Schaliegas en steenkoolgas

Schaliegas en steenkoolgas
Prof. dr. Rudy SWENNEN
Geology, Dept. of Earth & Environmental Sciences, KU Leuven
[email protected]
Toename in vraag tegen 2030
(bevolkingsgroei met 21%)
Wat is de impact van gasschalie op de wereldwijde vraag naar energie (enige
voorspelling)
Ehrenberg, Science News, 2012
Waarom is schaliegas belangrijk voor Europa
EU-27 Import afhankelijkheid
Schaliegas: een nieuw verhaal of toch niet?
Neen = gas/olieschiefers zijn “essentiële“ componenten van klassieke (conventionele)
olie en gas exploratie
Gas/olieschiefers werden reeds gebruikt vanaf het begin van de industriele revolutie
als bron van energie, licht, ...
In België “Aluin” productie van pyrite – houdende gas schalies in 17-19th eeuw = eigenschappen
van mineraal alunite (KAl3(SO4)2(OH)6).
Gebruikt in wijngaarden (beschermeing tegen schimmels), als voedsel bewaarmiddel (vis en
vlees), als antibacterieel product en bloed coagulant.
Gasschalies en steenkoolgas (niet-conventioneel
koolwaterstof)
Gasschalies = fijnkorrelig, organisch-rijk gesteente dat
natuurlijk gas bevat (vnl. methaan)
Steenkool
Unconventional
Conventional
hydrocarbon resources
Conventioneel = 3 delen, nl. moedergesteente, reservoir, afdek gesteente (= potdicht)
Niet-Unconventioneel = energiebron zit in moedergesteente (meestal zeer fijnkorrelig gesteente)
Gasschalies
Zandsteen
Schalie/schiefer
Sand grain
gas
gas
Sand grain
0.25mm
Is het in België aanwezig: voorbeeld Carrière de cimentière (Seilles)
GASSCHALIE
40 m
KALKSTEEN
Vanwaar komt dit fijnkorrelig en organisch materiaal?
In meren en “gesloten” zeeën (Bvb. Zwarte Zee)
Landplanten en/of
algen / bacteria
accumulaties in
modder
Oudere en diepere
schieferlagen
Sedimentologen zijn in staat
om deze paleolokaties in de ondergrond te herkennen
en het schaliegas potentieel in te schatten.
Van modder tot schiefer met olie/gas maturatie
Begraving
over
miljoenen
jaren
500 m
Oude diepe
schiefer laag
0m
•
•
Begraving van
modder/schiefer
•
Biologische afbraak – biogeen
methaan
•
Organisch material “gekookt” –
thermogeen methaan
•
Gasschiefer moet wel diep
begraven blijven
Steenkoolgas
CBM refereert naar methaan dat geadsorbeerd is aan vaste matrix
van steenkool. Het bestaan ervan is alom gekend in mijnuitbatingen
= belangrijk veiligheidsrisico.
Example: Coal mine explosion (Yuzhou, China, October 16 2010)
“Geofantasie” landschap Boven Karboon (320 miljoen jaar geleden)
... en er is niet één steenkoollaag; gemiddelde dikte in Kempens bekken
= 0.8m, spaciering om de 15m
Het inkolings (maturatie) proces
Maturation of coal: release of H, N and O increase of C with fFormation of CH4
Pressure
Heat
Time
Olie/Gas venster
Relatie tussen diepte en temperatuur gebaseerd op geothermische gradiënt van 2.6°C/100m
CH4 (in bijna vloeibare toestand) is gestockeerd in steenkool door
adsorptie langsheen de microporien in de steenkool matrix (= 1 gr
steenkool heeft een reactie oppervlak van verschillende
voetbalvelden groot = binding van gigantische hoeveelheden CH4)
Hydraulische druk is het “trapping” mechanisme
Parameters die stockage capaciteit van organisch materiaal controleren
- druk, temperatuur,
- vochtgehalte en maceraal samenstelling,
- steenkool maturiteit, gassamenstelling en asgehalte
-…
Steenkool is relatief poreus (0.1 to 10%) maar
heeft een lage permeabiliteit (wat in verband staat
met geconnecteerd poriën)
“Bulk” permeabiliteit (0.1 to 50 milliDarcies) hangt
af van fracturaties (cleats). Cleats laten desorptie
van het gas toe om te vloeien naar het boorgat
Permeabiliteit langs fracturaties in reservoirs hangt
af van het heersende stress-regime. Steenkool
bezit stress-afhankelijke permeabiliteit = dit is zeer
belangrijk tijdens stimulatie en productie operaties
CBM bevat weinig zware koolwaterstoffen zoals
propaan en butaan, en geen natuurlijke gas
condensaten. Het bevat vaak enkele % CO2 en lage
concentraties H2S.
Fracturatie
=
permeabiliteit
voornaamste pad van
gas transport
Permeabilieit = gas
productie
Kan verhoogd worden
door fraccen
Parameters welke het CBM potentieel beïnvloeden zijn dikte
steenkoollaag, steenkool densiteit, maceraal samenstelling,
initiële gas concentratie, kritische gas saturatie, water
saturatie, relative permeabiliteit tov water and gas
Netwerk van horizontale boringen (eventueel fraccen)
Enhanced CBM (ECBM)
2 moleculen CO2 verplaatsen 1molecule CH4 = sequestratie van
Greenhouse gas in atmosfeer
Sequestratie van 400 miljoen ton CO2 met toename CH4 productie
Kempens bekken (tot diepte van 1.500m) zes CH4 anomale zones. Onder realistische
condities (60% productie ratio, zonder ECBM) productie tussen 53 & 79 miljoen m3 CH4
= > 5 jaar gasverbruik in België 1
1. Van Tongeren et al., 2000
Terug naar …..Schaliegas (gasschalies)
5µ
5µm
400 nm
5µm
5µm
Het probleem van schaliegas (gasschalies) = permeabiliteit
Zeer lage permeabiliteiten t.g.v. kleine porieruimtes (intra- en interparticulair)
Dit gas is aanwezig als:
Geadsorbeerd gas = gas gebonden aan kleien en organisch materiaal
Vrij gas = gas aanwezig in kleine porieruimten en microspleten
Gas opgelost in andere fluïda (bvb. bitumen, olie, water).
