Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí

Transkript

1 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí RNDr. Vlastimila Dvořáková se spolupracovníky RNDr. Juraj Franců, CSc., RNDr. Jan Čurda, Ing. Petr Bohdálek, RNDr. Petr Budil, Ph.D., RNDr. Jiří Burda, Karel Dušek, Ing. Josef Godány, RNDr. Oldřich Krejčí, Ph.D., Mgr. Richard Lojka, RNDr. Štěpán Manda, Ph.D., doc. RNDr. Pavel Müller, CSc., RNDr. Jaroslav Novák, RNDr. Petr Rambousek, Ing. Karel Rýda, RNDr. Zbyněk Šimůnek, CSc., Mgr. Zdeněk Venera, Ph.D. Předkládá ředitel České geologické služby Zdeněk Venera Česká geologická služba/ Czech Geological Survey Klárov 131/ 3, Praha 1 IČO , DIČ CZ duben 2012

2

3 Obsah Úvod (Z. Venera) 5 Shrnutí (V. Dvořáková J. Čurda) 7 Geologické průzkumné práce (V. Dvořáková J. Franců) 11 Metody geologického průzkumu pro vyhledávání ložisek břidlicového plynu a plynu těženého zplyňováním uhlí (V. Dvořáková J. Franců) 13 Štěpicí chemikálie (J. Franců) 18 Legislativa ve vztahu k nekonvenčním zdrojům zemního plynu (J. Novák J. Godány J. Čurda P. Bohdálek V. Dvořáková) 23 Geologická charakteristika průzkumného území Berounka (P. Budil Š. Manda D. Mašek J. Burda) 27 Geologická charakteristika průzkumného území Trutnovsko (Z. Šimůnek J. Burda J. Godány Z. Petáková D. Mašek P. Rambousek K. Rýda K. Dušek) 34 Geologická stavba platformy brunovistulika a jejího pokryvu v oblasti průzkumného území Meziříčí a v území s předpoklady pro podzemní zplyňování uhlí na severní Moravě (O. Krejčí P. Müller J. Čurda) 43 Plynové akumulace geneticky spojené s uhlonosným karbonem na severní Moravě (O. Krejčí P. Müller J. Godány J. Čurda) 50 Geologická charakteristika limnických pánví permokarbonu středočeské a západočeské oblasti potenciálně vhodných pro podzemní zplyňování uhlí (UCG) (R. Lojka J. Burda J. Čurda J. Godány Z. Petáková D. Mašek P. Rambousek K. Rýda K. Dušek) 55 Společná legenda ke geologickým mapkám jednotlivých průzkumných území 64 3

4

5 Úvod Tento podkladový materiál pro ministra životního prostředí Tomáše Chalupu byl připraven na základě zadání ústně formulovaného dne 26. března 2012 vedoucím poradců ministra ŽP Jiřím Linkem a poradcem ministra ŽP Vilémem Žákem. Materiál shrnuje stávající poznatky o problematice nekonvečního plynu z břidlic (tzv. břidlicového plynu) a podzemního zplyňovaní uhelných slojí z hlediska legislativy, metod geologického průzkumu, některých aspektů štěpicích technologií a základních geologických charakteristik zájmových území. Pracovní podoba tohoto materiálu vznikla během dvou týdnů, podíleli se na něm příslušní specialisté České geologické služby a ve stručném rozsahu shrnuje existující stav znalostí dané problematiky obecně a regionálně geologického a hydrogeologického poznání oblastí, v nichž je žádáno o stanovení průzkumného území na břidlicový plyn a podzemní zplyňovaní uhelných slojí. Předkládaný text nemůže nahradit závažnou absenci výzkumu, který tento nový nerostný zdroj, respektive nové způsoby využívání uhelných slojí v České republice nyní akutně vyžadují. V Praze dne 10. dubna 2012 Zdeněk Venera ředitel ČGS 5

6

7 Shrnutí Geologické průzkumné práce Geologické práce prováděné v rámci podnikatelské činnosti a práce spojené se zásahem do pozemku jsou oprávněny projektovat, provádět a vyhodnocovat pouze ty fyzické a právnické osoby, u nichž tyto práce řídí a za jejichž výkon odpovídá fyzická osoba s osvědčením odborné způsobilosti geologické práce projektovat, provádět a vyhodnocovat. Rozlišujeme technické práce práce spojené se zásahem do pozemku (zejména kopané zářezy, kopané sondy a rýhy, strojní vrty, šachtice, štoly, úpadnice, jámy nebo jiná důlní díla a střelné práce používané při provádění geologických prací, včetně seizmického průzkumu dynamitovou technologií), pokud jsou prováděny pomocí strojních mechanismů a zařízení. Za technické geologické práce se nepovažuje povrchový odběr vzorků hornin, půd a odběr sedimentů povrchových toků, pokud je prováděn ručním nářadím, a z povrchu prováděná měření a pozorování přístroji nebo jejich příslušenstvím, včetně geofyzikálního průzkumu (např. geoelektrického, geomagnetického, radiometrického, měření radonu aj.), tj. práce bez zásahu do pozemku. Hloubení průzkumných vrtů a jejich následné využívání v České republice nepředstavuje, za předpokladu dodržení stávajících legislativních předpisů, ohrožení životního prostředí. Prakticky všechny nebezpečné vlivy a události, které mohou zatížit horninové prostředí, lze očekávat v důsledku havárií, netěsností technologického systému, výbuchu, požáru, živelní pohromy apod. Je zřejmé, že případná postižení prostředí a sanace následků se budou odehrávat na zemském povrchu. Popis preventivních opatření, jako jsou pravidelné prohlídky technologických zařízení, skladování látek nutných k těžebnímu provozu a k sanaci možných havárií, monitorování kvality povrchových a podzemních vod, dodržování požárních a bezpečnostních předpisů souvisí s provozním řádem pracoviště. Bude nutné dbát, aby jednotlivé průzkumné vrty s perspektivou možné budoucí těžby nekolidovaly s územími chráněnými zvláštními právními předpisy (ochrana přírody, vodních zdrojů atp.). Tyto kolize musí být řešeny pro každý jednotlivý případ zvlášť. Legislativa řídící průzkumné práce Vyhledávání a průzkum ložisek vyhrazených nerostů může podle zákona ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů, provádět fyzická nebo právnická osoba ( organizace ) za předpokladu, že tyto práce řídí a za jejich výkon odpovídá osoba s osvědčením odborné způsobilosti. Organizace, která chce realizovat vyhledávání a průzkum ložisek těchto nerostů včetně ověřování jejich zásob, musí podle 4 citovaného zákona požádat Ministerstvo životního prostředí o stanovení průzkumného území. Řízení, které podléhá správnímu řádu, je zakončeno rozhodnutím o stanovení nebo nestanovení průzkumného území, které v kladném případě obsahuje vymezení průzkumného území, nerost, na jehož vyhledávání a průzkum se průzkumné území stanovuje, podmínky provádění prací a dobu platnosti průzkumného území. Na řízení o stanovení průzkumného území pro vyhledávání a průzkum ložisek ropy nebo hořlavého zemního plynu se dále vztahují zvláštní ustanovení, obsažená v 4d, 4e, 4f citovaného zákona. Stanovení průzkumného území nemá povahu územního rozhodnutí, zakládá však výhradní právo podnikatele na vyhledávání daného nerostu v daném průzkumném území. V rámci provádění prací pro vyhledávání a průzkum ložisek vyhrazených nerostů musí podle 22 zákona ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů, příslušná organizace 7

