Gaz łupkowy, czyli geologia, emocje i pieniądze

17.06.2011
Trudno zabierać głos w sprawie gazu łupkowego bez wiedzy o jego pochodzeniu i sposobach wydobycia. Znakomitym źródłem wiedzy jest dr Cezary Filipowicz, wieloletni akademicki wykładowca geologii, wyposażony w ponadprzeciętne umiejętności przekazu wiadomości laikom. Każdemu przyda się krótki wykład naukowy, ale pamiętajmy, że tak naprawdę chodzi o pieniądze.
Polska, jak Kuwejt? (CC By-NC alienscapes)

Polska, jak Kuwejt? (CC By-NC alienscapes)

Polska, jak Kuwejt? (CC By-NC alienscapes)

Cezary Filipowicz jest nie tylko wykładowcą, ale także menedżerem będącym swego czasu m.in. szefem projektu przedłużenia rurociągu Odessa-Brody, wiceprezesem PKN Orlen ds. zakupów, poszukiwań i wydobycia ropy. Obecnie dr Filipowicz zajmuje się m.in. projektem podziemnego składowania dwutlenku węgla, ale także jego własnym pomysłem budowy w Zakopanem przyrodniczo-geologicznego odpowiednika warszawskiego Centrum Kopernika. Poniższy tekst, pełen poznawczych niespodzianek z wielu dziedzin, powstał na podstawie długiej z nim rozmowy.

Do dziś nie ma takiej teorii tłumaczącej powstawanie węglowodorów, w tym gazu ziemnego, która przekonywałaby wszystkich naukowców. Istnieje jednak uniwersalna zasada tzw. aktualizmu geologicznego przyjęta w XIX wieku i będąca fundamentem geologii. Zakłada ona niezmienność praw i procesów fizycznych. Zakładamy dziś zatem, że prawa Newtona działały tak samo np. w mezozoiku, niedawnych okresach zlodowaceń i dziś. Jedyny czynnik zmienny to czas.

Trudność w zrozumieniu procesów geologicznych polega na tym, że planety osiągały swą formę i kształt przez miliardy lat, a zatem zmiany były – w naszym odczuwaniu – niesłychanie powolne. Ludzie mają bowiem szansę osobistej obserwacji świata przez kilkadziesiąt, góra 100 lat i wydaje się nam, że nic szczególnego się z Ziemią, w czasie naszego osobistego na niej pobytu, nie dzieje. Jeśli zasadę aktualizmu stosować z naukową przezornością, nie pozwalając sobie na ekstrawagancje w doborze założeń i we wnioskowaniu, możemy dzięki niej poznawać lub domyślać się procesów zachodzących miliardy i miliony lat temu.

W gazie ziemnym najwięcej metanu

Powstawanie węglowodorów możemy obserwować na własne oczy, choćby na wysypiskach śmieci. Odpady organiczne odcięte od powietrza atmosferycznego, w cieple i pod ciśnieniem, przekształcają się w ciągu kilku lat, a czasem nawet przez parę miesięcy w metan będący podstawowym składnikiem energetycznym gazu ziemnego. Słyszymy o nim także jako o śmiertelnym zagrożeniu dla górników węgla kamiennego oraz o utrapieniu jakim on jest dla klimatologów obawiających się skutków efektu cieplarnianego. Z wysypisk metan ucieka do atmosfery, ale są już firmy, także w Polsce, które za pomocą systemu rur i odpowiedniego oprzyrządowania wychwytują go i wykorzystują w celach energetycznych.

Z materii organicznej może powstać węgiel, ale też bardziej skomplikowane minerały – węglowodory o różnej długości łańcucha węgla. Najprostszym węglowodorem z najkrótszym łańcuchem jest właśnie metan, czyli CH4. Potem jest C2H6 (etan), C3H8 (propan) itd. Nikt nie kwestionuje mechanizmu powstawania węglowodorów z materii organicznej w warunkach beztlenowych. Czynników inicjujących jest wiele, np. bakterie beztlenowe. Jest natomiast kilka teorii tłumaczących dlaczego i w jaki sposób następuje wydłużanie łańcucha węglowodorowego, co sprawia, że powstaje płynna ropa naftowa, ale również znajdujący się w niej asfalt, który ma tak długi łańcuch węglowodorowy, że jest już ciałem stałym, choć plastycznym.

