1.2 Skifer

Skiferformationer og siltformationer er de mest rigelige sedimentære klipper i jordskorpen. I petroleumsgeologi er organiske skiferformationer kilde klipper såvel som tætningssten, der fælder olie og gas (Speight, 2014). I reservoirteknik er skiferformationer strømningshindringer. Ved boring støder biten ofte på større skifervolumener end reservoarsand. I seismisk udforskning danner skiferformationer, der grænseflader med andre klipper, ofte gode seismiske reflektorer. Som et resultat er seismiske og petrofysiske egenskaber af skiferformationer og forholdet mellem disse egenskaber vigtige for både efterforskning og reservoirstyring. Skiferformationer er en verdensomspændende forekomst (se kapitel 2).

Skifer er en geologisk klippeformation rig på ler, typisk afledt af fine sedimenter, deponeret i temmelig stille omgivelser i bunden af havene eller søerne og har derefter blevet begravet i løbet af millioner af år. Skiferformationer kan fungere som trykbarrierer i bassiner, som topforseglinger og som reservoirer i skifergas.

Mere teknisk er skifer en fissil, terrigen sedimentær klippe, hvor partikler hovedsagelig har silt og lerstørrelse. (Blatt og Tracy, 2000). I denne definition henviser fissil til skiferens evne til at opdele sig i tynde ark langs sengetøjet, og terrigenous henviser til sedimentets oprindelse. I mange bassiner bliver det vandige systems væsketryk markant forhøjet, hvilket fører til dannelsen af en hydrofraktur, og væskeudluftning. Forekomsten af en naturlig hydrofraktur er imidlertid en usandsynlig proces under de omstændigheder, der findes i de fleste bassiner.

Når en betydelig mængde organisk stof er blevet deponeret med sedimenterne, kan skiferstenen indeholde organisk fast materiale (kerogen). Skiferens egenskaber og sammensætning placerer den i kategorien af sedimentære klipper kendt som muddersten. Skifer skelnes fra andre muddersten, fordi den er lamineret og fissil – skifer består af mange tynde lag og deles let i tynde stykker langs lamineringen.

Skifer består hovedsageligt af mineralkorn i lerstørrelse, som er normalt lermineraler såsom illit, kaolinit og smektit. Skifer indeholder normalt andre minerale partikler af lerstørrelse såsom kvarts, chert og feldspat. Andre bestanddele kan omfatte organiske partikler, carbonatmineraler, jernoxidmineraler, sulfidmineraler og tunge mineralkorn, og tilstedeværelsen af sådanne mineraler i skifer bestemmes af det miljø, hvorunder skiferbestanddelene var.

Skifer kommer i to generelle sorter baseret på organisk indhold: (i) mørk eller (ii) lys. Mørkefarvede eller sorte skiferformationer er organiske, mens de lysere farvede skiferformationer er organiske magre. Organisk-skiferformationer blev deponeret under forhold med lidt eller intet ilt i vandet, hvilket bevarede det organiske materiale mod henfald. Det organiske stof var for det meste planteaffald, der var akkumuleret med sedimentet.

Sorte organiske skiferformationer er kildestenen til mange af verdens olie- og naturgasaflejringer. Disse sorte skiferformationer får deres sorte farve fra små partikler af organisk stof, der blev deponeret med det mudder, hvorfra skifer dannes. Da mudderet blev begravet og opvarmet i jorden, blev noget af det organiske materiale omdannet til olie og naturgas.

En sort farve i sedimentære klipper indikerer næsten altid tilstedeværelsen af organiske materialer. Kun 1% eller 2% af organiske materialer kan give bjerget en mørkegrå eller sort farve. Derudover indebærer denne sorte farve næsten altid, at skifer dannet af sediment afsat i et iltmangel miljø. Ethvert ilt, der kom ind i miljøet, reagerede hurtigt med det rådnende organiske affald. Hvis der var en stor mængde ilt til stede, ville det organiske affald alle være henfaldet. Et iltfattigt miljø giver også de rette betingelser for dannelsen af sulfidmineraler såsom pyrit, et andet vigtigt mineral, der findes i de fleste sorte skifer sedimenter eller formationer.

Tilstedeværelsen af organisk affald i sorte skiferformationer gør dem kandidaterne til produktion af olie og gas. Hvis det organiske materiale bevares og opvarmes ordentligt efter nedgravningen, kan der produceres olie og naturgas. Barnett-skifer, Marcellus-skifer, Haynesville-skifer, Fayetteville-skifer og andre gasproducerende klipper er alle mørkegrå eller sorte skiferformationer, der giver naturgas.

Olien og naturgassen vandrede ud af skifer og opad gennem sedimentmassen på grund af deres lave tæthed. Olien og gassen blev ofte fanget i porerne i en overliggende klippeenhed, såsom en sandstenformation. Disse typer olie- og gasaflejringer er kendt som konventionelle reservoirer, fordi væskerne let kan strømme gennem stenens porer og ind i ekstraktionsbrønden.

