Көмір қабаттық метаны

Кіріспе

Көмір қабаттарынан алынатын табиғи газдың түрі. Көмір қабаттық метаны (CBM немесе көмір қабаттық метаны), көмір қабаттық газы немесе көмір тізбектік газы (CSG). Соңғы онжылдықтарда АҚШ, Канада, Австралия және басқа да елдерде маңызды энергия көзіне айналды. Бұл термин көмірдің қатты матрицасына сіңген метанды білдіреді. Оның құрамында күкірттегі жоқ болғандықтан "тәтті газ" деп аталады. Бұл газдың болуы жер асты көмір өндірісінде белгілі, онда ол қауіпсіздік үшін үлкен қауіп тудырады. Көмір қабаттық метаны әдеттегі құмтас немесе басқа дәстүрлі газ қоймасынан өзгеше, себебі метан көмірдің ішінде адсорбция деп аталатын процесте сақталады. Метан дерлік сұйық күйде болады және көмірдің ішіндегі тесіктердің (матрица деп аталады) ішкі бетін жабады. Көмірдегі ашық жарықтарда (клейттер деп аталады) еркін газ болуы мүмкін немесе сумен толыққан болуы мүмкін. Дәстүрлі резервуарлардан алынатын көптеген табиғи газдардан айырмашылығы, көмір қабаттық метанында пропан немесе бутан сияқты ауыр көмірсутектер өте аз және табиғи газ конденсаты жоқ. Көбінесе құрамында бірнеше процент көмірқышқыл газы болады. Көмір қабаттық метаны әдетте кероген мен органикалық заттардың жылулық пісіп жетілуі нәтижесінде пайда болады, ал тұрақты жер асты суларымен толыққан көмір қабаттарынан айырмашылығы, онда метанды әдетте жерде тіршілік ететін микробтық қоғамдастықтар өндіреді.

Тарих

Көмір қабаттарындағы метан көмір қабаттарынан метанның шығарылуынан пайда болды. Кейбір көмір қабаттарының ұзақ жылдардан бері "газды" екені белгілі болғандықтан, қауіпсіздік шарасы ретінде, шахта жұмыстарына кіріспес бұрын, жер бетінен қабаттарға тесіктер бұрғыланып, метан шығарылатын болды. Көмір қабаттарындағы метан табиғи газ ресурсы ретінде 1970 жылдардың соңында АҚШ федералды үкіметінің күшті қолдауын алды. Федералдық бағаны реттеу табиғи газ бағасын нарықтық деңгейден төмен ұстап, табиғи газты бұрғылауға кедеріл келтірді; сонымен бірге, үкімет газ өндірісін көбейтуді қалады. АҚШ Энергетика министрлігі дәстүрлі емес газ көздерін, соның ішінде көмір қабаттарындағы метанды зерттеуді қаржыландырды. Көмір қабаттарындағы метан федералдық бағаны реттеуден босатылды және федералдық салық жеңілдігі де берілді. Австралияда көмір қабаттарынан газды коммерциялық түрде өндіру 1996 жылы Квинсленд штатының Боуэн алқабында басталды.

Су қоймасының қасиеттері

Көмір қабатындағы метан құрамында негізінен метан және этан, азот, көмірқышқыл газы сияқты аз мөлшердегі газдар бар. Көмірдің табиғатта кездесетін ішкі қасиеттері қанша газ өндірілуін анықтайды.

Көлдірлілігі

Көмір қабаттық метаны резервуарлары қос кезеңді резервуарлар ретінде қарастырылады. Қос кезеңді резервуарлар – бұл резервуарлар, онда жарықтарға (табиғи жарықтарға) байланысты кезеңділік ағын мінез-құлқына жауапты, ал матрицаның резервуарлық кезеңділігі газды сақтауға жауапты болады. Көмір қабаттық метаны резервуарының кезеңділігі 10%-дан 20%-ға дейін ауытқуы мүмкін; алайда, резервуардың жарықты кезеңділігі 0,1%-дан 1%-ға дейін деп бағаланады.

