Krótka historia poszukiwań gazu łupkowego na świecie i w Polsce
Zagospodarowanie niekonwencjonalnych złóż węglowodorów nazywane jest czasami największą rewolucją energetyczną XXI wieku. Trochę w tym przesady, ale niewiele... Kiedy się zaczął ten fascynujący proces?
Datę trudno ustalić, ale powszechnie przyjmuje się, że impulsem był sukces ekonomiczny nowoczesnego otworu gazowego, odwierconego w 1998 roku w łupkach teksańskiego basenu Fort Worth. To wydarzenie miało zachęcić przedsiębiorców do podobnych działań na obszarach złożowych, gdzie występują skały ilaste zawierające gaz ziemny, uznawane dotąd za bezużyteczne.
Trudne początki
Cała historia zaczęła się jednak znacznie wcześniej. Trzeba się cofnąć aż do roku 1973, kiedy to wybuchł kolejny konflikt arabsko-izraelski, zwany wojną Jom Kippur. Organizacja producentów ropy naftowej OPEC, zrzeszająca głównie eksporterów arabskich, wprowadziła embargo na dostawy surowca, żeby ukarać kraje wspierające Izrael.
Cios dotknął Stany Zjednoczone, kraje Europy Zachodniej i Japonię. Cena ropy naftowej od października 1973 r. do stycznia 1974 r. wzrosła czterokrotnie. Rozpoczął się kryzys, który zachwiał podstawami globalnej gospodarki. Pokazał ogromne uzależnienie krajów rozwiniętych od niepewnych źródeł surowców. W Stanach Zjednoczonych dodatkowym problemem stał się spadek produkcji gazu ziemnego z własnych złóż, dotychczas wystarczającej do pokrycia zapotrzebowania.
Reakcja na wydarzenia była szybka i wielostronna. Kraje dotknięte kryzysem podjęły działania uniemożliwiające powtórzenie tej sytuacji. Były wśród nich: intensyfikacja produkcji ze znanych złóż klasycznych oraz poszukiwanie nowych, niekonwencjonalnych źródeł węglowodorów.
Intensywne badania naukowe zaczęły przynosić rezultaty. Interesujące wyniki osiągnięto w Stanach Zjednoczonych, które od boomu naftowego w XIX wieku utrzymują pozycję lidera technik górnictwa otworowego.
Dotowany przez rząd federalny Gas Research Institute od 1976 roku prowadził prace nad metodą ekstrakcji gazu z bogatych w materię organiczną łupków ilastych. Powszechna była świadomość, że zawierają one gaz ziemny, lecz jak dotąd tylko z nielicznych szybów udawało się osiągnąć skromną produkcję.
Historycznie, taki pierwszy przypadek odnotowano w miasteczku Fredonia, w stanie Nowy Jork, gdzie w 1821 roku rusznikarz William Hart wykopał ośmiometrową studnię nad brzegiem jeziora Erie. Na dnie otworu znalazł warstwę spękanych łupków, z których powoli sączył się palny gaz. Hart połączył swój szyb drewnianymi rurami z Fredonią i przez wiele lat dostarczał gaz ziemny wystarczający do oświetlenia kilku domów, sklepów i młyna. Kilkadziesiąt innych szybów od początków XX wieku eksploatowało gaz ziemny z łupków w zagłębiach Appalachów i Illinois.
Piętą achillesową tych przedsięwzięć była wydajność – tak niska, że przedsiębiorcy cały czas balansowali na krawędzi bankructwa. Zwięzłe skały łupkowe, o bardzo niskiej przepuszczalności, bardzo niechętnie i powoli oddawały gaz do szybu eksploatacyjnego.
