Innehåll
- Vad är skiffer?
- Användning av skiffer
- Konventionell olja och naturgas
- Okonventionell olja och naturgas
- Skiffer används för att producera lera
- Skiffer används för att producera cement
- Oljeskiffer
- Skifferens sammansättning
- Färger på skiffer
- Svart och gråskiffer
- Röd, brun och gul skiffer
- Grön skiffer
- Skifferens hydrauliska egenskaper
- Shale Soils tekniska egenskaper
- Expansiva jordar
- Lutningsstabilitet
- Miljöer med skifferdeposition
Skiffer: Skiffer bryts upp i tunna bitar med vassa kanter. Det förekommer i ett brett spektrum av färger som inkluderar rött, brunt, grönt, grått och svart. Det är den vanligaste sedimentära berget och finns i sedimentära bassänger över hela världen.
Vad är skiffer?
Skiffer är en finkornig sedimentär berg som bildas från kompakteringen av slam- och lera-mineralpartiklar som vi vanligtvis kallar "lera." Denna sammansättning placerar skiffer i en kategori av sedimentära bergarter som kallas "lera stenar." Skiffer skiljer sig från andra lerstenar eftersom den är klyvbar och laminerad. "Laminerat" betyder att berget består av många tunna lager. "Fissile" betyder att berget lätt delas upp i tunna bitar längs lamineringarna.
Användning av skiffer
Vissa skiffer har speciella egenskaper som gör dem till viktiga resurser. Svartskiffer innehåller organiskt material som ibland bryts ned för att bilda naturgas eller olja. Andra skiffer kan krossas och blandas med vatten för att producera leror som kan göras till en mängd användbara föremål.
Konventionell olja och naturgasbehållare: Denna ritning illustrerar en "antiklinal fälla" som innehåller olja och naturgas. De grå stenenheterna är ogenomträngliga skiffer. Olja och naturgas bildas i dessa skifferenheter och migrerar sedan uppåt. En del av oljan och gasen fastnar i den gula sandstenen för att bilda en olje- och gasbehållare. Detta är en "konventionell" behållare - vilket innebär att oljan och gasen kan strömma genom sandstenens porutrymme och produceras från brunnen.
Konventionell olja och naturgas
Svarta organiska skiffer är källstenen för många av världens viktigaste olje- och naturgasavlagringar. Dessa skiffer får sin svarta färg från små partiklar av organiskt material som deponerades i leran från vilken skifferen bildades. När leran begravdes och värmdes i jorden omvandlades en del av det organiska materialet till olja och naturgas.
Oljan och naturgas migrerade ut från skifferen och uppåt genom sedimentmassan på grund av deras låga täthet. Oljan och gasen fångades ofta in i porrummen i en överliggande bergsenhet, t.ex. en sandsten (se bild). Dessa typer av olje- och gasavlagringar kallas "konventionella behållare" eftersom vätskorna lätt kan strömma genom bergens porer och in i extraktionsbrunnen.
Även om borrning kan extrahera stora mängder olja och naturgas från reservoarberget, förblir mycket av det fångat in i skifferen. Denna olja och gas är mycket svår att ta bort eftersom den fångas in i små porutrymmen eller adsorberas på lera mineralpartiklar som utgör skiffer.
Okonventionell olje- och gasbehållare: Denna ritning illustrerar den nya tekniken som möjliggör utveckling av okonventionella olje- och naturgasfält. I dessa gasfält hålls oljan och gasen i skiffer eller en annan stenenhet som är ogenomtränglig. För att producera den oljan eller gasen krävs särskild teknik. Den ena är horisontell borrning, i vilken en vertikal brunn avviks från horisontellt så att den kommer att tränga in i ett långt avstånd från reservoarberg. Den andra är hydraulisk sprickbildning. Med denna teknik förseglas en del av brunnen och vatten pumpas in för att ge ett tryck som är tillräckligt högt för att sprida det omgivande berget. Resultatet är en kraftigt sprickad behållare som penetrerats av en lång brunnborrningslängd.
Okonventionell olja och naturgas
I slutet av 1990-talet utvecklade borrföretag för naturgas nya metoder för att frigöra olja och naturgas som fångas in i de små porrummen i skiffer. Denna upptäckt var viktig eftersom den låste upp några av de största naturgasavsättningarna i världen.
