Shale gas

Hasta el inicio del año 2000, el gas natural explotado (esencialmente metano), era extraído de tres fuentes: los yacimientos de hidrocarburos de tipo convencional, la transformación petroquímica de hidrocarburos pesados y el biogás. Desde hace diez años, la escasez de los recursos fósiles generó la explotación de yacimientos de gases no convencionales principalmente en Estados Unidos. En estos yacimientos el gas está atrapado en una porosidad microscópica poco accesible ya que la roca es de permeabilidad escasa. Este hidrocarburo se llama shale gas (Figura 1). 

El gas natural o el metano es una energía fósil producida a través de la explotación de yacimientos geológicos de tipo convencional, ya sea libre o asociado con otros hidrocarburos (condensados, aceites). En 2017 la demanda del gas natural era de 3,680 millones de m3 (es decir 3,680 Gm3), crecimiento global pero heterogéneo.  Con un incremento anual de 9% en China, pero una reducción de -2.3% en Europa, durante el mismo periodo.  

A nivel mundial, se estimaba que los recursos de shale gas representaban 207,000 Gm3, lo que representa lo mismo que los recursos probados en gas convencional. Para el año 2035, la Agencia Internacional de la Energía [1], (IEA por sus siglas en inglés), estima que el shale gas podría representar más del 20% de las inversiones del sector de la explotación del gas fósil, lo que equivaldría a un monto de 2,400 millones de dólares para el periodo 2014-2035.  

La pregunta sobre la explotación de hidrocarburos no convencionales es objeto de debates latentes. Diversas visiones políticas e industriales se enfrentan. De esta manera, desde el inicio del milenio 2000 el apogeo del shale gas en Estados Unidos modifica el balance energético de dicho país, mismo que inicialmente era importador de gas natural, se ha convertido en exportador en el año 2017. Mientras tanto, en el resto del mundo el conocimiento científico sobre los impactos a mediano y largo plazo que la explotación del shale gas genera es escaso. Sin embargo, los posibles riesgos tanto ambientales como industriales estimados detuvieron la dinámica de explotación e incluso la de exploración. En Europa, los riesgos asociados a la producción del shale gas disminuyeron e incluso detuvieron su explotación en Francia y en Bulgaria, en tanto, dos países más: Inglaterra y Polonia iniciaron una fase de exploración. En Asia, la exploración se ha iniciado y debería desarrollarse en los años a venir.  

1. El origen del shale gas

Los yacimientos no convencionales se caracterizan por una escasa permeabilidad y porque el gas se encuentra atrapado dentro de una porosidad microscópica poco accesible, a este gas se le llama shale gas. La fracturación hidráulica es la técnica principal utilizada para explotar este recurso y consiste en la perforación de estratos poco permeables. Esta técnica también es usada para explotar los yacimientos convencionales o los campos geotérmicos. La fracturación se realiza inyectando el fluido de fracturación a alta presión, mismo que crea una red drenadora de fisuras, favoreciendo así el ingreso del gas natural al pozo principal en el que se almacena; posteriormente, es transportado y finalmente, explotado.  

Las técnicas más recientes utilizan perforaciones horizontales de algunos kilómetros de longitud, con un pozo principal vertical del que se propagan varias perforaciones horizontales. De esta manera, un pozo único que se encuentra en la superficie explota varios kilómetros cuadrados subterráneos.  Este salto tecnológico que consiste en el empleo de un volumen consecuente de líquidos y de perforaciones horizontales permitió que Estados Unidos explotara este recurso no convencional (Figura 2).   

En cuanto al conocimiento científico sobre el shale gas, cabe mencionar que las explotaciones que tuvieron lugar en Estados Unidos fueron realizadas por compañías privadas que protegían su tecnología con patentes. La investigación académica sobre esta tecnología inició recientemente. De esta manera, la producción científica académica proveniente de la investigación pública (y en parte de la investigación privada) ha evolucionado favorablemente. Antes del año 2007, aparecieron muy pocas publicaciones científicas sobre el shale gas, entre una y cinco por año. A partir de 2007, el número de publicaciones siguió un crecimiento exponencial. Este aumento permitió que el conocimiento sobre el shale gas entrara poco a poco en el ámbito público, mientras que hasta antes del año 2007 se había confinado únicamente al ámbito industrial.  

