Mimo rosnącego udziału odnawialnych źródeł, w światowym popycie na energię pierwotną dominują surowce kopalne. Ich udział obecnie przekracza 80%. Surowce kopalne to ropa naftowa, węgiel i gaz ziemny. W 2011 roku zaspokajały one odpowiednio 32%, 27% i 22% globalnego popytu na energię. W energetyce proporcje są inne: 41% energii elektrycznej pochodzi z węgla, 22% z gazu ziemnego i tylko 5% z ropy naftowej, która została skutecznie wyeliminowana produkcji energii elektrycznej po kryzysach naftowych z lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych. Udział ropy naftowej w produkcji energii elektrycznej jest mniejszy niż atomu (9%), energii wodnej (6%) oraz pozostałych źródeł odnawialnych (16%). Do czasu pojawienia się rewolucyjnej (niekonwencjonalnej) technologii wydobycia gazu ziemnego, bezpośrednio ze skał macierzystych (złożowych), wydobycie surowców kopalnych nie budziło większego zainteresowania.

REKLAMA
Obecnie technologie niekonwencjonalne są z powodzeniem stosowane do wydobycia ropy naftowej. Nie ma powodu, by sądzić, że rewolucja technologiczna ominie węgiel, którego zasoby naturalne wystarczyłyby energetyce na parę tysięcy lat. Nim doczekamy się rewolucji węglowej, przyjrzyjmy się, jakimi metodami wydobywa się węgiel kamienny na świecie. Czy jest różnica między procesem wydobywania węgla brunatnego a węgla kamiennego? Jak wygląda wydobycie gazu ziemnego? Jak wygląda technologia wydobycia gazu z pokładów niekonwencjonalnych?
Jakimi metodami wydobywa się węgiel kamienny na świecie? 70% węgla wydobywa się metodą głębinową a 30% metodą odkrywkową.
Wydobycie metodą odkrywkową jest tańsze. Przeciętny koszt wydobycia, po przeliczeniu na złote wynosi około 20-24 PLN/tonę, w porównaniu z nawet 680 PLN/tonę przy metodach głębinowych. Kopalnie odkrywkowe mogą wydobywać węgiel zlokalizowany stosunkowo płytko. Wadą metod odkrywkowych jest wielka degradacja środowiska, co powoduje, że po uwzględnieniu kosztu środowiska naturalnego a także nakładów na rekultywację wyrobiska, koszt wydobycia metodami odkrywkowymi istotnie wzrasta.
Zaletą zakładów opartych na metodzie głębinowej jest to, że mogą wydobywać surowiec nawet w silnie zurbanizowanych regionach. Nie potrzebują bowiem zbyt wiele miejsca na powierzchni. Oczywiście wydobycie w rejonach miejskich powoduje rozliczne problemy, wśród nich najpoważniejszym są tzw. szkody górnicze. Między innymi konieczność zabezpieczania miast przed skutkami wydobycia powoduje stosowanie kosztowniejszych metod wydobywczych, co podraża produkcję. Czasem kopalnia zmuszona jest pozostawić część złoża na tzw. filar ochronny, by nie zniszczyć budynków na powierzchni.
Kopalnie głębinowe umożliwiają sięgnięcie do złóż leżących nawet ponad kilometr pod powierzchnią.
Spore nadzieje pokłada się obecnie w technologiach wydobycia energii z węgla bez konieczności transportowania surowca na powierzchnię (górnictwo głęboko-otworowe), które stwarzają możliwość sięgnięcia do pokładów zlokalizowanych kilka kilometrów pod powierzchnią ziemi.
Czy jest różnica między procesem wydobywania węgla brunatnego a węgla kamiennego? Nie. Wydobywanie odbywa się na takich samych zasadach, z tą różnicą, że w wydobywaniu węgla brunatnego dominuje metoda odkrywkowa ok. 97% nad głębinową ok. 3 %.
Gaz
Gaz ziemny wydobywany jest ze złóż poprzez drążenie w skałach otworów wiertniczych. Jest to tak zwane górnictwo otworowe, którego narodziny datuje się na połowę XIX wieku. I choć technologia stale ewoluuje metoda eksploatacji gazu ziemnego pozostaje ta sama (wyjątkiem są piaski bitumiczne w Kanadzie). Skały w której zgromadzony jest gaz czyli skały złożowe (kolektor złożowy) mają różne własności fizyko-chemiczne. Od niedawna stosuje się podział na skały o dużych możliwościach akumulacji ropy naftowej i gazu ziemnego (tzw. konwencjonalne), o średnich (tight oil czy gas) oraz o małych typu shale (łupki) – te dwie ostatnie kategorie określane są mianem niekonwencjonalnych. Skała typu shale to jednocześnie skała macierzysta czyli taka która zawiera substancję organiczną i posiada zdolność do generowania i ekspulsji możliwie dużej ilości węglowodorów, ale też stanowi miejsce ich akumulacji – czyli generator i kolektor jednocześnie.
Jak wygląda technologia wydobycia gazu ze skał niekonwencjonalnych?
W procesie udostępniania gazu z łupków wyróżnia się kolejne etapy: poszukiwania, czyli badania geologiczne wraz z wierceniami; rozpoznanie (związane m.in. z wierceniami rozpoznawczymi) i zagospodarowanie, czyli wiercenie otworów eksploatacyjnych i budowa infrastruktury napowierzchniowej do wydobycia, przetworzenia gazu ziemnego, oraz magazynowania i transportu.
