Technologia wydobycia gazu łupkowego

Ten tekst służy przedstawieniu podstawowych informacji na temat metod wydobywania gazu łupkowego. Ma być on zatem wstępem do dalszych badań, prowadzonych przez zainteresowanych tym tematem czytelników, np. w zaawansowanych publikacjach geologicznych czy technicznych. Jest on pomyślany jako „esencja” tematu dla czytelnika nie obeznanego profesjonalnie z omawianymi zagadnieniami.

Przemysł wydobywczy od wielu lat miał świadomość występowania tzw. niekonwencjonalnych złóż różnego rodzaju surowców, w tym węglowodorów takich jak ropa naftowa czy gaz ziemny. Łupki, jako miejsce zalegania zasobów, są po prostu jednym z właśnie takich niekonwencjonalnych źródeł. Barierą dla ich wykorzystania na szeroką skalę był jednak dotąd brak odpowiednich technologii. Mniej więcej na początku obecnego stulecia rozpoczęto jednak na świecie wydobycie m.in. gazu ziemnego z łupków, prym wiodą w tym Stany Zjednoczone, gdzie ze względu na rosnącą szybko podaż surowców ze źródeł niekonwencjonalnych zaczęto wręcz mówić o „łupkowej rewolucji” (przyczynia się ona bowiem do zmian tradycyjnych zasad funkcjonowania globalnego rynku surowców energetycznych: USA, dotąd ogromny importer np. ropy naftowej, mają się w kolejnych latach stać w dużo większym stopniu samowystarczalne, a nawet mogą przekształcić się w eksportera, co staje się poważnym wyzwaniem dla dotychczasowych dostawców nośników energii dla Stanów Zjednoczonych).

Po określeniu, że na danym obszarze jest gaz w łupkach i po dokonaniu prac przygotowawczych (jak dostosowanie terenu do mających nastąpić wierceń czy sprowadzenie sprzętu i ekipy pracowników) wykonywany jest odwiert (pionowo w dół). Gdy wiercenie dotrze do skał bogatych w surowiec, następuje nawiercanie poziomo (w bok – jest to w przypadku łupków konieczne, aby pozwolić zawartym w nich zasobom na wydostanie się; inaczej jest w przypadku złóż konwencjonalnych, gdzie wiercenie pionowo w zasadzie wystarczy, nie ma kolejnych „barier” przez które trzeba przedostać się do samego np. gazu). Do wykonanego otworu wkładana jest następnie rura, oddzielająca go od otoczenia i pełniąca funkcję zabezpieczającą. Otwór jest też uszczelniany cementem. Potem do poziomego odcinka odwiertu wprowadzane jest urządzenie zwane „działem perforacyjnym”, którego celem jest wykonanie drobnych otworów w rurze, przez które zgromadzony wokół niej gaz ma się dostawać do odwiertu i móc potem udać się na powierzchnię (działo zawiera ładunki wybuchowe, które tworzą wspomniane dziury). Do wykonanego odwiertu wlewany jest pod dużym ciśnieniem płyn szczelinowy. Jego zadaniem jest dodatkowe udrożnienie skały, poszerzenie już stworzonych pęknięć (szczelin) i rozpoczęcie nowych, a tym samym zwiększenie możliwości wypływu zawartości do odwiertu. Gdy ten proces jest zakończony, możliwe jest pozyskiwanie np. gazu ze złoża niekonwencjonalnego. Dzięki infrastrukturze na powierzchni odwiertu dokonywane jest jego zmagazynowanie i wpuszczenie do systemu gazociągów, doprowadzających go do odbiorców (firm, osób prywatnych, itp.).

Płyn szczelinujący to przede wszystkim woda i piasek. Piasek ma dostać się do wytworzonych w skale łupkowej szczelin i zapobiegać ich ponownemu zamknięciu, które znów zatrzymałoby gaz w środku. Oprócz tego w płynie zawarte są też środki chemiczne, które ułatwiają tworzenie pęknięć podczas szczelinowania czy też niszczą znajdujące się w skale bakterie. Te środki to np. kwas solny, aldehyd glutarowy czy formamid.

Pod koniec 2012 r. pojawiły się w mediach doniesienia o opracowywanej polskiej technologii szczelinowania hydraulicznego, w której zamiast płynu stosuje się dwutlenek węgla – najpierw w postaci płynnej, potem zaś (w odwiercie) przekształcający się w fazę gazową. CO2 ma wypychać gaz ziemny ze szczelin i tym samym umożliwiać jego podążanie przez odwiert na powierzchnię.

Na przełomie 2011 i 2012 r. amerykańska firma naftowa Shchlumberger rozpoczęła prace wydobywcze w oparciu o stworzoną autorską metodę Hiway. Różni się ona nieco od „klasycznego” szczelinowania hydraulicznego. Płyn szczelinujący nie jest wlewany raz, tylko kilkakrotnie (wtrysk pulsacyjny), co pozwala na stworzenie większej ilości pęknięć, sięgających dalej. Oprócz płynu szczelinującego wprowadza się naprzemiennie do odwiertu także włóka rozpuszczalne, które poprawiają wydajność działań.

Istotną kwestią związaną z wydobyciem zasobów naturalnych jest ocena potencjału danego złoża. Powszechnie wykorzystywaną w tym celu metodą jest System Zarządzania Zasobami Paliwowymi (PRMS, z ang. Petroleum Resources Management System). Ogłoszony on został w 2007 r., jest efektem prac prowadzonych przez kilka międzynarodowych organizacji branżowych z sektora wiertniczego. Przy użyciu tej metody wykorzystuje się dane takie jak rozmiary złoża, przepuszczalność skał, grubość warstw o zawartości substancji organicznej pow. 2%, typ i stopień dojrzałości tejże substancji. Można też jednak wykorzystywać inne podejście, takie jak metoda probabilistyczna, która oprócz podejścia stricte geologicznego obejmuje także inne¹.   

Wydobywanie gazu łupkowego, czy też szerzej „niekonwencjonalnego”, będzie zawsze ściśle związane z kosztami koniecznych prac. Jeżeli dotarcie do złoża okaże się nieopłacalne, zostanie porzucone. Postęp technologiczny w zakresie wydobycia będzie mieć tutaj zatem znaczenie kluczowe.