Informacje na temat:
Ile wody zużywa się przy produkcji gazu łupkowego?
Skęd pochodzi woda do produkcji gazu łupkowego?
Jak powinien być zbudowany odwiert aby zapewnić ochronę wód gruntowych?
Płyny szczelinujące: Rodzaje, zastosowanie, ujawnianie składu
Co robi się z wodą odpływową i jak wygląda oczyszczanie?
Jak kontrolować jakość wód gruntowych?
Podstawowe informacje: Ochrona wody
Wody gruntowe stanowią jedno z najbardziej ważnych źródeł życia. Dostęp do wystarcząjacej ilości oraz odpowiedniej jakości wód gruntowych jest najistotniejszy dla zapewnienia zaopatrzenia w wodę pitną, a także dla rolnictwa, procesów przemysłowych i produkcji energii w wielu rejonach swiata. Problemy związane z wodą gruntową przy eksploatacji gazu łupkowego to: 1) potencjalna rywalizacja użytkowników wody na terenach objętych suszą i 2) ryzyko skażenia wód gruntowych przez płyny używane przy szczelinowaniu oraz przez metan. Poniżej omówiono w jaki sposób problemy te mogą się pojawić oraz ryzyko z tym związane, a także sposoby im zapobiegania.
Czym jest woda gruntowa?
Rys. 1: Woda gruntowa znajduje sie w maleńkich porach i szczelinach skalnych.Woda gruntowa zawiera wodę znajdującą się pod powierzchnią ziemi. Woda jest jednym z najważniejszych zasobów naturalnych i jest niezbędna do życia ludzi, zwierząt i roślin. Woda gruntowa znajdująca się płytko pod powierzchnią ziemi i w skałach zalegających dziesiątki lub setki metrów pod powierzchnią ziemi jest zwykłe wodą słodką o małym stężeniu soli i innych minerałów rozpuszczalnych. Woda gruntowa znajdująca się głęboko pod powierzchnią jest zwykłe słona.
Ponad 70 % powierzchni ziemi pokrywa woda. Jednak zdecydowana większość zasobów wody zawiera sól a jedynie 2.5 % globalnych zasobów wodnych stanowi woda słodka. Wśród rezerw słodkowodnych, blisko 70 % jest zmagazynowane w postaci śniegu i lodu, w przybliżeniu 30 % stanowią podziemne zasoby wody słodkiej a mniej niż 0.5 % to wody powierzchniowe znajdujące się w rzekach, jeziorach i na obszarach podmokłych. Większość zasobów wód gruntowych zostało nagromadzonych przez wieki, a nawet tysiąclecia. Dostępność wód gruntowych jest zróżnicowana zależnie od regionu. Warunki klimatyczne determinują odnawianie się zasobów wód gruntowych. Objętość nagromadzonej wody uzależniona jest od charakterystyki skał pod powierzchną rezerwuaru.
Największym konsumentem wody na świecie (70 %) jest rolnictwo, a następnie przemysł (20 %) oraz gospodarstwa domowe. Największym konsumentem wody w Europie jest przemysł (ok. 50 %), dalej w kolejności plasują się rolnictwo (30 %) i gospodarstwa domowe (20 %). Największym konsumentem wody w Europie jest przemysł (ok. 50 %), dalej w kolejności plasują się rolnictwo (30 %) i gospodarstwa domowe (20 %) (UNESCO 2012, WWDR4). Zapotrzebowanie na czystą wodę ciągle rośnie wraz że wzrostem liczby ludności. W wielu rejonach większość wody pitnej pochodzi z wód gruntowych – do 80 procent w Europie, a w Afryce Północnej i na Bliskim Wschodzie procent ten jest jeszcze wyższy. W dziedzinie gospodarki wodnej zapewnienie zaopatrzenia w wodę na potrzeby ludzi oraz ekosystemow jest sprawą nadrzędną.
