Zemní plyn
Zemní plyn je přírodní hořlavý plyn využívaný jako významné plynné fosilní palivo. Jeho hlavní složkou jsou methan a ethan. Zemní plyn se teží z porézních sedimentárních hornin uzavřených ve strukturních pastech podobně jako ropa. Nachází se buď samostatně, společně s ropou nebo černým uhlím. Používá se také jako zdroj vodíku při výrobě dusíkatých hnojiv.
Díky tomu, že obsahuje především methan, má v porovnání s ostatními fosilními palivy při spalování nejmenší podíl CO2 na jednotku uvolněné energie. Je proto považován za ekologické palivo. Ve vozidlech se využívá ve stlačené (CNG) nebo zkapalněné podobě (LNG).
Methan a ethan jsou bez zápachu; proto se při jeho distribuci provádí tzv. odorizace, tj. přidávají se do něj zapáchající plyny (např. ethylmerkaptan) tak, aby čichem bylo možno pocítit zemní plyn ve vzduchu v koncentraci větší než 1 procento.
Zemní plyn je využíván jako zdroj energie a také jako surovina pro chemický a palivový průmysl.
Obsah |
Fyzikální charakteristiky [editovat]
Tyto charakteristiky jsou jen přibližné, protože se podle složení na různých nalezištích liší.
- Hustota:
- suchý plynný: 0,7 kg/m3 (lehčí než vzduch)
- kapalný: 400 kg/m3
- Molární hmotnost: M = 0,0164 kg/mol
- Zápalná teplota: t = 650 °C
- Teplota plamene 1957 °C
- Výhřevnost: 16–34 MJ/m3 (plynný)
- Oktanové číslo při použití ve spalovacích motorech: 120–130
- Dolní mez výbušnosti: 4,3%
- Horní mez výbušnosti: 15%
Složení [editovat]
Zemní plyn je směsí plynných alkánů Methanu (CH4), Ethanu (C2H6), Propanu (C3H8) a Butanu (C4H10).
|
|
|
|
Typické složení zemního plynu[1] :
| Methan | CH4 | 70-90% |
| Ethan, Propan, Butan | C2H6, C3H8, C4H10 | 0-20% |
| Oxid Uhličitý | CO2 | 0-8% |
| Kyslík | O2 | 0-0.2% |
| Dusík | N2 | 0-5% |
| Sirovodík | H2S | 0-5% |
| Vzácné plyny | A, He, Ne, Xe | Stopy |
Složení zemního plynu se liší podle toho ze kterého ložiska se těží. Následující údaje o složení byly převzaty z [2] a [3]. Hodnoty jsou v molárních procentech.
| Země původu | Methan | Ethan | Propan | Butan | Dusík | Oxid uhličitý |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alžírsko | 86,98 | 9,35 | 2,33 | 0,63 | 0,71 | 0,87 |
| USA (Aljaška) | 99,72 | 0,06 | 0,0005 | 0,0005 | 0,20 | < 0,019 |
| Nizozemí | 82,12 | 2,81 | 0,38 | 0,13 | 13,43 | 0,99 |
Vznik [editovat]
Zemní plyn vzniká v přírodě třemi způsoby: buď biogenicky bakteriálním rozkladem organické hmoty, nebo termogenicky společně s ropou, nebo anorganickou cestou během tuhnutí magmatu. Biogeneze probíhá pouze v mělkých částech zemské kůry a jejímy produkty jsou pouze plynné uhlovodíky (metan). Při pokračující subsidenci sedimentární pánve biogeneze ustává a začnou probíhat procesy termogenické. Při termogenické přeměně organické hmoty vznikaji jak plynné uhlovodíky (zemní plyn), tak tekuté uhlovodíky (ropa) i pevné uhlovodíky (asfalt). Anorganický vznik metanu se připisuje chemickým reakcím, které probíhají při tuhnutí magmatu.
.svg)
Anorganicky vzniklé uhlovodíky byly popsány z oceánských hřbetu v Tichém a Atlantickém oceánu.[4] Jejich množství jsou velmi malá a nacházejí se v tak nepřístupných hloubkách daleko od pevniny, že nemají komerční význam.
