Введение

Форма природного газа, извлекаемого из угольных пластов.

Метан угольных пластов (CBM или метан угольного пласта), газ угольных пластов или газ угольной жилы (CSG). В последние десятилетия он стал важным источником энергии в Соединенных Штатах, Канаде, Австралии и других странах. Этот термин относится к метану, поглощенному в твердую матрицу угля. Его называют "сладким газом" из-за отсутствия сероводорода. О его присутствии хорошо известно по случаям обнаружения в подземных угольных шахтах, где он представляет серьезную угрозу безопасности. Метан угольных пластов отличается от типичного песчаникового или другого традиционного газового месторождения, поскольку метан хранится внутри угля посредством процесса, называемого адсорбцией. Метан находится в состоянии, близком к жидкому, выстилая внутреннюю поверхность пор в угле (называемых матрицей). Открытые трещины в угле (называемые трещинами напластования) также могут содержать свободный газ или быть насыщены водой. В отличие от большей части природного газа из традиционных месторождений, метан угольных пластов содержит очень мало тяжелых углеводородов, таких как пропан или бутан, и не содержит газового конденсата. Он часто содержит до нескольких процентов углекислого газа. Метан угольных пластов обычно образуется в результате термического созревания керогена и органического вещества, в отличие от угольных пластов с регулярным пополнением подземных вод, где метан обычно генерируется микробными сообществами, обитающими непосредственно в пласте.

История

Метан угольных пластов возник из-за выпуска метана из угольных швов. Некоторые угольные пласты давно были известны как "газоносные", и в целях безопасности из швов с поверхности бурили скважины, чтобы выпустить метан перед началом добычи. Значительный импульс развитию метана угольных пластов как ресурса природного газа был дан федеральным правительством США в конце 1970-х годов. Федеральное регулирование цен сдерживало бурение природного газа, удерживая цены ниже рыночного уровня, в то же время правительство стремилось стимулировать увеличение добычи газа. Министерство энергетики США финансировало исследования ряда нетрадиционных источников газа, включая метан угольных пластов. Метан угольных пластов был освобожден от федерального регулирования цен и получил федеральный налоговый кредит. В Австралии коммерческая добыча газа из угольных швов началась в 1996 году в бассейне Боуэн (штат Квинсленд).

Свойства резервуаров

Газ, содержащийся в угольных пластах, состоит главным образом из метана и незначительных примесей этана, азота, углекислого газа и небольшого количества других газов. Естественные свойства угля определяют объем извлекаемого газа.

Пористость

Резервуары метана угольных пластов рассматриваются как резервуары с двойной пористостью. Резервуары с двойной пористостью – это резервуары, в которых пористость, связанная с трещинами (естественными разломами), определяет фильтрационные свойства, а пористость матрицы обеспечивает хранение газа. Пористость резервуара метана угольного пласта может изменяться от 10% до 20%; однако, по оценкам, трещинная пористость резервуара находится в диапазоне от 0,1% до 1%.

Адсорбционная способность

Адсорбционная способность угля определяется как объем газа, адсорбированного на единицу массы угля, обычно выражаемый в SCF (стандартные кубические футы, объем при стандартных условиях давления и температуры) газа на тонну угля. Способность к адсорбции зависит от марки и качества угля. Для большинства угольных пластов, встречающихся в США, этот диапазон обычно составляет от 100 до 800 SCF/тонн. Большая часть газа в угольных пластах находится в адсорбированном состоянии. При вводе пласта в эксплуатацию, в первую очередь откачивается вода из трещинных пространств. Это приводит к снижению давления и, как следствие, к увеличению десорбции газа из матрицы.

Проницаемость перелома

Проницаемость трещин является основным каналом для потока газа. Чем выше проницаемость, тем выше дебит газа. Для большинства угольных пластов, обнаруженных в США, проницаемость находится в диапазоне 0,1–50 миллидарци. Проницаемость трещиноватых пластов изменяется под воздействием приложенных напряжений. Уголь демонстрирует проницаемость, чувствительную к напряжению, и этот процесс играет важную роль в операциях по интенсификации и добыче. Проницаемость трещин в пластах метана угольных пластов, как правило, увеличивается по мере выработки газа, в отличие от обычных пластов. Это уникальное поведение обусловлено сжатием угля при высвобождении метана из его матрицы, что приводит к раскрытию трещин и увеличению проницаемости. Также предполагается, что из-за сжатия угольной матрицы при более низких пластовых давлениях происходит потеря горизонтальных напряжений в пласте, что вызывает разрушение угля в естественных условиях. Такое разрушение связывают с резким снижением проницаемости трещин в пласте.

