***tento text je úryvkem z knihy
Václav Cílek, Martin Kašík Nejistý plamen. Průvodce ropným světem.
Ropa je tekutá směs pevných, tekutých a plynných uhlovodíků přirozeného původu. Její základní charakteristikou je hustota vyjádřená ve stupních API (American Petroleum Institute), které se počítají z hustoty ropy při 60 °F (15,6 °C). Hustota ve °API je nepřímo úměrná běžně používané hustotě, vyjadřované v kg/m3. Podle stupnice API má voda 10 °API, těžká ropa do 20 °API, běžná 25–35 °API a lehká více než 35 °API. Nejcennější jsou lehké, tekuté světlé typy ropy, ze kterých se dá získat velké množství benzinu, zatímco těžké ropy při destilaci dávají hlavně asfalt. To je hlavní problém nekonvenčních zdrojů ropy, jako je uhlí a asfaltové či ropné písky, které poskytují poměrně malé množství benzinu či nafty a velice mnoho odpadních, byť dále využitelných uhlovodíků blízkých asfaltu.
Druhou základní charakteristikou ropy je, zda je sladká (sweet), nebo kyselá (sour). Sladká ropa má méně než 1 hmot. % (hmotnostní procento) síry, zatímco kyselé ropy mohou mít až 3–4 hmot. % síry. V rafinerii musí být síra odstraněna, aby nekorodovala zařízení rafinerie ani motory vozidel. V rafinerii se podle obsahu síry rozeznávají tři typy ropy – ropa s malým obsahem síry (0–0,6 hmot. %), se středním obsahem síry (0,6–1,7 hmot. %) a s vysokým obsahem síry (nad 1,7 hmot. %). Lehké ropy jsou obvykle sladké, těžké ropy jsou obvykle kyselé. Rafinerie platí těžaři prémii jeden až tři dolary za barel sladké ropy.
Brent a další ropné standardy
Vytěžená ropa se obvykle srovnává s nějakým regionálním standardem (benchmark crude oil), podle kterého se stanoví její cena. Například v USA se jako standard bere tzv. západotexaský průměr (West Texas Intermediate neboli WTI), který má 38–40 °API a obsah síry 0,3 hmot. %. Podobně je definován ropný standard pro Severní moře (Brent) nebo Střední východ (Dubaj). Zatímco texaský standard a ropa typu Brent mají téměř totožné složení, ropa typu Dubaj je překvapivě tekutější, přestože je těžší, a obsahuje více síry (31 °API, 2 hmot. % síry). Orientačně se kvalita ropy poznává podobně jako u vína – válením ve sklenici a oceňováním její vůně. Sirnaté nafty páchnou, sladké voní. Známé ropné standardy jsou např. Arabská lehká pro Saúdskou Arábii, Bachequero pro Venezuelu, Bonny Light a Brass River pro Nigérii či Ekofisk pro Norsko.
Bod tekutosti
Každá ropa obsahuje parafínové molekuly, zejména přírodní vosky. Naftové ložisko leží ve větších hloubkách, kde jsou zvýšené tlaky a teploty. Ropa je zde tekutá, ale tím, jak stoupá k povrchu, se ochlazuje a pokud obsahuje větší množství vosků, tuhne. Nejnižší bod, kdy ropa ještě teče, se nazývá bod tekutosti (pour point), a může ležet mezi –60 °C a +52 °C. Ropa typu Brent tuhne při –3 °C. Bod tekutosti, který je vlastně z druhé strany bodem tuhnutí, je základní veličinou při konstrukci ropovodů a rozvodů při těžbě i v rafinerii, kde je důležité, aby ropa, zejména v zimě, netuhla v potrubí.
Vznik ropy
Ropa může vznikat různými způsoby v mnoha typech hornin a hromadit se v neobvykle široké škále prostředí – třeba pod sibiřskou věčně zmrzlou půdou nebo v písčitých výplních starých jeskyní. Soustřeďme se však na několik charakteristických příkladů, které se týkají většiny světových zásob.
Hlavním geologickým prostředím pro vznik ropy jsou mělká šelfová moře. V místech, kde na povrch moře vystupují hluboké mořské vody bohaté živinami, anebo ještě častěji při ústí velkých řek, které přinášejí dusičnany, fosforečnany, železo a další biogenní prvky z hornin, které zvětraly ve vnitrozemí, dochází k přemnožení planktonu. Většina drobných mořských organismů žije pár dní či týdnů a pak v podobě nikdy nekončícího „deště“ organických částic dopadá na mořské dno.
