Tytuł projektu: Rozpoznanie procesów wydobycia gazu łupkowego wspomaganego zatłaczaniem CO2 (CO2-ESGR) w oparciu o badania wymiany CO2/CH4 w warunkach laboratoryjnych odwzorowujących naprężenie, ciśnienie i temperaturę in situ
Źródło finansowania: Narodowe Centrum Nauki
Konkurs: OPUS 29
Numer projektu: 2025/57/B/ST10/02593
Okres realizacji: 01.01.2026 – 31.12.2029
Budżet Projektu: 1 810 060 PLN
Kierownik projektu: dr hab. inż. Mateusz Kudasik, prof. IMG PAN
Streszczenie
Rosnące zapotrzebowanie na energię, a także pogłębiające się problemy klimatyczne wynikające z emisji gazów cieplarnianych (GHG), przyczyniają się do poszukiwania nowych źródeł gazu ziemnego, przy jednoczesnej redukcji emisji i wykorzystaniu przemysłowo wychwytanego CO2. Jedną z potencjalnych metod składowania CO2 jest geologiczna sekwestracja w formacjach łupkowych, gdzie występują duże złoża metanu (CH4). Proces wysokociśnieniowego zatłaczania CO2 do głębokich (nawet do 4000 m) formacji łupkowych ma na celu stymulację procesów wymiany CO2/CH4, w wyniku czego CO2 zostaje uwięziony w przestrzeni porowej łupków, a gaz łupkowy (składający się głównie z CH4) zostaje wyparty i ujęty (technologia CO2-ESGR). Nieudane próby wydobycia gazu łupkowego w Polsce, prowadzone w latach 2013-2017, doprowadziły do zaniechania dalszych prób eksploatacji tego źródła energii. Jednakże, w świetle globalnego kryzysu energetycznego i postępu technologicznego, jaki nastąpił w ciągu ostatniej dekady, temat eksploatacji gazu łupkowego w Polsce odżywa. Dlatego kluczowe jest, aby eksploatacja słabo rozpoznanych złóż gazu łupkowego w Polsce, a także zastosowanie nowych rozwiązań technologicznych, takich jak CO2-ESGR, były poprzedzone szczegółowymi badaniami laboratoryjnymi, w warunkach odpowiadających warunkom in situ, a także serią symulacji numerycznych. Celem projektu jest przeprowadzenie badań laboratoryjnych technologii CO2-ESGR w warunkach naprężenie-ciśnienie-temperatura odpowiadających warunkom in situ, na głębokościach do 4000 metrów. W takich warunkach naprężenie wywierane na skały wynosi około 100 MPa, ciśnienie gazu łupkowego wynosi około 10-50 MPa, a temperatura sięga 130oC. W ramach projektu powstaną dwa unikalne stanowiska badawcze (IMG-SSR i IMG-GEX), które umożliwią symulację warunków in situ oraz przeprowadzenie badań strukturalnych i sorpcyjnych łupków na jednym z tych stanowisk, a także przeprowadzenie eksperymentów przepuszczalności i wymiany CO2/CH4 na drugim stanowisku. Badania zostaną przeprowadzone na 6 próbkach fragmentów rdzeni łupków z Polski, głównie z regionu basenu bałtycko-podlasko-lubelskiego. Wyniki badań strukturalnych i sorpcyjnych, uzyskane na analizatorze IMG-SSR na próbkach w warunkach naprężenie-ciśnienie-temperatura odpowiadających warunkom in situ, w porównaniu z wynikami badań próbek w warunkach wolnych od obciążeń, pozwolą na określenie wpływu naprężeń na zmianę porowatość i objętość porów w skale. Ponadto możliwe będzie określenie, w jakim stopniu parametry mierzone laboratoryjnie różnią się od parametrów skały w warunkach in situ głęboko pod ziemią. Badania przepuszczalności zostaną przeprowadzone na aparacie IMG-GEX metodą przepływu stacjonarnego, przy czym współczynniki przepuszczalności zostaną wyznaczone z wykorzystaniem prawa Darcy’ego, a także przepuszczalność absolutna Klinkenberga. Poprzez porównanie przepuszczalności rdzeni prostopadłych i równoległych do uławicenia, a także przepuszczalności szczelin tych rdzeni, zostanie określony wpływ procesu szczelinowania na stymulację przepływu gazu w różnych kierunkach w obrębie formacji łupkowej. Najważniejsze eksperymenty projektu, wymiana CO2/CH4, zostaną przeprowadzone na aparacie IMG-GEX i będą polegać na wstrzykiwaniu CO₂ do próbki łupka, która zostanie wstępnie nasycona CH4. Proces ten ma na celu wywołanie wymiany mieszaniny gazowej (CO2/CH4) w przestrzeni porowej oraz wymiany sorpcyjnej CO2/CH4 na powierzchni porów łupka. Eksperymenty te zostaną przeprowadzone w laboratoryjnie symulowanych warunkach naprężenia-ciśnienia-temperatury in situ, co czyni je pionierskimi eksperymentami laboratoryjnymi. Na podstawie tych eksperymentów zostanie oceniona wydajność procesu CO2-ESGR, a także selektywność wymiany oraz tempo i zasięg przestrzenny strefy wymiany. Wyniki eksperymentów wymiany CO2/CH4 posłużą jako podstawa do budowy modelu numerycznego. Końcowym etapem projektu będzie opracowanie modelu numerycznego opartego na wynikach przeprowadzonych analiz. Symulacje numeryczne pozwolą na rekonstrukcję procesów CO2-ESGR w warunkach in situ w skali makro. Rezultatem projektu będą wyniki tych symulacji, które umożliwią określenie czasowego i przestrzennego tempa procesu CO2-ESGR w warunkach terenowych. To z kolei umożliwi ocenę wykonalności i możliwości zastosowania tej technologii w Polsce.
Osoba kontaktowa: dr hab. inż. Mateusz Kudasik, prof. IMG PAN