Creation: Free Design

Geothermie en hydraulisch stimuleren/ fracken

Hydraulisch stimuleren (hydraulisch fracken) maakt haarscheurtjes in het gesteente van de aardlaag waar de warmte zit. Dit verbetert de doorlatendheid en maakt zo het gesteente beter geschikt om het warme water door te laten. Naast hydraulisch stimuleren bestaan thermisch stimuleren (ook door injectie van kouder water ontstaan scheurtjes die de doorlatendheid verbeteren) en chemisch stimuleren (een deel van het gesteente onderin de put poreuzer maken door bijvoorbeeld kalksteen op te lossen).

Waarom is stimuleren nodig?

De reservoirkwaliteit van de huidige doubletten in Nederland is goed genoeg om voldoende water te kunnen produceren en injecteren. Deze zijn dan ook niet gestimuleerd. De reservoirkwaliteit (met name de doorlatendheid) neemt echter in de regel af met de diepte. Wanneer in de toekomst mogelijk warmere en dus diepere reservoirs aangeboord worden is het misschien noodzakelijk de reservoirkwaliteit te verbeteren door stimulatie. (klik hier om deze tekst als pdf te downloden)

Hoe gaat het stimuleren in zijn werk?

Bij het stimuleren perst een gespecialiseerd bedrijf onder druk vloeistof via de put in het gesteente, zodat er haarscheuren (fracks) ontstaan of al aanwezige (natuurlijke) haarscheuren open gaan. Water kan dan makkelijker naar de productieput stromen, of vanuit de injectieput het reservoir in.

De behandeling is afhankelijk van de ondergrond, maar bestaat altijd uit de volgende stappen:

  1. Men maakt onderin de put gaten in de filterbuis (die al wel kleine openingen bevat) en in het omringende gesteente.
  2. Vloeistof (water en toevoegingen, zie verderop voor de samenstelling) wordt onder druk in het gesteente geperst om nieuwe haarscheuren te vormen, of bestaande scheuren te openen. Er kan ook zuur aan het water worden toegevoegd om een deel van het gesteente op te lossen.
  3. Eventueel wordt tot 10% zand of keramische korrels (‘proppant’) bij de vloeistof gemengd.
  4. De vloeistof wordt voor zover mogelijk uit de put teruggepompt. De vloeistof gaat naar een verwerkingsbedrijf. Het zand of de keramische korrels blijven achter om de scheuren open te houden.

De eigenschappen van het gesteente (diepte/druk, fysische en chemische eigenschappen) bepalen de precieze behandeling en samenstelling van de vloeistof.

De ondergrond staat onder spanning van boven- en omliggende gesteenten, en soms door natuurlijke (‘tektonische’) bewegingen. Door de spanningsverdeling (horizontaal en verticaal) te bestuderen en de behandeling hierop aan te passen zijn het ontstaan, de groei en de richting van de fracks te bepalen. De kennis van de spanningstoestand in de ondergrond en van veranderingen daarin door de werkzaamheden bepalen zo de beste werkwijze.

Waaruit bestaat de gebruikte vloeistof?

In de meeste gevallen worden voor het boren en fracken voor schaliegaswinning dezelfde vloeistoffen gebruikt als voor het boren naar conventioneel gas (zie bijvoorbeeld Witteveen+Bos 2013), hoewel de optimale samenstelling van de chemicaliën in een frackvloeistof kan verschillen afhankelijk van de lokale geologie en eigenschappen van het reservoirgesteente. Zo zullen sommige haarscheuren uit zichzelf open blijven. Andere hebben proppants nodig om na de behandeling open te blijven en het water te blijven doorlaten.

De hoofdbestanddelen zijn water (>90%), zand of keramische korrels (0‑10%) en chemicaliën (1-2%). De chemicaliën zijn nodig om wrijving te verminderen en om bacteriegroei en aantasting van de putbuizen tegen te gaan. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de handelsnamen, eigenschappen en functies van de mogelijk gebruikte chemicaliën.

Karakterisering

Voorbeelden van toegepaste chemische stoffen

Functie

opvulmiddel

zand (proppant)

Voorkomt het sluiten van de gemaakte openingen en houdt zo de verbeterde waterstroom in stand

gel-polymeren

natuurlijke organische macromoleculen (Guar-gum)

Voor een goed transport van het zand het gesteente in; Ook gebruikt als verdikkingsmiddel en stabilisator in de voedingsmiddelenindustrie

gel stabilisatoren

natriumchloride (keukenzout)

Houdt de gel in stand

biociden

glutaaraldehyde

Voorkomt groei van bacteriën. Ook gebruikt als looimiddel.

gel brekers

zuren en/of oxidatiemiddelen

Verlaagt de viscositeit van de vloeistoffen zodat deze, na afzetting van het opvulmiddel zand, weer omhoog te pompen zijn

viscosifiers

boraatzouten

Houdt de viscositeit bij veranderende temperaturen in stand

zuren (ijzeroxide controllers)

citroenzuur of mierenzuur

Voorkomt neerslagen (metaaloxiden) en het oplossen van mineralen, Ook gebruikt als zuurteregelaar of conserveermiddel in de voedingsmiddelenindustrie.

