Břidlicový plyn – Geologie
Břidlicový plyn je zemní plyn nacházející se v břidlicových formacích. Hlavním zdrojem organické hmoty pro vznik ropy a zemního plynu byl mořský plankton. Postupný a zdlouhavý proces vzniku ropy probíhal v minulých geologických periodách a trval miliony let. Přechod vznikající ropy a zemního plynu ze zdrojové do jiných vrstev se nazývá migrace. Migraci dále rozdělujeme na primární a sekundární. Ložiska uhlovodíků se nejčastěji dělí na konvenční a nekonvenční.
Úvod
Nekonvenční zemní plyn z břidlic (NZPB) je novou formou fosilního zdroje energie. Jeho těžba se stala nejrychleji rostoucí těžařskou aktivitou v USA v posledních 10 letech. Na rozdíl od konvenčních ložisek ropy a plynu vyžaduje speciální technologie, zejména štěpení nízkopropustných jílovcových vrstev, které v klasickém pojetí nepředstavují nádržní, ale těsnící horniny. Význam této suroviny je jak obchodní, tak politický.
Břidlicový plyn a technologie, které se používají k jeho těžbě – hydraulické štěpení neboli frakování – se v posledních letech staly předmětem mnoha sporů. Na jednu stranu je břidlicový plyn podporován jako levný a čistý zdroj energie, který pomůže zlepšit energetickou bezpečnost Evropy a umožní nám přejít k nízkouhlíkové ekonomice, na straně druhé však zkušenosti ze Spojených států rovněž ukazují, že dobývání plynu z břidlic rovněž provázejí nezanedbatelné dopady na životní prostředí a dalších rizika spojených s těžbou.
Nejvíce se mluví o riziku kontaminace podzemních vod, o vlivu frakování na kvalitu ovzduší, o velké spotřebě vody při samotné těžbě, o riziku zemětřesení nebo o vlivu na změnu klimatu, který může být podobný jako u uhlí.
Mediální horečka kolem břidlicového plynu jakožto průlomového zdroje energie pro Evropu má původ právě v USA, kde se tento zdroj v posledních deseti letech masivně rozvíjel. Díky intenzivnímu zájmu průmyslu prozkoumat zásoby břidlicového plynu v Evropě se situace rychle mění. To by mohl být problém pro evropskou legislativu.
Těžba konvenčního plynu v Evropě už několik let prudce klesá a do roku 2035 pravděpodobně poklesne o dalších 30 a více procent. Na druhou stranu má poptávka po fosilních palivech, včetně plynu, v příštích desetiletích značně stoupnout – zvlášť pokud se nepodaří přijmout opatření, která by jí omezila. Očekává se, že poptávka po plynu poroste do roku 2030 o zhruba 1,6 % ročně a velkou část tohoto nárůstu spotřeby by mohl pokrýt právě nekonvenční plyn. Státy jako Polsko nebo Bulharsko jsou v současné době silně závislé na dodávkách plynu z Ruska a usilují proto o zvýšení bezpečnosti dodávek fosilních paliv.
Je však třeba rovněž zdůraznit, že zásoby břidlicového plynu v Evropě se od těch amerických geologicky liší, což těžbu pravděpodobně zkomplikuje a prodraží. Existuje také řada dalších faktorů, které přinutily břidlicový průmysl, aby náklady těžby v Evropě dobře zvážil. Další rozvoj tohoto odvětví nejspíše omezí mimo jiné existující regulace, zákony, vysoká hustota osídlení a obtíže se získáním povolení.
Geologie
Vznik ropy a zemního plynu
Na rozdíl od uhlí, jehož mocné podzemní sloje vznikly z organické hmoty pravěkých suchozemských rostlin, hlavním zdrojem organické hmoty pro vznik ropy a zemního plynu byl mořský plankton. Ropa, kterou v současnosti těžíme, vznikla v minulých geologických periodách.