Za normální geologické situace by organická drť byla rychle oxidována a během pár let by zmizela, podobně jako tleje staré dříví v lese. Ale v místech, kde je nedostatek kyslíku, aktivní mořské proudy, podmořské sesuvy či v estuáriích sedimenty rychle zanášených velkých řek, jako je Niger, je písek či jíl s jemně rozptýlenou organickou hmotou překrýván dalšími sedimenty. I přesto je až 80 % organické hmoty zničeno oxidací anebo spotřebováno, tj. zkonzumováno, mikroorganismy či červy přerývajícími mořské dno. Přírůstkem od několika centimetrů do dvou metrů za století tak vzniká až několik kilometrů mocného tělesa špatně zpevněných hornin, kterým říkáme zdrojové horniny (source rocks). Nejčastěji to bývají šedé, jílovité pískovce a černé břidlice a méně často bituminózní vápence a dolomity.
V tu chvíli musí do hry vstoupit další proces – je to geologicky poměrně rychlý pokles mořského dna do zemské kůry. Zhruba s každými 30–40 metry hloubky pod zemským povrchem (v ČR to je 50 i více metrů) roste teplota o 1 °C. Pokud se sedimenty, které v průměru obsahují 0,5–5,0 hmot. % organické hmoty, dostanou do hloubek 2 200–5 500 m, tedy do teplotního rozhraní 65–150 °C, začíná postupně vznikat ropa. Za nižších teplot může vzniknout metan, ale ne ropa, a za vyšších teplot většinou vzniká organický uhlík a plyn. Ropné vrty někdy ve velkých hloubkách narazí na ložisko plynu, který je vázán v pórech hornin, jejichž zrna jsou obalena černým grafitem. Naftaři pak vědí, že objevili „vyhořelé“ ložisko ropy, které bylo pohřbeno příliš hluboko a při přirozené destilaci ropy byla většina uhlovodíků „spálena“ na uhlík a z menší části vznikl plyn.
Teplotnímu, resp. hloubkovému rozhraní 65–150 °C (2 200–5 500 m) říkáme ropné okno (oil window). Ropu se zatím nikdy nepodařilo uměle vyrobit ze směsi minerálů a organických látek. Je to způsobeno zejména trváním geologického času – k „uvaření“ ropy jsou zapotřebí miliony let. Dále se zde uplatňují složité mikrobiální reakce a rovněž katalytický vliv jílových minerálů, oxidů manganu a dalších látek. Podle hloubky pohřbení, a tím teploty, vznikají různě zralé typy ropy (mature oils). V zásadě platí obvyklá chemická poučka, že na každých 5,5° C, tedy nějakých 150–180 m hloubky, se rychlost chemických reakcí zdvojnásobuje. Ropa v sobě obsahuje tzv. „biomarkery“ neboli indikátory svého původu. Rostlinný i živočišný plankton obsahuje několik charakteristických látek, podle kterých se dá poznat nejenom původ ropy, ale i – a to je z hlediska těžby ještě důležitější – zda spolu jednotlivá ložiska souvisí.
Již z tohoto popisu je patrné, že ropa se dá nalézt jen v určitých prostředích velkých sedimentárních pánví, ve kterých se organickými látkami bohaté horniny dostávají do těch správných hloubek. Příliš chudé zdrojové horniny, pomalé pohřbívání sedimentu nebo mělké pánevní podmínky ke vzniku ropy nevedou. Situace je ale ještě složitější – ropu přirozeně syntetizovanou v horninovém masivu je nutné nějakým způsobem zachytit. Jinak by došlo k situaci, jako když např. destilujete slivovici, ale její páry volně unikají do ovzduší. Odhaduje se, že jenom 2–10 % vzniklé ropy se v geologické historii zachytilo v nějakém druhu geologické pasti (oil trap). Téměř všechna ropa, která dosáhla zemského povrchu, byla oxidována a ztratila se v uhlíkovém koloběhu. To je hlavní důvod, proč ze starších geologických formací známe velice málo ropných ložisek. Ropa na rozdíl od uhlí zmizela migrací na povrch. Z hlediska světových zásob ropy je pak zjevné, že geologové znají (snad s výjimkou Antarktidy) všechny velké sedimentární pánve světa, jejich stáří i mocnosti sedimentů, takže možnost, že by jim v klasických terénech uniklo nějaké skutečně velké ropné pole, je dnes už dost malá a stále se zmenšuje. Naproti tomu jsou velké naděje kladeny do dosud téměř neznámých hlubokomořských pánví.
