1.2 Scisto
Le formazioni di scisto e le formazioni di limo sono le rocce sedimentarie più abbondanti nella crosta terrestre. Nella geologia del petrolio, le formazioni di scisto organico sono rocce madri e rocce di foca che intrappolano petrolio e gas (Speight, 2014). Nell’ingegneria dei giacimenti, le formazioni di scisto sono barriere al flusso. Nella perforazione, la punta incontra spesso volumi di scisto maggiori rispetto alle sabbie del giacimento. Nell’esplorazione sismica, le formazioni di scisto che si interfacciano con altre rocce spesso formano buoni riflettori sismici. Di conseguenza, le proprietà sismiche e petrofisiche delle formazioni di scisto e le relazioni tra queste proprietà sono importanti sia per l’esplorazione che per la gestione del giacimento. Le formazioni di scisto sono presenti in tutto il mondo (vedi Capitolo 2).
Lo scisto è una formazione rocciosa geologica ricca di argilla, tipicamente derivata da sedimenti fini, depositati in ambienti abbastanza tranquilli sul fondo di mari o laghi, avendo poi sono stati sepolti nel corso di milioni di anni. Le formazioni di scisto possono fungere da barriere di pressione nei bacini, da guarnizioni superiori e da serbatoi nei giochi di gas di scisto.
Più tecnicamente, lo scisto è una roccia sedimentaria terrigena fissile in cui le particelle sono per lo più di dimensioni limo e argilla (Blatt e Tracy, 2000). In questa definizione, fissile si riferisce alla capacità dello scisto di scindersi in fogli sottili lungo la lettiera e terrigeno si riferisce all’origine del sedimento. In molti bacini, la pressione del fluido del sistema acquoso diventa significativamente elevata, portando alla formazione di un’idrofrattura e allo spurgo del fluido. Tuttavia, il verificarsi di un’idrofrattura naturale è un processo improbabile nelle circostanze che esistono nella maggior parte dei bacini.
Quando una quantità significativa di materia organica è stata depositata nei sedimenti, la roccia di scisto può contenere materiale solido organico (cherogeno). Le proprietà e la composizione dello scisto lo collocano nella categoria delle rocce sedimentarie note come mudstones. Lo scisto si distingue dalle altre pietre fangose perché è laminato e fissile: lo scisto è composto da molti strati sottili e si divide facilmente in pezzi sottili lungo le lamine.
Lo scisto è composto principalmente da grani minerali delle dimensioni di argilla, che sono generalmente minerali argillosi come illite, caolinite e smectite. Lo scisto di solito contiene altre particelle minerali delle dimensioni di argilla come quarzo, selce e feldspato. Altri componenti potrebbero includere particelle organiche, minerali di carbonato, minerali di ossido di ferro, minerali di solfuro e grani di minerali pesanti e la presenza di tali minerali nello scisto è determinata dall’ambiente in cui si trovavano i costituenti dello scisto.
in due varietà generali basate sul contenuto organico: (i) scuro o (ii) chiaro. Le formazioni di scisto di colore scuro o nero sono ricche di sostanze organiche, mentre le formazioni di scisto di colore più chiaro sono magre organiche. Formazioni di scisto ricche di organico sono state depositate in condizioni di scarsa o nulla ossigeno nell’acqua, che ha preservato il materiale organico dalla decomposizione. La materia organica era costituita principalmente da detriti vegetali che si erano accumulati con il sedimento.
Le formazioni di scisto organico nero sono la roccia madre di molti dei giacimenti di petrolio e gas naturale del mondo. Queste formazioni di scisto nero ottengono il loro colore nero da minuscole particelle di materia organica che si sono depositate con il fango da cui si è formato lo scisto. Quando il fango veniva seppellito e riscaldato all’interno della terra, parte del materiale organico veniva trasformato in petrolio e gas naturale.
Un colore nero nelle rocce sedimentarie indica quasi sempre la presenza di materiali organici. Solo l’1% o il 2% dei materiali organici può conferire un colore grigio scuro o nero alla roccia. Inoltre, questo colore nero implica quasi sempre che lo scisto si sia formato da sedimenti depositati in un ambiente carente di ossigeno. Qualsiasi ossigeno entrato nell’ambiente ha reagito rapidamente con i detriti organici in decomposizione. Se fosse presente una grande quantità di ossigeno, i detriti organici sarebbero tutti decaduti. Un ambiente povero di ossigeno fornisce anche le condizioni adeguate per la formazione di minerali di solfuro come la pirite, un altro minerale importante che si trova nella maggior parte dei sedimenti o formazioni di scisto nero.
