Thermal and microbial gas generation, accumulation and dissipation in coal basins : role of sorptive storage capacity evolution

Weniger, Philipp; Littke, Ralf

doi:999910283423

Thermal and microbial gas generation, accumulation and dissipation in coal basins : role of sorptive storage capacity evolution = Thermogene und mikrobielle Gasbildung in kohleführenden Sedimentbecken : Rolle der Entwicklung der sorptiven Gasspeicherkapazität

Weniger, Philipp (Author)

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Weniger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXXIV, 176 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-06-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43512
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197445/files/4351.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flözgas (Genormte SW) ; Oberschlesisches Steinkohlebecken (Genormte SW) ; Paraná-Becken (Genormte SW) ; Kohle (Genormte SW) ; Sorption (Genormte SW) ; Pyrolyse (Genormte SW) ; Gasspeicherung (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Upper Silesian Coal Basin (frei) ; Paraná Basin (frei) ; coalbed methane (frei) ; ccs (frei) ; coal (frei) ; sorption (frei) ; pyrolysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550
rvk: TP 8900 * TP 5480 * TZ 7500 * TZ 7000

Kurzfassung
Regionale Unterschiede in der chemischen und isotopischen Zusammensetzung von Flözgasen wurden im Oberschlesischen Becken (USCB) in Tschechien und im Santa Terezinha Kohlefeld (STC) des Paraná Beckens in Brasilien untersucht. Geländestudien wurden durch Laborexperimente an ausgewählten Proben ergänzt um den Einfluss von Sorptions- und Desorptionsprozessen auf die chemische und isotopische Zusammensetzung von Flözgas zu untersuchen. Unter Einsatz von nicht-isothermer, offener Pyrolyse (Py-GC) wurden Gasbildungspotenzial und Kinetik zur Rekonstruktion der Gasbildungsgeschichte ermittelt. Experimentelle Ergebnisse wurden in ein konzeptionelles dynamisches Modell zur Bildung und Speicherung von Gas in Kohlenflözen während der strukturellen und thermischen Beckenentwicklung integriert. Flözgas aus dem südlichen USCB weist eine thermogene Isotopensignatur auf, während die Signatur im nördlichen Bereich auf mikrobielle CO2 Reduktion und eine Mischung von Gasen thermogenen und mikrobiellen Ursprungs hindeutet. Die chemische und isotopische Zusammensetzung von Gasen die während der Kanisterdesorption beprobt wurden, war stark Variabel aber grundsätzlich ähnlich der Zusammenstzung von Gasen aus Flözentgasungsbohrungen. Während der Kanisterdesorption wurden keine eindeutigen Isotopenfraktionierungseffekte beobachtet. Trends in der geochemischen Zusammensetzung thermogener Gase im USCB lassen einen Beitrag von Gas aus tieferen Bereichen unterhalb der Karpathenüberschiebung vermuten. Kohlen der zwei hauptflözführenden Formationen im USCB (paralische Ostrava Fm. und limnische Karviná Fm.) sind Vitrinit-reiche Gasflamm- bis Esskohlen die überwiegend das Stadium der Gasbildung und Gasfreisetzung erreicht haben. Aus Massenbilanzrechnungen konnte ein während der Inkohlung gebildetes Methanvolumen von 201 m³/t organischen Kohlenstoffs (TOC) und ein CO2-Volumen von 138 m³/t TOC abgeschätzt werden. Die kumulative im Pyrolyseexperiment freigesetzte Methanmenge lag zwischen 52 und 79 m³/t TOC. Aus experimentell bestimmten reaktionskinetischen Parametern wurde ermittelt dass die thermogene Gasbildung bei einer geologischen Aufheizrate von 10-11 K/min in einem Temperaturbereich zwischen 208 und 246°C ihr Maximum findet. Ein 1D Beckenmodell der Subsidenz- und Temperaturgeschichte des USCB deutet darauf hin dass die Hauptgasbildung während der maximalen Versenkung zwischen 319 und 285 Ma b.p. stattfand und es zu keiner signifikante Gasbildung im Zusammenhang mit der Wiederversenkung im Miozän kam. Exzess Sorptionsisothermen (bis zu 27 MPa) für Methan und CO2 unter verschiedenen experimentellen Bedingungen zeigten dass die sorptive Speicherkapazität hauptsächlich von Druck, Wassergehalt und Temperatur abhängt und in geringerem Maße von TOC und Reife beeinflusst wird. Die mittlere Sorptionskapazität im USCB (15 m³/t) liegt deutlich über dem heutigen Gasgehalt der Kohlen (<2-10 m³/t). Korrelationen zwischen Sorptionskapazität, Inkohlungsgrad und Temperatur wurden experimentell ermittelt und mit geologischen Druck- und Temperaturdaten kombiniert. Bei Annahme heutiger Druck- und Temperaturgradienten ergibt ein statisches Modell dass die Sorptionskapazität mit zunehmender Teufe bis zu einem Maximum zwischen 600 und 1000 m ansteigt und anschließend aufgrund steigender Temperaturen wieder absinkt. Resultate einer 1D Modellierung der Versenkungs- und Temperaturgeschichte wurden mit experimentellen Ergebnissen integriert um die Entwicklung der Sorptionskapazität zusammen mit der thermischen Gasbildung während der Beckengeschichte zu rekonstruieren. Diese Berechnungen zeigten dass die Sorptionskapazität der Kohlen bei maximaler Versenkungstiefe deutlich niedriger lag, als die mit heutigen Druck- und Temperaturgradienten berechnete. Während der maximalen Gasbildung überstieg die gebildete Gasmenge die Speicherkapazität der Kohlen und überschüssiges Gas entwich. Die am Karbon-Perm Übergang einsetzende Hebung und die daraus resultierende Abkühlung bewirkte die heutige Gas-Untersättigung der Flöze. Seit dem Ende der Permischen Hebungsphase lagen Flöze der Karviná Fm. in einem Temperaturbereich der mikrobielle Gasbildung ermöglichte (<80°C). Im Gegensatz hierzu lagen die Temperaturen der Ostrava Fm. nach der Hebungsphase deutlich höher und mikrobielle Gasbildung war unwahrscheinlich. Kohlen aus dem Santa Terezinha Kohlefeld weisen ein deutlich niedrigeres Gasbildungspotenzial auf als Kohlen aus dem USCB. Gasgehalt und Sorptionskapazität sind ebenfalls niedriger. Die Korrelation der Methan und CO2 Sorptionskapazität brasilianischer Kohlen und Brandschiefer mit dem TOC-Gehalt deutet auf eine signifikante CO2 Sorptionskapazität der Mineralsubstanz hin. Heutige Gasgehalte im STC liegen zwischen 13 und 38% der Methan Sorptionskapazität. Bei Annahme der Sorptionskapazität unter Reservoirbedingungen lässt sich eine theoretische Menge von bis zu 15.4 Gt CO2 in Flözen des STC speichern, wenn vor der CO2 Injektion das gesamte Flözgas gefördert wird.

