Mýty o plynu z břidlic Stanislav Benada & Pavla Dvořáková Muzeum naftového dobývání a geologie Abstrakt
Těžba plynu „z břidlic“ je konfrontována s mnoha názory odbornými i laickými, podloženými fakty, ale i zcela zkreslujícími a nesprávnými. Veřejnost tak získává mylný obrázek o přínosech a rizicích těžby. Článek pojednává o pěti základních mýtech spojených s těžbou plynu, především s rizikem metody hydraulického štěpení a na základě faktické argumentace se je snaží vyvracet. Autoři se zaměřují především na problematiku metody hydraulického štěpení, z jejíž neznalosti vzchází většina s těžbou spojených mýtů. Klíčová slova: hydraulické štěpení, plyn z břidlic, propant
Mining of "shale" gas is confronted with many professional and lay views, based on facts, but also distorted and incorrect. The public gets a false picture of the benefits and risks of mining. This paper deals with five basic myths linked with the mining of „shale“ gas, particularly with the risk of hydraulic method, and it is trying to refute these myths. The authors thoroughly focus on the method of hydraulic fracturing because the myths emerges from lack of knowledge of this method. Keywords: hydraulic fracturing, shale gas, proppant
Úvod O tom, že je problematika stále aktuální, svědčí i zájem médií o těžbu břidličného plynu. Jako ředitel Muzea naftového dobývání a geologie (MNG) v Hodoníně a také jako geolog, který se o těžbu konvenčních a nekonvenčních ložisek dlouhodobě zajímá, byl Stanislav Benada, jeden z autorů příspěvku, v minulém roce mnohokrát požádán různými stakeholdery o odborné stanovisko. Otázky i nálady proti těžbě „shale gasu“ vycházely a stále vychází z relativně mlhavé argumentace, ve které hrají významnou roli emoce místo faktů. Jakákoliv těžba, ať už konvenčního či nekonvenčního ložiska bezpochyby zásah do krajiny představuje. Přesto bychom se měli snažit své argumenty a přesvědčení konfrontovat s dalšími pohledy a fakty. Některé opakující se argumenty proti těžbě jsou však zkreslené a vytváří tak jeho nepřesný obraz. V následujících částech práce se budeme zabývat pěti základními spojených s těžbou
plynu, především s rizikem metody hydraulického štěpení. Právě neznalost metody hydraulického štěpení leží v základu většiny mýtů o těžbě plynu „z břidlic,“ proto jí bude věnována významná část příspěvku. MÝTUS 1: břidličný plyn je jiný plyn než zemní plyn Zemní plyn, pro který se vžilo označení „břidličný,“ je stejný metanový plyn, jaký denně používáme v našich domácnostech. Je známo, že jde o přírodní látku vzniklou z těl odumřelých planktonních živočichů nahromaděných na mořském dně s omezenou cirkulací vody, kde bezkyslíkové prostředí dovolilo pohřbení zbytků organismů do vrstev černého bahna. Když se bahno ponořilo pod tíhou dalších sedimentů hlouběji, proběhl proces jeho přeměny v horniny nazývané břidlice, a pokud se tyto „ropomatečné“ horniny dostaly ještě hlouběji, tak začal proces tvorby uhlovodíků. „Břidličný“ plyn tedy představuje ty molekuly metanu, které nenašly svou cestu z ropomatečných břidlic, ale zůstaly uvězněny v mikroskopických dutinkách v jejich nitru. V okamžiku, kdy se pohřbené drobné zbytky organizmů termogenně rozkládají, dochází k redukci tohoto materiálu a tak vznikají mikrodutinky, které jsou zaplňovány vznikajícím metanem. Tedy, aby bylo možno nalézt břidličný plyn v pelitických horninách, musí tyto být bohaté na organický materiál a musí projít nebo se nacházet v zóně zralosti (v prostředí s teplotou a tlakem charakterizují tzv. plynové či ropné okno). „Plyn z břidlic“ je tedy zemní metanový plyn, který nemohl primárně migrovat do kolektorských hornin a naplnit ložiskové pasti, které dnes představují konvenční ložiska. Klasická, konvenční ložiska, zvláště v Evropě, mají rozměry v délce několika málo kilometrů. Plochy, kde se ukládalo „bahno, “ které pohřbilo organické zbytky, jsou mnohokrát větší, představují i desítky kilometrů. „Břidlice“ tedy představují úplně nový zdroj uhlovodíků v
horninách pod námi, který můžeme využít. Je to nerostné bohatství vytvořené sluncem, mořem a životem před miliony let. A spalováním metanu vzniká jen vodní pára a oxid uhličitý, který je přirozenou součástí naší atmosféry.
