Zemní plyn je na papíře jednoduchý, ale v praxi je složitý. Je to bezbarvý, vysoce hořlavý uhlovodíkový plyn. Směs se skládá převážně z metanu a ethanu. Patří do široké kategorie ropných produktů. Často se vyskytuje v blízkosti ropy. Tato fosilní paliva pohánějí vše od domácích ohřívačů až po velké průmyslové závody. Vyrábí elektřinu. Vaří jídlo. Dokonce pohání některé druhy dopravy. Kromě své energetické funkce slouží jako významná chemická surovina. Výrobci jej používají k výrobě plastů. Na tom závisí výroba hnojiv. Totéž platí pro barviva.
Najít tento zdroj není vždy snadné. Zemní plyn se často rozpouští v ropě v podzemních zásobnících. Tlak je tam obrovský. Někdy tvoří plynový uzávěr vznášející se nad vrstvou ropy. Tento tlak působí jako hnací síla. Vytlačuje olej na povrch. Tento typ plynu se nazývá přidružený ropný plyn. Je to v podstatě plynná fáze ropy. Obvykle obsahuje lehké kapaliny, jako je propan a butan. Lidé tomu říkají „mokrý plyn“.
Ne všechen plyn se vyrábí spolu s ropou. Některá ložiska obsahují pouze plyn. Jedná se o necestovní (nesouvisející s ropou) plyn. Protože v blízkosti není žádný zdroj kapalného oleje, nazývá se „suchý plyn“.
Kde lidé poprvé použili zemní plyn?
Příběh začíná dlouho před příchodem moderních ropovodů. První lidé si všimli, že zemní plyn prosakuje na povrch. Odehrávaly se v Íránu v letech 6000 až 2000 před naším letopočtem. E. Starověcí spisovatelé zdokumentovali tyto ropné průsaky na Blízkém východě. Oblast Baku, která je nyní součástí Ázerbájdžánu, byla horkým místem. Blesk pravděpodobně zasáhl tyto východy jako první. Výsledné plameny živily „věčné ohně“ starověkých perských náboženství, která uctívala oheň.
Čína vstoupila do historie kolem roku 900 před naším letopočtem. E. Číňané byli praktickými inovátory. První známý vrt na zemní plyn vyvrtali v roce 211 před naším letopočtem. E. Hloubka dosahovala asi 150 metrů. Práce byly prováděny bambusovými trubkami a primitivními příklepovými vrtačkami. Cílem byl vápenec z období pozdního triasu. Tato vrstva horniny, stará asi 237 milionů let, ležela v antiklině západně od moderního města Chongqing.
Proč vrtat tak hluboko? Na sušení kamenné soli. Sůl byla navrstvena ve vápenci. Hořící plyn poskytoval potřebné teplo. Postupem času se začaly vrtat studny hlouběji. Některé dosáhly hloubky 1000 metrů. V roce 1900 bylo na této antiklině více než 1100 vrtů.
Evropa neznala zemní plyn po tisíciletí. Kontinent jej objevil až v Anglii v roce 1659. Ani tehdy nebyl příliš využíván. Před námi byl městský plyn. Toto palivo se získávalo z koksovatelného uhlí. Od roku 1790 osvětluje ulice a domy po celé Evropě.
Severní Amerika se vydala jinou cestou. Právě tam došlo k prvnímu komerčnímu využití ropných produktů. Malá studna ve Fredonii v New Yorku produkovala zemní plyn v roce 1821. Plyn byl přepravován olověnými trubkami o malém průměru. Spotřebitelé jej používali k osvětlení a vaření.
Problém s potrubím
Po většinu 19. století zůstalo využití zemního plynu lokální. Technologie pro přepravu velkých objemů na velké vzdálenosti prostě neexistovala. Uhlí a ropa řídily průmyslový rozvoj. Zemní plyn zůstal stranou.
Průlom nastal v roce 1890. Vynález utěsněného potrubního spojení změnil hru. To umožnilo zlepšit dopravu. Materiály a konstrukční metody však zůstaly těžkopádné. Plyn se nemohl dostat dál než 160 km od zdroje.
Ekonomika byla tvrdá. Spaloval se hlavně související plyn. To znamená, že byl vypálen přímo u ústí vrtu. Odpadní plyn byl často ponechán v zemi. Města se spoléhala na průmyslový městský plyn. Infrastruktura zaostávala za dostupností zdrojů.
Vzestup hlavních potrubních sítí
Dálkový přenos plynu se stal možným až koncem 20. let 20. století. Tehdy technologie potrubí konečně dohnala ambice. V letech 1927 až 1931 bylo ve Spojených státech postaveno více než deset hlavních kmenových systémů. Jednalo se o velké podniky. Každý systém používal trubky široké přibližně 50 cm (20 palců). Dosahovaly více než 320 km (200 mil).
Po druhé světové válce se rozsah dramaticky zvýšil. Inženýři stavěli stále delší potrubí se stále větším průměrem. Výrobní technologie umožnily vytvářet trubky o šířce až 150 cm (60 palců). Od počátku 70. let začíná nejdelší z těchto tepen v Rusku.
Zvažte plynovod Nord Stream. Postavena v 60. a 70. letech 20. století se táhne 5 470 km (3 400 mi). Protíná pohoří Ural a více než 700 řek a potoků. Spojuje východní Evropu se západosibiřskými nalezišti plynu v polárním kruhu. V důsledku toho plyn z naleziště Urengoy, největšího na světě, proudí do východní Evropy a poté do západní Evropy ke spotřebě.
Pak je tu Transmediteranean Pipeline. Je kratší, ale je to inženýrská noční můra. Tato linie o průměru 50 cm (20 palců) vede mezi Alžírskem a Sicílií. Překračuje vody, kde hloubka moře přesahuje 600 metrů (2000 stop).
Proč se zemní plyn stal prémiovým palivem
Zemní plyn nebyl vždy cenný. V roce 1960 byl problém související s plynem. Byl to vedlejší produkt při výrobě ropy. Inženýři ji oddělili od ropy a odstranili co nejlevněji. Často to prostě spálili. Spálení bylo nejjednodušší řešení.
Situace se změnila po ropných krizích koncem 60. a začátkem 70. let. Zemní plyn se stal kritickým globálním zdrojem energie.
