A rétegrepesztés környezeti hatásainak vizsgálata

Átírás

1 A rétegrepesztés környezeti hatásainak vizsgálata Összeállította: Nádor Annamária projektvezető Közreműködtek: Bereczki László, Csabafi Róbert, Cserkész-Nagy Ágnes, Fancsik Tamás, Kerékgyártó Tamás, Kovács Attila Csaba, Kun Éva, Markos Gábor, Nádor Annamária, Szőcs Teodóra, Zilahi-Sebess László Budapest, június 1.

2 TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés 1 2. A hidraulikus rétegrepesztés A rétegrepesztés művelete A repesztőfolyadék összetétele és mennyisége A kitámasztó anyagok (proppant) A hazai repesztési gyakorlatban felhasznált repesztőfolyadékok és kitámasztó anyagok A kőzetmechanika, feszültségtér szerepe a repedések kialakulásában A repesztési művelet monitorozása A geotermikus rétegrepesztés A rétegrepesztés környezeti hatásai A rétegrepesztés lehetséges hatása a felszíni és felszín alatti vizekre Vízbeszerzés Szennyeződés források és ezek lehetséges terjedése A visszatermelt repesztőfolyadék tárolásából adódó potenciális környezeti kockázatok a felszínen A vízföldtani monitoring szerepe Egyéb hidrogeológiai szempontok Földrengés kockázat (indukált szeizmicitás) Indukált szeizmicitás általános ismertetés Szeizmikus aktivitás nem-konvencionális szénhidrogén-bányászat esetén Szeizmikus aktivitás geotermikus rendszerek esetén A szeizmikus monitoring szerepe Hazai pilot területek részletes vizsgálata Területválasztás Módszertan Derecskei-árok Földtani felépítés Vízföldtani viszonyok Rétegrepesztés és értékelés Mikroszeizmikus monitoring eredményei A gerjesztett repedések térbeli helyzete és a lehetséges szennyeződés terjedési útvonalak, kapcsolatok Battonyai hát Földtani felépítés Vízföldtani viszonyok Rétegrepesztés szempontjából történő értékelés Összefoglalás Hivatkozott irodalom 99 1

3 1. BEVEZETÉS Magyarországon a nem-konvencionális szénhidrogén vagyon kiaknázásának, a geotermikus energiatermelés EGS technológia szerinti megvalósításának alapfeltétele a rétegrepesztés alkalmazása. A rétegrepesztéssel kapcsolatos hazai engedélyeztetési problémák hatására 2014-ben tárcaközi bizottság keretében párbeszéd kezdődött az érintett tárcák [Nemzeti Fejlesztési Minisztérium (NFM), Földművelésügyi Minisztérium (FM), Belügyminisztérium (BM)] között. A Tárcaközi Bizottság az MBFH és az érintett bányavállalkozók bevonásával több megbeszélésen vitatta meg az ezzel kapcsolatos álláspontokat. A jelenlegi, szénhidrogénekre vonatkozó szabályozási rendszerben komoly változást hozhat a Bányászatról szóló évi XLVIII törvény (Bt) január 11-én hatályba lépő módosítása is, nevezetesen a törvény kiegészül azzal, hogy a bányafelügyelet hatáskörébe tartozik az ásványvagyon-gazdálkodási célokat szolgáló, termelést serkenő szénhidrogén bányászati technológiai műveletek különösen a rétegrepesztés, rétegsavazás, víz- és gázbesajtolás, rétegenergia pótlás engedélyezése. A rendelkezés beillesztésének célja elsősorban annak egyértelművé tétele a jogalkalmazók felé, hogy a szénhidrogén kitermelést serkentő egyes technológiai műveletek engedélyezésére vonatkozóan a bányafelügyelet rendelkezik megfelelő szakmai háttérrel és így hatáskörrel. Az utóbbi időben felmerült gyakorlati tapasztalatok ugyanis azt mutatják, hogy nem egyértelmű a környezetvédelmi, illetve a vízügyi hatóság és a bányafelügyelet engedélyezési hatáskörének elkülönülése e tekintetben (a felszín alatti vizek védelméről szóló 219/2004. Korm. rendelet hatálya kiterjede a szénhidrogén tárolóra, mint földtani közegre vagy nem?). Ez több esetben jogértelmezési problémákhoz, jogvitákhoz illetve megkérdőjelezhető kategorikus szakhatósági tiltásokhoz vezetett. Hazánkban és Európa szerte is a rétegrepesztés környezeti szempontú megítélése ellentmondásos és ennek következtében szabályozása és hatósági engedélyezése konfliktusok forrása. A konkrét környezeti hatásokat (elsősorban a repesztés által gerjesztett földrengés kockázat, illetve a felszín alatti vízkészletek potenciális szennyeződése) a környezetvédelmi hatóságok általában a nemzetközi példák alapján ítélik meg, noha ezek közül néhány (Ewen et al. 2012) felhívja a figyelmet a helyi viszonyok pontos vizsgálatának fontosságára és az azok alapján meghatározható szabályozási lépésekre. A számos eddigi hazai elemzésben hivatkozott nemzetközi példák zöme azonban sem földtani viszonyaikat, sem pedig műszaki-technikai szintjüket tekintve nem összevethetőek a magyar adottságokkal, így az azokban megfogalmazott következtetéseket sem lehet feltételek nélkül mérvadónak tekinteni hazánkra. Csupán egyetlen példát említve: a leggyakrabban idézett amerikai palagáz lelőhelyek, illetve termelések m-es mélységben, alapvetően földtanilag emelkedő környezetben elhelyezkedő idős, ún. paleozoós kőzetek, melyek repesztéssel történő kitermelés több ezer kútból álló hatalmas mezőkön valósul meg. Ezzel szemben a magyar palagáz előfordulások m alatt, fiatal (tercier) üledékekben és alapvetően süllyedő tendenciát mutató geodinamikai helyzetben találhatóak, ahol egyelőre a mezők feltárásához néhány darab kút repesztése történne meg. A nemzetközi példák helytelen értelmezésével kerülhetnek így a köztudatba olyan, az eredeti szövegkörnyezetükből kiragadott, megtévesztő információk, miszerint például a rétegrepesztéshez felhasznált vízigény repesztési műveletenként akár 15 millió liter is lehet, a repesztéshez felhasznált vízmennyiség pedig elegendő lenne európai lakos egy évi vízigényének kielégítéséhez (Aitken et al., 2012). A rétegrepesztés rendkívül összetett kérdésének objektív megítélését az is nehezíti, hogy bár a téma hazai és nemzetközi szakirodalma szinte áttekinthetetlenül hatalmas, ezek jelentős része szakmai lektorálás hiányában közzétett, sok esetben a bulvár kategóriájába eső 1

4 újságcikk, előadás, internetes hozzászólás, vagy éppen tanulmány. Ugyanakkor bármely szakterületen, így a földtudományok vagy bányászat terén is az általánosan elfogadott gyakorlat szerinti publikációs folyamat (lektorálás) végeredményeként szaklapban megjelent cikk mérvadó és tudományosan megalapozott következtetései jelenthetnek csak (némi) garanciát az ott megfogalmazott állítások hitelességére. Összeállításunkban igyekeztünk elsősorban ez utóbbi típusú szakirodalmakra hivatkozni. Például az IAH (International Association of Hydrogeologists) 2013-ban végzett kérdőíves kutatása a hidraulikus rétegrepesztés kérdéskörében nem foglalt állást, de ugyancsak a terület-specifikus ismeretszerzés fontosságára hívták fel a figyelmet (1. ábra). Jelen munkában arra vállalkoztunk, hogy a rövid általános áttekintés után elsősorban hazai konkrét területekre, a Pannon-medence földtani körülményeire, az eddigi hazai tapasztalatok vizsgálatára alapozva elemezzük a rétegrepesztés környezeti hatásait és azok lehetséges reális kockázatait. A tanulmány homlokterében két hazai pilot terület, a Derecskei árok és a Battonyai hát részletes vizsgálata áll. A területválasztás fő oka az volt, hogy a Derecskei árok a nem-hagyományos szénhidrogén termelés, a Battonyai hát a mesterségesen fejlesztett földhő rendszerekhez (EGS) kapcsolódó rétegrepesztés lehetséges környezet hatásainak konkrét elemzését teszi lehetővé két alapvetően eltérő földtani környezetben. További szempont volt, hogy a Magyar Bányászati és Földtani Hivatal (MBFH) által a Magyar Bányászati Szövetségnek elküldött rétegrepesztéssel kapcsolatos adatkérő levelére a MOL a többek között a Derecskei árokból bocsátott rendelkezésünkre részletes adatokat a Berettyóújfalu térségében végzett rétegrepesztési műveleteivel kapcsolatban. Ugyancsak területválasztási indok volt, hogy a koncessziós eljárások folyamatában mindkét területre készült úgynevezett érzékenységi-terhelhetőségi tanulmány (Kovács et al. 2013, Zilahi-Sebess et al. 2013), amelyekben a területek előzetes környezeti szempontokat előtérbe helyező komplex kiértékelése már megtörtént. Mindezen adatoknak, információknak a Magyar Földtani és Geofizikai Intézetben (MFGI) egyedülálló módon országosan rendelkezésre álló földtani-geofizikai-vízföldtani téradat rendszerekbe történő illesztése, újraértékelése olyan integrált értelmezést tett lehetővé, amelyben az egyes hatótényezők, folyamatok tér- és időbeli egymásrahatások kiválóan szemléltethetőek és reálisan megítélhetőek. 1. ábra: Az IAH kérdőíves felmérésének eredménye (Forrás: 2

5 A tanulmányt a Magyar Földtani és Geofizikai Intézet szakemberei (geológusok, geofizikusok, hidrogeológusok) állították össze. Az anyag célja elsősorban a rétegrepesztés környezeti hatásainak független, szektor- és érdek-semleges megítéléséhez szükséges releváns földtani-, vízföldtani ismeretek összegzése, és közérthető formában történő átadása a döntéshozók számára. 2. A HIDRAULIKUS RÉTEGREPESZTÉS A fluidum bányászat során a földalatti térségből, az ún. rezervoárokból, fúrások segítségével hozzák felszínre a kinyerni kívánt fluidumot, azaz a kőolajat, földgázt vagy magas hőmérsékletű termálvizet. Ennek hatékonysága függ a rezervoárt alkotó kőzetek ún. (folyadék)áteresztőképességétől, amely ha megfelelő, akkor a termelés optimálisan, serkentés vagy jelentős többletenergia bejuttatása nélkül történhet. A rétegrepesztés a kis természetes áteresztőképességű, tömött kőzetekből álló rezervoárok hozamnövelő célú kezelése a beáramlás és így a bányászat során kitermelt fluidum mennyiség növelése érdekében. A technológiát a szénhidrogén ipar hagyományos szénhidrogén telepek rétegserkentése kapcsán több tíz éve, nem konvencionális szénhidrogének kutatásával kapcsolatban néhány éve alkalmazza Magyarországon is. Az egyelőre még nem érett ipari technológiának számító mesterségesen fejlesztett földhő rendszerek (Enhanced Geothermal System - EGS) esetében nemzetközi szinten több éve folynak rétegrepesztések és erre vonatkozó kísérletek (Breede et al. 2013), e téren hazai tapasztalatok - konkrét projektek hiányában - még nincsenek. Ennek megfelelően jelen tanulmány alapvetően a nem-konvencionális szénhidrogének kitermelése során alkalmazott rétegrepesztéseket és azok környezeti hatásait elemzi, az EGS-rendszerekre vonatkozó, ettől eltérő rétegrepesztéssel kapcsolatos megfontolásokat külön alfejezetek tárgyalják. A hidraulikus rétegrepesztés interdiszciplináris team-munkát követel meg (rezervoár geológia, fúrás-technológia, kőzetfizika, fluid mechanika, geokémia, geofizika, környezetvédelem, stb). A tároló repesztési szempontú jellemzése szintén rendkívül bonyolult és összetett kőzetfizikai, ásványtani, rezervoár mechnikai (feszültségtér, Young modulus, repedezettség, stb) vizsgálatokból áll. A kialakuló repedéshálózatok modellezésére és térbeli megjelenítésére a szénhidrogénkutató vállalatoknál szofisztikált szoftverek állnak rendelkezésükre. A kemény kőzetben fúrt olajkutak serkentésére először az 1860-as években történt próbálkozás rétegrepesztéssel az Egyesült Államokban. Ekkor a repesztéshez folyékony nitroglicerint használtak. Később, az 1930-as években felmerült, hogy a repesztéshez ne robbanóanyagot, hanem savat alkalmazzanak. Az első hidraulikus rétegrepesztésre pedig a 1947-ben, az Egyesült Államokban, Kansas államban került sor. A technika kezdetben nem volt sikeres, további módosításra szorult, azonban az ötlet felkeltette a Halliburton cég figyelmét, így a szabadalmat megvásárolva, a technikát ők fejlesztették tovább. Végül ben két hidraulikus repesztés is sikeresnek bizonyult. Az 1960-as évekre a technika jól bevált a rossz áteresztőképességű tárolók termelésének fokozására. Az 1970-es - 80-as években az amerikai energetikai minisztérium (DoE) kezdeményezésére annak kutatóintézetei és magánvállalkozások egy közel 20 éves átfogó kutatás-fejlesztési program keretében közösen térképezték fel az amerikai palagáz lelőhelyeket és végeztek részletes kutatásokat a termelését lehetővé tevő technológiai fejlesztések terén. Mindemellett az amerikai kormány közel két évtizeden keresztül adókedvezményekkel támogatta az alkalmazott technológiákat. Az amerikai palakitermelés gyors felfutásának az egyik fő oka az volt, hogy a felszínre hozott ásványi nyersanyag az adott földterület tulajdonosát illeti meg, így a földtulajdonosok érdekeltek voltak a kitermelés bővítésében, illetve a cégek 3

6 rendelkezésére állt a nem-hagyományos szénhidrogén kitermeléséhez szükséges technológia. Jelenleg az Egyesült Államok termelő kútjainak 80%-a repesztett, így ebből az arányból is látszik, hogy ott ezt a technikát gyakorlatilag mindenhol - hagyományos és nem hagyományos tárolók esetében - is alkalmazzák. Ezzel szemben Európában a rétegrepesztés gyakorlata nem terjedt el, részben a kitermelést nehezítő eltérő földtani körülmények, a nagy népsűrűség, a magasabb járulékos költségek miatt. A rétegrepesztési technológiát Magyarországon 1957 óta alkalmazzák sikeresen a hagyományos szénhidrogének (olaj, földgáz) kitermelésében. A Miskolci Egyetemen már 1966-ban publikáció jelent meg a hidraulikus rétegrepesztésről. Hazánkban mindezidáig közel 2000 hidraulikus rétegrepesztés történt, melyek során egyetlen egyszer sem történt üzemzavar vagy baleset! Kutatási céllal, a nem-hagyományos szénhidrogénekre eddig 38 mélyfúrást mélyítettek itthon 6 engedélyes területen, melyekből 8 kútban végeztek rétegrepesztést A rétegrepesztés művelete A rétegrepesztés során a kút perforáción keresztül a repesztendő rétegbe megfelelő minőségű és mennyiségű repesztő folyadékot szivattyúznak nagy hozammal ( l/perc) és nagy nyomáson ( bar), amelynek hatására a tárolókőzetben egy helyi, lokalizált repedésrendszer jön létre. Ennek kiterjedése a kőzet mechanikai tulajdonságaitól, a repesztő folyadék mennyiségétől, valamint a rétegrepesztési művelet időtartamától függ. A repesztő folyadék ~99.5%-ban vízből és ún. kitámasztó anyagból, ~0.5%-ban további adalék anyagokból áll (a repesztőfolyadék összetételét részletesebben a 2.2. fejezet tárgyalja). A rétegrepesztés folyamata műszakilag három fázisra osztható repesztési mélységenként. Az első fázis a perforáció, ezt követi az úgynevezett előkészítő repesztés (minifracturing), majd főműveletként a fő-repesztés (mainfracturing). Perforáláskor egy robbanótöltettel átlövik a fúrólyukat a rétegtől elválasztó béléscsövet, apró lyukakat létrehozva rajta, annak érdekében, hogy megnyissák a rétegek felé a kutat. Az előkészítő repesztés során a már perforált réteget túlnyomásnak teszik ki, amellyel elsődlegesen kívánják megrepeszteni a célzónát. Ez a túlnyomás időben gyorsan épül fel és nem tart túl hosszú ideig. A műveletet mikroszeizmikus események kísérhetik, hiszen a kőzet felrepedése energiát bocsájt ki (ld. még 3.2. fejezet). A repedések a rétegben függőlegesen alakulnak ki jellemzően néhány tíz-, max. 100 m zónában, míg horizontálisan a fúrástól jelentős, akár több száz méteres távolságig is elnyúlhatnak. A létrehozott repedések kiterjedése, a speciálisan erre a célra kifejlesztett a rezervoárgeológiai módszerek és modellek, repesztési programok (FracPro, MFrac, FracCADE, stb.) ugrásszerű fejlődésének következtében, valamint a repesztést előkészítő diagnosztikai eljárások (formation breakdown test, minifrac, step down test) bevezetésével ma már tudományos alapossággal és mérnöki módszerekkel tervezhető. A repedések térbeli kiterjedése a kialakult magasságával, félhosszával és szélességével számszerűsíthető (2. ábra). A kialakuló repedések geometriáját alapvetően a terület feszültségtere határozza meg (ld. még 2.5. fejezet), azaz annak ismeretében pontosan előrejelezhető a repedések irányultsága. A repedések síkja a legnagyobb főfeszültség irányába esik (max. horizontal stress), míg merőleges a legkisebb főfeszültségre (3. ábra). 4

7 2. ábra: A létrhozott repedés geometriai jellemzése (forrás: "Introduction to hydraulic fracturing - training course" MOL) 3. ábra: A repesztések és a feszültségtér kapcsolata (forrás: Introduction to hydraulic fracturing - training course" MOL) A fő-repesztés művelete során a már megrepesztett rétegben a repedéseket, ismét nagy túlnyomást alkalmazva, megnyitják majd speciális, jó áteresztőképességű kitámasztó anyagot (proppant) tartalmazó repesztőfolyadékot préselnek a repedésekbe (a proppantok típusait részletesebben a 2.3. fejezet tárgyalja). Erre azért van szükség, hogy a létrehozott repedések a túlnyomás megszűnésével ne záródjanak vissza. A művelet során az iszap sűrűségét a beleadagolt proppant mennyiségével növelik. Ezt a műveletet is kísérhetik mikroszeizmikus jelek (ld. még 3.2. fejezet). A kitámasztó anyag elhelyezése után a beszivattyúzott 5

8 repesztőfolyadékot vissza kell termeltetni, úgy hogy a kialakított repedésben a kitámasztó anyag stabil és nagy áteresztőképességű vázat alakítson ki. A repesztés technikai eredményessége nagyban függ a kitámasztó anyag elhelyezésétől. Az eljárás eredményeként az eredeti kőzet fluidumvezető-képessége a repesztett zónában megnő, így biztosítva a szénhidrogének beáramlását a kútba (4. ábra). Az irányítottan létrejövő mikrorepedések mentén ún. Darcy-típusú folyadékáramlás jön létre a repesztést követően kialakuló nyomásviszonyoknak megfelelően, szigorúan a kút irányába. Értelemszerűen tehát a hatásterületen kívüli vizek szennyezése nem történhet meg, hiszen az áramlás az esetlegesen meglévő rétegvizektől ellentétes irányba, a kút felé történik. 4. ábra: Az áramlás modellje a repesztés előtt (radiálisan a kút irányába) és után (lineárisan a repedés irányába) (forrás: Introduction to hydraulic fracturing - training course" MOL) A visszatermelt repesztőfolyadékot szakszerű tisztítási eljárás során többrétegű konténerekben a felszínen tárolják, vagy újabb repesztési műveletekben újrahasznosítják. A repesztő folyadék ismételt felhasználása különösen fontos a környezeti hatások szempontjából. Általánosan elterjedt tévedés a nagy mennyiségű repesztőfolyadék felhasználása: mivel a repesztésenként átlagosan felhasznált m 3 folyadék 75-90%-át visszanyerik és megtisztítva újra felhasználják, így a felhasznált folyadékmennyiséget hibás szemlélet multiplikálni. Ezen kívül látható, hogy a rétegekbe került repesztőfolyadék mennyisége kézben tartható anyagmérleg szintjén is, hígulása, áramlása jól modellezhető. Egy nyomáscsökkent, fluidum kihozatalra kondicionált alacsony nyomású közegben a bennmaradó m 3 folyadék elmigrálása a kitermelés fizikai sajátosságai miatt elhanyagolható. (Felszín közelben, talaj és rétegvizek szennyeződésekor a szivattyúzással létrehozott depressziók a felszínalatti vizek tisztítására kialakított technológiaként működnek). Amint arra több hazai és nemzetközi elemzés is rávilágított, a valós szennyeződés-terjedés kockázatot a kút nem megfelelő kiképzése jelentheti. Ennek műszaki megoldása és kockázata a konvencionális szénhidrogén-termelésével egyezik meg és ennek keretében, általában nem képezik vita tárgyát. Egyébiránt a szénhidrogén és geotermikus energia termelő cégeknek elemei érdekük a megfelelő kútkiképzés, hiszen egy hibás kútszerkezet a termelvényeik megszökését is jelentheti. A béléscső és cementezés tervezése érdekében a fúrást megelőzően felállított földtani modell, és a környező fúrásokból nyert információk alapján pontosan előre jelezhető, hogy milyen rétegnyomás, hőmérséklet, valamint kőzetfizikai és rétegparaméterek várhatóak. Ezen paraméterek ismeretében kiválaszthatóak a megfelelő szilárdságú béléscsövek és tervezhető a cementezés. A bélés- és termelőcső rakatok, az azokkal beépített tömítő eszközök és szerelvények valamint a cementpalást a felszín alatti átfejtődést és a kitörés megelőzését is szolgálja. A rétegrepesztési művelet tehát meglevő lefúrt és kiképzett kútban történik többszörösen biztosított, és cementpalásttal védett acél csősor perforálásával jut a repesztőfolyadék a földtani közegbe. A fúrások 6

