Artikkel

Sannsynligheten for Ekofiskfeltets kollaps ved CO2-lagring kan nå regnes ut

oljefelt, oljeplattform
Løsningen på lagringen av CO2 kan ligge langt under havflaten. Men det har vært usikkert hvordan krittkalksteinen vil reagere. Foto: Colourbox

Sannsynligheten for Ekofiskfeltets kollaps ved CO2-lagring kan nå regnes ut

I nesten 50 år er olje og gass blitt pumpet opp fra Ekofiskfeltet i Nordsjøen. Norske myndigheter ønsker å pumpe CO2 tilbake og lagre det der. Men før nå har ingen visst om det lar seg gjøre.

Hvordan virker fysikkens lover inn på geologiske prosesser?  Det har professor Dag Dysthe vært opptatt av å forstå  siden 1990-tallet. Med god hjelp fra kolleger i Danmark og Norge har han laget en matematisk modell for hvordan krittkalkstein oppfører seg under ytre påvirkning. Dette er den bergarten vi finner på Ekofiskfeltet i dansk og norsk sektor av Nordsjøen.  Dermed er vi muligens et skritt nærmere CO2-lagring i stor skala under havbunnen, et tema som har vært diskutert og planlagt i en god del år.

Dag Dysthe
Teknisk er det ingen ting i veien for å lagre CO2 i stor skala under Nordsjøen, ut fra hva vi vet i dag, sier Dag Dysthe. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet.

– Ingen har egentlig visst om det lar seg gjøre å lagre CO2 på Ekofiskfeltet, forklarer Dag Dysthe.

Mislykket klimatiltak

– Berggrunnen under Ekofisk, på både norsk og dansk sokkel, består av en type kalkstein som kalles kritt eller krittkalkstein. Fra før vet vi at karbondioksid (CO2) i vann løser opp kalkstein. Hva vil da skje hvis vi begynner å lagre CO2 der nede? Vil kalksteinen løse seg opp, og vil det hele kollapse, slik at CO2-gassen lekker ut? I så fall vil det være et heller mislykket klimatiltak.

Professor Dysthe og kollegene ved Universitetet i Oslo mente at de kunne finne ut av nettopp disse spørsmålene, takket være den matematiske modellen de hadde utarbeidet som ledd i sin tverrfaglige satsing blant fysikere og geologer. Derfor fikk de tilslaget da Climit –  et forskningsprogram for fangst og lagring av CO2 ­ –  utlyste midler til et prosjekt for å skaffe kunnskap om CO2-lagring i krittkalkstein på bunnen av Nordsjøen.

– Men først, hva var det som gjorde at du begynte å interesse deg for en mulig bergart-kollaps ved CO2-lagring under havbunnen?

Dysthe plukker fram to steiner han har liggende på kontoret i fysikkbygningen på Blindern. Det ene er en krittkalkstein og den andre travertin. Travertin er en type kalkstein som anvendes til skulpturer og bygninger, og den er mye brukt i Italia.

– Det er det samme mineralet i disse to, men steinen er blitt dannet på forskjellige måter. Kritt var en gang bitte små alger som laget små skall, mindre enn én mikrometer store. Når disse algene dør, faller de ned på havbunnen. Med store mengder, og gjennom millioner av år, blir det dannet krittkalkstein.

HVA ER:

Kalk: En betegnelse for kalsiumkarbonat (CaCO3) eller kalsiumoksid CaO. Kalk er en generell term for ulike naturlig forekommende mineraler og materialer som kan lages fra dem. Disse materialene er brukt i store mengder som byggemateriale og byggestein.

Kritt: En myk, hvit og porøs form av kalkstein. Formes i grunt vann ved at mineralet kalsiumkarbonat hoper seg opp i form av skall fra forskjellige marine grønnalger.

Krittkalkstein: Kritt er en sedimentær bergart, en jordaktig kalkstein som hovedsakelig består av kokkolitter og foraminiferskall. Kritt er massiv, ofte med lag av flintknoller. Den noe fastere kritt-kalkstein opptrer blant annet i Ekofiskområdet i Nordsjøen, hvor den er en viktig reservoarbergart for olje og gass. Blir brukt som skrivekritt, farge, pussemiddel, fyllstoff i industriprodukter, og som vanlig kalkstein.

Uttrykket «å ta på krita» kommer av eldre tiders skikk med å avmerke med kritt på en tavle når man kjøpte uten å betale kontant i forretninger.

