1.2 Schiefer

Schieferformationen und Schlickformationen sind die am häufigsten vorkommenden Sedimentgesteine in der Erdkruste. In der Erdölgeologie sind organische Schieferformationen sowohl Quellgesteine als auch Robbengesteine, die Öl und Gas einfangen (Speight, 2014). In der Reservoirtechnik sind Schieferformationen Strömungsbarrieren. Beim Bohren stößt der Bohrer häufig auf größere Schiefervolumina als Reservoirsande. Bei der seismischen Erforschung bilden Schieferformationen, die mit anderen Gesteinen in Verbindung stehen, häufig gute seismische Reflektoren. Infolgedessen sind die seismischen und petrophysikalischen Eigenschaften von Schieferformationen und die Beziehungen zwischen diesen Eigenschaften sowohl für die Exploration als auch für das Reservoirmanagement wichtig. Schieferformationen kommen weltweit vor (siehe Kapitel 2).

Schiefer ist eine geologische Gesteinsformation, die reich an Ton ist und typischerweise aus feinen Sedimenten stammt, die sich in relativ ruhigen Umgebungen am Boden von Meeren oder Seen ablagern wurde im Laufe von Millionen von Jahren begraben. Schieferformationen können als Druckbarrieren in Becken, als obere Dichtungen und als Reservoire in Schiefergasspielen dienen.

Technisch gesehen ist Schiefer ein spaltbares, terrigenes Sedimentgestein, in dem Partikel hauptsächlich aus Schlick und Ton bestehen (Blatt und Tracy, 2000). In dieser Definition bezieht sich spaltbar auf die Fähigkeit des Schiefers, sich entlang der Einstreu in dünne Schichten zu spalten, und terrigen bezieht sich auf die Herkunft des Sediments. In vielen Becken wird der Flüssigkeitsdruck des wässrigen Systems signifikant erhöht, was zur Bildung einer Hydrofraktur und zum Abbluten der Flüssigkeit führt. Das Auftreten einer natürlichen Hydrofraktur ist jedoch unter den in den meisten Becken vorhandenen Umständen ein unwahrscheinlicher Prozess.

Wenn eine erhebliche Menge organischer Substanz in den Sedimenten abgelagert wurde, kann das Schiefergestein organisches festes Material enthalten (Kerogen). Die Eigenschaften und die Zusammensetzung von Schiefer ordnen ihn in die Kategorie der Sedimentgesteine ein, die als Schlammsteine bekannt sind. Schiefer unterscheidet sich von anderen Schlammsteinen dadurch, dass er laminiert und spaltbar ist – der Schiefer besteht aus vielen dünnen Schichten und spaltet sich leicht in dünne Stücke entlang der Laminierungen.

Schiefer besteht hauptsächlich aus mineralischen Körnern in Tongröße, die sind in der Regel Tonmineralien wie Illit, Kaolinit und Smektit. Schiefer enthält normalerweise andere tongroße Mineralpartikel wie Quarz, Chert und Feldspat. Andere Bestandteile können organische Partikel, Carbonatmineralien, Eisenoxidmineralien, Sulfidmineralien und schwere Mineralkörner sein, und das Vorhandensein solcher Mineralien im Schiefer wird durch die Umgebung bestimmt, unter der sich die Schieferbestandteile befanden.

Schiefer kommt in zwei allgemeinen Sorten basierend auf dem organischen Gehalt: (i) dunkel oder (ii) hell. Dunkle oder schwarze Schieferformationen sind organisch reichhaltig, während die helleren Schieferformationen organisch mager sind. Organisch reiche Schieferformationen wurden unter Bedingungen von wenig oder keinem Sauerstoff im Wasser abgelagert, wodurch das organische Material vor dem Zerfall bewahrt wurde. Die organische Substanz bestand hauptsächlich aus Pflanzenresten, die sich mit dem Sediment angesammelt hatten.

