Potencjalne oddziaływanie na środowisko na poszczególnych etapach prac
Zarówno charakter, jak i intensywność oddziaływania procesu eksploatacji gazu z formacji łupkowych na poszczególne elementy środowiska wynika wprost ze stosowanych technologii i jest zmienna na różnych etapach prac. W procesie eksploatacji gazu z łupków wyróżnia się następujące etapy przedsięwzięcia:
- prace przygotowawcze,
- wiercenie otworów,
- zabiegi stymulacji złoża (szczelinowanie hydrauliczne),
- przygotowanie do eksploatacji,
- eksploatacja (wydobycie gazu z otworów),
- likwidacja otworów i rekultywacja terenu.
Każdy z wymienionych etapów prac niesie ze sobą inny rodzaj i zakres potencjalnych oddziaływań na środowisko naturalne i dla każdego z nich są stosowane odmienne procedury ich oceny oraz minimalizacji. Dla tego typu działalności znamienne jest, że prace w kolejnym etapie zależą od wyników etapu poprzedniego oraz od sposobu jego realizacji. Ponadto, wraz z postępem prac następuje kumulacja pewnych oddziaływań, które mogą trwać także po zakończeniu działalności.
Etap prac przygotowawczych
Etap prac poszukiwawczych obejmuje działania związane z budową zakładu górniczego.
Na wczesnym etapie rozwoju technologii w Stanach Zjednoczonych (II połowa XX wieku) konieczność zastosowania gęstej siatki wierceń była uważana za jeden z większych problemów środowiskowych. Przyczyniało się to do wyłączania z użytkowania dużych powierzchni terenu, a także oddziaływań wynikających z intensywnego transportu kołowego pomiędzy poszczególnymi obszarami eksploatacji. Na terenie Europy, gdzie średnia gęstość zaludnienia jest dwa razy większa niż w Stanach Zjednoczonych (w Polsce prawie cztery razy) problem ten byłby jeszcze bardziej zauważalny.
Obecnie obszar, na którym jest prowadzona działalność na powierzchni terenu obejmuje zazwyczaj od 2 do 4 ha, a stosowanie wierceń kierunkowych sprawia, że eksploatacja gazu jest możliwa z obszaru 500 razy większego niż teren zajęty na powierzchni terenu. Coraz skuteczniejsze techniki wierceń kierunkowych pozwalają obecnie osiągać odcinki eksploatacyjne o długości ponad 3 km, udostępniające złoże w wielu kierunkach, bez zajmowania takiego samego obszaru na powierzchni. Zmniejsza to uciążliwości związane z eksploatacją gazu z łupków, znane z wczesnych doświadczeń amerykańskich.
Etap prac przygotowawczych, podczas którego powstaje infrastruktura zakładu górniczego, jest kluczowy z punktu widzenia bezpiecznego prowadzenia eksploatacji. Najważniejszymi elementami tego etapu są:
- zabezpieczenie organicznej warstwy gleby,
- izolacja powierzchni terenu,
- wykonanie systemu drenażu i odprowadzania wód opadowych,
- budowa zbiorników na wodę opadową i procesową,
- budowa ujęć i przyłączy wodnych,
- zaprojektowanie przyszłych instalacji odbioru odpadów oraz sieci odbioru i przesyłu gazu.
Obecnie powszechnie stosowaną praktyką jest wyłożenie powierzchni terenu folią nieprzepuszczalną oraz płytami betonowymi. Organiczną warstwę gleby na ogół zdejmuje się i zwałuje wokół terenu zakładu, co dodatkowo tworzy barierę ochronną.
Ze względu na konieczność transportu znacznej ilości urządzeń niezbędnych do prowadzenia eksploatacji, często są budowane także drogi dojazdowe.
Etap wiercenia otworów
Etap wiercenia otworów trwa zazwyczaj kilka miesięcy, przy czym w fazie eksploatacji w pojedynczej lokalizacji zazwyczaj jest wiercone kilkanaście otworów w dwóch rzędach, w siatce co kilka metrów. Wszystkie otwory, z odcinkami horyzontalnymi w różnych kierunkach, są wiercone jeden po drugim za pomocą tego samego zainstalowanego urządzenia wiertniczego, które jest przesuwane na terenie wiertni. Prace są prowadzone w trybie ciągłym, co w przypadku umiejscowienia w niedalekiej odległości od zabudowy mieszkalnej może być uciążliwe dla mieszkańców (oświetlenie, hałas).
Uciążliwości te skutecznie ogranicza się przede wszystkim przez lokalizowanie terenów pod wiertnie w miarę możliwości z dala od zabudowań, wykorzystywanie naturalnych barier oraz stosowanie ekranów akustycznych.
W warunkach polskich wiercenia w celu uzyskania gazu z łupków są prowadzone do głębokości od 3,0 do ponad 5,0 km. Są to głębokości większe od średnich głębokości wierceń na terenie Stanów Zjednoczonych i Kanady: Barnett Shale: 2,1–2,7 km, Marcellus Shale: 1,8–2,1 km (Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer, U.S. Department of Energy, April 2009). Znaczne głębokości występowania formacji złożowych z jednej strony podrażają koszty prac i wydłużają czas ich trwania, ale z drugiej są czynnikiem zwiększającym bezpieczeństwo eksploatacji gazu, gwarantując lepszą izolację pomiędzy formacją eksploatowaną a poziomami wód pitnych i powierzchnią terenu.