CLIMIT: Et forskningsprogram i regi av Forskningsrådet og Gassnova, regjeringensorganet som har som mål å bygge kompetanse om CO2.

Kilder: Wikipedia og Store norske leksikon

Travertin, på den annen side, dannes på jordoverflaten. Travertin blir utfelt fra mineralkilder som forekommer i grunnvann og overflatevann. Det er typisk for denne og annen type kalkstein at den løser seg opp i de dypere lagene, og man finner ofte at kalksteinsfjell har huler og grotter.

Kalkstein er altså lett oppløselig, til forskjell fra de fleste bergarter vi har i Norge, for eksempel gneis og granitt.  Overalt i verden der det er kalkstein, løser mineralet seg lett opp.

CO2 i vann løser opp kalkstein

– CO2 i vann gjør vannet surt og løser opp mineralene i kalkstein. Og fordi kalkstein er så reaktiv, kan vi forenklet si det slik at den vanligvis ikke liker å være i en tilstand av små krystaller. Hvis den får anledning, vil den alltid løse seg opp og danne større krystaller. Dette er altså det generelle bildet.

Så beveger Dag Dysthe seg – i samtalen - tilbake til krittlagene på bunnen av Ekofisk:

– Her har vi en form for kalkstein, dannet av bitte bitte bitte små algeskall, kalt kokkolitter, som har ligget der i 60 millioner år.  Naturen har altså hatt god tid på seg til å lage større krystaller. Hvorfor har det likevel ikke skjedd? Det er jo et stort mysterium!

Mens geologene har kjent til dette fenomenet, og akseptert det som et faktum, kom fysikeren Dysthe inn fra sidelinjen og begynte å stille spørsmål.  Han ville vite hvorfor. Han mente det måtte være noe som stoppet den naturlige prosessen i retning av større krystaller.

Da kan det skje saker og ting…

– Krittkalksteinen på havbunnen var opprinnelig alger. Jeg tenkte at det kanskje finnes organiske materialer som ligger der fortsatt.  Så jeg begynte å lete etter informasjon, og det viste seg at vi hadde kolleger i Danmark som hadde forsket på nettopp dette. De hadde lyktes med å finne en film av organisk materiale som stammet fra algene og som fortsatt var en del av bergarten. 

Et forskningssamarbeid mellom fysikere og geologer ved Universitetet i Oslo, danske GEUS og Københavns Universitet ble satt i gang.  Konklusjonen de kom fram til etterhvert, var at kritt ikke vil omdanne seg så lenge bergarten ikke blir utsatt for ytre påvirkning.

– Hvis det ikke er noe spesielt som skjer, bare ligger den der. Men hvis det oppstår rifter eller sprekkdannelser, eller hvis noen fjerner det organiske materialet på annen måte, kan det begynne å skje saker og ting, forklarer professoren.

Basert på denne innsikten startet arbeidet med å lage en matematisk modell for hvordan omdanning av kritt skjer, såkalt kompaktering. Det foregikk ved Senter for geologiske prosessers fysikk, et senter for fremragende forskning som ble opprettet i 2003.

Når modellen ble testet, viste det seg at den stemte veldig godt med de danske forskerns funn om hvordan kritt oppfører seg.

LES OGSÅ: Mikroorganismer kan være løsningen: Bakterier kan overvåke karbonlagring og redde klimaet

Vil reservoaret kollapse?

Ekofisk
Ekofiskfeltet ligger ca. 320 kilometer sørvest for Stavanger. Illustrasjon: NordNordWest/Wikimedia (link is external)CC-BY-SA-3.0-DE (link is external)

Tilbake til utlysningen fra Climit – om hvordan krittlagene på bunnen av Ekofisk vil oppføre seg.  Da Dysthe og kollegene ble oppmerksomme på den, fant de ut at de nevnte matematiske modellene trolig vil passe perfekt for å finne svarene. Dessuten så de at det var særlig tre faktorer som gjorde problemstillingene svært aktuelle:

  • Ekofisk ligger geografisk nær områder i Europa med mye industri og med kull- og kjernekraftverk som utgjør betydelige utslippskilder for CO2. Hvis CO2 skal fanges og lagres i stor skala, må lagringen skje nær kildene. Ekofisk ligger nær nok til at det kan legges rørledninger for transport av CO2.
  • Ekofiskfeltet har lagringskapasitet til CO2 i enorme mengder – slik at det vil monne.
  • CO2 er en gass som fungerer godt når man skal forbedre utvinningsmetodene og få mer olje og gass ut av en forekomst, såkalt EOR (Enhanced Oil Recovery) eller IOR (Increased Oil Recovery). Ved å sprøyte inn CO2 i reservoarene, vil gassen blande seg med oljen og gjøre den mer lettflytende – og utvinnbar.

