Od odwiertów węglowodorowych do geotermalnych, czyli jak przemysł naftowy i gazowy może napędzać czystą energię

Transformacja energetyczna kieruje nowe inwestycje z paliw kopalnych ku odnawialnym źródłom energii. Jednakże przemysł naftowy i gazowy przez dekady wiercił setki tysięcy otworów, które zapewniają bezpośredni dostęp do wnętrza ziemi. Zamiast je cementować i porzucać, można wykorzystać ponownie, na przykład do produkcji ciepła, czy prądu. Obecnie tysiące nieczynnych odwiertów w wyeksploatowanych złożach ropy i gazu jest analizowanych pod kątem wykorzystania w geotermii. Gradient geotermalny złóż węglowodorów wykazuje potencjał do bezpośredniego wykorzystania ciepła, takiego jak ogrzewanie miejskie, suszenie żywności czy baseny termalne, a w sprzyjających warunkach także do produkcji energii elektrycznej. Skala możliwości jest ogromna, ponieważ szacuje się, że w samych tylko Stanach Zjednoczonych istnieje około 800 000 złóż ropy naftowej i gazu ziemnego, a liczba wykonanych w nich odwiertów sięga milionów.

Trzy ścieżki przekształcenia odwiertów naftowych i gazowych w geotermalne

1) Współprodukowana energia geotermalna

Wraz z węglowodorami z odwiertów wydobywa się ogromne ilości gorącej wody. Dla przemysłu naftowego i gazowego to głównie niepożądany produkt uboczny ich działalności. Tymczasem zaklasyfikowanie wody jako odpadu marnuje jej energię cieplną, ponieważ możliwe jest wyekstrahowanie i wykorzystanie tego ciepła. Proces staje się szczególnie atrakcyjny tam, gdzie udział wody w całkowitej objętości wydobytych płynów sięga nawet 99%. Skala zjawiska jest imponująca: tylko w USA z odwiertów ropy i gazu wydobywa się średnio 25 miliardów baryłek gorącej wody rocznie i większość tej energii cieplnej pozostaje niewykorzystana.

Jak działa proces odzysku ciepła z wody złożowej przedstawia rysunek 1. Wydobyta wraz z węglowodorami gorąca woda jest oddzielana i przesyłana do zakładów przetwórczych w celu wychwytu ciepła. Pozyskane ciepło jest dystrybuowane do bezpośredniego wykorzystania lub też przetwarzane na energię elektryczną w elektrowni. Wydobywana woda zwykle nie jest wystarczająco gorąca, aby wykorzystać ją w pierwotnej formie do wytwarzania energii. Możliwe jest jednak uruchomienie elektrowni binarnych.

Rys. 1 Schemat przepływu płynu przy pozyskiwaniu energii geotermalnej z czynnych odwiertów (Wanga, Yuan, Ji, Wu, 2018)

Metoda współprodukcji została z powodzeniem przetestowana w różnych częściach świata. Jednym z przykładów jej działania jest elektrownia geotermalna, wykorzystująca wodę z odwiertów na polu naftowym Huabei(złoże Liubei w Chinach). Zainstalowany tam generator o mocy 400 kW, wytwarza energię elektryczną, wykorzystując płyny o temperaturze 110°C w ilości 2880 m³/d. Z kolei w Rocky Mountain Oilfield Testing Center (RMOTC) w Casper w stanie Wyoming (USA) testowane są małe geotermalne systemy binarne do produkcji energii elektrycznej napędzane wodą pozyskaną z odwiertów ropy naftowej i gazu ziemnego. Jednostka demonstracyjna w RMOTC wytwarza obecnie około 250 kW energii.

2) Drugie życie

Nieczynne i opuszczone szyby można przekształcić w systemy geotermalne na kilka różnych sposobów, tj.:

• modernizacja odwiertu – odwiert przechodzi niezbędne naprawy, następnie jest do niego zatłaczany płyn roboczy, który po ogrzaniu wraca z powrotem na powierzchnię, aby zasilić termoelektryczny generator.
• przebudowa odwiertu w celu zainstalowania wymiennika ciepła na dnie lub stworzenia zamkniętego systemu geotermalnego (ang. closed-loop system), bez konieczności wydobywania płynów ze złoża. Ciepło przekazywane jest za pośrednictwem przewodnictwa cieplnego skał do płynu roboczego obecnego w rurach. To swego rodzaju „zamknięta pętla geotermalna” stworzona wewnątrz odwiertu (patrz rys. 2).
• pogłębienie szybu – z istniejącego odwiertu można sięgnąć w głąb, do warstw o wyższej temperaturze i lepszym potencjale geotermalnym.
• boczne odnogi (ang. multilateral wells) – z dna istniejącego szybu wierci się kilka cieńszych, bocznych kanałów. Dzięki temu zwiększa się powierzchnia kontaktu ze skałami i ilość odbieranego ciepła, bez konieczności wykonywania nowych, pełnoskalowych odwiertów. To rozwiązanie jest stosowane m.in. w systemach EGS (pol. wspomagane systemy geotermalne).

