غاز الميثان في طبقات الفحم

تُعتبر خزانات غاز الميثان في طبقات الفحم خزانات ذات مسامية مزدوجة، حيث تُعزى سلوكيات التدفق إلى المسامية المرتبطة بالشقوق (الكسور الطبيعية)، بينما تُعزى تخزين الغاز إلى مسامية المصفوفة. تتراوح مسامية خزان غاز الميثان في طبقات الفحم بين 10% و20%، بينما تُقدّر مسامية الشقوق في الخزان بين 0.1% و1% ^{[ 6 ].}

تُعرَّف قدرة امتزاز الفحم بأنها حجم الغاز الممتز لكل وحدة كتلة من الفحم، وعادةً ما تُقاس بوحدة القدم المكعب القياسي (SCF )، وهو الحجم عند ظروف الضغط ودرجة الحرارة القياسية، أي غاز/طن من الفحم. وتعتمد قدرة الامتزاز على رتبة الفحم وجودته. ويتراوح هذا المعدل عادةً بين 100 و800 قدم مكعب قياسي/طن لمعظم طبقات الفحم الموجودة في الولايات المتحدة. يوجد معظم الغاز في طبقات الفحم في صورة ممتزة. عند بدء إنتاج المكمن، يُضخ الماء الموجود في الشقوق أولاً، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط، وبالتالي زيادة امتزاز الغاز من المصفوفة. ^{[ 7 ]}

تُعدّ نفاذية الشقوق القناة الرئيسية لتدفق الغاز. وكلما زادت النفاذية، زاد إنتاج الغاز. بالنسبة لمعظم طبقات الفحم الموجودة في الولايات المتحدة، تتراوح النفاذية بين 0.1 و50 ملي دارسي. تتغير نفاذية المكامن المتشققة بتغير الإجهاد الواقع عليها. يُظهر الفحم نفاذية حساسة للإجهاد، وتلعب هذه العملية دورًا هامًا خلال عمليات التحفيز والإنتاج ^{[ 8 ]} . ^{[ 9 ]} تميل نفاذية الشقوق في مكامن غاز الميثان في طبقات الفحم إلى الزيادة مع استنزاف الغاز، على عكس المكامن التقليدية. يُعزى هذا السلوك الفريد إلى انكماش الفحم عند انطلاق الميثان من بنيته، مما يؤدي إلى فتح الشقوق وزيادة النفاذية. ^{[ 10 ]} يُعتقد أيضًا أنه نتيجة لانكماش بنية الفحم عند ضغوط المكمن المنخفضة، يحدث فقدان للإجهاد الأفقي في المكمن، مما يُسبب انهيار الفحم في الموقع. وقد عُزي هذا الفشل إلى الانخفاض المفاجئ في نفاذية الكسر للخزان ^{[ 11 ] [ 9 ]}

قد لا يكون سمك التكوين متناسبًا بشكل مباشر مع حجم الغاز المنتج في بعض المناطق.

على سبيل المثال، لوحظ في حوض شيروكي بجنوب شرق كانساس أن بئراً ذات طبقة واحدة منتجة بسمك يتراوح بين 0.3 و 0.6 متر (قدم إلى قدمين ) يمكن أن تنتج معدلات غاز ممتازة، بينما قد لا تنتج طبقة بديلة بسمك ضعف ذلك إلا كمية ضئيلة جداً من الغاز. وقد تحتوي بعض تكوينات الفحم (والصخر الزيتي) على تركيزات عالية من الغاز بغض النظر عن سمكها، ويعزى ذلك على الأرجح إلى عوامل أخرى تتعلق بجيولوجيا المنطقة. 

يجب أن يكون فرق الضغط بين كتلة البئر وواجهة الرمل مرتفعًا قدر الإمكان، كما هو الحال مع أي خزان منتج بشكل عام.

