W dniach od 26 do 28 kwietnia 2018 roku w Krakowie odbyło się spotkanie zamykające trzyletni, pionierski projekt naukowy Shale Gas Exploration and Exploitation Induced Risks (akronim SHEER). Celem projektu było badanie wpływu poszukiwań i eksploatacji gazu z łupków na środowisko w kierunku opracowania najlepszych praktyk monitorowania wpływów i analizy ryzyka takiej działalności technologicznej dla środowiska. Z polskiej strony znaczący udział w tym przedsięwzięciu miał Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. Projekt finansowany był przez Komisję Europejską w ramach programu „Horyzont 2020”.

Szczelinowanie hydrauliczne, zwane także popularnie frackingiem, jest jednym z najczęściej wykorzystywanych na świecie procesów przy eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu. Poszukiwanie i eksploatacja takich złóż wiąże się z drążeniem głębokich, pionowych, a później poziomych odwiertów, sięgających nawet kilku kilometrów. Cały proces technologiczny, od wiercenia otworów, poprzez hydroszczelinowanie, do akwizycji gazu stanowi potencjalne zagrożenie dla środowiska. Wskazuje się m.in. na ryzyko wzbudzenia trzęsień ziemi, zanieczyszczenia wód gruntowych, powierzchniowych czy skażenia powietrza.

Projekt SHEER podjął bardzo aktualny problem kompetentnej oceny możliwego wpływu wydobycia gazu z łupków na środowisko. Realizowany był w ramach międzynarodowego konsorcjum siedmiu instytucji naukowych z Włoch, Polski, Niemiec, Holandii, Wielkiej Brytanii i USA. Polscy naukowcy z Instytutu Geofizyki PAN kierowali trzema z ośmiu pakietów roboczych (WP2, WP3, WP6 – Rys. 1), odpowiadając za prowadzenie multidyscyplinarnej bazy danych oraz integrację jej z e-Platformą IS-EPOS, monitoring środowiskowy oraz ocenę wpływu hydroszczelinowania na zanieczyszczenie powietrza. Znaczący był również ich wkład w realizację pozostałych pakietów i całości projektu: prof. Stanisław Lasocki, kierujący grupą polską, wchodził w skład trzyosobowego Project Management Team.

Odwierty w Wysinie

Po raz pierwszy w Europie przeprowadzono wielodyscyplinarny monitoring środowiskowy przed, w trakcie i po hydroszczelinowaniu. Na terenie wokół otworu eksploracyjnego PGNiG SA we wsi Wysin na Pomorzu rozstawiono aparaturę do pomiaru sejsmiczności, jakości wód gruntowych i jakości powietrza (Rys. 2). Hydroszczelinowanie w Wysinie prowadzone było w dwóch horyzontalnych otworach o długości ~1.7 km (Wysin-2H oraz Wysin-3H), znajdujących się na głębokości 4 km, w dwóch dziesięciodniowych cyklach, kolejno w czerwcu i lipcu 2016 r.

Monitoring sejsmiczny do rejestracji sejsmiczności indukowanej pracami technicznymi w odwiertach Wysin trwał od listopada 2015 do stycznia 2017 przy użyciu 31 sejsmometrów powierzchniowych i trzech umieszczonych w pięćdziesięciometrowych otworach. Dwa płytkie, słabe i niegroźne wstrząsy o magnitudzie Mw=1.0 oraz Mw=0.5, zarejestrowane kilka dni po hydroszczelinowaniu, zostały zlokalizowane w bliskim sąsiedztwie odwiertu. Małe odległości pomiędzy otworem a epicentrami oraz czasowa korelacja między operacjami technologicznymi i występującą sejsmicznością sugerują możliwy związek pomiędzy hydroszczelinowaniem a dwoma wspomnianymi zdarzeniami sejsmicznymi.