Narodziny technologii
Aby zmusić oporne łupki do bardziej energicznej produkcji amerykańscy naukowcy z Gas Research Institute postanowili użyc kilku znanych od dawna sposobów. Zastosowano między innymi szczelinowanie hydrauliczne, wykorzystywane do zwiększenia produkcji ropy od 1947 roku. Departament Energii zorganizował kilka pokazów publicznych promujących nową technologię. Wielcy przedsiębiorcy nie byli zachwyceni. Metoda wymagała jeszcze wielu poprawek, zanim mogła być zastosowana na skalę przemysłową. Pomysł podchwycili jedynie mniejsi, ambitni inwestorzy próbujący znaleźć lukę w rynku.
Wśród nich był George P. Mitchell, prezes Mitchell Energy & Development. Inżynier naftowy, absolwent Texas A&M University nie był nowicjuszem w branży. Jego firma notowana była na liście 500 największych przedsiębiorstw amerykańskich, a sam Mitchell uczestniczył w ponad 10 000 operacji wiertniczych.
W 1981 roku nabył prawa do wydobycia gazu i ropy w okolicach Fort Worth w Tekasie, gdzie na głębokości 2300 m występowały ciemne łupki dolnokarbońskie, znane jako Barnett Shales. Liczne przejawy obecności gazu, które obserwowano podczas przewiercania tej formacji, wskazywały na jej perspektywiczność, ale nikomu nie udało się uzyskać ekonomicznej produkcji.
Mitchell początkowo stosował metodę proponowaną przez Gas Research Institute – potężną iniekcję dużych ilości wody i piasku do pionowego otworu wiertniczego. Skutki były mizerne, a koszty ogromne. Uparty przedsiębiorca jednak nie rezygnował. Przez 18 lat doskonalił technologię.
George P. Mitchell (1919 - 2013) - ojciec amerykańskiego gazu łupkowego (źródło: The Cynthia and George Mitchell Foundation)
Jego wysiłki wspierał finansowo Departament Energii oraz aparat fiskalny, wykorzystujący ustawę o preferencjach podatkowych, znaną jako Nonconventional Fuels Tax Credit. Merytorycznego wparcia udzielało kilkanaście dużych instytucji naukowo-badawczych, między innymi Jackson School of Geosciences i University of Texas w Austin.
Do badań nad efektami szczelinowania zastosowano metody mikrosejsmiczne, a partie łupków najbardziej skłonne do pękania identyfikowano przy pomocy tomografii sejsmicznej 3D. Kluczem do sukcesu było szczelinowanie w horyzontalnych odcinkach odwiertu, bardzo kosztownych, lecz drenujących większe partie złoża niż otwory pionowe.
W 1998 roku kolejna inwestycja przyniosła długo oczekiwany sukces – gaz z odwiertu płynął stabilnie, z ekonomicznie opłacalną wydajnością. W 2002 roku Mitchell sprzedał swoje przedsiębiorstwo koncernowi Devon Energy za 3,6 mld dolarów. Było to jedno z najdroższych przejęć na rynku, do czasu gdy w 2009 roku przebił je zakup przez ExxonMobil podobnej firmy pionierskiej – XTO Energy, za 40 mld dolarów.
Warto odnotować skalę tych operacji finansowych. Nie licząc niezwykle wysokich kosztów badań naukowych, samo odwiercenie otworu pionowego, o głębokości 3 km, z kilometrowym odcinkiem horyzontalnym oraz przeprowadzenie pełnego zabiegu szczelinowania hydraulicznego wymaga wyłożenia ok. 10 mln dolarów w warunkach amerykańskich (w Europie nawet dwa razy więcej). A otworów trzeba odwiercić kilkadziesiąt, a nawet kilkaset, by zdrenować całe złoże.
Być może dlatego rewolucja łupkowa nie wybuchła gwałtownie. Od pierwszego sukcesu musiało upłynąć około ośmiu lat, nim idea Mitchella zaczęła być widoczna na wykresach produkcji gazu ziemnego w USA. Pokazują one, że wydobycie gazu z łupków w 1998 roku wynosiło 10 mld m3, a w 2011 już ponad 150 mld m3.