Dit gas komt niet vrij zonder wijziging van de gesteente eigenschappen = fraccing + stimulatie
Intra-organische porositeit (Marcellus shale)
Specifieke eigenschappen van gas schiefers:
“Fracability”
Mineralogy
kaolinite, illite, smectite, …
Mark op: High natural radioactivity, heavy metal and As content
Sleutel geologische parameters die maken dat een gasschiefer
voorkomen kan leiden tot gas productie?
- Dikte/continuiteit van gasschieferlaag (voorbeeld: Marcellus shale)
- TOC (2-5%)
The Catskill clastic wedge
Andere sleutel parameters zijn:
- Dikte/uitgebreidheid v/d gasschalies
- TOC (2-5%) & thermale maturiteit
-Mineralogie (niet te veel “plastische” kleien)
- Porositeit (6-12%), gas/water gehalte
- Matrix permeabiliteit, voorkomen natuurlijke breuken/fracturaties
- Stress regime
- Geadsorbeerd gas gehalte
- Geen geohazards (breuken, …)
Ingenieuraspecten
- Horizontaal boren & fracken
- Stimuleren van desorptie
België
Vanwaar deze nieuwe gasschalie rage?
- Dure gasprijs eind jaren ’90
- Gunstige wetgeving
- Horizontaal boren
- Fraccen
Milieu-gerelateerde problemen staan
o.a. in relatie met fraccing
Grondwater
aquifers
Gefracte schiefer
tot 3 Km
http://www.sciencenews.org/pictures/090812/feat_fracking_footprint_zoom.gif
Aquifer diepte versus diepte gasschalie + bereik fraccing
M
Aquifer
diepte
1000
2000
3000
Diepte gasschalie + bereik
fracking
Klassiek gebruikte chemicalien
(die in feite ook thuis en dagdagelijkse
activiteiten aan bod komen)
Fraccing: injectie onder hoge druk van grote Σ water + proppant
(zand/ceramiek) + chemicalien
Risico’s
Risico “blowout”
Fugatieve emissies (CO2 & CH4)
Lekage (frac.water, chemicalien)
Seismische activiteit tgv
fracking. Lekage langs
breuken
Lekage van frac water
of gas langs cement
naar watertafel
From Alhous (2012)
Boorgat integriteit om lekage tegen te gaan
Water is het probleem vooral m.b.t. milieuhygiënisch “proper” water
Monitoring van methaan emissies
Probleem in VS met lozing van “gezuiverd”
opgepompt water (niet toegelaten in EU !!)
Voorspelde afname in productie per boring o.b.v. “decline curve analysis”
Source: Rien Herber
20.000 m3/d
10.000 m3/d
Ter vergelijking: een normale “Groningen” boring produceert gemiddeld 3 miljoen m3 per dag
Er bestaat een aanzienlijke onzekerheid met betrekking tot de lange termijn productie =
noodzaakt verschillende frac-operaties
Voorbeeld VS van grootte impact (maar dit
is een slecht voorbeeld voor Europa)
Concreet voorbeeld Europa
Shopping Mall, Beverly Hills 90210
40 wells, all fracced
Source: Hans de Pater & Google Earth
Ideas for Europe
Standpunten van Europese (buur)landen over schaliegas? Hoe ver staan Europese (buur)landen met betrekking tot (mogelijke) exploitatie van schaliegas? Welke lessen kan België
hieruit trekken?
7/02/2013 (the Economist)
Nood aan verkenningsboringen
(met petrofysische logging) =
TOC & sediment karakteristieken
+ boorkernen
We
should
beniet
blindop een eiland
Wees niet
blind:
we not
leven
De lage energieoprijzen stimuleren de
VS industrie
Schaliegas, steenkoolgas, geothermie, ...
en stockage afvalstoffen
Problemen bij het opzetten van een gasschiefer of steenkoolgas project:
MAATSCHAPPELIJK DRAAGVLAK
GEOLOGISCH
- Voldoende geologische kennis van de potentiële gasschiefer locaties (geologische kennis :
seismische campagnes maar finaal proefboringen, beide zijn nodig!!!) = NIET AANWEZIG
- Studie van de potentiële gasschiefer (opbouwende bestanddelen (klei, OM, kwarts, calciet, …)
+ TOC + permeabiliteitskarakteristieken + rotsmechanisch gedrag) = START VAN ONDERZOEK
OP ANALOGEN
WETGEVING
- Exploratie en exploitatie beleid/wetgeving (in België geen ervaring)
- Conflict tussen stackeholders
- Milieuwetgeving
TECHNISCH
- Boorfirma’s met ervaring in boren & fracken?
Verschillen tussen US en Europa
Toevoer zekerheid, betaalbaarheid, duurzaamheid, veiligheid
Horsfield et al., 2011
Ook in de VS is er oppositie
Cost of transportation is an important factor