El metano de lecho de carbón ( CBM o metano de lecho de carbón ), [1] gas de lecho de carbón , gas de veta de carbón ( CSG [1] ) o metano de minas de carbón ( CMM ) [2] es una forma de gas natural extraído de lechos de carbón . [3] En las últimas décadas se ha convertido en una importante fuente de energía en Estados Unidos, Canadá, Australia y otros países.
El término se refiere al metano adsorbido en la matriz sólida del carbón. Se le llama 'gas dulce' debido a su falta de sulfuro de hidrógeno . La presencia de este gas es bien conocida por su presencia en la minería subterránea del carbón, donde presenta un grave riesgo para la seguridad. El metano de lecho de carbón es distinto de una piedra arenisca típica u otro depósito de gas convencional, ya que el metano se almacena dentro del carbón mediante un proceso llamado adsorción . El metano se encuentra en un estado casi líquido, que recubre el interior de los poros dentro del carbón (llamado matriz). Las fracturas abiertas en el carbón (llamadas tacos) también pueden contener gas libre o pueden estar saturadas con agua. [ cita requerida ]
A diferencia de gran parte del gas natural de los reservorios convencionales, el metano de capas de carbón contiene muy pocos hidrocarburos más pesados, como propano o butano , y no hay condensado de gas natural . A menudo contiene hasta un pequeño porcentaje de dióxido de carbono . El metano de los lechos de carbón generalmente se forma debido a la maduración térmica del kerógeno y la materia orgánica. Sin embargo, las vetas de carbón con recarga regular de agua subterránea ven metano generado por comunidades microbianas que viven in situ. [4] [5]
Historia
El metano de los lechos de carbón surgió de la ventilación de metano de las vetas de carbón. Se sabe desde hace mucho tiempo que algunos lechos de carbón son "gaseosos" y, como medida de seguridad, se perforaron pozos en las vetas desde la superficie y se permitió que el metano se ventile antes de la extracción.
El metano de las capas de carbón como recurso de gas natural recibió un impulso importante del gobierno federal de los Estados Unidos a fines de la década de 1970. Los controles de precios federales desalentaban la perforación de gas natural al mantener los precios del gas natural por debajo de los niveles del mercado; al mismo tiempo, el gobierno quería fomentar una mayor producción de gas. El Departamento de Energía de EE. UU. Financió la investigación de varias fuentes de gas no convencionales, incluido el metano de capas de carbón. El metano de carbón estaba exento de los controles de precios federales y también se le otorgó un crédito fiscal federal.
En Australia, la extracción comercial de gas de vetas de carbón comenzó en 1996 en la cuenca Bowen de Queensland . [6]
Propiedades del yacimiento
El gas contenido en el metano del lecho de carbón es principalmente metano y trazas de etano , nitrógeno , dióxido de carbono y algunos otros gases. Las propiedades intrínsecas del carbón, tal como se encuentran en la naturaleza, determinan la cantidad de gas que se puede recuperar.
