BOGACZ W. & KROKOWSKI J. 1981 — Rotation of the Upper Sile-sian Coal Basin. Rocz. Pol. Tow. Geol., 51: 361–381.
BU£A Z., JACHOWICZ M. & ¯ABA J. 1997 — Principal characteri-stics of the Upper Silesian Block and Malopolska Block border zone (southern Poland). Geol. Mag., 134: 669–677.
HERBICH E. 1981 — Analiza tektoniczna sieci uskokowej GZW. Rocz. Pol. Tow. Geol., 51, 3-4: 383–434.
JAROSZEWSKI W. 1994 — Uskoki i zjawiska pokrewne. [W:] Dadlez R. & Jaroszewski W. (red.) Tektonika. PWN, Warszawa: 88–162. KOTAS A. 1968 — Budowa geologiczna pod³o¿a utworów produktyw-nych GZW. Kwart. Geol., 12: 1088–1090.
KOTAS A. 1972 — Wa¿niejsze cechy budowy geologicznej GZW na tle pozycji tektonicznej i budowy g³êbokiego pod³o¿a utworów produk-tywnych. [W:] Problemy geodynamiki i t¹pañ, 1. Kom. Górnictwa PAN, Kraków: 5–55.
KOTAS A. 1973 — Mapa geologiczna GZW odkryta po karbon w skali 1 : 100 000. Arch. Pañstwowego Instytutu Geologicznego, OG Sosno-wiec.
KOTAS A. 1985 — Uwagi o ewolucji strukturalnej GZW. [W:] Mat. Konf. Tektonika GZW. UŒ, Sosnowiec: 17–46.
KOTAS A. & MALCZYK W. 1964 — Rozwój warstw siod³owych i rudzkich w œwietle prac nad identyfikacj¹ pok³adów wêgla w GZW. Kwart. Geol., 8: 966–967.
LISEK A. & TEPER L. 2004 — Analiza rozmiarowych parametrów uskoków w KWK „Staszic”; klucz do interpretacji ewolucji stref usko-kowych. [W:] Mat. XXVII Symp. Geologia Formacji Wêglonoœnych Polski. AGH, Kraków: 93–98.
NIZICKI R. — Zró¿nicowanie przestrzenne geometrii systemu uskoku k³odnickiego. WNoZ UŒ, Sosnowiec (w przygotowaniu).
PTAK A. — Rozpoznanie warunków deformacji karboñskiej serii wêglonoœnej w pó³nocno-wschodniej czêœci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego na podstawie analizy cech geometrycznych kopu³ siod³a g³ównego. WNoZ UŒ, Sosnowiec (w przygotowaniu).
TEPER L. 1988 — Okreœlenie charakteru deformacji górotworu karboñ-skiego na podstawie badañ niektórych geomechanicznych cech ska³ w pó³nocno-wschodniej czêœci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Arch. G³ównego Instytutu Górnictwa, Katowice.
TEPER L. 1989 — Mezo- i makrotektoniczne przes³anki przesuwczych ruchów w pod³o¿u krystalicznym pó³nocno-wschodniej czêœci GZW. Pr. Kom. Nauk. PAN o. Katowice, 14: 40–41.
TEPER L. 1996 — Fault dimensions and displacements in mining area: northern part of the Upper Silesian Coal Basin. [In:] Idziak A.(ed.) Tectonophysics of Mining Areas. Wyd. UŒ, Katowice: 41–56. TEPER L. 1998 — Wp³yw nieci¹g³oœci pod³o¿a karbonu na sejsmotek-tonikê pó³nocnej czêœci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Wyd. UŒ, Katowice.
TEPER L. 2000 — Geometry of fold arrays in the Silesian-Cracovian Region of southern Poland. [In:] Cosgrove J.W. & Ameen M.S. (ed.) Forced Folds and Fractures. Geol. Soc. London. Spec. Publs. 169: 167–179.
TEPER L. & LISEK A. 2006 — Analysis of displacement geometry: A tool for identifying kinematic form of fault. Publ. Inst. Geophys. Pol, Acad. Sci., M-29 (395): 119–130.
WALSH J.J. & WATTERSON J. 1990 — New methods of fault projec-tion for coalmine planning. Proc. Yorks. Geol. Soc., 48: 209–219. ¯ABA J. 1995 — Uskoki przesuwcze strefy krawêdziowej bloków gór-noœl¹skiego i ma³opolskiego. Prz. Geol., 10: 838–842.
Metan pok³adów wêgla na obszarze Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego
Jan Kwarciñski
1, Jerzy Hadro
2Coalbed methane in the Upper Silesian Coal Basin. Prz. Geol., 56: 485–490.
A b s t r a c t. Coalbed methane (CBM) should be considered complementary to conventional gas. CBM resource is estimated at 28.5 billion m3for active coal mines in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) and 124.5 billion m3for the prospective areas outside of coal mines. The large CBM resource of the USCB, which is comparable with all conventional gas reserves in Poland, could significantly improve the energy balance of our country. Currently, CBM is produced only in association with coal production, and methane is considered as a by-product of coal extraction. Methane production from active coal mines is 289 million m3whereas only 50% of methane gas is utilized. If the sizeable CBM resource of the USCB could be successfully combined with the state-of-the-art technologies of CBM pro-duction (horizontal wells), coalbed gas would soon become a significant portion of natural gas supply in Poland. Undoubtedly, an active role of the Polish government in stimulating CBM investments would significantly help to achieve this objective.
