PL222247B1 - Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO₂ w odwiertach poziomych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 w odwiertach poziomych. Sposób znajduje zastosowanie przy wydobyciu węglowodorów gazowych dając jednocześnie możliwości tworzenia w ich miejsce podziemnych magazynów CO2. Zgłaszany wynalazek kwalifikowany jest w dziedzinie górnictwa i zastosowania nowych technologii wydobywczych.

Ze względu na charakter skał, w których występują nagromadzone węglowodory, złoża dzieli się na konwencjonalne oraz niekonwencjonalne. Wydobycie gazu niekonwencjonalnego jest technicznie trudniejsze i droższe. 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. Obecny poziom zaawansowania technologicznego pozwala na wydobywanie gazu ze źródeł niekonwencjonalnych na skalę przemysłową. Problematyka ta stała się aktualna szczególnie obecnie, ponieważ obserwuje się dążenie do pozyskiwania energii ze źródeł niekonwencjonalnych. Według wyliczeń Energy Information Administration, wydobycie gazu z łupków do

2030 roku będzie wynosiło 7% światowej produkcji gazu ziemnego. W gaz łupkowy szczególnie za₃ sobny jest nasz kraj, który według szacunków Wood Mackenzie, określa jego zasoby na 1,4 bln m³.

Natomiast według szacunków Advanced Resources International zasoby te mogą wynosić nawet ₃ bln m . Rzetelne informacje o rzeczywistej bazie zasobowej będą dostępne prawdopodobnie za 4-5 lat, gdy zostaną zrealizowane prace poszukiwawczo - rozpoznawcze w ramach udzielonych przez Ministerstwo Środowiska koncesji.

Rozwój wydobycia gazu z łupków stał się możliwy dzięki obniżeniu kosztów technologii wykonywania odwiertów poziomych oraz szczelinowania hydraulicznego. Obecna technika wiercenia otworów poziomych polega na początkowym odwierceniu pionowego odcinka otworu wiertniczego, a następnie po osiągnięciu zakładanej głębokości na zmianie trajektorii na poziomą i wierceniu w wybranej warstwie skalnej.

Szczelinowanie hydrauliczne polega na wtłoczeniu do wybranej sekcji otworu wiertniczego cieczy pod bardzo wysokim ciśnieniem, składającej się z nośnika (głównie wody) z dodatkiem materiałów wypełniających szczeliny (głównie piasku o odpowiednio dobranej granulacji i wytrzymałości mechanicznej) oraz dodatków chemicznych (głównie celem poprawienia lepkości). Ciecz pod ciśnieniem tworzy szczeliny w strukturach skalnych, natomiast piasek wypełnia i podtrzymuje szczeliny tworząc nowe drogi migracji gazu do otworu. Do jednego otworu podczas zabiegu szczelinowania średnio wtłacza się od 7,5 do 11,3 min litrów płynu szczelinującego oraz od 450 do 680 ton piasku.

Innym znanym sposobem odzyskiwania gazu naturalnego ze złóż jest wydobywanie podziemne. Gaz metanowy może być usuwany z podziemnych kopalni przed i podczas wydobywania np. węgla za pomocą systemów odgazowywania. Gaz może być wentylowany lub odzyskany ze względu na swoją zawartość energetyczną. Poprzez odgazowanie można odzyskać 50-60% metanu z kopalni, pozostały gaz jest uwalniany do atmosfery. W podziemnym górnictwie, gaz metanowy jest często uwalniany do szybów kopalnianych, a następnie wypuszczany do atmosfery.