8 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí respektovat zájmy chráněné podle zvláštních právních předpisů. K nim patří především zákony (vše ve znění pozdějších předpisů) č. 114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny, č. 334/1992 Sb., o ochraně zemědělského půdního fondu, č. 254/2001 Sb., o vodách a změně některých zákonů (vodní zákon), č. 164/2001 Sb., o přírodních léčivých zdrojích, zdrojích přírodních minerálních vod, přírodních léčebných lázních a lázeňských místech (lázeňský zákon), č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon), č. 20/1987 Sb., o státní památkové péči apod. Poruší-li organizace opakovaně nebo se závažnými důsledky povinnosti stanovené zákonem ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů, může Ministerstvo životního prostředí stanovené průzkumné území zrušit. V případě veřejného zájmu na ochraně vod je nezbytné bedlivě zvážit a posoudit rizika provádění vrtných prací spojených s technologickými testy (hydraulické štěpení, podzemní zplyňování) v podzemí, doložit příslušný projekt geologických prací s detaily použitých technologií (mj. vystrojení vrtu, zapažení, štěpicí kapalinu včetně jejího složení), v případě rizika ohrožení vodních zdrojů tyto testy či činnosti vyloučit. Vliv na životní prostředí Vzhledem k tomu, že v rámci geologických prací při průzkumu ložisek tzv. nekonvenčního zemního plynu z břidlic může docházet podobně jako při průzkumu ložisek ropy a zemního plynu k nebezpečným jevům, jako je např. erupce kapalných médií, neplánované úniky plynů s nebezpečím výbuchu, kontaminace zvodněných horizontů apod., je při stanovení průzkumného území na tzv. nekonvenční zemní plyn z břidlic nutno klást důraz na speciální opatření, která musí žadatel o udělení průzkumného území na tzv. nekonvenční zemní plyn z břidlic, podobně jako u průzkumného území na ropu a zemní plyn, splnit, aby průzkumné území bylo stanoveno [ 4a, odst. 4, písm. d) zákona ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů, tj. prokázání technické a finanční způsobilosti žadatele]. Teprve ve stanoveném průzkumném území může zadavatel zpracovat projekt průzkumných prací, které v něm hodlá provádět. V odůvodněných případech může příslušný krajský úřad uložit v souladu s 6, odst. 3 zákona ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů, zadavateli expertní posouzení projektu geologických prací Českou geologickou službou. Pro každý projekt je nutné vypracovat plán prací pro kontrolu dodržování ekologických limitů a geochemických měření (monitoring) před, v průběhu a po ukončení štěpení s ohledem na lokalitu a použitou technologii (chemikálie, tlakový režim a vystrojení vrtů). V současné době probíhá intenzivní výzkum a vývoj nových chemických aditiv pro štěpicí kapaliny. Očekává se, že seznamy těchto látek se budou měnit, řada látek se přestane používat a naopak nové přibudou. Tomu bude nutné přizpůsobit i příslušnou legislativu a proces kontroly vlastního hydraulického štěpení i zachování bezpečnosti a zdraví obyvatelstva. Změna legislativy Za účelem legislativní kodifikace geologických prací směřujících k osvojení ložiska tzv. nekonvenčního zemního plynu z břidlic bude nutná novelizace vyhlášky č. 369/2004 Sb., o projektování, provádění a vyhodnocování geologických prací, oznamování rizikových geofaktorů a o postupu při výpočtu zásob výhradních ložisek, ve znění pozdějších předpisů, v pasážích věnovaných členění průzkumných geologických prací ( 3 citované vyhlášky) a především projektování geologických prací ( 4 citované vyhlášky včetně samostatné přílohy s rámcovou osnovou projektu geologických prací pro průzkum ložisek tzv. nekonvenčního zemního plynu z břidlic). Takto zpracovaný projekt geologických prací by měl vždy explicitně podléhat schválení ministerstva ( 6 citované vyhlášky), přičemž stanoviska nebo vyjádření dalších orgánů k projektu geologických prací ( 6 zákona ČNR č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů) nebo ustanovení zvláštních právních předpisů nebudou tímto dotčena. Geologická charakteristika průzkumného území Berounka Průzkumné území Berounka je z větší části lokalizováno do vysoce rizikového území Chráněné krajinné oblasti Český kras s mimořádně pestrým horninovým prostředím, výrazným a doposud ne zcela jasným tektonickým porušením a intenzivním zvrásněním, které je extrémně zranitelné antropogenními zásahy. 8