Dokonce i ve Spojených státech byl na trhu s obytným vytápěním omezen až do 30. let 20. století. Městský plyn byl tehdy široce používán. Bylo to syntetické. Jeho výhřevnost byla poloviční než u zemního plynu. Když se zemní plyn stal hojným a levným, nahradil městský plyn.
Zemní plyn zcela hoří, vzniká hlavně oxid uhličitý a voda. Je relativně bez sazí, oxidu uhelnatého a oxidů dusíku.
Na této čistotě záleží. Neexistují prakticky žádné emise oxidu siřičitého. V důsledku toho mnoho zemí preferuje zemní plyn z ekologických důvodů. Nahradila uhlí v elektrárnách po celém světě.
Má to ale háček. Metan je silný skleníkový plyn. Zadržuje teplo přibližně 25krát účinněji než oxid uhličitý. Navzdory své pověsti čistého paliva úniky metanu ze skladovacích zařízení, potrubí a vozidel významně přispívají ke globálnímu oteplování. To zůstává vážným problémem.
Co je uvnitř trubky?
Zemní plyn je směs uhlovodíků. Skládá se převážně z nasycených lehkých parafinů. Hlavními složkami jsou metan a etan. Za atmosférických podmínek jsou v plynném stavu.
Směs může také obsahovat propan, butan, pentan a hexan. Ve formacích vysoký tlak udržuje i tyto těžší uhlovodíky v plynné formě. Po vystoupání na povrch a snížení tlaku na atmosférický tlak kondenzují na kapalinu. Vyrábějí se samostatně jako kapalný zemní plyn (NGL).
K tomu dochází v polních separátorech nebo závodech na zpracování plynu. Kapaliny zemního plynu se pak dělí na frakce. Získáte vše od těžkých kondenzátů (hexany, pentany, butany) až po zkapalněný ropný plyn (LPG) a ethan. Ve Spojených státech je to obrovský průmysl. Zpracování zemního plynu poskytuje většinu ethanové suroviny pro výrobu olefinů. Zkapalněný ropný plyn se používá pro vytápění a komerční účely.
Neuhlovodíkové nečistoty
Zemní plyn často obsahuje neuhlovodíkové plyny. Dusík, oxid uhličitý, vodík, helium a argon jsou běžné.
Dusík a oxid uhličitý nehoří. Mohou být přítomny ve významných poměrech. Dusík je inertní. Pokud je však přítomen ve velkém množství, snižuje výhřevnost. Musí být odstraněn, než se plyn dostane na komerční trh. Oxid uhličitý je odstraněn pro zvýšení výhřevnosti, snížení objemu a zajištění stabilního spalování.
Pak je tu síra. Zemní plyn často obsahuje sirovodík nebo jiné organické sloučeniny síry. Toto je známé jako „kyselý plyn“.
Síra je toxická při vdechování. Koroduje (koroduje) předměty a potrubní konstrukce. Při spalování vytváří vážné škodliviny. Proto se při zpracování odstraňuje. Ale tady je zvrat: po odstranění síry se přidá minimální množství žíravého merkaptanového odorantu. za co? Pro detekci úniku. Metan je bez zápachu. Vůni potřebujete, abyste věděli, zda se během přepravy nebo používání něco nepokazilo.
Ve formaci koexistuje plyn a formovací voda. Proto plyn vytěžený ze studny obsahuje vodní páru. Tato pára během transportu do zpracovatelského závodu částečně kondenzuje.
Tepelné a fyzikální vlastnosti
Komerční zemní plyn neobsahuje kapalný zemní plyn (NGL). Prodává se na vytápění. Obvykle obsahuje 85 až 90 procent metanu. Zbytek je většinou dusík a etan.
Jeho výhřevnost je vysoká. Obvykle poskytuje přibližně 38 megajoulů (MJ) na metr krychlový. To je asi 1 050 britských tepelných jednotek (BTU) na krychlovou stopu.
Metan sám o sobě je bezbarvý a bez zápachu. Je vysoce hořlavý. Ale jak bylo uvedeno, související plyny, jako je sirovodík, mají ostrý, pronikavý zápach. Jen několik částí na milion stačí k tomu, aby zemní plyn získal zřetelný zápach. Tento zápach je bezpečnostní opatření.
Plyn nezůstává nezměněn poté, co opustí zem. Rozšiřuje se. Ochlazuje se. Změní svůj stav. Pochopení toho, jak měříme a pohybujeme toto neviditelné palivo, je polovina příběhu energetického průmyslu. Druhá polovina ho chrání před zamrznutím v potrubí.
Standardní objemy a tržní hodnota
Plyn měříme objemově, ale pouze za přísných podmínek. Konkrétně: při standardním atmosférickém tlaku (760 mmHg nebo 14,7 psi) a teplotě 15 °C (60 °F). Podzemní plyn je stlačován pod obrovským tlakem. Když se dostane na povrch, tento tlak zmizí. Plyn expanduje. Zabírá více místa. Ale skutečné množství energie obsažené v tomto plynu se nemění.
Proto používáme standardní podmínky měření. To vytváří rovné podmínky pro všechny.
Rezervy jsou obrovské. Hovoříme o miliardách a bilionech kubických metrů (bcm, tcm) nebo kubických stop (bcf, tcf). Denní produkce u ústí vrtů je menší, obvykle se měří v tisících nebo milionech kubických metrů (tisíc m³, mn m³) nebo kubických stopách (mcf³, mn ft³).
Je zde zvláštní rys. Průmysl používá římské číslice. M znamená 1000. MM znamená 1000 krát 1000. Takže MMcf je jeden milion kubických stop. Zdá se to být libovolné, dokud si na to nezvyknete.
Ale objem není to, za co platíte. Energie je to, za co platíte.
Zemní plyn se nakupuje a prodává na základě jeho výhřevnosti. Tedy tepelnou energií, která se uvolňuje při spalování. Přibližně 38 megajoulů na metr krychlový (MJ/m³) nebo 1 050 BTU na kubickou stopu. V praxi jsou tato čísla pro obchodní transakce příliš malá. Používáme gigajouly (GJ) a miliony BTU (MMBTU).
V britském imperiálním systému se 1 MMBTU rovná přibližně 1 000 kubických stop plynu. Další běžnou jednotkou je therm, což se rovná 100 000 BTU nebo přibližně 100 kubických stop. Ceny jsou často uváděny za termiku, za MMBTU nebo za GJ. Všechno to souvisí s teplem.
