1.2 Břidlice

Formace břidlice a bahna jsou nejhojnější sedimentární horniny v zemské kůře. V ropné geologii jsou organické břidlicové formace zdrojovými horninami i těsnicími horninami, které zachycují ropu a plyn (Speight, 2014). V nádrži inženýrství, břidlice formace jsou bariéry toku. Při vrtání bit často naráží na větší objemy břidlic než zásobní písky. Při seismickém průzkumu tvoří břidlicové formace propojené s jinými horninami často dobré seismické reflektory. Ve výsledku jsou seismické a petrofyzikální vlastnosti formací břidlic a vztahy mezi těmito vlastnostmi důležité jak pro průzkum, tak pro správu nádrží. Břidlicové formace jsou celosvětovým výskytem (viz kapitola 2).

Břidlice je geologický skalní útvar bohatý na jíl, typicky odvozený z jemných sedimentů, uložený v poměrně klidném prostředí na dně moří nebo jezer, který má poté byl pohřben v průběhu milionů let. Břidlicové formace mohou sloužit jako tlakové bariéry v povodích, jako vrchní těsnění a jako rezervoáry ve hrách břidlicového plynu.

Techničtěji řečeno, břidlice je štěpná, suchozemská sedimentární hornina, ve které jsou částice většinou bahna a jílu (Blatt a Tracy, 2000). V této definici štěpná označuje schopnost břidlice rozdělit se na tenkou vrstvu podél podestýlky a terigenní odkazuje na původ sedimentu. V mnoha povodích se tlak kapaliny ve vodném systému významně zvyšuje, což vede k tvorbě hydrofraktury a odvádění kapaliny. Výskyt přírodní hydrofraktury je však za okolností, které existují ve většině povodí, nepravděpodobný proces.

Pokud je v sedimentech uloženo značné množství organické hmoty, břidlicová hornina může obsahovat organický pevný materiál (kerogen). Vlastnosti a složení břidlice ji řadí do kategorie sedimentárních hornin známých jako mudstones. Břidlice se odlišuje od ostatních mudstones, protože je laminovaná a štěpná – břidlice je složena z mnoha tenkých vrstev a snadno se rozděluje na tenké kousky podél laminací.

Břidlice se skládá hlavně z minerálních zrn velikosti jílu, které jsou obvykle jílovité minerály jako illit, kaolinit a smektit. Břidlice obvykle obsahuje další minerální částice o velikosti jílu, jako je křemen, rohovce a živce. Mezi další složky mohou patřit organické částice, uhličitanové minerály, minerály na bázi oxidu železa, sulfidové minerály a těžká minerální zrna a přítomnost těchto minerálů v břidlicích je dána prostředím, ve kterém byly složky břidlic.

Břidlice pochází ve dvou obecných odrůdách založených na organickém obsahu: (i) tmavá nebo (ii) světlá. Tmavě zbarvené nebo černé břidlicové útvary jsou organicky bohaté, zatímco světlejší břidlicové útvary jsou organické štíhlé. Organicky bohaté břidlicové útvary byly ukládány za podmínek malého nebo žádného obsahu kyslíku ve vodě, což chránilo organický materiál před rozpadem. Organickou hmotou byly většinou rostlinné zbytky, které se nahromadily se sedimentem.

Černé organické břidlicové útvary jsou zdrojem hornin pro mnoho ropných a zemních ložisek na světě. Tyto formace černé břidlice získávají svou černou barvu z drobných částic organické hmoty, které byly uloženy v bahně, ze kterého se břidlice vytvořila. Když bylo bahno pohřbíváno a ohříváno v zemi, byla část organického materiálu přeměněna na ropu a zemní plyn.

Černá barva sedimentárních hornin téměř vždy naznačuje přítomnost organických materiálů. Pouze 1% nebo 2% organických materiálů může propůjčit hornině tmavě šedou nebo černou barvu. Kromě toho tato černá barva téměř vždy naznačuje, že břidlice se vytvořila ze sedimentu uloženého v prostředí s nedostatkem kyslíku. Jakýkoli kyslík, který vstoupil do prostředí, rychle reagoval s rozpadajícími se organickými úlomky. Pokud by bylo přítomno velké množství kyslíku, všechny organické zbytky by se rozpadly. Prostředí chudé na kyslík také poskytuje vhodné podmínky pro tvorbu sulfidových minerálů, jako je pyrit, další důležitý minerál nacházející se ve většině sedimentů nebo formací černé břidlice.

Přítomnost organických nečistot ve formacích černé břidlice je činí kandidáti na výrobu ropy a zemního plynu. Pokud se organický materiál po pohřbu zachová a řádně zahřeje, může dojít k produkci ropy a zemního plynu. Barnettova břidlice, břidlice Marcellus, břidlice Haynesville, břidlice Fayetteville a další horniny produkující plyn jsou tmavě šedé nebo černé břidlicové útvary, které poskytují zemní plyn.

Ropa a zemní plyn migrovaly z břidlice a nahoru hmotou sedimentu kvůli jejich nízké hustotě. Ropa a plyn byly často zachyceny v pórových prostorech nadložní skalní jednotky, jako je pískovcový útvar. Tyto typy ropných a plynových usazenin jsou známé jako konvenční zásobníky, protože kapaliny mohou snadno proudit póry horniny a do těžební studny.

