Circulatia apei subterane. Implicatii asupra fracturarii hidraulice

0
48
Figura 1. Sistemul telescopic de burlane cimentate intre ele, unele cimentate pana la suprafata, folosit in forajul unei sonde.(Sursa:http://www.rangeresources.com/rangeresources/files/6f/6ff33c64-5acf-4270-95c7-9e991b963771.pdf )
Figura 1. Sistemul telescopic de burlane cimentate intre ele, unele cimentate pana la suprafata, folosit in forajul unei sonde.(Sursa:http://www.rangeresources.com/rangeresources/files/6f/6ff33c64-5acf-4270-95c7-9e991b963771.pdf )

Una dintre realizarile importante ale tezei mele de doctorat de la University of Oklahoma („Heat Flow in Oklahoma”, 1997) a fost stabilirea unei regim convectiv de transport al caldurii crustale prin intermediul deplasarii apei subterane in Oklahoma. Practic, am explicat o semnificativa anomalie pozitiva de flux geotermic in partea de nord est a statului[1] prin aportul de caldura transportata de apa subterana care circula prin rocile din subsolului statului Oklahoma. Un aspect esential, care trebuie retinut pentru discutia ulterioara, este demonstratia ca viteza de circulatie orizontala a apei subterane care transporta caldura in subsolul Oklahomei atinge o valoare medie de 1 cm/an, adica 1 m/100 ani.

Un alt element care mi-a atras atentia dupa terminarea tezei de doctorat a fost faptul ca in partea vestica a Oklahomei si cea estica a Texasului – acolo unde se gaseste Bazinul Anadarko (cel mai adanc de pe continentul nord american, unde s-a forat si cea mai adanca sonda americana, Bertha Rogers 1-27, de 9,583 metri), apa subterana nu a circulat tot timpul nestingherita. In multe locuri, zone aparent etanse au silit apa sa atinga presiuni mai mari decit cele normale (hidrostatice). In aceasta situatie vorbim despre existenta unorzone cu suprapresiuni[2]. Intrebarea fireasca este: de ce apa subterana nu circula liber prin porii rocilor? Ce o impiedica? Fara a intra in detalii, am descoperit, impreuna cu colegii D. Deming si Y. Lee de la University of Oklahoma, ca, in Bazinul Anadarko exista cel putin trei compartimentalizari ale rocilor separate prin bariere capilare produse de gazul natural[3]. Aceste bariere capilare au fost atat de eficiente incat circulatia apei subterane (pe verticala si orizontala) a fost practic anulata pentru sute de milioane de ani. Publicarea descoperirii noastre a dat nastere imediat la cercetari asemanatoare in alte bazine sedimentare cu productii de gaz si a confirmat modelul nostru de self sealing (auto-etansare) a porilor rocilor prin molecule de gaz.

Am facut aceasta introducere pentru a arata ca sunt familiar cu argila Woodford (care produce cea mai mare parte a auto-etansarii, fiind totodata cea mai importanta argila gazoasa din Oklahoma) pe care am studiat-o detaliat in laborator sub multiple aspecte petrofizice. De asemenea, am folosit prezenta gazului in aceasta argila pentru a fundamenta modelul de self-sealing. Acest tip de etansare naturala joaca un rol decisiv in sechestrarea petrolului si gazului in rezervoarele geologice.

Am mai facut aceasta introducere pentru a arata ca circulatia apei subterane, incarcate cu caldura, saruri, gaze sau aditivi chimici, trebuie cercetata in mod expert, bazat pe masuratori petrofizice de laborator, carotaje seismice, prospectiuni geofizice (d.ex., seismice, gravimetrice), masuratori geochimice (d. ex., TDS – Total Dissolved Solids), date geotermice (gradient termic si caldura radioactiva) si multe altele.

O conditie sine qua non pentru a conceptualiza si a estima circulatia apei subterane cu diverse incarcaturi este cunoasterea experta a legilor care guverneaza aceasta circulatie (Darcy, Bernoulli, Young-Laplace, Reynolds, Navier-Stokes, Fick s.a.), a legilor care controleaza pomparea (Theis, Theim, Jacob, Dupuit s.a.), precum si a fortelor (masica, inertiala, de tensiune) implicate in legile amintite. Studii scurte facute la fara frecventa la „celebrele” universitati Google, Wikipedia sau YouTube produc doar veleitari semi- si sferto-docti.