Keywords: Upper Silesian Coal Basin, coalbed methane, horizontal drilling, CBM resource, CBM production
Wystêpowanie wêglowodorów gazowych (g³ównie metanu) w utworach formacji wêglonoœnych jest genetycz-nie zwi¹zane z uwêglegenetycz-niem substancji organicznej z³ó¿ wêgla, przy czym istnieje równie¿ mo¿liwoœæ wystêpowa-nia m³odszych gazów pochodzewystêpowa-nia biogenicznego. W Pol-sce do koñca lat 80. XX w. obecnoœæ tych gazów w z³o¿ach wêgla by³a postrzegana wy³¹cznie przez pryzmat za-gro¿eñ gazowych podczas eksploatacji. Problematyce zagro¿eñ by³y podporz¹dkowane badania gazowe wyko-nywane w otworach wiertniczych na etapie poszukiwania i rozpoznawania z³ó¿ wêgla kamiennego, jak równie¿
w wyrobiskach górniczych w trakcie eksploatacji wêgla. Metan by³ dokumentowany wy³¹cznie jako kopalina towa-rzysz¹ca, natomiast jego eksploatacja ze z³ó¿ wêgla kamiennego by³a traktowana g³ównie jako jeden ze sposo-bów zwalczania zagro¿eñ gazowych w czynnych kopal-niach wêgla kamiennego.
Zasadniczy zwrot w podejœciu do metanu w z³o¿ach wêgla kamiennego (MPW) nast¹pi³ po przemianach spo³eczno-gospodarczych na pocz¹tku lat 90., gdy sta³ siê on przedmiotem poszukiwania i rozpoznawania jako kopa-lina g³ówna. Inwestorzy zagraniczni zainteresowali siê MPW z Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego (GZW), gdy eksperci amerykañscy oszacowali zasoby metanu na obszarze GZW na 1 300 mld m3. Mimo ¿e (jak wykazano póŸniej) ta ocena by³a przesadzona, to w du¿ej mierze zadecydowa³a o rozwoju na terenie GZW badañ nad eks-ploatacj¹ MPW jako kopaliny g³ównej.
J. Kwarciñski J. Hadro
1Pañstwowy Instytut Geologiczny, Oddzia³ Górnoœl¹ski, ul. Królowej Jadwigi 1, 41-200 Sosnowiec; jan.kwarcinski@ pgi.gov.pl
2EurEnergy Resources Poland Sp. z o.o., Al. Jerozolimskie 30/7, 00-024 Warszawa; jurek.hadro@interia.pl
Prekursorem badañ doty-cz¹cych zasobów MPW jako kopaliny g³ównej w Polsce by³ Adam Kotas, pracownik Oddzia³u Górnoœl¹skiego Pañ-stwowego Instytutu Geologicz-nego w Sosnowcu. W latach 1990–1992 zespó³ pod kierun-kiem Kotasa po raz pierwszy obliczy³ zasoby MPW w pol-skich zag³êbiach wêglowych, a nastêpnie na zlecenie Mini-sterstwa Œrodowiska opracowa³ pakiety informacyjne do prze-targu na poszukiwanie i rozpo-znawanie MPW na obszarze GZW. Kotas by³ te¿ g³ównym autorem pierwszej dokumenta-cji MPW jako kopaliny g³ównej — z³o¿a Paniowy-Miko³ów-Pa-newniki. Podsumowanie ówcze-snej wiedzy dotycz¹cej MPW w zag³êbiu zosta³o opublikowa-ne pod red. Kotasa w 1994 r., w Pracach Pañstwowego Instytutu
Geologicznego, pt. Coal-bed
methane potential of the USCB, Poland.
Rozmieszczenie metanu pok³adów wêgla na obszarze GZW
W warunkach geologicz-nych panuj¹cych w GZW metan wystêpuje praktycznie wy³¹cznie w postaci gazu sorbowanego w mikro- i submikroporach wêglo-wego matriksu. Obecnoœæ gazu wolnego w spêkaniach i makro-porach oraz metanu rozpusz-czonego w wodzie z³o¿owej ma marginalne znaczenie. Pionow¹ zmiennoœæ metanonoœnoœci po-k³adów wêgla na obszarze GZW opisuj¹ dwa podstawowe mode-le (Kotas, 1994):
„pó³nocny” (Parmeable Cover Rocks), wg którego góro-twór karbonu zosta³ odgazowa-ny do g³êbokoœci 500–1000 m i g³êbiej; czynnikiem uszczelnia-j¹cym górotwór i ograniczaj¹-cym migracjê gazu w kierunku powierzchni s¹ s³abo przepusz-czalne dla gazu osady i³owców i mu³owców karboñskich;
„po³udniowy” (Impere-able Cover Rocks), wg którego pionowa zmiennoœæ metanono-œnoœci pok³adów wêgla charak-teryzuje siê wystêpowaniem dwóch maksimów zawartoœci metanu; pierwsze jest zwi¹zane z podstropow¹ stref¹ wtórnego 1000
zasiêg modelu
pionowej zmiennoœci metanonoœnoœci
extent of vertical
methane content changeability
granica GZW
boundary of the USCB
granica szacowania zasobów MPW
boundary of the CBM resource estimation
uskoki
faults
strop serii z³o¿owej MPW
top of the CBM coals
obszary pozosta³ych kopalñ
other active coal mines
obszary kopalñ z udokumentowanymi zasobami MPW
active coal mines with the proven CBM reserves
0 5 10 15 20km REGION PÓ£NOCNY NORTHERN AREA REGION PO£UDNIOWY SOUTHERN AREA Katowice Bielsko-Bia³a
Ryc. 1. Strop podstawowej strefy pok³adów metanowych (strefy z³o¿owej MPW) w GZW Fig. 1. Top of the main gassy coal zone (CBM prospective interval) in the USCB
0 2 4 6 8 10 12 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 refleksyjnoœc witrynitu [%] vitrinite reflectance [%] zawartoœæ gazu [m /t, daf] 3 gas content [m /t, daf] 3
Ryc. 2. Zale¿noœæ gazonoœnoœci (metoda USBM) od refleksyjnoœci witrynitu w 18 otworach z rejonu niecki g³ównej
Fig. 2. Relationship between coalbed gas content (USBM method) and vitrinite reflectance for 18 boreholes of the Main Syncline
nagromadzenia metanu bakteryjnego w pok³adach wêgla (elementem uszczelniaj¹cym s¹ utwory miocenu), drugie (g³êbsze) jest zwi¹zane z zasiêgiem pierwotnego odgazo-wania górotworu (elementem uszczelniaj¹cym s¹ i³owce i mu³owce karboñskie).
