Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza - Eko-DOk

gaz łupkowy, gaz ziemny z łupków, emisja, zanieczyszczenie powietrza
Marcin MAZURCZAK, Izabela SÓWKA, Łukasz PACHURKA,
Piotr SOBCZYŃSKI *
CHARAKTERYSTYKA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ DO
POWIETRZA PODCZAS ROZPOZNANIA ZŁÓŻ GAZU
ZIEMNEGO Z ŁUPKÓW
Celem pracy było dokonanie charakterystyki źródeł emisji w trakcie rozpoznania złóż gazu ziemnego z łupków z jednoczesnym uwzględnieniem etapów tego działania. Dokonano opisu źródeł emisji
podczas prac montażowych, wiertniczych oraz w trakcie szczelinowania hydraulicznego. W artykule
szczególną uwagę poświęcono emisjom powstającym podczas spalania oleju napędowego w silnikach
spalinowych oraz metanowi pojawiającemu się na powierzchni ziemi w trakcie odbioru cieczy powrotnej.
1. WSTĘP
Analizy poziomu zanieczyszczenia powietrza, w tym stężeń pyłów, NO2, SO2, CO,
H2S oraz niektórych węglowodorów alifatycznych i aromatycznych w trakcie rozpoznania
gazu ziemnego z łupków można wykonać w Polsce zgodnie z metodyką referencyjną
zawartą załączniku do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku
w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu [12]. Określenie
poziomu zanieczyszczenia, m.in. na podstawie wyznaczonej wartości emisji, na konkretnym obszarze jest niezbędne w ramach procedury oceny oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko. Według Rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko działania, które są
poszukiwaniem lub rozpoznawaniem złóż kopalin wykonywanym metodą otworów
wiertniczych o głębokości większej niż 1000 m, są klasyfikowane jako prace mogące
__________
* Zakład Ekologistyki, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, Wybrzeże
Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, [email protected]
398
M.MAZURCZAK i in.
potencjalnie znacząco oddziaływać na środowisko i wymagają przygotowania stosownych analiz [13].
W przypadku rozpoznania złóż gazu ziemnego z łupków emisja do powietrza są ściśle
związane z etapem prowadzonych prac. Można zatem wyróżnić następujące fazy realizowanych działań:
 badania sejsmiczne,
 prace montażowe,
 prace wiertnicze,
 szczelinowanie hydrauliczne w odcinku poziomym i pionowym złoża,
 testy produkcyjne.
W pracy przedstawiono charakterystyka emisji zanieczyszczeń dla kluczowych - dla
całego procesu wydobycia gazu ziemnego z łupków - etapów, tj. prac montażowych
wiertniczych oraz szczelinowania hydraulicznego.
2. EMISJA ZANIECZYSZCZEŃ PODCZAS PRAC MONTAŻOWYCH I
WIERTNICZYCH
Działania montażowe są pierwszym etapem prac składających się na wykonanie
otworu badawczego. Na tym etapie budowane są drogi dojazdowe oraz wykonywane są
niwelacje terenu wiertni. Następuje zdjęcie warstwy humusu i wyłożenie obszaru płytami
betonowymi oraz folią PEHD. Jeżeli jest to możliwe, wykonywane są podłączenia do linii
energetycznej lub sieci wodociągowej. W ramach prac montażowych instalowane jest
urządzenie wiertnicze wraz z instalacją paliwową, powietrzną i elektryczną, a także lokalizowane jest zaplecze magazynowo - techniczne [16]. Kopalnia gazu ziemnego z łupków
jest lokalizowana na terenach niezurbanizowanych, znajdujących się od kilkudziesięciu do
kilkuset metrów od gospodarstw domowych. W trakcie prac montażowych na teren wiertni przywożony jest sprzęt, woda oraz substancje chemiczne, które będą wykorzystywane
podczas dalszych działań. W związku z tym może dochodzić do zwiększonych emisji
tlenków siarki i azotu oraz pyłów głównie w wyniku transportu materiałów budowlanych
i urządzeń, prac ziemnych i pracy silników spalinowych sprzętu budowlanego.
