Metan pokładów węgla: zasoby i eksploatacja

Metan pokładów węgla: zasoby i eksploatacja

Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Metan pok³adów wêgla: zasoby i eksploatacja
Jerzy Hadro1, Izabela Wójcik1
Coalbed methane: resources and recovery. Prz. Geol., 61: 404–410.
A b s t r a c t. Gas produced from coal can be subdivided into three categories: coalbed methane (CBM), coal mine methane (CMM) and abandoned mine methane (AMM). CBM is
extracted from virgin coal using wells drilled from the surface. In recent years horizontal
drilling is widely used as a primary CBM recovery technique. A pair of wells – a vertical production well intersected by a horizontal multilateral well – is considered the most effective
in dewatering a coal reservoir and thus enables maximizing its productivity.
Although CBM world resources are huge (100–216 bcm), only a few countries produce
coalbed gas commercially. While the US is still the leader, Australia has the fastest CBM
J. Hadro
I. Wójcik
production growth. It has been observed that many mature CBM plays reveal highly variable
productivity, possibly due to coal heterogeneity. Therefore, CBM reserves/resources should be estimated using probabilistic
methods.
In spite of its substantial CBM resource potential, Poland has produced only coal mine methane (CMM) whereas significant
efforts of CBM exploration conducted in the 1990s failed to flow gas in commercial quantities due to low permeability. Dart
Energy operates a CBM exploration license in the Upper Silesia and has recently finished testing the CBM production pilot using
a surface-to-inseam horizontal well with vertical production well intersection. This state-of-the-art CBM completion technology
has been used for the first time in Poland and, hopefully, will unlock the sizeable CBM resource of the Upper Silesian Coal Basin.
Keywords: coalbed methane (CBM), coal mine methane (CMM), CBM resource, CBM reserves, CBM production
Metan pok³adów wêgla to gaz naturalny, który zosta³
wygenerowany w wyniku procesu przeobra¿ania substancji organicznej w wêgiel kamienny i jest akumulowany
w wêglu dziêki zjawisku sorpcji. Gaz ten ma coraz wiêksze
znaczenie jako alternatywne Ÿród³o energii o zasiêgu œwiatowym, jego zasoby geologiczne szacuje siê na co najmniej
100 bln m3. Ujmowanie metanu pok³adów wêgla jest po¿¹dane równie¿ z punktu widzenia bezpieczeñstwa i ochrony
œrodowiska, poniewa¿ metan uwalniany podczas eksploatacji górniczej wêgla jest Ÿród³em zagro¿enia i przyczynia
siê do wzrostu efektu cieplarnianego.
Mimo ¿e wêgiel kamienny by³ znany i wykorzystywany jako surowiec energetyczny od stuleci, to wystêpowanie w nim gazu uœwiadomiono sobie dopiero wtedy,
gdy poziomy wydobywcze kopalñ wêgla zesz³y g³êboko
pod ziemiê. Wówczas gaz zawarty w pok³adach wêgla da³
o sobie znaæ, staj¹c siê wielkim zagro¿eniem i poch³aniaj¹c
¿ycie wielu górników. Nasza wiedza dotycz¹ca metanu
pok³adów wêgla rozwinê³a siê w³aœnie na gruncie profilaktyki zagro¿eñ metanowych w górnictwie. Wykorzystanie
gazu zawartego w pok³adach wêgla jako Ÿród³a energii
zawdziêczamy jednak po³¹czeniu profilaktyki zagro¿eñ
metanowych oraz techniki wiertniczej stosowanej w górnictwie nafty i gazu.
Metan pok³adów wêgla wraz z gazem z ³upków i gazem
zamkniêtym jest zaliczany do tzw. gazu niekonwencjonalnego, na który spogl¹damy z nadziej¹, ¿e przyczyni
siê do poprawy krajowego bilansu energetycznego. Warto
przypomnieæ, ¿e w odró¿nieniu od gazu z ³upków metan
pok³adów wêgla jest dobrze rozpoznany i posiada udokumentowane zasoby porównywalne z zasobami gazu
konwencjonalnego.
1
404
METAN ZE Z£Ó¯ WÊGLA JAKO KOPALINA
– PROBLEMY TERMINOLOGICZNE
Metan zawarty w z³o¿ach wêgla zyska³ znaczenie
jako surowiec energetyczny w latach 80. XX w. w USA.
W Stanach Zjednoczonych wydzielono kilka kategorii gazu
zwi¹zanego z pok³adami wêgla, przy czym za g³ówne kryterium uznano raczej sposób jego pozyskiwania ni¿ genezê
przyrodnicz¹. Wyró¿nia siê nastêpuj¹ce rodzaje gazu ze
z³ó¿ wêgla:
– coalbed methane (CBM), w Australii coal seam
gas (CSG) – metan pok³adów wêgla (sensu stricto),
który czasem jest okreœlany jako virgin coalbed methane
(VCBM) – metan pok³adów wêgla nienaruszonych eksploatacj¹ górnicz¹ (dziewiczych). Podkategori¹ CBM jest
enhanced coalbed methane (ECBM) – metan pok³adów
wêgla poddany intensyfikacji (poprzez zat³aczanie innego
gazu, np. CO2, N2);
– coal mine methane (CMM) – metan kopalniany,
uwalniany podczas prowadzenia dzia³alnoœci górniczej
kopalni wêgla (g³ównie metan ujmowany w wyniku odmetanowania górotworu). Podkategori¹ CMM jest ventilation
air methane (VAM) – metan odprowadzany w powietrzu
wentylacyjnym (kopalni), który prawie w ca³oœci wêdruje
do atmosfery (wprowadzane s¹ technologie do usuwania
metanu z powietrza, lecz wci¹¿ s¹ bardzo kosztowne).
– abandoned mine methane (AMM) – metan pochodz¹cy ze zlikwidowanych kopalñ. Chocia¿ AMM niektórzy uwa¿aj¹ za podkategoriê CMM z uwagi na pochodzenie gazu, to jednak sposób pozyskiwania gazu otworami z powierzchni oraz forma jego nagromadzenia (gaz
wolny w pustkach) s¹ zasadniczo ró¿ne zarówno od CMM,
jak i CBM.
