Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Nowe spojrzenie na budowę geologiczną Karpat – ujęcie dyskusyjne

 

AUTOR: Leszek Jankowski

 grafika m

OPIS PL:

Niniejsza publikacja poświęcona jest przede wszystkim kompleksom chaotycznym występującym w Karpatach. Omawiana jest tu ich geneza i pozycja w strukturach górotworu. Z różnego rodzaju kompleksów chaotycznych o strukturze „bloki w matriks" najwięcej uwagi poświęcono melanżom tektonicznym – nieomawianym w polskich opracowaniach naukowych. W publikacji przedstawiono także dyskusyjne ujęcie historii basenowo-tektonicznej. Krytycznie przedyskutowano m.in. powszechnie przyjmowaną koncepcję Karpat jako orogenu związanego z procesem subdukcji. Krytyce poddano także pogląd o istnieniu szerokich stref oceanicznych mających występować w czasie rozwoju basenu Karpat. Zaproponowano znacznie prostszą historię rozwoju basenowego. Basen Karpat wypełniony osadami składającymi się na Karpaty wewnętrzne i zewnętrzne był, według przedstawionego tu ujęcia, jedną strefą basenową, podlegającą zmianom i przemieszczaniu. W przyjętym w niniejszej publikacji założeniu, proces formowania basenu Karpat odbył się na pasywnej krawędzi platform wschodnio- i zachodnioeuropejskiej, rozciąganej w procesie ekstensji oraz ponownie zestalonej w procesie zamykania basenu i kolizyjnego etapu deformacji tektonicznej. We wczesnej kredzie kończy się okres ekstensji (tworzenia przestrzeni akomodacyjnej w geometrii półrowów) i zaczyna proces inwersji i zamykania, wykształcony też zostaje basen przedpola. Początek formowania typowego basenu przedpola znaczy pojawienie się inoceramowego systemu depozycyjnego. Pojawiają się facje „fliszowe"; najpierw w obszarze Karpat wewnętrznych. Zatem od późnej kredy basen Karpat zewnętrznych jest basenem przedpola (ang. foredeep basin) w stosunku do wcześniej zestalonej części górotworu (któremu odpowiada rejon Karpat zewnętrznych). Wobec wspólnej historii basenowo-tektonicznej tradycyjny podział Karpat na tzw. Karpaty wewnętrzne i zewnętrzne jest podziałem sztucznym i nie ma żadnego uzasadnienia. Obszar tzw. Karpat wewnętrznych i zewnętrznych przeszedł te same etapy deformacji tektonicznych.

Sam proces zamykania i kompresji charakteryzował się przemieszczaniem układu: orogen – (ang. backstop) – basen przedpola (foredeep basin) – wypiętrzenie przedorogeniczne (ang. forebulge). Obszar skłonu basenu przedpola i wypiętrzenia dostarczał materiału klastycznego do basenu, pełniąc rolę czasowo istniejących „kordylier". Na charakter i rozkład facji w niektórych okresach wpływ mają także eustatyczne zmiany poziomu morza. Z czasem centrum depozycji przenosi się w kierunku północnym. Proces migracji basenu przedpola trwał aż do zatrzymania w późnym miocenie.

Zaproponowano kilka modeli ukazujących rozwój oraz rozprzestrzenienie i wzajemne relacje facji w poszczególnych okresach. Ponadto zaproponowano modele rozwoju geologicznego regionu okołopienińskiego. Uznawany za rejon graniczny obszar Pienińskiego Pasa Skałkowego jest jedynie pozostałością po kolapsie późnokredowego frontu orogenicznego. W rejonie polskich Karpat Pieniński Pas Skałkowy jest kompleksem chaotycznym o genezie sedymentacyjnej, o typie „bloki w matriks", uformowanym w wyniku kolapsu frontu orogenicznego i zrzucenia bloków do tworzącego się basenu przedpola, czyli systemu inoceramowego.

Poszczególne facje, tradycyjnie zaliczane do odrębnych subbasenów, a nawet do regionów (Karpaty wewnętrzne czy zewnętrzne), współwystępują często w jednym systemie depozycyjnym i jednym obszarze basenowym – np. facje jarmucka, inoceramowa, istebniańska, margli krzemionkowych, frydeckich oraz szelfowych piaskowców o typie piaskowców z Rybia są elementami tego samego systemu depozycyjnego, sąsiadując ze sobą. Znacząca okres przejściowy między etapem ekstensji a kompresji, szeroko rozprzestrzeniona (aż do obszaru tatrzańskiego) facja lgocka jest podłożem sedymentacyjnym dla migrującego basenu przedpola.

Tradycyjnie wyróżniane elementy tektoniczne (tzw. jednostki karpackie; jak np. jednostka śląska magurska czy skolska) nie są ściśle związane z tzw. basenami lub subbasenami, są jedynie elementami tektonicznymi, a nie tektoniczno-basenowymi. Proces zamykania basenu i budowania orogenu poprzez tworzenie ścięć tektonicznych skośnych do osi systemów depozycyjnych powoduje, że te same facje znajdują się w kilku jednostkach tektonicznych (jak np. facja lgocka, inoceramowa, czy piaskowców cergowskich).

