Ropa naftowa, gaz ziemny, węglowodory w łupkach

Najważniejsze obecnie paliwa kopalne, czyli kopaliny (surowce wydobywane z ziemi) będące nieodnawialnymi źródłami energii. Innymi surowcami należącymi do paliw kopalnych są tak zwane kaustobiolity stałe, czyli węgiel kamienny i brunatny oraz torf. W odróżnieniu od nich ropa naftowa oraz gaz ziemny określane są mianem kaustobiolitów ciekłych i gazowych.

Pod względem chemicznym zarówno ropa, jak i gaz ziemny są mieszaninami węglowodorów: związków organicznych składających się z węgla oraz wodoru. Węgiel stanowi szkielet tych związków, tworząc łańcuchy o różnej długości, do których przyłączane są atomy wodoru.

Najprostszy węglowodór nasycony, czyli metan, jest zarazem silnym gazem cieplarnianym, mającym o wiele większy wpływ na ocieplenie klimatu niż dwutlenek węgla (który z kolei może pochodzić ze spalania paliw kopalnych). To dlatego, a także ze względu na zagrożenie wyczerpaniem złóż oraz zagrożeniem dla środowiska wywołanym eksploatacją coraz trudniej dostępnych zasobów, planowane jest stopniowe odejście od paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii. Proces ten zachodzi jednak bardzo powoli, stąd należy się spodziewać trwającego jeszcze lata uzależnienia od ropy i gazu.

Ropa naftowa

Ropa naftowa była znana już w starożytności. W XI wieku Arabowie opracowali technologię jej destylacji, uzyskując naftę. Jednak poza stosowaniem ropy jako smoły i smarów nie znano żadnych istotnych praktycznie sposobów jej wykorzystania. Dopiero w 1853 r. Ignacy Łukasiewicz skonstruował lampę naftową, a w 1854 powstała pierwsza europejska kopalnia ropy (Bóbrka). Kilka lat później również w USA rozpoczęto przemysłową eksploatację tego surowca, który służył tam jako źródło światła, paliwo oraz smar. W 1865 roku powstał pierwszy rurociąg. W latach 60-tych XIX wieku rozpoczęto również eksploatację w kolejnych krajach, po Cesarstwie Austriackim (później monarchii austro-węgierskiej), Rumunii i USA. Początek XX wieku znaczyły odkrycia pierwszych ogromnych złóż kopaliny, o wydajności sięgającej dziesiątek tysięcy baryłek ropy dziennie (wybrzeża Zatoki Meksykańskiej). Największe na świecie zasoby, znajdujące się w okolicach Zatoki Perskiej, rozpoznawano od połowy lat 30-tych XX wieku.

Gaz ziemny

Najstarsze przykłady użycia gazu ziemnego znane są ze starożytności (Chiny). W Europie jego wykorzystanie (jako źródło światła) zostało zapoczątkowane w XVII wieku. Gaz ten nie pochodził jednak ze złóż, ale wytwarzano go przy destylacji węgla oraz torfu. Oświetlenie gazowe stało się jednak powszechnie stosowane dopiero w XIX wieku. Z kolei z końca XVIII wieku pochodzą pierwsze doniesienia o znalezieniu wycieków gazu w jeziorach i studniach. Ich użycie w celu oświetlenia zapoczątkowano w latach 20-tych XIX wieku. Nadal jednak nie było mowy o eksploatacji przemysłowej ze względu na brak technologii oraz rurociągów. W 1872 roku w stanie Nowy Jork (USA) powstał pierwszy długi, 40-kilometrowy, gazociąg wykonany z drewna. Dalszy rozwój oświetlenia gazowego został jednak zahamowany na skutek opracowania pierwszych żarówek elektrycznych. Od tej pory gaz zaczął być stosowany przede wszystkim dla celów grzewczych.