Barnett Shale i Texas var det första stora naturgasfältet som utvecklades i en skifferreservoar. Att producera gas från Barnett Shale var en utmaning. Porutrymmena i skiffer är så små att gasen har svårt att röra sig genom skiffer och in i brunnen. Borrmaskiner upptäckte att de kunde öka skifferens permeabilitet genom att pumpa vatten ner i brunnen under tryck som var tillräckligt högt för att sprida skifferen. Dessa sprickor befriade en del av gasen från porrummen och tillät att gasen flödade till brunnen. Denna teknik är känd som "hydraulisk sprickbildning" eller "hydrofracing."
Borrmaskiner lärde sig också att borra ner till skiffernivån och vrida brunnen 90 grader för att borra horisontellt genom skifferbergsenheten. Detta producerade en brunn med en mycket lång "betalzon" genom reservoarbergen (se bild). Denna metod är känd som "horisontell borrning."
Horisontell borrning och hydraulisk sprickbildning revolutionerade borrtekniken och banade vägen för att utveckla flera gigantiska naturgasfält. Dessa inkluderar Marcellus Shale i Appalachians, Haynesville Shale i Louisiana och Fayetteville Shale i Arkansas. Dessa enorma skifferreservoarer har tillräckligt med naturgas för att tjäna alla USA: s behov i tjugo år eller mer.
Skiffer i tegel och kakel: Skiffer används som råmaterial för tillverkning av många typer av tegel, kakel, rör, keramik och andra tillverkade produkter. Tegel och kakel är några av de mest använda och mycket önskade materialen för att bygga hus, väggar, gator och kommersiella strukturer. Bild copyright / Guy Elliott.
Skiffer används för att producera lera
Alla har kontakt med produkter tillverkade av skiffer. Om du bor i ett tegelhus, kör på en tegelväg, bor i ett hus med ett tegeltak eller håller växter i "terra cotta" krukor, har du daglig kontakt med föremål som antagligen är gjorda av skiffer.
För många år sedan gjordes samma föremål av naturlig lera. Emellertid tappades de flesta små leravlagringar av tung användning. Genom att behöva en ny råmaterialkälla upptäckte tillverkarna snart att blandning av finmalen skiffer med vatten skulle ge en lera som ofta hade liknande eller överlägsna egenskaper. Idag har de flesta föremål som en gång producerats av naturliga leror ersatts av nästan identiska föremål gjorda av lera som tillverkats genom att blanda finmalen skiffer med vatten.
Rock & Mineral Kit: Skaffa ett sten-, mineral- eller fossilpaket för att lära dig mer om jordmaterial. Det bästa sättet att lära sig om stenar är att ha exemplar tillgängliga för testning och undersökning.
Skiffer används för att producera cement
Cement är ett annat vanligt material som ofta tillverkas med skiffer. För att göra cement värms krossad kalksten och skiffer till en temperatur som är tillräckligt hög för att avdunsta av allt vatten och bryta ner kalkstenen till kalciumoxid och koldioxid. Koldioxiden förloras som en utsläpp, men kalciumoxiden i kombination med den uppvärmda skifferen gör ett pulver som härdar om det blandas med vatten och får torka. Cement används för att tillverka betong och många andra produkter för byggbranschen.
Oljeskiffer: En sten som innehåller en betydande mängd organiskt material i form av fast kerogen. Upp till 1/3 av berget kan vara fast organiskt material. Detta prov är ungefär fyra tum (tio centimeter) över.
Oljeskiffer
Oljeskiffer är en sten som innehåller betydande mängder organiskt material i form av kerogen. Upp till 1/3 av berget kan vara fast kerogen. Flytande och gasformiga kolväten kan utvinnas från oljeskiffer, men berget måste värmas upp och / eller behandlas med lösningsmedel. Detta är vanligtvis mycket mindre effektivt än borrning av stenar som ger olja eller gas direkt i en brunn. Att utvinna kolväten från oljeskiffer producerar utsläpp och avfallsprodukter som orsakar betydande miljöhänsyn. Detta är en anledning till att världens omfattande oljeskifferavlagringar inte har använts aggressivt.
