Břidlicový plyn je zemní plyn, který se nachází v břidlicových formacích. Jedná se o novou formu fosilního zdroje energie, jehož těžba se v posledních deseti letech stala nejrychleji rostoucí těžařskou aktivitou v USA. Na rozdíl od konvenčních ložisek ropy a plynu vyžaduje těžba břidlicového plynu speciální technologie, zejména štěpení nízkopropustných jílovcových vrstev, které v klasickém pojetí nepředstavují nádržní, ale těsnící horniny.
Vznik a typy ložisek břidlicového plynu
Hlavním zdrojem organické hmoty pro vznik ropy a zemního plynu byl mořský plankton. Dlouhá cesta od planktonu k ložiskům ropy začala před mnoha miliony let na mořském dně, kde se vrstvy uhynulého planktonu postupně hromadily. Nejvhodnější podmínky pro fosilizaci organické hmoty byly v sedimentačních pánvích. Tam byly vrstvy organického kalu brzy překryty nánosy písku, jílu a bahna a mohla začít první fáze ve vývoji ropy, zvaná diageneze. Během diageneze se organické sedimenty dostaly do hloubek zhruba 300 až 1300 m. Vznikl kerogen, což je vysokomolekulární tuhá nerozpustná organická hmota obsahující kolem 86 % organicky vázaného uhlíku.
Rozhodující fází pro vznik ropy bylo další sesedání matečné vrstvy kerogenu do hloubky okolo 2 až 5 km, v fázi zvané katageneze. Za těchto podmínek podlehly molekuly kerogenu termické degradaci, vznikla jednodušší látka zvaná bitumen. V závěrečné fázi katageneze se bitumen dále štěpil, čímž vznikala ropa a zemní plyn, obsahující převážně metan.
Přeměna bitumenu na kapalnou ropu přivodila v roponosné hornině významnou změnu - nově vzniklá kapalná a plynná fáze získaly možnost matečnou horninu opustit. Postupný přechod vznikající ropy do jiné vrstvy se nazývá primární migrace. Pohyb ropy v kolektorové vrstvě se označuje jako sekundární migrace. V naprosté většině případů se mikrokapičky ropy pohybují kolektorem skrze póry nasycené spodní vodou, dokud nenarazí na nepropustnou překážku, kde se může vytvořit ložisko.
Ložiska, u kterých uhlovodíky po svém vzniku migrují do rezervoárové horniny s otevřenými póry, se označují jako konvenční ložiska. Vrt v konvenčních ložiscích zemního plynu těží plyn z pískovcových vrstev nebo karbonátů, které obsahují plyn v komunikujících pórových prostorech. Za určitých podmínek však může být zdrojová hornina zároveň rezervoárem. Vrty v nekonvenčních ložiscích těží plyn právě z těchto nízkopropustných písků nebo karbonátů, uhlí a jílovců (břidlic).
Čtěte také: Vlastnosti a využití betonového obkladu
Břidlicový plyn je vázaný hluboko v usazených horninách, které vznikly z nánosů bahna s příměsí organického materiálu na dně prehistorických moří. Tyto horniny se vyznačují velmi těsnou zrnitou a vrstevnatou strukturou, která zabraňuje přesunu plynu vzhůru. Břidlice, které mají ekonomicky využitelné množství plynu, jsou obvykle bohaté na organický materiál (0,5 až 25 %) a zpravidla se jedná o olejonosné břidlice. Nacházejí se většinou dva až šest kilometrů pod povrchem, kde je teplota natolik vysoká, že z většiny organického materiálu vznikne zemní plyn. Bývají dostatečně tvrdé a pevné, aby v nich vydržely otevřené póry. Část vytvořeného plynu se drží v přirozených zlomech, část se nachází v pórech a část se navázala na organický materiál. Plyn, který je ve zlomech, je uvolněn při těžbě okamžitě.
Hydrát metanu a uhelný metan
Vedle břidlicového plynu existují i další nekonvenční zdroje zemního plynu:
- Hydrát metanu (CH4 ‧ 5,75 H2O) je tuhá bílá látka skládající se z krystalické vody, která obsahuje metan. Vzniká, když plynný metan stoupá zlomy v kůře z hlubin litosféry a dostane se do kontaktu s vodou za vysokých tlaků a nízkých teplot. Molekuly metanu se mohou zachytit v krystalické struktuře obyčejného vodního ledu. Největší akumulace jsou v usazeninách mořského, resp. oceánského dna, obvykle v oblastech s několikasetmetrovou hloubkou mořské vody. Japonská státní agentura JOGMEC jako první v historii v roce 2013 vytěžila plyn z podmořského ložiska klatrátu metanu.
- Slojový nebo též uhelný metan vznikl během procesu přeměny rostlinného materiálu na uhlí. Původní bujná vegetace se po odumření hromadila v bažinách, kde probíhal proces tlení. S rostoucí teplotou a tlakem narůstal i obsah uhlíku v uhlí, čímž se zvyšovalo množství vzniklého metanu.
