175
KATARZYNA ZARĘBSKA
*
, PAWEŁ BARAN
*
Gaz łupkowy - niekonwencjonalne źródło energii
Słowa kluczowe
metan – gaz łupkowy
Streszczenie
Wzrastające zapotrzebowanie zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego Europy i świata oraz gwał-
towny rozwój technologii wydobycia spowodował wzrost zainteresowania niekonwencjonalnymi złożami
gazu. Obecnie szczególnie intensywnie prowadzone są prace dotyczące wydobycia gazu łupkowego, którego
zasoby skutecznie regulują sytuację energetyczną w Stanach Zjednoczonych. W oparciu o dane geologiczne
oraz analizę potencjału gazowego szacuje się, iż na terenie Polski zlokalizowane są znaczące złoża tego
surowca. Technologia udostępniania złóż niekonwencjonalnych wymaga jednak doskonałego rozpoznania
geologicznego, geochemicznego, jak i ekologicznego. Równie istotny jest czynnik ekonomiczny, który zależy
zarówno od całkowitych zasobów gazu, wydajności wydobycia oraz kosztów eksploatacyjnych. Dlatego
koniecznym elementem strategii pozyskiwania gazu z łupków jest dokładne określenie warunków złożowych,
technologicznych i przepisów prawa, w celu minimalizacji ryzyka inwestycji oraz zapewnienia ochrony
energetycznej państwa i inwestorów.
1. Wprowadzenie
Złoża gazu ziemnego według ogólnego kryterium można podzielić na gaz znajdujący się
w złożach konwencjonalnych i niekonwencjonalnych. Gaz ziemny powstawał na przestrzeni
milionów lat, unosząc się stopniowo ku powierzchni do momentu napotkania pułapki, zazwyczaj
w postaci porowatych skał, izolowanych dodatkowo warstwą skał nieprzepuszczalnych. Pułapki te
stanowią rezerwuary, z których przy pomocy wierceń wydobywany jest gaz konwencjonalny. Gaz
niekonwencjonalny z punktu widzenia ekonomicznego jest trudniejszy i mniej opłacalny
w eksploatacji, ze względu na fakt iż znajduje się w skałach macierzystych o bardzo niskiej
przepuszczalności, w których powstał. W Polsce określany jest powszechnie terminem gaz
łupkowy (ang. shale gas), ale wyróżnia się także więcej rodzajów złóż niekonwencjonalnych [5].
Poza gazem łupkowym występuje gaz zamknięty (ang. tight gas), pochodzący z pokładów węgla
*
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw
e-mail: zarebska@agh.edu.pl
Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne źródło energii
176
(ang. coalbed methane), gaz głębinowy (ang. deep gas) oraz hydraty gazowe. Różni je przede
wszystkim miejsce wydobycia, są to skały łupkowe, izolowane pory skalne oraz złoża węgla.
Skały zawierające gaz niekonwencjonalny to łupki bitumiczne, prawie zupełnie nieprzepuszczalne,
albo piaskowce o bardzo niskiej przepuszczalności [1, 2, 3]. Zawarty w nich metan izolowany jest
w mikroszczelinach, bądź fizycznie związany z materią organiczną. W piaskowcach o większej
przepuszczalności, charakteryzujących się niską porowatością, metan pozostał w mikroskopijnych
zamkniętych porach. Wówczas nazywany jest gazem zamkniętym (tight gas). Złoża typu tight gas
są związane ze skałami piaszczystymi, niekiedy węglanowymi, mającymi niską porowatość, rzędu
kilku procent, a przepuszczalność poniżej 0,1 milidarcy [3]. W Polsce znaczne zasoby gazu
ziemnego mogą akumulować piaszczyste skały zbiornikowe o niskiej przepuszczalności w basenie
czerwonego spągowca. Natomiast, do tej pory nie były brane pod uwagę skały macierzyste,
zawierające ciemne łupki ilaste jako rezerwuary gazu, gdyż jak wskazywały wielokrotnie
prowadzone badania charakteryzowały się praktycznie zupełnym brakiem przepuszczalności.
2. Wybrane aspekty technologiczne i ekonomiczne wydobycia gazu łupkowego
Pierwsze próby eksploatacji gazu łupkowego zostały podjęte na początku XVIII wieku, jednak
zostały przerwane stosunkowo szybko, w związku z małą efektywnością procesu wydobycia.