Rys. 2 Schemat zamkniętego, współosiowego układu wymiennika ciepła w głębokim otworze wiertniczym (po lewej) i przekrój (po prawej) (Nibbs, Brown, Kolo, Watson, Falcone, 2023)

Takie rozwiązania testują m.in. CeraPhi Energy (https://ceraphi.com/), Geothermix (https://geothermixenergy.com/ ) czy Gradient Geothermal (https://www.gradientgeothermal.com/). Z kolei w Austrii opuszczone odwierty węglowodorowe znalazły praktyczne zastosowanie zasilając w wodę geotermalną uzdrowiska Loipersdorf i Waltersdorf. W Albanii woda ze starych szybów naftowych wykorzystywana jest do ogrzewania szklarni. Jeszcze większą skalę pokazuje przykład z Chin: w zagłębiu naftowym Shengli w latach 2002–2015 dzięki energii geotermalnej, ogrzewającej rejon Furong, zaoszczędzono około 30.000 ton węgla oraz 20.000 ton oleju opałowego.

3) Enhanced Oil Recovery (akr. EOR) – dodatkowa energia z procesów wydobycia

Kolejną ścieżką jest technologia EOR, czyli wtłaczanie do złoża płynów w celu zwiększenia ciśnienia i poprawy wydobycia węglowodorów. Choć w literaturze rzadko traktuje się EOR jako osobną metodę przejścia na geotermię (jej efekt energetyczny bywa zbliżony do koprodukcji), to jednak różnica tkwi w mechanizmie działania. W koprodukcji korzystamy z gorącej wody, naturalnie wydobywanej ze złoża razem z ropą i gazem. W EOR płyn jest sztucznie wstrzykiwany do złoża, a następnie część jego energii cieplnej odzyskujemy, gdy wraca na powierzchnię. Jedną z najciekawszych technik w ramach EOR jest drenaż grawitacyjny wspomagany parą (ang. Steam Assisted Gravity Drainage, akr. SAGD), metoda polega na wstrzyknięciu do złoża pary wodnej, aby podgrzać bardzo lepką ropę bitumiczną. Część pary wraca jako gorąca woda produkowana razem z ropą. Z tej powracającej gorącej wody można odzyskać energię (przed jej ponownym podgrzaniem i iniekcją). Tego typu rozwiązanie badane jest w Albercie (Kanada) w złożu piasków roponośnych Athabasca. Uzyskane do chwili obecnej wyniki sugerują, że istnieje spory potencjał odzysku energii geotermalnej, który można przeprowadzić w zbiornikach po SAGD.

Co jest potrzebne, aby to zadziałało

Nie każdy szyb naftowy czy gazowy nadaje się do roli odwiertu geotermalnego. Aby konwersja była możliwa i opłacalna, muszą zostać spełnione pewne warunki techniczne, geologiczne, lokalizacyjne i regulacyjne.

Kryteria inżynieryjne:

• odpowiednia głębokość – zazwyczaj od 800 m do 4 km, a najlepsze wyniki uzyskuje się przy odwiertach głębszych niż 2 km,
• młody wiek odwiertu to jednocześnie jego lepsza kondycja,
• odpowiednia produktywność – co najmniej 864 m³/dzień,
• typ wydobycia – odwierty ropne sprawdzają się lepiej niż gazowe,
• geometria – odwiert pionowy jest korzystniejszy niż horyzontalny
• integralność obudowy – dobre spoiwo obudowy, brak zakamienienia i korozji, brak uszkodzeń obudowy.

Kryteria geologiczne:

• temperatura na dnie szybu powyżej 70^oC (chociaż temperatury nawet rzędu 40⁰C mogą okazać się użyteczne),
• skały o wysokiej porowatości i przepuszczalności, które dobrze przewodzą ciepło i umożliwiają przepływ płynów.

Kryteria geograficzne:

• bliskość odbiorców ciepła lub/i energii elektrycznej,
• dostęp do dróg i infrastruktury energetycznej,
• lokalizacja na lądzie – z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia znacznie lepsza niż na morzu.