Dla końcowego uformowania zarówno Karpat wewnętrznych, jak i PPS oraz tzw. Karpat zewnętrznych istotne znaczenia mają wtórne (po etapie kolizyjnym) deformacje tektoniczne, czyli etap formowania uskoków przesuwczych i etap kolapsu orogenu. Szczególne znaczenie dla geometrii Karpat ma etap uskoków przesuwczych. W znacznej mierze reaktywowane zostały pierwotne powierzchnie nasunięć „w sekwencji" (ang. in sequence) oraz pozasekwencyjnych (ang. out-of-sequence thrusts). Etap uskoków przesuwczych powoduje powstawanie szeregu asocjacji uskoków przesuwczych. Tworzą się liczne w Karpatach struktury o typie „końskiego ogona" (ang. horse tails structure) i struktur „kwiatowych" (ang. flower structure) oraz liczne baseny typu „z rozdarcia" (ang. pull-apart basins). Powstają także liczne uskoki normalne, wynikające z ekstensji równoległej do przebiegu głównych elementów tektonicznych.

Ostatnim etapem rozwoju tektonicznego jest etap kolapsu orogenicznego, powodujący rozpad orogenu i cofnięcie procesu nasuwania. Proces kolapsu zachodzi zarówno w Karpatach wewnętrznych, zewnętrznych, ale także w obszarze okołokarpackim. W tym etapie niektóre nasunięcia zostały reaktywowane jako uskoki normalne (m.in. nasunięcia w obrębie jednostki magurskiej). Dla wyjaśnienia sposobu powstawania okien tektonicznych zaproponowano kilka modeli: model powstawania okien w strukturach „kwiatowych", przy strefach uskoków normalnych i w procesie powstawania nasunięć pozasekwencyjnych. Istotne znaczenie w procesie migracji oraz budowania górotworu, a także w procesie tworzenia dużych kompleksów chaotycznych (o genezie sedymentacyjnej) mają nasunięcia pozasekwencyjne (out-of-sequence thrusts) oraz proces utrzymania stałego kąta pryzmy (ang. wedge equilibrium). Wiele stref tektonicznych w Karpatach uległo wielokrotnie reaktywacji we wtórnych (poza procesem kompresji) etapach deformacji. Proces tworzenia melanży tektonicznych zachodzi głównie w wyniku reaktywacji tektonicznej tych samych stref uskokowych. Większość stref melanży tektonicznych związana jest z etapem uskoków przesuwczych. Wtórne etapy deformacji tektonicznych mają także zasadnicze znaczenie dla obrazu geomorfologii Karpat, szczególnie etap uskoków przesuwczych i etap kolapsu orogenu. W opracowaniu postawiono kilka hipotez mogących wyjaśnić przyczyny dodatkowych etapów deformacji tektonicznych oraz przebudowy basenu Karpat. Jednym z powodów może być proces tworzenia orokliny karpackiej, przejawiający się w zaginaniu zarówno przestrzeni basenowej, jak i formującego się orogenu. Proces ów może być także przyczyną zmian nachylenia osi basenu.

OPIS EN:

This study is devoted to chaotic complexes occurring in the Carpathian Mountains. Their genesis and location in the orogen structure is discussed. Among different types of chaotic complexes revealing "blocks in the matrix" structure, the focus was put on tectonic mélanges, never before discussed in Polish scientific literature. In the study a controversial concept on tectono-sedimentary history of the Carpathians is also presented. A commonly accepted theory of the Carpathians as an orogeny associated with the subduction process was questioned. An opinion regarding the existence of wide oceanic areas contributing to the evolution of the Carpathian basin was also criticized. A much simpler model of the history of the basin was proposed. The Carpathian basin filled with sediments which make up the Inner and Outer Carpathians, according to the presented approach, was a single basin zone, subjected to changes and movements during its history. In the assumption adopted in the study, the formation process of the Carpathian basin took place on the passive edge of the eastern and western european platforms, stretched due to extension, re-solidified in the basin closing process and finally subjected to tectonic deformation in the collisional stage. In the early Cretaceous the extension period ends (creation of accommodation space in geometry of semi-trenches) and then begins the process of inversion and closing – the Carpathians Foredeep Basin is also formed. The beginning of the formation of a typical foreland basin means the appearance of an inoceramid depositional system. The flysh type facies appear first in in the area of Inner Carpathians. Therefore, from the late Cretaceous, the Outer Carpathians basin becomes a foredeep basin in relation to previously solidified sediments corresponding to the Outer Carpathians zone. In the view of shared tectono-sedimentary history, the traditional Carpathians division into so called Inner and Outer Carpathians is artificial and has no justification. The area of so called Inner and Outer Carpathians have undergone the same stages of tectonic deformations.

The very process of closing and compression was characterized by the following movements within the Carpathians orogen system: orogeny backstop – foredeep basin – forebulge uplift. Both the foreland basin slope and uplift zones provided clastic material into the basin, acting as a temporary existing "Cordillera". The character and distribution of facies in some geological periods were also influenced by eustatic changes of sea level. Over time, the deposition center moved toward the north. The migration processes of the foreland basin lasted until the late Miocene.

