20.3: викопне паливо

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36411

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Існує безліч видів викопного палива, але всі вони передбачають зберігання органічної речовини в опадах або осадових породах. Викопне паливо багате вуглецем, і майже весь цей вуглець в кінцевому підсумку походить від CO ₂, вивезеного з атмосфери під час фотосинтезу. Цей процес, керований сонячною енергією, передбачає відновлення (протилежне окисленню) вуглецю, в результаті чого він поєднується з воднем замість кисню. Отримана органіка складається зі складних і різноманітних молекул вуглеводів.

Більшість органічних речовин окислюється назад до СО ₂ відносно швидко (протягом тижнів або років в більшості випадків), але будь-яка з них, яка виділяється з кисню атмосфери (наприклад, глибоко в океані або в застійному болоті) може тривати досить довго, щоб бути похованим відкладами і, якщо так, може зберігатися від десятків до сотень мільйонів років. У природних умовах, це означає, що він буде зберігатися до тих пір, поки ці породи в кінцевому підсумку не будуть виставлені на поверхню і вивітрюються.

У цьому розділі ми обговоримо походження та видобуток важливих копалин, включаючи вугілля, нафту та газ. Вугілля, перше викопне паливо, яке широко використовується, утворюється переважно на суші в болотистих районах, прилеглих до річок та дельт у районах з вологим тропічним та помірним кліматом. Енергійний ріст рослинності призводить до великої кількості органіки, яка накопичується всередині застояної води, і при цьому не гниє і не окислюється. Ця ситуація, коли мертва органічна речовина занурюється в бідну киснем воду, повинна підтримуватися протягом століть до тисячоліть, щоб накопичилося достатньо матеріалу, щоб утворився товстий шар (рис\(\PageIndex{1}\). У якийсь момент болотне родовище покривається більшою кількістю осаду - як правило, через те, що річка змінює свій курс або піднімається рівень моря (рис.\(\PageIndex{1}\) b). У міру додавання більшої кількості відкладень органіка починає стискуватися і нагріватися. Низькосортне буре вугілля утворюється на глибині від декількох 100 м до 1500 м і температурах близько 50°C (рис.\(\PageIndex{1}\) с). При глибині від 1000 м до 5000 м і температурах до 150° C м утворюється бітумне вугілля (рис.\(\PageIndex{1}\) d). На глибині понад 5000 м і температурі понад 150° C утворюється антрацитове вугілля.

Рисунок\(\PageIndex{1}\) Утворення вугілля: (а) накопичення органічної речовини в заболоченій місцевості; (б) органічна речовина покривається і стискається осадженням нового шару уламкових відкладень; (c) з більшим похованням утворюється буре вугілля; і (г) на ще більших глибині бітумінозний і, врешті-решт, антрацитовий вугілля форма.

У багатьох районах Канади є значні родовища вугілля, включаючи Приморські острови, Онтаріо, Саскачеван, Альберту та Британську Колумбію. В Альберті та Саскачевані значна частина вугілля використовується для виробництва електроенергії. Вугілля з шахти Хайвейл (рис.\(\PageIndex{2}\)), найбільшого в Канаді, використовується для живлення електростанцій Sundance і Keephills на захід від Едмонтона. Майже весь видобутий в Британській Колумбії вугілля експортується для використання у виробництві сталі.

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Шахта Хайвейл (фон) та генераторні станції Sundance (праворуч) та Keephills (зліва) на південному березі озера Вабамун, Альберта.

Хоча майже всі вугілля утворюються на суші з наземної рослинності, більшість нафти і газу отримують переважно з морських мікроорганізмів, які накопичуються в відкладеннях морського дна. У районах, де продуктивність моря висока, мертва органічна речовина доставляється на морське дно досить швидко, що частина з них уникає окислення. Цей матеріал накопичується в каламутних відкладах, які заглиблюються на значну глибину під іншими відкладеннями.

\(\PageIndex{3}\)Рисунок Глибина і температурні межі для біогенного газу, нафти та термогенного газу.

Зі збільшенням глибини захоронення зростає і температура - через геотермальний градієнт - і поступово органічна речовина всередині відкладень перетворюється на вуглеводні (рис.\(\PageIndex{3}\)). Перший етап - біологічне виробництво (за участю анаеробних бактерій) метану. Більшість з цього вислизає назад на поверхню, але деякі потрапляють у метанові гідрати біля морського дна. На глибині понад 2 км і при температурі від 60° до 120° C органічна речовина перетворюється хімічними процесами в нафту. Цей діапазон глибини та температури відомий як масляне вікно. Поза 120° C більша частина органічної речовини хімічно перетворюється на метан.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Міграція нафти і газу з вихідних порід в пастки в пластових породах.

Гірська порода, що несе органічну речовину, всередині якої відбувається утворення газу та нафти, відома геологам нафти як джерельна порода. І рідка нафта, і газоподібний метан легші за воду, тому в міру утворення рідин і газів вони, як правило, повільно рухаються до поверхні, з вихідної породи та в пластові породи. Пластові породи, як правило, відносно проникні, оскільки це дозволяє міграцію рідин з вихідних порід, а також полегшує відновлення нафти або газу. У деяких випадках рідини і гази пробираються до поверхні, де окислюються, а вуглець повертається в атмосферу. Але в інших випадках вони містяться над непроникними породами (наприклад, муровими породами) у ситуаціях, коли антикліни, розломи, стратиграфічні зміни, а рифи або соляні куполи створюють пастки (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Рідини та гази, які потрапляють у резервуари, розділяються на шари залежно від їх щільності, при цьому газ піднімається наверх, олія під ним та вода під нафтою. Пропорції нафти і газу залежать насамперед від температури в породах джерела. Деякі нафтові родовища, такі як багато з тих, що в Альберті, переважають нафту, тоді як інші, особливо на північному сході до н.е., переважають газ.

