Hoe je verdronken gasputten tot leven brengt

Het lijkt vreemd om aan de verbetering van gaswinning te werken terwijl het hele land in de ban is van de sluiting van gaswinning in Groningen (per 2022), en van de maatschappelijke inspanning om los te raken van het gas. Dit blijkt vooral een Nederlands en een beetje een Europees perspectief. Wereldwijd zal het gasgebruik juist sterk stijgen, laat het Internationaal Energie Agentschap IEA zien. Het noemt China, het Midden-Oosten en Nood-Amerika als de grootste stijgers. Voor haar stroomproductie is China bijvoorbeeld bezig om van kolen over te schakelen naar gas. Dat moet de daarmee samenhangende CO₂-uitstoot te halveren.

De methode waarbij een pijp diep in het boorgat wordt gestoken om een verdronken gasput tot leven te brengen, staat bekend als velocity string. Oudere gasputten kunnen zo een paar extra jaren produceren. Prof.dr.ir. Ruud Henkes (Faculteit 3mE), die eveneens bij Shell werkt, kent de ingreep uit de praktijk. “Nederland heeft meer dan tweehonderd gasputten op de Noordzee met een levensduur van twintig tot dertig jaar. Een velocity string kan de gasproductie weer op gang brengen voor een extra tien procent.”

Omdat de ingreep niet zo kostbaar is, kan de maatregel economisch lonend zijn. Het effect is alleen niet gegarandeerd. Gasbedrijven willen daar van tevoren graag meer zekerheid over hebben.

Meegeblazen
Een gasreservoir bevindt zich meestal op twee tot drie kilometer diepte. De begindruk kan meer dan 200 bar bedragen, wat tot hoge gassnelheden leidt van dertig tot veertig meter per seconde (alsof je je hand uit de auto steekt bij 130 km/uur). Bij dit soort stroomsnelheden wordt water uit het reservoir, of condensaat uit het gas, langs de pijpwand omhoog geblazen.

Er is een grote proefopstelling bij 3mE

Maar na zo’n tien jaar zal de gasdruk in het reservoir aanzienlijk zijn gedaald. Hierdoor neemt de uitstroomsnelheid af en wordt het water niet langer de put uitgeblazen. In plaats daarvan hoopt het water zich onderin de pijp op. Wanneer de hydrostatische druk van het achtergebleven water (ongeveer 1 bar per 10 meter) net zo groot wordt als de druk in het reservoir zal er geen gas meer uitstromen. De put is dan verdronken, maar nog niet leeg.

De praktijkoplossing, vertelt Henkes, is om een pijp met een smallere diameter vanaf een grote rol in de put te laten zakken. Hoe dik die pijp moet zijn en hoe ver de pijp in de put moet is altijd een beetje een gok, net als het succes van de hele operatie trouwens. De gasstroom vind plaats in de ringvormige doorsnee tussen de pijp en de putwand. De binnenpijp duwt water uit de put en verkleint de doorsnede. Daardoor zal de gassnelheid toenemen, liefst genoeg om het water weer uit de put te blazen.

Dwarsdoorsnede en overlangse doorsnee van de proefopstelling. (Tekening: Marjolein van der Veldt)

Plastic pijpen
Om dit verschijnsel in detail te bestuderen, is een grote proefopstelling gebouwd in de proces & energiehal van de faculteit 3mE. Een perspex buis van twaalf meter lang reikt er bijna tot het dak. In een verwant experiment deed voormalig promovendus Dries van Nimwegen hier onderzoek naar het effect van schuimmiddelen op oude gasputten.

In de nieuwe opstelling hebben master student Pjotr Muis en zijn begeleider ir. Arnoud Greidanus onderzoek gedaan naar de stroming van water en lucht in de cilindervormige ruimte (‘annulus’ genoemd)  tussen de 124 mm buitenbuis en de 100 mm binnenbuis. Ruud Henkes was de afstudeerhoogleraar. Voor de industrie is dit een middenschaal experiment, maar de dimensies zijn voor een laboratoriumexperiment best heftig met gassnelheden tot 32 m/s en volumes van 8.000 liter per minuut.

 

Videobeelden laten zien dat bij hogere gassnelheden ook de vloeistofsnelheid toeneemt aan de binnenkant van de buitenbuis en de buitenkans van de binnenbuis. Door de elektrische weerstand te meten van de passerende vloeistof kon Muis de dikte van de vloeistoffilm aan beide wanden bepalen.

 

In de praktijk zal de binnenbuis nooit precies in het centrum van de buitenbuis staan. Wat maakt dat uit voor de vloeistofstroom? Videobeelden laten zien dat bij grote excentriciteit de vloeistof terug naar beneden stroomt. Wat betekent dat?

Productievoorspelling
Henkes is vol lof over het praktische, originele en veelzijdige werk dat Muis heeft geleverd. Zijn afstudeerverslag werd beloond met een 9. De volgende stap is een mathematisch-fysisch model te maken gebaseerd op de metingen van Muis. In de praktijk zullen concentrische en excentrische secties elkaar afwisselen. Een goed wiskundig model is dan nodig om het vloeistoftransport over het geheel te kunnen berekenen. Zo’n model, vermoedt Henkes, zal via consultancybedrijven beschikbaar komen voor de gasindustrie nadat de resultaten gepubliceerd zijn. In de praktijk zullen gasbedrijven willen weten of een velocity string voor een bepaalde put zal werken en hoeveel extra productietijd dat oplevert.

• Dit onderzoek werd gefinancierd door TKI Energie. TNO was de penvoerder. TU Delft postdoc ir. Arnoud Greidanus en afstudeerder Pjotr Muis verrichten het onderzoek naar de multifase stroming.