وتشمل المعايير المؤثرة الأخرى كثافة الفحم، وتركيز الطور الغازي الأولي، وتشبع الغاز الحرج، وتشبع الماء غير القابل للاختزال، والنفاذية النسبية للماء والغاز في ظروف Sw = 1.0 و Sg = 1-Sw غير القابل للاختزال على التوالي.

كما هو الحال مع جميع أنواع الوقود الأحفوري الكربوني، يُطلق حرق غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم ثاني أكسيد الكربون (CO₂ _{) في الغلاف الجوي. وقد قام الكيميائي والفيزيائي} سفانتي أرهينيوس بتحليل تأثيره كغاز دفيئة لأول مرة . وينطوي إنتاج غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم أيضًا على تسربات من غاز الميثان إلى الغلاف الجوي. ويُصنف الميثان بأنه أكثر تأثيرًا على الاحتباس الحراري بمقدار 72 ضعفًا لكل وحدة كتلة مقارنةً _بثاني أكسيد الكربون على مدى 20 عامًا، وينخفض ​​هذا التأثير إلى 25 ضعفًا على مدى 100 عام، وإلى 7.5 ضعفًا على مدى 500 عام. ^{[ 14 ]} ويشير تحليل انبعاثات غازات الدفيئة خلال دورة حياة مصادر الطاقة إلى أن توليد الكهرباء من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم، كما هو الحال مع الغاز الطبيعي التقليدي، له تأثير أقل من نصف تأثير الفحم كغاز دفيئة. ^{[ 15 ]}

على الصعيد العالمي، يُعدّ تعدين الفحم مصدراً هاماً لانبعاثات غاز الميثان. ^{[ 16 ]} ولتحديد كميات هذه الانبعاثات، تعتمد الصناعة والحكومات والمنظمات غير الحكومية على مزيج من رصد الانبعاثات والإبلاغ عنها، والتقديرات، وبيانات الأقمار الصناعية. وتعتمد الطرق الحالية لتقدير الانبعاثات على مستوى مناجم الفحم على بيانات النشاط التشغيلي ومحتوى غاز الميثان في طبقات الفحم. وتتوفر منهجيات قياس الانبعاثات للعديد من الدراسات الأكاديمية، ومنظمات غير حكومية مثل "غلوبال إنرجي مونيتور" و "كلايمت تريس" ، للعموم. ^{[ 17 ]}

أشارت دراسات أسترالية متعددة إلى الآثار البيئية السلبية طويلة الأمد لاستخراج غاز طبقات الفحم، على الصعيدين المحلي والعالمي. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

في الولايات المتحدة، تُشكّل انبعاثات غاز الميثان من الفحم أثناء التعدين 7% من إجمالي انبعاثات الميثان . ^{[ 23 ]} ويُنظر إلى استخلاص غاز الميثان من مناجم الفحم قبل بدء التعدين على أنه فرصة كبيرة للحد من انبعاثات الميثان. وتُطبّق شركات مثل CNX Resources برامج للحد من انبعاثات الميثان لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من المناجم العاملة والمغلقة. ^{[ 24 ]}

ترتبط آبار غاز الميثان من طبقات الفحم بشبكة من الطرق وخطوط الأنابيب ومحطات الضغط. ومع مرور الوقت، قد يتم تقريب المسافة بين الآبار لاستخراج ما تبقى من غاز الميثان.

تختلف جودة المياه المنتجة التي تُستخرج من عمليات استخراج الغاز اختلافًا كبيرًا من منطقة إلى أخرى، ولكنها قد تحتوي على تركيزات غير مرغوب فيها من المواد الذائبة مثل الأملاح والمواد الكيميائية الموجودة بشكل طبيعي والمعادن الثقيلة والنويدات المشعة . ^{[ 25 ]} في العديد من المناطق المنتجة، تُعالج المياه، على سبيل المثال من خلال محطة التناضح العكسي ، وتُستخدم بشكل مفيد في الري، ومياه الماشية، والاستخدامات الحضرية والصناعية، أو للحد من الغبار.

