upright=1.6|náhled|Těžba zemního plynu v metrech krychlových za rok upright=1.6|náhled|Prokázané zásoby zemního plynu ve světě na základě The World Factbook (2014) Zemní plyn (novodobě někdy označován jako fosilní plyn) je nejedovatý přírodní hořlavý plyn využívaný jako fosilní palivo (zdroj energie) a jako surovina pro chemický průmysl. Jeho hlavní složkou je methan. Používá se také jako zdroj vodíku a pro výrobu dusíkatých hnojiv. Při nedokonalém spalování zemního plynu vzniká vysoce toxický oxid uhelnatý (CO). V malém množství však CO vzniká při každém spalování a spaliny z plynu nejsou cítit. Proto je vhodné umísťovat detektory CO u plynových kotlů a karem (průtokové ohřívače vody).
Charakteristika Zemní plyn je bez zápachu, proto se odorizuje, tj. přidávají se do něj páchnoucí plyny (např. ethylmerkaptan) tak, aby bylo možno čichem zjistit koncentraci ve vzduchu větší než 1 procento.
Ve vozidlech se využívá ve stlačené (CNG) nebo zkapalněné podobě (LNG). K uskladnění a transportu lze vytvořit tzv. pevný zemní plyn (SNG), kdy je vázán například v ledu.https://techxplore.com/news/2023-03-solid-natural-gas-avenue-safer.html - Solid natural gas: An avenue to a safer, cleaner and brighter future Zemní plyn lze také vyrábět synteticky (SNG).
Zemní plyn se těží z porézních sedimentárních hornin uzavřených ve strukturních pastech podobně jako ropa. Nachází se buď samostatně, společně s ropou nebo černým uhlím. Díky tomu, že obsahuje především methan, má v porovnání s ostatními fosilními palivy při spalování nejmenší podíl CO2 na jednotku uvolněné energie. Na druhé straně je methan mnohem účinnější skleníkový plyn než CO2 a úniky zemního plynu v celém logistickém řetězci od těžby po spotřebu jsou značné. V novějších výzkumech je proto užívání zemního plynu místo jiných fosilních paliv hodnoceno negativně.Robert W. Howarth, 2014: A bridge to nowhere: methane emissions and the greenhouse gas footprint of natural gas Energy Science & Engineering, published by the Society of Chemical Industry and John Wiley & Sons Ltd.,2014, str. 1–14
Fyzikální charakteristiky náhled|Plamen zemního plynu v domácnosti náhled|Focul viu (v překladu živý oheň) – přírodní vývěr zemního plynu v rumunských Karpatech nedaleko obce Lopătari v župě Buzău Uvedené fyzikální charakteristiky jsou průměrné, protože se podle složení na různých nalezištích liší: Hustota: suchý plynný: 0,7 kg/m³ (lehčí než vzduch) kapalný: 400 kg/m³ Molární hmotnost: 0,0164 kg/mol Teplota vznícení: 650 °C Teplota hoření: 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 Zemní plyn je směsí plynných alkanů methanu (CH4), ethanu (C2H6), propanu (C3H8) a butanu (C4H10).
Typické složení zemního plynu:Naturalgas.org: Typické složení zemního plynu Background information. 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 Ar, He, Ne, Xe Stopy
Složení zemního plynu se liší podle toho, ze kterého ložiska se těží (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
Horní výhřevnost zemního plynu deseti největších producentů byla podle Mezinárodní agentury pro energii v roce 2020 následující: Země původu Horní výhřevnost [kJ/m³] Alžírsko 39 565 Austrálie 39 914 Čína 38 931 Írán 39 356 Kanada 39 280 Katar 41 400 Norsko 39 349 Rusko 38 230 Saúdská Arábie 38 000 Spojené státy americké 38 602
Vznik náhled|vpravo|Schéma laterální migrace ropy a plynu do strukturní pasti náhled|vpravo|Schéma strukturní pasti Zemní plyn vzniká v přírodě třemi způsoby: biogenicky bakteriálním rozkladem organické hmoty, termogenicky společně s ropou nebo anorganickou cestou během tuhnutí magmatu.
Anorganicky vzniklé uhlovodíky byly popsány z oceánských hřbetů v Tichém a Atlantském oceánu.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, číslo 1–2, 30. srpna 2001, str. 1–8 Jejich množství jsou velmi malá a nacházejí se v tak nepřístupných hloubkách daleko od pevniny, že nemají komerční význam.
Biogeneze probíhá pouze v mělkých částech zemské kůry a jejími produkty jsou pouze plynné uhlovodíky (metan). 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 strukturních pastech 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 plynné uhlovodíky (zemní plyn), tekuté uhlovodíky (ropa) i pevné uhlovodíky (asfalt). Organický materiál se 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 jsou různé zdrojové horniny náchylné k vytváření různých typu uhlovodíků. Některé zdrojové horniny (mořské břidlice s vysokým obsahem organického materiálu) jsou schopné produkce kapalných uhlovodíků (ropy) i plynu. Produkce probíhá postupně podle zahřívání zdrojové horniny při subsidenci a procházením nejprve ropným oknem a pak plynovým oknem. Uhlí se tradičně považuje za zdrojovou 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 sestává z porézních hornin, které jsou v nadloží a po stranách utěsněné horninami nepropustnými. Ropné pasti jsou tvořeny jako geologické struktury (např. antiklinály, zlomové struktury), nebo stratigraficky (např. vyklinováním pískovce a faciálním přechodem do nepropustných břidlic). Těsnící horniny jsou většinou 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 porozita a propustnost. Typická porozita 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 souhrnně 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 náhled|vlevo|Schéma strukturní pasti se třífázovým kolektorem, obsahujícím vodu, ropy a plyn. Plyn se nahromadí v nejvyšší části pasti a vytváří tzv. plynovou čepičku. náhled|vpravo|3D model kolektoru, barvy znázorňují porozitu (červená=vysoká) náhled|vpravo|Hlavice těžebního vrtu. Ropa, plyn a voda vytékají na povrch pod tlakem ložiska bez pomocí čerpadla. Průtok je regulován manuálně pomocí ventilů. Vytěžené produkty odtékají potrubím směrem doprava k procesní stanici 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 profilů ve 2D nebo 3D modelu a do jisté míry i ze satelitních snímků nebo z terénní práce. Geochemická, geologická a paleontologická data ze 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 oblasti 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 apod.
Geofyzik a geolog integrují výsledky paleontologické analýzy dohromady se seismickými profily, profily interpretují a společně zmapují oblast. Připraví strukturní podpovrchové mapy klíčových horizontů a identifikují možné prospekty k vrtání. Zvláštním úkolem geofyzika je získat ze seismických profilů kvantitativní informace o porozitě 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 náhled|vlevo|Schéma ložisek zemního plynu. náhled|vlevo|Produkce v USA, 1900-2013