KATEDRA MECHANIKI I INFORMATYKI STOSOWANEJ
Wydział Mechaniczny, Wojskowa Akademia Techniczna
00-908 Warszawa, ul. Gen. Witolda Urbanowicza 2
tel.: +48 261 83-98-49, fax: +48 261 83-93-55, e-mail: kmiis@wat.edu.pl




Strona główna

Historia
Skład zespołu

Oferta Współpracy
Współpraca naukowa
Badania
Publikacje
Laboratorium

Studia I stopnia
Studia II stopnia
Studia III stopnia

Pliki do pobrania

Galeria

Prezentacja

Powrót do strony głównej


Zastąpić wodę - nowe metody szczelinowania


Szczelinowanie hydrauliczne jest obecnie najpopularniejszą metodą eksploatacji gazu i ropy z formacji łupkowych. To dzięki jej zastosowaniu stało się w ogóle możliwe wydobycie węglowodorów ze złóż niekonwencjonalnych. Mimo wielu zalet szczelinowanie hydrauliczne budzi wiele kontrowersji związanych m.in. ze znacznym poborem wód potrzebnych do zabiegu. Opór organizacji ekologicznych oraz obawy lokalnych społeczności skłaniają do poszukiwania nowych, bardziej efektywnych i przyjaznych środowisku metod.

Szczelinowanie z użyciem wody

Technika szczelinowania hydraulicznego została opracowana już w latach 40-tych XX wieku jako zabieg intensyfikacji wydobycia w złożach konwencjonalnych. Polega ona na tłoczeniu do odwiertu pod dużym ciśnieniem wody, podsadzki (proppantu) oraz dodatków chemicznych. Celem zabiegu jest wykonanie siatki szczelin w złożu, które ułatwią dopływ węglowodorów do odwiertu. Proppant, czyli najczęściej piasek, uniemożliwia szczelinom ponowne zaciśnięcie się po zaprzestaniu tłoczenia i odpuszczeniu ciśnienia. z kolei dodatki chemiczne pełnią wiele funkcji – od zagęszczającej (zamieniają wodę w żel, aby była dobrym nośnikiem proppantu), poprzez redukującą tarcie, zapobiegającą korozji, po bakteriobójczą.

Dopiero po kryzysach naftowych w latach 70-tych XX wieku i wzrostach cen ropy naftowej i gazu ziemnego zainteresowano się złożami niekonwencjonalnymi, których eksploatacja wcześniej była ekonomicznie nieopłacalna. Skały, w których znajdują się węglowodory, charakteryzują się wielokrotnie niższą przepuszczalnością (warunkującą zdolność do pozyskania surowców) niż w przypadku złóż konwencjonalnych. Do złóż niekonwencjonalnych zaliczają się m.in. złoża w formacjach łupkowych (shale), czy typu ściśniętego (tight).

Aby wydobyć ropę lub gaz ze złóż niekonwencjonalnych, zaczęto stosować na większą skalę technikę szczelinowania hydraulicznego oraz wykorzystano odwierty kierunkowe (w tym horyzontalne). Sukcesy osiągnięte na tym polu pod koniec lat 90-tych XX-go wieku spowodowały tzw. „rewolucję łupkową” w Stanach Zjednoczonych. Jednak metoda szczelinowania wymaga znacznych ilości wody (średnio 10-30 tys. m3 na jeden zabieg), co budzi społeczny opór. z drugiej strony, metoda ta przyniosła ogromne zyski gospodarce amerykańskiej, co skłoniło wiele państw, w tym Polskę, do poszukiwań złóż niekonwencjonalnych na swoim obszarze.

Jednak każda formacja łupkowa ma swoją specyfikę i techniki stosowane w Stanach Zjednoczonych okazały się nie do końca optymalne w innym miejscu. Okazuje się, iż w wielu polskich formacjach łupkowych występują minerały ilaste, które pod wpływem tradycyjnego płynu szczelinującego (sporządzanego na bazie wody) pęcznieją i zawężają powstałe szczeliny, utrudniając tym samym dopływ gazu lub ropy do odwiertu. Co więcej, niektóre obszary, ze względu suchy klimat i niedobór wody, wręcz uniemożliwiają stosowanie standardowych zabiegów szczelinowania. Dla przykładu- znaczna część chińskich zasobów gazu i ropy z formacji łupkowych znajduje się na obszarze kotliny Tarymskiej i jednej z największych pustyń świata – Takla Makan. Wszystkie te czynniki determinują poszukiwania nowych technik szczelinowania bez użycia wody.