9 körülményének biztonságát mutatja, hogy a hazánkban a rétegrepesztéshez köthetően egyetlen egyszer sem történt üzemzavar vagy baleset. A repesztéshez felhasznált különböző anyagok és a felhasznált víz szállítása is burkolt, horgonyzott vezetékeken keresztül történik A repesztőfolyadék összetétele és mennyisége A rétegrepesztéssel kapcsolatban a legnagyobb környezetvédelmi aggályt a repesztőfolyadék összetétele jelenti. A repesztőfolyadék ~94,5% vízből, ~5% kitámasztó anyagból és ~0.5%- ban más adalék anyagokból áll. Ezzel kapcsolatban parttalan vita alakult ki: a rétegrepesztést ellenzők szerint az adalékok között találhatóak rákkeltő, allergén, mérgező vegyületek, míg az olajcégek rendszerint erre olyan táblázattal felelnek (5. ábra), amelyben feltüntetik, hogy ezek az anyagok milyen mindennap használatos termékekben fordulnak elő. A kérdéskör egyetlen módon rendezhető megnyugtatóan: ha törvényi kötelezettség van a repesztőfolyadék pontos összetételének megadására, vagy amennyiben ez a repesztést végző szervízcég üzleti titka, akkor megfelelő szintű környezetvédelmi/egészségügyi hatóság által kiadott igazolás bemutatása szükséges a repesztőfolyadék besorolásáról [pl. a vegyi anyagok regisztrálásáról, értékeléséről, engedélyezéséről és korlátozásáról szóló rendelet (REACH Irányelv), Európai Vegyianyag Ügynökség (ECHA) besorolás, egyéb hazai hulladékminősítés, veszélyes anyag lista]. Ugyancsak fontos szempont az összetevők mennyiségének pontos ismerete is, hiszen egy átlagos repesztéshez nagy mennyiségű folyadékot használnak fel, így az elenyészőnek tűnő 0,5% adalékanyag is esetenként több tonnányi környezetidegen anyagot és jelentős környezeti terhelést jelenthet. 7

10 5. ábra: A repesztőfolyadákok főbb összetevői (forrás: API) A repesztőfolyadékok összetételét az alábbiakban Jobbik (2014) tanulmánya alapján ismertetjük. A folyadék feladatai amelyek meghatározzák az elvárt tulajdonságokat is a következőek: létrehozza és kellő mértékben mélyítse a repedést a kitámasztóanyagot a kúton keresztül a repedésbe szállítsa megakadályozza a kitámasztóanyag leülepedését a repedés "aljára" minimalizálja a formációba történő folyadékveszteséget visszaáramoltatható és kitisztítható legyen a kútból a lehető legkisebb súrlódással rendelkezzen Mindez azt jelenti, hogy a repesztőfolyadéknak viszkózusnak kell lennie, valamint időben változó hőmérséklet és nyomásnak megfelelően szabályozott gélerősséggel kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen a kitámasztóanyag szállítására, továbbá megfelelő kiszűrődési tulajdonságokat kell biztosítania dinamikus lyuktalpi körülmények között. Ugyanakkor kellően elnyíródónak is kell lennie, hogy az utólagos felszíni technológiákon történő kezelése egyszerű legyen. Az elmúlt több mint 70 év során a repesztőfolyadékok nagy fejlődésen mentek keresztül. Ennek köszönhetően a folyadék kiválasztása szinte külön szakmává fejlődött és egyúttal napjainkban már lehetőség van arra, hogy az összes fentebb leírt feladatnak megfelelő folyadékot válasszanak ki speciálisan az adott kút jellemzőihez igazítva. 8

11 A repesztőfolyadékok alaptípusai az alábbiak: vízbázisú gélesített folyadékok vagy súrlódáscsökkentővel kezelt víz (slickwater) olajbázisú és szintetikus folyadékok nirtogénnel vagy szén dioxiddal energizált folyadékok habosított és emulziós gélek savak nem hagyományos (viszkoelasztikus) folyadékok a fentiek kombinációja A megfelelően kezelt és szűrt sima víz (slickwater) a palagáz típusú tárolók esetében, mint alacsony viszkozitású folyadék alkalmas a rétegrepesztésre, mert a kis viszkozitása nem korlátozza az alacsony koncentrációjú proppant szállítását. Más esetekben a térhálósított, vagy idő- vagy hőmérséklet késleltetett térhálósodó géles folyadékokat alkalmaznak, amelyek magasabb viszkozitással rendelkeznek. Ehhez gélesítő anyagokat használnak, melyek kiválasztása a nyomáson, hőmérsékleten, permeabilitáson és a réteggel való kémiai kompatibilitáson alapul. A géles folyadékoknak az alábbi típusaik vannak: Lineáris gélek Ezekben a folyadékokban a gélképző általában guar-gumi, vagy annak valamilyen származéka, például HPG (hidroxipropilguar), vagy CMG (karboxi-metilguar). A guar egy polimer anyag, melyet a guar növény magjából nyernek ki, és általában az ebből származó termékek biológiailag lebonthatóak. Nem mérgező anyag, felhasználják többek között az élelmiszeriparban, például jégkrémek joghurtok készítéséhez. Általában vízben (vagy gázolajban - hazánkban nem) oldva készítenek belőle rétegrepesztésre alkalmas folyadékot. Térhálós gélek A repesztőfolyadékok fejlődésének egyik legfontosabb lépése volt a térhálós gélek bevezetése, melyre először 1968-ban került sor. Ha térhálósító adalékokat adnak a lineáris gélekhez, akkor egy komplex, nagy viszkozitású folyadékot kapnak (6. ábra), amely magasabb szállítási képességű lesz, mint az egyszerű lineáris gélek. A térhálósító adalék növeli a folyadék költségét, viszont jelentősen javítja a repesztés hatékonyságát, ezáltal pedig a kút termelési indexét is. A térhálós gélek jellemzően valamilyen fémionnal térhálósított guar-t tartalmaznak (7. ábra). A fémionok korábban jellemzően borátok, cirkónium, titán, króm vagy más fémek ionjai voltak, manapság viszont már inkább alacsonyabb környezeti terheléssel járó térhálósított hidroxipropilguar-t (HPG) használnak. A térhálósítók lehetnek egészségre veszélyes anyagok is, de a koncentrációjuk jellemzően nem magasabb, mint 1-2 liter térhálósító, liter folyadékban. 9

12 6. ábra: Térhálós gél 7. ábra: Térhálós gél, proppanttal Habosított gélek Ez az energizált folyadéktechnológia a hab buborékjait használja fel arra, hogy abban szállítsa és helyezze el a repedésbe a kitámasztóanyagot. A két leginkább használt inert gáz erre a célra a nitrogén és a szén-dioxid vagy a bináris habok esetében ezek kombinációja. A szén-dioxidot folyékony állapotban is lehet adagolni, míg a nitrogént csak gázként, hogy elkerüljék a fagyást. Az inert gázok hozzáadása csökkenti a szükséges folyadék mennyiségét így az ilyen típusú folyadékokban a proppant koncentrációja magasabb lehet, így akár 75 százalékkal is 10

13 csökkenthető a szükséges folyadék mennyisége a hagyományos lineáris gélekhez képest. Tartalmazhatnak a habképzők dietanolamint és alkoholokat, például izopropanolt vagy etanolt. Hasonlóan a térhálósítókhoz, ezek között is előfordulhatnak az egészségre ártalmas anyagok. A visszatermelt folyadék is hab formájában jelentkezik, amelynek felszíni kezelése komoly megfontolásokat igényel. Savak, gélesített savak, habos géles savak Ezeket a savrendszereket, savakat elsősorban karbonátos kőzetek esetén szokásos használni. A sav feloldja a kőzetet és különböző mértékben feloldott felületek összezáródása után is maradnak áramlási csatornák így hozva létre a repedést. Jellemzően a sav hidrogén-klorid, vagy hidrogén-klorid és ecetsav elegye. Ahhoz hogy a savas rétegrepesztés sikeres legyen, több ezer liter savat kell mélyen a rétegbe juttatni. Alkalmazhatók azonban savak gélképző szerként vagy akár perforáció létrehozásához is. Adalékok A repesztés sikerességének növeléséhez a repesztőfolyadék típusának megválasztása mellett lehetőség van különböző adalékanyagok hozzáadására a folyadékhoz, így alakítva az igények szerint a folyadék tulajdonságait. Géltörő anyagok (Breaker) A magas vagy alacsony hőmérsékletű géltörőket arra használják, hogy amikor a repesztés során szükséges, szabályozott módon, a hosszú polimerláncok széttörésével, "rontsák le" a folyadék viszkozitását és ez által könnyebben visszanyerhető legyen a rétegből (képes legyen visszaáramolni a kútba). A géltörő feladata tehát, hogy hatásmechanizmusával maximalizálja a repedés tisztulását és optimalizálja repedés vezetőképességét, így javítva a kút termelékenységét. A géltörőt lehet a repesztőfolyadékkal egyszerre szivattyúzni a kútba, de akár önálló folyadékként, utólag is hozzáadható mind a mélybeni, mind a felszíni rendszerhez. Különféle típusai vannak használatban, lehetnek hőmérséklet- vagy időkésleltetésűek. A géltörő anyagok általában savak, oxidálószerek vagy enzimek. Nem minden esetben, de tartalmazhatnak egészségre veszélyes anyagokat. Baktériumölők (Biocide) A guar és más szerves polimerek kitűnő élőhelyet nyújtanak a baktériumok számára. Mindez komoly gondot jelent, mivel a baktériumok lebonthatják a polimereket, ami a viszkozitás csökkenését, ezáltal a folyadék szállítóképességének csökkenését okozza, vagyis rontja a repesztés hatékonyságát. Ennek elkerülésére baktériumölőket adagolnak a keverőtartályokba, amik elpusztítják az élő mikroorganizmusokat, és gátolják a baktériumok növekedését. Folyadékveszteség- kiszűrődés kontrolláló adalékok (leakoff control additives) Ezek az adalékanyagok a repesztőfolyadék kiszűrődését akadályozzák meg. Régebben ebből a célból olaj alapú folyadékokat használtak. Manapság a víz bázisú folyadékokhoz adnak hozzá adalékokat. Ilyen adalékok a hídképzők, például a szilícium liszt, a talkum, vagy az agyag. A legújabb fejlesztésként pedig olyan felületaktív anyagokat is használnak, amik hatására a mikroemulzió másodlagos szűrőfelületet képez. Súrlódáscsökkentők (friction reducer) A repesztés során a magas szivattyúzási ütem, a magas áramlási sebesség és a nagy kezdeti gélerősség jelentős súrlódási nyomásveszteséget, így magas szivattyúzási nyomást igényel. A 11

14 súrlódások és a magas technológiai nyomások csökkentésére a vízbázisú folyadékok esetén lehetőség van súrlódáscsökkentő adalékanyagok alkalmazására, melyek általában polimer vagy kationos súrlódáscsökkentők. Agyagstabilizálók és felületaktív adalékok (clay stabilizer and surfactants) A víz-érzékeny márgák és agyagásványokkal szennyezett tárolók esetén agyagstabilizáló szerek alkalmazásával - melyek jellemzően kálisók, ammónium kloridok vagy poliaminok - csökkentető a duzzadási hajlam, elkerülhető a formációkárosodás továbbá megőrizhető az eredeti áteresztőképesség. A felületaktív anyagok módosítják a folyadék felületi feszültségét ezzel is támogatva a folyadék visszatermeltetését. Biztosítják, hogy a formáció megtartsa eredeti nedvesítési tulajdonságait. A repesztőfolyadék mennyisége A repesztéshez felhasznált folyadék mennyisége kutanként jelentősen eltér, de a nemzetközi szakirodalom szerint (Gandossi 2013) egy-egy jelentős nem-konvencionális szénhidrogén mezőt feltáró kút esetében átlagosan 6-12 millió l között van (3-6 olimpiai méretű úszómedencének felel meg). A felhasznált vizet általában később újra felhasználják. A vízigényt tipikusan helyi vízbázisokból biztosítják A kitámasztó anyagok (proppant) A kitámasztó anyag feladata, hogy a kialakuló repedést kitámassza, abban egy megnövekedett vezetőképességű térrészt létrehozva, hogy a repedés összezáródása után annak vezetőképessége biztosított legyen. A kitámasztóanyaggal kapcsolatban a tervező mérnöknek alapvetően két kérdésre kell választ kapnia: milyen típusú proppantot használjon mennyi kell belőle A típus kiválasztásának szempontjai a kőzet záródási nyomása, a tároló hőmérséklete, az elérni kívánt áteresztőképességhez szükséges szemcseméret, a beágyazódási hajlam, a tervezett kitámasztóanyag elérhetősége, és nem utolsósorban az ára. A kitámasztóanyagok alapvetően két csoportba sorolhatóak, ezek a természetben előforduló homokok, és a mesterséges kerámia vagy bauxit proppantok. A homokot ott használják, ahol a réteg zárási nyomása kevesebb, mint 400 bar, ez leggyakrabban a 2500 méternél kisebb kutakat jelenti, míg ennél mélyebb (nagyobb zárási nyomású) kutaknál mesterséges kitámasztót használnak. Homokok (sands) Az iparban a két legtöbbet használt homok a barna és a fehér (hivatalosan az Ottawa és a Brady típusú (8. ábra) homok. Fizikai tulajdonságaik alapján kiváló, jó és gyengébb minőségű csoportba sorolhatóak a homokok (API RP 56, 1983; és ISO , 2006 szabványok szerint). Az Ottawa típusú homok a kiváló, míg a Brady típusú a jó homokok közé tartozik, de mindkettő teljesíti a repesztéshez használt kitámasztóanyagokra vonatkozó előírásokat, ezért a világon széles körben alkalmazzák őket. 12

15 8. ábra: Az Ottawa" és a Brady" típusú homok Kerámia és bauxit kitámasztóanyagok (ceramic and bauxiteproppants) Az egyre mélyebben fekvő tárolók repesztésének igénye szükségessé tette a nagyobb szilárdsággal rendelkező kitámasztóanyagok kifejlesztését (9 ábra). Elsőként az Exxon Production Research mutatta be a saját kerámia kitámasztóanyagát, mely több mint 80% bauxitot tartalmazott, és 1979-re már kereskedelmi forgalomba is hozták. A 3000 méternél mélyebb repesztésekhez a kerámia proppantok a legalkalmasabbak. Az úgynevezett zsugorított bauxit proppant korundot is tartalmaz, amely lehetővé teszi az egészen szélsőséges körülmények magas nyomás és hőmérséklet között felhasználást. A típus előállítása költsége viszonylag magas, ezért alkalmazásuk szinte kizárólag 700 bar feletti nyomások esetén megszokott. 9. ábra: Kerámia proppantok Egy másik fajtája a kerámia kitámasztóknak a közepes szilárdságú kitámasztóanyag (intermediate-strength proppants, vagy ISP). Ezeknek valamivel kisebb a nyomástűrése, mint a zsugorított bauxitnak, ezért alkalmazásuk 550 és 830 bar között jellemző. Az összekötő elem az ISP proppantok és a homokok között a könnyűsúlyú kerámia (light weight ceramic, azaz LWC) proppant. Ezeknek mind fajsúlya, mind alkata közelebb áll a homokokhoz, természetesen a nyomástűrésük is kisebb, mint a bauxit kitámasztóké, alkalmazásuk 400 és 700 bar között jellemző. 13

16 Gyanta bevonatú kitámasztóanyagok (Resin coated proppants) A természetes homok kitámasztóanyagok alkalmazásakor probléma lehet, hogy bizonyos körülmények között rideg törést szenvedhetnek el a szemcsék és a szemcse darabkák a termelés során mozoghatnak, így a repedés vezetőképessége és a kút produktivitása leromlik, valamint a mélybeli és felszíni eszközök károsodhatnak. Ennek kiküszöbölésére fejlesztették ki a gyanta bevonatot, mellyel minden egyes szemcsét ellátnak annak érdekében, hogy javítsák a szemcsék szilárdságát. Az eljárás mind a homok, mind a kerámia típusú proppantoknál lehetséges. A gyanta csökkenti a szemcsék szögletességét, valamint a terhelést is jobban szétosztja, így az érintkezésük nem pontszerű lesz. A gyanta bevonatnak két típusa van, az egyik az elővulkanizált, a másik pedig a térhálósítható (10. ábra). 10. ábra: Gyanta bevonatú proppantok Ultrakönnyű kitámasztóanyagok A kitámasztóanyagokat elsősorban aszerint választják ki, hogy mekkora zárási nyomásnak kell ellenállniuk. Azonban minél erősebb egy proppant, annál nagyobb a fajsúlya. Ez pedig azzal a jelenséggel jár együtt, hogy annál nagyobb része ülepedik le a repedés aljára. A hagyományos anyagok közül a homok a legkönnyebb súlyú a maga 2,65-ös fajsúlyával. Azonban vannak olyan esetek, amikor nincs szükség a homok zárási nyomástűrésére. Ezekre a lehetőségekre fejlesztették ki az ultrakönnyű (ultra-lightweight, azaz ULW) kitámasztóanyagokat. Már első generációjuk is, amit 2004-ben mutattak be, 1,25-ös fajsúllyal rendelkezett, ami kevesebb, mint a fele a homokénak, ugyanakkor alkalmas 350 bar-ig és 100 C-ig. A későbbi fejlesztések folyamán megjelentek a 2,02-es, 1,50-es és az 1,054-es fajsúlyú proppantok, amik még finomabb kiválasztást tesznek lehetővé (11. ábra). 14

17 11. ábra: Ultrakönnyű kitámasztóanyagok 2.4. A hazai repesztési gyakorlatban felhasznált repesztőfolyadékok és kitámasztó anyagok Fontos leszögezni, hogy általános repesztési recept nem létezik, az alkalmazandó technológiát mindig az adott földtani közeghez kell igazítani. A repesztési műveletek paraméterezése csak a kút lefúrása után lehetséges. A célkőzetek tulajdonságai (ásványos összetétel, repedezettség, porozitás, permeabilitás, rétegtartalom, stb.) valamint a kőzetmechanikai jellemzők (nyomó- és törőszilárdság, Young modulus, Poisson szám, képlékenység, ridegség) képezik a tervezés alapját. Mindezek valós, mélységi viszonyok közötti együttes meghatározására kisléptékű adatrepesztést (mini- data frac) alkalmaznak. A Makói árok területén nem-hagyományos szénhidrogén bányatelekkel rendelkező TXM Kft. bevallása szerint egy repesztési lépcsőhöz m 3 repesztő folyadékot használnának fel, míg a teljes mezőfejlesztésre becsült vízhasználat: m 3 /év. A becsült kitámasztó anyag mennyisége m 3. A várható visszaáramlás 50-80% (újra felhasználva, végül semlegesítve). A Falcon társaság rétegrepesztési gyakorlatában mind a szerkezeti viszkozitású és kitámasztó anyagot tartalmazó ( cross-linked ) mind a kitámasztó anyag nélküli ( slick water ) változat megtalálható. A repesztőfolyadék pontos összetételéről nem áll rendelkezésre információ, csak általánosságban: >95% víz, 4-5% kitámasztó anyag, viszkozitásnövelő, gélképző, gél-stabilizáló, gél-törő, térhálósító, baktérium semlegesítő, felületaktív korrózió gátló, súrlódáscsökkentő és agyag stabilizáló adalékok (Falcon-TXM 2014). A kémiai adalékok összkoncentrációja 0,1-0,5% között mozog (1. táblázat). 1. táblázat: a Makói árok repesztési műveletéhez felhasználandó repesztőfolyadék tervezett összetétele (Falcon-TXM 2014) 15

