Fysiska energiresurser I Översikt av kol, olja och naturgas

Fysiska energiresurser I Översikt av kol, olja och naturgas Dr Mikael Höök, 2011-01-19

Vad är fossil energi? Fossil energi är kolbaserade föreningar som hittas naturligt ute i världen Består av oreducerat kol som bevarats och förhindrats från att oxidera tack vare geologiska processer Vid förbränning kan därmed energiinnehållet i fossil energi omvandlas till värme och nyttigt arbete

Vad är kol? En brännbar svart eller brunsvart sedimentär bergart som förekommer över hela världen Har varit känd sedan Antiken

Vad är olja? Även kallat petroleum (sten-olja på grekiska) Samlingsnamn för kolvätebaserade vätskor av geologisk härkomst

Geologisk överblick Petroleumgeologi och kolgeologi Försöker beskriva var och hur bildning sker Utveckla metoder för att uppskatta var nya fynd kan göras Systematisera och klassificera befintliga fynd

Bildningen av fossil energi Majoriteten av världens fossila energiresurser bildades under några korta epoker i jordens historia Intensiv global uppvärmning och frodig vegetation band stora mängder koldioxid i organiska föreningar (kolhydrater, proteiner, fetter, etc.) Den största bildningen skedde under Karbonperioden cirka 350 miljoner år sedan, följt av ytterligare deponering under Trias, Jura, Krita och Tertiärperioderna

Källa: Berner, 2001; Scotese, 2008 Den geologiska tidsskalan

Hur bildas kol & petroleum? Olja bildas av marina sediment. Främst plankton och bakterier Kol bildas från växtdelar från gamla träsk/sankmarker Naturgas kan bildas från både kol och olja

Sedimentering Olika material ansamlas ovanpå varandra till följd av erosion, transport med mera Tyngd och tid pressar samman materialet till en sedimentär bergart Ex: Sand blir till sandsten Organiska lämningar kan mycket väl bakas in i sedimenten och bevaras

Sedimentära bassänger En sedimentär bassäng är en geografisk region som kännetecknas av subsidens (nedåtgående rörelse i jordskorpan) och fyllning med sediment Ansamling av sedimenten ökar massan och trycket tills diagenes (ombildning till bergart) påbörjas Kompaktion, cementering och kristallisation är de viktiga stegen Vid hög temp (över 150-200 ºC) blir det istället metamorfa bergarter (gnejs, marmor etc.)

Världens sedimentära bassänger Det mesta av världens oljebärande regioner har sedan länge identifierats Bassänger på land är gröna och offshorebassänger är purpurfärgade Källa: Schlumberger Middle East Well Evaluation Review, Number 10, p. 8.

Vart har jättefälten hittats? Källa: American Association of Petroleum Geologists (AAPG)

Källa: Columbia University Världens kolregioner

Sammanfattning Finns det inte rätt sediment närvarande hittar man inga fossila bränslen Sverige har exempelvis en magmatisk berggrund utan närvaro av rätt bergarter (utom små formationer i Skåne och på Gotland) Geologin förklarar varför vissa länder har fossil energi medan andra saknar tillgångar

Mer om olja Olja bildas från marina sediment, främst rester från alger, plankton och andra encelliga organismer Dock är detta bara första steget i en lång kedja som krävs för att bilda oljefält

Petroleumköket De organiska sedimenten bildar först en oljebärande bergart, normalt kallad moderbergarten (eng. source rock) Temperatur och tryck kommer sedan att koka de omogna organiska sedimenten till olja och gas Det resulterande petroleumet pressas ut från moderbergarten och börjar migrera mot ytan på grund av Arkimedes princip

Petroleumsystemet 1. Moderbergarten genererar petroleum som senare pressas ut på grund av sin volymökning 2. Expulsion och migration följer och leder mot en uppsamlingsplats, kallad reservoar 3. Ett sigill, även kallad fälla, hindrar ytterligare rörelse mot ytan 4. Ackumulering sker i reservoaren Om något steg misslyckas blir det inget olje/gasfält!

Geotermiska gradienter Rätt djup och temperatur krävs för att just olja ska bildas Källa: Robelius, 2007

Oljan finns i stenens porer! Olja finns inte i stora underjordiska dammar, utan är instängd i stenarnas porer, det vill säga hålrummen mellan stenens beståndsdelar (påminner om tvättsvamp eller oasis) Får konsekvenser för hur oljan kan pumpas upp tack vare fluidmekanik och flödesrelationer i reservoaren Schematisk bild Mikroskopbild