Szczelinowanie z użyciem CO2

Pierwszą z omawianych substancji i jednocześnie, obok LPG, najbardziej intensywnie badaną pod kątem zastąpienia wody, jest dwutlenek węgla - CO2. Choć w normalnej temperaturze i ciśnieniu jest to gaz, to w warunkach panujących w odwiercie, na głębokości większej niż 1000 metrów (wysokie ciśnienie i temperatura), przechodzi on w tzw. stan „nadkrytyczny” (supercritical), będący fazą pośrednią pomiędzy stanem ciekłym a gazowym. Ponadto, wygodną w transporcie i powszechnie wykorzystywaną postacią dwutlenku węgla jest ciecz. Stan ten osiąga CO2w niskiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu. Wszystkie z wymienionych postaci są w różnym stopniu perspektywiczne pod kątem wykorzystania w zabiegach szczelinowania.

Rozpoczęcie badań nad użyciem dwutlenku węgla podczas zabiegów szczelinowania hydraulicznego miało miejsce już w latach 70-tych XX-go wieku w Stanach Zjednoczonych. Tamtejsza firma Frac Master w 1982 roku wykonała pierwsze szczelinowania z użyciem substancji oraz materiału podsadzkowego (piasku) w celu intensyfikacji wydobycia węglowodorów ze złóż konwencjonalnych. Wyniki 85% spośród ponad 40 zabiegów przyniosły wzrost wydobycia, który wynosił nawet 50%.

Do roku 1987 w Kanadzie wykonano ok. 450 szczelinowań z użyciem ciekłego dwutlenku węgla. Każdorazowo zużywano średnio 100-200 ton ciekłego gazu (2-4 cystern). Jednocześnie uzyskano średnio 56% wyższą wydajność w porównaniu do ciekłego azotu, testowanego na tych samych obszarach. z drugiej strony ok. 95% zabiegów wykonano na głębokości mniejszej niż 2500 metrów.

Pomimo technicznych sukcesów metoda okazała się zbyt kosztowna, co skutkowało bankructwem firmy Frac Master na początku lat 90-tych oraz prawie całkowitym zaniechaniem badań. Miał na to wpływ również prekursor techniki szczelinowania – George P. Mitchell – który w połowie ostatniej dekady XX wieku osiągnął swój sukces, dzięki użyciu wody, zarzucając jednocześnie prace nad innymi cieczami szczelinującymi. Jego metodę powielono wkrótce na większą skalę, przyczyniając się do tzw. „łupkowej rewolucji”. Goniąc za szybkim zyskiem zaniechano rozwój innych technik, które mogłyby być bardziej efektywne w długim terminie.

Dopiero w pierwszej dekadzie XXI wieku część firm powróciła do pomysłu wykorzystania ciekłego dwutlenku węgla. Jak na razie metoda sprawdza się przy stosunkowo płytkich złożach o niewielkich ciśnieniach oraz na obszarach suchych. Na większą skalę eksploatacja prowadzonajest w stanie Wyoming, gdzie istnieją nawet instalacje rozprowadzające dwutlenek węgla do odwiertów.

Firmą, która specjalizuje się w wykorzystaniu ciekłego CO2w zabiegach szczelinowania jest Linde Oil and Gas Services, należąca do światowego lidera w branży gazów technicznych Linde AG (obecnego również w Polsce pod nazwą Linde Gaz Polska). Odbiera ona dwutlenek węgla z zakładów przemysłowych takich jak elektrownie, czy producenci nawozów.

Najczęściej stosowaną techniką jest użycie tzw. płynów szczelinujących energetyzowanych (energizedfluids), na bazie wody z dodatkiem ciekłego gazu (dwutlenku węgla lub azotu). w zależności od stężenia CO2płyn jest cieczą (do 52% gazu) lub pianą (powyżej 65% gazu). Sprężony i ciekły dwutlenek węgla mieszany jest pod ciśnieniem z wodą. Po zatłoczeniu do odwiertu, pod wpływem wzrostu temperatury, CO2na powrót zamienia się w gaz, zwiększając przy tym swoją objętość. Oprócz mechanicznego tworzenia szczelin, pełni on również wiele funkcji, począwszy od stabilizatora pH i środka powierzchniowo czynnego, a kończąc na rozpuszczaniu spoiwa węglanowego (w reakcji z wodą tworzy kwas węglowy), co skutkuje lepszym przepływem medium złożowego.

