Potencjalne oddziaływanie na środowisko na poszczególnych etapach prac
Charakter i intensywność oddziaływania procesu wydobycia gazu łupkowego na poszczególne elementy środowiska wynika bezpośrednio z zastosowanych technologii i jest zmienna na różnych etapach pracy. W procesie wydobycia gazu łupkowego wyróżnia się kolejne etapy projektu:
- prace przygotowawcze,
- wiercenie otworów,
- zabiegi stymulacji złoża (szczelinowanie hydrauliczne),
- przygotowanie do eksploatacji,
- eksploatacja (wydobycie gazu z otworów),
- likwidacja otworów i rekultywacja terenu.
Na każdym z wyżej wymienionych etapów prac występuje inny rodzaj i zakres potencjalnego oddziaływania na środowisko, a dla każdego z nich stosuje się inne procedury oceny i minimalizacji. Dla tego typu działań istotne jest, że prace w kolejnym etapie zależą od wyników poprzedniego etapu i sposobu ich prowadzenia. Ponadto w miarę postępu prac dochodzi do akumulacji niektórych oddziaływań, które mogą być kontynuowane nawet po zakończeniu działania.
Etap prac przygotowawczych
Faza poszukiwawcza obejmuje działania związane z budową zakładu.
Na wczesnym etapie rozwoju technologii w Stanach Zjednoczonych (druga połowa XX wieku), konieczność stosowania gęstej siatki wiertniczej była uważana za jeden z głównych problemów środowiskowych. Przyczyniło się to do wykluczenia z użytkowania dużych obszarów ziemi, a także oddziaływań wynikających z intensywnego transportu kołowego pomiędzy poszczególnymi obszarami eksploatacji. W Europie, gdzie średnia gęstość zaludnienia jest dwukrotnie wyższa niż w Stanach Zjednoczonych (w Polsce prawie czterokrotnie), problem ten byłby jeszcze bardziej zauważalny.
Obecnie obszar, na którym prowadzone są operacje na powierzchni terenu, waha się zazwyczaj od 2 do 4 hektarów, a zastosowanie wierceń kierunkowych pozwala na wydobycie gazu z obszaru 500 razy większego niż obszar zajmowany na terenie zakładu. Coraz skuteczniejsze techniki wierceń kierunkowych pozwalają obecnie na eksploatację odcinków o długości ponad 3 km, dzięki czemu zbiornik jest dostępny w wielu kierunkach, bez zajmowania tego samego obszaru na powierzchni. Zmniejsza to uciążliwość związaną z wydobyciem gazu łupkowego, znaną z wczesnych doświadczeń amerykańskich.
Etap prac przygotowawczych, podczas którego budowana jest infrastruktura zakładu górniczego, ma kluczowe znaczenie dla bezpiecznej 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 powszechną praktyką jest pokrywanie powierzchni ziemi nieprzepuszczalną folią i płytami betonowymi. Organiczna warstwa gleby jest zazwyczaj usuwana i zwijana wokół miejsca uprawy, co dodatkowo tworzy barierę ochronną.
Ze względu na konieczność transportu znacznej ilości sprzętu niezbędnego do pracy, często budowane są również drogi dojazdowe.
Etap wiercenia otworów
Etap wiercenia trwa zazwyczaj kilka miesięcy, ale w fazie eksploatacji wykonuje się zazwyczaj kilka otworów w dwóch rzędach w jednym miejscu, w siatce co kilka metrów. Wszystkie otwory, o odcinkach poziomych w różnych kierunkach, wiercone są jeden po drugim za pomocą tego samego zainstalowanego urządzenia wiertniczego, które jest przemieszczane w tym obszarze. Prace prowadzone są w trybie ciągłym, co może być uciążliwe dla mieszkańców (oświetlenie, hałas), jeśli znajdują się w pobliżu budynków mieszkalnych.
Uciążliwości te są skutecznie ograniczane przede wszystkim poprzez zlokalizowanie terenu pod urządzeniem wiertniczym jak najdalej od budynków, przy użyciu naturalnych barier i ekranów akustycznych.
W warunkach polskich wiercenia w poszukiwaniu gazu łupkowego prowadzone są do głębokości od 3,0 do ponad 5,0 km. Są to głębokości głębsze niż średnie głębokości wiercenia w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie: Barnett Shale: 2,1-2,7 km, Marcellus Shale: 1,8-2,1 km (Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer, Amerykański Departament Energii, kwiecień 2009 r.). Znaczne głębokości występowania formacji zbiornikowych z jednej strony zwiększają koszty prac i wydłużają czas ich trwania, ale z drugiej strony są czynnikiem zwiększającym bezpieczeństwo eksploatacji gazu, zapewniającym lepszą izolację eksploatowanych formacji od poziomu wody pitnej i powierzchni terenu.