Základy zpracování pole
Plyn na poli je zřídkakdy připraven k použití. Někdy je jeho obsah metanu tak vysoký, že může být přímo dodáván spotřebitelům potrubím. Ale to se stává zřídka.
Ve většině případů je „špinavý“. Obsahuje těžší kapalné uhlovodíky a nečistoty. Je také při velmi nízkém tlaku. V tomto stavu je nemožné jej efektivně protlačit potrubím.
Proto to zpracováváme.
Proces zahrnuje několik kompresních stupňů. Stlačujeme plyn, abychom odstranili kapaliny a nečistoty. Také chladíme tekutinu. Chlazení snižuje teplotu plynu. To šetří energii na kompresorových stanicích dále po lince. Jedná se o určitý druh kompromisu. Nyní plýtváte energií na chlazení a kompresi, abyste ušetřili energii později.
Dehydratace a prevence hydratace
Voda je nepřítel při zpracování plynu.
V jednoduché instalaci kompresoru plyn vstupuje do vstupní pračky. Odstraňuje zachycené kapaliny. Plyn se poté stlačí a ochladí. Tlak stoupá. Teplota klesá. Vodní pára kondenzuje na kapalinu.
Pokud se plyn příliš ochladí, dosáhne svého rosného bodu. Voda nebo uhlovodíky se mění v kapalinu. To vytváří problém. Vznikají hydráty plynu. Jsou to krystaly, které vypadají jako led. Ucpávají ventily. Blokují potrubí. Zastavují výrobu.
Je třeba jim zabránit.
Řešením je glykol. Roztok glykolu se vstřikuje do proudu plynu. Absorbuje rozpuštěnou vodu. Plyn vysychá. Glykol, nyní nasycený vodou, se zahřívá. Voda se vypařuje. Glykol se znovu použije.
Existuje i jiný způsob. Pevné vysoušedla.
Vlhký plyn prochází věžemi naplněnými sušícím materiálem. Voda se adsorbuje na pevnou látku. Výstupem je suchý plyn. Pevné vysoušedlo se nakonec nasytí a musí být regenerováno nebo vyměněno.
Regenerace kapalných uhlovodíků
Metan je cenný. Ale těžší komponenty často stojí více.
Když to tržní ekonomika vyžaduje, těžíme kapalný zemní plyn (NGL). To vyžaduje složitý komplex absorpce a frakční destilace.
Surový stlačený plyn se v absorpční koloně setkává s „chudým olejem“. Chudý olej absorbuje těžší složky z plynu. Většina plynu – obvykle 95 procent metanu – vychází shora jako koncový plyn. Ještě potřebuje zpracování k odstranění síry a dalších nečistot.
Proud kapaliny ze dna, nyní „nasycený olej“, se posílá do destilační kolony. Zde je etan odstraněn pro použití jako vlastní palivo nebo petrochemická surovina. Chudý olej je regenerován a recyklován zpět do horní části kolony.
Některé závody mají další kolony pro oddělování propanu a butanu.
Na teplotě záleží. Staré továrny fungovaly při pokojové teplotě. Moderní zařízení používají chladicí stroje ke snížení teploty zpracování. To zlepšuje účinnost absorpce.
Existuje ještě agresivnější metoda. Kryogenní expanze.
Takto efektivně získáváme etan. Ochlazený plyn je vytlačován do expanzní komory pomocí výkonné turbíny. Tlak páry klesá. Teploty klesnou na -84 °C (-120 °F).
Při této teplotě zůstává metan plynem. Těžší uhlovodíky kondenzují. Jsou extrahovány. Metan pokračuje v pohybu. Sbírají se tekutiny.
Čištění sirovodíkového plynu
Plynný sirovodík obsahuje sloučeniny síry. Jsou žíravé. Jsou toxické. Je třeba je odstranit.
Sladíme plyn.
Proces využívá ethanolamin. Jedná se o absorbent kapalin. Působí podobně jako glykol při dehydrataci, ale zaměřuje se na síru.
Plyn prochází ethanolaminem. Vychází téměř zcela bez síry. Ethanolamin se pak zpracuje, aby se odstranila absorbovaná síra. Používá se znovu.
Tento cyklus pokračuje, dokud není amin vyčerpán nebo není kontaminován natolik, že jej nelze získat zpět.
Doprava
Jakmile je plyn suchý, oslazený a odměřený, vstupuje do potrubí. Tlak je vysoký. Teplota je řízena. Složení je stabilní. Cestuje stovky nebo tisíce kilometrů.
Ale to už je jiný příběh. Infrastruktura, která hýbe těmito neviditelnými plameny, je zázrakem techniky. Vyžaduje neustálé sledování. Vyžaduje údržbu. Vyžaduje jemnou rovnováhu fyziky a chemie.
Pokud jeden ventil selže, celý systém se zastaví.
Infrastruktura definuje průmysl. Boom zemního plynu nebyl jen o hledání plynu. Šlo o přepravu. A prvním krokem v této logistické hádance bylo kovové potrubí.
Před 21. stoletím neměl web nic společného s tím, co vidíme dnes. Úplně první železná linka spojila Titusville a Newton v Pensylvánii v roce 1872. Jednalo se o litinovou trubku o průměru pouhých 2,5 palce. Maličký. Křehké podle moderních standardů. Dodával však plyn o tlaku 80 psi (přibližně 550 kilopascalů) do 250 domácností. Tohle byl začátek.
Rychle vpřed do současnosti. Měřítko je ohromující. Jen ve Spojených státech délka hlavních ropovodů přesahuje 500 000 kilometrů. Přidejte k tomu 3,4 milionu kilometrů distribučních sítí o menším průměru a výsledkem je síť, která ročně dodává více než 672 miliard metrů krychlových plynu. To zásobuje 70 milionů spotřebitelů.
Pozadu nezůstává ani Rusko, největší světový exportér. Provozuje více než 160 000 kilometrů hlavních ropovodů. Jeho šířka pásma? Více než 600 miliard metrů krychlových ročně. Fyzický rozsah přesunu energie ze zdroje do zásuvky je skutečným hnacím motorem trhu.
Tlaková geometrie
K zalévání pokojové rostliny nepoužíváte požární hadici. Potrubní inženýrství se řídí stejnou logikou.
