en
REKLAMA
Twoja ścieżkare Strona Główna / Badania i nauka / Technologia
Skąd CO<sub>2</sub> do metody WAT pozyskania gazu z łupków przy użyciu ciekłego dwutlenku węgla

Skąd CO2 do metody WAT pozyskania gazu z łupków przy użyciu ciekłego dwutlenku węgla

2015-11-22

Zespół Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego WAT pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Tadeusza Niezgody opracowuje w ramach projektu DIOX4SHELL wytyczne do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO 2 - szczegóły projektu przybliża dr inż. Danuta Miedzińska z Wojskowej Akademii Technicznej.

Wstęp 

Parę miesięcy temu pisałam o innowacyjnej, krajowej technologii wydobycia gazu z polskich skał łupkowych, której podstawą jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 w otworach poziomych, która została objęta ochroną patentową w październiku bieżącego roku.

Przypomnijmy, że przedmiotem proponowanego przez WAT wynalazku jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 z otworów poziomych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym. Sposób polega na wydobyciu gazu z łupków poprzez wpompowanie w poziome otwory ciekłego, sprężonego i schłodzonego CO2, co spowoduje wniknięcie CO2 w skałę i jego przemianę fazową pod wpływem panującej w złożu temperatury. Spowoduje to intensywne spękanie skały, adsorpcję CO2 i jednoczesną desorpcję metanu.

Obecnie zespół Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego WAT pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Tadeusza Niezgody opracowuje w ramach projektu DIOX4SHELL wytyczne do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2. Stało się to możliwe dzięki realizacji projektu w ramach konkursu BlueGas, finansowanego przez Naukowe Centrum Badań i Rozwoju.

Według badań naukowców japońskich [1] szczelinowanie granitu przy użyciu CO2 w stanie nadkrytycznym daje bardziej rozbudowaną siatkę szczelin trójwymiarowych niż w przypadku szczelinowania hydraulicznego, gdzie tworzą się szczeliny jedynie w kierunku prostopadłym do odwiertu. Wychwyt i zmagazynowanie COpod ziemią ograniczy jego emisję do atmosfery, co wspomoże spełnienie wymagań Unii Europejskiej dotyczących ograniczenia efektu cieplarnianego.

Opracowana metoda jest korzystna z punktu widzenia ochrony środowiska, gdyż nie wymaga stosowania wody oraz środków  chemicznych. Również stosowanie piasku lub proppantu ceramicznego (zbadane zostaną oba przypadki) nie będzie wymagało zastosowania dodatków chemicznych, jedynie dokładnego wysuszenia, gdyż w stanie nadkrytycznym znacznie wzrasta ruchliwość cząstek płynu CO2 i spada jego lepkość.

Energia potrzebna do uzyskania efektu szczelinowania będzie pobierana przez medium szczelinujące bezpośrednio z górotworu. Zatem proces szczelinowania w znacznej części będzie przebiegał samoistnie, siłami natury, co pozwoli obniżyć koszty metody i chronić środowisko naturalne.

Dodatkową zaletą ekologiczną metody jest to, iż CO2 będzie pochodzić z zakładów przemysłowych (np. elektrowni, cementowni), które emitują go do atmosfery i są obciążane kosztami limitów (protokół z Kyoto).

Jednak jednym z istotnych czynników mających wpływ na opłacalność technologii CO2 do wydobywania węglowodorów jest  znalezienie odpowiedniego modelu biznesowego, najlepiej takiego gdzie koszty pozyskania/produkcji CO2 będą znikome. Większość rozwiązań pozyskania CO2 opartych jest na zakupie paliwa, a następnie jego spalaniu, co już z natury rzeczy jest kosztowne. Ma to przełożenie w cenie zakupu CO2 od producentów, która oscyluje w granicach ok. 300 zł/t. Jest to dosyć wysoka cena, biorąc pod uwagę obecnie bardzo niskie ceny gazu ziemnego.

Ile CO2 do szczelinowania

Na dzień dzisiejszy szacuje się, że do przeprowadzenia jednorazowego zabiegu szczelinowania oraz przetransportowania proppantu do szczelin będzie potrzeba 10 000 l COw stanie ciekłym.

CO2 pochodzący z zakładów produkujących ten gaz

Dwutlenek węgla do pozyskiwania gazu ze złóż niekonwencjonalnych może być pochodzenia naturalnego oraz antropologicznego. W Polsce brak jest dużych naturalnych złóż CO2, dlatego dwutlenek węgla [2] do wydobycia gazu naturalnego musi być pochodzenia antropologicznego tzn. musi pochodzić od zakładów produkujących ten gaz lub jego emitentów. W Polsce funkcjonuje kilku producentów dwutlenku węgla, z których najwięksi to: ACP Włocławek, Zakłady Azotowe Puławy, Air Products. Cena proponowanego przez nich schłodzonego, ciekłego COo temp. od -31°C do -21°C i ciśnieniu równowagowym wynosi około 300zł/t [oferta ACP Włocławek, 2012]. 

Emitentami COsą zakłady przemysłowe uwalniające czysty lub skoncentrowany strumień tego gazu powstający w wyniku spalania gazów kopalnianych lub w procesach przemysłowych. Wśród kategorii „procesy przemysłowe” największe ilości CO2 emitują do atmosfery zakłady produkujące nawozy azotowe. Część z zakładów azotowych, np. Zakłady Azotowe Puławy, wychwytują i sprzedają ciekły CO2

Podsumowując CO2 może być pozyskiwane z następujących procesów:
- w procesie termicznego rozkładu wapienia (CaCO3), produkcja wapna  CaO,
- jako produkt uboczny procesu wytwarzania fosforanu sodu,
- jako produkt uboczny w zakładach produkujących amoniak i wodór, gdzie metan jest przekształcany w CO2,
- jako produkt uboczny fermentacji cukru.

CO2 pochodzący z oczyszczania spalin

Wyżej opisano standardowe i obecnie stosowane metody pozyskiwania CO2 do wydobycia gazu naturalnego, natomiast zupełnie nowe rozwiązania na dostawę dwutlenku węgla proponuje Wojskowa Akademia Techniczna, która nawiązała współpracę z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla (ICHPW) w Zabrzu. Instytut ten wraz z TAURON Polska Energia stworzyli instalację pilotową aminowego usuwania CO2 ze spalin, która została uruchomiona oddziale Elektrowni Łaziska w dniu 25 kwietnia 2013 r.

Instalacja powstała w ramach realizacji zadania badawczego pt. „Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zeroemisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin”. Zadanie realizowane jest w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” i zostało dofinansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Koszty zbudowania instalacji pilotowej zostały pokryte ze środków Grupy TAURON.

Skala instalacji pilotowej – pobór spalin 200 m3n/h (zawierających ok. 13% obj. CO2) z klasycznego bloku węglowego pozwala na usunięcie CO2 w ilości ok. 50 kg/h, co daje ok. 1,2 tony wydzielanego dwutlenku węgla na dobę.

Uruchomienie instalacji pilotowej i przystąpienie do badań na instalacji pilotowej to naturalny ciąg rozwoju kompetencji ICHPW w obszarze metod wychwytu CO2. Zespół ICHPW przystąpił do testów przemysłowych technologii wychwytu CO2 z bagażem doświadczeń uzyskanych podczas badań na własnych instalacjach laboratoryjnych i półtechnicznych. W 2012 roku zespół przeprowadził pierwsze w Polsce testy usuwania CO2 ze spalin w skali 100 m3n/h, wykorzystując metodę absorpcji aminowej. Uzyskane sprawności usuwania CO2 w tych testach osiągały wartość około 90%. Na początku bieżącego roku aktywność Instytutu w dziedzinie technologii CCS została doceniona przez środowisko przemysłu chemicznego poprzez przyznanie nagrody GRAND PRIX Targów EXPOCHEM 2013 w dziedzinie technologii. 

Technologia tzw. gazyfikacji plazmowej 

Jednak optymalnym modelem jest pozyskanie CO2 z instalacji typu Waste to Energy, wykorzystującej technologię tzw. gazyfikacji plazmowej. Gazyfikacja to proces konwersji organicznych i kopalnych związków zawierających węgiel na tlenek węgla (37%), wodór (36%) i dwutlenek węgla(17%). Następuje poprzez przetworzenie takiego materiału w temp. ponad 700 st. C, bez procesu spalania, w obecności kontrolowanych ilości tlenu i/lub pary wodnej, w urządzeniu nazywanym gazyfikatorem. Wynikiem gazyfikacji jest powstanie mieszanki gazów, która jest jako tzw. syngaz jest wysokoenergetyczny, o dużej zawartości wodoru i wykorzystany jako paliwo. 

