyskiwaniu metanu. Piaskowce czerwonego sp
ą
gowca,
stanowi
ą
ce najbardziej perspektywiczny poziom gazono
ś
ny, zalegaj
ą
w Polsce na du
ż
ych
gł
ę
boko
ś
ciach, co sprzyja zaciskaniu porów skalnych i zmniejszeniu przepuszczalno
ś
ci. Według
opinii specjalistów, prawdopodobnie znaczn
ą
cz
ęść
tych złó
ż
, zwłaszcza z uwzgl
ę
dnieniem
terenów poło
ż
onych w rejonach centralnej Polski, uda si
ę
skutecznie eksploatowa
ć
.
177
Zar
ę
bska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne
ź
ródło energii
Minister
Ś
rodowiska wydał dotychczas 64 koncesje na poszukiwanie i rozpoznawanie
niekownecjonalnych złó
ż
typu shale gas, z czego 11 z nich uzyskała grupa PGNiG. Pozostałe
koncesje s
ą
w r
ę
kach firm zagranicznych. Otrzymały je mi
ę
dzy innymi takie firmy, jak:
Chevron,
Exxon Mobil, Marathon Oil Corp, ConocoPhillips, Aurelian, San Carlo, 3 Legs, BNK, LNG
Energy.
Nale
ż
y podkre
ś
li
ć
,
ż
e Minister
Ś
rodowiska nie udzielił dot
ą
d
ż
adnej koncesji na
wydobycie gazu niekonwencjonalnego.
Eksploratorzy ko
ń
cz
ą
analizowanie materiałów
archiwalnych, pochodz
ą
cych z wcze
ś
niejszych, licznych polskich wierce
ń
geologicznych.
Wykonane zostały równie
ż
dodatkowe prace sejsmiczne i badania geochemiczne. Pierwsze
wiercenia rozpoznawcze rozpocz
ę
ły si
ę
w tym roku, m.in. PGNiG S.A. na obszarze swojej
koncesji dokonała pionowych odwiertów w południowo - zachodniej cz
ęś
ci Lubelszczyzny
(odwiert badawczy MARKOWOLA-1). Analiza skał pozwoli dobra
ć
najkorzystniejsz
ą
metod
ę
szczelinowania, któr
ą
wykona ju
ż
firma zachodnia. W ci
ą
gu dwóch, trzech lat powinni
ś
my z du
żą
dokładno
ś
ci
ą
wiedzie
ć
, ile gazu łupkowego znajduje si
ę
w Polsce i jaka jego cz
ęść
jest mo
ż
liwa do
wydobycia.
Ocenia si
ę
,
ż
e na terenie USA, kraju o najwi
ę
kszym zu
ż
yciu energii (zarówno globalnym jak
i
per capita
) i klasycznych zło
ż
ach w
ę
glowodorów w istotnej cz
ęś
ci wyeksploatowanych, wła
ś
nie
takie niekonwencjonalne zło
ż
a gazu ziemnego b
ę
d
ą
zaspokaja
ć
w nieodległej przyszło
ś
ci ok. 30%
wewn
ę
trznego zapotrzebowania na ten surowiec. Tak
ż
e w naszym kraju istniej
ą
przesłanki
wyst
ę
powania znacznie wi
ę
kszych, jeszcze nierozpoznanych zasobów gazu, w tym typu
wspomnianych "niekonwencjonalnych" akumulacji.
Według opinii ekspertów [2, 3, 4, 5, 6] potencjalnym celem operacji WKP (
W
ierce
ń
K
ierunkowych i
P
oziomych) w Polsce powinny by
ć
baseny zawieraj
ą
ce dostatecznie gł
ę
boko
poło
ż
one, tj. do poziomu termogenicznego okna gazowego, litosomy. Obiecuj
ą
ce s
ą
zwłaszcza
bogate w gazotwórczy kerogen III typu, silniej zdiagenezowane mułowce i margle z pogranicza
franu i famenu, famenu oraz dolnego, a tak
ż
e górnego karbonu. Utwory takie, najgł
ę
biej
pogr
ąż
one w strefie bruzdy du
ń
sko-polskiej, znane z basenu zapadliska przedgórskiego
waryscydów Polski Centralnej, a tak
ż
e rozpoznane na Pomorzu Zachodnim i Lubelszczy
ź
nie.
