W numerze 2/2010 „Chemii Przemysłowej” (ChP) pisałem o gazie ziemnym jako paliwie XXI wieku. I choć minęło tylko kilka miesięcy od tamtego czasu jesteśmy świadkami niebywałego rozwoju perspektyw tego błękitnego paliwa. Dlatego w dwuodcinkowym raporcie przybliżę ten fenomen. W pierwszej części skupię się na pytaniach: co to w ogóle jest, jakie są rodzaje tego nowego gazu, ile go jest, jak go wydobyć i czy to nie szkodzi środowisku. Od razu zapowiadam część drugą w najbliższym numerze „ChP”, która będzie poświęcona sprawom nowego gazu w Europie i Polsce.

 Gaz łupkowy – co to właściwie jest?
    Gaz łupkowy (shale gas) to jeden z trzech rodzajów „niekonwencjonalnego” gazu, określanych jako alternatywne, nowe wobec klasycznego gazu ziemnego, wydobywanego z powodzeniem do dwóch wieków. To ten sam metan (CH₄), tylko wydobywany w inny sposób i z innych, nieosiągalnych dotychczas miejsc. Określenie „niekonwencjonalny” nie jest właściwe, gdyż te nowe zasoby gazu powinny się nazywać „pomijanymi”  lub „niechcianymi”. To zresztą przy wydobyciu
gazu ziemnego nie nowina – jak kiedyś traktowano gaz ziemny ilustruje świetnie powiedzenie amerykańskich poszukiwaczy ropy naftowej (zwanych tam wildcatters): „Zła wiadomość: nie trafiiśmy na ropę. Dobra wiadomość Nie ma gazu”.
    Gaz ziemny był utrapieniem firm naftowych. Nie było z nim co robić, trudniej go było transportować na najmniejsze nawet odległości. Dzisiaj za najtrudniejszym, niekonwencjonalnym gazem zabijają się wielkie firmy naftowe, które nabywają nowe gazowe złoża i wyruszają w odległe regiony (np. Polska, to dla Amerykanów dość daleko, w Europie... gdzieś pod rosyjską granicą..., a tam białe niedźwiedzie na ulicach...). Jednak od kilkudziesięciu lat postęp technologii wydobycia i obniżenie jej kosztów spowodowały możliwość sięgnięcia po nowe, właśnie pomijane do tej pory zasoby. Wśród tych dostępnych technologicznie mamy właśnie: gaz ściśnięty (tight gas), gaz z łupków lub gaz łupkowy (shale gas) i metan z pokładów węgla (coal bed methane). To trzy nowe rodzaje gazu.
    Zanim jednak przyjrzymy się im szczegółowo, warto je umieścić w ogólnej perspektywie zasobów naturalnych gazu ziemnego, jakie są obecnie znane i dostępne, choć nie zawsze mamy możliwości wydobywać je na skalę przemysłową.
Kluczowym czynnikiem jest przepuszczalność pokładów, w których gaz jest „uwięziony”. Dla metod klasycznych musi być na tyle wysoka, że wydobywa się on na powierzchnię dzięki własnemu ciśnieniu w złożu, a wspomaganie wydobycia nie jest zbyt kosztowne ani trudne (np. dzięki zatłaczaniu do złoża niechętnie widzianego dzisiaj dwutlenku węgla CO₂).

 Rodzaje nowego gazu
    Nowe złoża gazu charakteryzują się tym, że są inaczej zlokalizowane niż gaz tradycyjny - występuje w rozległych basenach geologicznych, a nie w pułapkach (gdzie gaz zbiera się, migrując do góry), z których go do tej pory eksploatowaliśmy. O ile bowiem gaz klasyczny trudno było znaleźć, a łatwo wydobywać, to z gazem niekonwencjonalnym jest odwrotnie.