2. El apogeo en estados unidos a partir del año 2000 

La explotación del shale gas inició en Estados Unidos a partir del año 2005, con un número de pozos perforados que en promedio aumentó de 1200 pozos por año durante el periodo 1990-2004, a casi 2300 en el año 2012. Después de una baja irreversible sobre los precios del gas, éstos retomaron su vuelo en 2017. Al mismo tiempo, la producción estadounidense de gas natural aumenta 30%, en tanto, el shale gas cubre el 60% de la producción total en 2017. Desde 2009, Estados Unidos se convirtió en el primer productor mundial por delante de Rusia (Figura 3). Esta llegada del shale gas provocó una sobre producción del mercado estadounidense, en donde las cotizaciones del gas cayeron fuertemente. 

Hasta el año 2007, el precio del gas en los grandes mercados internacionales (Europa, Japón y EUA) estaban globalmente correlacionados. Bajo los efectos del shale gas, en 2013, el precio del gas natural es de tres a cuatro veces más económico en Estados Unidos, lo que trajo consigo consecuencias sobre la competitividad de las industrias consumidoras de grandes cantidades de energía fósil.  

De tal manera que en 2013, el costo de kilowatt-hora para los empresarios es de 12 USD en Estados Unidos y de 46 USD en promedio para los países de la OCDE. La ventaja competitiva es tal que Estados Unidos relocaliza varias de sus industrias pesadas sobre su territorio (metalúrgica, petroquímica). La oferta sobre producida en Estados Unidos desencadenó una caída en la cotización del gas, el número de nuevas perforaciones cayó desde 2013.  

El apogeo del shale gas en Estados Unidos desencadenó una caída de las importaciones de gas e incita a este país a la exportación. Varios de estos proyectos de exportación fueron aprobados por el Department of Energy, ya sea por medio gaseoducto hacia México, por ejemplo, o como Gas Natural Licuado (GNL). Para el año 2020, Estados Unidos debería ser exportador de gas. Otra consecuencia de la baja del precio del gas, es el cambio del carbón al gas para producir electricidad. La parte del carbón que representaba 50% de la producción de la electricidad estadounidense en 2007, cayó 37% en 2012. Estados Unidos ahora exporta un carbón a bajo precio, por ejemplo, hacia Europa y particularmente a Alemania. 

Actualmente, el impacto del shale gas estadounidense en el resto del mundo es indirecto. Estados Unidos importador de gas natural al inicio del año 2000 se convierte en exportador, lo que conlleva una reconducción de las exportaciones de GNL que inicialmente estaban destinadas al mercado estadounidense y que finalmente son destinadas a Europa y a Asia. En Europa, los contratos de gas negociados a largo plazo con Rusia o con Catar establecen los precios sobre los primeros 10 años, con valores de 3 a 4 veces superiores a los del gas natural utilizados por las industrias en EUA. El bajo precio del gas estadounidense trae como consecuencia la disminución del volumen de las exportaciones europeas de gas, el carbón estadounidense, ahora económico, remplaza el gas natural en Europa.  

En 2014, a escala mundial, el shale gas aún no se desarrolla. En América del Sur, Colombia y Argentina pusieron en marcha fases de exploración en 2012 (Leer: Por qué el frackingen Argentina ; Shale oil y shale gas en Argentina). En África, Argelia anunció una nueva ley autorizando la exploración. En África del sur se acordaron algunas licencias y se propuso una moratoria de fracturación hidráulica. En Asia, China puso en marcha una fase de exploración y de prueba. India propone licencias de exploración desde 2013 y en Indonesia una fase de evaluación del recurso es puesta en marcha. Finalmente, en Europa algunos países o regiones prohibieron la fracturación hidráulica deteniendo la exploración (en Francia, Bulgaria y la región de Cantabria en España). Otros países (Inglaterra, Polonia, Dinamarca, Rumania, Ucrania) pusieron en marcha la fase de evaluación de sus recursos, incluso, los países más avanzados iniciaron una fase de exploración. En términos de reservas, las estimaciones varían rápidamente. Por ejemplo, las estimaciones de reservas en Polonia fueron modificadas al final de la realización de 30 perforaciones de exploración. Al inicio se estimaban 440 años de consumo para el país basándose en una estimación de roca de esquisto. Al cabo de la fase de exploración se concluyeron 30 años de consumo para el país. Prácticamente 10 veces menos de lo previsto inicialmente. En Inglaterra la situación es opuesta: a medida que las exploraciones avanzaron, el volumen de reservas identificadas superó el volumen previsto en las estimaciones. La conclusión de ambos ejemplos es que la incertidumbre sobre el volumen de reservas disponibles y la viabilidad de su explotación es muy elevada, difícilmente se puede considerar en los modelos económicos. Por lo que actualmente, el desarrollo del shale gas fuera de Estados Unidos es poco previsible.   

