The influence of shale rock fracturing equipment operation on atmospheric air quality

• Autorzy: Bogacki M. , Macuda J.

Identyfikatory

DOI

10.2478/amsc-2014-0062

Warianty tytułu

PL

Wpływ pracy urządzeń do szczelinowania skał łupkowych na jakość powietrza atmosferycznego w trakcie wykonywania zabiegu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The hydraulic fracturing jobs performed on shale rocks are connected with atmospheric emissions of dusts and exhaust gases from high-power motors supplying pump aggregates used for fracturing operations and from other technological devices. The total power of motors driving technological systems depends on the specific character of deposit and well and may range between a dozen to tens of thousands kW. An exemplary set of technological systems used for frac jobs is presented in figure 1. The following substances are emitted to the atmosphere during engine operation, e.g. nitrogen oxides (NOx), sulfur dioxide (SO2), carbon oxide (CO), dust PM10, ammonia, benzo(a)pyrene (B(a)P), benzene, toluene, xylene, formaldehyde, acetaldehyde, acrolein. As a consequence admissible concentrations of these substances in air can be exceeded. The influence of dust and gaseous emissions accompanying shale rock fracturing jobs is addressed in this paper. Model analyses were performed. An exemplary model of a process used for simulating propagation of atmospheric emissions in a specified calculation area (1,150 m × 1,150 m) were based on the analysis of hydraulic fracturing jobs performed in wells in Poland and abroad. For making calculations more actual, the model was located in the Gdańsk area and was ascribed its typical meteorological and orographic parameters. In the center of this area a rig site 150 m x 150 m was distinguished. The emission field was generated by 12 high-power engines supplying pump aggregates, 1680 kW each. The time of work of particular engines was established for 52 hrs (13 frac jobs, each lasting 4 hrs). It was assumed that all engines will operate simultaneously and using 100% of their power. Attention was paid to the correct modelling of the real emission field. Technical parameters of motors and the applied fuels were characterized. Emission indices were worked out by, e.g. U.S. Environmental Protection Agency or European Environment Agency. The calculations of air pollutions from analyzed motors were performed with a mathematical modelling method using Gaussian plum. The results of calculations could be used for evaluating spatial distribution of maximum 1 hour concentrations (S1), incidence of exceeding admissible 1 hour concentration values (P(D1)), percentile 99.8 or 99.726 from 1 hour concentrations and average concentrations (Sa) for selected most important for the air quality contaminants, i.e. NOx (as NO2), SO2, CO, PM10, benzo(a)pyrene, benzene, toluene, xylene, formaldehyde, acetaldehyde and acrolein. The results of calculated air concentrations of selected substances on the rig border are listed in table 9, whereas spatial distributions of NOx and PM10 concentrations in figures 3 to 8. The analysis of the obtained results did not reveal cases of exceeding Polish emission standards. However, nitrogen oxide (NOx) or dust PM10 can be expected to exceed these values, e.g. in a situation when the total power installed in motors driving technological systems in the course of hydraulic fracking will be higher than assumed in the analyses. The results of calculations show to a significant impact of nitrogen oxides (NOx) and dust PM10 emissions on air quality. The risk that emission standards are exceeded beyond the rig area is conditioned both by technological factors (total power of operating motors, parameters of combusted fuel, reduced emission technologies applied to engines, duration of frac jobs, etc.) and a number of external factors, e.g. meteorological and orographic factors or high level of emitted substances in air within the rig area.

