Oczyszczanie i ponowne wykorzystanie ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego i wydobycia ropy naftowej

• 1. Czym jest szczelinowanie hydrauliczne
• 2. Zagrożenia dla środowiska związane z wydobyciem przy użyciu technologii szczelinowania hydraulicznego
• 3. Skład ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego
• 4. Oczyszczanie ścieków powstających w wyniku szczelinowania hydraulicznego
• 5. Oczyszczanie ścieków pochodzących z szczelinowania hydraulicznego metodą DAF
• 6. Ponowne wykorzystanie ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego
• 7. Podsumowanie

1. Czym jest szczelinowanie hydrauliczne?

Fracking, zwany również „szczelinowaniem hydraulicznym”, to metoda stosowana do wydobywania węglowodorów występujących w skałach osadowych.

Skały zatrzymują metan w swoich porach ze względu na niską przepuszczalność, co umożliwia tworzenie się złóż gazu i węglowodorów. Aby je wydobyć, wierci się setki odwiertów, które mogą zajmować bardzo rozległe obszary.

Podczasszczelinowania hydraulicznego do formacji łupkowych wtłacza się mieszankę wody, środków chemicznych i piasku w celu uwolnienia uwięzionych w skale ropy naftowej i gazu. Powracając na powierzchnię, mieszanka ta wyciąga nie tylko węglowodory, ale także wodę pierwotnie obecną w formacji oraz znaczną część środków chemicznych użytych w tym procesie.

Ścieki powstające w tym procesie są zazwyczaj gromadzone w zbiornikach lub dołach, a następnie poddawane oczyszczaniu i usuwane lub ponownie wykorzystywane do kolejnych operacjiszczelinowania hydraulicznego.

2. Zagrożenia dla środowiska związane z wydobyciem przy użyciu technologii szczelinowania hydraulicznego

Wydobycie metodą szczelinowania hydraulicznego wiąże się z wieloma zagrożeniami dla środowiska:

• Ryzyko związane z wierceniem. Podczas wiercenia prowadzonego w celu budowy odwiertów istnieje ryzyko wybuchów, wycieków gazu i siarkowodoru, a nawet pęknięcia rur przewodowych. W takim przypadku substancje zanieczyszczające przedostające się do gleby byłyby bardzo toksyczne. Wśród tych substancji można znaleźć metale ciężkie, a nawetpierwiastkipromieniotwórcze.
• Zanieczyszczenie warstw wodonośnych. Podczas wiercenia zużywa się około 200 000 m³ wody, a następnie wtłacza się środki chemiczne, które mogą stanowić nawet 2% wtłoczonej wody (4 000 ton). Te znaczne ilości zanieczyszczeń należy oczyścić przed ponownym wprowadzeniem wody do środowiska naturalnego.
• Zanieczyszczenie powietrza. Niektóre substancje chemiczne dodawane do wody są lotne i przedostają się do atmosfery. Podczas wydobycia węglowodorów istnieje ryzyko emisji metanu i gazów azotowych do atmosfery.
• Ryzyko wystąpienia trzęsień ziemi. Niektóre badania wykazały, że szczelinowanie hydrauliczne zwiększa ryzyko wystąpienia trzęsień ziemi, zwłaszcza jeśli jest przeprowadzane w pobliżu uskoków geologicznych.                                          
• Wpływ na środowisko i krajobraz. Powierzchnia niezbędna do wykonania odwiertu jest bardzo duża (ok. 3^km²) i odwierty działają średnio przez okres od 5 do 7 lat.

3. Skład ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego

W raporcie Agencji Ochrony Środowiska(EPA) z 2016 roku zidentyfikowano ponad 1600 substancji chemicznych obecnych w ściekach pochodzących z odwiertów szczelinowych, z których około 200 uznaje się za rakotwórcze lub toksyczne dla zdrowia ludzkiego. W tym samym raporcie ostrzegano, że płyn stosowany do szczelinowania hydraulicznego może powodować wycieki z podziemnych zbiorników, w których przechowuje się miliony litrów tych ścieków.