Metodę z Fort Worth transponowano powoli do kolejnych basenów naftowych USA – Fayetteville, Haynesville, Antrim, Marcellus. Obecnie stosuje się ją w dwudziestu basenach, z których dwa – Marcellus i Haynesville, z zasobami przekraczającymi 7 bln m3, należą do największych złóż gazu na świecie.
Nie obeszło się bez modyfikacji technologii. Chociaż wszystkie formacje łupkowe USA są zbliżone do siebie genetycznie, to okazało się, że nie ma jednego klucza do ich zasobów. Nawet niewielkie różnice geologiczne i mineralogiczne wymuszają potrzebę kolejnych badań i kosztownych eksperymentów. Dzięki produkcji z nowych źródeł Stany Zjednoczone odzyskały w 2009 roku pozycję światowego leadera wydobycia gazu ziemnego, a terminale do importu LNG przekształcane są na ośrodki eksportowe.
Plusy i minusy gazowego boomu
Oprócz znaczenia prestiżowego sukces ma dla USA konkretny wymiar ekonomiczny. Dzięki rosnącej podaży gazu ziemnego jego cena spadła z 13$ za mln BTU w połowie 2008 roku do 4,3$ za mln BTU w 2012 roku. Według World Economic Forum dzięki eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu i ropy powstało 37 tys. nowych miejsc pracy w branży paliwowej i 111 tys. w sektorach zależnych od tej branży.
Pionierski etap zagospodarowania nowego rodzaju złóż przyniósł też negatywne koszty społeczne. Intensywna działalność pierwszych operatorów, nie zawsze zgodna z przepisami prawa i zasadami sztuki wiertniczej, zaniepokoiły ludność na spokojnych dotąd obszarach. Ciszę zakłóciły masowe najazdy urządzeń wiertniczych, zdarzały sie incydenty zrzucania płynów odpadowych do rzek i rowów.
Niezadowolenie mieszkańców wykorzystały organizacje ekologiczne i niektóre wielkie koncerny, które straciły na ekspansji nowej technologii, wywracającej do góry nogami ustalony porządek rzeczy. Rozpętana została histeria antyłupkowa, z której skutkami branża nowych węglowodorów zmagać się będzie pewnie przez dekady. Jej pierwszym zwiastunem był film „Gasland” znanego przedstawiciela nowojorskiej awangardy Josha Foxa, pokazany na festiwalu Sundance w 2010 roku. Do dzisiaj ten paradokument jest źródłem wiedzy dla działaczy ekologicznych i politycznych w wielu krajach świata, mimo że żadna z jego tez nie została potwierdzona naukowo, a część obalono.
Światowa ekspansja?
Nowa technologia została zauważona za granicą. Pierwsza zdecydowała się ją wprowadzić Kanada. Zadanie było ułatwione, albowiem niektóre formacje amerykańskie, w których wydobywano już gaz nową metodą (Antrim, Utica), miały swe przedłużenie na terytorium kanadyjskim. Podobnie jak w USA musiało upłynąć jednak kilka lat, zanim produkcja w 2011 roku osiągnęła poziom widoczny w krajowych statystykach.
Jak dotąd Kanada jest jedynym krajem poza Stanami Zjednoczonymi, w którym udało się osiągnąć przemysłowy poziom wydobycia. Prace badawcze objęły obszar całego świata. Często polegały one po prostu na odkurzeniu starych map geologicznych, albowiem formacje łupkowe bogate w materię organiczną znane były służbom geologicznym od dziesięcioleci. Dopiero jednak po praktycznym zademonstrowaniu, że możliwe jest wyciśnięcie z nich gazu ziemnego, stały się czymś więcej niż interesującym śladem w historii Ziemi.