Na świecie są dwie metody wykorzystujące gazyfikację i plazmę do przetwarzania odpadów na syngaz.
Pierwsza z nich wykorzystuje jedno urządzenie (swego rodzaju gazyfikator dodatkowo wyposażony w palniki plazmowe). Otrzymany syngaz wymaga oczyszczenia za pomocą systemy urządzeń do wychwytywania cząstek stałych oraz innych niechciany substancji. 

Druga metoda to wykorzystanie gazyfikatora np. ze złożem fluidalnym i zasilanym parą wraz z tlenem, gdzie następuje zgazowanie materiału organicznego, a materiał nieorganiczny jako popiół trafia do dalszej przeróbki. Powstały syngaz jest przekazywany do urządzenia gdzie wytworzony łuk plazmy oddziaływuje na syngaz oraz zanieczyszczenia w nim zawarte. Pod wpływem silnego promieniowania UV oraz wysokiej temperatury wszelkie ciała smoliste oraz inne związki zostają rozbite, a związki nieorganiczne zostają zeszklone (ulegają tzw. wetryfikacji). W tej metodzie plazma jest wykorzystywana jako swego rodzaju filtr do destrukcji związków niebezpiecznych.

Najodpowiedniejszym modelem biznesowym jest  pozyskanie COz instalacji typu Waste to Energy opartej na technologii gazyfikacji plazmowej. Taki model biznesowy kilka podstawowych zalety :

- nie płaci się za paliwo do produkcji energii i jego spalania, tylko odwrotnie tzn. jest pobierana opłata za spalenie odpadów,
- można zastosować dwie metody wychwytywania CO2 tj. z wytworzonego gazu syntezowego lub po jego spaleniu (dotyczy to technologii zgazowania odpadów), 
- technologie zgazowania odpadów wykorzystujące plazmę dają czysty syngaz,
- zawartość azotu jest zdecydowaniem mniejsza niż np. ta występująca w gazie naturalnym.

Otrzymany czysty syngaz zawiera praktycznie tylko H2, CO, CO2, CH4, N2. CO2 można wychwytywać z syngazu za pomocą specjalnych membran po spaleniu syngazu np. w silniku spalinowych. Dla założenia otrzymamy rocznie ok.  128 000 ton CO2, a koszt pozyskania COto praktycznie tylko koszt zakupu i użytkowania odpowiednich urządzeń do wychwytywania CO2 (specjalne membrany, sprężarki, zbiorniki, separatory wody, wkłady filtracyjne dla azotu np. Sulfur Guard). 
Należy też nadmienić, że technologie zgazowania które wykorzystują plazmę mają znacznie większy zakres przerabianego wsadu niż tradycyjne metody np. spalarnie odpadów z paleniskiem rusztowym, tzn. mogą przetwarzać również odpady niebezpieczne (stałe, gazowe lub płynne). Wynika to przede wszystkim z właściwości plazmy tj. wysokiej temperatury (w zakresie od 5 000 do 10 000 st. C) oraz bardzo intensywnego promieniowania UV. Te dwa czynniki powodują rozbicie wiązań międzycząsteczkowych związków które są poddawane oddziaływaniu w/w czynnikom tj. wysokiej temperatury oraz intensywnego promieniowania VU.  

Związki organiczne ulegają zgazowaniu natomiast związki nieorganiczne ulegają zeszkleniu tworząc tzw. slag, który ma postać skały marmurowej i właściwościami jest do niej podobny [3]. 

Podsumowanie

Reasumując najlepszym rozwiązaniem dla pozyskania taniego COjest współpraca z instalacją typu Waste to Energy produkującą syngaz. W Polsce nie ma jeszcze tego typu instalacji wykorzystującej technologię plazmową. PKN Orlen S.A. jest w trakcie finalizacji specyfikacji dla takiej instalacji, która ma być wybudowana w Płocku. Jej wydajność to 150 tys. ton odpadów  na rok i produkcja syngazu.  


[1] Tsuyoshi I. at al., Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012.

[2] Tarkowski R., Uliasz-Misiak B., Źródła dwutlenku węgla w Polsce dla zaawansowanych technik wydobycia ropy naftowej, Wiertnictwo Nafta Gaz, 22(1), 2005.

[3] Raport S. Adamski, Metody pozyskiwania i możliwości obniżenia ceny CO2, zrealizowany w ramach projektu DIOX4SHELL.

dr inż. Danuta Miedzińska jest adiunktem w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej. W swojej pracy zawodowej zajmuje się metodami numerycznymi, modelowaniem struktur nowoczesnych materiałów, takich jak elastomery magnetoreologiczne, materiały porowate, kompozyty funkcjonalnie gradientowe. Drugim obszarem naukowym jest energetyka niekonwencjonalna, czyli rozwój metod pozyskiwania energii ze źródeł takich, jak gaz z łupków, czy głębokich pokładów gorących suchych skał.   


1. O wykorzystaniu poszczególnych metod w ocenie zasobności Polski w gaz łupkowy patrz: http://www.kngpan.agh.edu.pl/wp-content/uploads/OPINIA-KNG-PAN-w-sprawie-gazu-%C5%82upkowego-stanowisko-oficjalne.pdf, uzyskane dn. 30 stycznia 2013.

Zobacz również


Opracowanie technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2 – wyzwania badawcze

Opracowanie technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2 – wyzwania badawcze

2015-07-22

dr inż. Danuta Miedzińska (Wojskowa Akademia Techniczna)

1. Wstęp

Problem energetyki w XXI wieku jest bardzo ważny dla zapewnienia bezpieczeństwa obywatelom wielu państw na całym świecie. Dlatego też każdy z tych krajów musi zadbać o nieprzerwaną dostawę energii pod różnymi postaciami. Nietrudno także zauważyć, że państwa posiadające na swoim terytorium złoża surowców energetycznych bardziej liczą się na arenie polityki międzynarodowej. Manipulowanie dostawami energii jest niekiedy mocnym atutem w negocjacjach z władzami państw, które takimi zasobami nie dysponują. Można tu przytoczyć przykład Stanów Zjednoczonych oraz Rosji, które swoją pozycję w polityce międzynarodowej zawdzięczają właśnie racjonalnym operowaniem dużymi ilościami energii.

Dziś, mimo szeroko propagowanej walki o dobro ekologiczne, nadal najpopularniejszymi źródłami energii są paliwa kopalne. Pomimo licznych ataków ze strony ekologów na wydobycie oraz eksploatacje ropy naftowej i węgla kamiennego, jako surowców najbardziej zanieczyszczających naszą planetę, górę biorą czynniki ekonomiczne, które decydują o większej opłacalności korzystania właśnie z takich surowców energetycznych. Alternatywą dla wykorzystania ropy naftowej lub węgla kamiennego jest gaz ziemny, jako jeden z najbardziej przyjaznych środowisku. Zawiera on dużo mniej niepożądanych związków chemicznych (m.in. dwutlenku siarki, tlenku azotku) w porównaniu do pozostałych paliw kopalnych. Wydobycie gazu ziemnego na skalę eksploatacyjną rozpoczęto w połowie XX wieku. Do tego czasu uważano tę substancję za niepożądaną przy wydobyciu ropy naftowej, ponieważ powodował niekontrolowane wybuchy. Dlatego też decydowano się na kontrolowane wypalanie na powierzchni ulatującego gazu ziemnego przy odwiertach ropnych. Obraz wielkiego płomienia wydobywającego się z szybu naftowego na stałe wpisał się w wizerunek pól naftowych. Dość szybko dostrzeżono jednak pokaźny potencjał energetyczny gazu ziemnego i zaczęto go pozyskiwać do użytku w domach oraz w przemyśle.

Równocześnie przeprowadzano badania geologiczne, które wykazały istnienie skały, w której zamknięty jest gaz palny. Pomimo wcześnie dokonanych odkryć, trzeba było długo czekać na pierwsze opłacalne wydobycie gazu z łupków. Pomogło wtedy wdrożenie, jak na tamte czasy nowatorskiej, technologii szczelinowania hydraulicznego. Prekursorami wykorzystania wody do szczelinowania skał łupkowych byli Amerykanie (Kansas). Do dziś pozostają liderami pod względem ilościowym w wydobyciu gazu z łupków, co jest spowodowane tym, że dysponują ogromnymi złożami skał łupkowych zawierających gaz, rozłożonych na terytorium Stanów Zjednoczonych. Gaz z łupków odgrywa w tej chwili główną rolę w zaspokojeniu potrzeb na gaz naturalny w Ameryce Północnej, a państwa na całym świecie dokonują ponownej oceny swego potencjału z uwzględnieniem gazu z łupków.