Do powstania złóż węglowodorów nie wystarczy masa organiczna i odcięcie jej od tlenu. Potrzebne są też pułapki, w których utkwią produkty przemiany. Jeśli pokrycie miejsca, w którym powstaje gaz będzie nieszczelne, porowate, pełne dziur i spękań, gaz znajdzie je i ulotni się w końcu do atmosfery. Dopływ materii musiał być wielki w bardzo długim czasie, więc najlepsze warunki do powstawania węglowodorów panują w oceanach, które miały i mają niezmierzone zasoby materii. Ona obumiera i opada na dno. Ponieważ woda morska zawiera również mnóstwo innych składników to wytrąca się z niej także materiał nieorganiczny, który stopniowo przykrywa rozkładające się szczątki roślin i zwierząt.

Zbiorniki gazu

Mówimy na razie o konwencjonalnych złożach węglowodorów, czyli o takich, które wypełniają puste przestrzenie w skale. Powstały one na takiej samej zasadzie, na jakiej np. w wyniku trzęsień ziemi, zawaleń lub wybuchów tworzą się na powierzchni rumowiska. Gaz, czy ropę znajdujemy w tzw. skałach zbiornikowych o znacznej porowatości, a więc węglowodory powstają w jednych skałach (macierzystych), a potem „wędrują” do innych, gdzie po milionach lat możemy je odszukać i skąd je możemy wydobyć. Gazu szuka się zatem w skałach o znacznej porowatości, do których przedostał się z miejsca „produkcji”, przy czym skała zbiornikowa musi być szczelnie „otulona” skałą/skałami o niemal zerowej przepuszczalności.

Najczęściej skałami zbiornikowymi są piaskowce. Ziarnka piasku są zaokrąglone, a więc nie da się ich ułożyć tak, żeby jedno ziarnko przylegało do innych wszystkimi swoim „ściankami”. Między ziarnami piasku zostają wolne przestrzenie, a więc w piaskowcach powstają kanaliki prowadzące we wszystkie strony. Im większe ziarna piasku, tym obszerniejsze przestrzenie między nimi, ale też trzeba pamiętać o cementacji, w której z luźnych piasków tworzy się piaskowiec. Zdarza się często, że spoiwo zalepia większość pustych dziurek wśród ziaren skały. Wówczas, gdy już przewiercimy kolejne warstwy otulin skały zbiornikowej, gaz i tak nie będzie mógł, ani docierać do otworu wydobywczego, przytrzymywany w odległych rejonach skały zbiornikowej, ani przemieszczać się w górę na powierzchnię pod wpływem ciśnienia złożowego lub wytworzonego przez pompy.

W takiej sytuacji pozostaje szczelinowacenie, po angielsku – cracking. Rurami wprowadza się pod wielkim ciśnieniem do wnętrza skały wodę z piaskiem, barytem, czy też innym składnikiem. Ta mieszanka rozsadza skały w miejscach ich naturalnych spękań zwanych ciosami, wypłukuje lepiszcze spajające piaskowiec lub inną skałę osadową i „drąży” szersze kanaliki, którymi gaz może wówczas łatwiej migrować w poziomie, skosie i pionie. Cracking pozwala więc zbierać gaz z większej powierzchni i objętości skały zbiornikowej oraz wydobywać go sprawniej na powierzchnię w miarę obniżania się pierwotnego ciśnienia złożowego wraz z coraz dłuższym okresem eksploatacji.