Každá formace břidlic má různé geologické vlastnosti, které ovlivňují způsob výroby plynu, potřebné technologie a ekonomika výroby. Různé části (obecně velkých) ložisek břidlice budou mít také odlišné vlastnosti: malá sladká místa nebo oblasti jádra mohou poskytovat mnohem lepší produkci než zbytek formace, často kvůli přítomnosti přírodních zlomenin, které zvyšují propustnost (Hunter and Young, 1953).

Množství kapalných zemních plynů (NGL – uhlovodíků s vyšší molekulovou hmotností než methan, jako je propan, butan, pentan, hexan, heptan a dokonce i oktan) běžně spojené s výrobou zemního plynu přítomné v plynu se mohou také značně lišit, což má důležité důsledky pro ekonomiku výroby. Zatímco většina her se suchým plynem ve Spojených státech je při současných nízkých cenách zemního plynu pravděpodobně nehospodárná, hry se značným obsahem kapalin lze vyrábět pouze pro hodnotu kapalin (tržní hodnota NGL koreluje spíše s cenami ropy než s plynem) ceny), čímž se plyn stal v podstatě bezplatným vedlejším produktem.

Koncem 90. let 20. století vyvinuly společnosti na vrtání zemního plynu nové metody pro uvolňování ropy a zemního plynu, který je uvězněn v malém prostoru pórů břidlice. Tento objev byl významný, protože odemkl některé z největších ložisek zemního plynu na světě.

Barnettská břidlice v Texasu byla prvním velkým polem zemního plynu vyvinutým ve skále břidlicové nádrže. Výroba plynu z Barnettovy břidlice byla výzva, protože póry v břidlicích jsou tak malé, že plyn má potíže s pohybem přes břidlici a do studny. Vrtáky zjistili, že propustnost břidlice lze zvýšit čerpáním vody dolů ze studny pod tlakem, který byl dostatečně vysoký, aby došlo k rozbití břidlice. Tyto zlomeniny uvolnily část plynu z pórů a umožnily tomuto plynu proudit do vrtu (hydraulické štěpení, hydrofracking).

Horizontální vrtání a hydraulické štěpení způsobily revoluci v technologii vrtání a připravily půdu pro vývoj několika obřích pole zemního plynu. Patří mezi ně břidlice Marcellus v Apalačských pohořích, břidlice Haynesville v Louisianě a břidlice Fayetteville v Arkansasu. V těchto obrovských břidlicových nádržích je dostatek zemního plynu, který bude sloužit všem potřebám Spojených států po dobu nejméně 20 let.

Hydraulické vlastnosti jsou vlastnosti horniny, jako je propustnost a pórovitost, které odrážejí její schopnost zadržovat a přenášet tekutiny, jako je voda, ropa nebo zemní plyn. V tomto ohledu má břidlice velmi malou velikost částic, takže intersticiální prostory jsou velmi malé. Ve skutečnosti jsou tak malé, že ropa, zemní plyn a voda mají potíže s pohybem ve skále. Břidlice proto může sloužit jako vrchní kámen pro pasti na ropu a zemní plyn a je to také vodní tok, který blokuje nebo omezuje tok podzemní vody.

Ačkoli jsou vsunuté prostory v břidlicovém útvaru velmi malé, mohou zabírají značný objem horniny. To umožňuje břidlici zadržet značné množství vody, plynu nebo oleje, ale kvůli nízké propustnosti je nebude moci účinně přenášet. Ropný a plynárenský průmysl překonává tato omezení břidlic pomocí horizontálního vrtání a hydraulického štěpení za účelem vytvoření umělé pórovitosti a propustnosti horniny.

Některé jílové minerály, které se v břidlicích vyskytují, mají schopnost absorbovat nebo adsorbovat velké množství vody, zemního plynu, iontů nebo jiných látek. Tato vlastnost břidlice mu umožňuje selektivně a houževnatě zadržovat nebo volně uvolňovat tekutiny nebo ionty.

Tento zdroj břidlicového plynu lze tedy považovat za technologický zdroj, protože dosažení produkce plynu z jinak neproduktivní horniny vyžaduje technologicky náročné procesy. Maximalizace využití plynu vyžaduje mnohem více vrtů, než by tomu bylo v případě konvenčních operací se zemním plynem. Dále jsou široce používány vodorovné vrty s vodorovnými rameny do délky jedné míle nebo více, aby se v co největší míře dostal k nádrži.

Vícestupňové hydraulické štěpení (viz kapitola 3), kde je břidlice popraskaná vysoké tlaky na několika místech podél vodorovné části vrtu se používají k vytvoření potrubí, kterými může proudit plyn. Mikroseismické zobrazování umožňuje operátorům vizualizovat, kde k tomuto lomu dochází v rezervoáru. Avšak jako zdroj poháněný technologií může být rychlost vývoje břidlicového plynu omezena dostupností požadovaných zdrojů, jako je sladkovodní voda, propast zlomenin nebo vrtné soupravy schopné vrtat studny o délce dvou mil nebo více.