Porosidad
Los reservorios de metano de lecho de carbón se consideran reservorios de doble porosidad. Los reservorios de porosidad dual son reservorios en los que la porosidad relacionada con los tacos (fracturas naturales) es responsable del comportamiento del flujo y la porosidad del reservorio de la matriz es responsable del almacenamiento de gas. La porosidad de un yacimiento de metano de lecho de carbón puede variar entre el 10% y el 20%; Sin embargo, se estima que la porosidad del taco del yacimiento está en el rango de 0.1% -1% [7]
Capacidad de adsorción
La capacidad de adsorción del carbón se define como el volumen de gas adsorbido por unidad de masa de carbón generalmente expresado en SCF ( pies cúbicos estándar , el volumen en condiciones estándar de presión y temperatura) gas / tonelada de carbón. La capacidad de adsorción depende del rango y la calidad del carbón. El rango suele estar entre 100 y 800 SCF / tonelada para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU. La mayor parte del gas de los lechos de carbón se encuentra adsorbido. Cuando el depósito se pone en producción, primero se bombea el agua de los espacios de fractura. Esto conduce a una reducción de la presión que mejora la desorción de gas de la matriz. [8]
Permeabilidad a la fractura
Como se discutió anteriormente, la permeabilidad a la fractura actúa como el canal principal para que fluya el gas. Cuanto mayor sea la permeabilidad, mayor será la producción de gas. Para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU., La permeabilidad se encuentra en el rango de 0.1 a 50 miliDarcys. La permeabilidad de los reservorios fracturados cambia con la tensión que se les aplica. El carbón muestra una permeabilidad sensible al estrés y este proceso juega un papel importante durante las operaciones de estimulación y producción [9] [ cita requerida ] . [10] La permeabilidad a la fractura en el yacimiento de metano del lecho de carbón tiende a aumentar con el agotamiento del gas; en contraste con los reservorios convencionales. Este comportamiento único se debe a la contracción del carbón, cuando se libera metano de su matriz, lo que da como resultado la apertura de fracturas y una mayor permeabilidad. [11] También se cree que debido a la contracción de la matriz del carbón a presiones más bajas del yacimiento, hay una pérdida de tensión horizontal en el yacimiento que induce la falla in situ del carbón. Tal falla se ha atribuido a una disminución repentina de la permeabilidad a la fractura del yacimiento [12] [10]
Espesor de la formación y presión inicial del yacimiento
El espesor de la formación puede no ser directamente proporcional al volumen de gas producido en algunas áreas. [ cita requerida ]
Por ejemplo, se ha observado en la Cuenca Cherokee en el sureste de Kansas que un pozo con una sola zona de 1 a 2 pies (0.3 a 0.6 m) de área productiva puede producir excelentes tasas de gas, mientras que una formación alternativa con el doble de espesor puede producir casi nada. Algunas formaciones de carbón (y esquisto) pueden tener altas concentraciones de gas independientemente del espesor de la formación, probablemente debido a otros factores de la geología del área. [ cita requerida ]
La diferencia de presión entre el bloque del pozo y la cara de arena debe ser lo más alta posible, como es el caso de cualquier yacimiento productor en general. [ cita requerida ]
Otras propiedades
Otros parámetros que afectan incluyen la densidad del carbón, la concentración inicial de la fase gaseosa, la saturación crítica del gas, la saturación del agua irreducible, la permeabilidad relativa al agua y al gas en condiciones de Sw = 1.0 y Sg = 1-Sw irreducible respectivamente. [ cita requerida ]
Extracción
Para extraer el gas, se perfora un agujero revestido de acero en la veta de carbón de 100 a 1,500 metros (330 a 4,920 pies) bajo tierra. A medida que la presión dentro de la capa de carbón disminuye debido a la producción natural o al bombeo de agua del lecho de carbón, tanto el gas como el agua producida salen a la superficie a través de la tubería. Luego, el gas se envía a una estación de compresión y a las tuberías de gas natural. El agua producida se reinyecta en formaciones aisladas, se libera en arroyos, se usa para riego o se envía a estanques de evaporación. El agua normalmente contiene sólidos disueltos como bicarbonato de sodio y cloruro, pero varía según la geología de la formación. [ cita requerida ]