Moderní linky se velmi liší velikostí. Přívodní vedení mohou být široká až 15 centimetrů (6 palců). Hlavní potrubí? Nafouknou se na 60, 106 nebo dokonce 122 centimetrů (24, 42, 48 palců). Největší ruské kmenové linie překračují tyto rozměry a dosahují 140 centimetrů (56 palců).
Tlak je další proměnná. Velká hlavní potrubí fungují při tlaku asi 8 megapascalů. To je přes 1000 psi. V oblastech, kde převládá metrický systém, je to 80 barů. Tření plynu rychle procházejícího ocelovou trubkou je obrovské. Aby se udržela v pohybu, každých 100 kilometrů (60 mil) jsou umístěny automatické kompresorové stanice. Zapínají se, zvyšují tlak a překonávají odpor. Bez nich se plyn okamžitě zastaví.
Přes oceány po ledu
Co se stane, když je plyn daleko od trhu? Řekněme, uprostřed ničeho? Ne vždy je možné položit potrubí. Místo toho je zamrzlý.
Problém vzdálenosti řeší zkapalněný zemní plyn (LNG). Při ochlazení na asi -160 °C (-260 °F) se zemní plyn stlačí na 0,16 procenta svého původního objemu. Jedná se o 600násobné snížení. Náhle se jeho přeprava přes oceány stává ekonomicky proveditelnou.
Proces v zařízeních na zkapalňování plynu je přesný. Využívá kaskádové cykly automatického chlazení. Nejprve se z plynu odstraní oxid uhličitý a vysuší se. Poté prochází řadou kompresních a expanzních stupňů. Plyn se ochlazuje, až se změní na kapalinu. Energie pro tuto kompresi obvykle pochází ze spalování části samotného plynu. Efektivní, ale drahé.
Po zmrazení se nakládá do speciálně izolovaných cisteren. Tyto lodě plují do přístavů spotřeby. Tam se LNG skladuje v chlazených nádržích až do jeho použití. Chcete-li jej použít, musí být kapalina přeměněna zpět na plyn. To vyžaduje teplo. Toto teplo často pochází z nedaleké mořské vody – levná výměna.
Ale je tu nuance. Každá fáze – zkapalňování, přeprava, znovuzplyňování – vede k úniku energie. Ztráty mohou dosáhnout 25 procent původního objemu. Posíláte led, ale zároveň posíláte neefektivitu.
Od spalovacích paliv po chemické suroviny
Největší jednorázové využití této energie? Výroba elektřiny. Spálíme to, aby se roztočily turbíny.
Po elektřině přichází průmyslové a domácí využití. Vytápění rodinných domů. Práce továren. Zemní plyn je ale víc než jen palivo. Toto je stavební kámen.
Jeho čisté spalování z něj udělalo favorita pro flotily. Mnoho autobusů jezdí na stlačený zemní plyn. Vypouští oxid uhličitý, jistě, ale méně sazí než nafta.
Je přítomen i ve věcech, kterých se každý den dotýkáte. Saze, jemný koloidní pigment, se vyrábí spalováním zemního plynu s omezeným přístupem vzduchu. Saze se usazují na studených površích. Je to ve vašich pneumatikách. Je to v inkoustu vaší tiskárny. Je to ve vašich barvivech.
Připojení čpavku
Více než polovina světového amoniaku se vyrábí ze zemního plynu. Proces využívá vodík vyrobený z metanu. Katalytické. Obtížný.
Tenhle čpavek není jen tak ležet. Stává se hnojivem pro rostliny. Nebo se mění na kyselinu kyanovodíkovou, dusičnou, močovinu a různá hnojiva. Pokud jíte potraviny vypěstované dnes, pravděpodobně jste sklízeli výhody této chemie.
Ostatní chemikálie jdou podobným způsobem. Řízená oxidace přeměňuje plyn na metanol, propanol a formaldehyd. To jsou základní materiály pro nekonečné množství dalších produktů. Metanol může dokonce nahradit benzín.
Pak je tu MTBE. Methyl-terc-butylether. Jedná se o palivové aditivum obsahující kyslík. Smícháte metanol s isobutylenem na kyselé iontoměničové pryskyřici a získáte sloučeninu, která zvyšuje oktanové číslo v benzínu. Toto je chemický most mezi studnou a vaší plynovou nádrží.
Tam, kde to všechno začalo
Zemní plyn je hojnější než ropa. Není to jen ukrytí hluboko pod zemí. Generuje se nad, uvnitř a pod „olejovým oknem“. Každá mateřská hornina má potenciál ji produkovat.
Mnoho z největších světových ložisek plynu je spojeno s uhlím. Ani náhodou. Tyto zdrojové horniny pocházejí z období karbonu a raného permu. Přibližně před 358,9–273 miliony let.
Plyn se tvoří ze suchozemských rostlin a vodní organické hmoty. Starověká biomasa, stlačená a ohřívaná po eony. Stále se tvoří. Pořád je v pohybu. A stále si nachází cestu do našich potrubí, našich nádrží a chemických laboratoří.
Otázkou není, jak jsme to našli. Našli jsme to už dávno. Otázkou je, jak dlouho dokážeme tlak udržet.
Můžete si myslet, že ropa a plyn jsou prastaré, natlakované kuličky uzamčené pod zemí. To je sice pravda, ale jejich cesta k vašemu kotli nebo čerpací stanici zahrnuje různé biologické a tepelné kroky.
Biologické stadium
Než teplo a tlak odvedou hlavní část práce, začnou působit mikrobi. Toto je nezralé nebo biologické stádium. Anaerobní bakterie rozkládají organickou hmotu v oblastech bez kyslíku. Vypouštějí biogenní metan. Myslete na bažinný plyn. Palivový plyn.
Tyto mikroby jsou jemné. Zabíjí je i stopové množství kyslíku. Vysoké hladiny síranů také inhibují jejich aktivitu. Proto se tento plyn tvoří jen na určitých místech. Špatně odvodněné bažiny. Dna některých jezer. Mořské prostředí pod zónou redukce síranů.
To není jen specializovaná kuriozita. Biogenní plyn tvoří více než 20 procent světových zásob plynu. To je obrovské množství energie pocházející spíše z jednoduchého rozkladu než z hluboké pozemské chemie.
Tepelná fáze
Pak přijde teplo. Výroba ropy dosahuje fáze zralosti v hloubkách od 750 do 5000 metrů. Je to 2 500-16 000 stop. Toto je olejové okno.
