Att utvinna naturgas från skifferformationer kan ge ett rikligt fossilt bränsle med lägre koldioxidavtryck, men skapar också oro över ökade metanutsläpp. Ett team ledd av forskare från Penn State har utvecklat ett nytt verktyg som kan uppskatta utsläppspotentialen för skifferbrunnar efter att de inte längre är aktiva.

Resultaten, publicerade i tidskriften Science of the Total Environment , avslöjade att metan börjar diffundera från skifferformationen efter att en brunn har avvecklats och att detta representerar en anmärkningsvärd källa till metanutsläpp – jämförbar med de mest betydande utsläppen under borrning och drift av brunnen.

"Naturgas är en viktig energiresurs som har hjälpt USA att minska sina koldioxidutsläpp, men vi förstår också att metan kan vara en potentiell fara", säger Shimin Liu, professor i energi- och mineralteknik vid Penn State och medförfattare till studien. "Vad det här arbetet gör är att ge oss ett proaktivt sätt att förstå vad som händer i underytan."

Skifferformationer har låg permeabilitet, vilket innebär att gas inte lätt rör sig genom berget. Operatörer borrar ner tusentals fot - mer än en mil - för att nå skiffer och borrar sedan tusentals fot mer horisontellt genom formationen. De pumpar en blandning av vätska och sand under högt tryck in i skiffern för att öppna små sprickor och tillåta gas att fly från berget.

Men detta kan bara återvinna en bråkdel – cirka 20 % eller mindre – av den totala naturgasresursen. Resten förblir fångade i små porer, och avsaknaden av sammankopplade porsystem gör att gasen inte strömmar lätt genom skiffern.

Genom att analysera skifferprover kunde forskarna skapa en matematisk modell för att förutsäga flödet - eller rörelsen - av metan som finns kvar i formationen baserat på porstrukturen. Kallas en enhetlig gastransportmodell, verktyget integrerar hur alla gaser i skiffern rör sig och skifferns struktur för att förutsäga metans flödesbeteende. Teamet validerade sin modell mot experiment med Marcellus-skiffer utförda på specialiserad utrustning i Lius laboratorium i Penn State.

"Vad industrin kan ta bort är att de har borrskär eller prover av skiffern tillgängliga, de kan beräkna metanutsläppsflödet baserat på deras provinformation", säger Yun Yang, huvudförfattare till studien som genomförde forskningen medan hon tog sin doktorsexamen vid Penn State och som postdoktor vid University of Calgary, som nu är postdoktor vid Los Alamos National Laboratory. "De kan använda det som vägledning för att se hur stor potential det finns för metanläckage efter att en brunn har övergivits."

Metanutsläpp har en starkare global uppvärmningspotential än koldioxid, och att minska utsläppen är en prioritet för USA:s internationella partner genom insatser som Global Methane Initiative, sa forskarna.

Detta kan vara särskilt viktigt i områden som Pennsylvania, där mer än 20 000 skiffergasbrunnar har borrats sedan starten av Marcellus skiffergasboom 2005.

"Ett stort problem är att metanläckage har högre global uppvärmningspotential jämfört med koldioxid", säger Haoming Ma, postdoktor vid University of Texas i Austin och medförfattare. Ma utförde arbetet medan han var forskarassistent vid University of Calgary. "USA och andra länder har förbundit sig att minska de globala metanutsläppen med cirka 30 % till 2030, vilket understryker vikten av att minska begränsningen."

Eftersom metan diffunderar långsamt från skiffern, sa forskarna att regulatoriska krav borde implementeras för att tillhandahålla långtidsövervakning av metanutsläpp från övergivna skiffergasbrunnar.

Forskarna fann att när en brunn upphör med produktionen och trycket i reservoaren sjunker, ökar spridningen av metan över det komplexa mikroporösa systemet av skiffermatriser. Diffusion är en långsammare process och bidrar till ett långvarigt flöde av metan från formationen mot det övergivna borrhålet, sa forskarna.

Metanutsläpp från diffusion är jämförbara med utsläpp från återflödesvätska, vätskan och sanden som injiceras i marken under fracking som återgår till ytan, enligt forskarna.

Tidigare studier har fokuserat på att utvärdera utsläpp som släpps ut genom fracking, färdigställande och drift av brunnar, men att förstå utsläppspotentialen efter att de inte längre är aktiva är en viktig saknad del, sa forskarna.

"I det här arbetet fann vi att efter att en brunn har tagits ur drift, om du inte implementerar korrekt pluggningsteknik - om du lämnar brunnen öppen till ytan - kommer metanutsläpp att ackumuleras med tiden," sa Yang. "Och om du väntar tillräckligt länge kommer utsläppsflödet att vara detsamma som utsläpp som observerats från återflödesoperationer."

Eftersom diffusionen ökade när reservoartrycket minskade i studien, kan att upprätthålla det trycket även efter att en brunn slutar producera en effektiv strategi för att minska metanutsläppspotentialen från övergivna skiffergasbrunnar, sa forskarna.

Mer information: Yun Yang et al, Inverkan av oåtervunnen skiffergasreserv på metanutsläpp från övergivna skiffergasbrunnar, Science of The Total Environment (2023). DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.169750

Journalinformation: Science of the Total Environment

Tillhandahålls av Pennsylvania State University