Скважины, добывающие метан из угольных пластов, часто характеризуются более низкими дебитами газа по сравнению с обычными пластами, обычно достигая пиковых значений около в сутки (около 0,100 м³/с), и могут иметь высокие первоначальные затраты. Кривые добычи скважин CBM обычно характеризуются "отрицательным спадом", при котором дебит газа первоначально увеличивается по мере откачки воды и начала десорбции и потока газа. Сухая скважина CBM аналогична стандартной газовой скважине. Процесс десорбции метана описывается кривой (зависимости содержания газа от пластового давления), называемой изотермой Лангмюра. Изотерму можно аналитически описать максимальным содержанием газа (при бесконечном давлении) и давлением, при котором половина этого газа находится в угле. Эти параметры (называемые объемом Лангмюра и давлением Лангмюра соответственно) являются свойствами угля и сильно варьируются. Уголь в Алабаме и уголь в Колорадо могут иметь существенно различающиеся параметры Лангмюра, несмотря на схожие в остальном свойства угля. По мере добычи из угольного пласта изменения давления, как полагают, вызывают изменения пористости и проницаемости угля. Это обычно называют сжатием/разбуханием матрицы. По мере десорбции газа давление, оказываемое газом внутри пор, уменьшается, что приводит к их сжатию и ограничению потока газа через уголь. По мере сжатия пор общая матрица также сжимается, что в конечном итоге может увеличить пространство, через которое может перемещаться газ (трещины наслоения), увеличивая поток газа. Потенциал конкретного угольного пласта в качестве источника CBM зависит от следующих критериев. Плотность/интенсивность трещин наслоения: трещины наслоения – это разломы, ограниченные угольными пластами. Они придают проницаемость угольному пласту. Для рентабельной разработки CBM требуется высокая плотность трещин наслоения. Также важен мацеральный состав: мацерал – это микроскопическая, однородная, петрографическая единица соответствующей осадочной породы. Высокое содержание витринита идеально подходит для извлечения CBM, в то время как инертинит препятствует этому. Степень угольности также связана с содержанием CBM: установлено, что показатель отражения витринита 0,8–1,5% указывает на более высокую продуктивность угольного пласта. Необходимо учитывать состав газа, поскольку бытовые газовые приборы рассчитаны на газ с теплотворной способностью около 1000 BTU (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 необходимо будет удалить или смешать его с газом с более высокой теплотворной способностью для достижения качества, соответствующего требованиям трубопроводного транспорта. Если содержание метана в газе угольного пласта составляет менее 92%, он может быть нерентабельным.

Метан

Как и все ископаемые виды топлива на основе углерода, сжигание метана угольных пластов выделяет в атмосферу углекислый газ (CO2). Его влияние как парникового газа впервые было проанализировано химиком и физиком Сванте Аррениусом. Производство метана угольных пластов также связано с утечками попутного метана в атмосферу. Метан оказывает воздействие на глобальное потепление в 72 раза сильнее, чем CO2, на единицу массы, в течение 20 лет, снижаясь до 25 раз за 100 лет и 7,5 раз за 500 лет. Анализ выбросов парниковых газов на протяжении всего жизненного цикла источников энергии показывает, что производство электроэнергии из метана угольных пластов, как и из обычного природного газа, оказывает менее чем вдвое меньший парниковый эффект по сравнению с углем. Многочисленные австралийские исследования выявили долгосрочные негативные экологические последствия добычи газа из угольных пластов как на местном, так и на глобальном уровне. В Соединенных Штатах метан, выделяющийся из угля в процессе добычи, составляет семь процентов от общих выбросов метана. Извлечение метана из угольных шахт до начала добычи рассматривается как важная возможность для сокращения выбросов метана. Компании, такие как CNX Resources, реализуют программы по сокращению выбросов метана для уменьшения выбросов парниковых газов от действующих и закрытых шахт.

Инфраструктура

Скважины CBM соединены сетью дорог, трубопроводов и компрессорных станций. Со временем расстояние между скважинами может уменьшаться для извлечения оставшегося метана.

Производимая вода

Производимая вода, поднимаемая на поверхность как побочный продукт добычи газа, значительно различается по качеству в зависимости от местоположения, но может содержать нежелательные концентрации растворенных веществ, таких как соли, природные химические соединения, тяжелые металлы и радионуклиды. Во многих нефтегазодобывающих регионах эта вода подвергается очистке, например, с использованием установок обратного осмоса, и используется с пользой для орошения, поения скота, в городских и промышленных целях, а также для подавления пыли.

Пиллига

В 2012 году компания Eastern Star Gas была оштрафована за "слив загрязненной воды с высоким содержанием соли в ручей Бохена" в районе Пиллига-Скраб. Зафиксировано "16 разливов или утечек загрязненной воды", в том числе "значительные разливы соленой воды в лесную местность и ручей". В 2012 году парламентское расследование Законодательного совета штата Новый Южный Уэльс раскритиковало использование открытых накопительных прудов и рекомендовало "правительству штата Новый Южный Уэльс запретить открытое хранение попутной воды".