18 Emellett a TXM a benyújtott általános hidraulikus rétegrepesztési tervében kijelentette, hogy a repesztés során az emberi egészségre, vagy a környezetre általában káros vegyi adalékot egyáltalán nem, illetve csak az ártalmassági küszöb alatti koncentrációban fog használni. Deklarálták továbbá, hogy az alkalmazandó vegyi anyagok közül csak a REACH rendszerben regisztrált vegyületeket használják fel, illetve a repesztési receptúra véglegesítése után az alkalmazni kívánt vegyi adalékok biztonságtechnikai adatlapját (MSDS dokumentáció), és a vegyületek azonosító (CAS) számát az alkalmazandó koncentrációkkal együtt a hatóságok rendelkezésére bocsátják. A TXM korábbi műveleteinél US mesh (0,25-0,8 mm) szemcseméretű égetett aluminiumoxidot (korund) használt kitámasztó anyagként, lépcsőnként t mennyiségben. A MOL a Derecskei árok területén mélyített Beru-4-es fúrásban végzett rétegrepesztéssel kapcsolatos jelentéseit maradéktalanul rendelkezésünkre bocsátotta. A fúrásban 3 mélységzóna repesztéséhez összesen 1569 m 3 folyadékmennyiséget (repesztőfolyadék) és 414 t proppantot használt fel, amelynek részleteit is (repesztőfolyadék típusának, mennyiségének pontos megadása) is az említett jelentések szakmai mélységű részleteiben tartalmazzák (Halliburton 2011, 2012) A kőzetmechanika, feszültségtér szerepe a repedések kialakulásában A kőzetekben (természetes, vagy mesterséges folyamatok hatására) létrejövő repedések kialakulására, illetve azok geometriájára (alakjára és térbeli kiterjedésére) két fő folyamat van jelentős hatással: a kőzetek összetétele és mechanikai paraméterei, illetve magának a felszín alatti térrésznek a feszültségviszonyai. A közérthetőség szem előtt tartásával e fejezetben csak a kőzetekben kialakuló repedések geometriájának a rétegrepesztés szempontjából releváns legfőbb szempontjait ismertetjük. A téma mélyebb megértését segítő, a kőzetek repedezettségét, az ezeket kialakító, illetve befolyásoló folyamatokat, paramétereket részletesebben Bada et al (2004) tanulmánya tárgyalja. Külső erő vagy deformáció hatására egy kőzettestben feszültségek ébrednek. A kőzetmechanika az egyensúlyi állapotokban lévő anyagi rendszereket vizsgálja. Egy szilárd testben ébredő feszültségeket (erőket) a három térkoordináta felhasználásával láttathatjuk. A kőzetekben, például a kőzetek saját súlya és egyéb tektonikai feszültségek hatására kialakuló eredő teret általános esetben egy háromtengelyű ellipszoiddal, az ún. feszültségi ellipszoiddal szemléltethetjük (12. ábra). A szilárd testekben nyomó (kompressziós) és nyíró feszültségek ébrednek. A feszültségi ellipszoid főtengelyeinek irányában csak nyomófeszültségek hatnak, ezeket főfeszültségeknek nevezünk (σ1 σ2 σ3, rendre legnagyobb, közbülső, legkisebb főfeszültség). A kőzettestben uralkodó feszültségteret akkor ismerjük, ha annak minden pontjában tudjuk a főfeszültségek nagyságát és térbeli orientációját. A feszültségi állapotot a legszemléletesebben tehát az ellipszoid három főtengelyének nagyságával és térbeli orientációjával jellemezhetjük. 16

19 12. ábra: Háromtengelyű feszültség ellipszoid és a főfeszültségek (Bada et al. 2004) A repedések terjedésének legfőbb korlátja a közegben jelenlévő felhalmozódott természetes feszültség mennyisége, nyírási szilárdság, viszkozitás, képlékenység. Alapvetően ezek határozzák meg a repedésrendszerek geometriai viszonyait is: a repedések síkjai a legnagyobb főfeszültség irányába esnek (max. horizontal stress), míg merőlegesek a legkisebb főfeszültségre (3. ábra). A fedő kőzetek súlyából eredő nyomása több ezer méteres mélységben igen jelentős, és legtöbbször ez jelenti a maximális feszültséget, így a repedések terjedése leginkább függőleges. A több ezer méter mélységből a felszín közeléig terjedő repedések kialakulásának több elvi korlátja van. Az egyik az, hogy egy több kilométeres, vertikális repedésrendszer mentén a repedésfelülettel arányos energiaigény szükséges annak kialakulásához, ami egy ekkora méretű kőzettömeg saját súlyával összevethető. Elméletben természetesen létre lehet hozni tetszőlegesen nagy nyomást, ám a gyakorlatban lehetetlen egy adott mértéktől nagyobb nyomástér fenntartása (Fisher& Warpinski 2012). A Pannon medence feszültségterét több tanulmány is igen részletesen elemzi (pl. Bada et al. 2004). Ezek szerint az Afrika-Eurázsia kollíziós öv (mobil Európa) szerves részét képező Pannon térségben a feszültségtér laterálisan és vertikálisan is heterogén képet mutat. A területen jelenleg is jelentős tektonikus feszültségek halmozódnak fel, melyek részben a litoszféra nagyléptékű meghajlása (vertikális mozgások), részben pedig vetődések létrejötte és ismételt felújulása útján (földrengések) szabadulnak fel. A földrengések fészekmechanizmus megoldásai a medencerendszer inverziójára és térrövidülésre utalnak. Ennek oka az Alpi- Pannon térség legmarkánsabb jelenkori kollíziós folyamatában, az Adriai-mikrolemez északias mozgásában és óramutató járásával ellentétes irányú forgásában keresendő (13. ábra). A délnyugat felől ható nyomóerő ("Adria-nyomás") felelős elsősorban a Pannon-térség recens, főképp eltolódásos ill. kompressziós jellegű feszültségterének létrejöttéért. A feszültégi irányok regionális eloszlása jellegzetes legyezőszerű képet mutat: a maximális horizontális feszültség (S H ) Alpokban tapasztalt északias iránya a Dinaridák és a medenceterületek belseje felé fokozatosan elfordul és jellemzően ÉK-i orientációt vesz fel. Románia területén a kéreg felső részein az S H északnyugatias irányt mutat, míg a nagyobb mélységtartományokra döntően keleties S H irányt állapíthatunk meg (14. ábra). A geodinamikai kép által meghatározott főfeszültség irányok ismeretében egy-egy területre nagyvonalakban előre lehet jelezni a repedések síkjának fő irányát (S H ), amelyet egy-egy területen végzett részletesebb vizsgálattal (pl. fúrólyukfal kirepedésvizsgálatok) lehet 17

20 pontosítani. Az eddigi hazai rétegrepesztések eredményei is azt igazolják, hogy a kialakult repedések valóban a területre jellemző fő feszültség irányoknak megfelelően alakultak ki (ld. még 4. fejezet). 13. ábra A Pannon medence geodinamikai keretei (Bada et al. 1999) 14. ábra: Feszültségtér Európában és a Pannon medence térségében (Bada et al. 2004) Statisztikailag is értelmezhető vizsgálatokat az USA-ban végeztek a rétegrepesztések térbeli hatásának kiterjedésével kapcsolatban, melyek azt mutatják, hogy függőlegesen a repedések 18

21 nem terjednek túl 1 km-nél. Davies et al es tanulmánya már európai és afrikai eseményeket is feldolgoz és a természetes repedésrendszereket is vizsgálja. Adatai alapján a mesterségesen generált repedések függőlegesen nem terjedtek túl 600 m-nél, és csak mindössze 1%-uk haladta meg a 350 m-t. A természetes törések átlagosan m közt voltak, de extrém esetben elérték az 1 km-t. A legnagyobb vertikális növekedés akkor állhat elő, ha az új repedések már meglévő vetőkhöz csatlakoznak (15. ábra). 15. ábra: A: A természetes és mesterséges repedések magasságainak eloszlása és B: A valószínűsége annak, hogy a repedés nem fogja túllépni az adott magasságot (Davies at al. 2012) Hidraulikus rétegrepesztés eredményeket Magyarország területéről eddig mindössze két szénhidrogén-kutató fúrás (Csólyospálos CsóK-1,4) esetében publikálták (Zakó&Bencsik, 1996; Gerner et al., 1999). A mérésekkel a feszültségi irányokat nem, de a minimális horizontális feszültség nagyságát sikerült meghatározni, s ebből a vertikális és a maximális horizontális feszültség nagysága becsülhető volt (Gerner et al., 1999). A rétegrepesztéses törések terjedését nehezíti vertikálisan változó feszültségtér is. Hazai feszültségtér elemzések rámutattak arra, hogy a regionális mértékű vertikális irányváltozásokon túl lokálisan, kisebb mélységekben is tapasztalható a feszültségtér irányának vertikális megváltozása (Bada et al. 2004). Ezek legtöbbször túlnyomásos zónákhoz (Csólyospálos, Zsana: alsó-pannon agyagréteg), vagy erős litológiai váltásokhoz köthetők. A repedések terjedésének másik fontos tényezője az inhomogén közeg: az eltérő kőzetfizika paraméterek, lokális geológiai szerkezetek, eltérő feszültségviszonyok mind mind a repedésrendszer komplexitását (ami egyébként kívánatos a folyamat szempontjából) növelik, és egyben a repedések elvégződését is okozzák. Általában a duktilisabb, kevésbé repeszthető fedőkőzet gátat szab a repedés vertikális terjedésének. Ha a repedés nagyobb permeabilitású zónába lép a repesztő folyadék elszivárgása miatt lecsökken a nyomás, így a repedések nem terjednek tovább A repesztési művelet monitorozása A rétegrepesztés során a költségigényes műveletek folyamatos szigorú felügyelet és folyamatirányítás mellett zajlanak. A kút közelében az irányításhoz szükséges paraméterek mérése és archiválása folyamatosan történik, ami szükség esetén közvetlen beavatkozási lehetőséget biztosít. A néhány óráig tartó repesztési művelet során regisztrálják a termelőcső oldali besajtolási nyomást, a béléscső oldali ellennyomást, a besajtolási ütemet (l/perc), az összes besajtolt folyadék mennyiségét, reológiai tulajdonságait, a proppant koncentrációt. 19

22 2.7. A geotermikus rétegrepesztés Eddigi ismereteink szerint a hagyományos magyarországi geotermikus gyakorlatban rétegrepesztést még nem végeztek, és a közeljövőben nem is terveznek végrehajtani. A geotermikus gyakorlatban a rétegrepesztés jellemzően a növelt hatékonyságú geotermikus rendszerek (EGS) kialakításának a része. Az EGS működésének elve, hogy m-t meghaladó mélységben, ahol a kőzethőmérséklet magas (általában 150 C feletti), a nemkonvencionális szénhidrogén-termeléshez hasonlóan nagy nyomással folyadékot (vizet) sajtolnak a mélybe az ott található forró (tipikusan kristályos, gránitos összetételű) kőzet felrepesztése céljából. Az így kialakított mesterséges repedésrendszerbe azután a felszínről egy betápláló kúton keresztül vizet sajtolnak be, amely a nagy mélységben a forró kőzet mesterségesen kialakított repedésrendszerén, mint természetes hőcserélőn át áramolva felmelegszik, és egy termelőkút (kutak) mentén a felszínre hozható, ahol geotermikus alapú áramtermelésre alkalmas. A kezdeti (1970-es évek) elképzelések szerint a művelet tömör kőzetek felrepesztésére is alkalmas (Hot Dry Rock), ezért szinte bárhol alkalmazható univerzális technológiának gondolták, amely a geotermikus alapú áramtermelést forradalmasítja. A kutatások és pilot projektek azonban azt igazolták, hogy a módszer elsősorban ott alkalmazható, ahol a kőzet eleve rendelkezik egy minimális természetes (bár a nagy mélység és nyomás miatt alacsony áteresztő képességű) repedésrendszerrel, amelyet a hidraulikus rétegrepesztés csak feljavít (kitágítja a létező töréseket). Ez a felismerés vezetett a napjainkban is a kutatások és pilot projektek központjában levő növelt hatékonyságú geotermikus rendszerek (Enhanced Geothermal System EGS) koncepciójának kialakulásához. Világszerte az EGS technológia kutatás-fejlesztési fázisban tart ban a világos összesen 31 EGS projekt volt, ezek átfogó elemzést adta Breede et al (2013) (16. ábra). Európában Németországban és Franciaországban (főleg a Rajna-árok peremén), illetve Svájcban vannak (voltak) EGS projektek. 16. ábra. A világ EGS projektjei mélység és hőmérséklet szerint Az EGS rendszerek esetében alkalmazott rétegrepesztés több szempontból is eltér a nem-konvencionális szénhidrogének feltárása során alkalmazottaktól, amelyeket a 2. táblázat és a 17. ábra foglal össze. Az egyik legjelentősebb különbség (amelynek a további különbségek inkább már csak következményei) az, hogy míg a palagázok esetében a 20

23 repesztőfolyadékot a felszínre visszatermelik (hiszen ellenkező esetben a gázmolekulák nem tudnának a kialakult repedésekbe migrálni), addig az EGS rendszerek esetében a repesztőfolyadék a mélyben marad és a kialakuló természetes vízáramlási rendszer része lesz. Ez egyben azt is jelenti, hogy az EGS rendszerek esetében nincs szükség mesterséges kitámasztó anyagra (proppant), mivel a meglévő feszültségtér és a lesajtolt víz súrlódás csökkentő hatására elmozdulás történik a meglévő repedéseken, és ezek a repedések nem záródnak vissza köszönhetően az egyenetlen felületnek és a továbbra is ható feszültségtérnek. Ugyanakkor a palagázok esetében a proppantok elhelyezése a kialakított repedésben kulcsfontosságú, hiszen a tipikusan finomszemcsés, kezdeti permeabilitással nem kőzetekben kialakított repedések a repesztőfolyadék visszatermeltetése után gyorsan visszazáródnának. A proppantok szállításához viszont a repesztőfolyadékot megfelelő minőségűvé kell tenni, amely kémiai adalékok (zselésítő, súrlódáscsökkentő anyagok) felhasználást teszi szükségessé (ld. még 2.2. fejezet). Az EGS rendszerek esetében is kever(het)nek a repesztő vízhez adalékokat, ennek azonban nem a proppant szállítása a célja (hiszen ez esetben nincs szükség kitámasztó anyagra), hanem az, hogy a repesztő víz összetétele kémiájában minél inkább hasonlítson a mélyben feltételezett fosszilis rétegvíz összetételéhez. Fenti különbségek érzékeltetésére a hazai geotermikus szektor újabban a rétegrepesztés helyett a rétegcsúsztatás fogalmát használja, amely egy olyan műszaki beavatkozás, mely során nem alkalmaznak kitámasztó anyagot és a kőzetvázban már meglévő törések vízáteresztő képességét növelik olyan módon, hogy a rezervoárra gyakorolt fluidum nyomás nem éri el azt a rétegnyomás értéket, melynek meghaladásakor új törések jönnének létre a kőzetvázban. Ezen összehasonlítás célja nem az, hogy a palagáz és az EGS rétegrepesztést bármilyen módon egymáshoz viszonyítva minősítse, pusztán a meglevő technikai különbségekre és ebből adódó környezeti hatásokra kívánja a figyelmet felhívni, amelyeket mindkét esetben körültekintően, és az adott technológia ismeretének tükrében szükséges mérlegelni. 17. ábra A nem-hagyományos szénhidrogén (ábra bal oldala) és az EGS során (ábra jobb oldala) alkalmazott rétegrepesztés (forrás: EGEC) 21

24 földtani ( célrezervoár ) közeg palagáz finomszemcsés tömött kőzet (agyagpala) EGS kristályos kőzet (gránit) eredeti permeabilitás gyakorlatilag nulla alacsony (félig áteresztő) természetes folyadék jelenléte a célrezervoárban nincs kismértékben jelen (de ez önmagában nem lenne elégséges a hasznosításhoz) repesztőfolyadék összetétele víz + adalékok + proppant víz (+ adalékok) repesztőfolyadék kezelése felszínre visszatermelt és tárolt stimuláció ismétlődő (a termelési ráta fenntartásához) a mélyben marad és a természetes vízáramlás része lesz egyszeri (kevés számú: a repedésrendszer kialakulása után a keringetett víz önfenntartóvá teszi a rendszert) kutak száma sok (3-4/km 2 ) kevés (projektenként néhány kútpár) repesztés vízigénye egy-egy kút esteében nem jelentős (néhány ezer m 3 ), sok kútból álló mező esetében összességében számottevő lehet (a repesztőfolyadék újbóli felhasználásának is függvénye) jelentős (tízezer m 3 nagyságrendet is elérhet), viszont egyszeri 2. táblázat: A nem-konvencionális szénhidrogén és a geotermikus célú rétegrepesztés összehasonlítása A geotermikus rétegrepesztéssel többek között behatóan foglalkozik a jelenleg futó GEISER projekt ( is, amelynek egyik fő feladata, hogy a szabályozó hatóságok számára olyan útmutatásokat készítsen, amelyek alapján az EGS rendszerek engedélyeztetése, a repesztés hatásai, földrengés veszélyeztetettség stb. megnyugtatóan kezelhetők. 22

25 3. A RÉTEGREPESZTÉS KÖRNYEZETI HATÁSAI A szénhidrogén-, illetve geotermikus energia kutatás-kitermelés környezeti hatásainak részletes elemzését a koncessziókhoz kapcsolódó érzékenységi-terhelhetőségi tanulmányok A hatások, következmények vizsgálata és előrejelzése c. fejezetei tartalmazzák. Jelen tanulmány ezen fejezetének fő célja, hogy elvi szinten összegezze és röviden ismertesse a rétegrepesztés környezeti hatásait. Az egyes részletesebben vizsgált hatások konkrét elemzésére a tanulmányozott pilot területeken a 4 fejezetben kerül sor. A masszív hidraulikus rétegrepesztési tevékenység potenciális környezeti hatásai, kockázati tényezői egy hagyományos mélyfúráshoz képest a következők lehetnek (18., 19. ábra): i. veszélyes kémiai anyagok használata és ennek következtében rétegvizek szennyeződése; (az alkalmazható vegyi anyagokat elvileg a REACH Irányelv szabályozza, azonban gyakorlatilag még nem lelhető fel az ECHA adatbázisában kifejezetten rétegrepesztő folyadékra kiadott engedély; ezen anyagok regisztrációja valószínűsíthetően folyamatban van); ii. nagy mennyiségű vízigény a repesztéshez; iii. rosszul kezelt kutaknál az átfejtődött földgáz megjelenése a felszín közeli rétegvizekben; iv. nagyobb számú kutak megnövekedett területigénye; v. esetlegesen megemelkedő gáz/metán emisszió; vi. másodlagos környezeti hatások (pl.: szennyezett víz tárolása, tisztítása; üzemeltetésből fakadó légszennyezés; radioaktív anyagok felszínre jutása stb.); vii. viii. esetlegesen indukált földrengés és többlet zajterhelés palagáz kőzetekből kioldódó természetes mérgező elemek jelenléte a visszatermelt repesztőfolyadékban Fontos ugyanakkor felhívni a figyelmet arra, hogy a 18. és 19. ábrán összegzett hatások egy része nem szoros értelemben magával a rétegrepesztéssel függ össze, illetve a hatások és lehetséges kockázatok egy része nem különbözik más bányászati, vagy egyéb emberi tevékenység során végzettektől. Például a rétegrepesztés után visszatermelt repesztő folyadék felszíni tárolása jellegében, kockázataiban, környezeti hatásaiban nem különbözik egy egyéb (az összetételtől függő besorolási kategóriájú) hulladék felszíni tárolásától. Egy esetlegesen bekövetkező havária (pl. tároló medence sérüléséből adódó szivárgás és szennyezés) szintén nem a rétegrepesztés közvetlen folyománya, hanem adott esetben bármilyen típusú hulladéktároló lehetséges kockázata. Így az ilyen folyamatok szabályozása nem igényel rétegrepesztés-specifikus szempontokat, hanem azokra a meglevő hatályos környezet- és vízvédelmi előírások kell hogy vonatkozzanak. 23