Ekofiskfeltet var dessuten blitt blinket ut som aktuelt område i et nytt lagringsatlas for CO2, utarbeidet av Oljedirektoratet. Men det store spørsmålet var altså:  Lar det seg gjøre? Eller vil reservoaret kollapse?

Ferske og 60 millioner år gamle alger

– Vi satte i gang med å arbeide helt nede i nanomålestokk. Vi fant at det faktisk ligger organisk materiale inne i hvert eneste kokkolittkrystall, altså krystallene som i sin tid ble dannet av algeskall.  Vi dyrket fram alger, ikke nøyaktig de samme som fantes for 60 millioner år siden og som dannet krittlagene på Ekofisk, men nære slektninger. Så gjorde vi røntgenanalyser av krystallstrukturen til de moderne algene og sammenlignet dem med det ”historiske” materialet. Vi fant ut at begge har organisk materiale inne i krystallstrukturen.

– Hva betyr det for mulighetene for sikker lagring av CO2 på Ekofisk?

– Det ser ut til at CO2 i liten grad påvirker styrken av bergarten kritt, slik vi finner den i Nordsjøen, så dette er lovende for planene om CO2-lagring.

Et avgjørende verktøy

Dysthe understreker samtidig at dette handler om grunnforskning. Han har ikke svarene på de praktiske spørsmålene som gjelder CO2-lagring.

– Men vi har nå laget verktøyene som kan brukes til å undersøke dette nærmere. Vi har utarbeidet numeriske simuleringsverktøy som kan brukes på mikronivå. Og vi har laget matematiske modeller for storskalaberegninger som kan brukes på et helt reservoar. 

Med andre ord: Forskerne har fremskaffet nye verktøy som de mener kan få stor betydning.

Dette gjelder ikke bare i Nordsjøen. Det er beregnet at 60 prosent av verdens oljereserver og 40 prosent av gassreservene befinner seg i ulike former for kalkstein. Den nye modellen for kompaktering av kalksteinkrystaller kan derfor bli avgjørende for fremtidens CO2-håndtering i store deler av verden.

– Når tror du at vi vil se CO2-lagring i stor skala på bunnen av Nordsjøen?

– Det avhenger av hva som innføres av incentiver og om det gjøres økonomisk lønnsomt for oljeselskapene. Teknisk er det ingen ting i veien for at det kan skje, ut fra hva vi vet i dag, sier professoren, som ellers er involvert i en rekke tverrfaglige forskningsprosjekter.

– Akkurat nå arbeider vi med metoder for å forstå egenskapene til geologiske materialer. Det er særlig tre områder som interesser meg:  strømming, friksjon/jordskjelv og oppsprekking. Jeg er opptatt av hvilke lover som gjelder for materialers oppførsel. Hvor store krefter må til for å skyve denne steinen bortover bordflaten? Det finnes ingen matematiske modeller som kan beregne dette i dag, sier Dysthe, som er fascinert av alt som kan skaleres opp fra mikronivå til noe veldig stort.

– Hva er det som motiverer deg?

– Jeg vil finne svar på de grunnleggende spørsmålene!

Kontakt:

Dag Dysthe, professor ved Fysisk institutt

Les mer:

Mer på Titan.uio.no:

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev(link is external) eller følg oss på Facebook.

Kommentarer

Helge Hellevang...

«SISU»-problemer med Dysthe sin artikkel ««Sannsynligheten for Ekofiskfeltets kollaps ved CO2-lagring kan nå regnes ut»

Journalist Dag Inge Danielsen gir i artikkelen «Sannsynligheten for Ekofiskfeltets kollaps ved CO2-lagring kan nå regnes ut» en enkel fremstilling av en ny matematisk modell utarbeidet av Professor Dag Dysthe og kollegaer ved PGP (en centerkonstruksjon mellom Institutt for fysikk og Institutt for geofag, UiO). Modellen kan benyttes til å beregne kompaksjon av kalkreservoar og overskriften antyder at den også kan brukes til å forstå eventuelle kompaksjonsproblemer (=kollapser) ved lagring av CO2.