Zde získáte celé spektrum uhlovodíků. Termální metan se připojuje k procesu spolu s olejem. Ale pokud kopáte hlouběji než 2 900 metrů (9 500 stop), hra se změní. V podstatě namočíš plyn. Plyn smíchaný s kapalnými uhlovodíky.
Jakmile klesnete pod 5 000 metrů, vstoupíte do fáze post-zralé. Ropa je zničena. Už není stabilní. Hlavním produktem je termický metan. Toto již není mikrobiální rozklad. Jedná se o krakování stávajících kapalných uhlovodíků.
Velké molekuly se rozpadají rychleji, než se tvoří. Metan přežije. Delší řetězy nejsou. To je důvod, proč zřídka najdete ropu pod 5000 metrů v sedimentárních pánvích. Tlusté sekvence sedimentárních hornin? Stále mohou obsahovat potenciál pro hlubinný plyn, ale ne ropu.
Anorganická tvorba
Je veškerý plyn organický? Obvykle ano. Ale nějaký metan může být anorganický. Abiogenní.
Zemský uhlík pochází z vesmírného odpadu. Meteority. Uhlíkaté chondrity jsou bohaté na uhlovodíky. Jestliže tyto meteority představují původní stavební kameny Země, pak se zde od samého počátku vyskytovaly vysoké koncentrace uhlovodíků.
Stále může docházet k trvalému odplyňování. Uhlovodíky vystupující z nitra planety. Některé se mohou akumulovat jako abiogenní agregáty, aniž by kdy prošly organickou fází.
Zní to slibně? Vlastně ne. Rozsáhlé odplynění by pravděpodobně způsobilo, že by byl plyn příliš difúzní. Příliš rozptýlené na těžbu. Významné nahromadění anorganického metanu? Zatím jsme je nenašli. Pokud existují, dobře se skrývají.
Pak jsou tu další prvky. Helium a argon. Nejedná se o vedlejší ropné produkty. Pocházejí z radioaktivního rozpadu. Rodiny thoria a uranu produkují helium. Draslík produkuje argon.
Jejich přítomnost v zemním plynu je pravděpodobně náhodná. Nesouvisející plyny uvězněné ve stejné geologické kapse. Ne proto, že by byly chemicky příbuzné. Jen smůla na plyn, štěstí na těžaře helia.
Geologické prostředí
Zemní plyn se chová jako ropa, migruje horninami, dokud není geologicky uvězněn. Ale jde o to: ropa obsahuje více obnovitelné energie než stejný objem plynu. Přestože je těžba plynu technicky efektivnější, fyzika jí nepřeje. Plyn má zpočátku nízkou koncentraci. Snadno se rozptýlí. Aby se zabránilo jeho zatékání, jsou zapotřebí zcela nepropustné střešní materiály.
Tato nestálost činí střešní materiály kritickými.
Zemní plyn není náročný na hloubku. Lze jej nalézt jak v mělkých vrstvách, tak hluboko pod povrchem. Mělké akumulace často vyplývají z biogenních procesů a tvoří se nad ropným oknem. Tepelný plyn je však přítomen v celém a pod tímto oknem. Ve většině pánví je více vertikálního prostoru pro výrobu plynu než pro ropu. Asi čtvrtina velkých plynových polí je biogenních a mělkých. Odpočinek? Vyskytují se hluboko ve starých nádržích, často v uhličitanech překrytých evapority.
Konvenční plynová pole
Ne všechna konvenční plynová pole se chovají stejně. Fyzikální variace určují, kolik plynu lze skutečně vytěžit.
V jednofázovém plynovém poli teorie naznačuje, že téměř všechny zásoby lze získat zpět, pokud je tlak dostatečně snížen. Realita je ale složitější. Pokud se voda z okolních hornin pohybuje dovnitř, aby udržela tlak, kapilární síly udrží část plynu za přemísťující se vodní frontou. Ztrácíte to.
Takže v praxi je míra návratnosti asi 80 procent.
Existuje také ekonomické omezení. Pokud tlak klesne příliš nízko, náklady na stlačení plynu překročí jeho hodnotu. V závislosti na propustnosti se skutečná míra obnovy pohybuje mezi 75 a 80 procenty. Přidružený plyn – ten, který se vyrábí spolu s ropou – se po těžbě odděluje na povrchu.
Netradiční plynová pole
Pak je tu netradiční plyn. Leží v geologických podmínkách, které neodpovídají standardnímu modelu lapače oleje.
Vyskytuje se v:
– Husté pískovce (nízká propustnost)
– Praskliny a praskliny
– Absorbováno v břidlicové matrici
– Uhelné sloje
– Plyn hydratuje v chladných polárních nebo podmořských oblastech
– Rozpuštěný nebo zachycený v horkých geolisovaných formačních vodách
„Nekonvenční“ je především ekonomické označení. Vzhledem k moderním technologiím a cenám je provoz těchto zdrojů dražší a produkční rychlost nižší. Je obtížnější je odstranit. Ale jak se technologie vyvíjí a konvenční zdroje zdražují, stávají se tyto alternativy nákladově efektivní. Těsný plyn, břidlicový plyn a uhelný metan to již prokázaly.
Hustý plyn
Hustý plyn je ukryt v listových nebo čočkovitých pískovcích. Klíčovým ukazatelem je zde propustnost. Hovoříme o hodnotě menší než jedna milidarcy (0,001 darcy). To je neuvěřitelně nízká hodnota.
Konvenční vertikální vrty zde mají potíže. Přirozené průtoky jsou příliš nízké na to, aby byly ekonomické. Vrtání starým způsobem znamená plýtvání zdroji.
Na scénu přichází horizontální vrtání a hydraulické štěpení (fracking).
Tyto metody vytvářejí velké sběrné zóny ve formacích s nízkou propustností. Vytvářejí trhliny ve skále a poskytují „potrubí“ pro plyn do vrtu. Od té doby, co se tyto metody staly standardem, objem výroby dramaticky vzrostl.
Břidlicový plyn
Břidlicový plyn je zachycen v nejjemněji zrnité sedimentární hornině. Na rozdíl od hustého plynu v pískovcích, kde zlomy mohou poskytovat určité přirozené cesty, je břidlice hustá a jemnozrnná. Plyn je adsorbován na organickou hmotu a jílové minerály v horninové matrici.