Адсорбциялық қуат

Көмірдің адсорбциялық сыйымдылығы – бұл көмірдің бірлік массасына жұтылған газдың көлемі, әдетте стандартты текше фут (стандартты қысым және температура жағдайындағы көлем) газ/тонна көмірмен өлшенеді. Газды жұту қабілеті көмірдің сапасы мен маркасына байланысты. АҚШ-та кездесетін көптеген көмір қабаттары үшін бұл көрсеткіш әдетте 100 мен 800 SCF/тонна аралығында болады. Көмір қабаттарындағы газдың көп бөлігі жұтылған күйде болады. Қабатты өндіріске қосатын кезде, алдымен жарықтардағы су сығылып шығарылады. Бұл матрицадан газдың десорбциялануын күшейтетін қысымның төмендеуіне алып келеді.

Сынған жердің өткізгіштігі

Жарақаяңғыш өткізгіштік газ ағынының негізгі арнасы болып табылады. Өткізгіштік неғұрлым жоғары болса, газ өндірісі де соғұрлым жоғары болады. АҚШ-та табылған көптеген көмір қабаттары үшін өткізгіштік 0,1–50 миллидарси аралығында болады. Жарақаяңғыш резервуарлардың өткізгіштігі оларға түсірілген күштің өзгеруіне байланысты өзгереді. Көмір күшке сезімтал өткізгіштікке ие, және бұл процесс стимуляция және өндіріс операциялары кезінде маңызды рөл атқарады. Көмір асты метан резервуарларындағы жарақаяңғыш өткізгіштік газ азайған сайын көбейеді, бұл дәстүрлі резервуарлардан өзгеше. Бұл ерекшелік көмірдің метанды матрицасынан шығарғанда қысқаруына байланысты, бұл жарақаяңдардың ашылуына және өткізгіштіктің артуына әкеледі. Сондай-ақ, резервуардағы төмен қысымда көмір матрицасының қысқаруы резервуардағы көлденең кернеудің жоғалуына және көмірдің істен шығуына себеп болады деп есептеледі. Мұндай істен шығу резервуардың жарақаяңғыш өткізгіштігінің күрт төмендеуімен байланысты.

Көмір асты метан ұңғымалары әдетте дәстүрлі резервуарларға қарағанда төмен газ дебитімен өндіріледі, әдетте тәулігіне шамамен 0,100 м³/с-қа жетеді және бастапқы шығындары жоғары болуы мүмкін. КБМ ұңғымаларының өндіріс профилі әдетте "теріс төмендеумен" сипатталады, онда газ өндіріс дебиті бастапқыда су сорғыланғанда және газ десорбцияланып, ағып бастағанда артады. Құрғақ КБМ ұңғымасы стандартты газ ұңғымасына ұқсас. Метан десорбциясы процесі газ мазмұны мен резервуар қысымы арасындағы байланысты көрсететін Лангмуир изотермасы деп аталатын қисық бойынша жүреді. Изотерманы шексіз қысымдағы ең жоғары газ мазмұны және көмірдегі газдың жартысы болатын қысым арқылы талдамалық түрде сипаттауға болады. Бұл параметрлер (тиісінше Лангмуир көлемі және Лангмуир қысымы) көмірдің қасиеттері болып табылады және кең ауқымда өзгереді. Алабамадағы және Колорадодағы көмірлердің көмірлік қасиеттері ұқсас болса да, Лангмуир параметрлері айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Көмір қабаттарынан өндіріс жүргізілген кезде, қысымның өзгеруі көмірдің кеуектілігі мен өткізгіштігінің өзгеруіне әкеледі деп есептеледі. Бұл көбінесе матрицаның қысқаруы/ісінуі деп аталады. Газ десорбцияланғанда, газдың тесіктердегі қысымы төмендейді, бұл олардың көлемін қысқартады және көмір арқылы газ ағынын шектейді. Тесіктер қысқарғанда, жалпы матрица да қысқарады, бұл газдың өте алатын кеңістігін (жарақаяңдарды) арттырып, газ ағынын жоғарылатады. Белгілі бір көмір қабатының КБМ көзі ретіндегі әлеуеті келесі критерийлерге байланысты. Жарақаяңдардың тығыздығы/интенсивтігі: жарақаяңдар көмір қабаттарында орналасқан жарылымдар. Олар көмір қабатына өткізгіштік қасиетін береді. КБМ-ді пайдалы өндіру үшін жарақаяңдардың жоғары тығыздығы қажет. Мацералдық құрамы да маңызды: мацерал - сәйкес шөгінді тау жынысының микроскопиялық, біртекті, петрографиялық құрауы. Жоғары витринит құрамы КБМ өндірісі үшін қолайлы, ал инертинит оған кедергі келтіреді. Көмірдің деңгейі де КБМ мазмұнымен байланысты: 0,8–1,5% витриниттің шағылысуы көмір қабатының өнімділігін арттырады. Газ құрамын ескеру қажет, өйткені табиғи газ құрылғылары бір текше футқа шамамен 1000 БТУ (британдық жылу бірлігі) жылулық мәні бар газға немесе таза метанға арналған. Газ құрамында азот немесе көмірқышқыл газы сияқты жанбайтын газдардың үлесі бірнеше пайыз болса, оларды жою қажет немесе құбырлық сапаға жету үшін жоғары БТУ газымен араластыру қажет. Егер көмір асты газындағы метанның үлесі 92%-дан кем болса, онда оны коммерциялық тұрғыдан сату мүмкін болмайды.

