1.2 Xisto

As formações de xisto e de silte são as rochas sedimentares mais abundantes na crosta terrestre. Na geologia do petróleo, as formações de xisto orgânico são rochas geradoras, bem como rochas selantes que retêm petróleo e gás (Speight, 2014). Na engenharia de reservatórios, as formações de xisto são barreiras de fluxo. Na perfuração, a broca frequentemente encontra maiores volumes de xisto do que areias reservatório. Na exploração sísmica, as formações de xisto que fazem interface com outras rochas costumam formar bons refletores sísmicos. Como resultado, as propriedades sísmicas e petrofísicas das formações de xisto e as relações entre essas propriedades são importantes para a exploração e gestão do reservatório. As formações de xisto são uma ocorrência mundial (ver Capítulo 2).

O xisto é uma formação rochosa geológica rica em argila, tipicamente derivada de sedimentos finos, depositados em ambientes bastante calmos no fundo dos mares ou lagos, tendo então foi enterrado ao longo de milhões de anos. As formações de xisto podem servir como barreiras de pressão em bacias, como vedações superiores e como reservatórios em jogos de gás de xisto.

Mais tecnicamente, o xisto é uma rocha sedimentar terrígena físsil na qual as partículas são principalmente de silte e argila (Blatt e Tracy, 2000). Nesta definição, físsil se refere à capacidade do xisto de se dividir em folhas finas ao longo da cama e terrígeno se refere à origem do sedimento. Em muitas bacias, a pressão do fluido do sistema aquoso torna-se significativamente elevada, levando à formação de uma hidrofratura e sangramento do fluido. No entanto, a ocorrência de uma hidrofratura natural é um processo improvável nas circunstâncias que existem na maioria das bacias.

Quando uma quantidade significativa de matéria orgânica foi depositada com os sedimentos, a rocha de xisto pode conter material orgânico sólido (querogênio). As propriedades e composição do xisto o colocam na categoria de rochas sedimentares conhecidas como argilitos. O xisto se distingue de outros argilitos porque é laminado e físsil – o xisto é composto de muitas camadas finas e se divide prontamente em pedaços finos ao longo das laminações.

O xisto é composto principalmente de grãos minerais do tamanho de argila, que geralmente são minerais de argila, como ilita, caulinita e esmectita. O xisto geralmente contém outras partículas minerais do tamanho de argila, como quartzo, sílex e feldspato. Outros constituintes podem incluir partículas orgânicas, minerais de carbonato, minerais de óxido de ferro, minerais de sulfeto e grãos de minerais pesados e a presença de tais minerais no xisto é determinada pelo ambiente em que os constituintes do xisto estavam.

O xisto vem em duas variedades gerais com base no conteúdo orgânico: (i) escuro ou (ii) claro. As formações de xisto de cor escura ou preta são orgânicas ricas, enquanto as formações de xisto de cor mais clara são orgânicas magras. As formações de xisto ricas em orgânicos foram depositadas em condições de pouco ou nenhum oxigênio na água, o que preservou o material orgânico da decomposição. A matéria orgânica era principalmente restos de plantas que se acumularam com o sedimento.

Formações de xisto orgânico preto são a rocha-fonte de muitos dos depósitos de petróleo e gás natural do mundo. Essas formações de xisto pretas obtêm sua cor preta de minúsculas partículas de matéria orgânica que foram depositadas com a lama a partir da qual o xisto se formou. Como a lama foi enterrada e aquecida dentro da terra, parte da matéria orgânica foi transformada em óleo e gás natural.

Uma cor preta nas rochas sedimentares quase sempre indica a presença de materiais orgânicos. Apenas 1% ou 2% dos materiais orgânicos podem conferir uma cor cinza escuro ou preta à rocha. Além disso, essa cor preta quase sempre implica que o xisto se formou a partir de sedimentos depositados em um ambiente deficiente em oxigênio. Qualquer oxigênio que entrou no ambiente reagiu rapidamente com os detritos orgânicos em decomposição. Se uma grande quantidade de oxigênio estivesse presente, todos os detritos orgânicos teriam se deteriorado. Um ambiente pobre em oxigênio também fornece as condições adequadas para a formação de minerais de sulfeto, como a pirita, outro mineral importante encontrado na maioria dos sedimentos ou formações de xisto negro.

A presença de detritos orgânicos em formações de xisto negro os torna os candidatos à geração de óleo e gás. Se o material orgânico for preservado e devidamente aquecido após o sepultamento, óleo e gás natural podem ser produzidos. O xisto Barnett, xisto Marcellus, xisto Haynesville, xisto Fayetteville e outras rochas produtoras de gás são todas formações de xisto cinza escuro ou preto que produzem gás natural.

O petróleo e o gás natural migraram para fora do xisto e para cima através da massa de sedimentos devido à sua baixa densidade. O petróleo e o gás costumavam ficar presos nos espaços dos poros de uma unidade de rocha sobreposta, como uma formação de arenito. Esses tipos de depósitos de petróleo e gás são conhecidos como reservatórios convencionais porque os fluidos podem fluir facilmente através dos poros da rocha para o poço de extração.