Hlubokomořská ropa
Poslední velká oblast, kde ještě můžeme očekávat objev velkých ložisek ropy leží na kontinentálním úpatí a v prostředí hlubokých mořských pánví. Optimisté odhadují, že hlubokomořské sedimenty Mexického zálivu by se mohly vyrovnat ropným polím Saúdské Arábie. Avšak geologové nejsou v této záležitosti zajedno. Konsensus panuje jenom v tom, že na světě zbývá už jenom jedna velká neznámá ložisková ropná oblast – hluboké moře (deep sea oil). Zdrojové horniny se na okraje mořských pánví dostávají sesuvy z okrajů šelfových moří. Průzkum je velice drahý – plánovaný hlubokomořský vrt bude stát společnost Chevron kolem 3,5 miliardy dolarů. Jeho příprava potrvá tři až pět let a i po případném objevu ložiska dojde k regulérní těžbě po dalších zhruba pěti letech. Dva tři neúspěšné vrty této ceny odradí akcionáře a investory. O hlubokomořských sedimentech máme poměrně málo informací, a tím je otevřen prostor pro spekulace. Pesimističtí geologové naopak předpokládají, že v horninách mořských sesuvů se těžitelné akumulace ropy zachovaly jen na mimořádně vhodných místech. Jedno je však jisté již teď – hlubokomořská ropa bude v každém případě velice drahá ropa.
Náklady na jeden vrt v nové lokalitě mohou činit od stovek milionů dolarů až po několik miliard dolarů. Ekonomické ztráty při neúspěšném pokusu jsou vskutku enormní a ropné společnosti se jim snaží samozřejmě všemožně předcházet využíváním všech dostupných vymožeností technologie a vědy. Přesto jsou přibližně dvě třetiny takových pokusných vrtů suché nebo jen částečně úspěšné.
Migrace ropy
V průměrné hloubce 2–3 km pod zemským povrchem vznikla působením teploty, mikroorganismů a dalších látek ropa. Jak ropa v takových hloubkách vypadá a co se s ní děje dál? Ropa je zde rozptýlena v podobě malých kapének, většinou je smíchaná s vodou do vodní emulze (někdy se hovoří o mikroemulzi), vniká do pórů mezi zrny křemene či vápence nebo vytváří tenké povlaky na minerálních zrnech. Průměr kapének se pohybuje maximálně v desetinách milimetru, ale obvykle řádově méně. Na některých místech je horninový masiv porušen zlomy a tehdy mohou lehké kapénky stoupat vzhůru ve volných prostorech (buoyancy), jejichž průměr je několik milimetrů či vzácněji centimetrů. Pohyb v horninových pórech je složitý a zdlouhavý – běžná ropa za rok urazí, podle typu pánve, porozity hornin a velikosti kapének, stěží pár desítek centimetrů.
Podle posledních výzkumů se zdá, že migrace ropy tvoří jen menší část celkové migrace všech horninových fluid. V sedimentu převládá voda. Ve větších hloubkách dochází ke kompakci usazených hornin, jíly se mění na jílovce a posléze na břidlice. Písky se působením tlaku a teploty proměňují v pískovce. Horninové póry se zmenšují a uzavírají, fluida mezi zrny horniny jsou vypuzována. Kapénky ropy bývají strhávány pohybem vody (water drive). Jen velmi malá část tekutých uhlovodíků (ale někdy podstatné množství plynu) se rozpustí ve vodě. Celkově však převládá pohyb ve formě emulze. Při tvorbě ropy a plynu se významně zvětšuje objem. To způsobí, že původní hornina je tlakově „načechrána“, zvětšuje se její propustnost, ale jak ropa a plyn unikají, póry horniny se opět uzavírají a hornina se opět stává nepropustnou.