Gaz ściśnięty (ang. tight gas) czy związany – nazewnictwo jeszcze w Polsce się nie ustaliło. Jest najbliższy klasycznym zasobom gazu, gdyż może występować w bardzo podobnej postaci. Ani jego umiejscowienie (pułapka geologiczna, czyli miejsce, gdzie się gaz zebrał), ani skała, w której się zebrał (najczęściej piaskowiec) nie odróżniają go od wcześniej wydobywanych. Problemem jest to, że nie płynie na powierzchnię tak łatwo jak klasyczny gaz. Złoże bowiem to skała, która pełna jest drobniutkich, ale połączonych ze sobą kanalików, w których krąży gaz. Jest on tam pod pewnym ciśnieniem, które powoduje, że jak przebijemy się przez warstwę nieprzepuszczalną, to ucieka ze złoża tam, gdzie go skierujemy.
    Przy niskiej przepuszczalności złoża (pory w skałach są zbyt małe, słabo połączone ze sobą, by molekuły gazu mogły swobodnie przepływać) gaz ściśnięty nie da się wydobyć opłacalnie przy pomocy tradycyjnych wierceń – nie wypłynąłby ze złoża bez wspomagania. Przepuszczalność złoża - mierzona w jednostkach Darcy’ego, dla tight gas w USA dla celów podatkowych określona na poniżej 0,1 m^D (mili Darcy) – jest tu decydująca. Pory w skałach są zbyt małe, słabo połączone ze sobą, by molekuły gazu mogły swobodnie przepływać. Przy takim oporze materii geologicznej potrzebne jest znacznie lepsze rozpoznanie złóż i konieczne jest zastosowanie specjalnych technik przyspieszających wypływ gazu.
    Jednak złoża tego gazu są rozległe i bardzo obiecujące pod względem zasobów. W USA wydobywa się go od 40 lat, dzisiaj stanowi ponad 30% amerykańskiego wydobycia - 150 mld m³ rocznie (czyli ponad 10-krotna wielkość polskiej konsumpcji), w Kanadzie to wydobycie rozwinęło się do 55 mld m³ (na 160 mld m³ wydobycia krajowego), zaś metody te są stosowane już w 10 krajach świata. Często jednak ten rodzaj niekonwencjonalnego  wydobycia nie jest oddzielany i sprawozdawany osobno. Coraz bardziej wchodzi w skład standardowych metod wydobycia. W Polsce pierwsze podejście do tego rodzaju gazu wykonała spółka Aurelian. 

Metan z pokładów węgla (coal bed methane - CBM) to gaz ziemny zawarty w złożach węgla. Metan występuje łącznie z węglem, stanowiąc często zagrożenie przy wydobyciu, dlatego pozyskiwanie gazu odbywa się zwykle przed eksploatacją kopalni. Zwykle także wykorzystuje się pokłady węgla, które leżą zbyt głęboko lub są zbyt niskiej jakości, by je eksploatować. Techniki jego wydobycia są bardzo podobne do klasycznych metod. Ostatnio coraz częściej stosuje się techniki wierceń poziomych czy też szczelinowania. Poważną przeszkodą w jego wydobyciu jest najczęściej woda, którą trzeba wydobyć przed rozpoczęciem produkcji gazu ze złoża. To ogromna trudność techniczna, koszt i obciążenie ekologiczne. Bywa więc często przyczyną zaniechania eksploatacji.
    W wielu krajach wydobywa się go na dużą skalę (Stany Zjednoczone, Kanada, Australia, Chiny, Indie). Najwięcej wydobywają go Stany Zjednoczone, gdzie wydobycie rozpoczęło się już w latach 80., a dzisiaj osiągają poziom 50 mld m³, około 10% amerykańskiej produkcji (a trzy i pół roku polskiego zużycia gazu). Jego udokumentowane zasoby w USA to 620 mld m³ (9% wszystkich). Produkcja w Kanadzie rozpoczęła się w 2003 r. i dzisiaj stanowi już 4% wydobycia. Duże wydobycie ma Australia, gdzie planuje się używać CBM jako surowca dla eksportu LNG.
    Ogromne zasoby posiada także Rosja, jednak tam są one znacznie droższe od zasobów klasycznego gazu o wysokiej jakości w gigantycznych syberyjskich złożach. W Chinach, gdzie gwałtownie rozwija się wydobycie i zużycie gazu, plany narodowe przewidywały wydobywanie 10 mld m³ gazu rocznie już w tym roku. W 2008 r. było to zaledwie 1,6 mld, jednak Chińczycy czynią szybkie postępy. 