Zwolennicy zabiegów z użyciem ciekłego CO2twierdzą, że metoda ta wcale nie jest droższa niż szczelinowanie z wykorzystaniem wody. Wynikać to ma przede wszystkim z braku konieczności odbierania i utylizacji dużych ilości płynu zwrotnego, co przy tradycyjnym szczelinowaniu generuje dodatkowe koszty. Metoda ta zwiększa ilość otrzymanego gazu z odwiertu o 10% w porównaniu do techniki wykorzystującej wodę. Pokrywać ma to ze znacznym naddatkiem wyższe koszty pozyskania dwutlenku węgla oraz prac serwisowych z wykorzystaniem specjalistycznego i nietypowego sprzętu.

Z drugiej strony niezbędne są zarówno wysokociśnieniowe blendery (piaskomieszałki) w celu mieszania cieczy z proppantem (materiałem podsadzkowym), jak i agregaty pompowe o znacznie większej mocy i wydajności, co wynika z użycia gazu, który jest ściśliwy (podczas testów w Kanadzie wymagane było ciśnienie tłoczenia nawet 100 MPa, czyli ok. 4-krotnie więcej niż przy szczelinowaniu z użyciem płynu na bazie wody).

Istotną wadą płynów energetyzowanych jest również mniejsza zdolność do transportu proppantu, co jest skutkiem ich niższej lepkości (szczególnie w przypadku energetyzowanych pian). Problem ten można rozwiązać przy pomocy ultralekkich sztucznych materiałów podsadzkowych o gęstości tylko ok. 1,05 razy wyższej niż nośnika. Chociaż potrzeba ich o ok. 1/3 mniej, to są znacznie droższe od piasku.

Mimo tych wątpliwości oraz ograniczeń w zastosowaniu, metoda zyskuje na popularności. z usług serwisowych firm Baker Hughes, Linde Oil and Gas Services, czy AirLiquide korzystają m.in. firmy Encana i Shell w Kanadzie oraz mniejsi operatorzy w Stanach Zjednoczonych, gdzie ok. 2% szczelinowań wykonywanych jest z użyciem płynów energetyzowanych CO2(głównie w Kolorado, Wyoming i Nowym Meksyku). Przewiduje się, iż w przyszłości w Kanadzie będą one stanowić nawet 40% zabiegów w odwiertach horyzontalnych, a najbardziej perspektywicznymi obszarami są stany Alberta, Kolumbia Brytyjska i Saskatchewan. Niski udział Stanów Zjednoczonych w rynku wynika przede wszystkim z trudności logistycznych przesyłania dwutlenku węgla, braku odpowiedniego sprzętu oraz przyzwyczajeń operatorów i firm serwisowych. Do inwestycji w nowe techniki nie zachęcają również niskie ceny gazu.

Inaczej sytuacja wygląda za oceanami –w Europie i na Dalekim Wschodzie, gdzie gaz ziemny jest znacznie droższy.

Szczególnym przypadkiem jest tu Japonia – kraj ubogi w surowce naturalne i zmuszony do ich importu. Do 2011 roku problem ten rozwiązywały częściowo elektrownie jądrowe, dostarczające ok. 25% energii elektrycznej. Jednak po katastrofie w Fukushimie wszystkie tego typu obiekty zostały zamknięte, a kraj musiał się liczyć z kosztownym zwiększonym importem surowców energetycznych, głównie gazu ziemnego w postaci skroplonej (LNG). Chociaż od 2013 roku ponownie uruchomiono niektóre spośród elektrowni atomowych, kraj stara się znaleźć nowe źródła zaopatrzenia w surowce naturalne.

Jednym z nich okazała się być ropa ze złóż typu ściśniętego w łupkach. Już w kwietniu 2014 roku rozpoczęto wydobycie ze złoża Ayukawa na północy kraju, jak na razie przy zastosowaniu amerykańskiej techniki szczelinowania hydraulicznego. Jednocześnie japońscy naukowcy z Uniwersytetu w Kioto zapowiedzieli podjęcie badań nad zastąpieniem wody przez dwutlenek węgla w przeciągu najbliższych kilku lat. Dotychczas poczynione testy laboratoryjne przyniosły wyniki zachęcające do dalszych prac. Okazało się, iż bardziej skuteczną postacią dwutlenku węgla jest stan nadkrytyczny (7,375 MPa,31ºC) niż stan ciekły. w tej postaci cechuje się m.in. niższą niż w stanie ciekłym lepkością, co pozwala na uzyskanie niższego ciśnienia szczelinowania.