Dlouhá cesta od planktonu k ložiskům ropy začala před mnoha miliony let na mořském dně, kde se vrstvy uhynulého planktonu postupně hromadily. Nejvhodnější podmínky pro fosilizaci organické hmoty byly v sedimentačních pánvích. Tam byly vrstvy organického kalu brzy překryty nánosy písku, jílu a bahna a mohla začít první fáze ve vývoji ropy, zvaná diageneze. Hned zpočátku se podstatná část organického kalu (tzv. sapropelu) na dně moře rozložila díky bakteriální a chemické oxidaci. Ve větších hloubkách bez přístupu vzduchu v rozkladu pokračovaly anaerobní bakterie. Z původních hlavních složek organické hmoty – proteinů (bílkovin), lipidů (tuků aj.) a glycidů (sacharidů) zůstala v sedimentu zachována jen malá část těch nejodolnějších komponent s relativně vysokým obsahem uhlíku a vodíku. Nejvíce organické hmoty se zachovalo v jemnozrnných usazeninách, např. siltech, jílech a jemných karbonátech.
Při sedimentaci zatlačovaly nové vrstvy svojí vahou spodní vrstvy pod mořské dno. Sedimentace je obecně velmi pomalý proces (řádově 50 m za milion let). Klesání vrstev se až desetkrát urychluje v případech, kdy dno sedimentačního prostoru klesá následkem tektonických aktivit. Ke vzniku velkých poklesových struktur docházelo hlavně v kontinentálních šelfech. Velké akumulace sedimentů tam mnohdy mají mocnost 10 i více kilometrů. Při tomto procesu postupně dochází k přetvoření jak sedimentu, tak i zachycené organické hmoty. Stlačením vrstev se zmenšuje jejich mocnost, vytlačuje se z nich voda a snižuje se pórovitost materiálu. Póry se zmenšují tím více, čím jemnozrnnější je usazenina. Například u písku, s původní pórovitostí kolem 50 %, po stlačení klesne objem póru asi na polovinu. Naproti tomu u čerstvě usazených jílů s pórovitostí 45 % po stlačení porózita klesne pod 10 % objemu, přičemž slehnutí vrstvy jílu je mnohem větší než u písku. Ze všech sedimentů po kompakci v průběhu diageneze vzniknou sedimentární horniny – z písku pískovec, z jílu jílovec až jílovité břidlice apod.
V průběhu diageneze se organické sedimenty dostaly podle geotektonických podmínek do hloubek zhruba 300 až 1300 m. Organická hmota dispergovaná v sedimentární hornině přitom prošla složitou chemickou přeměnou. Původní molekuly biopolymerů, částečně zoxidované a částečně rozložené v sapropelu, se působením vysokého geostatického tlaku (7 až 30 MPa), teploty max. 50 °C a katalytického účinku okolních hornin navzájem sloučily. Výsledkem byl vznik kerogenu, což je vysokomolekulární tuhá nerozpustná organická hmota obsahující kolem 86 % organicky vázaného uhlíku. Geochemici rozeznávají tři typy kerogenu:
- typ I. pocházející hlavně z mořských řas,
- typ II. pocházející z planktonu s větším podílem bakteriálních zbytků,
- typ III. obsahující organickou hmotu ze suchozemských rostlin.
Obrázek 1 – Tvorba různých uhlovodíků v závislosti na hloubce a teplotě
Rozhodující fází pro vznik ropy bylo další sesedání matečné vrstvy kerogenu do hloubky okolo 2 až 5 km. Kerogen v této fázi vývoje, zvané katageneze, byl vystaven teplotě až do cca 180 °C a geostatickému tlaku až 150 MPa. Za těchto podmínek podlehly molekuly kerogenu v průběhu katageneze termické degradaci. Z funkčních skupin se odštěpovaly molekuly CO2, H2S a H2O, docházelo k aromatizaci cyklických sloučenin a struktura kerogenu se dále zjednodušovala praskáním vazeb. Vznikla tak jednodušší látka zvaná bitumen. To je polotuhá směs sloučenin střední molekulové hmotnosti, převážně uhlovodíkového charakteru, rozpustná v toluenu a jiných organických rozpouštědlech. Vedle uhlovodíků obsahuje jen malé množství pryskyřic a asfaltenů.
V závěrečné fázi katageneze se průměrná molekulová hmotnost bitumenu dále snižovala termickým štepením. Z chemických přeměn převládalo otevírání kruhů cyklických sloučenin a odštěpování fragmentů z uhlovodíkových řetězců.Výsledkem těchto přeměn byla pohyblivá kapalina, lehčí než voda, složená převážně z uhlovodíků, nazývaná ropa.