Jeho extrahování vyžaduje dvojí přístup. Pro maximalizaci kontaktu s vrstvou břidlice je nutné horizontální vrtání. K otevření mikrotrhlin je pak zapotřebí rozsáhlé hydraulické štěpení. Bez těchto kroků zůstane plyn zachycen.
Měřítko je také jiné. Ložiska břidlice často zabírají stovky čtverečních mil. Jediná studna se může napojit na rozsáhlou síť zlomů. To zcela mění ekonomiku procesu. Není to jen o hledání plynové kapsy. Jde o zacházení se samotnou skálou jako s rezervoárem.
S klesajícími náklady na těžbu břidlicový plyn přímo konkuruje konvenčním zdrojům. V některých regionech se již stal hlavním dodavatelem. Technologie není nová, ale její účinnost roste. Tření materiálu, lepší monitorování a vylepšené konstrukce studní umožňují extrahovat více plynu ze stejné horniny.
Otázkou ani tak není, zda to dokážeme extrahovat. Problémem jsou ekologické kompromisy. Spotřeba vody. Indukovaná seismicita. Při výrobě uniká metan. To jsou skutečná úzká hrdla dneška.
Potenciál však zůstává ohromující. Zásoby břidlicového plynu jsou rozšířené. Nejsou omezeny na několik konkrétních bazénů. Existují téměř na každém kontinentu. Jak se konvenční zásoby vyčerpávají, přechod na tyto nekonvenční zdroje se zrychluje. Geologie se nemění. Plemeno zůstává na místě. Ale naše schopnost odemknout její zdroje roste.
Břidlicový plyn nezačal jako zdroj. Začalo to jako špína. Organické bahno se usadilo na dně starověkých oceánů a během milionů let bylo pokryto vrstvami sedimentu. Hlavní práci převzala vysoká teplota a tlak. Z této hlíny udělali kámen. Organickou hmotu „uvařili“ a přeměnili ji na zemní plyn.
Část tohoto plynu byla mobilní. Prosákla do nedalekých pískovcových kapes. Uvízl tam a vytvořil ložiska tradičního plynu. Většina plynu však zůstala zachycena. Samotná břidlice je neporézní. Tohle je vězení za plyn. Po celá desetiletí byly pokusy o jeho vytěžení prohráváním. Proud plynu byl příliš pomalý a okraje příliš tenké.
Pak se objevilo horizontální vrtání. Inženýři se naučili vrtat bokem a prořezávali břidlicové útvary na míle daleko. Přidáním hydraulického štěpení (frakování) lze horninu popraskat. Objemy výroby prudce vzrostly. Dnes se asi 25 procent zemního plynu ve Spojených státech vyrábí z těchto těsných útvarů. Odborníci předpokládají, že do poloviny 21. století tento podíl dosáhne 50 procent. Nastala éra břidlice.
Uhlovodíkový plyn z uhelných slojí
Uhlí není jen palivo pro elektrárny. Toto je metanová houba. Obrovské objemy plynu zůstávají uzavřeny uvnitř uhelných slojí.
Proces začíná zauhelňováním. Když se rostlinná hmota změní na uhlí, uvolní se plyn. Část z nich uniká do atmosféry. Významná část zůstává. Nachází se ve formě volného plynu v trhlinách a zlomech útvaru. Ještě více plynu je adsorbováno na vnitřních površích mikropórů. Představte si plyn nalepený na vnitřních stěnách mikroskopických otvorů.
Jeho těžba vyžaduje hospodaření s vodou. Vrtáte studnu do nádrže. Odčerpáváte vodu, která nasycuje uhlí. Odstraněním vody se sníží tlak. Tento pokles tlaku způsobuje desorpci. Metan opouští povrch pórů. Stává se z něj plyn zdarma. Migruje do trhlin. Poté stoupá podél vrtu na povrch.
Uhlí je neprostupné. Praskliny jsou jediné cesty. Pokud je nádrž bohatá na metan, inženýři ji stimulují frakováním, podobně jako operace na břidlicových polích. Uhelný plyn v současnosti dodává téměř 10 procent zemního plynu ve Spojených státech. Roste i v jiných regionech. Nové oblasti rozvíjejí tyto formace, protože tradiční zdroje jsou vyčerpány.
Geoprecizní kapaliny a hydráty metanu
Ne všechen plyn je ve zjevných kapsách. Někteří číhají v hlubokých, mladých sedimentárních pánvích. Jedná se o geoprecizní tanky.
Zde formační tekutiny – obvykle solné roztoky – přebírají část zátěže z nadložních hornin. Tlak se zvyšuje. Může dosáhnout dvojnásobku běžného hydrostatického gradientu. Teplo se také špatně odvádí. Izolační vrstvy břidlice a jílu zadržují tepelnou energii. Tyto tekutiny jsou často teplejší než v oblastech s normálním tlakem.
Solanka je nasycena plynem. Hovoříme o 0,84–2,24 kubíků zemního plynu na 0,159 kubíků solanky. To je 30-80 kubických stop plynu na barel. Zní to slibně. Ale to není pravda.
Extrakce tohoto plynu vyžaduje vysoké průtoky. Potřebujete formace s vysokou pórovitostí a propustností. Musíte také odčerpat obrovské objemy horké formační vody, abyste získali komerční množství plynu. Náklady na energii a logistické problémy jsou příliš vysoké. V současné době neexistuje žádná komerční produkce plynu z geoprecizních ložisek. Matematika nesedí.
Něco jiného jsou methhydráty. Jsou to pevné struktury podobné ledu. Jednotlivé molekuly metanu jsou uzavřeny v buněčných mřížkách molekul vody. Toto je molekulární past.
Tyto hydráty existují na dvou hlavních místech. Pod permafrostem v polárních oblastech. A na mořském dně podél kontinentálních šelfů. Specifické kombinace tlaku a teploty umožňují metanu migrovat do vodonosných vrstev a vytvářet tyto struktury. Nacházejí se v polárních pískovcích a v písku a jílu kontinentálních okrajů.
Těžba je úzkým hrdlem. Zatím nemáme ekonomicky životaschopnou nebo ekologicky udržitelnou metodu. Na stole jsou dvě hlavní myšlenky.
Za prvé, odtlakování. Do útvaru vyvrtejte studnu. Snižte okolní tlak. Metan se uvolňuje z vodní mřížky. Stoupá po vrtu.