Dart Energy (Poland) Sp. z o.o., ul. Mazowiecka 21, 30-019 Kraków; [email protected]; [email protected].
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
TECHNOLOGIA UDOSTÊPNIANIA
I WYDOBYWANIA METANU POK£ADÓW WÊGLA
Gaz zakumulowany w wêglu w postaci sorbowanej jest
utrzymywany w równowadze dziêki ciœnieniu otaczaj¹cych
wód z³o¿owych, które wype³niaj¹ naturalny system spêkañ
obecnych w wêglu. Wywo³anie przyp³ywu gazu wymaga
obni¿enia ciœnienia z³o¿owego poprzez odwodnienie pok³adu wêgla. Do tego celu stosuje siê technologie udostêpniania i wydobywania zapo¿yczone z klasycznego otworowego górnictwa nafty i gazu.
W latach 80. i 90. XX w. stosowano zasadniczo dwie
technologie udostêpniania gazonoœnych pok³adów wêgla
otworami z powierzchni. Najczêœciej udostêpniano horyzonty z³o¿owe w zarurowanych otworach przez perforacjê (ryc. 1A). Dodatkowo, z uwagi na niskie przepuszczalnoœci, przewa¿nie wykonywano zabieg szczelinowania
hydraulicznego, by zwiêkszyæ strefê przyp³ywu. Drugim
sposobem udostêpniania by³o tzw. kawernowanie wêgla
w odcinku niezarurowanym. Ta metoda by³a stosowana
zwykle w przypadku jednego grubego pok³adu wêgla i polega³a na wyp³ukiwaniu kawa³ków wêgla w celu wytworzenia w pok³adzie g³êbokiej kawerny umo¿liwiaj¹cej zwiêkszony dop³yw gazu (ryc. 1B). W obu przypadkach po
udostêpnieniu pok³adu lub pok³adów wêgla pompowano
wodê przy u¿yciu pompy ¿erdziowej (popularny kiwon).
B
A
rurki
wydobywcze
tubing
wêgiel coal
woda water
W Polsce metan pok³adów wêgla zaczêto traktowaæ
jako surowiec energetyczny na pocz¹tku lat 90. XX w.
Do celów dokumentowania wprowadzono podzia³ na z³o¿a
metanu jako kopaliny g³ównej (odpowiednik CBM) oraz
z³o¿a metanu jako kopaliny towarzysz¹cej (eksploatowanym z³o¿om wêgla kamiennego; odpowiednik CMM).
Chocia¿ z przyrodniczego punktu widzenia jest to ten
sam gaz, rozró¿nienie metanu z pok³adów wêgla (nienaruszonych eksploatacj¹ górnicz¹; CBM) i metanu kopalnianego (CMM) ma doœæ istotne praktyczne znaczenie. CBM
jest gazem z³o¿owym pozyskiwanym w sposób komercyjny i zasadniczo podlega dokumentowaniu, ewidencji zasobów oraz regulacjom prawnym stosowanym dla wêglowodorów konwencjonalnych. Z czysto utylitarnego punktu
widzenia jest to po prostu gaz ziemny, który mo¿na
w dowolny sposób zagospodarowaæ. CMM jest natomiast
gazem ulotnionym podczas eksploatacji górniczej wêgla
i jest pozyskiwany w procesie odmetanowania górotworu,
g³ównie ze zrobów otworami do³owymi. Metan kopalniany jest mieszanin¹ metanu i powietrza, co umo¿liwia jego
wykorzystanie do generowania ciep³a lub energii elektrycznej. W Polsce metan kopalniany jest pozyskiwany œciœle
w celu zapewnienia bezpieczeñstwa kopalni, co obci¹¿a
dodatkowymi kosztami podmiot prowadz¹cy eksploatacjê
wêgla, a ewentualne wykorzystanie gospodarcze metanu
stanowi tylko niewielk¹ rekompensatê wydatków poniesionych na odmetanowanie.
Wprowadzenie rozró¿nienia terminologicznego umo¿liwi³oby np. jednoznaczne podawanie informacji o wielkoœci
wydobycia i zasobach metanu pok³adów wêgla w Polsce,
która w obecnej formie wymaga odpowiedniego komentarza, aby doprecyzowaæ, ¿e 100% wydobycia i 2/3 udokumentowanych zasobów to metan bêd¹cy kopalin¹ towarzysz¹c¹ (CMM).