9 Shrnutí Přírodní charakter území (paleontologie, stratigrafie, flóra, fauna) je v celosvětovém měřítku unikátem a jeho narušením by vznikly nevyčíslitelné ztráty nejen pro Českou republiku. Organickou hmotou bohaté břidlice mají zvýšené obsahy uranu a těžkých kovů. Území má členitou morfologii, je intenzivně zkrasovělé, s předpokládaným oběhem podzemní vody zasahujícím do hloubek minimálně 500 m pod terénem, s řadou tektonických poruch zasahujících podstatně hlouběji. Chování takto extrémně variabilního a komplikovaného horninového prostředí při negativním antropogenním zatížení nelze spolehlivě predikovat. Geologická charakteristika průzkumného území Trutnovsko Sedimenty obsahující uhelné sloje se v podkrkonošské pánvi vyskytují zejména v její západní části. Směrem k východu uhelné sloje vykliňují a mění se na jílovce. Do průzkumného území tak prakticky nezasahují. Přibližně 80 % podkrkonošské pánve v průzkumném území je tvořeno trutnovsko-náchodskou depresí vyplněnou permskými sedimenty o mocnostech až 800 m. Tyto horniny neobsahují žádné uhelné sloje. Ve vnitrosudetské pánvi je několik uhelných horizontů, které byly od 19. století intenzivně těženy, rovněž bylo v této oblasti odvrtáno větší množství průzkumných vrtů. Vnitrosudetská pánev tvoří jako celek samostatnou hydrogeolo gickou strukturu, která je značně nejednotná a složi tá co do propustnosti hornin i do oběhu a režimu podzemních vod; dochází ke střídání kolektorů a izolátorů a při velké litologické pestrosti se vytváří řada izolo vaných zvodní. Polická křídová pánev tvoří samostatnou naloženou hydrogeologickou strukturu v nadloží vnitrosudetské pánve ve střední části průzkumného území. Představuje nejdůležitější hydrogeologickou a vodohospodářskou strukturu v širokém okolí. Celkový odběr podzemní vody polické pánve činí kolem 300 l/s, přírodní zdroje jsou vyčísleny na hodnoty kolem l/s. Na základě složení hornin lze vymezit několik nad sebou regionálně rozšířených tzv. vodonosných vrstev. Toto prostředí předurčuje velmi komplikované trojrozměrné proudění podzemní vody, jak horizontální, často na velké vzdálenosti, tak vertikální přetékání mezi vodonosnými vrstvami. Charakteristické jsou velmi vysoké vydatnosti jímacích vrtů, umožňující realizovat velké soustředěné odběry kvalitních podzemních vod regionálního významu, jež jsou zdrojem pitné vody mj. i pro Hradec Králové. Geologická charakteristika průzkumného území Meziříčí V oblasti Valašskomeziříčska představuje možnou matečnou horninu pro břidličný plyn především menilitové souvrství o mocnosti do 150 m. V převážném počtu profilů zcela dominují vápnité jílovce, které dnes netvoří souvislé polohy se stabilní mocností, ale jsou dezintegrovány do tektonických šupin a čoček. Plynonosný potenciál menilitového souvrství dnes nelze bez průzkumných prací spolehlivě vyhodnotit. Podle dosavadních mapovacích a vrtných prací však netvoří utěsněná horninová tělesa a mohou tak vznikat problémy s úniky ložiskových a těžených médií. Konkrétní rizika průzkumných a těžebních prací však lze posoudit až po přesném vytýčení průzkumných vrtů. Průzkumné práce na nekonvenční zemní plyn z břidlic by měly probíhat prioritně v území, kde je dostatečné překrytí krycími horizonty flyšového pásma Karpat. Prakticky všechny procesy spojené s těžbou plynu, tj. vlastní bilance ložiskových médií, daná jeho odtěžováním po hydraulickém štěpení, tak bude vázána na utěsněné objekty ložiskových těles, tvořených kolektory svrchního karbonu, jeho zvětralého pokryvu a pokryvu flyšového pásma Karpat. Jako celek lze komplex příkrovů flyšového pásma z hydrogeologického hlediska považovat za regionální izolátor bez významnějších zásob podzemní vody, oddělující svou méně mocnou okrajovou částí v některých územích se vyskytující podložní kolektory autochtonních sedimentů, pokrývajících jv. svah Českého masivu, jež se významně uplatňují rovněž při migraci a akumulaci uhlovodíků. Na povrch vystupující kra Maleníku s výskytem extrémně zranitelných devonských vápenců líšeňského a macošského souvrství představuje krasovo-puklinový kolektor s vysokou makronehomogenitou a anizotropií hydraulických parametrů, toto území se vyznačuje zcela specifickými krasovými jevy (Zbrašovské aragonitové jeskyně a nejhlubší propast v ČR Hranická propast) a především výskytem termální kyselky, jejíž výstup k povrchu je dokladem otevřenosti tektonicky predisponovaných hluboce založených oběhových cest podzemní vody. 9

