Nadzieję na przedłużenie dominacji węglowodorowych paliw

Nadzieję na przedłużenie dominacji węglowodorowych paliw

kopalnych na światowym rynku paliw energii stanowią obecnie tzw.

kopalnych na światowym rynku paliw energii stanowią obecnie tzw.

niekonwencjonalne akumulacje węglowodorów:

niekonwencjonalne akumulacje węglowodorów:

złóża asfaltów (tar)

złóża asfaltów (tar)

łupków bitumicznych (bitumen)

łupków bitumicznych (bitumen)

nagromadzenia ciężkiej ropy (heavy oil)

nagromadzenia ciężkiej ropy (heavy oil)

gazy zamknięte (tight gas)

gazy zamknięte (tight gas)

gazy w kompleksach łupkowych (shale

gazy w kompleksach łupkowych (shale

gas)

gas)

metanu z pokładów węgla

metanu z pokładów węgla

hydratów

hydratów

NIEKONWENCJONALNE SYSTEMY NAFTOWE

HYDRATY GAZOWE

Głęboko pogrzebane
piaskowce o niskiej
przepuszczalności

Shale gas

Metan związany z
pokładami węgla

Gaz z łupków
Shale gas

Gaz „ściśniony” zamknięty
Tight gas

gaz zamknięty (tight

gas) i gaz w

kompleksach

łupkowych (shale gas)

Metan z pokładów węgla występuje w postaci cząsteczek
gazu zaabsorbowanych na ziarnach węgla

ZŁOŻA GAZU

PRZEGLĄD GEOLOGICZNY 2010/3

Klatrat metanu

Klatrat metanu

(

(

hydrat metanu

hydrat metanu

,

,

metanowy lód

metanowy lód

,

,

wodzian

wodzian

metanu

metanu

) - substancja

) - substancja

krystaliczna złożona z

krystaliczna złożona z

cząsteczek

cząsteczek

wody

wody

i

i

metanu

metanu

.

.

Klatraty metanu zostały odkryte pod koniec XIX wieku
(1888) wraz z hydratami C

2

H

6

, C

2

H

4

i N

2

O przez

francuskiego fizyka

Paula Villarda

.

W

latach 30. XX wieku

E. G. Hammerschmidt

skojarzył po raz pierwszy biały,

krystaliczny materiał zatykający rurociągi

gazu

z

hydratami metanu.
W ten sposób materiał pierwotnie uważany za
ciekawostkę czysto laboratoryjną uzyskał znaczenie
ekonomiczne.

Co to jest??

Co to jest??

?

?



Struktura sieci krystalicznej klatratów metanu składa
się z dwóch zasadniczych elementów:



1) Szkieletu krystalicznego tworzonego przez
cząsteczki wody, formującego klatki wokół 2) molekuł
metanu

.



Gazami oprócz metanu mogą być: dwutlenek węgla,
siarkowodór, wyższe węglowodory (np: n-pentan)

Hydraty metanu, znane także jako
klatraty, nazwę zawdzięczają swojej
strukturze krystalicznej gdzie cząsteczki
wody budują klatki wokół molekuł gazu.
Niekiedy nazywane są również "lodem
metanowym" ze względu na białą
barwę przypominająca lód

Gas hydrates in sea-floor mounds Here
methane gas is actively dissociating from
a hydrate mound.

Gas hydrate can occur as nodules, laminae, or veins within
sediment.

Geneza klatratów

Hydraty metanu powstają przy spełnieniu dwóch
warunków:

1.obecności odpowiedniej ilości metanu i wody (w
jednym z trzech stanów skupienia)

2.odpowiedniej temperaturze i

ciśnieniu parcjalnym

gazu wchodzącego do struktury.

TRWAŁOŚĆ

TRWAŁOŚĆ

Stabilność przy ciśnieniu atmosferycznym zapewnia temperatura niższa
niż 193K. W innym wypadku hydraty metanu wymagają znacznego
ciśnienia parcjalnego metanu (~44.78MPa w warunkach pokojowych)
aby ochronić strukturę przed rozpadem.

