Assessment of disposable groundwater resources for hydraulic fracturing of gas shales in the Lublin Basin (eastern Poland)
R. Duda 1  
 
More details
Hide details
1
AGH University of Science and Technology, Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, Kraków
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(4):79–96
 
KEYWORDS
ABSTRACT
This paper assesses the groundwater resources for hydraulic fracturing of gas shales in the Lublin Basin in 2030. Such evaluations are useful for gas concession holders who plan the magnitude and schedule of gas production. In order to determine the disposable groundwater resources, a water management balance model was developed. The data from the balance and forecast of groundwater resources for 2030 in the Vistula River Basin were used as basic input data. The model accounts for the following specific factors determining the quantity of water resources in prospective gas exploitation areas: reduced groundwater recharge due to climate changes, unregistered water usage by individual households, demand for water associated with shale gas mining development, and the rate of water utilization for fracturing or returned to hydrological circulation. The extent to which these factors will affect the resources available in 2030 is uncertain. The study therefore analysed two environmental scenarios – a moderately rigorous and a rigorous one – assuming major climate change effects and a radical increase in the demand for water. Disposable water resources were determined for 12 separate balance zones in accordance with groundwater bodies (GWB) or their subsections located in the research area. This prediction refers to groundwater resources without stratigraphic division into aquifers. [...]
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Ocena dyspozycyjnych zasobów wód podziemnych do szczelinowania łupków gazonośnych w Basenie Lubelskim (wschodnia Polska)
zasoby wód, wody podziemne, poziomy wodonośne, szczelinowanie, gaz łupkowy, Basen Lubelski, Polska
W pracy dokonano prognozy zasobów wód podziemnych do wykorzystania w celu szczelinowania łupków gazonośnych w obszarze Basenu Lubelskiego w 2030 r. Jest to przydatne właścicielom koncesji na eksploatację gazu do planowania wielkości i harmonogramu wydobycia. W celu określenia dyspozycyjnych zasobów wód opracowano model bilansu wodno-gospodarczego, do którego jako podstawowe dane wejściowe wykorzystano dane z bilansu i prognozy zasobów wód podziemnych dla 2030 r. w dorzeczu Wisły. W modelu uwzględniono specyficzne czynniki determinujące wielkość zasobów wody na obszarach perspektywicznej eksploatacji gazu: zmniejszenie zasilania wód podziemnych w wyniku zmian klimatu, nierejestrowany pobór wody w gospodarstwach indywidualnych, zapotrzebowanie na wodę związane z rozwojem górnictwa gazu łupkowego i stopnień zwrotu do obiegu hydrologicznego wody, wykorzystanej do szczelinowania. W celu uwzględnienia niepewności stopnia oddziaływania tych czynników w 2030 r., model wykonano dla dwóch scenariuszy: umiarkowanie rygorystycznego ekologicznie i rygorystycznego ekologicznie, zakładającego duże skutki zmian klimatu i radykalne zwiększenie zapotrzebowania na wodę. Zasoby dyspozycyjne wód określono dla wydzielonych 12 stref bilansowych, zgodnych obszarowo z Jednolitymi Częściami Wód Podziemnych lub ich fragmentami znajdującymi się w obszarze badań. Prognoza dotyczy zasobów wód podziemnych bez stratygraficznego rozdziału na poziomy wodonośne. [...]
 
REFERENCES (45)
1.
Acharya et al. 2011 – Acharya, H.R., Henderson, C., Matis, H., Kommepalli, H., Moore, B. and Wang, H., 2011. Cost Effective Recovery of Low-TDS Frac Flowback Water for Re-use. US Department of Energy: DE-FE0000784, GE Global Research, 100 p.http://www.netl.doe.gov/ file%20library/Research/oil–gas/FE0000784_FinalReport.pdf [accessed 26 June 2014].
 
2.
Badera, J. 2010. Konflikty społeczne na tle środowiskowym związane z udostępnianiem złóż kopalin w Polsce. (Social conflicts on the environmental background related to development of mineral deposits in Poland). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 26(1), pp. 105–125 (in Polish).
 
3.
Byrska-Rąpała, A. 2008. Geoetyka a społeczna odpowiedzialność przemysłu surowców energetycznych. (Geoethics and social responsibility of energy raw materials industry). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 24(4), pp. 41–52 (in Polish).
 
4.
Collins et al. 2009 – Collins, R., Kristensen, P. and Thyssen, N., 2009. Water resources across Europe – confronting water scarcity and drought. EEA Report No 2/2009, European Environment Agency, Copenhagen, 55 p. http://www.eea.europa.eu/publi... [accessed 12 July 2014].
 