Na początku obecnego stulecia również w Polsce dokonano analiz geologicznych, które wykazały możliwość występowania gazu z łupków. Ciągłe rozwijanie technologii i jednoczesne obniżanie kosztów wydobycia doprowadziły do powstania także w Polsce nurtu skłaniającego się do wydobycia gazu z łupków z rodzimych złóż. Tendencja ta nieustannie zyskuje sobie zwolenników, a co za tym idzie rozgłos i pozytywny odzew społeczeństwa, które ma nadzieję oglądać niższe sumy na rachunkach za energię. Wielu pokłada w tym również nadzieję na lepsze życie w naszym kraju. Obiecujące prognozy ekspertów zachodnich oraz krajowych co do wielkości złóż oraz pojawiające się okno opłacalności ich wydobycia pozwalają na rozpoczęcie procesu przygotowywania zaplecza (głównie technologicznego) dla masowego wydobycia. 

Rys. 1. Próbka skały łupkowej pochodząca z odwiertu Lubocino-1 (2932 m)  - źródło własne
Rys. 1. Próbka skały łupkowej pochodząca z odwiertu Lubocino-1 (2932 m) - źródło własne.


2. Występowanie złóż gazu z łupków.

W skali globalnej, 32 % całkowitych szacowanych zasobów gazu ziemnego znajduje się w formacjach łupkowych, natomiast 10 % szacowanych zasobów ropy znajduje się w formacjach łupkowych lub formacjach zamkniętych [1].

Na kontynencie europejskim szacunkowe złoża gazu występują głównie w części środkowej kontynentu od północnego-wschodu Francji przez kraje Beneluxu, Polskę (pas w środkowej jej części przebiegający od północy do południa) do trzech republik Bałtyckich oraz Bałkanów Wschodnich. Europa to drugi największy rynek gazu ziemnego na świecie. Niestety w porównaniu z innymi kontynentami ma daleko mniejsze zasoby gazu z łupków. Oszacowane zasoby tego surowca, wynoszące 15,5 bln m3, taka ilość mogłyby pokryć zużycie gazu w Europie na około 30 lat [2].

Rys 3. Dane szacunkowe dotyczące rozmiarów złóż łupkowych, których eksploatacja jest technicznie możliwa [3].

Na powyższym wykresie widać, że z opisanych państw Polska posiada szacunkowo największe złoża gazu z łupków. Według obydwu pomiarów przeprowadzonych w roku 2011 i 2013 zasoby Polskiego gazu szacowane są na 190 trylionów stóp sześciennych. Zbliżony wynik uzyskała Francja około 180 trylionów stóp sześciennych. Reszta państw uzyskała znacznie mniejsze wyniki, które poza Norwegią (70 trylionów stóp sześciennych) plasują się w rzędzie wielkości od 10 (Litwa) do 40 (Ukraina) [3].

Opublikowane do tej pory szacunki na temat zasobów gazu z łupków w Polsce istotnie różnią się od siebie. W skrajnie optymistycznym wariancie według rządowej amerykańskiej agencji Energy Information Administration (EIA), w polskich łupkach kryć może się aż 5,3 bln metrów sześciennych gazu. Wysoko zasobność złóż w Polsce w 2009 roku oceniały też firmy konsultingowe - Advanced Resources International (3 bln metrów sześciennych) i Wood McKenzie (1,4 bln metrów sześciennych). Zupełnie inaczej potencjał złóż gazu z łupków w naszym kraju widzi amerykańska służba geologiczna, według której wydobywane zasoby to jedynie 38,1 mld metrów sześciennych. Pomiędzy tymi skrajnymi szacunkami mieści się ocena, przygotowana przez Państwowy Instytut Geologiczny, który za najbardziej prawdopodobny dla wielkości zasobów gazu z łupków w Polsce uznaje przedział 346-768 miliardów metrów sześciennych. Dla porównania udokumentowane do tej pory zasoby ze złóż konwencjonalnych to ok. 145 mld m3, a roczna konsumpcja błękitnego paliwa w Polsce wyniosło 14,5. Najbardziej optymistyczna prognoza dotycząca zasobów gazu z łupków w Polsce została opublikowana w kwietniu 2011 roku przez agencję Energy Information Administration, która jest analitycznym i statystycznym ramieniem amerykańskiego Departamentu Energii. Według raportu EIA, który oceniał potencjał  zasobów gazu z łupków w 32 krajach, złoża w Polsce są największe w Europie i mogą wynosić 5,3 bln metrów sześciennych gazu [2].

3. Sposoby wydobycia gazu z łupków

Niekonwencjonalne złoża gazu odkrywano na świecie już dawno, począwszy od XIX wieku, jednak produkcja bardzo niewielkich ilości była często przypadkowa. Przewiercając łupki przypadkowo otrzymywano przypływy gazu i z nich korzystano, ale udział takiego gazu w produkcji był znikomy. Świadome poszukiwania i produkcja gazu z łupków w zasadzie zaczęły się na większą skalę w 90. latach ubiegłego stulecia i szybko się rozwijają. Na większą skalę eksploatacja gazu łukowego ( shale gas) to ostatnie 20 lat. Obecnie trwa na świecie prawdziwy boom na niekonwencjonalny gaz, związany ze wzrostem ogólnych cen gazu. Zazwyczaj szukając złóż wystarczy wiercić pionowo w dół na określoną głębokość. Żeby efektywniej pozyskać gaz ze źródeł niekonwencjonalnych trzeba zmieniać kierunek wiercenia (wiercenia krzywione, poziome odcinki wierceń), oraz prowadzić zabiegi polegające na szczelinowaniu skał, aby gaz mógł się z niej łatwiej wydostawać. Dotąd wykorzystanie tej technologii opanowało zaledwie kilka koncernów na świecie. Poza firmami amerykańskimi tylko kilka wielkich międzynarodowych koncernów potrafi dzisiaj skutecznie eksploatować takie złoża.

3.1. Szczelinowanie hydrauliczne

Gaz powstały w łupkach pozostaje zamknięty w strukturze skały. Żeby uwolnić go na powierzchnię, trzeba poszerzyć naturalne spękania w skale. Zabieg ten nazywamy szczelinowaniem hydraulicznym. To najskuteczniejsza i bezpieczna metoda wydobywania ze skał gazu z łupków. Poszukiwania gazu z łupków to ogromne przedsięwzięcie. Niemal jedna trzecia terytorium Polski objęta jest koncesjami, gdzie trwają poszukiwania tego surowca. Odwierty poznawcze są niezbędne do tego, by oszacować, czy gaz z łupków znajduje się na danym terenie i jaka może być wielkość złóż. Gaz ukryty jest w skale zwanej łupkiem ilastym i właśnie wydobycie gazu z tego rodzaju skał stanowi największy problem. Specjaliści z firm zajmujących się poszukiwaniem gazu mają jednak na to sposób -  szczelinowanie hydrauliczne. Gaz z łupków uwięziony jest w bardzo drobnych szczelinach skał łupkowych, uformowanych ponad 400 mln lat temu i zalegających w Polsce na głębokości 2400-3500 m pod ziemią. Żeby go uwolnić, należy zrobić w nim szczeliny. Stąd bierze się nazwa tego procesu technologicznego, czyli szczelinowanie. W tym celu do przygotowanego tzn. wywierconego, orurowanego i zabezpieczonego otworu wtłaczany jest pod ciśnieniem 600 atmosfer płyn do szczelinowania.  Ściany otworów zabezpieczane są stalowym orurowaniem, a przestrzenie pomiędzy rurami i ścianami uszczelniane są mieszaniną cementową, która ma za zadanie m.in. nie dopuścić do przecieków gazu ku powierzchni ziemi i do warstw wodonośnych. Ciśnienie płynu kruszy skały łupkowe, uwalniając gaz. Piasek wnika w te szczeliny, nie pozwala im się zamknąć, co zapewnia swobodny przepływ gazu. Cała ta operacja odbywa się w otworze poziomym, a wywołane procesem szczeliny tworzą się w skale łupkowej na przestrzeni do 150 metrów od rury poziomej. Zabieg wiercenia poziomego znacząco zwiększa obszar penetracji skały złożowej. Po zakończeniu działań wiertniczych, koniec odwiertu zostaje zaślepiony. Szyb wiertniczy wyłożony jest rurami i uszczelniony cementem, dlatego w celu umożliwienia przepływu gazu ze skały do otworu wykonuje się perforację ścian orurowania. Polega to na zapuszczeniu na dno odwiertu tzw. działa perforacyjnego, które zawiera liczne małe ładunki wybuchowe. W wyniku serii niewielkich eksplozji powstaje szereg otworów w rurze oraz w skale, przez które gaz może już być swobodnie wydobywany. Na tym etapie praktycznie można już rozpocząć wydobycie w przypadku złóż gazu konwencjonalnego. Przy gazie łupkowym nie jest to jeszcze koniec operacji [4].