Čím déle byla ropa při svém „zrání“ v zóně katageneze vystavena vysoké teplotě, tím více se vytvořilo krátkých uhlovodíkových fragmentů. Tímto mechanismem se současně se vznikem ropy odlučoval z kapalné fáze plyn obsahující převážně metan, tj. zemní plyn. Zprvu se takto tvořil takzvaný „mokrý zemní plyn“, směs metanu a vyšších plynných alkanů. V hloubce pod 4 km, kde začíná zóna metageneze, se z ropných uhlovodíků tvořil již převážně samotný metan.
Všechny ropy těžené z významných ložisek a ropy ve zjištěných zásobách vznikly uvedeným způsobem z organické hmoty převážně mořského planktonu (běžnou příměsí jsou zbytky vyšších rostlin, bakterií a jiných organismů). Svědčí o tom nejen stratigrafie ložisek, ale i přítomnost biomarkerů v ropě.
Vývoj ropy nebyl rychlý proces. Nejmladší známé ropy vznikly před 5 až 10 miliony let. Příkladem mohou být ropy z pliocenu, jejichž vznik byl uspíšen vyjímečně velkou rychlostí sesedání (přes 500 m za milion let) a vysokým místním geotermálním gradientem (přes 50 °C/km hloubky). Naproti tomu nejstarší známé ropy vznikly v jurských roponosných vrstvách a jejich pomalé klesání (5 až 15 m za milion let) pokračovalo přes éru křídy až do spodního tercieru. Jejich vývoj se tak protáhl na více než 100 milionů let.
Přeměna organické hmoty uhynulého planktonu na ropu a zemní plyn, která započala v dávných geologických érách, nikdy nepřestala a probíhá i v současné době. Geologové při zkušebních vrtech často nacházejí organogenní vrstvy v různých stádiích vývoje ropy. Celý proces vzniku ropy proto mohl být podrobně zmapován.
Ložiska ropy a zemního plynu
Obrázek 2 – Schematický diagram znázorňující primární a sekundární migraci
Přeměna bitumenu na kapalnou ropu v průběhu katageneze přivodila v roponosné hornině významnou změnu – nově vzniklá kapalná a plynná fáze získaly možnost matečnou horninu opustit. Postupný přechod vznikající ropy do jiné vrstvy se nazývá primární migrace. Ropa může migrovat z matečné horniny jen v případě, že sousedící vrstva v nadloží nebo podloží má větší porozitu a je pro ropu propustná. Taková vrstva, umožňující transport ropy, se označuje jako kolektor. Hlavní hnací silou primární migrace je geostatický tlak (v zemské kůře se na každých 100 m hloubky zvyšuje tlak nadloží průměrně o 2,3 Mpa).
V případě, že roponosná vrstva není v kontaktu s vhodnou kolektorovou vrstvou, zůstane ropa „uvězněna“ v matečné hornině. Pokračující krakování ji postupně přemění na metan (ten je stálý do 550 °C) a nerozpustné uhlíkaté úsady. Proces úplného rozpadu ropy se ještě urychluje dalším sesedáním roponosné vrstvy do zóny metageneze (hloubky pod 4 km). Vzniklý metan se buď difuzí vytratí do okolních vrstev, nebo je nějakým plynopropustným kolektorem odveden do jiných míst, kde může případně vytvořit ložisko zemního plynu.
Pohyb ropy v kolektorové vrstvě se označuje jako sekundární migrace. V naprosté většině případů se mikrokapičky ropy pohybují kolektorem skrze póry nasycené spodní vodou. V podzemí pokračuje ropa v migraci tak dlouho, až narazí na nepropustnou překážku. Může to být blok neporézní horniny nebo horniny s tak malými póry, že se v nich pohyb kapiček ropy zastaví účinkem kapilárních sil. V příznivém případě (z pohledu těžby) se u takové překážky vytvoří ropné ložisko.