10

11 Geologické průzkumné práce Geologické práce pro vyhledávání a průzkum ložisek ropy a hořlavého zemního plynu vázaného na břidlicová souvrství a ložisek uhlí pro podzemní zplyňování je možné provádět pouze na průzkumném území, které je stanoveno právnické nebo fyzické osobě, jež má oprávnění k hornické činnosti podle 5 zákona č. 61/1988 Sb., o hornické činnosti, výbušninách a o státní báňské správě, ve znění pozdějších předpisů. Geologické práce definuje zákon č. 62/1988 Sb., o geologických pracích, ve znění pozdějších předpisů (dále jen geologický zákon), v případě pochybností, zda některá činnost je geologickou prací, rozhoduje Ministerstvo životního prostředí. Mezi geologické práce patří jakékoliv zpracovávání a vyhodnocování dříve získaných informací o ložisku, stejně jako projektování nových prací. Tedy i k tomu, aby žadatel mohl provádět tyto práce bez zásahu do terénu, ale s dopadem na charakter nerostného bohatství (vlastnictví státu), musí mít nejdříve stanoveno průzkumné území. Geologické práce prováděné v rámci podnikatelské činnosti a práce spojené se zásahem do pozemku jsou oprávněny projektovat, provádět a vyhodnocovat pouze ty fyzické a právnické osoby, u nichž tyto práce řídí a za jejichž výkon odpovídá fyzická osoba s osvědčením odborné způsobilosti geologické práce projektovat, provádět a vyhodnocovat. Podle vyhlášky č. 369/2004 Sb., o projektování, provádění a vyhodnocování geologických prací, oznamování rizikových geofaktorů a o postupu při výpočtu zásob výhradních ložisek, ve znění pozdějších předpisů, rozlišujeme: Technické práce práce spojené se zásahem do pozemku (zejména kopané zářezy, kopané sondy a rýhy, strojní vrty, šachtice, štoly, úpadnice, jámy nebo jiná důlní díla a střelné práce používané při provádění geologických prací, včetně seizmického průzkumu dynamitovou technologií), pokud jsou prováděny pomocí strojních mechanismů a zařízení. Za technické geologické práce se nepovažuje povrchový odběr vzorků hornin, půd a odběr sedimentů povrchových toků, pokud je prováděn ručním nářadím, a z povrchu prováděná měření a pozorování přístroji nebo jejich příslušenstvím, včetně geofyzikálního průzkumu (např. geoelektrického, geomagnetického, radiometrického, měření radonu aj.), tj. práce bez zásahu do pozemku. Rozhodnutí o stanovení průzkumného území není povolením vlastního provádění geologických prací ani schválením metodiky jejich realizace. Toto rozhodnutí není územním rozhodnutím a nenahrazuje rozhodnutí orgánů státní správy, popř. samosprávy, příslušných k ochraně objektů a zájmů chráněných zvláštními právními předpisy. V podmínkách provádění geologických prací bude vždy explicitně uvedeno, že zadavatel je v souvislosti s přípravou a prováděním terénních prací (včetně lokalizace vrtů a geologických prací narušujících horninové prostředí) vždy povinen také respektovat omezení vyplývající z předpisů o ochraně vod. V případě veřejného zájmu na ochraně vod je nezbytné bedlivě zvážit a případně posoudit rizika provádění vrtných prací spojených s technologickými testy (hydraulické štěpení, podzemní zplyňování) v podzemí, doložit příslušný projekt geologických prací s detaily použitých technologií (mj. vystrojení vrtu, zapažení, kapaliny používané při hydraulickém štěpení), v případě rizika ohrožení vodních zdrojů tyto testy či činnosti vyloučit. 11

12 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí Vzhledem k tomu, že v rámci geologických prací při průzkumu ložisek hořlavého zemního plynu vázaného na břidlicová souvrství a ložisek uhlí pro podzemní zplyňování může docházet, podobně jako při průzkumu ložisek ropy a zemního plynu, k nebezpečným jevům, jako je např. erupce kapalných médií, neplánované úniky plynů s nebezpečím výbuchu, kontaminace zvodněných horizontů apod., je při stanovení průzkumného území na tzv. nekonvenční zemní plyn z břidlic nutno klást důraz na speciální opatření, která musí žadatel o udělení průzkumného území na tzv. nekonvenční zemní plyn z břidlic, podobně jako u průzkumného území na ropu a zemní plyn, splnit, aby průzkumné území bylo stanoveno [ 4a, odst. 4, písm. d) geologického zákona, tj. prokázání technické a finanční způsobilosti žadatele]. Stanovování průzkumných území pro vyhledávání či průzkum ložisek zemního plynu a ropy vázaných na břidlicová souvrství (popř. ložisek uhlí pro podzemní zplyňování) je charakteristické tím, že se jedná o činnost na pomezí geologického výzkumu a průzkumu. Způsob provádění geologických prací obsahuje několik postupných, návazných a podmiňujících se kroků. A to od literární rešerše přes seizmické měření až po konečné fáze průzkumu, kterými je realizace svislého průzkumného vrtu do hloubky až 2 3 km s odběrem jádra, provedením karotážního měření, akustické sondáže, odpovídajícího vystrojení vrtu, tlakového a dynamického testu a aplikace technologických zkoušek (např. hydraulického štěpení na minimálním potřebném počtu úseků a testu štěpicí kapaliny vhodných fyzikálně-chemických parametrů). Při posuzování žádosti o stanovení průzkumného území však není znám počet ani lokalizace vrtů (závisí na výsledcích předcházejících kroků průzkumu) a v této žádosti není uveden ani detailnější popis charakteru prováděných prací nutných při realizaci vrtu a technologických zkoušek, což jsou zcela zásadní skutečnosti pro posouzení možného negativního ovlivnění předmětu ochrany nebo zájmů ochrany přírody a krajiny. Teprve ve stanoveném průzkumném území může zadavatel zpracovat projekt průzkumných prací, které v něm hodlá provádět. V odůvodněných případech může být zadavateli uloženo opatření expertního posouzení Českou geologickou službou, biologického hodnocení nebo jiného odborného posouzení či podkladu. Geologické práce v průzkumném území musí být vždy prováděny v souladu s vyhláškou č. 368/2004 Sb., o geologické dokumentaci, a vyhláškou č. 369/2004 Sb., o projektování, provádění a vyhodnocování geologických prací, oznamování rizikových geofaktorů a o postupu při výpočtu zásob výhradních ložisek, ve znění pozdějších předpisů, jakož i dalšími souvisejícími právními předpisy. Základní rozdíly mezi vyhledáváním a průzkumem ložisek ropy a zemního plynu a ložisek hořlavého zemního plynu vázaného na břidlicová souvrství a ložisek uhlí pro podzemní zplyňování se promítnou právě až do následného procesu geologických prací v již stanoveném průzkumném území, který specifika průzkumu ložisek hořlavého zemního plynu vázaného na břidlicová souvrství a ložisek uhlí pro podzemní zplyňování musí zohlednit (např. objem vtláčených roztoků a jejich chemické složení, způsob stimulace vrtů, indukovaná seizmicita, zdroj vody a způsob její dopravy atp.). Je nezbytné v rámci podmínek rozhodnutí vždy explicitně požadovat předložení projektu geologických prací k posouzení, a to s rozdělením prací (a projektu) do dvou etap. V první budou provedeny rešeršní práce, přehodnocení stávajících geologických podkladů, případně doplňující geofyzikální práce či práce bez významnějšího zásahu do horninového prostředí (geologické mapování, odběry geologických vzorků atd.). Teprve po vyhodnocení první etapy průzkumných prací a po rozhodnutí o pokračování prací, tzn. o následném provedení vrtných prací, bude vypracován podrobný projekt druhé etapy prací, která bude obsahovat projekt vrtných prací a následně bude třeba si rovněž vyžádat od dotčeného orgánu ochrany přírody a krajiny závazné stanovisko dle 45i zákona č. 114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny, ve znění pozdějších předpisů. 12

