Raport oceniający wpływ szczelinowania hydraulicznego na pokłady wód powierzchniowych – charakterystyka zbiorcza i modelowanie

Autorzy: Torsten Lange¹, Alexander Kissinger², Martin Sauter¹, Rainer Helmig², Michael Heitfeld³

¹Georg-August-Universität Göttingen
²Universität Stuttgart
³Ingenieurbüro Heitfeld - Schetelig, Aachen

Data publikacji:            Styczen 07, 2014

Tekst ten jest częścią artykułów "Szczelinowanie hydrauliczne w zbiornikach gazu naturalnego: zagrożenia dla systemu geologicznego, część 1 i część 2", które pierwotnie zostały opublikowane w czasopismie Environmental Earth Sciences (pol. geologia środowiskowa), Część 1: Wrzesień 2013; Część 2: Maj 2013.

Wstęp

Analiza zaprezentowana poniżej jest częścią procesu wymiany informacji i społecznego dialogu ExxonMobil, dotyczącego technologii szczelinowania hydraulicznego (Ewen et al., 2012). Jest to pierwsza na szerszą skalę, niemiecka analiza dotycząca określania obszarów ryzyka w kontekście zanieczyszczenia wód gruntowych substancjami transportowanymi za pośrednictwem płynów w trakcie ich iniekcji (ang. Injection) w procesie produkcji gazu z zasobów niekonwencjonalnych. Tematyka poruszana w ramach niniejszej analizy wynika z ogólnej zasady obowiązku dbałości o wody gruntowe (ang. general duty of care principle) opisanej w Europejskiej Ramowej Dyrektywie Wodnej (ang. European Water Framework Directive) orazw odpowiednich ustawach i przepisach, a także opiera się  o pogłębioną analizę tematów powiązanych z różnymi grupami reprezentującymi interes społeczny. W Stanach Zjednoczonych, gdzie technologia ta jest już wykorzystywana na skalę przemysłową, w oparciu o odmienne ramy prawne i w długiej perspektywie czasowej, istnieją dowody na istnienie zarówno potencjalnego jak i rzeczywistego zagrożenia dla wód gruntowych. Celem tej oraz podobnych analiz jest opracowanie katalogu wymogów poprzedzających działania związane ze szczelinowaniem hydraulicznym w Niemczech – umożliwiającego przeprowadzenie oceny zagrożeń dla wód gruntowych i zminimalizowanie wspomnianych obszarów ryzyka przy zastosowaniu tej technologii.

Zagadnienia

Zagadnienia omawiane w analizie są powiązane z oceną ryzyka w kontekście zanieczyszczenia wód gruntowych, spowodowanego transportem płynów i dodatków w nadkładzie formacji gazonośnych,. W transporcie substancji kluczowe są dwa  aspekty czasowo-przestrzenne (w zależności od procesu): krótkofalowy (w przybliżeniu 12 godzin), lokalny, wertykalny transport w warunkach wysokiego ciśnienia cieczy podczas szczelinowania hydraulicznego (scenariusz modelu 1) oraz długofalowy (30 lat) transport regionalny w zmiennych warunkach  hydraulicznych (scenariusz modelu 2) we wgłębnym systemie wodonośnym (ang. deep aquifer system). Analiza uwzględnia również kwestie dotyczące możliwej migracji metanu z jego naturalnych źródeł do wód przypowierzchniowych oraz do atmosfery (znaczenie klimatyczne, scenariusz modelu 3) po fazie produkcyjnej. Analiza dotyczy różnych struktur geologicznym w Basenie Dolnej Saksonii (ang. Lower Saxony Basin) oraz w Kredowym Basenie Münsterland (ang. Cretaceous Münsterland Basin), przy uwzględnieniu różnych uwarunkowań geologicznych. Uwarunkowania te pokrywają szerokie spektrum struktur geologicznych, w których rozmiar nadkładów, a także występowanie horyzontów solnych oraz przenikalnych stref uskoków było zróżnicowane.

