Polska metoda wydobycia gazu łupkowego opracowana przez zespół naukowy z Wojskowej Akademii Technicznej

Transkrypt

1 Polska metoda wydobycia gazu łupkowego opracowana przez zespół naukowy z Wojskowej Akademii Technicznej Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wojskowa Akademia Techniczna Autorzy: prof. dr hab. inż.tadeusz NIEZGODA dr inż. Danuta MIEDZIŃSKA Dr inż. Grzegorz SŁAWIŃSKI Dr inż. Roman GIELETA Dr inż. Agnieszka DEREWOŃKO Dr inż. Andrzej MORKA mgr inż. Piotr Kędzierski

2 Wprowadzenie Gaz z łupków (gaz łupkowy) gaz ziemny, uzyskiwany z łupków osadowych. Globalny rynek gazu łupkowego w 2011 roku był warty 27 miliardów USD [1]. Ze względu na charakter skał, w których występują nagromadzenia węglowodorów, złoża dzielimy na konwencjonalne oraz niekonwencjonalne. Wydobycie gazu niekonwencjonalnego jest technicznie trudniejsze idroższe. Wśród niekonwencjonalnych złóż gazu można wyróżnić: gaz w łupkach (shale gas), gaz uwięziony w izolowanych porach skalnych (tight gas), gaz z pokładów węgla (coalbed methane) oraz hydraty gazowe. [1] The Shale Gas Market Report Energy visiongain Łupek

3 Wprowadzenie Według wyliczeń Energy Information Administration, wydobycie gazu z łupków do 2030 roku będzie wynosiło 7%światowej produkcji gazu ziemnego. Według szacunków Wood MacKenzie w Polsce mogą istnieć zasoby wydobywane gazu w łupkach sięgające 1,4 bln m 3. Natomiast według szacunków Advanced Resources International zasoby te mogą wynosić nawet 3 bln m 3 o wartości rynkowej przekraczającej dziesiątki miliardów dolarów.

4 Wprowadzenie metoda WAT Opisana metoda została zgłoszona do Urzędu Patentowego przez Wojskową Akademię Techniczną (nr zgłoszenia P ). Przedmiotem zgłoszonego wynalazku jest sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO 2 z poziomych odwiertów małośrednicowych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym.

5 Prasa o nas FORBES 10/2012 Nasz Dziennik 8 września 2012 Nowatorska polska metoda wydobycia gazu łupkowego może zrewolucjonizować nasz potencjał energetyczny. Jej autorem jest zespół naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. [ ] Konkurencja ze Wschodu (sprzedająca nam gaz konwencjonalny) i Zachodu (dysponująca opatentowanymi technologiami na wydobycie gazu łupkowego) z pewnością przygląda się uważnie temu, co będzie się działo z wynalazkiem naukowców z WAT. Jeśli ta technologia okażesię skuteczna i opłacalna, to nie unikniemy prób podważenia osiągnięć zespołu, blokowania dalszych badań i wdrożenia. Interes narodowy nakazuje, by jak najmocniej się temu przeciwstawić. Tygodnik Gospodarczy TV Polonia

6 Mechanizmy desorpcji gazu łupkowego Struktura skały łupkowej charakteryzuje się dwoma poziomami porowatości: 1 go rodzaju (mikro i meso pory) 2 go rodzaju (makro pory i naturalne szczeliny) Większość gazu w łupku jest zaadsorbowana w porach 1 go rodzaju, które mają strukturę nieprzepuszczalną. Przepływ gazu w strukturze 1 go rodzaju jest dyfuzyjny, w strukturze 2 go rodzaju to przepływ Darcy ego zależny od przepuszczalności skałyigradientuciśnienia. Gdy ciśnienie w naturalnych szczelinach spada poniżej krytycznego ciśnienia desorpcji, metan zaczyna desorbować z porów 1 go rodzaju do porów 2 go rodzaju. W rezultacie stężenie zaadsorbowanego gazu w pobliżu naturalnych szczelin maleje, co powoduje powstanie gradientu ciśnienia i dyfuzyjny transfer masy przez mikro i meso pory [2]. [2] A. Kalantari Dahaghi; Numerical Simulations and Modeling of Enhanced Gas Recovery and CO2 Sequestration In Shale Gas Reservoirs, SPE, Wes Virginia University, 2010

7 Mechanizmy desorpcji gazu łupkowego Mechanizmy desorpcji gazu łupkowego Mechanizmy przepływu w pokładach łupka gazonośnego

