Метан угольных пластов ( CBM или метан угольных пластов ), [1] газ угольных пластов или газ угольных пластов ( CSG [1] ) — это форма природного газа, добываемого из угольных пластов. [2] В последние десятилетия он стал важным источником энергии в Соединенных Штатах, Канаде, Австралии и других странах.
Термин относится к метану , абсорбированному в твердую матрицу угля. Его называют «сладким газом» из-за отсутствия в нем сероводорода . Присутствие этого газа хорошо известно по его появлению в подземной добыче угля, где он представляет серьезную угрозу безопасности . Метан угольных пластов отличается от типичного песчаника или другого обычного газового резервуара, поскольку метан хранится внутри угля с помощью процесса, называемого адсорбцией . Метан находится в почти жидком состоянии, выстилая внутреннюю часть пор в угле (называемых матрицей). Открытые трещины в угле (называемые клитами) также могут содержать свободный газ или могут быть насыщены водой. [ необходима цитата ]
В отличие от большей части природного газа из обычных резервуаров, метан угольных пластов содержит очень мало более тяжелых углеводородов, таких как пропан или бутан , и не содержит конденсата природного газа . Он часто содержит до нескольких процентов углекислого газа . Метан угольных пластов обычно образуется из-за термического созревания керогена и органического вещества, в отличие от угольных пластов с регулярным пополнением грунтовых вод , где метан обычно вырабатывается микробными сообществами, живущими in situ . [3] [4]
Угольный метан образовался в результате выброса метана из угольных пластов. Некоторые угольные пласты давно известны как «газоносные», и в качестве меры безопасности в пласты с поверхности бурили скважины, и давали метану выходить перед добычей.
Метан угольных пластов как ресурс природного газа получил мощный толчок со стороны федерального правительства США в конце 1970-х годов. Федеральный контроль цен препятствовал бурению скважин на природный газ, удерживая цены на природный газ ниже рыночного уровня; в то же время правительство хотело стимулировать большую добычу газа. Министерство энергетики США финансировало исследования ряда нетрадиционных источников газа, включая метан угольных пластов. Метан угольных пластов был освобожден от федерального контроля цен, а также получил федеральный налоговый кредит.
В Австралии коммерческая добыча угольного газа началась в 1996 году в бассейне Боуэн в Квинсленде . [5]
Газ, содержащийся в метане угольных пластов, в основном представляет собой метан и следовые количества этана , азота , углекислого газа и нескольких других газов. Внутренние свойства угля, обнаруженные в природе, определяют количество газа, которое может быть извлечено.
Угольные пласты метана рассматриваются как коллекторы двойной пористости. Коллекторы двойной пористости - это коллекторы, в которых пористость, связанная с кливажами (естественными трещинами), отвечает за поведение потока, а пористость матрицы коллектора отвечает за хранение газа. Пористость угольного пласта метана может варьироваться от 10% до 20%; Однако пористость кливажа коллектора оценивается в диапазоне 0,1% - 1% [6]
Адсорбционная способность угля определяется как объем газа, адсорбированного на единицу массы угля, обычно выражаемый в SCF ( стандартных кубических футах , объем при стандартных условиях давления и температуры) газа/тонну угля. Адсорбционная способность зависит от сорта и качества угля. Диапазон обычно составляет от 100 до 800 SCF/тонну для большинства угольных пластов, обнаруженных в США. Большая часть газа в угольных пластах находится в адсорбированной форме. Когда резервуар вводится в эксплуатацию, вода из трещинных пространств откачивается в первую очередь. Это приводит к снижению давления, усиливая десорбцию газа из матрицы. [7]
