CO 2 Lagerung im Geogrund: CCS. Institut für Erdöl- und Erdgastechnik, TU Clausthal. Mittwoch, 26. November 2008

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1 CO 2 Lagerung im Geogrund: Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; i Dipl.-Ing. C. Fichter Institut für Erdöl- und Erdgastechnik, TU Clausthal Mittwoch, 26. November 2008

2 Gliederung Hintergrund Grundlagen Integration von Bohrungen Weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 2

3 Gliederung Hintergrund Grundlagen Integration von Bohrungen Weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 3

4 Hintergrund Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2020 um 20 % (gegenüber 1990) CCS Carbon Capture Storage - CO 2 Abscheidung (pre- und post- combustion, oxyfuel) - CO 2 Transport - CO 2 Speicherung Bekannte CO 2 Injektionsverfahren aus der Erdöl- und Erdgasindustrie - Enhanced Oil Recovery (EOR) - Sauergasproduktion Sauergasbohrungen enthalten bis zu 15% CO 2 Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 4

5 Carbon Capture Storage Quelle: CO2CRC Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 5

6 CO 2 Storage Quelle: CO2CRC Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 6

7 Hintergrund CSEGR (Carbon Sequestration with Enhanced Gas Recovery) Nachweis der Integrität von Bohrungen Nachweis ob eine Bohrung für die Einspeisung von CO 2 genutzt werden kann (liegen Leckagen vor? Bleiben Bohrungen langfristig dicht?) CO 2 führt zu Korrosion an den - Produktions- und Transporteinrichtungen - Injektionsbohrungen -Rohrmaterialien -Zementation Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 7

8 Bohrungskomplettierung Casing Tubing (Produktionsrohrtour) Perforation Verrohrung Zementation Gebirge Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 8

9 Potentielle Migrationswege - CO 2 in einer existierenden Bohrung (nach Celia et al., 2004) CO 2 -Pathways Well Casing Cement Fill Formation Rock Cement Well Plug between casing and cement between casing and cement through the cement through the casing through fractures between cement and formation Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 9

10 Projekt CLEAN (CO 2 Enhanced Gas Recovery in Altmark) Sw 116h3/ 82 Quelle: Projekt CLEAN; GFZ Potsdam Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 10

11 Hintergrund CO 2 wird seit Jahrzehnten im Rahmen von EOR Projekten injiziert Erfahrungen können genutzt werden Zeiträume für CO 2 Injektion/Sauergas Produktion sind beschränkt auf einige i wenige Jahrzehnte Zeiträume für CO 2 Sequestrierung betragen: Jahre für den Betrieb Jahre für die Lagerphase Derzeitig umfangreiche Forschungsarbeiten zur CO 2 Speicherung - Feldstudien, Laboruntersuchungen, Modellierungen und Simulation der Langzeitprozesse (z.b. Projekt CLEAN; COAST) Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 11

12 Hintergrund Problembereiche in Bohrung Metallische Korrosion Zementkorrosion daraus Resultierend Integritätsprobleme bestehender Bohrungen und bereits verfüllter Bohrungen Arbeiten im Projekt CSEGR des Institut für Erdöl- und Erdgastechnik Integritätsanalyse der Bohrungen/Infrastruktur im Pilotgebiet Altmark Definition von Bohrungs-/Infrastrukturintegrität Lösungen für Veränderung/Reparatur existierender Bohrungen Design Neubohrungen weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 12

13 Gliederung Hintergrund Grundlagen Integration von Bohrungen Weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 13

14 CO 2 metallische Korrosion Die Korrosionsrate ist abhängig von: Druck und Temperatur Fluidgeschwindigkeit und Fließregime Oberflächenbedingungen (Rauigkeit, Sauberkeit) Wasseransammlung ng (Tiefpunkte) Wasserausfall aufgrund von Änderungen in Fließprofil (Bögen, Schweißnähte, Querschnittsänderung) Quelle: TU Clausthal Fluid Einträge (Vermischungseffekte) Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 14

15 CO 2 metallische Korrosion Beherrschung von CO 2 Werkstoffkorrosion durch: Quelle: TU Clausthal Werkstoffkorrosion verursacht durch nasses CO 2 Trocknung Milieuveränderung Materialauswahl Korrosionszuschläge d req = Korrosionsrate td + d min d req = für die Zweckbestimmung über die erwartete Lebensdauer erforderliche Wandstärke d min = für die Zweckbestimmung erforderliche minimale Wandstärke = erwartete Lebensdauer t d Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 15

16 CO 2 Zementkorrosion Bildung von Kohlensäure CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Karbonisierung Ca (OH) 2 + H 2 CO 3 CaCO H 2 O Zerstörung der Zementmatrix verbunden mit: Quelle: TU Clausthal Verlust an Druckfestigkeit Zunahme von Porosität/Permeabilität Zement Korrosion verursacht durch CO 2 Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 16

17 CO 2 Zementkorrosion Korrosionsrate ist abhängig von: Art und Menge der hydratisierten Phasen und Additive Zementanmischung (w/z Verhältnis) ph-wert Konzentration Quelle: TU Clausthal Kontaktbedingungen und Einwirkzeit Temperatur und Druck Zement Korrosion verursacht durch CO 2 Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 17