Ś
cisłe ekwiwalenty stratygraficzne i facjalne tych pakietów s
ą
szeroko rozprzestrzenione na
kratonie ameryka
ń
skim, w USA (np. czarne łupki najwy
ż
szego dewonu formacji Bakken, Ohio,
Woodbury) i Kanadzie (łupki Sunbury). Horyzonty te, po cz
ęś
ci zwi
ą
zane z globalnymi
i ponadregionalnymi wydarzeniami anoksycznymi i regionalnym
upwellingiem
, s
ą
ostatnio
intensywnie penetrowane dla pozyskania gazu przez ameryka
ń
ski przemysł wydobywczy, wła
ś
nie
za pomoc
ą
zaawansowanych technologii WKP. Podrz
ę
dnym, cho
ć
obiecuj
ą
cym obiektem
poszukiwa
ń
na terenie naszego kraju mog
ą
by
ć
tak
ż
e czarne mułowce (
hot shales
) dolnego syluru
i cechsztynu, zawieraj
ą
ce bituminy i morski kerogen I i II typu.
Warto podkre
ś
li
ć
,
ż
e szacunki firm konsultingowych zasobów gazu niekonwencjonalnego
w Polce s
ą
ponad 10 razy wi
ę
ksze ni
ż
udokumentowane zasoby gazu ziemnego. Dla porównania
roczne krajowe zu
ż
ycie to ok. 13,3mld m
3
, z czego 4,3 mld m
3
pokrywa wydobycie własne,
a reszt
ę
stanowi importowany gaz głównie z Rosji – około 7,5mld m
3
Główne rejony wyst
ę
powania złó
ż
łupkowych w Polsce to Lubelszczyzna, Mazowsze,
Pomorze oraz Podlasie. Jak podaje „
The New York Times
", Niemiecki Instytut Geofizyczny GFZ
z Poczdamu oszacował,
ż
e pokłady tego surowca w Europie licz
ą
ok. 1200 bln m
3
, co mo
ż
e
stanowi
ć
nawet 5 proc. wszystkich
ś
wiatowych zasobów. W Europie zlokalizowane s
ą
"najwa
ż
niejsze obiekty z punktu widzenia eksploracji złó
ż
gazu łupkowego" - pisz
ą
eksperci GFZ.
Do obiektów tych nale
ż
y zaliczy
ć
terytorium Polski, Niemiec, W
ę
gier, Rumunii i Turcji.
Wszystkim tym krajom ameryka
ń
skie koncerny energetyczne przedstawiły ju
ż
wst
ę
pne oferty
współpracy. Zło
ż
a mog
ą
wyst
ę
powa
ć
na gł
ę
boko
ś
ci od 2,5–3,0 tys. m we wschodniej cz
ęś
ci do
4,0–4,5 tys. m w jego cz
ęś
ci zachodniej [2].
178
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
Jednak nie mo
ż
na w sposób dowolny zwi
ę
ksza
ć
wydobycia gazu, przede wszystkim ze
wzgl
ę
du na okre
ś
lon
ą
przepustowo
ść
drobnych szczelin w zło
ż
u. Ponadto konieczne jest precy-
zyjne regulowanie ci
ś
nienia, jak równie
ż
odgazowywanie w odpowiedniej kolejno
ś
ci stosownych
partie zło
ż
a, co w istotny sposób determinuje o czasochłonno
ś
ci projektu [8, 9].