Porositet och permeabilitet Porositet är den procentandel hos sediment eller bergarter som består av tomrum, kallat porer Porositeten avgör hur mycket vätska som kan hållas i formationen Porösa stenar är exempelvis sandsten eller pimpsten, medan granit och obsidian har låg porositet Porer kan vara allt från naturliga hålrum och sprickor och artificiella frakturer Porositet på mer än 15% är utmärkt för petroleumreservoarer Permeabilitet är ett mått på hur bra jord, sediment eller bergarter kan transmittera vätskor Material med låg porositet har ofta låg permeabilitet, men inte alltid Porer ger bra permeabilitet om de är sammankopplade och inte så pass små att de begränsar flödet

Porositet vs djup Ökande litostatiskt tryck minskar porositeten Oljereservoarer kan inte finnas på för stora djup eftersom porositeten blir för låg Fundamental begränsning för oljans förekomst

Oljefynd som funktion av djupet Källa: Höök et al. (2010) Marine and Petroleum Geology,

Reservoarens egenskaper Oljefält kan bara bildas om det finns tillräckligt hög porositet och permeabilitet i reservoaren Reservoarbergarten blir då den struktur som innehåller ansamlingen av petroleum Vissa bergarter är utmärkta reservoarer (sandsten, etc.) medan andra är genrellt opassande (evaporiter, granit, etc.)

Sigillet Petroleum rör sig mot ytan tack vare Arkimedes princip då olja är lättare än grundvattnet En tät och ogenomtränglig struktur krävs för att hindra vidare migration mot ytan, kallas sigill (eng. seal) alternativt fälla (eng. trap) Vanligt med skifferlager, evaporiter eller andra bergarter med låg permeabilitet och tätningsförmåga

Schematisk bild

Om fällor saknas... Om migrerande olja saknar en struktur som kan fånga in den kommer den att närma sig ytan Där kommer oljan att angripas av mikroorganismer Helt sonika bli uppäten under årsmiljonernas lopp Biodegraderad till tungolja (extratung olja, tjärsand, etc.) Olja har bildats på många platser men det mesta har försvunnits eller bara spritts ut i sedimenten utan att bilda stora ansamlingar

Sammanfattning Geologin är viktig och avgör om det bildas olja eller naturgas Petroleumsystemet, permeabilitet och porositet är naturliga begränsande faktorer för uppkomsten av oljefält Utifrån dessa mekanismer kan man börja leta efter petroleum och ringa in de öjliga förekomsterna

Att hitta petroleum?

Petroleumletning Olja och gas måste först hittas innan den kan produceras Detta görs genom geologiska och geofysiska metoder som identifierar de strukturer som kan tänkas innehålla kolväten Vanliga metoder bygger på seismik, men kan även inkludera gravitationsmätningar, elektromagnetism eller andra metoder

Seismiska undersökningar Ljudvågor skickas ned i marken Olika material har olika akustiska egenskaper Reflektionerna och ger en bild av sammansättningen och strukturen under jord

Seismisk utrustning Seismiska undersökningar kan göras från både land och till havs Utförs av geofysiker

Källa: Seismic survey outside Bahamas Seismiska profiler

Datatolkning Komplex dataprocessering och tolkning behövs ofta för att förstå datan Detta görs av petroleum geologer och avancerade datorprogram

3D seismik En dimensionella seismiska undersökningar kan kombineras till en fullständigare bild i 3D Detta görs med radontransformen Med tillräckligt mycket data kan mycket detaljerade bilder i 3D skapas över oljereservoarerna och de underjordiska strukturerna som behövs för optimal planering av själva utvinningen

En riktig oljereservoar Med avancerad 3D seismik och datortomografi kan man avbilda reservoarer i god detalj Här är en del av norra Ghawar i Saudi-Arabien, världens största oljefält

Planering av borrningar Då oljan strävar uppåt underlättar en bra strukturbild placering av borrhål God seismik är essentiellt för effektiv utvinning och reservoarhantering

Oljans underklasser Olja Kondensat Natural Gas Liquids (NGL) Råolja (crude oil) Crude oil in giant fields Crude oil in dwarf fields Giant = fields with URR > 0.5 Gb or more than 100 kb/d in daily production for more than one year Dwarf = non-giant oil fields

Tillgängliga mängder Många olika kategorier och definitioner att hålla reda på En kort översikt följer

Ursprunglig mängd? Beror på strukturens form och mättnadsgraden av olja, gas och vatten Beräknar man volymsintegralen under reservoaren kan man estimera mängden olja Detta kallas Oil-In-Place eller Oil-Initially-In-Place Dock är långt ifrån allt detta utvinningsbart, dessutom är noggrannheten i uppskattningen sällan speciellt god innan man börjat producera

Resurser och reserver Långt ifrån alla geologiska förekomster av olja är tekniskt eller ekonomiskt möjliga att utvinna Likaså är det varierande geologisk konfidens i uppskattningarna av de tillgängliga mängderna Därför behövs olika klassificeringssystem så att man vet vad man talar om för något