Po³o¿enie regionów geologiczno-gazowych na obsza-rze GZW pobsza-rzedstawiono na mapie stropu podstawowej strefy wystêpowania pok³adów silnie metanowych (strefy z³o¿owej MPW), definiowanej wystêpowaniem pok³adów o metanonoœnoœci co najmniej 4,5 m3/tcsw (ryc. 1), przy czym umowna granica rozdzielaj¹ca zasiêg obu regionów jest definiowana wystêpowaniem w strefie wtórnego nasy-cenia pok³adów wêgla o metanonoœnoœci przynajmniej 2,5 m3/tcsw.
W obu regionach geologiczno-gazowych zaobserwo-wano bardzo zró¿nicowane profile metanonoœnoœci, ich wspólnymi cechami s¹ wystêpowanie strefy odgazowanej, wzrost metanonoœnoœci do wartoœci maksymalnych, a nas-têpnie spadek metanonoœnoœci, czêsto znaczny. Jak dot¹d jedynym czynnikiem, który wykazuje zwi¹zek z piono-wym rozk³adem metanonoœnoœci, jest rozk³ad dojrza³oœci termicznej substancji wêglowej wyra¿ony refleksyjnoœci¹ witrynitu (Ro). W niecce g³ównej GZW wystêpowanie strefy maksymalnych metanonoœnoœci koreluje siê z warto-œciami Ro 0,9–1,1% (ryc. 2).
Odwzorowaniem kartograficznym lateralnego rozk-³adu metanonoœnoœci jest mapa warstwicowa powierzchni stropowej pok³adów wêgla o metanonoœnoœci przewy¿-szaj¹cej 4,5 m3/tcsw(ryc. 1). Powierzchnia ta definiuje jed-noczeœnie strefê odgazowan¹. W regionie po³udniowym obraz dodatkowo jest zaburzony wystêpowaniem strefy wtórnego nasycenia pok³adów wêgla, która zalega p³ytko pod stropem karbonu. Strop podstawowej strefy pok³adów gazonoœnych (> 4,5 m3/t) wystêpuje na g³êbokoœci od ok. –1300 do ok. –150 m n.p.m. (400–1500 m p.p.t.).
Zasadniczo nie stwierdzono zale¿noœci g³êbokoœci odgazowania od stratygrafii utworów karbonu, niemniej jednak na ograniczonym obszarze obserwujemy zgodnoœæ g³êbokoœci odgazowania z wystêpowaniem krakowskiej serii piaskowcowej. Ponadto w rejonie niecki g³ównej ukszta³towanie stropowej powierzchni pok³adów gazono-œnych jest w du¿ej mierze zgodne z ukszta³towaniem stro-pu powierzchni wêgli koksowych.
Zasoby metanu pok³adów wêgla (MPW) na obszarze GZW
Pierwsze szacunki zasobów metanu wykonano w po-³owie lat 60. XX w. w kopalni 1 Maja (Zychowicz, 1964) oraz w kopalniach Rybnickiego Okrêgu Wêglowego (ROW) (Kucharczyk i in., 1965). Metodyka obliczania zasobów MPW, zastosowana w tych dokumentacjach, z niewielkimi modyfikacjami jest wykorzystywana do dziœ. Modyfikacje obliczenia zasobów metanu by³y g³ównie wynikiem zmie-niaj¹cych siê kryteriów bilansowoœci.
Zasoby metanu s¹ obliczane podczas dokumentowania zasobów kopaliny g³ównej — wêgla kamiennego. Obecnie s¹ obliczane przede wszystkim zasoby metanu sorbowanego. Podstaw¹ dokumentowania zasobów MPW s¹ ca³kowite zasoby wêgla kamiennego (powiêkszone o nieudokumen-towane zasoby wêgla w pok³adach o gruboœci wiêkszej od 0,1 m) oraz wyniki pomiarów metanonoœnoœci pok³adów wêgla. Zgodnie z aktualnie obowi¹zuj¹cymi kryteriami bilansowoœci zasoby MPW s¹ obliczane w wydzielonej strefie zasobowej, w której œrednia metanonoœnoœæ
prze-kracza wartoœæ metanonoœnoœci resztkowej, do g³êbokoœci dokumentowania z³o¿a wêgla kamiennego.