Nale
ż
y tak
ż
e uwzgl
ę
dni
ć
, i
ż
informacje
ź
ródłowe dotycz
ą
ce złó
ż
łupków w Polsce pochodz
ą
z bada
ń
polskich geologów przeprowadzonych w latach 60 – 80 ubiegłego wieku [3]. Dotycz
ą
głównie rozpoznania i oznaczania skał, stratygrafii, natomiast brakuje wystarczaj
ą
cych danych
satelitarnych, mi
ę
dzy innymi ze wzgl
ę
du na gł
ę
bok
ą
lokalizacj
ę
i nadkład skał mezozoicznych. Do
istotnych ró
ż
nic dotycz
ą
cych warunków poszukiwa
ń
mi
ę
dzy Polsk
ą
a USA nale
ż
y tak
ż
e
urbanizacja obszarów wydobycia, udział terenów chronionych w obszarach poszukiwa
ń
(Natura
2000) oraz wysokie koszty wierce
ń
. W celu obni
ż
enia tych ostatnich w USA, w latach 80 zostały
wprowadzone zwolnienia podatkowe dla złó
ż
niekonwencjonalnych. Równie
ż
parametry
geologiczne i geochemiczne w Polsce z reguły s
ą
gorsze od wła
ś
ciwo
ś
ci formacji łupkowych
w basenach USA. Pod wzgl
ę
dem ekologicznym, przy prawidłowo prowadzonej eksploatacji
uznaje si
ę
za praktyczne niemo
ż
liwe ska
ż
enie wód, głównie ze wzgl
ę
du na znaczne ró
ż
nice
w wyst
ę
powaniu u
ż
ytkowych warstw wodnych. Poło
ż
one s
ą
one z reguły na gł
ę
boko
ś
ciach nie
wi
ę
kszych ni
ż
ok. 200 m, zło
ż
a gazu niekonwencjonalnego wyst
ę
puj
ą
na poziomie poni
ż
ej 2 do 4
tys. m i izolowane s
ą
od u
ż
ytkowych warstw wodono
ś
nych grubym pakietem osadów
nieprzepuszczalnych. Do uci
ąż
liwych mo
ż
na zaliczy
ć
hałas, towarzysz
ą
cy wykonaniu odwiertów,
natomiast ju
ż
nieobecny podczas wła
ś
ciwej eksploatacji. Tak
ż
e przepisy chroni
ą
ce
ś
rodowisko
w Polsce gwarantuj
ą
i
ż
prace geologiczne mog
ą
by
ć
prowadzone dopiero po wykonaniu oceny
oddziaływania inwestycji na
ś
rodowisko.
4. Podsumowanie
W ostatnich miesi
ą
cach obserwuje si
ę
w Polsce wzmo
ż
one zainteresowanie niekonwencjonal-
nymi zło
ż
ami gazu, a szczególnie gazem łupkowym, o czym
ś
wiadczy dynamicznie rosn
ą
ca liczba
wydanych przez Ministra
Ś
rodowiska koncesji. Nale
ż
y pokre
ś
li
ć
,
ż
e w gronie przedsi
ę
biorstw
naftowych, które uzyskały koncesj
ę
dominuj
ą
firmy z kapitałem zagranicznym, przede wszystkim
ameryka
ń
skie.
Obecnie pozyskanie gazu ziemnego ze złó
ż
krajowych umo
ż
liwia pokrycie zapotrzebowania
Polski na poziomie 30%. Zakładaj
ą
c udokumentowanie złó
ż
na poziomie jakim obecnie s
ą
szacowane (1,4-3 bln m
3
) oraz koszty wydobycia na poziomie konkurencyjnym w relacji do
kosztów importu gazu, mo
ż
liwy jest za około dziesi
ęć
lat znacz
ą
cy wzrost pozyskania gazu ze złó
ż
krajowych. W optymistycznym scenariuszu Polska mo
ż
e zosta
ć
eksporterem netto gazu. Reasu-
muj
ą
c, udokumentowanie, a nast
ę
pnie zagospodarowanie złó
ż
gazu niekonwencjonalnego
w Polsce wpłynie pozytywnie na poziom bezpiecze
ń
stwa energetycznego kraju.
Praca finansowana w ramach bada
ń
statutowych AGH nr 11.11.210.124
Literatura
[1] Eseme E., Littke R., Krooss B.M.:
Factors controlling the thermo-mechanical deformation of oil
shales: implications for compaction of mudstones and exploitation
, Marine and Petroleum Geology,
23, s. 715-734, 2006
[2] Hadro J.:
Strategia poszukiwa
ń
złó
ż
gazu ziemnego w łupkach
. Przegl
ą
d Geologiczny, 58, nr 3,
s. 250-258, 2010
[3] Hadro J.:
Trudny, ale opłacalny gaz
(data
dost
ę
pu: 20 VI 2009)
179
[ Pobierz całość w formacie PDF ]