炭層メタン抽出

炭層メタン抽出（CBM抽出）は、石炭鉱床からメタンを抽出する方法です。炭層メタン（CBM）は、地下炭鉱での石炭の安全な生産を制限する要因の1つです。また、発電、暖房、化学産業など、多くの分野で使用できる高品質のエネルギーの一種です。そのため、炭層の採掘の安全性を高め、有用なエネルギー資源として活用することを目的として、採掘前にCBM抽出が行われます。^[1]

石炭層の圧力が下がると、石炭の固体マトリックス (石炭マセラル) に吸着されたメタンは放出されます。メタンは石炭層に井戸を掘ることで抽出できます。目的は、井戸から水を汲み上げて水圧を下げることです。圧力が下がると、メタンが石炭から脱着し、ガスとして井戸から地表まで流れます。その後、メタンは圧縮され、市場にパイプで送られます。

目的は、メタンが水道管に流れ込むのを避け、井戸の裏側 (ケーシング) を通ってコンプレッサー ステーションまで流れるようにすることです。排水中にポンプで汲み上げられる水位が低すぎると、メタンが配管を通って水道管に流れ込み、井戸が「ガスだらけ」になることがあります。メタンは地表の水ガス分離器で回収できますが、水とガスを汲み上げるのは効率が悪く、ポンプの摩耗や故障の原因になります。

ワイオミング州北東部とモンタナ州南東部のパウダー川流域、そして現在はインドの西ベンガル州ラニガンジ、パナガールなどで、CBM抽出のために何万ものメタン井戸が掘削され、道路、パイプライン、コンプレッサーなどの大規模な支援施設が設置されています。現在米国で生産されている天然ガス（メタン）の7％はCBM抽出によるものです。炭層貯留層からのメタンは経済的に回収できますが、水の処分は環境問題です。

スコットランド中部のレサム・モスにも遺跡がある。^[2]

石炭中のガスのほとんどは、有機物の内部表面に蓄えられています。石炭は内部表面積が大きいため、従来のガス貯留層の同等の岩石容積の 6 ～ 7 倍のガスを蓄えることができます。ガス含有量は、一般に石炭の品位、石炭層の埋没深度、貯留層圧力とともに増加します。石炭層内の割れ目、つまりクリートには、通常、水が満たされています。石炭層が深いほど、含まれる水は少なくなりますが、その水は塩分が多くなります。石炭層から水を除去すると、圧力が下がり、メタンが放出されます。石炭層メタン井からは、大量の水、時には塩水を生産します。最も多くの水が生産されるのは、生産の初期段階です。環境に配慮した塩水の処分は、経済的なメタン生産にとって主要なコスト要因です。淡水は表面に排出される場合がありますが、塩水は通常、注入された塩水の塩分濃度が母岩の随伴流体よりも低くなる深さで岩石に注入されます。蒸発率が高い地域では、水を蒸発させて潜在的に販売可能な固形残留物を回収することが可能であるかもしれない。^[3]

炭層ガス含有量測定は、炭鉱の安全性だけでなく、炭層メタン資源の評価と回収の用途にも広く使用されています。ガス含有量測定技術は、一般的に次の 2 つのカテゴリに分類されます。(1)脱着キャニスターに密封された石炭サンプルから放出されたメタンの量を測定する直接法と、(2) 経験的相関関係または実験室で得られた吸着等温線メタン貯蔵容量データに基づく間接法です。実験室の吸着等温線は、地質学的に現実的な圧力と温度条件下で測定された場合、石炭サンプルの貯蔵容量に関する情報を提供します。したがって、メタン回収に期待できる最大ガス含有量は、このような実験室の等温線測定から評価できます。^[4]

間接法による総ガス含有量は、マイスナーとキムが示した 実験式
に基づいています。ガス量は、水分含有量、揮発分含有量、湿った石炭に吸着されたメタンの量、固定炭素、石炭の厚さ、温度を使用して、マイスナーとキムの式によって決定されます。マイスナー (1984) は、メタンガス (VCH4) の量が揮発性物質 (daf) と関連していることを観察しました。

V _CH4 = −325.6 × log (VM/37.8)

石炭中のガス含有量の推定は、キム（Kim 1977）の式を使用して評価される。

V = (100 −M − A) /100 × [ Vw /Vd ] [K(P) ^N - (b × T)]
ここで、
V = 吸着されたメタンガスの体積 (cc/g)
M = 水分含有量 (%)
A = 灰分含有量 (%)。
Vw/Vd = 1/(0.25 ×M + 1)
Vw = 湿った石炭に吸着されたガスの量 (cc/g)
Vd = 乾いた石炭に吸着されたガスの量 (cc/g)
K と N の値は石炭のランクによって異なり、固定炭素 (FC) と揮発性物質 (VM) の比率で表すことができます。
K = 0.8 (FC /VM) + 5.6 ここで、
FC = 固定炭素 (%)
VM = 揮発性物質 (%)
N = 石炭の組成 (ほとんどの瀝青炭の場合、N = (0.39 - 0.013 × K)
b = 温度変化による吸着定数 (cc/g/◦C)。
T = 地温勾配 × (h/ 100) + To
T = 特定の深さでの温度
To = 地温
h = 深さ (m)

カロル曲線による石炭層のメタン含有量の推定

炭層のメタン含有量の測定値や炭層メタン井からの生産データがない場合、エディ曲線を使用してガス含有量を推定できます。エディらは、炭層の最大生成可能メタン含有量を深さとランクの関数として推定する一連の曲線を作成しました。
炭層のメタン含有量の推定は、各炭層の平均深さを深さ軸上に配置することで、エディ曲線から決定されます。深さ軸 (フィート) から法線を上に延長して、特定の石炭ランク曲線と交差させます。曲線上の点から、失われ脱着したガス軸 (cm ³ /gm) まで法線を延長します。線と軸の交点が、炭層の推定メタン含有量です。

灰は、泥炭形成時に海洋または河川から堆積した粘土、シルト、砂から得られる砕屑物の重要な指標です。露頭の灰分含有量は、地下サンプルの灰分含有量よりも少ないようです。露頭サンプルの灰分含有量が低いのは、石炭鉱床が傾斜が上向きで、傾斜が下向きのサンプルよりも海洋の影響から遠いためと考えられます。

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