Na postawie wykonanych testów laboratoryjnych japońscy naukowcy wykazali, że wzrost wydajności wydobycia sięgać może nawet 60%, w porównaniu do 15-18% uzyskiwanych przy standardowym zabiegu. Ponadto substancja będąca żelem jest lepszym od gazu nośnikiem proppantu. Także powstająca siatka szczelin ma być gęstsza (szczeliny wielopłaszczyznowe) i sięgać nawet 600 metrów, a płyn zwrotny łatwiej odzyskiwany. Jest to skutkiem tego, że po odpuszczeniu ciśnienia żel na powrót zamienia się w gaz, na miejscu pozostawiając jedynie materiał podsadzkowy (proppant). Główną wadą procesu jest konieczność zastosowania specjalistycznej aparatury, takiej jak wysokociśnieniowe blendery, a także nawet 3-krotnego zwiększenia wydajności tłoczenia cieczy szczelinującej. Związane z tym są dodatkowe koszty, które sięgać mogą 30% kosztów szczelinowania z użyciem wody. Ponadto, płyn szczelinujący w tym przypadku cechuje się mniejszą lepkością, a tym samym i zdolnością do transportu podsadzki. Należy jednak pamiętać, iż właściwe prace badawcze jeszcze się nie zaczęły, a japońskie formacje łupkowe mogą różnić się od amerykańskich.

Swój wkład w badania nad wykorzystaniem dwutlenku węgla ma również Europa, a szczególnie Polska. w 2013 roku naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej ogłosili zgłoszenie do patentu autorskiej techniki szczelinowania z użyciem tej substancji w stanie nadkrytycznym. Jednak na powierzchni dwutlenek węgla miałby być przechowywany oraz tłoczony do odwiertu w stanie ciekłym w temperaturze -34,5ºC. Skutkowałoby to koniecznością wykorzystania pompy kriogenicznej, a także rur eksploatacyjnych lub przewodu elastycznego (Coiled Tubing), które cechowałyby się odpornością na niskie temperatury lub były uprzednio schłodzone. Pod wpływem wzrostu temperatury CO2miałoby w otworze ulec przemianom fazowym, zwiększając swoją objętość i generując ciśnienie szczelinowania.

Dodatkowym mechanizmem, na który zwrócili uwagę naukowcy z WAT, jest wypieranie metanu przez ten gaz. Wynika to z większego ciężaru właściwego dwutlenku węgla oraz zdolności absorpcyjnych skał łupkowych. Podczas kontaktu płynu szczelinującego ze skałą, metan zaabsorbowany przez skały ulega desorpcji, a w zamian absorbowany jest dwutlenek węgla. Po otwarciu zaworów następować ma samoczynny lub wspomagany dopływ gazu do odwiertu. Konieczne jednak byłoby tu użycie separatorów, które oddzielałyby gaz ziemny i dwutlenek węgla.

Mechanizm desorpcji – absorpcji może być również wykorzystany do podziemnego składowania CO2(sekwestracji), a tym samym ograniczyć jego emisję do atmosfery. Byłby to ważny element realizacji polityki klimatycznej Unii Europejskiej. Jednocześnie brak dodatków chemicznych, używanych przy tradycyjnych zabiegach szczelinowania hydraulicznego, mógłby pozytywnie wpłynąć na stosunek opinii publicznej do eksploatacji gazu z formacji łupkowych.

Opracowana technika ma znaleźć zastosowanie również do złóż metanu pokładów węgla kamiennego (Coalbedmethane – CBM). Jak na razie brak jednak jest informacji, nawet teoretycznych, na temat możliwości wydobycia tą metodą ropy naftowej, a sama technika nie była testowana w praktyce. Nie wiadomo również, jak rozwiązano problem zamykania się szczelin po odpuszczeniu ciśnienia płynu szczelinującego, gdyż nie zawiera on podsadzki. Sami autorzy zgłaszają wiele wątpliwości natury technicznej, choć głównym problemem mogą pozostać wysokie koszty zarówno dalszych badań, jak i ewentualnych późniejszych zabiegów. Chociaż wstępne zainteresowanie metodą wyraziły polskie firmy takie jak Polimex-Mostostal, czy Jastrzębska Spółka Węglowa, to do dziś brak jest skutków tych deklaracji.