8 Mechanizmy desorpcji gazu łupkowego Na podstawie wyników badań prowadzonych na układach węgiel gazy kopalniane na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat powszechnie przyjęło się twierdzenie, iż CO 2 sorbowany jest preferencyjnie względem CH 4,orazże ilość sorbowanego na węglu CO 2 jest większa niż wprzypadku sorpcji CH 4,anajczęściej podawany stosunek chłonności sorpcyjnej węgla względem tych gazów to 2 : 1. Jednakże, jak wynika z badań (Busch i in. 2004) określenie, który z gazów CO 2 czy CH 4 będzie sorbowany preferencyjnie zależy od szeregu czynników, w tym parametrów opisujących węgiel, jak stopień metamorfizmu, zawartość wilgoci, stopień rozdrobnienia próbki oraz parametrów opisujących układ, jak ciśnienie i temperatura[3,4,5]. [3] Busch A., Gensterblum Y., Krooss B.M., Littke R., 2004 Methane and carbon dioxide adsorption/ /diffusion experiments on coal: an upscaling and modeling aproach. Int. J. Coal Geol. t. 60, s [4] Busch A., Gensterblum Y., Krooss B.M., Siemons N., 2004 Investigation of high pressure selective adsorption/desorption behaviour of CO 2 and CH 4 on coals: An experimental study. Int. J. Coal Geol. 66, s [5] Ceglarska Stefańska G., Nodzeński A., Hołda S., 2007 Badania układu węgiel gaz w aspekcie pozyskiwania metanu i sekwestracji CO 2. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 23, s

9 Mechanizmy desorpcji gazu łupkowego WNIOSKI Przedstawione mechanizmy pozwalają na znaczny wzrost efektywności wydobycia gazu łupkowego Zwiększa się obszar działania szczelinowania do poziomu mikroporowatości skały Proces adsorpcji i desorpcji gazów odbywa się na poziomie cząsteczkowym Przewidywana jest duża efektywność ekologiczna procesu (możliwość uzyskania czystej energii ze spalania metanu)

10 Stan dotychczasowy technologii wydobycia CH 4 : Szczelinowanie hydrauliczne (do jednego otworu podczas zabiegu szczelinowania średnio wtłacza się od 7,5 do 11,3 mln litrów płynu szczelinującego oraz od 450 do 680 ton piasku) Usuwanie gazu metanowego z podziemnych kopalni przed i podczas wydobywania za pomocą systemów odgazowywania Wydobywanie powierzchniowe Amerykański patent nr 7,264,049 dotyczącym metody in situ gazyfikacji węgla (użycie procesu spalania do rozdrobnienia formacji i uwolnienia gazu zjejpęknięć; brak zastosowania do złóżłupków gazowych) Amerykański patent nr 4,374,545 dotyczący procesu kruszenia dwutlenkiem węgla (użycie środków podtrzymującychisubstancjichemicznych, które mogą wpłynąć niekorzystnie na środowisko naturalne; ograniczony zasięg wydobycia poprzez użycie jedynie odwiertów pionowych, bez odwiertów bocznych) Patent US 2011/ A1 dotyczący metody i urządzenia do sekwestracji gazu CO 2 i uwalniania naturalnego gazu CH 4 (użycie wielu odwiertów pionowych do przeprowadzenia jednego procesu wydobycia; mały zakres szczelinowania skały za pomocą jedynie sprężonego CO 2 )

11 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Za sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych (np. gazu łupkowego) i magazynowania CO 2 lub innego gazu cięższego od CH 4 w pojedynczym odwiercie pionowym będzie uważany odzysk gazu łupkowego) poprzez wpompowanie w te odwierty ciekłego sprężonego i schłodzonego CO 2, co powoduje wniknięcie CO 2 wskałę i jego przemianę fazową pod wpływem panującej w złożu temperatury i intensywne spękanie skały, absorpcję CO 2 i jednoczesną desorpcję gazu łupkowego).

12 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Pierwszym krokiem w wydobyciu gazu łupkowego jest odpowiednie przygotowanie odwiertu pionowego wzłożu łupka gazowego znajdującego się pomiędzy pokładami litej skały. Do wydobycia gazu mogą posłużyć również już istniejące odwierty pionowe.