13-3/8"
rury 9-5/8"
9-5/8" casing
rury 7"
7" casing
9-5/8"
wêgiel
coal
kawerna
cavity
wêgiel coal
pompa wg³êbna
downhole pump
7"
Ryc. 1. Udostêpnianie metanu pok³adów wêgla otworami
pionowymi: A – perforacje ze szczelinowaniem hydraulicznym,
B – kawernowanie
Fig. 1. Coalbed methane completions using vertical wells: A – perforations with hydraulic fracture stimulation, B – cavitation
A
gaz
gas
woda
water
otwór zarurowany
borehole cased
odcinki h
oryzonta
lne
multi-seam
laterals
wêgiel
coal
rz¹pie, pompa
sump, pump
B
pionowy otwór produkcyjny
vertical production well
otwór horyzontalny
horizontal well
rozpoczêcie krzywienia
kick off point
rury ok³adzinowe
casing
intersekcja
intersection
wêgiel
coal
odcinek nierurowany
open hole
rz¹pie, pompa
sump, pump
Ryc. 2. Udostêpnianie metanu pok³adów wêgla za pomoc¹
otworów horyzontalnych: A – pojedynczych wielodennych,
B – pary otworów po³¹czonych
Fig. 2. Coalbed methane completions using horizontal wells:
A – individual multi-laterals, B – pair of wells with intersection
Na pocz¹tku XXI w., wraz z rozwojem technologii
i technik wiercenia, wprowadzono metodê udostêpniania
metanu pok³adów wêgla otworami horyzontalnymi, która
obecnie jest dominuj¹ca. Ze wzglêdu na wielokrotnie
zwiêkszon¹ powierzchniê drena¿u produkcja gazu z otworów poziomych w pok³adzie wêgla jest kilka, a czasem
kilkanaœcie razy wiêksza. Pocz¹tkowo wiercono otwory
405
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
7000
liczba otworów
number of wells
1 mcf = 28,3 m3
cena gazu [$/mcf]
gas price [$/mcf]
Boom metanowy
Booming CBM economy
1 $/mcf = 35,3 $/1000 m3
liczba otworów
number of wells
4000
3000
Producenci metanu korzystaj¹
z ulg podatkowych wprowadzownych
w 1980 roku
Nieregulowany rynek gazu
In the begining of 80th the gas
market was unregulated and CBM
producers received
Section 29 Tax credit
W roku 1992 koñczy siê
nabywanie uprawnieñ
do ulg podatkowych
Spadek cen gazu
In 1992 the window
for Section 29 Tax credit
applications was closed
Record low price
5
4
3
2
2000
1000
7
6
6000
5000
8
cena gazu [$/mcf]
gas price [$/mcf]
8000
Pocz¹tki poszukiwania
Wydobycie pilota¿owe
Initial E&P efforts
Pilot production
1
0
19
8
19 0
8
19 1
82
19
8
19 3
8
19 4
8
19 5
8
19 6
8
19 7
8
19 8
8
19 9
9
19 0
9
19 1
92
19
9
19 3
9
19 4
9
19 5
9
19 6
9
19 7
9
19 8
9
20 9
00
20
0
20 1
0
20 2
0
20 3
0
20 4
0
20 5
0
20 6
07
0
czeniu pompy œrubowej (kawitacyjnej)
rozpoczyna siê pompowanie wody.
Po zainstalowaniu pompy i instalacji
powierzchniowej, niezale¿nie od sposobu udostêpnienia pok³adów wêgla, wydobycie polega na pompowaniu wy³¹cznie wody przez pewien okres, zale¿nie
od zawodnienia i nasycenia pok³adu wêgla
metanem. Po przekroczeniu krytycznego
ciœnienia desorpcji w otworze rozpoczyna siê przyp³yw gazu, który wydobywany
jest z rosn¹c¹ wydajnoœci¹ a¿ do osi¹gniêcia maksimum, po czym nastêpuje
stopniowy spadek wydobycia.
ŒWIATOWE WYDOBYCIE
METANU POK£ADÓW WÊGLA
rok
year
Ryc. 3. Rozwój wierceñ za metanem pok³adów wêgla w Stanach Zjednoczonych
Wydobycie metanu pok³adów wêgla
(Chakhmakhchev & Fryklund, 2008)
Fig. 3. Coalbed methane drilling statistics in the United States (Chakhmakhchev & Fryk- rozwiniêto na najwiêksz¹ skalê w USA.
lund, 2008)
Koncepcja pozyskiwania metanu ze z³ó¿
19
89
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
wydobycie [mld m3]
production [billion m3]
zasoby eksploatacyjne [mld m3]
reserves [billion m3]
wêgla kamiennego pojawi³a siê w Stanach Zjednoczonych w latach 70. XX w.,
70
700
kiedy rz¹dowa agencja ds. kopalñ (U.S.
Bureau of Mines) wdra¿a³a odmetanowa60
600
nie otworami wiertniczymi z powierzchni poprzedzaj¹ce eksploatacjê górnicz¹
50
500
wêgla (Fisher, 2001). W dalszym rozwoju górnictwa metanu istotne znaczenie
40
400
mia³y inicjatywy rz¹du Stanów Zjednoczonych. W 1980 r. wprowadzono w USA
30
300
ulgi podatkowe dla producentów gazu ze
20
200
z³ó¿ niekonwencjonalnych, a w 1983 r.
amerykañski Instytut Badañ Gazowych
10
100
(Gas Research Institute) wdro¿y³ pilota¿owy projekt i zademonstrowa³ mo¿li0
0
woœæ eksploatacji metanu ze z³ó¿ wêgla
otworami z powierzchni (Fisher, 2001).
rok
year
W nastêpnych latach, do 1992 r. (koniec
Ryc. 4. Wydobycie oraz zasoby eksploatacyjne metanu pok³adów wêgla w Stanach nabywania uprawnieñ do ulg podatkowych), iloœæ otworów wydobywczych
Zjednoczonych w latach 1989–2010 (EIA, 2013a, b)
Fig. 4. United States coalbed methane production and coalbed methane reserves in szybko ros³a, po czym korelowa³a siê
1989–2010 (EIA, 2013a, b)
z cen¹ gazu, z najwiêkszym przyrostem
w okresie 1999–2002 (ryc. 3). Wydobycie gazu ze z³ó¿ wêgla w Stanach Zjedhoryzontalne, najczêœciej wielodenne z pomp¹ wg³êbn¹ noczonych wzrasta³o systematycznie a¿ do 2008 r., gdy
umieszczon¹ w otworze macierzystym (pionowym/odchy- osi¹gnê³o maksimum – 56 mld m3 (ryc. 4), co stanowi³o 10%
lonym) poni¿ej wyprowadzenia odga³êzienia (ryc. 2A). krajowego wydobycia gazu. Od 2009 r. produkcja metanu
W ostatnim czasie popularne jest wykonywanie pary otwo- powoli maleje. Jest to konsekwencj¹ braku aktywnoœci
rów po³¹czonych: pionowego i horyzontalnego, zapewnia- poszukiwawczej i wyra¿a siê w spadku dokumentowanych
j¹ce bardzo efektywne odwadnianie z³o¿a (ryc. 2B). Otwór zasobów eksploatacyjnych od 2008 r. (ryc. 4). Przyczypionowy pe³ni funkcjê otworu produkcyjnego. Warunkiem nami s¹: niewielka szansa odkrycia nowych z³ó¿, niskie
niezbêdnym do spe³nienia tej funkcji jest przeciêcie (inter- ceny gazu oraz skupienie aktywnoœci inwestorów wokó³
sekcja) otworu pionowego otworem horyzontalnym wierco- gazu z ³upków, który zapewnia wiêksze zyski i szybszy
nym z powierzchni w odpowiedniej odleg³oœci od otworu zwrot zainwestowanego kapita³u. Zagospodarowanie z³ó¿
pionowego. Otwór horyzontalny jest prowadzony na d³ugim metanu pok³adów wêgla w USA najczêœciej odbywa siê
odcinku (do 1000 m) w pok³adzie wêgla, pozostaje zwykle przez sprzeda¿ wydobytego gazu wprost do ruroci¹gów
niezarurowany, a jego zadaniem jest odprowadzenie gazu przesy³owych, co zapewnia najwiêkszy zysk inwestorom.