Łupki posiadają naturalne spękania, jednak chcąc opłacalnie wydobywać z nich gaz trzeba sztucznie zwiększyć ilość tych spękań. W tym celu przeprowadza się zbieg szczelinowania hydraulicznego. Polega on na wpompowaniu do odwiertu płynu szczelinującego pod bardzo dużym ciśnieniem. Przez otwory w orurowaniu wykonane działem perforacyjnym płyn dostaje się do skały i napiera na nią powodując powstawanie sieci szczelin, którymi gaz będzie mógł być wydobywany. Po skończonym zabiegu szczelinowania część płynu pozostaje w otworze, a reszta powraca na powierzchnię. Aby szczeliny nie uległy zamknięciu, razem z płynem zatłacza się piasek lub inne sypkie materiały, które zapobiegają całkowitemu zaciśnięciu się spękań. Jeżeli odwiert poziomy jest długi, to dzieli się go na kilka sekcji i każdą z nich szczelinuje się oddzielnie.

Rys 4. Szczelinowanie metodą hydrauliczną [5].

Wysokie ciśnienie i specyficzny skład chemiczny powoduje, że odwiert niejako ulega „rozszerzeniu” i „rozgałęzieniu”, co powoduje wypływ gazu z pokładów łupkowych. Dodatkowo wprowadzane są także tzw. proppanty, czyli ceramiczne granulki, bądź ich naturalny ekwiwalent – piasek, co ma pomóc w wypływie gazu i powstrzymaniu domykania szczelin. Niemal 95 proc. płynu szczelinującego stanowi woda, wymieszana w 3-4 proc. z piaskiem. Dodatki chemiczne stanowią pozostały odsetek - zwykle nie przekracza on 2 proc. Skład dodatków chemicznych szczelinowania objęty jest zazwyczaj ścisłą tajemnicą, gdyż każda z firm używa innych substancji. Kontrowersje wokół procesu szczelinowania mogą być po części wyjaśnione tym, że poza pozyskiwaniem gazu i ropy z niekonwencjonalnych złóż, stosuje się tą metodę m.in. do stymulowania wód gruntowych, jako sposobu usprawnienia procesów rekultywacji odpadów, do pomiaru naprężeń warstw ziemi czy produkcji energii elektrycznej w systemach geotermalnych. Istnieje ogromna liczba wariantów zabiegów szczelinowania. Do płynu szczelinującego o regulowanych parametrach lepkości, wilgotności, ciężaru właściwego dodaje się odpowiednie substancje chemiczne umożliwiające poprawne wykonanie zabiegu. Jako materiał podsadzkowy (wypełniacz) zamiast piasku, stosować można również materiały ceramiczne, metalowe i plastikowe kulki oraz płyny polimerowe, które przekształcają się w siatkę splątanych włókien. Po skruszeniu łupków i umieszczeniu piachu w niewielkich szczelinach, woda z bardzo rozcieńczonymi dodatkami wypływa na powierzchnię. Powracająca woda może stanowić od 20% do ponad 80% całkowitej objętości zatłoczonej wody i innych materiałów stosowanych w zabiegach szczelinowania. Powracająca woda musi zostać zagospodarowana w sposób odpowiedzialny, albo wykorzystywana powtórnie po uzdatnieniu z zastosowaniem filtracji, odwróconej osmozy, wymiany jonowej lub innej technologii, albo zostaje oczyszczona przez uprawnione podmioty. Pozostała niewielka ilość wody zatłoczonej do formacji łupków gazonośnych powraca wraz z wydobywanym gazem ziemnym lub pozostaje uwięziona w złożu w wyniku adsorpcji [6].

Prowadzenie przez lata doświadczeń w stymulacji łupków pozwoliło przetestować wiele rozwiązań technicznych i technologicznych. Wniosek z tych poczynań jest jeden: nie ma jedynej skutecznej technologii szczelinowania łupków. 

4. Metoda szczelinowania z wykorzystaniem CO2.

Rozpoczęcie badań nad użyciem dwutlenku węgla podczas zabiegów szczelinowania hydraulicznego miało miejsce już w latach 70-tych XX-go wieku w Stanach Zjednoczonych. Tamtejsza firma w 1982 roku wykonała pierwsze szczelinowania z użyciem substancji oraz materiału podsadzkowego (piasku) w celu intensyfikacji wydobycia węglowodorów ze złóż konwencjonalnych. Wyniki 85% spośród ponad 40 zabiegów przyniosły wzrost wydobycia, który wynosił nawet 50%. Od tamtego czasu wypracowano kilka różnych technik szczelinowania przy użyciu dwutlenku-węgla. Opracowana przez Wojskową Akademię Techniczną metoda wydobycia gazu z łupków została zgłoszona do Urzędu Patentowego w 2012 r. (nr zgłoszenia P.398228). Przedmiotem zgłoszonego wynalazku jest sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2  z poziomych odwiertów małośrednicowych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym. Istotą proponowanej metody jest wprowadzenie do złoża przez poziome odwierty ciekłego, sprężonego i schłodzonego CO2 , który pod wpływem wysokiej temperatury panującej w złożu wnika w skały inicjuje przemiany fazowe prowadzące do wzrostu ciśnienia. Efektem tego jest pękanie skał złożowych oraz adsorpcja CO2 przy jednoczesnej desorpcji metanu.

Pomiędzy pokładami litej skały (3) – rys. 4 i 5 znajdują się pokłady łupka gazowego (2) ok 3000 m pod powierzchnią gruntu. Z odwiertu pionowego (1) prowadzonego przez te warstwy, drążone są promieniowo, poziome otwory małośrednicowe (4 a, b, c), na różnych wysokościach. Skały w okolicy otworów (4a) może być wstępnie perforowany (5) przy użyciu różnych sposobów rozkruszania skał. Po tym zabiegu następuje zamknięcie odwiertów poziomych przy użyciu specjalnie zaprojektowanych zaworów sterowanych z powierzchni (6 a, b). Wewnątrz odwiertu pionowego umieszcza się elastyczne lub półelastyczne rury (7) o małej średnicy, których podstawową funkcją jest izolowanie czynnika szczelinującego od warunków, jakie panują w odwiercie. Według wstępnych założeń odwiert i rury będą wymagały chłodzenia ciekłym azotem. Rury (7) zostają wprowadzone także do otworów bocznych (4a). Przy tak przygotowanym odwiercie przy użyciu pompy kriogenicznej następuje zatłaczanie ciekłego, sprężonego i schłodzonego CO2. Dla wspomożenia mechanizmu szczelinowania, CO2  na powierzchni zostaje zmieszany z piaskiem lub proppantem ceramicznym. Podczas tego procesu wymagane jest ciągłe kontrolowanie temperatury i ciśnienia w otworach (1) i (4a) w celu utrzymania CO2 w stanie nadkrytycznym. Aby prawidłowo kontrolować stan czynnika konieczne jest umieszczenie w nich odpowiednich czujników. Po ukończeniu zatłaczania następuje zamknięcie otworów (4a) przez zastosowanie sterowanego z powierzchni zaworu. W wyniku tego rozpoczyna się proces rozprężania CO2 w efekcie przemiany fazowej zainicjowanej podwyższoną temperaturą złoża. Powoduje to intensywne spękanie łupka, adsorpcję CO2  oraz jednoczesną desorpcję gazu z łupków. Proces ten trwa około dwóch tygodni [21].

Rys. 4. Proces zatłaczania CO¬2 [7].