13 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Z odwiertu pionowego wyprowadzane są promieniowo na obwodzie odwiertu głównego małośrednicowe odwierty na kilku poziomach. Łupek w odwiertach umieszczonych na najniższym poziomie może być wstępnie perforowany przy użyciu różnych technik niszczenia skał. Metoda może być prowadzona na odwiertach głównych wykonanych na różnych poziomach Odwierty poprzeczne

14 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Nieperforowane boczne odwierty zostają zamknięte, przy użyciu mini zaworów sterowanych z powierzchni (kontrola procesu). Z powierzchni poprzez odwiert główny wprowadza się elastyczne lub półelastycznerury,któresą izolowane lub wykonane z materiału wysoko izolacyjnego, bądź też wymagają wstępnego schłodzenia.

15 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Następnie rurami zostaje wprowadzony do złoża łupka gazonośnego za pomocą pompy kriogenicznej ciekły sprężony i schłodzony CO 2 (który jest cięższy od CH 4,dzięki czemu może go wyprzeć z łupków). Cały proces podawania CO 2 wymaga stałej kontroli temperatury i ciśnienia w odwiertach, co powoduje konieczność umieszczenia w nich zestawów odpowiednich czujników.

16 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Następnie odwierty, przez które wprowadzono CO 2 również zostają zamknięte zaworem sterowanym z powierzchni w rurze pionowej, (co powoduje powstanie konstrukcji samonośnej) Rozpoczyna się proces rozprężania CO 2 oraz jego przemiany fazowej pod wpływem panującej w złożu temperatury,copowoduje intensywne spękanie łupka, absorpcję CO 2 i jednoczesną desorpcję gazu łupkowego. Proces ten trwa zwykle około 2tygodni. Wstępna perforacja, która może być dokonana w bocznych odwiertach, do których wprowadza się CO 2, pozwala na zintensyfikowanie i rozszerzenie tworzących się spękań. Przy zamkniętych zaworach zostają umieszczone w złożu czujniki ciśnienia, które pozwalają na kontrolę procesów zachodzących w łupku.

17 Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 Powstałe w złożu łupka gazonośnego pęknięcia umożliwiają uwolnienie gazu łupkowego wypchniętego przez cięższy CO 2. Odwierty boczne zostają otwarte i uwolniony gaz, będący pod wysokim ciśnieniem wydobywa się na powierzchnie poprzez odwiert pionowy. Proces odzysku gazu z odwiertu może zachodzić samoistnie lub być prowadzony podciśnieniowo.

18 Weryfikacja eksperymentalna Przeprowadzono badanie CO2 w stanie nadkrytycznym Wykres fazowy CO2 Z danych literaturowych wynika, że wytrzymałość na rozciąganie skały łupkowej waha się wgranicach 3 18 MPa ( w zależności od miejsca wydobycia) w warunkach ciśnienia atmosferycznego

19 Weryfikacja eksperymentalna Obliczenia teoretyczne przeprowadzono przy użyciu programu REFPROP (ang. Reference Properities). Jest to program stworzony przez NIST (National Institute of Science and Technology) obliczający właściwości termodynamiczne i transportowe cieczy przemysłowych oraz ich mieszanin ze szczególnym uwzględnieniem czynników chłodniczych oraz węglowodorów. Użyte równanie stanu Span Wagnera [6] jest empiryczną zależnością określoną w postaci funkcji energii swobodnej Helmholtza. Powszechnie wykorzystuje się bezwymiarową postać funkcji Helmholtza φ=a/(rt) rozdzieloną na składową odnoszącą się do gazu idealnego φ 0 oraz składową resztkową φ r : gdzie: τ odwrotność zredukowanej temperatury τ=t c /T; δ zredukowana gęstość δ=ρ/ρ c, T c i ρ c to odpowiednio temperatura i gęstość w punkcie krytycznym. [6] T. Niezgoda, D. Miedzińska, P. Kędzierski; New Method of Carbon Dioxide Storage Coupled with Shale Gas Recovery, Journal of Kones, Vol. 10, No 3, 2012, pp

20 Weryfikacja eksperymentalna Przemiana izochoryczna dla CO 2 o gęstości: 1120 i 809kg/m 3

21 Weryfikacja eksperymentalna Porównanie przebiegu ciśnienia dla przemiany izochorycznej i przemiany uwzględniającej wzrost objętości

22 Weryfikacja eksperymentalna Wyniki obliczeń dla parametrów w złożu węgla Lp. Temperatura początkowa [ C] Ciśnienie początkowe [MPa] Gęstość [kg/m 3 ] Ciśnienie przy 30 C [MPa] , ,4 95, , ,7 73, , ,7 54, , ,93 38, , ,43 25, , ,12 16,42