PL

Proces hydraulicznego szczelinowania skał łupkowych wiąże się z emisją do powietrza zanieczyszczeń pyłowo-gazowych z silników wysokoprężnych dużej mocy napędzających agregaty pompowe do szczelinowania skał oraz inne urządzenia technologiczne. Łączna moc silników napędzających urządzenia technologiczne uzależniona jest od specyfiki złoża oraz specyfiki odwiertu i waha się od kilkunastu do kilkudziesięciu tysięcy kW. Przykładowy zestaw urządzeń technologicznych wykorzystywanych w procesie szczelinowania zamieszczono na rysunku 1. Podczas pracy silników do atmosfery emitowane są między innymi następujące substancje: tlenki azotu (NOx), ditlenek siarki (SO2), tlenek węgla (CO), pył PM10, amoniak, benzo(a)piren (B(a)P), benzen, toluen, ksylen, formaldehyd, acetaldehyd, akroleina. Skutkiem emisji mogą być przekroczenia dopuszczalnych, określonych prawem wartości stężeń substancji w powietrzu. W artykule skoncentrowano się na ocenie wpływu na jakość powietrza atmosferycznego emisji substancji pyłowo-gazowych towarzyszących procesowi szczelinowania skał łupkowych. Badania miały charakter modelowy. W oparciu o analizę przebiegu szeregu procesów szczelinowania hydraulicznego wykonywanych na wiertniach zlokalizowanych w Polsce i za granicą zbudowano przykładowy model procesu, który posłużył do wykonania symulacji propagacji zanieczyszczeń emitowanych substancji w powietrzu w zadeklarowanym obszarze obliczeniowym stanowiącym teren o wymiarach 1150 m × 1150 m. Dla urealnienia wyników obliczeń umiejscowiono model badanego obszaru w okolicach Gdańska i przypisano mu charakterystyczne dla tego rejonu parametry meteorologiczne i orograficzne. W środku analizowanego obszaru zlokalizowano teren wiertni o wymiarach 150 m x 150 m. Pole emisji kształtowane było przez 12 silników wysokoprężnych napędzających agregaty pompowe, każdy o mocy 1680 kW. Czas pracy pojedynczego silnika ustalono na 52 godziny w roku (13 zabiegów szczelinowania, każdy trwający 4 godziny). W obliczeniach założono, że podczas trwania szczelinowania wszystkie silniki będą pracowały równocześnie i będą obciążone w 100 %. W artykule dużo uwagi poświęcono poprawnemu zamodelowaniu rzeczywistego pola emisji. Scharakteryzowano parametry techniczne silników oraz zużywanych przez nie paliw. Zaadoptowano na potrzeby obliczeń modelowych wskaźniki emisji opracowane między innymi przez Amerykańską Agencję ds. Środowiska, czy Europejską Agencję ds. Środowiska. Obliczenia propagacji w powietrzu zanieczyszczeń pochodzących z analizowanych silników wykonano metodą modelowania matematycznego wykorzystując w tym celu model smugi Gaussa. Wyniki obliczeń pozwoliły na ocenę rozkładu przestrzennego stężeń maksymalnych 1-godzinnych (S1), częstości przekroczeń wartości dopuszczalnej stężeń 1-godzinnych (P(D1)), percentyla 99,8 lub 99,726 ze stężeń 1-godzinnych oraz stężeń średniorocznych (Sa) dla wybranych, najbardziej istotnych z punktu widzenia wpływu na jakość powietrza zanieczyszczeń tj.: NOx (jako NO2), SO2, CO, PM10, benzo(a) pirenu, benzenu, toluenu, ksylenu, formaldehydu, aldehydu octowego oraz akroleiny. Wyniki obliczeń stężeń wybranych substancji w powietrzu na granicy wiertni zestawiono w tabeli 9, natomiast rozkłady przestrzenne stężeń NOx oraz PM10 przedstawiono na rysunkach 3-8. Analiza wyników obliczeń nie wykazała wprawdzie dla analizowanego przypadku występowania przekroczeń obowiązujących w Polsce standardów imisyjnych, ale w przypadku takich zanieczyszczeń jak tlenki azotu (NOx) czy pył PM10 istnieje realne zagrożenie wystąpienia takich przekroczeń, między innymi w sytuacji, gdy łączna moc zainstalowana w silnikach napędzających urządzenia technologiczne w czasie procesu szczelinowania będzie wyraźnie większa niż przyjęta w opisanych badaniach. Wnioski z przeprowadzonych obliczeń wskazują na istotny wpływ na jakość powietrza emisji tlenków azotu (NOx) i pyłu PM10. Ryzyko wystąpienia przekroczeń obowiązujących standardów imisyjnych poza granicą wiertni jest uwarunkowane zarówno czynnikami technologicznymi (łączna moc pracujących silników, parametry spalanego paliwa, zastosowane w silnikach techniki ograniczenia emisji, czas trwania szczelinowania itp.) jak i szeregiem czynników zewnętrznych takich jak czynniki meteorologiczne, orograficzne czy wysoki poziom tła emitowanych substancji w powietrzu w lokalizacji wiertni.