Cada formação de folhelho tem diferentes características geológicas que afetam a forma como o gás pode ser produzido, as tecnologias necessárias e a economia da produção. Diferentes partes dos depósitos de xisto (geralmente grandes) também terão características diferentes: pequenos pontos ideais ou áreas centrais podem fornecer uma produção muito melhor do que o restante da formação, muitas vezes por causa da presença de fraturas naturais que aumentam a permeabilidade (Hunter e Young, 1953).

A quantidade de líquidos de gás natural (NGLs – hidrocarbonetos com peso molecular superior ao do metano, como propano, butano, pentano, hexano, heptano e até octano) comumente associados à produção de gás natural presente no gás também pode variar consideravelmente, com implicações importantes para a economia de produção. Embora a maioria dos jogos de gás seco nos Estados Unidos sejam provavelmente antieconômicos com os atuais preços baixos do gás natural, os jogos com conteúdo líquido significativo podem ser produzidos apenas pelo valor dos líquidos (o valor de mercado dos NGLs está correlacionado com os preços do petróleo, em vez do gás preços), tornando o gás um subproduto essencialmente gratuito.

No final da década de 1990, as empresas de perfuração de gás natural desenvolveram novos métodos para liberar petróleo e gás natural que fica preso dentro dos minúsculos poros do xisto. Essa descoberta foi significativa porque desbloqueou alguns dos maiores depósitos de gás natural do mundo.

O xisto de Barnett, no Texas, foi o primeiro grande campo de gás natural desenvolvido em uma rocha reservatório de xisto. Produzir gás a partir do xisto de Barnett foi um desafio porque os espaços dos poros no xisto são tão pequenos que o gás tem dificuldade de se mover através do xisto e entrar no poço. Os sondadores descobriram que a permeabilidade do xisto poderia ser aumentada bombeando água pelo poço sob pressão alta o suficiente para fraturar o xisto. Essas fraturas liberaram parte do gás dos poros e permitiram que o gás fluísse para o poço (fraturamento hidráulico, hidrofracking).

A perfuração horizontal e o fraturamento hidráulico revolucionaram a tecnologia de perfuração e abriram caminho para o desenvolvimento de vários gigantes campos de gás natural. Isso inclui o xisto Marcellus nos Apalaches, o xisto Haynesville na Louisiana e o xisto Fayetteville no Arkansas. Esses enormes reservatórios de xisto contêm gás natural suficiente para atender a todas as necessidades dos Estados Unidos por 20 anos ou mais.

As propriedades hidráulicas são características de uma rocha, como permeabilidade e porosidade, que refletem sua capacidade de reter e transmitir fluidos como água, óleo ou gás natural. Nesse aspecto, o xisto tem um tamanho de partícula muito pequeno, de modo que os espaços intersticiais são muito pequenos. Na verdade, eles são tão pequenos que o petróleo, o gás natural e a água têm dificuldade de se mover através da rocha. O xisto pode, portanto, servir como uma rocha de cobertura para armadilhas de petróleo e gás natural e também é um aquiclude que bloqueia ou limita o fluxo de água subterrânea.

Embora os espaços intersticiais em uma formação de xisto sejam muito pequenos, eles podem ocupar um volume significativo da rocha. Isso permite que o xisto retenha quantidades significativas de água, gás ou óleo, mas não seja capaz de transmiti-los de forma eficaz devido à baixa permeabilidade. A indústria de petróleo e gás supera essas limitações do xisto usando perfuração horizontal e fraturamento hidráulico para criar porosidade e permeabilidade artificiais dentro da rocha.

Alguns dos minerais de argila que ocorrem no xisto têm a capacidade de absorver ou adsorver grandes quantidades de água, gás natural, íons ou outras substâncias. Esta propriedade do xisto pode permitir que ele retenha seletivamente e tenazmente ou libere fluidos ou íons livremente.

Assim, este recurso de gás de xisto pode ser considerado um recurso impulsionado pela tecnologia, pois alcançar a produção de gás a partir de rocha improdutiva requer processos intensivos em tecnologia. Maximizar a recuperação de gás requer muito mais poços do que seria o caso nas operações convencionais de gás natural. Além disso, poços horizontais com pernas horizontais de até uma milha ou mais de comprimento são amplamente usados para acessar o reservatório na maior extensão possível.

Fraturamento hidráulico de vários estágios (ver Capítulo 3), onde o xisto é rachado sob altas pressões em vários pontos ao longo da seção horizontal do poço, são usadas para criar condutos através dos quais o gás pode fluir. A imagem microssísmica permite que os operadores visualizem onde o crescimento da fratura está ocorrendo no reservatório. No entanto, como um recurso impulsionado pela tecnologia, a taxa de desenvolvimento de gás de xisto pode ser limitada pela disponibilidade de recursos necessários, como água doce, propante de fratura ou sondas de perfuração capazes de perfurar poços de duas milhas ou mais de comprimento.