Several models explaining development, distribution and facies relationships in different geologic periods were proposed. In addition, the proposed models of geological development of the Pieniny Mountains area was suggested. Considered as a border area, the Pieniny Klippen Belt is only a residue after the collapse of the orogenic front in the late Cretaceous. In the area of the Polish part of the Carpathian Mountains, the Pieniny Klippen Belt is a chaotic complex of "blocks in the matrix" structure type, with the sedimentary genesis, formed as a result of orogenic front collapse and blocks being dumped into the developing foreland basin – inoceramid system.

Particular facies, traditionally included in the separated basins and even separated regions (Inner and Outer Carpathians), often coexist within one depositional system and one basin zone. ie. Jarmuta beds, Inoceramid beds, Istebna beds, siliceous marls, Fryderyk type marls and Rybie sandstones are elements belonging to the same depositional system. Co-existing with each other widely spread Lgota beds (up to the Tatras area) comprised a sedimentary base for the migrating foreland basin. Lgota beds were deposited during the transition period between the extension and compression stages.

Traditionally distinguished tectonic elements (i.e. Carpathian units such as: Silesian, Magura and Skole units) are not closely related to so called basin and sub-basins, but are only elements of tectonic and not tectono-sedimentary elements. The process of basin closing and orogeny formation, through creating tectonic shearing zones oblique to the axis of depositional systems, are responsible for the occurrence of the same facies in several tectonic units (eg. Lgota beds, Inoceramid beds or Cergowa sandstones).

For the final stage of the formation of both the Inner Carpathians and Pieniny Klippen Belt, secondary (after the collision phase) tectonic deformation processes - strike-slip faulting phase and the collapse of the orogen were of great significance. Strike-slip faulting especially influenced the geometry of the Carpathians. Many of the primary thrust surfaces have been reactivated forming, in sequence and out-of-sequence thrusts. Strike-slip faulting resulted in the formation of a number of associations of strike-slip faults. In the Carpathians, numerous structures of horse tail structure type, flower structure type and many pull-apart basins are present. Also many normal faults resulting from extension acting parallel to the direction of major tectonic elements have been formed.

The ultimate phase in the tectonic development was orogeny collapse, disintegrating the orogeny and withholding the process of thrusting. The collapse process occurs not only in the Carpathians, both Inner and Outer, but also in the surrounding area. At this stage some thrusting sheets were reactivated as normal faults (among others, thrusts in the Magura unit). Several models explaining the genesis of tectonic windows were proposed: formation of tectonic windows in flower structures, nearby normal faults zones and during out – of - sequence thrusting. For the migration processes, orogeny and large chaotic complexes (with sedimentary genesis) formation, out-of-sequence thrusts and the process of maintaining the wedge equilibrium, play an important role. Many tectonic zones in the Carpathians have been repeatedly reactivated in the secondary deformation process, excluding compression.

The process of tectonic mélange formation occurs mainly as a result of the tectonic reactivation of the same fault zones. Most areas with tectonic mélange occurrence is associated with strike-slip faulting. Secondary tectonic deformation processes were also essential for the present geomorphology of the Carpathians, especially strike slip faulting and the stage of orogeny collapse. In the study, several hypotheses that may explain the reasons for additional phases of tectonic deformation and re-development of the Carpathian basin were made. One reason may be the process of the Carpathian Orocline creation, manifesting itself in bending both the basin area and the Orogen. This process can also be the cause of the changes in the slope of the basin axis.

Praca naukowa nr 202 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

 

TYTUŁ: Estymacja pola prędkości w niejednorodnym ośrodku anizotropowym VTI (Vertical Transverse Isotropy) z zastosowaniem metod optymalizacyjnych

Estimation of the velocity field in inhomogeneous anisotropy media VTI (Vertical Transverse Isotropy) using optimization methods.

 

AUTOR: Karolina Pirowska

 Karolina Pirowska Estymacja okładka

OPIS PL:

Celem pracy badawczej było opracowanie metody oszacowania pola prędkości propagacji fali podłużnej w niejednorodnym ośrodku anizotropowym VTI na podstawie danych sejsmiki powierzchniowej. W szczególności główny obiekt zainteresowania stanowiło wyznaczenie wartości parametrów Thomsena ε i δ przy założeniu, że prędkość pionowa jest znana, oraz analiza możliwości określenia powyższych parametrów, gdy prędkość pionowa została przyjęta błędnie. Zaproponowana metoda opiera się na tradycyjnej technice analizy prędkości migracyjnych dla ośrodków izotropowych, która polega na poszukiwaniu wartości prędkości, dla których głębokość odwzorowywanego punktu ośrodka jako funkcja odległości pomiędzy źródłem i odbiornikiem jest niezmienna, tzn. nie zależy od offsetu. Jednak w ośrodkach anizotropowych uzyskanie tzw. efektu wypłaszczenia możliwe jest jedynie po uwzględnieniu parametrów anizotropii Thomsena ε i δ. Określenie optymalnych parametrów anizotropii potraktowano jako problem optymalizacyjny, a nowatorskim rozwiązaniem była próba zastosowania probabilistycznych metod optymalizacji globalnej, metody symulowanego wyżarzania oraz algorytmu genetycznego.

