KEM-18 Onderzoek: Kwalitatieve risico evaluatie van het lange termijn gedrag van afsluitingen in boorgaten

Achtergrond

De eisen voor het buiten gebruik stellen van olie- en gas putten in Nederland zijn vastgelegd in de mijnbouw wet- en regelgeving. Voor de invulling van die eisen wordt door de industrie  gebruik gemaakt van specifieke industrie standaarden. Om een put buiten gebruik te stellen, moet het ondergrondse deel van een put - het boorgat – duurzaam en effectief afgesloten worden. Tot op heden worden staal en cement gebruikt als materialen om een boorgat duurzaam en effectief af te sluiten.

Doel van het onderzoek

Het individuele lange termijn gedrag van cement en staal is vrij goed bekend. Maar hoe een afgesloten boorgat, dat bestaat uit stalen buizen, cement en gesteente zich op lange termijn gedraagt, is minder bekend. En wat betekent dit gedrag voor de afsluitende werking van het boorgat? En hoe gedragen bepaalde gesteentes zich waar deze niet gecementeerd zijn?

In Nederland zijn op land ruim 1400 putten buiten gebruik gesteld, en dit aantal zal in de komende jaren verder groeien met de afbouw van de olie- en gaswinning op land. De locaties waar deze putten zich bevinden kunnen gebruikt worden voor ruimtelijke ontwikkeling zoals woningbouw of aanleg van infrastructuur. Deze ontwikkeling vereist kennis over de risico’s van dergelijke locaties.

De oudste buiten gebruik gestelde olie putten in Nederland zijn inmiddels bijna 80 jaar oud. De olie- en gasindustrie ging en gaat er vanuit dat de afsluitende werking van cement, staal en gesteente in deze boorgaten niet verandert over de tijd. Deze aanname is niet goed onderbouwd.

In sommige gevallen ontstaan lekpaden tijdens de aanleg of het gebruik van een put. Wanneer deze lekpaden niet onderkend worden tijdens het afsluiten van de boorgaten, kunnen ze blijven bestaan als zogenaamde ‘micro-annuli’. Het is niet duidelijk of deze micro-annuli over de tijd groter worden, of juist dichtgedrukt wordt door beweging van het gesteente, of afgesloten worden door de afzetting van mineralen of petrochemicaliën.

SodM heeft onderzoek laten uitvoeren om een beter begrip te krijgen van het gedrag van  afsluitingen in een boorgat op de lange termijn en de interactie tussen cement, staal en gesteente in buiten gebruik gestelde olie- en gasputten, en hoe dit gedrag de integriteit van die putten beïnvloedt. In het bijgesloten rapport worden de uitkomsten van dit onderzoek vermeld.

Onderzoeksvragen

De onderzoeksvragen bestaan uit zes onderzoeksvragen in twee delen.

Deel 1

1. Dit deel betreft een literatuurstudie van publiek toegankelijke onderzoeken naar het lange termijn gedrag van cement en gecementeerde stalen buizen van olie- en gasputten. Het geeft antwoord op de vraag welke risico factoren en welke parameters van belang zijn voor een effectieve en duurzame afsluiting van een boorgat.

Deel 2

Dit deel gaat in op specifieke details van de afsluitende werking van afgesloten boorgaten. De onderzoeker geeft hier antwoord op de volgende vragen:

1. Het is bekend dat cement een zeer lage permeabiliteit (doorlatendheid) heeft; hoe permeabel is cement voor vloeistoffen en gassen (olie, water, aardgas)? hoe verandert de permeabiliteit van het cement over de lange termijn (van 100 tot 500 jaar) en wat is het effect daarvan op het afdichtend vermogen?
2. Hoe goed wordt de stalen buis, wanneer die omgeven is door cement, beschermd tegen corrosie? Hoe wordt de corrosie snelheid beïnvloed door de veranderde permeabiliteit van het cement? Zal de buis op lange termijn corroderen? Kan dit leiden tot het ontstaan van een lekpad?
3. De micro-annuli kunnen een lekpad zijn voor vloeistoffen en/of gassen. Worden ze dichtgedrukt door het gesteente of kunnen ze verder opengaan door stroming? Kunnen ze opgevuld worden door minerale of petrochemische afzettingen?
4. Zijn er micro-annuli tussen het cement en het gesteente? Hoe gedraagt de filter cake van de boorspoeling zich en is deze permeabel?
5. Hoe gedragen plastische gesteenten zoals steenzout en schalie zich rond gecementeerde of ongecementeerde buizen. Kan dit gedrag leiden tot een effectieve afsluiting?

