A rétegrepesztés környezeti hatásain nak vizsgálata Összeállította: Nádor Annamária projektvezető Közreműködtek: Bereczki László, Csabafi Róbert, Cserkész-NaC agy Ágnes, Fancsik Tamás, Kerékgyártó Tamás, Kovács Attila Csaba, Kun Éva, Markos Gábor, Nádor Annamária, Szőcs Teodóra, Zilahi-Sebess László Budapest, 2015. június 1.
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés 1 2. A hidraulikus rétegrepesztés 3 2.1. A rétegrepesztés művelete 4 2.2. A repesztőfolyadék összetétele és mennyisége 7 2.3. A kitámasztó anyagok (proppant) 12 2.4. A hazai repesztési gyakorlatban felhasznált repesztőfolyadékok és kitámasztó anyagok 15 2.5. A kőzetmechanika, feszültségtér szerepe a repedések kialakulásában 16 2.6. A repesztési művelet monitorozása 19 2.7. A geotermikus rétegrepesztés 20 3. A rétegrepesztés környezeti hatásai 23 3.1. A rétegrepesztés lehetséges hatása a felszíni és felszín alatti vizekre 26 3.1.1. Vízbeszerzés 26 3.1.2. Szennyeződés források és ezek lehetséges terjedése 27 3.1.3. A visszatermelt repesztőfolyadék tárolásából adódó potenciális környezeti kockázatok a felszínen 30 3.1.4. A vízföldtani monitoring szerepe 30 3.1.5. Egyéb hidrogeológiai szempontok 31 3.2. Földrengés kockázat (indukált szeizmicitás) 31 3.2.1. Indukált szeizmicitás általános ismertetés 33 3.2.2. Szeizmikus aktivitás nem-konvencionális szénhidrogén-bányászat esetén 35 3.2.3. Szeizmikus aktivitás geotermikus rendszerek esetén 37 3.2.4. A szeizmikus monitoring szerepe 39 4. Hazai pilot területek részletes vizsgálata 41 4.1. Területválasztás 41 4.2. Módszertan 42 4.3. Derecskei-árok 44 4.3.1. Földtani felépítés 44 4.3.2. Vízföldtani viszonyok 51 4.3.3. Rétegrepesztés és értékelés 62 4.3.3.1. Mikroszeizmikus monitoring eredményei 63 4.3.3.2. A gerjesztett repedések térbeli helyzete és a lehetséges szennyeződés terjedési útvonalak, kapcsolatok 66 4.4. Battonyai hát 73 4.4.1. Földtani felépítés 73 4.4.2. Vízföldtani viszonyok 81 4.4.3. Rétegrepesztés szempontjából történő értékelés 91 5. Összefoglalás 93 6. Hivatkozott irodalom 99 Mellékletek 1
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 1993. évi XLVIII törvény (Bt). 2015. 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 1500-2500 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 3500-4000 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 10 000 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
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 (1. melléklet) 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: http://iah.org/wpcontent/uploads/2013/11/results-from-iah-survey-concerning-hydraulic-fracturing.pdf) 2
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. A hagyományos és nem-hagyományos szénhidrogénekről szóló rövid általános ismertetést és a hazai nem-konvencionális vagyont a 2. melléklet foglalja össze. 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 1949- 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 3
volt, hogy a felszínre hozott ásványi nyersanyag az adott földterület tulajdonosát illeti meg, így a földtulajdonosok érdekeltek voltak a kitermelés bővítésében, illetve a cégek 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. 2.1. A rétegrepesztés művelete A rétegrepesztés során a kút perforáción keresztül a repesztendő rétegbe megfelelő minőségű és mennyiségű repesztő folyadékot szivattyúznak nagy hozammal (5000-8000 l/perc) és nagy nyomáson (700-1000 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
2. ábra: A létrhozott repedés geometriai jellemzése (forrás: "Introduction to hydraulic fracturing - training course" MOL) 3. ábra: A repesztések és a feszültségtér kapcsolata (forrás: Introductionn to hydraulic fracturing - training course" MOL) A fő-repesztés művelete során a már megrepesztett rétegben a repedéseket, ismét nagy túlnyomást alkalmazva, megnyitják majdd 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 művelett 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