Hydraty metanu tworzą się poniżej strefy stabilności hydratów gazu GHSZ
(ang. Gas Hydrate Stability Zone), która w zależności od temperatury
rozciąga się od głębokości poniżej ok 300 m w wodach arktycznych do 1100
m w głąb osadu
Znaleziono również złoża występujące już na głębokości 60-100 m.
W wiecznej zmarzlinie hydraty metanu są stabilne od 150 do 2000 m pod
powierzchnią.

Strefa trwałość hydratów w osadach morskich

Wpływ zmian poziomu morza na stabilność
klatratów metanu

Gdzie występują klatraty

Gdzie występują klatraty

metanu?

metanu?

 Szybka akumulacja detrytusu

organicznego

 Szybka akumulacja osadu

�

Japan

�

Drilling Program •32 wells

�

India

�

Drilling Program •39 wells

�

Canada & Japan ––Arctic Production Test 2006-2007 &

2008

�

U.S. North Slope Alaska ––Hydrate Well 2007 (BP)

�

Gulf of Mexico ––Multi Well Consortium Drilling

Program 2008

�

China ––2007 --Hydrate Drilling program

�

South Korea ––2007 Hydrate Drilling program

�

Germany –SUGAR Project 2008-2010



Musza być spełnione warunki umożliwiające

Musza być spełnione warunki umożliwiające

stabilność hydratów

stabilność hydratów



Strefa występowania równoległa do powierzchni

Strefa występowania równoległa do powierzchni

dna morskiego lub powierzchni terenu

dna morskiego lub powierzchni terenu



Strefa wiecznej zmarzliny

Strefa wiecznej zmarzliny

głębokość

głębokość

150 - 2000 m

150 - 2000 m

poniżej powierzchni

poniżej powierzchni

terenu

terenu



Osady morskie

Osady morskie

zbiornik głęboki przynajmniej na

zbiornik głęboki przynajmniej na

300

300

m

m

0 - 1,100 m

0 - 1,100 m

poniżej poziomu morza

poniżej poziomu morza

Gdzie występują klatraty

Gdzie występują klatraty

metanu?

metanu?

"bottom simulating reflector" (BSR)

– w strefach generowania metanu,
– w strefach migracji metanu do osadów dna
oceanicznego,
Metan pochodzi z dwóch źródeł, powszechnej

fermentacji anaerebowej

lub mniej rozpowszechnionych

ekshalacji termogenicznych

– w złożach gazu, które w wyniku ochłodzenia klimatu
znalazły się w strefie temperatur sprzyjających rozwojowi
procesu tworzenia hydratów.

Naturalne hydraty metanu występują licznie na

szelfach

oceanicznych

i w strefach

wiecznej zmarzlini

y.

Poszukiwania złóż hydratów ułatwia fakt, że

fale dźwiękowe

rozchodzą

się w nich dwukrotnie szybciej niż w zwykłych osadach dennych.

Największe z dotychczas
odkrytych występują w głębi
Blake Ridge u wybrzeży

Karoliny Północnej

, bogate

złoża znajdują się także w

Zatoce Meksykańskiej

oraz

rowie Nankai u wybrzeży

Japonii

[12]

, w delcie rzeki

Mackenzie

w

Kanadzie

Blake Ridge

Blake Ridge

Blake Ridge

Blake Ridge

u wybrzeży

u wybrzeży

Karoliny Północnej

Karoliny Północnej

,

,

– w strefach wpływów metanu do osadów dna oceanicznego,

– w strefach generowania metanu,
– w strefach wpływów metanu do osadów dna
oceanicznego

CH

CH

4

4

h

h

ydrat

ydrat

y jako surowiec

y jako surowiec

energetyczny

energetyczny

Eksploatacja hydratów

Hydraty wydobywa się obecnie

przede wszystkim przez wtłaczanie do
złóż gorącej wody, by roztopić lód,
oraz dokonywanie odwiertów w celu
obniżenia

ciśnienia

. Metoda ta jest

jednak mało wydajna i chaotyczna.

