Wenn es darum geht, Lecks zu verstopfen, könnte eine gewisse Ablagerung von Vorteil sein

Ingenieure, die sich auf das Bohren und Brechen von Gestein konzentriert haben, suchen nun nach Möglichkeiten, es wachsen zu lassen, um Lecks zu stoppen.

An Optionen mangelt es nicht, und keine davon gefährdet die Zukunft der Zementknappheit.

Zwei aktuelle Veröffentlichungen bieten jedoch einen Einblick in die wachsende Vielfalt neuer Optionen, die von schwierigen Problemen inspiriert sind, die vom Verstopfen schwer fassbarer Methanlecks bis zur langfristigen Kohlenstoffspeicherung reichen.

In einem Artikel geht es um die Heilung mikrometergroßer Risse, die Gaslecks durch den Ringraum ermöglichen, indem eine Mischung aus Bakterien und Chemikalien in diese Räume injiziert wird, wo sie eine Kalziumkarbonatdichtung bilden.

Der andere Ansatz zielt darauf ab, große Öffnungen mit Methoden zu füllen, die vom Bau langer, unterirdischer Barrierewände bis hin zum Verstopfen von Verwerfungen reichen. Die Idee besteht darin, zwei Chemikalienströme abzupumpen, die sich an der Leckstelle treffen und eine undurchlässige Barytbarriere bilden.

Nach der Präsentation auf der SPE Reservoir Simulation Conference im März über den Bau von Barytbarrieren begann ein Ingenieur im Publikum seine Frage damit, dass er den Autor des Papiers, Rami Younis, einen außerordentlichen Professor an der Universität Tulsa, dafür lobte, dass er einige „verrückte Ideen“ ausprobiert hatte. "

Das wäre „verrückt“, wenn man sich den gewaltigen Herausforderungen stellt, Chemikalienströme zum Bau einer unterirdischen Barriere zu liefern, und wie man Ingenieure, die für ihren Lebensunterhalt mit Ablagerungen kämpfen, davon überzeugen kann, den Fluss von Brunnen aufrechtzuerhalten und Ablagerungen in das Reservoir einzubringen.

Die kurze Antwort von Younis lautete: Baryt kann mit leicht verfügbaren Zutaten, die an entlegene Orte geliefert werden können, eine dauerhafte Barriere bilden. In einer Tabelle im Papier wurde hervorgehoben, dass andere verfügbare Optionen in einem oder beiden Punkten versagen. Einige sind nicht stark und langlebig, wie etwa Gele und Nanoschäume. Andere sind schwierig zu fördern, etwa das Pumpen von Zement oder Calcit.

Außerdem kann Zement mit der Zeit spröde werden und zerfallen, während Calcit durch starke Säure angegriffen werden kann, heißt es in dem Papier.

Das Hauptargument für die zweite Alternative, die von einem Unternehmen namens BioSqueeze erfunden wurde, ist der Zugang. Das bakterien- und chemikalienreiche Wasser kann an Stellen gelangen, die nur einen Mikrometer groß sind, während die meisten Alternativen mehr als 100-mal größere Öffnungen erfordern. Das Unternehmen sagte, das Ergebnis sei siebenmal stärker als das Original.

„Wir verwenden natürliche Bodenbakterien, die keine Krankheitserreger sind“, die kalksteinähnliches Gestein bilden, sagte Randy Hiebert, Mitbegründer und Vizepräsident für Forschung und Entwicklung von BioSqueeze.

Der Nachteil ist, dass die Bakterien, die als Katalysator wirken, Temperaturen über 170 °F nicht überleben können.

Beide Neuerungen wurden mit Skepsis aufgenommen.

Während die Technologie mit Mitteln des US-Energieministeriums entwickelt wurde und das Unternehmen seit vier Jahren kommerziell tätig ist, muss Hiebert die Erdölingenieure noch davon überzeugen, dass Bakterien die proprietäre Chemikalienmischung des Unternehmens schnell kristallisieren können, um Lecks zu schließen.