Oljeskiffer möter vanligtvis definitionen av "skiffer" genom att det är "ett laminerat berg som består av minst 67% lermineraler." Emellertid innehåller det ibland tillräckligt med organiskt material och karbonatmineraler som lermineraler står för mindre än 67% av berget.
Skifferkärnprov: När skiffer borras för utvärdering av olja, naturgas eller mineralresurser återvinns ofta en kärna från brunnen. Stenen i kärnan kan sedan testas för att lära sig om dess potential och hur resursen bäst kan utvecklas.
Skifferens sammansättning
Skiffer är en sten bestående huvudsakligen av lerstorlek mineralkorn. Dessa små korn är vanligtvis lermineraler som illit, kaolinit och smektit. Skiffer innehåller vanligtvis andra mineralpartiklar av lera, såsom kvarts, chert och fältspar. Andra beståndsdelar kan inkludera organiska partiklar, karbonatmineraler, järnoxidmineraler, sulfidmineraler och tunga mineralkorn. Dessa "andra beståndsdelar" i berget bestäms ofta av avsättningens skiffermiljö och bestämmer ofta berget på berget.
Svart skiffer: Organisk rik svartskiffer. Naturgas och olja fångas ibland i de små porrummen i denna skiffer.
Färger på skiffer
Liksom de flesta stenar bestäms ofta skifferens färg av närvaron av specifika material i mindre mängder. Bara några procent av organiska material eller järn kan förändra färgen på en sten betydligt.
Skiffergas spelar: Sedan slutet av 1990-talet har dussintals tidigare icke-produktiva svarta organiska skiffer utvecklats framgångsrikt till värdefulla gasfält. Se artikeln: "Vad är Shale Gas?"
Svart och gråskiffer
En svart färg i sedimentära bergarter indikerar nästan alltid närvaron av organiska material. Bara en eller två procent organiska material kan ge en mörkgrå eller svart färg till berget. Dessutom innebär denna svarta färg nästan alltid att skiffer som bildats av sediment avsatt i en syrebrist miljö. Allt syre som kom in i miljön reagerade snabbt med det sönderfallande organiska skräpet. Om en stor mängd syre var närvarande, skulle det organiska skräpet ha förfallit. En syrefattig miljö ger också de rätta förutsättningarna för bildning av sulfidmineraler som pyrit, ett annat viktigt mineral som finns i de flesta svartskiffer.
Närvaron av organiskt skräp i svartskiffer gör dem till kandidaterna för olje- och gasproduktion. Om det organiska materialet bevaras och värms ordentligt efter begravning kan olja och naturgas produceras. Barnett Shale, Marcellus Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale och andra gasproducerande stenar är alla mörkgrå eller svarta skiffer som ger naturgas. Bakken Shale i North Dakota och Eagle Ford Shale i Texas är exempel på skiffer som ger olja.
Gråskiffer innehåller ibland en liten mängd organiskt material. Gråskiffer kan dock också vara stenar som innehåller kalkhaltiga material eller helt enkelt lermineraler som resulterar i en grå färg.
Utica och Marcellus Shale: Två svarta organiska skiffer i Appalachian Basin tros innehålla tillräckligt med naturgas för att försörja USA under flera år. Dessa är Marcellus Shale och Utica Shale.
Röd, brun och gul skiffer
Skiffer som deponeras i syre-rika miljöer innehåller ofta små partiklar av järnoxid eller järnhydroxidmineraler som hematit, goetit eller limonit. Bara några procent av dessa mineraler som distribueras genom berget kan producera de röda, bruna eller gula färgerna som visas av många skiffer. Närvaron av hematit kan ge en röd skiffer. Närvaron av limonit eller goethite kan ge en gul eller brun skiffer.
Grön skiffer
Grönskiffer finns ibland. Detta borde inte vara överraskande eftersom vissa av lermineraler och micas som utgör mycket av volymen av dessa bergarter är vanligtvis en grönaktig färg.
Naturgasskiffer: På mindre än tio år har skiffer ökat till framträdande inom energisektorn. Nya borr- och brunnutvecklingsmetoder som hydraulisk sprickbildning och horisontell borrning kan tappa på oljan och naturgas som fångas in i den täta matrisen för organiska skiffer. Bild copyright / Edward Todd.