5.
Cooley, H. and Donnelly, K. 2012. Hydraulic Fracturing and Water Resources: Separating the Frack from the Fiction. Pacific Institute, Oakland, California, 34 p. http://pacinst.org/wp-content/... [accessed 20 May 2014].
 
6.
de Melo-Martin et al. 2014 – de Melo-Martin, I., Hays, J. and Finkel, M.L. 2014. The role of ethics in shale gas policies. Science of the Total Environment, 470–471, pp. 1114–1119.
 
7.
Dohnalik, P. 2000. Straty wody w miejskich sieciach wodociągowych. (Water losses in urban water networks). Instytut Gospodarki Przestrzennej i Komunalnej, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Bydgoszcz, 60 p. (in Polish).
 
8.
Duda et al. 2006 - Duda, R., Paszkiewicz, M., Stach–Kalarus, M., Szczepańska, J., Szczepański, A., Witczak, S. and Zdechlik, R. 2006. Wody podziemne i ich współdziałanie z wodami powierzchniowymi. (Groundwater and surface water interaction) [In:] Nachlik, E. ed., Identyfikacja i ocena oddziaływań antropogenicznych na zasoby wodne zlewni Raby wraz z oszacowaniem ryzyka nieosiągnięcia celów środowiskowych. Wyd. Politechniki Krakowskiej, Ser. Inżynieria Środowiska, Monografia no. 340, Kraków, pp. 108–166 (in Polish).
 
9.
EPA 2011 – Proceedings of the US Environmental Protection Agency Technical Workshops for the Hydraulic Fracturing Study: Water Resources Management. Arlington, Virginia. EPA 600/R–11/048, US Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, Washington, DC, 116 p. http://www2.epa.gov/sites/prod... documents/HF_Workshop _4 _Proceedings _FINAL_508.pdf [accessed 06 August 2014].
 
10.
Frankowski et al. 2008 – Frankowski, Z., Gałkowski, P., Kapuściński, J., Mitręga, J., Nowicki, K. and Skrzypczyk, L. 2008. Ocena poboru rzeczywistego wód podziemnych w kraju – aspekty ilości, struktury oraz wyzwań metodycznych. (Assessment of the actual extraction of groundwater in the country – aspects of quantity, structure and methodological challenges) Mat. XVII Symp. naukowo-technicznego pt. Zrównoważone gospodarowanie zasobami wód podziemnych na terenach przekształconych antropogenicznie, PZITS o. w Częstochowie, Częstochowa (in Polish).
 
11.
GAO 2012 – Information on the Quantity, Quality, and Management of Water Produced during Oil and Gas Production. Report GAO–12–156 Energy–Water Nexus, US Government Accountability Office, Washington, DC, 62 p. http://www.gao.gov/products/GA...[(accessed 10 July 2014].
 
12.
Gordalla et al. 2013 – Gordalla, B.C., Ewers, U. and Frimmel, F.H. 2013. Hydraulic fracturing: a toxicological threat for groundwater and drinking–water? Environmental Earth Sciences 70(8), pp. 3875–3893.
 
13.
Gregory et al. 2011 – Gregory, K.B., Vidic, R.D. and Dzombak, D.A. 2011. Water Management Challenges Associated with the Production of Shale Gas by Hydraulic Fracturing. Elements, 7(3), pp. 181–186.
 
14.
Gręplowska et al. 2004a – Gręplowska, Z., Szczepański, A., Szczepańska, J., Tyszewski, S. and Witczak, S. 2004a. Ocena stanu wód powierzchniowych i podziemnych. (The surface water and groundwater status assessment) [In:] Nachlik, E. ed., Identyfikacja i ocena oddziaływań antropogenicznych na zasoby wodne dla wskazania części wód zagrożonych nieosiągnięciem celów środowiskowych. Wyd. Politechniki Krakowskiej, Ser. Inżynieria Środowiska, Monografia no. 318, Kraków, pp. 88–103 (in Polish).
 
15.
Gręplowska et al. 2004b – Gręplowska, Z., Szczepański, A., Szczepańska, J., Tyszewski, S., Witczak, S. 2004b. Identyfikacja istotnych oddziaływań w częściach wód powierzchniowych i podziemnych zagrożonych nieosiągnięciem celów środowiskowych. (Identification of significant impacts in the surface water and groundwater bodies at risk of failing to achieve the environmental objectives) [In:] Nachlik, E., ed., Identyfikacja i ocena oddziaływań antropogenicznych na zasoby wodne dla wskazania części wód zagrożonych nieosiągnięciem celów środowiskowych. Wyd. Politechniki Krakowskiej, Ser. Inżynieria Środowiska, Monografia no. 318, Kraków, pp. 104–110 (in Polish).
 
