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
Den geologiska tidsskalan
Källa: Berner, 2001; Scotese, 2008
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)
Världens kolregioner
Källa: Columbia University
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
Seismiska profiler
Källa: Seismic survey outside Bahamas
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
Klassificeringssystem
Källa: Rogner, 1997
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
Mest olja när priset var lågt
Källa: BP, IHS
Världens oljetillgångar
1. Saudiarabien
2. Iran
3. Irak
4. Kuwait
5. U. Arab. Em.
6. Venezuela
7. Ryssland
8. Libyen
8. Kazakstan
9. Nigeria
21.3 %
11.2 %
9.3 %
8.2 %
7.9 %
7.0 %
6.4 %
3.3%
3.2 %
2.9 %
Källa: BP Statistical Review of World Energy 2008
All världens olja är
koncentrerad till
Mellanöstern
75% av världens
kvarvarande olja
finns i arabvärlden
och Afrika
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 [m2] x relative densitet
[tons/m3] = 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
Globala resursuppskattningar [Gt]
Källa: WEC, BGR
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
Att beräkna reserver
Källa: Mohr et al (2010)
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
Historisk utveckling
Källa: WEC, BGR
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
Kolgruva i Turkiet
Foto: Mikael Höök
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!