Hver skiferformation har forskellige geologiske egenskaber, der påvirker den måde, gas kan produceres på, de nødvendige teknologier og produktionsøkonomien. Forskellige dele af (generelt store) skiferaflejringer vil også have forskellige karakteristika: små søde pletter eller kerneområder kan give meget bedre produktion end resten af formationen, ofte på grund af tilstedeværelsen af naturlige brud, der forbedrer permeabiliteten (Hunter og Young, 1953).

Mængden af naturgasvæsker (NGL’er – carbonhydrider med en højere molekylvægt end methan, såsom propan, butan, pentan, hexan, heptan og endog octan), der almindeligvis er forbundet med produktion af naturgas. til stede i gassen kan også variere betydeligt med vigtige konsekvenser for produktionsøkonomien. Mens de fleste tørgasspil i USA sandsynligvis er uøkonomiske ved de nuværende lave naturgaspriser, kan leg med betydeligt væskeindhold kun produceres for væskernes værdi (markedsværdien af NGL’er er korreleret med oliepriserne snarere end gas priser), hvilket gør gas til et i det væsentlige frit biprodukt.

I slutningen af 1990’erne udviklede naturgasboringsselskaber nye metoder til frigørelse af olie og naturgas, der er fanget i skiferens små porerum. Denne opdagelse var vigtig, fordi den låste nogle af de største naturgasforekomster i verden op.

Barnett-skifer i Texas var det første store naturgasfelt, der blev udviklet i en skiferreservoirsten. At producere gas fra Barnett-skifer var en udfordring, fordi porerne i skifer er så små, at gassen har svært ved at bevæge sig gennem skifer og ind i brønden. Boremaskiner opdagede, at skiferens permeabilitet kunne øges ved at pumpe vand ned i brønden under pres, der var højt nok til at briste skifer. Disse brud frigjorde noget af gassen fra porerummet og tillod, at gas strømmer til brønden (hydraulisk frakturering, hydrofracking).

Vandret boring og hydraulisk frakturering revolutionerede boreteknologien og banede vejen for at udvikle flere giganter naturgasfelter. Disse inkluderer Marcellus-skifer i Appalachians, Haynesville-skifer i Louisiana og Fayetteville-skifer i Arkansas. Disse enorme skiferreservoirer har tilstrækkelig naturgas til at tjene alle USAs behov i 20 år eller mere.

Hydrauliske egenskaber er egenskaber ved en klippe som permeabilitet og porøsitet, der afspejler dens evne til at holde og transmittere væsker såsom vand, olie eller naturgas. I denne henseende har skifer en meget lille partikelstørrelse, så de mellemliggende mellemrum er meget små. De er faktisk så små, at olie, naturgas og vand har svært ved at bevæge sig gennem klippen. Skifer kan derfor tjene som en klippehul til olie- og naturgasfælder, og det er også et vandområde, der blokerer eller begrænser strømmen af underjordisk vand.

Selvom de mellemliggende mellemrum i en skiferformation er meget små, kan de optage et betydeligt volumen af klippen. Dette gør det muligt for skifer at holde betydelige mængder vand, gas eller olie, men ikke være i stand til effektivt at overføre dem på grund af den lave permeabilitet. Olie- og gasindustrien overvinder disse begrænsninger af skifer ved at bruge vandret boring og hydraulisk frakturering for at skabe kunstig porøsitet og permeabilitet i klippen.

Nogle af de lermineraler, der forekommer i skifer, har evnen til at absorbere eller adsorbere store mængder vand, naturgas, ioner eller andre stoffer. Denne egenskab ved skifer kan sætte den i stand til selektivt og ihærdigt at holde eller frit frigive væsker eller ioner.

Således kan denne skifergasressource betragtes som en teknologidrevet ressource, da det kræver gasproduktion ud af ellers uproduktiv sten. teknologikrævende processer. Maksimering af gasgenvinding kræver langt flere brønde, end det ville være tilfældet i konventionelle naturgasoperationer. Desuden bruges vandrette brønde med vandrette ben på op til en kilometer eller mere i vid udstrækning for at få adgang til reservoiret i størst mulig grad.

Flertrins hydraulisk frakturering (se kapitel 3), hvor skifer er revnet under høje tryk flere steder langs den vandrette sektion af brønden, bruges til at skabe ledninger, gennem hvilke gas kan strømme. Mikroseismisk billeddannelse giver operatører mulighed for at visualisere, hvor denne brudvækst forekommer i reservoiret. Som en teknologidrevet ressource kan udviklingshastigheden for skifergas dog blive begrænset af tilgængeligheden af krævede ressourcer, såsom ferskvand, sprængstof eller borerigge, der er i stand til at bore brønde to miles eller mere i længden.