Проницаемость трещин выступает в качестве основного канала для потока газа. Чем выше проницаемость, тем выше добыча газа. Для большинства угольных пластов, обнаруженных в США, проницаемость лежит в диапазоне 0,1–50 миллидарси. Проницаемость трещиноватых резервуаров изменяется в зависимости от приложенного к ним напряжения. Уголь демонстрирует чувствительную к напряжению проницаемость, и этот процесс играет важную роль во время стимуляции и производственных операций [8] [ необходима ссылка ] . [9] Проницаемость трещин в метановом резервуаре угольных пластов имеет тенденцию увеличиваться с истощением газа; в отличие от обычных резервуаров. Это уникальное поведение обусловлено усадкой угля, когда метан высвобождается из его матрицы, что приводит к раскрытию трещин и повышению проницаемости. [10] Также считается, что из-за усадки угольной матрицы при более низких давлениях резервуара происходит потеря горизонтального напряжения в резервуаре, что вызывает разрушение угля на месте. Такой отказ был приписан внезапному снижению проницаемости трещин в резервуаре [11] [9]
Толщина пласта может быть не прямо пропорциональна объему добываемого газа в некоторых районах. [ необходима цитата ]
Например, в бассейне Чероки на юго-востоке Канзаса было замечено , что скважина с одной зоной от 1 до 2 футов (от 0,3 до 0,6 м) может давать отличные дебиты газа, тогда как альтернативная формация с вдвое большей толщиной может давать почти ничего. Некоторые угольные (и сланцевые) формации могут иметь высокие концентрации газа независимо от толщины формации, вероятно, из-за других факторов геологии области. [ необходима цитата ]
Разница давлений между блоком скважины и песчаным забоем должна быть максимально высокой, как и в случае с любым продуктивным пластом в целом. [ необходима цитата ]
Другие влияющие параметры включают плотность угля, начальную концентрацию газовой фазы, критическую газонасыщенность, остаточную водонасыщенность, относительную проницаемость для воды и газа при условиях Sw = 1,0 и Sg = 1-Sw неснижаемая соответственно. [ необходима ссылка ]
Для извлечения газа в угольном пласте на глубине от 100 до 1500 метров (от 330 до 4920 футов) под землей бурится скважина со стальной оболочкой. Поскольку давление в угольном пласте падает из-за естественной добычи или откачки воды из угольного пласта, и газ, и добываемая вода выходят на поверхность через трубы. Затем газ отправляется на компрессорную станцию и в газопроводы. Производимая вода либо закачивается обратно в изолированные пласты, сбрасывается в ручьи, используется для орошения или отправляется в испарительные пруды. Вода обычно содержит растворенные твердые вещества, такие как бикарбонат натрия и хлорид , но варьируется в зависимости от геологии пласта. [12]
Скважины угольного метана часто добывают газ с более низкими дебитами, чем обычные резервуары, обычно достигая пика около 300 000 кубических футов (8 500 м 3 ) в день (около 0,100 м³/с), и могут иметь большие начальные затраты. Профили добычи скважин CBM обычно характеризуются «отрицательным спадом», при котором дебит газа изначально увеличивается по мере откачки воды и начала десорбции и вытекания газа. Сухая скважина CBM похожа на стандартную газовую скважину. [ необходима цитата ]
Процесс десорбции метана следует кривой (содержания газа против пластового давления), называемой изотермой Ленгмюра . Изотерму можно аналитически описать максимальным содержанием газа (при бесконечном давлении) и давлением, при котором половина этого газа находится в угле. Эти параметры (называемые объемом Ленгмюра и давлением Ленгмюра соответственно) являются свойствами угля и сильно различаются. Уголь в Алабаме и уголь в Колорадо могут иметь радикально разные параметры Ленгмюра, несмотря на в остальном схожие свойства угля. [ необходима цитата ]
Поскольку добыча ведется из угольного пласта, считается, что изменения давления вызывают изменения пористости и проницаемости угля. Это обычно известно как усадка/набухание матрицы. По мере того, как газ десорбируется, давление, оказываемое газом внутри пор, уменьшается, заставляя их уменьшаться в размерах и ограничивая поток газа через уголь. По мере того, как поры сжимаются, общая матрица также сжимается, что в конечном итоге может увеличить пространство, через которое может проходить газ (клипсы), увеличивая поток газа. [ необходима цитата ]
