炭層メタン

炭層メタン（CBMまたは炭層メタン）^[1]、 炭層ガス、または炭層ガス（CSG ^{[1] ）は、}石炭層から抽出された天然ガスの一種です。^[2]近年、米国、カナダ、オーストラリア、その他の国で重要なエネルギー源となっています。

この用語は、石炭の固体マトリックスに吸収されたメタンを指します。 硫化水素が含まれていないため、「スウィートガス」と呼ばれています。このガスの存在は、地下の石炭採掘で発生することからよく知られており、深刻な安全上のリスクをもたらします。炭層メタンは、吸着と呼ばれるプロセスによってメタンが石炭内に蓄えられるため、一般的な砂岩やその他の従来のガス貯留層とは異なります。メタンはほぼ液体の状態であり、石炭内の細孔（マトリックスと呼ばれる）の内側を覆っています。石炭の開いた亀裂（クリートと呼ばれる）にも自由ガスが含まれている場合があり、水で飽和している場合もあります。^[要出典]

従来の貯留層からの天然ガスの多くとは異なり、炭層メタンにはプロパンやブタンなどの重い炭化水素がほとんど含まれておらず、天然ガス凝縮物も含まれていません。炭層メタンには数パーセントまでの二酸化炭素が含まれることがよくあります。炭層メタンは、通常、ケロジェンと有機物の熱熟成によって生成されますが、これは、定期的に地下水が涵養される炭層では、メタンが通常、その場に生息する微生物群によって生成されるのとは対照的です。^{[3] [4]}

炭層メタンは、炭層からメタンが放出されて生成されました。炭層の中には「ガスが充満している」ことが昔から知られており、安全対策として、採掘前に炭層に地表からボーリング孔を掘り、メタンを放出させていました。

炭層メタンを天然ガス資源として利用することは、1970 年代後半に米国連邦政府から大きな後押しを受けた。連邦政府による価格統制により天然ガス価格が市場価格以下に抑えられ、天然ガスの掘削が抑制されていたが、同時に政府はガス生産の促進を望んでいた。米国エネルギー省は炭層メタンを含むいくつかの非在来型ガス資源の研究に資金を提供した。炭層メタンは連邦政府による価格統制の対象外となり、連邦税額控除も受けた。

オーストラリアでは、1996年にクイーンズランド州のボーエン盆地で炭層ガスの商業採掘が開始されました。^[5]

炭層メタンに含まれるガスは主にメタンで、微量のエタン、窒素、二酸化炭素、その他のガスも含まれています。自然界に存在する石炭の固有の特性によって、回収できるガスの量が決まります。

炭層メタン貯留層は二重多孔性貯留層と考えられている。二重多孔性貯留層とは、クリート（天然の亀裂）に関連する多孔性が流動挙動に関与し、マトリックスの貯留層多孔性がガスの貯蔵に関与する貯留層である。炭層メタン貯留層の多孔性は10％～20％の範囲で変化する可能性がある。しかし、貯留層のクリート多孔性は0.1％～1％の範囲であると推定されている^[6]。

石炭の吸着容量は、石炭の単位質量あたりに吸着されるガスの体積として定義され、通常は石炭1トンあたりのSCF（標準立方フィート、標準圧力および標準温度条件での体積）ガスで表されます。吸着容量は石炭のランクと品質によって異なります。米国で見つかるほとんどの炭層では、その範囲は通常100～800SCF/トンです。石炭層のガスのほとんどは吸着された形です。貯留層が生産されると、まず亀裂空間の水がポンプで排出されます。これにより圧力が低下し、マトリックスからのガスの脱着が促進されます。^[7]

フラクチャー透水性は、ガスが流れるための主要なチャネルとして機能します。透水性が高いほど、ガス生産量が多くなります。米国で発見されたほとんどの炭層では、透水性は0.1〜50ミリダルシーの範囲にあります。フラクチャー貯留層の透水性は、それらに加えられた応力によって変化します。石炭は応力に敏感な透水性を示し、このプロセスは刺激および生産操作中に重要な役割を果たします^{[8] [要出典]}。^[9]炭層メタン貯留層のフラクチャー透水性は、従来の貯留層とは対照的に、ガスの枯渇とともに増加する傾向があります。このユニークな挙動は、メタンがマトリックスから放出されると石炭が収縮し、その結果、フラクチャーが開いて透水性が増加するためです。^[10]また、貯留層圧力が低いと石炭マトリックスが収縮するため、貯留層内の水平応力が失われ、石炭の原位置破壊を引き起こすと考えられています。このような崩壊は、貯留層の亀裂透水性の急激な低下に起因すると考えられている^{[11] [9]}