Niezależnie od głębokości i celu wiercenia zasadniczą kwestią z punktu widzenia minimalizacji oddziaływania na środowisko naturalne jest prawidłowa konstrukcja i wykonanie otworów wiertniczych, które powinny skutecznie eliminować możliwość przedostania się cieczy technologicznych i gazu do górotworu, w tym przede wszystkim do warstw wodonośnych. W trakcie wiercenia poziomy wodonośne są izolowane kolumnami rur okładzinowych, cementowanymi w całym przelocie. Przy prawidłowej konstrukcji otworu, potwierdzonej badaniami szczelności cementowania, ryzyko zanieczyszczenia wód podziemnych przez migrację cieczy technologicznych lub gazu wzdłuż pionowego odcinka otworu jest praktycznie wyeliminowane.
Zasadniczym etapem przedsięwzięcia, dzięki któremu jest możliwa eksploatacja gazu z formacji łupkowych, jest wykonanie zabiegów stymulacji złoża. Na obecnym etapie rozwoju technologii powszechnie stosowane jest szczelinowanie hydrauliczne, które polega na sekwencyjnym wtłoczeniu pod dużym ciśnieniem do poziomego odcinka odwiertu cieczy technologicznej (tzw. płynu szczelinującego) wraz z proppantem (materiałem podsadzkowym). Wtłoczona ciecz powoduje wytworzenie w skale gęstej sieci drobnych szczelin, które dzięki zastosowaniu materiału podsadzkowego (odpowiednio wyselekcjonowanego piasku lub granulatu ceramicznego) nie zaciskają się i tworzą drogi przepływu dla gazu.
Płyn szczelinujący jest tworzony na bazie wody (ok. 99,5%), do której są dodawane pewne ilości dodatków chemicznych, mających za zadanie zoptymalizowanie procesu szczelinowania, w tym przede wszystkim obniżenie tarcia wewnętrznego płynu, zmniejszenie lepkości oraz przeciwdziałanie pęcznieniu hydrofilnych minerałów ilastych. Wśród dodawanych środków są również substancje bakteriobójcze, mające na celu wyeliminowanie bakterii, które m.in. mogą być zatłoczone do otworu podczas wykonywania odwiertu oraz zapobiegające korozji rur. Stosowane są również substancje żelujące, dzięki którym proppant może być transportowany wraz z cieczą i nie opada na dno otworu, więc nie powoduje jego zatykania. Po wykonaniu zabiegu szczelinowania na głowicy otworu odzyskiwana jest część płynu szczelinującego, zwana płynem zwrotnym, a następnie odwiertem wydobywa się na powierzchnię uwolniony z formacji gaz.
Wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne, wykonywane kolejno we wszystkich odwierconych na terenie zakładu górniczego otworach, będące skomplikowanym i zaawansowanym technologicznie zabiegiem, niesie za sobą potencjalne zagrożenia dla środowiska naturalnego.
Hałas i emisje gazów i pyłów do atmosfery, związane z pracą wysokowydajnych agregatów prądotwórczych, silników i pomp tłoczących, stanowią krótkotrwałą uciążliwość, możliwą do minimalizacji w sposób podobny jak na etapie wiercenia.
Ryzyko związane z możliwością przedostania się zanieczyszczeń do gruntu i płytko występujących wód podziemnych jest skutecznie ograniczane przez uszczelnienie wspomnianą już folią i płytami betonowymi powierzchni terenu w strefie bezpośredniego sąsiedztwa otworu, gdzie są wykonywane prace związane z przygotowaniem i zatłaczaniem płynu szczelinującego oraz miejsc przechowywania paliwa, substancji chemicznych oraz odpadów. Ponadto stosuje się system odprowadzania wód opadowych z terenu wiertni (drenaż, rowy opaskowe, zbiorniki drenażowe).
W analizie ryzyka zanieczyszczenia wód podziemnych w wyniku stosowania zabiegów szczelinowania hydraulicznego nie można pominąć potencjalnej możliwości przedostania się cieczy szczelinującej lub gazu z poziomego odcinka otworu. Sytuacja taka mogłaby mieć miejsce w przypadku niekontrolowanej reakcji górotworu, jak na przykład udrożnienie stref dyslokacyjnych o dużym zasięgu. Biorąc jednak pod uwagę znaczną głębokość występowania formacji łupkowych (co najmniej 3 km), przy średnim zasięgu propagacji wytwarzanych szczelin ok. 100 m, a także występowanie w nadkładzie wielu warstw utworów nieprzepuszczalnych o dużej miąższości, stanowiących skuteczną izolację, przedostanie się substancji zanieczyszczających tą drogą do warstw wodonośnych, występujących na głębokości do 300 m od powierzchni terenu, wydaje się być praktycznie niemożliwe.