W latach 20-tych XX wieku gaz ziemny stał się jednym z najistotniejszych źródeł energii. Umożliwiło to opracowanie technologii pozwalających na przesyłanie gazu pod wysokim ciśnieniem, a także szczelnych i pozbawionych szwów rur. Po II wojnie światowej gaz umożliwił zapewnienie ogrzewania na powstających wówczas wielkich przedmieściach miast amerykańskich. Infrastruktura gazowa została również znacząco rozwinięta podczas odbudowy miast europejskich.

Powstanie ropy naftowej i gazu ziemnego

Najczęściej przyjmowany pogląd dotyczący powstawania ropy naftowej oraz gazu ziemnego zakłada ich wytwarzania z pogrzebanej materii organicznej, głównie z organizmów morskich. W odróżnieniu od węgla kamiennego oraz brunatnego ropa i gaz nie zawierają wyraźnych szczątków organizmów, stąd też niezależnie funkcjonują koncepcje zakładające nieorganiczne pochodzenie bituminów, przyjmowane jednak tylko przez niewielu specjalistów.

Pogrzebana w osadzie materia organiczna ulega rozkładowi, przynajmniej częściowo w środowisku beztlenowym, także pod wpływem bakterii anaerobowych (rozwijających się w warunkach braku tlenu). Produktem ich działania jest gaz biogeniczny, głównie metan. Zjawisko to może zachodzić zarówno na lądach, jak i pod dnami mórz, a jego produktem jest gaz ziemny. W przypadku materii organicznej składającej się ze szczątków organizmów morskich, głównie planktonu, i zawierającej w związku z tym mniej celulozy i ligniny, a więcej lipidów oraz białek, procesy rozkładu mogą prowadzić do powstania węglowodorów o dłuższych łańcuchach węglowych, z więc także ropy naftowej. Ich tworzenie się w wyniku działania procesów nieorganicznych jest mało prawdopodobne, aczkolwiek węglowodory o najkrótszych łańcuchach (metan, CH₄), są również generowane w wyniku procesów prowadzących do powstawania skał magmowych i przeobrażonych.

Samo pogrzebanie materii organicznej pod dnem morza oraz jej rozkład nie wystarczą, by powstała ropa naftowa. Konieczne jest również pogrążenie osadów na większe głębokości, a przez to ich podgrzanie. W temperaturach około 50-150 st. C, a więc na głębokościach do kilku kilometrów, zachodzi utrata wody oraz kompakcja (zmniejszanie objętości przy jednoczesnym zwiększaniu gęstości osadu) powstających skał, a materia organiczna stopniowo staje się kerogenem (czyli woskowej substancji stanowiącej ogniwo pośrednie w powstawaniu ropy), a później ropą naftową. Jeszcze wyższe temperatury (i związane z tym większe pogrążenie) uniemożliwiają generowanie ropy, ale prowadzą do powstawania tak zwanego gazu mokrego, zawierającego (oprócz metanu) duże ilości węglowodorów o dłuższych łańcuchach węglowych, w tym etanu, propanu i butanu. Na większych głębokościach z materii organicznej powstaje gaz suchy, składający się niemal wyłącznie z metanu. Dalsze pogrążenie uniemożliwia powstanie ropy i gazu. Oznacza to, że oprócz materii organicznej do wygenerowania węglowodorów potrzebna jest jeszcze odpowiednia historia termiczna osadu, w którym materia ta się znajduje. Poszukiwanie ropy naftowej i gazu ziemnego wymaga więc odtworzenia budowy i dziejów basenu sedymentacyjnego, czyli zbiornika, w którym odkładane są kolejne warstwy skał osadowych. Zarówno nadmierne przegrzanie skał w przeszłości geologicznej, jak zbyt niskie temperatury są czynnikami uniemożliwiającymi generowanie złóż węglowodorów.