Dopiero rozwój technologii, zamiana wierceń pionowych w poziome, przy jednoczesnym dreno-
waniu sieci spękań w skale pozwoliły na dalsze prace w realizacji podobnych projektów. Proces
„otwierania” skał nazywany jest szczelinowaniem hydraulicznym (hydraulic fracture), polega
na wtłoczeniu wody pod ciśnieniem około 600 atmosfer, a następnie drobnoziarnistego piasku
wciskającego się w powstałe w skale pęknięcia, w celu uniemożliwienia ich ponownego zamknię-
cia. Wraz z rozwojem technologii woda oraz piasek zostały zastąpione bardziej zaawansowanymi
płynami oraz materiałami ceramicznymi o regulowanej lepkości i wielkości zależnej od złoża.
Płyny te zawierają borany, rozpuszczalniki organiczne, antyoksydanty, enzymy i polimery, nato-
miast zamiast piasku stosowane są materiały ceramiczne, metalowe i plastikowe kulki oraz płyny
organiczne, które przekształcają się w siatkę włókien. Nowoczesne szczelinowanie hydrauliczne to
w pełni kontrolowany proces, przetestowany w warunkach laboratoryjnych, objęty patentami,
stosunkowo drogi, gdyż szacuje się, że może pochłonąć nawet około 25 % kosztów wykonania
odwiertu. Otwieranie szczelin kontrolowane jest za pomocą sond mikrosejsmicznych i światłowo-
dów. Przede wszystkim jednak przed podjęciem prac bada się próbki skał, w celu określenia ich
własności geomechanicznych i naprężeń w górotworze. W oparciu o uzyskane informacje
dobierane są płyny, ciśnienie oraz czas trwania poszczególnych etapów projektu, a cały proces
poprzedzają symulacje cyfrowe. Dzięki intensywnie prowadzonym pracom laboratoryjnym
uzyskuje się w łupkach bitumicznych precyzyjne, koncentryczne strefy spękań o promieniu nawet
900 m (w piaskowcach do 200 m) [10]. Całkowite wydrenowanie złoża gazu łupkowego można
osiągnąć poprzez systemy otworów poziomych, multilateralnych lub falistych (z wielokrotnym
przejściem interwału złożowego), z wytworzeniem gęstych systemów szczelin o pionowej
orientacji i strefami skruszenia, obejmującymi całą miąższość pakietu. Technologia udostępniania
złóż tego typu wymaga geonawigacji o wysokiej precyzji, dobrego rozpoznania sejsmicznego 3D,
zaawansowanych systemów telemetrycznych i geofizyki otworowej oraz ścisłej współpracy
geologów i sedymentologów w celu rozpoznania architektury wypełnień basenu [7]. Następnie
prowadzone jest szczelinowanie hydrauliczne, ujęcie gazu przy pomocy głowicy wydobywczej
oraz doprowadzenie do gazociągu.
Opłacalność wydobycia gazu z łupków zależy w dużym stopniu od istnienia naturalnej sieci
spękań oraz serii zabiegów stymulacji hydraulicznej. Ze względu na znaczne zróżnicowanie
warunków złożowych, nawet w obrębie tego samego złoża opłacalność może się znacznie różnić.
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
177
W 2009 r. Credit Suisse oszacowało próg opłacalności wydobycia gazu łupkowego na cenę 0,12
USD – 0,37 USD za 1 m
3
przy średniej 0,28 USD za 1 m
3
. Wewnętrzną stopę zwrotu (IRR) przy
cenie 0,26 USD za 1 m
3
oszacowano na 1% do 48% (średnio 5%) [2]. W Polsce eksploatowane
klasyczne złoża gazu ziemnego, w przeciwieństwie do wydobycia ropy (niespełna 1 mln ton
w 2007), zaspokajają istotną (roczne wydobycie ok. 4,3 mld m
3
), choć nadal zbyt małą część
krajowego zapotrzebowania (około 30%). Pozyskanie gazu łupkowego jest droższe niż w przy-
padku tradycyjnych form wydobycia, w USA waha się w przedziale 80 – 130 USD za 1000 m
3
.
Na rysunku 1 przedstawiono wzrost pozyskania gazu łupkowego w USA w ostatnich latach.