La situación estadounidense es única. Por una parte, las rocas madres están situadas sobre grandes superficies y a menos profundidad que en Europa. Por otra parte, la legislación, la densidad de la población y la esfera económica favorecen el desarrollo de este recurso fósil. Efectivamente, en algunos de los estados de Estados Unidos, los propietarios del terreno poseen igualmente la propiedad del subsuelo y de los recursos que él mismo contiene, por lo tanto se interesan directamente en su explotación y en los ingresos que éstos generan. En otros estados, si la propiedad del subsuelo no es poseída en totalidad, el propietario recibe una remuneración de parte de la empresa de perforación que utiliza sus tierras. La densidad de la población es mucho más baja: 30hab./km2 o incluso 2hab./km2 en algunas de las zonas de explotación, en comparación con la densidad de habitantes europeos que varía de 100hab./km2 a 200hab./km2. Consecuentemente, en Estados Unidos las molestias generadas por la fase de fracturación hidráulica son resentidas por menos personas.   

En las regiones de explotación, la red empresarial especializada en el sector del petróleo, la superficie de la red gasífera, así como la importante competencia existente en el mercado del gas provocan una fuerte competitividad e inversiones sustanciales en este sector. En varios de los estados de Estados Unidos, las poblaciones están acostumbradas a las explotaciones de hidrocarburos y aceptan el desarrollo del shale gas. Sin embargo, aún no se consideran las consecuencias ambientales generadas por la explotación del shale gas en Estados Unidos. A este respecto, para el año 2014 un reporte será publicado por la Environmental Protection Agency. 

3. Los impactos ambientales

En 2010 la película “Gasland” de Josh Fox suscitó el debate sobre las consecuencias ambientales generadas por la fracturación hidráulica. Una imagen circula en todo el mundo, se trata de la imagen en la que un hombre abre el grifo de su fregadero, acerca un encendedor y una flama anaranjada surge alrededor del chorro de agua. Esta flama proviene de la combustión del metano que dicha película atribuye a una fracturación hidráulica situada cerca de la casa. El impacto de esta imagen incrementó la publicidad en los medios de comunicación, generando la desacreditación de la explotación del shale gas, poniendo en relieve los perjuicios ambientales que supone la fracturación hidráulica.   

Tanto el temor de los impactos ambientales, como los perjuicios a los que las poblaciones locales podrían enfrentarse, provocaron que Francia se opusiera a la explotación de este recurso.  De tal forma que la ley del 13 de julio de 2011 fue votada por una fuerte mayoría de la Asamblea Nacional basándose en la prohibición de la explotación del shale gas a través de la técnica de la fracturación hidráulica. De tal manera que esta ley invalidó los permisos de explotación previamente otorgados en el territorio metropolitano.  

La fracturación hidráulica genera estreses ambientales de diversos tipos: químicos, mecánicos y tóxicos, podemos identificar cinco tipos. Primeramente, la circulación de fluidos en profundidad puede generar una micro-sismicidad inducida. Efectivamente, la explotación desencadena pequeños sismos como lo hacen otras tecnologías tales como la geotermia, la implementación de presas de agua o la explotación de gases convencionales. En segundo lugar, existe un riesgo de contaminación de los acuíferos. Un tercer impacto consiste en las fugas de gas en la atmósfera. Los dos últimos impactos conllevan el tratamiento de importantes cantidades de agua antes de reintegrarlas en el medio ambiente, así como el empleo de reservas terrestres e infraestructuras para realizar la explotación y el transporte del shale gas.  

El debate científico se desarrolla entorno de los impactos al medio ambiente tales como: el riesgo de desencadenamiento de sismicidad; la necesidad de tratar grandes volúmenes de agua contaminada; o las fugas de metano en la atmósfera que contribuyen al calentamiento global. El deterioro de paisajes y posibles impactos sobre la calidad del medio ambiente, así como la salud del ser humano también son puestos en relieve. El conocimiento científico se construye entorno a estas temáticas. La magnitud del debate publicado, ha orillado a ciertas empresas privadas a publicar sus datos. Varios de estos riesgos son detallados a continuación y muchos de ellos podrían anticiparse antes de que cualquier explotación se lleve a cabo [2].  