Słowa kluczowe

EN

gas prospecting; shale gas; atmospheric emissions; environmental impact

PL

poszukiwania gazu; gaz z łupków; emisja do powietrza; oddziaływanie na środowisko

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 59, no. 4
• Strony: 897--912
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bogacki M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Macuda J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Drilling, Oil and Gas, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] AEA Technology plc, 2012. Support to the identification of potential risks for the environment and human health arising from hydrocarbons operations involving hydraulic fracturing in Europe. Report for European Commission DG Environment, ED57281 - Issue Number 17c, 10 August 2012.
• [2] DKE, 2012. Dyrektywa Komisji Europejskiej 2012/46/UE z dnia 6 grudnia 2012 r. zmieniająca dyrektywę 97/68/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie zbliżenia ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do środków dotyczących ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych z silników spalinowych montowanych w maszynach samojezdnych nieporuszających się po drogach (Dz. U. UE l 353/80 z 21.12.2012 r.).
• [3] EIG, 2006. Emission Inventory Guidebook, Other mobile sources and machinery, off road transport, Corinair 2006.
• [4] Macuda J., 2010. Środowiskowe aspekty produkcji gazu ziemnego z niekonwencjonalnych złóż. Przegląd Geologiczny, Vol. 58, No. 3, p. 266-270.
• [5] Nagy S., Siemek J., 2011. Shale gas in Europe: the state of the technology - challenges and opportunities. Arch. Min.Sci., Vol. 56, No 4, p. 727-760.
• [6] PKN, 2011. Polski Komitet Normalizacyjny: PN-EN 590+A1:2011 Paliwa do pojazdów samochodowych. Oleje napędowe.Wymagania i metody badań.
• [7] RMG, 2007. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 stycznia 2007 r. w sprawie wymagań jakościowych dotyczących zawartości siarki dla olejów oraz rodzajów instalacji i warunków, w których będą stosowane ciężkie oleje opałowe (Dz. U. Nr 4. poz. 30).
• [8] RMGiP, 2005. Rozporządzenia Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 19 sierpnia 2005 r. w sprawie szczegółowych badań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki (Dz. U. Nr 202, poz. 1681).
• [9] RMŚ, 2010. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. Nr 16, poz. 87).
• [10] RMŚ, 2012. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (Dz. U. poz. 1031 z dnia 18 września 2012 r.).
• [11] U.S. EPA, 1996. Stationary Internal Combustion Sources, 3.4. Large Stationary Diesel and All Stationary Dual-fuel Engines. U.S. Environmental Protection Agency, AP 42, Fifth Edition, Volume I, Chapter 3.
• [12] U.S. EPA, 2013. Emission Standards. offroad diesel engines. U.S. Environmental Protection Agency: http://www.dieselnet. com/standards/us/offroad.php (data pobrania: 24.06.2013).
• [13] Zhapbasbayev U.K., Assilbekov B.K., Kabdolov S.Z., Khairov G.B., 2007. Modeling of reservoir process using the method of radial drilling. Drilling. Oil. Gas, Semiannual. - Poland, Krakow, 2007, Vol. 24, No. 1, p. 328.
• [14] ZRG Krosno, 2013. Materiały firmowe.