1.2 Liuskekivi

Liuskekivimuodostelmat ja lietemuodostelmat ovat maankuoren yleisimpiä sedimenttikiviä. Öljygeologiassa orgaaniset liuskekivimuodostelmat ovat sekä lähde- että hylkykiviä, jotka vangitsevat öljyä ja kaasua (Speight, 2014). Säiliötekniikassa liuskekivimuodostumat ovat virtauksen esteitä. Porattaessa terä kohtaa usein suurempia liuskekiveä kuin säiliöhiekka. Seismisessä etsinnässä muiden kivien kanssa vuorovaikutuksessa olevat liuskekivi muodostavat usein hyvät seismiset heijastimet. Tämän seurauksena liuskekivimuodostumien seismiset ja petrofysikaaliset ominaisuudet ja näiden ominaisuuksien väliset suhteet ovat tärkeitä sekä etsinnän että säiliöiden hoidon kannalta. Liuskekivimuodostumat ovat maailmanlaajuisesti esiintyviä (ks. Luku 2).

Liuskekivi on geologinen kalliomuodostus, joka sisältää runsaasti savea, tyypillisesti hienoista sedimenteistä ja joka on talletettu melko hiljaiseen ympäristöön merien tai järvien pohjalle, sen jälkeen on haudattu miljoonien vuosien aikana. Liuskekivimuodostumat voivat toimia paineesteinä altaissa, ylätiivisteinä ja liuskekaasun säiliöinä.

Teknisesti laskettuna liuskekivi on halkeamiskykyinen, terrigeeninen sedimenttikivi, jossa hiukkaset ovat pääosin lietettä ja savikokoja (Blatt ja Tracy, 2000). Tässä määritelmässä fissioituva viittaa liuskekyvyn kykyyn hajota ohuiksi arkeiksi kerroksen varrella ja terrigeeninen viittaa sedimentin alkuperään. Monissa altaissa vesipitoisen järjestelmän nestepaine nousee merkittävästi, mikä johtaa hydrofraktuurin muodostumiseen ja nesteen vuotamiseen. Luonnollisen hydrofraktuurin esiintyminen on kuitenkin epätodennäköistä useimmissa altaissa vallitsevissa olosuhteissa.

Kun sedimenttien mukana on kerrostunut merkittävä määrä orgaanista ainetta, liuskekivi voi sisältää orgaanista kiinteää ainetta (kerogeeni). Savikiven ominaisuudet ja koostumus sijoittavat sen sedimenttikivien luokkaan, joka tunnetaan mudakivinä. Liuskekivi erotetaan muista mutakivistä, koska se on laminoitu ja halkeamiskykyinen – liuskekivi koostuu monista ohuista kerroksista ja hajoaa helposti ohuiksi paloiksi pitkin laminaatteja.

Liuskekivi koostuu pääasiassa savikokoisista mineraalirakeista, ovat yleensä savimineraaleja, kuten illiitti, kaoliniitti ja smektiitti. Liuske sisältää yleensä muita savikokoisia mineraalipartikkeleita, kuten kvartsi, chert ja maasälpä. Muita aineosia voivat olla orgaaniset hiukkaset, karbonaattimineraalit, rautaoksidimineraalit, sulfidimineraalit ja raskaat mineraalijyvät, ja näiden mineraalien läsnäolo liuskekivessä määräytyy sen ympäristön mukaan, missä liuskekiven ainesosat olivat.

Liuske tulee kahdessa yleisessä lajikkeessa orgaanisen sisällön perusteella: (i) tumma tai (ii) vaalea. Tummanväriset tai mustat liuskekivimuodostelmat ovat orgaanisesti rikkaita, kun taas vaaleammat liuskekivimuodostelmat ovat orgaanisia. Orgaanisesti rikkaat liuskekivimuodostumat kerrostettiin olosuhteissa, joissa happea oli vähän tai ei ollenkaan, veteen, mikä säilytti orgaanisen materiaalin hajoamisesta. Orgaaninen aine oli enimmäkseen sedimentin mukana kertynyttä kasvijätettä.