Istedet for å gå inn på flere unøyaktigheter i tekst (og liten/ingen sammenheng mellom overskrift og tekst/konklusjon) skal jeg her nevne hovedproblemet med arbeidet til Dysthe. Dette viser tilbake til et fenomen som vi på Norsk kan kalle SISU, eller «skitt inn – skitt ut». Det hjelper lite med sofistikerte matematiske modeller hvis innhold (input) er fundamentalt feil. Da blir konklusjonene ofte like fundamentalt feil (selv om de tilsynelatende ser riktige ut).

Trykkoppløsning i kalkstein (type Ekofisk som hovedsakelig er oljefuktet). I modellene til Dysthe er trykkoppløsning av kalk hovedmekanismen til kompaksjonen. I modellene benyttes en vannmetning på noen få prosent, og resten vil være hydrokarboner. Vannet i et slikt reservoar vil være i dråper i porerommet, mens mineraloverflatene vil være oljefuktet. Hovedproblemet med denne modellen er at karbonater (og andre mineraler) verken løser seg opp eller dannes i olje. For at man skal ha trykkoppløsning må reservoaret være vannfuktet, dvs. at oppløsningen skjer mellom mineraloverflater med en tynn film av vann mellom, og karbonat/kalk transporteres med diffusjon ut av oppløsningsområdet. Dette er en fundamental svakhet med modellen som gjør at den nok bør skrotes for slike systemer. En modell som i dag forklarer kompaksjonen på Ekofisk, vist både eksperimentelt og teoretisk, er kjemisk-mekanisk kompaksjon som følge av injeksjon av saltvann for å kompensere trykkfall og for å øke oljeproduksjonen. I Ekofisk førte dette til at kokkolittskallene ble løst opp i en reaksjon hvor sulfat reagerte med kalsium og felte ut anhydritt («tørr gips»). Dette førte til en mekanisk svekket bergart og mekanisk kollaps (som skviser ut mer olje og dermed fungerer som EOR).

Å bruke modellen for å beregne lagring av CO2 (eller CO2-EOR) blir likeledes ganske meningsløs når modellen ikke dekker de korrekte fundamentale kjemiske og fysiske prosesser.

Knut Bjørlykke

Lagring av CO2 i Nordsjøen, Ekofisk kollaps og fysikkens lover.

av Knut Bjørlykke, Per Aagaard, Helge Hellevang, Nazmul H. Mondol
Institutt for Geofag UIO

I en artikkel i Titan (5/23/2017) skriver Dag Inge Danielsen om sannsynligheten for en Ekofisk kollaps ved CO2 lagring basert på et intervju med Dag Inge Dyste fra Fysisk Institutt.

Det stilles spørsmål om hvordan fysikkens lover virker inn på geologiske prosesser. Fysikk har alltid vært et sentralt tema inne geologiens som også er bygget på kjemi og biologi.

Men geologiske prosesser kan ikke forståes som trivielle anvendelse av fysiske prinsipper.

Det kreves mer spesifikk kunnskap om bergarter, biologi, mineraler, geokjemi, bergmekanikk og om reaksjoner mellom vann, petroleum og mineraler.

Det er riktig at hovedkomponenten i krittbergarter kommer fra kalkalger (Coccolitter) som består av små noen få mikron store plater av kalsitt som har en trigonal krystallform av CaCO3 som er meget stabil rent termodynamisk underoverflatebetingelser og i sedimentære bassenger. Mange marine organismer feller ut karbonat som aragonitt som har en rombisk krystallstruktur og som er termodynamisk ustabil.

Siden disse partiklene er så små, ville man forvente at de ble rekrystallisert til større partikler, men dette skjer ikke i særlig grad. Det er flere grunner til at coccolith platene ikke så lett løses og felles ut som større krystaller. Overflateeffekter med ioner (eks Mg++ ), organiske makromolekyler som kan dekke og beskytte overflaten osv., men ikke minst at porevannet er i likevekt eller svakt overmettet. Det er dermed svært liten termodynamisk drive.

Alle vet at CO2 løser opp kalkstein inntil det er oppnådd en likevekt som er en ganske komplisert funksjon av også andre komponenter i vannet og av temperatur og trykk. Dyste sier ikke noe om hvor mye kalk som vil løses for en viss menge CO2. og hvordan dette vil fordele seg. Skal store mengder kalk løses må porevannet byttes ut gjentatte ganger, og dette krever en svært stor gjennomstrømning av porevann som er undermettet på kalsitt. Dette er lite aktuelt i Ekofisk, som i utgangspunktet ikke har vannstrømming, men hvor olje dominerer med bare noen isolerte vanndråper i porerommet.