Niezależnie od głębokości i celu wiercenia, kluczową kwestią z punktu widzenia minimalizacji oddziaływania na środowisko jest prawidłowa budowa i wykonanie odwiertów, co powinno skutecznie wyeliminować możliwość przenikania płynów technologicznych i gazu do górotworu, w tym przede wszystkim do warstw wodonośnych. Podczas wykonywania odwiertów horyzonty wodonośne izolowane są kolumnami rur okładzinowych, zacementowanych w całym przejściu. Dzięki odpowiedniej konstrukcji odwiertu, potwierdzonej badaniami szczelności cementowania, ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych przez migrację płynów technologicznych lub gazu wzdłuż pionowego odcinka otworu jest praktycznie wyeliminowane.
Głównym etapem projektu, dzięki któremu możliwe jest wydobycie gazu z formacji łupkowych, jest wykonanie zabiegów stymulacji złoża. Na obecnym etapie rozwoju technologii powszechnie stosowane jest szczelinowanie hydrauliczne, polegające na sekwencyjnym wtrysku pod wysokim ciśnieniem do poziomego odcinka otworu płynu technologicznego (tzw. płynu szczelinującego) wraz z propantem (materiałem bazowym). Wtryskiwany płyn tworzy gęstą sieć drobnych pęknięć w skale, które dzięki zastosowaniu materiału wsadowego (odpowiednio dobrany piasek lub granulat ceramiczny) nie zaciskają się i tworzą ścieżki przepływu gazu.
Płyn szczelinujący powstaje na bazie wody (ok. 99,5%), do której dodawane są dodatki chemiczne mające na celu optymalizację procesu szczelinowania, w tym w szczególności zmniejszenie tarcia wewnętrznego płynu, zmniejszenie lepkości i zapobieganie pęcznieniu hydrofilowych minerałów ilastych. Wśród dodanych środków znajdują się również substancje bakteriobójcze, mające na celu wyeliminowanie bakterii, które m.in. mogą być wstrzykiwane do otworu wiertniczego podczas wiercenia oraz zapobiegające korozji rur. Stosowane są również środki żelujące, dzięki którym propan może być transportowany z cieczą i nie opada na dno otworu, dzięki czemu nie zatyka go. Po zabiegu szczelinowania część płynu szczelinującego, zwanego płynem powrotnym, odzyskiwana jest na głowicy odwiertu, a następnie wypuszczana jest na powierzchnię wraz z gazem uwolnionym z formacji.
Wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne, wykonywane kolejno we wszystkich odwiertach wykonywanych na terenie zakładu górniczego, które jest skomplikowaną i zaawansowaną technologicznie procedurą, niesie ze sobą potencjalne zagrożenia dla środowiska.
Hałas i emisja gazów i pyłów do atmosfery, związane z pracą wysokowydajnych agregatów prądotwórczych, silników i pomp pomp, są krótkotrwałą uciążliwością, którą można zminimalizować w sposób zbliżony do etapu wiercenia.
Ryzyko związane z możliwością przedostania się zanieczyszczeń do gruntu i płytkich wód gruntowych jest skutecznie ograniczone poprzez uszczelnienie wspomnianej już folii i płyt betonowych powierzchni gruntu w strefie w bezpośrednim sąsiedztwie otworu, gdzie prowadzone są prace związane z przygotowaniem i wtłaczaniem płynu szczelinującego i paliwa, substancji chemicznych oraz składowisk odpadów. Dodatkowo wykorzystywany jest system odprowadzania wód opadowych z terenu wiertni (drenaż, rowy taśmowe, zbiorniki drenażowe).
W analizie ryzyka zanieczyszczenia wód podziemnych w wyniku zabiegów szczelinowania hydraulicznego nie można pominąć ewentualnej możliwości przedostania się płynu szczelinującego lub gazu z poziomego odcinka otworu. Taka sytuacja może wystąpić w przypadku niekontrolowanej reakcji górotworu, np. odblokowania stref przemieszczeń o dużym zasięgu. Biorąc jednak pod uwagę znaczną głębokość występowania formacji łupkowych (co najmniej 3 km), przy średnim zasięgu propagacji wytworzonych szczelin ok. 100 m, a także występowanie w nadbudówce wielu warstw utworów wysoce nieprzepuszczalnych, stanowiących skuteczną izolację, wydaje się praktycznie niemożliwe, aby zanieczyszczenia przedostały się w ten sposób do warstw wodonośnych, występujących na głębokości do 300 m od powierzchni ziemi.
