Patent WAT

Podstawą opracowania innowacyjnej, krajowej technologii wydobycia gazu z polskich skał łupkowych jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO₂ w otworach poziomych, która została opisana w zgłoszeniu patentowym P.398228 dokonanym przez Wojskową Akademię Techniczną.
Przedmiotem proponowanego przez WAT wynalazku jest metoda sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO₂ z otworów poziomych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym. Sposób polega na wydobyciu gazu z łupków poprzez wpompowanie w poziome otwory ciekłego, sprężonego i schłodzonego CO₂, co spowoduje wniknięcie CO₂ w skałę i jego przemianę fazową pod wpływem panującej w złożu temperatury. Spowoduje to intensywne spękanie skały, adsorpcję CO₂ i jednoczesną desorpcję metanu.
Według badań naukowców japońskich (Tsuyoshi I. at al., Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing laboratory experiment with supercritical and liquid CO₂ GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012) szczelinowanie granitu przy użyciu CO₂ w stanie nadkrytycznym daje bardziej rozbudowaną siatkę szczelin trójwymiarowych niż w przypadku szczelinowania hydraulicznego , gdzie tworzą się szczeliny jedynie w kierunku prostopadłym do odwiertu. Wychwyt i zmagazynowanie CO₂ pod ziemią ograniczy jego emisję do atmosfery, co wspomoże spełnienie wymagań Unii Europejskiej dotyczących ograniczenia efektu cieplarnianego.
Opracowana metoda jest korzystna z punktu widzenia ochrony środowiska, gdyż nie wymaga stosowania wody oraz środków chemicznych. Również stosowanie piasku lub proppantu ceramicznego (zbadane zostaną oba przypadki) nie będzie wymagało zastosowania dodatków chemicznych, jedynie dokładnego wysuszenia, gdyż w stanie nadkrytycznym znacznie wzrasta ruchliwość cząstek płynu CO₂ i spada jego lepkość.
Energia potrzebna do uzyskania efektu szczelinowania będzie pobierana przez medium szczelinujące bezpośrednio z górotworu. Zatem proces szczelinowania w znacznej części będzie przebiegał samoistnie, siłami natury, co pozwoli obniżyć koszty metody i chronić środowisko naturalne.
Dodatkową zaletą ekologiczną metody jest to, iż CO₂ będzie pochodzić z zakładów przemysłowych (np. elektrowni, cementowni), które emitują go do atmosfery i są obciążane kosztami limitów (protokół z Kyoto).
Według danych Państwowego Instytutu Geologicznego cytowanych przez wiceministra Środowiska Piotra Woźniaka w Polsce gazu z łupków może być nawet do 2 bilionów m³ (1920 mld m³), ale najbardziej prawdopodobne jest, że zasoby gazu z łupków w Polsce mieszczą się w przedziale od 346 do 768 miliardów m³. To nawet 5,5 razy więcej od udokumentowanych do tej pory zasobów ze złóż konwencjonalnych (które w Polsce wynoszą ok. 145 mld m³). Przy obecnym rocznym zapotrzebowaniu na gaz ziemny w Polsce (ok. 14,5 mld m³), wystarczy to na zaspokojenie potrzeb polskiego rynku na gaz ziemny przez prawie 65 lat. Jak przeliczają eksperci, to także blisko 200 lat produkcji gazu ziemnego w Polsce na dotychczasowym poziomie (bez zmiany poziomu i proporcji podaży z importu i ze źródeł krajowych).
Koncesje na poszukiwanie złóż gazu łupkowego uzyskały głównie firmy amerykańskie, które wykorzystują metodę szczelinowania hydraulicznego do wydobycia gazu. Stanisław Nagy z Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu krakowskiej AGH zwraca uwagę, że na skuteczność szczelinowania wpływa wiele czynników, m.in. skład skały, a łupki w Polsce są niejednorodne i parametry naszych złóż różnią się od amerykańskich. Trzeba się liczyć z innymi warunkami geologicznymi w naszym kraju, które mogą stwarzać trudności badawcze i eksploatacyjne. Jego zdaniem wypowiedź prezesa Exxon Mobil to sygnał, że konieczne są dodatkowe badania laboratoryjne i analizy złóż, by lepiej przygotować zabiegi szczelinowania.
Polski przemysł wykorzystuje głównie spore zasoby paliw stałych – węgla kamiennego i brunatnego, jako źródła energii. Zasoby te pozwalają nam na samowystarczalność pod względem energetycznym.
Wstępując do Unii Europejskiej zgodziliśmy się stosować do wytycznych i przepisów przez nią uchwalanych.
Komisja Europejska w 2007 roku ogłosiła Strategiczny Przegląd Energetyczny i uchwaliła Europejską Politykę Energetyczną. Jednym z najważniejszych zapisów tego dokumentu jest ograniczenie zależności UE od importu węglowodorów. W tym celu państwa Unii Europejskiej zgodziły się na redukcję emisji gazów cieplarnianych oraz wykorzystanie do produkcji energii źródeł odnawialnych.
Jak wiadomo, w marcu 2012 roku Polska postawiła veto w sprawie dalszej redukcji emisji gazów cieplarnianych ze względu na przewidywane skutki ekonomiczne i społeczne (zbyt duże koszty ograniczenia emisji gazów cieplarnianych lub przejścia na inne, czyste metody pozyskiwania energii - gaz, energia atomowa). Jednak inne państwa Unii dążą do przyjęcia zapisów dotyczących redukcji emisji dwutlenku węgla.
Polska posiada klasyczne złoża gazu, które pozwalają zapewnić dostawy na poziomie 4-5,5 mld m³ gazu przez około 20-25 lat. Obecnie wydobycie gazu utrzymuje się na poziomie 4,3 mld m³ i jest niewystarczające w porównaniu do zapotrzebowania, które utrzymuje się na poziomie około 14 mld m³ z lekką tendencją wzrostową.
Do połowy września 2013 r. w Polsce wykonano 48 otworów poszukujących gaz w łupkach. Na razie brak informacji, czy którykolwiek z nich spełnia oczekiwania produkcyjnej wydajności. Na żadnym z otworów nie udało się przeprowadzić udanego zabiegu szczelinowania hydraulicznego. Według danych Państwowego Instytutu Geologicznego w Polsce metoda ta nie będzie działać. Polskie skały łupkowe są położone dużo głębiej niż amerykańskie, są twardsze i starsze. Stosowanie, więc dotychczasowych metod tj. szczelinowania hydraulicznego jest nieskuteczne.