Na tomto místě by nás zavedlo příliš daleko, kdybychom chtěli zkoumat složité reakce mezi putujícími roztoky a horninou, ale můžeme uvést velice zajímavý příklad, jak spolu souvisí některá ropná pole v Texasu, největší jeskyně světa v Kentucky a velká ložiska olověných a zinkových rud v Mississippi. Základní směr horninových roztoků byl v této oblasti dán vrásněním a nerovnoměrným prohřátím zemské kůry. Voda s kapénkami ropy urazila v některých případech vzdálenost přes 200 km, což jí trvalo možná až 20 milionů let. V pánvi Williston v Montaně je dokumentována horizontální migrační dráha o délce 320 km! Na takto dlouhé cestě ohřátá voda pod tlakem nadloží reagovala s okolními horninami, loužila z nich stopové prvky a stávala se solankou (brine). Rovněž kapičky ropy podléhaly změnám, uvolňovaly sirnaté sloučeniny, které byly dále oxidovány na přírodní kyseliny. Proces loužení se tím urychlil. Když kyselé roztoky, obsahující velká množství solí a kovových komplexů, procházely vápenci, docházelo k neutralizaci roztoků. Kyselina sírová rozpouštěla vápenec za vzniku obrovských jeskynních systémů, ale na jiných místech vápenec neutralizoval teplé solanky a srážel z nich kovové sloučeniny. V jedné části horninového masivu tak vznikaly velké jeskyně, jinde obrovská ložiska rud a ve vzdálených pánvích Texasu, kde se pohyb emulze konečně zastavil, došlo k hromadění ropy a tvorbě slavných amerických ložisek. Ropa z těchto ložisek pomohla USA dostat se na špičku peletonu světových velmocí. Tatáž ropa pomohla Spojencům vyhrát druhou světovou válku.
Ve většině ropných ložisek světa stoupají kapénky nafty k povrchu, protože jsou lehčí než voda, a urazí přitom jenom několik kilometrů. Na jejich pohyb také působí rozdíl teplot mezi chladnějším povrchem a teplejším vnitřkem planety. Z hlediska geologického průzkumu je pak důležité znát cesty ropné migrace – nejčastěji jimi bývají buď propustné horniny (carrier beds), nebo velké zlomové systémy (fault systems).
Akumulace ropy
Migrující ropa buď skončí na zemském povrchu, kde se odpaří či oxiduje, nebo se její zásoby sníží chemickými změnami při migraci, anebo se na vhodném místě zachytí a vytvoří tak akumulaci či ložisko. Pro vznik ropné akumulace musí být splněny dvě podmínky – přítomnost porézní horniny, neboli ropného zásobníku či rezervoáru (reservoir rock), ve kterém se ropa kumuluje, a existence nadložní nepropustné horniny, která zabraňuje dalšímu úniku ropy (cap rock, doslova klobouku či čepice).
Vaculíkova otázka: Ludvík Vaculík mi na jednom bytovém semináři položil často slýchanou otázku: Když se vytěží podzemní jezero ropy, proč se do tohoto volného prostoru nevhání přebytečný oxid uhličitý? Většina lidí se domnívá, že ropa tvoří jakési podzemní dutiny podobné jezeru. Ve skutečnosti je ropné ložisko založeno na principu houby, která za vhodných podmínek nasákne uhlovodíky. Běžný pískovec, tak jak jej známe např. z Prachovských skal, má porozitu okolo 22 objemových procent. Toto množství je vyplněné směsí vzduchu a vody, a kdybychom do pískovce dostatečně hluboko provedli vrt, mohli bychom z něj čerpat vodu, podobně jako v Saúdské Arábii čerpají ropu. Některé vápence a dolomity mají porozitu až kolem 30 objemových procent, ale to je asi tak maximum, protože jinak se struktura horniny vlastní vahou zhroutí. Naproti tomu žuly mají porozitu méně než 0,5 objemového procenta a v čerstvém stavu sotva pár promile svého objemu.
Proto se téměř dvě třetiny ropných ložisek nalézají v pískovcích (USA, Severní moře) a jedna třetina ve vápencích a dolomitech (Blízký východ). Ve vzácných případech můžeme ropu čerpat např. z vulkanitů. Několik texaských ložisek je vázáno na druhohorní podmořské lávové výlevy, které při kontaktu s mořskou vodou popraskaly a byly změněny na porézní zvětraliny. Ty byly potom pokryty jílovitými břidlicemi, které porézní horizonty utěsnily. O několik desítek milionů let později do pórů vulkanických hornin (kterým místní těžaři nesprávně říkají serpentinit) migrovaly a nasákly kapalné uhlovodíky a vytvořily deset poměrně významných ložisek.