Obecnie na obszarze GZW w kopalniach czynnych s¹ udokumentowane 24 z³o¿a metanu jako kopaliny towa-rzysz¹cej. Bilansowe zasoby wydobywalne tych z³ó¿ wynosz¹ 28 477 mln m3, natomiast zasoby przemys³owe 3 556 mln m3(Bilans zasobów…, 2007).
Pierwsze szacowanie zasobów metanu pok³adów wêgla jako kopaliny g³ównej na obszarze GZW wykonano na pocz¹tku lat 90. (Kotas, 1990). Szacunek ten zosta³ wykonany z powodu koncesjonowania z³ó¿ MPW. Obli-czono zasoby metanu in situ, stosuj¹c metodê objêtoœciow¹ szacowania zasobów MPW, w znacznej mierze importo-wanej z USA. Jako warunki brzegowe szacunku zasobów MPW przyjêto:
mi¹¿szoœæ pok³adów wêgla > 0,3 m,
g³êbokoœæ szacowania zasobów 1600 m,
metanonoœnoœæ³ 4,5 m3/tcsw— tylko w podstawo-wej strefie pok³adów metanowych.
W kolejnych latach ró¿ne instytucje (tab. 1) dokona³y ponownych wyliczeñ zasobów MPW. Wszystkie one doty-czy³y zasobów in situ i wykorzystywa³y metodê objêto-œciow¹, przy czym w kolejnych obliczeniach zmienia³y siê jedynie warunki brzegowe szacowania zasobów. Wszyst-kie szacunki zasobów MPW wykonane przez ró¿ne polsWszyst-kie instytucje by³y zbli¿one.
Zupe³nie inne, znacznie wiêksze zasoby zosta³y osza-cowane przez US EPA w 1991 r. Zasoby — 1 300 mld m3 (Report of US EPA, 1991) obliczono na podstawie zasobów wêgla kamiennego, wielkoœci eksploatacji wêgla kamien-nego i emisji metanu.
Pierwszy szacunek zasobów bilansowych wydobywal-nych wykonano w roku 2006 (Kwarciñski, 2006). Te zaso-by równie¿ wyliczono metod¹ objêtoœciow¹, przy czym ograniczono szacowanie zasobów metanu do obszaru najbardziej perspektywicznego — rejonu niecki g³ównej (ryc. 1). Zasoby obliczono w niezagospodarowanych z³o-¿ach wêgla, z³oz³o-¿ach zlikwidowanych kopalñ, terenach nie-udokumentowanych oraz z³o¿ach czynnych kopalñ (poni¿ej 1000 m). Zasoby metanu obliczono w podstawowej stre-fie pok³adów metanowych, zgodnie z obowi¹zuj¹cymi kryteriami bilansowoœci, to jest do g³êbokoœci 1500 m, w pok³adach wêgla o minimalnej mi¹¿szoœci 0,6 m oraz œredniej metanonoœnoœci wiêkszej od 2,5 m3/tcsw. Wielkoœæ wydobywalnych, bilansowych zasobów metanu jako kopa-liny g³ównej oszacowano na 124,5 mld m3. Oszacowane zasoby MPW na obszarze Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego s¹ zbli¿one do wydobywalnych zasobów bi-Tab. 1. Zasoby metanu pok³adów wêgla na obszarze GZW Table 1. Coalbed methane resources for the USCB
Wykonawca szacacowania zasobów MPW
CBM resource estimated by
Zasoby MPW
CBM resource
[109m3] Pañstwowy Instytut Geologiczny — Kotas 1990
Polish Geological Institute — Kotas, 1990
365 Katowickie Przedsiêbiorstwo Geologiczne — Pêka³a, 1992
Geological Enterprise of Katowice — Pêka³a, 1992
nie mniej ni¿ 300–320 At least 300–320 G³ówny Instytut Górnictwa — Kaziuk i in., 1994
Central Mining Institute — Kaziuk et al., 1994 442
lansowych gazu konwencjonalnego w Polsce — 134,3 mld m3 (Bilans zasobów …, 2007).
Eksploatacja metanu jako kopaliny towarzysz¹cej
Eksploatacja gazu (metanu) ze z³ó¿ wêgla kamiennego jest œciœle zwi¹zana z jego form¹ wystêpowania. Metan wystêpuj¹cy w formie gazu wolnego jest wydobywany podobnie jak w konwencjonalnych z³o¿ach gazu ziemnego — za pomoc¹ otworów wierconych z powierzchni. Eksplo-atacjê gazu wolnego prowadzono: ze z³o¿a Marklowice, gdzie w latach 1951–1976 wyeksploatowano ogó³em ponad 350 mln m3gazu (w przeliczeniu na czysty metan); w pó³nocnej czêœci kopalni Silesia, gdzie w latach 1965–1971 ujêto 10,75 mln m3metanu (Grudnik & W¹tor, 2000) oraz na obszarze górniczym kopalni Moszczenica, gdzie przez 5 lat jednym otworem wiertniczym eksploato-wano metan, œrednie ujêcie wynioso 2 m3CH4/min (Krzy-sztolik & Kobiela, 1992).