Потенциал конкретного угольного пласта как источника CBM зависит от следующих критериев. Плотность/интенсивность кливажей: кливажи — это соединения, заключенные в угольных пластах. Они придают проницаемость угольному пласту. Высокая плотность кливажей необходима для прибыльной эксплуатации CBM. Также важен мацеральный состав: мацерал — это микроскопическая, однородная, петрографическая сущность соответствующей осадочной породы. Высокий состав витринита идеален для извлечения CBM, в то время как инертинит затрудняет это. [ необходима цитата ]
Марка угля также связана с содержанием метана в угольных пластах: установлено, что отражательная способность витринита 0,8–1,5% указывает на более высокую продуктивность угольного пласта. [ необходима ссылка ]
Состав газа необходимо учитывать, поскольку газовые приборы рассчитаны на газ с теплотворной способностью около 1000 БТЕ ( британских тепловых единиц ) на кубический фут, или почти чистый метан. Если газ содержит более нескольких процентов негорючих газов, таких как азот или углекислый газ , их придется либо удалить, либо смешать с газом с более высокой БТЕ для достижения качества трубопровода . Если метановый состав угольного газа составляет менее 92%, он может оказаться непригодным для коммерческого использования. [ требуется цитата ]
Как и все виды ископаемого топлива на основе углерода, сжигание метана угольных пластов приводит к выбросу углекислого газа (CO2 ) в атмосферу. Его воздействие как парникового газа впервые проанализировал химик и физик Сванте Аррениус . Производство метана в угольных пластах также влечет за собой утечки летучего метана в атмосферу. Метан оценивается как имеющий в 72 раза больший эффект на глобальное потепление на единицу массы, чем CO2 . за 20 лет, сокращаясь до 25 раз за 100 лет и в 7,5 раз за 500 лет. [13] Анализ выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла источников энергии показывает, что производство электроэнергии из метана в угольных пластах, как и из обычного природного газа, имеет менее половины парникового эффекта угля. [14]
Многочисленные австралийские исследования показали долгосрочные негативные экологические последствия добычи газа из угольных пластов как на местном, так и на глобальном уровне. [15] [16] [17] [18] [19]
В Соединенных Штатах выбросы метана из угля во время добычи составляют семь процентов от общего объема выбросов метана . [20] Извлечение метана из угольных шахт до начала добычи рассматривается как важная возможность сокращения выбросов метана. [ необходима ссылка ] Такие компании, как CNX Resources, имеют программы по снижению выбросов метана для сокращения выбросов парниковых газов из действующих и закрытых шахт. [21]
Скважины МУП соединены сетью дорог, трубопроводов и компрессорных станций. Со временем скважины могут быть расположены ближе друг к другу, чтобы извлечь оставшийся метан.
Производимая вода, выносимая на поверхность в качестве побочного продукта добычи газа, сильно различается по качеству в зависимости от региона, но может содержать нежелательные концентрации растворенных веществ, таких как соли , природные химикаты, тяжелые металлы и радионуклиды . [22] Во многих регионах добычи вода очищается, например, с помощью установки обратного осмоса , и используется с пользой для орошения, в качестве воды для скота, в городских и промышленных целях или для подавления пыли.
В 2012 году Eastern Star Gas была оштрафована за «сброс загрязняющей воды с высоким содержанием соли в ручей Богена» в Пиллига-Скраб. [23] Было «16 разливов или утечек загрязненной воды», включая «серьезные разливы соленой воды в лес и ручей». [24] В 2012 году расследование Законодательного совета Нового Южного Уэльса [25] подвергло критике использование открытых прудов-накопителей, рекомендовав «правительству Нового Южного Уэльса запретить открытое хранение произведенной воды». [25] [26]
Не вся вода, добываемая из угольного метана, является соленой или иным образом нежелательной. Вода из скважин с угольным метаном в бассейне реки Паудер в Вайоминге, США, обычно соответствует федеральным стандартам питьевой воды и широко используется в этом районе для поения скота. [27] Ее использование для орошения ограничено ее относительно высоким коэффициентом адсорбции натрия .