Kolejną stosowaną metodą odzyskiwania gazu naturalnego ze złóż jest wydobywanie powierzchniowe. Podczas wydobywania powierzchniowego, metan jest zazwyczaj uwalniany do atmosfery podczas usuwanie warstw skały przykrywającej, chociaż dla tego typu uwalniania żadne metody kontroli emisji nie są obecnie wykorzystywane. Teoretycznie, w kopalniach powierzchniowych można prowadzić wstępne odgazowywania i odzyskiwanie. Jednakże niska zawartość gazu w większości kopalni powierzchniowych w porównaniu z kopalniami podziemnymi sprawia, iż efektywne wydobycie nie było technicznie wykonalne ani rentowne. Nawet, jeśli systemy odgazowujące nie są wykorzystywane, kopalnie nadal emitują znaczne ilości metanu poprzez systemy wentylacyjne. Opracowywane są technologie, które utleniałyby katalitycznie niskie koncentracje metanu w powietrzu wentylującym, wytwarzając ciepło użytkowe, jako produkt uboczny. Metan odzyskiwany poprzez odgazowywanie może być wykorzystywany do wtryskiwania do gazociągu, wytwarzania mocy, lokalnego użytku w węglowych urządzeniach osuszających, albo sprzedawane pobliskim obiektom przemysłowym lub handlowym. Obecnie większość odzyskiwanego metanu z kopalni węglowych jest sprzedawana poprzez gazociągi.

Inny sposób został przedstawiony w patencie amerykańskim nr 7,264,049, dotyczącym metody in situ gazyfikacji węgla, zaproponowano proces in situ dla gazyfikacji węgla przy użyciu gazów skroPL 222 247 B1 plonych i spalania kerosenu w celu uwolnienia ciepła. Proces in situ dla gazyfikacji węgla i wytwarzania hydratów gazowych odbywa się poprzez układ pęknięć ukształtowanych poprzez wstrzykiwanie skroplonych gazów do poziomego odwiertu i umożliwienie im odparowania. Powoduje to zapłon węgla, a uwalniane w ten sposób gazy są odzyskiwane z pękniętych formacji. Istotą tego sposobu jest tworzenie dużych systemów pęknięć, aby przeprowadzić w złożu procesy cieplne. Sposób ten jest używany w złożach węgla, lecz nie ma specjalnego zastosowania do złóż łupków gazowych.

Kolejny patent US nr 4,374,545 dotyczący procesu kruszenia dwutlenkiem węgla i aparatury opisuje metodę kruszenia w podziemnej formacji skalnej, w której wykonano odwiert pionowy bez odwiertów bocznych do wprowadzenia dwutlenku węgla do złoża. Skroplony CO2 i chemiczny środek podtrzymujący zostają wpompowywane do formacji przez rurę odwiertu, aby wywołać pęknięcia w formacji i aby te pęknięcia pozostały otwarte za pomocą środka podtrzymującego. Wstrzyknięty sprężony ciekły dwutlenek węgla jest wystawiony na działanie wyższych temperatur, co sprawia, ze następuje jego przemiana fazowa w gaz, co wywołuje dalsze kruszenie tej skały. Wadą tej metody jest użycie środków podtrzymujących i substancji chemicznych, które mogą wpłynąć niekorzystnie na środowisko naturalne.

Natomiast patent „US 2011/0209882 Al” dotyczy metody i urządzenia do sekwestracji gazu CO2 i uwalniania naturalnego gazu (CH4) z podziemnych złóż węgla lub łupków gazonośnych przy użyciu CO2 wyłapanego z gazu powstałego ze spalania węgla w przewodzie kominowym siłowni i przetworzonego do postaci schłodzonego, ciekłego i sprężonego CO2 i wstrzykiwania go dla stworzenia pęknięć w złożu i absorbowania go przez węgiel lub łupek i desorpcji CH4. Nie używa się tu dużych objętości wody, toksycznych dodatków do wody i piasku do uzupełniania złoża. W patencie tym sprężony do ciśnienia 4000 psi pompą kriogeniczną ciekły i schłodzony do temperatury -40F CO2 zostaje wpompowany do pionowego odwiertu rurą wykonaną z wysoko wytrzymałej stali, uprzednio schłodzoną ciekłym azotem. W celu kontroli temperatury CO2 w rurze umieszczone są termopary. Końcówka rury w odwiercie pionowym ma zmniejszoną średnice i małe otworu na obwodzie. Przez otwory te ciekły CO2 jest wstrzykiwany w złoże węgla lub łupka tworząc ścieżki poziome. Gwałtowny wzrost temperatury gazu powoduje jego gwałtowny wzrost ciśnienia, co powoduje powstanie pęknięć w strukturze skały. Rozwój pęknięć może dochodzić do 300 m w poziomie w różnych kierunkach jednocześnie. Po wpompowaniu CO2 do określonego maksymalnego cienienia odwiert zostaje zamknięty zaworem. Proces reagowania i rozprężania CO2 w skale trwa około 2 tygodnie. Po tym czasie zostaje otwarty poprzez zawór drugi oddzielny sąsiadujący odwiert, przez który zostaje uwolniony gaz CH4 wypchnięty z popękanej skały przez cięższy CO2. Następnie cały proces powtarza się kilkukrotnie. Proponuje się stosować kilka odwiertów wprowadzających CO2 do złoża i oddzielny odwiert odprowadzający wydzielony CH4. Wadą tego rozwiązania jest użycie wielu odwiertów pionowych do przeprowadzenia jednego procesu wydobycia oraz mały zakres szczelinowania skały za pomocą jedynie sprężonego CO2.

Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych (np. gazu łupkowego) i magazynowania CO2 lub innego gazu cięższego od CH4 z poziomych odwiertów małośrednicowych wykonanych w pojedynczym odwiercie pionowym - według zgłaszanego wynalazku będzie polegał na odzyskiwaniu węglowodoru gazowego poprzez wpompowanie w te odwierty ciekłego sprężonego i schłodzon ego CO2, co powoduje wniknięcie CO2 w skałę i jego przemianę fazową pod wpływem panującej w złożu temperatury i intensywne spękanie skały, absorpcję CO2 i jednoczesną desorpcję węglowodoru gazowego. Proces odzysku węglowodorów gazowych zachodzi przez ten sam główny odwiert pionowy, przez który podawano z powierzchni odpowiednio przygotowany CO2. Może być samoistny lub prowadzony podciśnieniowo. Wykorzystując ten sposób można wydobywać np. gaz łupkowy przy jednoczesnym tworzeniu podziemnych zbiorników CO2.

Istota wynalazku polega na tym, że najpierw zostaje odpowiednio przygotowany odwiert pionowy (1) w złożu łupka gazowego (2) znajdującego się pomiędzy pokładami litej skały (3). Z odwiertu pionowego (1) wyprowadzone są promieniowo na obwodzie odwiertu głównego, małośrednicowe odwierty (4a, 4b, 4c) na kilku poziomach. Łupek w odwiertach (4a) umieszczonych na jednym z poziomów może być wstępnie perforowany (5) (rozkruszony) przy użyciu różnych technik niszczenia skał.

W następnym etapie boczne odwierty (4b, 4c) zostają zamknięte, przy użyciu czopów lub mini zaworów sterowanych z powierzchni (6b, 6c), Z powierzchni poprzez odwiert główny (1) wprowadza się elastyczne lub półelastyczne rury (7) (w ilości odpowiadającej ilości niezaczopowanych odwiertów bocznych) o małej średnicy, które są izolowane lub wykonane z materiału wysoko izolacyjnego,

PL 222 247 B1 bądź też wymagają wstępnego schłodzenia. Rury (7) zostają wprowadzone do odwiertów bocznych (4a). Następnie przez nie zostaje wprowadzony do złoża łupka gazonośnego (2) za pomocą pompy kriogenicznej ciekły sprężony i schłodzony CO2. Podczas podawania CO2 rury (7) są stopniowo wyciągane z odwiertów bocznych (4a) w celu dokładnego wypełnienia wszystkich szczelin na całej długości tego odwiertu. Proces podawania CO2 kończy się w momencie całkowitego wyciągnięcia rury (7) z odwiertu bocznego (4a). Cały proces podawania CO2 wymaga stałej kontroli temperatury i ciśnienia w odwiertach (1) i (4a), co powoduje konieczność umieszczenia w nich zestawów odpowiednich czujników. Po zakończeniu tego etapu odwierty (4a) również zostają zamknięte czopem lub mini zaworem sterowanym z powierzchni (6a) (co powoduje powstanie konstrukcji samonośnej). W złożu łupka (2) rozpoczyna się proces rozprężania CO2 oraz jego przemiany fazowej pod wpływem panującej w złożu temperatury, co powoduje intensywne spękanie łupka, absorpcję CO2 i jednoczesną desorpcję gazu łupkowego. Proces ten trwa zwykle około 2 tygodni. Wstępna perforacja, która może być dokonana w bocznych odwiertach, do których wprowadza się CO2, pozwala na zintensyfikowanie i rozszerzenie tworzących się spękań. Przy zamkniętych ujściach odwiertów bocznych zostają umieszczone w złożu czujniki ciśnienia, które pozwalają na kontrolę procesów zachodzących w łupku. Powstałe w złożu łupka gazonośnego (2) intensywne pęknięcia (5a) umożliwiają uwolnienie gazu łupkowego wypchniętego przez cięższy CO2. Odwierty boczne (4b, 4c) zostają otwarte i uwolniony gaz, będący pod wysokim ciśnieniem wydobywa się na powierzchnie poprzez odwiert pionowy (1). Proces odzysku gazu z odwiertu może zachodzić samoistnie lub być prowadzony podciśnieniowo.