Doch einige lästige Probleme zwingen Kunden dazu, etwas Neues auszuprobieren. Hiebert erinnerte sich an einen erfolgreichen Auftrag für ein namentlich nicht genanntes großes Ölunternehmen, das Millionen für gescheiterte Lösungen ausgegeben hatte. Das Unternehmen rief schließlich BioSqueeze an, das auf Platz 17 der Liste potenzieller Lösungsanbieter stand.

Younis hat versucht, aus Laborarbeiten und Computersimulationen genügend Beweise zu sammeln, um Bundesbeamte davon zu überzeugen, dass er ein Forschungsstipendium aus den für die Forschung zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung bereitgestellten Mitteln verdient.

Dies sind nur zwei Beispiele für Forschung und Start-ups, die international an solch neuartigen Plug-Ideen arbeiten. Der Sektor hat durch staatliche Programme zur Begrenzung der Methanemissionen, einer Hauptursache der globalen Erwärmung, sowie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung erhebliche Unterstützung erhalten, was die Schaffung einer unterirdischen Speicherung erfordert, die im Wesentlichen ewig hält.

Einige sind auf der Suche nach Zusatzstoffen für den Ölfeldzement, die auf durch einen Spalt eindringende Sole reagieren. Die Flüssigkeit verursacht eine Kristallisation, die die Lücke füllt. Diejenigen, die nach Möglichkeiten suchen, dies zu tun, reichen von Shell bis zu einer Gruppe von Archäologen am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Laut einer in AAAS Science Advances veröffentlichten Studie verwendeten MIT-Forscher die neuesten chemischen Analysegeräte, um die chemische Zusammensetzung des an einer römischen Ausgrabungsstätte gesammelten Zements zu analysieren und herauszufinden, wie vor 2.000 Jahren gebaute Betonstrukturen und Straßen noch stehen.

Als sie eine mikroskopische Analyse des Materials durchführten, stellten sie winzige weiße Brocken, sogenannte Kalkklasten, vor ein Rätsel. Sie dienten keinem offensichtlichen Zweck und die Forscher konnten nicht akzeptieren, dass sorgfältige römische Zementhersteller mit diesen Verunreinigungen Zement hergestellt hätten. Ihre chemische Analyse stützte die Theorie, dass diese reaktiven Kalziumstücke mit eindringendem Wasser in Kontakt kamen und Kalziumkarbonat bildeten, das die Selbstheilung des Zements ermöglichte.

Um ihre Theorie zu testen, stellten sie eine Charge Zement nach einem Rezept her, das sicherstellte, dass sich im Endprodukt Kalkschlamm befanden. Bei der Prüfung spiegelte das Ergebnis die mit Calcit gefüllten Risse wider, die in römischem Beton gefunden wurden.

Ein Zeichen für das wachsende Interesse an ultralanglebigem Zement war eine Anmerkung am Ende der wissenschaftlichen Arbeit, in der die MIT-Patente beschrieben wurden, die potenzielle Verwendungsmöglichkeiten für diese Entdeckung abdecken.

Acht-Gallonen-Behandlung

Das BioSqeeze-Papier beschrieb einen Auftrag in Ohio, bei dem es darum ging, ein anhaltendes Gasleck zu stoppen. Die staatlichen Aufsichtsbehörden würden die ordnungsgemäße Stilllegung des Bohrlochs erst bestätigen, wenn sie das durch kleine Risse im Ringraum nach oben strömende Gas verstopften.

Der Brunnenbesitzer beauftragte das Unternehmen, weil es eine Behandlung anbot, die in die Zementbarriere an der Oberfläche injiziert werden konnte. Bei anderen Methoden müssten die Stopfen ausgebohrt werden.

Verglichen mit dem Umfang der meisten Ölfeldarbeiten klingen die für die „Biomineralisierung“ injizierten Mengen winzig.

Am ersten Tag injizierten sie am Bohrstandort Ohio innerhalb von 13 Minuten 8 Gallonen der proprietären Flüssigkeitsmischung des Unternehmens. die Injektionsrate pro Minute verlangsamte sich deutlich.

Später an diesem Tag dauerte es 16 Minuten, um so viel Flüssigkeit einzuspritzen, und später 22 Minuten, um 7 Gallonen einzuspritzen, was darauf hindeutet, dass das wachsende Gestein die Öffnungen füllte.