Energia i woda są ściśle ze sobą powiązane. Mimo, że istnieją różne źródła energii i elektryczności, we wszystkich przypadkach woda jest niezbędnym składnikiem w procesie produkcyjnym, włączając wydobycie surowców, chłodzenie w procesach termicznych, czyszczenie materiałów, uprawy z przeznaczeniem na biopaliwa oraz napędzanie turbin. Odwrotny mechanizm również ma zastosowanie – energia jest konieczna aby udostępnić zasoby wodne na potrzeby wykorzystania i konsumpcji przez człowieka, w procesach takich jak pompowanie, transport, obróbka, odsalanie i irygacja. Ta dwustronna współzależność zasobów nazywana jest związkiem wodno-energetycznym [ang. water-energy nexus] i odwołuje się do kluczowych obszarów podatności w powiązaniach międzysektorowych (UNESCO 2012, WWDR4).
Więcej informacji na temat wody gruntowej można znaleźć na stronie UK Groundwater Forum (Forum wód gruntowych).
Ile wody zużywa się przy produkcji gazu łupkowego?
Wiercenie i szczelinowanie typowego poziomego odwiertu gazu łupkowego wymaga średnio od 10 do 30 m litrów wody (od 10.000 m3 do 30.000 m3). Co oznacza ta liczba? 20.000 m3 wody to równoznacznik ośmiokrotnej objętości olimpijskiego basenu pływackiego (25 x 50 x 2 m). Wymagane zużycie wody zależy od długości odwiertu, liczby operacji szczelinujących przypadających na odwiert oraz właściwości formacji skalnej, w której prowadzone są prace. Pewna ilość wody potrzebna jest przy pracach wiertniczych, ale najwięcej wody przy eksploatacji gazu łupkowego zużywa się w trakcie szczelinowania hydraulicznego. Mimo, że ilość wody zużywanej przy produkcji gazu łupkowego nie jest sprawą trywialną, stanowi ona tylko niewielki procent ogólnej ilości wody zużywanej przez inne sektory. Dane z 4 głównych złóż łupkowych wykazują, że zużycie wody przy eksploatacji gazu łupkowego stanowi tylko niewielką część ogólnego zużycia wody.
Tab. 1 Zużycie wody przez poszczególne sektory na 4 głównych terenach USA gdzie występuje gaz łupkowy (ALL Consulting, 2009). Liczby zostały podane procentowo.
| Złoże gazu | Zaopatrzenie ludnosci w wodę | Przemysł i góornictwo | Produkcja energii | Nawadnianie | Hodowla zwierzat | Gaz łupkowy |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Barnett | 82.70 | 4.50 | 3.70 | 6.30 | 2.30 | 0.40 |
| Fayetteville | 2.30 | 1.10 | 33.30 | 62.90 | 0.30 | 0.10 |
| Haynesville | 45.90 | 27.20 | 13.50 | 8.50 | 4.00 | 0.80 |
| Marcellus | 11.97 | 16.13 | 71.70 | 0.12 | 0.01 | 0.06 |
Alternatywną metodą porównania zużycia wody jest porównanie różnych typów energii pod względem wodochłonności jej pozyskania, porównując ilość wody zużytej na każdą jednostkę wyprodukowanej energii (Mielke et al., 2010). Wynika z tego, że zużycie wody jest wyższe przy produkcji gazu łupkowego niż przy produkcji gazu naturalnego (Rys. 1), ale też niższe niż w przypadku innych paliw kopalnych, takich jak węgiel czy ropa naftowa, oraz znacznie niższe niż w przypadku paliw biologicznych (Rys. 2, zwróć uwagę na logarytmiczną skalę osi x).
Rys .1: Spożycie wody podczas wydobycia gazu naturalnego i transportu (Mielke et al., 2010)
Rys. 2: Spożycie wody podczas wydobycia i przetwarzania paliw (Mielke et al., 2010).Skęd pochodzi woda do produkcji gazu łupkowego?
Woda używana w odwiertach i szczelinowaniu hydraulicznym może pochodzić prosto z ziemi lub z powierzchniowych systemów wodnych. Innymi źródłami mogą być: system wodociągów miejskich, woda odzyskana z miejskiego zakładu oczyszczania wody lub z przemysłu (n.p. woda do chłodzenia elektrowni), jak również z recyklingu płuczki, wody powracającej na powierzchnię po zabiegu szczelinowania.