16.
GWPC and ALL Consulting 2009. Modern Shale Gas Development in the United States: A Primer. Ground Water Protection Council and ALL Consulting for the U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory, Washington, DC, 116 p. http://energy.gov/sites/prod/f... (accessed 06May 2014).
 
17.
Herbich, P. and Przytuła, E. 2012. Bilans wodno gospodarczy wód podziemnych z uwzględnieniem oddziaływań z wodami powierzchniowymi w dorzeczu Wisły. (Water management balance of the groundwater taking into account the interactions with surface waters in the Vistula River Basin) Informator Państwowej Służby Hydrogeologicznej, Państwowy Instytut Geologiczny-PIB, Warszawa, 123 p. (in Polish). http://www.pgi.gov.pl/pl/wydaw... [accessed 05 May 2014].
 
18.
Jackson et al. 2013 – Jackson, R.B., Vengosh, A., Darrah, T.H., Warner, N.R., Down, A., Poreda, R.J., Osborn, S.G., Zhao, K. and Karr, J.D. 2013. Increased stray gas abundance in a subset of drinking water wells near Marcellus shale gas extraction. Proceedings of the National Academy of Science USA, 110(28), pp. 11250–11255.
 
19.
Kaliski et al. 2013 – Kaliski, M., Krupa, M., Rychlicki, S., Siemek, J. and Sikora, A.P. 2013. Estymacje kosztów otworów poszukiwawczych i wydobywczych dla złóż ropy i gazu w basenach geologicznych w Polsce. (Estimations of exploration and production costs for natural gas and oil deposits in geological basins in Poland) Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29(3), pp. 167–178 (in Polish).
 
20.
Kargbo et al. 2010 – Kargbo, D.M., Wilhelm, R.G. and Campbell, D.J. 2010. Natural Gas Plays in the Marcellus Shale: Challenges and Potential Opportunities. Environmental Science and Technology 44(15), pp. 5679–5684.
 
21.
Kiersnowski, H. and Dyrka, I. 2013. Ordovician–Silurian shale gas resources potential in Poland: evaluation of Gas Resources Assessment Reports published to date and expected improvements for 2014 forthcoming Assessment. Przegląd Geologiczny, 61(11/1), pp. 639–656.
 
22.
Kissinger et al. 2013 – Kissinger, A., Helmig, R., Ebigbo, A., Class, H., Lange, T., Sauter, M., Heitfeld, M., Klünker, J. and Jahnke, W. 2013, Hydraulic fracturing in unconventional gas reservoirs – Risks in the geological system, Part 2. Environmental Earth Sciences 70(8), pp. 3855–3873.
 
23.
Kossida et al. 2009 – Kossida,M., Koutiva, I., Makropoulos, Ch., Monokrousou, K., Mimikou,M., Fons-Esteve, J. and Iglesias, A. 2009.Water scarcity and drought: towards a European Water Scarcity and Drought Network (WSDN). European Environment Agency, Copenhagen, 107 p. http://icm.eionet.europa.eu/ET... (accessed 20 June 2014).
 
24.
Lange et al. 2013 – Lange, T., Sauter, M., Heitfeld, M., Schetelig, K., Brosig, K., Jahnke, W., Kissinger, A., Helmig, R., Ebigbo, A. and Class, H. 2013. Hydraulic fracturing in unconventional gas reservoirs – Risks in the geological system, Part 1. Environmental Earth Sciences 70(8), pp. 3839–3853.
 
25.
Macuda, J., 2010. Środowiskowe aspekty produkcji gazu ziemnego z niekonwencjonalnych złóż. (Environmental aspects of unconventional gas production) Przegląd Geologiczny (58)3, pp. 266–270 (in Polish).
 
26.
Macuda, J. and Marchel, P. 2011. Oddziaływanie prac wiertniczych na środowisko przy poszukiwaniu gazu łupkowego w Polsce. (Impact of drilling works on environment in search for shale gas in Poland) Wiertnictwo, Nafta, Gaz (28)1–2, pp. 263–271 (in Polish).
 
27.
Mantell, M.E. 2011. Produced water reuse and recycling challenges and opportunities across major shale plays. [In:] Proceedings of the Technical Workshops for the Hydraulic Fracturing Study: Water Resources Management. EPA 600/R-11/048, pp. 49-57. http://www2.epa.gov/sites/prod... [accessed 10 June 2014].
 
28.
Nagy, S. and Siemek, J. 2011. Shale gas in Europe: the state of the technology – challenges and opportunities. Archives of Mining Sciences 56(4), pp. 727–760.
 
29.
Nowicki, Z. ed. 2009 – Charakterystyka geologiczna i hydrogeologiczna zweryfikowanych JCWPd. (Geological and hydrogeological characteristics verified GWB’s). Raport z realizacji zadania Państwowej Służby Hydrogeologicznej, Zadanie 28. Państwowy Instytut Geologiczny-PIB, Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej, Warszawa, 28 p. (in Polish).
 