Consideratiile de mai sus asupra circulatiei apei subterane au legatura cu chestiunea utilizarii aditivilor chimici in fracturarea hidraulica a argilelor gazoase. Poate ca cea mai comuna intrebare atunci cand vine vorba despre acesti aditivi (despre functia lor in procesul de fracturare, numele lor, cantitatile folosite sau potentialul unora dintre ei de fi daunatori sanatatii si mediului nu discut aici si acum) este urmatoarea: vor contamina acei aditivi chimici apa de baut?

Raspunsul meu are trei parti.

  1. Aditivii chimici se introduc impreuna cu propantul (nisip) si lichidul de fracturare (apa, gel, spuma, gaze comprimate ori o solutie formata din lichide alimentare) la adancimi cuprinse intre 2,000 si 3,000 metri. Sursele de apa potabila (acviferul freatic) se afla in general la adancimi mai mici de 150 m. Exista, prin urmare, o separatie verticala intre rocile fracturate si acviferul potabil de cel putin 1,850 m. O molecula poluanta nu poate avansa in sus 1,850 m pentru mai multe motive: trebuie invinsa forta gravitatiei printr-o o forta mai mare decat ea, trebuie sa existe suficiente spatii poroase si permeabile libere prin care poluantul sa migreze vertical in sus, trebuie sa nu existe bariere de roci etanse care sa opreasca circulatia verticala a poluantului. Daca in subsolul statului Oklahoma circulatia orizontala a apei subterane se face (asa cum am demonstrat in teza mea de doctorat) cu o viteza medie de 1 m/100 ani, admitand, fara nici o dovada, ca circulatia verticala, contra gravitatiei, ar avea aceeasi viteza, rezulta ca timpul necesar unei molecule de poluant chimic sa strabata 1,850m (fara sa existe nici o bariera etansa!) ar fi de 1,850 m x 100 ani/m = 185,000 ani. Fara comentarii.
  1. Cand fluidul de fracturare se intoarce la suprafata insotit de apa sarata produsa de stratul geologic exploatat (ca flowback sau apa de retur), el contine o parte din aditivii chimici injectati initial. Accesul lor la suprafata se face prin interiorul coloanei de extractie. Sistemul prin care se sapa si exploateaza un foraj implica un dispozitiv telescopic (similar cu o antena retractabila de radio) in care se folosesc 5-7 tuburi (burlane) de otel concentrice (Figura 1). Primul tub are un diametru de circa 60 cm, iar ultimul de circa 14 cm. Tuburile se cimenteaza intre ele si intre formatiunile geologice strabatute. Primele trei tuburi se cimenteaza de la 300 m in sus pana la suprafata in scopul expres al protejarii surselor de apa potabila. Masa totala a tuburilor de foraj depaseste 1,300 tone de otel.

 

 

Daca cimentarea tuburilor de foraj este deficienta (cimentul nu s-a ridicat pana la inaltimea proiectata, sau nu are aderenta perfecta la roca, sau este de proasta calitate), atunci este posibil ca fluidul care se intoarce la suprafata incarcat cu o parte din aditivii chimici sa contamineze acviferul potabil. Masurile standard de prevenire ale acestui tip de contaminare prevad evaluare calitatii cimentarii inaintea oricarei operatii de fracturare. Printre metodele impuse de toate statele americane unde se practica fracturarea hidraulica se numara Cement Bond Log (carotajul de aderenta a cimentului), Variable Density Log (carotajul variabil de densitate), carotajul geotermic si carotajul de presiune. Cercetari recente in Norvegia si Texas au demonstrat posibilitatea folosirii unor cimenturi cu polimeri care se auto-repara (self-healing) in caz de aderare defectuoasa la roca inconjuratoare.

  1. Odata ajunsa la suprafata, apa de retur poate fi imediat filtrata la fata locului si amestecata cu apa curata in vederea refolosirii in urmatoarea operatiune de fracturare. Daca nu exista foraje noi prevazute pentru fracturare, atunci apa de retur poate fi stocata temporar sau transportata la o statie de tratare a apelor uzate unde va avea loc purificarea si reconditionarea ei pentru a fi reutilizata ulterior. Cand apa de retur contine foarte multa sare provenita din apa de zacamant se foloseste injectarea in foraje de mare adancime.

