Trygge brønner for Europas CCS-motorvei

Hvordan skal dette håndteres for å unngå fare for mennesker og miljø?

Hva vet vi om hvordan CO₂ og borevæsker oppfører seg i møte med hverandre og hva trenger vi å finne ut mer om? Norsk sokkel er allerede godkjent for lagring av CO₂ fra Europa, og en «motorvei» for CO₂ i form av rørnettverk fra kontinentet og til lagringsformasjoner under havbunnen i Nordsjøen er under planlegging. Ved hjelp av forskning og teknologiutvikling kan vi sikre trygge boreoperasjoner når lagringsbrønnene for CO₂ skal bores.

Kan vi bore for CO₂ slik vi borer for olje – og hva er risikoen?

Fangst av CO₂ fra store industriutslipp med påfølgende lagring i geologiske formasjoner er pekt på som en del av løsningen på klimakrisen. Her peker Nordsjøen seg ut som et svært aktuelt område for lagring, med kapasitet stor nok til å håndtere utslipp fra hele Europa. For å få pumpet CO₂ ned i formasjonene trengs det brønner – mange brønner – om det skal monne i det store bildet. For fullt ut å realisere slik CO₂ -lagring kreves det boring av flere tusen brønner global. I Norge har vi flere tiår med erfaring fra boring av oljebrønner – men kan vi gjøre alt likt når vi skal bore brønner for CO₂ -lagring og hva er risikoen med brønnboring for CO₂ -lagring?

Erfaring fra oljebransjen

Ett av flere punkt som peker seg ut som en mulig utfordring er brønnkontroll – hvordan man gjennomfører boreprosessen, særlig for å sikre seg at man ikke får innstrømning av gass eller væske fra reservoaret og inn i brønnen, og videre opp mot boredekket.

Siden man begynte å lete etter olje i Nordsjøen på 1960-tallet har det blitt boret tusenvis av brønner på norsk sokkel, de aller fleste inn i områder der man tror eller vet at det finnes petroleum, dvs. olje og/eller naturgass. Når man borer inn i en formasjon der det finnes olje eller gass, må man passe på at dette ikke strømmer inn i brønnen. Ved å ha høyt nok trykk i brønnen i forhold til trykket i reservoaret unngår man dette, men samtidig kan ikke trykket være for høyt heller, for da kan brønnveggen sprekke opp.

Man må med andre ord finne riktig trykknivå. Det har hendt at man har bommet på dette, og da kan konsekvensen være at man får innstrømming av olje eller gass, også kalt en brønnkontrollhendelse. Spesielt gass kan være skummelt å få inn i brønnen, da denne vil utvide seg voldsomt når den beveger seg oppover mot lavere trykk. Dersom man ikke klarer man ikke gjenvinne kontrollen, kan resultatet i verste fall bli katastrofalt. Det mest kjente eksempelet i nyere tid er Macondo-ulykken i 2010. Heldigvis har man opparbeidet seg mye kunnskap og erfaring i bransjen, både gjennom læring fra ulykker og nestenulykker, og gjennom målrettet forskning.

CO₂ vs. naturgass

Mye av kunnskapen og erfaringen fra olje- og gassbrønner er heldigvis overførbar til CO₂ -brønner og kommer til nytte her. Imidlertid kan nye risikosituasjoner oppstå når man borer brønner for CO₂ -lagring. Det gjelder spesielt når man borer brønner inn i formasjoner der man allerede har begynt å lagre CO₂. For å få utnyttet lagringskapasiteten i en formasjon må man før eller siden bore flere brønner. Da kommer en helt ny risiko inn i bildet: Hva om CO₂ som allerede er pumpet inn i formasjonen begynner å strømme inn i brønnen som er under boring? Heldigvis regner man ikke med at dette vil skje spesielt ofte, da det er gode rutiner med solide sikkerhetsmarginer bygget inn for å hindre nettopp dette. Men man må være forberedt på at det kan skje, og en ting man da kan si med en gang er at CO₂ ikke vil oppføre seg likt som naturgass.

