1.2 Șistul

Formațiile de șist și formațiunile de nămol sunt cele mai abundente roci sedimentare din scoarța terestră. În geologia petrolului, formațiunile organice de șist sunt roci sursă, precum și roci sigilate care captează petrolul și gazul (Speight, 2014). În ingineria rezervoarelor, formațiunile de șist sunt bariere de curgere. În foraj, burghiul întâlnește adesea volume mai mari de șist decât nisipurile din rezervor. În explorarea seismică, formațiunile de șist care se interconectează cu alte roci formează adesea reflectoare seismice bune. Ca urmare, proprietățile seismice și petrofizice ale formațiunilor de șist și relațiile dintre aceste proprietăți sunt importante atât pentru explorare, cât și pentru gestionarea rezervoarelor. Formațiile de șist sunt o apariție la nivel mondial (a se vedea capitolul 2).

Șistul este o formațiune de rocă geologică bogată în argilă, derivată de obicei din sedimente fine, depuse în medii destul de liniștite la fundul mării sau lacurilor, având atunci a fost îngropat de-a lungul a milioane de ani. Formațiile de șist pot servi ca bariere de presiune în bazine, ca etanșări superioare și ca rezervoare în gazele de șist.

Mai mult din punct de vedere tehnic, șistul este o rocă sedimentară fisibilă, terigenă, în care particulele sunt în mare parte de dimensiuni de argilă și argilă (Blatt și Tracy, 2000). În această definiție, fisionabil se referă la capacitatea șistului de a se împărți în foi subțiri de-a lungul așternutului, iar terigenul se referă la originea sedimentului. În multe bazine, presiunea fluidului sistemului apos devine semnificativ crescută, ducând la formarea unei hidrofracturi și la eliminarea fluidului. Cu toate acestea, apariția unei hidrofracturi naturale este un proces puțin probabil în circumstanțele care există în majoritatea bazinelor.

Când o cantitate semnificativă de materie organică a fost depusă în sedimente, roca de șist poate conține material solid organic (kerogen). Proprietățile și compoziția șistului îl plasează în categoria rocilor sedimentare cunoscute sub numele de pietre de noroi. Șistul se distinge de alte pietre de noroi, deoarece este laminat și fisibil – șistul este compus din multe straturi subțiri și se desparte ușor în bucăți subțiri de-a lungul laminărilor.

Șistul este compus în principal din boabe minerale de dimensiuni argiloase, care sunt de obicei minerale argiloase, cum ar fi ilitul, kaolinitul și smectitul. Șistul conține, de obicei, alte particule minerale de dimensiuni de argilă, cum ar fi cuarț, șir și feldspat. Alți constituenți ar putea include particule organice, minerale carbonatice, minerale oxid de fier, minerale sulfuroase și cereale minerale grele, iar prezența acestor minerale în șist este determinată de mediul în care se aflau constituenții șistului.

Șistul vine în două soiuri generale bazate pe conținut organic: (i) întunecat sau (ii) deschis. Formațiile de șist de culoare închisă sau neagră sunt bogate în organice, în timp ce formațiunile de șist de culoare mai deschisă sunt slabe organice. Formațiile de șist bogate în organice au fost depuse în condiții de oxigen mic sau deloc în apă, care a păstrat materialul organic de la descompunere. Materia organică a fost în mare parte resturi vegetale care s-au acumulat odată cu sedimentul.

Formațiunile de șisturi organice negre sunt roca sursă pentru multe dintre zăcămintele de petrol și gaze naturale ale lumii. Aceste formațiuni de șist negru își obțin culoarea neagră din mici particule de materie organică care au fost depuse cu noroiul din care s-a format șistul. Pe măsură ce noroiul a fost îngropat și încălzit în pământ, o parte din materialul organic a fost transformat în petrol și gaze naturale.

O culoare neagră în rocile sedimentare indică aproape întotdeauna prezența materialelor organice. Doar 1% sau 2% din materialele organice pot conferi rocii o culoare gri închis sau negru. În plus, această culoare neagră implică aproape întotdeauna că șistul format din sedimente depuse într-un mediu cu deficit de oxigen. Orice oxigen care a pătruns în mediu a reacționat rapid cu resturile organice în descompunere. Dacă ar fi prezentă o cantitate mare de oxigen, resturile organice s-ar fi descompus. Un mediu sărac în oxigen oferă, de asemenea, condițiile adecvate pentru formarea mineralelor sulfuroase, cum ar fi pirita, un alt mineral important găsit în majoritatea sedimentelor sau formațiunilor de șist negru.

Prezența resturilor organice în formațiunile de șist negru le face candidații la producția de petrol și gaze. Dacă materialul organic este conservat și încălzit corespunzător după înmormântare, ar putea fi produse petrol și gaze naturale. Șistul Barnett, șistul Marcellus, șistul Haynesville, șistul Fayetteville și alte roci producătoare de gaz sunt toate formațiuni de șist de culoare închisă sau neagră care produc gaz natural.

Petrolul și gazul natural au migrat din șist și în sus prin masa sedimentară din cauza densității lor scăzute. Petrolul și gazul au fost deseori prinse în spațiile porilor unei unități de rocă deasupra, cum ar fi o formațiune de gresie. Aceste tipuri de depozite de petrol și gaze sunt cunoscute ca rezervoare convenționale, deoarece fluidele pot curge cu ușurință prin porii rocii și în puțul de extracție.