zawartego w pok³adzie do otworu pionowego. Zazwyczaj W 2008 r. metan pok³adów wêgla w USA eksploatowany
wykonuje siê kilka odcinków horyzontalnych przecina- by³ 56 tys. otworów w 15 zag³êbiach przez 252 operatorów
j¹cych otwór pionowy. Po zakoñczeniu wiercenia i zapusz- (U.S. EPA, 2010).
406
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
3
wydobycie production
[PJ] [mld m ]
Poza Stanami Zjednoczonymi najbarsuma
7
total
250
234 PJ
dziej aktywne i wzrastaj¹ce wydobycie
zag³êbie Surat
6
212 PJ 113 PJ
Surat Basin
metanu jest prowadzone w Australii. Prze93 PJ
200
5
zag³êbie Bowen
mys³owe wydobycie metanu uzyska³a
Bowen Basin
151 PJ
150 4
46 PJ
1 PJ = 26,85 mln m
firma BHP w 1996 r. na obszarze górni125PJ
1 mld m = 37,2 PJ
38
PJ
3
czym kopalni Moura w zag³êbiu Bowen.
119 PJ 121 PJ
100
86 PJ
105 PJ
17 PJ 87 PJ
Produkcja rozwinê³a siê g³ównie w dwóch
2
63 PJ 2 PJ
61 PJ 69 PJ
36 PJ
50
zag³êbiach wêglowych: Bowen i Surat
27 PJ 30 PJ
1
16 PJ
10
PJ
4
PJ
6 PJ
po³o¿onych w stanie Queensland, z któ2 PJ
0 0
1997–1998 1998–1999 1999–2000 2000–2001 2001–2002 2002–2003 2003–2004 2004–2005 2005–2006 2006–2007 2007–2008 2008–2009 2009–2010 2010–2011
rych pochodzi 95% ca³kowitej produkcji
stan na 30 czerwca dla poszczególnych lat
metanu w Australii. Wydobycie metanu
year ending (30 June)
z tych dwóch zag³êbi wynios³o w 2010 r.
6,2 mld m3, co stanowi ok. 10% produk- Ryc. 5. Wydobycie metanu pok³adów wêgla w Australii w latach 1997–2011 (QGDEEDI,
2012)
cji gazu ziemnego w Australii. Najszyb- Fig. 5. Coalbed methane production in Australia, 1997–2011 (QGDEEDI, 2012)
szy wzrost wydobycia nast¹pi³ w ci¹gu
ostatnich piêciu lat (ryc. 5), co wi¹¿e siê
[PJ] [mld m ]
z rosn¹cym wykorzystaniem gazu z wêgla
suma
35 000 900
33 001 PJ
total
do produkcji gazu skroplonego (LNG)
31 805 PJ
24 671 PJ
zag³êbie Surat
30 000 800
23 354 PJ
w celach eksportowych. Wzrost wydo27 992 PJ
Surat Basin
21 488 PJ
700
25 000
bycia idzie w parze z dokumentowazag³êbie Bowen
23 062 PJ
600
Bowen Basin
16 993 PJ
niem nowych zasobów, co pokazano na
20 000
18 289 PJ
1 PJ = 26,85 mln m
500
12
617
PJ
1 mld m = 37,2 PJ
15 714 PJ
rycinie 6.
15 000 400
10 190 PJ
10 783 PJ
Pozosta³e kraje wydobywaj¹ce metan
300
10 000
6556
PJ
7154 PJ
200 3652 PJ 4116 PJ 3386 PJ 3667 PJ 4559 PJ 5989 PJ
8451 PJ 8330 PJ
pok³adów wêgla na skalê przemys³ow¹
1269 PJ
3291 PJ
374 PJ 741 PJ 722 PJ 847 PJ
6504 PJ
5000
2349 PJ
5524 PJ 5673 PJ 6069 PJ
100
to Kanada, Chiny i Indie. Wydobycie
4227 PJ
3278 PJ 3374 PJ 2664 PJ 2820 PJ 3290 PJ 3640 PJ 3863 PJ
0 0
metanu w Kanadzie rozpoczêto w 2002 r.
31.12.2004
31.12.2005
31.12.2006
31.12.2007
31.12.2008
31.12.2009
31.12.2010
data
(dwie kredowe formacje wêglonoœne –
date
Horseshoe Canyon i Manville w proRyc. 6. Zasoby eksploatacyjne metanu pok³adów wêgla w Australii w latach 2005–
wincji Alberta), a jego produkcja wynosi 2011 (QGDEEDI, 2012)
3
5,2 mld m (2008 r.), przy œrednich wydaj- Fig. 6. Coalbed methane reserves in Australia, 2005–2011 (QGDEEDI, 2012)
noœciach z otworu ok. 3,5 tys. m3/d (Taylor i in., 2008). W Chinach i Indiach
wydobycie metanu rozwinê³o siê na skalê przemys³ow¹ ¿e zasoby wydobywalne metanu pok³adów wêgla w USA
w ostatnim dziesiêcioleciu. W 2008 r. Chiny wydobywa³y stanowi¹ 9–29% zasobów geologicznych, a zasoby eksok. 5 mld m3 metanu (GMI, 2010), natomiast Indie produ- ploatacyjne to zaledwie 14% zasobów wydobywalnych.