Bardziej efektywne jest użycie

w odwiercie niewielkiego

palnika

przy

kontrolowaniu wielkości

płomienia

poprzez ograniczanie dopływu

tlenu

.

Spala się wówczas 10% metanu,
jednak reszta jest możliwa do
wykorzystania.

Za najbardziej efektywną

metodę uchodzi użycie

mikrofal

o

określonej

częstotliwości

w celu

ogrzania hydratów

.

Złóż hydratów nie eksploatuje się obecnie na masową skalę, choć podjęto
pierwsze próby. W

1997

w USA powstał Program do spraw hydratów metanowych

Narodowego Laboratorium Technologii Energetycznych (NETL)

[23]

. W

1999

dokonano próbnego odwiertu w rowie Nankai nieopodal Japonii. W tym samym
roku czasopismo "Georgian Transport System" podało informację o wynoszących
700 mld m

3

złożach hydratów na

południowy wschód

od

Baku

. Wydobycie ma tam

prowadzić już firma BP

[24]

.

W 2001 międzynarodowe konsorcjum złożone z organizacji rządowych i
komercyjnych z USA, Kanady, Japonii, Niemiec i Indii podjęło próbę eksploatacji
złóż w delcie rzeki Mackenzie w Kanadzie, w okolicy miejscowości Mallik. Do złóż
wtłoczono wodę o temperaturze 60 °C i po kilku godzinach na powierzchnię zaczął
wydobywać się metan.

Zaletą hydratów jest łatwość transportowania. Ilość metanu w 1 m

3

umożliwia

wykorzystanie hydratów jako alternatywy dla LNG - jest odpowiednikiem około 168
m

3

gazu. Mniejsze są wymagania jeśli chodzi o temperaturę transportu - musi być

ona jedynie niższa od 0 °C

[24]

(inne źródła mówią o temperaturze niższej od -20

°C); dla porównania przy transporcie LNG wymagana jest temperatura -163 °C.

SHALE GAS

PRZEPUSZCZALNOŚĆ SKAŁ

KONWENCJONALNE
NAGROMADZENIA
WĘGLOWODORÓW

NIEKONWENCJONALNE
NAGROMADZENIA
WĘGLOWODORÓW

W ostatnich latach opracowano technologię
odzysku metanu  powierzchniowymi otworami
wiertniczymi. Wykorzystując odwiercone otwory
wiertnicze, używając specjalistycznych
technologii, rozszczelinowuje się pokłady węgla,
wypełniając szczeliny przepuszczalnym medium
(zazwyczaj piaskiem). Następnie obniża się
ciśnienie, spompowując wodę złożową, co
powoduje desorpcję i emisję metanu. Takie
wykorzystanie metanu pokładów węgla jest
traktowane jako pozyskiwanie gazu z
niekonwencjonalnych źródeł.

WYSTĘPOWANIE NIEKONWENCJONALNYCH ZŁÓŻ GAZU W EUROPIE

Gaz zamknięty

Gaz zamknięty

(Tight gas)

(Tight gas)

Kryterium decydującym o tym czy złoże węglowodorów opłaca się

Kryterium decydującym o tym czy złoże węglowodorów opłaca się

eksploatować jest bardzo często porowatość i przepuszczalność skał

eksploatować jest bardzo często porowatość i przepuszczalność skał

zbiornikowych. Skały zbiornikowe o porowatości rzędu 5 - 30% i przepuszczalności

zbiornikowych. Skały zbiornikowe o porowatości rzędu 5 - 30% i przepuszczalności

rzędu 5-1000 mD zaliczają się do tzw. zbiorników konwencjonalnych.

rzędu 5-1000 mD zaliczają się do tzw. zbiorników konwencjonalnych.