26 18. ábra: Nem megfelelő működés, illetve havária esetén a hidraulikus rétegrepesztés lehetséges környezeti hatásai. (Forrás: COM Ajánláshoz készített uniós hatástanulmány 3. rész, SWD(2014) 21 final, Part3/4, (2014. január) A rétegrepesztés, akárcsak bármely bányászati tevékenység a Műszaki Üzemi Tervben (MÜT) foglaltak szerint kell, hogy történjen. A MÜT-ben valamennyi környezeti elemre van konkrét előírás. Számos technológiai adat azonban nem adható meg az előkészítési fázisában egzakt, kvantitatív módon, így pl. a rétegrepesztési technológia részletes ismertetése a teljes bányászati tevékenység időtartamára (alkalmazott tervezett repesztő folyadék elvi összetétele, mennyisége, alkalmazott tervezett kezelési nyomás, a repesztést követően a felszínre kerülő folyadékok mennyisége és minősége, stb). Jelen tanulmányban a 18. és 19. ábrán felsorolt környezeti hatások közül a két leggyakrabban tárgyalt, és egyben legjelentősebb rétegrepesztés-specifikus kockázatot jelentő kérdéskör elemzésével foglalkozunk részletesen: nevezetesen a hidraulikus rétegrepesztés felszín alatti vizekre gyakorolt hatásával, illetve a gerjesztett földrengés kockázatával. A rétegrepesztés fúrásos műveleteiből eredő felszíni, területhasználatot, tájképet, kulturális és örökségvédelmet, természetvédelmet, stb. érintő hatások elemzésének általános keretrendszerét az egyes koncessziókat előkészítő érzékenységi-terhelhetőségi vizsgálatok tartalmazzák, tekintettel arra, hogy azok megegyeznek a szénhidrogén-kutatás, -termelés környezeti elemekre gyakorolt általános hatásaival. Tanulmányunkban nem tárgyaljuk azon komponensek (hidrogén-szulfid, nitrogén, hélium nyomelemek: higany, arzén, ólom, radioaktív elemek: rádium, tórium, urán) szerepét, amelyek adott palagáz kőzettípustól függően annak esetleg természetes alkotói, és amelyek a repesztőfolyadékkal történő kölcsönhatás eredményeként abba beoldódva a felszínen esetleges környezeti kockázatot jelenthetnek. Egyrészt nem rendelkezünk a hazai palagáz kőzetekre vonatkozó ilyen típusú kőzettani-geokémiai vizsgálati eredményekkel, másrészt ugyancsak hiányában vagyunk olyan geokémiai transzport- és reakció modelleknek, amelyek 24

27 laboratóriumi körülmények között elemeznék a repesztőfolyadék és az adott palagáz kőzet kölcsönhatásait. Ugyanakkor a visszatermelt repesztőfolyadék kémiai monitoringja ilyen típusú esetleges szennyeződés kimutatására alkalmas, ezért annak végzése mindenképp ajánlott. Tanulmányunkban ugyancsak nem térünk ki egy másik gyakran emlegetett környezeti kockázat elemzésére: a repesztés kapcsán esetlegesen megemelkedhető gáz/metán emisszió, így növekvő üvegházhatású gáz kibocsátás kérdéskörére. Egyrészt az, hogy ilyen típusú emisszió növekedés a hagyományos szénhidrogén-termeléshez képest valóban létezik-e, a mai napig erősen vitatott, másrészt az ebben a kérdéskörben történő hazai állásfoglalás kialakításához ugyancsak nem rendelkezünk elegendő információval. 19. ábra: A hidraulikus rétegrepesztési eljárás során felmerülő kockázatok forrásai és formái (Forrás: COM Ajánláshoz készített uniós hatástanulmány 3. rész, SWD(2014) 21 final, Part3/4, (2014. január) 25

28 3.1. A rétegrepesztés lehetséges hatása a felszíni és felszín alatti vizekre A rétegrepesztés felszín alatti vizekre gyakorolt hatásának és az ezzel kapcsolatos vizsgálatoknak is igen kiterjedt nemzetközi szakirodalma van (pl. Ewen et al. 2012, Jackson et al. 2013) és általában az alábbi fő kérdésköröket vizsgálják (ld. 18. és 19. ábra is): A repesztéshez szükséges víz beszerzése és (amennyiben felszín alatti vízadóból történik) ennek hatása egyéb (pl. mélyebben fekvő) vízadókra Gáz/szennyezőanyag terjedés potenciális útvonala (fúrás mentén, rétegek között, természetes törésvonalak mentén, indukálódott törésvonalak mentén) és ezek lehetséges hatása a vízadókra (talajvíz, ivóvíz, termálvíz) A visszatermelt repesztőfolyadék tárolásából adódó potenciális felszíni szennyeződések és ezek hatása az ökoszisztémára A hidraulikus repesztés során az alkalmazott fluidum által esetlegesen előidézendő környezeti szennyezés kockázata az egyik lehetséges és egyik legjelentősebb kockázati tényező. Annak ellenére, hogy a beruházónak elemi érdeke a tökéletes kútkiképzés, és szigorú műszaki ellenőrzés mellett történnek a fúrások és repesztések, jelenleg még nincs egyöntetűen elterjedt gyakorlat nagymélységű kutak hidraulikus repesztése lehetséges hatásainak vizsgálatára Vízbeszerzés A hidraulikus rétegrepesztés vízigénye szempontjából mindenképp célszerű külön kezelni a kisebb vízigényű nem konvencionális szénhidrogéneket (hozzávetőlegesen 500 m 3 /repesztés, éves vízigény m 3 /kút) és a sokkal nagyobb vízigényű geotermikus célú rétegrepesztést, amely nagy valószínűséggel az EU 2014/23-as ajánlása szerinti a masszív hidraulikus rétegrepesztés kategóriájába esik (1000 m 3 víz /repesztés, vagy egy kútban legalább m 3 víz besajtolása). E sarokszámok ugyanakkor csak irányadó jellegűek. Figyelembe kell venni, hogy a geotermikus célú hidraulikus rétegrepesztésnek a vízigénye a tároló kőzet fizikai paraméterein túl erősen függ a kutak elhelyezkedésétől, körzetes vagy bokorszerű kiosztásától. Ugyancsak figyelembe kell venni, hogy bár általánosan igaz, hogy a geotermikus célú rétegrepesztés nagyobb vízigénnyel rendelkezik, de egy adott területen várhatóan csak néhány termelő-visszasajtoló kútpár kerül kialakításra, míg egy nemkonvencionális szénhidrogén termelő mező fejlesztése során hosszú évekig tart a kutak fúrása és repesztése, így az egyedi repesztési vízigények összegződnek (bár a repesztőfolyadék ismételt felhasználását is figyelembe kell venni). Jelenleg Magyarországon (a Víz Keretirányelv-VKI előírásait követve) víztest alapú vízkészlet gazdálkodás történik. Ennek értelmében az adott víztest állapota határozza meg, hogy a rétegrepesztéshez szükséges vízigény lokálisan kielégíthető-e. Jelenleg a 2010-es VGT1-es verzió a hatályos, tehát az adott kutatási terület alatt húzódó (tipikusan sekély porózus) víztestek mennyiségi állapotának figyelembevétele szükséges. A vízigény kielégítésének tervezése során figyelembe kell venni a) a víz mennyisége és minősége iránti igényt, b) az érintett terület vízviszonyait, c) a vízjogi engedéllyel lekötött vízkészletet, d) a mederben hagyandó vízmennyiséget, valamint e) a vízhiánytűrés mértékét. 26

29 Szennyeződés források és ezek lehetséges terjedése A felszín alatti vizek esetében természetes illetve mesterséges (antropogén) forrásokból származhat a szennyező anyag. A természetes eredetű szennyező anyagok kémiai és fizikai folyamatok eredményeként az atmoszférából, bioszférából és a litoszférából kerülnek a felszín alatti vizekbe, elsődlegesen a talajvízbe. A rétegrepesztés kapcsán a természetes eredetű szennyeződés elvi forrásai lehetnek a palagáz kőzetből a repesztőfolyadékkal történő kölcsönhatás eredményeként esetlegesen kioldódó alkotók (metán, szén-dioxid, hidrogénszulfid, higany, arzén, ólom, természetes eredetű radioaktív alkotók: rádium, tórium, urán), amelyek a repesztőfolyadékkal a felszínre kerülve potenciális környezeti kockázatot jelenthetnek. Mint ezt a 3. fejezet elején jeleztük, ennek részletesebb értékeléséhez elsősorban geokémiai vizsgálatok hiányában nem rendelkezünk adatokkal, és a kérdés objektív megítélését is kevés számú nemzetközi tapasztalat támasztja alá. Ugyanakkor a konvencionális szénhidrogén bányászati tapasztalat alapján a felszíni rendszerek technológiai kialakítása ezen szennyezések kockázatát az eddigi elfogadott szintre csökkentik. Az emberi tevékenységből származó (antropogén) szennyezés forrásai elvileg a következők lehetnek: szilárd hulladék lerakók szennyvíz tározók mezőgazdaság olajszivárgás vagy elfolyás mélyen elföldelt toxikus hulladékok bányászat, felszín alatti munkálatok Az antropogén szennyezés speciális esete, amikor különböző víztartók összenyitásával, ill. különböző felszín alatti művelet pl. a fúrás kiképzésével, rétegserkentéssel változik a tárolt víz minősége. A lehetséges szennyeződés típusok az alábbiak: Gázok A nem hagyományos gázkitermelés elsődleges potenciális szennyező hatása maga az elsődleges metántartalmú gáz migráció. A palákban durván egyenlő arányban találhatunk gázfázisú, ill. vízfázisú pórusokat, azonban a metán oldhatósága nagyban függ a hőmérséklettől, nyomástól és a víz összes oldott anyag tartalmától. A természetes metán biogén ill. termogén eredetű lehet, emellett megkülönböztetnek technológiai megfontolásokból nedves, ill. száraz gázokat, propán-bután gázkeveréket, C 1 -Cn gázokat valamint a bio-geokémiai folyamat eredményeképpen keletkező gázokat (O 2, CO 2, CH 4, N 2, H 2, H 2 S). Továbbá előfordulnak a légköri eredetű, gázok (O 2, N 2, Ar) és az alacsony kémiai reaktivitással jellemezhető inert gázok (például: He, Ne, Ar, Kr, Xe, és Rn). A repesztés környezetében korábban mért gáz-vizsgálatok eredményeit összehasonlítva a repesztési eseménysorozatot követő gázvizsgálattal lehetőség van az indukált migrációs folyamatok detektálásra. 27

30 Fluidumok Potenciális szennyezőforrásként kell tekintenünk a visszatermeltetett vízre, melynek kémiai összetételét alapvetően befolyásolja a fúróiszap, a repesztőfolyadék valamint a (szingenetikus) pórusvíz, telepvíz összetétele. A repesztő fluidum kémiai összetétele és alkalmazott mennyisége helyszín-specifikus, és a helyszíni vizsgálati eredmények tükrében változik. A repesztő folyadék lehetséges általános összetételét a 3.táblázat összegzi (ld. még 5. ábra is) Komponenskörök és alkalmazási funkciójuk Vivőanyag, hordozóközeg Proppant repedés kitámasztás a repesztést követő nyomáscsökkenéskor Fúrást követő savazás, tisztítás Adalékok a repesztő folyadék viszkozitásának beállítására, ill. gélképzők a proppant szuszpenzióban tartásához Viszkozitás csökkentők, miután a repesztőfolyadék elérte a célzónát Kémiai összetétel Víz, N 2, CO 2, LPG, habok és emulziók homok, gyantabevonatú homok, zsugorított bauxit, alumínium, kerámia, és szilíciumkarbid HCl és egyéb savak Guar gumi, cellulóz alapú származékok gélképző, térhálósító szerek (borátvegyületek és fémkomplexek) Ammónium-perszulfát, nátrium peroxodiszulfát Stabilizátorok, biocidok, súrlódás csökkentők Latex polimerek vagy akril-amidok kopolimerjei, és a savas korróziós inhibitorok, pl. alkohol Savas korrózió vagy vízkő gátló Súrlódás csökkentő, síkosító-folyadék, ahol a proppant mélyen behatol a repedésekbe Biocidok, szulfátlebontók gátlására Felületaktív anyagok a relatív gáz permeabilitás javítására Agyag stabilizátor a flokkuláció megakadályozására Egyéb izopropanol, metanol, hangyasav, acetaldehid Felületaktív anyagok, poli-akril-amid, etilénglikol Aldehidek, amidok izopropanol KCl glikolok, aminok, habzásgátlók 3. táblázat: A repesztőfolyadék elvi összetétele /Forrás: US EPA 2011; Schlumberger ( and OpenFrac.com via Jackson et al (2013) Mint a fenti táblázatból is látszik rendkívül széleskörű az alkalmazott anyagok köre, melyek jelentősen eltérnek a vízbázisvédelmi célú monitoring komponens körétől. Ezért az engedélyező hatóság jogos elvárása, hogy az adott repesztési művelet megkezdése előtt a rétegrepesztő fluidum kémiai összetétele ismert legyen, vagy igazolt legyen annak nem veszélyes volta. 28

31 Szennyeződés potenciálisan az alábbi útvonalakon érheti el a sekély vízadókat (ivóvíz): 1) fúrás mentén (béléscső, vagy cementpalást mentén) 2) felszínről (tárolt repesztőfolyadék) 3) gáz/szennyezőanyag migráció természetes törésvonalak mentén 4) gáz/szennyezőanyag migráció indukált törésvonalak mentén A hagyományos szénhidrogén-tároló környezetében található víztározó rétegek (vízbázisok) szempontjából maga a szénhidrogén-termelvény veszélyes szennyező anyagnak számít. A szénhidrogének vízbázisbeli megjelenésén azt a szénhidrogént értjük, amely bekerülhet a fúrás termelvényébe, vagy a csövezés körül lévő gyűrűstérbe, ezért a harántolt rétegekben tárolt, vagy azzal hidrogeológiai összefüggésben levő rezervoárokban található szénhidrogén vízbeszerzési szempontból potenciális szennyező forrás. Nem konvencionális szénhidrogének esetében minderről nem beszélhetünk, hiszen a nem-hagyományos szénhidrogének előfordulási mélységében és a jellemzően alacsony áteresztőképességű kőzetekben (tipikusan 3500 m alatt) vízbázisok már nincsenek. Általánosságban a szénhidrogéntelepek felett kialakuló geokémiai szóródási udvar tartalmaz szulfidokat is. A telep feletti részek arzénszennyeződése kialakulhat a hibás cementpalást miatt, mivel rövidzárlat jön létre a víztartó rétegek és az arzént tartalmazó záró kőzetek, agyagpalák között. A rosszul palástcementezett fúrás felszíni eredetű szennyezéseket is lejuttathat az ivóvíz tározó rétegekbe, így azok fokozott veszélyforrásnak számítanak. A letermelt szénhidrogén-telepekben, az ipari szempontból meddő rétegekben is lehet annyi gáz, hogy ezt a területen létesítendő vízfúrások kútkiképzése során figyelembe kelljen venni. A felszíni szennyezések a mezőgazdasággal, bányászati tevékenységgel, kommunális szennyvizekkel, közlekedéssel vagy egyéb talajszennyező tevékenységgel kapcsolatosak lehetnek. Mindezek a hatások azonban általánosan a hagyományos szénhidrogén-teremlésre vonatkoznak és nem jelentenek többlet kockázatot a hidraulikus rétegrepesztés szempontjából. A nem konvencionális szénhidrogének kitermelése céljából alkalmazott rétegrepesztések vizsgálata folyamatos fejlődésen megy keresztül. A repesztés során alkalmazott fluidum nyomonkövetése lehetőséget teremthet a repesztés hatásainak vizsgálatára (Warner et al. 2014). Az egyik lehetséges nyomonkövetési megoldás lehet a Francia Földtani Intézet (BRGM) és az Egyesült Államokbeli Duke University által kifejlesztett bór (δ11b) és lítium (δ7li) izotóp meghatározási módszer alkalmazása, a hagyományos paraméterek (elektromos vezetőképesség vagy összes oldottanyag, metán, klorid, jodid, bromid, radionuklidok) mellett. Fontos szempont az alapállapot (a repesztés megkezdése előtti víz-geokémiai háttér) felmérése, mely célszerűen magába foglalja a tervezett repesztés néhány kilométeres körzetében az egyes víztartókban, illetve a különböző hidraulikai zónákban tárolt vizek főkomponenseinek és nyomelem koncentrációin túlmenően, a radionuklidok, a vízben oldott és a szabad gáztartalmat, valamint a metán δ 13C és δ D tartalmának meghatározását. Szintén fontos szempont a repesztést követő monitoring üzemeltetése, különösen a kút környezetében A vízbázisok, a távlati vízbázisok, valamint az ivóvízellátást szolgáló vízilétesítmények védelméről szóló 123/1997 (VII.18.) Kormányrendelet szerinti ivóvízbázis védelmi jogszabály 5. számú melléklete értelmében fúrás, új kút létesítése a külső, a Hidrogeológiai A és B védőidomban új vagy meglévő létesítménynél, tevékenységnél a környezeti hatásvizsgálat, illetve a környezetvédelmi felülvizsgálat, illetve az ezeknek megfelelő tartalmú egyedi vizsgálat eredményétől függően megengedhető. Ennek tükrében nem látjuk célravezetőnek az ennél szigorúbb szabályozást, a vízadót nem érintő, csak harántoló fúrás esetében, tekintve, hogy a repesztési művelet a cementpalást esetleges és nagyon kis 29

32 valószínűséggel bekövetkező sérülése setén is csak rövid ideig tartó átfejtődést eredményezhet A visszatermelt repesztőfolyadék tárolásából adódó potenciális környezeti kockázatok a felszínen Amint a 3. fejezet elején említettük, a felszínen tárolt repesztőfolyadék esetleges szennyező hatásaival részletesen nem foglalkozunk, ezért itt csak a legfontosabb ezzel kapcsolatos szempontokat összegezzük. A visszatermeltetett vizet zárt tározóban (műszaki védelemmel ellátott) szükséges tárolni, melynek elhelyezéséről az ártalmatlanítás utáni a jogszabályi előírásoknak megfelelően gondoskodni kell. A felszíni vizek, vizes élőhelyek védelme kiemelt fontosságú. A használt víz, illetve a szennyvíz elhelyezésének tervezése során a vizek védelméről szóló jogszabályokban meghatározott rendelkezések figyelembevételével kell meghatározni: a) a használt víz, illetve a szennyvíz várható mennyiségét, minőségét, b) a befogadó terhelhetőségét, c) a befogadóba történő bevezetés módját, d) a szennyvíztisztítás módját, valamint e) műszaki-gazdasági számítások alapján a legkisebb környezeti terheléssel járó megoldásokat A vízföldtani monitoring szerepe A felszín alatti ivóvízbázisok, termálvíztestek védelme és a fenntartható vízgazdálkodási gyakorlat alkalmazása össztársadalmi feladat és nemzetgazdasági érdek. Mivel Magyarországon a Víz Keretirányelv (VKI) előírásait követő víztest alapú vízkészlet gazdálkodás történik, amelynek a monitoring is szerves része, így célszerű a monitoring előírásoknál is ezekre figyelemmel lenni. Magyarországon hidrogeológiai szempontú diagnosztikai vizsgálat a rétegrepesztés esetleges káros hatásainak detektálására még nem készült. A szakirodalmi szerzők egyöntetű állásfoglalása szerint a rétegrepesztés legnagyobb biztonsági kockázatát az elhanyagolt, tönkrement palástcementezésű mélyfúrású kutak, kutatófúrások jelentik. Ebből következően a vízföldtani monitoring fontos eleme a területen található fúrások, kutak számbavétele (indokolt esetben akusztikus cementpalást - CBL vizsgálata, ami ismételt is lehet) és mintavételre történő alkalmasságuk tisztázása. A nagy felszíni kiterjedésű szénhidrogén-termelő telepek esetében, különösen vizes élőhelyek környezetében, ahol jelentős építési, felvonulási munkálatok zajlanak, ill. a szilárd vagy folyékony szennyezőanyagok tárolása jelentős és időben elhúzódóan megy végbe, a sekély, talajvízre orientált vízföldtani monitoring indokolt. Ehhez felhasználhatóak a magyarországi talajvíz-észlelőhálózat kútjai is, esetenként újak kiképzése (tekintve egy talajvízkút kiképzésének fajlagos költségét) az áramlási viszonyok figyelembe vételével. Tekintve a mélyfúrású kutak (> 1500 m) kiképzésének nagy fajlagos költségét többlet kút fúrása monitoring céljából csak eseti döntésként fogadható el, általános érvényűként nem. A megfontolás tárgya elsősorban a legközelebbi vízadó közelsége, a repesztendő térrész és a víztest közötti összletek vízzárósága, a bennük esetlegesen felújuló vetőrendszer kialakulásának kockázata stb. 30