repesztőfolyadékott vissza kell termeltetni, úgy hogy a kialakított repedésben a kitámasztó anyag stabil és nagy áteresztőképességű vázat alakítsonn ki. A repesztés technikai t eredményessége nagyban függg 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 folyadékáramf mlás 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 meglévőő rétegvizektől ellentétes irányba, a kút felé történik. 4. ábra: Az áramlás modellje a repesztés r előtt (radiálisan a kút irányába) és után (lineárisan a repedés r irányába) (forrás: Introduction too 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 1000-3000 m 3 folyadék 75-90%-át visszanyerik és megtisztítva újra felhasználják, így a felhasznált folyadékmennyiséget hibás szemlélet multiplikálni. Ezen kívül látható, hogyy a rétegekbe került repesztőfolyadék mennyisége kézben tartható anyagmérleg szintjénn is, hígulása, áramlása jól modellezhető. Egy nyomáscsökkent, fluidum kihozatalra a kondicionált alacsony nyomású közegben a bennmaradó 100 500 m 3 folyadék elmigrálása a kitermelés fizikai sajátosságai miatt elhanyagolható. (Felszín közelben, talajj 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 megoldása és kockázatot a kút nem megfelelő kiképzése jelentheti. Ennek E műszaki kockázata a konvencionális szénhidrogén-termelésével egyezik meg éss 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 l 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 beépítettt tömítő eszközök és szerelvények valamint a cementpalást a felszín alatti átfejtődést és a kitörés megelőzését is szolgálja. A rétegrepesztési művelet tehát meglevőő lefúrt és kiképzett kútban történik többszörösen biztosított, és cementpalásttal védett acél csősor perforálásával jut a repesztőfolyadék a földtani közegbe. A fúrások 6
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. 2.2. A repesztőfolyadék összetétele és mennyisége A rétegrepesztéssel kapcsolatban a legnagyobb környezetvédelmi aggályt a repesztőfolyadék összetétele jelenti. A repesztőfolyadék ~ ~94,5% vízből, ~5% kitámasztó anyagból éss ~0.5%- ban más adalék anyagokból áll. Ezzel kapcsolatban parttalan vita alakult ki: a rétegrepesztést ellenzők szerint az adalékok között találhatóak rákkeltő, allergén, mérgező ő vegyületek, míg az olajcégek rendszerint erre olyan táblázattal felelnek (5. ábra), amelyben feltüntetik, hogy ezek az anyagok milyen mindennap használatos termékekben n fordulnakk elő. A kérdéskör egyetlen módon rendezhető megnyugtatóan: ha törvényi kötelezettség van a repesztőfolyadék pontos összetételének megadására, vagyy amennyiben ez a repesztést végző szervízcég üzleti titka, akkor megfelelő szintűű környezetvédelmi/egészségügyii hatóság által kiadott igazolás bemutatása szükséges a repesztőfolyadék besorolásáról [pl. a vegyi anyagok regisztrálásáról, értékeléséről, engedélyezéséről és korlátozásáról szóló rendelet (REACH Irányelv), Európaii 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
5. ábra: A repesztőfolyadákok főbb összetevői (forrás: API) A repesztőfolyadékok összetételét az alábbiakban Jobbik (2014) tanulmánya alapján ismertetjük. A folyadék feladatai amelyek meghatározzák azz 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 viszkózusnakk kell lennie, valamintt időben változó hőmérséklet és nyomásnak megfelelően szabályozott gélerősséggeg el 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 y az utólagos felszíni technológiákon történő kezelése egyszerű legyen. Az elmúlt több mint 70 év során s a repesztőfolyadékok nagyy fejlődésenn 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
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, 3000-4000 liter folyadékban. 9
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 leginkábbb használt inert gáz erre a célra a nitrogén és a szén-dioxid vagy a bináriss habok esetében ezek kombinációk ója. A szén-dioxidohogy elkerüljék a folyékony állapotban is lehet adagolni,, míg a nitrogént csak gázként, fagyást. Az inert gázok hozzáadása csökkenti a szükséges folyadék mennyiségét így az ilyen típusú folyadékokban a proppant koncentráci iója magasabb lehet, így akár 75 százalékkal is 10
