Het komt vaak voor dat geothermische productieputten tijdens hun werking last hebben van aanslag, wat hun productiecapaciteit drastisch kan verminderen of stil kan leggen. Meestal wordt de aanslag veroorzaakt door calciet, maar in reservoirs waar een hoge hoeveelheid silica in de vloeistoffen voorkomt, kan de aanslag ook silica bevatten, wat de kalk harder en moeilijker te verwijderen maakt. In productieputten met een hoge enthalpie kan flitsverdamping en aanslag zowel in de boorput als in de rotsformatie zelf optreden, maar vooral aanslag in de rotsen is bijzonder uitdagend omdat dit alleen met chemicaliën, niet met mechanische methoden, kan worden bereikt. Afbeelding 1 toont de structuur van een typische geothermische put, inclusief de locatie van de aanslag in de rotsformatie.
Afbeelding 1. Geothermische productieput – productiezone en aanslag (oppervlakteverontreiniging) in de rotsformatie. [1]
Traditionele chemische methoden die ingezet worden om dergelijke putten te herstellen, zijn afhankelijk van zoutzuur (HCl), en hoewel die stof effect heeft op het calciet, zijn silica en sommige op silica gebaseerde afzettingen niet oplosbaar in HCl. Sommige bedrijven hebben geprobeerd modderzuur aan te brengen via een spiraalslang. Vanwege de kracht en agressiviteit van de zuren brengt dat echter aanzienlijke risico's met zich mee m.b.t. corrosie, mens en milieu – en de resultaten lopen uiteen. Gezien bovenstaande moeilijkheden is deze aanpak bijna verleden tijd.
Innovatie bij Contact Energy
Contact Energy, de oudste aardwarmtecentrale ter wereld, heeft op een aantal van zijn locaties in Nieuw-Zeeland te maken gehad met aanslag in hun putten en rotsformaties. Bij een 8-megawatt-productieput van de 200-megawatt Wairakei-centrale in Taupō zorgde de aanslag voor zo'n sterke reductie in de doorstroomsnelheid van het stoom dat de put niet meer in staat was bij te dragen aan de elektriciteitsproductie van de centrale. Het verlaten van de put en het boren van een nieuwe zou tot 10 miljoen dollar gaan kosten, wat geen bevredigende optie was. Het reinigen van de put met agressieve chemicaliën, zoals fluorwaterstofzuur, was ook onaantrekkelijk, vanwege het bijbehorende kosten plaatje, het agressieve karakter, de effectiviteit op korte termijn en de risico's voor de operators.
Met hun kennis van traditionele chemische methoden en hun toewijding aan constante verbetering, konden Contact Energy-ingenieurs samen met Solenis-experts een volledig nieuwe manier van aanslagverwijdering ontwikkelen, waarmee ze de gecompromitteerde productieputten weer op volle capaciteit konden brengen. Solenis stelde een nieuwe methode van aanslagverwijdering voor, bestaande uit een combinatie van geavanceerde concepten voor reservoirtechniek, geologie en pompdynamiek. De oplossing maakte gebruik van lage concentraties chemicaliën, hoge druk, hoge debieten en een zorgvuldig gecontroleerde doorstroom, zodat de reinigingschemicaliën de scheuren van de rotsformatie konden penetreren om de opgebouwde aanslag op te lossen, en daarmee te zorgen voor een verbeterde doorstroming (zie afbeelding 2).
Afbeelding 2. Voorbereiding van de bullheading-methode waarmee de reinigingsvloeistof de put in kan worden gebracht.
Naast de innovatieve technieken om de vloeistof aan/in te brengen, omvatte het chemische portfolio een unieke combinatie van sequestranten, polymeren, zuren en alkalische oplossingen. Traditionele aanslagremmers uit de olie- en gasindustrie zijn duur en gebruiken vaak giftige en/of kankerverwekkende versterkers zoals antimoon. Het chemische recept dat door het Solenis-team werd ontwikkeld, presteerde uitzonderlijk goed onder geothermische omstandigheden, had een aanzienlijk verbeterd veiligheidsprofiel en was veel kosteneffectiever.