Coalbed methane wells often produce at lower gas rates than conventional reservoirs, typically peaking at near per day (about 0.100 m³/s), and can have large initial costs. The production profiles of CBM wells are typically characterized by a "negative decline" in which the gas production rate initially increases as the water is pumped off and gas begins to desorb and flow. A dry CBM well is similar to a standard gas well. The methane desorption process follows a curve (of gas content vs. reservoir pressure) called a Langmuir isotherm. The isotherm can be analytically described by a maximum gas content (at infinite pressure), and the pressure at which half that gas exists within the coal. These parameters (called the Langmuir volume and Langmuir pressure, respectively) are properties of the coal, and vary widely. A coal in Alabama and a coal in Colorado may have radically different Langmuir parameters, despite otherwise similar coal properties. As production occurs from a coal reservoir, the changes in pressure are believed to cause changes in the porosity and permeability of the coal. This is commonly known as matrix shrinkage/swelling. As the gas is desorbed, the pressure exerted by the gas inside the pores decreases, causing them to shrink in size and restricting gas flow through the coal. As the pores shrink, the overall matrix shrinks as well, which may eventually increase the space the gas can travel through (the cleats), increasing gas flow. The potential of a particular coalbed as a CBM source depends on the following criteria. Cleat density/intensity: cleats are joints confined within coal sheets. They impart permeability to the coal seam. A high cleat density is required for profitable exploitation of CBM. Also important is the maceral composition: maceral is a microscopic, homogeneous, petrographic entity of a corresponding sedimentary rock. A high vitrinite composition is ideal for CBM extraction, while inertinite hampers the same. The rank of coal has also been linked to CBM content: a vitrinite reflectance of 0.8–1.5% has been found to imply higher productivity of the coalbed. The gas composition must be considered, because natural gas appliances are designed for gas with a heating value of about 1,000 BTU (British thermal units) per cubic foot, or nearly pure methane. If the gas contains more than a few percent non flammable gases such as nitrogen or carbon dioxide, either these will have to be removed or it will have to be blended with higher BTU gas to achieve pipeline quality. If the methane composition of the coalbed gas is less than 92%, it may not be commercially marketable.

