Estimering af emissionspotentiale fra nedlagte gasbrønde fra skiferprøver

Udvinding af naturgas fra skiferformationer kan give et rigeligt fossilt brændstof med lavere CO2-fodaftryk, men skaber også bekymring over øgede metan-emissioner. Et hold ledet af Penn State-forskere har udviklet et nyt værktøj, der kan estimere emissionspotentialet for skiferbrønde, efter at de ikke længere er aktive.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Science of the Total Environment , afslørede, at metan begynder at diffundere fra skiferformationen, efter at en brønd er dekommissioneret, og at dette repræsenterer en bemærkelsesværdig kilde til metanemissioner - sammenlignelig med de mest signifikante emissioner under boring og drift af brønden.

"Naturgas er en vigtig energiressource, der har hjulpet USA med at sænke sine kuldioxidemissioner, men vi forstår også, at metan kan være en potentiel fare," siger Shimin Liu, professor i energi- og mineralteknik ved Penn State og medforfatter til Studiet. "Det, dette arbejde gør, er at give os en proaktiv måde at forstå, hvad der foregår i undergrunden."

Skiferformationer har lav permeabilitet, hvilket betyder, at gas ikke let bevæger sig gennem klippen. Operatører borer tusindvis af fod ned - mere end en kilometer - for at nå skifer og borer derefter tusindvis af fod mere vandret gennem formationen. De pumper en blanding af væske og sand ved højt tryk ind i skiferen for at åbne små sprækker og tillade gas at undslippe fra klippen.

Men dette kan kun genvinde en brøkdel - omkring 20 % eller mindre - af den samlede naturgasressource. Resten forbliver fanget i små porer, og manglen på indbyrdes forbundne poresystem betyder, at gassen ikke flyder let gennem skiferen.

Ved at analysere skiferprøver var forskerne i stand til at skabe en matematisk model til at forudsige fluxen - eller bevægelsen - af metan, der forbliver i formationen baseret på porestrukturen. Kaldet en samlet gastransportmodel, integrerer værktøjet, hvordan alle gasserne i skiferen bevæger sig, og skiferens struktur for at forudsige metans fluxadfærd. Holdet validerede deres model mod eksperimenter med Marcellus-skifer udført på specialiseret udstyr i Lius laboratorium i Penn State.

"Hvad industrien kan tage væk, er, at de har boreskæring eller prøver af skiferen til rådighed, de kan beregne metan-emissionsfluxen baseret på deres prøveinformation," sagde Yun Yang, hovedforfatter af undersøgelsen, som udførte forskningen, mens hun afsluttede sin doktorgrad. ved Penn State og som postdoc ved University of Calgary, som nu er postdoc ved Los Alamos National Laboratory. "De kan bruge det som vejledning til at se, hvor meget potentiale der er for metanlækage, efter at en brønd er forladt."

Metan-emissioner har et stærkere globalt opvarmningspotentiale end kuldioxid, og begrænsning af emissioner er en prioritet for USA, dets internationale partnere gennem indsatser som Global Methane Initiative, sagde forskerne.

Dette kan være særligt vigtigt i områder som Pennsylvania, hvor mere end 20.000 skifergasbrønde er blevet boret siden starten af ​​Marcellus-skifergasboomet i 2005.

"Et stort problem er, at metanlækage har et højere globalt opvarmningspotentiale sammenlignet med kuldioxid," sagde Haoming Ma, en postdoktor ved University of Texas i Austin og medforfatter. Ma udførte arbejdet, mens hun var forskningsassistent ved University of Calgary. "USA og andre lande har forpligtet sig til at reducere de globale metan-emissioner med omkring 30 % inden 2030, hvilket understreger, hvor hastende det er med afbødning."

Fordi metan diffunderer langsomt fra skiferen, sagde forskerne, at regulatoriske krav bør implementeres for at give langsigtet overvågning af metan-emissioner fra forladte skifergasbrønde.

Forskerne fandt ud af, at når en brønd ophører med produktionen, og trykket i reservoiret falder, øges diffusionen af ​​metan over det komplekse mikroporøse system af skifermatricer. Diffusion er en langsommere proces og bidrager til en langvarig strøm af metan fra formationen mod den forladte brøndboring, sagde forskerne.

Metan-emissioner fra diffusion kan sammenlignes med emissioner fra flowback-væske, væsken og sandet, der sprøjtes ind i jorden under fracking, der vender tilbage til overfladen, ifølge forskerne.

Tidligere undersøgelser har fokuseret på at evaluere emissioner frigivet ved fracking, færdiggørelse og drift af brønde, men forståelse af emissionspotentiale, efter at de ikke længere er aktive, er en vigtig manglende brik, sagde forskerne.

"I dette arbejde fandt vi ud af, at efter at en brønd er nedlagt, hvis du ikke implementerer ordentlige tilstopningsteknikker - hvis du lader brønden stå åben til overfladen - vil methanemissioner akkumulere over tid," sagde Yang. "Og hvis du venter i tilstrækkelig tid, vil emissionsfluxen være den samme som emission observeret fra tilbagestrømningsoperationer."

Fordi diffusionen steg, efterhånden som reservoirtrykket faldt i undersøgelsen, kunne opretholdelse af dette tryk, selv efter at en brønd holder op med at producere, være en effektiv strategi til at reducere metan-emissionspotentialet fra forladte skifergasbrønde, sagde forskerne.

Flere oplysninger: Yun Yang et al., Indvirkning af uindvundet skifergasreserve på methanemissioner fra forladte skifergasbrønde, Science of The Total Environment (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.169750

Journaloplysninger: Science of the Total Environment

Leveret af Pennsylvania State University