Bekroonde resultaten
Tijdens proeven die werden uitgevoerd in andere productieputten, zoals bijvoorbeeld op een locatie in Mexico, bleek de nieuwe aanpak van Solenis een succesvolle methode om defecte productieputten te herstellen tot 100 procent van hun maximale historische capaciteit. Er waren ook aanwijzingen dat de methode een stimulatietechniek zou kunnen zijn die niet alleen aanslag maar ook mineraalvorming kon oplossen. Maar in Wairakei was de geologische situatie vele malen complexer, met ingewikkelde toevoerkanalen (feed zones) die het moeilijk maakten om de chemie effectief aan te pakken Solenis vertrouwde op de druktransiëntanalyses van Contact Energy om er zeker van te kunnen zijn dat juiste chemicaliën diep in de rotsformatie konden dringen en in de juiste zones terechtkwamen.
Zelfs met deze complexiteit leverde de oplossing van Solenis uitstekende resultaten op, waarbij de put werd hersteld tot 130 procent van zijn verwachte terugwin-capaciteit (zie afbeelding 3), wat resulteerde in een verhoogde energieopwekking van ongeveer 50.000 megawatt-uur in het jaar na de reiniging, met een gemiddeld vermogen van 7 MW. Dat deze geothermische energiebron zeer weinig CO2 produceert, heeft een positief effect op CO2-emissies. De geschatte uitstoot van het genereren van deze 7 MW aan geothermische energie bedroeg in dat jaar 1.080 ton CO2-equivalent (tCO2e, dat ook methaan meerekent) – aanzienlijk minder dan bij het gebruik van fossiele brandstoffen. Het opwekken van 7 MW zou in het geval van steenkool ongeveer 58.600 tCO2e produceren, of 23.900 tCO2e bij het gebruik van gecombineerde gasturbinecycli.
Afbeelding 3. Na de reiniging steeg de productie van 2 t/h stoom tot een piek van 39 t/h.
Op basis van deze resultaten won het Contact Energy-project in Wairakei een 2021 Solenis Sustainability Award voor zijn CO2-reductie. Het Solenis Sustainability Awards-programma beoordeelt klantprojecten die in de afgelopen 12 maanden zijn voltooid en kiest daaruit projecten die veel waarde toevoegen en een grote impact hebben. De awards erkennen projecten in vijf duurzaamheidscategorieën, waaronder vermindering van waterverbruik, verlaging van energieverbruik, verkleining van CO2-voetafdruk, vermindering van afval en geoptimaliseerd gebruik van grondstoffen.
Een verandering die het goed(e) doet
Het succes van Wairakei, met zijn bijzonder complexe putdynamiek, toont het effect dat samenwerking heeft op het stimuleren van technologische innovatie. Samen ontwikkelden Solenis en Contact Energy een oplossing met een aantal duidelijke voordelen – het gebruik van milieuvriendelijkere en veiligere chemicaliën, een beter begrip van de stromingsreacties van putten, technieken voor een zeer gerichte inbreng via toevoerkanalen, en een putreinigingsmethode die veel minder kost dan alternatieve technologieën of het boren van nieuwe putten.
Deze nieuwe technologie heeft de manier waarop de industrie zijn achteruitgaande productiemiddelen kan beheren een significante stap vooruit gebracht, in vergelijking met conventionele methodes. We moedigen elke aardwarmtecentrale aan contact op te nemen met Contact Energy of Solenis om te bekijken of deze aanpak ingezet zou kunnen worden om een verhoogde opwekkingscapaciteit te realiseren.
Referenties:
[1] Zarrouk, S.J., and McLean, K. 'Geothermal Well Test Analysis: Fundamentals, Applications and Advanced Techniques.' Elsevier, First Edition, (2019).