1.2 Skifer

Skiferformasjoner og siltformasjoner er de mest forekommende sedimentære bergarter i jordskorpen. I petroleumsgeologi er organiske skiferformasjoner kildebergarter så vel som tetningsbergarter som fanger opp olje og gass (Speight, 2014). I reservoarteknikk er skiferformasjoner strømningsbarrierer. Ved boring møter borekronen ofte større skifervolum enn reservoarsand. I seismisk leting danner skiferformasjoner som grensesnitt med andre bergarter ofte gode seismiske reflektorer. Som et resultat er seismiske og petrofysiske egenskaper til skiferformasjoner og forholdet mellom disse egenskapene viktige for både leting og reservoarhåndtering. Skiferformasjoner er en verdensomspennende forekomst (se kapittel 2).

Skifer er en geologisk bergformasjon rik på leire, vanligvis avledet fra fine sedimenter, avsatt i ganske stille omgivelser på bunnen av havet eller innsjøene, og har deretter blitt begravet i løpet av millioner av år. Skiferformasjoner kan tjene som trykkbarrierer i bassenger, som toppforseglinger og som reservoarer i skifergass.

Mer teknisk er skifer en fissil, terrigen sedimentær stein der partikler hovedsakelig er av silt og leire. (Blatt og Tracy, 2000). I denne definisjonen refererer fissil til skiferens evne til å splitte seg i tynne ark langs sengetøyet, og terrigen refererer til opprinnelsen til sedimentet. I mange kummer blir væsketrykket i det vandige systemet betydelig forhøyet, noe som fører til dannelse av en hydrofraktur, og væskeavlufting. Imidlertid er forekomsten av en naturlig hydrofraktur en usannsynlig prosess under de omstendighetene som finnes i de fleste bassengene.

Når en betydelig mengde organisk materiale har blitt avsatt i sedimentene, kan skiferbergarten inneholde organisk fast materiale (kerogen). Egenskaper og sammensetning av skifer plasserer den i kategorien sedimentære bergarter kjent som gjørmesteiner. Skifer skiller seg ut fra andre gjørmesteiner fordi den er laminert og spaltbar – skifer består av mange tynne lag og deler seg lett i tynne biter langs lamineringene.

Skifer består hovedsakelig av mineralkorn i leirestørrelse, som er vanligvis leire mineraler som illitt, kaolinitt og smektitt. Skifer inneholder vanligvis andre mineralpartikler i leirestørrelse som kvarts, chert og feltspat. Andre bestanddeler kan omfatte organiske partikler, karbonatmineraler, jernoksidmineraler, sulfidmineraler og tunge mineralkorn, og tilstedeværelsen av slike mineraler i skifer bestemmes av miljøet som skiferbestanddelene var under.

Skifer kommer i to generelle varianter basert på organisk innhold: (i) mørk eller (ii) lys. Mørkfargede eller svarte skiferformasjoner er organiske, mens de lysere fargede skiferformasjonene er organiske mager. Organisk rike skiferformasjoner ble avsatt under forhold med lite eller ingen oksygen i vannet, noe som bevarte det organiske materialet fra forfall. Det organiske materialet var for det meste planteavfall som hadde akkumulert seg med sedimentet.

Svarte organiske skiferformasjoner er kildesteinen for mange av olje- og naturgassforekomster i verden. Disse svartskiferformasjonene får sin svarte farge fra små partikler av organisk materiale som ble avsatt med gjørmen som skiferen dannet seg fra. Når gjørmen ble begravd og varmet opp i jorden, ble noe av det organiske materialet forvandlet til olje og naturgass.

En svart farge i sedimentære bergarter indikerer nesten alltid tilstedeværelsen av organiske materialer. Bare 1% eller 2% av organiske materialer kan gi en mørk grå eller svart farge til fjellet. I tillegg innebærer denne svarte fargen nesten alltid at skifer dannet av sediment avsatt i et oksygenmangel. Alt oksygen som kom inn i miljøet reagerte raskt med råtnende organisk rusk. Hvis en stor mengde oksygen var til stede, ville det organiske avfallet forråtnet. Et oksygenfattig miljø gir også de rette forholdene for dannelse av sulfidmineraler som pyritt, et annet viktig mineral som finnes i de fleste sorte skifersedimenter eller formasjoner.

Tilstedeværelsen av organisk rusk i sorte skiferformasjoner gjør dem kandidatene for produksjon av olje og gass. Hvis det organiske materialet blir bevart og oppvarmet riktig etter begravelsen, kan det produseres olje og naturgass. Barnett-skifer, Marcellus-skifer, Haynesville-skifer, Fayetteville-skifer og andre gassproduserende bergarter er alle mørkegrå eller svarte skiferformasjoner som gir naturgass.