3.1 Riesgo de contaminación de los acuíferos

La fase de perforación emplea importantes cantidades de agua, entre 3,000 a 30,000 m3 por pozo, agua en la que se mezclan varios aditivos químicos que facilitan la extracción del gas. Esta agua de perforación hace reacción con la roca y lava metales pesados, sales y compuestos orgánicos.  El fluido recuperado en la superficie (aproximadamente 20% del que es inyectado) consecuentemente tiene una constitución química diferente a la del fluido de inyección. El riesgo de fuga y de contaminación de acuíferos de agua potable, ya sea por el metano o por los fluidos de fracturación, ha movilizado a la comunidad científica. Cuatro orígenes del metano son posibles: 1) el metano podría provenir de la superficie por la degradación de la materia orgánica del suelo, 2) el metano provendría de una fuga natural ubicada en la profundidad, 3) el metano provendría de una fuga vinculada a la fracturación hidráulica del yacimiento que está a varios kilómetros de profundidad, 4) el metano provendría de una fuga contenida en el pozo. El análisis químico de los isótopos del gas muestra sin lugar a dudas que el gas proviene de la profundidad. El debate científico que inició en 2010 concluyó que este tipo de fugas de metano pueden tener dos orígenes: ya sea de fugas naturales internas que suben a la superficie, o bien, la impermeabilidad deficiente de algunos pozos.  

Los científicos también participan en el debate para encontrar una explicación al fenómeno observado en la película “Gasland”. En mayo de 2011, se publicó el primer artículo en una revista de prestigio, los reportes de la Academia Internacional de Ciencias de Estados Unidos [3] presentan una serie de análisis de los nacimientos de agua de Estados Unidos, principalmente de las regiones en donde se explota el shale gas. Por su parte, algunos investigadores también analizaron el agua de los pozos y de algunos nacimientos de agua de las regiones en las que se explota el shale gas. Éstos demostraron que ciertos nacimientos que se ubicaban a una distancia menor de un kilómetro de una perforación, contenían concentraciones de metano superiores a las establecidas por las normas de potabilidad y concluyeron que la fracturación hidráulica era responsable de tal contaminación. El articulo concluyó que la presencia de este metano en numerosas fuentes de agua provenía de la formación de los shales de Marcellus que se situaba bajo los acuíferos analizados.  

Unos meses después, otros dos estudios [4] respondieron al primer artículo y refutaron la idea de que la fracturación hidráulica pudiera ser el origen de la contaminación observada. Las críticas son sobre: 1) la escasa cantidad de medidas (34 pozos fueron analizados), 2) el hecho de que la fracturación hidráulica fue propuesta como el origen de las fuertes concentraciones de metano. Efectivamente, los geólogos saben de antemano que una fractura producida a varios kilómetros de profundidad no puede propagarse a grandes distancias. Para responder al primer punto, el estudio se expandió a 141 pozos y nacimientos, y los autores confirmaron que unos veinte pozos situados a menos de un kilómetro de una perforación estaban contaminados.  En respuesta al segundo punto, un artículo fue publicado en 2012 por los investigadores de la sociedad Halliburton [5] que produce fluidos de fracturación hidráulica. La publicación contenía una serie de datos de fracturación que mostraban que las fracturas producidas a profundidad no alcanzan la superficie y por lo tanto no podían explicar la contaminación observada. Dichos datos muestran que la extensión vertical de la fracturación hidráulica se sitúa a gran distancia de los acuíferos, refutando la posibilidad de una contaminación por este medio.   

El latente debate científico se dirige ahora hacia un posible origen de fugas provenientes de las perforaciones, por lo que éstas no serían impermeables. La conclusión de estos estudios es que el origen del metano en el agua potable puede provenir ya sea de fuentes naturales de metano localizadas en la profundidad, cuya existencia en algunas regiones de Estados Unidos es conocida desde hace decenas de años. O bien, los pozos no tienen la impermeabilidad necesaria. O quizás provendrían de una contaminación de metano producida en los suelos.  

3.2 Riesgos de sismicidad inducida

 La explotación de hidrocarburos o de cualquier otro recurso subterráneo puede conllevar dos tipos de sismicidad. Por una parte, la fase de fracturación hidráulica produce micro-fisuras en las capas geológicas explotadas. De manera general, esta micro-sismicidad  no se reciente en la superficie y no se ha demostrado que genere impacto. Por otra parte, las variaciones de fluidos inyectados a presión en el subsuelo para explotar el yacimiento pueden generar una cadena de sismos pequeños en las regiones en donde las presiones tectónicas son elevadas, o en las que una actividad sísmica preexistente fue identificada. Por ejemplo, en 2006, un caso de sismicidad inducida fue demostrado en la región de Basilea, en donde una fracturación hidráulica realizada por una perforación geotérmica profunda generó una crisis sísmica que duró varias semanas. El sismo más importante alcanzó una magnitud de 3.4° sobre la escala de Richter. Numerosos daños en la superficie generaron que se detuviera el proyecto y que las aseguradoras cubrieran indemnizaciones elevadas.  Actualmente se estudian otros casos de sismicidad inducida, por ejemplo, en 2011, en Arkansas, se midió la magnitud de unos sismos pequeños que estaban relacionados con la profundidad de los fluidos utilizados en la explotación de gases no convencionales.   

