Gas vrijgemaakt uit gesteente met water

In de 19de eeuw werd aardgas in het algemeen beschouwd als een bijproduct die men bekwam tijdens de ontginning van aardolie. Want aardgas bevat eigenlijk de lichte fracties van de koolwaterstoffen die gevormd worden tijdens de productie van fossiele koolwaterstoffen. De productie van deze koolwaterstoffen vond een hele tijd geleden plaats diep onder de grond, waar de druk enorm hoog is. Aangezien aardgas lichter is dan aardolie bevindt het aardgas zich steeds boven de aardolie in een ondergronds reservoir. Dus wanneer men, tijdens het boren naar olie, een olieveld bereikt dan zal het aardgas ook meer naar boven komen. Wanneer de boor bij het boren van een oliebron het olieveld binnendringt, dan is hetgeen wat gebeurt vergelijkbaar met wanneer men een fles frisdrank, geschud geweest is, opent. Bij de fles frisdrank spuit de frisdrank samen met het koolzuurgas de lucht in, wanneer men de fles te snel opent.

En dus bij een olieveld komt de aardolie en het aardgas naar boven gespoten bij het aanboren van het reservoir. Wat er dan aan het oppervlak gedaan wordt met het aardgas is afhankelijk van de situatie, de omgeving en de tijdsperiode waar de boring plaats vond. In de 19de eeuw was het aardgas veelal een ongewenst product die men verkreeg bij het boren naar olie. En daardoor wou men er zo snel en eenvoudig mogelijk van af. En dit deed men door het aardgas te gaan affakkelen. En daarom stonden er toen vaak fakkeltorens op de sites waar men naar olie boorde. Maar al snel kwam men erachter dat wanneer er dichtbij een markt was waar het aardgas kon verkocht worden dat het wel eens voordeliger zou kunnen zijn om het aardgas naar daar te vervoeren via pijpleidingen. Maar de dag van vandaag wordt het aardgas ook vaak nog voor een ander doeleind gebruikt. Namelijk wordt het aardgas terug in het oliereservoir geïnjecteerd. Zodat de druk in het reservoir langer relatief hoog blijft. Dit is gewenst omdat de hoge druk ervoor zorgt dat de aardolie naar het oppervlak stroomt. Zou hoeven er eigenlijk geen extra maatregelen ondernomen worden om het aardolie naar boven te krijgen. Het opnieuw onder druk brengen van een olieveld zorgt ervoor dat een grotere percentage van de aardolie in het reservoir naar boven gehaald kan worden. Maar dit wordt namelijk enkel gedaan in regio's waar er geen markt is om het aardgas te verkopen in de nabijheid. Want het blijkt steeds voordeliger te zijn om het aardgas te verkopen aan eind-gebruikers.

Maar naast de coproductie van aardgas bij de ontginning van aardolie, gebeurt het ook dat aardgas geproduceerd wordt vanuit ondergrondse gasvelden waar er geen aardolie aanwezig is. Bij aardgaswinning voert de producent eerst een aantal proefboringen uit op de desbetreffende locatie. Deze boringen dienen om te kunnen bepalen of er voldoende aardgas aanwezig is daar onder de grond om rendabel te zijn. Éénmaal dit het geval blijkt te zijn, dan worden er één of meerdere productieputten geboord. Een put bestaat uit een serie buizen die naar beneden toe steeds smaller worden. Het stuk buis dat in het gasveld zelf zit heeft een geperforeerde wand. Naar de bovenkant toe van de gebruikt men dubbele tot zelfs drievoudige buizen, zodat eventueel weglekkend gas gedetecteerd en opgevangen kan worden. Bovenop de put staat een zogenaamde 'kerstboom' of 'bull's head', die bestaat uit een aantal grote afsluiters en meetinstrumenten. Vanaf de put gaat het gas naar de behandelingsinstallatie. Als de installatie ver van de put ligt, kan het nodig zijn bij de but al een voorbehandeling uit te voeren, zoals het afscheiden van water en zand en het injecteren van glycol - glycol is een middel om water te binden en hydraatvorming tegen te gaan. Als er al hydraat gevormd is, wordt er vaal methanol geïnjecteerd om het al aanwezige hydraat op te lossen. Er moet dan nog verdere gasbehandeling uitgevoerd worden voordat het klaar is om naar de eind-consumenten te gaan.

Maar naast de conventionele manier, is het hier net zoals bij aardolie, dat er ook een heleboel onconventionele manieren zijn om aardgas te winnen. Eén van deze methodes is om aardgas te gaan halen uit gesteente met een lage doorlaatbaarheid, ook wel 'tight gas' genoemd. Om het aardgas los te kregen het gesteente dient men eerst deze stenen en rotsen kapot te krijgen. Het gesteente waarin zich aardgas bevindt komt in lagen voor diep onder de grond. En men slaagt er niet steeds in om vanuit één plaats in deze laag veel van het gesteente kunstmatig te gaan breken. Daarom wordt deze techniek gecombineerd met de techniek van horizontaal boren. Zo kan men op vele verschillende plaatsen in de ondergrondse laag de rotsen kapot maken en het vrijgekomen aardgas naar boven halen. Om de rotsen kapot te krijgen maakt men gebruikt van 'hydraulic fracturing' waarbij er een vloeistof in de boorput gepompt wordt. De druk van de vloeistof wordt dan sterk opgevoerd totdat de rotsen er van stuk gaan. De hoge druk zorgt ervoor dat er breuken en kraken optreden in de rotsen, de vloeistof stroomt dan in deze vrijgekomen holtes, waardoor de rotsen nog verder gaan openbreken. Om ervoor te zorgen dat de holtes die ontstaan wanneer de rotsen kapot scheuren, niet direct weer gaan sluiten wanneer de druk van de vloeistof weggenomen wordt, wordt er ook een soort zand meegevoerd met de vloeistof op verhoogde druk. Dit zand dient dan te voorkomen dat de vrijgekomen holtes en kloven in de rotsen opblijven. En door er op deze manier voor te gaan zorgen dat de ondergrondse rotsen gebroken worden, hebben deze rotsen een grotere doorlaatbaarheid voor vloeistoffen en gassen. En dus laat dit toe om aardgas die zich rondom of in deze rotsen bevindt, vrij te maken.