Złoża ropy i gazu

Warstwy skalne, w których powstały ropa i gaz, są nazywane skałami macierzystymi. Węglowodory są w nich rozproszone, stąd też do niedawna ich eksploatacja z tych skał była niemożliwa. Rozwój technologii takich jak szczelinowanie hydrauliczne pozwolił na pozyskiwanie tak zwanego gazu łupkowego oraz ropy naftowej wprost ze skał macierzystych.

Węglowodory tworzyły się na przestrzeni setek tysięcy i milionów lat, a kolejne miliony lat upłynęły do momentu rozpoczęcia eksploatacji. Wraz z upływającym czasem ropa i gaz wydostawały się w naturalny sposób ze skał macierzystych i migrowały w skałach, kierując się ku powierzchni. Jeśli na swojej drodze napotkały porowate skały przykryte nieprzepuszczalnymi osadami, to węglowodory zatrzymywały się w nich, wypełniając pustki w skale i tworząc konwencjonalne złoża ropy i gazu. Struktury geologiczne blokujące migrację węglowodorów nazywane są pułapkami. Mogą mieć one charakter pułapki strukturalnej, jeśli powstały w wyniku sfałdowania skał, lub pułapki stratygraficznej, gdy migracja jest blokowana przez warstwę osadów nieprzepuszczalnych. Pory w skałach budujących pułapkę wypełnione są najczęściej zarówno ropą naftową, jak i gazem ziemnym, a także wodą. Gaz gromadzi się w najwyższych partiach pułapki. Niżej znajduje się ropa, a na dnie pułapki – woda. Wszystkie te substancje wypełniają pustki w skale, nie tworzą natomiast podziemnych „jezior”, jak mogłyby na to wskazywać schematy konwencjonalnych złóż. Zarówno woda, jak i gaz mogą wywierać ciśnienie na ropę naftową, powodując jej wypychanie do otworu wiertniczego.

Początkowo ropę pozyskiwano z naturalnych wycieków, jednak zasoby takie są stosunkowo ubogie. Już w XIX wieku przystąpiono zatem do wydobycia za pomocą szybów naftowych – odwiertów wykonywanych początkowo głównie metodą obrotową, poprzez wkręcanie w grunt głowicy, a później także udarowo, z wykorzystaniem wiertnicy podnoszonej i opuszczanej, zagłębiającej się w skałę. Kolejnym krokiem było udoskonalenie metod wierceń obrotowych, o skomplikowanej głowicy, składającej się z wielu obracających się stożków świdra, chłodzonych płynem – tak zwaną płuczką wiertniczą. Umożliwia to wykonywanie odwiertów nawet do głębokości ponad 10 km.

Początkowo wszystkie odwierty wykonywano pionowo w dół, aczkolwiek specyficzne własności skały albo kierunek jej uławicenia (warstwowania) mogły spowodować wychylenie wiercenia od założonego kierunku. Było to nieoczekiwane zjawisko, trudne do zauważenia. Obecnie możliwe jest wykonywanie wierceń pod różnymi kątami (są to tak zwane wiercenia kierunkowe), także zmieniającymi się wraz z głębokością, dzięki czemu potrafimy pozyskiwać ropę i gaz na przykład za pomocą pionowego odwiertu, który w zadanym miejscu zmienia orientację i staje się odwiertem poziomym. Jest to szczególnie dogodne w przypadku złóż znajdujących się w silnie sfałdowanych skałach, w których poszczególne warstwy są stromo nachylone lub zorientowane niemal pionowo, a także w pobliżu wybrzeży morskich.

Rozpoznane złoża znajdują się zarówno na lądach, jak i pod dnami mórz. Doprowadziło to do opracowania technologii pozwalających na budowę platform wiertniczych, zarówno stałych, jak i pływających.