Jednak polscy naukowcy nie są jedynymi w Europie, którzy zainteresowali się szczelinowaniem z użyciem dwutlenku węgla. w 2014 roku amerykański koncern General Electricogłosił rozpoczęcie prac nad podziemną sekwestracją dwutlenku węgla podczas zabiegów szczelinowania wraz z norweska firmą Statoil. Istotnym elementem projektu jest również opracowanie techniki wyłapywania gazu z płynu zwrotnego w celu jego ponownego użycia. Badania odbywają się w ramach wartego 10 mld dolarów programu „Ecomagination”, który potrwać ma do 2020 roku. Pomimo tak pokaźnych środków, naukowcy z GE przyznają, iż prawdopodobnie sytuacja, w której większość szczelinowań na świecie będzie wykonywana z użyciem CO2nigdy nie zaistnieje. Pozytywnym aspektem badań może być fakt, że rozpoczęto współpracę pomiędzy dwoma kontynentami, która dotychczas była mało owocna.

Technika szczelinowania z użyciem dwutlenku węgla, jak na razie, pozostaje w fazie testowej, nawet w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, gdzie staje się ona coraz bardziej powszechna. Istnieje duża szansa na jej upowszechnienie szczególnie na obszarach mało zasobnych w wodęlub w pobliżu stabilnych dostawców CO2. Barierą pozostają wysokie koszty zabiegów wobec niskich cen gazu oraz trudności logistyczne i brak odpowiedniego sprzętu.

Sytuację może zmienić polityka państw, dążących do ograniczenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Ulgi podatkowe oraz dotacje prawdopodobnie uczyniłyby metodę ekonomicznie opłacalną.

Jakkolwiek należy zdawać sobie sprawę, że przyspalaniu gazu ziemnego zachodzi wielokrotnie niższa emisja zanieczyszczeń niż przy spalaniu ropy naftowej, czy węgla, a eksploatacja tego surowca z formacji łupkowych tylko sprzyja wypieraniu tych źródeł energii i to niezależnie czy z wykorzystaniem wody, czy nie. Do Europy omawiana technika raczej szybko nie zawita, co wynika przede wszystkim z faktu, że brak jest na razie odwiertów produkcyjnych, a złoża pozostają w dużym stopniu nierozpoznane. Dopiero, kiedy to się stanie, będzie można mówić o poszukiwaniu innych metod.

Szczelinowanie z użyciem azotu

Kolejną z bezwodnych lub ograniczających zużycie wody technik jest szczelinowanie z użyciem azotu.

Gaz ten w tradycyjnych zabiegach znajdował pomocnicze zastosowanie już od lat 60-tych XX wieku. Jednak, podobnie jak w przypadku dwutlenku węgla, azot w użycie podczas szczelinowania wszedł dopiero dwie dekady później w Stanach Zjednoczonych. Na większą skalę zabiegi przeprowadzała firma Baker Hughes w latach 80-tych XX wieku, w zalegających płytko (730-1070 m) i wrażliwych na wodę dewońskich łupkach w stanie Ohio. Dziś najczęściej firmy serwisowe łączą ofertę szczelinowania z użyciem dwutlenku węgla oraz azotu, a także ich mieszanek. Liderami rynku pozostają amerykańskie firmy: Linde Oil and Gas Services, Air Liquide, Baker Hughes oraz Halliburton.

Czysty azot używany jest rzadko i najczęściej dodaje się go do energetyzowanych cieczy lub pian. Podobnie jak w przypadku dwutlenku węgla wymaga on transportu pod ciśnieniem oraz w niskiej temperaturze. Dopiero na miejscu wykonywania zabiegu jest on podgrzewany i rozprężany, a następnie tłoczony do odwiertu. Szczelinowanie zazwyczaj przebiega dwuetapowo – najpierw z użyciem samego ciekłego azotu (60% medium szczelinującego) w celu wytworzenia siatki szczelin, a następnie z dodatkiem materiału podsadzkowego (40%).

Do głównych zalet stosowania azotu należy szybsze oczyszczanie odwiertu po wykonaniu, a także niższe koszty pozyskania azotu, który jest głównym składnikiem powietrza atmosferycznego. Zabiegi z użyciem czystego azotu, tudzież mieszanki azotu z dwutlenkiem węgla, są jednak mniej wydajne niż poprzednio omawiana technika. Dodatkowym problemem jest konieczność zastosowania agregatów pompowych o wysokiej wydajności, a także trudność z transportem proppantu przez azot w postaci gazowej. Wszystko to sprawia, iż metoda ta jest mało popularna i znajduje zastosowanie jedynie do płytko zalegających formacji.

