Пороховый бассейн: Геология, уголь и природный газ США

Введение

Геологический структурный бассейн на западе США

Бассейн реки Паудер – геологический структурный бассейн в юго-восточной Монтане и северо-восточном Вайоминге, протяженностью около 193 км с востока на запад и 322 км с севера на юг, известный своими обширными запасами угля. Ранее являвшийся охотничьими угодьями оглала-лакота, этот район очень малонаселен и характеризуется пологими травянистыми равнинами и полузасушливым климатом. Бассейн представляет собой как топографический водосборный бассейн, так и геологический структурный бассейн, дренируемый реками Паудер, Шеен, Танг, Бигхорн, Литл-Миссури, Платт и их притоками. Крупнейшие города в этом районе – Жилет и Шеридан (Вайоминг) и Майлз-Сити (Монтана). В 2007 году в регионе было добыто 396 миллионов тонн угля, что более чем в два раза превышает объем производства занявшей второе место Западной Вирджинии и превосходит показатели всего Аппалачского региона. Бассейн реки Паудер является крупнейшим угольным бассейном в Соединенных Штатах. В его состав входят угольная шахта Black Thunder – самая продуктивная в США, и шахта North Antelope Rochelle – вторая по производительности. В последние годы регион стал крупным производителем природного газа, включая как обычный природный газ, так и метан угольных пластов.

Геологическая история

Бассейн реки Паудер содержит слой фанерозойских пород мощностью до 5182 м, охватывающий период от кембрия до голоцена.

Кредовый

Самый мощный разрез бассейна реки Паудер-Ривер сложен меловыми породами, представляющими собой в целом регрессивную последовательность преимущественно морских сланцев и песчаников, отложенных в Западном внутреннем морском бассейне.

Третичная

Угольные пласты региона начали формироваться около 60 миллионов лет назад, когда земля начала подниматься из мелководного моря. Поднятие Черных холмов на востоке и поднятие Хартвилла на юго-восточной стороне бассейна сформировали современные очертания бассейна реки Паудер. Во время формирования угольных пластов климат в этом районе был субтропическим, со среднегодовым количеством осадков около [укажите количество] миллиметров. На протяжении примерно 25 миллионов лет дно бассейна было покрыто озерами и болотами. Благодаря большой площади болот, органические вещества накапливались в виде торфяников, а не смывались в море. Периодически слои торфа покрывались отложениями, смываемыми с близлежащих гор. В конечном итоге климат стал более сухим и прохладным. Бассейн заполнился отложениями, погребая торф под тысячами футов, сжимая слои торфа и превращая их в уголь. За последние несколько миллионов лет большая часть вышележащих отложений была размыта, обнажив угольные пласты близко к поверхности.

Уголь

Уголь из бассейна Паудер-Ривер (PRB) классифицируется как "суббитуминозный" и содержит в среднем около 8500 бту/фунт, с низким содержанием серы. Это контрастирует с восточным, аппалачским битуминозным углем, содержащим в среднем 12 500 бту/фунт и высокое содержание серы. Уголь PRB был практически бесполезен, пока выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от электростанций (в основном диоксида серы, или "SO2") не стали вызывать опасений. Угольная электростанция, предназначенная для сжигания аппалачского угля, должна быть модернизирована для удаления SO2, стоимость чего, по оценкам 1999 года, составляла около 322 доллара США за тонну SO2. При переходе на сжигание угля PRB эта стоимость снижалась до 113 долларов за тонну удаленного SO2. Удаление достигается путем установки скрубберов. Бассейн реки Паудер-Ривер является крупнейшим угольным бассейном в США, но большая часть угля залегает слишком глубоко, чтобы быть экономически доступной. Угольные пласты бассейна реки Паудер-Ривер имеют форму вытянутых чаш, и по мере расширения шахт с востока на запад в бассейне реки Паудер-Ривер они будут продвигаться "вниз по стенкам чаши". Это означает, что количество вскрышных пород (горных пород, покрывающих уголь) и коэффициент вскрыши (отношение объема вскрышных пород, которые необходимо переместить для добычи тонны угля) будут увеличиваться. Геологическая служба США (USGS) провела ряд исследований экономической доступности угля в основных угольных регионах страны. Эти исследования обычно показывали, что только небольшая часть угля была бы экономически доступна при цене 10,47 доллара за тонну. В августе 2008 года USGS опубликовала обновленную оценку запасов угля в бассейне реки Паудер-Ривер. Учитывая коэффициент вскрыши и производственные затраты, USGS пришла к выводу, что в то время только 6% первоначальных ресурсов, или 10,1 миллиарда коротких тонн угля, было экономически извлекаемо. Однако при цене 60 долларов за тонну примерно половина (48%) угля стала бы экономически выгодной для добычи. Повышение цены на уголь может увеличить количество экономически извлекаемого угля, но увеличение цены на уголь также увеличивает его производственные затраты. Поскольку уголь является твердым веществом, его нельзя добывать из множества разрозненных скважин, как нефть и газ. Вместо этого уголь необходимо добывать из шахт, которые медленно расширяются за счет перемещения огромных объемов вскрышных пород.

