Műszaki Földtudományi Közlemények, 85. kötet, 1. szám (2015), pp. 156–162.
KÚTKIKÉPZÉS ÉS AZ ÁRAMLÁS SERKENTÉSE NANOPÓRUSMÉRETŰ GÁZTELÍTETT PALÁK GAZDASÁGOS TERMELÉSÉHEZ SZABÓ GYÖRGY igazgató, Falcon Oil and Gas társaság Absztrakt. Az elmúlt évtized egyik legnagyobb fluidumbányászati innovációja a hidraulikus rétegrepesztés alkalmazása palagázok kitermeléséhez, amelyet a függőlegesen induló kútszelvény folytatásaként, rétegződést követő, jellemzően vízszintes közeli trajektóriában hajtanak végre. Ez a kútkiterjesztés lehetőséget nyújt repesztő anyag több lépcsőben történő besajtolására. A serkentő közeg többnyire vízbázisú fluidum, de ritkábban inkompresszibilis állapotú gáz, pl. propán, nitrogén vagy szintetikus anyag. Amennyiben számítani kell a létrehozott mikrorepedések összezáródására, úgy kitámasztó anyagot kell lejuttatni a repedésekbe, amelyhez a repesztő folyadék „finomhangolása” szükséges. Észak-Amerikában az előbbi mára szinte rutinmunkává vált, de az utóbbi még hosszú évekig költséges kutatások tárgya lesz, holott maga a rétegrepesztés 100 éve ismert (Magyarországon csaknem hatvan, azóta itt is több ezer valósult meg). A palagáz kutatásában fontos szerepet kap a szeizmikus mérés 3D változata, amely az adott folytonos gáztelített palaszerkezet kiterjedését azonosítja, de azon belül a kitüntetett összletek (bright spot hunting) lesznek a kútkiképzés, végül a rétegrepesztés célzónái. Innovatív alkalmazásnak számít még a repesztési művelet alatt végrehajtott mikroszeizmikus mérés, amely a szeizmikus események térbeli kialakulását mutatja időléptékhez kötve. A nanoméretű pórustorkon át diffúzióval hajtott gázmolekulák mélybeli áramlásának a modellezésére ugyan léteznek laboratóriumi eszközök (pressure puls decay, lézer-akusztikus), de a mérési eredmények interpretációja még nem megbízható. Magának az eredeti rétegnyomásnak a felvétele sem egyszerű, mert a palarétegekből átfúrásuk után megindul a gázdiffúzió, így a nyugalmi állapot helyreállítása a kútban eszköz- és időigényes feladat. Célravezető az alulegyensúlyozott mélyfúrási technológia alkalmazása (UBD), amelynek eszközrendszere gyakran kiegészül a nyomás alatti (snubbing) ki- és beépítő berendezéssel és a felcsévélt termelőcsővel (coiled tubing). Annak ellenére, hogy ma még a hidraulikus rétegrepesztés tervezése tapasztalati úton történik, fontos szerep hárul a kőzetjellemzők (összetétel, szilárdság, Young-modulus, Poissonszám) meghatározására, a megelőző kalibráló besajtolásra (leak-off, data-, mini, diagnostic frack), amely lehetővé teszi a várható eredmény szimulálását. A nanopórusméretű kőzetekben a gázra nem érvényesíthető a nyomáskülönbség vezérelte Darcy-áramlás, értelmezhetetlen a gravitáció, az in-situ rétegnyomás meghatározása, a nyomásemelkedés-mérés (pressure build-up) és nem működnek a jól bevált hagyományos szimulációs modellek. Kulcsszavak: nanopórusok, diffúzió, palagáz
1. BEVEZETÉS Az úgynevezett „nem hagyományos” szénhidrogének közül a palagázok kitermelésének az alapvető technológiája lényegében azonos az olajmérnöki gyakorlatban az elmúlt évszázad alatt kialakult és használatos eljárásokkal és eszközökkel. Mérték-
Kútkiképzés és az áramlás serkentése nanopórusméretű gáztelített palák gazdaságos…
157