Za druhé, vstřikování oxidu uhličitého. Pumpujte CO2 do kamene. Molekuly CO2 vytlačují metan z mřížky. Uvolňuje se metan. Poté jej lze odstranit.
Oba způsoby s sebou nesou rizika. Ekosystémy, kterých se to týká, jsou extrémně citlivé. Polární prostředí a mořské šelfy jsou křehké. Jakákoli technologie musí být vyvíjena s maximální opatrností. Máme plyn. Jen nevíme, jak to extrahovat, aniž bychom zničili svět kolem nás.
Světová distribuce zemního plynu
Plyn není umístěn jen na jednom místě. Migruje.
Představte si zemskou kůru jako vertikální továrnu na výrobu plynu. V blízkosti povrchu se nachází mělký biogenní plyn. Dále se v hloubce ocitnete v „olejovém okně“, kde se rozpouští plyn. Pokud půjdete hlouběji, začne převládat termální plyn.
Toto rozlehlé vertikální stanoviště spojené s nekonečnou zásobou surovin naznačuje, že jsme pouze poškrábali povrch předmětu. Doslova.
Odhady naznačují, že množství vytěžitelného plynu, které zůstalo neobjeveno, je 45 procent z celkového množství. Energetický potenciál těchto konečných zdrojů se předpokládá srovnatelný s ropou. Dnes používáme méně plynu než ropy, takže se očekává, že současné zásoby vydrží déle. Pokud se však změní vzorce spotřeby a spotřeba plynu dosáhne úrovně oleje, tato životnost rychle zmizí. Dalším krátkodobým zdrojem se stane plyn.
Náklady na ztráty plynu
Spalování plynu není nic nového. Jde o zlozvyk spojený s produkcí ropy.
V roce 2017 Světová banka vykázala ohromující ztráty. Přibližně 141 miliard kubických metrů (bcm) plynu – což odpovídá 5 bilionům kubických stop (tcf) – bylo spáleno přímo u vrtu. To představuje pětinu roční spotřeby plynu Spojených států nebo 75 procent ročního ruského exportu.
Proč to plýtvat? Odlehlost ložisek. Výroba plynu z izolovaných vrtů je drahá. Pokud jej nelze dopravit potrubím, spálí se.
Historicky největšími pachateli bylo Rusko, Blízký východ a části Afriky. Zatímco velká část tohoto plynu je nyní reinjektována do rezervoáru k udržení tlaku, to, co nelze reinjektovat, je často spáleno.
Ekonomika ale mění chování. S rostoucími cenami plynu se zintenzivnilo úsilí o ochranu. Pálení se snížilo. Peníze jsou příliš velké na to, aby se jen tak zvedly.
Průmysloví giganti
Ne všechny vklady jsou stejné.
Největší ložiska zemního plynu jsou „supergianti“. Obsahují více než 850 miliard m³ (30 bilionů kubických stop) plynu. Pak jsou tu „globální obři“, jejichž objem se pohybuje od 85 do 850 miliard m³ (3 až 30 bilionů kubických stop).
Tato obrovská ložiska představují nepatrný zlomek celkového počtu známých nalezišť. Méně než 1 procento. Jsou však páteří průmyslu.
Supergianti a obři a doprovodný plyn nalezený v obřích ropných polích původně obsahovali asi 80 procent světových zásob. Poskytují 80 procent celosvětové produkce plynu.
Role Ruska
Rusko má některé z těchto obrů.
Rusko drží korunu za největší světové zásoby zemního plynu. Hovoříme o 47 bilionech kubických metrů (tcm), neboli asi 1 680 bilionech kubických stop (tcf) plynu. Rusko se pravidelně dělí o první místo ve výrobě se Spojenými státy, ale objem zdrojů skrytých pod zemí v Rusku nemá obdoby.
Hlavní činnost je soustředěna v západní Sibiři. Zejména se podívejte na východ od Obského zálivu, přímo k polárnímu kruhu. Právě zde se nacházejí některá z největších plynových polí na planetě.
Urengoy: Obr, který pokračuje v práci
Urengoy je druhé největší ložisko plynu na světě. Byl otevřen v roce 1966. Počáteční odhady rezerv byly 8,1 bilionu m³ (286 bilionů cu ft). To je ohromující množství energie.
Geologie je zde složitá, ale konzistentní. Asi tři čtvrtiny tohoto plynu se nacházejí v nejmělčím zásobníku. Leží v hloubkách od 1 100 do 1 250 metrů (3 600 až 4 100 stop). Tyto horniny jsou křídového (pozdní křídového) stáří, datované přibližně před 66–100,5 miliony let.
Celkem je v Urengoy 15 samostatných nádrží. Některé se nacházejí v horninách spodní křídy, které jsou starší a pocházejí asi z doby před 100,5 až 145 miliony let. Nejhlubším místem je zóna plynného kondenzátu v sedimentech svrchní jury, které jsou staré 145–163,5 milionů let.
Těžba začala v roce 1978. Dosáhla svého vrcholu. Objemy produkce od té doby klesly, ale Urengoy stále převyšuje jakékoli jiné jednotlivé plynové pole na Zemi, pokud jde o objem. Zůstává králem kořisti.
Yamburg a Orenburg
Severně od Urengoy, také severně od polárního kruhu, je Yamburg. Jedná se o druhé největší ložisko v Rusku. Počáteční zásoby byly odhadnuty na 4,7 bilionů m³ (166 bilionů cu ft). Plyn se vyrábí především z hornin svrchní křídy. Vyskytují se v hloubkách od 1 000 do 1 210 metrů (3 300 až 4 000 stop). Vývoj začal na začátku 80. let.
Pak je tu Orenburg. Otevřeno v Povolží-Ural v roce 1967. Nese titul největšího ruského naleziště plynu mimo západní Sibiř. Počáteční rezervy byly 1,8 bilionu m³ (64 bilionů cu ft). Těžba začala v roce 1974. Je významná, ale svým rozsahem nemůže konkurovat sibiřským obrům.
Groningen: Pilíř Evropy
Přesuňme se na jih do Evropy. Největší naleziště zemního plynu na kontinentu je Groningen. Nachází se na pobřeží Nizozemska. K objevu došlo v roce 1959. Těžba začala v roce 1963. Počáteční vytěžitelné zásoby se pohybovaly od 2,7 do 2,8 bilionu m³ (95 až 99 bilionů kubických stop).
