1.2 Skiffer

Skifferformationer och siltformationer är de vanligaste sedimentära bergarterna i jordskorpan. Inom petroleumsgeologin är organiska skifferformationer källstenar såväl som tätningsstenar som fångar olja och gas (Speight, 2014). Inom reservoarteknik är skifferformationer flödesbarriärer. Vid borrning stöter biten ofta på större skiffervolymer än reservoarsand. Vid seismisk utforskning bildar skifferformationer som gränsar till andra berg ofta bra seismiska reflektorer. Som ett resultat är seismiska och petrofysiska egenskaper hos skifferformationer och förhållandet mellan dessa egenskaper viktiga för både prospektering och reservoarhantering. Skifferformationer är en världsomspännande händelse (se kapitel 2).

Skiffer är en geologisk bergformation rik på lera, som oftast härrör från fina sediment, avsatta i ganska tysta miljöer längst ner i hav eller sjöar och sedan har begravdes under miljontals år. Skifferformationer kan fungera som tryckbarriärer i bassänger, som topptätningar och som reservoarer i skiffergaslekar.

Mer tekniskt är skiffer en klyvbar, terrigen sedimentär sten i vilken partiklar mestadels har silt och lerstorlek. (Blatt och Tracy, 2000). I denna definition avser klyvbar skifferens förmåga att dela sig i tunna lakan längs sängkläderna och terrigen hänvisar till sedimentets ursprung. I många bassänger höjs vätsketrycket i det vattenhaltiga systemet avsevärt, vilket leder till bildandet av en hydrofraktur och vätskeblödning. Emellertid är förekomsten av en naturlig hydrofraktur en osannolik process under de omständigheter som finns i de flesta bassänger.

När en betydande mängd organiskt material har deponerats i sedimenten kan skifferstenen innehålla organiskt fast material (kerogen). Skifferens egenskaper och sammansättning placerar den i den kategori av sedimentära bergarter som kallas lera stenar. Skiffer skiljer sig från andra lerstenar eftersom den är laminerad och klyvbar – skifferna består av många tunna lager och delas lätt i tunna bitar längs lamineringen.

Skiffer består huvudsakligen av lerkorniga mineralkorn, som är vanligtvis lermineraler såsom illit, kaolinit och smektit. Skiffer innehåller vanligtvis andra mineralpartiklar av lerstorlek som kvarts, chert och fältspat. Andra beståndsdelar kan inkludera organiska partiklar, karbonatmineraler, järnoxidmineraler, sulfidmineraler och tunga mineralkorn och närvaron av sådana mineraler i skiffer bestäms av den miljö under vilken skifferbeståndsdelarna var.

Skiffer kommer i två allmänna sorter baserade på organiskt innehåll: i) mörk eller (ii) ljus. Mörkfärgade eller svarta skifferformationer är organiska, medan de ljusare färgade skifferformationerna är organiska mager. Organiska skifferformationer avsattes under förhållanden med lite eller inget syre i vattnet, vilket bevarade det organiska materialet från förfall. Det organiska materialet var mestadels växtrester som hade ackumulerats med sedimentet.

Svarta organiska skifferformationer är källstenen för många av världens olje- och naturgasfyndigheter. Dessa svarta skifferformationer får sin svarta färg från små partiklar av organiskt material som avsattes med leran från vilken skiffern bildades. När lera begravdes och värmdes upp i jorden förvandlades en del av det organiska materialet till olja och naturgas.

En svart färg i sedimentära bergarter indikerar nästan alltid närvaron av organiska material. Bara 1% eller 2% av organiska material kan ge mörkgrå eller svart färg till berget. Dessutom innebär den här svarta färgen nästan alltid att skiffer bildas av sediment som deponeras i en syrebrist miljö. Allt syre som kom in i miljön reagerade snabbt med det förfallna organiska skräpet. Om en stor mängd syre var närvarande skulle det organiska skräpet alla ha sönderfallit. En syrefattig miljö ger också de rätta förutsättningarna för bildandet av sulfidmineraler som pyrit, ett annat viktigt mineral som finns i de flesta svarta skiffer sediment eller formationer.

Närvaron av organiska skräp i svarta skifferformationer gör dem kandidaterna för produktion av olja och gas. Om det organiska materialet bevaras och värms upp ordentligt efter begravningen kan olja och naturgas produceras. Barnett-skiffer, Marcellus-skiffer, Haynesville-skiffer, Fayetteville-skiffer och andra gasproducerande stenar är alla mörkgrå eller svarta skifferformationer som ger naturgas.

Oljan och naturgasen vandrade ut ur skiffer och uppåt genom sedimentmassan på grund av deras låga densitet. Oljan och gasen fångades ofta i porutrymmena i en överliggande bergsenhet, såsom en sandstenformation. Dessa typer av olje- och gasavlagringar är kända som konventionella reservoarer eftersom vätskorna lätt kan flöda genom porerna i berget och in i extraktionsbrunnen.