Metody

Podejście deterministyczne, przyjęte w tej analizie, oparto o rozwój i symulację scenariuszy, które wymagają podstawowej znajomości procesów oraz odpowiedniego poziomu wiedzy na temat zmienności systemów i struktur geologicznych. Metody probabilistyczne nie były tu możliwe do zastosowania z uwagi na fakt, że wiele spośród kompleksowych zbiorów danych, które byłyby konieczne do określenia wielkości prawdopodobieństwa (ang. occurrence probabilities), zakresu szkodliwego wpływu oraz obszarów ryzyka, nie jest dostępnych. Oprócz regionalnego i lokalnego znaczenia niniejszej analizy, opracowano metody, które można wykorzystywać w szerszym kontekście, tj. na potrzeby innych lokalizacji. Uwzględniono również rozwój lokalizacji geologicznych oraz szczególne zastosowanie konserwatywnego podejścia z uwzględnieniem zbiorczego wpływu czynników niekorzystnych w procesie prognozowania, tj. takich, które wpływają na migrację substancji.
Dlatego właśnie konkretne procesy związane z transportem, które nie są powodowane adwekcją, takie jak dyfuzja matriksowa (ang. matrix diffusion), procesy sorpcyjne czy procesy rozkładu, nie zostały uwzględnione mimo iż zwiększają migrację zanieczyszczeń (ang. contaminant migration). Zamiast powyższego, przyjęto najwyższe możliwe przepuszczalności hydrogeologiczne (ang. hydrogeological plausibility of highest permeabilities) oraz najniższe porowatości efektywne (ang. lowest effective porosities) dlaprzepuszczalnych stref uskoku, pomiędzy faktycznym horyzontem uskokowym (ang. actual fractured horizon), a przypowierzchniowymi zasobami wodnymi. Warunki ramowe dla działań operacyjnych zostały wybrane w taki sposób aby maksymalne parametry ciśnienia mogły się utrzymać przez planowany okres prowadzenia odwiertu, mimo utraty płynów przenikających wysoce przepuszczalne struktury powyżej horyzontu uskokowego – proces, który powstrzymałyby mechanizmy kontroli technicznej w normalnych warunkach operacyjnych. Oznacza to, że zakłada się najgorsze możliwe scenariusze, w których duże ilości płynów do szczelinowania dotarłyby do przepuszczalnej strefy uskokowej, zlokalizowanej w nadkładzie. Co więcej, maksymalna wartość dla możliwego ciśnienia skierowanego pionowo do góry, uwzględnia potencjalne różnice, które rozważane są  w symulacji regionalnego transportu w Basenie Kredowym Münsterland.

Opisana kumulacja niekorzystnych czynników w dystrybucji substancji w poszczególnych scenariuszach przedstawia przypadki ekstremalne, które są fizycznie i teoretycznie możliwe, tym samym znajdujące się w górnej części zakresu potencjalnie negatywnych efektów szczelinowania hydraulicznego.

Kluczowym czynnikiem migracji płynów jest długość szczeliny, która jest jednym z parametrów brzegowych dla oszacowania transportu substancji. W oparciu o pomiary mikrosejsmiczne oparte o 3000 pojedynczych operacji szczelinowania hydraulicznego na różnych obszarach i w różnych warunkach operacyjnych, analiza Pinnacle Halliburton (Fisher & Warpinski, 2011) pokazuje, że  długości szczelin, powstałe wskutek szczelinowań hydraulicznych, nie przekraczają 1500 stóp (w przybliżeniu 500 m) i zwykle są znacząco niższe.

Oprócz kompleksowych zasobów geologicznych i hydrogeologicznych, określonych dla obszarów będących przedmiotem analiz, wybrano takie uwarunkowania geologiczne, które są znaczące dla migracji substancji szczelinujących. Główne kryteria to objętość nadkładu oraz występowanie lub brak stref uskokowych i horyzontów solnych. Wybór rzeczywistych parametrów transportu adwektywnego, przepuszczalność oraz faktyczna porowatość dla uskoków oraz litologicznie jednorodnych formacji skalnych (ang. lithologically clean units and faults) został przeprowadzony w oparciu o kompleksowy przegląd literatury. Z drugiej strony, parametry przepuszczalności właściwych zostały oszacowane z wykorzystaniem obliczeń bilansu składu mieszaniny (ang. mixture balance calculations). W tym przypadku wykorzystano parametry zasolenia wód przypowierzchniowych, które są częściowo powiększone w otoczeniu wybranych uwarunkowań jak i stopień zasolenia głębokich pokładów wodnych z okresów Cenoman/Turon. Zwykle podniesiony poziom zawartości soli w nadkładzie „Emscher Mergel”, którego grubość wynosi kilkaset metrów, został zignorowany w świetle konserwatywnych założeń przyjętych w metodyce analizy.

Wyniki

W oparciu o zaprezentowane podejście analityczne, przeprowadzono symulacje dotyczące transportu substancji dla trzech scenariuszy modelowych, róznicując zmienne wsadowe, co dało następujące wyniki:

Symulacje w ramach scenariusza 1 (transport podczas szczelinowania hydraulicznego) przyniosły rezultaty w postaci maksymalnego pionowego transportu płynu na poziomie 50m przy niesprzyjających warunkach. Wartość ta jest wykorzystywana do oszacowania minimalnych odległości pomiędzy głowicą szczelinującą, a pokładami wody przypowierzchniowej.

W ramach scenariusza 2 (transport regionalny, głębokie pokłady wody) nie uwzględniano Basenu w Dolnej Saksonii ponieważ można założyć, że występuje tam zamknięty system hydrauliczny (ang. a closed hydraulic system)  na adekwatnych głębokościach. Na południowym-zachodzie basenu kredowego Münsterland występuje jednak gradient ciśnienia w skali regionalnej na, który, z teoretycznego punktu widzenia, pozwala na przemieszczania roztworów szczelinujących na odległości od 1 do 25m rocznie, w zależności od wykorzystywanego modelu. Przy dużych różnicach ciśnienia pionowego, symulacje najgorszego możliwego scenariusza określają migrację pionową w rozpatrywanym okresie. Niemniej jednak, jeśli czynniki takie jak dyfuzja matriksowa lub sorpcja oraz procesy rozkładu, są realistycznie uwzględniane, można się spodziewać znaczącej redukcji wolumenu transportowanych składników organicznych. Z uwagi na przeszacowania będące rezultatem przyjętego tutaj konserwatywnego podejścia analitycznego, sformułowanie ostatecznego wniosku na temat długofalowej migracji substancji nie jest jeszcze możliwe.

