PL222018B1 - Sposób pozyskiwania gazów ziemnych rozpuszczonych w głębokich poziomach solankowych - Google Patents

Abstract

Sposób pozyskiwania gazów ziemnych rozpuszczonych w głębokich poziomach solankowych polega na tym, że do solankowych poziomów (1) w strefach przyspągowych megastruktury, korzystnie za pośrednictwem zatłaczających odwiertów (2), wprowadza się przy określonym ciśnieniu gaz, cechujący się rozpuszczalnością w solance większą, niż rozpuszczalność głównych składników gazu ziemnego zawartego w solance, przez co wypiera się z solanki gaz ziemny i przemieszcza się go do warstw stropowych megastruktury geologicznej, tworząc naturalne, złożowe pułapki (3) lub uzupełniając istniejące struktury złożowe. Z tych pułapek złożowych gaz ziemny wydobywany jest przy pomocy znanej metody za pośrednictwem eksploatacyjnych odwiertów (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pozyskiwania gazów ziemnych rozpuszczonych w głębokich poziomach solankowych.

Znane jest wiele przykładów występowania głębokich warstw skalnych, których przestrzeń porowa wypełniona jest solankami zawierającymi rozpuszczony gaz ziemny.

Jednym z nich jest magastruktura niecki poznańskiej w permskim basenie czerwonego spągowca. Wody złożowe czerwonego spągowca w postaci solanek chlorkowo-sodowo-wapniowych po₃ siadają wysoką mineralizację w granicach 220-320 g/m . Pomiary nasycenia wód wgłębnych gazem ziemnym wykonane próbnikiem złoża w 50 odwiertach wykazały średnią zawartość rozpuszczonego gazu ziemnego w ilości 2,4 ndm /dm . W okresie geologicznym migrujący poprzez fazę wodną gaz ziemny po wypełnieniu lokalnych niewielkich pułapek został zablokowany od góry szczelnym ekranem ewaporatów cechsztyńskich i zaczął rozprzestrzeniać się na boki megastruktury. Zjawisko to pozwoliło w efekcie na nasycenie megaakifera gazem rozpuszczonym w fazie wodnej.

Cały więc poziom czerwonego spągowca w omawianym rejonie wypełniony jest wodą nasyconą gazem ziemnym, jedynie niewielkie podniesienia morfologiczne bądź jego wyklinowania w postaci pułapek litologicznych wypełnione są lub były gazem ziemnym. Obliczenia szacunkowe określają ilość o

rozpuszczonego gazu w obrębie niecki poznańskiej na poziomie 100 mld Nm gazu, przy założeniu ₂ średniej miąższości poziomów zawodnionych 100 m, porowatości 10% i powierzchni 5000 km², jak podano w artykule P. Karnkowskiego z 1979 „Formowanie się złóż gazu ziemnego na obszarze przedsudeckim”. Nafta nr 8-9.

Innym przykładem są zasoby rozpuszczonego gazu w akiferze północnej zatoki meksykańskiej.

₃

Jego ilości wydobywalne, przekraczają 26 bilionów m³, jak obliczono w artykule J. Griggs'a z, 2005 „A reevaluation of geopressured - geothermal aquifers as an energy source”. Thirtieth workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California.

W tego typu akiferach metan występuje w fazie wodnej w postaci rozpuszczonej bądź zawieszonej (suspensji). W roztworze przyjmuje postać indywidualnych cząsteczek CH₄, nie wykazujących wobec siebie pokrewieństwa, jak określono w publikacji MC Elvain'a z 1969. „Mechanics of Gaseous Ascension Through a Sedimentary Column”. Proceeding of Symposium on Unconventional Methods. University Dallas, Texas.

W warunkach poniżej ciśnienia nasycenia cząsteczki metanu uwalniają się z roztworu tworząc pęcherzyki migrujące ku górze warstwy złożowej, aż do osiągnięcia stropu złoża. Znane jest kilka metod wydobywania tego rodzaju zasobów gazu. W patencie US 4116276 metoda polega na wydobyciu odpowiedniej ilości wody nasyconej gazem ziemnym z górnej przystropowej części akifera, celem znacznego obniżenia ciśnienia złożowego, wytworzenia depresji, co spowoduje uwolnienie gazu z roztworu i wytworzenie w części przystropowej sztucznej czapy gazowej. Jej eksploatacja jest możliwa za pośrednictwem odwiertów. Patent US 4149596 również przedstawia metodę częściowego wydobycia wody nasyconej gazem, obniżenia ciśnienia, wytworzenia strefy nasyconej fazą gazową i późniejsze jej sczerpanie. Patent US 4279307 przedstawia metodę polegającą na częściowym wydobyciu wody i wytworzeniu sztucznej czapy gazowej.