Równolegle z prowadzon¹ od pocz¹tku lat 50. eksplo-atacj¹ metanu wolnego prowadzono prace nad technolo-giami podziemnego odmetanowania wyrobisk górniczych. Pierwsz¹ podziemn¹ instalacjê do odmetanowania góro-tworu na obszarze GZW oddano do u¿ytku w 1959 r., na obszarze górniczym kopalni Silesia. W kolejnych latach odmetanowanie wprowadzono we wszystkich kopalniach ROW oraz w kopalni Brzeszcze. W kopalniach zlokalizo-wanych w centralnej i pó³nocnej czêœci zag³êbia instalacje podziemnego odmetanowania wprowadzano sukcesywnie
w miarê pog³êbiania zak³adów wydobywczych. W 2005 r. odmetanowanie podziemne by³o prowadzone w 20 kopal-niach wêgla kamiennego (Konopko, 2006).
W okresie restrukturyzacji górnictwa wêglowego w Pol-sce, w latach 1988–2006, wydobycie wêgla z kopalñ Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego zmniejszy³o siê o ponad 50%, z 188,5 mln ton w roku 1988 do 89,9 mln ton w roku 2006. W analizowanym okresie metanowoœæ kopalñ wêgla kamiennego w GZW spad³a o ok. 17,1%, iloœæ meta-nu ujmowanego zwiêkszy³a siê nieznacznie o 3,2%, natomiast wykorzystanie metanu zdecydowanie spad³o — o 23,1% (tab. 2). Równoczeœnie wskaŸnik ujêcia metanu w kopalniach GZW (stosunek iloœci ujêtego metanu do metanowoœci kopalñ) nieznacznie siê zmieni³ (z 28,2% w roku 1988 do 33,2% w 2006 r.), natomiast wskaŸnik wykorzystania ujêtego metanu (stosunek iloœci metanu wykorzystanego do iloœci metanu ujêtego) spad³ z 73,4% do 54,7%. Œwiadczy to jednoznacznie, ¿e w górnictwie wêgla kamiennego odmetanowanie górotworu (eksploata-cja metanu) jest traktowane przede wszystkim jako jeden ze sposobów zwalczania zagro¿eñ gazowych w kopalni. Jedn¹ z wa¿niejszych przyczyn takiego stanu rzeczy jest brak zachêt ekonomicznych do inwestowania w instalacje do ujmowania i przesy³u oraz wykorzystania gazu kopal-nianego.
Jednym ze sposobów rozwi¹zania problemu wykorzy-stania ujêtego gazu kopalnianego (zawartoœæ metanu 35–60%) mo¿e byæ zaliczenie tego gazu do Ÿróde³ energii odnawialnej (niekonwencjonalnej), wzorem Niemiec, Tab. 2. Metanowoœæ kopalñ oraz iloœæ metanu ujmowanego i wykorzystywanego w kopalniach wêgla kamiennego GZW na tle wielkoœci wydobycia wêgla kamiennego (lata 1988–2006) (Grzybek, 1998; Konopko, 1993–2007)
Table 2. Methane emission of coal mines and the volume of methane captured and utilized in the coal mines of the USCB versus hard coal production (years: 1988–2006) (Grzybek, 1998; Konopko, 1993–2007)
Rok Year Metanowoœæ kopalñ [106m3CH4] Methane emission [106m3CH4] Metan ujêty [106m3CH 4] Methane captured [106m3CH4] WskaŸnik ujêcia metanu [%] Percentage of captured methane Wykorzystanie ujêtego metanu [106m3CH4] Methane utilized [106m3CH4] WskaŸnik wykorzystania [%] Percentage of utilized methane Wydobycie wêgla [106t] Coal production [106t] Metanowoœæ relatywna [m3CH4/ t wydobytego wêgla]
Relative methane content
[m3CH4/ t of produced coal] 1988 996,0 280,4 28,2 205,9 73,4 188,5 5,28 1989 1011,6 283,5 28,0 201,1 70,9 171,4 5,90 1990 951,8 261,2 27,4 194,7 74,5 148,4 6,41 1991 875,3 251,6 28,7 191,1 75,9 139,9 6,26 1992 813,2 232,9 28,6 175,3 75,3 129,4 6,28 1993 757,3 213,3 28,2 167,6 78,6 126,4 5,99 1994 743,2 204,5 27,5 136,3 66,6 128,4 5,79 1995 725,6 198,3 27,3 137,1 69,1 130,6 5,56 1996 723,9 195,9 27,1 142,6 72,8 131,8 5,49 1997 773,3 205,2 26,5 140,4 68,4 133,0 5,81 1998 720,1 196,4 27,3 136,3 69,4 111,7 6,45 1999 750,8 218,0 29,0 131,7 60,4 104,9 7,16 2000 772,1 226,0 29,3 124,0 54,9 97,9 7,89 2001 757,0 219,7 29,0 131,8 60,0 98,5 7,69 2002 765,1 208,0 27,2 122,3 58,8 97,8 7,82 2003 798,3 227,1 28,4 128,1 56,4 95,8 8,33 2004 825,9 250,9 30,4 144,8 57,7 93,7 8,81 2005 851,1 255,3 30,0 144,8 56,7 91,7 9,23 2006 870,3 289,3 33,2 158,3 54,7 89,9 10,30
gdzie wprowadzenie odpowiedniej ustawy spowodowa³o niebywa³y wzrost wykorzystania gazu kopalnianego do produkcji energii elektrycznej. Produkcja energii elek-trycznej z gazu kopalnianego ujmowanego w kopalniach czynnych i zlikwidowanych w Niemczech w latach 2000–2005 wzros³a ponad trzykrotnie, z ok. 250 GWh do prawie 900 GWh (dane: Bundesanstalt für Geowissenscha-ften und Rohstoffe — projekt Kohleflözgas im Steinkohlen-bergbau, Niemcy, 2006).