Innym sposobem wykorzystania azotu do szczelinowania jest jego postać ciekła. Substancja ta przechodzi w stan ciekły w bardzo niskiej temperaturze wynoszącej od -184ºC do -196ºC. Choć dzięki temu wydajność tłoczenia może pozostać na podobny, jak w przypadku tradycyjnego szczelinowania, poziomie, to trudnością jest dobranie sprzętu o odpowiedniej wytrzymałości na temperaturę (kolektor powierzchniowy i głowica muszą być wykonane ze stali nierdzewnej). Uszkodzeniu mogłyby ulec także rury okładzinowe, stąd niejednokrotnie wymagana jest dodatkowa ich ochrona w postaci rur z włókna szklanego.

Pierwszym etapem zabiegu jest tłoczenie ciekłego azotu. Ze względu na jego ekstremalnie niską temperaturę powoduje on pękanie czoła formacji łupkowej i powstawanie dodatkowych szczelin. Wówczas zatłacza się do odwiertu azot w wyższej temperaturze, a następnie mgłę wodną, która podczas kontaktu ze skałą zamarza na pewien czas. Tworzy przy tym warstwę nieprzepuszczalną dla kolejnej partii ciekłego azotu, która dzięki temu może dostać się w głąb formacji. Technika ta była testowana w latach 90-tych ubiegłego wieku w dewońskich łupkach w stanie Ohio, jednak okazała się być zbyt wymagającą pod względem kosztowo-technicznym do powszechnego zastosowania. Pomimo tego nadal prowadzi się eksperymenty laboratoryjne nad wykorzystaniem ciekłego azotu do szczelinowania, choć, jak na razie, bez zadawalających rezultatów.

Szczelinowanie z użyciem LPG

Szczelinowanie z użyciem LPG wydaje się dziś jedyną z omawianych technik, która ma szanse konkurować z tradycyjnymi metodami wykorzystującymi wodę.

LPG (Liquefied Petroleum Gas), znany w Polsce pod nazwą „propan butan”, to mieszanka gazów propanu i butanu, które pod ciśnieniem 2,2-4 atmosfer przechodzi w stan ciekły. Powszechnie jest on używany m.in. jako paliwo samochodowe. Chociaż na stosunkowo niewielką skalę LPG stosuje się w przemyśle naftowym do zabiegów intensyfikacji wydobycia od ponad 50 lat, to prawdziwy przełom przyszedł wraz z początkiem „łupkowej rewolucji” w Kanadzie.

W roku 2007 tamtejsza firma GasFrac w stanie Alberta zaczęła używać zżelowanego propanu do szczelinowania formacji łupkowych oraz typu ściśniętego (tight). Od tego czasu wykonała już ponad 2000 zabiegów w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, a liczba zamówieńod operatorów stale rośnie. Na rynku zaczęli pojawiać się także inni gracze tacy jak ecorpStim w stanie Teksas.

Rosnące zainteresowanie LPG wynika z korzystnych właściwości substancji. Po pierwsze jest to mieszanina węglowodorów (lub sam propan), więc pozyskiwane medium złożowe (gaz ziemny lub ropa naftowa) doskonale się w niej rozpuszczają. Pozwala to m.in. zwiększać produkcyjność odwiertu w formacjach cechujących się wysokim ciśnieniem kapilarnym. Co więcej, zżelowany (pod ciśnieniem ok. 19 atmosfer) propan umożliwia lepszy transport proppantu, który dociera głębiej niż w przypadku płynu na bazie wody. Substancja wykazuje jednak niższą lepkość i gęstość niż woda, co z jednej strony zwiększa zasięg propagacji szczelin, lecz z drugiej wymusza stosowanie bardzo lekkich i znacznie droższych materiałów podsadzkowych.

Koszty zabiegu są wyższe niż tradycyjnego również ze względu na wymagania sprzętowe – agregaty pompowe o dużej mocy oraz wysokociśnieniowe blendery.

Parametry płynu szczelinującego można polepszyć przez dodanie chemikaliów, jednak, ze względu na opinię społeczną, firmy takie jak GasFrac, czy ecorpStim często z nich rezygnują. Ważnym aspektem jest również czas oczyszczania odwiertu, który w przypadku zżelowanego LPG jest bardzo krótki (nawet do 24 godzin). Wynika to przede wszystkim z faktu, że po odpuszczeniu ciśnienia, przechodzi on na powrót w fazę gazową, zwiększając przy tym objętość i wyporność. Gaz ziemny lub ropa naftowa jest uwalniana z całej powierzchni szczeliny i nie jest blokowana przez płyn szczelinujący, jak ma to miejsce w tradycyjnych zabiegach.