W początkach przemysłu naftowego eksploatowano wyłącznie złoża, w których węglowodory znajdowały się pod ciśnieniem, powodując samoczynny wypływ ropy do otworu wiertniczego. Obecnie potrafimy już wydobywać ropę ukrytą w mikroskopijnych szczelinach skał, także skał macierzystych, przemieszczającą się bardzo powoli lub uwięzioną w porach skalnych. Wymaga to technologii powiększających szczeliny lub tworzących nowe. Jedną z nich jest wspomniana już metoda szczelinowania hydraulicznego. Polega ona na zatłaczaniu wody oraz drobnego piasku do otworu. Powoduje to spękanie skał, a obecność piasku dodatkowo ułatwia przemieszczanie się węglowodorów. Opracowanie takich technologii pozwoliło na sięgnięcie po ropę i gaz ukrytą w skałach macierzystych.

Występowanie ropy i gazu

Aczkolwiek złoża węglowodorów są znane z niemal całego świata, to jednak wielkie prowincje roponośne, dostarczające ilości paliw potrzebnych do zaspokojenia aktualnego zapotrzebowania, są zjawiskiem wyjątkowym. Znajdują się one w następujących miejscach:

• okolice Zatoki Perskiej,
• w Zatoce Meksykańskiej,
• na terenie USA oraz Kanady,
• na Syberii,
• na dnie Morza Północnego.

Większość najbardziej dostępnych prowincji roponośnych została przynajmniej wstępnie rozpoznana. W efekcie już w początkach drugiej połowy XX wieku pojawiły się ostrzeżenia przed szybkim wyczerpaniem złóż paliw kopalnych. Oszacowanie dostępnych jeszcze zasobów oraz czasu potrzebnego na ich wydobycie jest jednak niezmiernie trudne, ponieważ:

• technologie wydobycia podlegają kolejnym ulepszeniom,
• wydobycie węglowodorów zależy od bieżącej sytuacji ekonomicznej,
• zmieniająca się sytuacja polityczna może sprawić, że niektóre złoża staną się niedostępne, lub ich eksploatacja bądź zakup pochodzącego z nich surowca będą niewskazane ze względów geopolitycznych,
• wzrastająca świadomość zagrożeń klimatycznych związanych z niekontrolowanym spalaniem węglowodorów może spowodować spadek ich zużycia.

Największe złoża gazu ziemnego znane są przede wszystkim z:

• terytorium dawnego Związku Radzieckiego,
• Iranu (a także z innych krajów znad Zatoki Perskiej, zwłaszcza z Kataru),
• Stanów Zjednoczonych,
• a w Europie Zachodniej z Holandii, Norwegii i Wielkiej Brytanii.

W Polsce gaz ziemny pozyskuje się na Podkarpaciu, w południowo-zachodniej Wielkopolsce, a także w województwie lubuskim. Źródłem gazowych węglowodorów są też złoża węgla kamiennego zawierające metan.

Eksploatacja gazu ziemnego jest prostsza niż wydobycie ropy naftowej. Łatwiej migruje on w skałach, a jego pozyskanie ułatwia słabsze przyleganie do ziaren minerałów niż w przypadku ropy. Wydobyty gaz podlega uzdatnianiu, w trakcie którego usuwane są związki siarki, inne gazy oraz woda.

Zapotrzebowanie na gaz ziemny znacząco wzrasta w miesiącach zimowych. W związku z tym budowane są podziemne magazyny gazu ziemnego (zakładane na przykład w pustkach powstałych po wyługowaniu soli kamiennej), do których latem zatłaczane są rezerwy paliwa. Gaz przesyłany jest gazociągami pod dużym ciśnieniem lub skraplany do postaci LNG (Liquified Natural Gas). Jego ochłodzenie do temperatury -162 st. C pozwala na zmniejszenie objętości o 99,8%, co z kolei czyni opłacalnym transport morski.