La presenza di detriti organici nelle formazioni di scisto nero li rende i candidati per la produzione di petrolio e gas. Se il materiale organico viene conservato e adeguatamente riscaldato dopo la sepoltura, potrebbero essere prodotti petrolio e gas naturale. Lo scisto di Barnett, lo scisto di Marcellus, lo scisto di Haynesville, lo scisto di Fayetteville e altre rocce produttrici di gas sono tutte formazioni di scisto grigio scuro o nero che producono gas naturale.
Il petrolio e il gas naturale sono migrati dallo scisto e verso l’alto attraverso la massa del sedimento a causa della loro bassa densità. Il petrolio e il gas erano spesso intrappolati all’interno degli spazi dei pori di un’unità rocciosa sovrastante come una formazione di arenaria. Questi tipi di depositi di petrolio e gas sono noti come serbatoi convenzionali perché i fluidi possono facilmente fluire attraverso i pori della roccia e nel pozzo di estrazione.
Le formazioni di scisto sono onnipresenti nei bacini sedimentari: in genere formano circa l’80% di ciò che un pozzo perforerà. Di conseguenza, le principali formazioni di scisto ricche di sostanze organiche sono già state identificate nella maggior parte delle regioni del mondo. La loro profondità varia da vicino alla superficie a diverse migliaia di piedi sottoterra, mentre il loro spessore varia da decine di piedi a diverse centinaia di piedi. Spesso si sa abbastanza della storia geologica (Tabella 1.2) per dedurre quali formazioni di scisto potrebbero contenere gas (o petrolio, o una miscela di entrambi). In questo senso potrebbe sembrare che non vi sia alcuna reale necessità di un grande sforzo di esplorazione e di una spesa richiesta per il gas di scisto. Tuttavia, la quantità di gas presente e in particolare la quantità di gas che può essere recuperata tecnicamente ed economicamente non può essere conosciuta finché un certo numero di pozzi non è stato perforato e testato.
Tabella 1.2. La scala temporale geologica
| Era | Periodo | Epoch | Durata approssimativa (milioni di anni) | Numero approssimativo di anni fa (milioni di anni) |
|---|---|---|---|---|
| Cenozoico | Quaternario | Olocene | 10.000 anni fa ad oggi | |
| Pleistocene | 2 | 0,01 | ||
| Terziario | Pliocene | 11 | 2 | |
| Miocene | 12 | 13 | ||
| Oligocene | 11 | 25 | ||
| Eocene | 22 | 36 | ||
| Paleocene | 71 | 58 | ||
| Mesozoico | Cretaceo | 71 | 65 | |
| Giurassico | 54 | 136 | ||
| Triassico | 35 | 190 | ||
| Paleozoico | Permiano | 55 | 225 | |
| Carbonifero | 65 | 280 | ||
| Devoniano | 60 | 345 | ||
| Siluriano | 20 | 405 | ||
| Ordoviciano | 75 | 425 | ||
| Cambriano | 100 | 500 | ||
| Pre-Cambriano | 3380 | 600 |
Ogni formazione di scisto ha caratteristiche geologiche differenti che influenzano il modo in cui il gas può essere prodotto, le tecnologie necessarie e l’economia di produzione. Diverse parti dei depositi di scisto (generalmente grandi) avranno anche caratteristiche diverse: piccoli punti dolci o aree centrali possono fornire una produzione molto migliore rispetto al resto della formazione, spesso a causa della presenza di fratture naturali che aumentano la permeabilità (Hunter e Young, 1953).
La quantità di liquidi di gas naturale (NGL, idrocarburi con un peso molecolare più elevato del metano, come propano, butano, pentano, esano, eptano e persino ottano) comunemente associati alla produzione di gas naturale presente nel gas può anche variare notevolmente, con importanti implicazioni per l’economia di produzione. Mentre la maggior parte dei giochi di gas secco negli Stati Uniti sono probabilmente antieconomici agli attuali bassi prezzi del gas naturale, possono essere prodotti giochi con un contenuto liquido significativo solo per il valore dei liquidi (il valore di mercato degli NGL è correlato ai prezzi del petrolio, piuttosto che del gas prezzi), rendendo il gas un sottoprodotto essenzialmente gratuito.