Podobnie jak wcześniej omawiane techniki, zabiegi z użyciem propanu najczęściej stosowane są w przypadku złóż płytkich, wrażliwych na wodę lub na obszarach o jej niedoborze.Co ciekawe GasFrac wykorzystał zżelowany gaz także podczas zabiegów w łupkach głębokiej formacji Utica, do której pod niektórymi względami podobne są polskie formacje. Wzrost popularności propanu nawet w złożach zalegających głębiej, wynikać może z chęci ominięcia, wprowadzonych w kilku stanach, moratoriów na szczelinowanie hydrauliczne.

Upowszechnienie LPG w szczelinowaniu, a także potencjalne zastąpienie płynów na bazie wody, jak na razie, hamowane jest przez względy bezpieczeństwa. Propan okazuje się być gazem wybuchowym, więc podczas zabiegów należy zachowywać najwyższe normy BHP. Nie udało się jednak uniknąć wypadków, czego przykładem mogą być trzy eksplozje w latach 2011-2012, w wyniku których poparzeniom ulegli pracownicy firmy GasFrac. Potencjalne ryzyko dla środowiska może również stanowić wzmożony transport propanu na miejsca szczelinowań.

Jednak pomimo wielu zastrzeżeń, technika szczelinowania z uzyciem LPG wydaje się być bardzo obiecująca.

Metody „niszowe”

Firmy naftowe podczas poszukiwań płynów szczelinujących, które można by stosować w formacjach wrażliwych na wodę, sięgnęły i po alkohol, a konkretnie metanol. Mimo wielu pozytywnych cech tej substancji, takich jak niski współczynnik tarcia powierzchniowego, niska ściśliwość, czy biodegradowalność, niektóre jej właściwości sprawiły, że była w użyciu tylko w latach 1990-2001 m.in. w Argentynie. Główną wadą metanolu jest jego łatwopalność oraz wybuchowość w szerokim zakresie stężeń. Ponadto, stwarza on wysokie ryzyko zatruć niebezpiecznych dla życia i zdrowia ludzkiego. Szalę na niekorzyść substancji przeważyły dodatkowo wyższe koszty niż w przypadku innych alternatywnych metod.

Najstarszym, obok wody, płynem szczelinującym była ropa naftowa. Dziś, choć rzadko, również stosuje się ciecze na bazie oleju skalnego, w formacjach wrażliwych na wodę. Pomimo wielu zalet, związanych z faktem, że zabieg przeprowadza się substancją tożsamą lub bardzo podobną do eksploatowanej, główną przeszkodą w jej częstszym stosowaniu jest wysoka cena surowca oraz wymogi ochrony środowiska.

Połączenie zalet zabiegów z użyciem węglowodorów oraz gazów jest szczelinowanie z użyciem samego gazu ziemnego. w 2012 roku amerykańska firma Expansion Energy opracowała technikę wykorzystującą, schłodzony do temperatury ok. -105 – -112ºC, metan w stanie „metakrytycznym” (CCNG – Cold Compressed Natural Gas). Substancja ta mieszana jest z fazą gazową w celu uzyskania energetyzowanej piany zdolnej do transportu proppantu. Dodatkowym efektem szczelinowania w technice, nazwanej przez pomysłodawców „VRGE”, jest powstanie czołowych spękań w formacji, powstających, podobnie jak w przypadku ciekłego azotu, w wyniku różnicy temperatur. Chociaż firma podaje, iż koszty będą niższe niż w przypadku tradycyjnego szczelinowania, a produktywność wyższa, to dotychczas nie zastosowano metody w praktyce.

Oprócz omawianych technik warto również pamiętać o pierwotnej, bo sięgającej XIX wieku, „gałęzi” zabiegów intensyfikacji wydobycia, jaką jest wykorzystanie materiałów wybuchowych. Dziś tzw. prochowe generatory ciśnienia (propelanty) stanowią istotną część rynku. Istotą ich działania jest wywołanie ciśnienia szczelinowania i propagacja szczelin w wyniku szybkiego spalania paliw stałych (prochowych) – deflagracji. Jednak zasięg ich oddziaływania jest mniejszy niż w przypadku szczelinowania hydraulicznego, a główną wadą pozostaje brak proppantu, który uniemożliwiłby zaciśnięcie się szczelin po zabiegu. Mimo tego cały czas trwają prace nad udoskonaleniem tej techniki, a duże firmy na rynku, takie jak Schlumberger, czy Weatherford, traktują propelanty jako istotny element swoich ofert.