Z³o¿a metanu pok³adów wêgla s¹ objête zasadniczo
kowa³y ok. 75 mln m3 metanu ze z³ó¿ wêgla (2011 r.). Spoœród pozosta³ych krajów najbli¿ej przemys³owego wydo- tymi samymi procedurami zwi¹zanymi z poszukiwaniem,
wydobywaniem i dokumentowaniem zasobów co z³o¿a
bycia metanu jest Indonezja.
W Europie jak do tej pory nie uda³o siê uzyskaæ op³acal- wêglowodorów konwencjonalnych. Metody szacowania
nej produkcji metanu z wêgla nienaruszonego eksploatacj¹ zasobów z³ó¿ metanu pok³adów wêgla powinny jednak
górnicz¹. Najbli¿ej komercyjnego sukcesu s¹ projekty pro- uwzglêdniaæ istotne ró¿nice w stosunku do z³ó¿ konwencjonalnych, które wymieniono w tabeli 2.
wadzone w Wielkiej Brytanii przez Dart Energy.
Cechy odró¿niaj¹ce z³o¿a metanu pok³adów wêgla od
z³ó¿ konwencjonalnych prowadz¹ do zmiennoœci parameZASOBY Z£Ó¯
trów z³o¿owych wykorzystywanych do szacowania zasoMETANU POK£ADÓW WÊGLA
bów, a w konsekwencji sprawiaj¹, ¿e du¿a jest niepewnoœæ
I METODY ICH SZACOWANIA
podawanych wielkoœci zasobów. W istocie, doœwiadczenia
Z³o¿a metanu pok³adów wêgla towarzysz¹ z³o¿om wêgla w produkcji metanu pok³adów wêgla ze z³ó¿ w USA
i wystêpuj¹ w kilkudziesiêciu krajach na wszystkich konty- dowodz¹, ¿e produktywnoœæ otworów eksploatacyjnych
nentach. Zasoby geologiczne metanu zawartego w pok³a- wykonanych na tym samym z³o¿u charakteryzuje siê bardach wêgla na œwiecie szacowane przez renomowan¹ firmê dzo du¿¹ zmiennoœci¹ (Reeves, 2008). Wynika st¹d wniokonsultingow¹ Advanced Resources International (ARI) sek, ¿e stosowanie deterministycznych metod obliczania
wynosz¹ 100–216 bln m3, przy czym zasoby wydobywalne zasobów mo¿e byæ obarczone du¿ym b³êdem i jest zalecane
okreœla siê na ok. 24 bln m3 (tab. 1) (Kuuskraa & Stevens, stosowanie metod probabilistycznych uwzglêdniaj¹cych sta2009).
tystyczn¹ zmiennoœæ parametrów z³o¿owych (np. metoda
Geologiczne zasoby metanu ze z³ó¿ wêgla w USA oce- Monte Carlo) (Reeves, 2008).
nia siê na 14–43 bln m3, podczas gdy zasoby wydobywalne
Firmy prowadz¹ce poszukiwanie i wydobywanie oraz
to ok. 4 bln m3, natomiast udokumentowane zasoby eksplo- firmy dokumentuj¹ce zasoby metanu pok³adów wêgla najatacyjne (reserves) wynosz¹ ok. 570 mld m3. W USA wydo- czêœciej pos³uguj¹ siê systemem zarz¹dzania zasobami
bycie metanu jest rozwiniête, bardzo zaawansowany jest wêglowodorów (Petroleum Resource Management System
te¿ stan rozpoznania zasobów eksploatacyjnych, z niewiel- – PRMS) wprowadzonym w 2007 r. pod patronatem miêdzykim spodziewanym ich przyrostem. Nale¿y zwróciæ uwagê, narodowych organizacji przemys³u naftowego: Society of
3
3
wydobycie production
3
3
3
407
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Tab. 1. Szacowane zasoby z³ó¿ metanu pok³adów wêgla na œwiecie
(Kuuskraa & Stevens, 2009)
Table 1. Estimated world coalbed methane resource (Kuuskraa
& Stevens, 2009)
Kraj
Country
Zasoby geologiczne
Gas-in-place
Zasoby
wydobywalne
Recoverable
resources
3
3
[Tcf]
[bln m ]
[Tm3]
[Tcf]
[bln m ]
[Tm3]
Rosja
Russia
450–2000
12,7–56,6
200
5,66
Chiny
China
700–1270
19,8–35,9
100
2,83
Stany Zjednoczone
United States
500–1500
14,2–42,5
140
3,96
Australia/
Nowa Zelandia
Australia/
New Zealand
500–1000
14,2–28,3
120
3,40
Kanada
Canada
360–460
10,2–13,0
90
2,55
Indonezja
Indonesia
340–450
9,6–12,7
50
1,42
Po³udniowa Afryka
South Africa
90–220
2,5–6,2
30
0,85
Europa Zachodnia
Western Europe
200
5,7
20
0,57
Ukraina
Ukraine
170
4,8
25
0,71
Turcja
Turkey
50–110
1,4–3,1
10
0,28
Indie
India
70–90
2,0–2,5
20
0,57
Kazachstan
Kazakhstan
40–60
1,1–1,7
10
0,28
Ameryka Po³udniowa/
Meksyk
South America/Mexico
Polska
Poland
Suma
Total
50
1,4
10
0,28
20–50
0,6–1,4
5
0,14
3540–7630
100,2–215,8
830
23,5
Petroleum Engineers, American Association of Petroleum
Geologists, World Petroleum Council i Society of Petroleum
Evaluation Engineers (SPE, 2007). Stosowana w obrêbie
tego systemu klasyfikacja zasobów z³ó¿ wêglowodorów
ma dwa wymiary (osie), pozwalaj¹ce na ocenê ryzyka
op³acalnej eksploatacji z³o¿a oraz niepewnoœci w oszacowaniu spodziewanej iloœci wêglowodorów (ryc. 7).