Poszukiwanie sweet spots
Bardzo istotna z punktu widzenia rentowności projektów wydobywczych gazu łupkowego jest prawidłowa identyfikacja tak zwanych sweet spots, czyli stref o takiej koncentracji węglowodorów, która gwarantowałaby rentowne wydobycie. Najbogatszym doświadczeniem mogą dzielić się operatorzy amerykańscy, czy kanadyjscy, prowadzący eksploatację ze złóż niekonwencjonalnych. Jednak ze względu na znaczące różnice pomiędzy polskimi skałami łupkowymi a północnoamerykańskimi przenoszenie tych doświadczeń na grunt polski nie jest proste. W Polsce z pewnością największe know-how w tym zakresie posiadają firmy-operatorzy, takie jak ORLEN Upstream.
Kilka faktów dotyczących otworów wiertniczych:
wiercenie pionowe
• Technologia wiercenia pionowego w przypadku projektów niekonwencjonalnych niczym się nie różni od tradycyjnej technologii, stosowanej podczas eksploatacji złóż ropy i gazu z pokładów konwencjonalnych.
• W centralnym punkcie urządzenia wiertniczego zlokalizowany jest przewód wiertniczy (szereg skręconych ze sobą stalowych rur) na końcu którego montowany jest ruchomy świder. W trakcie wiercenia przez przewód wiertniczy oraz dysze świdra podaje się specjalistyczną płuczkę, która zarazem przyśpiesza proces wiercenia, chłodzi świder, zapewnia stabilizację otworu, pozwala na utrzymanie odpowiedniego ciśnienia, a także usuwa resztki zwierconych skał. Płuczka składa się główniej z wody i substancji pomocniczych (np. zwiększających ciężar i gęstość płuczki).
• W miarę postępu wiercenia, w przestrzeni pomiędzy rurą a przewiercaną skałą umieszczane są stalowe rury okładzinowe, a następnie cementowane celem uzyskania stabilności i wytrzymałości otworu, a także aby odizolować otwór od kontaktu z warstwami wodonośnymi czy innymi warstwami skalnymi. Rury okładzinowe i warstwa cementu chronią ujęcia wody od zanieczyszczenia substancjami zawartymi w płuczce, oraz w wykorzystywanym w późniejszym etapie płynie szczelinującym.
• Nowoczesna technologia pozwala na wykonanie wierceń pionowych do głębokości kilku a nawet w skrajnych przypadkach kilkunastu tysięcy metrów. Głębokość zalegania łupków w Polsce wacha się z kolei w przedziale od około 2000 m we wschodniej części kraju do ponad 5000 m na zachodzie.
wiercenie poziomie
• Po wywierceniu pionowego odwiertu o planowanej głębokości, rozpoczyna się wiercenie otworu kierunkowego (poziomego – inaczej horyzontalnego, bądź krzywionego) w gazonośnej warstwie łupkowej, miąższość (grubość) której waha się zwykle od kilku do kilkudziesięciu metrów. Maksymalna długość kierunkowych odcinków otworów, pozwalających na uzasadnioną ekonomicznie eksploatację, przy dostępnej dziś technologii przekracza obecnie nawet 3000 m.
• Odwiert poziomy pozwala na bardziej efektywną eksploatację niekonwencjonalnych zasobów gazu niż otwór pionowy z uwagi na znacznie większy kontakt ze złożem. Średnio 8 otworów kierunkowych/poziomych rozchodzących się z jednego placu wiertniczego umożliwia dostęp do złoża, które w klasycznej eksploatacji wymagałyby odwiercenia kilkudziesięciu otworów pionowych. W Polsce wiercenia poziome stosuje się od lat 80-tych, a najdłuższe odcinki poziomych odwiertów przekraczające 2400 m wiercono w latach 90 XXw i służyły również do intensyfikacji złóż (czyli były szczelinowane). Prace wykonywane były przez polskich inżynierów z wykorzystaniem kilku specjalistycznych serwisów zagranicznych.
cementowanie i perforacja odwiertu
• Po wykonaniu poziomych odcinków odwiertów, ponownie umieszcza się w nich rury okładzinowe i cementuje. W ten sposób uzyskuje się szczelność całego odwiertu, co potwierdzają wykonywane próby ciśnieniowe.
• Następnie w kolejnych sekcjach odwiertu poziomego wykonuje się niewielkie otwory (tzw. perforacja), które umożliwiają przeprowadzenie zabiegu szczelinowania hydraulicznego.
szczelinowanie hydrauliczne
• Zabieg szczelinowania hydraulicznego polega na tym, że do otworu tłoczy się tzw. płyn szczelinujący (głównie woda z piaskiem) pod ciśnieniem sięgającym często powyżej 600 barów (ponad 300 razy więcej niż w oponie samochodu osobowego). Gdy w strefie poddanej obróbce wytworzy się odpowiednia ilość szczelin, tłoczony jest wraz z wodą piasek o odpowiedniej granulacji, wciska się w wytworzone szczeliny i dzięki temu uniemożliwia ich zamknięcie, tworząc jednocześnie drogi komunikacji dla gazu dopływającego do otworu. Istnieje ogromna liczba wariantów zabiegów szczelinowania. Do płynu szczelinującego dodaje się w niewielkich ilościach (0,5-1%) odpowiednie substancje chemiczne umożliwiające poprawne wykonanie zabiegu, dzięki ich zdolności do regulowania parametrów cieczy zabiegowej, m.in. lepkości, wilgotności, ciężaru właściwego, itp. Jako materiał podsadzkowy (proppant) zamiast piasku, stosować można również materiały ceramiczne, oraz płyny polimerowe, które przekształcają się w siatkę splątanych włókien.