Exista legislatii de medii (de exemplu, in Pennsylvania) care stipuleaza ca statiile de tratare a apelor uzate trebuie sa functioneze pe principiul „zero liquid discharge” (ZLD) (deversare zero a lichidelor). Alte state au implementat propriile lor reguli de protejare a solului impotriva scurgerilor accidentale de apa de retur din cisternele de transport.

Stocarea se face de regula in cisterne etanse de otel si gropi special sapate si captusite cu mai multe straturi de materiale impermeabile. Din datele cunoscute pana in prezent, gropile de stocare prezinta cele mai multe riscuri de contaminare a apei potabile datorita functionarii necorespunzatoare a materialelor de impermeabilizare. O inventie recenta, care are mari sanse sa devina standard industrial, prevede ca apa de retur sa fie pastrata intr-o retea inchisa (closed loop) de conducte si cisterne etanse. Aceasta metoda elimina folosirea gropilor de stocare si, implicit, riscurile de contaminare legate de ele.  Tratarea apei reziduale se face in statii specializate care apartin comunitatilor locale sau unor companii comerciale. Exista proceduri de a dispune de o parte din apa uzata prin injectari in foraje de mare adancime concepute sa primeasca tot felul de ape reziduale industriale (de exemplu, de la spalatorii chimice, complexe zootehnice si avicole, rafinarii de petrol, mine de carbuni si minereuri etc.). Se cunosc cazuri de deversare la suprafata a fluidelor din gropile de stocare. Aceste cazuri au fost solutionate rapid si fara consecinte majore pentru mediul local (apa potabila, sol, aer).

Serviciul Geologic al Statelor Unite (USGS) a efectuat o analiza aprofundata a riscurilor asociate cu contaminarea surselor subterane a apei de baut (underground sources of drinking water-USDW)[4] datorita circulatiei fluidelor prin coloana de foraj. Geologii americani au ajuns la concluzia ca, in cazul instalarii si cimentarii corecte a coloanei de foraj, riscurile de contaminare a apei de baut sunt cuprinse intre 2×10-5 (un foraj din 200,000) si 2×10-8 (un foraj din 200,000,000).

Nu as vrea sa se inteleaga din consideratiile mele de mai sus ca fracturarea hidraulica este 100% sigura si trebuie adoptata imediat in Romania. Ca oricare alta tehnologie, fracturarea hidraulica nu poate fi niciodata lipsita de erori umane sau de consecinte neintentionate, dar daunatoare. Pe de alta parte, nici nu vreau sa sucombam in fata unor scary tactics (tactici de intimidare si infricosare) folosite de unii oameni cu sau fara intentii declarate. Respectarea riguroasa a standardelor existente de protectia mediului, insotita de monitorizarea constanta a modului de implementare a lor, ca si sanctionarea proportionala cu pagubele produse de eventuale incalcari ale legii asigura increderea populatiei in siguranta operatiunilor de fracturare hidraulica.

________________________________

[1] Pentru cei interesati, este harta de la pagina 47 din cartea mea „Heat Flow in Oklahoma and the south central Unites States”, LAMBERT Academic Publishing, Sarbrucken, Germany, 2012. Vezi, de asemenea, Cranganu, C., Lee, Y., and Deming, D., 1998, Heat Flow in Oklahoma and south central United States, Journal of Geophysical Research, vol. 103, p. 27,107 – 27,121.

 

[2] Fenomenul este bine cunoscut de inginerii petrolisti, pentru ca strapungerea unei astfel de zone prin foraj produce eruptii spectaculoase. Am analizat si situatii de la Marea Neagra: Saramet, M., Gh. Gavrilescu, and C. Cranganu, 2005, The Role of Oligocene Formations in Hydrocarbon Generation and Accumulation in the Histria Petroleum System of the Romanian Shelf of the Black Sea, Northeastern Geology & Environmental Sciences ,v. 27, no. 4, p. 295 – 301.

[3] Deming, D., Cranganu, C., and Lee, Y., 2002, Self-Sealing in the Sedimentary Basins, Journal of Geophysical Research, 107(B12), 2329, doi: 10.1029/2001JB000504

[4] U.S. Department of Energy-Office of Fossil Energy-National Energy Technology Laboratory „Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer”, Aprilie 2009, 98 p.

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here