Table of Contents
أولا - الدور الناشئ للموارد غير التقليدية في استعادة النفط الحرارية الأرضية - المعززة
إن مشهد الطاقة العالمي يمر بتحول عميق نظرا إلى أن الحاجة إلى أساليب استخلاص مستدامة وفعالة تتصاعد، وفي هذا السياق، فإن الموارد غير التقليدية تكتسب مسارا، لا سيما في مجال نظم استعادة النفط المكثفة من الناحية الحرارية الأرضية، وهذه الموارد التي تشمل تشكيلات تعتبر ذات مرة صعبة أو غير اقتصادية للغاية، توفر الآن مسارا قاهرا لتحسين كفاءة وصورة البيئة لاستخراج المواد الهيدروكربونية التقليدية.
Understanding Geothermal-Enhanced Oil Recovery (GEOR)
إن استعادة النفط المعزز بالطاقة الحرارية الأرضية هي تكنولوجيا هجينة تدمج جمع الحرارة الأرضية مع استخراج النفط التقليدي، وفي حالة التغير الحراري التقليدي، مثل الفيضانات البخارية، فإن المشغلين يضخون البخار المحروق من خلال حرق الوقود الأحفوري إلى انخفاض مستوى التلوث النفطي وتحسين التدفق، ويحلون محل توليد البخار الكثيف للطاقة عن طريق الدمج في الحرارة الطبيعية من جراء سائل الأرض.
وفي الممارسة العملية، تنطوي نظم " جيور " على تشكيل مزدوج أو متعدد الأنهار، وتحقن المياه الباردة في خزان حراري جيولوجي، حيث تسخن من خلال الاتصال بالصخرة الساخنة، ثم ينتج السائل الساخن ويستخدم لتسخين خزان النفط عن طريق مبادلات الحرارة أو الحقن المباشر، وتعاد صياغة السوائل الحرارية الأرضية المبردة، مما يؤدي إلى إحداث حلقة مفرغة.
إن الطبيعة التكافلية لجورج هي ميزة رئيسية، فغالبا ما تكون لحقول النفط هياكل أساسية واسعة النطاق - آبار وخطوط أنابيب ومرافق سطحية - يمكن إعادة استخدامها في عمليات الطاقة الحرارية الأرضية، كما أن العديد من خزانات النفط تقع في مناطق نشطة جيولوجيا ذات تدفق حراري مرتفع، مثل ساحل الخليج في الولايات المتحدة وبحر الشمال وأجزاء من جنوب شرق آسيا، ومع ذلك فإن هذا التداخل الجغرافي يمثل تحولا في نوعية منخفضة.
دور الموارد غير التقليدية في الفريق
فالموارد الحرارية الأرضية التقليدية، مثل خزانات المياه الحرارية المائية (المياه الساخنة التي تحدث) محدودة في التوزيع وغالبا ما تستغل بالفعل لتوليد الطاقة، ولزيادة حجم الموارد الطبيعية، يجب على المشغلين أن يتحولوا إلى موارد غير تقليدية - تشكيلات تفتقر إلى القدرة الطبيعية الكافية، أو محتوى السوائل، أو درجات الحرارة التي يمكن استغلالها من خلال الأساليب الحرارية الأرضية الموحدة.
وتكمن إمكانات الموارد غير التقليدية في وفرة هذه المجموعات، فعلى سبيل المثال، توجد تشكيلات صخور جاف ساخنة في كل مكان تقريبا بعمق كاف، بينما تحتوي مستودعات الأرض المكتظة على طول ساحل الخليج الأمريكي على كميات هائلة من السوائل الحرارية والمضللة، كما توفر الموارد غير التقليدية مرونة تشغيلية: يمكن تطويرها في المناطق التي تفتقر إلى سمات حرارية سطحية، وتسمح طبيعتها الهندسية بأن تكون مواصفات الزيوتية مصممة وملائمة.