18 Zementkorrosion unter statischen Bedingungen 0,4 mm/d 1,3 mm/d 0,14 mm/d 0,1 mm/d 0,2 mm/d 0,03 mm/d p = 1 bar T = 37 C 5 % CO 2 p = 1 bar T = 37 C 20 % CO 2 p = 280 bar T = 90 C wet scco 2 p = 280 bar T = 90 C CO 2 sat. water p = 100 bar T = 40 C p = 1 bar T = 22 C CO 2 sat. water Es fehlt an einem einheitlichen Standard für die Durchführung experimenteller Untersuchungen, um die Langzeitbeständigkeit hydratisierter Zemente festzustellen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 18

19 Korrosions Fr ont (mm) Zementkorrosion Kurzzeit Karbonisierungsrate für unterschiedliche Autoren für statistische Bedingungen CO2 gesättigtes Wasser Nasses superktitisches CO Zeit (Stunden) Statische Kurzzeit-Karbonisierungsrate < 0,1 bis 1,3 mm/d (mm) d c = 0,2622 t(stunden) d c = Korrosionstiefe (Tiefe der veränderten Zone) Unter statischen Bedingungen 20 Jahre: 0,11m Jahre: 1,74m Entwicklung der Korrosionstiefe für Portland Zement Barlet- Gouedard et al., 2006 Dynamische Kurzzeit-Karbonisierungsrate 150 mm/d Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 19

20 Definition Bohrungsintegrität für CSEGR keine signifikanten Leckagen max. zulässige Leckrate 150 kg/tag (nach Crotogino 1996) ausgehend von einer kleinsten feststellbaren Leckrate 50 kg/tag Das Injektionsgas sollte frei sein von - Wasser - H 2 S - Sauerstoff Temperaturen sollten oberhalb der Hydratbildungstemperaturen bleiben Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 20

21 Gliederung Hintergrund Grundlagen Integration von Bohrungen Weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 21

22 Arten von Bohrungen Bohrung Altbohrungen Verschlossene Bohrungen Neubohrungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 22

23 Bohrungsintegrität für CSEGR Altbohrungen Schlüsselfaktoren Zustand der Bohrung (Verrohrung und Zementation) Maßnahmen Erfassung und Bewertung Reparatur auffälliger Bohrungen Verfüllung nicht zu reparierender Bohrungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 23

24 Bohrungsintegrität für CSEGR Neubohrungen Werkstoffauswahl für Verrohrung und Zementation Fließquerschnittdimensionierung Einbauten (z.b. Untertagesicherheitsventil) t h it til) Edelstahl Injektion von Inhibitoren Relative Kosten CARBON 13%Cr 22% or 25% INCONEL STEEL STEEL DUPLEX 625 Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 24

25 Bohrungsintegrität für CSEGR verfüllter Bohrungen Beurteilung Bohrungszustand zum Zeitpunkt der Verfüllung Bohrungsgeometrie Verwendete Materialien (Werkstoffe und Zemente) Geologie (Art des Gesteins z.b. Salz, Granit) Problem Verfügbarkeit von Daten Vorschlag Gewichtete t Bewertung zur Feststellung t des Leckage Risikosik Sanierung von Bohrungen mit höherem, Monitoring bei geringerem Risiko, keine Aktivitäten für geringes g Risiko Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 25

26 Bohrungsintegrität für CSEGR Bohrungsverfüllung Ziehen/Fräsen von Rohren Zementstopfen-Platzierung Verfüllungsmaterialien Zemente mit nachgewiesener Widerstandskraft gegenüber CO 2 Dickspülungen mit CO 2 resistenten Feststoffanteilen natürliche Barrieren in Form von Salz/Ton- Brücken Platzierung der Verfüllung begleitendes Monitoring Dokumentation Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 26

27 Bohrungsverfüllung Quelle: TU Clausthal Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 27

28 Bohrungsintegrität für CSEGR Projektgebiet ca. 30 Jahre alte Bohrungen Zielformation ist überlagert von Zechstein Salz Salzschichten sind dicht Leckage Risiko ist auf Leckagen entlang der Bohrungen reduziert (Projekt CLEAN: Reinicke, Fichter) Salz verhält sich plastisch (Projekt CLEAN: Reinicke, i Fichter) Grenzfläche Formation/ Zement werden Selbstheilungseffekte vermutet (Projekt CLEAN: Reinicke, Fichter) Das Salz bietet die Möglichkeit des Aufbaus einer natürlichen Barriere (Projekt CLEAN: Hou) Sw 116h3/ 82 Quelle: Projekt CLEAN; GFZ Potsdam Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 28

29 Gliederung Hintergrund Grundlagen Integration von Bohrungen Weitere Untersuchungen Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 29

30 Weitere Untersuchungen Untersuchung von Selbstheilungseffekten z.b. durch Salz (Projekt CLEAN: Reinicke, Fichter) Verifizierung der publizierten CO 2 Korrosionsraten (Projekt CLEAN) Untersuchung von Werkstoffkorrosion unter CO 2,H 2 S und O 2 (Projekt CLEAN: Fichter) Verfüllungskonzept für Lagerstätten unterhalb von Salzschichten durch Aktivierung natürlicher Barrieren (Projekt CLEAN: Hou) Entwicklung einer praktikablen risikobasierten Integritätsbewertung (Projekt CLEAN: Reinicke, Fichter) Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit k weitere Informationen carsten.fichter@tu-clausthal.de Bohrungsintegrität akzeptabel für CCS Prof. Dr. K. M. Reinicke; Dipl.-Ing. C. Fichter 31