33 A biztonsági értékelés és a monitoringhálózat kialakítása során szükséges számba venni a lehetséges áramlási útvonalakat is. A maximum m/s vertikális szivárgási tényezővel rendelkező rétegösszletekben rendkívül lelassult áramlással számolhatunk, így a rétegrepesztések földtani védelme általában biztosított, viszont a helytelen kiképzésű vagy tönkrement palástcementezésű kutak közvetlen kapcsolatot hozhatnak létre. Objektum szempontú diagnosztika a kutatási területen, a repesztés előtt felvett vízkémiai háttér, majd a repesztést követő repesztőfolyadék-specifikus vízkémiai monitoring indokolt Egyéb hidrogeológiai szempontok A hidraulikus rétegrepesztés Magyarországon az eddigi gyakorlat szerint az ivóvíz és termálvíz víztartók-víztestek alatt jelentős mélységben történt. A vízkészlet-gazdálkodási tervben a mélységi víztestek mélység felé történő lehatárolása nem egyértelműsített és nem tekinthető egzaktnak. Általános szabályként érvényes, hogy a hideg mélységi (porózus, karszt) víztestek alsó határa a 30 C-os izoterma. Ezek alatt a porózus és karszt termálvíztestek húzódnak, amelyek azonban nem fedik le az egész országot (pl. a hideg karsztos víztestek alatt nincs kijelölt termálvíztest és repedezett termál víztest sem került lehatárolásra, kismértékű relevanciája okán). A rétegrepesztési eljárás hatékony szabályozása érdekében szükséges az egyes víztestek vertikális lehatárolása (földtani-vízföldtani megfontolások figyelembevételével), és csak ennek birtokában lehet kötelezően előírást alkalmazni konkrét távolság betartására pl. 300 (porózus), ill. 500 m (karsztos). A kötelezően előírt távolság másrészről viszont céljait tekintve megegyezik a bányászatban szokásos biztonsági övezet, ill. védőpillér funkcióval. A jogszabály szövege szerint (1993. évi XLVIII. törvény a Bányászatról): meghatározott létesítménnyel összefüggésben folytatott tevékenység hatásától a lakótelepülést, a felszíni vagy földalatti egyéb létesítményt, a vízkészletet, a folyó-, illetőleg állóvizet, műemléki ingatlant, régészeti, védett természeti területet szükség esetén védőpillér (határpillér, védőidom) kijelölésével kell megóvni. A védőpillért a tevékenység folytatása során veszélyeztetni nem lehet. A bányafelügyelet az érdekeltek meghallgatásával a védőpillér lefejtését vagy meggyengítését engedélyezheti, ha annak rendeltetése megszűnt, vagy ha a biztonsági és védelmi követelmények más módon is kielégíthetők. Az engedélyeztetési eljárás első fázisában több komponensű tervezett hatás-védőidom (szerkezetváltozási /pl. várható repedésfélhossz/ szempontú, hidrogeológiai, geotermikus, rezervoár vagy nyomás szempontú) kijelölése célszerű, melyet, majd a vizsgálatok, fúrási műveletek alapján pontosítani, ill. módosítani szükséges, mely a MÜT módosításával is együtt jár. A geotermikus védőidom kellően precíz kidolgozásra került, melynek szemlélete a rétegrepesztési eljárásban is alkalmazható Földrengés kockázat (indukált szeizmicitás) Rétegrepesztés során a kőzetek törését, repedését szándékosan, nagy nyomású folyadék besajtolásával idézik elő, így a folyamat természeténél fogva szeizmicitást eredményez. Rétegrepesztés során kétféle indukált szeizmicitással találkozhatunk: (1) Mikro-rengések pattannak ki a rezervoárhoz kapcsolódó új törések/repedések kialakulásakor, illetve mikrorepedések reaktiválódásakor (20. ábra). Ez a technológia rutinszerű velejárója, amit a folyamat optimalizálása érdekében a kivitelezők előzetesen modelleznek, majd a repesztési folyamat lépései során próbálnak nyomon követni. A monitorozás leghatékonyabb módszere a passzív szeizmika. A nagyon kis 31

34 energiájú emissziók - mikrorengések érzékelése csak a zajforrások kiiktatása mellett, lehetőleg a felszín alatt elhelyezett érzékeny műszerekkel lehetséges. Több 10 ezer vizsgált és detektált eset alapján ezek magnitúdója csak kivételes esetben haladja meg az 1-et, térbeli kiterjedésében pedig a repesztési hely néhány 100 m-es körzetében marad (Ellsworth 2013, Fisher & Warpinski 2011). 20. ábra: Mikrorengések az USA-beli Jonah mezőn (Wyoming). Kék pontok jelzik a repedésterjedés nyomán kialakult rengéseket az East 3 kút repesztéséhez kapcsolódóan, míg a sárga és zöld pontok egy kis vető felújulásához köthető mikrorengéseket rajzolják ki (Davies et al. 2013) (2) Meglévő nagyobb vetőket érő stressz hatására jóval ritkább, de több nagyságrenddel nagyobb rengések gerjesztődhetnek, melyek magnitúdója (2,1-3,8 között - Davies et al. 2013) azonban még mindig az emberi érzékelés határán van, tehát emberi életben, épületekben, infrastruktúrában és a természetben várhatóan nem okoz kárt (21. ábra). Rétegrepesztés 21. ábra: Bizonyítottan rétegrepesztés által gerjesztett rengések viszonya a természetes földrengésekhez (Davies et al adatai nyomán a ábráján) 32

35 Hidraulikus rétegrepesztés esetén a stressz forrása lehet a vetőzónában megjelenő fluidum, mint kenőanyag, mely a megemelkedett fluidnyomás következtében a vető elgyengülését, reaktiválódását eredményezheti. Probléma akkor állhat elő, ha a repedésrendszer és az ismert vetőzónák közt kapcsolat jön létre, és vagy maga a fluidum jut el a vetőzónába, vagy az általa gerjesztett nyomástöbblet. A repesztő folyadék vagy nyomástöbbletének a vetőzónába jutásának lehetséges módjai: (1) közvetlenül a fúrólyukból, (2) új repedéseken keresztül, (3) már meglévő repedéseken keresztül, (4) nagyobb permeábilitású kőzeten keresztül. A rétegrepesztés által generáltaknál nagyobb magnitúdójú rengések jelentkeztek (max. 5,6 ; Oklahoma - Ellsworth, 2013) észak-amerikai vízbesajtoló kutak környékén, ahol vagy nagyon nagy mennyiségű fluidumot injektáltak be és/vagy szintén ismert jelentős vetőzónák környezetében történt a beavatkozás. Ez egyrészt arra is utal, hogy kockázatot növeli a betáplált fluidum mennyisége, másrészt az amerikai tanulmány arra is rávilágított (Elst et al. 2013), hogy ezek a területek alapvetően érzékenyebbek a szeizmikus hatásokra, ami a kritikus feszültséghez közeli állapotú töréseket feltételez. Tehát ott alakulhatnak ki jelentős földrengések, ahol a rendszer természetes állapotában is a kritikushoz (nyírási szilárdásági határhoz) közeli állapotban van. Mindezeket figyelembe véve egymástól független nemzetközi (pl. The Royal Society 2012, Ewen et al. 2012, Davies et al. 2013, National Research Council, 2013) tanulmányok arra jutottak, hogy a hidraulikus rétegrepesztés alacsony szeizmikus kockázattal jár. A földrengések esetén (legyen indukált vagy természetes kioldódás eredménye) fontos megjegyezni, hogy az az energia tud felszabadulni a törések aktivitása során, amely abban a térrészben felhalmozódott. Ebből következik, hogy elvileg is igaz az, hogy a repesztéssel esetlegesen indukálódó földrengések magnitúdója nem lesz nagyobb az ebben a térrészben kipattanó sekélyfészkű rengésekétől. Nem zárható ki továbbá, hogy azokban a térségekben, ahol a természetes földrengések kialakulása gyakorinak mondható a gerjesztett szeizmikus hatások felerősítik azok kialakulását. Azonban ez a földtani környezet részletes tanulmányozásával, a feszültségtér megismerésével, a felszínig érő nagy vetők, vetőzónák, tektonikailag aktív területek elkerülésével, a fluidum egyensúly (betáplált és kinyert mennyiségek) fenntartásával, gondos tervezéssel és monitorozással elkerülhető Indukált szeizmicitás általános ismertetés A kőzetek a feszültség hatására deformálódnak, majd amikor a feszültség elér egy meghatározott, a kőzetek összetételétől, a környezeti nyomástól és a hőmérséklettől függő szintet, ridegtörés következik be, és a kőzetblokkok az újonnan kialakult törési sík (vető) mentén egymáshoz képest elmozdulnak. Ennek hatására a hosszú idő alatt felhalmozódott energia másodpercek alatt, főként rugalmas hullámok formájában felszabadul, azaz földrengés pattan ki. Indukált szeizmicitásnak (vagy gerjesztett földrengésnek) azt nevezzük, ha a földkéregben újonnan kialakult törés vagy meglévő vető mentén a földmozgás emberi tevékenység hatására következik be. Ezt okozhatja a kőzetanyag vagy fluidum eltávolítása bármilyen bányászati tevékenység során, vagy épp ellenkezőleg, nagy mennyiségű fluidum mélybe juttatása. Az indukált földrengések is ott alakulhatnak ki, ahol a tektonikus feszültségek is halmozódni tudnak. Egy vető elmozdul, ha a normál feszültség annyira lecsökken, hogy a nyírófeszültség meghaladja a vetősíkban érvényes nyírási szilárdságot (Mohr-Coulomb törési törvény). Ez elérhető a nyírófeszültség növekedésével pl. oldalirányú mozgások hatására, vagy a normál feszültség csökkenésével, amit okozhat erózió (mindezek lassú, természetes és földtörténeti dimenziójú folyamatok), illetve a fedő rétegek vagy a pórusfolyadék eltávolítása, - vagy a rétegrepesztés esetében is fontos tényező - a fluidnyomás növekedése (mesterséges hatások). 33

36 A ridegtörés kialakulását mérsékli a kőzetek plasztikus vagy viszkózus viselkedése, illetve az energiaelnyelődés és a törések kialakulása ellen ható porózus és többfázisú, kisebb szilárdsággal jellemezhető üledékes kifejlődés (pl. agyagok, aleuritok, homokkövek, stb.). A rideg törések kialakulása ellen hat továbbá a hőmérséklet növekedése, növelve a kőzet viszkózus tulajdonságát és így az energiaelnyelő képességét. Ennek a hatásnak nagy mélységben, a Pannon medencében van jelentősége a világátlag feletti geotermikus gradiens miatt. Általános érvényű összefüggések az indukált szeizmicitás nagysága kapcsán a fentiek alapján: - függ a repesztett kőzet kőzetfizikai paramétereitől (összenyomhatósági együttható, nyírási modulus, duktilitás, porozitás, hőmérséklet): pl. minél nehezebben törik a rideg kőzet, annál nagyobb energia halmozódik fel, nagyobbak az észlelt mikrorengések, de minél duktilisabb vagy fiatal (neogén) üledékes, porózus, többfázisú, annál inkább vezetődik el a felhalmozott feszültség és lesz szeizmikusan kevéssé aktív és veszélyes a terület - függ a meglévő és felújulásra képes vetők nagyságától: minél nagyobb a felülete, annál nagyobb az indukált szeizmicitás - függ a meglévő és felújulásra képes vetők tektonikai helyzetétől, feszültség állapotától: minél több feszültséget tárol, annál nagyobb az indukált szeizmicitás, de a kipattanó rengés nem nagyobb, mint a térrészben felhalmozódott energia - függ a repesztés nyomásviszonyaitól: a nagy mennyiségű és intenzitású betáplálás növeli a nyomást, míg a gyors és nagyobb mértékű visszafolyás csökkenti - az eddig dokumentált esetek, és az ezek alapján reálisan becsülhető indukált szeizmicitás nagyságrendje jóval kisebb a folyamatosan jelenlevő és rögzített természetes szeizmikus aktivitásnál. 22. ábra: 1-nél nagyobb magnitúdójú indukált földrengések megoszlása az emberi beavatkozás függvényében (Davies et al. 2013). Az 1929 óta publikált 198 esetet átfogó tanulmány azt mutatja, hogy a repesztéshez köthető indukált szeizmicitások (fekete színnel) jóval alacsonyabb magnitúdójúak, mint a bányaműveléshez, a kőolaj-és földgáztermeléshez, vagy a vízvisszanyomásos szénhidrogén termeléshez köthető szeizmikus események. 34

37 Szeizmikus aktivitás nem-konvencionális szénhidrogén-bányászat esetén A nemzetközi szakirodalom adatai alapján, a rétegrepesztés esetében, a tapasztalt indukált szeizmicitás - melynek a reális maximum magnitúdóját világátlagban 3 körüli értéknek becslik (The Royal Society 2012) - a többi bányászati tevékenységhez képest alacsony (22. ábra). Figyelembe véve azt is, hogy ezek az események nagy ( m) mélységben pattannak ki, a felszínen emberek által alig érezhetőek, épületekben várhatóan kisebb károkat sem eredményeznek. Felvetődik azonban a kérdés, hogy a repesztett kútban (béléscsövezés, cementpalást) nem okoznak-e sérüléseket, mely növeli a szennyezés kockázatát. Az általánosan elfogadott vélekedés szerint, mivel a szeizmikus események ugyanabban a mélységközben érinthetik a kutakat, ahol a repesztési folyamathoz egyébként is perforálják a béléscsövet, ezért nem okoznak extra kockázatot. Megfontolandó azonban az utólagos, ismételt vizsgálat a kút műszaki állapotának tekintetében, ha a vártnál nagyobb eseményt detektál a szeizmikus monitoring. A publikált adatok szerint eddig 3 helyszínen (Eola olaj- és gázmező, Oklahoma, USA; Preese Hall, Lancashire, Egyesült Királyság; és a Horn folyó medence, Brit Kolumbia, Kanada) 79 darab 1-nél nagyobb magnitúdójú eseményt jegyeztek fel. A legnagyobb feljegyzett, repesztés okozta szeizmikus esemény magnitúdója 3,8 volt (Davies et al. 2013). A 2011-ben, a brit szeizmikus észlelési hálózat által is detektált 2,3 és egy 1,5 magnitúdójú lancashire-i rengést követően lefolytatott vizsgálat arra jutott, hogy a repesztő folyadék elért egy korábban nem észlelt, de tektonikailag aktív vetőhöz, lecsökkentve az effektív feszültséget olyan szintre, hogy a vető megcsúszott, felszabadítva ezzel az eddig felhalmozódott feszültséget (Green et al. 2012). Az okokat tovább göngyölítve azt valószínűsítik, hogy a repesztett pala rétegsíkjai olyan gyengék, hogy a repesztés folyamán elcsúsztak, ezzel utat nyitva a fluidumnak a viszonylag távoli vető felé. Hazánk, illetve a Kárpát-medence természetes szeizmicitása összességében közepesnek tekinthető. Az eddigi megfigyelések alapján az ország területén évente négy öt 2,5 3,5 magnitúdójú, az epicentrum környékén már érezhető, de károkat még nem okozó földrengésre kell számítani. Mérsékelt károkat okozó rengések 15-20, míg erősebb, nagyobb károkat okozó, 5,5 6 magnitúdójú földrengések évente pattannak ki. A földrengések eloszlása nem homogén, jelentős eltérést találunk a térség szeizmikus szempontból legaktívabb környező orogén területek és a medence belsejének földrengés-tevékenysége között (23. ábra). A rétegrepesztéssel érintett területek (elsősorban az Alföld, Kisalföld) Magyarország kevésbe aktív részének tekinthetők. Kisebb szilárdsággal jellemezhető, porózus, agyagos kőzetek építik fel a Pannon medence felső, átlagosan 3 km vastag (0 6 km vastagság között változó), fiatal (neogén) üledékes tartományát, amely egyrészt számottevően képes csökkenteni a földrengések energiáját, másrészt nem kedvez a szeizmikus aktivitásnak. A nagytömegű fiatal üledékek elterjedésének jelentős mennyisége, továbbá a magas geotermikus gradiens plaszticitást vagy viszkozitást erősítő hatása a mélybeli kőzetekre nézve alapvetően - kedvező értelemben - kiemeli hazánkat a világátlag szerinti szeizmikus viselkedés tekintetében. Másképpen, a Pannon medence jellemzően kisebb szeizmológiai aktivitást mutat az említett tényezők miatt, mint számos medenceterület a világon. 35

38 23. ábra: A Kárpát-medencében és környékén 45. és 2006 között kipattant földrengések térképe. A szimbólumok nagysága arányos a rengések Richter-magnitúdójával ( Abban az esetben, ha egy repesztés során, szerencsétlen módon például egy tektonikai zóna energiakioldása történne meg, megbecsülhetjük a felszabaduló energia mennyiségét. A 24. ábra alapját képező szeizmológiai adatok Tóth et al (2013) összeállításai alapján lettek feldolgozva. A statisztikai vizsgálat világosan rámutat arra, hogy a repesztés által érintett térrészben, a Pannon medencében felhalmozott rugalmas energia természetes körülmények között 1, 2,5 magnitúdó közötti rengéseket képes generálni a legnagyobb valószínűséggel. Az indukált szeizmicitás a felhalmozódott feszültség egy részét oldja ki, ezért hazánkban a legkedvezőtlenebb műszaki és tektonikai egybeesések esetében is M ~ 1,8 magnitúdójú rengések keltéséhez vezethet legvalószínűbben. Ehhez azonban még hozzá kell venni a vastag, energiaelnyelésre képes fiatal üledékes összlet disszipációs képességét, aminek eredményeképpen, a felszínen, emberi érzékelés számára kialakuló hatása egy ilyen eseménynek lényegében nem lehet. 36

39 24. ábra. A Pannon medence felső 10 km mélységig kipattanó földrengések magnitúdó szerinti eloszlása az eddig meghatározott, irodalmi hipocentrum és magnitúdó adatok alapján Összegezve: a nemzetközi adatok rámutatnak arra, hogy a nem-konvencionális szénhidrogénbányászat során indukált szeizmicitás valószínűsége alacsony (21. ábra). Amennyiben egy kedvezőtlen tektonikai és technológiai egybeesés miatt bekövetkezne szeizmikus esemény a repesztés hatására, a hazai földtani geofizikai adottságokat figyelembe véve, a legrosszabb forgatókönyv esetén is M ~ 1,8 magnitúdójú rengés alakulhat ki a legnagyobb valószínűséggel, amely energia számottevő részét a vastag és fiatal, energiadisszipációra képes üledéktömeg elnyeli. Kimondható tehát, hogy a magyarországi földtani körülmények között a repesztés indukált szeizmicitásának (kipattanás, felszíni romboló hatás) veszélye az emberi épített környezetre nézve bármely, elfogadott szénhidrogén-bányászati technológiai kockázatnál egyáltalán nem nagyobb. A hazai, több évtizedes repesztések története és a földrengéses események egybevetése pedig arra is rámutat, hogy Magyarországon, ebből a technológiából kifolyólag azonosított szeizmikus aktivitás, esetleg tendenciák nem ismerhetők fel az adatokban Szeizmikus aktivitás geotermikus rendszerek esetén Némileg nagyobb indukált szeizmicitást (max. 4,6 Geysers, Kalifornia, USA) tapasztaltak a geotermikus (EGS) rendszerek kapcsán. Ennek alapvető oka, hogy a gazdaságosan hasznosítható geotermikus erőforrások tektonikailag aktív zónákban vannak. Ezekben az esetekben a szeizmicitás oka elsősorban a helyi feszültség állapot, azonban közvetlen kiváltója a töréseken előálló megnövekedett pórusnyomás. Ehhez azonban az is szükséges, hogy a pórusnyomás gradiense a megfelelően orientált törésekkel találkozzon. További tényezőt jelent a forró kőzet hidegebb fluidummal való érintkezéséből adódó összehúzódása, mely a törés felületén csökkenti a súrlódást, elősegítve a vető menti elmozdulást. Bizonyos esetekben ez a folyamat új repedések felnyílásához is vezet. A nagy mennyiségű víz kivétel és visszasajtolás a rezervoárban térfogat változást eredményezhet, ami szintén megzavarja a lokális feszültségteret, ezzel mozgásokat eredményezhet a kritikus állapotban lévő töréseken (Majer et al. 2007). A betáplált fluidum és az anyakőzet találkozásából adódó geokémiai folyamatok következtében beálló vetőmozgások szintén a vetősíkon megváltozó súrlódásra vezethetők vissza. A legjobban (és leghosszabb időre visszanyúlóan) dokumentált példa a megnövekedett szeizmicitásra a Geysers mező az USA-ban: az oldalelmozdulásos 37