一部の地域では、地層の厚さが産出されるガスの量に直接比例しない可能性がある。^[要出典]

たとえば、カンザス州南東部のチェロキー盆地では、1 ～ 2 フィート (0.3 ～ 0.6 m) の鉱床を持つ単一の層を持つ井戸では優れたガス生産率が得られるのに対し、その 2 倍の厚さを持つ別の層ではほとんどガスが生産されないことが観察されています。一部の石炭 (およびシェール) 層では、層の厚さに関係なくガスの濃度が高くなる場合がありますが、これはおそらくその地域の地質の他の要因によるものです。^{[引用が必要]}

一般的な生産貯留層の場合と同様に、井戸ブロックと砂面の間の圧力差は可能な限り高くする必要があります。^{[引用が必要]}

その他の影響するパラメータには、石炭の密度、初期ガス相濃度、臨界ガス飽和度、不可還元水飽和度、それぞれ Sw = 1.0 および Sg = 1-Sw 不可還元の条件での水とガスに対する相対浸透性が含まれます。^{[引用が必要]}

ガスを抽出するには、地下100～1,500メートル（330～4,920フィート）の炭層に鋼鉄で覆われた穴を掘削する。炭層内の圧力が自然生成または炭層からの水の汲み上げにより低下すると、ガスと生成水の両方がチューブを通って地表に出てくる。その後、ガスは圧縮ステーションに送られ、天然ガスパイプラインに送られる。生成水は、孤立した地層に再注入されるか、河川に放出されるか、灌漑に使用されるか、蒸発池に送られる。水には通常、炭酸水素ナトリウムや塩化物などの溶解固形物が含まれているが、地層の地質によって異なる。^[12]

炭層メタン井は、従来の貯留層よりもガス生産率が低いことが多く、通常は 1 日あたり 300,000 立方フィート (8,500 m ³ ) (約 0.100 m³/s) でピークに達し、初期コストが高額になることがあります。CBM 井の生産プロファイルは、通常、水がポンプで排出され、ガスが脱着して流れ始めると、ガス生産率が最初に増加する「負の減少」を特徴とします。乾式 CBM 井は、標準的なガス井に似ています。^{[引用が必要]}

メタンの脱着プロセスは、ラングミュア等温線と呼ばれる曲線（ガス含有量と貯留層圧力の曲線）に従います。等温線は、最大ガス含有量（無限大圧力）と、石炭内でそのガスの半分が存在する圧力によって解析的に説明できます。これらのパラメータ（それぞれラングミュア体積とラングミュア圧力と呼ばれます）は石炭の特性であり、大きく異なります。アラバマ州の石炭とコロラド州の石炭は、石炭の特性が似ているにもかかわらず、ラングミュアパラメータが根本的に異なる場合があります。^{[引用が必要]}

石炭層から生産が行われると、圧力の変化によって石炭の多孔性と透過性が変化すると考えられています。これは一般にマトリックスの収縮/膨張として知られています。ガスが脱着すると、細孔内のガスによって加えられる圧力が減少し、細孔のサイズが縮小して石炭を通るガスの流れが制限されます。細孔が縮小すると、マトリックス全体も縮小し、最終的にはガスが通過できるスペース（クリート）が拡大し、ガスの流れが増加する可能性があります。^{[引用が必要]}

特定の炭層が CBM 源となる可能性は、以下の基準によって決まります。 クリート密度/強度: クリートは石炭層内に閉じ込められた節理です。 クリートは石炭層に浸透性を与えます。 CBM を採算よく採掘するには、高いクリート密度が必要です。 また、マセラルの組成も重要です。マセラルは、対応する堆積岩の微細で均質な岩石学的実体です。 ビトリナイトの組成が高いと CBM 抽出に理想的ですが、イナートナイトはそれを妨げます。^{[引用が必要]}

石炭の品位はCBM含有量とも関連しており、ビトリナイト反射率が0.8～1.5%であれば炭層の生産性が高いことが分かっています。^[要出典]