Los pozos de metano de lecho de carbón a menudo producen a tasas de gas más bajas que los reservorios convencionales, por lo general alcanzando un máximo de cerca de 300.000 pies cúbicos (8.500 m 3 ) por día (aproximadamente 0.100 m³ / s), y pueden tener grandes costos iniciales. Los perfiles de producción de los pozos CBM se caracterizan típicamente por una " disminución negativa " en la que la tasa de producción de gas aumenta inicialmente a medida que el agua se bombea y el gas comienza a desorberse y fluir. Un pozo de CBM seco es similar a un pozo de gas estándar. [ cita requerida ]
El proceso de desorción de metano sigue una curva (del contenido de gas frente a la presión del yacimiento) llamada isoterma de Langmuir . La isoterma se puede describir analíticamente por un contenido máximo de gas (a presión infinita) y la presión a la que la mitad de ese gas existe dentro del carbón. Estos parámetros (llamados volumen de Langmuir y presión de Langmuir, respectivamente) son propiedades del carbón y varían ampliamente. Un carbón en Alabama y un carbón en Colorado pueden tener parámetros de Langmuir radicalmente diferentes, a pesar de las propiedades del carbón por lo demás similares. [ cita requerida ]
Dado que la producción se produce en un depósito de carbón, se cree que los cambios de presión provocan cambios en la porosidad y permeabilidad del carbón. Esto se conoce comúnmente como contracción / hinchazón de la matriz. A medida que se desorbe el gas, la presión ejercida por el gas dentro de los poros disminuye, lo que hace que se encojan de tamaño y restringe el flujo de gas a través del carbón. A medida que los poros se contraen, la matriz general también se contrae, lo que eventualmente puede aumentar el espacio a través del cual puede viajar el gas (los tacos), aumentando el flujo de gas. [ cita requerida ]
El potencial de una capa de carbón en particular como fuente de CBM depende de los siguientes criterios. Densidad / intensidad de tacos: los tacos son juntas confinadas dentro de láminas de carbón. Ellos imparten permeabilidad a la veta de carbón. Se requiere una alta densidad de tacos para una explotación rentable de CBM. También es importante la composición del maceral: el maceral es una entidad petrográfica microscópica y homogénea de una roca sedimentaria correspondiente. Una composición alta en vitrinita es ideal para la extracción de CBM, mientras que la inertinita dificulta la misma. [ cita requerida ]
El rango del carbón también se ha relacionado con el contenido de CBM: se ha descubierto que una reflectancia de vitrinita de 0,8-1,5% implica una mayor productividad del lecho de carbón. [ cita requerida ]
Se debe considerar la composición del gas, porque los aparatos de gas natural están diseñados para gas con un poder calorífico de aproximadamente 1,000 BTU ( unidades térmicas británicas ) por pie cúbico, o metano casi puro. Si el gas contiene más de un pequeño porcentaje de gases no inflamables, como nitrógeno o dióxido de carbono , estos deberán eliminarse o deberán mezclarse con gas de mayor BTU para lograr la calidad de la tubería . Si la composición de metano del gas de la capa de carbón es inferior al 92%, es posible que no sea comercializable. [ cita requerida ]
Impactos ambientales
Metano
Al igual que con todos los combustibles fósiles a base de carbono, la quema de metano en capas de carbón libera dióxido de carbono (CO 2 ) a la atmósfera. Su efecto como gas de efecto invernadero fue analizado en primer lugar por el químico y físico Svante Arrhenius . La producción de CBM también implica fugas de metano fugitivo a la atmósfera. Se calcula que el metano tiene 72 veces el efecto sobre el calentamiento global por unidad de masa que el CO 2 durante 20 años, reduciéndose a 25 veces en 100 años y 7,5 veces en 500 años. [13] El análisis de las emisiones de gases de efecto invernadero de las fuentes de energía durante el ciclo de vida indica que la generación de electricidad a partir de CBM, al igual que con el gas natural convencional, tiene menos de la mitad del efecto de gas de efecto invernadero del carbón. [14]
En los Estados Unidos, el metano que se escapa del carbón durante la extracción representa el 10 por ciento de las emisiones totales de metano . La recuperación del metano de las minas de carbón antes de la extracción se considera una gran oportunidad para reducir las emisiones de metano. [ cita requerida ]
Infraestructura
Los pozos CBM están conectados por una red de carreteras, tuberías y estaciones de compresión. Con el tiempo, los pozos pueden espaciarse más para extraer el metano restante.