W publikacji przedstawiono obliczenia dla trzech modeli o różnym stopniu skomplikowania. Opracowana w projekcie metodyka przyniosła odmienne rezultaty dla poszczególnych modeli. W przypadku najprostszego modelu I (z jedną granicą płaskorównoległą) trafniejsze wyniki otrzymano za pomocą algorytmu genetycznego GA. Jednak błąd względny procentowy oszacowania był duży i wynosił 16% dla parametru ε oraz 58% dla parametru δ. W obliczeniach z zastosowaniem modelu II (z granicą nachyloną) obie metody przyniosły porównywalne wyniki. Parametr ε został oszacowany z dokładnością 0,1%, natomiast błąd procentowy oszacowania parametru δ wynosił 24%. Istotnym punktem badań było przetestowanie metodyki na bardziej skomplikowanym modelu III, zawierającym struktury charakterystyczne dla występowania węglowodorów – uskok oraz wysad solny. Niestety okazało się, że osiągnięcie „wypłaszczenia" na kolekcjach wspólnego punktu obrazowania nie odzwierciedla się w dokładności oszacowania poszczególnych parametrów anizotropii. Ponieważ obliczenia prowadzone dla całego modelu nie były satysfakcjonujące, podzielono go na trzy części, dla których obliczenia były wykonywane niezależnie. Najbliższe rzeczywistości wyniki otrzymano w przypadku części modelu bez skomplikowanych struktur. Tak jak w sytuacji z modelami I oraz II dokładniej oszacowany został parametr ε.

Rezultatem niniejszego projektu jest algorytm, który pomimo niedoskonałości może wspomagać dotychczasowe metody szacowania pola prędkości w ośrodkach anizotropowych. Przykładowo metoda może być wykorzystana przy szacowaniu parametrów wejściowych dla algorytmów migracji anizotropowej.

Opis EN:

The aim of this project was to work out the method of estimation of the velocity field for the longitudinal wave in inhomogeneous anisotropy medium VTI on the basis of seismic survey data. In particular, the main efforts was made to determine Thomsen parameters ε i δ with assumption that the vertical velocity is known and analyse of possibility of extracting this parameters in the situation when the vertical velocity is incorrect. Proposed method is based on the conventional technique of the migration velocity analysis for isotropic medium. It consists in seeking of the velocity values for which the depth of imaged point of the medium as the function of the distance between the source and a receiver is invariable. It means the depth of imaged point is not dependent on the offset. The estimation of the anisotropy parameters was treated as optimization problem, and the attempt to use probabilistic global optimization methods as simulated annealing and genetic algorithm was innovative solution.The results of calculation for the three different models are presented in this publication. For the simplest model I (with one plane and horizontal reflector) more accurate solution was received using the genetic algorithm GA. Nevertheless the relative error of estimation is high. It is equal 16% for the parameter ε and 58% for the parameter δ. For the model II (with the dipping reflector) both methods gave the comparable results. The parameter ε was estimated with the accuracy 0.1%, the relative error of parameter δ estimation is 24%.

Important part of the research was testing of methodology for more complicated model III, which contains the structures specific for occurrence of the hydrocarbons – the fault and the salt dome. Unfortunately, it appeared that reaching of flatness in the common image point panels does not result in accuracy of the anisotropy parameters estimation. The calculation for model III was not satisfying, this is why it was divided into three parts. For the each part the calculation was conducted independent. The result received for the part without complicated structures was the nearest of the reality. Like for model I and model II, more accurate estimation was for the parameter ε.

The presented algorithm, despite of imperfection, can be auxiliary for the previous methods of the velocity field estimation in anisotropy medium. As an example, the method can be used for the estimation of the input parameters for anisotropic migration algorithms.

Praca naukowa nr 200 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

 

TYTUŁ: Paliwa alkoholowe dla transportu – uwarunkowania, badania i rozwój

 

Praca zbiorowa pod redakcją Stanisława Oleksiaka

Biotreth

OPIS PL:

Niniejsza praca zawiera zbiór artykułów naukowych dotyczących szeroko pojętych zagadnień związanych z możliwością wykorzystania paliw alkoholowych w transporcie samochodowym. Przedstawia trendy rozwojowe paliw alkoholowych w Europie i na świecie oraz omawia problemy związane z wykorzystaniem alkoholi jako paliwa lub komponentu paliw do zasilania silników pojazdów samochodowych. Porusza ponadto sprawy toksyczności paliw alkoholowych i ich wpływu na środowisko naturalne w powiązaniu z zagadnieniami normalizacyjnymi.

Opis EN:

The study contains a set of scientific papers, concerning the widely comprehended issues associated with the possibility of using alcohol fuels in motor transport. It presents developmental trends of alcohol fuels in Europe and around the world as well as discusses problems associated with using alcohol as fuel or a component of fuels for powering engines of motor vehicles. Moreover it raises matters of the toxicity of alcohol fuels and their impact on the environment as well as in connection with standardizing issues.