Im Laufe der nächsten 36 Stunden verlängerten sich die Injektionszeiten, da die injizierten Flüssigkeitsmengen abnahmen. Am zweiten Tag konnten sie nach fast zweistündigem Abpumpen nur 4,6 Gallonen injizieren.

Sie hörten auf, weil die Injektionsrate von einem Spitzenwert von 0,56 Gallonen/Minute auf 0,01 Gallonen/Minute gesunken war. Außerdem war der Druckabfall nach dem Pumpen gesunken, von 78 % am Anfang auf 14 % am Ende.

Am wichtigsten ist, dass der Ringraumdruck nach der Behandlung des Bohrlochs in Ohio auf Null sank und die Regulierungsbehörden akzeptierten, dass das Bohrloch ordnungsgemäß verschlossen und aufgegeben worden war, heißt es in dem Papier.

Ein Ziel treffen

Die Herausforderung besteht darin, zu beweisen, dass mehrere Injektionsbrunnen die chemischen Ströme liefern können, die zur Lieferung der Inhaltsstoffe erforderlich sind, um sicherzustellen, dass „an der undichten Stelle eine hydrodynamische Abdichtung entsteht“, sagte Younis während seiner Präsentation.

Bisher bestand die Arbeit hauptsächlich aus Labortests und Computersimulationen. Bei den Simulationen wurden Gruppen von Injektionsbrunnen in Mustern verwendet, die den für die Wasserinjektion verwendeten Mustern entsprechen.

Wie bei der Wasserinjektion sind die verwendeten Flüssigkeiten kostengünstig und reichlich vorhanden. Langjährige Erfahrungen mit der Wasserinjektion zur Steigerung der Ölproduktion zeigen jedoch, dass es schwierig ist, Flüssigkeitsströme vorhersehbar an ein unterirdisches Ziel zu liefern.

Die Bemühungen begannen mit Labortests. Die beiden Zutatenströme wurden von Jun Lu, einem außerordentlichen Professor für Erdöltechnik an der Universität von Tulsa, durch separate Rohre in einen Sandsteinkern injiziert.

Getrennte Einspritzpunkte seien erforderlich, um „die schnelle Ablagerung von Ablagerungen zu vermeiden, die andernfalls innerhalb der Rohre auftreten würde“, heißt es in dem Papier.

Nachdem sie 200 Porenvolumina der Solekomponenten – Barium- und Sulfationen – injiziert hatten, sagte Younis: „Röntgenaufnahmen der Kerne zeigten, dass sich zwischen den beiden Hälften eine dünne Wand aus Barytablagerungen gebildet hatte.“

Das Papier berichtete auch über die Ergebnisse zweier Simulationen in einem „gekoppelten hydrologisch-mechanisch-chemischen“ Transportmodell.

In einem Fall schufen sie einen langen, dünnen Barytvorhang, der zum Verschließen eines Lecks in einer Gaslagerstätte verwendet werden konnte. Im zweiten Fall injizierten sie eine große Menge und zielten auf einen kleineren Bereich, der eine Verwerfung darstellte.

In beiden Fällen endete der Test mit einem Anstieg des Drucks im simulierten Raum, was darauf hindeutet, dass sie erfolgreich waren, wie ein Reifen, der nach dem Flicken eines Lochs Luft anhält.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse hofft Younis, die nötigen Zuschüsse zu erhalten, um diese Idee in die Felderprobung zu überführen.

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SPE 213099 Biomineralisation: Oberflächeninjektion beseitigt Bradenhead-Druck von Randy Hiebert und John Griffin, BioSqueeze.

SPE 212221 Eine numerische Studie über selektive anorganische Ausfällung in Brüchen zur geotechnischen Entwicklung widerstandsfähiger und sicherer unterirdischer Lagerstätten von Shijun Fan, Rami M. Younis und Jun Lu, Universität Tulsa.

Heißmischen: Mechanistische Einblicke in die Haltbarkeit von antikem römischem Beton von LM Seymour und J. Maragh, MIT; und P. Sabatini, DMAT SRL, et al. American Association for the Advancement of Science, Science Advances, Januar 2023.