Gaz łupkowy (shale gas) – to ten sam metan, gaz ziemny występujący jednak w skałach łupków bitumicznych. Różni się od innych tym, że są to dla jego skały macierzyste, czyli gaz po wytworzeniu się z materii organicznej nie przemieścił się do tzw. pułapek (lub w ogóle nie uciekł do atmosfery), ale pozostał w skale. Metan może przebywać w tych skałach w różnych postaciach: w porach skał, w pęknięciach i szczelinach lub może być wchłonięty w minerałach lub związany z materią organiczną. Jest najbardziej popularny w Polsce ze względu na szeroką informację w mediach i częste określanie w ten sposób wszystkich rodzajów gazu niekonwencjonalnego.

Ile tego jest?
    Zasobów „niekonwencjonalnych” wydaje się (ze słyszenia) być znacznie więcej niż tradycyjnych. IEA szacuje te ostatnie na 405 bilionów m³, zaś szacunek niekonwencjonalnego - 921 bilionów m³, czyli prawie dwuipółkrotnie więcej. I przy światowej konsumpcji 2,94 biliona m³/rok – wystarczy nam tego nowego gazu na ponad 300 lat. To są ogromne ilości, nieprawdaż? Ale....
Trzeba brać pod uwagę poważne zastrzeżenie. O ile poprzez lata praktyki i budowy doświadczeń oceny zasobów konwencjonalnych, metody ich oceny są precyzyjne i trafnie oddają zasobność złóż, o tyle przy niekonwencjonalnych są jeszcze bardzo mało wiarygodne. Mają one inną i zróżnicowaną strukturę geologiczną, niską przepuszczalność skał, co ogromnie zwiększa niepewność, ile z takich złóż będziemy w stanie wydobyć gazu. To, że on tam jest – można oszacować, pytanie brzmi: czy jest technicznie osiągalny, czy można go dzisiejszymi metodami wydobyć na powierzchnię. Wiedza taka będzie się budowała przez lata i dziesięciolecia na podstawie doświadczeń. Do dużego stopnia pewności oceny zasobów droga jeszcze daleka.
    Dlatego owe 921 bilionów m³ to jest kategoria „in place” oznaczająca ilość gazu w złożu. Nie ilość „dostępną” czy „wydobywalną”, ale zawartą w skałach. Ile z tego uda się wydobyć, to jeszcze stoi pod ogromnym znakiem zapytania. Międzynarodowa Agencja Energii bardzo względnie szacuje, że ok. 40% zasobów gazu niekonwencjonalnego w złożach (in place) jest możliwe do wydobycia. Jest to założenie oparte na doświadczeniach amerykańskich, które niekoniecznie muszą pasować do innych kontynentów. Niestety, psuje nam to trochę statystyki. Z 921 bilonów m³ pozostaje jedynie 380 bln m³, co łącznie ze zwykłym gazem daje 785 bln m³. A więc już łącznie te zasoby dają perspektywę zaledwie... 270 lat. Całkiem nieźle, ale nowy gaz nie wygląda już tak oszałamiająco – możemy wydobyć go mniej niż klasycznego. O niewielkim jeszcze zaawansowaniu w odkrywaniu nowego gazu świadczy fakt, że stanowi on obecnie jedynie 4% udokumentowanych, gotowych do produkcji zasobów. Jednak intensywność wydobycia jest znacznie większa - w 2008 roku stanowił aż 12% produkcji, z tego aż ľ to pozyskanie na kontynencie amerykańskim: USA - 300 miliardów m³ (ponad 20 lat polskiej konsumpcji), Kanada dodała do tego 60 miliardów m³. Jak widać, Ameryka bardzo intensywnie zużywa swoje nowo odkryte zasoby. Ważne dla oceny szans na rozwój tego nowego gazu jest jego geograficzne rozmieszczenie, gdyż jest to klucz do zrozumienia, dlaczego jedni bardzo się cieszą z jego odkrycia, a drudzy nie są aż tak entuzjastyczni.
    Ważne dla oceny szans na rozwój tego nowego gazu jest jego geograficzne rozmieszczenie, gdyż jest to klucz do zrozumienia, dlaczego jedni bardzo się cieszą z jego odkrycia, a drudzy nie są aż tak entuzjastyczni. Widać na rysunku 2 (gdzie warto pamiętać – porównujemy ilości w złożu, które można zmniejszyć o 60%, jeśli chcemy uzyskać ilość możliwą do wydobycia), że szczególnie obdarzonym regionem jest Azja. Tu szczególnie dużo przypadło Chinom, które mają 144 biliony m3, niewiele mniej niż Rosja i obszar b. Związku Radzieckiego. W tych rejonach to głównie metan z pokładów węgla występujących tam bardzo obficie. Ameryka Północna jest także po tej zasobnej w surowce stronie, gdyż na ten region przypada 25% światowych zasobów. Jeśli dodać do tego wielkość i charakter złóż amerykańskich – widać jasno, że amerykański entuzjazm jest uzasadniony. Niestety, natura poskąpiła tych skarbów Europie. Jeśli wziąć pod uwagę jedynie Europę Zachodnią, do której i my mamy teraz przyjemność się zaliczać, to ma ona zaledwie 3% światowych zasobów na swoim terytorium. To podobnie skromnie, jak i w gazie konwencjonalnym, gdzie cała Europa ma jedynie 5%. Także nie ma się co dziwić bardziej sceptycznym głosom dochodzącym z naszego kontynentu wobec amerykańskiego entuzjazmu (... o czym w drugiej części raportu).