3.3 Agua de perforación y de producción

El agua de perforación y proveniente del yacimiento durante la fase de producción es en parte recuperada en la superficie. Ésta puede alcanzar una concentración de sales seis veces superior a la del agua de mar. Numerosos elementos están presentes, tales como gases (metano, dióxido de carbono, ácido sulfúrico, helio, radón). Algunas moléculas orgánicas inyectadas como aditivos del líquido del agua de perforación pueden hacer reacción con la roca y producir moléculas orgánicas secundarias cuya composición y eventual toxicidad quedan por determinarse. El tratamiento de dichos fluidos en la superficie debe hacerlo una industria especializada en residuos industriales con la finalidad de que los residuos industriales obedezcan a las normas ambientales.

4. Conclusión

En un periodo de escasez de recursos fósiles, elegir o no, explotar los recursos no renovables como el shale gas, implica criterios de tipo políticos, industriales, sociales y ambientales. Sin embargo, toda explotación de gran envergadura y operatividad requiere de una serie de medidas con la finalidad de evitar tales impactos, o por lo menos, controlarlos: 

• evaluar el costo del agua y de energía que la explotación del shale gas requiere y compararlo con el flujo del gas a efecto invernadero emitidos con respecto a otros tipos de energía, 
• publicar la lista de productos inyectados al momento de realizar la fracturación hidráulica, 
• poner fin a la industria de tratamiento de residuos industriales antes de que se inicie la explotación y publicar la composición de los fluidos emitidos en el medio ambiente, 
• limitar la degradación de los paisajes (invasión de numerosos sitios y creación de caminos de acceso necesarios, lagunas abandonadas, transporte requerido en la fase de explotación), 
• cuantificar el impacto de la explotación de un gran número de sitos de perforación sobre la biodiversidad,  
• considerar y medir la sismicidad de la región explotada, 
• asegurar un seguimiento específico de la calidad del aire y del agua destinada al consumo, antes, durante y después de la explotación, así como el seguimiento de la impermeabilidad de los pozos durante y después la fase de explotación.  

La explotación del shale gas es considerada por algunos países como un nuevo El Dorado, ya que les provee un recurso fósil a un costo competitivo, que les permite reconsiderar la reindustrialización de ciertas regiones y de desarrollar sus economías. Sin embargo, el escaso grado de conocimientos sobre los impactos a corto, mediano y largo plazo de este tipo de explotación, así como los riesgos ambientales e industriales asociados generaron como consecuencia la disminución, e incluso detuvieron este tipo de dinámicas en otros países. La necesidad de nuevos conocimientos sobre este recurso y su explotación está presente. Por ejemplo, la construcción de un sitio de pilotaje, con fines de investigación y abierto a la comunidad académica, permitiría que las disciplinas necesarias se unieran en búsqueda de una mejor comprensión de los procesos subterráneos y superficiales asociados a la producción de los gases no convencionales. Los resultados de tal proceso permitirían, por una parte, aclarar el debate público y asegurar la transparencia de la información. Por otra parte, aportarían argumentos a los legisladores para que éstos puedan decidir teniendo conocimiento de causa y no únicamente basándose en el principio de precaución. Una aclaración científica de este grado contribuiría al debate público y de esta manera, participaría a la democracia ambiental. Ciertamente, las controversias científicas ya no pueden permanecer ajenas a la sociedad.  

Notas y referencias

[1] IEA Statistics, 2012, International Energy Agency (IEA), (2012) Natural Gas Information. ISBN 978-92-64-17473-3, 655 p. 

[2] Meakin P., Huang H., Malthe–Sørenssen A., Thøgersen K., (2013). “Shale gas: Opportunities and challenges” Environmental Geosciences 20, pp. 151-164. 

[3] Osborn S. G., Vengosh A., Warner N. R., Jackson R. B., (2011) “Methane contamination of drinking water accompanying gas-well drilling and hydraulic fracturing” Proceedings of the National Academy of Sciences 108, (20) pp. 8172-8176. 

[4] Schon, Samuel C.(2011) “Hydraulic fracturing not responsible for methane migration”  Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, (37). E664. 

Saba T., Orzechowski M. (2011). “Lack of data to support a relationship between methane contamination of drinking water wells and hydraulic fracturing” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, (37). E663. 

 [5] K. Fisher & N. Warpinski, (2012) “Hydraulic-fracture-height growth: Real data” Society of Petroleum Engineers SPE 145949  

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