Agua producida
El agua producida que sale a la superficie como un subproducto de la extracción de gas varía mucho en calidad de una zona a otra, pero puede contener concentraciones indeseables de sustancias disueltas como sales , sustancias químicas presentes de forma natural, metales pesados y radionucleidos . [15] En muchas regiones productoras, el agua se trata, por ejemplo, a través de una planta de ósmosis inversa y se utiliza beneficiosamente para riego, agua para ganado, usos urbanos e industriales o supresión de polvo.
Exfoliante Pilliga
En 2012, Eastern Star Gas fue multada por "descargar agua contaminante con altos niveles de sal en Bohena Creek" en Pilliga Scrub. [16] Hubo "16 derrames o fugas de agua contaminada", incluidos "derrames graves de agua salina en un bosque y un arroyo". [17] En 2012, una investigación del Consejo Legislativo de Nueva Gales del Sur [18] criticó el uso de estanques de retención abiertos y recomendó que "el gobierno de Nueva Gales del Sur prohíba el almacenamiento abierto de agua producida". [18] [19]
Cuenca del río Powder
No toda el agua producida con metano en capas de carbón es salina o no es deseable. El agua de los pozos de metano de lecho de carbón en la cuenca del río Powder de Wyoming, EE. UU., Comúnmente cumple con los estándares federales de agua potable y se usa ampliamente en el área para dar agua al ganado. [20] Su uso para riego está limitado por su relación de adsorción de sodio relativamente alta .
Agua subterránea
Dependiendo de la conectividad del acuífero, la extracción de agua puede deprimir los acuíferos en un área grande y afectar los flujos de agua subterránea. [21] En Australia, la industria CBM estima una extracción de 126.000 millones de litros (3,3 × 10 10 galones estadounidenses) a 280.000 millones de litros (7,4 × 10 10 galones estadounidenses) de agua subterránea por año; mientras que la Comisión Nacional del Agua estima una extracción superior a 300.000 millones de litros (7,9 × 10 10 galones estadounidenses) al año. [15]
Generación de energía
En 2012, Aspen Skiing Company construyó una planta de metano a electricidad de 3 megavatios en Somerset, Colorado, en la mina Elk Creek de Oxbow Carbon. [22]
Zonas productoras de metano de lecho de carbón
Australia
Los recursos de gas de vetas de carbón se encuentran en las principales cuencas de carbón en Queensland y Nueva Gales del Sur, con más recursos potenciales en Australia del Sur. La recuperación comercial de gas de veta de carbón (CSG) comenzó en Australia en 1996. A partir de 2014, el gas de veta de carbón, de Queensland y Nueva Gales del Sur, constituía aproximadamente el diez por ciento de la producción de gas de Australia. Las reservas demostradas se estimaron en 33 billones de pies cúbicos (35 905 petajulios) en enero de 2014. [23]
- Cuenca Bowen
- Cuenca de Surat
- Cuenca de Sydney
Canadá
En Canadá, se estima que la Columbia Británica tiene aproximadamente 90 billones de pies cúbicos (2,5 billones de metros cúbicos) de gas de carbón. Alberta , en 2013, fue la única provincia con pozos comerciales de metano en capas de carbón y se estima que tiene aproximadamente 170 billones de pies cúbicos (4.8 billones de metros cúbicos) de metano de capas de carbón económicamente recuperable, con reservas totales de hasta 500 billones de pies cúbicos (14 billones de metros cúbicos). metros). [24] [25]
El metano de las capas de carbón se considera un recurso no renovable , aunque el Consejo de Investigación de Alberta , el Servicio Geológico de Alberta y otros han argumentado que el metano de las capas de carbón es un recurso renovable porque la acción bacteriana que formó el metano está en curso. [ cita requerida ] Esto está sujeto a debate ya que también se ha demostrado que la deshidratación que acompaña a la producción de CBM destruye las condiciones necesarias para que las bacterias produzcan metano [26] y la tasa de formación de metano adicional es indeterminada. Este debate está causando actualmente un problema de derecho de propiedad en la provincia canadiense de Alberta , ya que solo los recursos no renovables pueden ser legalmente propiedad de la provincia. [27]