Obr. 1: Plynonosná břidlice (zdroj: Benada 2011) MÝTUS 2: vrty pro břidličný plyn ohrožují životní prostředí Abychom mohli najít a posléze těžit tento plyn, musíme vyvrtat hluboký vrt. Takových vrtů se hloubí v naší zemi ročně několik desítek pro konvenční ložiska, při průzkumu jiných nerostů nebo pro získání geotermální energie. Je to technická činnost bezpochyby s dopady na okolní krajinu. Na vhodném pozemku, většinou dále od lidských sídel, se musí skrýt ornice na ploše zhruba 100 x 200 m. Na místo se položí fólie a pak betonové panely. Na ně se postaví vrtná souprava, která několik měsíců hloubí vrt. Vrtná souprava je poháněna spalovacími motory a na vrtné pracoviště se denně dopravuje technologický materiál i lidé.
Obr. 2: Vrtná pracoviště (zdroj: http://www.cuadrillaresources.com/) Jednoduše řečeno, vrt je díra do země, která je posléze vyztužená sešroubovanou ocelovou trubkou a kde je prostor mezi horninou a trubkou zaplněn cementovou kaší. Takže základní vrt představuje otvor, který je zcela hermetický, nic do něho nemůže vtékat a také ani kapaliny nebo plyn nepřetékají mezi propustnými obzory kolem vrtu. Aby bylo možné cokoliv těžit (tedy i konvenční ložiska), je proto v první řadě nutné ochranou trubku (pažnici) perforovat. To znamená většinou prostřelit malé otvory, kterými můžou fluida z hornin vtékat při těžbě do vrtu. Až potud se těžba konvenčních a nekonvenčních ložisek neliší.
Obr. 3:
Vrtání - Cementované pažnice - Horizontální vrt (zdroj: http://www.cuadrillaresources.com/) Pro těžbu břidličného plynu se často využívá usměrněných nebo horizontálních vrtů.
Technologie jejich hloubení byla v posledních letech velmi zdokonalena. Většinou se jedná o vrtání ponornými motory za použití řídícího zařízení, které vrtné dláto velmi přesně prostorově vede. Horizontální stvoly vrtů dosahují odklonu 500 m, ale mohou mít délku i 1500 m. Další operace, jako je pažení, cementace, ale i karotážní měření nebo perforace pažnic, jsou ve svislých a horizontálních vrtech velmi podobné. Po dokončení všech technologických operací spojených s vyzkoušením vrtu, zabudováním vystrojení a otevřením plynonosných obzorů, na ústí vrtu zůstává produkční kříž. Pracovní plocha se zredukuje jen na několik desítek m2, k vrtu-těžební sondě je přivedeno plynové potrubí a na ploše je jen nezbytná technologie pro sušení plynu. Vlastní těžba je nehlučný proces, který je většinou plně automatizovaný a zásah personálu nemusí být častý. Když těžba za několik let skončí nebo je průzkumný vrt neúspěšný, pracoviště se zruší, vrt tedy pažnice i perforované
obzory se zaplní cementem a v hloubce několika metrů se pažnice uzavřou navařením vík. Panely se odstraní a pozemek rekultivuje. Za několik let nikdo ani nepozná, že se zde něco dělo. Hlubokých vrtů je v České republice několik tisíc a ročně se přibližně 10 až 20 vyhloubí. Tyto vrty mohou například sloužit pro průzkum ložisek ropy či plynu nebo jejich těžbu, pro skladování plynu v podzemních zásobnících, ale i pro získávání hydrotermální energie.