Schemat metody

Pierwszym krokiem (rys.1.1) jest odpowiednie przygotowanie odwiertu pionowego (1) w złożu łupka gazowego (2) znajdującego się pomiędzy pokładami litej skały (3). Z odwiertu pionowego (1) wprowadzane są promieniowo w obwodzie odwiertu głównego, poziome otwory małośrednicowe (4a, b, c) na kilku poziomach. Łupek w otworach (4a) umieszczonych na jednym z poziomów może być wstępnie perforowany (5) (rozkruszony) przy użyciu różnych technik niszczenia skał.
Możliwe jest również prowadzenie procesu w otworach horyzontalnych wykonanych na dwóch poziomach (Rys. 1.1a).
Następnie (rys.1.2) odwierty poziome zostają zamknięte przy użyciu specjalnie zaprojektowanych zaworów sterowanych z powierzchni (6a, b). Przewiduje się, że kolejne etapy metody będą przebiegać według scenariusza zaproponowanego poniżej. Z powierzchni poprzez odwiert główny (1) wprowadza się elastyczne lub półelastyczne rury (7) o małej średnicy, które są izolowane lub wykonane z materiału wysoko izolacyjnego. Odwiert i rury będą wymagały chłodzenia ciekłym azotem. Rury (7) zostają wprowadzone do otworów bocznych (4a). Następnie przez rury (7) zostaje wprowadzony do złoża łupka gazonośnego (2) za pomocą pompy kriogenicznej ciekły sprężony i schłodzony CO₂ zmieszany na powierzchni z piaskiem lub proppantem ceramicznym. Cały proces podawania CO₂ wymaga stałej kontroli temperatury i ciśnienia w otworach (1) i (4a), w celu utrzymania ciekłego CO₂ w stanie nadkrytycznym. Powoduje to konieczność umieszczenia w nich zestawów odpowiednich czujników. Po zakończeniu tego etapu otwory (4a) również zostają zamknięte zaworem sterowanym z powierzchni i w złożu łupka (2) rozpoczyna się proces rozprężania CO₂ oraz jego przemiany fazowej pod wpływem panującej w złożu temperatury, co powoduje intensywne spękanie łupka, adsorpcję CO₂ i jednoczesną desorpcję gazu łupkowego. Proces ten trwa zwykle około 2 tygodni. Powstałe w złożu łupka gazonośnego (2) pęknięcia (9) umożliwiają uwolnienie gazu łupkowego wypchniętego przez cięższy CO₂ (rys.1.3). Otwory poziome (4b, c) zostają otwarte i uwolniony gaz, będący pod wysokim ciśnieniem wydobywa się na powierzchnię poprzez odwiert pionowy (1). Proces odzysku gazu z odwiertu może zachodzić samoistnie lub być prowadzony podciśnieniowo.

Rys. 1.1.	Rys. 1.1a
Rys. 1.2.	Rys. 1.3

Cały proces będzie prowadzony w pojedynczym odwiercie pionowym, c. Zastosowanie CO₂ w stanie nadkrytycznym spowoduje wzrost wydajności odwiertu, gdyż CO₂ wywoła desorpcję CH4 ze struktury porowatej łupka. Przewiduje się na podstawie światowych badań, iż poziom sczerpania złoża wzrośnie z 15-17% (metoda szczelinowania hydraulicznego) do nawet 60%. Dla poprawy efektywności metody zbadana zostanie konieczność modyfikacji powierzchni piasku stosowanego do blokowania szczelin gdyż zaletą CO₂ w stanie nadkrytycznym jest, pomimo spadku lepkości, znaczny wzrost ruchliwości jego cząstek.
Jednocześnie zrealizowany będzie proces magazynowania CO₂ pod ziemią, co graniczy jego emisję do atmosfery. Działanie to wspomoże spełnienie wymagań Unii Europejskiej dotyczących zjawisk związanych z efektem cieplarnianym, a jednocześnie zoptymalizuje ekonomiczny aspekt wydobycia CH4.
Metodę można wykorzystać do poprawy bilansu wydobycia gazu z odwiertu wyeksploatowanego metodami szczelinowania hydraulicznego wodą.
Zastosowanie na ustalonych poziomach otworów poprzecznych do odwiertu pionowego i prowadzenie szczelinowania od poziomu najniższego pozwoli na kontrolowanie procesu rozwoju szczelin poprzez wykorzystanie do tego celu otworów na wyższym poziomie. Działanie to umożliwi kontrolowane uzupełnianie ilości CO₂ w otworze do utrzymania żądanego ciśnienia w szczelinowanym złożu.
Metoda jest korzystna z punktu widzenia ochrony środowiska, gdyż nie wymaga stosowania wody oraz środków chemicznych. Będzie również dostosowana do specyfiki polskich złóż gazu z łupków.