Pobieranie dużej ilości wody ze źródeł powierzchniowych lub z wód gruntowych może mieć poważne skutki ekologiczne, jeśli nie odbywa się to w sposób ostrożny, lub może mieć wpływ na źródła wody pitnej znajdujące się w pobliżu albo inne cele użytkowe. To potencjalnie zwiększa możliwość konfliktu pomiędzy użytkownikami wody odnośnie celu jej zastosowania. Operatorzy powinni blisko współpracować z lokalnymi i regionalnymi władzami odpowiedzialnymi za gospodarkę wodną aby być świadomym potrzeb, niekiedy ze sobą konkurujących, oraz ograniczeń dostępu do wody.
Jak powinien być zbudowany odwiert aby zapewnić ochronę wód gruntowych?
Orurowanie (rury stalowe) jest ważnym elementem wykończeniowym szybu, jeśli chodzi o ochronę wód gruntowych, ponieważ zapewnia ono izolację wód gruntowych od wnętrza odwiertu. Ukończony sodwiert ma budowę teleskopową, z obudową o mniejszej średnicy zainstalowaną i przycementowaną wewnątrz sekcji sodwiertu na płytszym poziomie, który ma średnicę większą.
W obudowie o większej średnicy, prowadnik szybowy jest skonstruowany tak, by stanowić podporę zarówno wyposażenia głowicy szybu, jak i zestawu zaworów, które blokuja wypływ płynów pod wysokim ciśnieniem z szybu (głowica przeciwerupcyjna, BOP). Zwykle doprowadzone jest orurowanie powierzchniowe, które cementuje się w celu ochrony formacji wodonośnej w pobliżu szybu.
Jeśli jest potrzeba, dodatkowo instalowane są inne pośrednie sekcje, głównie po to, aby nie dopuścić żeby płyny pod wysokim ciśnieniem, które pojawiają się w miarę jak szyb jest wiercony głębiej, nie rozsadziły słabszych skał zalegających na płytszym poziomie. Na końcu przeprowadza się ciąg rur produkcyjnych do formacji docelowej. Niektóre sekcje rury stalowej nie dochodzą do powierzchni, lecz są zawieszone wewnątrz poprzedniej obudowy.
Używa się do tego celu zwykłej stali węglowej, a jej grubość zależy od oceny wysokości wymaganego ciśnienia (zwykłe w granicach 7-20 mm). Istnieją różne gatunki stali, o rosnącym stopniu wytrzymałości, a w przypadku środowiska korozyjnego można zastosować alternatywne metalurgie (n.p. stal nierdzewna o wysokiej zawartości chromu).
Gatunki cementu są jeszcze bardziej zróżnicowane: podstawowym materiałem jest nadal cement portlandzki, podobny do tego, który jest używany w przemyśle budowlanym, ale miesza się go z wieloma innymi materiałami w celu otrzymania zaczynów o mniejszej gęstości niż woda, lub o gęstości dwa i pół raza wyższej niż woda, zależnie od ciśnienia płynów panującego w formacji skalnej oraz zależnie od wytrzymałości skały.
Płyny szczelinujące: Rodzaje, zastosowanie, ujawnianie składu
Płyny używane w procesie szczelinowania hydraulicznego nazywane są płynami szczelinującymi lub frackingowymi (ang. fracking fluids lub fracturing fluids). Są one wstrzykiwane do otworu wiertniczego pod wysokim ciśnieniem w celu utworzenia szczelin lub pęknięć w gazonośnej skale macierzystej. Po zakończeniu operacji szczelinowania płyn szczelinujący musi być usunięty z odwiertu aby umożliwić wydobycie gazu naturalnego.
Płyn jest usuwany przez obniżenie ciśnienia w odwiercie po powstaniu szczelin hydraulicznych. Podczas tej fazy, t.zw. flowback, część płynu powraca na powierzchnię, gdzie jest on zbierany, uzdatniany do ponownego użytku albo odprowadzany jako odpad przemysłowy. Ostatecznie, tylko niewielka część płynu szczelinującego powraca na powierzchnię, podczas gdy znaczna część objętości płynu pierwotnie stosowanego pozostaje pod ziemią.
Płyn szczelinujący = Płyn podstawowy + dodatki + proppant
Podczas operacji szczelinowania hydraulicznego są zwykle stosowane płyny szczelinujące na bazie wody typu "slickwater", które zawierają proppantsy (podsadzka hydrauliczna) oraz dodatki chemiczne. Termin "slickwater" oznacza, że lepkość wody jest niższa niż normalnie, co ma na celu obniżenie strat spowodowanych tarciem wewnątrz rury w trakcie wstrzykiwania płynu. Efekt ten osiąga się poprzez dodanie do płynu reduktora tarcia.