Kiedyś umieliśmy wiercić jedynie pionowo w dół lub po lekkim skosie. Dziś nie stanowi technicznego problemu wiercenie w poziomie, w bok od głównego otworu wydobywczego. Choć jest to drogie, to znacznie tańsze niż wiercenie kolejnych otworów wydobywczych, zwłaszcza gdy w tym celu trzeba byłoby przesuwać platformy morskie.

Inna metoda intensyfikacji wydobycia gazu konwencjonalnego to zatłaczanie pod ziemię wody na skrajach złoża. Spycha ona ropę lub gaz zgromadzony na zewnętrznych brzegach skały zbiornikowej do jej środka w kierunku otworu wydobywczego. Zamiast wody może to być inny gaz obojętny chemicznie, np. azot lub dwutlenek węgla. Są w Polsce złoża, w których ponad 70 proc. mieszanki stanowi azot, a tylko około jedna czwarta to metan.

Trzeba zatem wydać sporo pieniędzy na odseparowanie niepotrzebnego i w dodatku szkodliwego z punktu widzenia efektu cieplarnianego azotu. Jednak w pewnych okolicznościach azot towarzyszący metanowi może być używany – i to wielokrotnie – do intensyfikacji wydobycia metanu. Tak samo można wykorzystać dwutlenek węgla (CO2), który powstaje m.in. w trakcie spalania węglowodorów. Im więcej go w atmosferze, tym gorzej dla środowiska. Wychwytywany podczas spalania CO2 można tłoczyć pod ziemię, gdzie może służyć do wypychania gazu ziemnego, albo go tam magazynować w miejscach, które właśnie opróżniliśmy.

Gaz łupkowy

Tyle o konwencjonalnym gazie ziemnym. Tzw. gaz łupkowy (ang. – shale gas) to ten sam metan, jaki występuje w gazie ziemnym zgromadzonym w podziemnych zbiornikach tyle, że uwięziony w skałach łupkowych. Ze względu na minimalną porowatość i przepuszczalność łupki były tradycyjnie zaliczane do skał izolujących porowate skały zbiornikowe. Kiedy podczas badań geologicznych przewiercano łupki, pojawiały się w nich ślady metanu, ale tak małe, że nikt sobie nimi przed laty głowy nie zawracał.

Łupki powstały z iłów, a iły to twór bardzo miałki, śliski. Zrozumiałe, że po sedymentacji (osadzaniu się), tzw. diagenezie (procesy fizyczne i chemiczne prowadzące do stopniowego spajania luźnych osadów oraz pozbawiania ich wody) i lityfikacji (zeskaleniu) powstał z nich materiał trudnoprzepuszczalny. Iły zawierają mnóstwo materii organicznej. Kto natknie się na ił zobaczy, że często jest z tego powodu aż czarny. Zachodzący w ile rozkład materii organicznej przydaje mu bardzo nieprzyjemnego zapachu siarkowodoru. Wiadomo zatem, skąd w łupkach gaz i dlaczego siedzi tam zamknięty na cztery spusty.

Łupki jak moskitiera

Używana w geologii i przez nafciarzy miara przepuszczalności to Darcy (D) oraz milidarcy (mD), czyli jedna tysięczna D. Przepuszczalność piasków wynosi od 1 D do nawet kilku tysięcy D, a skał roponośnych od kilku do kilkuset mD. Zwartość łupków można zaś zmierzyć dopiero w nanodarcy, czyli w milionowych częściach jednostki przepuszczalności.

W skałach łupkowych także są kanaliki, tak jak w piaskowcach i wapieniach, ale są tak wąskie, że nie przepchnie się przez nie pojedyncza cząsteczka metanu. Dopóki Amerykanie nie opanowali crackingu połączonego z ługowaniem łupki były dla metanu taką samą pułapką jak moskitiera dla komarów, więc gaz w nich zgromadzony był dla człowieka tak samo niedostępny jak dla komara nasza skóra chroniona siatką o mikroskopijnych oczkach.