Cztery odwierty sięgające zwierciadła wód podziemnych wykorzystywane były do monitorowania stanu jakości wód. Parametry – takie jak poziomy wody, ciśnienie absolutne, temperatura czy przewodnictwo elektryczne – rejestrowane były w odstępach 15-minutowych, in situ , od grudnia 2015 r. do lutego 2018 r. Dodatkowo co 4-6 tygodni zbierane były próbki wody do analiz laboratoryjnych. We wspomnianym okresie nie zarejestrowano żadnego wpływu hydroszczelinowania na parametry wód podziemnych, czy to poziomu wód, czy składu chemicznego wód podziemnych, zarówno w skali krótko-, jak i średnioterminowej. Rejestrowana temperatura oraz przewodnictwo elektryczne były względnie stabilne przez cały okres sprawozdawczy, bez wyraźnych wskaźników, które można by przypisać działaniu szczelinowania hydraulicznego. Miejscowe zmiany wykryliśmy na jednej ze stacji od kwietnia 2017 r., ale okazały się nie mieć szerszego efektu i dotyczyły tylko bezpośredniego otoczenia odwiertu.

Zanieczyszczenie powietrza było monitorowane w sposób ciągły za pomocą automatycznej stacji pomiarowej zlokalizowanej ~1000 m na wschód od platformy wiertniczej. Analizowaliśmy poziomy stężenia różnych zanieczyszczeń, w tym NO, NO2, NOx, CO, PM10, O3, CO2, CH4, NMHC i Radonu. Pomiary jakości powietrza obejmowały okres od lipca 2015 r. do lipca 2017 r. Podczas całego okresu monitoringu poziomy zanieczyszczeń powietrza w pobliżu wiertni pozostawały niskie w stosunku do ogólnie przyjętych norm. Tylko trzy krótkie, 1-2 godzinne, okresy podwyższonego poziomu metanu zostały wykryte 30 lipca, 1 września i 2 września 2016 r. W tym czasie trwało zamykanie otworów wykorzystywanych uprzednio do szczelinowania. Analiza transportu zanieczyszczeń wykonana z użyciem modelowania numerycznego wskazała obszar odwiertu jako źródło zanieczyszczenia.

Podsumowując, drobiazgowy monitoring nie wykazał żadnego istotnie niekorzystnego wpływu prac technicznych w Wysinie na stan środowiska. Zebrane dane wraz z danymi z innych światowych miejsc wykorzystywania podziemnego zatłaczania wody w celu pozyskiwania energii i surowców energetycznych weszły w skład bazy danych projektu SHEER, zarządzanej i utrzymywanej w Instytucie Geofizyki PAN.

Baza danych na platformie

Interdyscyplinarność danych gromadzonych w ramach projektu oraz sama ich ilość wymagały stworzenia „inteligentnej” bazy danych, integrującej siedem niezależnych epizodów. Baza danych projektu SHEER przechowywana jest w Lokalnym Centrum Danych, tzw. e-Węźle, zlokalizowanym w Instytucie Geofizyki Polskiej Akademii Nauk, który jest odpowiedzialny za techniczną część zarządzania bazą. Wszystkie uzyskane w projekcie dane standaryzowane były zgodne z polityką grupy roboczej EPOS WP10 „Infrastructures for Georesources”, aktualnie Tematycznego Węzła Sejsmiczności Indukowanej EPOS. W celu zapewnienia możliwości wykorzystania danych projektowych także po jego zakończeniu, baza danych projektu SHEER została udostępniona na zlokalizowanej w Polsce e-Platformie do badania zagrożeń antropogenicznych IS-EPOS, która jest rozbudowywana w ramach innego projektu Horyzontu 2020 – EPOS (European Plate Observing System). Od początku maja 2018 roku dane zebrane w projekcie są otwarte dla wszystkich zarejestrowanych użytkowników bezpłatnej platformy naukowej dostępnej pod adresem: https://tcs.ah-epos.eu/.