Długofalowa migracja (scenariusz 3) metanu ze złóż geologicznych gazu, przez nadkład, do atmosfery jest możliwa wskutek obecności przepuszczalnych stref uskokowych, niskiego poziomu nasycenia osadów o niskiej efektywnej porowatości, dużych ilości gazu, które mogą zostać uwolnione, cienkiej warstwy nadkładu, braku horyzontów solnych. Niemniej jednak, wciąż pozostają istotne obszary niepewności dotyczące parametrów wsadowych. Niezbędna jest ewaluacja oparta o konkretną lokalizację.

Rekomendacje

Rekomendowany, minimalny dystans wynoszący przynajmniej 1000 m pomiędzy perforacją w rurach, a poziomem gruntu, można uzyskać na podstawie wyliczenia maksymalnych odległości transportu oraz parametrów wysokości szczelinowania (ang. fracture heights): 500 m wysokości szczelinowania + 200 m odległości migracji pionowej (= podwójna mobilizacja płynów do szczelinowania à 50 m x współczynnik bezpieczeństwa 2). Górne 300 m (uwolnione naprężenia z uwagi na przypowierzchniową strefę nadkładu), włączając grubą na 100m warstwę przypowierzchniowego poziomu wodonośnego, nie są uważane jako istotne z punktu widzenia barier.

Aby ochronić głębokie, użytkowe pokłady wodonośne, rekomendowana odległość bezpieczeństwa pomiędzy dolną częścią poziomu wodonośnego, a perforacją na rurach to 600 m: 500 m wysokość po szczelinowaniu + 100 m dystansu pionowej migracji płynów do szczelinowania (= 2 x szczelinowanie à 25 m (w oparciu o kalkulacje modelowe) x wskaźnik bezpieczeństwa 2).

Nie ma żadnych rekomendacji dot. migracji metanu ponieważ nie ma wystarczającej ilości informacji na temat warunków w źródle metanu. Zasada ogólna mówi, że nadkłady o niskiej przepuszczalności, zwłaszcza ewaporatowe horyzonty zawsze są skuteczną barierą.

Zaleca się unikania szczelinowania hydraulicznego w strefach ochronnych wody pitnej 1 i 2, w obszarach ochrony źródeł mineralnych, w obszarach, które z uwagi na uwarunkowania tektoniczne cechują się zwiększonymi naprężeniami, w obszarach mających duże zagęszczenie szczelin i pęknięć lub też w pobliżu starych szybów lub studni. Przed przystąpieniem do procedury szczelinowania hydraulicznego, powinna być przeprowadzana analiza lokalna, uwzględniająca dokumentację istniejących uwarunkowań oraz wyniki monitoringu sejsmicznego.

Źródła

Lange, T., Sauter, M., Heitfeld, M., Schetelig, K., Brosig, K., Jahnke, W., Kissinger, A., Helmig, R., Ebigbo, A., Class, H. (2013): Hydraulic fracturing in unconventional gas reservoirs: risks in the geological system, Part 1. Environmental Earth Sciences, 70 (8), 3839-3853. [Szczelinowanie hydrauliczne w niekonwencjonalnych pokładach gazu – obszary ryzyka w systemie geologicznym, część 1]

Kissinger, A., Helmig, R., Ebigbo, A., Class, H., Lange, T., Sauter, M., Heitfeld, M., Klünker, J., Jahnke, W. (2013): Hydraulic fracturing in unconventional gas reservoirs – Risks in the geological system, Part 2. Environmental Earth Sciences, 70 (8), 3855-3873 . [Szczelinowanie hydrauliczne w niekonwencjonalnych pokładach gazu – obszary ryzyka w systemie geologicznym, część 2]

Literature

Fisher, K., & Warpinski, N. (2011): Hydraulic fracture-height growth: real data. Soc Petrol Eng SPE 145949 [Wzrost wysokości szczeliny uzyskanej metodami hydraulicznymi]

Ewens, C. Borchardt, D., Richter, S. Hammerbacher, R. (2012): Hydrofracking risk assessment – executive summary. [Ocena ryzyka w hydroszczelinowaniu]

Related Literature

Sauter, M., Helmig, R., Klünker, J., Lange, T., Kissinger, A., Brosig, K., Jahnke, W., Heitfeld, M., Scheltig, K. (2012): Risiken im Geologischen System bei der Fracking-Technologie. Wasser und Abfall, 6, pp. 16-20

Sauter, M., Helmig, R., Scheltig, K., Brosig, K., Kissinger, A., Lange, T., Heitfeld, M., Klünker, J., Jahnke, W., Ebigbo, A., Paape, B. (2012): Gutachten zur Abschätzung der Auswirkungen von Fracking-Maßnahmen auf das oberflachennahe Grundwasser –  Generische Charakterisierung und Modellierung.