Technologie těžby břidlicového plynu
Břidlice jsou usazené horniny, které jsou uloženy v ploše spíše rovnoběžně (souběžně s povrchem) než do hloubky. Klasický vertikální vrt tedy zasahuje do břidlice jen velmi malou částí a byl by tudíž pro těžbu neúčinný. U těžby plynu z břidlic je proto nutné, aby co nejdelší vrt procházel břidlicí, protože plyn se dá extrahovat jen v relativně blízkém okolí vrtu.
Postup vrtání
- Příprava vrtné základny: Těžba začíná vybudováním kapacitní dopravní infrastruktury a přípravou vrtné základny, která představuje zábor území o rozloze 1 až 3 hektary. Vrtná základna má podobu průmyslového objektu s mobilními buňkami a kontejnery, v jejímž středu dominuje minimálně jedna vrtná věž s výškou přes 50 m.
- Vertikální vrtání: Těžaři nejprve vrtají vertikálně. Hloubka vrtu může být 1 až 5 kilometrů a svisle se vrtá až do hloubky asi sto metrů nad břidlicovou vrstvou s plynem. Vrt se zajišťuje vsouváním ocelových trubek a cementováním. Pro dokonalé oddělení vrtu od aquiferů se v této fázi osadí do vrtu ocelová trubka (technická kolona) a zacementuje se.
- Horizontální vrtání: V blízkosti vrstvy břidlice se hlava vrtáku stočí do úhlu a pokračuje se ve vrtání samotnou břidlicí horizontálně. Po skončení vrtání se opět vytáhne vrtná hlavice a do vrtu se zasune tenčí trubka (těžební kolona) a opět zacementuje. V blízkosti povrchu a v místech, kde se může vyskytovat podzemní voda, je vrt utěsněn sendvičem z několika ocelových trubek a vrstev cementu mezi nimi.
Hydraulické štěpení (frakování)
Vytvořit samotný vrt ale nestačí, protože množství plynu uniklé z břidlice samovolně je velmi malé. Je proto nutné v hornině vytvořit velké množství malých trhlin, které plynu umožní uniknout. Tomuto procesu se říká hydraulické štěpení (Hydraulic Fracturing nebo hydrofracking).
- Princip: Při hydraulickém štěpení se do vrtu pod tlakem napumpuje velké množství vody a písku s malou příměsí různých chemických přísad. Tlak vody trhliny rozšíří a rozvětví podél přirozených zlomů a slabších míst v hornině.
- Objem vody a chemikálií: Do jednotlivých vrtů k těžbě břidlicového plynu je zapotřebí napumpovat okolo 8-16 milionů litrů vody. Pro přípravu štěpného roztoku je třeba dodání chemických látek o objemu minimálně desítek m3 a stovky tun propanantového písku. V procesu podpovrchového frakování se přidává do vody asi 0,5 % chemikálií podporujících průběh frakování, jako jsou látky snižující tření, látky zamezující korozi a látky likvidující mikroorganismy.
- Fázování: Hydraulické štěpení se nedělá v celé délce vodorovné části najednou, ale po sekcích (zpravidla 8 až 12). Jednotlivé části se od sebe oddělují speciálními zátkami, které se nakonec odstraní.
- Likvidace frakční kapaliny: Kapalina použitá pro hydraulické štěpení se poté odčerpá zpět do nádrží na povrchu, podle potřeby se pročistí a znovu použije nebo se vhodným způsobem ekologicky likviduje. V některých případech bývá zatláčena do podzemí.
- Alternativní technologie: Některé firmy prohlašují, že spotřebu vody by mohlo snížit vylepšení technologií při použití gelů a pěn. Tyto technologie jsou nicméně stále ve fázi testů. Vedle užití vody a chemikálií je možné uvolňovat plyn jen pomocí zkapalněného propanu, což významně snižuje zátěž na životní prostředí.
Kompaktnost vrtů
Na rozdíl od těžby konvenčních zdrojů zemního plynu je kvůli malé propustnosti zdrojové horniny zapotřebí umístit v krajině velké množství vrtů tak, aby horizontální vrty v hloubce co nejvíce a v co největší hustotě pokryly celou plynonosnou vrstvu. Dosah účinnosti hydraulického štěpení je totiž obvykle okolo 50 m od vrtu. Pro efektivní využití plynových polí je při těžbě břidlicového plynu umísťováno až 6 vrtů na 1 km2. Menší počet vrtných základen je podmíněn těžbou pomocí svazkových vrtů, kdy je z jedné vrtné základny pomocí směrového vrtání provedeno až 16 jednotlivých vrtů.
Čtěte také: Vše, co potřebujete vědět o betonových plotech s imitací břidlice
Ekologické aspekty těžby břidlicového plynu
Hydraulické štěpení se v posledních letech stalo předmětem mnoha sporů, a to zejména kvůli používání chemických přísad a spotřebě vody. Přídavné chemikálie plní mnoho různých funkcí a jsou hlavním ekologickým problémem těžby.
Rizika a obavy
- Znečištění vody: Nebezpečné průmyslové odpadní vody, které vznikají při použití technologie hydraulického štěpení ve velkých objemech (až desítky tisíc m3 na 1 vrt), bývají v některých případech recyklovány nebo ukládány na lagunách. Tyto nádrže, obvykle budované poblíž vrtů, mají podobu otevřené nádrže utěsněné plastovou fólií. Část chemických látek (15-80 % objemu frakční vody) zůstává trvale v podloží.