40 tektonikával jellemzett területen a mikroszeizmikus események intenzitásának növekedését elsődlegesen a vízbetápláláshoz és gőzkivételekhez kötötték. Svájcban az erős lakossági tiltakozás hatására a baseli EGS projektet 2009 felfüggesztették a 3-as erősségű indukált földrengések miatt, ugyanakkor St Gallenben a 2013-ban bekövetkezett 3,6-es erősségű rengéseket követő leállás után 5,5 héttel a városi tanács engedélyezte a projekt folytatását (Breede et al. 2013). Több publikáció található arra vonatkozóan is, hogy a geotermikus rezervoárok egy részénél (de nem általánosan) nagyobb természetes földrengés aktivitás figyelhető meg. A nagy nyomású víz gőz rendszerek mobilis jellegük folytán kisebb rengéseket, talajnyugtalanságot okozhatnak (GEOS 1987). Az antropogén hatások közül a vízbesajtolás az egyik legáltalánosabb oka az indukált szeizmicitásnak. Ezt bizonyítják, azok az esetek is, ahol akár 5-ös magnitúdójú földmozgást is észleltek a víz-visszatermeltetéssel kapcsolatban (Rocky Mountain Arsenal in Colorado, USA, Dallas- Forth Worth Airport, Texas, USA). Ennek oka egyrészt az időben hosszan elnyúló igénybevétel, illetve a rétegrepesztéshez képest extrém nagy betáplált vízmennyiségek, amelyek lehetővé teszik a nagyobb fluidnyomások kialakulását (Frochlich et al. 2011). Összefoglalóan: Az indukált szeizmicitás mértékét, mennyiségét és módját alapvetően meghatározza a betáplált fluidum mennyisége és aránya, az általa gerjesztett pórusnyomás emelkedés lokális feszültségtérhez való orientációja, a rezervoár hidrológiai tulajdonságai, a kőzetfizikai paraméterek, a helyi vetőrendszerek kiterjedése, a vetők mérete, és nem utolsó sorban a feszültségtér és a természetes szeizmoaktivitás. Az indukált szeizmicitás kockázatának csökkentéséhez szükséges: (1) a részletes földtani megismerés, különös tekintettel a vetők feltérképezésére szeizmikus mérések segítségével, a validált földtani modell felépítése, a feszültségtér azonosítása és a természetes szeizmicitás minél pontosabb dokumentálása (2) repesztés fő fázisát megelőző tesztek (pl. MiniFrac) (3) valós idejű szeizmikus monitorozás, mely lehetővé teszi az eredmények azonnali visszacsatolását, és szükség esetén a folyamat módosítását, esetleges leállítását (ún. traffic ligth system) (25. ábra) 25. ábra: A baseli EGS rendszerhez kidolgozott traffic ligth system példája. A visszacsatolási rendszert a lokális földtani viszonyok és a szeizmoaktivitás, valamint a geológiai folyamatok időigényét figyelembe véve lehet kidolgozni. 38

41 A szeizmikus monitoring szerepe A repedésterjedés nyomon követése alapvető fontosságú mind a folyamatok optimalizálása (repesztés csak a célkőzetben maradjon, megfelelő kúttávolság meghatározása) mind a kockázatok csökkentése szempontjából. A monitoring tervezésének első alapvető lépése az alapállapot felvétele: a kőzetfizikai paraméterek, a feszültségtér és a természetes repedezettség megismerése (irányítottság, hossz, magasság, repedések szélessége és permeábilitás). Ezek az adatok szükségesek a repesztési folyamat tervezéséhez is, melynek kulcsa a repedésterjedés előre jelzése modellezéssel. A modelladatok beszerzéséhez a repesztést megelőző tesztek, szeizmikus mérések és mikroszeizmikus monitorozás szükséges. A repesztés előtt, közben és után is számos módszer áll rendelkezésre, mely további információt szolgáltathat. Egyik csoportja a kémiai vagy radioaktív nyomjelzők hozzáadása a repesztő folyadékhoz, illetve proppanthoz, melyek hígulása és visszatérési ideje alapján következtetnek a repesztés milyenségére (Bennett et al 2006). Passzív észlelési módszernek tekinthető a felszínen vagy fúrólyukban elhelyezett tiltmeter, mely a rétegrepesztés hatására kialakult deformációk mérését célozza. A másik jelentős, gyakrabban és jobb eredménnyel alkalmazott csoport a passzív szeizmikus eljárások csoportja. A módszer azon alapszik, hogy a repesztés folyamatában a repedések felnyílásakor energia szabadul fel, mikroföldrengéseket (mikroemissziókat) generálva, a felszínen vagy fúrólyukban pedig a hullámok beérkezését vizsgálják. Mivel a detektált szeizmikus események magnitúdója rendkívül alacsony, a mikroszeizmika elnevezés is használatos. A fő különbség az aktív szeizmikához képest, hogy míg ott ismert a jelforrás pontos helye és ideje (szándékolt energia besugárzás, például robbantás, képalkotási céllal), addig a passzív szeizmika esetében a forrás pontos helye és keletkezésének ideje nem ismert. A feladat a kipattanási idő, hely és nagyság meghatározása, tehát a mérés eredménye nem szelvény, hanem a forráspontok keletkezésének lokalizációs képe. A módszer előnye a térbeli és valós idejű monitorozás. Az egyes fázisok (perforálás, MiniFrac és MainFrac) külön vizsgálhatók, és a mért adatok segítségével finomítható a repesztési modell, illetve a későbbi beavatkozások is optimalizálhatók (pl. trafic light system, ld 25. ábra). A monitorozást a geológiai folyamatok késése miatt nem csupán a repesztés ideje alatt, hanem az azt követő időszakban is folytatják. Elrendezését tekintve alapvetően 2 módon lehet kivitelezni (26. ábra): (1) Monitorozás fúrólyukban/kútban: a repesztett kúthoz közeli (max m kőzetminőségtől függően) használaton kívüli kútban vertikálisan helyezik el a geofonokat. A módszer előnye, hogy a felszíni zajnak (mely a detektálni kívánt jel nagyságrendjébe esik vagy sokszor jelentősen nagyobb) csak töredékét érzékeli, hátránya azonban az, hogy a kútban magas lehet a hőmérséklet, amire a műszerek érzékenyek. A módszerrel az esemény mélysége pontosan meghatározható. (2) Felszíni monitorozás: a több száz vagy ezer geofont a felszínen terítik különböző elrendezésben nagy (akár több 10km 2 ) területen, tehát a módszer némileg időigényesebb. A nagyobb fedésszám miatt azonban jól használható az események térbeli lokalizációjára, így a repedésrendszer kiterjedésének nyomon követésére. Legnagyobb nehézséget a felszíni zajok kiszűrése okozza. 39

42 26. ábra: Rétegrepesztés monitorozása fúrólyukban és felszínen ( Az eredmények feldolgozása nagyban hasonlít a klasszikus szeizmológia metodikájára. Az adatok egységes formátumba hozása után több állomáson, közel azonos időben megjelenő széles spektrumú rövid jelcsomagokként azonosítják a mikroszeizmikus eseményt. Ezt követően időtartományban vizsgálva a jeleket az első beérkezések alapján a vizsgált földtani egységre kidolgozott sebességtér felhasználásával meghatározzák a források helyét (27. ábra). 27. ábra: Passzív szeizmikus monitoring eredményének megjelenítése 3D-ben. Srednenazimskay mező, Nyugat-Sziberia, ( A passzív szeizmikus eljárások közt viszonylag új módszer a Tomographic Fracture Imaging (TFI TM ) (Geiser et al. 2012), mely szintén a felszínen detektált akusztikus jelekből a fluidnyomás impulzusok terjedésére következtet, azaz a már meglévő és újonnan létrejövő repedéshálózatot fluidum-áramlási útvonalakként értelmezi. A módszer azon a felvetésen alapul, hogy a mért energia kibocsátás lineárisan korrelálható a töréses területtel, így a legnagyobb törési sűrűségű területek jellemezhetők a legnagyobb számított értékekkel (28. ábra). 40

43 28. ábra: TFI eredmények a Beru-4 kút rétegrepesztéséről 3486 mbf (a kb. repesztési) mélységben. Pirostól (nagy) kékig (kicsi) terjedő színezés jelzi a repesztett áramlási utakat, míg a szürke a természetes áteresztési helyeket (Global 2013). 4. HAZAI PILOT TERÜLETEK RÉSZLETES VIZSGÁLATA 4.1. Területválasztás A hidraulikus rétegrepesztés célja és földtani közege szerint külön kezelendő. A célja legtöbb esetben a nemkonvencionális szénhidrogének kitermelésének és a geotermikus energia hasznosításának elősegítése. A földtani közeg szerint másképp kezelendő egy üledékes és egy alaphegységi rezervoár. Tanulmányunkban a két részletesebben vizsgált pilot területet (Derecskei árok és Battonyai hát) e szempontrendszer mentén választottuk ki. Fontos mérlegelési szempont volt emellett, hogy mindkét terület koncessziós kezdeményezés tárgyát képezte, amelynek keretében érzékenységi-terhelhetőségi tanulmányok (Kovács et al. 2013, Zilahi-Sebess et al. 2013) készültek, amelyekben a területek előzetes környezeti szempontokat előtérbe helyező komplex kiértékelése már megtörtént. A nemkonvencionális szénhidrogén kutatás-termelés lehetséges hatásainak elemzését lehetővé tevő pilot terület kiválasztásánál fontos szempont volt, hogy a lehető legrészletesebb információval rendelkezzünk az eddig elvégzett rétegrepesztési műveletekkel kapcsolatban. A MOL által a Berettyóújfalu térségében végzett rétegrepesztési műveletekkel kapcsolatos részletes információ átadása e szempontból döntő jelentőségű volt, amelynek nyomán választásunk egyértelműen a Derecskei-árok területére esett. Bár a rétegrepesztés környezeti hatásai vizsgálatának homlokterében Magyarországon ezidáig a nemkonvencionális szénhidrogének álltak, tanulmányunkban mindenképp célunk volt az ettől némileg eltérő (ld fejezet) geotermikus célú rétegrepesztés hatásait is konkrét hazai példán keresztül bemutatni, ezért ennek illusztrálására a Battonyai hátat választottuk, ahol várhatóan 2015 őszén indul el Magyarország K+F célú EGS projektjének első fúrása. 41

44 4.2. Módszertan A pilot területek elemzésének fókuszában a területekre készített valós földtani helyzetet bemutató 3D földtani modellek elkészítése állt. A vizsgált területek határát az adott területekre készített koncessziós érzékenységi-terhelhetőségi vizsgálati területeinek határai adták. Ezeken belül egy-egy 3D szeizmikus blokk területére végeztünk részletesebb kiértékelést (29. ábra). A tanulmány során három darab földtani felület- és voxelmodell készült JewelSuite (JewelSuite Subsurface Modelling 2014) háromdimenziós modellező szoftver-környezetben. Az elkészült modellekből kettő a derecskei koncessziós területen található: egy átfogó modell a teljes koncessziós területről, egy kisebb pedig a koncesszió keleti felén mért Földes-K 3D szeizmikus tömbből készült. A harmadik modell alapját a battonyai koncessziós terület (Ferencszállás koncesszió) és a Mezőkovácsháza 3D szeizmikus tömbök adták. Az itt felhasznált 3D-tömb szinte teljesen lefedi a koncessziós területet. Az elkészült modellek segítséget nyújtanak az összetettebb földtani problémák megértéséhez, megoldásához valamit a kevésbé hozzáértő szem számára is szemléletessé és könnyen megérthetővé tehetik a fontosabb földtani információk áttekintését. Megjegyzendő továbbá, hogy az elkészült felületek (tektonikai és földtani határok) és 3D-gridek (négyzetrács hálón alapuló 3D test) bemenetet nyújthatnak későbbi áramlás és különböző földtani és geofizikai modelleknek. 29. ábra: A két vizsgált pilot terület elhelyezkedése: Derecske koncessziós terület és benne a Földes 3D szeizmikus tömb határvonala, illetve a Battonya koncessziós terület és benne a Mezőkovácsháza 3D szeizmikus tömb határvonala. A háttér Magyarország prekainozoós aljzattérképe (Haas et al. 2010) 42

45 A modellek elkészítéséhez a rendelkezésre álló legtöbb adatot igyekeztünk felhasználni. A felhasznált adatokat két kategóriába sorolhatjuk. Az egyik csoportba a Földes-K 3D és a Mezőkovácsháza 3D tartoznak, melyek főként 3D szeizmikus adatokra támaszkodnak. Ezen tömbök segítségével egy részletesebb modell elkészítésére nyílt lehetőségünk. A másik csoportba a derecskei koncessziós terület átfogó modellje tartozik. Ebbe a modellbe főként a már meglévő földtani adatok kerültek beépítésre, mint például a Haas et al. (2010) által szerkesztett aljzattérkép vagy az MFGI mélyföldtani térképének egyes szintjei (miocén tető és alsó-felső pannon határ szintek). Mindhárom modell elkészítésénél mélyfúrási rétegsorokra is támaszkodtunk. A Földes 3D modellterébe 11 darab, a battonyai koncessziós modellhez 21 darab, míg a derecskei koncessziós modell esetében 37 darab fúrás rétegsorát építettünk be és jelenítettünk meg a modellben. A szeizmikus időben és a fúrási mélységben lévő adatok együttes ábrázolása érdekében VSP (vertikális szeizmikus szelvényezés) mérések eredményeit is felhasználtuk. A VSP mérési adatok a következők voltak: Beru-1, Beru-6, Földes-23, Földes-ÉK-1 a Földes-K 3D és Mezőhegyes DK-1, Mezőhegyes DK-2. A Mezőkovácsháza 3D esetében felhasználtuk még a Battonya geotermikus projekt (Mező et al. 2009) során készített idő-mélység összefüggéseket is. Ezek az értelmezés utáni idő-mélység konverzióhoz is alapadatként lettek felhasználva, mely az értelmezett szintek közötti intervallum sebességek alapján a VSP-k időmélység összefüggéseit felhasználva és a területen található fúrások korrekciójával készült. Az értelmezési munka során a rétegrepesztés hatásainak elemzése szempontjából releváns három mélyföldtani szintre összpontosítottuk. Ezek a paleozoos-mezozoos aljzat képződményeinek tető, az alsó- és középső-miocén képződmények tető, valamint a termálvíz alsó határ szintjét jelentő alsó- és felső-pannon képződményeket elválasztó, Újfalui Formáció talpszintjei voltak. (A munka során az egyes horizontok értelmezését 20- as inline és crossline közökkel végeztük.) A modelltér egyes helyein sűrűbben, 10, 5 vagy akár 1 line mentén végeztük az értelmezést. A vonalsűrítés indokát a felmerülő földtani problémák és bonyolult szerkezeti elemek pontosítási igénye indokolta. A battonyai részterület esetében itt is felhasználtuk a már említett Battonya geotermikus projekt (Mező et al. 2009) eredményeit, melyek főként az aljzat és az alsó-középső miocén képződmények kitérképezésében nyújtottak nagy segítséget. Az értelmezett horizontokból egyszerű krigelés és háromszögelés segítségével generáltunk felszíneket, melyekből 500x500 méteres felbontású 3D jewel-grideket készítettünk. A gridmodell esetében minden egyes cella rendelkezik annak megfelelő földtani attribútumával. Az elkészült grid a későbbiekben mélyfúrás geofizikai szelvények és vízföldtani hőáram- vagy további attribútum térképek segítségével, újabb attribútumokkal is felruházható. A modellek virtuálisan, szelvénynézetben szeletelhetőek és exportálhatóak 2D szelvények mentén 2D-modellek futatásához, vagy 3Dben bonyolultabb 3D-modell futtatásokhoz is. Az értelmezett szintek mellé beépítésre került a 30 C-os izoterma mélység-gridje, szintvonalas térkép formájában, amely a területeken a termálvíztestek tetőszintjét hivatott ábrázolni (a termálvíztest alját az Újfalui formáció talpszintjével vettük azonosnak). A termálvízadó feletti porózus hideg víztesteknek csak a területei lehatárolása adott (a mélység felé nem), ezért ezek a modellben nem szerepelnek, csak a konkrét területi értékeléseknél (4.3., 4.4. fejezetek) hivatkozunk rájuk, ahol releváns. A földtani szintek meghatározása mellett a szeizmikus tömbök kiértékelése során a szerkezeti elemeket (törések, vetők) is azonosítottuk. Ezeknek egyrészt az esetleges vízvezetés szempontjából van nagy jelentősége, másrészt a medencekitöltő összleteket átszelő fiatal virágszerkezetek a neotektonikai aktivitásra utalhatnak, amely során a mélybeli törések reaktiválódhattak, és ami az aljzatban levő kőzetek repeszthetőségét is befolyásolja. 43

46 Beépítésre kerültek továbbá a modell területére eső szénhidrogén bányatelkek határai, valamint ezek mélységben ábrázolható határfelületei is, melyekből szintén voxelizált testek készültek. Továbbá a Földes-K 3D-n a Beru-4 fúráson jelölve lett a korábbi repesztések hatására keletkezett repedések térbeli kiterjedése. Ezen modellelemek valós méretük alapján csak erős nagyításban láthatóak a teljes modellt ábrázoló nézetben. Mindezen adatoknak, információknak az MFGI-ben egyedülálló módon, országosan rendelkezésre álló egyéb földtani-geofizikai-vízföldtani téradat rendszerekbe (pl. fúrási adatbázisok, egyéb mélygeofizikai mérések, vízföldtani-vízgeokémiai értékelések) történő illesztése, újraértékelése olyan integrált értelmezést tett lehetővé, amelyben az egyes hatótényezők, folyamatok tér-és időbeli egymásrahatások a valós térben szemléltethetőek és reálisan megítélhetőek Derecskei-árok Földtani felépítés A derecskei koncessziós terület földtani felépítését részletesen Kovács et al. (2013) ismerteti, jelen tanulmányban ennek csak rövid kivonatát közöljük, amely keretet ad a következő fejezetekben foglaltak tárgyalásához. A koncessziós terület a Közép-Magyarországi nagyszerkezeti vonaltól délre fekvő Tiszainagyszerkezeti egység részét képezi, amely három szerkezeti egységnek (Mecseki-,Villány Bihari-, Békés Codrui-egység) a variszkuszi orogén fázis idején bekövetkezett egyesülésével jött létre. A későbbiekben az alpi szerkezetalakulás folyamán lejátszódó takaróképződés és pikkelyeződés eredményeképpen alakult ki a nagyszerkezeti egység északkelet délnyugati irányú pásztás elrendeződése. A Villányi- és Bihari egységet alapvetően kisfokú metamorfózist szenvedett mezozoos képződménynek (mészpala, agyagmárgapala, mészkő), illetve egyéb metamorf kőzetek (gneisz, csillámpala, amfibolit) építik fel, míg a Mecseki egység területén uralkodóan a kréta paleogén pelágikus márga, flis összlet található (30. ábra). Az aljzat mélysége erősen változó: Konyár térségében 6000 mbf-nél nagyobb mélységben éri el legnagyobb mélységét a Létavértes Bakonyszeg Darvas csapású árok. Az ároktól ÉNy-ra átlagosan mbf, míg attól DK-re 3000 mbf átlagos mélységben várható a prekainozoos aljzat. Legsekélyebben Kismarja térségében található, ott már 1000 mbf-ben is elérhető a metamorf aljzat. A kárpáti szarmata időszakban a kainozoos szinrift tektonikai fázisban kezdődött meg a terület mai földtani felépítését meghatározó 6000 méternél is mélyebb Derecskei-árok kialakulása, amely erőteljesen módosította a mezozoos aljzati képződmények északkelet délnyugati irányú övességét. A vizsgálati területen általános elterjedésű alsó és középső miocén rétegek fúrt vastagsága néhány métertől több 100 méterig változik, kőzettanilag folyóvízi környezetben lerakódott agyag, aleurit, homok, konglomerátum összletek, tufit, tufa közbetelepülésekkel tagolt homokkőrétegek, illetve sekélytengeri, litothamniumos, biogén mészkőrétegek jellemzik (31. ábra). 44

47 30. ábra: A Derecskei árok prekainoizoós medencealjzatának térbeli képe az aljzatot ért fúrások feltüntetésével (Haas et al alapján) a Jewel modellben. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m- nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 31. ábra: Az aljzatra települő alsó- és középső miocén képződmények tetőtérképe a Jewel modellben (szürke felszín). Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes- K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 45

48 A Derecskei árok több ezer méteres süllyedésének jelentős része már később, az ún. posztrift fázisban zajlott le. Ennek eredményeképpen képződtek a Pannon-tóban lerakódott nagy vastagságú, jelentős részben turbiditekből álló rétegsorok az árkok területén. Az Endrődi Márga, a Szolnoki Homokkő és az Algyői Formáció alkotják a hagyományos értelemben vett alsó-pannóniai formációkat, a Peremartoni Formációcsoportot. Az Újfalui Homokkő Formáció, a Zagyvai Formáció és a Nagyalföldi Tarkaagyag Formáció alkotják a hagyományos értelemben vett felső-pannóniai formációkat, a Dunántúli Formációcsoportot A területen az Újfalui Formáció talpa (egyben a termálvíztest aljaként értelmezett felszín) a Jewel modell szerint kb m mélységben húzódik (32. ábra), amely alatt az agyagos és vízzárónak tekinthető Algyői Formáció található, azaz a területen a regionális termálvíz áramlás max. az 1500 m mélységig terjedő térrészre korlátozódik. 32. ábra: Az alsó- és középső miocén képződményekre települő felső-pannon Újfalui Formáció talptérképe (egyben a termálvíztest aljaként értelmezett felszín ) a Jewel modellben (kék felszín). Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. A Pannon-tó feltöltődését követően Juhász et al. (2006) szerint a jelentős vastagságú folyóvízi összlet folyamatos rétegsort képvisel a késő-miocéntől a negyedidőszak elejéig, jelezve a terület folyamatos süllyedését (33., 34. ábra). E süllyedő tendencia a rétegrepesztés szempontjából jelentős tényező, hiszen ilyen geodinamikai környezet sokkal inkább kedvez a már meglevő törések repedések összezáródásának, elagyagosodásának, semmint új törések kialakulásának, felszínre nyílásának. 46