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
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. 2.3. 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 13503-2, 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
8. ábra: Az Ottawa" és a Brady" típusú homok h Kerámia és bauxit kitámasztóanyagok (ceramic and bauxiteproppants) Az egyre mélyebben fekvő tárolók repesztésének igénye szükségesséé tette a nagyobb szilárdsággal rendelkező kitámasztóanyagok kifejlesztését ( 9 ábra). Elsőként az Exxon Production Research mutatta be a sajátt kerámia kitámasztóa anyagát, mely több mint 80% bauxitott tartalmazott, és 1979-re már kereskedelmi forgalomba is hozták. A 3000 méternél mélyebbb repesztésekhez a kerámia proppantok a legalkalmasabbak. Az úgynevezett zsugorított bauxit proppant korundot is tartalmaz, amelyy 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 szilárdságúú kitámasztóanyag (intermediate-strength proppants, vagy ISP). Ezeknek valamivel kisebb a nyomástűrése, mint a zsugorított bauxitnak, ezért alkalmazásu uk 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 m a bauxit kitámasztóké, alkalmazásuk 400 és 700 bar között jellemző. 13
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 éss a kút produktivitása leromlik, l valamint a mélybeli és felszínii eszközök károsodhatnak. Ennek kiküszöbölésére fejlesztették ki a gyanta bevonatot, mellyel m minden egyes szemcsét s 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 a 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 mekkoraa zárási nyomásnak kell ellenállniuk. Azonban minél erősebbb egy proppant, annál nagyobb a fajsúlya. Ez pedig azzal a jelenségge jár együtt, hogy annál nagyobb része ülepedik le a repedés aljára. A hagyományos anyagok közüll a homok a legkönnyebb súlyúú a maga 2,65-ös fajsúlyával. Azonban vannak olyan esetek, amikor nincs szükség a homok zárási nyomástűrésére. Ezekre a lehetőségekre fejlesztették ki azz ultrakönnyű (ultra-lightweight, azaz ULW) kitámasztóanyagokat. Már első generációjuk is, amit 2004-ben mutattak be, 1,25-ös fajsúllyal f 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
11. ábra: Ultrakönnyű kitámasztóanyagok 2.4. A hazai repesztési gyakorlatbann 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 300-500 m 3 repesztőő folyadékot használnának fel, míg a teljes mezőfejlesztésre becsült vízhasználat: 60 000 m 3 /év. A becsült kitámasztó anyag mennyisége 30-100 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, és agyag stabilizáló adalékok (Falcon-TXM 2014). A kémiai térhálósító, baktérium semlegesítő, felületaktív korrózió gátló, súrlódáscsökkentő 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
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 20-60 US mesh (0,25-0,8 mm) szemcseméretű égetett aluminiumoxidot (korund) használt kitámasztó anyagként, lépcsőnként 30-100 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). 2.5. 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
12. ábra: Háromtengelyű feszültségg 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 legtöbbszörl r ez jelenti a maximális feszültséget, így a repedések terjedése leginkábbb függőleges. A több ezer méter mélységből a felszín közeléig terjedő repedések kialakulásának több elvi korlátja van. Az egyik az, a 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, ámm a gyakorlatban lehetetlen egy adott mértéktől nagyobb nyomástér fenntartása (Fisher& Warpinski 2012). A Pannon medence feszültségterét többb tanulmány is igen részletesen r elemzi (pl. Bada et al. 2004). Ezek szerint az Afrika-Eurázsia kollíziós öv (mobil Európa) szerves részétt képező Pannon térségben a feszültségtér laterálisan és vertikálisan is heterogén képet mutat. A területen jelenleg is jelentős tektonikuss feszültségek halmozódnak fel, melyek részben a litoszféra nagyléptékű meghajlása (vertikális mozgások), részben pedig vetődések létrejötte és ismételtt felújulása útján (földrengések) szabadulnak fel. A földrengések fészekmechanizmus megoldásai a medencerendszer inverziójára és térrövidülésre utalnak. Ennek oka az Alpi- északiass mozgásában és óramutató járásával ellentétes irányú forgásában keresendő (13. Pannon térség legmarkánsabb jelenkori kollíziós folyamatában, az Adriai-mikrolemez 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 ) Alpokbann tapasztalt északiass 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 északnyugatiass 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 H), amelyet egy-egy területen végzett részletesebb vizsgálattal (pl. fúrólyukfall kirepedésvizsgálatok) lehet 17