Według szacunków prace w ramach jednego odwiertu generują od 300 do ok. 650
przejazdów samochodów ciężarowych w obie strony. Ich liczba może być znacznie
zmniejszona w wyniku zastosowania alternatywnych metod transportu materiałów
i potrzebnego sprzętu. Według szacunków wykorzystanie rurociągów do transportu na
teren wiertni wody potrzebnej w trakcie szczelinowania hydraulicznego może ograniczyć ilość przejazdów o ok. 30% [2].
Emisja zanieczyszczeń w trakcie wykonywania robót wiertniczych są związane przede
wszystkim z pracą silników spalinowych agregatów prądotwórczych zasilających urządzenie wiertnicze oraz z magazynowaniem i przeładunkiem paliwa. Właściwy etap prac
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego ... 399
trwa ok. 60 dni. W tym czasie wykonywane jest wiercenie, zarurowanie i cementowanie
odwiertu oraz badania i pomiary przepływu gazu ziemnego. Z terenu działań wiertniczych do atmosfery mogą być zatem emitowane następujące zanieczyszczenia:
 gaz ziemny z ewentualnych rozszczelnień strefy przyotworowej,
 dwutlenek siarki, powstający w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach
spalinowych,
 dwutlenek azotu, powstający w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach
spalinowych,
 tlenek węgla, towarzyszący produktom spalania oleju w silnikach wysokoprężnych,
 benzen, jako produkt niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych,
 inne węglowodory, jako produkt niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych,
 węgiel elementarny w postaci sadzy, jako produkt niezupełnego spalania paliwa
w silnikach wysokoprężnych [7].
Zarówno na etapie prac montażowych, jak i wiertniczych emisja są związane głównie
z pracą silników spalinowych pracujących na obszarze wiertni. W tabeli 1 zestawiono
zużycie paliw i energii podczas działań prowadzonych na obszarze koncesji Markowola.
Tabela 1. Zużycie paliw i energii podczas działań prowadzonych przy odwiercie Markowola - 1 [16]
Rodzaj nośnika energii
olej napędowy
olej silnikowy
olej przekładniowy
olej hydrauliczny
smary
szacunkowe zapotrzebowanie na energię elektryczną
Urządzenie wiertnicze o napędzie
spalinowym
elektrycznym
4 600 kg/dobę
690 kg/dobę
3
40 dm /dobę
7 dm3/dobę
3
20 dm /dobę
20 dm3/dobę
3
15 dm /dobę
12 dm3/dobę
2 kg/dobę
1 dm3/dobę
1,2 MW/h
7,2 MW/h
W niektórych przypadkach w celu ograniczenia emisji zanieczyszczeń wykorzystywane są agregaty prądotwórcze zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej. Warto
jednak zwrócić uwagę, że ze względu na sposób lokalizowania wiertni takie rozwiązanie nie jest zawsze możliwe.
400
M.MAZURCZAK i in.
3. EMISJA ZANIECZYSZCZEŃ W TRAKCIE SZCZELINOWANIA
HYDRAULICZNEGO
Wykonanie szczelinowania hydraulicznego jest niezbędne do wydobycia gazu ziemnego z łupków. Jest to proces, który polega na zatłoczeniu na określoną głębokość specjalnie przygotowanego płynu w celu wygenerowania odpowiednio rozległej sieci spękań,
którą węglowodór będzie mógł swobodnie wydostać się na powierzchnię. W trakcie
szczelinowania hydraulicznego generowane jest ciśnienie, które jest większe od granicy
wytrzymałości skały na rozrywanie. Ciśnienie szczelinowania jest dobierane indywidualnie w zależności od właściwości i rodzaju skały, jej wytrzymałości, porowatości, szczelinowatości oraz głębokości zalegania złoża [15]. Obecnie szczelinowanie hydrauliczne
pozwala na wydobycie od 15 do 40% gazu ziemnego znajdującego się w złożu. Warto
jednak zwrócić uwagę, że w trakcie nieco ponad 20 lat rozwoju technologicznego poprawiono sprawność wydobycia z poziomu 6% [1].