Källa: Rogner, 1997 Klassificeringssystem

Definitioner Reserver avser de noga mätta mängderna som kan utvinnas med befintlig teknik och under rådande ekonomiska förutsättningar Resurser är tekniskt utvinningsbara och inkluderar påvisade men oekonomiska mängder tillsammans med oupptäckta och spekulativa formationer

Determinism vs probabilism Deterministiska metoder ger bara ett enda värde utan att väga in fördelningar och osäkerheter Probabilistiska metoder är svåra att förstå och kan lätt missleda den oförsiktige analytikern

Grönland som exempel According to Campbell (2008), USGS states that there is a 95% probability of finding more than zero, namely at least one barrel, and a 5% probability of finding more than 112 billion barrels, which together delivers a mean value (as the mean of the P95 and P5 reserves) of 47 billion barrels, which is later reported as the reserves in official assessments. Källa: Höök (2009) Depletion and Decline Curve Analysis in Crude Oil Production

3P-systemet Utvecklat av Society of Petroleum Engineers (SPE) Nära en global industriell standard för rapportering Probabilistiskt system 1P (proven) reserves = 90% sannolikhet att existera 2P (proven+probable) = 50% sannolikhet att existera 3P (proven+probable+possible) < 50% fast fortfarande signifikant sannolikhet (lite luddigt)

Definitioner spelar roll (2P vs 1P) Forskning har visat att 2P är den mest realistiska uppskattningen

Källa: BP, IHS Mest olja när priset var lågt

Världens oljetillgångar 1. Saudiarabien 21.3 % 2. Iran 11.2 % 3. Irak 9.3 % 4. Kuwait 8.2 % 5. U. Arab. Em. 7.9 % 6. Venezuela 7.0 % 7. Ryssland 6.4 % 8. Libyen 3.3% 8. Kazakstan 3.2 % 9. Nigeria 2.9 % All världens olja är koncentrerad till Mellanöstern 75% av världens kvarvarande olja finns i arabvärlden och Afrika Källa: BP Statistical Review of World Energy 2008

Det finns lite olja i Sverige!!! Källa: Bild från oljefältet vid Rute på Norra Gotland

Världens gastillgångar Plats Land Reserver [Tcm] Andel av världen 1 Ryssland 45 24% 2 Iran 30 16% 3 Qatar 25 14% 4 Turkmenistan 8 4% 5 Saudi-Arabien 8 4% 6 USA 7 4% 7 United Arab Emirate 7 3% 8 Venezuela 6 3% 9 Nigeria 5 3% 10 Algeriet 5 2% Källa: BP statistical Review of World Energy 2010

Fördelning av oljemängderna Pareto- och lognormalfördelningar dominerar distributionen av oljeresurser Det mesta av resurserna hamnar därmed i ett fåtal stora fält som kommer att dominera produktion Totalt finns runt 50-70 000 oljefält i världen, varav bara kring 400 står för över 60% av den globala produktionen

De betydelsefulla gigantfälten Gigantfält jämfört med andra oljefält med avseende på: 1. Antal fält 2. Slutgiltiga utvinningsbara resurser (URR) 3. Produktionskapacitet 1 2 3

Fördelningen av norsk olja Statfjord Totalt 30 miljarder fat olja Ekofisk Source: Höök & Aleklett (2008) A decline rate study of Norwegian Oil Production, Energy Policy 36(11): 4262-4271

Gasens jättar Mer än 95% av den ryska gasen återfinns I gigant eller semi-gigantiska fält Rysk gasproduktion domineras av tre supergiganter: Urengoy, Yamburg och Medvezhye 1. År 1999 producerade dessa tre fält 77% av all rysk naturgas 2. År 2004 producerade de 53% av den ryska gasen

NPT = Europas hjärta Här sker 90% av den ryska gasproduktionen eller runt 20% av den globala The Heart of Europe

Sammanfattning olja & gas Ojämnt fördelade över världen på grund av fördelaktig geologi i vissa regioner Ansamling av olja till Mellanöstern (urgammalt havsområde med ostörd tektonik som bevarad fällorna intakta) Begränsningar i geologin utesluter förekomster på vissa platser Snåriga klassifikationer rörande vad som finns och vad som faktiskt är utvinningsbart

Kolet då? Skiljer sig från olja och gas då det är en fast, orörlig substans

Kolets ursprung Kol härstammar från urgamla träskmarker och regnskogar Majoriteten av världens stenkol är från Karbonperioden (300 Miljoner år sedan) Det mesta brunkolet är från Tertiär (~50 Miljoner år sedan)

Kol i naturen Kollager från Colorado, USA Kol förekommer i skikt eller flötsar (eng. seams eller beds) som är allt från några cm till hundratals meter tjocka. Tjockleken beror på hur länge kolbärande sediment ostört deponerades