fluid-loss-additieven

zand/leem

Voorkomt eventuele verliezen naar het gesteente

smeermiddelen

polymeren, poly-acrylamiden

Verlaagt de wrijving tijdens het pompen van de vloeistoffen. Ook gebruikt voor fabricage van contactlenzen, verdikkingsmiddel en als opvulmiddel voor plastische chirurgie.

surfactant / oppervlakte-spanningsverlagers

isopropanol (secondaire alcohol)

Zorgt voor een zo laag mogelijke opper-vlaktespanning tussen het gesteente en de vloeistof, zorgt ervoor dat de weerstand voor het inpompen en weer uitstromen zo gunstig mogelijk is. Ook gebruikt als ontsmettingsmiddel in de gezondheidszorg en als oplosmiddel voor het schoonmaken van brillenglazen

zuurgraad (pH) stabilisatoren

natriumcarbonaat (soda) / kaliumcarbonaat

Houdt een juiste zuurgraad in stand (buffering). Ook gebruikt in bakpoeder (E500, E501)

Tabel 1 Overzicht van voor stimulatie gebruikte chemicaliën (bron: NOGEPA 2013, SodM 2016, TNO 2015)

Wat zijn de (mogelijke) schadelijke effecten van de vloeistof in de bodem?

Een klein deel van de vloeistof blijft achter in de bodem. De behandeling is zo ontworpen dat de haarscheuren binnen de desbetreffende aardlaag blijven. In de praktijk kan het gebeuren dat ook in de bovenliggende aardlaag enige haarscheuren komen. De hoogte daarvan zal beperkt zijn tot maximaal enkele meters. De effecten zijn dus altijd tot die dieptes beperkt.

Ervaring met stimuleren

Sinds 1970 is in Nederland en internationaal veel ervaring opgedaan met het stimuleren voor olie- en gaswinning in verschillende soorten gesteente. In Nederland zijn tot dusverre meer dan 250 putten gestimuleerd, met in totaal 338 fracks. De toezichthouder (het Staatstoezicht op de Mijnen SodM) heeft in een onderzoek in 2016 aangegeven dat er hierbij voor zover hen bekend geen nadelige effecten voor mens en milieu zijn opgetreden.

Stimulatie bij (schalie)gaswinning in vergelijking met geothermie

Het doel van stimulatie is in beide gevallen het vergemakkelijken van de stroming van een vloeistof (olie, gas of water) door het reservoir naar de productieput. In het geval van geothermie betreft dit ook de stroming vanuit de injectieput het reservoir in. Verdere verschillen zijn:

  • - Bij geothermie bevindt het water zich in gesteente dat enigszins poreus en doorlatend is. Schaliegas zit (per definitie) in kleisteen, een type gesteente dat veel slechter doorlatend (impermeabel) is. Voor de laatste zijn dus altijd meer en grotere fracks vereist.
  • - De frack-lengte bij geothermie is 10 – 300 meter (bijvoorbeeld 180 m in Groß Schönebeck – zie Urpi et al. 2011), bij schaliegas typisch 500 meter of meer.
  • - De hoeveelheid frackvloeistof per frack is bij geothermie 500 m3 of minder (zie ook het voorbeeld uit Duitsland verderop in deze notitie). Bij schaliegas is dit 2.500 m3 of meer.
  • - De hoeveelheid fracks per geothermieput is typisch 1 of 2 (als er al gefrackt wordt). Bij schaliegas is dit gemiddeld tien tot twintig (maximaal 59 in het Bakken reservoirgesteente in Amerika). In de laatste tien jaar is er trend van een toenemend aantal fracks per put (EPA 2016).
  • - Bij gaswinning wordt gas uit het gesteente gehaald waardoor de druk in het reservoir daalt. Bij geothermie wordt het water na afkoeling weer terug in het gesteente gepompt, waardoor de druk op peil blijft en het gesteente zich niet makkelijk weer ‘sluit’. Fracken is daardoor voor geothermie effectiever dan voor andere toepassingen.

 

Wat zijn de risico’s?

Het Staatstoezicht op de Mijnen heeft in een onderzoek in 2016 de volgende risico’s genoemd:

1.    Breuken in de buizen van de put (zodat lekkage op kan treden naar voor drinkwater geschikte lagen)

Boringen in/ rond drinkwaterwinningsgebieden vinden sowieso niet plaats. Dit lekrisico wordt verder verminderd door de put te scheiden van de gesteentelagen waar deze doorheen gaat met een stalen verbuizing en een cementlaag. In het ondiepere deel zijn dit zelfs meerdere lagen staal en cement. De toestand van de buizen wordt gemonitord. Met de drinkwatersector is overleg gaande over de wijze en frequentie van deze monitoring.