Skifferens hydrauliska egenskaper
Hydrauliska egenskaper är egenskaper hos ett berg som permeabilitet och porositet som återspeglar dess förmåga att hålla och överföra vätskor som vatten, olja eller naturgas.
Skiffer har en mycket liten partikelstorlek, så de mellanliggande utrymmena 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 källberg för olja och naturgasfällor, och det är också ett vattenkraftverk som blockerar eller begränsar grundvattenflödet.
Även om de mellanliggande utrymmena i en skiffer är mycket små, kan de ta upp en betydande volym av berget. Detta gör att skifferen 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 konstgjord porositet och permeabilitet i berget.
En del lermineraler som förekommer i skiffer har förmågan att absorbera eller adsorbera stora mängder vatten, naturgas, joner eller andra ämnen. Denna egenskap av skiffer kan göra det möjligt att selektivt och ihärdigt hålla eller frisläppa vätskor eller joner.
Expansiv jordkarta: USA: s geologiska undersökning har utarbetat en generaliserad expansiv jordkarta för de lägre 48 staterna.
Shale Soils tekniska egenskaper
Skiffer och jordar som härrör från är några av de mest besvärliga materialen att bygga på. De är föremål för förändringar i volym och kompetens som i allmänhet gör dem opålitliga konstruktionsunderlag.
Jordskred: Skiffer är en jordskredbenägen sten.
Expansiva jordar
Lermineralerna i vissa skiffer-härledda jordar har förmågan att absorbera och släppa ut stora mängder vatten. Denna förändring i fuktinnehållet åtföljs vanligtvis av en volymförändring som kan vara så mycket som flera procent. Dessa material kallas "expansiva jordar." När dessa jordar blir våta sväller de, och när de torkar ut krymper de. Byggnader, vägar, verktygslinjer eller andra strukturer placerade på eller inom dessa material kan försvagas eller skadas av krafterna och rörelsen för volymförändring. Expansiva jordar är en av de vanligaste orsakerna till grundskador på byggnader i USA.
Skiffer delta: Ett delta är en sedimentuppsättning som bildas när en ström kommer in i en stående vattenmassa. Strömmens vattenhastighet minskar plötsligt och sedimenten som transporteras sätter sig ner till botten. Deltor är där den största volymen av jordens lera deponeras. Bilden ovan är en satellitvy av Mississippi-deltaet, som visar dess distributionskanaler och mellanfördelningar. Det ljusblå vattnet som omger deltaet är lastat med sediment.
Lutningsstabilitet
Skiffer är den sten som oftast förknippas med skred. Vädring förvandlar skiffer till en lerik jord som normalt har en mycket låg skjuvhållfasthet - särskilt när det är vått. När dessa lågstyrka material är våta och på en brant sluttning, kan de sakta eller snabbt röra sig nerför sluttningen. Överbelastning eller utgrävning av människor leder ofta till misslyckande.
Skiffer på Mars: Skiffer är också en mycket vanlig sten på Mars. Detta foto togs av mastkamera från Mars Curiosity Rover. Den visar tunt bäddade klyvskiffer som överskrider i Gale-krateret. Nyfikenhet borrade hål i klipporna i Gale Crater och identifierade lermineraler i sticklingar. NASA-bild.
Miljöer med skifferdeposition
En ansamling av lera börjar med den kemiska väderutvecklingen av stenar. Denna väderbitning bryter stenarna ned i lermineraler och andra små partiklar som ofta blir en del av den lokala jorden. En regnstorm kan tvätta små partiklar av mark från landet och i bäckar, vilket ger strömmarna ett "lerigt" utseende. När strömmen bromsar ner eller går in i en stående vattenmassa som en sjö, träsk eller hav, slamar lerpartiklarna till botten. Om den är ostörd och begravd kan denna ansamling av lera förvandlas till ett sedimentärt berg som kallas "lera sten." Det är så de flesta skiffer bildas.
Skifferbildningen är inte begränsad till jorden. Mars-roverna har hittat massor av klippor på Mars med sedimentära bergenheter som ser ut precis som skiffer som finns på jorden (se foto).