天然ガス器具は、1立方フィートあたり約1,000 BTU（英国熱量単位）の発熱量、つまりほぼ純粋なメタンを持つガス用に設計されているため、ガスの組成を考慮する必要があります。ガスに窒素や二酸化炭素などの不燃性ガスが数パーセント以上含まれている場合は、パイプライン品質を実現するために、これらを除去するか、より高いBTUのガスと混合する必要があります。炭層ガスのメタン組成が92％未満の場合、商業的に販売できない可能性があります。^[要出典]

すべての炭素ベースの化石燃料と同様に、炭層メタンの燃焼により二酸化炭素（CO2）が大気中に放出されます_。その温室効果ガスとしての影響は、化学者で物理学者のスヴァンテ・アレニウスによって初めて分析されました。炭層メタンの生産では、大気中にメタンが漏れ出します。メタンは、質量あたりCO2の72倍の地球温暖化効果があると評価されています。₂₀年間で、100年間で25倍、500年間で7.5倍に減少します。^[13]エネルギー源のライフサイクル温室効果ガス排出量の分析によると、従来の天然ガスと同様に、炭層メタンの発電は石炭の半分以下の温室効果ガス効果しかありません。^[14]

オーストラリアの複数の研究では、炭層ガス採掘が地域的にも世界的にも長期的な環境悪影響を及ぼすことが示唆されている。^{[15] [16] [17] [18] [19]}

米国では、採掘中に石炭から漏れるメタンは、総メタン排出量の7％に相当します。^[20]採掘前に炭鉱のメタンを回収することは、メタン排出量を削減する大きな機会とみなされています。^[要出典] CNX Resourcesなどの企業は、稼働中の鉱山や閉鎖された鉱山からの温室効果ガス排出量を削減するためのメタン削減プログラムを実施しています。^[21]

CBM 井戸は、道路、パイプライン、コンプレッサー ステーションのネットワークによって接続されています。時間の経過とともに、残りのメタンを抽出するために、井戸の間隔が狭くなる可能性があります。

ガス抽出の副産物として地表に運ばれる産出水は、地域によって水質が大きく異なりますが、塩、天然化学物質、重金属、放射性核種などの溶解物質が望ましくない濃度で含まれている可能性があります。^{[22]多くの産出地域では、}逆浸透プラントなどで水を処理し、灌漑、家畜用水、都市や工業用、粉塵抑制などに有効に使用されています。

2012年、イースタン・スター・ガスはピリガ・スクラブの「ボヘナ・クリークに高濃度の塩分を含む汚染水を排出した」として罰金を科せられた。^[23] 「森林とクリークへの深刻な塩水の流出」を含む「汚染水の流出または漏出が16件」あった。^[24] 2012年、ニューサウスウェールズ州議会^[25]の調査は、開放型貯水池の使用を批判し、「ニューサウスウェールズ州政府は生産水の開放型貯蔵を禁止する」よう勧告した。^{[25] [26]}

炭層メタン生成水はすべて塩分を含んだり、その他の点で望ましくないわけではありません。米国ワイオミング州パウダー川流域の炭層メタン井戸の水は、一般的に連邦飲料水基準を満たしており、その地域では家畜の給水に広く使用されています。^{[27]灌漑用としての使用は、}ナトリウム吸着率が比較的高いため制限されています。

帯水層の連結性によっては、取水によって広範囲にわたって帯水層が低下し、地下水の流れに影響を及ぼす可能性がある。^[28]オーストラリアでは、CBM業界は年間126,000百万リットル（3.3 × 10 ¹⁰米ガロン）から280,000百万リットル（7.4 × 10 ¹⁰米ガロン）の地下水の抽出を推定している。一方、国立水委員会は年間300,000百万リットル（7.9 × 10 ¹⁰米ガロン）以上の抽出を推定している。^[22]

2012年、アスペン・スキー・カンパニーはコロラド州サマーセットのオックスボウ・カーボンのエルク・クリーク鉱山に3メガワットのメタン発電プラントを建設した。 ^[29]

炭層ガス資源はクイーンズランド州とニューサウスウェールズ州の主要な石炭盆地にあり、南オーストラリア州にもさらに潜在的な資源がある。オーストラリアでは1996年に炭層ガス（CSG）の商業的回収が開始された。2014年現在、クイーンズランド州とニューサウスウェールズ州の炭層ガスはオーストラリアのガス生産量の約10％を占めている。実証された埋蔵量は2014年1月時点で33兆立方フィート（35,905ペタジュール）と推定されている。^[30]