أنواع الموارد غير التقليدية
صخور جافة ساخنة
الصخور الجافة الساخنة هي صخور الفلورية مثل الغرانيت أو الزنجات التي تحتوي على درجات حرارة عالية (150-250 درجة مئوية) ولكن السائل الطبيعي غير المبالى أو القدرة على التحمل، وبغية استخدام الـ HDR لـ (GOR) التقليدي، يجب على المشغلين أن يخلقوا شبكة كسر بواسطة ضخ الماء البارد
أجهزة احتياطي منخفضة القدرة على تحمل عبء العمل
إن الخزانات الحرارية الأرضية المنخفضة الميكانيكية، التي كثيرا ما توجد في أحواض الرسوبية أو الأكياس البركانية، تحتوي على الحرارة ولكن لا تتوفر لها القدرة الطبيعية الكافية على الحفاظ على معدلات التدفق الاقتصادي، وهذه الخزانات مماثلة لتشديد الغاز أو التكوينات الشائكة في قطاع النفط والغاز، وقد يؤدي التحفيز من خلال كسور هيدروليكي أو تفكك كيميائي إلى تعزيز القدرة على التد.
النظم الحرارية الأرضية المضبوطة
كما أن المستودعات ذات الضغط الجوي المكثف تتراكم من الامتدادات الحرارية الساخنة والمضغطة في أحواض الرسوبيات العميقة، والتي غالبا ما تكون مسببة للعضلات الكثيفة والمبالغة في الضغط على الأرض، وتظهر هذه النظم على طول ساحل الخليج في الولايات المتحدة، وفي بحر الشمال، وفي إمكانية حدوث زيادة كبيرة في حجم الطاقة الكهربائية،
Enhanced Geothermal Systems (EGS)
كما أن النظم الحرارية الأرضية المعززة تمثل التوسع المصمم في استخدام مادة السحب من البيوت إلى جانب مفاهيم منخفضة القدرة على إحداث تسارع في استخدام الطاقة، وهي تشمل إنشاء شبكة من الكسور تحت سطح الأرض، حيث تؤدي هذه المواد إلى إحداث حرارة في الصخور الساخنة، وتفتقر إلى درجة حرارة عالية إلى نسبة 30 في المائة من الانبعاثات الحرارية، وتُحد من نسبة التدفق الحراري في اليابان من المساحة الكافية لاستخراج الحرارة.
تقييم الإمكانية: معايير التقييم الرئيسية
ويتطلب تقييم إمكانات الموارد غير التقليدية في تقرير التقييم العالمي للبيئة تقييما متعدد التخصصات يدمج الجيولوجيا والجيوفيزيائيات والهندسة الخزانية والاقتصادات، والمعايير التالية أساسية لتحديد ما إذا كان يمكن لمورد معين غير تقليدي أن يدعم مشروعاً قابلاً للبقاء في إطار برنامج " جيور " .
الحرارة الأرضية
أما درجة حرارة الخزان فتمل على كمية الحرارة التي يمكن استخراجها وكفاءة خفض درجة حرارة النفط، وبالنسبة للزيوت الثقيلة )١٠-٢٠ درجة مئوية( فإن درجة الحرارة الدنيا البالغة ٨٠-١٢٠ درجة مئوية تكون مطلوبة عادة لتحقيق تخفيض كبير في الازدراء، بينما قد يتطلب النفط البازغ )دون ١٠ درجة مئوية( ١٥ درجة مئوية أو أكثر.
القابلية للتحمل والقدر
إن قابلية الارتحال الطبيعية هي قيد رئيسي بالنسبة لجميع النظم الحرارية الأرضية، إذ أن الموارد غير التقليدية، حسب التعريف، تكون منخفضة الاحتمال الطبيعي )مما يعادل ١٠ مليارات( وتتطلب حفزا، ويتوقف نجاح المحاكاة على الخواص الميكانيكية للصخور، وميادين الإجهاد في الموقع، ووجود كسور طبيعية، ويلزم تحقيق قدر كبير من القابلية للتأثر )١ در للتدفقات الاقتصادية الثابتة(
جيم - الكيمياء الجيولوجية والارتقاء المحتمل
وكثيرا ما تحتوي السوائل الحرارية الأرضية غير التقليدية على تركيزات عالية من المعادن المذوبة (السيلويكا، وكربونات الكالسيوم، والكبريتات) التي يمكن أن تهيمن وآبار التنظيف، ومبادلات الحرارة، ومناطق الحقن، وتستخدم نماذج كيميائية تستخدم برمجيات مثل PHREEQC للتنبؤ بالتقلبات في ظروف التشغيل.