Proponowany sposób można modyfikować wykonując wiele zestawów odwiertów poziomych takich jak 4a, 4b, 4c i przeprowadzać procesy stopniowo, przez zamykanie i otwieranie oraz wypełnianie ciekłym CO2 kolejnych odwiertów takich jak 6a, 6b, 6c. Rozmieszczenie i ilość odwiertów poziomych na jednej głębokości jest dostosowana do struktury przestrzennej złoża. Najkorzystniejsze jest prowadzenie serii takich procesów z dołu złoża do góry. Można go również wykorzystać do magazynowania gazu cieplarnianego CO2 po wyeksploatowaniu złoża gazu łupkowego poprzez zamknięcie złoża gazu na stałe poprzez zaczopowanie otworu na odpowiedniej wysokości lub zamknięcie z możliwością wykorzystania tego złoża do dalszej eksploatacji. Zamiast CO2 w procesie można stosować inny gaz cięższy od wydobywanego węglowodoru. Sposób może być stosowany w różnych rodzajach skał gazonośnych lub o strukturze porowatej.

Proponowany sposób wydobycia węglowodorów gazowych jest o wiele bardziej korzystny z punktu widzenia ochrony środowiska. Sposób nie wymaga stosowania dużych ilości wody, chemicznych do niej domieszek i piasku do uzupełniania eksploatowanego złoża. Inną cechą korzystną w porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami jest możliwość wykorzystania tylko jednego odwiertu pionowego (mogą być już istniejące) z odwiertami poziomymi do przeprowadzenia całego procesu wydobywczego. Uzyskuje się tu duży obszar kruszenia skał w złożu w porównaniu z innymi metodami, co powoduje wzrost opłacalności ekonomicznej pojedynczego odwiertu. Sposób wypierania gazu łupkowego jest bardzo efektywny, proces absorpcji i desorpcji odbywa się na poziomie cząsteczkowym gazów.

Węgiel lub łupek mogą zaabsorbować objętościowo dwa razy więcej CO2 niż metan. Ta właściwość może zostać wykorzystana do otrzymywania tzw. czystej energii (uzyskanej w obiegu zamkniętym) tzn. spalania metanu w bliskiej odległości od złoża celem otrzymania np. energii elektrycznej i ponownego wtłaczania uzyskanego w tym procesie CO2 do pokładu złoża łupków. Można, więc stwierdzić, iż proponowane krajowe rozwiązanie, sposób wydobycia gazu łupkowego z poziomych odwiertów małośrednicowych przy użyciu ciekłego CO2 w pojedynczym odwiercie jest korzystne zarówno z punktu widzenia ekonomii, jak i ochrony środowiska naturalnego.

Wynalazek został przedstawiony w przykładach, z których fig. 1 przedstawia przygotowanie poziomych odwiertów małośrednicowych, które mogą być wstępnie perforowane, przy użyciu ciekłego CO2 w pojedynczym odwiercie pionowym, fig. 2 prezentuje kolejny etap, kiedy to poziome odwierty zostają zamknięte. Z kolei fig. 3a i fig. 3b przedstawiają przekrój poprzeczny przez odwiert pionowy w wersjach z dyskiem czopującym lub bez, natomiast fig. 4 prezentuje etap, kiedy odwierty poziome zostają otwarte, co powoduje uwolnienie ze złoża wypchniętego przez CO2 gazu łupkowego będącego pod dużym ciśnieniem.

