Znaczenie eksploracji gazu łupkowego w Europie

Autorzy: M. Mitschanek, M. Prohaska, G. Thonhauser

Wspólautorzy: E. Müller-Huber, J. Schön

University of Leoben, Austria

Data publikacji: 20 luty 2014 r.

Rozwój w dziedzinie gazu łupkowego w Stanach Zjednoczonych pokazuje, że tylko po rozważeniu pewnej liczby czynników wydobycie gazu i/lub surowców płynnych ze zbiorników niekonwencjonalnych może okazać się opłacalne. Z tego powodu, a także z powodu sytuacji geopolitycznej oraz strategii energetycznej Europy, oraz w celu dokonania konkretnej oceny różnych scenariuszy rozwojowych wymagana jest bardziej dokładna charakteryzacja złóż gazu/surowców płynnych.

W celu lepszego zrozumienia rezerw gazu łupkowego w Europie bedą potrzebne konkretne kampanie poszukiwawcze, które powinny odpowiedzieć na trzy główne pytania:

Jaki jest rozmiar potencjalnych złóż gazu łupkowego?
Jakiego typu substancji płynnych można oczekiwać?
Jaka będzie zdolność wydobywcza płynów?

Kierownik działu Wierceń i Budowy Odwiertów [ang. Drilling and Completion Engineering] na Uniwersytecie w Leoben w Austrii, we współpracy z partnerami przemysłowymi, pracuje obecnie nad rozwiązaniem tych problemów poprzez opracowanie unikalnych technologii wiertniczych i poszukiwawczych przyjaznych dla środowiska.

Aby ocenić potencjał zasobów dla dalszego rozwoju przyszłe odwierty poszukiwawcze będą musiały być wykonane w punktach strategicznych. Jedynym celem takich odwiertów będzie dokonanie oceny formacji oraz uzysknie informacji o nich przy zastosowaniu najnowocześniejszych technologii rdzeniowania i profilowania.

Niniejszy artykuł ma na celu dokładny opis metod i technologii wymaganych w fazie eksploracji aby dokonać oceny potencjału gazu łupkowego w Europie w sposób strukturalny, efektywny i przyjazny dla środowiska.

Dlaczego potrzebne są odwierty badawcze?

Jak zauważa studium przygotowane przez Centrum Reformy Europejskiej [ang. Centre for European Reform], istnieje 50 ocen szacunkowych pochodzących z różnych źródeł literatury naukowej. Dane szacunkowe w stosunku do zasobów gazu łupkowego w UE mówią o przedziale około 10% do 35% znajdującego się tu gazu¹ i o objętości wahającej się od 17,6. do 2,3 trylionów m³.² Wykazuje to zróżnicowanie o cały rząd wielkości.

Wnioski, które można z tego wyciągnąć świadczą o tym, że potencjał może być znaczny i dla Europy jest zdecydowanie pokaźny, ale liczby wykazują także niepewność w odniesieniu do danych szacunkowych. Niepewność ta jest przede wszystkim spowodowana właściwą dla skał łupkowych różnorodnością charakterystyki, która w znaczny sposób zmienia się od odwiertu do odwiertu. Dlatego też wyniki wydobywcze - jak wykazuja również doświadczenia w USA - mogą znacznie różnić sie od odwiertu do odwiertu. Po drugie, ten wysoki stopień niepewności można przypisać niewystarczającej częstotliwości rozmieszczenia powierzchniowego odwiertów badawczych, t.j. tylko jednego odwiertu na 800 km².³

Liczne właściwości, które zwykle ocenia się w przypadku gazu łupkowego wykazują ogromne zróżnicowanie i to także ma wpływ na wyniki wydobywcze. Z tego powodu do uzyskania jak najlepszej charakteryzacji zasobów w Europie wymagane jest podejście naukowe oraz zdyscyplinowane.

Technologia to klucz

Jak już wskazano powyżej, jako część eksploracji zasobów niekonwencjonalnych, powinny zostać zdefiniowane określone parametry.
Pierwszym takim paramentrem jest geometryczna/objętościowa wielkość warstw łupków. Mogą być tu wykorzystane dwa główne źródła informacji: logi [rejestry wiertnicze] istniejących/konwencjonalnych odwiertów ropy i gazu oraz pomiary sejsmiczne dokonane w związku z badaniami geologicznymi.