Rys. 2. Ile zasobów gazu mamy w różnych rejonach świata (IEA WEO 2009)

Jak to wydobyć?
    Wydobycie gazu łupkowego nie jest takie nowe. Pierwsza eksploatacja takiego złoża miała miejsce prawie 200 lat temu w okolicach Nowego Jorku, gaz pobierano z głębokości 8 metrów (proszę zauważyć postępy technologii – dzisiaj sięgamy wierceniami na 10 000 metrów i to głęboko pod wodą). 20 – 30 lat temu niewielkie wydobycie (jak na Amerykę) w ilości 3 – 4 miliardy m³ (czyli tyle, ile  wydobywamy dzisiaj w Polsce) miało miejsce w Antrim Shale na amerykańskim Środkowym Zachodzie. Jednak rzeczywiście przemysłowe znaczenie uzyskał shale gas w USA w ostatnich latach. Dzięki odkryciu wielkiego pola Barnett (w Teksasie) wydobycie rozwinęło się na ogromną skalę 50 mld m³, czyli 8% wydobycia USA w 2008 r.). I chociaż kryzys 2009 roku ograniczył wydobycie, wiele kopalni zostało zamkniętych, to charakterystyczne, że w większości było to wydobycie konwencjonalnego gazu.  
    Jak już wiemy – nowy gaz sam nie wypływa na powierzchnię, jednak udało się metan do tego zmusić, wręcz „wycisnąć” ze złóż. Amerykańska wynalazczość i przedsiębiorczość (patrz więcej „Amerykański cud gazowy” - "ChP" nr 4/2009) spowodowała, że nawet wobec tych opornych złóż osiąga się stan wydobywalności, a gaz płynie w takich ilościach, że przedsięwzięcie się opłaca. Udało się to dzięki dwóm nowoczesnym technikom: wierceniom poziomym oraz szczelinowaniu hydraulicznemu. Zwykle z wierceniami kojarzy nam się prosta wieża, która boruje pionowo i docierając do złoża „otwiera” je na powierzchnię. Dzisiaj ta technika została rozszerzona o możliwość wiercenia poziomego. Wiertła prowadzące odwiert potrafią teraz „skręcać” pod ziemią, dochodząc do pozycji poziomej i sięgać do miejsc, do których nie można było dotrzeć, bo na powierzchni są na przykład budynki. Co więcej - z jednego poziomego odwiertu potrafimy dzisiaj rozpocząć wiele odwiertów poziomych. Umożliwia to dotarcie do wielu złóż ropy czy gazu z jednego miejsca.
    Drugą techniką, która zrewolucjonizowała wydobycie, jest szczelinowanie hydrauliczne (ang. hydraulic fracturing lub frac). Ta technika ma na celu rozszerzenie kanalików, jakie są między porami skalnymi, tak by uwolnić cząsteczki gazu i pozwolić im wypłynąć. Polega ona na wprowadzeniu w poziome otwory wiertnicze rur, które - posiadając niewielkie otwory - umożliwiają wciśnięcie w kały duże ilości płynów pod wysokim ciśnieniem. Jest w 99% woda, która zawiera także piasek zapobiegający zwieraniu się szczelin oraz niewielkie ilości chemikaliów, zwiększających efektywność procesu.
    Złoża nowego gazu to zupełnie inna przygoda niż z klasycznymi złożami. Te były w określonym miejscu, sztuką było taką pułapkę z gazem zlokalizować – do tego służy wiedza geologów i coraz bardziej wyrafi nowane narzędzia. Stąd „suche” (czyli nietrafione) odwierty. Nowy gaz jest łatwiejszy do zlokalizowania, jednak to, że skały takie są – to dopiero początek przygody. Trzeba przez odwierty poszukiwawcze, później analizę próbek, testy efektywności złóż – dochodzić do odpowiedzi na pytanie: czy to, co jest w ziemi, uda nam się wydobyć? Po spełnieniu wielu warunków, możemy się dopiero zapytać: czy jest to opłacalne?
    Warto podkreślić - to jest nowa technologia. Rozwija się bardzo szybko i postępy w wydobyciu (obniżenie kosztów, przyspieszenie wierceń, zwiększenie wydajności wydobycia) są oszałamiające. To tak jakby patrzeć na rozwój telefonów komórkowych, które weszły na polski rynek w 1995 r., były wielkości i wagi cegły, i z bateriami wystar wystarczającymi na kilkudziesięciominutowe rozmowy. Popatrzmy na dzisiejsze cacka - porównanie ich z poprzednikami daje pojęcie o efektywności i tempie zmian tej nowoczesnej amerykańskiej technologii wydobycia gazu.
        Konieczność wykonywania gęstych wierceń i rozchodzenia się w poziomie nitkami poziomych rurociągów wynika z faktu, że złoża shale gas są w minimalnym stopniu przepuszczalne. W klasycznym złożu można wywiercić jeden otwór (w wielkich złożach jest to oczywiście więcej odwiertów) i wysoka przepuszczalność skały umożliwia przepłynięcie na powierzchnię gazu z całego złoża. W shale gas trzeba dotrzeć do każdego fragmentu złoża, szczelinować go osobno, gdyż tam, gdzie kończy się zasięg pionowych rurociągów – tam kończy się strefa, z której wypływa gaz. Dlatego wierceń przy wydobyciu tego rodzaju gazu musi być znacznie więcej. Wielkie amerykańskie pola wydobywcze są usiane wiertniami w odległości 1 – 2 kilometry na ogromnych obszarach.