Pęknięcia (9) jakie powstały w złożu łupkowym (2) umożliwiają wydostanie się gazu. Ułatwia to obecność cięższego dwutlenku węgla, który wypiera metan. Następnie otwory poziome (4b,c) zostają otwarte i gaz pod wysokim ciśnieniem wydobywa się na powierzchnię przez odwiert pionowy (1). Według autorów tej metody przewidywane jest także zastosowanie proppantu co ma znacząco polepszyć wydajność wydobycia. Proppant wprowadzany jest do złoża, gdzie pod ciśnieniem zatłaczania zatrzymuje się w szczelinach i nie pozwala na ich zamknięcie. Role tą może pełnić piasek o odpowiednim składzie mineralnym i wielkości, ale także cząstki ceramiczne 
Rys. 5. Proces wydostawania się metanu na powierzchnię [7]

Wykorzystanie CO2 w stanie nadkrytycznym spowodować ma wzrost wydajności wydobycia gazu, gdyż wywoła desorpcję metanu ze szczelin skały łupkowej. Istnieją spekulację, że poziom sczerpania złoża wzrośnie do nawet 60%, co znacząco przewyższa skuteczność metody hydraulicznej, która cechuje się około 15% skutecznością. Ponadto zasięg szczelinowania ma kształtować się na poziomie 600 m wokół odwiertu. Wykonanie jednego lub kilku odwiertów dla osiągnięcia ekonomicznego wydobycia zmniejsza zniszczenie środowiska naturalnego oraz szkodliwość i uciążliwość wydobycia dla mieszkańców. To bardzo ważny aspekt w konfrontacji z metodą hydrauliczną, ponieważ na terenie Polski jest większe zagęszczenie ludności niż w USA. Skupiska ludzi znajdują się w niedalekiej odległości od siebie więc trudniej jest znaleźć odpowiednio ulokowany teren pod budowę dużej liczby platform wydobywczych. Stan nadkrytyczny czynnika szczelinującego cechuje się obniżoną lepkością oraz znacznym wzrostem ruchliwości jego cząsteczek, czego efektem mogą być problemy z wykorzystaniem piasku do blokowania powstających szczelin [8].

 
Rys. 6. Przemiana izochoryczna dwutlenku węgla [9].

Przez zastosowanie odwiertów poprzecznych na różnych poziomach i prowadzenia szczelinowania z najniższej warstwy, możliwe będzie kontrolowanie procesu rozwoju szczelin poprzez zastosowanie urządzenia sterującego ilości CO2, które zostało dogłębniej opisane w niniejszej pracy. Biorąc pod uwagę większą głębokość umiejscowienia pokładów złóż łupkowych, które ponadto są również twardsze ta metoda ma większe szanse powodzenia na obszarze Polski.

Omawiana metoda została wykorzystana przy szczelinowaniu skały marmurowej w laboratorium WAT i przyniosła bardzo dobre rezultaty. Podobny eksperyment \ został przeprowadzony przez japońskich naukowców [10], którzy zaobserwowali znaczne bardziej rozbudowaną siatkę szczelin trójwymiarowych w porównaniu do szczelinowania hydraulicznego. Jako jeden z poważniejszych atutów tej metody jest aspekt ekologiczny. Wykorzystanie CO2 prowadzić będzie do powstania sektora zajmującego się pozyskiwaniem i gromadzeniem tego gazu cieplarnianego. Możliwe, że nastąpi spadek emisji dwutlenku węgla, który znajdzie zastosowanie do wydobycia gazu z łupków i w wyniku tego zostanie zmagazynowany w złożu. Metoda zaproponowana przez Wojskową Akademię Techniczną nie wymaga stosowania wody i kontrowersyjnych środków chemicznych oraz konieczności odbierania i utylizacji dużych ilości płynu zwrotnego, co przy tradycyjnym szczelinowaniu generuje dodatkowe koszty.. Dużą zaletą tej metody jest jej samoistny przebieg przez wykorzystanie po części zjawisk fizycznych oraz chemicznych, co pozwoli obniżyć koszty i chronić środowisko naturalne. Opracowywana technika ma znaleźć zastosowanie również do złóż metanu pokładów węgla kamiennego. 

Metoda ta obecnie jest podstawą prac prowadzonych w ramach projektu pt. Opracowanie wytycznych do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2 na drodze analiz numerycznych i badań eksperymentalnych, realizowanego w konsorcjum PGNiG, WAT, AGH i Politechnika Warszawska, który uzyskał finansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach konkursu BlueGas. Cel projektu to opracowanie wytycznych do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2. Technologia będzie oparta na wynalazku WAT dotyczącym wydobycia węglowodorów gazowych z kilku poziomów odwiertów lateralnych przy wykorzystaniu CO2 w stanie nadkrytycznym, co spowoduje wzrost wydajności odwiertu, ponieważ CO2 wywoła desorpcję CH4 ze struktury porowatej łupka, a przemiana termo-dynamiczna CO2 w złożu spowoduje zeszczelinowanie skały. Metoda jest bardzo korzystna z punktu widzenia ochrony środowiska, gdyż nie wymaga stosowania wody oraz środków chemicznych. Ciepło, które jest potrzebne do uzyskania efektu szczelinowania za pomocą ciekłego CO2 będzie pobierane samoistnie z górotworu otaczającego odwiert. Zaplanowane w tym projekcie badania numeryczne oraz eksperymentalne mają na celu weryfikację elementów technologii w warunkach laboratoryjnych, co znacznie ograniczy ryzyko i koszty realizacji technologii na odwiercie.

W szczególności wyzwaniami badawczymi bedą:

pozyskiwanie dwutlenku węgla,
sekwestracja CO2,
potencjalne ryzyko rozszczelnienia złoża,
doprowadzenie ciekłego CO2 na zadaną głębokość w stanie nie zmienionym,
przyjęcie odpowiedniego proppantu,
odseparowanie dwutlenku węgla od wydobytego gazu,
oczyszczanie złoża po procesie,

Aktualnie po wykonaniu wielu próbnych odwiertów, nastroje wśród ekip wydobywczych są sceptyczne, a niektóre koncerny już wycofały się z podjętych inwestycji ponieważ, próby szczelinowania metodą hydrauliczną skończyły się fiaskiem. Powodem tego jest pęcznienie skał iłowych (w polskich łupkach jest ich ok. 15%) w wyniku kontaktu z wodą. Namakanie i zwiększanie objętości tych skał powoduje zamknięcie szczelin, a co za tym idzie spadek efektywności sczerpania. Po dokonaniu takich obserwacji realną szanse powodzenia ma wykorzystanie metody proponowanej przez WAT jako sposobu zwiększającego efektywność wydobycia.

Analizując sytuację na rynku nowych technik szczelinowania wyraźnie uwidacznia się dwutorowość ich światowym rozwoju. W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie w użyciu jest kilkanaście różnych metod, a nowe cały czas poddawane są praktycznym testom. Z kolei reszta świata pozostaje daleko w tyle, a nowe pomysły rzadko wykraczają poza fazę laboratoryjną. Dzieje się tak, mimo że zabiegi szczelinowania wykonywane są na całym globie od przeszło półwiecza. Wynikać to może, choć tylko częściowo, z „łupkowej rewolucji”, która dała pole do doświadczeń na większą skalę. Niemniej jednak, wraz z rosnącym zainteresowaniem gazem i ropą z formacji łupkowych, kraje dysponujące ich zasobami, włączają się powoli w prace nad nowymi technikami. Szansę poprawienia dominacji technologicznej Ameryki Północnej daję Polska metoda szczelinowania CO2. Metoda ta mogłaby nie tylko zrewolucjonizować technologię wydobycia gazu z łupków, ale także stać się impulsem dla polskiej gospodarki czerpiącej korzyści z wydobywania własnych złóż krajową metodą przez polskie firmy.