2.    Lekkage van frackvloeistof via de buitenkant van de buizen naar boven toe (zodat eveneens lekkage op kan treden naar voor drinkwater geschikte lagen)

een frack groeit in de richting van de geringste tegendruk, en dat is op de diepte van de geothermie-reservoirs altijd verticaal. De afstand tussen de geothermie-reservoirs en de ondiepe aquifers is groot (meer dan een kilometer). Bij het ontwerp houdt men rekening met de sterkte van de bovenliggende lagen, om breuken te genereren die tot het reservoir beperkt blijven (m.a.w. ze stoppen bij de afsluitende laag).

3.    Optreden van al dan niet aan de oppervlakte voelbare aardbevingen (geïnduceerde seismiciteit)

Geïnduceerde seismiciteit bij hydraulische stimulatie en aardbevingen bij gaswinning zijn verschillend. Het gewonnen water wordt na afkoeling immers weer geïnjecteerd. Hierdoor blijft de druk in het reservoir op peil. Kleine trillingen treden bij geothermie wél op. Deze trillingen zijn met gespecialiseerde apparatuur wel meetbaar, maar voor mensen niet voelbaar aan het aardoppervlak. Wanneer de put zich bevindt in de buurt van grotere natuurlijke breuksystemen kunnen vóelbare aardbevingen plaatsvinden. Hoewel in Nederland de kans op bevingen klein is, stelt de toezichthouder eisen aan de minimale afstand tot breuken, waardoor risico’s (en effecten) verder verminderen. De effecten aan het aardoppervlak hangen vooral af van de diepte van de beving en de eigenschappen van de (ondiepe) bodem.

4.    Ongewenste geochemische interactie met het reservoirgesteente

Bij hydraulisch stimuleren kán de gebruikte vloeistof onbedoeld chemisch reageren met het gesteente. Dit vermindert de effectiviteit van de frack en leidt tot achterblijven van (hoofdzakelijk) zouten in het gesteente. Millieueffecten zijn er niet. De teruggepompte vloeistof, met het grootste deel van de eventuele reactieproducten, gaat naar een verwerker. Bovendien wordt de frackvloeistof zó samengesteld dat de kans dat dergelijke reacties optreden klein is. Bij chemisch stimuleren is geochemische interactie het dóel.

5.    Blootstelling aan chemicaliën door bedienend personeel of anderen.

De ARBO-wetgeving stelt eisen aan het omgaan met chemicaliën. Goede bedienings- en verbeterprocedures zijn onderdeel van verantwoorde werkwijzen en helpen ongelukken te voorkómen.

 Maatwerk en voorbereiding

Om verantwoord te werken is maatwerk nodig en een goed projectplan. Conform de mijnbouwwet dient elke vergunninghouder te berekenen en aan de toezichthouder SodM aan te geven hoe men de risico’s beheersbaar houdt. Eventueel door het nemen van maatregelen vooraf of tijdens projectrealisatie.
Voorbeelden:

  • - het plannen van boringen en fracken op veilige afstand van grote natuurlijke breuken;
  • - het modelleren van de verwachte veranderingen in de ondergrond;
  • - het monitoren van trillingen en andere relevante parameters;
  • - het monitoren van de (watersamenstelling en drukken et cetera) in de boorput.

 

Referenties

Bachman C.E., Wiemer S, Woessnet J & Hainzl S. (2011). Statistical analysis of the induced Basel 2006 earthquake sequence: introducing a probability-based monitoring approach for Enhanced Geothermal Systems. Geophys J Int (2011) 186 (2): 793-807.

EGEC: Fact sheet on enhanced geothermal systems: why it is different to shale gas

EPA (2016) Hydraulic Fracturing for Oil and Gas: Impacts from the Hydraulic Fracturing Water Cycle on Drinking Water Resources in the United States. Report No. EPA/600/R-16/236Fa, U.S. EPA (U.S. Environmental Protection Agency), Office of Research and Development, Washington, DC, 666 p.

NOGEPA (2013). Fact sheet: fracking nader toegelicht.

Witteveen+Bos (2013): Aanvullend onderzoek naar de mogelijke risico’s en gevolgen van de opsporing en winning van schalie- en steenkoolgas in Nederland.

SODM (2016): Resultaten inventarisatie fracking. De toepassing van fracking, de mogelijke consequenties en de beoordeling daarvan.

TNO (2015): Inventarisatie van technologieën en ontwikkelingen voor het verminderen van (rest)risico’s bij schaliegaswinning

TNO (2015): Hydraulisch fracken bij ultradiepe geothermie

TNO (2016): Thermal fracturing due to low injection temperatures in geothermal doublets

Urpi L., Zimmermann G., Blöcher G., Kwiatek G. (2011). Microseismicity at Groß Schönebeck - a case review. PROCEEDINGS, Thirty-Sixth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, January 31 - February 2, 2011 SGP-TR-191

Van Wees et al. (2014). Geomechanics response and induced seismicity during gas field depletion in the Netherlands.