Schaliegas en steenkoolgas. Prof. dr. Rudy SWENNEN Geology, Dept. of Earth & Environmental Sciences, KU Leuven

Transcriptie

1 Schaliegas en steenkoolgas Prof. dr. Rudy SWENNEN Geology, Dept. of Earth & Environmental Sciences, KU Leuven

2 Toename in vraag tegen 2030 (bevolkingsgroei met 21%)

3 Wat is de impact van gasschalie op de wereldwijde vraag naar energie (enige voorspelling) Ehrenberg, Science News, 2012

4 Waarom is schaliegas belangrijk voor Europa EU-27 Import afhankelijkheid

5 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 th eeuw = eigenschappen van mineraal alunite (KAl 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 ). Gebruikt in wijngaarden (beschermeing tegen schimmels), als voedsel bewaarmiddel (vis en vlees), als antibacterieel product en bloed coagulant.

6 Gasschalies en steenkoolgas (niet-conventioneel koolwaterstof) Gasschalies = fijnkorrelig, organisch-rijk gesteente dat natuurlijk gas bevat (vnl. methaan) Steenkool Conventional Unconventional hydrocarbon resources Conventioneel = 3 delen, nl. moedergesteente, reservoir, afdek gesteente (= potdicht) Niet-Unconventioneel = energiebron zit in moedergesteente (meestal zeer fijnkorrelig gesteente)

7 Gasschalies Zandsteen Schalie/schiefer Sand grain gas gas Sand grain 0.25mm

8 Is het in België aanwezig: voorbeeld Carrière de cimentière (Seilles) GASSCHALIE 40 m KALKSTEEN

9 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.

10 Van modder tot schiefer met olie/gas maturatie Begraving van modder/schiefer Begraving over miljoenen jaren Biologische afbraak biogeen methaan Organisch material gekookt thermogeen methaan Gasschiefer moet wel diep begraven blijven 500 m Oude diepe schiefer laag 0 m

11 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 )

12 Geofantasie landschap Boven Karboon (320 miljoen jaar geleden)

13 ... en er is niet één steenkoollaag; gemiddelde dikte in Kempens bekken = 0.8m, spaciering om de 15m

14 Het inkolings (maturatie) proces Maturation of coal: release of H, N and O increase of C with fformation of CH 4 Pressure Heat Time

15 Olie/Gas venster Relatie tussen diepte en temperatuur gebaseerd op geothermische gradiënt van 2.6 C/100m

16 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 -

17 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

18 CBM bevat weinig zware koolwaterstoffen zoals propaan en butaan, en geen natuurlijke gas condensaten. Het bevat vaak enkele % CO 2 en lage concentratiesh 2 S. Fracturatie = permeabiliteit voornaamste pad van gas transport Permeabilieit = gas productie Kan verhoogd worden door fraccen

19 Parameters welke het CBM potentieel beïnvloeden zijndikte steenkoollaag, steenkooldensiteit, maceraalsamenstelling, initiëlegas concentratie, kritischegas saturatie, water saturatie, relative permeabiliteit tov water and gas

20 Netwerk van horizontale boringen (eventueel fraccen)

21 Enhanced CBM (ECBM) 2 moleculen CO 2 verplaatsen 1molecule CH 4 = sequestratie van Greenhouse gas in atmosfeer Sequestratie van 400 miljoen ton CO 2 met toename CH 4 productie

22 Kempens bekken (tot diepte van 1.500m) zes CH 4 anomale zones. Onder realistische condities (60% productie ratio, zonder ECBM) productie tussen 53 & 79 miljoen m 3 CH 4 = > 5 jaar gasverbruik in België 1 1. Van Tongeren et al., 2000

23 Terug naar..schaliegas (gasschalies) 5µ 5µm 5µm 400 nm 5µm Het probleem van schaliegas (gasschalies) = permeabiliteit Zeer lage permeabiliteiten t.g.v. kleine porieruimtes (intra- en interparticulair) Dit gas is aanwezig als: Geadsorbeerdgas= gas gebonden aan kleien en organisch materiaal Vrijgas = 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

24 Intra-organische porositeit (Marcellus shale)

25 Specifieke eigenschappen van gas schiefers: Fracability Mineralogy kaolinite, illite, smectite, Mark op: High natural radioactivity, heavy metal and As content

26 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

27 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, ) België Ingenieuraspecten - Horizontaal boren & fracken - Stimuleren van desorptie

28 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

29

30 M Aquifer diepte versus diepte gasschalie + bereik fraccing Aquifer diepte Diepte gasschalie + bereik fracking

31 Klassiek gebruikte chemicalien (die in feite ook thuis en dagdagelijkse activiteiten aan bod komen)

32 Fraccing: injectie onder hoge druk van grote Σ water + proppant (zand/ceramiek) + chemicalien Risico s Risico blowout Fugatieve emissies (CO 2 & CH 4 ) Lekage (frac.water, chemicalien) Seismische activiteit tgv fracking. Lekage langs breuken Lekage van frac water of gas langs cement naar watertafel From Alhous (2012)

33

34 Boorgat integriteit om lekage tegen te gaan

35 Water is het probleem vooral m.b.t. milieuhygiënisch proper water

36 Monitoring van methaan emissies

37 Probleem in VS met lozing van gezuiverd opgepompt water (niet toegelaten in EU!!)

38 Voorspelde afname in productie per boring o.b.v. decline curve analysis Source: Rien Herber m 3 /d m 3 /d Ter vergelijking: een normale Groningen boring produceert gemiddeld 3 miljoen m 3 per dag Er bestaat een aanzienlijke onzekerheid met betrekking tot de lange termijn productie = noodzaakt verschillende frac-operaties

39 Voorbeeld VS van grootte impact (maar dit is een slecht voorbeeld voor Europa)

40 Concreet voorbeeld Europa

41 Shopping Mall, Beverly Hills wells, all fracced Source: Hans de Pater & Google Earth

42 Ideas for Europe

43 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)

44

45 Nood aan verkenningsboringen (met petrofysische logging) = TOC & sediment karakteristieken + boorkernen

46 We should not be blind Wees niet blind: we leven niet op een eiland De lage energieoprijzen stimuleren de VS industrie

47 Schaliegas, steenkoolgas, geothermie,... en stockage afvalstoffen

48 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?

49 Verschillen tussen US en Europa

50 Toevoer zekerheid, betaalbaarheid, duurzaamheid, veiligheid Horsfield et al., 2011

51

52 Ook in de VS is er oppositie

53

54

55 Cost of transportation is an important factor

56