Warto pokreślić, że jak pokazują doświadczenia USA rosnący udział pozyskania gazu ze złóż
niekonwencjonalnych przyczynił się do wzrostu bezpieczeństwa energetycznego USA. Warto
także podkreślić, że m.in. wzrostowi wydobycia gazu ze złóż niekonwencjonalnych w 2009 r.
Stany Zjednoczone wysunęły się na pozycje światowego lidera w rankingu państw o największym
wydobyciu – 593 mld m
3
[11].
gaz łupkowy
CBM
gaz zamknięty
udział gazu niekonwencjonalnego w całkowitej produkcji
Rysunek 1. Produkcja gazu niekonwencjonalnego w USA [11]
Figure 1. Unconventional gas as share of total production
3. Gaz łupkowy w Polsce
W oparciu o prowadzone na szeroką skalę badania geologiczne ocenia się, że złoża te mogą
w Polsce odgrywać istotną rolę w pozyskiwaniu metanu. Piaskowce czerwonego spągowca,
stanowiące najbardziej perspektywiczny poziom gazonośny, zalegają w Polsce na dużych
głębokościach, co sprzyja zaciskaniu porów skalnych i zmniejszeniu przepuszczalności. Według
opinii specjalistów, prawdopodobnie znaczną część tych złóż, zwłaszcza z uwzględnieniem
terenów położonych w rejonach centralnej Polski, uda się skutecznie eksploatować.
Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne źródło energii
178
Minister Środowiska wydał dotychczas 64 koncesje na poszukiwanie i rozpoznawanie
niekownecjonalnych złóż typu shale gas, z czego 11 z nich uzyskała grupa PGNiG. Pozostałe
koncesje są w rękach firm zagranicznych. Otrzymały je między innymi takie firmy, jak: Chevron,
Exxon Mobil, Marathon Oil Corp, ConocoPhillips, Aurelian, San Carlo, 3 Legs, BNK, LNG
Energy.
Należy podkreślić, że Minister Środowiska nie udzielił dotąd żadnej koncesji na
wydobycie gazu niekonwencjonalnego. Eksploratorzy kończą analizowanie materiałów
archiwalnych, pochodzących z wcześniejszych, licznych polskich wierceń geologicznych.
Wykonane zostały również dodatkowe prace sejsmiczne i badania geochemiczne. Pierwsze
wiercenia rozpoznawcze rozpoczęły się w tym roku, m.in. PGNiG S.A. na obszarze swojej
koncesji dokonała pionowych odwiertów w południowo - zachodniej części Lubelszczyzny
(odwiert badawczy MARKOWOLA-1). Analiza skał pozwoli dobrać najkorzystniejszą metodę
szczelinowania, którą wykona już firma zachodnia. W ciągu dwóch, trzech lat powinniśmy z dużą
dokładnością wiedzieć, ile gazu łupkowego znajduje się w Polsce i jaka jego część jest możliwa do
wydobycia.
Ocenia się, że na terenie USA, kraju o największym zużyciu energii (zarówno globalnym jak
i per capita) i klasycznych złożach węglowodorów w istotnej części wyeksploatowanych, właśnie
takie niekonwencjonalne złoża gazu ziemnego będą zaspokajać w nieodległej przyszłości ok. 30%
wewnętrznego zapotrzebowania na ten surowiec. Także w naszym kraju istnieją przesłanki
występowania znacznie większych, jeszcze nierozpoznanych zasobów gazu, w tym typu
wspomnianych "niekonwencjonalnych" akumulacji.
Według opinii ekspertów [2, 3, 4, 5, 6] potencjalnym celem operacji WKP (Wierceń
Kierunkowych i Poziomych) w Polsce powinny być baseny zawierające dostatecznie głęboko
położone, tj. do poziomu termogenicznego okna gazowego, litosomy. Obiecujące są zwłaszcza
bogate w gazotwórczy kerogen III typu, silniej zdiagenezowane mułowce i margle z pogranicza
franu i famenu, famenu oraz dolnego, a także górnego karbonu. Utwory takie, najgłębiej
pogrążone w strefie bruzdy duńsko-polskiej, znane z basenu zapadliska przedgórskiego
waryscydów Polski Centralnej, a także rozpoznane na Pomorzu Zachodnim i Lubelszczyźnie.