ÚSTÍ VRTU
VRSTVY S PITNOU VODOU
CEMENT
ŘÍDÍCÍ KOLONA PAŽNIC CEMENTOVÁNA PO POVRCH ÚVODNÍ KOLONA PAŽNIC CEMENTOVÁNA PO POVRCH
CEMENT
TECHNICKÉ KOLONY PAŽNIC
TĚŽEBNÍ KOLONA PAŽNIC TĚŽEBNÍ TRUBKY - STUPAČKY
PLYNONOSNÉ BŘIDLICE
Obr. 4: Typická konstrukce vrtu (zdroj: ConocoPhillips a EPA)
MÝTUS 3: hydraulické štěpení je nová a nebezpečná technologie Hydraulické štěpení je jedním ze základních postupů, který se používá při intenzifikaci ložisek přírodních uhlovodíků, ale také pro využití geotermální energie a ve speciálních případech také pro intenzifikaci zdrojů vody. Navzdory širokému užití je to právě metoda, která těžbu nekonvenčních ložisek v očích veřejnosti nejvíce problematizuje. Základním principem hydraulické simulace je vytvoření štěpných mikropuklin tlakem kapalného nebo plynného media. Do těchto puklin jsou vnesena zrna pevného materiálu, která po poklesu tlaku udrží puklinu v otevřeném stavu a tak zajistí, že jí může dále proudit plynné nebo kapalné fluidum.
Pár slov o historii hydraulického štěpení Metoda hydraulického štěpení, byla poprvé představena a využita americkou těžební společností Stanlind Oil v roce 1949. Některé zdroje tvrdí, že v současnosti více než 60 % všech vrtů tuto metodu využívá. Nejenže zvyšuje produkci ropy a zemního plynu, ale také celou těžbu urychluje. Metoda hydraulického štěpení tak není novinkou ani nově vzniklou hrozbou, jak je médii často v současnosti prezentováno, ale pouze na americkém kontinentě se jedná přibližně o 50 000 takto odvrtaných vrtů. Počátky štěpení můžeme nalézt kolem roku 1860, kdy byl k stimulaci podpovrchových tvrdých hornin vrtů využíván tekutý nitroglycerin. I když se jednalo o poměrně nebezpečnou a v mnoha státech ilegální metodu, byla překvapivě úspěšná právě při ražbě ropných vrtů především v Pennsylvánii, New Yorku, Kentucky a Západní Virginii. Nitroglycerin zasaženou horninu rozbil, rozmělnil a usnadnil tak průtok plynu či ropy. Metoda hydraulického štěpení byla zapsána na patentovém úřadě v roce 1949 J.B. Clarkem ze společnosti Standline Oil. Ta dala výhradní právo společnosti Halliburton Oil Well Cementing Company (Howco) tuto metodu používat. V březnu 1949 Halliburton úspěšně odvrtala první dva komerční vrty v oblastech Stephens County v Oklahomě a Archer County v Texasu. V prvním roce byla metoda aplikovaná na celkem 332 vrtech, ve kterých stoupla produkce průměrně o 75 %. Studie dokládají, že pouze metoda hydraulického štěpení zvýšila zásoby ropy US o nejméně 30 % a zemního plynu až 90 %. (Montgomery&Smith, 2010) Metoda hydraulického štěpení byla s mírným zpožděním exportována i na evropský kontinent, konkrétně v Sovětském svazu byla hydraulické propantové štěpení poprvé použito v roce 1952. V západní Evropě ke skutečnému rozvoji a aplikaci metody dochází až v letech 1977-1985 a to především v Německu v oblastech karbonských a permských plynonosných pískovcích, v Nizozemí pro těžbu plynu jak na pevnině, tak i pod mořským dnem, ve Spojeném království v sektoru Severního moře. Metoda se v Evropě používala také v dalších státech, k nimž relativně brzy patřilo i Československo. V Československém prostoru se hydraulické štěpení provádí nejméně posledních 60 let. Již v 60. letech minulého století bylo hydraulické štěpení prováděno na některých ropných ložiscích, aby došlo ke zvýšení denní produkce i celkového množství vytěžené ropy. Efekt prováděných operací byl přiměřený relativně jednoduchému technickému zařízení. Na ložiscích ve vídeňské pánvi např. Petrova Ves, byly štěpeny roponosné horizonty v hloubce 800 m. Ke štěpení se použilo na každém z vrtů přibližně 10 t křemitého písku a 40 m3 štěpící kapaliny tvořené viskózní ropu, vodou a vhodnými emulgátory.