Praca naukowa nr 204 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

 

TYTUŁ: Elementy systemu naftowego Karpat

 

AUTORZY: Irena Matyasik, Grzegorz Leśniak, Piotr Such

matyasik lesniak such elementy systemu naftowego karpat okladka

OPIS PL:

W pracy przedstawiono elementy systemu naftowego Karpat – skały macierzyste, drogi migracji oraz skały zbiornikowe. Scharakteryzowano również wybrane ropy naftowe.
Opisano uważane za podstawowe skały macierzyste Karpat, tj. warstwy menilitowe i warstwy istebniańskie. Cenną zaletą badań tych skał jest ocena środowiska sedymentacji osadów uzyskiwana z chromatograficznych oznaczeń frakcji nasyconej bituminów, dla któ¬rej określono dystrybucję n-alkanów i izoprenoidów. Analizowano płytki cienkie z rdzeni wiertniczych i odsłonięć powierzchniowych reprezentujących wszystkie potencjalne skały zbiornikowe oraz każdy typ piaskowców – od dolnej kredy do oligocenu.
Na podstawie badań laboratoryjnych i terenowych określono możliwe ścieżki migracji węglowodorów w Karpatach oraz ich powiązanie ze strefami tektonicznymi.
Rezultaty badań właściwości zbiornikowych wykazują, że parametry zbiornikowe i filtracyjne, pomimo skomplikowanej struktury przestrzeni porowej i zróżnicowanej historii diagenezy, są dość zunifikowane. Autorzy dokonali klasyfikacji własności zbiornikowych, posługując się jednostkami hydraulicznymi – GHU. W klasyfikację tę włączono również skały zbiornikowe o niskiej przepuszczalności typu tight. Stwierdzono, że jedynym para¬metrem, który w sposób jednoznaczny wydziela klasy, jest średnica progowa.
Dla średnic poniżej 4 μm przepuszczalność jest charakterystyczna dla złóż typu tight. Badania potwierdziły znaczącą rolę systemu szczelin. Miąższe kompleksy skał typu tight mogą stać się złożami opłacalnymi w eksploatacji.

Opis EN:

In the study new elements of Carpathians Petroleum System of – Menilite beds and Istebna beds, migration pathways and reservoir rocks were presented. Also selected types of oil were characterized.
Considered as main source rocks in Carpathians i.e. Menilites and Istebna beds were characterized. The advantage of these studies is the evaluation of sedimentation environment of deposits based on column chromatography analysis of saturated fractions of bitumens for which the distribution of n-alkanes and isoprenoids were determined. Thin sections from the core material and outcrops representing all potential reservoir rocks and all types of sandstones occurring in Carpathians of Cretaceous to Oligocen age were analyzed.
Based on laboratory and field research, possible hydrocarbons migration pathways in Carpathians in relation with tectonic zones were determined.
The results of reservoir properties analyze show that reservoir and filter parameters, despite their complicated structure and varied history of diagenesis, are quite unified. The authors performed reservoir properties classification with the use of hydraulic units (GHU). This classification also included "tight" reservoir rocks revealing low permeability.
It was found that the only parameter which clearly separates classes is the threshold diameter. For diameters < 4 μm permeability is typical for "tight" deposits. The study con¬firmed a significant role of fracture system. The thick complexes of "tight" rock can become hydrocarbons deposits of economic viability.

Praca naukowa nr 203 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

 

TYTUŁ: Badanie składu cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu i analiza rozwiązań technologicznych w aspekcie jej powtórnego wykorzystania

 

Autorzy: Teresa Steliga, Piotr Jakubowicz

prace INiG 205 big

OPIS PL:

Zabiegi hydraulicznego szczelinowania wykonywane w formacjach łupkowych, ze względu na dużo większą skalę niż w przypadku odwiertów konwencjonalnych, generują znaczne ilości ciekłych odpadów, które należy w racjonalny sposób zagospodarować. Optymalnym rozwiązaniem tego problemu jest powtórne wykorzystanie cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu do sporządzania płynów w kolejnych zabiegach hydraulicznego szczelinowania. Wymaga to zastosowania metod wstępnego oczyszczania, a następnie odsalania z wykorzystaniem technologii charakteryzujących się efektywnością ekonomiczną i dbałością o środowisko naturalne. Dzięki takiemu podejściu do problemu zagospodarowania środowisko tylko w ograniczonym stopniu zostaje obciążone substancjami odpadowymi uzyskiwanymi po zabiegach hydraulicznego szczelinowania.
W oparciu o analizy fizyko-chemiczne oraz badania toksykologiczne przedstawiono charakterystykę płynów szczelinujących (i środków do ich sporządzania) oraz cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu formacji łupkowej wykonanym w odwiercie (A) położonym na terenie północnej Polski. Przeanalizowano możliwości zastosowania nowoczesnych technik i technologii w celu umożliwienia powtórnego wykorzystania cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu do sporządzania płynów szczelinujących w kolejnych zabiegach, a następnie przedstawiono warianty rozwiązań technologicznych.
Analizy fizyko-chemiczne obejmujące m.in. oznaczenie: zawartości substancji rozpuszczonych (w tym chlorków), substancji organicznych (wskaźniki ChZT(Cr), BZT5, OWO), substancji ropopochodnych (TPH), węglowodorów aromatycznych (BTEX, WWA), fenoli, środków powierzchniowo czynnych (SPCz), metali ciężkich itp., w połączeniu z przeprowadzonymi analizami toksykologicznymi z wykorzystaniem testów nowej generacji (Microtox, MARA, Daphtoxkit F magna, Thamnotoxkit F, Phytotoxkit) w pełni umożliwiają ocenę potencjalnego wpływu na środowisko zarówno płynów szczelinujących i ich poszczególnych składników, jak również cieczy pozabiegowych po hydraulicznym szczelinowaniu.
Zastosowane mikrobiotesty ze względu na: brak konieczności prowadzenia hodowli organizmów, łatwość użycia, krótki okres inkubacji stosowanych organizmów (reprezentujących rożne poziomy w łańcuchu troficznym) oraz wysoki poziom standaryzacji i stosunkowo niskie koszty stosowania, mogą być wykorzystywane w znacznie większym zakresie niż konwencjonalne biotesty. Z tego względu testy te zostały zaproponowane do zastosowania w ramach systemu oceny toksyczności i monitoringu środowiska wodnego. Zapewniają one łatwe i szybkie uzyskiwanie danych o toksycznych własnościach badanych próbek. Uwagę należy zwrócić przede wszystkim na innowacyjny test oceny ryzyka środowiskowego MARA wykorzystujący jako bioindykatory dziesięć organizmów prokariotycznych (bakterie o różnej przynależności taksonomicznej) i jeden eukariotyczny (drożdże).
Analiza toksykologiczna głównych składników wykorzystywanych do sporządzania płynów szczelinujących wykazała, że polimery w stężeniach stosowanych do sporządzania płynów nie wykazują toksycznego wpływu na organizmy żywe wykorzystywane w testach toksykologicznych (brak możliwości wyznaczenia EC50). Natomiast środki sieciujące, środki redukujące opory przepływu oraz środki służące do łamania struktury polimeru charakteryzują się wysoką toksycznością.
Analiza cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu odwiertu (A) (4 próbki cieczy pozabiegowej pobrane w trakcie wywoływania odwiertu) wskazuje, że zawartość substancji rozpuszczonych (w szczególności chlorków od 10 500 do 39 800 mg/dm3) wzrasta wraz ze wzrostem objętości wydobytej wody. Odnotowano także wzrost zapotrzebowania na tlen (ChZT(Cr) z 5000 do 8000 mg/dm3, BZT5 z 400 do 800 mg/dm3, TPH z 85 do 185 mg/dm3). Przeprowadzona analiza toksykologiczna wykazała, że wraz ze wzrostem zawartości zanieczyszczeń wzrastały własności toksyczne wydobytej cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu. Wszystkie próbki cieczy pozabiegowej analizowane pod kątem określenia toksyczności zostały zaklasyfikowane do grupy substancji o niskiej toksyczności.
Ciecz pozabiegowa po hydraulicznym szczelinowaniu odbierana w trakcie wywoływania odwiertu (A) zawiera w swym składzie resztkowe pozostałości polimeru, które należy usunąć zarówno przed zastosowaniem metod wstępnego oczyszczania, jak i przed ewentualnym bezpośrednim wykorzystaniem do sporządzania kolejnych partii płynu zabiegowego. Do usunięcia pozostałości polimeru z cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu zaleca się zastosowanie metod biologicznych wykorzystujących biopreparaty komercyjne (np. Frac-Bac i Gum-Bac), odpowiednio dobrane w zależności od rodzaju polimeru i innych parametrów wody. Drugim wariantem procesu usuwania pozostałości polimeru są metody chemiczne oparte na głębokim utlenianiu z zastosowaniem silnych utleniaczy (perhydrolu, podchlorynu sodu i innych).