30.
http://www.psh.gov.pl/plik/id,... [accessed 22 April 2014].
 
31.
Osborn et al. 2011 – Osborn, S.G., Vengosh, A.,Warner, N.R. and Jackson, R.B. 2011.Methane contamination of drinking water accompanying gas–well drilling and hydraulic fracturing. Proceedings of the National Academy of Science USA, 108(20), pp. 8172–8176.
 
32.
PGI andME 2013 – Mapa koncesji na poszukiwanie gazu ziemnego „shale gas” wg stanu na 30–04–2013 r. (Map of concessions for the exploration of natural gas “shale gas” as of 30-04-2013) aut.: Bońda R., Siekiera D., Szuflicki M., Państwowy Instytut Geologiczny – PIB, Ministerstwo Środowiska, Warszawa (in Polish). http://lupki.mos.gov.pl/gaz-z-... [accessed 20 June 2013].
 
33.
Poprawa, P. 2010. Potencjał występowania złóż gazu ziemnego w łupkach dolnego paleozoiku w basenie bałtyckim i lubelsko–podlaskim. (Shale gas potential of the Lower Palaeozoic complex in the Baltic and Lublin–Podlasie basins, Poland). Przegląd Geologiczny 58(3), pp. 226–249 (in Polish).
 
34.
Rychlicki, S. and Siemek, J. 2013. Stan aktualny i prognozy wykorzystania gazu ziemnego do produkcji energii elektrycznej w Polsce. (Current conditions and forecasts of natural gas application in the production of electricity in Poland). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29(1), pp. 5–15 (in Polish).
 
35.
Siemek et al. 2011 – Siemek, J., Kaliski, M., Rychlicki, S., Sikora, S., Janusz, P. and Szurlej, A. 2011. Importance of LNG technology in the development of world’s natural gas deposits. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 27(4), pp. 109–130.
 
36.
Siemek et al. 2013 – Siemek, J., Nagy, S. and Siemek, P. 2013. Challenges for sustainable development: the case of shale gas exploitation in Poland. Problemy Ekorozwoju – Problems of Sustainable Development 8(1), pp. 91–104.
 
37.
Siemek, J. and Nagy, S. 2012. Energy carriers use in the world: natural gas – conventional and unconventional gas resources. Archives of Mining Sciences 57(2), pp. 283–312.
 
38.
Szczepański, A. 2013. Hydrogeologiczne i prawne uwarunkowania rozpoznawania i eksploatacji gazu łupkowego. (Hydrogeological and legal conditions of prospection and exploration of shale gas) Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 456, Hydrogeologia, XIV/2, pp. 583–587 (in Polish).
 
39.
Szczepański, A. and Szklarczyk, T. 2009.Metodyczne uwarunkowania wydzieleń JCWPd na przykładzie obszaru RZGW w Krakowie. (Methodological conditions of groundwater bodies distinctions: an example of the Regional Water Management Board in Krakow). Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, 436, Hydrogeologia, IX/2, pp. 507–514 (in Polish).
 
40.
Uliasz-Misiak et al. 2014 – Uliasz-Misiak, B., Przybycin, A. and Winid, B. 2014. Shale and tight gas in Poland – legal and environmental issues. Energy Policy 65, pp. 68–77.
 
41.
Veil, J.A. 2010. Water Management Technologies Used by Marcellus Shale Gas Producers. Report prepared by Argonne National Laboratory, Environmental Science Division, for the US Department of Energy, Office of Fossil Energy. http://www.marcellus.psu.edu/r... PDFs/argonnelab.pdf [accessed 11 April 2014].
 
42.
Vengosh et al. 2014 – Vengosh, A., Jackson, R.B., Warner, N., Darrah, T.H. and Kondash A. 2014. A Critical Review of the Risks to Water Resources from Unconventional Shale Gas Development and Hydraulic Fracturing in the United States. Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/es405118y.
 
43.
Vidic et al. 2013 – Vidic, R.D., Brantley, S.L., Vandenbossche, J.M., Yoxtheimer, D. and Abad, J.D. 2013. Impact of Shale Gas Development on Regional Water Quality. Science 340(6134), 1235009, DOI: 10.1126/science.1235009.
 
44.
Water Act 2001 – Ustawa Prawo wodne z dnia 18 lipca 2001 r. Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 10 stycznia 2012 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy – Prawo wodne. Dz.U. 2012, nr 0, poz. 145 (in Polish).
 
45.
Woźnicka, M. 2013. What could be the impact of shale gas exploitation on the water management? Przegląd Geologiczny 61(11/1), pp. 657–662.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953