Literatura:
1. www.gazownictwopolskie.pl (17.05.2015)
2. www.gazlupkowy.info.pl (11.05.2015)
3. www.eia.gov (17.05.2015)
4. Metody modelowania i oceny efektywności zabiegów szczelinowania hydraulicznego skał złożowych w odwiertach naftowych/  Paweł Wojnarowski; Wydawnictwo AGH 2013
5. www.gazniekonwencjonalny.wordpress.com (03.05.2015)
6. Problemy techniczne i technologiczne pozyskiwania węglowodorów a zrównoważony rozwój gospodarki / Instytut Nafty i Gazu.
7. Zgłoszenie Patentowe w Urzędzie Patentowym RP, P.398228, Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 w odwiertach poziomych, zespół WAT, 24.02.2012.
8. www.lupkipolskie.pl (03.05.2015)
9. www.dziennikustaw.gov.pl/du/2015/196/1 (18.05.2015)
10. Tsuyoshi I. at al., Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO2 GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012


dr inż. Danuta Miedzińska jest adiunktem w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Wojskowej Akademii Technicznej. W swojej pracy zawodowej zajmuje się metodami numerycznymi, modelowaniem struktur nowoczesnych materiałów, takich jak elastomery magnetoreologiczne, materiały porowate, kompozyty funkcjonalnie gradientowe. Drugim obszarem naukowym jest energetyka niekonwencjonalna, czyli rozwój metod pozyskiwania energii ze źródeł takich, jak gaz z łupków, czy głębokich pokładów gorących suchych skał.   

Technologia wydobycia gazu łupkowego

Technologia wydobycia gazu łupkowego

2015-01-07

Pojęcie „gaz łupkowy” oznacza gaz ziemny występujący w skałach (łupkach), niejako „uwięziony” w nich, co uniemożliwia wydobywanie go metodami typowymi dla klasycznie rozsianych na świecie złóż tego surowca (których wykorzystanie prowadzone jest na szeroką skalę od wielu dekad). Dotarcie do gazu łupkowego i jego wydobycie stało się możliwe dzięki zastosowaniu i rozwojowi znanych już wcześniej technologii wiercenia poziomego i szczelinowania hydraulicznego.

Ten tekst służy przedstawieniu podstawowych informacji na temat metod wydobywania gazu łupkowego. Ma być on zatem wstępem do dalszych badań, prowadzonych przez zainteresowanych tym tematem czytelników, np. w zaawansowanych publikacjach geologicznych czy technicznych. Jest on pomyślany jako „esencja” tematu dla czytelnika nie obeznanego profesjonalnie z omawianymi zagadnieniami.

Przemysł wydobywczy od wielu lat miał świadomość występowania tzw. niekonwencjonalnych złóż różnego rodzaju surowców, w tym węglowodorów takich jak ropa naftowa czy gaz ziemny. Łupki, jako miejsce zalegania zasobów, są po prostu jednym z właśnie takich niekonwencjonalnych źródeł. Barierą dla ich wykorzystania na szeroką skalę był jednak dotąd brak odpowiednich technologii. Mniej więcej na początku obecnego stulecia rozpoczęto jednak na świecie wydobycie m.in. gazu ziemnego z łupków, prym wiodą w tym Stany Zjednoczone, gdzie ze względu na rosnącą szybko podaż surowców ze źródeł niekonwencjonalnych zaczęto wręcz mówić o „łupkowej rewolucji” (przyczynia się ona bowiem do zmian tradycyjnych zasad funkcjonowania globalnego rynku surowców energetycznych: USA, dotąd ogromny importer np. ropy naftowej, mają się w kolejnych latach stać w dużo większym stopniu samowystarczalne, a nawet mogą przekształcić się w eksportera, co staje się poważnym wyzwaniem dla dotychczasowych dostawców nośników energii dla Stanów Zjednoczonych).

Po określeniu, że na danym obszarze jest gaz w łupkach i po dokonaniu prac przygotowawczych (jak dostosowanie terenu do mających nastąpić wierceń czy sprowadzenie sprzętu i ekipy pracowników) wykonywany jest odwiert (pionowo w dół). Gdy wiercenie dotrze do skał bogatych w surowiec, następuje nawiercanie poziomo (w bok – jest to w przypadku łupków konieczne, aby pozwolić zawartym w nich zasobom na wydostanie się; inaczej jest w przypadku złóż konwencjonalnych, gdzie wiercenie pionowo w zasadzie wystarczy, nie ma kolejnych „barier” przez które trzeba przedostać się do samego np. gazu). Do wykonanego otworu wkładana jest następnie rura, oddzielająca go od otoczenia i pełniąca funkcję zabezpieczającą. Otwór jest też uszczelniany cementem. Potem do poziomego odcinka odwiertu wprowadzane jest urządzenie zwane „działem perforacyjnym”, którego celem jest wykonanie drobnych otworów w rurze, przez które zgromadzony wokół niej gaz ma się dostawać do odwiertu i móc potem udać się na powierzchnię (działo zawiera ładunki wybuchowe, które tworzą wspomniane dziury). Do wykonanego odwiertu wlewany jest pod dużym ciśnieniem płyn szczelinowy. Jego zadaniem jest dodatkowe udrożnienie skały, poszerzenie już stworzonych pęknięć (szczelin) i rozpoczęcie nowych, a tym samym zwiększenie możliwości wypływu zawartości do odwiertu. Gdy ten proces jest zakończony, możliwe jest pozyskiwanie np. gazu ze złoża niekonwencjonalnego. Dzięki infrastrukturze na powierzchni odwiertu dokonywane jest jego zmagazynowanie i wpuszczenie do systemu gazociągów, doprowadzających go do odbiorców (firm, osób prywatnych, itp.).

Płyn szczelinujący to przede wszystkim woda i piasek. Piasek ma dostać się do wytworzonych w skale łupkowej szczelin i zapobiegać ich ponownemu zamknięciu, które znów zatrzymałoby gaz w środku. Oprócz tego w płynie zawarte są też środki chemiczne, które ułatwiają tworzenie pęknięć podczas szczelinowania czy też niszczą znajdujące się w skale bakterie. Te środki to np. kwas solny, aldehyd glutarowy czy formamid.


Pod koniec 2012 r. pojawiły się w mediach doniesienia o opracowywanej polskiej technologii szczelinowania hydraulicznego, w której zamiast płynu stosuje się dwutlenek węgla – najpierw w postaci płynnej, potem zaś (w odwiercie) przekształcający się w fazę gazową. CO2 ma wypychać gaz ziemny ze szczelin i tym samym umożliwiać jego podążanie przez odwiert na powierzchnię.

Na przełomie 2011 i 2012 r. amerykańska firma naftowa Shchlumberger rozpoczęła prace wydobywcze w oparciu o stworzoną autorską metodę Hiway. Różni się ona nieco od „klasycznego” szczelinowania hydraulicznego. Płyn szczelinujący nie jest wlewany raz, tylko kilkakrotnie (wtrysk pulsacyjny), co pozwala na stworzenie większej ilości pęknięć, sięgających dalej. Oprócz płynu szczelinującego wprowadza się naprzemiennie do odwiertu także włóka rozpuszczalne, które poprawiają wydajność działań.

Istotną kwestią związaną z wydobyciem zasobów naturalnych jest ocena potencjału danego złoża. Powszechnie wykorzystywaną w tym celu metodą jest System Zarządzania Zasobami Paliwowymi (PRMS, z ang. Petroleum Resources Management System). Ogłoszony on został w 2007 r., jest efektem prac prowadzonych przez kilka międzynarodowych organizacji branżowych z sektora wiertniczego. Przy użyciu tej metody wykorzystuje się dane takie jak rozmiary złoża, przepuszczalność skał, grubość warstw o zawartości substancji organicznej pow. 2%, typ i stopień dojrzałości tejże substancji. Można też jednak wykorzystywać inne podejście, takie jak metoda probabilistyczna, która oprócz podejścia stricte geologicznego obejmuje także inne1.   

Wydobywanie gazu łupkowego, czy też szerzej „niekonwencjonalnego”, będzie zawsze ściśle związane z kosztami koniecznych prac. Jeżeli dotarcie do złoża okaże się nieopłacalne, zostanie porzucone. Postęp technologiczny w zakresie wydobycia będzie mieć tutaj zatem znaczenie kluczowe.

 

Wiertnictwo - kilka słów wprowadzenia

Wiertnictwo - kilka słów wprowadzenia

2014-09-04

Proces poszukiwania łupkowego gazu składa się z kilku etapów, który obejmuje przede wszystkim rozpoznanie sejsmiczne i realizację odwiertu. W tym artykule skupimy się na wierceniu, jako że większość inwestycji przypada na ten typ prac. Ponadto, poprawność przygotowania projektu wiercenia i jego realizacja determinuje w dużej mierze sukces, nie tylko w sferze górniczej, ale również w zakresie bezpieczeństwa ekologicznego odwiertu.