Wstępne oczyszczanie cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu, jak wykazały przeprowadzone badania laboratoryjne, może być realizowane metodą koagulacji (zastosowanie nowoczesnych koagulantów – chlorków poliglinu PAX-16) połączonej z flokulacją (efektywny środek flokulujący Stabpol-K), po której następuje oddzielenie osadów pokoagulacyjnych na drodze sedymentacji i filtracji.
W przypadku cieczy pozabiegowej o niskim zasoleniu (spełniającej wymogi technologiczne określone w projekcie sporządzania płynu szczelinującego) możliwe jest jej powtórne wykorzystanie do sporządzenia płynu do zabiegu hydraulicznego szczelinowania. Przygotowanie takiej wody sprowadza się jedynie do usunięcia resztkowych pozostałości polimeru oraz przeprowadzenia wstępnego oczyszczania metodami klasycznymi. Na ogół zasolenie na poziomie 30 g/dm3 przyjmuje się jako wartość graniczną, umożliwiającą sporządzanie płynów szczelinujących (w przypadku wykorzystania polimerów nietolerujących wysokiej zawartości soli dopuszczalna wartość zasolenia może kształtować się na niższym poziome).
Wzrost zasolenia kolejnych partii odbieranej cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu zmusza do zastosowania metod odsalania w celu uzyskania wody do powtórnego wykorzystania. Zgodnie z wymogami technologicznymi procesów odsalania (metodami membranowymi i termicznymi), w celu zagwarantowania wysokiej efektywności i bezawaryjności pracy instalacji należy przeprowadzić doczyszczanie cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu. Doczyszczanie można zrealizować stosując metody biologiczne oraz metody adsorpcyjne z wykorzystaniem węgli aktywnych.
Wstępnie oczyszczona ciecz pozabiegowa po hydraulicznym szczelinowaniu może zostać poddana membranowym procesom odsalania/zatężania. Niskie zawartości soli w cieczy pozabiegowej (zasolenie na poziomie mniejszym niż 10 g/dm3) umożliwiają zastosowanie oczyszczania metodą elektrodializy, która pozwala na częściowe odzyskanie czystej wody i zatężonej solanki. Badania laboratoryjne prowadzone na próbce nr I pobranej w początkowej fazie odbioru po hydraulicznym szczelinowaniu odwiertu (A) pozwoliły na określenie wskaźników prowadzenia procesu odsalania elektrodialitycznego.°
Następnym etapem odsalania/zatężania cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu o wyższym stopniu zasolenia (na poziomie 20–50 g/dm3) jest technika odwróconej osmozy (RO). Przed przystąpieniem do odsalania cieczy metodą odwróconej osmozy należy, w przypadku wysokiej zawartości jonów wapnia i magnezu oraz krzemionki, zastosować metody maskowania tych składników (dozowanie antyskalantów) w celu zahamowania niekorzystnych zjawisk zachodzących na membranie. Badania procesu przeprowadzono na wstępnie oczyszczonej próbce nr IV cieczy z wypływu zwrotnego po hydraulicznym szczelinowaniu o zawartości chlorków na poziomie 40 g/dm3. Określono optymalne warunki prowadzenia procesu na instalacji dwustopniowej (7 modułów) na wytypowanych membranach (producent – Toray).
Kolejnym etapem odsalania zatężonych wód solankowych pozostałych po procesie RO oraz cieczy pozabiegowej po hydraulicznym szczelinowaniu o dużym zasoleniu jest zastosowanie metod termicznych (MED, MSF, VC). Jest to końcowy etap odsalania, w którym oprócz oczyszczonej wody uzyskuje się sól krystaliczną (chlorek sodu), ług pokrystalizacyjny oraz niewielkie ilości kamienia kotłowego.
Przeprowadzone badania laboratoryjne na zatężonych solankach po procesie odwróconej osmozy wykazały, że uzyskana oczyszczona woda spełnia wymagania konieczne zarówno do powtórnego użycia przy sporządzaniu płynów szczelinujących, jak również do odprowadzenia do wód powierzchniowych i ziemi. Sól (chlorek sodu) uzyskana w wyniku krystalizacji jest pełnowartościowym produktem do zastosowań przemysłowych – spełnia normę PN-86/C-84081/02 oraz wymagania GIS dotyczące zawartości pierwiastków śladowych (Pb, Cd, Hg, As, Zn, Cu). Drugim końcowym produktem jest ług pokrystalizacyjny (zawierający głównie chlorki wapnia, magnezu, potasu i sodu), który może stanowić półprodukt do dalszej przeróbki, a przede wszystkim nadaje się do wykorzystania jako solanka do zimowego utrzymania dróg.
Dzięki postępowi technicznemu oraz zaproponowanym sposobom zagospodarowania wód z wypływu zwrotnego można w znacznym stopniu ograniczać niekorzystny wpływ przemysłu naftowego na środowisko naturalne. Należy jednak mieć pełną świadomość zagrożeń mogących pojawić się na poszczególnych etapach poszukiwania, udostępniania i eksploatacji gazu z formacji łupkowych.
Obecnie trwają prace poszukiwawcze złóż gazu łupkowego. Koncesjobiorcy analizują wyniki badań, aby udokumentować zasoby. Jest to dobry czas na podjęcie prac badawczych, kluczowych w kontekście bezpiecznej dla środowiska eksploatacji gazu z formacji łupkowych.