Obr. 5: Záběry ze štěpení na ropném ložisku u Plaveckého Štvrtku v 60. letech minulého století (zdroj: Archiv MNG) V sedmdesátých letech minulého století se provádělo štěpení málo propustných hornin i za využití bramborového škrobu, např. na ložiscích Rusava nebo Hrušky. (Ďurica et al., 2006) Významným podnětem v oblasti hydraulického štěpení byl státní program zaměřený na ověření zásob zemního plynu a možnosti jejich těžení z uhelných slojí - Program CBM (Coal Bed Methane – plyn sorbovaný v uhelných slojích, především hornoslezské pánve). Myšlenka využití těchto nekonvenčních zdrojů přišla do Evropy rovněž z USA. V letech 1993 až 2000 bylo v rámci státního úkolu a za státní peníze na ploše cca 800 km2 v hornoslezské pánvi vyhloubeno 24 pilotních průzkumných vrtů českými firmami. Na možnost získání zemního plynu byla zkoušena většina vhodných uhelných slojí v hloubkách od 300 do 1450 m pod povrchem. Ačkoli obsahy sorbovaného plynu v černém uhlí byly srovnatelné s obsahy plynu ve slojích komerčně těžených v USA, nepodařilo se dosáhnout komerční těžby ani na jednom z provedených vrtů. Nebylo provedeno hydraulické štěpení takovým způsobem, aby zajistilo dostatečnou propustnost uhelných slojí a tedy vytěžitelnost sorbovaného plynu. Český stát vydal za provedení tohoto průzkumu více než jednu miliardu Kč ze státního rozpočtu. Pro české firmy, které vrtné práce prováděly, byl tento úkol první příležitostí pro podobné operace. Nutno podotknout, že největší těžební firma v Česko-Slovensku, Moravské naftové doly a.s., se tohoto projektu neúčastnila.
Štěpící operace prováděly moravská firma KaC s.r.o.,
evropská pobočka americké firmy Halliburton a kanadsko-holandská firma Fragmaster. KaC využívala pro dosažení většího štěpícího výkonu u hlubších vrtů ještě spolupráce se společností INA Zagreb. Většina vrtů byla konstruována pro zařízení na ústí vrtu do 35MPa, což limitovalo použité štěpící tlaky. (Ďurica et al., 2006)
Hydraulického štěpení je používána desetiletí pro konvenční těžbu ropy a zemního plynu, avšak od konce 90. je zmodernizovaná technika štěpení aplikována i pro těžbu plynu z břidlic. Poprvé byla k tomuto účelu použita v roce 1997 v oblasti Barnett Shale v USA. (Dvořáková, 2011) K významnému rozvoji metody hydraulického štěpení nedošlo pouze z důvodu ekonomického úspěchu, který těžba měla, ale ke zvýšení významu těžby plynu z břidlic přispěly i geopolitické poměry. Těžba břidličného plynu a ostatních nekonvenčních zdrojů dostala v USA a Kanadě obrovský impuls v důsledku teroristických útoků v New Yorku, kdy vrcholní politici podpořili těžbu, aby zvýšili energetickou soběstačnost země. Těžbu státy podporovaly jak přímo (dotacemi), tak nepřímo - přijetím mnoha účelových výjimek v zákonech
- pro usnadnění
povolovacího procesu. Rozvoj těžby umožnil také růst ceny zemního plynu a zejména znamenal výrazný technologický pokrok, především zvládnutí technologie horizontálního vrtání a hydraulického štěpení. Navzdory tomu, že i na evropském kontinentě je snaha zvyšování energetické soběstačnosti států, se v evropském prostředí diskutují možné dopady těžby zemního plynu z břidlic na životní prostředí. V některých zemích bylo dokonce dočasně pozastaveno využívání tohoto energetického zdroje a provádění hydraulického štěpení např. Francie a Bulharsko; v jiných zemích je naopak podporováno – Polsko, Velká Británie. V současné době intenzifikační práce, kterými se zvyšuje propustnost obzorů, zahrnují čištění perforace a přípočvové zóny, ale také hydraulické štěpení prováděné na vrtech a sondách, které slouží jako vtlačně odběrové sondy podzemních zásobníků plynu nebo těžební sondy na ložiscích ropy a plynu. Obzory, kde je hydraulické štěpení, často kombinované s kyselinováním, představují málo propustné kolektory nebo obzory se zhoršenými vlastnostmi pro přítok fluid (typu tight sands) (Gilleland, 2011). Tyto intenzifikační práce mohou výrazně zlepšit přítok plynu popř. ropy do sond, a tak zvýšit parametry vtlačně odběrové parametry sond na podzemních zásobnících nebo zvýšit denní produkci těžebních sond s tím, že umožňují odtěžení i nebilančních nebo jinak nedostupných zásob přírodních uhlovodíků.