Teoretycznie ingerencja w górotwór, polegająca na wtłoczeniu dużej ilości płynu, może spowodować reakcję w postaci przemieszczenia górotworu, zwłaszcza w strefach predysponowanych, takich jak wcześniejsze przemieszczenia i strefy tektoniczne. Takie przemieszczenia na powierzchni terenu mogą przejawiać się w postaci odczuwalnych drgań lub wstrząsów sejsmicznych. Wibracje sejsmiczne mogą być również wywołane przez wstrzyknięcie płynu szczelinującego. Taka sytuacja miała miejsce w Blackpool w Wielkiej Brytanii, gdzie po szczelinowaniu hydraulicznym odnotowano wstrząsy o rozmiarach 1,5 i 2,3. Należy jednak zauważyć, że wstrząsy sejsmiczne powstające w wyniku szczelinowania hydraulicznego występują rzadziej niż w innych dziedzinach działalności człowieka, takich jak górnictwo, geotermia i konwencjonalne wydobycie ropy naftowej i gazu. Zagrożenie takie może wystąpić szczególnie w obszarach współczesnej aktywności sejsmicznej. Cały obszar Polski jest jednak uznawany za tektonicznie stabilny, dlatego też ryzyko wywołania jakiejkolwiek aktywności sejsmicznej w wyniku operacji szczelinowania hydraulicznego jest znikome.
Nie oznacza to jednak, że powinno być ono całkowicie ignorowane. Obserwacje sejsmiczne powinny być prowadzone podczas kolejnych zabiegów stymulacyjnych co najmniej do momentu rozpoznania reakcji sejsmicznych górotworu w poszczególnych obszarach eksploatacyjnych.
Etap przygotowania do eksploatacji gazu
Etap przygotowania do produkcji obejmuje demobilizację urządzeń służących do stymulacji złoża, gospodarkę odpadami oraz budowę instalacji odbiorczych i przesyłowych gazu. Jest to faza przejściowa pomiędzy udostępnieniem złoża do eksploatacji a jego zagospodarowaniem.
W odwiertach prowadzone są testy gazowe, które mają na celu określenie przewidywanego przepływu gazu na etapie wydobycia. Instalowane są głowice odbiorcze gazu i tworzona jest infrastruktura przesyłowa. Na tym etapie likwidowane są również zbiorniki wodne i inne elementy infrastruktury zakładu górniczego, które nie będą wykorzystywane w fazie eksploatacji. Ze względu na konieczność transportu dużej ilości urządzeń, na tym etapie intensyfikowany jest transport kołowy, co może być uciążliwe dla mieszkańców.
Wydobycie gazu ze złoża niekonwencjonalnego, udostępnionego przez kilka odwiertów poziomych, może być prowadzone przez kilkadziesiąt lat. Etap ten w żaden sposób nie odbiega od analogicznego etapu prac związanych z wydobyciem gazu ze złoża konwencjonalnego (obecnie w Polsce eksploatowanych jest 199 z 285 udokumentowanych złóż gazu konwencjonalnego – Bilans zasobów mineralnych w Polsce, 2012 r.).
Powierzchnia terenu potrzebna do wydobycia jest znacznie mniejsza niż w poprzednich etapach prac i zazwyczaj ogranicza się do bezpośredniego sąsiedztwa głowic odwiertów. Muszą istnieć złoża płynów eksploatacyjnych, które mogą być wydobywane z odwiertów razem z gazem, a w niektórych przypadkach kolektory zbierające gaz przed wprowadzeniem go do sieci przesyłowej. Pozostały obszar może zostać przywrócony do poprzedniego użytkowania.
W trakcie eksploatacji woda złożowa może być również zbierana równolegle z wydobyciem gazu. Ciecze eksploatacyjne wydobywające się ze złoża muszą być odpowiednio gromadzone i zagospodarowane. Istotną kwestią, często podnoszoną przez organizacje ekologiczne, jest potencjalna emisja gazu migrującego w strefie przyodwiertowej, zwłaszcza jeśli z czasem dojdzie do wycieku z otworu zabezpieczającego w rurze i cementu. Ponieważ może to stanowić poważne zagrożenie dla środowiska, jakość ochrony odwiertu powinna być monitorowana przez cały okres eksploatacji.
Etap rekultywacji terenu
W ostatnim etapie, po zakończeniu eksploatacji, otwory są zamykane, a teren jest rekultywowany. Jego celem jest przywrócenie pierwotnej funkcji tego terenu. Prace prowadzone są w taki sam sposób, jak w każdej innej działalności górniczej. Ważnym elementem jest ocena możliwych zmian geochemicznych w gruncie oraz stopnia degradacji gleby na skutek utraty materii organicznej i zagęszczenia podłoża na skutek długotrwałego obciążenia infrastruktury zakładu górniczego.