Deponeringsförhållanden När materialet ansamlas i träsket kan sand, lera och annat skräp följa med vilket påverkar kolets askhalt och kvalitet Närhet till vulkanisk aktivitet kan få ansenliga mängder svavel att hamna i kolet Havsvattenintrusioner deponerar natrium, klor och andra oönskade föroreningar i kolet Lokal geologi har stor betydelse för kvaliteten

Förkolningsprocessen Beroende på hur länge kolbildningsprocessen (eng. Coalification) kan pågå bildas olika typer av kol Ju högre kolhalt och lägre vattenhalt desto bättre

Koltyper Kol av olika typ och energiinnehåll kan bildas Kol har mycket större variation i energiinnehållet än olja och gas Typiska energiinnehåll för huvudtyperna Anthracite: 30 MJ/kg Bituminous coal: 18.8 29.3 MJ/kg Subbituminous coal: 8.3 25 MJ/kg Lignite: 5.5 14.3 MJ/kg

Distribution av koltyper

Kolförekomster Kol förekommer inte i lika väldefinierade strukturer som olja och gas Letningen gör på andra sätt och påminner mer om sättet man kartlägger metall- och malmförekomster Borrade hål mäter tjockleken på kollagret och den areala utsträckningen mäts för att få ett hum om mängden tillgängliga kolresurser

Att mäta kolförekomster Källa: Höök (2010) Encyclopedia of Sustainability and Technology

Kolresurser Uppskattas från geologiska undersökningar tjocklek [m] x area [m 2 ] x relative densitet [tons/m 3 ] = in situ tonnage [ton] Relativt energiinnehåll (MJ/kg) kan också användas för att ge resursuppskattningar på energibasis Är dock dåliga mått på den utvinningsbara mängden

Källa: WEC, BGR Globala resursuppskattningar [Gt]

Some highlights in recent years 2006, so far unaccounted prognostic resources were added in China and Former Soviet Union 2007, addition of new undiscovered resources in Alaska identified by a USGS study 2008, inclusion of additional prognostic and hypothetical resources worldwide

Example: Gillete coal field, Wyoming Coal in place: 182 Gt Available resources after restrictions: 142 Gt Recoverable coal: 70 Gt (i.e. subtracting mining/processing losses and assuming 10:1 stripping ratio) Economically recoverable: 9.1 Gt (i.e. 2008 economic constraints and discount cash flow of 8% rate of return) Coal-in-place estimates are generally very poor indicators of what amounts that actually can be extracted and used by society! Source: Luppens et al (2008) Assessment of Coal Geology, Resources, and Reserves in the Gillette Coalfield, Powder River Basin, Wyoming: U.S. Geological Survey Open-File Report 2008-1202

Källa: Mohr et al (2010) Att beräkna reserver

Kolreserver Anger de kolmängder som är geologiskt, tekniskt, legalt och ekonomiskt utvinningsbara Inkluderar ett antal tekniska parametrar, men även socioekonomiska variabler Utvinningsbarhet är en komplex fråga som spänner från ren teknik till ekonomi och politik

Brytbarhetens utveckling Hur har restriktioner och andra parametrar som styr kolreserverna utvecklats över tid? Hur utvecklas de i skenet av historiska, rådande och framtida energipolitiska beslut? Teknologiska framsteg vs utarmning Framtida kolpriser och förväntad efterfrågan spelar också in men är svåra att sia om

Källa: WEC, BGR Historisk utveckling

Reductions of US recoverable reserves 1950-2006 in Mt

Var finns världens kol? Land Miljarder ton % av total Världen 826.00 Gt 100% 1. USA 238.31 Gt 28.9% (28.9%) 2. FSU 222.18 Gt 26.9% (55.8%) 3. Kina 114.5 Gt 13.9% (69.7%) 4. Australien 76.2 Gt 9.2% (78.9%) 5. Indien 58.6 Gt 7.1% (86.0%) 6. Sydafrika 30.5 Gt 3.7% (89.7%) 7. Polen 7.5 Gt 0.9% (90.6%) Källa: BP 2009 (FSU = Former Soviet Union = Russia, Ukraine & Kazakhstan)

Kol i världen Kolreserver finns i 70 länder och runt 50 länder bryter även kol De stora volymerna koncentrerade till relativt få länder och regioner Trots små tillgångar är lokalt kol är väldigt viktigt i flera länder, medan andra är beroende av import God förståelse av tillgångarna är viktigt för planering och strategi

Foto: Mikael Höök Kolgruva i Turkiet

Slutsatser Geologin hos den fossila energin är viktig att förstå för att kunna greppa dess tillgänglighet Priser och utvinningsmetoder må ändras med tiden, men det gör inte naturlagarna som ansvarade för deponeringen av fossil energi Länder med fel förutsättningar kommer inte att ha egna tillgångar utan måste förlita sig på import eller andra energikällor

Thanks for your attention!