Teoretycznie ingerencja w górotwór, polegająca na zatłoczeniu dużej ilości płynu, może wywołać reakcję w postaci przesunięcia mas skalnych, zwłaszcza w strefach do tego predysponowanych, takich jak wcześniejsze dyslokacje i strefy tektoniczne. Takie ruchy na powierzchni terenu mogłyby się objawić wyczuwalnymi drganiami lub wstrząsami sejsmicznymi. Istnieje też możliwość wywołania drgań sejsmicznych na skutek zatłaczania płynu szczelinującego. Taka sytuacja miała miejsce w Blackpool w Wielkiej Brytanii, gdzie po przeprowadzeniu szczelinowania hydraulicznego odnotowano wstrząsy o magnitudzie 1,5 oraz 2,3. Należy jednak podkreślić, że wstrząsy sejsmiczne w wyniku szczelinowania hydraulicznego występują rzadziej niż w przypadku innej aktywności ludzi, jak choćby górnictwo, geotermia czy wydobycie ropy i gazu metodami konwencjonalnymi. Zagrożenie takie może wystąpić szczególnie w rejonach współcześnie aktywnych sejsmicznie. Cały obszar Polski jest jednak uważany za stabilny tektonicznie, dlatego ryzyko wywołania jakiejkolwiek aktywności sejsmicznej poprzez zabiegi szczelinowania hydraulicznego jest znikome.
Nie znaczy to jednak, że należy je całkowicie zlekceważyć. Obserwacje sejsmologiczne powinny być prowadzone podczas kolejnych zabiegów stymulacyjnych, co najmniej do czasu rozpoznania reakcji sejsmicznych górotworu w poszczególnych rejonach eksploatacyjnych.
Etap przygotowania do eksploatacji gazu
Etap związany z przygotowaniem do eksploatacji obejmuje demobilizację urządzeń wykorzystywanych przy wykonywaniu zabiegów stymulacji złoża, zagospodarowanie odpadów oraz budowę instalacji do odbioru i przesyłu gazu. Jest to faza przejściowa pomiędzy udostępnieniem do eksploatacji złoża a jego zagospodarowaniem.
W otworach są wykonywane testy gazowe pozwalające ustalić przewidywalny dopływ gazu na etapie produkcji. Instalowane są głowice służące do odbioru gazu z otworu oraz tworzona jest infrastruktura przesyłowa. Na tym etapie są likwidowane także zbiorniki na wodę oraz inne elementy infrastruktury zakładu górniczego, które nie będą użytkowane w fazie eksploatacji. W związku z potrzebą wywiezienia dużej ilości sprzętu, na etapie tym następuje intensyfikacja transportu kołowego, który może być uciążliwy dla okolicznych mieszkańców.
Eksploatacja gazu ze złoża niekonwencjonalnego, udostępnionego za pomocą kilkunastu otworów horyzontalnych, może być prowadzona przez kilkadziesiąt lat. Etap ten nie różni się niczym od analogicznego etapu prac związanych z eksploatacją gazu ze złoża konwencjonalnego (obecnie w Polsce zagospodarowanych jest 199 spośród 285 udokumentowanych konwencjonalnych złóż gazu – Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce, 2012).
Powierzchnia terenu niezbędna do prowadzenia eksploatacji jest znacznie mniejsza niż w poprzednich etapach prac i ogranicza się zazwyczaj do bezpośredniego otoczenia głowic otworów eksploatacyjnych. Muszą znaleźć się tam zbiorniki na płyny produkcyjne, które mogą wydobywać się z otworów wraz z gazem oraz, w niektórych przypadkach, kolektory gromadzące gaz przed podaniem go do sieci przesyłowej. Pozostały teren może zostać przywrócony do poprzedniego użytkowania.
Podczas eksploatacji, równolegle z odbiorem gazu, może być odbierana również woda złożowa. Płyny produkcyjne wydobywające się ze złoża muszą być w odpowiedni sposób gromadzone i zagospodarowane. Ważnym zagadnieniem, często poruszanym przez organizacje ekologiczne, jest potencjalna emisja gazu migrującego w strefie przyotworowej, zwłaszcza gdy z upływem czasu zabezpieczające otwór rury i cement ulegną rozszczelnieniu. Ponieważ może to stanowić poważne zagrożenie dla środowiska, jakość zabezpieczeń w otworze powinna być monitorowana w czasie całego okresu produkcji.
Etap rekultywacji terenu
Ostatnim etapem, po zakończeniu eksploatacji, jest likwidacja otworów oraz rekultywacja terenu. Jego celem jest przywrócenie pierwotnej funkcji terenu. Prace są prowadzone w taki sam sposób, jak przy każdej innej działalności wydobywczej. Ważnym elementem jest ocena ewentualnych zmian geochemicznych gruntu oraz stopnia degradacji gleby na skutek utraty substancji organicznej i kompakcji podglebia ze względu na długotrwałe obciążenie przez infrastrukturę zakładu górniczego.
autorzy: Małgorzata Woźnicka i Monika Konieczyńska