Opis EN:

Hydraulic fracturing, done in shale formations, results in significant amounts of liquid wastes, much more than in the case of conventional drilling. The wastes ought to be managed in a rational way. The most favorable solution is the re-use of flowback water in order to develop liquids for consecutive stages of the fracturing. It requires preliminary treatment and subsequent desalination methods with the application of technologies which should provide economic efficiency and environmental protection. Thus, wastes obtained in hydraulic fracturing are reduced.
Based on an analysis of physicochemical and toxicological research, the characteristics of fracturing fluids (and the means for their preparation) and flowback fluid after hydraulic fracturing of shale formation performed in well (A) located in the northern Poland, was presented. We analyzed The possibility of applying modern techniques and technologies in order to allow the re-use of flowback liquid after hydraulic fracturing to prepare fracturing fluids in subsequent treatments was analyzed, and next the variations of technological solutions were presented.
Physico-chemical analyses including: determination of total dissolved substances (including chlorides), organic substances (COD, BOD5 and TOC indicators), total petroleum hydrocarbons (TPH), aromatic hydrocarbons (BTEX, PAH), phenols, surfactants, heavy metals etc., together with toxicological analyses, (performed with the use of new generation tests - Microtox®, MARA, Daphtoxkit F magna, Thamnotoxkit F, Phytotoxkit), enable total estimation of the potential influence of drilling liquids, their individual components and flowback liquids on the natural environment.
Due to simplicity of use the new generation of microbiological tests, can be applicable in a much bigger area than conventional tests. Firstly, there is no need to grow microorganisms, secondly, an incubation period of the test organisms, representing various levels in a trophic chain, is short. Moreover, the tests have a high level of standardization and relatively low costs of application. Taking these facts into consideration, the tests were used for toxicity estimation and water environment monitoring. They enabled fast and simple obtaining of data on toxic properties of the tested samples. The most significant and innovative is the MARA (Microbial Assay of Risk Assessment) test, which is used for environmental risk estimation. As bioindicators, 10 procaryotic organisms (bacterial species belonging to different taxonomic units) and one eucaryotic organism (yeast) were applied in this test.
Toxicological analysis of the main components applied in fracturing fluids development, has shown, that polymers in concentrations used in the preparation of the fluids, do not have any toxic influence on living organisms used in toxicological tests (lack of possibility to determine EC50). However, high toxicity has been found in individual components of fluids: crosslinked substances, substances reducing flow resistance and polymer breakers.
The flowback liquid analysis, done after hydraulic fracturing of hole (A) (4 liquid samples taken during flowback), shows that dissolved substances content grows with the increase of the excavated water volume (particularly chlorides from 10 500 to 39 800 mg/dm3). The oxygen demand also increases: COD from 5 000 to 8 000 mg O2/dm3, BOD5 from 400 to 800 mg O2/dm3 and TPH from 85 to 185 mg/dm3. During the toxicological analyses it was observed that with the growth of pollutants contents, toxic properties of the obtained flowback water also increased – all samples were classified as low toxic.
The samples of flowback liquid taken after hydraulic fracturing of well (A), include residual remains of the polymer, which should be removed before both the preliminary treatment and potential direct application to the development of the next fracturing fluids. In order to remove the polymer remains, biological methods using commercial biopreprations (e.g. Frac-Bac i Gum-Bac), selected according to polymer type and other water parameters, should be applied. Other options of the polymer removal are chemical methods based on deep oxidation with severe oxidizers (perhydrol, sodium hypochlorite etc.).
The preliminary treatment of the flowback water, as was proven in laboratory tests, can be done with coagulation (advanced coagulants polialuminium chloride PAX-16) followed by flocculation (Stabpol-K an active flocculant), and next, post-coagulation sediments separation and filtration.
In the case of low salinity of the after-treatment fluid, its re-usage in fracturing fluid development is possible (according to technical requirements of fluid). Preparation of such water needs only the removal of polymer remains and preliminary treatment done with classical methods. Generally, a TDS level of 30 g/dm3 is determined as border value, which enables the development of fracturing fluids. For polymers with no tolerance to a high salt content of, an acceptable value of salt content can be at a lower level.
Increase in salinity of the following samples of the flowback water, causes the necessity to use desalination methods in order to obtain water, which could be re-used. To guarantee high effectiveness and proper operation of the installation, there are technological requirements for the desalination process (membrane and thermal methods) resulting in the necessity for deeper water treatment. This is possible with biological methods and adsorption techniques with the use of active carbon.
The initially treated liquid after hydraulic fracturing can undergo membrane processes of desalination/concentration. Low contents of salt in the fluid (<10 g/dm3) enable treatment with the electrodialysis (ED) technique, which leads to partial obtaining of pure water and concentrated brine. Laboratory research done on Sample 1 taken in an initial phase of flowback after hydraulic fracturing of the hole (A), led to determination of the electrodialytic process of desalination factors.
The following step of the desalination/concentration of water with a higher degree of salinity (20 – 50 g/dm3) is reversed osmosis (RO). In the case of high contents of calcium and magnesium ions and silica, methods of their masking (antiscalant dosing) should be applied earlier, in order to inhibit disadvantageous processes in the membrane. The research of the process was done on the pre-treated water (Sample 4) from the flowback after hydraulic fracturing (chloride contents of 40 g/dm3). Optimum conditions of the process leading to a 2-step installation (7 modules) of a chosen membrane (produced by Toray) have been determined.
The next step of desalting of both: concentrated mineralized water (left after RO) and the flowback water after hydraulic fracturing, are thermal methods (MED, MSF, VC). It is the final phase of desalting, in which the purified water, crystal salt (sodium chloride), post-crystallisation liquor and slight amounts of boiler scale are obtained.
Laboratory tests carried out on concentrated brines after the reverse osmosis process have shown, that the resulting purified water meets the requirements necessary, for both the re-use in preparing the fracturing fluids as well as for removal of surface and ground water. Salt (sodium chloride) obtained by the crystallization is a complete product for industrial use – it meets the standard PN-86 / C-84081/02 and GIS requirements for the content of trace elements (Pb, Cd, Hg, As, Zn, Cu). The second end product is post-crystallisation liquor (comprising mainly chlorides of calcium, magnesium, potassium and sodium), which may be an intermediate product for further processing, and especially suitable for use as a brine for winter road-maintenance.
Due to technological progress and the above suggested ways of flowback water management, the harmful influence of the oil industry on the environment can be significantly reduced. However, possible dangers of consecutive phases of exploration, opening and exploitation of shell gas must be taken into consideration.
Nowadays, shell gas exploration are being carried out. Concessioners are analyzing research results to prove disposable resources. This is the proper time to perform tests which are crucial for shell gas exploitation that could be safe for the natural environment.

Praca naukowa nr 205 jest dostępna w trybie open acces.

Zamówienie wersji drukowanej:

Cena egzemplarza: 60zł netto (plus 5% VAT)

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 012 617 76 32.

 

  1. Wybrane aspekty systemu naftowego a nowe spojrzenie na geologię Karpat - przewodnik