Wiercenie szybu jest kosztowne i wymaga znacznych długoterminowych inwestycji. Jednym z nich jest czas - realizacja odwiertu poszukiwawczego może trwać od trzech do sześciu miesięcy i kosztować miliony dolarów. Drugim powodem jest użycie drogich urządzeń i materiałów przy budowie odwiertu, a także wielu badań geofizycznych, które również stanowią dużą część kosztów. Wiele tak przygotowanych odwiertów może służyć do 20 lat.

Można powiedzieć, że w fazie poszukiwań gazu łupkowego kluczowym etapem jest przede wszystkim wiercenie. W przeciwieństwie do badań sejsmicznych geolodzy na bazie wiercenia mogą uzyskać bezpośrednie informacje na temat budowy geologicznej w postaci rdzeni, jak również badań geofizycznych w odwiercie. Podczas samego procesu wiercenia mają już możliwość przeprowadzania testów przepływu gazu łupkowego.


Zazwyczaj prace zaczyna się od projektu wiercenia na danym miejscu, który opisuje wszystkie operacje technologiczne przewidziane w procesie, niezbędne wyposażenie, budowę odwiertu i określa się najważniejszy cel prac. Istnieje kilka typów odwiertów - w zależności od celu w jakim są podejmowane. Podczas poszukiwania miejsca lub w strukturze geologicznej, w którejdo tej pory nie zostały wywiercone żadne otwory i brakuje bezpośredniej informacji geologicznej  - wiercone są odwierty poszukiwawcze. Pozwalają one zebrać wszystkie informacje techniczne dotyczące głębokości wiercenia, jak i trajektorii.
 
Wśród odwiertów poszukiwawczych istnieje też grupa odwiertów parametrycznych, przy których głębokość wierceń nie jest określona w metrach, ale w warstwach geologicznych. Często zdarza się tak, że podczas procesu głębokość ostateczna odwiertu musi zostać zmieniona. Gdy projekt jest gotowy, konieczne jest przygotowanie terenu pod założenie odwiertu i obsadzenie załogi wiertniczej, która będzie bezpośrednio przeprowadzać proces wiercenia.

Przygotowanie odwiertu jest bardzo ważne zarówno ze względów środowiskowych, jak i produkcyjnych. Przede wszystkim, aby nie szkodzić środowisku, na obszarze proponowanego wiercenia jest konieczne usunięcie wierzchniej warstwy gleby i przechowanie jej w bezpiecznym miejscu. W przyszłości, po całej pracy warstwa ta ponownie musi wrócić na miejsce, więc jeśli podczas wiercenia dotrzyma się wszystkich wymagań projektu i prawodawstwa w zakresie ochrony środowiska, proces ten nie przyniesie znacznej szkody dla środowiska. Po usunięciu warstwy wierzchniej, otwór wypełniony jest specjalnym materiałem, który chroni ziemię przed szkodliwym działaniem substancji wchodzących w przypadku przecieku. Ponadto obszar jest zabezpieczany betonowymi płytami. Jeśli spojrzymy na odwiert od góry widać wokół całego obwodu kopiec - ogrodzenie, którego funkcja jest widoczna w przypadku prac awaryjnych, a także w przypadku niekontrolowanego wycieku ropy.

W tym etapie prace na odwiercie prowadzi specjalny zespół instalatorów lub członków załogi wiertniczej.  Ta ostatnia grupa z reguły składa się z dyrektora wiercenia, wiertników i kilku asystentów, specjalistów obsługi agregatów, elektryków i programistów. Ponadto, w trakcie powstawania odwiertu bezpośrednio zaangażowany jest  inżynier wiercenia, przełożony, specjalista zarządzania trajektorią odwiertu, geolog, geofizyk i inżynier płuczek wiertniczych. Jeśli chodzi o przełożonego - człowiek ten jest nie tylko ekspertem w dziedzinie wiercenia z wieloletnim doświadczeniem, ale także przedstawicielem klienta, podmiotu, dla którego realizowane są wiercenia.

Gdy sprzęt jest gotowy do wiercenia studni, należy przygotować płuczkę wiertniczą. Aby wyjaśnić cel jej stosowania, warto powiedzieć kilka słów o technologii wiercenia. Skałę rozwierca się stosując wiertło, który ma cylindryczną postać, a w końcowej części rozmieszczone ma elementy tnące. Ze względu na fakt, że wierło się obraca i skała pęka pod jego naciskiem, proces jest podobny do wiercenia otworów za pomocą wiertarki. Aby wywiercone części skały mogły zostać usunięte z otworu wiertniczego, podczas wiercenia niezbędna jest stała cyrkulacja płynu wiertniczego. To zaś jest możliwe dzięki temu, że jest do otworu pomopwana jest płuczka wiertnicza. Docierając do wiertła, płyn wiertniczy przez specjalne otwory w wiertle przechodzi do przestrzeni pomiędzy rurą wiertniczą a ścianką odwiertu , w ten sposób wyprowadza rozwiercony materiał na powierzchnię, gdzie za pomocą sita wibracyjnie płyn oddzielony zostaje od błota powstałego wskutek wiercenia skał. Płuczka podczas wiercenia pełni również dwie ważne funkcje - pierwszym jest chłodzenie wiertła, które w wyniku ciągłego ruchu obrotowego rozgrzewa się, a silny przepływ płynu może powodować jego ochłodzenie. Po drugie płyn wiertniczy wytwarza nacisk na ścianki otworu, a tym samym zapobiega ich zniszczeniu. Jednakże gęstość płynu wiertniczego nie może przekraczać pewnej wartości, ponieważ mogłoby to spowodować spękanie skały i utratę możliwości płynnej cyrkulacji, co w konsekwencji może prowadzić do znacznego wydłużenia czasu i zwiększenia kosztów.

Płuczka wiertnicza może także służyć jako środek do wywoływania obrotu świdra. Istnieją dwa sposoby obrotu wiertła - pierwszy, tradycyjny to obracanie rur wiertniczych przy użyciu jednostki napędowej, która jest zamontowana na podłodze wiertniczej. Taka metoda jest nazywana obrotową.
 
Charakterystyczną cechą tego sposobu (a czasem wadą) - jest obrót całej długości przewodów wiertniczych, która może osiągnąć 3000 - 4000 metrów. W takich głębokościach zapewnia stały nacisk na przewodzie wiertła, co przy skale o złożonym profilu może być powodem zerwania przewodu. Druga metoda obrotu świdra oparta jest na zasadzie silnika hydraulicznego, przez który płuczka przepływa w sposób ciągły. W wierceniach stosowane są dwa rodzaje silników - silniki śrubowe i turbinowe. Te dwa typy silników hydraulicznych różnią się od siebie. W śrubowym roztwór pod ciśnieniem oddziaływania podłogi próbuje przejść między wałem a wewnętrzną powierzchnią obudowy silnika w kierunku spiralnym. Przechodząc pomiędzy wałem a obudową, ciecz napędza wał silnika, do którego jest dołączone wiertło. W przypadku silnika działającego w oparciu o zasadę turbiny, podobnego, jak te stosowane w samolotach, w wyniku obrotów wału turbiny, łopatki turbiny są nachylone do zatrzymywania powietrza i zapewniają ciąg - tutaj płuczka stykająca się z wieloma łopatkami turbiny obraca wał z wiertłem. 

Inną ważną funkcją płuczki jest informowanie o obecności w wywierconym obszarze naftowej i gazu. Zazwyczaj na wylocie odwiertu ustawione są specjalne czujniki podłączone do komputerów w stacji  kontroli geofizycznej. Czujniki są w stanie wyłapać nawet niewielką część gazu, a zatem nie tylko dostarczają informacji o dostępności na eksplorowanych poziomach złóż naftowych i gazowych, a także służą do ostrzegania załogi o niebezpieczeństwie związanym z przepływem. Należy zauważyć, że gęstość płuczki musi być tak wybrana, że nawet w przypadku, gdy wiertło ujawni występowanie ropy naftowej i gazu, to  nie ulotnią się one ku powierzchni (w wyniku działania blokującego). W przeciwnym razie mogłoby to spowodować uwolnienie ropy naftowej i gazu, i jeśli nie zostaną w odpowiednim czasie podjęte działania, dojdzie do niekontrolowanej erupcji, z ewentualnym pożarem. Przykładem może służyć  znany wypadek na platformie BP w Zatoce Meksykańskiej. Odwierty są obszarem wysokiego zagrożenia i wymagają przestrzegania wielu przepisów w tej dziedzinie.   