CO₂ er ikke brannfarlig – men kan likevel være livsfarlig ved boring

Naturgass, med metan som hovedbestanddel, er svært brennbart, mens CO₂ tvert imot kan brukes til å slukke branner. En av grunnene til at CO₂ egner seg godt til dette er at gassen er tyngre enn luft og dermed legger seg som et teppe over brannen og kveler den. Denne egenskapen er ved boring av lagringsbrønner for CO₂ en bekymring. Selv om det er bra at CO₂ ikke tar fyr, vil CO₂ som kommer opp på boredekket under boreprosessen være en stor sikkerhetsrisiko. Siden den er tyngre enn luft, vil den ikke lett ventileres til omgivelsene. Dersom konsentrasjonen av CO₂ i luft overstiger 8 % er luftblandingen dødelig for mennesker. CO₂ som trykkavlastes når den strømmer mot boredekket kan bli kjølt ned (Joule-Thomson-effekten). Lokalt kan CO₂ dermed bråkjøle sikkerhetsventiler og sette disse ut av funksjon. Dette gir helt andre utfordringer for utstyr og personell enn naturgass. En annen mulig bivirkning av dette er at kald CO2 sammen med vannholdig borevæske kan danne hydrater, et fast stoff som ligner på snø- eller iskrystaller. Slike krystaller kan føre til at rør og ventiler plugger seg, med de ringvirkningene det kan gi.

Store volumer – viktig med kontroll av den kritiske boreoperasjonen

Ellers er det mye som er ulikt med hvordan disse to gassene oppfører seg under de trykk og temperaturer man typisk har i en brønn. CO₂ vil typisk være i superkritisk eller væskefase idet den kommer inn i brønnen. Den har betydelig høyere løselighet i borevæsken enn naturgass. Sammenlignet med naturgass som er oppløst i borevæske, vil utgassing fra oppløst CO₂ i borevæske komme brått og langt høyere oppe i brønnen. I en slik situasjon vil det være potensiale for at det kan oppstå store, vanskelig håndterbare volumstrømmer av borevæske og CO₂. CO₂ som blander seg med borevæsken vil også kunne endre selve egenskapene til borevæsken, som tetthet og viskositet, og redusere evnen til å holde tilstrekkelig høyt trykk i brønnen.

Video-linken under kan gi et inntrykk av forløp ved utgassing av CO₂. Sylindrene inneholder begge baseolje, hovedkomponenten i en oljebasert borevæske, henholdsvis uten CO₂ og med CO₂-innlasting. Ved hjelp av ultralyd trigges en prosess som gjør at CO₂ frigjøres fra væsken. Dette representerer det som kan skje i væske med oppløst CO₂ som strømmer oppover en brønn mot boredekket, der trykk i væsken faller og fører til at CO₂ går ut av væsken som gass. Vi ser at når CO₂ frigjøres øker volumet dramatisk.

På samme måte som med petroleumsbrønner gjelder det å ha kontroll på trykket i brønnen slik at innstrømming av CO₂ ikke skjer. Men skulle en slik situasjon oppstå er det er avgjørende med kunnskap om hvordan innstrømmende CO₂ vil oppføre seg i møte med borevæsken som fyller brønnen. Denne kunnskapen må innarbeides i selskapenes prosedyrer slik at man kan oppdage innstrømningen tidlig og treffe riktige tiltak.

Hva gjør SINTEF for å trygge boreoperasjonene for CO₂-lagring?

I Climit Demo-prosjektet “Well control for CO₂ wells”, ledet av eDrilling og støttet av Gassnova, operatører og leverandørselskap, har SINTEF vært forskningspartner. SINTEF har utført laboratorieeksperimenter med borevæsker og CO₂, og basert på dette utviklet beregningsmodeller for hvordan CO₂ påvirker borevæsken og tilstanden i brønnen. Dette har igjen blitt integrert i eksisterende modeller for strømning, trykk og temperatur i brønnen som et verktøy for simulering av brønnkontrollscenarier, dvs for å kartlegge alvorligheten ved innstrømming av CO₂ under boring.

Prosjektet går nå videre som et Joint Industry Project for å forbedre disse modellene ytterligere. Blant annet undersøkes effekten av CO₂ forurenset med SOx eller NOx eller blandet med naturgass. Videre vil man gå videre med å undersøke risiko for hydratdannelse og mekanismer for hvor raskt CO₂ frigjøres fra borevæske når den strømmer oppover i brønnen.

SINTEFs bidrag i prosjektet vil være viktig for framover å sikre omdømmet for CO₂-lagring, særlig når CO₂ -lagring tas i bruk i stor skala med den omfattende boreaktivitet som dette medfører.