Kryteria regulacyjne:

• szyb nie był trwale opuszczony, najlepiej jeśli był nieaktywny krócej niż 12 miesięcy.

Dlaczego warto? Kluczowe korzyści

Przekształcanie odwiertów naftowych i gazowych w źródła geotermii niesie ze sobą wiele korzyści, zarówno ekonomicznych, jak i środowiskowych. Wśród najważniejszych warto wymienić:

• Niższe koszty inwestycyjne – prace wiertnicze stanowią główne koszty projektów geotermalnych. Wykorzystanie istniejących odwiertów może być opłacalne, ponieważ nie będą wymagały wiercenia ani infrastruktury powierzchniowej.
• Zaoszczędzony czas rozpoznania, eksploracji i wierceń – przeprowadzenie tych etapów w nowym projekcie zajmuje około 6 lat. Nawet w przypadku odwiertów, wymagających drobnej modernizacji, do rozpoczęcia projektu wymagana jest jedynie niewielka inwestycja.
• Minimalizacja ryzyka – firmy naftowe i gazowe dysponują ogromną bazą danych dla każdego odwiertu, od składu płynów, po historię produkcji. To bezcenne źródło informacji, które pozwala lepiej ocenić potencjał geotermalny i ograniczyć ryzyko inwestycyjne.
• Nowe życie dla starych szybów – zamiast generować koszty likwidacji, opuszczone odwierty można przekształcić w źródła czystej energii. Dzięki temu problem środowiskowy zmienia się w aktywo gospodarcze, które wspiera lokalne społeczności.
• Mniejsze obciążenie środowiska – nowe wiercenia wiążą się z ingerencją w przyrodę. Wykorzystując istniejące szyby, unikamy dodatkowych szkód środowiskowych, zmniejszając ślad węglowy inwestycji.
• Tańsza energia dla odbiorców – zmiana przeznaczenia opuszczonych odwiertów może przyczynić się do szerszego wdrożenia systemów geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej, to z kolei może skutkować mniejszymi kosztami energii dla klientów końcowych. Badania przeprowadzone w Ameryce Północnej, Europie oraz Azji pokazują, że koszty prądu spadają o 4 centy/kWh przy zastosowaniu tej technologii.

Wyzwania przy konwersji odwiertów

Choć wizja drugiego życia dla szybów naftowych brzmi kusząco, w praktyce wiąże się z szeregiem wyzwań technicznych i ekonomicznych. Przyjrzyjmy się niektórym z nich:

• Integralność odwiertów – wiele starszych szybów nie spełnia standardów współczesnej inżynierii. Mają nieszczelne cementowanie, skorodowane rury czy problemy z ciśnieniem. Takie odwierty trudno wykorzystać bez kosztownej rekonstrukcji, a początkowa oszczędność związana z gotowym otworem często znika w obliczu wysokich nakładów na modernizację.
• Niska sprawność konwersji – nie każdy odwiert ma odpowiednio wysoką temperaturę. Największym czynnikiem utrudniającym wykorzystanie energii geotermalnej jest niska sprawność wytwarzania energii, zwłaszcza w przypadku zasobów o niskiej i średniej temperaturze. Niska sprawność konwersji sprawia, że wytwarzanie energii geotermalnej jest mniej konkurencyjne cenowo.
• Ryzyko uszkodzeń formacji – eksploatacja geotermalna może prowadzić do wychładzania złoża i zaburzeń równowagi termiczno-chemicznej. Pojawiają się także procesy mechanicznego niszczenia skał pod powierzchnią. Aby eksploatacja była opłacalna, konieczne jest utrzymanie wysokiego tempa cyrkulacji płynów, a to bywa trudne.
• Chemia płynów – wody towarzyszące wydobyciu często są silnie zasolone i zawierają agresywne związki, takie jak CO₂ czy H₂S. Mogą one przyspieszać korozję rur i wymienników ciepła, a przy zmianach ciśnienia i temperatury powodować osadzanie się kamienia. To oznacza dodatkowe koszty konserwacji oraz ryzyko pogorszenia jakości płynów w systemie.
• Ekonomia – nawet jeśli technicznie wszystko działa, ekonomia pozostaje wyzwaniem. Instalacje ORC czy systemy closed-loop zwykle generują moc rzędu setek kilowatów do kilku megawatów. Konwersja odwiertu to koszt w granicach 2-7 milionów dolarów, zależnie od głębokości, lokalizacji i stanu technicznego. W wielu przypadkach opłacalność takich inwestycji staje więc pod znakiem zapytania.
• Lokalizacja – wiele odwiertów naftowych i gazowych znajduje się z dala od miast czy zakładów przemysłowych. Tam, gdzie zapotrzebowanie na ciepło i energię jest niewielkie, trudniej o ich ekonomiczne wykorzystanie.
• Regulacje i koncesje – odwierty naftowe i geotermalne często podlegają innym reżimom prawnym. Przekształcenia wymagają więc nowych licencji i często dodatkowych zezwoleń. Obecne przepisy dopuszczają jedynie krótki okres między zaprzestaniem wydobycia węglowodorów, a likwidacją odwiertu. Powstaje uzasadniona konieczność stworzenia jasnych regulacji zapewniających najlepszą ochronę interesów własnościowych, a także z punktu widzenia środowiskowego i społecznego zapewniających zrównoważone wykorzystanie zasobów geotermalnych.
• Akceptacja społeczna – nawet najlepszy projekt nie powiedzie się bez wsparcia lokalnych społeczności. Rekultywacja terenów poprzemysłowych i ich ponowne wykorzystanie w duchu zielonej transformacji wymaga dialogu i aktywnego włączenia interesariuszy, od mieszkańców po samorządy i organizacje społeczne.