METAN POK£ADÓW WÊGLA W POLSCE
Na pocz¹tku lat 90. XX w., wraz z przybyciem inwestorów amerykañskich, metan ze z³ó¿ wêgla zacz¹³ prze¿ywaæ
w Polsce rozkwit, który trochê przypomina trwaj¹cy obecnie boom na gaz z ³upków. Ocenê mo¿liwoœci pozyskiwania
metanu pok³adów wêgla prowadzono we wszystkich polskich zag³êbiach wêglowych, z najwiêksz¹ intensywnoœci¹
w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym (GZW), g³ównie przez
amerykañskie kompanie naftowe Amoco i Texaco. W ramach
tych prac wykonywano próbne testy eksploatacji metanu
otworami z powierzchni. Zastosowana metoda eksploatacji polega³a na jednoczesnym udostêpnianiu wielu gazonoœnych pok³adów wêgla przez perforacjê i szczelinowanie
408
Tab. 2. Porównanie konwencjonalnych z³ó¿ gazu ziemnego i z³ó¿
metanu pok³adów wêgla
Table 2. Comparison of conventional gas and coalbed methane
fields
Konwencjonalne z³o¿a gazu
Conventional gas fields
Z³o¿a metanu pok³adów wêgla
Coalbed methane fields
akumulacja ograniczona
rozmiarami pu³apki
z uszczelnieniem
gas accumulation limited
by the trap with a seal
akumulacja ci¹g³a na du¿ym
obszarze bez typowego
uszczelnienia
continuous accumulation over
a large area without a seal
gaz wolny wystêpuj¹cy w stanie
kompresji w przestrzeni porowej
free gas compressed
in the pore volume
gaz sorbowany wystêpuj¹cy
pod ciœnieniem hydrostatycznym
sorbed gas occurring
under hydrostatic pressure
niewielka iloœæ otworów
pozwala pozyskaæ ca³y gaz
w obrêbie pu³apki
few wells are able to recover
all gas within the trap
eksploatacja wieloma otworami
z ograniczon¹ ³¹cznoœci¹
hydrauliczn¹ miêdzy nimi
many production wells with limited
hydraulic connectivity
pozyskiwany jest wy³¹cznie gaz
pod w³asnym ciœnieniem
gas is recovered as result
of its own flow
pompowanie wody, aby uzyskaæ
przyp³yw dwufazowy (woda i gaz)
formation water is pumped
to initiate two-phase flow
(water and gas)
pocz¹tkowe wydobycie gazu
osi¹ga du¿¹ wydajnoœæ
high initial production rates
pocz¹tkowa wydajnoœæ wydobycia
gazu na wzglêdnie niskim poziomie
usually relatively low production
rates
wysoka przepuszczalnoϾ,
wzglêdnie jednorodna ska³a
zbiornikowa
high permeability, relatively
homogenous reservoir rock
zwykle niska i zmienna
przepuszczalnoϾ, niejednorodna
ska³a zbiornikowa
commonly low and variable
permeability, heterogeneous
reservoir rock
wysoki wspó³czynnik sczerpania
zasobów z³o¿a (>80%)
high recovery factor (>80%)
niski wspó³czynnik sczerpania
zasobów z³o¿a (zwykle 40–60%)
low recovery factor
(usually 40–60%)
hydrauliczne (Kwarciñski & Hadro, 2008). Mimo zaanga¿owania du¿ych œrodków finansowych i najnowoczeœniejszych,
jak na owe czasy, technik badawczych nie uzyskano przemys³owych iloœci produkowanego metanu. Najwa¿niejszym
czynnikiem geologicznym odpowiedzialnym za ten stan
rzeczy by³a bardzo niska przepuszczalnoœæ pok³adów wêgla.
Obecnie, po 14 latach od niepowodzenia inwestorów
amerykañskich, australijska firma Dart Energy prowadzi
prace w ramach koncesji na poszukiwanie i rozpoznawanie
metanu pok³adów wêgla w niecce g³ównej GZW. Firma Dart
Energy zastosowa³a najnowsz¹ technologiê do oceny mo¿liwoœci pozyskiwania metanu polegaj¹c¹ na wykonaniu pary
otworów po³¹czonych: pionowego otworu produkcyjnego
przeciêtego otworem horyzontalnym udostêpniaj¹cym gaz
zawarty w pok³adzie wêgla. W otworze Gilowice-1 (powiat
pszczyñski, gmina MiedŸna) testowano produkcjê metanu
przez ok. trzy miesi¹ce i obecnie trwa analiza uzyskanych
wyników.
W latach 2002–2008 podejmowano tak¿e próby oceny
mo¿liwoœci zastosowania intensyfikacji wydobywania metanu z pok³adów wêgla w po³¹czeniu z sekwestracj¹ CO2
(technologia ECBM) w GZW (Jureczka i in., 2012), jednak¿e
w warunkach GZW istniej¹ liczne trudne do przezwyciê¿enia ograniczenia, które obecnie nie sprzyjaj¹ zastosowaniu
tej technologii.