Ścisłe ekwiwalenty stratygraficzne i facjalne tych pakietów są szeroko rozprzestrzenione na
kratonie amerykańskim, w USA (np. czarne łupki najwyższego dewonu formacji Bakken, Ohio,
Woodbury) i Kanadzie (łupki Sunbury). Horyzonty te, po części związane z globalnymi
i ponadregionalnymi wydarzeniami anoksycznymi i regionalnym upwellingiem, są ostatnio
intensywnie penetrowane dla pozyskania gazu przez amerykański przemysł wydobywczy, właśnie
za pomocą zaawansowanych technologii WKP. Podrzędnym, choć obiecującym obiektem
poszukiwań na terenie naszego kraju mogą być także czarne mułowce (hot shales) dolnego syluru
i cechsztynu, zawierające bituminy i morski kerogen I i II typu.
Warto podkreślić, że szacunki firm konsultingowych zasobów gazu niekonwencjonalnego
w Polce są ponad 10 razy większe niż udokumentowane zasoby gazu ziemnego. Dla porównania
roczne krajowe zużycie to ok. 13,3mld m
3
, z czego 4,3 mld m
3
pokrywa wydobycie własne,
a resztę stanowi importowany gaz głównie z Rosji – około 7,5mld m
3
Główne rejony występowania złóż łupkowych w Polsce to Lubelszczyzna, Mazowsze,
Pomorze oraz Podlasie. Jak podaje „The New York Times", Niemiecki Instytut Geofizyczny GFZ
z Poczdamu oszacował, że pokłady tego surowca w Europie liczą ok. 1200 bln m
3
, co może
stanowić nawet 5 proc. wszystkich światowych zasobów. W Europie zlokalizowane są
"najważniejsze obiekty z punktu widzenia eksploracji złóż gazu łupkowego" - piszą eksperci GFZ.
Do obiektów tych należy zaliczyć terytorium Polski, Niemiec, Węgier, Rumunii i Turcji.
Wszystkim tym krajom amerykańskie koncerny energetyczne przedstawiły już wstępne oferty
współpracy. Złoża mogą występować na głębokości od 2,5–3,0 tys. m we wschodniej części do
4,0–4,5 tys. m w jego części zachodniej [2].
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
179
Jednak nie można w sposób dowolny zwiększać wydobycia gazu, przede wszystkim ze
względu na określoną przepustowość drobnych szczelin w złożu. Ponadto konieczne jest precy-
zyjne regulowanie ciśnienia, jak również odgazowywanie w odpowiedniej kolejności stosownych
partie złoża, co w istotny sposób determinuje o czasochłonności projektu [8, 9].
Należy także uwzględnić, iż informacje źródłowe dotyczące złóż łupków w Polsce pochodzą
z badań polskich geologów przeprowadzonych w latach 60 – 80 ubiegłego wieku [3]. Dotyczą
głównie rozpoznania i oznaczania skał, stratygrafii, natomiast brakuje wystarczających danych
satelitarnych, między innymi ze względu na głęboką lokalizację i nadkład skał mezozoicznych. Do
istotnych różnic dotyczących warunków poszukiwań między Polską a USA należy także
urbanizacja obszarów wydobycia, udział terenów chronionych w obszarach poszukiwań (Natura
2000) oraz wysokie koszty wierceń. W celu obniżenia tych ostatnich w USA, w latach 80 zostały
wprowadzone zwolnienia podatkowe dla złóż niekonwencjonalnych. Również parametry
geologiczne i geochemiczne w Polsce z reguły są gorsze od właściwości formacji łupkowych
w basenach USA. Pod względem ekologicznym, przy prawidłowo prowadzonej eksploatacji
uznaje się za praktyczne niemożliwe skażenie wód, głównie ze względu na znaczne różnice
w występowaniu użytkowych warstw wodnych. Położone są one z reguły na głębokościach nie
większych niż ok. 200 m, złoża gazu niekonwencjonalnego występują na poziomie poniżej 2 do 4
tys. m i izolowane są od użytkowych warstw wodonośnych grubym pakietem osadów
nieprzepuszczalnych. Do uciążliwych można zaliczyć hałas, towarzyszący wykonaniu odwiertów,
natomiast już nieobecny podczas właściwej eksploatacji. Także przepisy chroniące środowisko
w Polsce gwarantują iż prace geologiczne mogą być prowadzone dopiero po wykonaniu oceny
oddziaływania inwestycji na środowisko.