Szczelinowanie hydrauliczne jest procesem wieloetapowym, który trwa ok. dwa
tygodnie. W tym czasie odpowiednio duże ciśnienie szczelinowania jest generowane
na skutek pracy pomp wysokoprężnych. W przypadku tego procesu, podobnie jak na
etapie prac montażowych i wiertniczych, może nastąpić zwiększona emisja do atmosfery: tlenków węgla, azotu, lotnych związków organicznych, pyłu zawieszonego
PM10 oraz benzenu wyniki pomiarów wskaźników zanieczyszczenia atmosfery po
zabiegu szczelinowania hydraulicznego odwiertu Łebień LE – 2H zestawiono w tabeli
2. W przypadku prac na tym odwiercie nie wykazano przekroczenia stężenia referencyjnego dwutleneku siarki, dwutleneku azotu oraz benzen [7].
Tabela 2. Stężenia wybranych zanieczyszczeń oznaczonych metodą pasywną po zbiegu szczelinowania
hydraulicznego odwiertu Łebień LE-2H [7]
Zanieczyszczenie
dwutlenek siarki
dwutlenek azotu
benzen
Okres ekspozycji
sierpień – wrzesień 2011 r.
Średnie stężenie μg/m3
5,54
9,61
0,70
W tracie 14 dni po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego na powierzchnię ziemi powraca od 15 do 80% wpompowanej cieczy [8]. Płyn do szczelinowania
w trakcie penetracji górotworu reaguje z materiałem skalnym. Zatłaczana ciecz ulega
wymieszaniu z naturalnie występującymi wodami złożowymi, wypełniającymi część
porów skalnych. Ponadto roztwór tłoczony do górotworu może być pochłaniany przez
materiały ilaste [4], co powoduje, że skład płynu powrotnego różni się od zatłoczonego
pierwotnie. Ciecz szczelinująca składa się głównie z wody, materiału podsadzkowego (ok.
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego ... 401
99,5%) i substancji chemicznych (0,5%) [1]. Płyn zwrotny może zawierać śladowe ilości
pierwiastków radioaktywnych, gazy (m.in. metan, etan, ditlenek węgla), metale ciężkie
oraz substancje organiczne [6]. Ciecz po wykonanym szczelinowaniu, po wstępnym podczyszczeniu, jest magazynowana w otwartych basenach pierwotnie wykorzystywanych do
gromadzenia wody technologicznej. Do tej pory w literaturze przedmiotu nie przedstawiono charakterystyki emisji zanieczyszczeń pochodzących z tego źródła.
Odbiorowi cieczy powrotnej towarzyszy emisja węglowodorów. Według Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska nieprzetworzony gaz ziemny z łupków zawiera:
78,3% metanu, 17,8% węglowodorów niemetanowych, 1,8% tlenku azotu, 1,5% ditlenku
węgla, 0,5% tlenków siarki i 0,1% wody [14]. Firmy zajmujące się rozpoznaniem złóż
w Stanach Zjednoczonych stosują trzy sposoby zarządzania pojawiającą się na powierzchni mieszaniną gazów. Są to: zrzut do atmosfery (venting), spalanie w pochodni
lub wychwytywanie.