23 Porowatość węgla Według IUPAC (The International Union of Pure and Applied Chemistry) pory klasyfikuje się pod względem rozmiaru na: Mikropory, <2nm Ultramikropory, <0,5nm Supermikropory, od 1 do 2nm Mezopory, od 2 do 50nm Makropory, >50nm Największą zdolność adsorpcyjną mają mikropory, ponieważ ich wielkość jest porównywalna z wielkością adsorbowanych cząstek. Mezopory oprócz znaczącego udziału w adsorpcji odgrywają także rolę głównych arterii dla adsorbatu, a makropory pełnią głównie funkcję transportową. 2,26Å

24 Weryfikacja eksperymentalna Przeprowadzono eksperyment polegający na podgrzaniu CO2 w postaci suchego lodu w zamkniętym zbiorniku wysokociśnieniowym

25 Weryfikacja eksperymentalna Porównanie wyników przeprowadzonego eksperymentu i obliczeń teoretycznych. Średni błąd względny wyniósł 5,69%

26 Weryfikacja eksperymentalna WNIOSKI Wyniki przeprowadzonej analizy wskazują na możliwość zastosowania ciekłego CO 2 do szczelinowania gazowego oraz na możliwość najegowykorzystaniajakomediumdoniszczenia skał na dużej głębokości. Analizy wykazały, że zastosowanie CO 2 nawet o parametrach początkowych (20 C,7MPa), a więc w stanie termodynamicznym zbliżonym do stanu CO 2 powszechnie sprzedawanego w butlach, umożliwia osiągniecie wymaganego ciśnienia szczelinowania skał. Użycie ciekłego CO 2 może stanowić alternatywę dla szczelinowania hydraulicznego zastępując wykorzystywaną obecnie wodę i chemikalia. Trzeba zwrócić uwagę, że przeprowadzone rozważania dokonywane są wyłącznie w aspekcie termodynamicznym, zakładając, że CO 2 ookreślonym stanie (p,v) zostaje umieszczony w odwiercie na danej głębokości.

27 Zalety proponowanej metody Proponowana metoda pozwala na osiągnięcie wysokich wartości ciśnienia w złożu i tym samym wzrost wydobycia gazu z łupka. Metodami szczelinowania hydraulicznego uzyskuje się wydajność odwiertu na poziomie 15%, proponowana metoda może dać wydajność na poziomie 60% [7,8]. Węgiel lub łupek mogą zaabsorbować objętościowo dwa razy więcej dwutlenku węgla niż metan [9]. W związku z tym właściwość ta może doprowadzić do otrzymywania tzw. czystej energii. Sposób nie wymaga stosowania dużych ilości wody, domieszek chemicznych i piasku do uzupełniania eksploatowanego złoża. [7] [8] CO2 Sand Fracturing, DRILLING AND COMPLETION, Canada, 2011 [9] A. Kalantari Dahaghi; Numerical Simulations and Modeling of Enhanced Gas Recovery and CO2 Sequestration In Shale Gas Reservoirs, SPE, Wes Virginia University, 2010

28 Zalety proponowanej metody Proponowana metoda pozwala na prowadzenie procesu wydobycia w sposób w pełni kontrolowany (przy pomocy zaworów i czujników), co niweluje zagrożenie związane z tąpnięciami i ruchami górotworu. Proponowany sposób wydobycia gazu łupkowego z poziomych odwiertów małośrednicowych (tańszych i łatwiejszych do wykonania) przy użyciu CO 2 jest korzystny z punktu widzenia ekonomii oraz ochrony środowiska. Istnieje możliwość wykorzystania metody do magazynowania gazu cieplarnianego CO 2 po wyeksploatowaniu złoża gazu łupkowego poprzez zamknięcie złoża gazu na stałe.