Płyny szczelinujące typu "slickwater" zwykle zawierają 98-99% objętości wody, oraz 1-1,9% proppantu i zwykle poniżej 1% różnych dodatków chemicznych (King, 2012). Proppantsy - to małe ziarenka piasku lub ziarenka ceramiczne, które "osiadają" w utworzonych szczelinach. Kiedy na końcu operacji szczelinowania ciśnienie w otworze spada, proppantsy zapobiegają zamykaniu się tych maleńkich szczelin, zapewniając w ten sposób zwiększony przepływ gazu ze złoża do odwiertu. Różne dodatki chemiczne ułatwiają operację szczelinowania hydraulicznego. Operacje szczelinowania w pojedynczym odwiercie wymagają zastosowania od 10.000 do 25.000 m3 wody (Broomfield, 2012).
Dodatki chemiczne: rodzaj i objętość
Liczba i objętość dodatków chemicznych stosowanych w danym rejonie poszukiwań w złożu łupków może być zróżnicowana. Zależą one od charakterystyki konkretnego złoża oraz od jego głębokości. Z tej przyczyny istnieje duża różnorodność dodatków do płynów szczelinujących.
Przegląd zwykle stosowanych rodzajów dodatków, ich cel oraz niektóre przykłady przedstawione są w tabeli 1.
| Rodzaj dodatku | Cel zastosowania | Przykłady |
|---|---|---|
| Biocydy | Przeciwdziałają wzrostowi bakterii i innych organizmów żywych | Terpeny (węglowodory terpenowe), Izotiazolinony (np. 1,2-benzoizothiazol-3 lub 2-methyl-4-isothiazolin-3-one) |
| Bufory | Kontrolują poziom pH | Kwasy i zasady nieorganiczne (n.p. kwas fluorowodorowy, dwusiarczan amonowy) |
| Reduktor lepkości | Środki ułatwiające odzyskiwanie płynu | Siarczany, nadtlenki (n.p. nadsiarczan amonu, nadtlenek wapnia) |
| Inhibitory korozji | Ochrania rury okładzinowe i sprzęt | Kwasy, alkohole, siarczyny (n.p. 2- butoksyetanol) |
| Środki sieciujące | Wspomagają tworzenie się żeli, zwiększają lepkość w celu wgłębnego wprowadzania piasku do odwiertu. | Borany, metale przejściowe w połączeniu z czynnikami kompleksującymi (n.p. tlenek, siarczan cyrkonu) |
| Reduktor tarcia | Powoduje przepływ laminarny zamiast przepływu turbulentnego | Polyakrylamidy, Destylaty naftowe, n.p. węglowodory aromatyczne (benzen, toluen) |
| Środki żelujące | Wspomagają tworzenie się żelu, zwiększają lepkość w celu wgłębnego wprowadzania piasku do odwiertu, idealny nośnik propantu | Guma guar, celuloza hydroksyetylowa, Polimer |
| Inhibitory osadów kamienia | Zapobiegają wytrącaniu się osadów mineralnych, które mogą gromadzić się na wewnętrznych ścianach orurowania lub uzbrojeniu odwiertu | Kwasy, fosfonaty (n.p.kwas dodecylobenzenosulfonowy, fosfonat wapniowy) |
| Reduktory napięcia powierzchniowego | Emulsyfikacja i tolerancja na zasolenie | Aminy, etery glikolowe, (nonylowe-) etoksylaty fenolu |
W poszczególnych odwiertach stosuje się zwykle tylko niewielką liczbę wybranych dodatków. Rys. 1 ilustuje ogólny przykład potencjalnego zastosowania dodatków oraz ich ilość. Konkretny skład płynów może jednak być znacznie zróżnicowany, zobacz Rys. 2.
Rys.1: Uogólniony przykład składu płynu stosowanego przy szczelinowaniu w złożu łupków. Dodatki, takie jak reduktory tarcia czy biocydy, są stosowane często; inne dodatki pokazane tutaj są stosowane rzadziej, zależnie od charakterystyki złoża (King, 2012). Źródło ilustracji: Shale gas extraction in the UK: a review of hydraulic fracturing (2012).