4. Podsumowanie
W ostatnich miesiącach obserwuje się w Polsce wzmożone zainteresowanie niekonwencjonal-
nymi złożami gazu, a szczególnie gazem łupkowym, o czym świadczy dynamicznie rosnąca liczba
wydanych przez Ministra Środowiska koncesji. Należy pokreślić, że w gronie przedsiębiorstw
naftowych, które uzyskały koncesję dominują firmy z kapitałem zagranicznym, przede wszystkim
amerykańskie.
Obecnie pozyskanie gazu ziemnego ze złóż krajowych umożliwia pokrycie zapotrzebowania
Polski na poziomie 30%. Zakładając udokumentowanie złóż na poziomie jakim obecnie są
szacowane (1,4-3 bln m
3
) oraz koszty wydobycia na poziomie konkurencyjnym w relacji do
kosztów importu gazu, możliwy jest za około dziesięć lat znaczący wzrost pozyskania gazu ze złóż
krajowych. W optymistycznym scenariuszu Polska może zostać eksporterem netto gazu. Reasu-
mując, udokumentowanie, a następnie zagospodarowanie złóż gazu niekonwencjonalnego
w Polsce wpłynie pozytywnie na poziom bezpieczeństwa energetycznego kraju.
Praca finansowana w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.210.124
Literatura
[1] Eseme E., Littke R., Krooss B.M.: Factors controlling the thermo-mechanical deformation of oil
shales: implications for compaction of mudstones and exploitation
, Marine and Petroleum Geology,
23, s. 715-734, 2006
[2] Hadro J.: Strategia poszukiwań złóż gazu ziemnego w łupkach. Przegląd Geologiczny, 58, nr 3,
s. 250-258, 2010
[3] Hadro J.: Trudny, ale opłacalny gaz, On line: http://niezalezna.pl/article/show/id/34971, 2010 (data
dostępu: 20 VI 2009)
Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne źródło energii
180
[4] Katsube T.J., Williamson M.A.: Effects of diagenesis on shale nanopore structure and implications
for sealing capacity
, Clays Clay Miner., 29, s. 451-461, 1994
[5] Paszkowski M., Porębski S.J.: Aspekty geologiczne wierceń kierunkowych, On line: http://technika-
gornicza.wnp.pl/aspekty-geologiczne-wiercen-kierunkowych,5621_2_0_0.html, 2009 (data dostępu:
20 VI 2009)
[6] Poprawa P.: Potencjał występowania złóż gazu ziemnego w łupkach dolnego paleozoiku w basenie
bałtyckim i lubelsko-podlaskim
.
Przegląd Geologiczny, 58, nr 3, s. 226-249, 2010
[7] Porębski S.J., Steel R.J.: Shelf-margin deltas: their stratigraphic significance and relation to deep-
water sands
. Earth Science Reviews, 62, s. 283-326, 2003
[8] Ross D.J.K., Bustin R.M.: Shale gas potential of the Lower Jurassic Gordondale Member,
northeastern British Columbia, Canada, Bull. Can. Pet. Geol., 55, s. 51-75, 2007
[9] Ross D.J.K., Bustin R.M.: The importance of shale composition and pore structure upon gas storage
potential of shale gas reservoirs
, Marine and Petroleum Geology, 26, s. 916-927, 2009
[10] Rutkowski M., Wyciskanie gazu. Polityka - nr 9 (2694) z dnia 2009-02-28; s. 70-73
[11]
www.bp.com
: BP Statistical Review of World Energy June 2010
KATARZYNA ZARĘBSKA, PAWEŁ BARAN
Shale gas – unconventional energy source
Keywords
methane – shale gas
Abstract
Increasing requirement for energy safety ensuring of the Europe and the World and exponential progress
of extraction technology has caused increase interest in unconventional gas sources. Now, there are leading
the works of shale gas extraction which of the resources effectively regulate energy situation in the USA. On
the basis of the geological data and the gas potential analysis there is estimated that in Polish there are located
significant deposit of this resources. However, the technologies which make accessible unconventional
resources requires perfect geological, geochemical and ecological identification. The economic factor is
equally significant and depend on total gas resources as well as extraction ratio and exploitation costs.
Therefore one of the necessary part of strategy in shale gas acquisition is particular determination of deposit
conditions, technology and law regulation in order to investment risk minimization and assure of state energy
protection and investors.