Gazu nie wydobędziemy zatem ze skały łupkowej tak łatwo jak z porowatej skały zbiornikowej. Potrzebny jest zaawansowany cracking i jeszcze jeden trudny proces. Szczelinowacenie to jak rozpieranie kawałka drewna dłutem. Wystarczy dość głęboko sięgnąć narzędziem w szczapę, a ta rozchyli się na stałe. W przypadku łupków nie jest tak prosto. Cracking daje tu taki efekt jak robienie dziurek w twardej dębinie małym gwaoździkiem. Po to żeby te dziurki nie zakleszczyły się z powrotem, trzeba je „oszlifować” i jednocześnie nieco poszerzyć. Temu służy ługowanie polegające na wprowadzaniu pod wielkim ciśnieniem do skały łupkowej „wzbogaconej” wody. Rodzaj tego „wzbogacenia” jest ściśle chronioną tajemnicą przemysłową amerykańskich i kanadyjskich firm, ale wiadomo, że mogą to być także związki chemiczne.

To Polak ustalił granicę

„Rejon łupkowy” ciągnie się w Polsce ukośnym pasem od środkowego wybrzeża po południowo-wschodnie krańce. Można byłoby sądzić, że łupki osadzały się równo przyciętym zagonem, ale byłby to błędny wniosek. Od Półwyspu Jutlandzkiego do Morza Czarnego, a więc także przez Polskę od Kołobrzegu po Przemyśl ciągnie się uskok Teisseyre’a-Tornquista oddzielający tzw. Europę paleozoiczną po zachodniej stronie, która wiele razy była dnem mórz, od wielkiej tarczy krystalicznej po wschodniej stronie.

Tarcza ta trwa od wielu miliardów lat, podnosiła się i opadała, niekiedy zalewały ją morza, więc w niektórych miejscach przykryta jest skałami osadowymi. Przy uskoku Teisseyre’a-Tornquista warstwy skał osadowych, już dobrze pomieszane, raz „spadały” wiele kilometrów w dół, a raz były wypychane ku powierzchni. To co jest „łupkowym” paskiem na mapie to tylko opierający się o tarczę prekambryjską fragment (zwany przez geologów wychodnią) wyniesiony blisko powierzchni. Pasek łupkowy rysowany na mapach to tylko fragment wyniesiony najwyżej.

Teisseyre z nazwy przebiegającego ukośnie przez Polskę uskoku to Polak o imionach Karol, Wawrzyniec. Żyjący w latach 1860-1939 profesor paleontologii i geologii Politechniki Lwowskiej, współodkrywca rumuńskich złóż ropy naftowej, ale przede wszystkim utrwalony w encyklopediach jako odkrywca przebiegu wielkiej, europejskiej strefy rozłamowej. Niemiecki profesor z Królewca Alexander Tornquist potwierdził jedynie na początku XX wieku ustalenia prof. Teisseyre, ale na Zachodzie jest bardziej znany zwłaszcza, że bardzo często w nazwie uskoku pomija się nazwisko Polaka lub stawia je na drugim miejscu. To à propos naszych ciągłych pretensji do świata. Narzekamy, że nas nie doceniają, ale sami mało dbamy, żeby wiedzieli czym się światu zasłużyliśmy.

Gdzie problemy?

Problemy z eksploatacją gazu łupkowego mają charakter techniczny, finansowy i środowiskowy. Techniczny ma już za sobą pierwsze etapy – Amerykanie potrafią crackować i ługować skałę łupkową kilka tysięcy metrów pod powierzchnią ziemi i umieją to robić na skalę przemysłową. Problem finansowy polega na tym, że technika i technologia są bardzo skomplikowane i drogie – pionowe otwory w ziemi trzeba wiercić w siatce co 100 metrów na głębokość nawet kilku kilometrów. Dopiero taka gęstość zapewnia zwrot kosztów inwestycji – im więcej pionowych odwiertów, z których świdry wiercą potem w poziomie w bok, tym więcej sięgniemy gazu.