13 Metody geologického průzkumu pro vyhledávání ložisek břidlicového plynu a plynu těženého zplyňováním uhlí Ložiska plynu je možné klasifikovat několika způsoby. Jedním z nich, který charakterizuje místo vzniku plynu a způsob jeho těžby, je rozdělení na ložiska konvenční (tradiční) a nekonvenční (netradiční) na základě následující charakteristiky: Konvenční ložiska plynu Vrty v konvenčních (tradičních) ložiscích zemního plynu těží plyn z pískovcových vrstev anebo z karbonátů (vápence, dolomity), které obsahují plyn v komunikujících pórových prostorech, umožňujících tok plynu do vrtu pod tlakem. Plyn v pórech může migrovat v propustných vrstvách a tím pak v celém ložisku. V těchto ložiscích má plyn většinou zdrojovou horninu v organicky bohatých jílovcích, ležících v blízkosti porézních a propustných pískovců nebo karbonátů. Konvenční ložiska zemního plynu: geneticky spojena s ložisky ropy např. vídeňská pánev, karpatská předhlubeň, jv. svahy Českého masivu (těžena např. MND, a.s., UNIGEO, a.s.) spojena s ložisky uhlí (některé části hornoslezské pánve těžena např. Green Gas DPB, a.s.) Nekonvenční ložiska plynu K nekonvenčním typům ložisek zemního plynu patří ložiska v nízkopropustných píscích (Tight Gas, Tight Sandstones), jílovcový (břidličný) plyn tedy plyn vázaný na jílovce (břidlice Shale Gas), hydrát metanu v sedimentech mořského dna nebo trvale zmrzlé polární půdy (Gas Hydrate), slojový metan těžený při důlní degazaci (CBM Coal Bed Methane). Obecně řečeno: neexistují žádná typická nekonvenční ložiska zemního plynu ta mohou být mělká a hluboká, vysokotlaká i nízkotlaká, vysokoteplotní a nízkoteplotní, homogenní i tektonicky porušená, s jednou horninovou vrstvou i multikolektorová. Optimální průzkum, ověřovací vrtání, otvírka i těžba ložiska zcela závisí na konkrétních fyzikálních parametrech a také na ekonomických aspektech průzkumu a těžby těchto ložisek. Vrty v nekonvenčních (netradičních) ložiscích těží plyn z málo propustných vrstev (s nízkou permeabilitou) nízkopropustných písků (tight sands) nebo karbonátů, uhlí a jílovců (břidlic). Vzhledem k nízké propustnosti těchto hornin je typické používání hydraulického štěpení za účelem zvýšení primární propustnosti vrstev a možnosti těžby plynu z těchto vrstev, resp. hornin. Metody geologického průzkumu k vytipování lokalit při průzkumu na břidličný plyn Způsob provádění geologických prací obsahuje několik postupných, návazných a podmiňujících se kroků: 1. literární rešerše (revize a posouzení existujících a dostupných geologických a geofyzikálních dat, regionálních geologických studií, archivních vrtných údajů, údajů o litostratigrafii, litologii a geochemii hornin), 2. seizmické měření a gravimetrie, 3. svislý průzkumný vrt do hloubky až 2 3 km s odběrem jádra, provedením karotážního měření, akustické sondáže, odpovídajícího vystrojení vrtu, 4. tlakový a dynamický test a aplikace technologických zkoušek (např. hydraulického štěpení na minimálním potřebném počtu úseků a test štěpicí kapaliny vhodného složení). 13

14 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí Obr Schematický diagram znázorňující koncept konvenčních a nekonvenčních ložisek plynu a ropy (upraveno podle Pallestro et al. 2003) Povrchové vývěry ropy nebo plynu signalizují, že oblast jejich výskytu může skrývat ložiska. Horniny na zemském povrchu jsou utvářeny různými geologickými pochody jako např. eroze, tektonika, vrásnění či zvětrávání. Jen omezeně lze povrchovou geologickou stavbu přenést do hloubky. Pro poznání hlubší stavby zemské kůry se využívá geofyzikální měření. Geofyzikální metody, stejně jako vytvořené geologické modely (mapy a řezy), sice neposkytují definitivní důkaz o přítomnosti ložiska a jeho nasycení uhlovodíky, ale umožňují zjistit existenci ložiskově příznivých tektonických struktur. Geofyzika je věda, která fyzikálními metodami zjišťuje vlastnosti a stavbu zemské kůry. Základními metodami při hledání ložisek uhlovodíků jsou gravimetrie, seizmický průzkum a také dálkový průzkum Země, pokud jsou k dispozici potřebná data v dané oblasti. Gravimetrie je založena na studiu tíhového pole Země, jehož projevem je zemská přitažlivost. Pro geologickou interpretaci se využívají hustotní rozdíly mezi jednotlivými horninami, které se projevují odchylkou tíže od maximální hodnoty, tzv. tíhová anomálie, které jsou zpracovávány do map. Pomocí těchto interpretací lze najít či potvrdit oblasti, kde se horniny vyklenují či tvoří pánve. Seizmické měření je založeno na registraci vlnění, které se vyvolává výbuchem nebo vibrací. Rozdíly v elastických vlastnostech hornin způsobují, že se vlny na rozhraní různých prostředí lámou nebo odrážejí a tak se dostávají k povrchu, kde je můžeme registrovat. Reflexní metoda využívá vlny odražené, refrakční vlny lomené. Odpaly náloží v mělkých vrtech nebo vibrace ze speciálních aut vyvolávají seizmické vlnění, které se šíří v horninách a odráží se z jejich rozhraní. Na povrchu umístěné geofony tyto odražené vlny registrují, přeměňují na elektrické signály, které se zapisují v aparaturách měřicích vozů. Z časových záznamů odražených vln lze odvodit hloubku a polohu vrstev v zemské kůře. Tak lze určit struktury (podpovrchové tvary vrstev), které mohou pravděpodobně vytvářet pasti ložiska pro přírodní uhlovodíky (ropu a zemní plyn). Měření je možno provádět na profilu (2D) anebo v ploše (3D), kdy je zdrojovými i měřicími body pokryta určitá plocha na zemském povrchu. Při zpracování dat tak lze získat prostorový objem dat, ve kterém lze vytvořit libovolný seizmický řez v horizontálním i vertikálním směru. Interpretace vychází ze spojování 14