29 Aspekty ekologiczne proponowanej metody Porównanie aspektów ekologicznych szczelinowania hydraulicznego i proponowanej metody wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO2 w złożu: Szczelinowanie hydrauliczne Zastrzeżenia UE dotyczące dużego prawdopodobieństwa zanieczyszczenia wód gruntowych, prawdopodobieństwo wprowadzenia ograniczeń dotyczących stosowania metody Polska metoda wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO 2 w złożu Nie koliduje z zastrzeżeniami Unii Europejskiej dotyczącej szczelinowania hydraulicznego, gdyż w tym procesie do szczelinowania stosuje się ciekły CO 2 bez związków chemicznych szkodliwych dla środowiska, co najwyżej z dodatkiem piasku, co nie powoduje zanieczyszczenia wód gruntowych [10] [10] unia.org.pl/ekounia/index.php/pl/strona glowna/lupki/1099 stanowisko w sprawie gazu upkowego ropy upkowejmetanu z pokadow wgla oraz szczelinowania hydraulicznego

30 Aspekty ekologiczne proponowanej metody Szczelinowanie hydrauliczne Stosuje się duże ilości wody z domieszkami chemicznymi, której migracja może zanieczyścić wody gruntowe Polska metoda wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO 2 w złożu Stosuje się ciekły CO 2,często z dodatkiem piasku, nie ma ryzyka zanieczyszczenia wód gruntowych

31 Aspekty ekologiczne proponowanej metody Szczelinowanie hydrauliczne Obserwacja efektów globalnie dla całego obszaru szczelinowania, lokalnie mogą wystąpić anomalie w rozwoju pęknięć w trakcie procesu proces jest niekontrolowany Woda pod ciśnieniem 600 atm i temperaturze od 0 do 250 o C jest cieczą, ale przy rozprężaniu w temperaturze górotworu możeprzejść wmigrującą parę (gaz) i jest cały czas nośnikiem chemii (piasku niekoniecznie) Polska metoda wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO 2 w złożu Obserwacja pękania na poziomie dolnym jest monitorowana na poziomie następnym (wyższym) monitorowanie kontroluje procesy pękania na poszczególnych poziomach niższych od monitorowanego i umożliwia sterowanie procesem Czynnikiem szczelinującym jest gaz w stanie ciekłym lub gazowym, który ze względu na swe właściwości nie może być nośnikiem chemii, a pozostaje w złożu bo jest mniejszy i cięższy. Możliwe jest przemieszczanie się gazu wraz z wydobywanym metanem (CH4), ale nie powinien to być proces dominujący i można go (CO2) oddzielać i zawracać do dwutlenku węgla płynącego do złoża

32 Aspekty ekologiczne proponowanej metody Szczelinowanie hydrauliczne Wydajność odwiertu jest na poziomie 15%, zasięg szczelinowania około 100 m wokół odwiertu pionowego. Konieczność wykonywania dużej liczby odwiertów dla osiągnięcia opłacalnego wydobycia dewastacjaśrodowiska naturalnego Polska metoda wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO 2 w złożu Wydajność odwiertu wzrasta do 60 80%, zasięg szczelinowania do 600 m wokół odwiertu. Wykonanie jednego lub kilku odwiertów dla osiągnięcia ekonomicznego wydobycia mniejsze zniszczenia środowiska naturalnego oraz mniejsza szkodliwość i uciążliwość wydobycia dla mieszkańców Brak W wyniku procesu jeden gaz naturalny w złożu zastępujemy innym, też naturalnym

33 Aspekty ekologiczne proponowanej metody Szczelinowanie hydrauliczne Polska metoda wydobycia gazu łupkowego sprzężonej z magazynowaniem CO 2 w złożu Brak Wprowadzenie CO2 do podziemnych magazynów umożliwia ograniczanie jego emisji do atmosfery Brak Możliwe jest otrzymywanie czystej energii, gdyż wydobywany metan może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej (elektrownie mobilne przy złożu, w kontenerach), a po spaleniu można powstały w tym procesie, głównie CO2 ponownie umieścić go w złożu.

34 WYZWANIA BADAWCZE Opracowanie opisanej technologii stawia wiele wyzwań przed naukowcami w obszarach takich, jak: pozyskiwanie, transport i zaplecze logistyczne dla CO 2 szczelinowanie CO 2 i piaskiem (czy jest konieczne, metody mieszania, zatłaczania, wpływ mieszaniny na złoże i wydobycie) badania i kontrola procesów termodynamicznych CO 2 w złożu (czujniki, dopompowywanie CO 2,systemzaworów) rugowanie CH 4 ze złoża (procesy desorpcji CH 4 iadsorpcji CO 2 wpolskichłupkach, prędkość procesu) czysta energia (możliwości, urządzenia przyodwiertowe, koszty) analiza ekonomiczna technologii (limity CO 2, koszty wychwytywania, ceny gazu)

35 Dziękuję za uwagę