الاستدامة الحرارية للاحتياطي
ويجب أن يحافظ نظام جيور المستدام على إنتاج حراري ثابت على مدى عمر المشروع المقرر (نحو 20 إلى 30 سنة) ويحدث الإنهاء الحراري لأن المياه الباردة تُحقن في الخزان تبرد الصخرة تدريجياً، وباستخدام محركات رقمية من 3D، وأن يُبقي التدفقان الحرفيان، والميكانيكيون الجيولوجيون، يمكن للمهندسين أن يتوقّعوا فترات الانفصال الحراري وأن يُصُبُ على نحو أفضل.
القدرة الاقتصادية والتكلفة المخفضة
وتتوقف الجدوى الاقتصادية لمشروع غير تقليدي لتوقعات النفط على الإنفاق الرأسمالي )التدفئة والتحفيز والتسهيلات السطحية( ومصروفات التشغيل )الضخ والصيانة والعلاج( وقيمة استرداد النفط الإضافي، وتكلفة الحرارة المنخفضة )LCOH( هي قياس مفيد - بالنسبة لموارد نظام الكهرباء والزيوت، وتقدر قيمة معامل التحلل الحراري الحالي بنسبة ٠,٥-٠,١٢ دولار للكيلوغرام )٠,٠(.
التحديات والحلول التكنولوجية
وفي حين أن الإمكانات كبيرة، فإن تحقيقها يتطلب التغلب على عدة عقبات تقنية، وتعالج الأجزاء الفرعية التالية التحديات الأكثر إلحاحا والحلول الابتكارية قيد التنمية.
متطلبات التنظيف العميق
أما أجهزة الحفر الحرارية الأرضية غير التقليدية فهي عادة في أعماق يتراوح عددها بين ٠٠٠ ٣ و ٠٠٠ ٦ متر، حيث تتجاوز درجات الحرارة ٢٠٠ درجة مئوية، وتبلغ الضغوط ٠٠٠ ١ بار، وتُقي َّم عموماً تكاليف الحفر في مجال النفط والغاز في ظروف تصل إلى ٢٠٠ درجة مئوية و ٨٠٠ بار؛ وتجاوز هذه الحدود، والإلكترونيات المنخفضة، وسادس الحفر التي تتدهور بسرعة.
تقنيات المحاكاة
إن إنشاء وصيانة شبكة من الكسور المرهقة في الصخور الصلبة هو التحدي الرئيسي الذي يواجهه جهاز التلقيح الصناعي ومختبرات السحب الذاتي، مما يؤدي إلى إحداث سائل مضغوط في المكسورات، مما يؤدي إلى تقلص العزلة في المياة الطبيعية، غير أن النزعة السيزمية المستحثة تثير القلق - حدث عام 2006 في بازل، سويسرا، ووقف مشروع EGS.
الحفاظ على استدامة استخراج الحرارة
وبعد خلق الكسور، يجب أن تظل مفتوحة لسنوات دون أن تُحدث كسور كبيرة أو أن تُحدث دائرة قصيرة حرارية، فحقن المياه الباردة يسبب الانكماش الحراري للصخور، مما يخلق ضغوطاً شديدة يمكن أن تغلق الكسور أو تُعيد تنشيطها بطريقة غير سليمة، حيث يمكن استخدام السوائل المنخفضة العزاء والمواد الكيميائية المضادة للارتطام أن تمنع التخم المعدني الذي يكسر السور.
