Frackingowe środki chemiczne stosowane przy wydobyciu niekonwencjonalnych zasobów gazu naturalnego

Authorzy: Martin Elsner¹, Carsten Vogt², Anett Georgi², Frank-Dieter Kopinke², Wolfgang Calmano³, Kathrin Schreglmann¹, Axel Bergmann⁴, Bernhard Mayer⁵, Franziska D.H.Wilke⁶.

Publication date: Kwiecień 28, 2014

Komitet techniczny o nazwie "Środki chemiczne do hydrofrackingu przy eksploatacji gazu naturalnego" jest grupą ekspertów Niemieckiego Towarzystwa Chemicznego d/s Wody (grupa specjalisyczna GDCh, Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.). Naszym celem jest sformowanie niezależnego komitetu ekspertów, który będzie zajmował się bieżącymi pytaniami dotyczącymi badań naukowych w dziedzinie chemii środowiskowej i wodnej w odniesieniu do płynów frackingowych [szczelinujących]. Intencją naszego wkładu jest pomoc w lepszym zrozumieniu procesów, określenie zagrożeń i wprowadzanie rozwiązań.

Niewiele technologii sprawdziło się w USA tak szybko jak szczelinowanie hydrauliczne ("fracking") przy wydobyciu niekonwencjonalnych złóż gazu naturalnego. W ciągu tylko kilku lat gaz łupkowy sprawił, że Stany Zjednoczone stały się niezależne od importu, spadły ceny gazu naturalnego, a przemysł chemiczny zyskał tanie surowce naturalne. Jednocześnie jednak troska o możliwe zanieczyszczenie środowiska doprowadziła do kontrowersyjnych debat publicznych. W centrum tych debat pozostają środki chemiczne, które odgrywają rolę w procesie frackingu. Celem niniejszego artykułu jest wskazanie luk w naszej wiedzy z punktu widzenia chemii wody.

Spojrzenie na chemię przy operacji szczelinowania

W celu zapewnienia stabilności otworu wiertniczego oraz aby schłodzić narzędzie wiertnicze i usunąć zwierciny, stosuje się betonit [materiał ilasty] albo używa się płuczki wiertniczej na bazie polimeru. Nowo wywiercone sekcje są natychmiast wyposażone w orurowanie, aby zapewnić stabilność otworu i ochronę przed płaską wodą gruntową. Orurowanie to zostaje przycementowane. Na głębokości złoża gazu przeprowadza się wybiórczą perforację orurowania, a cement zostaje rozpuszczony kwasem (n.p. HCl) tam, gdzie jest to konieczne aby uzyskać kontakt ze skałą łupkową. Podczas właściwego szczelinowania hydraulicznego płyn hydrauliczny jest następnie wtłaczany pod dużym ciśnieniem w celu wytworzenia maleńkich szczelinek i pęknięć, tak że zawarty tam gas zostaje uwolniony i może zostać usunięty. W celu zachowania otwartości szczelinek stosuje się substancje podtrzymujące, takie jak piasek, materiał ceramiczny itd. Reduktory tarcia (n.p. żele poliamidowe lub roztwory gumy guar) i związki powierzchniowo czynne (n.p siarczany organiczne) sprawiają, że płyn staje się bardziej "śliski", oraz zapewniają lepsze nawilżenie. Polimerowe substancje nawilżające (łączniki krzyżowe, n.p. etanolamina zmieszana z boranami i kompleksami metali przejściowych) zwiększają lepkość w celu przemieszczenia substancji pomocniczych. "Łamacze" (utleniacze, kwasy/substancje zasadowe, enzymy i tym podobne) ponownie "przełamują" lepkość, tak że gas może zostać uwolniony z formacji skalnej. Inhibitory korozji (pochodne chinoliny, siarczyny), stabilizatory iłów (czwartorzędowe sole amonowe), czynniki kompleksujące żelazo (n.p cytrat) i biocydy towarzyszą wydobyciu gazu i uniemożliwiają zablokowanie rurociągów transportowych. Do przeprowadzenia jednej tylko operacji frackingu potrzeba od 7 do 18 milionów litrów wody. Znaczna część tej wody wraca później na powierzchnię ziemi w postaci flowbacku [wody powracającej na powierzchnię], zmieszanej z wodą pochodzącą z formacji skalnej głęboko pod ziemią, zwiększającą się proporcjonalnie.

Luki w wiedzy dotyczące chemikaliów frackingowych oraz biogeochemii podpowierzchniowej

Liczne środki chemiczne stosowane w procesie frackingu w USA publikowane są w raportach Kongresu [Stanów Zjednoczonych] [1] oraz bazach danych online (n.p. NGS Facts, FracFocus). Na listach w kolejności alfabetycznej znajdują się silne kwasy, substancje zasadowe, utleniacze, reduktory, składniki ropy naftowej, alkohole, kwasy tłuszczowe i ich estry. Lista ta zawiera też siarczany organiczne i fosfaty, jak również aminy i czwartorzędowe sole amonowe. Z powodu dużej liczby możliwych do zastosowania substancji prowadzenie systematycznego przeglądu jest trudne. Jeszcze bardziej utrudnia to fakt, że niektóre koktajle substancji stanowią sekret firmowy, a także ponieważ indywidualne składniki, kóre stanowią mniej niż 0.1% całkowitej zawartości nie muszą być deklarowane. Z tego względu społeczeństwo nie jest jeszcze świadome dużej części płynów frackingowych. Dialog na temat kosztów i zysków, który już miał miejsce w odniesieniu do innych substancji (n.p. pestycydów) ("Dlaczego stosowana jest ta substancja, a nie alternatywna bardziej przyjazna środowisku?") i który mógłby doprowadzić do większej akceptacji dopiero powoli zaczyna odgrywać rolę w debatach publicznych. [see SHIP News]