Celem wynalazku jest opracowanie ekonomicznej metody wydobycia gazów ziemnych, rozpuszczonych w głębokich poziomach solankowych, przy użyciu środków technicznych dostępnych w przemyśle wydobycia gazu.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym do poziomów solankowych w strefach przyspągowych megastruktury, korzystnie za pośrednictwem odwiertów zatłaczających, wprowadza się przy określonym ciśnieniu gaz, cechujący się rozpuszczalnością w solance większą niż rozpuszczalność głównych składników gazu ziemnego zawartego w solance, przez co wypiera się z solanki gaz ziemny i przemieszcza się go do warstw stropowych megastruktury geologicznej, tworząc naturalne, złożowe pułapki (3) lub uzupełniając istniejące struktury złożowe. Zatłaczanym gazem wypierającym jest dwutlenek węgla CO₂, korzystnie z procesów sekwestracji, czyli jego podziemnego

PL 222 018 B1 składowania, wtłaczany do solanki przy ustalonym ciśnieniu, aż do uzyskania jego nasycenia w solance przy danych parametrach ciśnienia, temperatury i składu chemicznego solanki. Zgromadzony w naturalnych pułapkach lub strukturach w wyniku procesów wypierania z wykorzystaniem zatłaczanego CO₂ gaz ziemny wydobywany jest przy pomocy znanej metody za pośrednictwem odwiertów eksploatacyjnych.

Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wydzielenia gazu rozpuszczonego w solance oraz jego wydobycie tradycyjnymi środkami technicznymi.

Przykład wykonania sposobu według wynalazku przedstawiono na rysunku, fig. 1, przedstawiającej schemat metody wydobycia gazu na przekroju złoża i opisano poniżej. Metoda według wynalazku polega na wykorzystaniu zjawiska wypierania z wodnego roztworu, gazów o mniejszej rozpuszczalności, gazami charakteryzującymi się większą rozpuszczalnością a szczególnie CO₂.

Dla typowego zakresu ciśnienia 300 bar i temperatury 100°C rozpuszczalność CO₂ w solankach jest blisko dziewięciokrotnie wyższa w odniesieniu do rozpuszczalności gazu ziemnego wydobywanego w tym rejonie. Skład chemiczny badanych gazów ziemnych przedstawiono w tabeli 1

T a b e l a 1

Skład chemiczny gazów ziemnych wydobywanych ze złóż w niecce poznańskiej

Składnik	Gaz U-15 % molowy	Gaz P2A % molowy
He	0.117	0.136
N2	16.953	19.05
CO2	0.392	0.308
C1	81.685	79.772
C2	0.793	0.631
C3	0.034	0.034
C4	0.007	0.008
C5	0.004	0.004
C6	0.002	0.003
C7	0.003	0.005
C8	0.004	0.021
C9	0.004	0.012
C10+	0.003	0.015

PL 222 018 B1

Na poniższym wykresie przedstawiono wyniki badań rozpuszczalności gazów ziemnych Rs

Podczas zatłaczania CO₂ do wód akifera nasyconych rodzimym gazem ziemnym, CO₂ stopniowo rozpuszcza się w tych wodach.

Zbadano również wielkość ciśnienia nasycenia powstałych nasyconych roztworów solanki, gazu ziemnego i dotłaczanego stopniowo CO₂. Uzyskane wyniki badań zamieszczono na poniższym wykresie. Wynika z niego, że w miarę dotłaczania CO₂ wzrasta odpowiednio wartość ciśnienia nasycenia, oznacza to, że w miarę dotłaczania CO₂ do układu solanka - rozpuszczony gaz ziemny i dotłaczany CO₂, dla danej wielkości ciśnienia zmniejsza się rozpuszczalność gazu ziemnego i uwalniane będą składniki o mniejszej rozpuszczalności.

PL 222 018 B1

Badania modelowe procesu wypierania rozpuszczonego gazu ziemnego prowadzono na aparaturze badawczej, której głównym elementem była komora ciśnieniowa zbudowana ze stalowej rury ₃ o długości 220 cm i pojemności 4617 cm³, stanowiąca model złoża. Komorę starannie wypełniono wysokogatunkowym piaskiem kwarcytowym o ziarnistości 0,1-0,5 mm. Dokonano pomiarów powstałej objętości porowej poprzez wypełnienie modelu złoża azotem i wyznaczono porowatość ośrodka φ=35,3%.

Model złoża wyposażono w szklany wziernik umożliwiając tym samym obserwację najwyższej części komory występujących zmian fazowych. Identyfikacja momentu pojawienia się w układzie wtórnej czapy gazowej, wynikającej z desorpcji gazu ziemnego przez zatłaczany CO₂, była niezwykle istotna dla właściwego prowadzenia eksperymentu wypierania. Wziernik, we współpracy z pompką wodną, umożliwiał także pomiar ilości wolnego gazu, wielkości czapy, w warunkach PT prowadzenia procesu wypierania.

Z uwagi na fakt prowadzenia badań w wysokiej temperaturze - Tzł=100°C, koniecznością było wyposażenie stanowiska badawczego w precyzyjny układ grzewczy z regulacją i stabilizacją temperatury złoża.