Logi dostarczają stałej dokumentacji całego profilu pod względem właściwości fizycznych, a także mają tę zaletę, że umożliwiają korelację warstw łupków z ich dokładną głębokością oraz dokładne zdefiniowanie ich grubości, jak również pozwalają na określenie korelacji od odwiertu do odwiertu, co widać na Rysunku 1. Wadą jest natomiast to, że logi nie dostarczają informacji dotyczących parametrów pomiędzy odwiertami. Ten ostatni problem może zostać rozwiązany poprzez pomiary sejsmiczne na powierzchni, które wykazują kontynuację i geologiczną złożoność na dużej odległości lub obszarze przy użyciu pomiarów sejsmicznych odpowiednio 2D lub 3D [dwu i trójwymiarowych]. Wykorzystanie już istniejących informacji nie jest wystarczające dla uzyskania miarodajnej oceny szacunkowej, co również stwierdzone zostało powyżej.

Rysunek 1: Log korelacji odwiertów badawczych i przekrój właściwości petrofizycznych. Tor 1: objętość iłów; Tor 2: Mineralogia; Tor 3: Wskaźnik opłacalności, flaga ostrzegawcza (oznaczony kolorem czerwonym) oraz wskaźnik jakości zbiornika (oznaczony paskami); Tor 4: Nasycenie wodą; Tor 5: Porowatość całkowita (czarna linia), porowatość efektywna i porowatość przesycona gazem (oznaczona na czerwono).4

Następnym krokiem będzie oszacowanie ilości obecnego gazu oraz jego potencjału wydobywczego w tych formacjach. W tym celu należy wywiercić i sprofilować odwierty i/lub w dalszej kolejności przeprowadzić rdzeniowanie. Akcja profilowania oznacza wpuszczenie w dół odwiertu przyrządu wyposażonego w specjalne czujniki i urządzenia pomiarowe dla uzyskania informacji na temat właściwosci skały wokół odwiertu – logi stanowią pośredni rodzaj informacji i muszą zostać przełożone na właściwości zbiornika. Zaawansowana interpretacja wykorzystuje dane dostarczone przez profilowanie i rdzeniowanie.

W celu lepszej charakteryzacji właściwości mechanicznych skały oraz zachowania się przepływającego płynu, która dostarcza informacji o znaczeniu krytycznym dla budowy odwiertu i rozwoju prac, konieczne jest uzyskanie z dna odwiertu próbek skalnych, tak zwanych rdzeniówek.

Profilowanie linowe

Profilowanie odwiertów naftowych i gazowych było standardową procedurą w przemyśle naftowym i gazowym od początku jego istnienia. Jednakże logi dotyczące skał łupkowych koncentrowały się bardziej na stabilności otworu wiertniczego niż na potencjale wydobywczym. Z powodu rozwoju wydobycia tego rodzaju zasobów niekonwencjonalnych używane w tej dziedzinie narzędzia musiały zostać dostosowane tak, aby dokładnie odpowiadały właściwościom łupków. Niektóre trudności we właściwej charakteryzacji zostały przedstawione poniżej:

Konwencjonalne zbiorniki często posiadają mniej złożoną kompozycję i strukturę składników skalnych, jak również dobrze przewidywalne właściwości. Dla kontrastu warstwy łupków są systemami wielokomponentowymi i wykazują duże zróżnicowanie składu i struktury wewnątrz skały.⁵ Rysunek 2 przedstawia typowy system skały łupkowej. W konwencjonalnych zbiornikach z piaskowca są obecne zwykle tylko nieorganiczna skała macierzysta i nieorganiczne pory wypełnione solanką, węglowodorami lub innym podobnym gazem, jak na przykład CO₂.

Rysunek 2: Petrofizyczny model skały łupkowej. 6

Skały łupkowe natomiast posiadają organiczną skałę macierzystą, a także organiczne pory. Obecne trudności dotyczą poprawnego oszacowania składników nieorganicznej skały macierzystej, a szczególnie składu minerałów ilastych, a także oszacowania wielkości organicznej skały macierzystej i oszacowania porowatości, które to czynniki znacznie przyczyniają się do ogólnej ilości obecnego gazu.

Ze względu na obecność dodatkowych składników oraz w celu wydobycia gazu konieczne jest określenie dodatkowych parametrów takich jak: zawartość iłów, calkowita ilość węgla organicznego i wskaźnik kruchości. Wnioski o pozostałych parametrach można w przybliżeniu wyciągnąć opierając się na profilach formacji łupków. Najdokładniejszą metodą określenia tych parametrów i innych kluczowych właściwości, takich jak współczynnik odbicia witrynitu, który daje wskazówki co do wieku skał, jest dokonanie pomiarów przy samym rdzeniu. W Europie w istniejących już odwiertach ropy i gazu, jako część obowiązującej procedury, nie dokonywano pomiarów tych wszystkich parametrów; i to jest przyczyną dlaczego same tylko profile wiertnicze nie mogą być używane do określenia prawdziwego potencjału węglowodorowego.