Бассейн реки Паудер

Не вся вода, образующаяся при добыче метана угольных пластов, является соленой или нежелательной. Вода из скважин метана угольных пластов в бассейне реки Паудер (Powder River Basin) в штате Вайоминг, США, как правило, соответствует федеральным стандартам питьевой воды и широко используется в этом регионе для поения скота. Ее применение для орошения ограничено относительно высоким коэффициентом поглощения натрия.

Подземные воды

В зависимости от связанности водоносных горизонтов, забор воды может приводить к понижению уровня воды в водоносных горизонтах на большой площади и изменять направления подземного потока. В Австралии, по оценкам компаний, занимающихся добычей угольного пласта (CBM), ежегодный объем извлечения грунтовых вод составляет от … до …; в то время как Национальная комиссия по водным ресурсам оценивает извлечение свыше … в год.

Канада

В Канаде, Британская Колумбия, по оценкам, располагает приблизительно [amount] кубическими метрами газа угольных пластов. В 2013 году Альберта была единственной провинцией с коммерчески эксплуатируемыми скважинами метана угольных пластов и, по оценкам, имела приблизительно [amount] кубических метров экономически извлекаемого метана угольных пластов, при общих запасах до [amount].

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 активность, приводящая к его образованию, продолжается. Этот вопрос остаётся предметом дискуссий, так как было показано, что откачка воды, сопутствующая добыче метана угольных пластов, разрушает условия, необходимые для производства метана бактериями, а скорость образования дополнительного метана остаётся неопределённой. Эта дискуссия в настоящее время вызывает вопрос о правах собственности в канадской провинции Альберта, поскольку только невозобновляемые ресурсы могут законно принадлежать провинции.

Великобритания

Хотя запасы газа в угольных бассейнах Великобритании оцениваются в 2900 миллиардов кубических метров, экономически целесообразным может оказаться извлечь лишь около одного процента. Потенциал метана угольных пластов в Великобритании в значительной степени не изучен. Часть метана извлекается в процессе вентиляции угольных шахт и сжигается для производства электроэнергии. Оценка частными компаниями скважин метана угольных пластов, не связанных с добычей угля, началась в 2008 году, когда было выдано 55 лицензий на наземную разведку, охватывающих 7000 квадратных километров перспективных территорий метана угольных пластов. IGas Energy стала первой компанией в Великобритании, начавшей коммерческую добычу метана угольных пластов, не связанную с вентиляцией шахт; по состоянию на 2012 год скважины IGas на месторождении Doe Green, добывающие газ для выработки электроэнергии, были единственными коммерчески эксплуатируемыми скважинами метана угольных пластов в Великобритании. Объемы использования метана угольных пластов (в ГВтч) для производства электроэнергии в Великобритании представлены ниже.

Соединенные Штаты

Производство метана из угольных пластов в США в 2017 году составило 1,76 триллиона кубических футов (TCF), что эквивалентно 3,6% от общего объема производства сухого газа в США в этом году. Объём производства в 2017 году был ниже пикового значения в 1,97 TCF, достигнутого в 2008 году. Основная часть метана из угольных пластов добывалась в Скалистых горах, в штатах Колорадо, Вайоминг и Нью-Мексико.

Казахстан

По мнению специалистов отрасли, в ближайшие десятилетия в Казахстане может развиться крупный сектор метана угольных пластов (CBM). Предварительные исследования указывают на то, что в основных угольных бассейнах Казахстана может содержаться до 900 миллиардов кубических метров газа – это 85% от всех запасов Казахстана.

Индия

Great Eastern Energy (GEECL) стала первой компанией, чей план разработки месторождения был утвержден. После завершения бурения 23 вертикальных эксплуатационных скважин компанией GEECL, 14 июля 2007 года в Индии началась коммерческая добыча метана угольных пластов, при цене CNG 30 рупий за килограмм. Первоначально 90% метана угольных пластов планировалось поставлять в виде газа CNG для заправки транспортных средств. GEECL отвечает за строительство первой в Юго-Восточной Азии станции по заправке метаном угольных пластов, а также планирует разместить аналогичную станцию в городе Асансол, штат Западная Бенгалия. Президент и главный операционный директор GEECL Прашант Моди заявил: "Учитывая растущую потребность страны в энергетических ресурсах для поддержания темпов развития, мы уверены, что метан угольных пластов сыграет важную роль как один из ключевых источников энергии для будущих поколений". Портфель метана угольных пластов компании Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd., входящей в группу Essar, включает 5 блоков. В настоящее время эксплуатируется только один из них – Ранигандж-Ист. Остальные блоки расположены в Раджмахале (Джаркханд), Талчере и долине Иб (Одиша), а также в Сохагпуре (Мадхья-Прадеш). Общие запасы метана угольных пластов в этих пяти блоках оцениваются в 10 триллионов кубических футов.