49 33. ábra: A felső-pannon Újfalui Formációra települő negyedidőszaki képződmények talptérképe a Jewel modellben (narancs felszín). Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 34. ábra: A felszín helyzete a Jewel modellben (barna felszín). Az ábra az összes, a modellbe beépítet földtani szint térbeli helyzetét ( ábrák) mutatja. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. A derecskei területre készített földtani térmodell lényeges szintje még a 30 C-os izoterma mélységét ábrázoló felület (35. ábra), amely a Vízgyűjtő Gazdálkodási Tervben elfogadottak szerint a termélvíztestek felső határoló felülete. A területen ez m mélységben húzódik. 47

50 35. ábra: A 30 C-os izoterma mélysége. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. A Derecskei árok szerkezeti viszonyaira a medencét határoló fiatal, jelentős oldaleltolódásos tektonikai síkok jellemzőek, amelyeket a földtani modell is jól szemléltet (36. ábra és 57., 58. ábrák). Vakaracs és Várnai (1991) a területen több km-es oldalelmozdulásokat mutattak ki a pannon rétegsorban, a legnagyobb, balos oldalirányú elmozdulás 5,5 km-es. Ezek korát a késő-miocénen belül is pontosították: a mozgások a pannon rétegsoron belüli II/7 paraszekvencia kezdetéig tartottak, ami időben így 8,2 millió évnél idősebb kell, hogy legyen. E jelentős szerkezeti elemek aktivitásának kormeghatározása azért különösen fontos, mert jelentős fluidum-mozgások (felszín alatti vizek, vagy esetleg repesztőfolyadék) elsősorban aktív (így vízvezető) vetők mentén képzelhetőek el. 36. ábra: A Derecskei árkot határoló oldalelmozdulásos tektonikai síkok a Jewel földtani modellben. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 48

51 Amint azt a 4.2. fejezetben is említettük, az egyes földtani felületek mellett a modellbe beépítésre kerültek az egyes szénhidrogén bányatelkek határai, valamint ezek mélységben ábrázolható határfelületei is. Ezek, valamint a modell azon funkciója, amellyel a vizsgált térrész bárhol tetszés szerint elmetszhető, az egyes vizsgálni kívánt egységes egymáshoz viszonyított térbeli helyzetének további részletes elemzését, illetve látványos megjelenítését teszi lehetővé (37., 38., 39. ábrák). 37. ábra: A Derecskei árok földtani térmodelljének metszetei a szénhidrogén telepek térbeli helyzetének (blokkok) ábrázolásával a Jewel modellben. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A kék keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 49

52 38. ábra: A Derecskei árok földtani térmodelljének szintjei a szénhidrogén telepek térbeli helyzetének (blokkok) ábrázolásával a Jewel modellben. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 39. ábra: A Derecskei árok földtani térmodelljének szintjei és a főbb tektonikai síkok, valamint két tetszőleges metszet a Jewel modellben. Az É-i irányt az ábra bal alsó sarkában levő kis zöld nyíl mutatja. A függőleges és vízszintes méretarányt a mérce jelzi, amelynek egy beosztása 500 m-nek felel meg. A piros keret a Földes-K 3D szeizmikus tömb határát jelzi. 50

53 Vízföldtani viszonyok A hidraulikus rétegrepesztés felszín alatti vizekre gyakorolt hatásának vizsgálatához fontos ismernünk a térség vízadóinak térbeli helyzetét, kapcsolatait egyéb vízadó-vízzáró képződményekkel, valamint a vízadók hidraulikai és vízkémiai tulajdonságait. Ezeket az információkat alapvetően a Derecske koncessziós területre készült érzékenységiterhelhetőségi tanulmány (Kovács et al. 2013) alapján ismertetjük. A repesztés hatását tekintve fontosabb hidrosztratigráfiai egységek és térbeli helyzetük az alábbi. Regionális elterjedésű hideg és termális rétegvíz tartók Az első jelentősebb víztartó összlet a pleisztocén korú folyóvízi ártéri üledékek alkotta regionális víztartó, melynek vastagsága a kiemelt területektől a medence (Derecskei-árok) felé fokozatosan növekszik. Vastagsága rendszerint meghaladja a 200 m-t, de nagyobb (akár 400 m) vastagságot is elérhet a Derecskei-árok területén. Ugyanakkor meg kell jegyeznünk, hogy sok esetben nehéz elkülöníteni az alatta települő, hasonló kifejlődésű és egy hidraulikai rendszert képviselő Nagyalföldi Tarkaagyag és Zagyvai Formációktól. Az összlet komoly jelentőséggel bír, hiszen a települések vízműkútjainak nagy része elsősorban a felső m vastag homokosabb, relatíve sekély kutakkal könnyen elérhető, megfelelő vízminőségű rétegeken települ. Ez viszonylag szoros hidraulikai kapcsolatban áll az alatta települő, folyóvízi ártéri, tavi, mocsári környezetekben képződött felső-pannóniai üledékekkel (Nagyalföldi Tarkaagyag Formáció, Zagyvai Formáció). A képződmények egymástól nehezen, szinte csak a színük alapján különíthetőek el és a Derecskei-árok területén erősen kivastagodnak. Az egymásra települő és egymásba fogazódó, kiékelődő homokos agyagos rétegek alkotta víztartó összlet vastagsága itt meghaladja a m-t is, míg a medence belsejétől távolabb, a vizsgálati terület ÉNy-i, illetve DK-i területein mindössze m. Az összlet rétegeinek térbeli alakulását fontos ismerni, hiszen a területen a medencefeltöltéssel egyidejű és azt követő szerkezetalakulási és eróziós folyamatok a felszínközeli rétegekhez való kapcsolódásokra jelentős hatással vannak. Ezek a deformált rétegmenti földtani kényszerpályák alapvetően meghatározzák az utánpótlódási útvonalakat, a jelenlévő vizek összetételét, korát, esetenként a mélyebb régiók sós vizének sekélyebb szintekbe jutását. A Nagyalföldi/Zagyvai Formációban határolhatjuk el a medence porózus üledékeiben kialakult köztes, (intermedier) áramlási rendszert m-es mélység alatt már 30 C-nál magasabb hőmérséklettel rendelkező vizet, azaz hévizet tárolnak a homokos vízadók (ld. 35. ábra is). A Zagyvai Formáció alatt elhelyezkedő Újfalui Formáció homokos vízadója ugyancsak számottevő vastagságban jelenik meg a vizsgálati területen, átlagos talpmélysége m mélyen húzódik (ld. 32. ábra is). Legnagyobb (kb m-es) vastagságban a vizsgálati terület középső-keleti részén, Konyár térségében jelenik meg. A vizsgálati terület egyéb részein általában min m-es vastagsággal rendelkezik. Az összlet homokosabb deltafront üledékei már 30 C-nál jóval magasabb hőmérsékletű vizet, hévizet szolgáltathatnak. Az itt tárolt vizek az összlet mintegy m-nél sekélyebb részein rendszerint NaHCO 3 -os kémiai jellegűek, általában mintegy mg/l, mélységgel növekvő összes oldottanyag-tartalommal és növekvő klorid-tartalommal. A m-nél mélyebben elhelyezkedő víztartókra a NaHCO 3 Cl-os kémiai jelleg és mg/l közötti összes oldottanyag-tartalom jellemző. A pannon termálvíz rendszer áramlási viszonyaira a potenciál eloszlások alapján következtethetünk. A 40. és 41. ábrákon egy ÉD-i és egy KNy-i csapású szelvény menti 51

54 potenciál eloszlás látható. Fontos megjegyeznünk, hogy a látható potenciálszintek a 2004-es termelt állapotot reprezentálják. A legalsó inaktív (zöld) modellréteg teteje jelzi a hévízrendszer feküjét. Mint látható, egy esetleges havária esetén a szennyeződés (a potenciálszintekre merőlegesen) É-i, Ny-i, DNy-i, ÉNy-i irányokba haladna. Fontos kiemelnünk, hogy a repesztett miocén összlet az aktív áramlási rendszer alatt több mint 2000 méterre van. 40. ábra: A porózus hideg és porózus termál víztestek potenciál eloszlás szelvény menti megjelenítése a Pannon XL modell alapján, É-D-i szelvény (Kv: vertikális vízvezető képesség, Kh: horizontális vízvezető képesség) (Tóth et al., 2013) 41. ábra: A porózus hideg és porózus termál víztestek potenciál eloszlás szelvény menti megjelenítése a Pannon XL modell alapján, Ny-K-i szelvény (Kv: vertikális vízvezető képesség, Kh: horizontális vízvezető képesség) (Tóth et al. 2013) 52

55 Az aljzat kiemeltebb részei felett, így Kismarja, Szeghalom és Földes térségében már magasabb sótartalmú vizek jelennek meg. Kismarja térségében a vizek kémiai jellege a mélységgel változást mutat: a mintegy 800 m-nél sekélyebben elhelyezkedő vízadókra a NaHCO 3 -os kémiai jelleg jellemző, mely a mélységgel fokozatosan megy át előbb NaHCO 3 Cl-os, majd NaClHCO 3 -os jellegbe. A fúrásokkal sűrűbben feltárt kismarjai kiemelkedés körzetében a 800 m-nél mélyebben elhelyezkedő víztartókban a vizek összes oldottanyag-tartalma enyhe csökkenést mutat a mélységgel. A m-es mélységben lévő víztartókban nagyobb, mg/l oldottanyag-tartalom jellemző. Ennél mélyebben leginkább mg/l, esetenként mg/l sótartalommal találkozhatunk, egy kútban elérve a mg/l körüli értéket. A magasabb sótartalmú vizek megjelenése a felső-pannóniai összletben földtani okokra vezethető vissza: az aljzat kiemelkedései felett a felső-pannóniai rétegek közvetlenül, vagy csak nagyon vékony, maximum. néhány 10 m vastag alsó-pannóniai miocén rétegeken települnek. Ennek következtében a mélyebb helyzetű, túlnyomásos rétegekből a magasabb sótartalmú vizek közvetlenül a felső-pannóniai termálvíztartó összletbe juthatnak, ez azonban igen lassú (földtani és nem emberi időléptékben mérhető) migrációval történik. Az Újfalui Formáció feküje egyúttal a medence porózus, regionális áramlási rendszerének feküjét is jelenti. A felső-pannóniai és negyedidőszaki rétegek nyomásviszonyai a hidrosztatikus nyomásnak megfelelőek. Lokális, a felső-pannóniai képződményeknél idősebb rétegvíztartók Az alsó-pannóniai korú összlet a vizsgálati terület középső-keleti részén, a Derecskei árok területén éri el legnagyobb (akár m-es!) vastagságát, melyet azért fontos kiemelnünk, mert vízrekesztő volta miatt jelentősen lassíthatja a mélyebben fekvő idősebb miocén rétegek repesztéséből esetlegesen származó szennyező anyagok migrációját. A vizsgálati terület egyéb részein m-es átlagos vastagságban jelenik meg. Az alsópannóniai rétegekben a Szolnoki Formáció turbidit homokjai csak a Derecskei-árokban (akár 1000 m vastagságban) és a vizsgálati terület D-i részén jelennek meg. Az Endrődi Formáció bázisán található kavicsbetelepülésekben, illetve a Békési Formációban (Biharkeresztes térségében) szintén várhatunk víztartókat, amennyiben azok megjelennek a területen. A két utóbbi képződmény a kiemeltebb hátak területén (vizsgálati terület É-i, K-i és D-i részein) egyáltalán nem, vagy csak erősen redukált vastagságban jelenik meg. Báziskonglomerátumnak csak ott van jelentősége, ahol más víztartó képződményekkel kapcsoltan jelenik meg. A vizsgált területen és környezetében mindezidáig hévíztermelés szempontjából e képződményeket nem vették számításba a kvarter és a felső-pannóniai vízadók jóval kedvezőbb adottságai, valamint ezen alsó-pannóniai képződmények nagyobb települési mélysége, kisebb vastagsága és esetenként alacsony vízvezető-képessége miatt. A vizsgálati területen a vizek összetétele a mélységgel változik m-nél sekélyebb mélységben jellemzően NaHCO 3 -os, NaHCO 3 Cl-os, míg nagyobb mélységben jellemzően előbb NaHCO 3 Cl-os, majd m-nél mélyebben már NaCl-os jellegű. A rendelkezésre álló adatok alapján az összes oldottanyag-tartalmuk döntően mg/l között alakul, az ennél magasabb (> mg/l) sótartalmak általában kb m-es mélységtől jelennek meg. Az aljzat kiemelt rögei felett, így többek között Kismarja, Szeghalom, Furta és Biharkeresztes térségében jelentősebb, mg/l összes oldottanyag-tartalom jellemző, NaCl-os, illetve NaCaCl-os kémiai jelleggel. 53

56 Az alsó-középső miocén üledékek tekinthetők a nem hagyományos szénhidrogének kitermelését segítő hidraulikus rétegrepesztés célpontjainak. E miocén rétegek vizeinek összes oldottanyag-tartalma néhány kivételtől eltekintve mg/l között változik, kémiai jellegüket tekintve pedig NaCl-osak. A sekély helyzetű aljzat felett Kismarja térségében az összetételre inkább a NaHCO 3 Cl-os kémiai jelleg jellemző, míg a szeghalmi, mezősasi, ártándi, álmosdi, ritkábban a püspökladányi kutakban, a nátrium mellett megjelenik a kalcium is, így ezeken a területeken inkább a NaCaCl-os vizek jellemzőek, jellemzően mg/l összes oldottanyag-tartalommal. Néhány esetben ez meghaladhatja a mg/l-t is, mely azokra a víztartókra jellemző, melyek a kiemeltebb, flis alkotta aljzat fölött települnek. Az összetétel a rétegsor homokkőtesteinek jobb kommunikációjára, vagy azok elzártabb jellegére, illetve az aljzatból származó vizek hozzákeveredésére (kiemelt aljzati területek) utalhat. Lokális porózus, kettős porozitású rendszerek A lokális porózus, kettős porozitású rendszerek közé sorolhatjuk a vizsgálati területen előforduló prepannóniai miocén korú képződmények karbonátos kifejlődéseit, közbetelepüléseit (Hajdúszoboszlói Formáció, Ebesi és Abonyi Formációk). A karbonátos miocén képződmények vizei a területen általában mg/l összes oldottanyagtartalommal és NaCl, ritkábban NaCaCl-os kémiai jelleggel rendelkeznek, ami a víztartó elzárt voltára utalhat. Vízföldtani jelentőségük ugyanakkor csak akkor van, ha közvetlenül az aljzaton települnek és egy hidraulikai rendszert képeznek a repedezett alaphegységi zónákkal. A képződmények porozitásuk révén szénhidrogén szempontjából tároló képződmények lehetnek, így számítani lehet szénhidrogének megjelenésére. A miocén rétegek a területen már jelentősebb túlnyomással rendelkeznek. Regionális vízzáró egységek Az Újfalui Formáció és a prekainozoos aljzat között a pannóniai rétegsor uralkodó képződménye az egymásra közvetlenül települő Endrődi és Algyői Formációk rétegsora. Az összlet az aljzat kiemelkedései felett kisebb vastagságban jelenik meg, vastagsága itt m-re tehető, a vizsgálati terület nagy részén m-es átlagvastagságot, míg a Derecskei-árok területén akár m-es vastagságot is elérhet. Ismételten fontos kiemelni ezen képződmények vízzáró-szigetelő hatásának fontosságát egy esetleges szennyeződés transzport szempontjából. A szarmata badeni korú, üledékes kőzetekkel összefogazódó vulkanitok is uralkodóan a vízzáró egységek közé sorolhatók. Vastagságuk változó, m-re tehető. A területen a Kaba Bucsa vonaltól ÉNy-i irányban senon paleogén üledékek települnek. E flis képződmények, néhány kisebb, rétegpróbára alkalmas jobb áteresztő-képességű résztől eltekintve, gyakorlatilag impermeábilisak. Az e képződményekben tárolt víz minőségéről több fúrás is információt nyújt, melyek szerint összes oldottanyag-tartalmuk széles tartományban , sőt mg/l bírnak és NaCl-os kémiai jellegűek. Az alsópannóniai és idősebb miocén magasabb szervesanyag-tartalmú képződmények szénhidrogén anyakőzetként is szóba jöhetnek. Az alsó-pannóniai rétegekre hidrosztatikus, vagy enyhe, míg a miocén rétegekre már a jelentősebb túlnyomás jellemző. 54

57 Alaphegységi rezervoárok A prekainozoos alaphegységet a területen legnagyobb részben a Kaba Bucsa vonaltól K-i, DK-i irányban variszkuszi metamorf képződmények (gneisz, csillámpala, amfibolit) építi fel. Ettől a vonaltól ÉNy-ra, már a senon paleogén flis képződményeit találjuk (Debreceni Formáció, Nádudvari Komplexum). A vizsgálati területen variszkuszi metamorfitok alatt a takarós áttolódás következtében mezozoos képződmények találhatók. Rezervoárként elsősorban a karbonátos formációk jöhetnek számításba (triász korú palás mészkő), amennyiben hosszabb ideig felszíni hatásnak, tehát mállásnak és esetenként karsztosodásnak voltak kitéve. Az ilyen helyzetek esetében néhányszor tíz, esetleg száz méteres vastagságban is lehet megnövekedett pórus- és repedéstérrel, valamint permeabilitással számolni. Emellett a tektonikai hatások következtében kialakult repedezett, de mállással nem érintett üde karbonátos részek (a képződmény mélyebb részei) is perspektivikusak lehetnek más célú pl. geotermikus, CO 2 tárolási szempontból. A repedezett triász palás képződmények, vagy a variszkuszi metamorf képződmények ugyancsak rendelkezhetnek magasabb porozitás- és permeabilitás-értékekkel és válhatnak rezervoárokká. A regionális értékeléseknél fontos elemezni azt is, hogy a repedezett, mállott, karsztosodott fekvőre közvetlenül települő fedőképződmények hidraulikai egységet képeznek-e az alaphegységi rezervoár-részekkel. Az aljzat képződményeiből származó vizet számos fúrás tárt fel. A flisösszleten több fúrás is települ, megmintázva a kréta eocén oligocén törmelékes sorozatot is. Ez az eocén oligocén összlet jellemzően mg/l, de egyes esetekben akár mg/l összes oldottanyag-tartalmú, NaCl-os kémiai jellegű vizeket tartalmaz. Az összlet még nyitottabb, esetlegesen repedezett zónáiban ennél alacsonyabb (kb mg/l) sótartalmú vizek is megjelenhetnek. Mezozoos képződményeket csupán két fúrás tárt fel. A vizekre NaCl-os kémiai jelleg és a mg/l oldottanyag-tartalom jellemző, ugyanakkor ki kell emelni, hogy a szegényes feltártság következtében az összetétel vizsgálat nagy bizonytalansággal terhelt. A variszkuszi metamorfitokban tárolt vizek minőségére leginkább a mg/l összes oldottanyag-tartalom és a NaClHCO 3 NaCl-os kémiai jelleg a jellemző. Területileg ugyanakkor némi eltérés figyelhetünk meg. A kismarjai fúrások/kutak vizének jellemző kationja a nátrium, kémiai jellege pedig a mélységgel változik, NaHCO3 NaHCO3Cl NaClHCO3 NaCl-os. Rendszerint 5500 mg/l-nél nagyobb oldottanyag-tartalommal rendelkeznek, mely a mélység felé növekszik, m-es mélységben már mg/l-es értékekkel is találkozhatunk. Az aljzat képződményeinek repedezettsége nemcsak a vizek tárolásában és áramlásában játszik szerepet, hanem a szénhidrogének csapdázódásában is. A kristályos aljzat repedezett, breccsásodott képződményei a térségben szénhidrogén-tárolókként ismertek. Az aljzatbeli nyomásviszonyokra a jelentős túlnyomás jellemző. A rétegrepesztés és az esetleges gázmigráció szempontjából kiemelten fontos a felszín alatti vizek gáztartalmának ismerete, amelyről azonban viszonylag kevés adat áll rendelkezésre. A derecseki területen a vizek gáztartalmának mélység szerinti eloszlását a 42. ábra szemlélteti. Látható, hogy a mélységgel nő a vizek fajlagos metántartalma, legnagyobb értékét a Kaba K 106 jelű fúrásban (körülbelül 650 méter mélységben) éri el, ahol meghaladja az 830 l/m 3 -t. Derecskéhez legközelebb csak Berettyóújfalu térségéből vannak gázelemzések (felszín alatti méteres mélységközből), melyek szerint a felszín alatti vizek fajlagos gáztartalma l/m 3, körülbelül 1 25 l/m 3 fajlagos metántartalom mellett. A Berettyóújfalu K 61-es fúrás felszín alatti méteres mélységközből származó vizének fajlagos gáztartalma meghaladja a 450 l/m 3 -es, fajlagos metántartalma pedig a 220 l/m 3 -es mennyiséget. 55