Jednakże, nawet przy zastosowaniu najnowocześniejszej technologii profilowania pozostają nadal pewne trudności. Dlatego wymagane jest przeniesienie próbek skał na powierzchnię w celu dalszego ich przetestowania.

Rdzeniowanie

Rdzeniowanie otworu wiertniczego wymaga specjalnego sprzętu umieszczonego na dnie rury wiertniczej. Po pierwsze, potrzebny jest aparat do pobierania próbek, który może przeciąć skałę w obwodzie rury, i który ma w środku okrągły otwór, jak widać na Rysunku 3. Po drugie, w celu wydobycia rdzeniówki z odwiertu na dnie odwiertu używa się przyrządu połączonego bezpośrednio z aparatem, zobacz Rysunek 4.

Rysunek 3: Wiertło do pobierania rdzeniówki. 7

Rysunek 4: Typowa próbka rdzenia łupkowego. 8

Dawne konwencjonalne metody rdzeniowania wymagały zwykle spuszczenia liny świdra do otworu, wiercenia rdzenia i wyciągnięcia całej liny z powrotem. Było to czasochłonne. Dzisiaj w celu uzyskania lepszej efekywności stosuje się rdzeniowanie linowe. Zamiast wyciągania rury wiertniczej z otworu kabel o nazwie "wireline" opuszczany jest do otworu i ten wyciąga na powierzchnię tylko beczułkę rdzeniową.

Jednym z wymagań fazy eksploracji jest znalezienie t.zw. "sweet spots" [pol. dosłownie "słodkie miejsca", najlepiej rokujące pod względem opłacalności], to jest miejsca w warstwach łupków, które mają charakterystykę krytyczną jeśli chodzi o wysoki potencjał wydobywczy. Jedną z obserwacji, według studium BGR, było to, że grubości formacji skalnych w Niemczech są rzędu dziesiątek do setek metrów9. W celu opracowania udanej charakterystyki i aby zidentyfikować strefy o wysokim potencjale, powinny zostać poddane rdzeniowaniu całe sekcje.

Ponadto, krytycznym elementem jest aby próbki skał były reprezentatywne dla warunków na dnie otworu wiertniczego. Opóźnienie w czasie, sposób w jaki traktowana jest rdzeniówka oraz jej przetransportowywanie pomiędzy procesem wiercenia rdzenia a jego oceną mogą spowodować wysuszenie, zmiany w nasyceniu płynem, otwarcie szczelin, ruchomość iłów, czy zmiany innych ważnych właściwości, co będzie miało wpływ na jakość rdzeniówki oraz wyniki jej analizy. Aby tego unikąć zaleca się przeprowadzenie oceny na miejscu natychmiast po wydobyciu rdzeniówki z odwiertu.

Charakterystyka odwiertu poszukiwawczego oraz wymagania wiertni

Rdzeniowanie i profilowanie linowe są technologiami stosowanymi w celu gromadzenia informacji wewnątrz i wokól otworu wiertniczego. Ponieważ poprzeczna niejednorodność charakterystyki skał łupkowych jest raczej duża, w celu uzyskania jak najlepszej charakterystyki skał oraz jak najlepszej oceny szacunkowej zasobów technicznie nadających się do wydobycia należy wykonać wiele odwiertów badawczych według określonego wzorca.

W praktyce jednak częstotliwość rozmieszczenia odwiertów badawczych jest raczej niska. Doniesienia z USA mówią o częstotliwości jednego odwiertu na 400 km².¹⁰ Dla Europy liczby te są jeszcze niższe, o czym wspomniano w niniejszym artykule wcześniej. W celu ograniczenia oddziaływania na środowisko wiercenia małośrednicowe i mikrośrednicowe stanowią cenną alternatywę. Odwierty o małej średnicy w porównaniu do odwiertów o standardowej średnicy wymagają tylko niewielkich ilości płynu wiertniczego (około 1:10). Tak ilość sprzętu, jak i wymagania wiertni, mogą zostać znacznie zmniejszone, co tym samym zmniejszy zapotrzebowanie na energię (około 1:4) oraz ślad powierzchniowy operacji (około 1:4).¹¹ Takie podejście prowadzi do wysokiej efektywności pozwalającej na zrekompensowanie kosztów intensywnego programu eksploracji.