Oljen og naturgassen vandret ut av skifer og oppover gjennom sedimentmassen på grunn av deres lave tetthet. Oljen og gassen ble ofte fanget i porerommene til en overliggende bergartenhet, for eksempel en sandsteinformasjon. Disse typer olje- og gassforekomster er kjent som konvensjonelle reservoarer fordi væskene enkelt kan strømme gjennom porene i fjellet og inn i ekstraksjonsbrønnen.

Hver skiferformasjon har forskjellige geologiske egenskaper som påvirker måten gass kan produseres på, teknologiene som trengs og økonomien i produksjonen. Ulike deler av (generelt store) skiferavsetninger vil også ha forskjellige egenskaper: små søte flekker eller kjerneområder kan gi mye bedre produksjon enn resten av formasjonen, ofte på grunn av tilstedeværelsen av naturlige brudd som forbedrer permeabiliteten (Hunter og Young, 1953).

Mengden naturgassvæsker (NGLer – hydrokarboner med høyere molekylvekt enn metan, slik som propan, butan, pentan, heksan, heptan og til og med oktan) som ofte er assosiert med produksjon av naturgass. til stede i gassen kan også variere betydelig, med viktige implikasjoner for økonomien i produksjonen. Mens de fleste tørrgasslekene i USA sannsynligvis er uøkonomiske til de nåværende lave naturgassprisene, kan spill med betydelig væskeinnhold produseres kun for væskens verdi (markedsverdien av NGL er korrelert med oljeprisen, snarere enn gass priser), noe som gjør gass til et i hovedsak gratis biprodukt.

På slutten av 1990-tallet utviklet boreselskaper for naturgass nye metoder for å frigjøre olje og naturgass som er fanget i de små porerommene på skifer. Denne oppdagelsen var viktig fordi den låste opp noen av de største naturgassforekomster i verden.

Barnett-skiferen i Texas var det første store naturgassfeltet som ble utviklet i en skiferreservoarbergart. Å produsere gass fra Barnett-skifer var en utfordring fordi porene i skifer er så små at gassen har vanskeligheter med å bevege seg gjennom skifer og inn i brønnen. Borere oppdaget at skiferens permeabilitet kunne økes ved å pumpe vann ned i brønnen under trykk som var høyt nok til å ødelegge skifer. Disse bruddene frigjorde noe av gassen fra porerommene og lot gassen strømme til brønnen (hydraulisk brudd, hydrofracking).

Horisontal boring og hydraulisk fraktur revolusjonerte boreteknologien og banet vei for å utvikle flere gigantiske naturgassfelt. Disse inkluderer Marcellus-skiferen i Appalachians, Haynesville-skiferen i Louisiana og Fayetteville-skiferen i Arkansas. Disse enorme skiferreservoarene har nok naturgass til å betjene alle USAs behov i 20 år eller mer.

Hydrauliske egenskaper er karakteristika for en bergart som permeabilitet og porøsitet som gjenspeiler dens evne til å holde og overføre væsker som vann, olje eller naturgass. I denne forbindelse har skifer en veldig liten partikkelstørrelse, slik at mellomrommene er veldig små. De er faktisk så små at olje, naturgass og vann har vanskeligheter med å bevege seg gjennom fjellet. Skifer kan derfor tjene som hetestein for olje- og naturgassfeller, og det er også et vannområde som blokkerer eller begrenser strømmen av underjordisk vann.

Selv om de mellomliggende rom i en skiferformasjon er veldig små, kan de ta opp et betydelig volum av fjellet. Dette gjør at skifer kan holde betydelige mengder vann, gass eller olje, men ikke være i stand til å overføre dem effektivt på grunn av den lave permeabiliteten. Olje- og gassindustrien overvinner disse begrensningene av skifer ved å bruke horisontal boring og hydraulisk brudd for å skape kunstig porøsitet og permeabilitet i fjellet.

Noen av leirmineralene som forekommer i skifer har evnen til å absorbere eller adsorbere store mengder vann, naturgass, ioner eller andre stoffer. Denne skiferegenskapen kan gjøre det mulig å selektivt og seig holde eller frigi frigjøre væsker eller ioner. teknologikrevende prosesser. Maksimering av gassutvinning krever langt flere brønner enn hva som ville vært tilfelle ved konvensjonelle naturgassoperasjoner. Videre brukes horisontale brønner med horisontale ben opp til en kilometer eller mer i lengden for å få tilgang til reservoaret i størst mulig grad.

Flertrinns hydraulisk fraktur (se kapittel 3), der skifer er sprukket under høyt trykk flere steder langs den horisontale delen av brønnen, brukes til å lage ledninger som gass kan strømme gjennom. Microseismic imaging tillater operatører å visualisere hvor denne bruddveksten forekommer i reservoaret. Imidlertid, som en teknologidrevet ressurs, kan utviklingshastigheten for skifergass bli begrenset av tilgjengeligheten av nødvendige ressurser, for eksempel ferskvann, brudddrivmiddel eller borerigger som er i stand til å bore brønner to miles eller mer i lengde.