Biogeneze spočívá v přeměně organické hmoty drobnými mikroorganismy na metan. Methanogeny, drobné, metan produkující mikroorganismy, chemicky rozkládají organickou hmotu k výrobě metanu. Tyto mikroorganismy se běžně vyskytují v oblasti blízko povrchu, které jsou bez kyslíku. Tyto mikroorganismy také žijí ve střevech většiny zvířat, včetně člověka. Tvorba metanu tímto způsobem probíhá jen v blízkosti povrchu země, a většina tohoto metanu je obvykle ztracena do atmosféry. Za určitých okolností však může tento metan být zachycen v podpovrchových srukturních pastích a vytěžen jako zemní plyn. Příklad biogenního metanu je skládkový plyn.
Při pokračující subsidenci sedimentární pánve biogeneze ustává a začnou probíhat procesy termogenické. Při termogenické přeměně organické hmoty vznikají jak plynné uhlovodíky (zemní plyn), tak tekuté uhlovodíky (ropa) i pevné uhlovodíky (asfalt). Při termogenezi se organický materiál vlivem tepla a tlaku přemění nejprve na kerogen a pak na ropu a zemní plyn. Ropa se začíná tvořit při cca. 60 stupních Celsia termogenickým rozpadem (krakováním) kerogenu. Tento proces pokračuje až do cca. 120 stupňů Celsia. Při cca. 100 stupních začíná tvorba plynu, která pokračuje zhruba do 200 stupňů Celsia. Teplotnímu intervalu tvorby ropy se říká ropné okno (60-120 stupňů Celsia). Teplotnímu intervalu tvorby plynu se říká plynové okno (100-200+ stupňů Celsia). Podle tepelného toku v daně sedimentární pánvi se hloubka ropného okna pohybuje mezi 2-4 km a hloubka plynového okna mezi 3-6 km.
Bez ohledu na teplotní podmínky v pánvi. různé zdrojové horniny jsou náchylné k vytváření různých typu uhlovodíků. Některé zdrojové horniny (mořské břidlice s vysokým obsahem organického materiálu) budou schopné produkce jak kapalných uhlovodíků (ropy) tak plynu. Toto bude probíhat postupně podle toho jak se zdrojová hornina při subsidenci zahřívá a prochází nejprve ropným oknem a pak plynovým oknem. Uhlí se tradičně považuje za zdojovou horninu náchylnou ke tvoření plynu, avšak v určitých případech (v závislosti na typu uhlí) může tvořit i ropu.
Poté co zdrojová hornina dosáhne zralosti, nastane migrace. Plyn, někdy společně s ropou, migrují buď podél geologických zlomů (vertikální migrace) nebo podél porézních sedimentárních vrstev (laterální migrace). Typické příklady nosných vrstev při laterální migraci jsou porézní pískovce, některé vápence nebo i zvětralé vyvřelé horniny.
Poslední fáze je zachycení migrující ropy a plynu v tzv. ropné pasti, čímž vzniká jejich současná naleziště. Ropná past sestavá z porézních hornin, které jsou v nadloží a po stranách utěsněné horninami nepropustnými. Ropné pasti jsou tvořeny jako geologické struktury (napr. antiklinály, zlomové strukturz), nebo stratigraficky (napr. vyklinováním pískovce a faciálním přechodem do nepropustých břidlic). Těsnící horniny jsou vestinou břidlice s vysokým obsahem jílu, ale i vyvřelé horniny pokud nejsou zvětralé. Srdcem ropné pasti je pak vlastní porézní hornina (tzv. kolektorová hornina), kde se migrující ropa a plyn nahromadí. Typické kolektorové horniny jsou porézní pískovce nebo vápence korálových útesu. Klíčovým parametrem kolektorových hornin je jejich porózita a propustnost. Typická porózita se pohybuje od 8-35%, a typická propustnost od 100 Millidarcy (mD) do několika Darcy.
Uvnitř kolektoru se jednotlivé tekutiny rozdělí podle relativních hustot. Plyn se nahromadí v nejmělčích částech ropné pasti, ropa níže a voda nejníže.