Obrázek 3 – Schematický diagram znázorňující některé typy ložiskových pastí
Pro vznik ložiska je nutné, aby kolektorová hornina a nepropustná překážka byly v takové vzájemné pozici, že vytvoří „past“. Běžné jsou tzv. strukturní pasti vytvořené tektonickou aktivitou. Uzávěrem takové pasti může být např. kupole z nepropustné vrstvy. V porézní hornině (pískovec, vápenec nebo dolomit) pod takovou kupolí se může snadno vytvořit ložisko ropy. Nad vrstvou ropy se v pasti často vytvoří ještě horní vrstva zemního plynu (tzv. „čapka“).
Jiný typ strukturní pasti vytvořily v zemské kůře poklesové zlomy nebo přesmyky. Při vertikálním posunu vrstev se porézní vrstva někdy uzavře nepropustnou vrstvou, která se při posunu dostane do protilehlé polohy.
Každá ropa nebo zemní plyn akumulované v ložisku byly i tam po dlouhou dobu vystaveny různým vlivům, které pozměnily jejich chemické složení a fyzikální vlastnosti. Charakter změn byl především určen hloubkou ložiska.
Ložiska plynu je možné klasifikovat několika způsoby. Jedním z nejpoužívanějších, který charakterizuje místo vzniku plynu a způsob jeho těžby je rozdělení na ložiska konvenční (tradiční) a nekonvenční (netradiční).
Ložiska, u kterých uhlovodíky po svém vzniku migrují do rezervoárové horniny s otevřenými póry se označují jako konvenční ložiska. Vrty v konvenčních ložiscích zemního plynu těží plyn z pískovcových vrstev a nebo karbonátů (vápence, dolomity), které obsahují plyn v komunikujících pórových prostorech, které umožňují tok plynu do vrtu pod tlakem. Plyn v pórech může migrovat v propustných vrstvách a tím pak v celém ložisku. V těchto ložiscích má plyn většinou zdrojovou horninu v organicky bohatých jílovcích, ležících v blízkosti porézních a propustných pískovců nebo karbonátů.
Za určitých podmínek však může být zdrojová hornina zároveň rezervoárem. Tato ložiska uhlovodíků, u kterých neproběhla migrace, jsou řazeny k nekonvenčním ložiskům.
K nekonvenčním typům ložisek zemního plynu patří:
- ložiska v nízkopropustných píscích,
- břidlicový (jílovcový) plyn, tedy plyn vázaný na břidlice (jílovce),
- slojový (uhelný) metan,
- hydrát metanu v sedimentech mořských den a trvale zmrzlé polární půdě (permafrostu).
Vrty v nekonvenčních ložiscích těží plyn právě z těchto nízkopropustných písků nebo karbonátů, uhlí a jílovců (břidlic). Nahromadění uhlovodíků se vytvořily v ložiscích s málo pórovitou a málo propustnou horninou. Propustnost je řádově 10–100krát menší než u konvenčních polí.
Pro všechna nekonvenční ložiska platí, že obsah plynu nebo ropy v poměru k hornině je malý ve srovnání s konvenčními poli, že jsou rozptýlena po velké ploše o rozměrech desítek tisíc kilometrů čtverečních a že propustnost je velmi malá. Těžba plynu z nepropustného podloží obecně vyžaduje techniku hydraulického štěpění (frakování).
Obrázek 4 – Schematický diagram znázorňující koncept konvenčních a nekonvenčních ložisek plynu a ropy
Mezi konvenčními a nekonvenčními ložisky plynu nebo ropy nejsou žádné diametrální rozdíly. Existuje spíše plynulý přechod mezi konvenční produkcí plynu nebo ropy z polí s vysokým specifickým obsahem plynu, vysokou pórovitostí a propustností přes pole břidlicového plynu z ložisek s horšími výkonnostními parametry až po těžbu břidlicového plynu z ložisek s nízkým specifickým obsahem plynu, malou pórovitostí a velmi malou propustností.
Obecně řečeno, nekonvenční ložiska zemního plynu mohou být mělká i hluboká, vysokotlaká i nízkotlaká, vysokoteplotní a nízkoteplotní, homogenní i tektonicky porušená, s jednou horninovou vrstvou i ložiska sestávající z více vrstev. Optimální technika vrtání, otvírka a těžba ložiska závisí na konkrétních fyzikálních parametrech a také ekonomických aspektech průzkumu a těžby ložisek.