Varje skifferformation har olika geologiska egenskaper som påverkar hur gas kan produceras, den teknik som behövs och produktionsekonomin. Olika delar av (generellt stora) skifferavlagringar kommer också att ha olika egenskaper: små söta fläckar eller kärnområden kan ge mycket bättre produktion än resten av formationen, ofta på grund av närvaron av naturliga frakturer som förbättrar permeabiliteten (Hunter och Young, 1953).

Mängden naturgasvätskor (NGL: er – kolväten som har en högre molekylvikt än metan, såsom propan, butan, pentan, hexan, heptan och till och med oktan) som vanligtvis förknippas med produktion av naturgas närvarande i gasen kan också variera avsevärt med viktiga konsekvenser för produktionsekonomin. Medan de flesta torrgaslekar i USA troligen är oekonomiska vid de nuvarande låga naturgaspriserna, kan spel med betydande vätskeinnehåll produceras endast för vätskans värde (marknadsvärdet för NGL är korrelerat med oljepriser snarare än gas priser), vilket gör gas till en väsentligen fri biprodukt.

I slutet av 1990-talet utvecklade naturgasborrningsföretagen nya metoder för att frigöra olja och naturgas som är instängd i de små porerna i skiffer. Denna upptäckt var viktig eftersom den låste upp några av de största naturgasfyndigheterna i världen.

Barnett-skiffer i Texas var det första stora naturgasfältet som utvecklades i en skifferreservoarberg. Att producera gas från Barnett-skiffer var en utmaning eftersom porerna i skiffer är så små att gasen har svårt att röra sig genom skiffer och in i brunnen. Borrmaskiner upptäckte att skifferens permeabilitet kunde ökas genom att pumpa ner vatten i källan under tillräckligt högt tryck för att bryta skiffern. Dessa sprickor befriade en del av gasen från porerna och tillät gasen att strömma till brunnen (hydraulisk sprickbildning, hydrofrackning).

Horisontell borrning och hydraulisk sprickbildning revolutionerade borrtekniken och banade väg för att utveckla flera gigantiska naturgasfält. Dessa inkluderar Marcellus-skiffer i Appalachians, Haynesville-skiffer i Louisiana och Fayetteville-skiffer i Arkansas. Dessa enorma skifferreservoarer rymmer tillräckligt med naturgas för att tillgodose alla USA: s behov i 20 år eller mer.

Hydrauliska egenskaper är kännetecken för ett berg som permeabilitet och porositet som återspeglar dess förmåga att hålla och överföra vätskor som vatten, olja eller naturgas. I detta avseende har skiffer en mycket liten partikelstorlek så att mellanrummen är mycket små. De är faktiskt så små att olja, naturgas och vatten har svårt att röra sig genom berget. Skiffer kan därför tjäna som en kappsten för olje- och naturgasfällor och det är också ett vattenfall som blockerar eller begränsar flödet av underjordiskt vatten. ta upp en betydande volym av berget. Detta gör att skiffern kan hålla betydande mängder vatten, gas eller olja men inte effektivt kunna överföra dem på grund av den låga permeabiliteten. Olje- och gasindustrin övervinner dessa begränsningar av skiffer genom att använda horisontell borrning och hydraulisk sprickbildning för att skapa artificiell porositet och permeabilitet i berget.

Några av lermineralerna som förekommer i skiffer har förmågan att absorbera eller adsorbera. stora mängder vatten, naturgas, joner eller andra ämnen. Denna egenskap hos skiffer kan göra det möjligt för den att selektivt och ihärdigt hålla eller frisätta vätskor eller joner.

Således kan denna skiffergasresurs betraktas som en teknologidriven resurs för att uppnå gasproduktion ur annars oproduktivt berg kräver teknikintensiva processer. Maximering av gasåtervinning kräver mycket fler brunnar än vad som skulle vara fallet vid konventionell naturgasdrift. Vidare används horisontella brunnar med horisontella ben upp till en mil eller mer i längd för att komma åt behållaren i största möjliga utsträckning.

Flerstegs hydraulisk sprickbildning (se kapitel 3), där skifferna spricker under höga tryck på flera ställen längs brunnens horisontella sektion, används för att skapa ledningar genom vilka gas kan strömma. Mikroseismisk avbildning gör det möjligt för operatörer att visualisera var denna frakturtillväxt sker i behållaren. Som en teknologidriven resurs kan emellertid utvecklingen av skiffergas begränsas av tillgången på erforderliga resurser, såsom sötvatten, sprickmedel eller borriggar som kan borra brunnar två mil eller mer.