To nás přivádí k otázce geologických pastí. Představte si, že potřebujete znát složení plynů, které se uvolňují ze dna Máchova jezera. Jak to uděláte? Řešení je vyzkoušené: ukotvíte nade dnem deštník, který může den po dni sbírat všechny drobné bublinky, které se uvolňují ze dna. Podobně fungují geologické pasti na ropu. Obvykle mají tvar plochého, ale všelijak zprohýbaného deštníku, který bývá nejčastěji tvořen jílovitými břidlicemi, ale uplatňují se i jiné horniny, jako anhydrit nebo sůl, která je plastická, a proto nemá žádné „škvíry“, kudy by ropa mohla unikat. Dómovitému nepropustnému „deštníku“ se v naftařské hantýrce poněkud nepřesně říká antiklinála. Na Sibiři existují obrovská ložiska plynu utěsněná permafrostem – zmrzlou půdou. Akumulace nafty může vzniknout, jsou-li splněny čtyři podmínky:
1 – v okolí leží zdroj ropy, jehož migrační dráha vede do geologické pasti;
2 – ropa se má kde hromadit, což předpokládá existenci nejméně 20 m (ale spíš 200 m či více) mocné polohy porézních hornin – ropného zásobníku neboli rezervoáru;
3 – tyto porézní horniny jsou kryty nepropustnou horninovou „čepicí“, jež zabrání další migraci;
4 – vše je správně geologicky načasováno, nejprve musí být past a pak teprve může dojít k migraci ropy.
Pokud procházíte učebnicemi ropné geologie, zjistíte, že většina textu je věnována desítkám typů různých geologických pastí. Kromě nepropustných hornin to často bývají solné pně nebo systémy těsnících zlomů (sealing faults), jejichž kontaktní plocha je tvořena jílovými horninami.
V roce 1959 bylo objeveno na pevnině v Nizozemsku obrovské ložisko plynu Groningen. Geologové věděli, že větší část sedimentární pánve leží pod Severním mořem, a proto v průběhu 60. let za velice složitých podmínek odvrtali více než 200 průzkumných vrtů. V jižní části britského sektoru byla nalezena menší ložiska plynu, ale většina studní byla suchá. Naftový vrt se v těžařské hantýrce nazývá studna (well) a je „suchý“, když neobsahuje žádné uhlovodíky. Ve skutečnosti je obvykle „mokrý“, protože skoro vždy obsahuje vodu. Většina těžařů začala tehdy Severní moře opouštět jako drahou a neperspektivní oblast. V roce 1969 společnost Phillips Petroleum navrtala v nadloží solného dómu Ekofisk porézní vrstvu, která v mocnosti 180 metrů obsahovala naftu. Byl to první velký objev v celé nesmírně významné oblasti. Porézní vrstva byla překvapivě tvořena křídovými horninami podobnými těm, které vytvářejí bílé útesy v Doveru. Tyto horniny však většinou fungují jako nepropustné deštníky. Nad Ekofiskem však byly rozlámány výstupem solného pně.
Úplný a neúplný vývoj ložiska
Nejlépe migruje nejlehčí plyn, o něco hůře hustší ropa a nejpomaleji ještě hustší voda. Většina naftových ložisek má tři jasně oddělené zóny. Pro jednoduchost si opět představte deštník v Máchově jezeře, z jehož dna však kromě plynu budou stoupat i kapénky ropy. V deštníku se úplně nahoře nahromadí plyn, o něco níž ropa a ještě níž voda. Hranice mezi nimi bude rovná. Mezi plynem a ropou bude ostrá, mezi ropou a vodou bude přechodná, protože rozdíl hustot obou kapalin není velký. Proto těžaři na celém světě při těžbě z přechodné zóny vždy s obavami sledují, zda jim z vrtu neproudí víc vody než ropy. Náš pokusný deštník v Máchově jezeře je pod určitým tlakem – kdybychom jej nahoře neopatrně propíchli, uteče nám nejprve plyn a potom pomaleji ropa. Při těžbě je proto snahou nejprve vytěžit střední ropnou zónu, protože tlak plynu ropu sám vhání do vrtu a zpočátku ji není třeba ani čerpat.
Některé geologické pasti jsou ropou zaplněny jen zčásti, jiné jsou zcela plné a pravděpodobně nejvíc z nich již dávno přeteklo. Úplné ložisko se nazývá saturované (hovoří se o míře saturace – saturation) a sestává z oněch výše zmíněných tří vrstev. Neúplná ložiska mohou mít jenom dvě vrstvy – ropu a vodu (když plyn byl schopen nadložím uniknout) nebo plyn a vodu v případě rychlého zaplnění pasti plynem, který již neponechal žádný využitelný prostor pro ropu.
***tento text je úryvkem z knihy
Václav Cílek, Martin Kašík Nejistý plamen. Průvodce ropným světem.
podrobnosti o knize