W komorze przygotowano solankę nasyconą rodzimym gazem ziemnym P-2A w warunkach złożowych. Następnie, w stanie jednofazowym, powyżej ciśnienia nasycenia, przetłoczono przygotowaną solankę do ośrodka porowatego modelu złoża - utrzymując stałe ciśnienie i zapobiegając tym samym wydzieleniu się gazu. Zatłaczanie dwutlenku węgla przeprowadzono, przy stałym ciśnieniu, przez zawór wejściowy/dolny przy jednoczesnym odbiorze solanki zaworem wyjściowym/górnym. Sterowanie i rejestracja parametrów prowadzonego procesu odbywała się przez oprogramowanie aparatury PVT. Tak przygotowany model złoża pozostawiono, dla osiągnięcia nowych warunków równowagi fazowej, na okres 1 doby. Po tym czasie, z zachowaniem ciśnienia złożowego, wprowadzono górną, najbardziej interesującą część badanego płynu do wziernika, stwierdzając pojawienie się wolnego gazu w postaci czapy gazowej. Przystąpiono do odbioru kolejnych porcji/objętości gazu „z czapy” z zachowaniem stałego ciśnienia utrzymywanego przez CO₂ dotłaczany od dołu modelu złoża. W trakcie odbioru gazu pomierzono i poddano analizom 17 próbek gazu. W czasie rzeczywistym monitorowano skład gazu analizatorem CH₄/CO₂, ponadto skład 10-ciu pierwszych próbek określono poprzez chromatografię gazową. Eksperyment kontynuowano do momentu pojawienia się, najpierw „przekładek” wodnych, a po chwili wody na wyjściu układu, co wskazywało na fakt „wytłoczenia czapy gazowej”.

Po zbilansowaniu przeprowadzonego procesu, wypierania gazu ziemnego przez zatłaczany CO₂, można stwierdzić, iż dzięki wprowadzeniu CO₂ do systemu złożowego złożonego z solanki pozostającej w równowadze fazowej, z nasycającym ją rodzimym gazem metanowym, w układzie tworzą się nowe warunki równowagowe skutkujące pojawieniem się wtórnej czapy gazowej. Czas migracji zdesorbowanego z solanki gazu do czapy, jej wielkość i skład fazy gazowej zależy od wielu czynników: sposobu i ilości zatłaczanego CO₂, parametrów PT złożowych, cech skały zbiornikowej, jak: porowatość, przepuszczalność i wielu innych.

W analizowanym wariancie prowadzenia procesu na fizycznym modelu złoża osiągnięto efektywność wypierania rzędu 75%. Poniżej przedstawiono skład chemiczny gazu odbieranego w górnej części modelu złoża.

PL 222 018 B1

Przeprowadzone badania modelowe potwierdziły zjawisko wypierania głównych składników gazu ziemnego, a szczególnie metanu z wód złożowych w trakcie procesu zatłaczania CO₂.

Przedstawiona na rysunku fig. 1 schematyczna metoda wydobycia polega na tym, że do solankowych poziomów 1 dostarczany jest dwutlenek węgla za pośrednictwem zatłaczających odwiertów 2, na przykład za pomocą rurociągu do tłoczni, z której wtłaczany jest do przyspągowych stref głębokich poziomów solankowych megastruktury. Rozpuszczający się w wodach CO₂ wypiera z nich główne składniki gazu ziemnego, a szczególnie metan, który przemieszczając się do warstw przystropowych tworzy naturalne, złożowe pułapki 3 lub uzupełnia istniejące struktury złożowe. Gaz ziemny gromadzony w naturalnych pułapkach 3, lub strukturach w wyniku procesów wypierania z wykorzystaniem zatłaczanego CO₂, wydobywany jest przy pomocy znanej metody za pośrednictwem eksploatacyjnych odwiertów 4.

Metoda według wynalazku może zostać wykorzystana do wydobycia gazu ziemnego zgrom adzonego w przyspągowych strefach głębokich poziomów solankowych megastruktury.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pozyskiwania gazów ziemnych rozpuszczonych w głębokich poziomach solankowych, znamienny tym, że do solankowych poziomów (1) w strefach przyspągowych megastruktury, korzystnie za pośrednictwem zatłaczających odwiertów (2), wprowadza się przy określonym ciśnieniu gaz, cechujący się rozpuszczalnością w solance większą, niż rozpuszczalność głównych składników gazu ziemnego zawartego w solance, przez co wypiera się z solanki gaz ziemny i przemieszcza się go do warstw stropowych megastruktury geologicznej, tworząc naturalne, złożowe pułapki (3) lub uzupełniając istniejące struktury złożowe.

2. Sposób pozyskiwania gazów ziemnych, według zastrz. 1, znamienny tym, że zatłaczanym gazem wypierającym jest dwutlenek węgla CO₂ korzystnie z procesów sekwestracji, czyli jego podziemnego składowania, wtłaczany do solanki przy ustalonym, ciśnieniu, aż do uzyskania jego nasycenia w solance przy danych parametrach ciśnienia, temperatury i składu chemicznego solanki.

3. Sposób pozyskiwania gazów ziemnych, według zastrz. 1, znamienny tym, że zgromadzony w naturalnych pułapkach lub strukturach w wyniku procesów wypierania z wykorzystaniem zatłaczanego CO₂ gaz ziemny wydobywany jest przy pomocy znanej metody za pośrednictwem eksploatacyjnych odwiertów (4).