Schwarze organische Schieferformationen sind das Quellgestein für viele der Öl- und Erdgasvorkommen der Welt. Diese schwarzen Schieferformationen erhalten ihre schwarze Farbe aus winzigen Partikeln organischer Substanz, die sich mit dem Schlamm ablagern, aus dem sich der Schiefer gebildet hat. Während der Schlamm in der Erde vergraben und erwärmt wurde, wurde ein Teil des organischen Materials in Öl und Erdgas umgewandelt.

Eine schwarze Farbe in Sedimentgesteinen weist fast immer auf das Vorhandensein organischer Materialien hin. Nur 1% oder 2% der organischen Materialien können dem Gestein eine dunkelgraue oder schwarze Farbe verleihen. Darüber hinaus impliziert diese schwarze Farbe fast immer, dass sich der Schiefer aus Sedimenten gebildet hat, die sich in einer sauerstoffarmen Umgebung abgelagert haben. Jeglicher Sauerstoff, der in die Umgebung gelangte, reagierte schnell mit den zerfallenden organischen Rückständen. Wenn eine große Menge Sauerstoff vorhanden wäre, wären alle organischen Ablagerungen zerfallen. Eine sauerstoffarme Umgebung bietet auch die richtigen Bedingungen für die Bildung von Sulfidmineralien wie Pyrit, einem weiteren wichtigen Mineral, das in den meisten Sedimenten oder Formationen von Schwarzschiefer vorkommt.

Das Vorhandensein von organischen Abfällen in Schwarzschieferformationen macht sie aus die Kandidaten für die Öl- und Gaserzeugung. Wenn das organische Material nach dem Begraben konserviert und ordnungsgemäß erhitzt wird, können Öl und Erdgas entstehen. Der Barnett-Schiefer, der Marcellus-Schiefer, der Haynesville-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer und andere gasproduzierende Gesteine sind alle dunkelgraue oder schwarze Schieferformationen, die Erdgas liefern.

Das Öl und das Erdgas wanderten aus dem Schiefer nach oben durch die Sedimentmasse wegen ihrer geringen Dichte. Das Öl und das Gas wurden häufig in den Porenräumen einer darüber liegenden Gesteinseinheit wie einer Sandsteinformation eingeschlossen. Diese Arten von Öl- und Gasablagerungen sind als herkömmliche Reservoire bekannt, da die Flüssigkeiten leicht durch die Poren des Gesteins in die Extraktionsbohrung fließen können.

Jede Schieferformation hat unterschiedliche geologische Eigenschaften, die sich auswirken die Art und Weise, wie Gas produziert werden kann, die benötigten Technologien und die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Verschiedene Teile der (im Allgemeinen großen) Schieferablagerungen weisen ebenfalls unterschiedliche Eigenschaften auf: Kleine Sweet Spots oder Kernbereiche können eine viel bessere Produktion als der Rest der Formation liefern, häufig aufgrund des Vorhandenseins natürlicher Brüche, die die Permeabilität verbessern (Hunter und Young, 1953).

Die Menge an Erdgasflüssigkeiten (NGLs – Kohlenwasserstoffe mit einem höheren Molekulargewicht als Methan, wie Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und sogar Oktan), die üblicherweise mit der Erdgasproduktion verbunden sind Das im Gas vorhandene Gewicht kann ebenfalls erheblich variieren, was wichtige Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion hat. Während die meisten Trockengasspiele in den Vereinigten Staaten bei den derzeit niedrigen Erdgaspreisen wahrscheinlich unwirtschaftlich sind, können Spiele mit einem signifikanten Flüssigkeitsgehalt nur für den Wert der Flüssigkeiten erzeugt werden (der Marktwert von NGLs korreliert eher mit den Ölpreisen als mit Gas Preise), wodurch Gas zu einem im Wesentlichen freien Nebenprodukt wird.

In den späten 1990er Jahren entwickelten Erdgasbohrunternehmen neue Methoden zur Freisetzung von Öl und Erdgas, die in den winzigen Porenräumen von Schiefer eingeschlossen sind. Diese Entdeckung war bedeutsam, weil sie einige der größten Erdgasvorkommen der Welt erschlossen hat.