Skład ścieków powstających podczas wydobycia gazu i ropy metodą szczelinowania hydraulicznego może się różnić w zależności od warunków geologicznych danego obszaru, substancji chemicznych stosowanych w procesie oraz jakości używanej wody. Najczęściej występujące zanieczyszczenia to:

• Wysoka zawartość soli i minerałów, takich jak wapń, magnez i sód. W związku z tym uzyskana woda może charakteryzować się wysokim poziomem całkowitej zawartości substancji rozpuszczonych (TDS).
• Węglowodory, takie jak benzen, toluen, etylobenzen i ksylen (BTEX), które są toksyczne i rakotwórcze i mogą przedostawać się do wód gruntowych lub powierzchniowych, zanieczyszczając źródła wody pitnej.
• Podwyższone stężenia metali ciężkich, takich jak arsen, kadm, chrom, ołów i rtęć. Metale te są toksyczne i mogą mieć poważne konsekwencje dla zdrowia ludzkiego, takie jak uszkodzenia układu nerwowego i nerek oraz nowotwory.
• Mogą zawierać naturalne materiały radioaktywne, takie jak rad, uran i tor, które uwalniają się ze skał łupkowych podczas procesuszczelinowania hydraulicznego.

Jak wspomnieliśmy wcześniej, podczasszczelinowania hydraulicznegostosuje się różne substancje chemiczne, takie jak środki powierzchniowo czynne, środki biobójcze, inhibitory korozji i środki zmniejszające tarcie, które mogą również pozostawać w ściekach. Niektóre z tych substancji chemicznych są toksyczne i mogą mieć szkodliwy wpływ na zdrowie w przypadku spożycia lub wdychania.

Każdy etap procesu szczelinowania hydraulicznego przyczynia się do powstawania końcowych ścieków poprzez wprowadzanie różnych zanieczyszczeń.

Rodzaje odczynników	Zastosowanie	Przykłady zadań
Środki powierzchniowo czynne / środki nawilżające	Wraz ze spadkiem napięcia powierzchniowego cieczy wzrasta jej lepkość	izopropanol
sól	Wytwarza płyn nośny solanki	Chlorek potasu
Gelato (środek żelujący)	Poprawa transportu środków nośnych	Guma guar, hydroksymetyloceluloza
Środek zapobiegający osadzaniu się kamienia	Zapobieganie osadzaniu się trudno rozpuszczalnych osadów, środek przeciw zamarzaniu	Glikol etylenowy
Regulatory pH	Nie wpływa na skuteczność pozostałych składników	Węglan sodu lub potasu
Chain Braker (Breaker)	Zmniejszenie lepkości płynów zawierających żel w celu naniesienia środka podtrzymującego	Persiarczan amonu
Środek sieciujący	Utrzymuje lepkość płynu przy wzroście temperatury	Sole borowe
Kontrola poziomu jonów żelaza	Zapobieganie wytrącaniu się tlenku żelaza	Kwas cytrynowy
Środek antykorozyjny	Zapobiega korozji rur	N,N-dimetyloformamida
Środek biobójczy/bakteriobójczy	Zapobieganie rozwojowi bakterii, zapobieganie tworzeniu się warstwy dwuwarstwowej, zapobieganie powstawaniu siarkowodoru przez bakterie redukujące siarczany	Glutaraldehyd
Kwasy	Oczyszczanie elementów wiertniczych i cementu; usuwanie minerałów rozpuszczalnych w kwasie	Kwas solny
Środek zmniejszający tarcie (dodatki)	Zmniejszenie tarcia w płynach pozwala na pompowanie płynu szczelinującego z większą prędkością i przy niższym ciśnieniu	Poliakrylamid, olej mineralny
Przeciwutleniacz	Usuwa tlen, aby zapobiec korozji	Wodorosiarczan amonu
Środki wspomagające	Utrzymuje otwarte złamania, aby umożliwić wydostawanie się gazu	Krzemionka, piasek kwarcowy

Ponadto stosuje się stabilizatory wysokotemperaturowe, aby zapobiec przedwczesnemu rozkładowi żelu; pianki ułatwiające transport środków nośnych; oraz rozpuszczalniki poprawiające rozpuszczalność dodatków i ograniczające korozję systemu. Wykorzystuje się również stabilizatory glinowe, aby zminimalizować jej pęcznienie i przemieszczanie się.