Powder River Basin (PRB) coal is classified as "sub bituminous" and contains an average of approximately 8,500 btu/lb, with low sulfur. Contrast this with eastern, Appalachian bituminous coal containing an average of 12,500 btu/lb and high sulfur. PRB coal was essentially worthless until air pollution emissions from power plants (primarily sulfur dioxide, or "SO2") became a concern. A coal fired plant designed to burn Appalachian coal must be modified to remove SO2 at a cost estimated in 1999 to be around $322 per ton of SO2. If it switched to burning PRB coal, the cost dropped to $113 per ton of SO2 removed. Removal is accomplished by installing scrubbers. The Powder River Basin is the largest coal mining region in the US, but most of the coal is buried too deeply to be economically accessible. The Powder River Basin coal beds are shaped like elongated bowls and as mines expand from east to west in the Powder River Basin, they will be going "down the sides of the bowl". This means that the overburden (rock lying over the coal) will increase as will the stripping ratio (the ratio of rock that needs to be moved to produce a ton of coal). The United States Geological Survey (USGS) has conducted a series of studies on the economic accessibility of coal in the major coal producing regions of the country. The studies typically found that only a small fraction of the coal would be economically accessible at the price then of $10.47/ton. In August 2008, the USGS issued an updated assessment of coal in the Powder River Basin. After considering stripping ratios and production costs, the USGS concluded that at that time, only 6% of the original resource, or 10.1 billion short tons of coal, was economically recoverable. At a price of $60/ton, however, roughly half (48%) of the coal would become economic to produce. Increasing the price paid for coal can increase the amount of economically recoverable coal, but increasing the price of coal also increases its production cost. Because coal is a solid, it cannot be produced from many scattered wells like oil and gas can be. Rather, coal has to be produced from mines that expand slowly by moving massive quantities of overburden.

Добыча угля

В бассейне реки Паудер действуют пятнадцать шахт, причем большая часть активной добычи ведется в водосборных бассейнах реки Шайенн. США используют около 600 миллионов тонн угля в год, при этом около 40% угля поступает из бассейна реки Паудер. Объем угля, поступающего из бассейна реки Паудер, увеличивался на протяжении последних 20 лет, а также осуществляются крупные инвестиции в дополнительное горнодобывающее оборудование для начала разработки месторождений. Большая часть угля, добываемого в бассейне реки Паудер, относится к формации Форт-Юнион (палеоцен), и его низкое содержание серы и золы делает его особенно востребованным. Уголь обеспечивает примерно одну пятую часть электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах. Шахты бассейна реки Паудер поставляют около 40% угля, используемого на этих электростанциях (в основном к востоку от Скалистых гор) для производства электроэнергии. Шахты работают в районах, где вскрышное отношение составляет от 1:1 (то есть одна тонна породы на одну тонну угля) до 3:1. По мере расширения шахт вскрышное отношение будет увеличиваться. Поскольку необходимо перемещать все больший объем породы (с использованием крупных электрических драглайнов и дизельных и электрических карьерных самосвалов), производственные затраты также будут расти. Шахты в основном не являются профсоюзными предприятиями и имеют историю подавления трудовой активности. По словам историка Райана Дрискелла Тейта, открытая добыча в отдаленных районах способствовала снижению "профессиональной солидарности", обычно свойственной шахтерам, работающим бок о бок под землей в Аппалачах.