Zdrojové horniny, maturace, migrace, ropné pasti, kolektorové a těsnicí horniny jsou souhrně nazývaný ropným systémem. Aby mohlo naleziště vzniknout, musí v dané sedimentární pánvi existovat všechny jeho elementy. Navíc musí jejich tvorba proběhnout ve správné sekvenci. Například tvorba ropných pasti musí proběhnou před migraci, jinak ropa a plyn budou migrovat až na povrch a uniknou do atmosféry. Studium elementů ropného systému je základem moderního průzkumu.
Průzkum [editovat]
Moderní průzkum je založen na stejných principech jako průzkum na ropu. Základem je těsná integrace mnoha technických disciplín: geologie, geofyziky, paleontologie, geochemie, petrofyziky, ropného inženýrství a ekonomie. Práce se provádí v prostředí integrovaných týmu, v rámci nichž uvedené disciplíny těsně spolupracují.
Základem je vždy dobrá znalost podpovrchové strukturní stavby. Ta se vybuduje na základě analýzy seismických profilu buď ve 2D nebo ve 3D, a do jisté míry i ze satelitních snímků nebo z terénní práce. Geochemická, geologická a paleontologická data že starších vrtů se musí integrovat do vznikajícího modelu tak, aby vznikl co nejpřesnější obrázek podpovrchových struktur.
Geochemik provede analýzu zdrojových hornin (pokud existují vzorky), a analýzu vzorků ropy buď z existujících vrtů nebo z míst kde ropa prosakuje na povrch. Tím se potvrdí věk a typ zdrojové horniny, a její stupeň termální maturace.
Paleontolog provede analýzu podpovrchových vzorků z vrtů a povrchových vzorků z výchozu. Určí věk hornin ve studované oblast a v některých případech i jejich sedimentární původ. Ze studia fosilních společenstev se dá určit v jakém prostředí byla ta která hornina uložena, zda v mělkém moři nebo v hluboké vodě atd.
Geofyzik a geolog integrují výsledky paleontologické analýzy dohromady se seismickými profily, profily interpretují a společně zmapují oblast. Připraví strukturní podpovrchové mapy klíčových horizontu a identifikují možné prospekty k vrtání. Zvláštními úkolem geofyzika je získat že seismických profilů kvantitativní informace o pórozitě a kapalinovém obsahu studovaných horizontů. Tým potom společně s ropným inženýrem a ekonomem odhadne možné rezervy.
Jakýkoliv průzkum neodvratně obsahuje element rizika. Typický průzkumný vrt má naději na úspěch mezi 5-40%. Tým má za úkol toto riziko odhadnout.
Průzkumné vrty jsou prvním stadiem hledání ropy a plynu. Když je nové ložisko objeveno, druhým stadiem jsou podpůrné vrty, které mají za úkol přesně vymezit ložisko a získat co nejvíce parametrů o kolektorových horninách. Tyto informace tým použije v modelování kolektorů. Nejdříve se připraví 3D statický model kolektorů že všech dostupných geologických a geofyzikálních dat. Ten se potom podrobí dynamické simulaci, při které se předpovídá tok tekutin (ropy, plynu a vody) skrz kolektor během produkce. Na základě této dynamické simulace tým potom navrhne optimální umístění těžebních vrtů. V tomto stádiu tým těžebních inženýrů navrhne povrchová těžební zařízení a jejich cenu.
Na základě této práce ekonomové přepracují ekonomický model peněžního toku během života ropného pole. Na základě toho management rozhodně, zda do projektu dále investovat a přikročit k těžbě. Pokud je rozhodnutí kladné, tým těžebních inženýrů postaví povrchová těžební zařízení a vrtní inženýři vyvrtají těžební vrty. Průzkumné vrty se ve většině případů nehodí pro produkci a jsou hned po vyvrtání a ukončení karotážních měření zacementovány.