Plyn z nízkopropustných písků
Plyn se těží z nízce porézních pískovcových nebo karbonátových hornin. Zemní plyn vznikal v matečné hornině mimo ložisko a migroval do ložiska v průběhu několika milionů let. V případě nízkopropustných písků se jedná o málo propustné horniny, které v řezu vypadají velmi kompaktně. Nedostatek propustnosti uzamyká těsný plyn v horninách. Zemní plyn je v těchto horninách přítomen jak v mikroskopických pórech obvykle desítky a stovky nanometrů v průměru, tak vázán na povrchu organických částic a jílových minerálů.
Plyn z nízkopropustných písků má s břidlicovým plynem společný těžební postup – jelikož je obtížné otevřít takové ložisko klasickou formou těžebního vrtu, plynonosné horniny jsou navrtány kolmo na mocnost a následně stimulovány hydraulickým štěpením, aby se zemní plyn mohl uvolnit.
K tomu, aby bylo možné plyn z těchto ložisek získat, je nezbytné najít jeho akumulaci v místech, kde bude dosažitelné velké množství plynu a také použít různé prostředky k vytvoření tlakového vakua ve vrtu, které „odsaje" plyn z okolní horniny.
Břidlicový plyn
Vrty těží plyn z nízkopropustných vrstev jílovcových hornin, které jsou rovněž jeho zdrojovou (matečnou) horninou. Plynu samotný je obsažen v pórech v jílovcích (břidlicích) nebo může být rovněž adsorbován na minerálech nebo organické hmotě uvnitř těchto hornin. Těžební vrty jsou většinou horizontální a doplněné hydraulickým štěpením horniny ke stimulaci těžby. Co se týká hloubek, objemu těžby, rychlosti těžby a nebo způsobu vrtání, mohou být parametry vrtů obdobné jako u konvenčních ložisek plynu.
Břidlicový plyn je vázaný hluboko v usazených horninách, které vznikly z nánosů bahna s příměsí organického materiálu (rostliné a živočišné zbytky) na dně prehistorických moří. Těmto horninám se říká břidlice. Vyznačují se velmi těsnou zrnitou a vrstevnatou strukturou, která zabraňuje přesunu plynu vzhůru. Plyn tedy zůstává zachycen hlouběji, než jsou plynové kapsy, ze kterých se zemní plyn jinak většinou těží.
Břidlice, které mají ekonomicky využitelné množství plynu jsou obvykle bohaté na organický materiál (0,5 až 25 %) a zpravidla se jedná o olejonosné břidlice. Nacházejí se většinou dva až šest kilometrů pod povrchem, kde je teplota natolik vysoká, že z většiny organického materiálu vznikne zemní plyn. Bývají dostatečně tvrdé a pevné, aby v nich vydržely otevřené póry. Část vytvořeného plynu se drží v přirozených zlomech, část se nachází v pórech a část se navázala na organický materiál. Plyn, který je ve zlomech, je uvolněn při těžbě okamžitě. Ten, který se navázal na organický materiál, se do vrtu uvolňuje postupně.
Slojový metan
Slojový nebo též uhelný metan vznikl během procesu přeměny rostlinného materiálu na uhlí. Původní bujná vegetace se po odumření hromadila v bažinách, kde probíhal proces tlení. Postupem času se přes zetlelou organickou hmotu ukládaly různé sedimenty. Se zvětšováním mocnosti sediment překrývajících organickou hmotu se zvyšovala i její teplota. Tento proces vyvolal v organické hmotě fyzikální a chemické změny, které pak postupně vedly ke vzniku uhelné hmoty, metanu, oxidu uhličitého, dusíku a vody. Jak se zvyšovala teplota a tlak, narůstal i obsah uhlíku v uhlí neboli stupeň prouhelnění. Obecně platí, že čím je stupeň prouhelnění uhelné sloje vyšší, tím vyšší je i množství vzniklého metanu. Uhelné sloje obvykle sorbovaný metan neuvolňují do atmosféry pokud nejsou navrtány, vystaveny působení eroze nebo narušeny těžbou.
Za zmínku stojí, že průzkumné vrty prokázaly, že určité podzemní rezervoáry tohoto plynu se vyskytují rovněž i v České Republice.