Oprócz konwencjonalnych złóż gazu znane są także klatraty, czyli uwięzione pod dnem morskim schłodzone i przypominające lód substancje krystaliczne złożone z wody oraz metanu. W ostatnich latach budzą one duże zainteresowanie, jednak nie ze względu na ich możliwą eksploatację (wiązałyby się z nią poważne, dotychczas nierozwiązane problemy techniczne), ale z powodu ogromnych, negatywnych skutków klimatycznych niekontrolowanego uwolnienia metanu z klatratów do atmosfery. Proces ten zachodzi w wyniku stopniowego ogrzewania wód oceanicznych, zwłaszcza w wysokich szerokościach geograficznych. Ocieplenie klimatu może doprowadzić do stopienia klatratów i uwolnienia metanu, który jest silnym gazem cieplarnianym. Jego emisja do atmosfery spowodowałby dalsze ocieplenie, które z kolei uwolniłoby jeszcze większe objętości gazu, tworząc w ten sposób silną pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. Takie zjawiska zachodziły przypuszczalnie w przeszłości geologicznej i prawdopodobnie miały negatywny wpływ na świat organizmów żywych, będąc jednym z czynników prowadzących do wielkiego wymierania na granicy permu i triasu, a być może również na przełomie triasu i jury.

Bituminy stałe, piaski bitumiczne oraz łupki

Węglowodory pojawiają się nie tylko w postaci ropy naftowej i gazu ziemnego, ale również w piaskach bogatych w bituminy, a także w skałach macierzystych, zazwyczaj łupkach wzbogaconych w substancje organiczne. Ciężkie bituminy, zasobne w najcięższe frakcje ropy naftowej, w tym asfalt oraz ozokeryt, mogą występować razem z ropą naftową lub osobno. Są one znane z Kanady i Stanów Zjednoczonych, z Wenezueli, Bliskiego Wschodu i krajów byłego Związku Radzieckiego. Największe na świecie złoża ozokerytu zostały znalezione w okolicach Lwowa (Ukraina).

Ciężkie bituminy, takie jak asfalt oraz ozokeryt, wykazują dużą lepkość i nie można ich pozyskiwać tak jak ropy naftowej. Wymusza to stosowanie konwencjonalnych metod wydobywczych (odkrywki), uciążliwych dla środowiska. Ciężkie bituminy są bogate w najcięższe węglowodory (o najdłuższym łańcuchu węglowym). Zawierają też zazwyczaj stosunkowo duże ilości siarki (kilka procent). Mogą występować razem z ropą naftową. Ich przeróbka jest stosunkowo kosztowna, a wydobycie – na przykład w Kanadzie oraz Wenezueli – stanowi niewielki odsetek całych pozyskiwanych zasobów węglowodorów.

Łupki palne (bitumiczne) zawierają duże ilości kerogenu – nierozpuszczalnej substancji bitumicznej, stanowiącej mieszaninę ciężkich węglowodorów. Poza nimi znane są również łupki węglowe oraz ropne. Niezależnie od odmiany łupki zawierają zazwyczaj od kilku do 25 procent substancji organicznej, nadającej im ciemne zabarwienie.

Eksploatację łupków palnych rozpoczęto już w końcu XV wieku, ale przez większość czasu były wykorzystywane jako paliwo stałe, palone jak węgiel. Produkcję ropy z łupków rozpoczęto w XIX wieku, prowadzono ją między innymi w Chinach, Francji, Hiszpanii, Niemczech i Szwecji.

Łupki zawierające węglowodory tworzyły się w głębokich morzach, a w mniejszym stopniu w jeziorach i na bagniskach, przy niewielkiej zawartości tlenu w wodzie, a także przy dużej aktywności organizmów. Materii organicznej stanowiącej surowiec wyjściowy do wytwarzania węglowodorów dostarczały między innymi glony.

Pozyskiwanie łupków metodami konwencjonalnymi jest kosztowne i powoduje szkody środowiskowe. W związku z tym opracowano szereg technik nowych technik wydobywczych mających zastosowanie w eksploatacji łupków. Najważniejsze z nich opierają się na podziemnym kruszeniu skał łupkowych zawierających węglowodory, co ułatwia odprowadzenie ropy i gazu.