Mustat orgaaniset liuskekivimuodostelmat ovat lähtöaine monille maailman öljy- ja maakaasuesiintymille. Nämä mustat liuskekivimuodostumat saavat mustan värinsä pienistä orgaanisen aineen hiukkasista, jotka saostuivat mutaan, josta liuskekivi muodostui. Kun muta haudattiin ja lämmitettiin maan sisälle, osa orgaanisesta materiaalista muuttui öljyksi ja maakaasuksi.

Sedimenttikivien musta väri osoittaa melkein aina orgaanisten materiaalien läsnäolon. Vain 1 tai 2% orgaanisista materiaaleista voi antaa kalliolle tummanharmaan tai mustan värin. Lisäksi tämä musta väri merkitsee melkein aina sitä, että liuske muodostuu sedimentistä, joka on talletettu happipulaiseen ympäristöön. Kaikki ympäristöön joutunut happi reagoi nopeasti hajoavien orgaanisten jätteiden kanssa. Jos läsnä olisi suuri määrä happea, kaikki orgaaniset jätteet olisivat hajonneet. Happihappoinen ympäristö tarjoaa myös asianmukaiset olosuhteet sulfidimineraalien, kuten pyriitin, muodostumiselle, joka on toinen tärkeä mineraali, jota esiintyy useimmissa mustan liuskekiven sedimenteissä tai muodostelmissa.

Orgaanisten jätteiden esiintyminen mustan liuskeen muodostumissa tekee niistä ehdokkaita öljyn ja kaasun tuotantoon. Jos orgaaninen materiaali säilytetään ja lämmitetään asianmukaisesti hautaamisen jälkeen, öljyä ja maakaasua saattaa syntyä. Barnettin liuskekivi, Marcelluksen liuskekivi, Haynesvillen liuskekivi, Fayettevillen liuskekivi ja muut kaasua tuottavat kivet ovat kaikki tummanharmaita tai mustia liuskekivimuodostelmia, joista saadaan maakaasua.

Öljy ja maakaasu siirtyivät liuskekivestä ja ylöspäin. sedimenttimassan läpi niiden pienen tiheyden vuoksi. Öljy ja kaasu jäivät usein loukkuun päällekkäisen kallioyksikön, kuten hiekkakivimuodostelman, huokostiloihin. Tämäntyyppiset öljy- ja kaasukertymät tunnetaan tavanomaisina säiliöinä, koska nesteet voivat helposti virrata kalliohuokosten läpi uuttokaivoon.

Jokaisella liuskekivimuodostelmalla on erilaiset geologiset ominaisuudet, jotka vaikuttavat kaasun tuotantotapa, tarvittavat tekniikat ja tuotannon taloudellisuus. (Yleensä suurten) liuskekerrostumien eri osilla on myös erilaiset ominaisuudet: pienet makeat täplät tai ydinalueet voivat tuottaa paljon parempaa tuotantoa kuin loput muodostumisesta, usein läpäisevyyttä parantavien luonnollisten murtumien takia (Hunter and Young, 1953).

Maakaasun tuotantoon yleisesti liittyvien maakaasunesteiden (NGL – hiilivedyt, joilla on suurempi molekyylipaino kuin metaani, kuten propaani, butaani, pentaani, heksaani, heptaani ja jopa oktaani) määrä Kaasun läsnäolo voi myös vaihdella huomattavasti, mikä vaikuttaa merkittävästi tuotannon talouteen. Vaikka suurin osa kuivakaasunäytteistä Yhdysvalloissa on todennäköisesti epätaloudellista nykyisillä matalilla maakaasun hinnoilla, merkittävän nestepitoisuuden omaavia näytelmiä voidaan tuottaa vain nesteiden arvoa varten (NGL: ien markkina-arvo korreloi öljyn, ei kaasun, hintojen kanssa. hinnat), mikä tekee kaasusta käytännössä ilmaisen sivutuotteen.

1990-luvun lopulla maakaasun porausyritykset kehittivät uusia menetelmiä öljyn ja maakaasun vapauttamiseksi, joka on loukussa liuskekiven pienissä huokostiloissa. Tämä löytö oli merkittävä, koska se avasi eräitä maailman suurimmista maakaasuvarastoista.