Baza danych projektu SHEER została wykorzystana w badaniach prowadzonych przez członków konsorcjum. Opracowaliśmy m.in. opis statystyczny procesów sejsmiczności indukowanej oraz ocenę zależności sejsmiczności z parametrami operacyjnymi/technologicznymi. W tym celu zastosowaliśmy zaawansowane metody naukowe oraz narzędzia statystyczne głównie na danych z pola geotermalnego The Geysers (Kalifornia, USA), jako przybliżenia procesu hydroszczelinowania. Przeprowadziliśmy różne rodzaje analiz w celu zbadania i oszacowania odpowiedzi i zachowania się aktywności sejsmicznej na zmiany parametrów iniekcji płynów. Wszystkie zastosowane analizy wskazują na bezpośrednie powiązanie właściwości przestrzennych, czasowych i spektralnych aktywności sejsmicznej z intensywnością operacji wtłaczania płynów do otworów iniekcyjnych.

Metoda statystyczna

Projekt udowodnił, że istnieje zależność pomiędzy parametrami iniekcji płynów do górotworu a występowaniem wstrząsów sejsmicznych. Wykazano ujemną korelację pomiędzy jednym z podstawowych parametrów trzęsień ziemi, spadkiem naprężeń ??, a iniekcją płynów, która wpływa na zmiany ciśnienia porowego w górotworze. Określiliśmy, że odpowiedź sejsmiczności na iniekcję następuje po około 15 dniach.

Dowiedliśmy, że wartości współczynnika b (prawo Gutenberga-Richtera) są istotnie skorelowane dodatnio z nachyleniem krzywej szybkości iniekcji z zerowym lub krótkim (0-15 dniowym) opóźnieniem. Znaczy to, że wraz ze wzrostem szybkości iniekcji obserwowana jest większa liczba małych wstrząsów sejsmicznych w stosunku do dużych, ponownie z opóźnieniem około 15 dni.

Metoda wymiarów równoważnych została wykorzystana do monitorowania rozwoju sejsmicznej sieci szczelin w polu geotermalnym The Geysers. Bazując na odległościach hipocentrów poszczególnych wstrząsów oraz ich mechanizmach, stworzyliśmy parametr zwany zaburzeniem sejsmiczności (zerowa wartość parametru oznacza, że wszystkie hipocentra znajdują się w tym samym punkcie oraz mechanizmy wstrząsów są identyczne). On także koreluje z objętością płynów wtłaczanych do górotworu; dodatnio w dwóch pierwszych fazach iniekcji oraz negatywnie w trzecim cyklu.

Jednym ze zjawisk ubocznych procesów hydroszczelinowania, zagrażających środowisku jest niekontrolowane zwiększanie przepuszczalności w górotworze. Zjawisko to może doprowadzić do niepożądanej migracji podziemnych płynów lub gazu, które mogą ostatecznie zanieczyścić wody podziemne, wyzwolić silne trzęsienia ziemi, a po wydostaniu się na powierzchnię skazić atmosferę. W ramach projektu SHEER naukowcy opracowali metody śledzenia i modelowania rozwoju szczelin w górotworze i zmian przepuszczalności wywołanej zatłaczaniem wody.

Zarówno przyczyny zagrożeń dla środowiska związanych z eksploracją i eksploatacją gazu z łupków, jak i te zagrożenia są różnorodne, choć wzajemnie powiązane. W ramach projektu SHEER powstała statystyczna metoda oceny oddziaływania na środowisko i ryzyka w całym cyklu eksploatacji gazu łupkowego. Metoda ta integruje wiele przyczyn zagrożeń i wiele implikowanych tymi zagrożeniami rodzajów ryzyka. Po przetestowaniu na bazie danych SHEER metoda została rekomendowana Komisji Europejskiej jako sposób na kompleksową ocenę możliwych efektów eksploatacji gazu z łupków.

Powyższe cele zostały osiągnięte we współpracy międzynarodowego grona naukowców z udziałem przedstawicieli rządowych organów decyzyjnych i przemysłu. Łącznie projekt zaowocował ponad 20 artykułami opublikowanymi w recenzowanych, wysoko punktowanych czasopismach oraz ponad 60 referatami wygłoszonymi na konferencjach naukowych.

Wszelkie informacje o projekcie, jego wyniki, publikacje, sprawozdania i raporty z poszczególnych pakietów roboczych, biuletyny oraz materiały promujące projekt dostępne są na stronie projektu: http://www.sheerproject.eu/.