wydobycie
production
zasoby eksploatacyjne
reserves
1P
potwierdzone
proved
3P
2P
mo¿liwe
possible
prawdopodobne
probable
zasoby warunkowe
contingent resources
1C
najni¿sza
wartoϾ
oszacowania
low estimate
2C
niewydobywalne
unrecoverable
zasoby prognostyczne
prospective resources
najbardziej
najwy¿sza
prawdopodobna
wartoϾ
wartoϾ
oszacowania
oszacowania
high estimate
best estimate
niewydobywalne
unrecoverable
zakres niepewnoœci
range of uncertainty
Prawdopodobieñstwo wydobycia okreœlonej
lub wiêkszej iloœci zasobów przemys³owych:
Probability that the quantities actually recovered
will equal or exceed the estimates for reserves:
1P – 90%
2P – 50%
3P – 10%
3C
wzrost szansy na op³acalne zagospodarowanie z³o¿a
increasing chance of commerciality
Ca³kowite zasoby geologiczne wêglowodorów
Total Petroleum-In-Place (PIIP)
odkryte
discovered
nieodkryte
niezaliczone
przemys³owe
undiscovered
do przemys³owych
commercial
sub-commercial
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
Prawdopodobieñstwo wydobycia okreœlonej
lub wiêkszej iloœci zasobów warunkowych:
Probability that the quantities actually recovered will
equal or exceed the estimates for contingent resources:
1C – 90%
2C – 50%
3C – 10%
prowadzona komercyjnie, metoda ta nie jest wystarczaj¹ca, gdy¿ jest oparta na kryteriach bilansowoœci wywodz¹cych siê z profilaktyki zagro¿eñ metanowych w górnictwie. Nie wydaje siê mo¿liwe tak¿e zaliczenie obliczonych
w ten sposób bilansowych zasobów wydobywalnych metanu
jako kopaliny g³ównej do jakiejkolwiek kategorii miêdzynarodowej klasyfikacji PRMS. Dzieje siê tak z trzech
powodów:
– obliczenia s¹ oparte na kryteriach bilansowoœci, które
nie daj¹ dostatecznej pewnoœci, ¿e metan jest potencjalnie
wydobywalny na skalê przemys³ow¹;
– brakuje mo¿liwoœci oceny niepewnoœci szacowania
zasobów w kategoriach prawdopodobieñstwa;
– istniej¹ zasadnicze ró¿nice miêdzy polsk¹ klasyfikacj¹ zasobów i klasyfikacjami miêdzynarodowymi, co
sprawia, ¿e informacje o zasobach wêglowodorów w Polsce s¹ czêsto nieporównywalne z podawanymi w innych
krajach, stosuj¹cych klasyfikacje miêdzynarodowe (Nieæ,
2008).
PODSUMOWANIE
Ryc. 7. Miêdzynarodowa klasyfikacja zasobów wêglowodorów
(SPE, 2007)
Fig. 7. International classification of petroleum resources (SPE,
2007)
Metan pok³adów wêgla wystêpuje na obszarze trzech
zag³êbi wêglowych, jednak¿e zasoby prognostyczne udokumentowane w Lubelskim Zag³êbiu Wêglowym i Dolnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym s¹ niewielkie i wynosz¹
odpowiednio 15 mld m3 i 1,75 mld m3 (Szuflicki i in.,
2012). Znacznie wiêksze zasoby znajduj¹ siê w GZW,
którego pierwotny ca³kowity potencja³ zasobowy oceniany
by³ wed³ug ró¿nych szacunków na ok. 300–420 mld m3
(Kêdzior, 2008). Natomiast najnowsze szacunki wykonane
przez Pañstwowy Instytut Geologiczny – Pañstwowy Instytut Badawczy zamieszczone w sporz¹dzonym w 2011 r.
bilansie perspektywicznych zasobów kopalin Polski wskazuj¹, ¿e udokumentowane, prognostyczne i perspektywiczne zasoby metanu pok³adów GZW wynosz¹ 168 mld m3
(Kwarciñski, 2011). Wed³ug aktualnego bilansu zasobów
kopalin wydobywalne udokumentowane zasoby bilansowe
metanu pok³adów wêgla w GZW wynosz¹ 89,1 mld m3
(Szuflicki i in., 2012), z czego tylko 32,2 mld m3 to zasoby
metanu jako kopaliny g³ównej (CBM), natomiast pozosta³e
56,9 mld m3 to metan jako kopalina towarzysz¹ca (CMM).
Zasoby metanu by³y szacowane z uwzglêdnieniem
klasycznego podzia³u zasobów na geologiczne, bilansowe
i przemys³owe, który obowi¹zuje w Polsce. Do obliczenia
stosowano metodê objêtoœciow¹ z uwzglêdnieniem obowi¹zuj¹cych kryteriów bilansowoœci (Kwarciñski, 2006, 2011;
Kêdzior, 2008). Z uwagi na brak doœwiadczeñ w przemys³owym wydobyciu metanu pok³adów wêgla w Polsce
zasoby wydobywalne oblicza siê tak samo jak ca³kowite
zasoby geologiczne, przy czym pomniejsza siê metanonoœnoœæ œredni¹ o 2,5 m3/t csw, zak³adaj¹c, ¿e jest to wartoœæ zbli¿ona do metanonoœnoœci resztkowej (Kwarciñski,
2006). Taka metodologia obliczania zasobów wydobywalnych sprawdza siê w przypadku zasobów metanu jako
kopaliny towarzysz¹cej (CMM). Jednak¿e dla metanu jako
kopaliny g³ównej (CBM), którego eksploatacja ma byæ
Pocz¹tkowo metan pok³adów wêgla by³ udostêpniany
otworami pionowymi w rurach ok³adzinowych przez perforacjê i szczelinowanie hydrauliczne. Prze³omowe znaczenie mia³o zastosowanie otworów horyzontalnych w pok³adach wêgla, które zapewniaj¹ znacznie lepsz¹ produktywnoœæ. Obecnie ze wzglêdu na efektywne odwodnienie z³o¿a
czêsto stosuje siê zestaw z³o¿ony z otworu pionowego
(produkcyjnego) przeciêtego otworem horyzontalnym.
Metan pok³adów wêgla eksploatuje siê na skalê przemys³ow¹ tylko w kilku krajach na œwiecie. Absolutnym
liderem s¹ Stany Zjednoczone, gdzie rocznie wydobywa
siê ok. 50 mld m3 metanu z 15 zag³êbi wêglowych, ale
niskie ceny gazu i konkurencja gazu z ³upków powoduj¹
powolny spadek wydobycia. Obecnie najwiêkszy przyrost
produkcji metanu pok³adów wêgla wystêpuje w Australii,
gdzie si³¹ napêdow¹ jest eksport gazu skroplonego.
