KATARZYNA ZARBSKA*, PAWEA BARAN* Gaz łupkowy - niekonwencjonalne zródło 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 175 Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne zródło energii (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, bądz 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. 176 V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010 W 2009 r. Credit Suisse oszacowało próg opłacalności wydobycia gazu łupkowego na cenę 0,12 USD 0,37 USD za 1 m3 przy średniej 0,28 USD za 1 m3. Wewnętrzną stopę zwrotu (IRR) przy cenie 0,26 USD za 1 m3 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 m3), 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 m3. 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 m3 [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. 177 Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne zródło energii 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 Lubelszczyznie. 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 m3 , z czego 4,3 mld m3 pokrywa wydobycie własne, a resztę stanowi importowany gaz głównie z Rosji około 7,5mld m3 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 m3, 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]. 178 V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010 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 zródłowe 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 m3) 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) 179 Zarębska K., Baran P.: Gaz łupkowy - niekonwencjonalne zródło energii [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 ZARBSKA, PAWEA 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. 180