Нефть и газ

В бассейне реки Паудер также содержатся крупные месторождения нефти, включая гигантское нефтяное месторождение Солт-Крик. Нефть и газ добываются из пород возрастом от пенсильванского до третичного периода, но большая часть поступает из песчаников в мощном разрезе меловых пород. В последнее время наблюдается новый всплеск добычи нефти и газа благодаря горизонтальному бурению и гидроразрыву пласта. Этот всплеск происходит главным образом в вайомингской части бассейна, которая исторически известна как основной источник нефти в бассейне. В 2009 году в бассейне добывалось минимальное количество – 38 000 баррелей нефти в сутки. В первом квартале 2014 года эта цифра резко возросла до 78 000 баррелей в сутки. Месторождение Белл-Крик представляет собой стратиграфическую ловушку нижнего мелового периода в песчанике Мадди. Оно было открыто в 1967 году компанией Exeter Drilling Co. скважиной No. 33-1 Federal McCarrell, которая показала 27 футов продуктивной толщины на глубине 4500 футов.

Метан угольных месторождений

Недавние споры вызывают масштабную добычу метана из угольных пластов в регионе. За последнее десятилетие было пробурено почти 7000 таких скважин. Создана обширная сеть газопроводов, соединяющих эти скважины, а также ряд компрессорных станций и линии электропередач для обеспечения работы системы. Кроме того, построено несколько тысяч километров новых подъездных дорог. Для извлечения газа необходимо откачивать воду на поверхность, чтобы высвободить газ, заключенный в угольном пласте. Часть этой воды успешно используется в сельском хозяйстве, например, для поения скота и орошения посевов, однако некоторые воды содержат естественный высокий уровень солености и повышенное соотношение поглощения натрия. Ведутся споры о наиболее эффективных методах управления этими минерализованными водами. В 2007 году месторождение Powder River Basin добыло 442 миллиарда кубических футов газа, что сделало его третьим по величине источником природного газа в Соединенных Штатах.

Уран

В регионе также имеются крупные залежи урана, заключенные в песчаниках. (См. Добыча урана в Вайоминге). Формация Васатч (эоцен) содержит месторождения урановой руды типа "прокатный фронт", обнаруженные в районе Памкин-Баттс. Дочерняя компания Cameco Corporation, Power Resources Inc., разрабатывает урановые рудники в этом бассейне.

Транспортировка

Весной 2005 года уголь, добываемый на шахтах, продавался непосредственно на месте добычи примерно по 5 долларов за тонну. Однако электростанции и предприятия на востоке Соединенных Штатов платили более 30 долларов за тонну – разница была обусловлена стоимостью транспортировки. (В октябре 2008 года цена угля у устья шахт в бассейне реки Паудер-Ривер составляла около 15 долларов за тонну.) Для транспортировки угля из бассейна используется совместная железнодорожная линия, принадлежащая компаниям BNSF Railway и Union Pacific Railroad, которая проходит вдоль южной части бассейна Паудер-Ривер. Третья железнодорожная компания, Dakota, Minnesota and Eastern Railroad, столкнулась с серьезным сопротивлением со стороны многих заинтересованных сторон при попытке продлить свою железнодорожную линию в район добычи угля. Хотя план в конечном итоге был одобрен регулирующими органами, проект был прекращен после того, как компания была приобретена Canadian Pacific Railway. В 2013 году в Тихоокеанском Северо-Западе было предложено построить пять экспортных терминалов для экспорта угля из бассейна Паудер-Ривер на азиатские рынки. По состоянию на февраль 2016 года некоторые предложения по строительству угольных терминалов были отозваны, и осталось только два проекта с ожидающими рассмотрения заявками. Отказ от этих проектов объяснялся снижением спроса и, как следствие, падением цен на уголь.