4. Oczyszczanie ścieków powstających w wyniku szczelinowania hydraulicznego

Ścieki pochodzące z szczelinowania hydraulicznego są trudne w zagospodarowaniu. Ich oczyszczanie obejmuje wiele etapów, na których stosuje się różne technologie w celu usunięcia zanieczyszczeń i dostosowania wody do norm dopuszczalnych dla zrzutu.

Metodą, która wykazała się dużą skutecznością w oczyszczaniu ścieków pochodzących z szczelinowania hydraulicznego, jest połączenie elektrokoagulacji, utleniania chemicznego i utleniania promieniami UV. Proces ten pozwala rozłożyć związki na cząsteczki, które można następnie usunąć w procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Oto poszczególne etapy typowych procesów oczyszczania tych zrzutów:

1. Neutralizacja chemiczna i koagulacja.
2. Separator oleju swobodnego / Osadnik
3. Elektrokoagulacja
4. Wtórna koagulacja/flokulacja
5. Flotacja powietrzem rozpuszczonym
6. Oczyszczanie biologiczne oraz klarowanie/flotacja
7. Zaawansowane utlenianie promieniowaniem UV
8. Różnorodne procesy filtracji
9. Ultrafiltracja

Połączenie technologii oraz projekt oczyszczalni różnią się w zależności od takich czynników, jak skład ścieków oraz wymogi prawne obowiązujące w danym regionie.

Poniżej przedstawiono standardowy proces oczyszczania ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego:

• Przesiewanie ścieków w celu usunięcia odpadów i dużych cząstek stałych, które mogłyby uszkodzić urządzenia pomocnicze. Na tym etapie można również przeprowadzić obróbkę chemiczną w celu dostosowania wartości pH lub usunięcia określonych zanieczyszczeń.
• W tej fazie wstępnego oczyszczania lub jako oczyszczanie pierwotne można również zastosować flotację powietrzem rozpuszczonym. Zadaniem systemów DAF jest usuwanie zawiesin, olejów i tłuszczów.
• Istnieją inne metody fizycznego oddzielania substancji stałych od cieczy, do których zaliczają się między innymi dekantacja, wirowanie czy filtracja.
• Wybór najbardziej odpowiedniej metody zaawansowanego oczyszczania zależy od celów określonych przez klienta oraz od przepisów obowiązujących na terenie, na którym prowadzone jest wydobycie ropy naftowej i/lub gazu. Jeśli istnieje potrzeba ponownego wykorzystania wody lub odzyskania surowców i produktów ubocznych obecnych w ściekach, należy zastosować technologie takie jak odparowanie próżniowe, krystalizacja, odwrócona osmoza, filtracja membranowa, adsorpcja na węglu aktywnym lub wymiana jonowa.
• Dodatkowe procesy, takie jak dezynfekcja, stosuje się w celu wyeliminowania mikroorganizmów, które mogą pozostać w wodzie przed jej odprowadzeniem lub ponownym wykorzystaniem. Proces ten wymaga użycia środków chemicznych lub innych metod, takich jak promieniowanie UV lub ozon.

5. Oczyszczanie ścieków pochodzących z szczelinowania hydraulicznego metodą flotacji powietrznej (DAF)

Systemy DAF służą do oddzielania zawiesin ciał stałych, olejów, smarów i środków smarnych, a także niektórych zawieszonych metali i węglowodorów.

Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF) to proces polegający na wprowadzaniu mikropęcherzyków powietrza do ścieków, które przylegają do zawieszonych cząstek stałych i powodują ich wypłynięcie na powierzchnię w celu usunięcia.

Technologia DAF łączy się z proces fizykochemiczny polegający na dodaniu koagulantu i flokulantu do ścieków w celu utworzenia większych cząstek, które można łatwiej oddzielić od wody.