Těžba [editovat]
Tradiční ložiska zemního plynu jsou strukturní pasti sestávající z porézní kolektorové horniny obklopené horninami nepropustnými (břidlice, sůl, vyvřeliny). Plyn se nahromadí v nejvyšší části pasti, kde může být navrtán a vytěžen. Pokud se jedná o dvoufázové ložisko (plyn a voda), optimální strategie je navrtat klasickým vertikálním vrtem samý vrchol struktury co nejdále od rozhraní plyn-voda. Cílem je, aby se co nejdéle zabránilo přítoků vody do vrtu. Pokud se jedná o třífázové ložisko (plyn-ropa-voda), ropa se musí vytěžit nejdříve a teprve poté přistoupit k těžbě plynové čepičky. Když by se plynová čepička vytěžila nejdříve v kolektoru by poklesl tlak a zvýšila by se viskozita zbývající ropy. To by mělo nutné za následek drastické snížení jejich vytěžitelných zásob.
Nekonvenční ložiska plynu je kolektivní název pro všechny zdroje zemního plynu kromě tradičních dvou- a třífázových kolektorů. Může se jednat o těžbu plynu přímo z původní zdrojové horniny, kde se plyn tvoří in-situ. Tomuto typu ložiska se říká břidlicový plyn. Zdrojové horniny jsou typicky břidlice s velmi nízkou propustností. Tradiční vertikální vrty se nedají použít, protože obnaží jen poměrně krátkou délku formace. Používají se proto vrty ukloněné nebo i horizontální, ve kterých délka horizontální sekce může dosáhnout až několika km. Cílem je obnažit co největší délku formace. Poté se přistoupí k hydraulickému štěpení formace, aby se vytvořily systémy umělých puklin, skrz které by do vrtů mohl začít proudit obsah formace (plyn a/nebo ropa). Hydraulické štěpení se u dlouhých horizontálních vrtů provádí v několika stádiích a nazývá se vícestupňové hydraulické štěpení.
Dalším nekonvenčním zdrojem je metan uhelných slojí (CBM, Coalbed Methane). Jedna se methan uloženy v uhlí procesem zvaným adsorpce. Tím se liší od typického pískovce nebo jiného tradičního ložiska. Nazývá se "sladký plyn", protože obsahuje málo sirovodíku. Je v téměř tekutém stavu. Na rozdíl od tradičních ložisek obsahuje velmi málo těžších uhlovodíku jako je propan nebo butan, a žádný kondenzát. Často obsahuje až několik procent oxidu uhličitého. Některé uhelné sloje, jako jsou ložiska v Illawarra v Austrálii, obsahují naopak málo methanu a převládající plyn je oxid uhličitý. Přítomnost metanu v uhelných slojích je známá z podzemní těžby uhlí, kde představuje vážné bezpečnostní riziko.
Těžba je založena na principu desorpce, která probíhá podle křivky Langmuirovy izotermy. Adsorbovaný methan se uvolní, pokud se sníží v uhelné slojí tlak. Methan je těžen vrtáním do uhelné sloje s následným čerpání vody ze sloje ven. Pokles tlaku umožňuje desorpci methanu a jeho průtok v plynném skupenství na povrch. Methan je pak stlačený a plynovodem poslán na trh.
Dalším nekonvenčním zdrojem jsou zmrzlé hydráty methanu pod mořským dnem.
Literatura [editovat]
- FÍK, Josef. Zemní plyn: tabulky, diagramy, rovnice, výpočty, výpočtové pravítko. Praha : Agentura ČSTZ, 2006. ISBN: 80-86028-22-4
- Nils G. Holm a Jean Luc Charlou, 2001, Initial indications of abiotic formation of hydrocarbons in the Rainbow ultramafic hydrothermal system, Mid-Atlantic Ridge; Earth and Planetary Science Letters, vol. 191, cislo 1–2, 30. srpna 2001, str. 1–8
Odkazy [editovat]
Reference [editovat]
- ↑ Naturalgas.org: Typické složení zemního plynu Background information.
- ↑ [1]
- ↑ [2]
- ↑ Holm a Charlou, 2001: Initial indications of abiotic formation of hydrocarbons in the Rainbow ultramafic hydrothermal system, Mid-Atlantic Ridge. Earth and Planetary Science Letters, vol. 191, cislo 1–2, 30. srpna 2001, str. 1–8
Související články [editovat]
- Ropný vrchol (pro zemní plyn“ se zatím očekává někdy mezi lety 2010 a 2020)
- Focul viu (přírodní vývěr plynu)
- Plynárenství (obor zabývající se těžbou a zpracováním zemního plynu)