История

Первоначально однопутная железнодорожная линия Burlington Northern Railway, построенная поэтапно с 1972 по 1979 год, проходила на юг от разъезда Донки-Крик на севере на 13 миль (21 км) до Кабалло, штат Вайоминг, а затем на 103 мили (166 км) до Шоуни в округе Конверс. Chicago and North Western Railway проходила вблизи северного участка, как и Union Pacific у Кабалло. В 1982 году C&NW и UP создали Western Railroad Properties, Inc. (WRPI) для приобретения половины доли в угольной линии Burlington Northern от разъезда Шоуни-Джанкшн до разъезда Коал-Крик-Джанкшн. 15 декабря 1986 года WPRI приобрела еще 11 миль (18 км) линии BN от разъезда Коал-Крик до разъезда Ист-Кабалло-Джанкшн. Начиная с 27 июня 1983 года WPRI построила 6 миль (10 км) новой железной дороги от разъезда Шоуни-Джанкшн до Шоуни, восстановила 45 миль (72 км) линии C&NW от Шоуни до Крандэлла и 56 миль (90 км) новой железной дороги от Крандэлла до Джойса, штат Небраска. Первый коммерческий поезд прошёл 16 августа 1984 года. К 1985 году линия была однопутной почти на всей своей протяженности и перевозила 19 миллионов тонн угля. Внедрение второго этапа Закона о чистом воздухе (1990) привело к быстрому росту спроса на уголь с низким содержанием серы. C&NW испытывала трудности с увеличением пропускной способности до двухпутей, что привело к многочисленным сбоям в работе линии в 1994 году и, в конечном итоге, к покупке C&NW компанией Union Pacific в 1995 году. В течение следующих пяти лет UP потратила 855 миллионов долларов на расширение пропускной способности по всей своей сети для обработки угольных поставок из PRB. К 2005 году пропускная способность совместной линии выросла до рекордных 325 миллионов тонн и была либо двухпутной, либо трёхпутной на всей её длине. Из-за различных поломок путей и локомотивов на совместной линии в конце 2004 и начале 2005 года линия не смогла выполнить контрактные обязательства по поставкам угля, что привело к увеличению тарифов на электроэнергию на 15 процентов. В 2006 году Union Pacific установила рекорд, перевезя 194 миллиона тонн угля, что на 8% больше, чем в 2005 году. Компания добилась этого за счёт увеличения размера поездов, которые в среднем перевозили более 15 000 тонн, что на 200 тонн превышает средний вес в четвёртом квартале 2005 года. В начале 2016 года сообщалось, что ежедневно из бассейна реки Паудер-Ривер отправлялось от 80 до 100 угольных поездов. В 2019 году средняя суточная погрузка поездов составляла около 50.

Originally a single track Burlington Northern Railway line built in stages from 1972 to 1979, the rail line ran south from Donkey Creek Junction in the north 13 mile (21 km) to Caballo, Wyoming; and then for 103 mile (166 km) to Shawnee in Converse County. The Chicago and North Western Railway ran close to the northern section, as did the Union Pacific at Caballo. In 1982 C&NW and the UP formed Western Railroad Properties, Inc. (WRPI), to acquire half interest in the Burlington Northern coal line from Shawnee Junction to Coal Creek Junction. On December 15, 1986 WPRI purchased 11 mile (18 km) more of BN line from Coal Creek Junction to East Caballo Junction. Beginning June 27, 1983 WPRI constructed 6 mile (10 km) of new railroad from Shawnee Junction. to Shawnee, rebuilt 45 mile (72 km) of C&NW line from Shawnee to Crandall and 56 mile (90 km) of new railroad from Crandall to Joyce, Nebraska. The first commercial train ran on August 16, 1984. By 1985, the line was single track for almost its entire length, and it was handling 19 million tons of coal. The implementation of the second stage of the Clean Air Act (1990) caused demand for clean coal to rise quickly. The C&NW struggled to upgrade capacity to dual track, resulting in numerous failures on the line in 1994, and eventually Union Pacific's purchase of C&NW in 1995. The UP spent $855 million over the next five years expanding capacity over its entire network to handle coal shipments from the PRB. By 2005 the Joint Line capacity had grown to handle an all time record 325 million tons, and was either dual or three track capacity for its entire length. Due to various trackage and locomotive failures on the Joint Line in late 2004 and early 2005, the line failed to deliver the amount of contracted coal supplies, and electricity rates increased by 15 percent. In 2006, Union Pacific set a record by hauling 194 million tons of coal – an 8% increase compared with 2005 tonnage. The company achieved this by increasing train size, with trains averaging more than 15,000 tons, a 200 ton weight increase compared with fourth quarter 2005's average. In early 2016 it was reported that 80 to 100 trains of coal were being shipped from the Powder river basin every day. In 2019 train loadings averaged about 50 per day.