Inhoud van het onderzoeksrapport

Het rapport bevat de resultaten van een kwalitatieve risico-evaluatie van het lange termijn afsluitende gedrag van materialen die gebruikt worden om boorgaten permanent af te sluiten. Daarbij is een groot aantal bronnen uit de literatuur geraadpleegd om de onderzoeksvragen te kunnen beantwoorden. De bronnen bestaan uit wetenschappelijke publicaties, standaarden en internationale rapporten van overheden of publieke instellingen. De standaarden kwamen uit de olie- en gasindustrie (waaronder op het gebied van  boren, petrofysica, gesteente mechanica) en uit het gebied van de civiele en milieu techniek. De rapporten van de publieke instellingen - uit verschillende landen – zijn rapporten op het gebied van put integriteit en het veilig en duurzaam buiten gebruik stellen van olie- en gasputten.

De belangrijkste risicofactoren voor de lange termijn buiten gebruik stelling van olie en gas putten zijn:

• Ouderdom en tijdstip van buiten gebruik stelling van de put (dit is bepalend voor de gebruikte technieken tijdens de aanleg van de put, de vigerende wet en regelgeving, en het gedrag van de afsluitingen  in de tijd) – oudere putten zijn aangelegd en afgesloten met minder geavanceerde technieken en materialen, waardoor de kans groter kán zijn dat een afsluiting niet effectief is. Hoe verder in het verleden een put is afgesloten, hoe minder geavanceerd de gebruikte technieken waren, waardoor de kans groter kán zijn dat een afsluiting niet effectief is.
• Type put (gas, olie, water) en de reservoir druk waaraan deze blootgesteld werd/is  De zorg richt zich met name op  putten die methaan lekkages vertonen en de wereldwijde statistieken van lekkages overheersen  (in Canada bijvoorbeeld bestaan 95-99% van de put lekkages uit methaan.
• Cyclische belastingen van de put tijdens gebruik als gevolg van temperatuur- en drukwisselingen.
• De absolute temperatuur op het diepste punt van de put: bij zeer hoge temperaturen kán cement degraderen.
• De hellingshoek van de put – dit kán invloed hebben op de kwaliteit van de cementatie, waardoor de kans groter kán zijn dat een afsluiting niet effectief is.
• Een combinatie van bovenstaande risicofactoren vergroot het totale risico.

Bovenstaande risicofactoren zijn niet limitatief. Er kunnen ook andere risicofactoren van belang zijn waarvan sommige ook in het rapport benoemd zijn.  Om het belang van deze risicofactoren te kunnen wegen, moeten de relevante gegevens van waargenomen lekkages bij buiten gebruik gestelde putten verzameld en geanalyseerd worden.

Het rapport geeft een tweeledige aanpak voor de risico-evaluatie op basis van de geïdentificeerde risico factoren:

1. een eenvoudige scorekaart met verkeerslichten die op kwalitatieve wijze het relatieve risico (van hoog tot laag) van een lekkage beschrijven;
2. een op-maat-gesneden kwantitatieve risicoanalyse om de grootte van een lekkage en het risico daarvan in te schatten.

De kwantitatieve analyse zou ook gebruikt kunnen worden voor de evaluatie – en mogelijke verbetering – van de huidige wijze van buiten gebruik stellen en van de relevante wet en regelgeving voor de mijnbouw. Deze analyse zou ook gebruikt kunnen worden om onderzoek te doen naar de vraag wat een acceptabele norm voor een methaan lekkage zou kunnen zijn.

Conclusies van het rapport

In de meeste putten gedraagt cement zich als een deugdelijke barrière tegen lekkage. Deze conclusie wordt onderschreven door het feit dat de meerderheid van buiten gebruik gestelde putten geen lekkages vertonen. Het is op dit moment niet mogelijk om een schatting te maken over periodes van honderden tot duizenden jaren, maar cement monsters uit putten die tientallen jaren oud zijn geven aan dat de belangrijkste eigenschappen van de cement weinig veranderen. Lekkage vindt daarom ook niet plaats door intact cement. Lekkage gebeurt voornamelijk wanneer het cement gepasseerd kan worden via micro-annuli (tussen cement en stalen buis en tussen cement en gesteente) en door andere onregelmatigheden zoals scheuren en kanalen in cement lagen en cement pluggen, en gaten in gecorrodeerde buizen. Deze mogelijke lekpaden kunnen ontstaan bij het cementeren van de buizen tijdens de aanleg van een put (bijvoorbeeld door krimp van cement, door druk testen of door het niet verwijderen van filter cake op de boorgatwand) of gedurende het gebruik van de put (bijvoorbeeld door cyclische druk en temperatuur belastingen, door mechanische/chemische belasting van cement en buizen).