Reino Unido
Aunque se ha estimado que el gas existente en los campos de carbón de Gran Bretaña es de 2.900 mil millones de metros cúbicos, es posible que tan solo el uno por ciento sea económicamente recuperable. El potencial de CBM de Gran Bretaña no se ha probado en gran medida. Parte del metano se extrae mediante operaciones de ventilación de minas de carbón y se quema para generar electricidad. La evaluación por parte de la industria privada de los pozos de metano de capas de carbón independientes de la minería comenzó en 2008, cuando se emitieron 55 licencias de exploración en tierra, que cubrían 7.000 kilómetros cuadrados de áreas potenciales de metano de capas de carbón. IGas Energy se convirtió en el primero en el Reino Unido en extraer comercialmente metano de capas de carbón separado de la ventilación de la mina; A partir de 2012, los pozos de metano de lecho de carbón de Igas en Doe Green, que extraen gas para la generación eléctrica, eran los únicos pozos CBM comerciales en el Reino Unido. [28]
Estados Unidos
La producción de metano de las capas de carbón de Estados Unidos en 2017 fue de 1,76 billones de pies cúbicos (TCF), el 3,6 por ciento de toda la producción de gas seco de Estados Unidos ese año. La producción de 2017 disminuyó desde el pico de 1.97 TCF en 2008. [29] La mayor parte de la producción de CBM provino de los estados de las Montañas Rocosas de Colorado, Wyoming y Nuevo México.
Kazajstán
Kazajstán podría presenciar el desarrollo de un gran sector de metano de capas de carbón (CBM) en las próximas décadas, según profesionales de la industria. [30] La investigación preliminar sugiere que puede haber hasta 900 mil millones de m3 de gas en las principales yacimientos de carbón de Kazajstán, el 85% de todas las reservas en Kazajstán.
India
Con la finalización de la perforación de 23 pozos de producción verticales por Great Eastern Energy (GEECL), el metano de capas de carbón estaría disponible en la India para su venta comercial a partir del 14 de julio de 2007 a un precio de ₹ 30 por kg de GNC. Inicialmente, el 90% del CBM se distribuiría entre vehículos como gas GNC. GEECL también está instalando la primera estación CBM en el sudeste asiático y la misma se ubicará en India en la ciudad de Asansol en Bengala Occidental. GEECL es la primera empresa cuyo primer plan de desarrollo de campo ha sido aprobado.
Prashant Modi, presidente y director de operaciones de GEECL, dijo: "Estamos orgullosos de ser la primera empresa del sector privado de la India que se ha aventurado en la exploración, producción, comercialización y distribución de metano en capas de carbón. El país requiere mayores fuentes de energía para sostener su desarrollo. ritmo, estamos seguros de que CBM desempeñará un papel importante como una de las principales fuentes de energía para las generaciones futuras ". [31]
La cartera de CBM de Essar Group , Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd., incluye 5 bloques. Actualmente, solo uno de ellos, Raniganj East, está actualmente en funcionamiento. Los otros incluyen Rajmahal en Jharkhand, Talcher e Ib Valley en Odisha y Sohagpur en Madhya Pradesh. Los 5 bloques poseen reservas estimadas de 10 billones de pies cúbicos (CBF) de CBM.
Ver también
- Grisú
- Gasificación subterránea de carbón
- Cuenca sedimentaria canadiense occidental
Referencias
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enlaces externos
- Las últimas novedades de CBM
- Página del Servicio Geológico de EE. UU. Sobre CBM
- Página de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Sobre CBM
- Guía del Ministerio de Energía, Minas y Recursos Petrolíferos de la Columbia Británica sobre el gas de capas de carbón
- Guía del Servicio Geológico de Kansas para el metano de los lechos de carbón
- Gas metano de lecho de carbón
- Gas de vetas de carbón: en cifras Australian Broadcasting Corporation