Środowiskowe dylematy biorą się więc przede wszystkim z dużego zagęszczenia niezbędnych odwiertów. To mniej przeszkadza na wielkich przestrzeniach USA, a bardziej w gęsto zaludnionej Europie i Polsce, gdzie co kilometr to wioska, przysiółek, łąka, pole uprawne, słup energetyczny, strumyk i sporo cennych obszarów – na szczęście – chronionych. Poza tym, coś trzeba zrobić z płynem ługującym. On nie zostaje w ziemi, bowiem kanaliki w łupkach muszą być puste, żeby mógł się nimi poruszać gaz. Woda zmieszana ze środkiem ługującym (wymywającym) musi więc zostać wydobyta i zutylizowana, a obecność w niej chemikaliów utrudnia to i wzbudza niechęć do całego przedsięwzięcia. Niebezpieczeństwo skażenia wody jest więc znacznie mniejsze, niż się to przedstawia.

Tu dochodzimy do kwestii potężnego lobbingu z bardzo różnych stron. Hitem jest w internecie obrazek pokazujący jak z kranu w kuchni amerykańskiego domu bucha ogień. Filmik jest prawdziwy, jednak kłamliwy. Nikt nie informuje widzów, że nikogo to w tej okolicy nie dziwi, ponieważ przyczyny są znane (tuż pod powierzchnią ziemi są tam duże zasoby gazu konwencjonalnego, który przez pory w skale samodzielnie migruje i przedostaje się także do podziemnych cieków wodnych oraz do sieci wodociągowej). Nikt też nie uprzedza, że „reżyser” filmu zapomniał ukazać zapałkę przytkniętą do kranu, co sugeruje, że człowiek zamiast wody może nabrać w dłonie ogień.

Gaz łupkowy jest potężnym wrogiem Gazpromu i Rosji. Już dziś interes na gazie rosyjskim jest znacznie gorszy, niż przewidywano wcześniej nawet w najmniej korzystnych scenariuszach. A trzeba pamiętać, że Gazprom to dla Rosji podstawowy dostawca dochodów.

Gaz łupkowy szkodzi interesom sektora energii odnawialnej – ciągle bardzo drogiej, deficytowej i szczodrze dotowanej z podatków. Wiatraki, generatory, panele fotowoltaiczne, dotacje do produkcji i piece do spalania biomasy kosztują rocznie setki miliardów dolarów i nikt łatwo nie pogodzi się z nową konkurencją dla tego biznesu.

W Polsce mamy także bardzo silne lobby węglowe. Sami brudzą, w dziurach przez nich wydrążonych zagłębiają się całe miasta, ale już niektórzy z tego lobby jojczą, jakim to świństwem jest ten łupkowy gaz. We Francji pojawiły się zakazy dotyczące hydrocrackingu. Daje o sobie znać potęga tamtejszego lobby atomowego.

Nie ma już żadnych wątpliwości, że gaz łupkowy w Polsce jest. Trzeba trzymać kciuki, żeby było go jak najwięcej, żeby nadawał się do relatywnie łatwego, opłacalnego i bezpiecznego wydobycia. Przed Polską i Polakami staje zadanie rozważnego rozsądzania spraw i działania.

Z jednej strony nie wolno zapominać, że Ignacy Łukasiewicz zbierał pierwszą ropę naftową z kałuż, które wybijały samorzutnie na Podkarpaciu, a dziś wydobywa się ją spod dna bardzo głębokich i burzliwych mórz i oceanów. Pojęcie złóż konwencjonalnych zmienia się więc wraz z upływem czasu, a czas biegnie coraz szybciej, żeby przegonić mknący sprintem postęp techniczny.

Trzeba więc zmierzyć koszty i korzyści pamiętając, że coraz nam droższe, bo coraz szczuplejsze jest środowisko naturalne. Przy tym wszystkim nie powinniśmy poddawać się manipulacji z zewnątrz i wewnątrz. I nie jest to przestroga na wyrost.


Tagi


Artykuły powiązane