pontosítani. Az eddigi hazai rétegrepesztések eredményei is azt a igazolják, hogy a kialakult repedések valóban a területre jellemző főő feszültség irányoknakk megfelelően alakultak ki (ld. még 4. fejezet). 13. ábra A Pannon medencee geodinamikai keretei (Bada et al. 1999) 14. ábra: Feszültségtér Európában és a Pannon medence térségében (Badaa et al. 2004) Statisztikailag is értelmezhetőő vizsgálatokat az USA-ban végeztek a rétegrepesztések térbeli hatásának kiterjedésével kapcsolatban, melyek azt mutatják, hogy függőlegesen a repedések 18
nem terjednek túl 1 km-nél. Davies et al. 2012-es tanulmánya már európai éss afrikai eseményeket is feldolgoz és a természetes repedésrendszerekett 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 2-400 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 att al. 2012) Hidraulikus rétegrepesztés eredmények ket Magyarország területéről eddig mindössze két szénhidrogén-kutató fúrás (Csólyospáloss CsóK-1,4) esetébenn 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). 1 A rétegrepesztésess 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, eltérőő feszültségviszonyokk 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 vertikáliss terjedésének. Ha a repedés nagyobb permeabilitású zónába lép a repesztő folyadék elszivárgása miatt lecsökken a nyomás, így a repedések nem terjednek tovább. 2.6. A repesztési művelet monitorozásaa A rétegrepesztés során a költségigény nyes műveletek folyamatos szigorú felügyelet és folyamatirányítás mellett zajlanak. A kút közelében az irányításhoz szükséges paraméterek mérése és archiválása folyamatosan történik, ami szükség esetén e közvetlen beavatkozási lehetőséget biztosít. A néhány óráig tartóó 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 t koncentrációt. 19
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 2500-3000 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. 2013-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
repesztőfolyadékott a felszínree visszatermelik (hiszen ellenkezőő esetben a gázmolekulák nem tudnának a kialakult repedésekbe migrálni), addig az EGS E rendszerek esetében a repesztőfolyadék a mélyben marad és a kialakuló természetes vízáramlási v 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 hatásáraa elmozdulás történik a meglévőő repedéseken, és ezekk a repedések nem záródnak vissza köszönhetőenn 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 utánn gyorsan visszazáródnának. A proppantok szállításához viszont a repesztőfolyadékot megfelelő minőségűvé kell tenni, amely kémiai adalékok (zselésítő, súrlódáscsökkentőő anyagok) felhasználást teszi szükségessé (ld. még 2.2. fejezet). Az EGS rendszerek esetében is kever(het)nek a repesztőő 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 minéll inkább hasonlítson a mélyben feltételezett fosszilis rétegvíz összetételéhez. Fenti különbségekk érzékeltetésére a hazai geotermikus szektor újabban a rétegrepesztés helyett a rétegcsúsztatás fogalmát használja, amely egy olyan műszaki i beavatkozás, mely során nem alkalmaznak kitámasztó anyagot és a kőzetvázban márr meglévő törések vízáteresztő képességét növelik olyan módon, hogy a rezervoárra gyakorolt fluidum nyomás nem éri el azt a rétegnyomáss értéket, melynek meghaladásakor új törések jönnének létre a kőzetvázban. Ezen összehasonlítás célja nem az, hogy a palagáz és az EGS E rétegrepesztést bármilyen módon egymáshoz viszonyítva minősítse, pusztán a meglevő technikaii 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