- Úniky radioaktivních látek: V průběhu hydraulického štěpení se na povrch mohou dostat s vrtnou kapalinou také drobné úlomky hornin s nízkou přirozenou radioaktivitou. Se zemním plynem se na povrch dostává zejména izotop radonu 222.
- Zápach a hluk: Vlastní vrtání a zejména provoz při provádění hydraulického štěpení působí značný hluk. Do okolí vrtu se může šířit zápach různých uhlovodíků (např. benzen a toluen), které vznikají spalováním nafty a mohou unikat z technologie úpravy surového plynu nebo odpařováním kapalných příměsí.
- Regulační problémy: Těžební společnosti většinou nezveřejňují plné chemické složení frakovacích kapalin a bagatelizují rizika. V USA federální zákony nenařizují firmám zveřejňovat chemické složení frakovacích kapalin. Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) nemůže na základě výjimky ze zákona o čisté a bezpečné pitné vodě regulovat vhánění frakovacích kapalin do podloží.
Příklady nehod
I v Evropě už se při frakování odehrála celá řada nehod, včetně té v německém Söhlingenu v roce 2007, kdy byly zdroje podzemní vody znečištěny benzenem a rtutí po úniku kapalin z odpadního potrubí.
Historická těžba břidlice v České republice
V České republice existují oblasti s bohatou historií těžby břidlice, zejména v Nízkém Jeseníku a na Radnicku. Tato těžba se však zaměřovala především na pokrývačské břidlice a břidlice pro výrobu kamence, nikoli na břidlicový plyn.
Nízký Jeseník
- Svobodné Heřmanice: V opuštěném jámovém lomu se od poloviny 18. století těžily pokrývačské břidlice moravického souvrství. Ložisko dosahovalo mocnosti cca 25 m. Těžba zde probíhala zprvu primitivními metodami, později s využitím parních a elektrických strojů. V roce 1948 byla těžba ukončena kvůli přetěžení a problémům s důlními vodami.
- Jakartovice: Ložiska břidlice byla odkryta povrchovými otvírkami na počátku 19. století. Těžba probíhala v hlubokých jámových lomech, později se přešlo na hlubinnou těžbu ražením šikmé jámy do hloubky 40 m. Z místní suroviny se vyráběla především pokrývačská šupina.
- Bohdanovice: Břidlice se dobývaly v jámových a stěnových lomech. V přetěženém lomu na Strážném kopci byla založena hlubinná otvírka se svislou jámou cca 50 m hlubokou.
- Úblo: Na západním konci katastru obce Úblo se nachází bývalé lomy na břidlici, z nichž jeden je zatopený. Jedná se o nejsevernější těžbu pokrývačské břidlice v Nízkém Jeseníku.
Radnicko (Plzeňský kraj)
Od konce 17. století se břidlice v širším okolí Kamence těžily jako důležitá surovina pro výrobu vitriolu, kamence a českého olea. Byla v nich obsažen pyrit a markazit, z nichž se přírodním větráním uvolňovala kyselina sírová, jež pak reagovala s ostatními minerálními složkami horniny za vzniku sekundárních sulfátů, v minulosti označovaných jako kamence.
- Kamenecké doly: V Kamenci se těžilo na čtyřech patrech, a to hlubinnou těžbou pomocí ražení vodorovných a úklonných štol. Vytěžený materiál se schraňoval na rozsáhlých haldách, kde byl vyluhován vodou. Zachycený roztok procházel složitým procesem zahušťování a mechanickým čištěním pro výrobu vitriolového kamene, ze kterého se dále získávala dýmavá kyselina sírová. Výroba byla zastavena v roce 1906.
Tyto historické důlní lokality jsou dnes často opuštěné, zčásti zatopené, ale mnohé z nich představují unikátní montánní památky a jsou součástí naučných stezek, které ukazují zdejší geologii a historii těžby.
Čtěte také: Moderní dekory Fatra Thermofix
| Lokalita | Typ těžby | Hlavní produkt | Období intenzivní těžby | Současný stav |
|---|---|---|---|---|
| Svobodné Heřmanice | Jámové lomy | Pokrývačské břidlice | Polovina 18. století - 1948 | Opuštěný, zatopený lom |
| Jakartovice | Jámové lomy, hlubinná | Pokrývačské břidlice | Začátek 19. století - WWII | Opuštěné lomy, štola Hermína |
| Bohdanovice | Jámové lomy, stěnové lomy, hlubinná | Pokrývačské břidlice | Nespecifikováno - polovina 19. století | Opuštěné lomy, ruiny staveb |
| Úblo | Lomy | Pokrývačské břidlice | Nespecifikováno | Bývalé lomy, některé zatopené |
| Kamenec (Radnicko) | Hlubinná (štoly) | Vitriol, kamenec, kyselina sírová | Konec 17. století - 1906 | Opuštěné doly, montánní památky |
tags: #hlubinná #těžba #břidlice #technologie #a #postup