Teksasin Barnettin liuskekivi oli ensimmäinen merkittävä maakaasukenttä, joka kehitettiin liuskekivisäiliössä. Kaasun tuottaminen Barnettin liuskekivestä oli haaste, koska liuskekiven huokoset ovat niin pieniä, että kaasulla on vaikeuksia liikkua liuskekiven läpi ja kaivoon. Poraajat havaitsivat, että liuskekiven läpäisevyyttä voitaisiin lisätä pumppaamalla vettä alas kaivosta paineen alaisena, joka oli riittävän korkea murtamaan liuskekiveä. Nämä murtumat vapauttivat osan kaasusta huokostiloista ja antoivat kaasun virrata kaivoon (hydraulinen murtaminen, hydrokrakkaus).

Vaakasuora poraus ja hydraulinen murtaminen mullistivat poraustekniikan ja tasoittivat tietä useiden jättiläisten kehittämiselle maakaasukentät. Näihin kuuluvat Marcelluksen liuskekivi Appalakkien alueella, Haynesvillen liuskekivi Louisianassa ja Fayettevillen liuskekivi Arkansasissa. Näissä valtavissa liuskekivisäiliöissä on tarpeeksi maakaasua palvelemaan Yhdysvaltojen kaikkia tarpeita vähintään 20 vuoden ajan.

Hydrauliset ominaisuudet ovat kiven ominaisuuksia, kuten läpäisevyys ja huokoisuus, jotka heijastavat sen kykyä pitää kiinni ja välittää nesteitä, kuten vettä, öljyä tai maakaasua. Tässä suhteessa liuskekivellä on hyvin pieni hiukkaskoko, joten välitilat ovat hyvin pieniä. Itse asiassa ne ovat niin pieniä, että öljyllä, maakaasulla ja vedellä on vaikeuksia liikkua kiven läpi. Tämän vuoksi liuskekivi voi toimia öljy- ja maakaasunloukkujen korkikivinä, ja se on myös vesiliukumäki, joka estää tai rajoittaa maanalaisen veden virtausta.

Vaikka liuskekivimuodostelman välitilat ovat hyvin pieniä, ne voivat vievät merkittävän määrän kiveä. Tämän avulla liuske voi pitää sisällään merkittäviä määriä vettä, kaasua tai öljyä, mutta ei pysty siirtämään niitä tehokkaasti matalan läpäisevyyden vuoksi. Öljy- ja kaasuteollisuus voittaa nämä liuskekivirajoitukset käyttämällä vaakaporausta ja hydraulista murtamista keinotekoisen huokoisuuden ja läpäisevyyden aikaansaamiseksi kiven sisällä.

Jotkut liuskekivessä esiintyvistä savimineraaleista pystyvät absorboimaan tai adsorboitumaan. suuria määriä vettä, maakaasua, ioneja tai muita aineita. Tämän liuskeominaisuuden avulla se voi valikoivasti ja sitkeästi pitää nesteitä tai ioneja vapaana tai vapauttaa niitä vapaasti.

Siksi tätä liuskekaasuresurssia voidaan pitää teknologiavetoisena resurssina, koska kaasuntuotannon saavuttaminen muuten tuottamattomasta kivestä edellyttää teknologiaintensiiviset prosessit. Kaasun talteenoton maksimointi vaatii paljon enemmän kaivoja kuin tavanomaisessa maakaasutoiminnassa. Lisäksi vaakasuoria kaivoja, joissa on vaakasuorat jalat, joiden pituus on enintään yksi mailin tai enemmän, käytetään laajasti pääsemään säiliöön mahdollisimman suuressa määrin.

Monivaiheinen hydraulinen murtaminen (katso luku 3), jossa liuske on halkeiltu suuria paineita useissa paikoissa kaivon vaakasuorassa osassa käytetään putkien luomiseen, joiden läpi kaasu voi virrata. Mikroseismisen kuvantamisen avulla käyttäjät voivat visualisoida, missä tämä murtumakasvu tapahtuu säiliössä. Teknologialähtöisenä resurssina liuskekaasun kehitysnopeutta voi kuitenkin rajoittaa vaadittujen resurssien, kuten makean veden, murtumien tai porauslauttojen, jotka pystyvät poraamaan kaivoja vähintään kaksi mailia, saatavuus.