1.2 Łupki

Formacje łupkowe i mułowe są najbardziej rozpowszechnionymi skałami osadowymi w skorupie ziemskiej. W geologii ropy naftowej organiczne formacje łupków są skałami źródłowymi, a także skałami uszczelniającymi, które zatrzymują ropę i gaz (Speight, 2014). W inżynierii zbiorników formacje łupkowe są barierami dla przepływu. Podczas wiercenia wiertło często napotyka większe ilości łupków niż piaski zbiornikowe. Podczas eksploracji sejsmicznej formacje łupków stykające się z innymi skałami często tworzą dobre reflektory sejsmiczne. W rezultacie właściwości sejsmiczne i petrofizyczne formacji łupkowych oraz związki między tymi właściwościami są ważne zarówno dla poszukiwań, jak i zarządzania złożami. Formacje łupków występują na całym świecie (patrz rozdział 2).

Łupki to geologiczna formacja skalna bogata w glinę, zwykle pochodząca z drobnych osadów, osadzonych w dość cichym środowisku na dnie mórz lub jezior, mająca wtedy został pochowany na przestrzeni milionów lat. Formacje łupków mogą służyć jako bariery ciśnieniowe w basenach, jako uszczelnienia górne i jako rezerwuary w łupkach gazu łupkowego.

Z technicznego punktu widzenia łupek jest rozszczepialną, terygeniczną skałą osadową, w której cząsteczki składają się głównie z mułu i gliny (Blatt i Tracy, 2000). W tej definicji rozszczepialność odnosi się do zdolności łupka łupkowego do rozszczepiania się na cienkie arkusze wzdłuż podłoża, a terygeniczne odnosi się do pochodzenia osadu. W wielu basenach ciśnienie płynu w układzie wodnym staje się znacznie podwyższone, co prowadzi do powstawania pęknięć hydraulicznych i wycieków płynu. Jednak wystąpienie naturalnego pęknięcia hydraulicznego jest mało prawdopodobnym procesem w okolicznościach występujących w większości basenów.

Gdy znaczna ilość materii organicznej zostanie osadzona w osadach, skała łupkowa może zawierać stały materiał organiczny (kerogen). Właściwości i skład łupków plasują go w kategorii skał osadowych zwanych mułowcami. Łupek różni się od innych mułowców, ponieważ jest laminowany i rozszczepialny – łupek składa się z wielu cienkich warstw i łatwo rozpada się na cienkie kawałki wzdłuż warstw.

Łupek składa się głównie z ziaren mineralnych wielkości gliny, które to zwykle minerały ilaste, takie jak illit, kaolinit i smektyt. Łupek zwykle zawiera inne cząstki mineralne wielkości gliny, takie jak kwarc, chert i skaleń. Inne składniki mogą obejmować cząstki organiczne, minerały węglanowe, minerały tlenku żelaza, minerały siarczkowe i ciężkie ziarna mineralne, a obecność takich minerałów w łupkach zależy od środowiska, w którym znajdowały się składniki łupków.

Łupek pochodzi w dwóch ogólnych odmianach w oparciu o zawartość organiczną: (i) ciemne lub (ii) jasne. Ciemne lub czarne formacje łupków są bogate w substancje organiczne, podczas gdy jaśniejsze formacje łupków są ubogie organiczne. Bogate w organiczne formacje łupków osadzały się w wodzie w warunkach niewielkiej ilości lub braku tlenu, co zabezpieczało materiał organiczny przed rozkładem. Materia organiczna to głównie szczątki roślinne, które nagromadziły się w osadzie.

Czarne organiczne formacje łupków są źródłem wielu złóż ropy naftowej i gazu ziemnego na świecie. Te formacje czarnych łupków uzyskują swój czarny kolor z drobnych cząstek materii organicznej, które zostały osadzone w mułu, z którego powstał łupek. Gdy muł został zakopany i ogrzany w ziemi, część materii organicznej została przekształcona w ropę i gaz ziemny.

Czarny kolor w skałach osadowych prawie zawsze wskazuje na obecność materiałów organicznych. Zaledwie 1% lub 2% materiałów organicznych może nadać skałę ciemnoszarą lub czarną barwę. Ponadto ten czarny kolor prawie zawsze oznacza, że łupek łupkowy utworzony z osadu osadzonego w środowisku z niedoborem tlenu. Każdy tlen, który dostał się do środowiska, szybko reagował z rozkładającymi się odpadkami organicznymi. Gdyby obecna była duża ilość tlenu, wszystkie resztki organiczne uległyby rozkładowi. Ubogie w tlen środowisko zapewnia również odpowiednie warunki do tworzenia się minerałów siarczkowych, takich jak piryt, inny ważny minerał występujący w większości osadów lub formacji czarnych łupków.

Obecność organicznych szczątków w formacjach czarnych łupków sprawia, że są one kandydaci do produkcji ropy i gazu. Jeśli materiał organiczny zostanie zakonserwowany i odpowiednio podgrzany po pochówku, może dojść do produkcji ropy i gazu ziemnego. Łupki Barnett, Marcellus, Haynesville, Fayetteville i inne skały produkujące gaz to ciemnoszare lub czarne formacje łupków, które dają gaz ziemny.

Ropa i gaz ziemny migrowały z łupków i w górę przez masę osadów ze względu na ich małą gęstość. Ropa i gaz często były uwięzione w przestrzeniach porowych znajdującej się nad nią jednostki skalnej, takiej jak formacja piaskowca. Te rodzaje złóż ropy i gazu są znane jako konwencjonalne złoża, ponieważ płyny mogą łatwo przepływać przez pory skały do studni wydobywczej.