Krittbergartene i Ekofiskfeltet kan ha 30 % porøsitet på tross at de de har vært begravet ned til ca 3km dyp og ca 100 °C. Løseligheten av karbonat avtar med økende temperatur men er også avhengig av andre faktorer. Grunnen kalken til at den er så mekanisk stabil er delvis at noe av vekten av bergarten over bæres av et høyt poretrykk. Det viktigste er imidlertid at de effektive spenningene fra bergartene over fordeles på så mange kontaktpunkter slik at stresset på hver kalsittplate blir svært liten. Dette har blitt testet i laboratorier (på NGI).

Det er vel tvilsomt Ekofisk vil bli valgt for lagring av CO2. Det nok andre bergarter som egner seg bedre til slik lagring. Norske myndigheter har ikke blinket ut lagring i Ekofisk eller andre krittreservoarer (ref OD’s lagringsatlas). Det har riktignok vært en viss interesse for å teste ut EOR med CO2, men det har lisensen ikke villet. Kollaps av Ekofiskfeltet pga CO2 lagring skyter høyt over mål. Selv om dette skal være en populærvitenskapelig artikkel, må men vente en seriøs behandling av problemet.

Coccolither
Coccolither (Coccosphere a) som er brutt ned i mindre cocclither eller i mindre plater av kalsitt (b) Fra Bjørlykke Petroleum Geocience, © Springer 2015 p 160. Mot sluttet av Krittiden var slike kalkalger helt dominerende i store deler av NV Europa og i den sydlige del av Nordsjøen. Det var da Ekofisk-feltet ble funnet i 1970 overaskende at denne finkornete kalksteinen inneholdt olje som kunne produseres.

Dag Kristian Dysthe

Å forenkle det kompliserte

Det faller mange tungt for brystet når man prøver å forenkle det kompliserte bildet som er bygget opp av hundrevis av spredte fakta og forklaringer. Den matematiske modellen vi har foreslått for styrken til porøse bergarter har blitt kritisert for

  • ikke å bruke Biot-faktoren
  • å forenkle sekkebetegnelsen ”water weakening” til effekt av overflatespenning og kjemisk potensial
  • å ikke ta hensyn til detaljene i porekollaps og andre navn på mikroskopiske deformasjonsstrukturer
  • å ikke forstå den kompliserte kjemien til karbonater utsatt for sjøvann.

Fordelen med å legge til side alle detaljene en stund og heller fokusere på hovedprinsippene er at da kan man lage modeller som faktisk lar seg etterprøve. I vår enkleste modell er det ingen frie parametre, ingen mulighet til å vri og vende på ting hvis det ikke passer. At den enkleste modellen stemmer med både geologiske data over millioner av år, innsynkningen av Ekofisk over noen tiår og eksperimenter som varer i timer til uker gjør at vi tenker at den er verdt å bygge videre på. Nå kan man finjustere med å bygge på med kjemiske likevekter og kinetikk for andre reaksjoner som foregår i bergarten og en mengde andre korreksjoner.

Geologi er et spennende fagfelt der diskusjonene ofte går høyt. En av årsakene er at naturen gir oss begrenset med mulighet for å teste hypotesene våre. Ofte er man uenige om hva som er brukbare tester. Derfor kan forskjellige forståelser, modeller og teorier leve videre side om side i heftig debatt uten at man kommer videre. Vi har turt å formulere en falsifiserbar hypotese og modell. Men skal man forkaste den trengs det mer enn løst prat i kommentarfeltet.

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Marianne Løken har studert unge kvinners utdanningsvalg

- Rollemodeller kan bli skremselsmodeller

Marianne Løken spurte unge kvinner hvorfor de valgte å studere mannsdominerte realfag. Hun fikk til svar at rekrutteringskampanjer har bidratt til å forsterke kjønnsstereotypier snarere enn å bryte dem ned.

Henrik Sønsteby er forsker ved Kjemisk institutt

Harmless elements can replace toxic lead in electronics

Smart phones and other electrical and electronic products contain small amounts of lead, a toxic heavy metal that is a particular risk for children and pregnant women. Researchers have now shown that lead in such products can be replaced with thin films made from harmless materials.