Der Barnett-Schiefer von Texas war das erste große Erdgasfeld, das in einem Schieferreservoirgestein entwickelt wurde. Die Erzeugung von Gas aus dem Barnett-Schiefer war eine Herausforderung, da die Porenräume im Schiefer so klein sind, dass das Gas Schwierigkeiten hat, durch den Schiefer in den Brunnen zu gelangen. Bohrer entdeckten, dass die Durchlässigkeit des Schiefers erhöht werden konnte, indem Wasser unter einem Druck, der hoch genug war, um den Schiefer zu brechen, in den Brunnen gepumpt wurde. Diese Brüche setzten einen Teil des Gases aus den Porenräumen frei und ließen dieses Gas zum Bohrloch fließen (hydraulisches Brechen, Hydrofracking).

Horizontales Bohren und hydraulisches Brechen revolutionierten die Bohrtechnologie und ebneten den Weg für die Entwicklung mehrerer Riesen Erdgasfelder. Dazu gehören der Marcellus-Schiefer in den Appalachen, der Haynesville-Schiefer in Louisiana und der Fayetteville-Schiefer in Arkansas. Diese riesigen Schieferreservoirs enthalten genug Erdgas, um 20 Jahre oder länger den gesamten Bedarf der Vereinigten Staaten zu decken.

Hydraulische Eigenschaften sind Eigenschaften eines Gesteins wie Durchlässigkeit und Porosität, die seine Fähigkeit widerspiegeln, Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Erdgas zu halten und zu übertragen. In dieser Hinsicht hat Schiefer eine sehr kleine Partikelgröße, so dass die Zwischenräume sehr klein sind. Tatsächlich sind sie so klein, dass Öl, Erdgas und Wasser Schwierigkeiten haben, sich durch den Felsen zu bewegen. Schiefer kann daher als Deckgestein für Öl- und Erdgasfallen dienen und ist auch ein Aquiclude, das den Fluss des Grundwassers blockiert oder begrenzt.

Obwohl die Zwischenräume in einer Schieferformation sehr klein sind, können sie dies Nehmen Sie ein erhebliches Volumen des Gesteins auf. Dies ermöglicht es dem Schiefer, erhebliche Mengen an Wasser, Gas oder Öl aufzunehmen, diese jedoch aufgrund der geringen Permeabilität nicht effektiv zu übertragen. Die Öl- und Gasindustrie überwindet diese Einschränkungen des Schiefers durch horizontales Bohren und hydraulisches Brechen, um künstliche Porosität und Durchlässigkeit im Gestein zu erzeugen.

Einige der im Schiefer vorkommenden Tonmineralien können absorbieren oder adsorbieren große Mengen Wasser, Erdgas, Ionen oder andere Substanzen. Diese Eigenschaft von Schiefer kann es ihm ermöglichen, Flüssigkeiten oder Ionen selektiv und hartnäckig zu halten oder frei freizusetzen.

Somit kann diese Schiefergasressource als technologiegetriebene Ressource angesehen werden, um eine Gasproduktion aus ansonsten unproduktivem Gestein zu erreichen technologieintensive Prozesse. Die Maximierung der Gasrückgewinnung erfordert weitaus mehr Bohrlöcher als dies bei herkömmlichen Erdgasbetrieben der Fall wäre. Darüber hinaus werden häufig horizontale Bohrlöcher mit horizontalen Beinen mit einer Länge von bis zu einer Meile oder mehr verwendet, um den größtmöglichen Zugang zum Reservoir zu erhalten.

Mehrstufiges hydraulisches Brechen (siehe Kapitel 3), bei dem der Schiefer gerissen wird Hohe Drücke an mehreren Stellen entlang des horizontalen Abschnitts des Bohrlochs werden verwendet, um Leitungen zu erzeugen, durch die Gas strömen kann. Die mikroseismische Bildgebung ermöglicht es dem Bediener, zu visualisieren, wo dieses Bruchwachstum im Reservoir auftritt. Als technologiegetriebene Ressource kann die Entwicklungsrate von Schiefergas jedoch durch die Verfügbarkeit der erforderlichen Ressourcen wie Süßwasser, Bruchstütze oder Bohrinseln begrenzt werden, mit denen Brunnen mit einer Länge von zwei Meilen oder mehr gebohrt werden können. P. >