Již získali zpět asi 60 procent těchto počátečních zásob. Geologie je zde jedinečná. Průzkumná studna pronikla do permských evaporitů (251,9–298,9 milionů let). Dosáhl mocného bazálního permského pískovce, který se ukázal jako vysoce produktivní.
Následné vrty odhalily širokou antiklinu. Je asi 24 km (15 mil) široký a 40 km (24 mil) dlouhý. Nádrž je pokryta těmito evapority. Plyn se vyskytuje v hloubkách 2 500 až 3 000 metrů (8 000 až 10 000 stop). Pod touto nádrží je zkrácený a silně porušený karbonský (pennsylvánský) sled obsahující uhlí. Tato sekvence, pocházející z doby před 323 až 299 miliony let, je považována za hlavní zdroj plynu.
Troll: Norský gigant Severního moře
Druhým největším nalezištěm plynu v Evropě je pole Troll. Leží pod Severním mořem, méně než 100 km (60 mil) od pobřeží Norska. Leží v pískovcích období svrchní jury. K objevu došlo v roce 1979. Obnovitelné zásoby byly odhadnuty na 1,3 bilionu m³ (45,9 bilionů kubických stop).
Těžba začala v roce 1996. To se okamžitě stalo zlomem. Norsko se rychle stalo jedním z největších světových producentů a vývozců zemního plynu. Samotný troll tvoří více než polovinu prokázaných norských zásob zemního plynu. Tyto prokázané zásoby dosahují 2 bilionů m³ (72 bilionů kubických stop).
Severní Amerika
Obři Severní Ameriky
Spojené státy mají kolosální prokázané zásoby zemního plynu ve výši 9,7 bilionu metrů krychlových. To je 341 bilionů kubických stop paliva pohřbeného pod zemí. Korunním klenotem je formace Marcellus Shale. Rozprostírá se přes státy Pensylvánie, Ohio, Západní Virginie a New York. Některé odhady naznačují, že obsahuje až 14 bilionů metrů krychlových plynu.
Ročně vyrobí více než 80,3 miliardy metrů krychlových. To z něj dělá největší zdroj v zemi. Je to také jedno z největších nalezišť plynu na planetě. Rozsah je těžko pochopitelný, dokud se nepodíváte na objemy výroby.
Pak je tu pole Hugoton. Otevřen v roce 1927 v Kansasu. Rozkládá se přes Oklahomu a Texas. Abyste viděli celý obrázek, potřebujete široký pohled. Produktivní oblast se táhne podél zóny o délce 400 km. Bylo tam vyvrtáno více než 10 000 vrtů.
Geologie je zde specifická. Plyn se vyrábí z permských vápenců a dolomitů. Stratigrafické variace v litologických kontrolních akumulacích. Tohle není jen díra v zemi. Jedná se o komplexní pastový komplex. Odhadované vytěžitelné zásoby pole jsou 1,5 bilionu krychlových metrů. Zhruba 65 procent z nich se již podařilo obnovit.
Kanada je dalším velkým hráčem. Má prokázané zásoby 2,1 bilionu krychlových metrů. Jejich nevyužitý potenciál téměř přesně odpovídá potenciálu Spojených států. To je obrovské množství nevyužité energie. Jedním z hlavních míst je pole Elmworth. Byl objeven v Albertě v roce 1976. Leží v nádrži křídového pískovce. Obsahoval 560 miliard metrů krychlových plynu. To je 20 bilionů kubických stop potenciálu.
Mexiko je jiné. Má prokázané zásoby 356 miliard metrů krychlových. Výroba je rozptýlená. Významná část pochází z ropného pole Canterel v Mexickém zálivu. Poptávka roste. Elektrický průmysl hladoví. Nedokážou ale zpracovat celý objem. Každý rok se spálí miliardy krychlových metrů souvisejícího plynu. To je nevyužitý potenciál. Nebo přesněji neefektivní infrastruktura.
Pouštní obři
V severní Africe je historie starší. Klíčovým místem je pole Hassi R’Mel. Nachází se v centrální depresi Alžírska. Otevřeno bylo v roce 1956. Leží ve velké antiklinále. Nádrž je triasový pískovec. Je stará 200 milionů let. Je pokryta vrstvami soli.
Původně obsahoval asi 2,52 bilionu metrů krychlových vytěžitelného plynu. Pokračuje ve výrobě 100 miliard metrů krychlových ročně. To je 60 procent celkového objemu suchého plynu v Alžírsku. Geologie je zde čistá. Propustná skála. Solný uzávěr. Jedná se o klasický sběratel. Pro region je však také silným ekonomickým motorem.
Střední východ
Střední východ drží zbytek globální rovnováhy.
Nejde jen o ropu na Blízkém východě. Pod pískem je ukrytý obrovský podzemní zásobník plynu. Tento potenciál je spojen s arabsko-íránskou pánví. Jeho základem je permská formace Khuff. Rozkládá se na většině území regionu. To je klíčový horizont pro akumulaci plynu.
Tato vrstva obsahuje největší světové ložisko souvisejícího zemního plynu. Katar tomu říká Severní pole a Írán tomu říká Jižní Parské pole. Nachází se ve vodní ploše. Rezervy jsou ohromující. Odhady uvádějí objem více než 28 bilionů metrů krychlových. To je 1000 bilionů kubických stop.
Toto bohatství určuje hodnocení. Írán je na třetím místě v zásobách zemního plynu. Katar je čtvrtý. Větší rezervy má jen Rusko. Důvodem je vznik Khuffa. Už to není jen ropná země. Tohle je plynová velmoc.
Útesové nádrže Asie
Vydejte se na východ. Asie má svého obra. Záloha Arun. Otevřeno v roce 1971. Nachází se v severní části povodí Sumatry v Indonésii. Skály jsou zde jiné. Toto je útesový vápenec. Patří do středního miocénu. To je před 16–11,6 miliony let.
Počáteční zásoby byly odhadnuty na 383 miliard metrů krychlových. Nebo 13,5 bilionu kubických stop. Obrovská čísla. Plyn se ale k sousedům nedodává potrubím. Plyn je zkapalněný. Pouze pro export. To zcela mění logistiku. Jsou potřeba chladící řetězy. Potřebujeme specializované tankery. Hodnota je v mobilitě.