Verschillende technologieën zijn al beschikbaar om lekkages te herstellen (chemische, biologische of fysieke), en dit onderwerp wordt actief onderzocht. Met name het gebruik van schalie gesteente of steenzout als een betrouwbare en zeer sterke afsluiting, zelfs bij slecht cement of gehele afwezigheid van cement, lijkt veelbelovend.

Aanbevelingen uit het onderzoek aan SodM

Het rapport geeft de volgende aanbevelingen aan SodM:

• Maak gebruik van de standaarden en ervaringen van Canadese partijen (overheid, toezichthouder,  industrie, universiteiten etc.). Zij zijn sinds de jaren 80 van de vorige eeuw en met name in de afgelopen 20 jaar dé leiders in het omgaan met de uitdagingen op het gebied van buiten gebruik gestelde putten. Daarover is uitgebreide informatie uit velerlei bronnen publiek beschikbaar, waar men in Nederland voor de buiten gebruik stelling van putten op land en de nazorg daarvan profijt kan hebben.
• Overweeg de toepassing van de Canadese methode om afwijkende drukken én gasmigratie buiten de put te controleren, en de toepassing van speciale meettechnieken om eventuele stroming achter de buizen te detecteren vóór de buiten gebruik stelling van putten, en herstelmaatregelen voor het geval de stroom bepaalde normen overschrijdt.
• Stel, in het geval van nieuwe stadsontwikkeling op locaties met buiten gebruik gestelde putten, vooraf een monitoringsplan op en implementeer die inclusief een interventieplan om eventuele putlekkages (indien nodig) te herstellen. In dit opzicht is het nuttig om de ontwikkelingen te volgen van nieuwe technieken om putten buiten gebruik te stellen en deze ontwikkelingen eventueel financieel te subsidiëren. 
• Evalueer putintegriteit en mogelijkheden voor lekkage altijd wanneer reservoirs opnieuw onder druk gezet worden (bijvoorbeeld door ondergrondse opslag van gassen of vloeistoffen, water- en stoominjectie om olie productie te verhogen) of wanneer putten opnieuw gebruik worden voor andere doeleinden (bijvoorbeeld waterinjectie, geothermie). Het herstellen van de druk in een reservoir zou kunnen leiden tot het ontstaan van lekkage, wanneer de afsluitingen niet meer deugdelijk zijn. Verder kan het veranderen van het gebruik van een oude put leiden tot hogere belastingen dan waarvoor de put in eerste instantie ontworpen was (bijvoorbeeld door thermische belasting door hergebruik als geothermie put).
• Zet in op een gezamenlijke aanpak van het buiten gebruik stellen van putten door de landen die de Noordzee omringen (inclusief Noorwegen en het VK). Dit betreft ook het vaststellen van eisen aan buiten gebruik gestelde putten voor een gemeenschappelijke  langere termijn (bijvoorbeeld 1 miljoen dagen ofwel 3000 jaar).
• Verzamel en onderzoek de relevante gegevens van waargenomen lekkages bij buiten gebruik gestelde putten en gebruik deze voor het controleren of bijstellen en van de risicofactoren

Wat gaat SodM met de resultaten van het onderzoek doen?

Het rapport biedt een uitstekend overzicht van de technische factoren die van invloed zijn op de mate waarin een afsluiting van een boorgat effectief en duurzaam kan zijn. Dat is een oordeel dat ook wordt gedeeld door het wetenschappelijk expert panel van KEM (KEM-18 Qualitative risk assessment of long term behavior of conventional sealing materials used in wells and their interaction with each other and the formations (finished) · KEM programma ). SodM zal de technische informatie uit dit rapport dan ook hanteren als referentie voor al haar adviezen en toezicht op het vlak van aanleg, reparatie en  buiten-gebruik-stelling en nazorg van putten. SodM zal dit rapport dus ook gebruiken bij het opstellen van een nazorg systeem voor buiten gebruik gestelde putten. In 2022 zal een aanzet gegeven worden voor dit systeem.

SodM zal het rapport actief onder de aandacht brengen bij de mijnbouwindustrie in Nederland. SodM zal het rapport ook gebruiken als belangrijke bron van informatie voor het opstellen of herzien van de relevante mijnbouw wet- en regelgeving met betrekking tot de nazorg van buiten gebruik gestelde putten.

De mijnbouwindustrie kan, aan de hand van dit rapport, hun risico-evaluatie voor buiten gebruik gestelde putten toetsen en indien nodig aanpassen. De door Element NL (voorheen: NOGEPA) ontwikkelde risico-evaluatie voor de olie- en gassector past al grotendeels bij de aanbevelingen in dit rapport, maar dient nog wel opnieuw getoetst te worden naar aanleiding van dit KEM-18 rapport.