Globalny potencjał skał łupkowych jako pierwsze zauważyły agencje monitorujące rynek energii, między innymi amerykańska Energy Information Administration (EIA). W pierwszej dekadzie XXI wieku powstały liczne raporty oceniające bardzo ogólnymi metodami zasoby gazu łupkowego w różnych krajach. Poza USA i Kanadą odnotowano wysokie możliwości wydobycia w Chinach, Argentynie, Meksyku, RPA, Australii, Libii, Algierii, Brazylii, a na obszarze Europy we Francji, Ukrainie, Niemczech i przede wszystkim w Polsce.
Pas łupkowy
Dla polskich geologów szacunki te nie były zaskoczeniem. O występowaniu w naszym kraju ciemnych łupków dolnego paleozoiku wiedziano od dawna, wychodzą one bowiem na powierzchnię w Górach Świętokrzyskich. Jedną z pierwszych wzmianek o tej formacji znaleźć można w pracy Jana Samsonowicza opublikowanej w ”Sprawozdaniach Polskiego Instytutu Geologicznego” w 1920 roku.
W miarę coraz lepszego poznawania budowy geologicznej kraju, głównie dzięki głębokim wierceniom badawczym wykonywanych na masową skalę od lat 60 ubiegłego wieku, bardzo dobrze rozpoznano pozycję, tektonikę i litologię tych utworów ciągnących się szerokim pasem od Pomorza po Lubelszczyzne.
Wykonano szereg map obrazujących zasięg i głębokość zalegania zerodowanych częściowo utworów w poszczególnych basenach. Podczas przewiercania łupków obserwowano liczne przejawy obecności węglowodorów – bąble gazu na świeżych rdzeniach, zapach ropy we wkładkach piaskowców, wzrost ciśnienia płuczki.
Sprawozdania Państwowego Instytutu Geologicznego z 1920 r., w których zamieszczone zostały jedne z pierwszych informacji o geologii łupków dolnego paleozoiku (źródło: Biblioteka Geologiczna PIG-PIB).
Już w 1964 roku Stanisław Depowski i Jadwiga Królicka opublikowali w Kwartalniku Geologicznym artykuł poświęcony śladom obecności ropy naftowej i gazu ziemnego na Niżu Polskim. Zgodnie ze stanem ówczesnej wiedzy poszukiwano jednak przede wszystkim klasycznych pułapek złożowych, w których mógłby się zgromadzić gaz i ropa ulatniające się z macierzystych łupków. Same łupki uznawano za nieproduktywne, gdyż samodzielnie nie oddawały surowca w sposób ekonomicznie opłacalny.
Ciemne skały sprzed kilkuset milionów lat cieszyły się za to ogromnym zainteresowaniem paleontologów z powodu obfitości skamieniałych szczątków zwierząt i roślin morskich. Do najciekawszych z nich można zaliczyć wymarłe już graptolity – niewielkie bezkręgowce, podobne do postrzępionych ździebeł trawy, czasami spiralnie zwiniętych. W niektórych okresach historii oceanu paleozoicznego były one tak liczne, że przepełniały warstwy osadów dennych, stąd skały z nich powstałe nazwano łupkami graptolitowymi.
Rdzenie wiertnicze spoczywające spokojnie od półwiecza w magazynach Narodowego Archiwum Geologicznego Państwowego Instytutu Geologicznego – Państwowego Instytutu Badawczego odkurzono ponownie w pierwszej dekadzie bieżącego stulecia. Wzrost zainteresowania był spowodowany informacjami docierającymi zza oceanu. Geolodzy z kraju i zagranicy jeszcze raz badali zawartość materii organicznej, dojrzałość termiczną i właściwości mechaniczne skał wydobytych przed laty. Mimo upływu czasu rdzenie zachowały pełną przydatność do badań. Analiza historii termicznej tych skał wykazała, że większość z nich przeszła przez etap podgrzewania, wystarczający do wygenerowania węglowodorów gazowych w zachodniej części pasa łupkowego i płynnych w części wschodniej.