Ogó³em od pocz¹tku prowadzenia eksploatacji metanu na obszarze GZW, w latach 1951–2006, ujêto ok. 10,5 mld m3 gazu (w przeliczeniu na czysty metan), z czego gospodar-czo wykorzystano ok. 7 mld m3.
Perspektywy eksploatacji metanu jako kopaliny g³ównej
Na obszarze GZW w latach 1991–1998 firmy AMOCO, TEXACO, Metanel oraz Pol-Tex Methane w ramach po-siadanych koncesji prowadzi³y intensywne prace nad pozyskaniem MPW jako kopaliny g³ównej. Dzia³ania obej-mowa³y równie¿ próbne testy eksploatacji metanu. Zasto-sowana metoda eksploatacji polega³a na jednoczesnym udostêpnianiu wielu gazonoœnych pok³adów wêgla dziêki perforacji i szczelinowaniu hydraulicznemu. Prace, skon-centrowane w najbardziej zasobnym obszarze niecki g³ównej, nie zakoñczy³y siê sukcesem, pomimo zaanga-¿owania bardzo du¿ych œrodków finansowych i najnowo-czeœniejszych, jak na owe czasy, technik badawczych. Przyczyn¹ niepowodzeñ by³y ma³e wydajnoœci produko-wanego w czasie testów metanu, które nie gwarantowa³y op³acalnoœci inwestycji. Najwa¿niejszym czynnikiem geo-logicznym odpowiedzialnym za ten stan rzeczy jest bardzo ma³a przepuszczalnoœæ pok³adów wêgla.
Od zakoñczenia prac geologicznych minê³o 10 lat. W tym czasie technologia eksploatacji metanu pok³adów wêgla zosta³a znacz¹co unowoczeœniona. Prze³omem technolo-gicznym okaza³o siê zastosowanie wierceñ kierunkowych (poziomych) w udostêpnianiu gazonoœnych pok³adów wêgla. Szczególnie dobre wyniki daje skojarzenie wierceñ poziomych z wierceniem poni¿ej równowagi ciœnienia w otworze (under-balanced drilling). Odwierty poziome zapewniaj¹ bardzo rozleg³¹ powierzchniê drena¿u, nato-miast wiercenie poni¿ej równowagi ciœnienia pozwala unikn¹æ uszkodzenia strefy przyodwiertowej. Dziêki za-stosowaniu tych metod wiercenia w Stanach Zjednoczo-nych, Australii i Kanadzie produkuje siê obecnie gaz ze s³abo przepuszczalnych pok³adów wêgla, których eksplo-atacja, podobnie jak na obszarze GZW, zosta³a uprzednio uznana za nieop³acaln¹.
Modelowym przyk³adem zastosowania technologii wierceñ poziomych jest zag³êbie wêglowe Arkoma w USA (Kêdzior i in., 2007). Po niepowodzeniach eksploatacji MPW z zastosowaniem klasycznej technologii wprowa-dzenie wierceñ horyzontalnych spowodowa³o skokowy wzrost op³acalnoœci inwestycji pod koniec lat 90. Obecnie zdecydowana wiêkszoœæ z ok. 500 odwiertów produkcyj-nych to otwory horyzontalne. Pocz¹tkowo wydajnoœæ tych odwiertów z regu³y przekracza 0,5 mln cf/d (14 000 m3/d). Stosunek wydajnoœci odwiertów horyzontalnych do piono-wych wynosi 10 : 1. Zasadniczo gaz pochodzi z jednego pok³adu o mi¹¿szoœci 0,9–2,3 m, zalegaj¹cego na g³êbokoœci 400–900 m (Fisher, 2005; Cameron i in., 2007). Równie¿ w Polsce, na obszarze GZW, firma EurEnergy w ramach posiadanej koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie z³ó¿
MPW planuje wykonanie testów produkcyjnych metanu w otworach poziomych. Interesuj¹ce mo¿e byæ tak¿e wykorzystanie otworów poziomych po eksploatacji MPW jako geogeneratorów do podziemnego zgazowania wêgla w z³o¿u, a nastêpnie jako zbiorników podziemnej sekwe-stracji CO2.
Metan pok³adów wêgla nale¿y do akumulacji gazu nie-konwencjonalnego, typu ci¹g³ego, które charakteryzuj¹ siê znacznymi zasobami, lecz nisk¹ przepuszczalnoœci¹ ska³ zbiornikowych i wymagaj¹ zastosowania specjalnych metod eksploatacji. Inne ni¿ w z³o¿ach gazu konwencjo-nalnego musi byæ tak¿e podejœcie do op³acalnoœci takich inwestycji. Metan pok³adów wêgla mia³ szansê zaistnieæ w USA tylko dziêki aktywnej roli pañstwa, g³ównie dziêki sprzyjaj¹cym regulacjom podatkowym. Pocz¹tkowe wsparcie pañstwa zaowocowa³o powstaniem przemys³u wydobywczego MPW pos³uguj¹cego siê swoist¹ technolo-gi¹ wiertnicz¹, która przede wszystkim jest znacznie tañsza od technologii stosowanej w konwencjonalnym przemyœle wydobywczym ropy i gazu. Dziêki temu MPW mo¿e teraz z powodzeniem konkurowaæ z konwencjonalnym gazem, pomimo niewielkich wydajnoœci produkcyjnych. Obecnie w USA wydobywa siê 50 mld m3metanu rocznie w kilku-nastu zag³êbiach wêglowych, co stanowi 10% krajowej produkcji gazu suchego (dane: Energy Information Admi-nistration — Coalbed Methane Proved Reserves and Pro-duction, USA, 2006), i wydobycie stale roœnie.