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Сейсмічний розріз через поле Східні прориви в Мексиканській затоці. Пунктирна червона лінія позначає приблизну межу між деформованими породами і молодшими недеформованими породами. Похилі стрілки інтерпретуються шляхами міграції. Загальна товщина цієї ділянки становить приблизно 5 км.

Взагалі нафтові родовища не видно з поверхні, і їх відкриття передбачає пошук структур в надрах, які мають потенціал для формування пасток. Сейсмічні дослідження є найбільш часто використовуваним інструментом для ранніх етапів розвідки нафти, оскільки вони можуть виявити важливу інформацію про стратиграфію та структурну геологію підземних осадових порід. Приклад з Мексиканської затоки на південь від Техасу показаний на малюнку\(\PageIndex{5}\). У цій області товстий осад випарника («сіль») утворив куполи, оскільки сіль легше інших відкладень і має тенденцію повільно підніматися до поверхні; це створило пастки. Послідовність деформованих порід перекривається шаром недеформованої породи.

Вправа 20.4 Інтерпретація сейсмічного профілю

Малюнок\(\PageIndex{6}\)

Поперечний переріз, показаний на малюнку,\(\PageIndex{6}\) взято з суднової сейсмічної розвідки в Беринговому морі біля західного узбережжя Аляски. Як геолог нафти, ваша робота - вибрати два окремих місця для буріння нафти або газу. Які місця ви б обрали?

Див Додаток 3 для вправ 20.4 відповіді.

Тип нафтогазових колекторів, показаний на рисунках 20.3.4 і 20.3.5, описується як умовні запаси. Деякі нетрадиційні види нафти і газу включають нафтові піски, сланцевий газ та метан вугільних пластів.

Малюнок\(\PageIndex{7}\) Схематичний переріз північної Альберти, що показує породи джерела та розташування нафтових пісків Атабаска.

Нафтові піски важливі, оскільки запаси в Альберті надзвичайно великі (найбільший єдиний запас нафти в світі), але вони дуже суперечливі з екологічної та соціальної точки зору. Вони «нетрадиційні», оскільки масло піддається впливу поблизу поверхні і є високов'язким через мікробних змін, що відбулися на поверхні. Вуглеводні, що утворюють цей заповідник, виникли в глибоко похованих палеозойських породах, прилеглих до Скелястих гір і мігрували вгору і на схід (рис.\(\PageIndex{7}\)).

Нафтові піски суперечливі насамперед через екологічну вартість їх видобутку. Оскільки масло настільки в'язке, йому потрібно тепло, щоб зробити його досить рідким для обробки. Ця енергія надходить від газу; приблизно 25 м ³ газу використовується для отримання 0,16 м ³ (одна барель) нафти. (Це не так погано, як це звучить, оскільки енергетичний еквівалент необхідного газу становить близько 20% енергії, втіленої в видобутій нафті.) Інша екологічна вартість виробництва нафтових пісків - це спустошення величезних ділянок земель, де відбувається видобуток смуги та побудовані хвостові ставки, і неминуче викид забруднюючих речовин у ґрунтові води та річки регіону.

В даний час більша частина видобутку нафти з нафтових пісків досягається видобутком піску та його переробкою на місці. Експлуатація нафтового піску, який не піддається впливу на поверхні, залежить від процесів in situ, прикладом є нагнітання пари в масляно-піщаний шар для зменшення в'язкості нафти, щоб його можна було перекачувати на поверхню.

Сланцевий газ - це газ, який потрапляє в пастку в скелі, який є занадто непроникним для виходу газу в нормальних умовах, і його можна витягти лише шляхом розриву пластової породи за допомогою води та хімічних речовин під надзвичайно високим тиском. Ця процедура відома як гідравлічний розрив пласта або «фрекінг». Фракінг є суперечливим через обсяг води, що використовується, і тому, що в деяких юрисдикціях компанії, що займаються фрекінгом, не зобов'язані розкривати характер використовуваних хімічних речовин. Хоча фрекінг зазвичай робиться на значних глибині, завжди існує ризик того, що верхні водоносні горизонти водопостачання можуть бути забруднені (рис.\(\PageIndex{8}\)). Фракінг також індукує сейсмічність низького рівня.

\(\PageIndex{8}\)Малюнок Зображення процесу спрямованого буріння та фрекінгу для відновлення газу з непроникних порід. Світло-блакитні стрілки представляють потенціал для викиду хімікатів фрекінгу в водоносні горизонти.

Під час процесу, який перетворює органічну речовину у вугілля, утворюється деяка кількість метану, який зберігається в порах вугілля. При видобутку вугілля метан викидається в шахту, де він може стати серйозною вибухонебезпечністю. Сучасні вугільні машини мають детектори метану на них і фактично припиняють роботу, якщо рівень метану небезпечний. Видобувати метан з вугільних пластів можна без видобутку вугілля; газ, що видобувається таким чином, відомий як метан вугільних пластів.

Атрибуції ЗМІ

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Зображення з USGS. Публічне надбання.