adó szakmai műhelyek magát az elnevezés használatát is ellenzik, hiszen az hagyományos ismeretekre vonatkoznék. A gáznak a kútba való belépésétől a mélybeli szerelvények, a kútfej, a gázgyűjtés és szállítás tekintetében nincs különbség, az innováció a rétegmegnyitás gyakorlati részletmegoldásaiban jelenik meg. A rétegserkentés már eddig is tömeges alkalmazást kapott, a palarétegeknél azonban a siker a finomhangoláson áll vagy bukik, és természetesen az olajár-érzékeny gazdaságosságon. A nanopórusméretű kőzetekben, a szervesanyag-tartalom kerogén átalakulása folyamatában, a zárt pórusokból a nyomás növekedtével a vízfázis fokozatosan kiszorul. A palaréteg folytonos „kvázi homogén” gázcellává alakul, amelyben azonban a rétegirányú korreláció, később majd a megcsapolás folyamata nehezen követhető (LAKATOS). A palagáz kitermelését célzó műveletek ezért 3D szeizmikus méréssel kezdődnek, amellyel megbecsülhető az in situ forrás (resource) mennyisége, ami nem azonosítható a konvencionális nómenklatúra „kezdeti vagyonával”. A végső választ, a szeizmika „kalibrálását” majd a termelés alakulása adja meg. A termelési prognózist, a folyamat előrehaladásával, a tényleges adatokra (production data analysis, PDA) lehet csupán alapozni. A termelési ütem a horizontális kútkiterjesztés hosszával, az abban végrehajtott rétegrepesztések által megnyitott kőzettömeg nagyságával, a serkentési lépcsők számával arányos. A palagáz akkumuláción belül az anyakőzetben gyakran léteznek gazdagabb „lencsék” (bright spot), amelyeket a nagyobb helyi szervesanyag-megjelenés eredményezi, de azokra migrációs útvonal, csapdázódás nem értelmezhető, minthogy azt az alacsony, hagyományosan nem is mérhető áteresztőképesség nem teszi lehetővé. A pórusméret és az áteresztőképesség kapcsolatára, valójában a diffúzióra léteznek analitikus és grafikus modellek (JAVADPOUR, 1. ábra), de ezek alkalmazhatósága a mélybeli kútviszonyokra jelenleg még kiforratlan. Fontos megjegyezni, hogy a koncentráció különbség által hajtott áramlás, a diffúzió ellene hat minden felhalmozódásnak. „Csapda” helyett a rétegenként változó diffúziós együttható játszik szerepet, a gázmolekula haladási sebessége lassulhat, de amíg van „szabad útja”, nem áll le. Mindez szemléltethető a hődiffúzióval, ahol a hajtóerő a hőmérséklet különbség. A geotermális hőhasznosítás diffúziós EGS-változatában a rétegrepesztés a hőáram fokozását szolgálja, hasonlóan a palagáz serkentéshez. A Darcy-törvényt követő folyadékáramlás hatékony hőszállító. A földhőkitermelés másik lehetősége „direkt hőbefogásnak” nevezhető, amely az évezredek óta ismert gejzírekkel illusztrálható. A szeizmika tudománya ma már 3D mérésekkel lehetőséget ígér korlátlan beáramlást biztosító felszínalatti törésrendszerek azonosítására és mélyfúrással való megcsapolására (Fábiánsebestyén#4). Mindkét esetben, a földhőkút felső szakaszában a diffúzió negatív szerepet játszik: a felfelé áramló fluidumot hűti.
158
Szabó György
2. PALAGÁZKUTAK FÚRÁSA ÉS KIKÉPZÉSE Magában a kútfúrás gyakorlatában nincs újszerű elem. Manapság már nem okoz nehézséget a fúrhatóság, a lyukfal stabilitás, a szerszámirányítás és iránytartás, a kitörésvédelem stb. Magfúrást ritkán használnak, hiszen a „szeizmika kalibrálását” maga a művelet biztosítja (fúrás közbeni műszerkabin, „geosteering”, LWD, „traktoros” szelvényezés stb. alkalmazásával). Az a körülmény, hogy a palaréteg megcsapolásának a radiális hatástere viszonylag kicsi, a kutak nagy számát kényszerítené, ami azonban bokor- és gyökérfúrások alkalmazásával nagyságrenddel csökkenthető. Ma még innovatív megoldásnak számít, ha egyetlen alapról (multipad) 20–24 kutat mélyítenek egymástól 8–10 méterre „sétáló fúróberendezéssel”, kutanként 2–4 ággal, szakaszonként 10–12 repesztési lépcsővel, de a tömeges alkalmazás csak idő kérdése (SZABÓ). A palagáziparág rekultivációs technológiája (plug and abandonment, PA) még nem forrott ki, de bizonyos, hogy a jelenlegi hagyományos filozófia nagynyomású és hőmérsékletű (HP-HT) mély kutakban nem alkalmazható. A perforálás és repesztésenkénti cementtel történő izolálás értelmezhetetlen (hagyományosan a rétegeket így kell elválasztani és