Průzkumné vrty proběhly v kladenském souvrství v roce 1993 u obce Obědovice, v letech 1994 a 1995 v karvinském souvrství části hornoslezské pánve v lokalitě obcí Ostravice a Čeladná, v roce 1996 u obcí Věřňovice a Vělopolí a v mělnickém souvrství u obce Zdětín. Vertikální vrty byly provedeny včetně laboratorních testů a čerpacích pokusů. Vrty byly konstruovány a provedeny metodami použitými v USA.
Výsledky průzkumu, který probíhal s různou intenzitou až do roku 2004 potvrdily, že zásoby uhelného metanu existují, avšak nebylo dosaženo uspokojivých výsledků z hlediska možnosti efektivní těžby uhelného metanu pro průmyslové využití. Americkou metodou hydraulického štěpení se sice podařilo vytvořit komunikační cesty pro plyn, ale ve velmi krátké době došlo k jejich uzavření vytvořeným uhelným kalem a tím ke ztrátě získané plynopropustnosti.
Hydrát metanu
Obrázek 5 – Schematické znázornění molekul hydrátu metanu
Hydrát metanu (CH4 ‧ 5,75 H2O) je tuhá bílá látka skládající se z krystalické vody, která obsahuje metan. Vzorec vyjadřuje, že 1 mol metanu je vázán na 5,75 molů vody. Jeden litr pevného ledu obsahuje 169 litrů (120 gramů) plynného metanu (za teploty 0 °C a tlaku 1 atmosféry).
Tato látka vzniká, když plynný metan stoupá zlomy v kůře z hlubin litosféry (kamenný obal Země tvořený zemskou kůrou a nejsvrchnějšími vrstvami zemského pláště.) a dostane se do kontaktu s vodou za vysokých tlaků a nízkých teplot. Molekuly metanu se mohou zachytit v krystalické struktuře obyčejného vodního ledu čímž vznikne látka, která se nazývá hydrát nebo též klatrát metanu. Výsledná hmota je pak poměrně stabilní i za vyšších teplot a připomíná vodní led.
Hydráty – látky obsahující molekuly vody provázané s dalšími molekulami.
Klatráty – krystalické sloučeniny vzniklé vřazením cizí molekuly do dutiny krystalové mříže hostitelské látky.
Obrázek 6 – Hoření hydrátu metanu
První sedimenty této látky byly objeveny v roce 1971 na dně Černého moře, později byly nalezeny i na dnech dalších moří a rovněž v permafrostu (permafrost – věčně zmrzlá půda v polárních oblastech, která ani v létě nerozmrzá).
Největší akumulace jsou v usazeninách mořského, resp. oceánského dna. Byly zjištěny nejčastěji v oblastech s několikasetmetrovou hloubkou mořské vody. Tento typ zásob – pokud se ložiska vynesou do mapy – víceméně lemuje velké části mořských pobřeží. Hydrát metanu byl ale zjištěn i pod dny hlubokých částí oceánů. Samotné akumulace hydrátu metanu jsou obvykle hluboko v sedimentu, nikoliv tedy na dně nebo těsně pode dnem. Tyto hloubky jsou obvykle mezi několika sty metry až kilometry pode dnem. Od mořské hladiny může tedy být k samotnému ložisku velmi hluboko.
Japonská státní agentura Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) jako první v historii v roce 2013 vytěžila plyn z podmořského ložiska klatrátu metanu. Japonská agentura pracuje na ložisku v oblasti podmořského údolí Nankai, vzdáleném několik desítek kilometrů jižně od japonského ostrova Honšú. Zdejší lokalita patří k nejlépe prozkoumaným zásobárnám hydrátu metanu na světě. Těžba metanu v oblasti údolí Nankai probíhá tak, že těžaři odčerpávají vodu z prostoru vrtu a díky snížení tlaku se z látky uvolní samotný metan, který se pak odsává na palubu těžařské lodi.
Seznam zdrojů (PDF)
Shale gas is natural gas that is found trapped within shale formations. Main source of organic matter for genesis of oil and natural gas was plankton. Gradual and lengthy process of oil formation took place in past geological periods and lasted millions of years. Movement of emerged oil and natural gas from source rock to other geologic formations is called migration. We distinguish between primary and secondary migration. The deposits of hydrocarbons are usually divided to conventional and unconventional.