Terry Engelder's, een Amerikaanse geoloog, bestudeerde in 1990 hij ondergrondse lagen schalie of kleisteen, waaronder de Marcellus Formation, een groep is van mariene sedimentair gesteente aangetroffen in oostelijk Noord-Amerika, met name in Pennsylvania. Specifiek onderzocht hij de mogelijkheid tot de aanwezigheid van aardgas in dit gesteente. De conclusie van zijn onderzoek was toen dat het schalie er een enorme hoeveelheid aardgas bevatte. Het aardgas zit er opgeslagen in het gesteente zelf en dus is het niet eenvoudig om het er uit te krijgen. Dus moeten er extra inspanningen geleverd worden in vergelijking met een conventioneel gasveld.

Een tijdje later, in 2003, boorde men er naar een conventioneel gasveld maar toen bleek eenmaal het gat geboord was dat er helemaal geen aardgas kon ontgonnen worden. Men had er op een zogenaamde droge bron had gestoten. Een andere geoloog die op de hoogte was van het onderzoek van Terry Engelder, die nu bij een gasmaatschappij werkt, hoorde over de droge bron waarop een andere maatschappij was gestoten. Samen met een groep experts en personen met veel ervaring over deze kwestie hebben ze het dan gewaagd om deze droge bron 'op te kopen' voor wat hij nog waard was en om er een poging te wagen om tot bij de grote hoeveelheid aardgas te geraken die zich daar in het gesteente bevindt. Verschillende experimentele technieken werden uitgeprobeerd op deze bron en na meer dan 3 jaar proberen slaagde men er uiteindelijk in om het doel te bereiken. Het succes werd er behaald door de combinatie van horizontale boringen en hydraulic fracturing. En het resultaat is al deze pogingen meer dan waard want de productiecapaciteit van aardgas uit deze bron is ongeveer 4 maal zo groot als die van conventionele aardgaswinning in de streek. Maar er moet hierbij wel vermeld worden dat het het in het algemeen steeds zo is dat bij de aardgaswinning uit schalie gesteente, de initiële opbrengst steeds een stuk groter is dan de opbrengst naar het eerste jaar. Deze zou naar één jaar tijd al met de helft kunnen afnemen. Maar zelfs wanneer dit het geval zou zijn, dan is de opbrengst nog steeds het dubbele van wat gemiddeld bij een conventionele bron kan behaald worden.

Maar dit succes kent wel een vrij grote bedreiging, namelijk kan water een groot obstakel worden voor de productie van aardgas via deze techniek. En dat wordt dan ook het belangrijkste aspect voor vernieuwingen bij deze technologie. Om er de rotsen te doen breken is er maar liefst 15 miljoen liter water nodig. Geen enkel openbaar water systeem kan de boormachines voorzien van een dergelijke hoeveelheid water. Er is dus geen enkele mogelijkheid om zo'n grote hoeveelheid water in een dergelijke korte termijn te verkrijgen. De enige mogelijkheid om deze technologie er toch te kunnen toepassen is door al op voorhand beginnen met het water aan te kopen. Daarvoor heeft het bedrijf bij elk boorstation een grote vijver aangelegd die tot 60 miljoen liter water kan bevatten. Het duurt ongeveer 90 dagen om deze hoeveelheid water bij elkaar te krijgen. Het aankopen van het water wordt er nauw in de gaten gehouden door de overheid zodat alles er correct verloopt. En dus wanneer de olie-industrie in deze streek wil expanderen door deze technologie op meerdere plaatsen te gaan toepassen dat wordt de voorziening van water er een groot obstakel. Op zich is deze hoeveelheid water, die gigantisch groot lijkt op het eerste zicht, niet echt zo groot in vergelijking met andere activiteiten. Zoals bijvoorbeeld bij steenkoolcentrales of kerncentrales is er een hoeveelheid water vereist die meerdere malen groter is dan hier. Maar toch is het vrij belangrijk voor het ontplooien van deze technologie dat er gewerkt wordt aan het waterverbruik om deze zoveel mogelijk te gaan beperken tot het minimum.

En dus is men technieken gaan onderzoeken om het afvalwater, dat bekomen wordt na de hydraulic fracturing, te gaan recycleren voor hergebruik. Om het afvalwater te kunnen hergebruiken moet het wel eerst gefilterd en ontzilt worden. Het afvalwater is namelijk tot 5.5% meer gezouten dan zeewater en zoutwater is niet echt vriendelijk voor de materialen van een installatie. Nu hebben ze een filteringsproces ontwikkeld waarmee ze de volle 100% van hun afvalwater kunnen hergebruiken. En dit reduceert sterk het waterverbruik van deze technologie. Merk wel dat een deel van het geïnjecteerde water verloren gaat in het gesteente onder de grond. Dus is er steeds ook nog een hoeveelheid 'vers' water nodig. Maar de hoeveelheid afvalwater is hier zo groot dat er nog steeds onderzoek wordt uitgevoerd naar wat er allemaal zou kunnen mee gedaan worden met het afvalwater.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [news.nationalgeographic]