15 Metody geologického průzkumu pro vyhledávání ložisek břidlicového plynu a plynu těženého zplyňováním uhlí reflexů, které mají stejný charakter a představují stejnou vrstvu (horizont). Provádí se většinou na počítači spolu s různými úpravami vlnového obrazu. Vyznačením a digitalizací téhož horizontu na více profilech lze vytvořit (časovou a po konverzi i hloubkovou) mapu seizmického horizontu nebo povrchu stratigrafického útvaru. Cílem geologického a geofyzikálního průzkumu a práce tzv. naftových geologů je nalézt struktury, které mohou tvořit vhodnou lokalizaci pro ložisko plynu. V případě nekonvenčních ložisek zemního plynu pak mohou podobnou vhodnou lokalizaci představovat břidlice jílovité horniny příslušného stáří, uložení, mocnosti a fyzikálních vlastností. Na základě předpokládaných parametrů (mocnost a plocha sycené vrstvy, pórovitost a stupeň nasycení, objem plynu, mechanismus předpokládané těžby a režim ložiska, vytěžitelnost a další) se odhadují možné zásoby zemního plynu ve struktuře. Odhaduje se i pravděpodobnost existence takto předpokládaných zásob a jejich nálezu. Při ekonomickém ocenění výnosnosti záměru se posuzuje počet vrtů nutných k ověření zásob a náklady s tím spojené, stejně jako náklady potřebné k potenciálnímu otevření ložiska a vytěžení suroviny. Teprve porovnáním všech hodnot lze posoudit, zda geology nalezenou strukturu je vůbec ekonomické ověřit vrtem. Každý hlubinný vrt je velmi drahý a proces rozhodování o tom, zda je pravděpodobnost nálezu ložiska vyvážena možným ekonomickým výnosem, patří k know-how každé těžební firmy. Pokud všechny výsledky dosavadního geologického průzkumu svědčí o perspektivnosti výskytu plynu a předpokladu nadějného ložiska, přistupuje se obvykle k odvrtání průzkumného vrtu. Pažením a cementací se zamezuje vzájemnému spojení (komunikaci) propustných vrstev v různých hloubkách a také se vrtný otvor ochraňuje proti zavalení stěn. Zapažený a zacementovaný vrt umožňuje hloubení jeho hlubších částí nebo další dlouhodobé využití vrtu. Ve vrtu se provádí karotážní měření, které slouží k zjišťování typu provrtaných vrstev a jejich nasycení ložiskovým médiem. Měření probíhá tak, že se pomocí vrátku zapustí do vrtu karotážní sonda a geofyzikální měření je zaznamenáno formou křivek. Slouží k určování geologických profilů vrtu a dále k získání některých údajů o technickém stavu vrtu. Principy jednotlivých karotážních metod jsou většinou obdobou pozemních geofyzikálních metod. Nejrozšířenější je elektrická karotáž, následují radioaktivní a akustické metody. Určuje se litologický profil vrtu, kolektorské vlastnosti, jako je jílovitost, pórovitost, popřípadě propustnost a v naftově-geologickém průzkumu nasycení uhlovodíky (ropa a zemní plyn). Pro technické účely se provádí řada geofyzikálních měření, jako inklinometrie pro zjištění zakřivení vrtu, kavernometrie pro určení průměru vrtu, teplotní a akustická měření pro zjištění hlavy a kvality cementu atd. Geofyzikální práce ve vrtech rovněž zahrnují odběr vzorků hornin ze stěn vrtu, perforování pažnic a torpedování vrtu. Využití jednotlivých metod záleží vždy na konkrétních geologických podmínkách a vlastnostech hornin. Jedním z účinných nástrojů k určení přítomnosti ropy a zemního plynu je i sledování úlomků horniny, které vznikají při vrtání a jsou vynášeny výplachovou kapalinou na povrch. Z hlediska ekonomiky těžby ložiska plynu je nutné, aby tato hornina obsahovala potřebný/dostatečný objem plynu ve zdrojové hornině. Potenciál zdrojové horniny jílovcových vrstev (břidlic) je zpravidla evaluován potvrzením specifických charakteristik (fyzikálních a strukturně geologických vlastností) zdrojové horniny. Zejména se pak jedná o TOC (celkový organický uhlík), termální vývoj (thermal maturity), analýzu kerogenu. Studiem těchto vlastností se zabývá geochemie. Porovnáním a studiem těchto vlastností (současně s ostatními parametry) je pak posouzena pravděpodobnost perspektivnosti a potenciál těchto hornin produkovat zemní plyn v ekonomicky rentabilních objemech. V další fázi průzkumu se pak přistoupí k provedení tlakového a dynamického testu a k aplikaci technologických zkoušek (např. hydraulického štěpení na minimálním potřebném počtu úseků a testu štěpicí kapaliny vhodného složení dle odpovídající geologické stavby, hydrogeologické situace a horninového typu dle studií provedených v dřívějších etapách nebo na základě rešeršní práce) a dle pravidel a možných omezení a povolení těchto prací, za předpokladů, které jsou popsány níže. Podzemní zplyňování uhlí Podzemní zplyňování uhlí je dnes technologií, která je často zmiňována v souvislosti s těžbou uhlí jako technologie přijatelnější z hlediska ochrany životního prostředí. 15