اعتمادًا على ترابط طبقات المياه الجوفية، قد يؤدي سحب المياه إلى انخفاض منسوبها على مساحة واسعة، مما يؤثر على تدفق المياه الجوفية. ^{[ 31 ]} في أستراليا، تُقدّر صناعة غاز الفحم استخراج ما بين 126 ألف مليون لتر (3.3 × 10 ^ ¹⁰ جالون أمريكي) إلى 280 ألف مليون لتر (7.4 × 10 ^ ¹⁰ جالون أمريكي) من المياه الجوفية سنويًا؛ بينما تُقدّر اللجنة الوطنية للمياه الاستخراج بأكثر من 300 ألف مليون لتر (7.9 × 10 ^ ¹⁰ جالون أمريكي) سنويًا. ^{[ 25 ]}   

في عام 2012، قامت شركة Aspen Skiing ببناء محطة لتحويل الميثان إلى كهرباء بقدرة 3 ميغاواط في سومرست، كولورادو في منجم إلك كريك التابع لشركة Oxbow Carbon. ^{[ 32 ]}

تتركز موارد غاز طبقات الفحم في أحواض الفحم الرئيسية في كوينزلاند ونيو ساوث ويلز، مع وجود موارد محتملة أخرى في جنوب أستراليا. بدأ الاستخراج التجاري لغاز طبقات الفحم في أستراليا عام 1996. وبحلول عام 2014، شكّل غاز طبقات الفحم من كوينزلاند ونيو ساوث ويلز حوالي 10% من إنتاج الغاز في أستراليا. وقُدّرت الاحتياطيات المؤكدة بنحو 33 تريليون قدم مكعب (35905 بيتاجول) اعتبارًا من يناير 2014. ^{[ 33 ]}

• حوض بوين
• حوض سورات
• حوض سيدني

في كندا، يُقدّر أن مقاطعة كولومبيا البريطانية تمتلك حوالي 90 تريليون قدم مكعب (2.5 تريليون متر مكعب) من غاز طبقات الفحم. أما مقاطعة ألبرتا ، فكانت في عام 2013 المقاطعة الوحيدة التي تضم آبارًا تجارية لغاز الميثان من طبقات الفحم، ويُقدّر أن لديها حوالي 170 تريليون قدم مكعب (4.8 تريليون متر مكعب) من غاز الميثان القابل للاستخراج اقتصاديًا من طبقات الفحم، مع احتياطيات إجمالية تصل إلى 500 تريليون قدم مكعب (14 تريليون متر مكعب) . ^{[ 34 ] [ 35 ]}      

يُعتبر غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم مورداً غير متجدد ، على الرغم من أن مجلس أبحاث ألبرتا وهيئة المسح الجيولوجي في ألبرتا وجهات أخرى قد جادلت بأنه مورد متجدد لأن النشاط البكتيري الذي يُنتج الميثان لا يزال مستمراً. إلا أن هذا الأمر محل جدل، إذ تبين أيضاً أن عملية نزح المياه المصاحبة لإنتاج غاز الميثان من طبقات الفحم تُدمر الظروف اللازمة للبكتيريا لإنتاج الميثان ^{[ 36 ]،} كما أن معدل تكوّن المزيد من الميثان غير محدد. ويُثير هذا الجدل حالياً مسألة حق الملكية في مقاطعة ألبرتا الكندية ، حيث لا يُسمح قانوناً للمقاطعة بامتلاك سوى الموارد غير المتجددة ^{[ 37 ] .}

