Wetenschap
Het schatten van het emissiepotentieel van buiten gebruik gestelde gasbronnen op basis van schaliemonsters
Het winnen van aardgas uit schalieformaties kan een overvloedige fossiele brandstof met een lagere CO2-voetafdruk opleveren, maar schept ook zorgen over de toegenomen methaanemissies. Een team onder leiding van onderzoekers van Penn State heeft een nieuwe tool ontwikkeld die het emissiepotentieel van schalieputten kan schatten nadat ze niet langer actief zijn.
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science of the Total Environment , onthulde dat methaan uit de schalieformatie begint te diffunderen nadat een put buiten gebruik is gesteld en dat dit een opmerkelijke bron van methaanemissies vertegenwoordigt – vergelijkbaar met de belangrijkste emissies tijdens het boren en exploiteren van de put.
“Aardgas is een belangrijke energiebron die de VS heeft geholpen de CO2-uitstoot te verlagen, maar we begrijpen ook dat methaan een potentieel gevaar kan zijn”, zegt Shimin Liu, hoogleraar energie en minerale techniek aan Penn State en co-auteur van de studie. "Wat dit werk doet, is ons een proactieve manier bieden om te begrijpen wat er in de ondergrond gebeurt."
Schalieformaties hebben een lage permeabiliteit, wat betekent dat gas niet gemakkelijk door het gesteente beweegt. Operators boren duizenden meters diep – meer dan anderhalve kilometer – om schalie te bereiken en boren vervolgens duizenden meters verder horizontaal door de formatie. Ze pompen een mengsel van vloeistof en zand onder hoge druk in de schalie om kleine breuken te openen en gas uit het gesteente te laten ontsnappen.
Maar hiermee kan slechts een fractie – ongeveer 20% of minder – van de totale aardgasvoorraad worden teruggewonnen. De rest blijft gevangen in kleine poriën, en het ontbreken van een onderling verbonden poriënsysteem betekent dat het gas niet gemakkelijk door de schalie stroomt.
Door schaliemonsters te analyseren, konden de wetenschappers een wiskundig model creëren om de flux (of beweging) van methaan dat in de formatie achterblijft te voorspellen op basis van de poriënstructuur. Het instrument, dat een uniform gastransportmodel wordt genoemd, integreert hoe alle gassen in de schalie bewegen en de structuur van de schalie om het fluxgedrag van methaan te voorspellen. Het team valideerde hun model aan de hand van experimenten met Marcellus-schalie, uitgevoerd op gespecialiseerde apparatuur in Liu's laboratorium in Penn State.
"Wat de industrie kan afnemen is dat ze boorputten of monsters van de schalie beschikbaar hebben, ze kunnen de methaanemissieflux berekenen op basis van hun monsterinformatie", zegt Yun Yang, hoofdauteur van de studie die het onderzoek uitvoerde tijdens het afronden van haar doctoraat. bij Penn State en als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Calgary, die nu postdoctoraal onderzoeker is bij het Los Alamos National Laboratory. "Ze kunnen het gebruiken als leidraad om te zien hoeveel potentieel er is voor methaanlekkage nadat een put is verlaten."
De uitstoot van methaan heeft een groter potentieel voor de opwarming van de aarde dan koolstofdioxide, en het terugdringen van de uitstoot is een prioriteit voor de Verenigde Staten en haar internationale partners, via inspanningen als het Global Methaan Initiative, aldus de wetenschappers.
Dit zou vooral van belang kunnen zijn in gebieden als Pennsylvania, waar sinds het begin van de schaliegasexplosie van Marcellus in 2005 ruim 20.000 schaliegasbronnen zijn geboord.
"Een groot probleem is dat methaanlekkage een hoger broeikaseffect heeft vergeleken met koolstofdioxide", zegt Haoming Ma, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin en co-auteur. Ma voerde het werk uit terwijl ze onderzoeksmedewerker was aan de Universiteit van Calgary. "De VS en andere landen hebben zich ertoe verbonden de mondiale methaanuitstoot tegen 2030 met ongeveer 30% te verminderen, wat de urgentie van mitigatie benadrukt."
Omdat methaan langzaam uit de schalie diffundeert, zeggen de wetenschappers dat er wettelijke vereisten moeten worden geïmplementeerd om langdurige monitoring van de methaanemissies uit verlaten schaliegasbronnen mogelijk te maken.
De onderzoekers ontdekten dat wanneer de productie van een put stopt en de druk in het reservoir daalt, de diffusie van methaan door het complexe microporeuze systeem van schaliematrices toeneemt. Diffusie is een langzamer proces en draagt bij aan een langdurige stroom methaan uit de formatie naar het verlaten boorgat, aldus de wetenschappers.
De methaanuitstoot door diffusie is vergelijkbaar met de uitstoot door flowback-vloeistof, de vloeistof en het zand dat tijdens het fracken in de grond wordt geïnjecteerd en dat terugkeert naar de oppervlakte, aldus de onderzoekers.
Eerdere studies hebben zich gericht op het evalueren van de emissies die vrijkomen bij het fracken, de voltooiing en de exploitatie van putten, maar het begrijpen van het emissiepotentieel nadat ze niet langer actief zijn, is een belangrijk ontbrekend stuk, aldus de wetenschappers.
"In dit werk ontdekten we dat nadat een put buiten gebruik is gesteld, als je niet de juiste plugtechnieken implementeert - als je de put open laat naar de oppervlakte - de methaanuitstoot zich in de loop van de tijd zal ophopen," zei Yang. "En als je voldoende tijd wacht, zal de emissieflux hetzelfde zijn als de emissie die wordt waargenomen bij flowback-operaties."
Omdat de diffusie toenam naarmate de reservoirdruk in het onderzoek afnam, zou het handhaven van die druk, zelfs nadat de productie van een put is gestopt, een effectieve strategie kunnen zijn om de methaanemissiepotentieel van verlaten schaliegasbronnen te verminderen, aldus de wetenschappers.