В зависимости от связности водоносного слоя, забор воды может привести к снижению водоносных слоев на большой площади и повлиять на потоки грунтовых вод. [28] В Австралии отрасль метана метана оценивает добычу от 126 000 миллионов литров (3,3 × 10 10 галлонов США) до 280 000 миллионов литров (7,4 × 10 10 галлонов США) грунтовых вод в год; в то время как Национальная водная комиссия оценивает добычу более 300 000 миллионов литров (7,9 × 10 10 галлонов США) в год. [22]
В 2012 году компания Aspen Skiing Company построила завод по переработке метана в электроэнергию мощностью 3 мегаватта в Сомерсете, штат Колорадо, на шахте Элк-Крик компании Oxbow Carbon. [29]
Ресурсы угольного пластового газа находятся в основных угольных бассейнах Квинсленда и Нового Южного Уэльса, а также в Южной Австралии. Коммерческая добыча угольного пластового газа (CSG) началась в Австралии в 1996 году. По состоянию на 2014 год угольный пластовый газ из Квинсленда и Нового Южного Уэльса составлял около десяти процентов от добычи газа в Австралии. Подтвержденные запасы оценивались в 33 триллиона кубических футов (35 905 петаджоулей) по состоянию на январь 2014 года. [30]
В Канаде, Британская Колумбия , по оценкам, имеет приблизительно 90 триллионов кубических футов (2,5 триллиона кубических метров) угольного газа. Альберта , в 2013 году, была единственной провинцией с коммерческими скважинами угольного метана и, по оценкам, имеет приблизительно 170 триллионов кубических футов (4,8 триллиона кубических метров) экономически извлекаемого угольного метана, с общими запасами, составляющими до 500 триллионов кубических футов (14 триллионов кубических метров). [31] [32]
Метан угольных пластов считается невозобновляемым ресурсом , хотя Исследовательский совет Альберты , Геологическая служба Альберты и другие утверждают, что метан угольных пластов является возобновляемым ресурсом, поскольку бактериальная деятельность, которая образовала метан, продолжается. [ требуется ссылка ] Это является предметом дебатов, поскольку также было показано, что обезвоживание, которое сопровождает производство МУП, разрушает условия, необходимые для того, чтобы бактерии производили метан [33], а скорость образования дополнительного метана не определена. Эти дебаты в настоящее время вызывают проблему права собственности в канадской провинции Альберта , поскольку только невозобновляемые ресурсы могут законно принадлежать провинции. [34]
Хотя запасы газа в угольных месторождениях Великобритании оцениваются в 2900 миллиардов кубических метров, может оказаться, что экономически извлекаемым может быть всего один процент. Потенциал метана угольных пластов Великобритании в значительной степени не изучен. Часть метана извлекается в ходе операций по вентиляции угольных шахт и сжигается для выработки электроэнергии. Оценка частной промышленностью угольных метановых скважин независимо от добычи началась в 2008 году, когда было выдано 55 лицензий на разведку на суше, охватывающих 7000 квадратных километров потенциальных зон метана угольных пластов. IGas Energy стала первой в Великобритании, которая начала коммерческую добычу метана угольных пластов отдельно от вентиляции шахт; по состоянию на 2012 год угольные метановые скважины Igas в Доу Грин, извлекающие газ для выработки электроэнергии, были единственными коммерческими скважинами метана угольных пластов в Великобритании. [35] Использование метана угольных пластов (в ГВт·ч) для выработки электроэнергии в Великобритании показано ниже. [36]
Добыча метана угольных пластов в США в 2017 году составила 1,76 триллиона кубических футов (TCF), 3,6 процента от всей добычи сухого газа в США в том году. Добыча в 2017 году снизилась по сравнению с пиковым значением в 1,97 TCF в 2008 году. [37] Большая часть добычи метана угольных пластов пришлась на штаты Скалистых гор: Колорадо, Вайоминг и Нью-Мексико.
По мнению специалистов отрасли, в ближайшие десятилетия Казахстан может стать свидетелем развития крупного сектора угольного метана (МУП). [38] Предварительные исследования показывают, что в основных угольных месторождениях Казахстана может быть до 900 млрд м3 газа — 85% всех запасов в Казахстане.
Great Eastern Energy (GEECL) была первой компанией, утвердившей план разработки месторождения. После завершения бурения 23 вертикальных эксплуатационных скважин компанией GEECL угольный метан стал коммерчески доступен в Индии 14 июля 2007 года по цене CNG в ₹30 за кг. Первоначально 90% CBM будет распределяться как CNG для заправки транспортных средств.
GEECL отвечает за первую в Юго-Восточной Азии станцию CBM и также строит еще одну в городе Асансол в Западной Бенгалии .
Прашант Моди, президент и главный операционный директор GEECL, сказал: «Поскольку страна нуждается в более высоких источниках энергии для поддержания темпов своего развития, мы уверены, что угольный метан будет играть важную роль в качестве одного из основных источников энергии для будущих поколений». [39]
Портфель CBM Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd. группы Essar Group включает 5 блоков. В настоящее время только один из них, Raniganj East, находится в эксплуатации. Другие включают Rajmahal в Джаркханде, Talcher и Ib Valley в Одише и Sohagpur в Мадхья-Прадеше. 5 блоков обладают предполагаемыми 10 триллионами кубических футов (CBF) запасов CBM.
{{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite news}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite news}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite web}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)