Najmniej przyjazną dla środowiska naturalnego metodą zarządzania mieszaniną
węglowodorów jest jej zrzut do atmosfery. Według szacunków na 1 m3 takiej mieszaniny przypada 0,788 m3 metanu. Dużo bardziej korzystne dla środowiska jest jej spalanie w tzw. pochodni, która ogranicza ilość emitowanego metanu do 0,01 -0,02 m3 na
każdy 1 m3 mieszaniny. Wychwytywanie gazów pojawiających się w trakcie odbioru
cieczy powrotnej jest sposobem na potencjalnie całkowite wyeliminowanie emisji
metanu. Dane Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska pokazują jednak, że przy
obecnej technologii jest to niemożliwe, ze względu na sprawność procesu wynoszącą
ok. 90% [3].
Do tej pory opublikowano kilka szacunków dotyczących poziomu emisji metanu
w trakcie rozpoznania złóż i wydobycia gazu ziemnego z łupków. Zdaniem Roberta
Howarth’a i Renee Santoro w trakcie produkcji gazu ziemnego z łupków do atmosfery
emitowane jest 3,6 do 7,9% gazu, który pojawia się na powierzchni [5]. Jest to związane
przede wszystkim ze sposobem zarządzania mieszaniną, której emisja następuje głównie
na skutek jej zrzucania do atmosfery i z nieszczelności instalacji. Zdaniem ww. autorów
emisja metanu ze złóż niekonwencjonalnych jest w skrajnych przypadkach nawet dwa
razy większa w porównaniu z emisją ze złóż konwencjonalnych. Nadmierna emisja zanieczyszczeń pojawia się po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego, szczególnie w trakcie odbioru cieczy powrotnej. Według szacunków ok. 1,6% całkowitej produkcji
gazu ziemnego jest emitowana wówczas do atmosfery [5].
Odmienne od zaprezentowanych powyżej są dane opublikowane przez Francis’a
O’Sullivan’a i Sergey’a Paltsev’a [11]. Według ich szacunków w 2010 roku całkowita
emisja metanu w wyniku zastosowania szczelinowania hydraulicznego wyniosła 216
Gg CH4. Podczas szczelinowania hydraulicznego nie zwiększyła się w istotny sposób
emisja metanu do atmosfery. Zdaniem ww. autorów w przypadku większości złóż
działanie to spowodowało to emisje metanu wartości od od 0,4 do 0,6% jego produkcji [11].
402
M.MAZURCZAK i in.
4. PODSUMOWANIE
Do tej pory w Polsce wydano 112 koncesji na poszukiwanie i rozpoznanie złóż węglowodorów niekonwencjonalnych w tym gazu ziemnego z łupków. Wykonano 39 odwiertów rozpoznawczych, a 3 kolejne są w trakcie realizacji. W 10 odwiertach wykonano
zabieg szczelinowania hydraulicznego (2 w odcinkach poziomych i 8 w pionowych). Do
2020 roku planowanych jest wykonanie kolejnych 270 odwiertów [9]. Tego typu działania mogą spowodować emisję zanieczyszczeń, głównie w postaci:
dwutlenku siarki i dwutlenku azotu powstającego w trakcie spalania oleju napędowego w silnikach spalinowych,
 tlenku węgla towarzyszącego produktom spalania oleju w silnikach wysokoprężnych,
 benzenu, innych węglowodorów oraz węgla elementarnego jako produktów niepełnego spalania paliwa w silnikach wysokoprężnych,
metanu z ewentualnych rozszczelnień strefy przyotworowej, zrzutów do atmosfery, spalania lub niepełnego wychwytywania po wykonanym zabiegu szczelinowania hydraulicznego.
Rozpatrując środowiskowe oddziaływania procesu rozpoznania złóż i wydobycia
gazu ziemnego z łupków niezbędne jest dokonanie analizy skutków wybranych emisji
zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. Opracowanie metodyki w zakresie
oceny i identyfikacji generowanych zanieczyszczeń powinno stać się priorytetem biorąc pod uwagę zapowiedzi rozwoju sektora wydobywczego w Polsce.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
ALL CONSULTING, The Modern Practices of Hydraulic Fracturing, A Focus on Canadian Resources, LLC, 2012.