Także w Polsce naukowcy z Politechniki Gdańskiej, w ramach konsorcjum „Polskie technologie dla gazu łupkowego”, pracują nad krajową metodą tzw. „suchego szczelinowania” z użyciem propelantów. Program pod nazwą „Blue Gas – Polski Gaz Łupkowy” dofinansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz Agencję Rozwoju Przemysłu i trwać ma do roku 2022.

Opracowanie interesującej metody szczelinowania ogłosiła z kolei w 2012 roku amerykańska firma serwisowa Chimera Energy. w celu wyeliminowania zużycia wody, miano zastąpić ją ciekłym helem. w pierwszej fazie tłoczony miał być sam gaz, który pneumatycznie generowałby spękania skały. Wówczas tłoczono by substancję w stanie ciekłym. Hel, w wyniku wzrostu temperatury, przechodzi w fazę gazową, zwiększając przy tym objętość ok. 757-krotnie. Dzięki temu powstające szczeliny miałyby większy zasięg, a ciśnienie szczelinowania byłoby niższe niż w przypadku wody. Hel jest jednak gazem rzadko wystepującym w atmosferze, a co za tym idzie - jest drogi. Nie dziwi więc, że firma nie znalazła chętnych na tzw. „suche szczelinowanie”. Po pewnym czasie okazało się, że jej działania miały na celu wykorzystanie łatwowierność inwestorów.

Poza opisanymi metodami wspomnieć by można jeszcze o wielu innych porzuconych projektach i tych znajdujących się dopiero w fazie projektowej. Należą do nich m.in.: szczelinowanie elektryczne, z użyciem plazmy, termiczne, czy mechaniczne. Jednak, co należy podkreślić, tylko nieliczne będą mogły kiedykolwiek konkurować z wodą.

***

Analizując sytuację na rynku nowych technik szczelinowania wyraźnie uwidacznia się dwutorowośćw ich światowym rozwoju. w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie w użyciu jest kilkanaście różnych metod, a nowe cały czas poddawane są praktycznym testom. z kolei reszta świata pozostaje daleko w tyle, a nowe pomysły rzadko wykraczają poza fazę laboratoryjną. Dzieje się tak, mimo że zabiegi szczelinowania wykonywane są na całym globie od przeszło półwiecza. Wynikać to może, choć tylko częściowo, z „łupkowej rewolucji”, która dała pole do doświadczeń na większą skalę.

Niemniej jednak, wraz z rosnącym zainteresowaniem gazem i ropą z formacji łupkowych, kraje dysponujące ich zasobami, włączają się powoli w prace nad nowymi technikami. Szanse na światowy sukces mają za to zabiegi wykorzystujące zżelowany propan, szczególnie tam, gdzie występuje niedostatek wody, a formacje łupkowe są wrażliwe na tę substancję. Pozostałe z omawianych technik raczej poza tę niszę nie wykroczą, a wśród składników płynów szczelinujących długo jeszcze dominować będzie woda.

Autor: Wojciech Labuda - Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH w Krakowie, Wydział Prawa i Administracji Uniwersytetu Warszawskiego, Szkoła Główna Handlowa w Warszawie

Źródło:

http://infolupki.pgi.gov.pl


powrót



Zapraszamy na nasze konto Facebook
Wejdź





Zapraszamy na strony
Konferencji TKI'2018






Zapraszamy na strony
Specjalności Techniki Komputerowe w Inżynierii






Projekt
3D-JAW

Zobacz więcej





Projekt
THERMOTEX

Zobacz więcej





Polskie Stowarzyszenie Mechaniki Eksperymentalnej
Zobacz więcej





Projekt
Konsorcjum DIOX4SHELL

Zobacz więcej



TVP
Gaz łupkowy - film

Kliknij, aby powiększyć
 





Medal
im. Prof. Jana Szmeltera

Zobacz więcej





Projekt STOW
Zobacz więcej





Projekt PROJOINT
Zobacz więcej





Projekt POIG
Zobacz więcej





Współpraca z INSPRO
Zobacz więcej





Zapraszamy na strony
Konsorcjum PanCerMet






Zapraszamy na strony
Konsorcjum PonMat






Zapraszamy na strony
Koła Naukowego Studentów








KMiIS WME WAT 2018 Copyright © 2008-2018 Anna Szurgott