Метан

Көміртегі негізделген барлық табиғи отындар сияқты, көмір қабатындағы метанды жағу атмосфераға көмірқышқыл газын (CO2) шығарады. Оның парниктік газ ретіндегі әсерін алғаш рет химик және физик Сванте Аррениус талдады. Көмір қабатындағы метан өндірісі атмосфераға қашып бара жатқан метанның таралуына да себеп болады. Метанның масса бірлігіне шаққанда, CO2-ге қарағанда, жаһандық жылынуға тигізетін әсері 72 есе жоғары. 20 жыл ішінде бұл көрсеткіш 25 есеге, 100 жыл ішінде 7,5 есеге, ал 500 жыл ішінде 7 есеге төмендейді. Энергия көздерінің толық өмірлік циклындағы парниктік газдар эмиссиясын талдау көрсеткендей, дәстүрлі табиғи газ сияқты, көмір қабатындағы метандан электр энергиясын өндірудің парниктік газ әсері, көмірге қарағанда екі еседен астам төмен. Австралияда жүргізілген бірнеше зерттеулер көмір қабаттарынан газ өндірудің жергілікті және жаһандық деңгейдегі ұзақ мерзімді теріс экологиялық салдарларын көрсетті. АҚШ-та, көмір өндіру кезінде атмосфераға шығатын метан, жалпы метан эмиссиясының жеті пайызын құрайды. Көмір кенінен метанды өндіру жұмыстарына кіріспес бұрын оны қайта өңдеу, метан эмиссиясын азайтудың маңызды мүмкіндігі саналады. CNX Resources сияқты компаниялар, активті және жабық шахталардан шығатын парниктік газдарды азайту мақсатында метанды азайту бағдарламаларын жүзеге асырып жатыр.

Инфрақұрылым

CBM ұңғымалары жолдар, құбырлар және компрессорлық станциялар желісімен байланысты. Уақыт өте келе, қалған метанды өндіру үшін ұңғымалардың арасын тығыздау мүмкін.

Өндірілген су

Газ өндірудің қосалқы өнімі ретінде жер бетіне көтерілетін судың сапасы аймақтар бойынша күрт өзгереді, бірақ тұздар, табиғи химиялық заттар, ауыр металдар және радионуклидтер сияқты еріген заттардың қажетсіз концентрацияларын қамтуы мүмкін. Көптеген газ өндіретін аймақтарда бұл су кері осмостық станциялар арқылы тазартылып, суаруға, мал суаруға, қалалық және өнеркәсіптік қажеттерге немесе шаңды басуға пайдаланылады.

Пилига бұтасы

2012 жылы "Eastern Star Gas" компаниясы "Пиллига Scrub" аймағындағы "Бохена Creek" өзеніне жоғары тұз концентрациясы бар ластаушы суды құйғаны үшін айыппұл төледі. "Ластанған судың 16 рет төгілуі немесе ағуы" тіркелді, оның ішінде "орман және өзенге тұзды судың ірі көлемде төгілуі" де болды. 2012 жылы NSW Заңнамалық Кеңесінің сараптамасы ашық жинақтағыштарды пайдалануды сынап, "NSW үкіметі өндірілген суды ашық сақтауға тыйым салсын" деген ұсыныс жасады.

Powder River бассейні

Метаннан алынған судың бәрі тұзды немесе басқа да қанағаттандырмас емес. АҚШ-тың Вайоминг штатындағы Powder River бассейніндегі көмір қабаты метандық ұңғымалардан алынған су көбінесе федералдық ауыз су стандарттарына сай келеді және аймақта мал суаруға кеңінен қолданылады. Оның суаруда қолданылуы салыстырмалы түрде жоғары натрий сіңіру коэффициентімен шектеледі.

Жер асты сулары

Су қоймаларының байланысына қарай, су тартылуы кең аумақта су жинағыштардың деңгейін төмендетуі және жер асты суларының ағысына әсер етуі мүмкін. Австралияда көмір қабатты газ (CBM) индустриясы жылына шамамен судың өндірілуін күтеді; ал Ұлттық су комиссиясы бір жылда су өндірілуі одан да көп болатынын бағалайды.

Канада

Канадада Британдық Колумбияда шамамен көмір қабатындағы газдың бар екені бағаланады. 2013 жылы Альберта коммерциялық көмір қабатындағы метан ұңғымалары бар жалғыз провинция болды және экономикалық тұрғыдан өндірілуге жарамды көмір қабатындағы метанның шамамен бар екені есептеледі, ал жалпы қоры шамамен құрайды. Көмір қабатындағы метан жаңартылмайтын ресурс саналады, бірақ Альберта ғылыми-зерттеу кеңесі, Альберта геологиялық қызметі және басқалар метанды құрайтын бактериялық процестер жалғасуда деген үмітпен, көмір қабатындағы метанды жаңартылатын ресурс деп санайды. Бұл мәселе пікірталас тудырады, себебі КБМ өндірісімен байланысты суды сығу бактериялардың метан өндіруіне қажетті жағдайларды жояды және қосымша метанның пайда болу қарқыны белгісіз. Бұл пікірталас қазіргі уақытта Канаданың Альберта провинциясында меншік құқығына қатысты мәселенің туындауына себеп болып отыр, өйткені провинцияға заңды түрде тек жаңартылмайтын ресурстар ғана тиесілі болуы мүмкін.