W Polsce, jak i w ca³ej Europie, MPW, podobnie jak inne formy gazu niekonwencjonalnego, nie mog¹ siê prze-biæ, z uwagi na ca³kowite zrównanie inwestycyjne z gazem konwencjonalnym. Jeœli weŸmie siê pod uwagê mono-polistyczny rynek gazu oraz utrudniony dostêp do taniej technologii wydobywczej (bariery administracyjne dla importowania jej z USA lub Australii), jest to wci¹¿ nie-zbyt sprzyjaj¹cy klimat do inwestycji w MPW. W zwi¹zku z tym nawet obiecuj¹ce nowoczesne technologie, które potrafi¹ pokonywaæ ograniczenia wynikaj¹ce z niesprzy-jaj¹cych czynników geologicznych, mog¹ nie wystarczyæ w konfrontacji z nasz¹ rzeczywistoœci¹ polityczno-ekono-miczn¹.
Podsumowanie i wnioski
1) Zasoby metanu pok³adów wêgla na obszarze GZW wynosz¹:
wydobywalne, bilansowe zasoby MPW kopalñ czynnych — 28,5 mld m3,
wydobywalne, bilansowe zasoby MPW obszaru niecki g³ównej — 124,5 mld m3.
Wielkoœæ wydobywalnych zasobów MPW na obszarze GZW jest zbli¿ona do wydobywalnych zasobów bilanso-wych gazu konwencjonalnego w Polsce — 134,3 mld m3 i mo¿e byæ istotna w bilansie energetycznym (gazowym) kraju, jeœli eksploatacja bêdzie ekonomicznie uzasadniona. 2) W górnictwie wêgla kamiennego odmetanowanie górotworu (eksploatacja gazu kopalnianego) jest traktowa-ne przede wszystkim jako jeden ze sposobów zwalczania zagro¿eñ gazowych w kopalni. Brak mo¿liwoœci inwesty-cyjnych w kopalniach wêgla kamiennego powoduje, ¿e prawie 50% metanu pierwotnie ujêtego jest emitowane do atmosfery. Jedn¹ z metod rozwi¹zywania tego problemu mo¿ne byæ zaliczenie (wzorem Niemiec) ujmowanego gazu kopalnianego do Ÿróde³ energii odnawialnej (niekon-wencjonalnej). W krótkiej perspektywie powinno to dopro-wadziæ do zwiêkszenia wykorzystania ujêtego gazu
kopalnianego (metanu), a w d³u¿szej do wzrostu wielkoœci jego eksploatacji.
3) Wprowadzenie na obszarze GZW nowych (spraw-dzonych w USA) technologii eksploatacji metanu pok³adów wêgla jako kopaliny g³ównej z zastosowaniem otworów horyzontalnych mo¿e przynieœæ wymierne korzy-œci w postaci niezale¿nokorzy-œci energetycznej. Jednak¿e obec-na sytuacja rynku gazowego w Polsce, jak równie¿ trudny dostêp do taniej technologii wydobywczej nie sprzyjaj¹ inwestowaniu w zagospodarowanie MPW. Tê sytuacjê mo¿e poprawiæ aktywnoœæ pañstwa, które bêdzie wspieraæ inwestycje w gaz niekonwencjonalny oraz odblokuje bariery administracyjne.
4) Cenna jest mo¿liwoœæ wykorzystania otworów poziomych do eksploatacji MPW jako geogeneratorów do podziemnego zgazowania wêgla w z³o¿u, a nastêpnie jako zbiorników podziemnej sekwestracji CO2.
Literatura
Bilans zasobów kopalin i wód podziemnych w Polsce wg stanu na 31
XII 2006 r., 2007. Wyd. PIG. Warszawa.
CAMERON J.R., PALMER I.D., LUKAS A. & MOSCHOVIDIS Z.A. 2007 — Effectiveness of horizontal wells in CBM. International Coal-bed Methane Symposium, Tuscaloosa, Al.
FISHER J. 2005 — CBM is the Place to Be. Oil and Gas Investor, A Supplement, December 2005.
GRUDNIK J. & W¥TOR L. 2000 — Ocena mo¿liwoœci eksploatacji metanu wolnego nagromadzonego przy stropie utworów karbonu w z³o¿u KWK Silesia. Pr. Nauk. G³. Inst. Gór. Ser. Konf. 8.
GRZYBEK I. 1998 — Emisja i wykorzystanie metanu w kopalniach Rybnickiego Okrêgu Wêglowego. Mat. konf. Ochrona œrodowiska w aspekcie gospodarki wodnej oraz gospodarczego wykorzystania odpadów i metanu w Rybnickim Okrêgu Przemys³owym. III Konferencja naukowo-techniczna, Jastrzêbie Zdrój, 26.10.1998. Katowice: 173–178.