Jednocześnie krajowe przedsiębiorstwa geofizyczne otrzymały zlecenia od pierwszych nabywców koncesji na wykonanie badań geofizycznych, w tym kosztownych prac sejsmicznych 3D. Dane geofizyczne pozwoliły na uzupełnienie map geologicznych i wybranie najlepszych lokalizacji dla pierwszych otworów poszukiwawczych. Wieże wiertnicze pojawiły się najpierw na Pomorzu, później na Lubelszczyźnie i Podlasiu.
Pierwsze w Polsce szczelinowanie hydrauliczne wykonała w sierpniu 2011 roku firma Lane Energy, należąca do grupy 3Legs Resources. Wyniki testu przeprowadzonego w otworze Łebień LE 2H na Pomorzu nie były obiecujące. Uzyskano początkowo przepływ w wysokości 20 tys. m3 na dobę, który w końcu ustabilizował się na poziomie 8 tys. m3 na dobę, co nie pozwalało na ekonomiczne wykorzystanie odwiertu. Próby przeprowadzone przez inne firmy jak dotąd nie zakończyły się sukcesem. Między innymi dlatego z poszukiwań wycofały się niektóre duże spółki zagraniczne. Ich obszary koncesyjne przejęły inne podmioty, w tym polskie.
Otwór Łebień LE-2H
Obecnie (stan na 1 listopada 2014 roku) pozostaje w mocy 60 koncesje wydanych przez Ministerstwo Środowiska na poszukiwanie i rozpoznanie niekonwencjonalnych złóż gazu. Dysponuje nimi 19 przedsiębiorców (koncesjonariuszy). Najwięcej, bo 12 koncesji, posiada PGNiG SA.
Warunki udzielenia koncesji zobowiązują każdego inwestora do wykonania ustalonej liczby otworów i przekazania dokumentacji z badań oraz pobranych próbek geologicznych resortowi środowiska w terminie trzech lat od wydania koncesji. Planowane jest wykonanie 333 otworów poszukiwawczych (123 obowiązkowo, ponadto 210 opcjonalnie, zależnie od wyników rozpoznania).
Do 1 listopada 2014 roku zakończono wiercenia 67 otworów poszukiwawczych, 1 otwór jest w trakcie wiercenia, a 4 kolejne planowane. Jednak pełny zabieg szczelinowania w długim odcinku poziomym, kluczowy dla potwierdzenia zasobów i opłacalności wydobycia przeprowadzono tylko w 12 odwiertach.
Obecnie niemożliwa jest odpowiedź na pytanie, czy w Polsce gaz ziemny z łupków zrewolucjonizuje gospodarkę, tak jak stało się to w USA. Zależy to od wielu czynników, w tym zasobów możliwych do wydobycia.
Początkowe szacunki zagranicznych agencji ratingowych były bardzo zachęcające. W latach 2009–2010 prognozowano, że zasoby wydobywalne oscylują w granicach 1–3 bln m3. Sensację wywołała ocena Amerykańskiej Agencji Informacji o Energii (EIA) podnosząca poprzeczkę do 5,3 bln m3. Pierwszy raport oparty na naukowych podstawach przedstawił Państwowy Instytut Geologiczny – PIB w marcu 2012 roku. Według tej oceny zasoby wydobywalne wynoszą prawdopodobnie od 346 do 768 miliardów m3. Należy jednak podkreślić, że metoda zastosowana przez polskich geologów, współpracujących z amerykańską służbą geologiczną, jest oparta na porównaniach z basenami w USA o znanej produkcji, stąd wyniki cechuje duży margines błędu.
Pełniejsze rozpoznanie zasobów będzie możliwe dopiero po wykonaniu większości zaplanowanych otworów i co najważniejsze – przeprowadzenia w nich długotrwałych testów złożowych. Prawie na pewno konieczna będzie też zmiana technologii, gdyż polskie łupki jednak znacznie różnią się od amerykańskich.
autor: Mirosław Rutkowski