• ボーエン盆地
• スーラト盆地
• シドニー盆地

カナダでは、ブリティッシュコロンビア州に約90兆立方フィート（2.5兆立方メートル）の炭層ガスがあると推定されています。アルバータ州は2013年に商業用炭層メタン井を持つ唯一の州であり、経済的に回収可能な炭層メタンが約170兆立方フィート（4.8兆立方メートル）あると推定されており、全体の埋蔵量は最大500兆立方フィート（14兆立方メートル）に上ります。^{[31] [32]}

炭層メタンは再生不可能な資源とみなされているが、アルバータ研究会議、アルバータ地質調査所などは、メタンを生成する細菌の活動が継続しているため、炭層メタンは再生可能な資源であると主張している。 ^[要出典]これは議論の余地があり、CBM生産に伴う脱水により、細菌がメタンを生成するために必要な条件が破壊されることも示されており^[33]、追加のメタン生成率は未確定である。この議論は現在、カナダのアルバータ州で所有権の問題を引き起こしている。なぜなら、州が合法的に所有できるのは再生不可能な資源だけであるからである。^[34]

英国の炭田に埋蔵されているガスは 2,900 億立方メートルと推定されているが、経済的に回収可能なのは 1 パーセント程度かもしれない。英国の CBM の可能性は、ほとんど試されていない。一部のメタンは炭鉱の通気作業によって抽出され、発電のために燃焼される。採掘とは無関係の炭層メタン井戸の民間企業による評価は、2008 年に開始され、55 件の陸上探査ライセンスが発行され、7,000 平方キロメートルの炭層メタン潜在地域がカバーされた。IGas Energy は、炭鉱の通気とは別に炭層メタンを商業的に抽出した英国初の企業となった。2012 年現在、発電用にガスを抽出している Doe Green の Igas 炭層メタン井戸は、英国で唯一の商業用 CBM 井戸である。^[35]英国における発電用の CBM の使用 (GWh 単位) は次の通りである。^[36]

2017年の米国の炭層メタン生産量は1兆7,600億立方フィート（TCF）で、同年の全米国乾燥ガス生産量の3.6％を占めた。2017年の生産量は、2008年のピーク時の1兆9,700億立方フィートから減少した。^[37] CBM生産のほとんどは、コロラド州、ワイオミング州、ニューメキシコ州のロッキー山脈州で行われた。

業界の専門家によると、カザフスタンは今後数十年で大規模な炭層メタン（CBM）部門の発展を目撃する可能性がある。 ^[38]予備調査によると、カザフスタンの主な炭田には9000億m3ものガスが存在する可能性があると示唆されており、これはカザフスタンの全埋蔵量の85％に相当します。

グレート イースタン エナジー(GEECL) は、油田開発計画が承認された最初の企業です。GEECL による 23 本の垂直生産井の掘削が完了したことにより、2007 年 7 月 14 日にインドで炭層メタンが商業的に利用可能となり、CNG の価格は 1 kg あたり 30 ルピーでした。当初、CBM の 90% は、自動車燃料用の CNG ガスとして配布される予定でした。

GEECLは東南アジア初のCBMステーションの建設を担当しており、西ベンガル州の都市アサンソルにもCBMステーションの建設を計画している。

GEECLの社長兼最高執行責任者であるプラシャント・モディ氏は、「国が発展のペースを維持するためにより多くのエネルギー源を必要としており、CBMが将来の世代の主要なエネルギー源の一つとして重要な役割を果たすと確信しています」と述べた。^[39]

エッサール グループのエッサール石油ガス探査生産有限公司の CBM ポートフォリオには 5 つのブロックが含まれています。現在、そのうちの 1 つ、ラニガンジ イーストのみが稼働中です。他のブロックには、ジャールカンド州のラージマハル、オリッサ州のタルチャーとイブ バレー、マディヤ プラデーシュ州のソハグプールがあります。5 つのブロックには、推定 10 兆立方フィート (CBF) の CBM 埋蔵量があります。

• 耐火ガス
• 地下石炭ガス化
• 西カナダ堆積盆地

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• CBMに関する米国地質調査所のページ
• CBMに関する米国環境保護庁のページ
• ブリティッシュコロンビア州エネルギー・鉱山・石油資源省の炭層ガスに関するガイド
• カンザス地質調査所の炭層メタンガイド
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• 炭層ガス：数字で見るオーストラリア放送協会