Jeśli do wycieku gazu doszło, stosuje się specjalny sprzęt zwany głowicą przeciwerupcyjną lub prewentorem. Prewenter wypełnia przestrzeń między ścianą odwiertu i kolumną odwiertu. Części prewentora są zaprojektowane jako dwa półksiężyce, które po połączeniu ze sobą tworzą średnicę otworu centralnego używanego do wprowadzania wiertła. W celu zapewnienia spoistości zabezpiecza się  gumą. Ponadto wiertło jest wyposażone w dodatkowe zabezpieczenie przeciwerupcyjne, w którym uszczelnienie jest osiągnięte przez ściskanie elementu gumowego walca. Ponadto podczas wiercenia na platformach wiertniczych stosuje się prewentory ścinające. Ten rodzaj jest używany tylko w skrajnych przypadkach, na przykład w sytuacji klęski żywiołowej, gdzie odchodzi do odcięcia sprzętu wiertniczego i zamknięcia otworu.

Opr. Jan Markau

Kilka uwag o procesie szczelinowania hydraulicznego

Kilka uwag o procesie szczelinowania hydraulicznego

2014-06-23

Wraz z rosnącym zainteresowaniem rozwojem wydobycia gazu łupkowego w Polsce, coraz częściej pojawiają się obawy ekologów o potencjalnym ryzyku, związanym z działaniami w tym zakresie.

Jednym z najczęściej przywoływanych argumentów za szkodliwością dla środowiska jest operacja szczelinowania. Ekolodzy na całym świecie zgadzają się, że w trakcie szczelinowania hydraulicznego może występować przenikanie wody z zawartością chemikaliów używanej w celach technologicznych oraz gazu łupkowego do wody pitnej. Aby dowiedzieć się, jak faktycznie wygląda sytuacja, trzeba zrozumieć, jak przebiega proces wydobywania wody pitnej i budowy odwiertów.

Szczelinowanie a warstwy wodonośne

Zacząć należy od tego, że istnieje kilka warstw geologicznych, w których woda występuje zdatna do picia. Z występowaniem wody pitnej mamy do czynienia na głębokości od 2 do 40 metrów i na głębokości 200 - 250 metrów. Jak widzimy - głębokość wód gruntowych nie przekracza 250 metrów.

Co się zaś tyczy szczelinowania hydraulicznego – proces ten polega na sztucznym tworzeniu pęknięć w skale. W celu utworzenia pęknięć otwór wypełnia się wodą i przy pomocy agregatu pompowego tworzą ciśnienie, niezbędne do pojawienia się dalszych nowych pęknięć i rozrostu istniejących. Aby pęknięcia po operacji pod wpływem ciśnienia górotworu nie zbiegły się do położenia początkowego, podczas szczelinowania pompuje specjalny materiał zwany proppantem, składający się z niewielkich kulistych cząstek, które mają okrągły kształt i rozmiary od 0,5 do 1,2 mm dzięki czemu są  stanie wytrzymać ciśnienie skał przy prowadzonym szczelinowaniu hydraulicznym.

Obecnie najpowszechniej stosowane są proppanty wykonane z materiałów ceramicznych. Błędne jest określanie proppantu mianem piasku, chociaż on i jest bardzo podobny do piasku. Żeby woda technologiczna mogła przenikać daleko w głąb szczeliny do nią dodawane specjalne środki zwane surfaktantami - substancjami powierzchniowo czynnymi, który zmniejszają napięcie powierzchniowe wody. Ich właściwości niemal niczym nie różnią się od proszku do prania, stosowanego w gospodarstwie domowym.

Aby najbardziej produktywnie wykorzystać odwiert, wykorzystanie surfaktantów realizowane jest podczas rutynowej operacji szczelinowania. Warto zauważyć, że technologie te są od dawna wykorzystywane nie tylko do produkcji gazu łupkowego, ale także podczas intensyfikacji ropy naftowej i gazu ze złóż konwencjonalnych.

Do oceny wpływu szczelinowania hydraulicznego na środowisko naturalne, konieczne jest też wspomnienie o procesie cementowania. Zwykle odwierty posiadają szczelną obudowę, jej zadaniem jest izolowanie jej od różnych warunków geologicznych, celem jest ochrona środowiska naturalnego.
Pierwsza obudowa dohodzi do głębokości 200 metrów, aby odizolować warstwę wodonośną - w której znajdują źródła świeżej wody i zwykle ma średnicę 245 do 508 mm. Ważne jest, aby kolumna obudowy zachowała hermetyczność. Jest to zadanie, nad którym czuwa specjalny inspektor -  obecny podczas eksploatacji i testów hydraulicznych obudowy. Ponadto, przeprowadzane są specjalne badania geofizyczne dotyczące obecności cementu poza obudową. Przy pogłębianiu odwiertu i dochodzeniu do miejsca, w którym lokuje się gaz łupkowy, w odwiercie umieszcza się przynajmniej 2-3 obudowy. 

Paker

Można powiedzieć jednoznacznie, że lokalizacje występowania wody pitnej są bezpiecznie izolowane od szkodliwego wpływu. Operacja szczelinowania jest wykonywana za pomocą specjalnego urządzenia - pakera - zdolnego do wprowadzania wody pod ciśnieniem tylko do części odwiertu, w którym powstają pęknięcia. 

Aby uzmysłowić sobie, jak wygląda działanie pakera, trzeba wyobrazić otwór o cylindrycznym kształcie o średnicy 140 mm, który zagłębia się 1500-1600 metrów dla dokonania szczelinowania hydraulicznego. 

Ciśnienie wymagane do szczelinowania wynosi od 60 do 100 MPa (megapaskali), natomiast ciśnienie, który jest w stanie wytrzymać osłony wynosi około 20 - 25 MPa. W celu wytworzenia niezbędnego ciśnienia, a równocześnie utrzymania integralności obudowy odwiertu używa się specjalnego urządzenia - pakera.

Paker to rodzaj metalowej rury, zakończonej gumową uszczelką. Uszczelka gumowa w zależności od konstrukcji pakera może zwiększać swój rozmiar dopasowując się do średnicy otworu. To zapewnia szczelność między tą częścią, w której zachodzi szczelinowanie hydraulicznie, a główną częścią odwiertu. Płyn jest pompowany przez rury docierajace bezpośrednio do strefy szczelinowania i wywiera nacisk, a element uszczelniający z gumy powoduje, że cyrkulacja zachodzi po zewnętrznej stronie orurowania.

Technologicznie, operacja ta składa się z trzech części 
  • przygotowanie pakera na powierzchni; 
  • sprowadzenie go na specjalnych rurach, które mogą wytrzymać ciśnienie szczelinowania; 
  • wykorzystanie go do przeprowadzenia  szczelinowania. 
Po operacji uszczelniacz hydrauliczny powraca do swojego pierwotnego położenia i wyprowadzany jest na powierzchnię.

Podsumowanie
  1. Tworzenie pęknięć przyczynia się do  przedostawania się płynu wchodzącego do warstw występowania wody pitnej - jak to opisano powyżej, jednak może  być wynikiem uszkodzeń cementacji obudowy. Ponadto, między miejscem występowania gazu łupkowego i wody pitnej jest ponad 1000 metrów skały, a zatem przeniknięcie tej odległości podczas szczelinowania hydraulicznego jest prawie niemożliwe. Jednocześnie gaz może faktycznie przedostać się do górnych warstwy, ale występuje to w razie nieszczelności osłony, a nie wskutek szczlinowania.
  2. Chemikalia stosowane podczas szczelinowania hydraulicznego mają szkodliwy wpływ na wodę pitną. Jak wspomniano powyżej, zakres szczelinowania nie ma jednak bezpośredniego kontaktu z wodą pitną, tak, że substancje chemiczne stosowane w procesie szczelinowania hydraulicznego nie powinny przedostać się do warstw wodonośnych. 
  3. W przypadku szczelinowania wykorzystuje się dużą ilość świeżej wody. Dla średnicy otworu 140 mm i głębokości 2000 m niezbędna ilość wody wynosi 40 m sześc. Jednocześnie, wskaźnik zużycia wody na osobę średnio wynosi 2 m sześc/na dzień. 
Opr. Jan Markau

Zobacz również

Więcej
Brytyjski gaz łupkowy nieopłacalny?
2014-12-31

Brytyjski gaz łupkowy nieopłacalny? Według raportu przygotowanego przez firmę Wood Mackenzie - wydobycie gazu łupkowego w Wielkiej Brytanii może być ekonomicznie nieopłacalne.



© 2001-2017 Information Market S.A.