a tömítettséget egyenként ellenőrizni), csak a függőleges szakaszban követelhető meg a nyomásintegritás. A hagyományos telepeknél az egymásra vertikálisan települő szerkezetek hidrodinamikailag elkülöníthetőek, egyedi lezárásuk evidencia. Amennyiben a megkötött cement permeabilitása közel esik a rétegéhez, azon keresztül a diffúzió érvényesülése ismert jelenség (BOZÓKI). Az elvi időkorlát nélküli (eternity PA, 106 évre) hermetikusságra nézve – ahol az acélanyag nem tekinthető záró elemnek − megnyugvást a proppant beépülése a palába, a „kőzetsebek” gyors beforradása jelent. Ez a folyamat már a kút, akár csak rövid idejű lezárása után elkezdődik. Érdekes analógia tűnik fel a palarétegekben áramló gáz és a nagy radioaktivitású anyagok mélybeli tárolása között. A millió éves szemléletben a sugárzás felezési ideje, a gáznál a szerves anyag elfogyása garantálja a biztonságot. Új megvilágításba kerül a kútegyensúly követelménye. Amennyiben ismert a palagázrétegek feletti kőzetsor hidraulikája (BÓDI), úgy az anyakőzet megfelelő béléscső védelmében alulegyensúlyozva (underbalanced drilling, UBD) harántolható. Diffúziós gázbelépés ugyan okozhat „háttérgázt”, de felszíni vagy felszínalatti kitörést nem. Az in-situ rétegnyomás fúrás közben a márga „megbolygatott” volta miatt gyakran nem jelenik meg, csupán számítással becsülhető. A tartós kútlezárást célszerű elkerülni, mert az öblítőiszap adott hidrosztatikai nyomása a diffúziót eleve csak kis mértékben képes korlátozni. A folyadékveszteség ismert palagázrendszerek fúrása alatt általában nem jár közvetlen kitörésveszéllyel, a béléscső cementezése előtt azonban egyensúlyt kell biztosítani, akár különleges kútfolyadékkal (pl. cézium formát) vagy cementezéssel. Már ebben a munkafázisban is, de különösen a rétegrepesztés hatékonyságának az ellenőrzésére, segítséget nyújthat a gyűrűstérbe beépített folytonos üvegszálas hőmérsékletmérő eszköz. A fentiek tükrében nehéz feladat az optimális kútszerkezet megválasztása. Az a méretezési alapelv, hogy a kútnak (béléscső, szerelvények, kútfej) el kell viselnie a
Kútkiképzés és az áramlás serkentése nanopórusméretű gáztelített palák gazdaságos…
159
száraz gázzal feltöltött, tehát elméletileg a legnagyobb nyomást eredményező állapotot, mély, túlnyomásos kutaknál gyakran teljesíthetetlen. Ezzel szemben tény, hogy már egy csekély mértékű megcsapolás is drasztikus nyomáscsökkenést eredményez a diffúziós áramlás dinamikája miatt, így a felszíni szerelvények tehermentesíthetők. 3. A RÉTEGREPESZTÉS KÖRNYEZETI „LÁBNYOMA” Az alapozási munkálatok előtt független laboratóriumban megvizsgálják a talaj jellemzőit (szerves, szervetlen komponenseket, levegő-, metángáz, nedvességtartalmat, radioaktivitást stb.), beleértve a talajvíz összetételét áramlási irány szerint a fúrási pont előtt és mögött, majd a kútkiképzést követően megismételve. A rekultiváció során a deponált (folyamatosan minőség- és mennyiség-ellenőrzött) humusz visszakerül a helyére, a végállapotot az illetékes földhatóság a rekultiváció befejeztével jóváhagyja, lezárva az ingatlantulajdonosi kártérítés folyamatát. Hasonlóan ahhoz, hogy az eszközök tekintetében értelmezhetetlen a „nem hagyományos” meghatározás, úgy a lyukmélyítéshez és a rétegrepesztéshez alkalmazott fluidumokkal szembeni követelmények is „hagyományosak”. Az előzőnél a szilárd fázist (furadékot) a gravitáció ellenében felfelé, az utóbbinál a kitámasztó anyagot lefelé, majd a mikrorepedésekbe kell szállítani. A nem masszív rétegrepesztés kivételével nincs nagyságrendi különbség a fúrási és a rétegrepesztési folyadékok menynyiségében sem (200 vs. 500 m3). A múltban az iszapadalékok vegyi összetétele nem keltette fel a hatóságok figyelmét, a