Wg najczęściej przyjmowanej definicji niekonwencjonalne zbiorniki typu

Wg najczęściej przyjmowanej definicji niekonwencjonalne zbiorniki typu

Tight gas

Tight gas

to wykazują stosunkowo wysokie porowatości rzędu 1-10% jednakże

to wykazują stosunkowo wysokie porowatości rzędu 1-10% jednakże

mierzona laboratoryjnie przepuszczalność tych skał nie przekracza 0.1mD. Wg.

mierzona laboratoryjnie przepuszczalność tych skał nie przekracza 0.1mD. Wg.

definicji przyjętej przez przemysł naftowy w Niemczech wartość graniczna to

definicji przyjętej przez przemysł naftowy w Niemczech wartość graniczna to

0.6mD (Sarkissov 2003 w: MITRA). W rezultacie w trakcie wiercenia skała na ogół

0.6mD (Sarkissov 2003 w: MITRA). W rezultacie w trakcie wiercenia skała na ogół

nie wykazuje samoistnego przypływu gazu (płynów złożowych) do odwiertu.

nie wykazuje samoistnego przypływu gazu (płynów złożowych) do odwiertu.

Gaz zamknięty

Gaz zamknięty

(Tight gas)

(Tight gas)

Brak samoistnego przypływu powoduje konieczność

Brak samoistnego przypływu powoduje konieczność

stosowania kosztownych technik symulowania przypływu –

stosowania kosztownych technik symulowania przypływu –

najczęściej szczelinowania hydraulicznego, stosowania odwiertów

najczęściej szczelinowania hydraulicznego, stosowania odwiertów

poziomych, wielokierunkowych, bardzo uważnego wiercenia na

poziomych, wielokierunkowych, bardzo uważnego wiercenia na

poziomie równowagi ciśnień, stosowania odpowiednio dobranych

poziomie równowagi ciśnień, stosowania odpowiednio dobranych

materiałów płuczkowych i propelantów, które umożliwiają

materiałów płuczkowych i propelantów, które umożliwiają

zachowanie trwałości efektów szczelinowania.

zachowanie trwałości efektów szczelinowania.

Gaz zamknięty

Gaz zamknięty

(Tight gas)

(Tight gas)

Skałami zbiornikowymi dla gazu zamkniętego są na ogół piaskowce

Skałami zbiornikowymi dla gazu zamkniętego są na ogół piaskowce

o cechującą się bardzo niejednorodną porowatością nie

o cechującą się bardzo niejednorodną porowatością nie

przekraczającą kilku procent, a w mniejszym stopniu węglany, gdzie

przekraczającą kilku procent, a w mniejszym stopniu węglany, gdzie

efektywna porowatość jest często związana ze spękaniami.

efektywna porowatość jest często związana ze spękaniami.

Według Tobina (1997) istnieją trzy główne typy zbiorników

Według Tobina (1997) istnieją trzy główne typy zbiorników

zamkniętych:

zamkniętych:



Typ 1 - Skały których pierwotna tekstura była bardzo

Typ 1 - Skały których pierwotna tekstura była bardzo

upakowana (drobnoziarnista)

upakowana (drobnoziarnista)



Typ 2 - Skały których tekstura pierwotna została zniszczona w

Typ 2 - Skały których tekstura pierwotna została zniszczona w

wyniku procesów diagenezy.

wyniku procesów diagenezy.



Typ 3 - Skały w których pierwotna tekstura uległa

Typ 3 - Skały w których pierwotna tekstura uległa

postdepozycyjnym przekształceniom diagenetycznym w wyniku,

postdepozycyjnym przekształceniom diagenetycznym w wyniku,

których doszło do drastycznej redukcji porowatości.

których doszło do drastycznej redukcji porowatości.

Pozycja tektoniczna

Pozycja tektoniczna

basenów

basenów

Tight Gas

Tight Gas

i

i

Shale

Shale

gas

gas

Poznane współcześnie baseny TG i SG rozpoznano przy okazji poszukiwania

Poznane współcześnie baseny TG i SG rozpoznano przy okazji poszukiwania

konwencjonalnych złóż węglowodorów. Uzyskane wyniki pozwoliły ustalić, że

konwencjonalnych złóż węglowodorów. Uzyskane wyniki pozwoliły ustalić, że

złoża te mogą występować w bardzo zmiennych pozycjach tektonicznych.

złoża te mogą występować w bardzo zmiennych pozycjach tektonicznych.