على الرغم من تقدير كمية الغاز الموجودة في حقول الفحم البريطانية بنحو 2900 مليار متر مكعب، إلا أن نسبة الغاز القابل للاستخراج اقتصاديًا قد لا تتجاوز 1%. ولا يزال حجم الغاز المستخرج من طبقات الفحم في بريطانيا غير مُستغل بشكل كافٍ. يُستخرج جزء من الميثان من خلال عمليات تهوية مناجم الفحم، ويُحرق لتوليد الكهرباء. بدأ القطاع الخاص تقييم آبار غاز الميثان في طبقات الفحم بشكل مستقل عن عمليات التعدين في عام 2008، عندما تم إصدار 55 رخصة استكشاف برية، تغطي مساحة 7000 كيلومتر مربع من المناطق التي يُحتمل أن تحتوي على غاز الميثان في طبقات الفحم. أصبحت شركة آي غاز إنرجي أول شركة في المملكة المتحدة تستخرج غاز الميثان من طبقات الفحم تجاريًا بشكل منفصل عن تهوية المناجم؛ وبحلول عام 2012، كانت آبار آي غاز لاستخراج غاز الميثان في طبقات الفحم في دو غرين، والتي تستخرج الغاز لتوليد الكهرباء، هي الآبار التجارية الوحيدة لاستخراج غاز الميثان من طبقات الفحم في المملكة المتحدة. ^{[ 38 ]} يوضح الشكل التالي استخدام غاز الميثان من طبقات الفحم (بالجيجاواط/ساعة) لتوليد الكهرباء واستخراج الفحم وغيرها من الصناعات في المملكة المتحدة.

بلغ إنتاج الولايات المتحدة من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم في عام 2017 نحو 1.76 تريليون قدم مكعب، أي ما يعادل 3.6% من إجمالي إنتاج الغاز الجاف في الولايات المتحدة في ذلك العام. وقد انخفض إنتاج عام 2017 عن ذروته البالغة 1.97 تريليون قدم مكعب في عام 2008. ^{[ 39 ]} وجاء معظم إنتاج غاز الميثان من طبقات الفحم من ولايات جبال روكي، وهي كولورادو ووايومنغ ونيو مكسيكو.

يتوقع خبراء الصناعة أن تشهد كازاخستان نمواً كبيراً في قطاع غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم خلال العقود القادمة. ^{[ 40 ]} وتشير الأبحاث الأولية إلى وجود ما يصل إلى 900 مليار متر مكعب من الغاز في حقول الفحم الرئيسية في كازاخستان، أي ما يعادل 85% من إجمالي احتياطيات الفحم في البلاد.

كانت شركة غريت إيسترن إنرجي (GEECL) أول شركة تحصل على موافقة على خطة تطوير حقلها. ومع إتمام الشركة حفر 23 بئر إنتاج رأسية، أصبح غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم متاحًا تجاريًا في الهند في 14 يوليو 2007، بسعر 30 روبية هندية للكيلوغرام الواحد. في البداية، كان من المقرر توزيع 90% من غاز الميثان المستخرج من طبقات الفحم على شكل غاز طبيعي مضغوط لتشغيل المركبات.

تتولى شركة GEECL مسؤولية إنشاء أول محطة لغاز الفحم في جنوب شرق آسيا، كما أنها تعمل على إنشاء محطة أخرى في مدينة أسانسول بولاية البنغال الغربية .

قال براشانت مودي، الرئيس والمدير التنفيذي للعمليات في شركة GEECL: "مع حاجة البلاد إلى مصادر طاقة أعلى للحفاظ على وتيرة التنمية، فإننا على ثقة من أن غاز الميثان من طبقات الفحم سيلعب دورًا مهمًا كأحد مصادر الطاقة الرئيسية للأجيال القادمة." ^{[ 41 ]}

تضم محفظة شركة إيسار لاستكشاف وإنتاج النفط والغاز التابعة لمجموعة إيسار خمسة قطاعات لاستخراج غاز الميثان من طبقات الفحم. حالياً، قطاع واحد فقط منها، وهو رانيجانج إيست، يعمل بكامل طاقته. أما القطاعات الأخرى فهي راجماهل في جهارخاند، وتالتشر ووادي إيب في أوديشا، وسوهاجبور في ماديا براديش. وتقدر احتياطيات غاز الميثان من طبقات الفحم في هذه القطاعات الخمسة بنحو 10 تريليونات قدم مكعب.