cirkulációt helyesen egy zárt technológia elemeként fogták fel. Mint ahogy a fúrási telephelyre beléptetett árutételek szigorú elszámolásra kötelezettek, ugyanezt a mennyiségi és minőségi (hatóanyagra kiterjedő adatlapos) nyilvántartást kell alkalmazni a repesztési adalékokra is. A technológia „zártsága” a kútkiképzés végéig tart. A telephelyet elhagyó bármely anyag (fluidum, vegyi adalék, üzemanyag stb.) minősítés után dokumentáltan kerül elszállításra, újrafelhasználásra vagy engedélyes hulladék hasznosítóhoz. Ez alól kivétel a humusz, amely el sem szállítható a folyamatosan ellenőrzött felhalmozási helyről, azaz a kútalapról. A rétegrepesztés a folyamat egy közbülső állomását jelenti, amelyet próbatermeltetés követ, néhány naptól akár több hónapos időtartammal, a termelt fluidum tulajdonságainak (mennyiség, nyomás, hőmérséklet, gázösszetétel, kémiai alkotók, szilárdanyag-tartalom stb.) a folyamatos megfigyelésével. A cél az, hogy a besajtolt repesztő közeg folyadékfázisa minél előbb kikerüljön a gáztartó rétegből, hogy ott ne okozhasson olyan változást, amely a kitermelendő földgáz áramlási viszonyait kedvezőtlenül befolyásolná. A kútfúrás és kőzetrepesztés környezetterhelése rövid: egy 2000 m mély kút két hét alatt lefúrható, a rétegrepesztés 1-2 óráig tart (zajkibocsátása összevethető a mezőgazdasági munkagépekéivel). A pontforrások (zaj, kipufogó-, metángáz, por, fény) üzemeltetése határértékeken alapuló engedélyekhez kötött. A füstgázemisszió meghatározása méréssel történik (üzemanyagfogyás, füstgázelemzés), egyben adófizetés alanya. A belsőégésű motorok hangszigeteltek, a munkagépeket jellemzően
160
Szabó György
villanymotorok hajtják, így nincs zaj- és rezgéskeltő mechanikus erőátvitel. A kutakat lakott területtől és felszíni vízelőfordulástól megfelelő távolságra telepítik, az emisszió monitoringozással jóval a megengedett határértékek alatt tartható. A klasszikus rétegvizsgálatok szerelvényei, nyomásszabályzói, szeparátorai stb. azonosak, a kereskedelemben nem létezik „palagáz fáklya” vagy különleges menynyiségmérő. Ez utóbbi a járadékfizetési kötelezettség alapeszköze, a bányahivatal szigorú felügyeletébe rendelten. Nem csak a gyűjtővezeték útján értékesített, de a fáklyázott földgáz kútfejre visszaszámított mennyisége után is bányajáradékot kell fizetni, amelynek csak a mértéke különbözik a palagázra (2%). Minthogy öblítő és egyéb kútfolyadék nem tárolható nyitott tárolóban a kutak környékén, extrém fugitív/diffúz gázterhelés nem értelmezhető, indokolt az olajiparra általában alkalmazott nemzetközi (ENSZ) kvótatényezők érvényesítése vagy annak konkrét mérések alapján való meghatározása és korrekciója. 4. A PALAGÁZ RÉTEG MINT MEGKÜLÖNBÖZTETETT KÖZEG A hidraulikus rétegrepesztés cél „földtani közege” olyan, a geológiai idők folyamán kialakult rétegösszlet – hasonlóan bármely olaj- és gáztelephez − amely a környezetétől hermetikusan elszigetelt, önálló hidrodinamikai rendszer (PÁPAY). Művelése nem akadályoz egyéb ásványvagyon-kitermelést (víz, földhő, szilárdásvány, gáztárolás, CO2-befogás stb.). A felette és alatta található más földtani közegek hasznosítása vagy védelme zavartalanul biztosítható, a kútfúrás és a termeltetés teljes élettartama alatt, beleértve a rétegserkentést is. Az izoláltság ellenőrzése egy adott kútban a nyomásintegritás ellenőrzésével folyamatosan történik, bármely nem várt, zavart okozó tényezőt a bányahivatalnak jelenteni kell. A bányahatóság felügyelete alá tartozó szénhidrogén összletek felett kitüntetett helyzetben vannak a felszíni és a felszín alatti ivóvíz tartalmú rétegek, amelyek a vízfelügyeletek hatáskörében vannak, akkor is, ha a gáztartalmuk jelentős. A felszíni környezet, továbbá