Każda formacja łupków ma inną charakterystykę geologiczną, sposób produkcji gazu, potrzebne technologie i ekonomika produkcji. Różne części (na ogół dużych) złóż łupków również będą miały różne cechy: małe słodkie plamy lub obszary rdzeniowe mogą zapewnić znacznie lepszą produkcję niż pozostała część formacji, często z powodu obecności naturalnych pęknięć, które zwiększają przepuszczalność (Hunter i Young, 1953).

Ilość płynów gazu ziemnego (NGL – węglowodory o wyższej masie cząsteczkowej niż metan, takie jak propan, butan, pentan, heksan, heptan, a nawet oktan) powszechnie związane z produkcją gazu ziemnego Obecność w gazie może się również znacznie różnić, co ma istotne konsekwencje dla ekonomiki produkcji. Podczas gdy większość suchych gier gazowych w Stanach Zjednoczonych jest prawdopodobnie nieekonomiczna przy obecnych niskich cenach gazu ziemnego, gry ze znaczną zawartością cieczy można wytwarzać tylko dla wartości płynów (wartość rynkowa NGL jest skorelowana z cenami ropy, a nie gazu ceny), czyniąc gaz zasadniczo wolnym produktem ubocznym.

Pod koniec lat 90. firmy wydobywające gaz ziemny opracowały nowe metody uwalniania ropy i gazu ziemnego uwięzionych w niewielkich porach łupków. Odkrycie to było znaczące, ponieważ umożliwiło odblokowanie jednych z największych złóż gazu ziemnego na świecie.

Łupki Barnett w Teksasie były pierwszym dużym złożem gazu ziemnego powstałym w złożu łupkowym. Wydobycie gazu z łupków Barnett było wyzwaniem, ponieważ pory w łupkach są tak małe, że gaz ma trudności z przedostaniem się przez łupki do studni. Badacze odkryli, że przepuszczalność łupków można zwiększyć, pompując wodę w dół studni pod ciśnieniem, które było wystarczająco wysokie, aby spękać łupek. Te pęknięcia uwolniły część gazu z przestrzeni porowych i umożliwiły przepływ tego gazu do odwiertu (szczelinowanie hydrauliczne, szczelinowanie hydrauliczne).

Wiercenie poziome i szczelinowanie hydrauliczne zrewolucjonizowały technologię wiercenia i utorowały drogę do rozwoju kilku gigantycznych pola gazu ziemnego. Należą do nich łupki Marcellus w Appalachach, łupki Haynesville w Luizjanie i łupki Fayetteville w Arkansas. Te ogromne złoża łupkowe zawierają wystarczającą ilość gazu ziemnego, aby zaspokoić wszystkie potrzeby Stanów Zjednoczonych przez 20 lub więcej lat.

Właściwości hydrauliczne to takie cechy skały, jak przepuszczalność i porowatość, które odzwierciedlają jej zdolność do zatrzymywania i przenoszenia płynów, takich jak woda, ropa lub gaz ziemny. Pod tym względem łupek ilasty ma bardzo mały rozmiar cząstek, więc przestrzenie międzywęzłowe są bardzo małe. W rzeczywistości są tak małe, że ropa, gaz ziemny i woda mają trudności z poruszaniem się po skale. Łupek może zatem służyć jako skała przykrywająca pułapki na ropę naftową i gaz ziemny, a także stanowi element wodny, który blokuje lub ogranicza przepływ wód podziemnych.

Chociaż przestrzenie międzywęzłowe w formacji łupkowej są bardzo małe, mogą zajmują znaczną objętość skały. Dzięki temu łupek może przechowywać znaczne ilości wody, gazu lub ropy, ale nie jest w stanie ich efektywnie przesyłać ze względu na małą przepuszczalność. Przemysł naftowo-gazowy przezwycięża te ograniczenia łupków za pomocą odwiertów poziomych i szczelinowania hydraulicznego w celu stworzenia sztucznej porowatości i przepuszczalności w skale.

Niektóre minerały ilaste występujące w łupkach mają zdolność pochłaniania lub adsorpcji duże ilości wody, gazu ziemnego, jonów lub innych substancji. Ta właściwość łupków może umożliwiać mu selektywne i trwałe zatrzymywanie lub swobodne uwalnianie płynów lub jonów.

Zatem ten zasób gazu łupkowego można uznać za zasób oparty na technologii, ponieważ osiągnięcie wydobycia gazu ze skał nieproduktywnych wymaga procesy wymagające dużej technologii. Maksymalizacja odzyskiwania gazu wymaga znacznie większej liczby odwiertów niż w przypadku konwencjonalnych operacji związanych z gazem ziemnym. Co więcej, poziome odwierty z poziomymi odnogami o długości do jednej mili lub większej są szeroko stosowane, aby uzyskać dostęp do zbiornika w jak największym stopniu.

Wielostopniowe szczelinowanie hydrauliczne (patrz Rozdział 3), w których łupek jest pęknięty pod wysokie ciśnienie w kilku miejscach wzdłuż poziomej sekcji odwiertu służy do tworzenia przewodów, przez które może przepływać gaz. Obrazowanie mikrosejsmiczne umożliwia operatorom wizualizację miejsca, w którym w zbiorniku następuje wzrost pęknięcia. Jednakże, jako zasobu napędzanego technologią, tempo rozwoju gazu łupkowego może być ograniczone przez dostępność wymaganych zasobów, takich jak woda słodka, podsadzka szczelinowa lub platformy wiertnicze zdolne do wiercenia studni o długości dwóch mil lub większej.