Obr. 6: Tlakové agregáty při štěpení - Zobrazení štěpících trhlin (zdroj: http://www.cuadrillaresources.com/)
O metodě hydraulického štěpení Při operacích hydraulického štěpení je do horninové formace injektována vysokým tlakem upravená voda a tím jsou aktivovány existující a současně jsou vytvářeny i nové trhliny (pukliny), které se stanou kanálem pro pohyb molekul zemního plynu, ropy nebo vody. Existující trhliny jsou aktivovány zpravidla ve střižném módu, kdy dojde ke skluzu na zlomové ploše. Nové tahové trhliny vznikají v případě, kdy efektivní tlak kapaliny přesáhne minimální složku napětí v hornině (štěpící tlak). Vznik hydraulické trhliny představuje vlastní hydraulické štěpení. Štěpné trhliny mohou dosahovat délky i několik stovek metrů. Důležitou podmínkou pro úspěšné štěpení jsou optimální fyzikálně chemické vlastnosti štěpené horniny. Tato musí být natolik křehká, aby bylo možno trhlinu vytvořit a dále ji prodlužovat. Toto je dáno zvláště v jílovcích a břidlicích přítomností křemité složky. Jak již bylo řečeno, hydraulické štěpení náleží k dlouhodobě známým a používaným metodám intenzifikace horizontů, ze kterých se těží ropa nebo zemní plyn, protože zvyšuje efektivitu těžby v mnoha ohledech. Štěpení se používá ke zvyšování přítoku ložiskového fluid do těžebních sond. Těmito operacemi se prodlužuje ekonomická životnost sond a ve srovnání s investicemi vloženými do nových sond je intensifikace velmi výhodná. Hydraulické štěpení se používá také při zlepšování hydraulických vlastností vtlačně odběrových sond podzemních zásobníků plynu. Intenzifikací štěpením lze dosáhnout i výrazného zvýšení denní výkonu sond. Další oblastí, kde se hydraulické štěpení užívá, jsou hydrotermální vrty. Nevyskytuje-li se v nepropustných horninách voda, musí být vháněna pod tlakem ze sousedního vrtu. V principu je nutné vytvořit v hloubce, kde geotermický stupeň zajišťuje prohřátí horninového prostředí, propustnou zónu mezi dvěma blízkými vrty, pokud zde neexistují přirozeně propustné horniny. Tuto zónu lze vytvořit právě hydraulickým štěpením (metoda Hot-dry-rock nebo Fractured-dryrock) (MŽP, 2012). Hydraulické štěpení se rovněž využívá v procesu získávání sorbovaného plynu z uhelných slojí. Štěpením se vytváří mikropukliny v uhelné hmotě, kterými je zemní plyn vzniklý při procesu tvorby uhelné hmoty a v uhlí sorbován, těžen. A poslední oblastí, kde je hydraulické štěpení užíváno a kde byla v posledních desetiletích tato technologie výrazně zdokonalena, je získávání zemního plynu z břidlic.
Pro provedení hydraulického štěpení hornin je nutné zajistit několik podmínek:
dostatečný hydraulický (tlakový) výkon použitých čerpadel
propant, materiál, který je vnesen do trhlin a zajistí, že se trhliny po odeznění tlaku kapaliny neuzavřou.