Alla fine degli anni ’90, le società di perforazione del gas naturale hanno sviluppato nuovi metodi per liberare petrolio e gas naturale intrappolati nei minuscoli spazi interstiziali dello scisto. Questa scoperta è stata significativa perché ha sbloccato alcuni dei più grandi giacimenti di gas naturale del mondo.
Lo scisto Barnett del Texas è stato il primo grande giacimento di gas naturale sviluppato in una roccia serbatoio di scisto. La produzione di gas dallo scisto di Barnett è stata una sfida perché gli spazi dei pori nello scisto sono così piccoli che il gas ha difficoltà a spostarsi attraverso lo scisto e nel pozzo. I perforatori hanno scoperto che la permeabilità dello scisto potrebbe essere aumentata pompando acqua nel pozzo sotto una pressione sufficientemente alta da rompere lo scisto. Queste fratture hanno liberato parte del gas dagli spazi dei pori e hanno permesso a quel gas di fluire nel pozzo (fratturazione idraulica, hydrofracking).
La perforazione orizzontale e la fratturazione idraulica hanno rivoluzionato la tecnologia di perforazione e hanno aperto la strada allo sviluppo di diversi giganti giacimenti di gas naturale. Questi includono lo scisto di Marcellus negli Appalachi, lo scisto di Haynesville in Louisiana e lo scisto di Fayetteville in Arkansas. Questi enormi giacimenti di scisto contengono abbastanza gas naturale per soddisfare tutte le esigenze degli Stati Uniti per 20 anni o più.
Le proprietà idrauliche sono caratteristiche di una roccia come la permeabilità e la porosità che riflettono la sua capacità di trattenere e trasmettere fluidi come acqua, petrolio o gas naturale. A questo proposito, lo scisto ha una dimensione delle particelle molto piccola, quindi gli spazi interstiziali sono molto piccoli. In effetti sono così piccoli che petrolio, gas naturale e acqua hanno difficoltà a muoversi attraverso la roccia. Lo scisto può quindi fungere da roccia di copertura per trappole di petrolio e gas naturale ed è anche un acquiclude che blocca o limita il flusso di acqua sotterranea.
Sebbene gli spazi interstiziali in una formazione di scisto siano molto piccoli, possono occupare un volume significativo della roccia. Ciò consente allo scisto di trattenere quantità significative di acqua, gas o petrolio ma non essere in grado di trasmetterli efficacemente a causa della bassa permeabilità. L’industria petrolifera e del gas supera questi limiti dello scisto utilizzando la perforazione orizzontale e la fratturazione idraulica per creare porosità e permeabilità artificiali all’interno della roccia.
Alcuni dei minerali argillosi presenti nello scisto hanno la capacità di assorbire o adsorbire grandi quantità di acqua, gas naturale, ioni o altre sostanze. Questa proprietà dello scisto può consentirgli di trattenere in modo selettivo e tenace o di rilasciare liberamente fluidi o ioni.
Pertanto, questa risorsa di gas di scisto può essere considerata una risorsa guidata dalla tecnologia poiché il raggiungimento della produzione di gas da roccia altrimenti improduttiva richiede processi ad alta intensità tecnologica. Massimizzare il recupero del gas richiede molti più pozzi di quanto sarebbe il caso nelle operazioni convenzionali di gas naturale. Inoltre, i pozzi orizzontali con gambe orizzontali lunghe fino a un miglio o più sono ampiamente utilizzati per accedere al giacimento nella massima misura possibile.
Fratturazione idraulica multistadio (vedere il Capitolo 3), dove lo scisto è fessurato alte pressioni in più punti lungo la sezione orizzontale del pozzo, vengono utilizzate per creare condotti attraverso i quali il gas può fluire. L’imaging microsismico consente agli operatori di visualizzare dove si sta verificando la crescita della frattura nel serbatoio. Tuttavia, in quanto risorsa basata sulla tecnologia, il tasso di sviluppo del gas di scisto può essere limitato dalla disponibilità delle risorse richieste, come acqua dolce, materiale di sostegno per fratture o impianti di perforazione in grado di perforare pozzi di due miglia o più di lunghezza.