Rys.2: Skład płynu stosowanego przy szczelinowaniu w złożu łupków. Po lewej: ExxonMobil - Niemcy; płyn stosowany w roku 2008 ("Damme 3"). Po prawej: Cuadrilla, Zjednoczone Królestwo, płyn stosowany w roku 2011.
Co robi się z wodą odpływową i jak wygląda oczyszczanie?
Ścieki powstałe w trakcie produkcji gazu łupkowego dzielą się na dwie kategorie: płyn, który odzyskuje się z szybu krótko po szczelinowaniu wodnym (w ciagu 30 dni), i który nosi nazwę tzw. wypływu (ang. flow-back). W czasie pracy szybu powstające wody wypływają na powierzchnię wraz z gazem naturalnym. Podczas gdy powstająca woda wypływa w niewielkich ilościach na powierzchnię przez cały czas eksploatacji szybu, duże ilości wody wypływowej (flow-back) zawierające złożone mieszanki składników, które pojawiają się z szybu przez krótszy okres czasu, stanowią szczególne wyzwanie.
Woda wypływowa musi być poddana oczyszczeniu przed ponownym użyciem albo przed jej usunięciem (jeśli nie jest wstrzykiwana do specjalnych studni ściekowych). Oczyszczenie może polegać na zwykłym odparowaniu w celu zmniejszenia objętości ścieków, filtrowaniu albo chemicznemu wytrącaniu substancji. Rozcieńczanie oznacza mieszanie wody wypływowej z czystą w celu uzdatnienia jej do użytku przy przyszłych operacjach szczelinowania hydraulicznego. Jeśli są do dyspozycji, głębokie studnie ściekowe mogą być one stosowane do wydalenia ściekow w fazie końcowej. Technologie oczyszczania, ponownego użytku, transportu i odprowadzania wody ściekowej ciągle ewoluują.
Nie wszystkie technologie nadają się do użytku w każdym złożu gazu łupkowego. Tu można przeczytać dobry artykuł przeglądowy Current and Emerging Treatment and Disposal Technologies (Istniejące i powstające technologie oczyszczania i usuwania ścieków) w amerykanskim zlożu gazu łupkowego Marcellus, z uwzględnieniem objętości i składu chemicznego powstałej wody ściekowej wraz z dyskusją nad opcjami dotyczącymi oczyszczania wody powracającej na powierzchnię po zabiegu szczelinowania oraz gospodarki wodnej. Więcej informacji na temat gospodarki wodnej przy eksploatacji gazu łupkowego oraz opcjach oczyszczania powracającej wody po zabiegu szczelinowania można znaleźć na witrynie SHIP tutaj.
Jak kontrolować jakość wód gruntowych?
Kontrola jakości wód gruntowych w złożach gazu łupkowego jest prosta i podobna do kontroli wód gruntowych w innych środowiskach. Kontrola jakości wód gruntowych powinna być oparta na zrozumieniu przepływu wód gruntowych, a także powinna określić istotne parametry wody, które mają podlegać ocenie, oraz częstotliwość pomiarów i poboru próbek. Należy też wziąć pod uwagę wszystkie czynniki, które mogą doprowadzić do skażenia.
Pomiary i pobór próbek wody mogą być przeprowadzane w już istniejących szybach lub też w szybach wierconych specjalnie w celu monitoringu. Naturalne źródła wody oraz rzeki też mogą podlegać monitoringowi. Najważniejszym elementem w interpretacji wyników analitycznych wód gruntowych są pomiary podstawowe, które muszą być przeprowadzone przed rozpoczęciem operacji. Pomoże to oddzielić możliwe oddziaływanie prac nad eksploatacja gazu łupkowego na jakość wód gruntowych od innych czynników. Na przyklad, zwiększona zawartość gazu naturalnego w wodach gruntowych może być spowodowana operacjami związanymi z gazem łupkowym, ale w niektórych regionach gaz jest obecny w wodach gruntowych w znacznych ilościach w sposób naturalny.
SHIP jest wdzięczny za poparcie udzielone przez Instytut Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk (ING PAN) i wersje polskie zamieszczonych tekstów.