Fiecare formație de șist are caracteristici geologice diferite care afectează modul în care poate fi produs gazul, tehnologiile necesare și economia producției. Diferite părți ale depozitelor de șist (în general mari) vor avea, de asemenea, caracteristici diferite: pete dulci mici sau zone de bază pot oferi o producție mult mai bună decât restul formațiunii, adesea din cauza prezenței fracturilor naturale care sporesc permeabilitatea (Hunter și Young, 1953).

Cantitatea de lichide de gaze naturale (NGL-hidrocarburi cu o greutate moleculară mai mare decât metanul, cum ar fi propanul, butanul, pentanul, hexanul, heptanul și chiar octanul) asociate în mod obișnuit cu producția de gaze naturale prezența în gaz poate varia, de asemenea, considerabil, cu implicații importante pentru economia producției. În timp ce majoritatea jocurilor de gaz uscat din Statele Unite sunt probabil neeconomice la prețurile actuale scăzute ale gazelor naturale, jocurile cu conținut semnificativ de lichide pot fi produse numai pentru valoarea lichidelor (valoarea de piață a NGL-urilor este corelată cu prețurile petrolului, mai degrabă decât cu gazul prețuri), făcând din gaz un produs secundar esențial gratuit.

La sfârșitul anilor ’90, companiile de foraj cu gaze naturale au dezvoltat noi metode de eliberare a petrolului și a gazului natural care este prins în spațiile mici ale porilor șistului. Această descoperire a fost semnificativă deoarece a deblocat unele dintre cele mai mari zăcăminte de gaze naturale din lume.

Șistul Barnett din Texas a fost primul câmp major de gaze naturale dezvoltat într-o rocă din rezervorul de șist. Producerea gazului din șistul Barnett a fost o provocare, deoarece spațiile porilor din șist sunt atât de mici încât gazul are dificultăți în mișcare prin șist și în fântână. Forajele au descoperit că permeabilitatea șistului ar putea fi mărită prin pomparea apei în puț sub presiune suficient de mare pentru a fractura șistul. Aceste fracturi au eliberat o parte din gazul din spațiile porilor și au permis ca gazul să curgă la fântână (fracturare hidraulică, hidrofracking).

Forarea orizontală și fracturarea hidraulică au revoluționat tehnologia de forare și au deschis calea dezvoltării mai multor giganti câmpuri de gaze naturale. Acestea includ șistul Marcellus din Appalachians, șistul Haynesville din Louisiana și șistul Fayetteville din Arkansas. Aceste enorme rezervoare de șist dețin suficient gaz natural pentru a satisface toate nevoile Statelor Unite timp de 20 de ani sau mai mult.

Proprietățile hidraulice sunt caracteristici ale unei roci, cum ar fi permeabilitatea și porozitatea, care reflectă capacitatea sa de a reține și transmite fluide, cum ar fi apa, petrolul sau gazul natural. În acest sens, șistul are o dimensiune a particulelor foarte mică, astfel încât spațiile interstițiale sunt foarte mici. De fapt, sunt atât de mici încât petrolul, gazele naturale și apa au dificultăți în mișcare prin stâncă. Prin urmare, șistul poate servi drept rocă pentru capcanele de petrol și gaze naturale și este, de asemenea, o acviclude care blochează sau limitează fluxul de apă subterană.

Deși spațiile interstițiale dintr-o formațiune de șist sunt foarte mici, ele pot ocupă un volum semnificativ de rocă. Acest lucru permite șistului să dețină cantități semnificative de apă, gaz sau petrol, dar să nu le poată transmite în mod eficient din cauza permeabilității scăzute. Industria petrolului și a gazelor depășește aceste limitări ale șistului prin utilizarea forajului orizontal și a fracturării hidraulice pentru a crea porozitate artificială și permeabilitate în rocă.

Unele dintre mineralele argiloase care apar în șist au capacitatea de a absorbi sau adsorbi. cantități mari de apă, gaze naturale, ioni sau alte substanțe. Această proprietate a șistului îi poate permite să țină selectiv și tenace sau să elibereze liber fluide sau ioni.

Astfel, această resursă de gaz de șist poate fi considerată o resursă bazată pe tehnologie, deoarece realizarea unei producții de gaz din roca altfel neproductivă necesită procese intensive în tehnologie. Maximizarea valorificării gazului necesită mult mai multe sonde decât ar fi cazul operațiunilor convenționale cu gaze naturale. În plus, puțurile orizontale cu picioare orizontale de până la o milă sau mai mult în lungime sunt utilizate pe scară largă pentru a accesa rezervorul în cea mai mare măsură posibilă.

Fracturarea hidraulică în mai multe etape (a se vedea capitolul 3), unde șistul este crăpat sub presiuni ridicate în mai multe locuri de-a lungul secțiunii orizontale a puțului, este utilizată pentru a crea conducte prin care gazul poate curge. Imagistica microseismică permite operatorilor să vizualizeze unde se produce această creștere a fracturii în rezervor. Cu toate acestea, ca resursă bazată pe tehnologie, viteza de dezvoltare a gazului de șist poate deveni limitată de disponibilitatea resurselor necesare, cum ar fi apa dulce, agentul de rezistență la fracturi sau instalațiile de foraj capabile să foreze puțuri cu o lungime de două mile sau mai mult.