58 A felszín alatti vizekben észlelt metántartalom arra utal, hogy a pannon csapdákban tárolt konvencionális gáztelepekből történik természetes eredetű migráció, azaz ez a rendszer nem teljesen zárt. A rétegrepesztés azonban a konvencionális telepek alatti idősebb, miocén kőzetekben tárolt nem-konvencionális szénhidrogének feltárást célozza, így a repesztés által potenciálisan indukált esetleges többlet gáz-migráció nehezen detektálható. 42 ábra: A pilot területen lévő kutakból vett vizek gáztartalmának alakulása a mélység függvényében A pilot terület felszín alatti víztestei A terület szinte teljes egésze regionális feláramlási zónában helyezkedik el. A területet és környezetét 5, a felszín alatti tér felső m-ét reprezentáló sekély porózus víztest és 6, hideg vagy langyos vizet adó (<30 C) porózus víztest érinti. Ezek a terület északi felét uraló Hortobágy, Nagykunság, Bihar északi rész (sp és p.2.6.2) és a terület déli részét uraló Körös-vidék, Sárrét (sp , p ) sekély porózus és porózus víztestek; valamint másik három-három, a területbe csak benyúló vagy azt éppen csak érintő Jászság, Nagykunság (sp.2.9.2, p.2.9.2), Nyírség déli rész, Hajdúság (sp.2.6.1, p.2.6.1) és a Duna Tisza köze Közép-Tisza-völgy (sp , p ) sekély porózus és porózus víztestek; illetve az északnyugati sarokban megjelenik a Sajó Takta-völgy, Hortobágy (p.2.8.2) porózus víztest is 56

59 (43. ábra). Három 30 C-nál melegebb érintett vízadó található a területen: az Északkelet- Alföld (pt.2.4), a Délkelet-Alföld (pt.2.3) és az északnyugati sarkot érintő Észak-Alföld (pt.2.2) porózus termál víztest. 43. ábra: A területet érintő sekély felszín alatti víztestek, a nyilvántartott sekély kutak feltüntetésével (Kovács et al. 2013) Nyilvántartott víztermelő kutak és ivóvízbázisok A terület sekély, porózus víztestekre szűrőzött kútjai nagyobbrészt megfigyelő kutak, míg a porózus víztestekre szűrőzött kutak többnyire termelőkutak. Az ivóvízellátást javarészt ezek a kutak biztosítják. Egyéb célú (pl. ipar, öntözés és egyéb mezőgazdasági termelés, fürdővíz) felhasználásuk is jelentős. A terület ivóvíz vízbázisait a 4. táblázat mutatja be. 20 ivóvíz bázis a vizsgálati területen, 9 (ebből 1 egyéb vízbázis) az 5 km-es körzetben található. A felsorolt vízbázisok többsége üzemelő, két füzesgyarmati vízbázis (hideg és termálvizes) tartalék. A vízbázisok közül 7 sérülékeny állapotú. Az ivóvízbázisok egy részénél a védőterületi határok jelenlegi szintje szakértők által becsült vagy számított. A Hajdúszoboszlói Vízmű földhivatali védőhatárokkal rendelkezik. A többi vízmű esetében vizsgálatok és sérülékenység hiányában 100 m-es pufferzónát határoztak meg. Befejezett diagnosztika hat vízbázist érint. A hidraulikus repesztéshez szükséges nagy mennyiségű víz beszerzésének lehetőségét a jellemzett víztestek és vízbázisok figyelembe vételével kell megtervezni. Fontos szempont, hogy a kijelölt víztestek és vízbázisok a jelenleginél rosszabb állapotba nem kerülhetnek. A 44. ábra a felszín alatti vízkiemeléseket és a víztermelő kutak védőterületeit mutatja be. 57

60 44. ábra: Üzemelő és távlati vízbázisok, valamint a porózus felszín alatti víztestek az érintett területen (Kovács et al. 2013) 4. táblázat: Az 5 km-es határoló terület felszín alatti ivóvízbázisai (Kovács et al. 2013) Vízbázis Kód Státusz Védőterület + Karcag laktanya Darvas Vízmű Víztermelő Telepe Hajdúbagos Vízmű Víztermelő Telepe Hajdúszovát Vízmű Víztermelő Telepe Hosszúpályi Vízmű Létavértes Vízmű ALF925/ ALG050/ ALG053/ AID432/ AID503/ Körösszegapáti- Körmösd puszta Vízmű Víztermelő Telepe ALG239/ Vízbázis sérülékeny Termelt víztest Érintett víztest üzemelő csak VI nem p p üzemelő üzemelő üzemelő üzemelő üzemelő üzemelő VT és VI (azonosak) VT és VI (különbözőek) 100 m puffer 100 m puffer 100 m puffer nem nem nem p p p becsült igen p számított 100 m puffer igen nem p.2.6.1, p p ALG404/ Monostorpályi Vízmű üzemelő csak VI számított nem p AID558/ VT és VI Nádudvar Vízmű üzemelő becsült igen p (különbözőek) VT: védőterület, VI: védőidom, + : egyéb vízbázis p.2.6.2, sp p.2.6.2, p p.2.6.2, sp Az OGYFI 2010-es nyilvántartása szerint 3 ásványvíz- és 7 gyógyvíztermelő kút található a területen (5. táblázat) 58

61 5. táblázat: Nyilvántartott ásvány- és gyógyvízkutak (Kovács et al. 2013) Település Kút jele Kút helyi neve Furta *B 2 **Kutas IX. Brill Víz kereskedelmi neve Kaba K 47 **K 47 PÉTERKÚT Létavértes (Nagyléta) B 34 Létavértesi 1. Vértes-Aqua Berettyóújfalu *B 54 **Strand II. Földes *K 29 **I.sz. Füzesgyarmat B 34 **B 34 Hajdúszoboszló B 212 **III. kút Kaba *B 106 **Fürdő 3. kút Nádudvar B 430 **Termál-kút Püspökladány B 179 **II. kút A *-gal jelölt kutak a vizsgálati területen helyezkednek el. A **-gal jelölt kutak a VGT törzslistában is szerepelnek Sárrét gyöngye Felhasználás ásványvíz/ palackozási célú ásványvíz/ fürdő célú ásványvíz/ palackozási célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú gyógyvíz/ fürdési célú EOV Y (m) EOV X (m) A vizsgálati területen 41, annak 5 km-es körzetében 16 db 30 C-os vagy annál melegebb kifolyó vizet adó kút található. A termálvizet adó kutak a pt.2.3 és pt.2.4 porózus, termál víztestekre szűrőzöttek és a kvarter, valamint felső-pannóniai összleteket csapolják meg. A kutak talpmélysége több esetben is meghaladja a 2000 métert, szűrőzési mélységük azonban nem lépi túl az 1800 métert. A kutak egy része lezárt. A 45. ábra a vizsgálati területen és annak környezetében lévő, 30 C-nál magasabb hőmérsékletű vizet adó kutakat tünteti fel a vízadó felszín alatti víztestekkel. 59

62 45. ábra: A vizsgálati területet érintő termálvizet adó víztestek, termálkutak (Kovács et al. 2013) A területen, illetve a környezetében nyilvántartott vízkitermeléseket a víztest és a kitermelés célja szerinti lebontásban a 6. táblázat tartalmazza. Elsősorban a porózus és porózus termál víztestekből történik vízkivétel. Mennyiségi és minőségi állapotértékelés A Vízgyűjtő-gazdálkodási Terv elkészítése során a kijelölt felszíni és felszín alatti víztesteket standard mennyiségi és minőségi teszteknek vetették alá. E tesztek alapján történt meg a víztestek mennyiségi és minőségi állapotértékelése. A repesztéshez szükséges vízigény beszerzésének megtervezéséhez figyelembe kell venni a víztestek mennyiségi állapotának besorolását. A tervezésnél fontos szempont lehet, hogy a kellő vízmennyiség az évi eloszlásban nem mérvadó, de a hirtelen nagy mennyiségű vízkivétellel járó depresszió a környező kutakra hatással lehet. A mennyiségi állapotfelmérés alapján a területet érintő sekély felszín alatti víztestek közül 3 gyenge és 2 bizonytalan állapotú. A porózus víztestek közül 2 jó, 2 gyenge és 2 bizonytalan állapotú. 2 porózus termál víztest állapota jó, 1 állapota gyenge. 60

63 6. táblázat: A területen és az 5 km-es környezetében jelentett vízkivételek, 1000 m 3 /év egységben (VGT, 2007-es nyilvántartási adatok) (Kovács et al. 2013) Víztest kódja ivóvíz ipari energetika i öntözés Kitermelt víz 1000 m 3 /év egyéb mezőgazd asági fürdőví z egyéb termelés vissztáplálás többcélú termelés összevonv a sp sp sp sp sp Összesen p p p p p ,6 1,8 4,5 p ,9 1,9 pt , ,5 pt pt Határmenti víztestek A román magyar határmenti egyeztetések a területre eső víztestek közül a Körös-vidék, Sárrét; a Hortobágy, Nagykunság, Bihar északi rész; és a Nyírség déli rész, Hajdúság sekély porózus és porózus, valamint az Északkelet-Alföld és Délkelet-Alföld porózus termál víztesteket érintették. Az Északkelet-Alföld porózus, termál víztest az ukrán határmenti egyeztetések tárgyát is képezte. ICPDR (International Comission for the Protection of the Danube River) szinten kiemelt víztest nincs a területen. A területet érintő összes porózus és sekély, porózus víztest a Tisza-vízgyűjtő szinten kiemelt vízgyűjtők közé tartozik. A rétegrepesztés felszín alatti vizekre gyakorolt környezeti hatásainál (akár a repesztéshez szükséges vízkivétel következtében kialakuló depresszió, akár a potenciális szennyeződés terjedés térbeli alakulása) a fenti határon átnyúló hatásokat is figyelembe kell venni. Monitoring A felszín alatti vizeket érintő monitoring program keretein belül a sekély porózus vízadókról 35, a porózus vízadókról 52, a porózus, termál vízadókról 6 kút szolgáltat információt. A 46. ábra mutatja be a felszín alatti víztestek monitoring pontjait. 61

64 46. ábra: Védett területek és felszín alatti vizek monitoring programjának pontjai a területen (Kovács et al. 2013) Rétegrepesztés és értékelés A MOL a 2000-es évek elején Derecske-Berettyóújfalu-Földes térségében végzett fúrásos kutatást 3000 m-nél mélyebb szerkezetek kutatására földgáz feltárása érdekében (47. ábra) (Szentgyörgyi K.né et al. 2012). A fúrási program keretében 2005-ben mélyült a Beru-2 jelű kút, amely az aljzatból m 3 /nap gázbeáramlást, míg a miocén rétegekből m 3 /nap gázbeáramlást szolgáltatott. A Beru-1 jelű kút 2006-ban mélyült, tesztelésére ben került sor. A teszt eredmények magas nyomású (57,1 MPa) és magas hőmérsékletű (200 C) környezetet jeleztek, átlagosan 8%-os porozitással és 0,07-0,09-es átlagos permeabilitással, amelyben jó minőségű nedves gáz-rendszer található. A kezdeti (rétegserkentés nélküli) teszt eredmények a kis hozam mellett gyors nyomásesést mutattak, és az ún tömött homokköves gáztároló (tight gas) jelenlétére utaltak, amelyből a termelés nem volt gazdaságos ben a kutatási program két új kutatófúrás (Beru-3 és Beru-4) lemélyítésével folytatódott ben a Beru-4-es fúrásban hidraulikus repesztést hajtottak végre, majd ezt követően 2012-ben a kutat kiképezték, és megkezdődött a visszatermeltetés-rétegvizsgálat-termeltetés márciusában benyújtották a terület kutatási zárójelentését (Szentgyörgyi K.né et al. 2012) és megtörtént a bányatelek fektetés során folytatódott a Beru-4 termeltetése és a rétegvizsgálat megismétlése. A művelet során összesen 3 zónában történt repesztés: m, m, és m között. A kútban a Beru-1-ben korábban mért értékekhez hasonlóan itt is magas rétegnyomást (645bar 3700 m-ben) és hőmérsékletet (209 C 3700 m-ben) tapasztaltak. A repesztés során a 3 zónába összesen besajtolt folyadékmennyiség 1569 m 3, a teljes besajtolt proppant mennyiség 414 tonna volt. A 62

65 repesztett zónák kiterjedése zónánként m magassággal és 130 m-es félhosszal volt jellemezhető. A Beru-4-es fúrás lemélyítése és a repesztés össz-költsége 5,5 Mrd Ft volt (Kiss K. 2015). 47. ábra: A MOL Berettyóújfalu térségében végzett kutatási tevékenysége (forrás. Kiss K. 2015) Mikroszeizmikus monitoring eredményei Magyarország területén eddig egy helyen történt olyan nagynyomású rétegrepesztés a rendelkezésünkre bocsájtott MOL adatok alapján melynél sikeres mikroszeizmikus megfigyelés és kiértékelés történt, és amely alapján a gerjesztett repedések térbeli helyzetére, a felszabaduló energia nagyságára (így az esetlegesen indukált szeizmicitás kockázatára) is engedett következtetni (ld 2.5 és 3.2. fejezetek). A repesztés szeizmikus monitorozására telepített rendszer a felszínen elhelyezett hagyományos a 2D/3D szeizmikus mérésekhez használt mérőrendszer geofonokból (10 Hz-es saját frekvenciájú csoport geofonokból) és adatgyűjtő rendszerből állt (48. ábra). A mérés során, 14 vonalon 50 m közzel 79 geofon volt telepítve, ahol a vonalak távolsága 300 m volt, azaz összesen 1106 érzékelő került elhelyezésre. Bár elvileg a repesztő kúthoz közeli fúrólyukakban elhelyezett észlelési rendszer a legoptimálisabb, ennek ellenére a felszíni monitoring mérés során jelentős erőfeszítések után konzisztens mérési eredmények adódtak. Három különböző, egymástól független más-más feldolgozási eljárást alkalmazó kiértékelés is hasonló eredményre jutott, melynek legfontosabb megállapításait az alábbiakban foglaljuk össze. 63

66 48. ábra: A Beru-4 fúrás környezetében végzett szeizmikus monitoring mérés helyszínrajza (a geofon terítéseket a piros vonalak, a Beru-4 kutat az ábra közepén piros pötty jelöli) A szeizmikus anyag a 47-es út nagy forgalma (48. ábrán sárgával jelzett út) miatt nagyon zajos, és a tehergépjármű forgalom keltette jelek energiája jelentősen meghaladja a perforáció az acél béléscső kilyukasztása és a repesztés által generált jel energiáját. A nagy mélységből, a területet felépítő kőzetek (üledékes medencekitöltő összlet) jellegéből következően a detektálandó jelek energiája kicsi (átlagos csillapodása ), és a területen jellemző jelentős gépjárműforgalom miatt a háttérzajszint alatt van. Ez azt jeleni, hogy érzékeny műszerekkel - bár a technikai detektálhatóság határán (ezért szükségesek a nagy csatornaszám és a különböző sokcsatornás jelkiemelő javítóműveletek) - igen, de emberek által egyáltalán nem érezhetőek ezek a jelek (49. ábra). A 49. ábrán piros nyíllal jelölt hiperbolák az első beérkezések a perforálásról a fúráshoz legközelebb lévő három egymással párhuzamos geofon vonalon. Ez jól mutatja a keresendő jelek alacsony energiáját a terület átlagos zajszintjéhez képest, mivel ez a detektált legnagyobb energiájú szeizmikus esemény. Mivel csak a hullámtér vertikális elmozdulása került regisztrálásra a felszínen, a mérések során alkalmazott nagyszámú csatornán, szeizmológiai értelemben vett mélység meghatározás nem történt (amely a longitudinális és transzverzális beérkezések időkülönbségeiből számítható). Néhány 3 komponenses mérőállomás volt ugyan telepítve a kútműveletek alatt, de a kis energiájú események miatt ezek horizontális felvételei nem voltak értékelhetők. Az események meghatározása során az egyes mélységekben végzett műveletek átlagos mélységét a repesztés mélységével vették megegyezőnek. 64

67 49. ábra: Az első perforáció által gerjesztett jel képe jelkiemelő műveletek után (pirossal jelzett hiperbolák, Hz szűrés). A robbantás képe még a végrehajtott műveletek ellenére is alig látszik a több száz csatornán, a háttérzajból éppen kivehető. A legmélyebb helyen végzett repesztés megfigyelése során sikerült a legelfogadhatóbb eredményeket elérni, és az ekkor végzett perforálás adta a legnagyobb energiájú jelet, amit kb. 2 kg robbanóanyaggal végeztek 3700 m mélységben. Abban az esetben, ha a 2 kg robbanóanyagot a felszínről mélyített 2-3 m mély fúrólyukban robbantanánk fel, akkor az érvényes szabályok alapján a legkedvezőtlenebb esetben 140 m lenne a biztonsági távolság az érvényes hatósági módszertan szerint. A biztonsági távolságon belül épület, földalatti vezeték, oszlop stb. nem helyezkedhet el, azaz 140 m távolságon túl ez a töltetnagyság biztosan nem okoz semmiféle károsodást az épített és a természetes környezetben. Figyelembe véve hogy a repesztéshez szükséges robbantás ennél sokkal jelentősebb, 3700 m-es mélységben történt, a biztonsági távolság itt az iszapszóródást is figyelembe véve max m-nek vehető. A Beru-4-es fúrásban végzett rétegrepesztés által gerjesztett hullámok energiájának csillapodására konkrét számolásokat is végeztünk. Az 50. ábrán látható a mikroszeizmikus esemény meghatározások ponthalmaza a legmélyebben (3700 m) végzett rétegrepesztés során. Megfigyelhetjük, hogy a repesztés által generált szeizmikus események a fúrólyuk ~300 m-es környezetében adódtak. Az események két határozott irány (ÉÉK-DDNy és NyÉNy-KDK) mentén helyezkednek el, ami egyezést mutat a területen lévő Földes-K nevű 3D szeizmikus mérés adott mélységben meghatározott fontosabb tektonikai irányaival. Valószínűsíthető, hogy a vertikális mérete annak a zónának, ahol a rétegrepesztés hatására mikroszeizmikus események történtek, nem haladja meg a horizontálisan meghatározott 300 m-es tartományt. Ebből következik, hogy a rétegrepesztéssel közvetlenül érintett tartomány nem lehet nagyobb a mikroszeizmikus monitoring során kimutatott kb. 300 m-es zónánál, azaz ennél távolabbra található rétegekre nincs hatással a fúrólyukban végzett művelet. Vertikálisan a repesztett zónák magassága m volt (Kiss K. 2015) 65

68 50. ábra: A Beru-4 fúrás környezetében végzett szeizmikus monitoring eredményei A gerjesztett repedések térbeli helyzete és a lehetséges szennyeződés terjedési útvonalak, kapcsolatok A Beru-4-es kút repesztése során kialakult repedések térbeli helyzetének és az esetleges tektonikai-vízföldtani kapcsolódások szemléltetésére részletes földtani modellt készítettünk a Jewel szoftver segítségével a Földes-K 3D szeizmikus tömb kiértékelésével. A módszereket a 4.2. fejezet foglalja össze, ezért itt csak az eredmények bemutatására és értékelésére szorítkozunk. A Földes-K 3D tömb területén a tömböt magába foglaló derecsekei koncessziós területhez hasonlóan 5 fő horizontot azonosítottunk és ábrázoltunk: a prekainozoós medencealjzatot (51. ábra), az aljzatra települő alsó- és középső miocén képződmények tetőszintjét (52. ábra), az Újfalui Formáció talpát (mint termálvíztest talp ) (53. ábra), a 30 C-os izoterma mélységét (mint termálvíztest tető ) (54. ábra), a negyedidőszaki képződmények talpát (55. ábra), valamint a felszínt (56. ábra). Valamennyi ábrán jelöltük a Beru-4 fúrást, valamint méretarány-helyesen a repeszett zónák térbeli kiterjedését (200 x 300 m-es horizontális és 50 m etázsmagasságú zónák 3500, 3600 és 3700 m-ben). 66