KAZUIK H., BROMEK T., CHEÆKO J. & CHUDZICKA B. 1994 — Warunki wystêpowania metanu pok³adów wêgla w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym i jego zasoby. [W:] Miêdzynarodowa konferencja: Wykorzystanie metanu pok³adów wêgla, Katowice, 5–7.10.1994. Fundacja na rzecz efektywnego wykorzystywania energii, Katowice. KÊDZIOR S., HADRO J., KWARCIÑSKI J., NAGY S.,
M£YNARCZYK M., ROSTOWSKI R. & ZALEWSKA E. 2007 — Warunki naturalne wystêpowania i metody eksploatacji wybranych zag³êbiach wêglowych USA oraz mo¿liwoœci rozwoju eksploatacji tego gazu w Polsce — sprawozdanie z wyjazdu szkoleniowego do USA. Prz. Geol., 55: 565–570.
KONOPKO W. (red.) 1993–2007 — Raporty roczne (1992–2006) o stanie podstawowych zagro¿eñ naturalnych i technicznych w górnic-twie wêgla kamiennego. Wyd. GIG, Katowice.
KOTAS A. (red.) 1990 — Ocena stanu rozpoznania, wystêpowania i zasobów metanu pok³adów wêgla w polskich zag³êbiach wêglowych. CAG Pañstwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
KOTAS A. (ed.) 1994 — Coal–bed methane potential of the Upper Silesian Coal Basin, Poland. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 142: 1–81. KRZYSZTOLIK P. & KOBIELA Z. 1992 — Technologia i bezpieczeñ-stwo wydobycia metanu z pok³adów wêgla oraz skutki dla przysz³ej eksploatacji wêgla. [W:] Mat. Konf. “Workshop on the recovery and end-use of coal-bed methane”. Wyd. GIG, Katowice.
KUCHARCZYK J., GRÊBSKI Z. & ZDRZA£EK E. 1965 — Zasoby gazu ROW oraz mo¿liwoœci ich wykorzystania w przemyœle. Pr. Sekr. Nauk. RZPW. Rybnik.
KWARCIÑSKI J. (red.) 2006 — Weryfikacja bazy zasobowej metanu pok³adów wêgla na obszarze Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. CAG Pañstwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
PÊKA£A Z. 1992 — Metan pok³adów wêgla Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego — problemy rozpoznawania i okreœlania zasobów. Metan pok³adów wêgla — biuletyn. Fundacja na rzecz efektywnego wykorzy-stania energii. Nr 2. Katowice.
Report of US EPA, 1991 — Poland Coal Bed Methane Report
“Assessment of the Potential for Economic Development and Utilisa-tion of Coalbed Methane Development in Poland”. US Environmental Protection Agency, Washington, DC, USA. EPA/400/1-91/032. ZYCHOWICZ Z. 1964 — Zabezpieczenie kopalñ przed eksploatacj¹ ze szczególnym uwzglêdnieniem odmetanowania. Arch. KWK „Mar-cel”, Wodzis³aw Œl.
Œrodowisko hydrogeologiczne utworów pod³o¿a karbonu produktywnego
w zapadlisku górnoœl¹skim
Andrzej Ró¿kowski
1Hydrogeological environment of the Paleozoic formations beneath the Productive Carboniferous in the Upper Silesian Foredeep. Prz. Geol., 56: 490–494.
A b s t r a c t. The investigations carried out in the deep boreholes Gocza³kowice IG-1 (3353.5 m) and Sosnowiec IG-1 (3442.6 m) in the Upper Silesian Foredeep allow to recognize the hydrogeological environment of the Paleo-zoic strata beneath the Productive Carboniferous. The results of investigations show that geological structure con-trols forming of hydrodynamic and hydrochemical conditions within the Upper Silesian Foredeep and it influences diversification of hydrogeological properties, water-bearing capacity and chemical composition of groundwater of the carbonate Lower Carboniferous-Devonian and siliciclastic Cambrian formations.
Keywords: Upper Silesian Foredeep, deep aquifers, hydrogeological environment
Oddzia³ Górnoœl¹ski Instytutu Geologicznego w Sos-nowcu w latach 70. XX w. realizowa³, zgodnie z koncepcj¹ Kotasa (1969), Projekt wierceñ parametrycznych dla roz-poznania pod³o¿a utworów produktywnych Górnoœl¹skie-go Zag³êbia WêgloweGórnoœl¹skie-go. Celem zadania badawczeGórnoœl¹skie-go, oprócz wyjaœnienia wielu problemów wg³êbnej budowy
geologicznej zag³êbia, by³a równie¿ weryfikacja hipotez wystêpowania z³ó¿ bituminów w pod³o¿u utworów karbo-nu produktywnego oraz rozpoznanie jego œrodowiska hydrogeologicznego. W ramach projektu zosta³y odwier-cone dwa najg³êbsze w zag³êbiu otwory wiertnicze: Sosno-wiec IG-1 (3442,6 m) oraz Gocza³kowice IG-1 (3353,5 m). Otwory zosta³y zaprojektowane tak, by osi¹gnê³y pod³o¿e serii terygenicznej dewonu dolnego i w optymalny sposób umo¿liwi³y rozwi¹zanie zadania badawczego (ryc. 1).