Environmental Impact Management
وينطوي نظام رصد الأرض على مخاطر بيئية محتملة: تلوث مياه الأمطار، واستخدام الأراضي والتخلص من الرشوة، كما أن الظواهر السيزمية المحفزة يمكن إدارتها من خلال نظم الضوء على حركة المرور التي تعطل العمليات إذا تجاوزت حجمها الحدود القصوى المحددة مسبقاً، وتكفل حماية المياه الجوفية باستخدام معايير تصميم جيدة تعزل طبقات المياه الجوفية ذات الحواجز المتعددة في السماد.
التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية
وقد بلغ إدماج الموارد الحرارية الأرضية غير التقليدية في عملية استعادة النفط نقطة انطلاق حاسمة، إذ أن العديد من المشاريع الرائدة في جميع أنحاء العالم تبرهن على جدوى تقنية، والتوقعات الاقتصادية آخذة في التحسن بسبب التعلم التكنولوجي والسياسات الداعمة.
في الولايات المتحدة، مكتب تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية مولت عدة مشاريع ذات صلة بـ (جيور) في إطار مبادرة نظم الطاقة دون السطحية، على سبيل المثال، مشروع (ميلن بوينت) في (ألاسكا) هو اختبار (إكسس) في حقول النفط الثقيلة في ظل ظروف متجمدة، بينما يقوم عرض (جيوكور) على (خليج كوستر) بتصحيح استخدام حرارة عالية.
وتشمل اتجاهات البحث الناشئة استخدام ثاني أكسيد الكربون الفوقية كسائل لنقل الحرارة في جيور، وثاني أكسيد الكربون فوق درجة حرارة أقل من مستوى الماء، مما يتيح سرعة التداول وتحسين استخراج الحرارة، مع التمكين أيضا من تخزين الكربون الجيولوجي (الاحتجاز الكربون، واستخدامه، وتخزينه) وتشير الدراسات في برنامج الحرارة الأرضية التابع لجامعة ستانفورد إلى أن استخدام ثاني أكسيد الكربون بدلا من الماء في إنتاج مقياس حراري متعدد المؤشرات يصل إلى أقصى حد ممكن
كما أن قانون خفض التضخم في الولايات المتحدة يتضمن ائتمانا ضريبيا للاستثمار في مشاريع الحرارة الحرارية الأرضية بنسبة 30 في المائة، بما في ذلك المشاريع المرتبطة بشركة EOR. وهناك عدة ولايات (كاليفورنيا، نيو مكسيكو) تطبق معايير منخفضة للوقود الكربونية تشجع على استخدام أساليب الإنتاج الأنظف، وعلى الصعيد الدولي، فإن خط الأساس الذي تستخدمه الوكالة الدولية للطاقة الصفرية بحلول عام 2050 يتطلب زيادة عشرية في الطاقة الحرارية الأرضية(15)
الاستنتاج: إعلان ولكن تحدي الطريق إلى الأمام
وتبشر الموارد الحرارية الأرضية غير التقليدية بأكبر قدر من الوعود لتعزيز استدامة وكفاءة عمليات استعادة النفط، حيث أن الصخور الجافة الساخنة، والمستودعات المنخفضة القدرة على الأداء، والنظم المكتظة بالأرض الأرضية، والنظم الحرارية الأرضية المعززة، وكلها توفر مزايا متميزة وتواجه عقبات تقنية محددة، ومن خلال التقييم الدقيق للمواقع، وتقنيات التحفيز المتقدمة، والإدارة المتكاملة للمستودعات، يمكن أن توفر هذه الموارد حرارة موثوقة منخفضة الكربون لتعبئة الابتكارات الداعمة.
ومع ذلك، فإن الطريق إلى الاعتماد الواسع النطاق غير مؤكد، إذ يلزم مواصلة البحث والتظاهر للحد من التكاليف الأولية، وإدارة الزلازل المستحثة، وضمان الاستدامة الحرارية الطويلة الأجل، والتعاون الصناعي بين مشغلي النفط والغاز، ومطوري الطاقة الحرارية الأرضية، ومؤسسات البحوث، سيكون ضروريا، إذ يمكن للموارد غير التقليدية في نظم توقعات البيئة العالمية أن تؤدي دورا هاما في الانتقال إلى مستقبل أقل كربونا مع الحفاظ على أمن الطاقة.