az akviferek és az olaj- és földgáztelepek (pl. bányatelek fedlap) által közrefogott, ásványvagyon-hasznosítás szempontjából érdektelen „földtani közeg” tekintetében a környezet-felügyelőség az illetékes. Az ásványvagyon-védelem és -gazdálkodás érdekében elengedhetetlen a különböző földtani közegekre vonatkozó adatbázisok összehangolt működtetése, azokhoz a szabad hozzáférés biztosítása. A felszín alatti mélységi geológiai viszonyok ismeretére nézve a legnagyobb adatbázist a szénhidrogén-kutatás és -termelés szolgáltatja, amely támpontot nyújt a „közbülső” földtani közeg interpretációjához és hasznosításához. A hazai vízvédelmi törvény (219/2004. VII. 21. Korm.) részletesen szabályozza a földtani közegbe történő besajtolást, megelőzendő káros alapállapot-változást, vízkészlet-károsítást. A fentiekből egyértelmű, hogy az olajipari kihozatalnövelő besajtolás és a hidraulikus rétegrepesztés sajátosságai miatt nem vonható a rendelet hatálya alá. (Ez utóbbi esetében a besajtolt folyadékot a művelet után azonnal visszatermelik, ezért alapjában véve nem is „besajtolás”.) Az ez évtől (2015. 04. 01.) érvényes közigazgatási szabályozás − amely az „egyablakos” hatósági eljárás érdekében az
Kútkiképzés és az áramlás serkentése nanopórusméretű gáztelített palák gazdaságos…
161
érintett felügyeleteket kormányhivatalba integrálta − az „eltérő földtani közegekre” vonatkozó hatékony törvényalkalmazás biztosítéka lehet. Az EU Parlament és Bizottság 2014 óta (70/2014/EU) a hidraulikus rétegrepesztés tiltása helyett már csak a „masszív” alkalmazásra köti ki a szabályozást. Definíció szerint a határérték 1000 m3 lépcsőnként (10 000 m3 kutanként), amely felett a művelet hatástanulmányra kötelezett. Magyarországon is megszűnt a tervszintű (MÜT) tiltás 2015 áprilisától, ugyanakkor a technológia kivitelezésének a szabályozása szigorú és aprólékos. Az Egyesült Államokban az elmúlt években alkalmazott innovatív palagáz kitermelés sikere „gázforradalmat” eredményezett. A 2014-ben bekövetkezett drasztikus olajárzuhanás ellenére, mértékadó műhelyek prognózisa szerint, a palagáz változatlanul a gazdaság növekedésének a motorja lesz (PORTER). A szakirodalom a hidraulikus rétegrepesztés sikeréről ad számot Kanadából és Dél-Amerikából (Argentína), ígéretes alkalmazásról tudósít Ausztráliából és Dél-Afrikából, mindez kedvezően hathat az európai kutatásokra is.
1. ábra A pórusméret és a Knudsen-diffúzió öszefüggése (Javadpour F.)
162
Szabó György
IRODALOM [1] BÓDI, T.–GILICZ, A. (2012): Measurement of Porosity and Gas Permeability of Tight Rocks by Pulse Decay Method. Geosciences and Engineering. A Publication of the University of Miskolc. Volume 1, Number 1 (2012), Miskolc University Press, 2012, 65–74. [2] BOZÓKI, Z.–POGÁNY, A.–SZABÓ, G. (2011): Photoacoustic Instruments for Practical Applications: Present, Potentials and Future Challenges. Applied Spectroscopy Reviews, 46, (2011) 1–37. [3] JAVADPOUR, F.–FISHER, D.–UNSWORTH, M. (2007): Nanoscale Gas Flowing in Shale Gas Sediments. Journal of Canadian Petroleum Technology, Vol. 46, 10, 55–61. [4] LAKATOS, I.–LAKATOS-SZABÓ, J. (2007): Global Scenario of Conventional and Unconventional Hydrocarbons in the 21st Century. Akadémia Kiadó, Budapest, 59–74. [5] PAPAY, J.(2013): Exploitation of Unconventional Petroleum Accumulations, Theory and Practice. Akadémia Kiadó, Budapest, 365. [6] PORTER, M.–GEE, D.–POPE, G. (2015): America’s Inconventional Energy Opportunity. Harvard Business School, www.bcgperspectives.com/content/articles/energy [7] SZABÓ, G. (2015): Hazai lehetőségek és jelenlegi, valamint várható eredmények a Falcon társaság kutatási és termelési területén. MTA Földtudományok Oszt., Budapest (kiadás alatt).
