Feasibility analysis of groundwater abstraction for gas shale fracturing in the Lublin Basin (Eastern Poland)

Natural gas extraction from shale rock necessitates hydraulic fracturing of rocks, which involves large amounts of fracture fluids made of 90.5% of water. The authors focus on feasibility of groundwater abstraction for the purpose of applying fracture fluids in wells of the Lublin Basin – area of perspective unconventional gas exploitation from the Ordovician and the Silurian shales. These data refer to the expected specific capacity of wells abstracting groundwater from main useful aquifers. Specific capacity of a well (q) belongs to high-certainty empirical parameters, characterizing water-bearing capacity of rocks at a regional scale. The spatial evaluation of q was based on respective data coming from 7 sheets of the Hydrogeological Map of Poland (scale 1:200,000) covering research area. Specific capacity q was calculated for wells abstracting water from the Upper Cretaceous, Tertiary and Quaternary aquifers in areas presented on particular sheets of the map. Authors determined the variability distribution and the cumulative probability plots of q values, indicating a range which corresponded to a sum of standard deviation (SD) above and below median (X–), i.e. X– ± 1SD. On the total the interval included 68.2% of data. The results reveal that 0.6 ≤ q ≤ 40 m3h–1 per 1 meter of drawdown for the Upper Cretaceous rocks in the eastern part of the area, and 1.1 ≤ q ≤ 110 m3h–1 per 1 meter in the western part, being a result of more intense fracturing and fissuring. Owing to the scarcity of data, q values of wells screened at the Tertiary and Quaternary aquifers are given jointly for the whole area: 0.8 ≤ q ≤ 20 and 1.0 ≤ q ≤ 10 m3h–1 per 1 meter, respectively. The obtained specific capacities are high. When the wells are properly designed, their discharges may reach about ca. 100 m3h–1.

Eksploatacja gazu ziemnego ze skał łupkowych wiąże się z wykonaniem w każdym poziomym odcinku otworu wielu zabiegów hydraulicznego szczelinowania skał. Zabiegi te realizowane są przy wykorzystaniu dużych ilości cieczy szczelinujących, które w 90.5% składają się z wody, 9.0% piasku właściwych parametrów technologicznych cieczy. Zapotrzebowanie na wodę do szczelinowania wzrasta wraz ze zwiększeniem zwięzłości i głębokości zalegania łupków gazonośnych. W związku z tym właściciele koncesji na eksploatację gazu ze skał łupkowych oczekują informacji o możliwościach poboru wód podziemnych w celu szczelinowania. W pracy przedstawiono ocenę realnych możliwości poboru wód podziemnych do przygotowania cieczy szczelinujących dla otworów eksploatacyjnych gazu niekonwencjonalnego w obszarze basenu lubelskiego, będącego rejonem perspektywicznej eksploatacji gazu z łupków ordowiku i syluru (dolny paleozoik). Możliwości poboru wody zbadano na podstawie oczekiwanych wydajności jednostkowych studni ujmujących wody głównego użytkowego poziomu wodonośnego (GUPW) w rejonie badań. GUPW na przeważającej części tego obszaru związany jest ze skałami górnej kredy – spękanymi marglami, kredą, opokami, wapieniami i gezami, a także utworami czwartorzędu i trzeciorzędu. Znajomość wartości wydatku jednostkowego umożliwia zaprojektowanie ujęcia stosownie do określonych potrzeb. Witczak et al. (1999) proponują przyjęcie wydatku jednostkowego studni (q), jako obiektywnej danej empirycznej cechującej się wysokim wskaźnikiem pewności, w celu charakterystyki wodonośności poziomów wodonośnych w skali regionalnej. Przestrzenną ocenę wartości q oparto na danych zestawionych w 7 arkuszach Mapy hydrogeologicznej Polski w skali 1:200,000 (MHP). Dane dotyczyły q uzyskiwanych przy określonych maksymalnych depresjach poziomu wody. Obliczono q studni ujmujących wodę z GUPW w formacjach kredy górnej, trzeciorzędu i czwartorzędu, w granicach obszarów arkuszy MHP lub ich części znajdujących się w zasięgu obszaru badań (Fig. 1). Zanalizowano rozkłady zmienności i skumulowanej gęstości prawdopodobieństwa w celu uzyskania odpowiednich zakresów zmienności wartości q studni ujmujących wodę z badanych trzech formacji litostratygraficznych (Fig. 2, 3). Wyróżniono na wykresach zakres równy sumie jednego odchylenia standardowego (SD) powyżej i poniżej wartości mediany (X–), czyli X– ± 1SD. W tym przedziale zawiera się po 34.1% danych o wartościach odpowiednio: większych i mniejszych od mediany; łącznie przedział zawiera 68.2% danych. Na będących źródłem danych arkuszach MHP obejmujących obszar badań, ilość danych dotyczących studni ujmujących wodę z utworów czwartorzędu i trzeciorzędu zazwyczaj jest mniejsza niż 30. Wykonano więc zestawienie q także dla danych skumulowanych w odniesieniu do poszczególnych poziomów litostratygraficznych (Fig. 3b). Uzyskane wyniki w odniesieniu do skał kredy górnej wskazują, że analizowany obszar dzieli się na bardziej wodonośną część położoną na zachód od rzeki Wieprz, tj. w granicach arkuszy „Łuków”, „Lublin”, „Rzeszów” oraz słabiej wodonośną część położoną na wschód od tej rzeki, czyli w obszarach arkuszy „Włodawa”, „Chełm” i „Tomaszów Lubelski”. W zakresie X– ± 1SD w strefach występowania margli ilastych i kredy piszącej (część wschodnia obszaru) q zawierają się w przedziale 0.6 ≤ q ≤ 40 m3h–1 na 1 m depresji. W rejonach występowania opok, gez, margli i wapieni (część zachodnia) q jest w przedziale 1.1 ≤ q ≤ 110 m3h–1 na 1 m. Wartości q studni zafiltrowanych w utworach trzeciorzędu i czwartorzędu, za względu na małą ilość danych analizowano łącznie dla całego obszaru badań i stwierdzono, że zawierają się w przedziale X– ± 1SD odpowiednio 0.8 ≤ q ≤ 20 m3h–1 na 1m oraz 1.0 ≤ q ≤ 10 m3h–1 na 1m. Oprócz zmienności litologicznej, rozkład zmienności q w skali regionalnej w danym poziomie litostratygraficznym ma charakter lognormalny. Projektując studnie ujmujące wodę w obszarze badań z utworów kredy górnej zaleca się przyjmowanie wartości dolnej granicy przedziału zmienności X– ± 1SD zestawionych w Tabeli 1. Projektując ujęcia wody z utworów trzeciorzędu lub czwartorzędu, z uwagi na małą liczbę danych dotyczących tych poziomów w zasięgach arkuszy bedących źródłem danych, zaleca się przyjmowanie wartości dolnej granicy przedziału zmienności określonego dla danych połączonych ze wszystkich arkuszy (Tabela 1). Obliczenie przewidywanej wielkości poboru wód podziemnych pojedynczą studnią w granicach koncesji na eksploatację gazu łupkowego w Basenie Lubelskim można wykonywać na podstawie wartości q przedstawionych w pracy. Stwierdzone w wyniku badań wartości q są wysokie i gwarantują, przy prawidłowym zaprojektowaniu lokalizacji i budowy studni, uzyskiwanie wydajności od kilkudziesięciu do ponad 100 m3h–1 wody.