Do najlepiej rozpoznanych basenów gazu zamkniętego należą

Do najlepiej rozpoznanych basenów gazu zamkniętego należą

tzw.

tzw.

baseny centralne (centered gas systems)

baseny centralne (centered gas systems)

, położone w osiowych partiach

, położone w osiowych partiach

basenów sedymentacyjnych, na głębokościach wg Misry często

basenów sedymentacyjnych, na głębokościach wg Misry często

przekraczających 4500m. Ponadto baseny te cechują się:

przekraczających 4500m. Ponadto baseny te cechują się:

anormalnymi ciśnieniami i dużą powierzchnią stref nasyconych gazem.

anormalnymi ciśnieniami i dużą powierzchnią stref nasyconych gazem.

Strefy gazonośne od dołu nie są ograniczone konturem wodnym, a ich

Strefy gazonośne od dołu nie są ograniczone konturem wodnym, a ich

pionowe uszczelnienie często stanowi woda zablokowana w krętej przestrzeni

pionowe uszczelnienie często stanowi woda zablokowana w krętej przestrzeni

porowej piaskowców i mułowców.

porowej piaskowców i mułowców.

W basenach centralnych zbiornik typu TG na ogół leży bezpośrednio na

W basenach centralnych zbiornik typu TG na ogół leży bezpośrednio na

skale macierzystej.

skale macierzystej.

Do omawianego typu należy znaczna część eksploatowanych obecnie

Do omawianego typu należy znaczna część eksploatowanych obecnie

basenów w USA i Kanadzie, np. basen western Alberta, czy basen San Juan).

basenów w USA i Kanadzie, np. basen western Alberta, czy basen San Juan).

Pozycja tektoniczna

Pozycja tektoniczna

basenów

basenów

Tight Gas

Tight Gas

i

i

Shale

Shale

gas

gas

Pozycja tektoniczna

Pozycja tektoniczna

basenów

basenów

Tight Gas

Tight Gas

i

i

Shale

Shale

gas

gas

W płytszych pozycjach strukturalnych położone są baseny TG i

W płytszych pozycjach strukturalnych położone są baseny TG i

SG dzielone przez Shanleya (2004) na 3 kategorie:

SG dzielone przez Shanleya (2004) na 3 kategorie:

–

Baseny zawierające gazy biogeniczne wczesnej fazy generacji (np.

Baseny zawierające gazy biogeniczne wczesnej fazy generacji (np.

SE krawędź basenu Alberty)

SE krawędź basenu Alberty)

–

Baseny zawierające gazy biogeniczne późnej fazy generacji (np, N

Baseny zawierające gazy biogeniczne późnej fazy generacji (np, N

krawędź basenu Michigan)

krawędź basenu Michigan)

–

Baseny gdzie zachodziła generacja termokatalityczna (np.

Baseny gdzie zachodziła generacja termokatalityczna (np.

Anadarko)

Anadarko)

Gazy zamknięte (

Gazy zamknięte (

TG

TG

) w

) w

Polsce

Polsce



Obszary potencjalnego występowania gazów TG na obszarze kratonu

Obszary potencjalnego występowania gazów TG na obszarze kratonu

wschodnioeuropejskiego mogą się pokrywać z obszarami, gdzie utwory

wschodnioeuropejskiego mogą się pokrywać z obszarami, gdzie utwory

kambru osiągnęły dojrzał

kambru osiągnęły dojrzał

ość

ość

umożliwiającą generowanie gazu będą to

umożliwiającą generowanie gazu będą to

przede wszystkim SW strefa syneklizy bałtyckiej (1) i w mniejszym

przede wszystkim SW strefa syneklizy bałtyckiej (1) i w mniejszym

stopniu depresja podlaska (1b) i strefa lubelska (1c).

stopniu depresja podlaska (1b) i strefa lubelska (1c).