Œwiatowe zasoby geologiczne metanu ze z³ó¿ wêgla s¹
szacowane na 100–216 bln m3. Wystêpowanie metanu
pok³adów wêgla w formie akumulacji ci¹g³ych o du¿ej niejednorodnoœci powoduje, ¿e do przemys³owego wydobycia nadaje siê zwykle kilka procent pierwotnych zasobów
geologicznych. W szacowaniu zasobów wydobywalnych
metanu powinno siê zatem uwzglêdniaæ wp³yw czynnika
losowego i stosowaæ probabilistyczne metody obliczania
zasobów.
W Polsce metan pok³adów wêgla wystêpuje g³ównie
w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym, a jego ca³kowity
potencja³ zasobowy jest oceniany na ok. 300–420 mld m3.
Du¿e znaczenie ma metan jako kopalina towarzysz¹ca
(CMM), który jest produktem ubocznym eksploatacji
wêgla. Natomiast wszelkie dotychczasowe próby przemys³owego wydobycia metanu z pok³adów wêgla jako
kopaliny g³ównej (CBM) nie przynios³y spodziewanych
rezultatów. Brak doœwiadczeñ w zagospodarowaniu z³ó¿
metanu jako kopaliny g³ównej w Polsce stwarza problemy
w ich poprawnym dokumentowaniu i klasyfikowaniu.
Obecnie firma Dart Energy testuje mo¿liwoœæ pozyskiwania metanu pok³adów wêgla w GZW, stosuj¹c now¹
technologiê wierceñ horyzontalnych. Jeœli okaza³oby siê,
409
Przegl¹d Geologiczny, vol. 61, nr 7, 2013
¿e ta metoda tak¿e nie przyniesie spodziewanych wyników,
mo¿e to oznaczaæ, ¿e technologie importowane z USA
i Australii s¹ nieadekwatne do polskich wêgli. W takim
przypadku najlepsz¹ drog¹ do uzyskania przemys³owej
produkcji metanu jest zachêcanie inwestorów do opracowania metod wydobywczych dostosowanych do warunków geologiczno-z³o¿owych wêgli górnoœl¹skich.
LITERATURA
CHAKHMAKHCHEV A. & FRYKLUND B. 2008 – Critical success
factors of CBM development – implications of two strategies to global
th
development. [W:] Congress Paper. 19 World Petroleum Congress,
June 29–July 3, 2008, Madrid, Spain. Portland Press.
EIA 2013a – Data: U.S. Coalbed Methane porduction [http://tonto.eia.
doe.gov/dnav/ng/hist/rngr52nus_1a.htm].
EIA 2013b – Data: U.S. Coalbed Methane proved reserves
[http://www.eia.gov/dnav/ng/ng_enr_coalbed_a_EPG0_R51_Bcf_a.htm].
FISHER J.B. 2001 – Environmental issues and challenges in Coal
Bed Methane production. Exponent, Inc., Tulsa, OK, s. 19 [http://ipec.
utulsa.edu/Conf2001/fisher_92.pdf].
GMI 2010 – Coal Mine Methane country profiles
[http://www.globalmethane.org/tools-resources/coal_overview.aspx].
JURECZKA J., CHEÆKO J., KRIEGER W., KWARCIÑSKI J.
& URYCH T. 2012 – Perspektywy geologicznej sekwestracji CO2
w po³¹czeniu z odzyskiem metanu z pok³adów wêgla w warunkach
Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Biul. Pañstw. Inst. Geol.,
448: 117–132.
KÊDZIOR S. 2008 – Potencja³ zasobowy metanu pok³adów wêgla
w Polsce w kontekœcie uwarunkowañ geologicznych. Gosp. Sur. Min.,
24 (4/4): 155–173.
410
KUUSKRAA V.A. & STEVENS S.H. 2009 – Worldwide gas shales
and unconventional gas: a status report. American Clean Skies Foundation (ACSF), and the Research Partnership to Secure Energy for America (RPSEA).
KWARCIÑSKI J. (red.) 2006 – Weryfikacja bazy zasobowej metanu
pok³adów wêgla jako kopaliny g³ównej na obszarze Górnoœl¹skiego
Zag³êbia Wêglowego. Narod. Arch. Geol. PIG-PIB, Warszawa.
KWARCIÑSKI J. 2011 – Metan z pok³adów wêgla kamiennego.
[W]: Wo³kowicz S., Smakowski T. & Speczik S. (red.) Bilans perspektywicznych zasobów kopalin Polski wg stanu na 31 XII 2009 r. Pañstw.
Inst. Geol., Warszawa: 63–70.
KWARCIÑSKI J. & HADRO J. 2008 – Metan pok³adów wêgla na
obszarze Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Prz. Geol., 56:
485–490.
NIEÆ M. 2008 – Polska i miêdzynarodowa ramowa klasyfikacja
zasobów (UNFC) z³ó¿ kopalin sta³ych i wêglowodorów – podobieñstwa i ró¿nice. Gór. Odkryw., 50 (2–3): 50–57.
QGDEEDI 2012 – Queensland’s coal seam gas overview
[http://mines.industry.qld.gov.au/assets/coal-pdf/csg-update-2013.pdf].
REEVES S. 2008 – Unconventional gas resources to reserves –
a predictive approach. Rocky Mountain Geology & Energy Resources
Conference, July 9–11, 2008 [http://www.adv-res.com/pdf/Rocky
Mountain G&E Resources Conference.pdf].
SPE 2007 – Petroleum resources management system [http://www.spe.
org/industry/docs/Petroleum_Resources_Management_System_
2007.pdf].
SZUFLICKI M., MALON A. & TYMIÑSKI M. 2012 – Bilans zasobów
kopalin i wód podziemnych w Polsce wg stanu na 31 XII 2011 r. Pañstw.
Inst. Geol., Warszawa, s. 447.
TAYLOR M., BUSTIN M., HANCOCK B. & SOLINGER R. 2008 –
Coalbed methane development in Canada – challenges and opportunities. Abstract [http://www.cprm.gov.br/33IGC/1324175.html].
U.S. EPA 2010 – Screener Survey Database (CBI). EPA-HQ-2008-0517,
DCN 07363.