štěpící kapalina, která svým složením zajistí přenesení tlaku a vytvoření štěpných trhlin a také zajistí vnesení propantu do celého rozsahu štěpných trhlin. Štěpící kapalina musí mít schopnost po dokončení operace se vstřebat do horniny. Technické zajištění hydraulického štěpení spočívá v kombinaci výkonných čerpacích a
tlakových agregátů. Pro zajištění požadovaného hydraulického výkonu je nutno spojit velký počet těchto zařízení. Míchací zařízení a velkoobjemové vysokotlaková pístová čerpadla jsou doplněna zásobníky pro kapaliny, přísady a propant. Ústí vrtu je spojeno s agregáty ocelovými trubkami a ohebnými vysokotlakými hadicemi a řadou měřících prvků (průtokoměry, hustoměry, tlakoměry), které poskytují data pro řídící jednotku. Zařízení mohou pracovat, v závislosti na sestavě čerpacích agregátů, s tlaky až 100 MPa a čerpaným objemem až 265 litrů za sekundu. Množství začerpávaného propantu se pohybuje až do 350 k na m3 kapaliny. Propant je pevný zrnitý materiál, který je vnesen štěpící kapalinou do tvořící se trhliny a který drží štěpnou trhlinu otevřenou. Vyplňuje pukliny vytvořené hydraulickým štěpením a brání jejich uzavření po poklesu tlaku štěpící kapaliny. Jeho hlavní význam tak spočívá ve stabilizování vytvořených puklin a zvýšení propustnosti systému. V historii štěpení se používaly různé materiály jako plastové pelety, ocelové broky, hliníkové kapky, skleněné korálky, vysokotlaké skleněné kuličky, částice spékaného bauxitu. Často se používají jemné keramické kuličky nebo kuličky skla, ale absolutní převahu má použití dobře vytříděného křemenného písku a přesně definované zrnitosti (API). Velkou roli hraje velikost zrn propantu, která ovlivňuje průběh štěpení, tak i na následné čerpání či těžbu. Propantová výplň puklin by měla být propustná pro fluida (plyn i ropu) i za vysokých tlaků, mezizrnné prostory by měly být dostatečně velké a jednotlivá zrna by měla mít dostatečnou mechanickou pevnost, aby udržela puklinu otevřenou i po poklesu štěpících tlaků. Propant o větší velikosti způsobuje vyšší tlakové ztráty a současně dochází k jeho rychlejšímu vysedávání, jak v sondě, tak i ve vytvořených puklinách. Zrnitost má také vliv na délku štěpné trhliny, kterou je možno vytvořit. Pokud šířka trhliny klesne pod dvojnásobek průměru zrn propantu, tak zrna brání proudění štěpící kapaliny s dalšími zrny propantu a šíření štěpné trhliny ustává.
Propantový materiál o velkém průměru umožňuje větší propustnost, dosahuje tedy vyšší hydraulické vodivosti pukliny, ale zrna se snadněji drtí. Navíc jemný rozdrcený materiál ucpává mezizrnné prostory a brání průtoku fluid. Proto se jako optimální velikost pro propantová zrna jeví menší průměry velikosti 0,4 – 0,8 mm, tj. 20 až 40 mesh. (Mader, 1989) Důležitou vlastností propantu je také jeho pevnost a měrná hmotnost. Pevnější a těžší zrna vyžadují větší průtok štěpící kapaliny s vyšší viskozitou, což vyžaduje vyšší hydraulický výkon tlakových agregátů a tím i vyšší náklady. Propanty o měrné hmotnosti nižší než písková zrna (2,5 g/cm3) umožňují začerpávání při nižších tlacích a rychlostech štěpící kapaliny. Důležitá je i chemická odolnost materiálu propantu, zvláště proti kyselinám. Velmi důležité jsou také tvary zrn propantu. Sleduje se jejich sféricita a ovalita, protože nepravidelné tvary zrn jsou náchylnější k drcení.
MÝTUS 4: štěpící kapaliny obsahují velké množství nebezpečných chemikálií a kontaminují zdroje vod U štěpící kapaliny záleží, k jakému typu štěpení je užívána. Receptury byly předmětem obchodního tajemství a teprve pod tlakem zájmu veřejnosti o dopady na životní prostředí jsou zveřejňovány. V zásadě můžeme druhy štěpících a nosných kapalin rozdělit na několik typů: a. Čistá voda b. Chemicky upravená voda Základní příměsi zajišťují stabilitu a viskozitu štěpící kapaliny, aby byla odolná přenášení tlaku potřebného k vytváření štěpné trhliny a byla schopna nést zrna propantu. Štěpící kapalina musí také omezit tření zrn propantu při zatláčení do trhliny v hornině. Jedná se o složky gelů (crosslink), především soli upravující měrnou hmotnost štěpících kapalin, povrchově aktivní látky, látky omezující tření (lubrikanty), anti-filtrační přísady, látky zajišťující biologickou stabilitu kapaliny (biocidy), látky upravující pH (pufry), anikolaguanty, emulgátory, inhibitory koroze a látky zamezující vysrážení oxidů Fe. Často jsou také přidávány kyseliny a kapaliny bránící bobtnání jílů. Obsah příměsí se pohybuje do 0,5 % celkového objemu štěpící kapaliny. c. Vysoce viskózní kapaliny na bázi gelu Ve srovnání s vodou mají tyto kapaliny vlivem vysoké viskozity výrazně vyšší nosnost a unášecí schopnost pro propant. Vysoká viskozita současně snižuje ztráty kapaliny filtrací do