The regional variation of chemical and isotopic composition of coal gases has been investigated in the Upper Silesian Coal Basin (USCB), Czech Republic, and the Paraná Basin, Brazil. The field studies were complemented by laboratory experiments on selected samples to elucidate the effects of sorption/desorption processes on the chemical and isotopic composition of coal gases. Non-isothermal open system pyrolysis (Py-GC) was used to assess the gas generation potential and kinetics for the reconstruction of gas generation history in the study areas. The experimental results were integrated into a conceptual dynamic model of gas generation and storage in coal seams during structural and thermal basin evolution. Coal gases in the southern part of the USCB have a thermogenic isotope signature, while gases in the northern part have isotope signatures typical for microbial CO2 reduction and mixed thermogenic/microbial origin. Chemical and isotopic compositions of gas samples from canister desorption of coal cores showed larger variations, but were generally in agreement with those of samples taken from cross-measure boreholes. Canister desorption did not cause any systematic isotope fractionation effects. Trends in geochemical composition of thermogenic gases suggest a contribution of gas from deeper parts underlying the Carpathian overthrust. Coals from the two principal coal-bearing sequences of the USCB (paralic Ostrava Fm. and limnic Karviná Fm.) are vitrinite-rich, of high- to low-volatile bituminous rank and have mostly reached the stage of gas generation and expulsion. Using mass balance calculations the volumes of gas generated up to this coalification stage were estimated at 201 m³ per ton of Total Organic Carbon (TOC) for methane and 138 m³/t TOC for carbon dioxide. Cumulative pyrolytic methane yields ranged between 52 and 79 m³/t TOC. Based on the reaction-kinetic parameters obtained from these tests thermogenic gas generation at a geologic heating rate of 10-11 K/min was predicted to reach a maximum between 208 and 246°C. A 1D basin model of the subsidence and thermal history of the study area indicated that major gas generation occurred at maximum burial between 319 and 285 Ma b.p. and that no significant methane generation was associated with reburial in the Miocene. Excess sorption isotherms (up to 27 MPa) for methane and carbon dioxide under different experimental conditions showed that gas sorption capacity is mainly controlled by pressure, moisture content and temperature, whereas organic matter content and maturity have a lesser impact. The average methane sorption capacity of USCB coals of 15 m³/t was significantly higher than the present-day gas contents in the study area (< 2-10 m³/t). Correlations between sorption capacity, coal rank and temperature were derived from sorption experiments and used in combination with geological pressure and temperature data. A static model assuming present-day pressure and temperature gradients predicts an increase in sorption capacity with increasing depth towards a maximum value between 600 and 1000 m, followed by a decrease due to increasing temperature. Results from 1D burial history and temperature history modeling were integrated with experimental results to reconstruct the dynamic evolution of sorption capacity during basin history in relation to thermal gas generation. These computations revealed that the sorption capacity of the coals at maximum burial depth was significantly lower than estimated based on present-day pressure and temperature gradients. At the time of maximum gas generation, the amount of generated gas exceeded the sorption capacity of coals and the excess gas was expelled. Uplift started at the Carboniferous/Permian transition and the concomitant temperature decrease resulted in the presently observed under-saturation of the coal seams. From the end of the Permian uplift phase until present, coal seams of the Karviná formation were at temperatures below 80°C and thus amenable to microbial methane generation. In contrast, temperatures of coal seams of the Ostrava formation were significantly higher in the post-uplift phase and microbial methane generation from these coals was unlikely. Coal from the Santa Terezinha coalfield in the southern Paraná Basin, Brazil had a significantly lower residual gas generation potential than USCB coals. Gas contents and average gas sorption capacities were also lower. Methane and carbon dioxide sorption capacities of coals and shales correlated with the TOC. For CO2 the linear regression showed a non-zero intercept, indicating a significant sorption capacity of the mineral matter. The present-day gas content of coals from the Santa Terezinha coalfield amounts to 13-38% of the methane sorption capacity. Assuming sorption capacities at reservoir conditions theoretically an amount of up to 15.4 Gt CO2 could be stored in the Santa Terezinha coal seams, if all methane were produced prior to CO2 injection.

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