Podsumowanie

Odwierty naftowe i gazowe powstawały z myślą o paliwach kopalnych. Dziś jednak mogą stać się narzędziem transformacji, zamieniając przeszłość w przyszłość. Zamiast być problemem i kosztownym odpadem, mogą dać ciepło domom, energię miastom i nowe życie całym regionom. To nie jest technologia wolna od wyzwań, jednakże obecnie trwające projekty dają możliwość obserwacji i wyciągania wniosków, przybliżając do znalezienia najbardziej optymalnych rozwiązań. Każdy szyb, któremu damy drugą szansę, to krok bliżej do gospodarki opartej na stabilnym, czystym źródle energii.

Bibliografia / Źródła:

• Repurposing Oil/Gas Wells for Geothermal Applications: An Experimental Study on the Geothermal Impacts of the Cycling System, Wei Xiong, Thomas Paronish, Meghan Brandi, Justin Mackey, Barbara Kutchko, Dustin Crandall, Danylo Oryshchyn, Saeed Salehi, 2025
• Repurposing Onshore Wells for Geothermal Use in the United Kingdom: Application as Deep Borehole Heat Exchangers, William Nibbs, Christopher S. Brown, Isa Kolo, Sean M. Watson, and Gioia Falcone, 2023
• A comprehensive review of geothermal energy extraction and utilization in oilfields, Kai Wanga, Bin Yuanb, Guomin Jia, Xingru Wu, 2018
• A comprehensive analysis of repurposing abandoned oil wells for different energy uses: Exploration, applications, and repurposing challenges, Ajan Meenakshisundaram, Olusegun Stanley Tomomewo, Laalam Aimen, Shree Om Bade
• OIL PRODUCTION WASTE STREAM, A SOURCE OF ELECTRICAL POWER, Lyle A. Johnson, PE and Everett D. Walker, 2010
• Repurposing Abandoned Oil and Gas Wells for Geothermal Applications, Josiane Jello, Tugce Baser, 2022
• On geothermal energy recovery from post-SAGD reservoirs, Jingyi Wang , Ian D. Gates, 2023
• Novel Approach to Co-Produce Geothermal Energy from Oil and Gas Wells, Ismail Ceyhan, John Bowling, Sharat Chandrasekhar and P.V. (Suri) Suryanarayana, 2023
• https://www.hw.ac.uk/news/2024/repurposing-oil-and-gas-infrastructure-a-geothermal-revolution-in-the-north-sea-1 (dostęp 14.08.2025)
• https://www.youtube.com/watch?v=iVu9BBMRExc (dostęp 14.08.2025)
• https://www.thinkgeoenergy.com/wyoming-site-of-co-produced-fluids-demonstration-project-by-rmotc/  (dostęp 15.08.2025)
• https://www.thinkgeoenergy.com/interview-repurposing-oil-and-gas-assets-for-geothermal-with-ceraphi-energy/ (dostęp 16.08.2025)
• https://www.thinkgeoenergy.com/how-could-geothermal-energy-be-derived-from-oil-wells/ (dostęp 16.08.2025)
• https://climateadaptationplatform.com/tapping-old-oil-wells-to-power-the-future-with-geothermal-energy/ (dostęp 16.08.2025)