horniny. Po zatlačení této kapaliny do štěpeného horizontu a vyplnění vzniklých puklin propantem, musí dojít k řízenému a rychlému rozložení gelu. Jejich výhodou je nízká filtrace a manévrovatelnost při vytváření trhliny, vysoká nosná schopnost pro propant a nízké hydraulické odpory. Používají se síťované gely (crosslink gel) nebo lineární gely (linear gel). Lze také používat kyselé gely (acid gel), které mohou rozpouštět především vápnitý tmel v okolí trhliny a tím zvyšovat propustnost. V minulých desetiletích se jako úspěšná viskózní kapalina pro štěpení málo propustných kolektorů užíval roztok polyvinyl alkoholu síťovaný boraxem (crosslink), kterýžto postup byl chráněn řadou patentů. Testovaly se i deriváty celulosy (carboxylmethyl celulosa) nebo guma guar jako lineární gely. Do této kategorie lze zařadit také štěpící kapaliny na bázi kukuřičného nebo bramborového škrobu anebo ropné emulze, dříve používané pro stimulaci ropných horizontů. Další možnosti štěpících kapalin představují pěny a kapalné CO 2 a N2 , které nejsou příliš rozšířeny pro vysoké pořizovací náklady a nutnost použití speciálních zařízení. Jejich předností je snadná návratnost z ložiska. Dnes jsou užívány dva základní způsoby provádění hydraulického štěpení a to: 1. Štěpení s vysokou rychlostí zatláčecí kapaliny Tento způsob štěpení je užíván velmi často pro štěpení břidlic při otevírání nepropustných vrstev pro získávání břidličného plynu.
Hydraulický výkon čerpadel
dosahuje až 265 litrů za sekundu. Zatláčecí tlaky na povrchu mohou dosáhnout až hodnoty 100 MPa, což odpovídá tlaku sloupce vody v 10 km. Kapalina, která je při tomto způsobu štěpení schopna nést jen omezené množství propantu, obsahuje lubrikanty a velmi malé množství dalších chemických aditiv (do 0,5% objemu kapaliny). 2. Štěpení pomocí vysoce viskózních kapalin Užívá se především pro intenzifikaci špatně propustných kolektorů, pískovců i karbonátů. Základem štěpící kapaliny jsou dnes převážně gely (síťované nebo lineární). Následně jsou gely rozloženy začerpáním kyselých roztoků. Po provedení štěpení nepropustných hornin (břidlic) se začerpaná
kapalina vrací na
povrch v závislosti na hloubce štěpeného obzoru, na použitém tlaku, litologii štěpených hornin a doby uzavření vrtu pod tlakem a to v množství 20 až 85% původního množství.
Veškeré kapaliny na vrtu, zvláště v Evropě nebo České republice, jsou skladovány v kovových nádržích. Po jejich využití jsou buď znovu recyklovány a používány při technologických operacích na vrtu, anebo jsou předány odborným firmám, které je v souladu s platnou legislativou a dohledem úřadů likvidují. Vedle toho je nutno konstatovat, že koncentrace aditiv ve štěpících kapalinách na úrovni koncentrace v promile (o/oo) nepředstavuje většinou žádná ekologická rizika. Většina použitých chemických přísad není jedovatá a jsou biologicky rozložitelná. Doposud se na žádném z tisíců vrtů, který byl hydraulicky štěpen, nepodařilo prokázat, že by štěpení (štěpné trhliny) pronikaly do podpovrchových vrstev, a tak byla kontaminována pitná voda. Pokud vrt prochází v mělkých hloubkách vrstvami s pitnou vodou, je přijímána řada opatření, aby nemohlo dojít k jejich kontaminaci. Často je do hloubky několika desítek metrů vtlačena mechanicky ochranná trubka, která tyto vrstvy izoluje a hloubení při užití výplachu je zahájeno až uvnitř této ochranné roury. Používaný vrtný výplach má vlastnost, že utěsňuje povrch provrtávaných vrstev, aby se minimalizoval možný únik kapalin do horninového prostředí. Pažení a cementace vrtných kolon byla již zmíněna. Pokud byla v povrchových vodách zjištěna přítomnost metanu, nejspíše souvisí s podpovrchovým biogenním zdrojem (v každé mokřině vzniká z organických zbytků při tlení metan působením bakterií) nebo s úniky z plynovodních potrubí nebo jiných plynárenských technologií včetně plynových přípojek na těžební sondy. MÝTUS 5: pro hydraulické štěpení se užívá obrovských množství vod Pro hloubení vrtu se používají kapaliny v objemu několika stovek m3. Například objem těžební kolony vrtu do 3000 m o standardní konstrukci má necelých 200 m3. Pro provedení hydraulického štěpení v intervalu několika desítek až stovek metrů se využívá několika tisíc m3 štěpící kapaliny. Pro štěpení vrtu v několika intervalech nebo navazujících sekcích, lze uvažovat s použitím 10 000 – 15 000 m3 štěpící kapaliny. Tato množství, pro která lze užít i povrchové nebo technické vody, nejsou nijak obrovská ve srovnání s jiným využíváním vody. Pokud můžeme předpokládat, že v průměrném bytě nebo domku potřebujeme měsíčně 10 m3 pitné vody, tak to je ročně 120 m3 a tudíž objem kapaliny pro štěpení jednoho vrtu představuje roční spotřebu 100 průměrných domácností, což můžou být také dva velké bytové domy. Pokud si představíme, kolik chemických látek vypustí taková domácnost do kanalizace ať již z automatických praček, myček, sprch nebo bazénů, tak není množství aditiv v štěpících kapalinách nikterak neobvyklé. A jak již bylo zmíněno, tak část kapalin, které se vrátí z vrtu po štěpení lze opětovně recyklovat.