COOLEY H., DONNELLY K., Hydraulic Fracturing and Water Resources: Separating the Frack
from the Fiction, 2012.
ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Greenhouse Gas Emissions Reporting from Petroleum and Natural Gas Industry: Background Technical Supporting Document, Washington DC,
2010.
GRZYBEK I., Techniczne i środowiskowe aspekty pozyskania gazu łupkowego, Bezpieczeństwo
Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 6 (2011).
HOWARTH R, SANTORO R., INGRAFFE A., Methene and greenhouse-gas footprint of natural
gas from shale formations, A letter, 2011.
JRC SCIENTIFIS AND POLICY REPORTS, Unconventional Gas: Potential Energy Impacts in
the European Union, 2012.
KONIECZYŃSKA M., WOŹNICKA M., ANTOLAK O., JANICA R., LICHTARSKI G.,
NIDENTAL M.,, OTWITOWSKI J., STARZYCKA A., WRÓBEL G., POTRYKUS R.,
GDANIEC ROHLE B., WŁODARSKI T., Badania aspektów środowiskowych procesu szczelinowania hydraulicznego wykonanego w otworze Łebień LE-2H, Warszawa, 2011
Charakterystyka emisji zanieczyszczeń do powietrza podczas rozpoznania złóż gazu ziemnego ... 403
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
MACUDA J., HADRO J., ŁUKAŃKO Ł., Środowiskowe implikacje gazu łupkowego, Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 6, 2011.
MINISTERSTWO ŚRODOWISKA, [w:]
http://www.mos.gov.pl/kategoria/3317_niekonwencjonalne_zloza_gazu_ziemnego_w_polsce_gaz_
w_lupkach_shale_gas_i_gaz_zamkniety_tight_gas/
NEW YORK STATE DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL CONSERVATION, Potential
Environmental Impacts Draft SGEIS on the Oil, Gas and Solution Mining Regulatory Program,
2009.
O’SULLIVAN, PALTSEX S., Shale Gas Production: Potential versus Actual. GHG Emissions,
2012.
ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA Z DNIA 26 STYCZNIA 2010 ROKU W
SPRAWIE WARTOŚCI ODNIESIENIA DLA NIEKTÓRYCH SUBSTANCJI W POWIETRZU,
Dz.U.2010.16.87
ROZPORZĄDZENIE RADY MINISTRÓW W SPRAWIE PRZEDSIĘWZIĘĆ MOGĄCYCH
ZNACZĄCO ODDZIAŁYWAĆ NA ŚRODOWISKO, Dz.U. 2010 nr 213 poz. 1397
SKONE TJ, LITTLEFIRLD J., MARRIOTT J., Life Cycle of Greenhouse Gas Inventory of Natural
Gas Extraction, Delivery and electricity Production, US Department of Energy, Pitsburg, 2011.
SIKORA S., SZAFRAN M.M., Szczelinowanie hydrauliczne - intensyfikacja wydobycia gazu ziemnego z łupków ilastych, [w:]
http://www.profuturo.agh.edu.pl/pliki/Referaty_VI_KKMU/NI/P_49_AGH-VI_KKMU.pdf
SOJSKI G., Ochrona środowiska w praktyce. Odwiert Markowola-1 - studium przypadku działań
prowadzonych z troską o środowisko, [w:] http://www.pgnig.pl/pgnig/gaz-z-lupkow/26052
CHARACTERITICS OF AIR POLLUTANTS EMISSIONS DURING SHALE GAS PRODUCTION
The purpose of the paper was to characterize potential emissions during shale gas extraction processes. In the paper there were discussed stages of the operation. Description of the emissions sources was
made regarding to installation, drilling and fracking. Particular attention was paid to emissions arising
from the combustion of diesel fuel in internal combustion engines and methane occurring with flowback
fluid.