Jednak flotacja powietrzem rozpuszczonym (DAF) nie wystarcza do usunięcia wszystkich zanieczyszczeń występujących w ściekach pochodzących zszczelinowania hydraulicznego, dlatego konieczne jest zastosowanie innych technologii, aby osiągnąć wartości graniczne wymagane przez prawo.

Wybór procesów oczyszczania końcowego będzie zależał od konkretnych zanieczyszczeń obecnych w ściekach oraz od wymogów prawnych dotyczących odprowadzania lub ponownego wykorzystania oczyszczonej wody.

Najczęściej stosowane rozwiązania to oczyszczanie biologiczne, a następnie technologie filtracji, takie jak odwrócona osmoza, lub inne zaawansowane technologie, w tym procesy zagęszczania i odparowywania.

6. Ponowne wykorzystanie ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego

Ponowne wykorzystanie ścieków powstających w wynikuszczelinowania hydraulicznegoprzynosi istotne korzyści, takie jak:

• Ograniczenie zużycia wody.
• Obniżenie kosztów związanych z przekazywaniem ścieków do podmiotu zajmującego się gospodarką odpadami.
• Mniejszy wpływ operacjiszczelinowania hydraulicznego na środowisko.

Ważne jest, aby zapewnić, że uzdatniona woda spełnia wymogi prawne dotyczące ponownego wykorzystania i nie stanowi żadnego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego ani dla środowiska.

Schemat blokowy oczyszczania ścieków pochodzących z szczelinowania hydraulicznego:

Ścieki powstające w wynikuszczelinowania hydraulicznegomożna ponownie wykorzystać w różnych dziedzinach:

• Ponowne wykorzystanie uzdatnionej wody jako płynu bazowego w kolejnej operacjiszczelinowania hydraulicznego. Woda poddana recyklingowi jest zazwyczaj oczyszczana za pomocą takich procesów, jak sedymentacja, filtracja i dezynfekcja, w celu usunięcia pozostałych zanieczyszczeń.
• Nawadnianie upraw i roślinności poprzez bezpośrednie dostarczanie wody do gleby lub wykorzystanie jej do nawadniania zraszającego. Należy jednak zadbać o to, by spełnione były normy jakości wody do nawadniania i by nie zawierała ona zanieczyszczeń, które mogłyby zaszkodzić uprawom lub glebie.
• Oczyszczoną wodę można również wykorzystywać do celów przemysłowych, np. jako wodę chłodzącą w elektrowniach lub jako źródło wody technologicznej w procesach produkcyjnych.
• W niektórych przypadkach ścieki powstałe w wynikuszczelinowania hydraulicznegomożna ponownie wykorzystać do zasilania podziemnych warstw wodonośnych. W tym celu oczyszczoną wodę wtłacza się do podłoża w celu uzupełnienia wyczerpanych zasobów wodnych. Jednak takie wykorzystanie wymaga dokładnej kontroli, aby zagwarantować, że oczyszczona woda nie zawiera zanieczyszczeń, które mogłyby uszkodzić warstwę wodonośną lub pobliskie źródła wód podziemnych.

7. Podsumowanie

Ciągła zależność od paliw kopalnych w celu zaspokojenia światowego zapotrzebowania na energię wiąże się z eksploatacją złóż naturalnych, z których wydobycie tych węglowodorów jest możliwe wyłącznie za pomocą takich metod jak szczelinowanie hydrauliczne.

Fracking to proces mający znaczący wpływ na środowisko, zarówno pod względem zużycia wody, jak i stosowania złożonych i agresywnych środków chemicznych, które są wtłaczane do skał.

SIGMADAF dostarcza technologie do oczyszczania i odzyskiwania ścieków powstających podczas szczelinowania hydraulicznego, mając na celu ograniczenie szkód, jakie te systemy wydobywcze wyrządzają w środowisku naturalnym.

Bibliografia i źródła

• 2021RodriguezJemnifer.pdf (usta.edu.co) Na podstawie: Arnedo, A. i Yunes, K., (2015, s. 8).
• „Fracking” w ciemności: biologiczne skutki wydobycia gazu łupkowego wciąż w dużej mierze nieznane (Frontiers in Ecology and the Environment) | Najnowsze wyniki badań Uniwersytetu Princeton