Ұлыбритания

Британияның көмір кен орындарындағы газ қоры 2900 миллиард текше метрге бағаланғанмен, оның экономикалық тұрғыдан пайдалы болуы мүмкін бөлігі бір пайызды құрауы ықтимал. Ұлыбританияның CBM әлеуеті көбінесе зерттелмеген. Метанның бір бөлігі көмір шахталарын желдету кезінде алынып, электр энергиясын өндіру үшін жағылады. Жеке компаниялардың көмір кен орнындағы метан ұңғымаларын шахта жұмыстарынан тәуелсіз бағалауы 2008 жылы басталды, сол кезде 7000 шаршы километр көмір кен орнындағы метан аймақтарын қамтитын 55 құрлықтағы барлау лицензиясы берілді. IGas Energy Ұлыбританияда шахтадан бөлек көмір астындағы метанды коммерциялық түрде өндірген алғашқы компания болды; 2012 жылдан бастап Doe Green-дегі IGas көмір астындағы метан ұңғымалары электр энергиясын өндіру үшін газ өндіріп, Ұлыбританиядағы жалғыз коммерциялық CBM ұңғымалары есебінде тіркелді. Ұлыбританияда электр энергиясын өндіруде CBM-нің (GWh) қолданылуы төменде көрсетілгендей.

Америка Құрама Штаттары

2017 жылы АҚШ-тың көмір қабаттарынан метан өндірісі 1,76 триллион куб фунт (TCF) құрады, бұл сол жылы АҚШ-тың құрғақ газдың барлық өндірісінің 3,6 пайызына тең. 2017 жылғы өндіріс 2008 жылғы 1,97 ТКФ ең жоғары көрсеткіштен төмен болды. Метанның көп бөлігі Колорадо, Вайоминг және Нью-Мексико штаттарындағы Роки таулары аймағынан өндірілді.

Қазақстан

Қазақстан алдағы онжылдықтарда ірі көмір қабаттық метаны (КҚМ) саласының дамуын күтуге болады, деп мәлімдейді сала мамандары. Алдын ала зерттеулер Қазақстанның негізгі көмір кендерінде 900 миллиард куб метрге дейін газ болуы мүмкін екенін көрсетеді – Қазақстанның барлық қорының 85 пайызы.

Үндістан

Great Eastern Energy (GEECL) – кен орнын дамыту жоспары бекітілген алғашқы компания. GEECL компаниясы 23 тік өндірістік ұңғыманы бұрғылауды аяқтағаннан кейін, 2007 жылдың 14 шілдесінде көмір қабатындағы метан Үндістанда коммерциялық түрде қолжетімді болды, CNG бағасы 1 кг үшін ₹30 болды. Бастапқыда КБМ-ның 90% көлік құралдарын отынмен қамтамасыз ету үшін CNG газы ретінде таратылатын болады. GEECL Оңтүстік-Шығыс Азиядағы алғашқы КБМ стансасының құрылысына жауапты, сондай-ақ Батыс Бенгалияның Асансол қаласында да станса ашуда. GEECL президенті және бас операциялық директоры Прашант Моди: «Еліміз өзінің даму қарқынын сақтау үшін жоғары энергоресурстарды қажет ететіндіктен, КБМ болашақ ұрпақ үшін маңызды энергоресурсы болады деп сенеміз» деді. Essar Group-тың Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd. компаниясының КБМ портфеліне 5 блок кіреді. Қазіргі уақытта олардың тек біреуі – Ранигандж Шығыс – жұмыс істеп тұр. Қалғандары – Жаркханд штатындағы Раджмахал, Одиша штатындағы Талчер және Иб аңғары, сондай-ақ Мадхья-Прадеш штатындағы Сохабпур. 5 блокта шамамен 10 триллион куб фунт (CBF) КБМ қоры бар.