Claims (5)

1. Sposób sprzężonego wydobycia węglowodorów gazowych i magazynowania CO2 w odwiertach poziomych, znamienny tym, że dokonuje się odwiertu pionowego (1) w złożu łupka gazowego (2) znajdującego się pomiędzy pokładami litej skały (3), z którego wyprowadza się promieniowo poziome małośrednicowe odwierty (4a, 4b, 4c) usytuowane na kilku głębokościach, następnie złoże łupkowe w odwiertach umieszczonych na jednym z poziomów (4a) jest wstępnie ewentualnie perforowane (5) (rozkruszane) przy użyciu różnych technik niszczenia skał; w dalszej kolejności poziome odwierty (4b, 4c) zamyka się przy użyciu czopów lub mini zaworów sterowanych z powierzchni (6b, 6c), do których poprzez odwiert główny (1) wprowadza się elastyczne lub półelastyczne rury o małej średnicy (7) (w ilości odpowiadającej ilości niezaczopowanych odwiertów bocznych); rury (7) zostają wprowadzone do odwiertów bocznych (4a), następnie przez nie zostaje wprowadzony do złoża łupka gazonośnego (2) za pomocą pompy kriogenicznej ciekły sprężony i schłodzony CO2, w czasie którego stopniowo wyciągane są z odwiertów bocznych (4a) w celu dokładnego wypełnienia wszystkich szczelin na całej długości tego odwiertu, cały proces podawania CO2 kończy się w momencie całkowitego wyciągnięcia rury (7) z odwiertu bocznego (4a), jednocześnie w trakcie podawania CO2 ciągle kontroluje się temperaturę i ciśnienia w odwiertach (1) i (4a), co powoduje konieczność umieszczenia w nich zestawów odpowiednich czujników; po zakończeniu tego etapu odwierty (4a) również zostają zamknięte czopem lub mini zaworem sterowanym z powierzchni w rurze pionowej (6a) (co powoduje powstanie konstrukcji samonośnej); w złożu łupka (2) rozpoczyna się proces rozprężania CO2 oraz jego przemiany fazowej pod wpływem panującej temperatury, co powoduje intensywne spękanie, absorpcję CO2 i jednoczesną desorpcję gazu łupkowego, która trwa zwykle około 2 tygodni; wstępna perforacja, która może być dokonana w bocznych odwiertach, do których wprowadza się CO2, pozwala na zintensyfikowanie i rozszerzenie tworzących się spękań, przy zamkniętych ujściach odwiertów bocznych zostają umieszczone w złożu czujniki ciśnienia, które pozwalają na kontrolę procesów zachodzących w łupku; powstałe w złożu łupka gazonośnego (2) pęknięcia (5) umożliwiają uwolnienie gazu łupkowego wypchniętego przez cięższy CO2 odwierty boczne (4b, 4c) zostają otwarte i uwolniony gaz, będący pod wysokim ciśnieniem wydobywa się na powierzchnie poprzez odwiert pionowy (1), proces odzysku gazu z odwiertu może zachodzić samoistnie lub być prowadzony podciśnieniowo.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wloty odwiertów poziomych (4a, 4b, 4c) są zamykane, bądź otwierane wewnątrz odwiertu głównego w odpowiednich momentach procesu za pomocą czopów lub mini zaworów (6a, 6b, 6c) sterowanych z powierzchni, przy czym rozmieszczenie i ilość odwiertów poziomych na jednej głębokości jest dostosowana do struktury przestrzennej złoża.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że można go modyfikować wykonując wiele zestawów odwiertów poziomych (4a, 4b, 4c...) i przeprowadzać procesy stopniowo, przez zamykanie i otwieranie oraz wypełnianie CO2 kolejnych odwiertów, jednak najbardziej ekonomiczne jest prowadzenie serii takich procesów z dołu złoża do góry.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że można go wykorzystać do magazynowania gazu cieplarnianego CO2 po wyeksploatowaniu złoża gazu łupkowego poprzez zamknięcie złoża gazu na stałe poprzez zaczopowanie otworu na odpowiedniej wysokości lub zamknięcie z możliwością wykorzystania tego złoża do dalszej eksploatacji.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zamiast CO2 w procesie można stosować inny gaz cięższy od wydobywanego węglowodoru, natomiast sposób według wynalazku może być stosowany w różnych rodzajach skał gazonośnych, a także tych o strukturze porowatej.