In the framework of the SUGAR project the GFZ is develping innovative methods to produce gas from hydrate bearing sediments. Already in 2006 a novel approach has been patented, which makes use of the heat generated during the catalytic combustion of methane in a heat exchange reactor in order to decompose the hydrates within the sediment. This method requires drilling into hydrate bearing sediments. Within the borehole the reactor will be placed in such a way that the “hot” reaction zone is located within the hydrate layer. The required heat is generated in situ via flameless, catalytic combustion of methane.
As part of the SUGAR subproject B2 this method is being tested on a pilot scale at GFZ. During the first phase of the project several reactor prototypes and different catalysts were developed and revised regarding their applicability. The oxidation reaction of methane was successfully run autothermally and stably outside the explosive or auto-ignition range. Thereby, two reaction routes were tested: the partial and the total oxidation of methane. The advantage of the total oxidation of methane is that the reaction is strongly exothermal and therefore only 10 to 15 % of the produced methane is required for the in situ combustion. Results of the first experiments are quite promising regarding the efficiency of the method.
At GFZ a reservoir simulator was developed to test the reactor. The reservoir simulator has a volume of 425 liters and can be run up to 250 bar (LArge laboratory Reservoir Simulator LARS). Within this autoclave gas hydrates are synthesized from the gas-saturated aqueous phase in a realistic and reproducible way (Schicks et al., 2011). This experimental setup is unique concerning the large sample volume and the technical equipment.
In the course of the second project phase a further development of the reactor as a downhole tool and a field test are planned. The experimental data will be integrated into numerical simulations.
The following goals are to be realized:
1. Optimization and adjustment of the lab-scale reactor as a downhole tool
2. The functionality of the downhole tool will be tested at the German Continental Deep Drilling site (KTB) in Windischeschenbach
In the medium term a submarine field test is planned.
Furthermore, it is envisaged to realize a direct methane feed from the hydrate deposit to the reactor. For this, the usage of membrane techniques is studied to extract a part of the produced methane from the hydrate deposit directly into the reactor in order to realize the heat production via catalytic combustion.
Besides thermal stimulation, further production methods such as pressure reduction or chemical stimulation will be tested separately or in combination. For instance, for chemical stimulation CO2 can be injected into the hydrate bearing sediments. The production of methane from methane hydrates with simultaneous CO2 injection was tested at GFZ in small scale pressure cells (< 0.5 mL) and analyzed via Raman spectroscopy and X-ray diffraction. Thereto, methane hydrates but also complex mixed hydrates containing ethane or propane besides methane were exposed to a CO2 atmosphere. It turned out that all hydrates regardless their structure or composition convert into a CO2-rich hydrate in a CO2 atmosphere. But it also appeared that this process is reversible. In presence of a hydrocarbon-rich environment a CO2-rich hydrate will convert into a methane or hydrocarbon hydrate releasing CO2 (see Schicks et al., 2011 and Beeskow-Strauch et al., 2012).
Im Rahmen des SUGAR-Projekts entwickelt das GFZ innovative Methoden für die Förderung von Gas aus hydratführenden Sedimenten. Bereits im Jahr 2006 wurde ein neuartiger Ansatz patentiert, bei dem die Abwärme der katalytischen Verbrennung von Methan in einem Wärmetauschreaktor für die Zersetzung von Gashydraten im Sediment genutzt werden soll. Ein solches Verfahren setzt eine Bohrung in hydratführende Sedimentschichten voraus. Der Reaktor wird innerhalb des Bohrlochs in die hydratführenden Sedimentschichten verbracht, sodass sich die heiße Reaktionszone im Bereich der Gashydratschicht befindet. Dort wird dann die nötige Wärme für die Hydratzersetzung durch eine flammenlose, katalytische Oxidation von Methan in situ erzeugt. Im Teilprojekts B2 wird dieses Verfahren im Pilotmaßstab am GFZ getestet. In der ersten Phase des Projekts wurden mehrere Reaktorprototypen und verschiedene Katalysatoren entwickelt und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Es gelang, die Oxidationsreaktion am Katalysator autotherm und stabil außerhalb der Explosions- oder Selbstzündungsgrenzen des Methans ablaufen zu lassen. Dabei wurden zwei Reaktionsrouten getestet: die partielle und die totale Oxidation von Methan. Der Vorteil der vollständigen Oxidation von Methan ist, dass die Reaktion stark exotherm abläuft und dadurch nur etwa 10-15% des geförderten Methans für die in situ Verbrennung notwendig sind. Die Ergebnisse der bisherigen Versuche sind bezüglich der Effizienz des Verfahrens durchaus vielversprechend. Für den Reaktortest wurde ein Reservoirsimulator entwickelt, der ein Volumen von 425 Liter hat und bis zu einem Druck von 250 bar betrieben werden kann (LArge laboratory Reservoir Simulator LARS). Hier werden realitätsnah und reproduzierbar Gashydrate in Sedimenten aus der gasgesättigten, wässrigen Phase erzeugt (siehe Schicks et al., 2011). Dieser am GFZ entwickelte und erstmalig erprobte experimentelle Aufbau ist hinsichtlich des großen Probenvolumens und der technischen Ausstattung weltweit einmalig. Im Rahmen der zweiten Projektphase sind eine Weiterentwicklung des Reaktors zur Bohrlochsonde sowie ein Feldtest vorgesehen. Die experimentellen Daten fließen in numerische Simulationen ein (Teilprojekt B1). Folgende Ziele sollen dabei realisiert werden: 1. Weiterentwicklung und Optimierung des Laborreaktors zu einer Bohrlochsonde. 2. Die Funktionalität der Bohrlochsonde soll zunächst an der Kontinentalen Tiefbohrung KTB in Windischeschenbach getestet werden.
Mittelfristig wird ein submariner Feldtest angestrebt.
Es ist außerdem vorgesehen, eine direkte Methaneinspeisung aus der Hydratlagerstätte in den Reaktor zu realisieren. Dazu wird die Verwendung von Membran-Verfahren untersucht, um einen Teil des erzeugten Methans aus der Hydratlagerstätte direkt in den Reaktor extrahieren zu können und somit die Wärmeerzeugung durch katalytische Verbrennung zu realisieren. Neben der thermischen Stimulation sollen auch weiter Produktionsmethoden, wie z.B. die Druckerniedrigung oder die chemische Stimulation einzeln oder in Kombination getestet werden. Bei der chemischen Stimulation kann z.B. CO2 in die hydratführende Sedimentschicht injiziert werden. Diese Gewinnung von Methan aus Methanhydraten bei gleichzeitiger Injektion von CO2 wurde am GFZ in kleinvolumigen Druckzellen (< 0,5 mL) durchgeführt und in situ mittels Raman-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie analysiert. Dazu wurden Methanhydrate, aber auch komplexe Mischhydrate, die neben Methan auch Ethan oder Propan enthalten, einer CO2-Atmosphäre ausgesetzt. Es zeigte sich, dass sich alle untersuchten Hydrate – unabhängig von ihrer Struktur oder Zusammensetzung – in der CO2-Atmosphäre in ein CO2-reiches Hydrat umwandeln. Leider zeigte sich auch, dass dieser Prozess umkehrbar ist und sich das CO2-reiche Hydrat in Anwesenheit einer kohlenwasserstoffreichen Umgebung wieder in ein Methan- bzw. Kohlenwasserstoffhydrat umwandelt, wobei das CO2 aus den Hydraten wieder freigesetzt wird. Siehe Schicks et al. (2011) und Beeskow-Strauch et al. (2012).