16 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí Hlavně z pohledu rozsáhlé devastace krajiny, která doprovází zejména povrchový způsob těžby této energetické suroviny, jde o alternativní způsob využití ložiska uhlí v přirozených geologických podmínkách. Tento způsob těžby uhlí je však omezen celou řadou podmínek, které mohou významně ovlivnit aplikaci této, dnes moderní technologie v reálném geologickém prostředí. Těmito podmínkami jsou kromě kvalitativních parametrů uhlí zejména uložení ložiska, mocnost uhelné sloje, mocnost nadloží, jeho nepropustnost, hladina podzemních vod, výskyt kolektorů a řada dalších. Hlavně díky rozvoji progresivních technologií vrtání (materiály, horizontální vrty) se tak podzemní zplyňování uhlí stává ve specifických geologických podmínkách zajímavou alternativou k dobývání uhlí povrchovým způsobem. Často je však tato metoda považována za metodu doplňkovou, protože její aplikace je vhodná zejména pro geologické zásoby, které jsou z hlediska geologických podmínek uložení a kvality zásob (popelnatost, nízká mocnost, vysoká frekvence střídání uhelných a jalových poloh atp.) pro standardní dobývací techniku hlubinnou či povrchovou netěžitelné. Také v České republice byla tato technologie těžby a využití uhelné hmoty testována na několika lokalitách severočeské hnědouhelné pánve, a to již v 60. letech minulého století. V provozu tak bylo v té době postupně několik podzemních generátorů a byly sledovány a vyhodnocovány nejen kvalitativní parametry vznikajícího plynu v závislosti na kvalitě zplyňovaného uhlí, ale také vlivy provozu generátoru v různých geologických podmínkách na okolí. Z hlediska hydrogeologických poměrů infiltruje srážková voda propustným kvartérem a suťovým pokryvem až do uhelné sloje. Nadložní štěrky jsou zvodnělé a uhelná sloj také. Pro snížení hladiny podzemní vody ve sloji je nejdříve v blízkosti podzemního generátoru vybudován odvodňovací vrt. Podzemní generátor je realizován sítí vrtů, které mohou být uspořádány v různé vzdálenosti od sebe v jedné linii (přímce). Technologicky jsou vybudovány vrty vtláčecí, které slouží pro přívod zplyňovacího media, tj. vzduchu do generátoru, vrty těžební pro odvod plynu z generátoru a dále vrty měřicí, pozorovací a odvodňovací. Vrty jsou zpravidla provedeny rotačním bezjádrovým vrtáním a vystrojeny ocelovými pažnicemi. Před zapálením uhelné sloje v generátoru probíhá tlaková zkouška průchodnosti sloje pro plynná média, která trvá obvykle 7 9 hod. Dále je ověřována možnost předsoušení uhelné sloje průchodem tlakového vzduchu po dobu ca 24 hod. Proces zplyňování je zahájen vytvořením prorážky (ohňového kanálu) mezi sousedními vrty. To se provádí tak, že do vtláčecího (vzduchového) vrtu je nasypáno ca 80 kg žhavého koksu a uhlí, potom je vrt uzavřen a je do něj vháněn vysokotlaký vzduch. Těžební vrty (po obou stranách vrtu vzduchového) jsou otevřeny do atmosféry. Po několika týdnech dochází k prohoření uhelné sloje, vznikne ohňový kanál mezi vrtem vzduchovým a těžebními s celkovou délkou ca 50 m. Po vytvoření ohňového kanálu je tlak vzduchu ve vzduchovém vrtu snížen na ca 0,15 0,2 MPa a začne probíhat proces zplyňování uhelné hmoty v okolí ohňové prorážky. Těžebními vrty a ocelovým potrubím je odváděn procesem vzniklý plyn. Provozem podzemního generátoru dochází k ovlivnění okolního horninového prostředí, ale i samotného technického vybavení podzemní i nadzemní části generátoru. Při procesu podzemního zplyňování dochází k objemovým změnám uhelné hmoty uvnitř generátoru, kdy z jejího původního objemu zůstávají pouze popeloviny. Tato změna objemu má za následek poklesy nadložních hornin, které se na povrchu terénu projevují vznikem poklesové kotliny, jejíž rozsah závisí zejména na kvalitě a charakteru složení hornin příslušné uhelné pánve. Provoz podzemního generátoru může negativně ovlivňovat kvalitu podzemních vod v okolí, a to zejména jejich celkovou mineralizaci a tvrdost vody. Z provozu generátoru se do vody mohou dostávat i organické látky, zejména fenoly a dehty, ale také sulfan a oxid uhličitý. Provoz generátoru může také ovlivňovat teplotu podzemních vod, kdy dochází zpravidla k jejímu zvýšení. Dosah ovlivnění kvality vod může být až do vzdálenosti několika kilometrů od podzemního generátoru. Pro aplikaci technologie podzemního zplyňování přicházejí v úvahu takové části uhelného ložiska, které jsou nevhodné pro těžbu povrchovým způsobem. Obecně jde o ložiska, kde je změna kvality ve vertikálním profilu vysoká, sloj má nejednotný vývoj s vysokou frekvencí střídání proplástků a uhelných lávek. Nejdůležitější fyzikální veličinou, která rozhoduje o efektivním výsledku zplyňování uhelné hmoty in situ 16