Závěrem Dnes nikdo neví, zda na území České republiky existují břidlice, které budou schopny produkovat plyn. Někdo musí provést relativně nákladný a rizikový průzkum. Jak víme, na východní a jižní Moravě se vyskytuje ropa a zemní plyn. Takže tu musí být také zdrojové horniny. Zda jsou však v dosažitelných hloubkách a natolik křehké, aby se daly rozpukat a plyn těžit, a jestli je obsah plynu dostatečný, to může prokázat jen geologický průzkum. Rozhodně by mělo být zjištěno, zda u nás takové zdroje jsou. Až podle toho, kolik by pak taková těžba stála a jaké by měla dopady na životní prostředí, by bylo možno rozhodnout, kdy, kde a za jakých podmínek by se mohla realizovat. V Americe přinesla těžba z těchto nekonvenčních zdrojů pokles ceny plynu téměř o polovinu. Pokud v Evropě ceny energií porostou, bude těžba z „břidlic“ jistě v budoucnu nutnou alternativou. Evropský problém spočívá v tom, že zde nepracuje mnoho společností, které umí hydraulické štěpení provést správně. Proto jsou tyto operace velmi drahé. Pokud by se ukázalo, že „břidlice“ mohou být dobrým zdrojem plynu, jistě by tak, jako v Americe, vznikla řada podobných firem a konkurenční tlak by stlačil ceny dolů. Dalším problémem v Evropě je vysoká hustota osídlení. Nejsou zde pustiny ani polopouště a Evropané si také chrání přírodní území. Přesto tu lze najít dost míst pro realizaci vrtů, kde příroda i život lidí nebudou příliš ovlivněny.
Použitá literatura
-
Ďurica D., Müller, P., Krčál, T., Doubravský, R., Hemza, P., Němec, J. & Osner, Z. (2006): Plyn sorbovaný v uhelných slojích hornoslezské pánve. ČGS. Praha.
-
Dvořáková, V. (2011) Nekonvenční zemní plyn z břidlic (NZPB). Potenciální uásoby a technologie jeho těžby. ČGS. Brno.
-
Geotermální energie (2012). Ministerstvo životního prostředí. Dostupné online (17. 7. 2012): http://www.mzp.cz/cz/geotermalni_energie
-
Gilleland. K. (2011) „Hydraulic Fracturing. Game-changing advances in stimulation and production technology are improving well economics“. E&P. Dostupné online (16. 7. 2012): http://www.slb.com/~/media/Files/stimulation/industry_articles/201101_ep_improvin g_well_economics.ashx
-
Mader, D. (1989): Hydraulic Proppant Fracturing and Gravel Packing. Elsevier. New York.
-
Montgomery, C. T. & Smith, M. B. (2010): „Hydraulic fracturing. History of an enduring technology“. JPT. Dostupné online (16. 7. 2012): http://www.spe.org/jpt/print/archives/2010/12/10Hydraulic.pdf
-
U. S. Environmental Protection Agency (2011): „Plan to Study the Potential Impacts of
Hydraulic Fracturing on Drinking Water Resource“EPA - Washington, D.C.