Ponadto, przed przystąpieniem do wstępnych wierceń trudno jest ocenić biochemiczny skład warstw głęboko pod powierzchnią. Złoża czarnych łupków znane są z tego, że zawierają dużą ilość materiału organicznego, metali ciężkich i nuklidów promieniotwórczych. Istnieją luki w wiedzy jeśli chodzi o mobilność związków organicznych, metali ciężkich oraz pierwiastków promieniotwórczych podczas stymulacji hydraulicznej. Tak samo w dużym stopniu nie jest znany mikrobiologiczny skład warstw głęboko pod ziemią. Mikroorganizmy mogą być przypadkowo wprowadzone z płynem frackingowym lub też mogą samoistnie znajdować się pod powierzchnią. Mikrooganizmy odporne na wysoką tempereaturę mogą przebywać w porach skalnych i zostać uwolnione przez szczelinowanie hydrauliczne skały. Nie wszystkie z nich da się wyeliminować przez biocydy zawarte w płynie frackingowym.

Luki w wiedzy dotyczące procesów podpowierzchniowych

W przypadku wystąpienia wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i wysokich stężeń soli substancje frackingowe mogą ulec reakcjom chemicznym, które znacznie różnią się od tych znanych nam z płaskiej wody gruntowej. W dodatku podczas procesu frackingu występują zmienne warunki redoks [warunki utlenianiająco/redukcyjne] (spowodowane przez dodanie utleniaczy i reduktorów), tak że substancje geogenne mogą zostać przekształcone w nowe wytwory. Oba te czynniki mogą doprowadzić do powstania pod powierzchnią potencjalnie nowych wytworów trasformacji organicznych, takich jak metale ciężkie. Ich gatunek ma znaczenie kluczowe przy sorpcji, wytrącaniu się oraz uwolnieniu substancji nieorganicznych. Przy tworzeniu modelu zachowania w warunkach, które występują podczas procesu frackingu niewiele wiadomo jest o warunkach ramowych, które ponado zależą od lokalizacji. Dlatego też nie da się jeszcze przewidzieć z całą pewnością czy nastąpi uwolnienie problematycznych substancji, lub nawet czy da się temu zapobiec poprzez optymalizację procesu frackingowego. Podobnie trudno jest przewidzieć działanie drobnoustrojów. Z jednej strony, działanie drobnoustrojów, n.p. mikrobów wytwarzających siarczek może powodować korozję; ale z drugiej strony, drobnoustroje mogą także zredukować ilość chemikalii frackingowych i tym samym pełnić rolę w naturalnym oczyszczaniu.

Wymagania badań naukowych

Wiedza na temat stosowanych środków chemicznych, określenie warunków podpowierzchniowych oraz zbadanie procesów, które tam mają miejsce są ważne z następujących powodów: (a) dla oceny zagrożenia (które substancje zostałyby uwolnione w najgorszym wypadku?), (b) dla optymalizacji procesu frackingowego (jak możemy uniknąć ich uwolnienia?), (c) dla koncepcji efektywnego monitoringu (na jakie substancje należy zwrócić szczególną uwagę?) oraz (d) dla bezpiecznego i opłacalnego uzdatniania wody (które substancje należy wyeliminować?). Sektor chemii wody może tu wnieść potencjalnie ważny wkład. Aby jednak móc zbadać te kwestie, przemysł powinien chętnie dzielić się informacjami na temat środków chemicznych stosowanych przy frackingu oraz umożliwić niezależny dostęp naukowcom do obecnych operacji frackingowych [2]. Przyszłe badania na tym polu są więc nie tylko naukowym wyzwaniem, ale przede wszystkim zależeć będą od wymagań, w obecności których tego rodzaju wkład będzie w ogóle mógł mieć miejsce.

Literatura

1. Waxman, H.A., E.J. Markey, and D. DeGette, Chemicals used in hydraulic fracturing. 2011, United States House of Representatives, Committee on Energy and Commerce. [Chemikalia stosowane w procesie szczelinowania hydraulicznego. 2010, Izba Reprezentatów USA, Komitet d/s Energetyki i Handlu]
2. Jackson, R.E., et al., Groundwater Protection and Unconventional Gas Extraction: The Critical Need for Field-Based Hydrogeological Research. Groundwater, 2013. 51(4): p. 488-510. [Ochrona wód gruntowych a wydobycie gazu niekonwencjonalnego: Krytyczna potrzeba badań hydrogeologicznych w terenie. Woda gruntowa]

Adresy kontaktowe

¹Helmholtz Centre Munich, German Research Centre for Environmental Health, Institute of Groundwater Ecology; Germany [Centrum Helmholtz, Monachium, Instytut Ekologii Wód Gruntowych]

²Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ, Department Isotope Biogeochemistry; Germany [Centrum Helmholtz d/s Badań Środowiskowych – UFZ, Wydział Biogeochemii Izotopów]

³Hamburg University of Technology, Institute of Environmental Technology and Energy Economics; Germany [Uniwersytet Nauk Stosowanych Hamburg-Harburg, Technologia Środowiskowa i Przemysł Energetyczny]

⁴IWW Water Centre, Germany [IWW Centrum Wody]

⁵University of Calgary, Department of Geoscience; Canada [Wydział Nauk Geologicznych, Uniwersytetu w Calgary]

⁶Helmholtz Centre Potsdam, GFZ German Research Centre for Geosciences, Germany [Centrum Helmholtz w Poczdamie, Niemieckie Centrum Badań Geologicznych]