Wg wymienionych autorów istnieje możliwość występowania zbiorników

Wg wymienionych autorów istnieje możliwość występowania zbiorników

TG w Karpatach Zewnętrznych (2). Korzystne mogły by być zwłaszcza

TG w Karpatach Zewnętrznych (2). Korzystne mogły by być zwłaszcza

miąższe kompleksy piaskowcowe takie jak w-wy istebniańskie.

miąższe kompleksy piaskowcowe takie jak w-wy istebniańskie.

Gazy zamknięte (

Gazy zamknięte (

TG

TG

) w

) w

Polsce

Polsce



Najwyższe prawdopodobieństwo występowania znaczących złóż typu TG

Najwyższe prawdopodobieństwo występowania znaczących złóż typu TG

należy wiązać z miąższymi kompleksami piaskowcowymi czerwonego

należy wiązać z miąższymi kompleksami piaskowcowymi czerwonego

spągowca (3). Utwory te w rejonie na N wału wolsztyńskiego, w strefie

spągowca (3). Utwory te w rejonie na N wału wolsztyńskiego, w strefie

centralnej polski i na obszarze pomorskim osiągają miąższości nawet

centralnej polski i na obszarze pomorskim osiągają miąższości nawet

1500m przy czym korzystne zbiornikowo eoliczne i fluwialne wykazują

1500m przy czym korzystne zbiornikowo eoliczne i fluwialne wykazują

maksymalne miąższości do ok. 1000m.

maksymalne miąższości do ok. 1000m.



Dokonane przez firmę Aurelian odkrycie Trzek-1 w rejonie struktury

Dokonane przez firmę Aurelian odkrycie Trzek-1 w rejonie struktury

Siekierek Wielkopolskich (na E od Poznania) stanowi wg Kiersnowskiego

Siekierek Wielkopolskich (na E od Poznania) stanowi wg Kiersnowskiego

pierwsze w Polsce odkrycie typu TG. Możliwość występowania złóż TG w

pierwsze w Polsce odkrycie typu TG. Możliwość występowania złóż TG w

osadach czerwonego spągowca nawet na większych głębokościach

osadach czerwonego spągowca nawet na większych głębokościach

potwierdza dokonane w 2007 roku odkrycie Leer Z4 w Niemczech (4424m)

potwierdza dokonane w 2007 roku odkrycie Leer Z4 w Niemczech (4424m)



Potencjalne zbiorniki TG stanowią także karbońskie piaskowce na obszarze

Potencjalne zbiorniki TG stanowią także karbońskie piaskowce na obszarze

monokliny przedsudeckiej. Jednakże możliwości występowania złóż TG w

monokliny przedsudeckiej. Jednakże możliwości występowania złóż TG w

tych osadach ograniczają stosunkowo mniejsze miąższości kompleksów

tych osadach ograniczają stosunkowo mniejsze miąższości kompleksów

piaszczystych i ich skomplikowana budowa

piaszczystych i ich skomplikowana budowa



Metan pokładów węgla

Metan pokładów węgla

(MPW) występuje w złożach

(MPW) występuje w złożach

Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, szczególnie w jego części

Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, szczególnie w jego części

południowej oraz zachodniej. W złożach Dolnośląskiego Zagłębia

południowej oraz zachodniej. W złożach Dolnośląskiego Zagłębia

Węglowego koncentracje metanu są znacznie mniejsze niż w GZW. Wartość

Węglowego koncentracje metanu są znacznie mniejsze niż w GZW. Wartość

wystąpień MPW w Lubelskim Zagłębiu Węglowym nie została jeszcze

wystąpień MPW w Lubelskim Zagłębiu Węglowym nie została jeszcze

definitywnie ustalona. W obszarach przewidywanej eksploatacji węgla

definitywnie ustalona. W obszarach przewidywanej eksploatacji węgla

kamiennego koncentracje MPW wydają się mieć znikome znaczenie

kamiennego koncentracje MPW wydają się mieć znikome znaczenie

gospodarcze, lecz w głębszych rejonach np. w synklinie Dorohuczy mogą

gospodarcze, lecz w głębszych rejonach np. w synklinie Dorohuczy mogą

występować nagromadzenia spełniające wymogi bilansowości.

występować nagromadzenia spełniające wymogi bilansowości.