Przy wykorzystaniu najnowszej technologii odwierty badawcze będą miały następującą charakterystykę:

Odwierty będą rozmieszczone na dużych obszarach z małą częstotliwością
Będą stosowane tylko odwierty pionowe
Nie będzie wymagane szczelinowanie hydrauliczne
W celu utrzymania małego śladu środowiskowego odwierty będą miały małą średnicę
Będą one opłacalne w intensywnym programie eksploracji.

Konkluzja

W celu zdefiniowania potencjału gazu łupkowego Europy wymagana jest dokładna wiedza o skałach. Mimo, iż w większości zagłębi w Europie istnieją już odwierty, profilowanie i rdzeniowanie, ich zastosowanie przy dokładnej ocenie szacunkowej ich właściwości jest ograniczone. Istnieje niewielki dostęp do informacji. Aby uzyskać bardziej dokładne informacje na temat dna odwiertu konieczne jest przeprowadzenie wierceń badawczych. Niezbędne jest wykorzystanie technologii przyjaznej dla środowiska oraz wysoce efektywnej, która pozwoli na zbieranie na dużą skalę odpowiednich informacji badawczych potrzebnych do oceny ilościowej potencjału zasobów niekonwencjonalnych Europy.

Proponowane odwierty badawcze będą inne niż amerykańskie odwierty stosowane w rozwoju prac nad gazem łupkowym do tego stopnia, że aby ocenić potencjał zasobów nie będą wymagane wiercenia poziome i nie będzie potrzeby na wysoce intensywne szczelinowanie hydrauliczne. Aby utrzymać minimalny poziom oddziaływania na środowisko będą przeprowadzane wiercenia małośrednicowe w celu przeprowadzenia szybkich i efektywnych odwiertów badawczych.

W celu uzyskania jak najdokładniejszych informacji do zdefiniowania prawdziwego potencjału zasobów łupków w Europie zostaną zastosowane najnowsze technologie profilowania linowego i ustawicznego rdzeniowania, włącznie z technologią oceny rdzeniówki na miejscu w rzeczywistym czasie.

¹ Web page "SHIP" last visited: 15.01.2014

² David Buchan, „Can shale gas transform Europe’s energy landscape?“, ("Czy gaz łupkowy może dokonać transformacji krajobrazu energetycznego Europy?") (Weblink) Centre for European Reform, July 2013

³ The European Resource Center for Shale Gas, Tight Gas and Coal Bed Methane. Web page last visited: 15.01.2014

⁴ Ejofodomi, E., et al., “Integrating All Available Data to Improve Production in the Marcellus Shale”, SPE 144321, ("Integracja wszystkich dostępnych danych w celu poprawy wydobycia w Złożu Marcellus"), SPE North American Unconventional Gas Conference and Exhibition held in The Woodlands, Texas, USA, 14–16 June 2011

⁵⁺⁶ Bust, V. K., et al., „The Petrophysics of Shale Gas Reservoirs: Technical Challenges and Pragmatic Solutions“, ("Petrofizyka zbiorników gazu łupkowego: Wyzwania technologiczne a pragmatyczne rozwiązania") IPTC 14631, International Petroleum Technology Conference held in Bangkok, Thailand, 7–9 February 2012

⁷ Roger, K.L., et al., “Harnessing Multiple Learning Styles for Training Diverse Field Personnel in Conventional Coring Operations”, ("Wykorzystanie odmiennych sposobów pozyskiwania wiedzy do szkolenia personelu w różnych dziedzinach dla konwencjonalnych operacji rdzeniowania"), IPTC 16654, International Petroleum Conference, Beijing, China, 26-28 March 2013

⁸ Colorado School of Mines. Web page last visited: 15.01.2014

⁹ Andruleit, H., et al., „Abschätzung des Erdgaspotentials aus dichten Tonen (Schiefergas) in Deutschland”, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, Mai 2012

¹⁰ Ejofodomi, E., et al., “Integrating All Available Data to Improve Production in the Marcellus Shale”, ("Integracja wszystkich dostępnych danych w celu poprawy wydobycia w Złożu Marcellus"), SPE 144321, SPE North American Unconventional Gas Conference and Exhibition held in The Woodlands, Texas, USA, 14–16 June 2011

¹¹ TDE Group. Web page last visited: 15.01.2014

SHIP jest wdzięczny za poparcie udzielone przez Instytut Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk (ING PAN) i wersje polskie zamieszczonych tekstów.