Otoczenie i środowisko
    Podstawowym wyzwaniem dla wykorzystania potencjalnych zasobów gazu łupkowego jest obciążenie dla otoczenia, jakie niesie ze sobą proces jego wydobycia. Przede wszystkim uciążliwość dla lokalnych społeczności jest znacznie większa niż przy klasycznym wydobyciu. Ilość koniecznych odwiertów, obszary potrzebne dla zagospodarowania złoża, rurociągi do odprowadzenia gazu oraz obciążenie miejscowej infrastruktury może wywoływać protesty, szczególnie gdy lokalne społeczności nie będą widziały własnych korzyści. Drugim poważnym wyzwaniem jest obciążenie środowiska naturalnego, zarówno przez zniszczenie krajobrazu na dużych obszarach, jak i intensywne zużycie zasobów wody, koniecznej do procesu wydobycia. Problem chemikaliów, w niewielkiej ilości używanych do szczelinowania złóż, wywołuje już wiele sporów w USA, gdzie w pierwszych procesach przyznano odszkodowania za zanieczyszczenie wody. Może być on barierą dla uzyskania pozwoleń środowiskowych. Czynniki te będą nie tylko utrudniać  wydobycie, ale także podnosić koszt gazu.
    Kończąc, chciałbym wyrazić przekonanie, że to są początki nowego etapu oswajania przyrody i korzystania z jej zasobów. Dynamika tego zjawiska jest bowiem niepowstrzymana – wyścig technologiczny wystartował i tam, gdzie warunki geologiczne na to pozwolą – zmieni on obraz światowego rynku energetycznego. Jest technologia, która zwiększy zasoby dostępne dla człowieka. Nie wiemy, jak się rozwinie, ale w następnym numerze przyjrzymy się szansom ich rozwoju w Europie, a szczególnie w Polsce.

Autor: Andrzej Szczęśniak

Artykuł został opublikowany w magazynie „Chemia Przemysłowa" nr 4/2010