17 Metody geologického průzkumu pro vyhledávání ložisek břidlicového plynu a plynu těženého zplyňováním uhlí Obr Schéma podzemního zplyňování uhlí (Underground coal gasification Source Watch) a je v přímém vztahu ke geologickým podmínkám generátoru i kvalitě uhelné hmoty, je propustnost sloje charakterizovaná koeficientem propustnosti. V současné době jsou projekty UCG (podzemního zplyňování uhlí) soustředěny především do oblastí uhelných pánví v Číně, Austrálii a jižní Africe. Čína má v současnosti 16 probíhajících projektů v provincii Shandong se šesti reaktory, které generují plyn pro vytápění. V Austrálii běžel v období 1997 až 2003 projekt v provincii Queensland, v rámci něhož bylo zplyněno tun hnědého uhlí. Od roku 2009 byly zahájeny projekty v UK, na Novém Zélandu, USA, Kanadě, které stále probíhají a jejichž výsledky se průběžně vyhodnocují. Literatura Šafářová, M., Valeš, J.: Zkušenosti z podzemního zplyňování hnědého uhlí v podmínkách severočeské hnědouhelné pánve v ČR, Paliva 2 (2010), Buton, E., Friedmann, J., Upadhye, R.: Best Practices in Underground Coal Gasification, Technical Report, Lawrence Livermore National Laboratory, W-7405-Eng-48, 2007, dostupné na: energy/pdfs/cctr/bestpracticesinucg-draft.pdf. Underground coal gasification Source Watch, dostupné na: 17

18 Štěpicí chemikálie Co se používá pro štěpení břidlic Při hydraulickém štěpení se vhání větší množství vody s pískem pod velkým tlakem do vrtu. Voda otvírá drobné trhliny ve struktuře hornin (břidlic), jimi pak proudí plyn z hornin do vrtu. Na povrchu se plyn jímá a potrubím přivádí ke spotřebitelům. Do vody se přidávají aditiva pro zlepšení technologických vlastností vrtného výplachu a štěpicí kapaliny. Kolik vody se spotřebuje V jednom vrtu při jednom štěpení 2*10 5 litrů vody. Při současném štěpení svazku horizontálních vrtů až 5*10 7 litrů vody. Proč je nutné přidávat chemikálie do štěpicí kapaliny Pro udržení potřebných reologických vlastností vrtného výplachu a štěpicích suspenzí, zejména pro udržení pískových zrn (propantu) ve vznosu. Přehled chemických látek používaných ve štěpicích kapalinách Většina látek používaných jako aditiva při štěpení v USA je dostupná na stránkách Material Safety Data Sheet (MSDS; např. Jejich seznam s českými názvy je v tab U každé látky je uveden účel použití. Konkrétní směs se případ od případu mění podle typu hornin a hydrogeologické situace v dané oblasti. Kategorie látek podle jejich role při vrtných pracích (tab. 5.1) Pest pesticid proti růstu baktérií způsobujících korozi ocelových dílů St stabilizátory zajišťující zpomalení rozkladu gelů SJ stabilizátor jílů (proti bobtnání) IK inhibitor koroze Ak antikoagulant (proti vzniku sraženin) T látky snižující tření suspenzí Ž želatinující činidlo Fe látky regulující srážení oxidů železa AE antiemulgátory (proti vzniku nežádoucích emulzí) ph pufry regulující žádané ph (kyselost) výplachu VK látky proti usazování vodního kamene na stěnách pažnic PA povrchově aktivní látky (smáčedla) 18

19 Štěpicí chemikálie Tab. 5.1a. Seznam aditiv přidávaných do štěpicích kapalin ( Český název CAS Účel Chlorovodíková kyselina Pomáhá rozpouštět minerály a iniciuje praskliny v hornině. Kód Funkce Glutaraldehyd Kvartérní amonium chlorid Sulfát tetrakis Hydroxymetylfosfonium Odstraňuje z vody bakterie, které vyrábí korozivní produkty. Odstraňuje z vody bakterie, které vyrábí korozivní produkty. Odstraňuje z vody bakterie, které vyrábí korozivní produkty. Odstraňuje z vody bakterie, které vyrábí korozivní produkty. Pest Pest Pest Pest Peroxodisíran amonný Zajišťuje zpomalení rozkladu gelu. St Chlorid sodný Stabilizátor produktů. St Peroxid hořečnatý Zajišťuje zpomalení rozkladu gelu. St Oxid hořečnatý Zajišťuje zpomalení rozkladu gelu. St Chlorid vápenatý Stabilizátor produktů. St Cholin chlorid Zabraňuje bobtnání a změně jílů. SJ Chlorid tetramethyl amonný Zabraňuje bobtnání a změně jílů. SJ Chlorid sodný Zabraňuje bobtnání a změně jílů. SJ Isopropanol Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. IK Methanol Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. IK, Ak Kyselina mravenčí Zabraňuje rezivění potrubí. IK Acetaldehyd Zabraňuje rezivění potrubí. IK Ropný destilát Nosná kapalina pro zesítěné boritany a zirkoničitany. Ak Rafinérský ropný produkt Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Metaboritan draselný Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Triethanolaminzirkonát Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Tetraboritan sodný Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Kyselina boritá Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Boritanové soli N/A Nosná kapalina pro zesítěné l. Ak Ethylenglykol Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. Ak 19

20 Podkladový materiál pro ministra životního prostředí k problematice nekonvenčního zemního plynu z břidlic a podzemního zplyňování uhlí Tab. 5.1b. Seznam aditiv přidávaných do štěpicích kapalin ( Český název CAS Účel Polyakrylamid Ropný destilát Rafinérský ropný produkt Methanol Ethylenglykol Guarový polysacharid Ropný destilát Rafinérský ropný produkt Methanol Minimalizuje tření uhlazováním vody. Nosič-kapalina pro redukci polyakrylamidového tření. Nosič-kapalina pro redukci polyakrylamidového tření. Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. Zahušťuje vodu s cílem suspendovat písek. Nosná kapalina pro guarový polysacharid v kapalných gelech. Nosná kapalina pro guarový polysacharid v kapalných gelech. Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. směs polysacharidů Ž Ethylenglykol Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. Kód Funkce T T T T T Ž Ž Ž Ž Ž Kyselina citrónová Zabraňuje srážení oxidů kovu. Fe Kyselina octová Zabraňuje srážení oxidů kovu. Fe Kyselina thioglykolová Zabraňuje srážení oxidů kovu. Fe Erythorbát sodný Zabraňuje srážení oxidů kovu. Fe Laurylsulfát Isopropanol Ethylenglykol Používá se jako prevence proti tvorbě emulzí ve štěpicí kapalině. Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. Stabilizátor produktů / a skladovací činidlo. AE AE AE 20