Förenta staternas oljeskifferdepositioner | Karta, geologi och resurser

Innehåll

• Green River Formation:
• -Geologi
• -Historisk utveckling
• -Skala-oljeresurser
• -Andra mineralresurser
• Eastern Devonian-Mississippian Oil Shale:
• -Depositionsmiljö
• -Resurser

Amerikansk oljeskiffer: Karta över områden som understöds av Green River Formation i Colorado, Utah och Wyoming, USA (efter Dyni, 2005) och större områden med ytminerbar Devonian oljeskiffer i östra USA (efter Matthews och andra 1980). Klicka för att förstora kartan.

I USA finns många depositioner av oljeskiffer, från prekambrisk till tertiär ålder. De två viktigaste avsättningarna finns i Eocene Green River Formation i Colorado, Wyoming och Utah och i Devonian-Mississippian black shales i östra USA. Oljeskiffer som är förknippad med kolavlagringar i Pennsylvanian ålder finns också i östra USA. Det är känt att andra insättningar finns i Nevada, Montana, Alaska, Kansas och någon annanstans, men dessa är antingen för små, för låga, eller har ännu inte blivit tillräckligt utforskade (Russell, 1990, s. 82-157) för att vara betraktas som resurser för denna rapport. På grund av deras storlek och klass har de flesta undersökningar fokuserat på Green River och Devonian-Mississippian.

Green River Formation:

-Geologi

Lacustrinsediment av Green River Formation deponerades i två stora sjöar som ockuperade 65 000 km2 i flera sedimentära strukturella bassänger i Colorado, Wyoming och Utah under tidigt till mitten av Eocene. Uinta-berget och dess förlängning österut, Axial Basin anticline, skiljer dessa bassänger. Sjösystemet Green River fanns i mer än 10 miljoner år under en tid med ett varmt tempererat till subtropiskt klimat. Under delar av deras historia stängdes sjöbassängerna och vattnet blev mycket salt.

Fluktuationer i mängden inflödande strömvatten orsakade stora utvidgningar och sammandragningar av sjöarna, vilket framgår av en utbredd sammankoppling av maritiska lakustrinlager med bäddar av mark härledd sandsten och siltsten. Under torra tider sjönk sjöarna, och vattnet blev allt mer salt och alkaliskt. Sjövattenhalten i lösliga natriumkarbonater och klorid ökade, medan de mindre lösliga tvåvärdiga Ca + Mg + Fe-karbonaterna fälldes ut med organiskt rika sediment. Under de torraste perioderna nådde sjövatten salthalt som var tillräckliga för att utfälla bäddar av nahcolite, halit och trona. Sedimentets porvatten var tillräckligt med saltlösning för att fälla ut spridda kristaller av nahcolite, shortite och dawsonite tillsammans med en mängd andra autoritiska karbonat- och silikatmineraler (Milton, 1977).

En anmärkningsvärd aspekt av mineralogin är den fullständiga bristen på autorigena sulfatmineraler. Även om sulfat troligen var en viktig anjon i strömmande vatten som sjönk in i sjöarna, var sulfatjonen antagligen helt konsumerad av sulfatreducerande bakterier i sjön och sedimentvatten enligt följande generaliserade oxidationsreduktionsreaktion:

2CH₂O + SO₄^-2 ? 2HCO₃^-1 + H₂S

Observera att två mol bikarbonat bildas för varje mol sulfat som reduceras. Den resulterande vätesulfiden kan antingen reagera med tillgänglig Fe ++ för att fälla ut som järnsulfidmineraler eller fly från sedimenten som en gas (Dyni, 1998). Andra huvudkällor för karbonat inkluderar kalciumkarbonatutsöndrande alger, hydrolys av silikatmineraler och direkt tillförsel från inflödande strömmar.

De varma alkaliska sjövatten i sjöarna Eocene Green River gav utmärkta förhållanden för den rikliga tillväxten av blågröna alger (cyanobakterier) som anses vara den viktigaste föregångaren för det organiska materialet i oljeskiffer. Under tider med fräschare vatten var sjöarna värd för en mängd olika fiskar, strålar, musslor, gastropods, ostracodes och annan vattenlevande fauna. Områden kring sjöarna stödde en stor och varierad samling av landväxter, insekter, paddor, sköldpaddor, ödlor, ormar, krokodiler, fåglar och många däggdjursdjur (McKenna, 1960; MacGinitie, 1969; och Grande, 1984).

-Historisk utveckling

Förekomsten av oljeskiffer i Green River Formation i Colorado, Utah och Wyoming har varit känt i många år. Under de tidiga 1900-talet konstaterades det tydligt att avsättningarna i Green River var en viktig resurs för skifferolja (Woodruff och Day, 1914; Winchester, 1916; Gavin, 1924). Under denna tidiga period undersöktes Green River och andra avsättningar, inklusive oljeskiffer i den marina fosfororformationen i Permian ålder i Montana (Bowen, 1917; Condit, 1919) och oljeskiffer i tertiära sjöbäddar nära Elko, Nevada (Winchester, 1923).

1967 inledde den amerikanska inrikesdepartementet ett omfattande program för att undersöka kommersialiseringen av oljeskifferavsättningarna i Green River. De dramatiska höjningarna av oljepriserna till följd av OPEC: s oljeembargo 1973-74 utlöste ytterligare en återupplivning av oljeskifferaktiviteter under 1970-talet och in i början av 1980-talet. 1974 anbringades flera paket med offentliga oljeskifferland i Colorado, Utah och Wyoming för ett konkurrenskraftigt anbud under det federala prototyperna för oljeskiffer. Två kanaler hyrdes i Colorado (C-a och C-b) och två i Utah (U-a och U-b) till oljebolag.

Stora underjordiska gruvanläggningar, inklusive vertikala axlar, inlägg i rum och pelare och modifierade retort på plats, byggdes på trakt C-a och C-b, men lite eller ingen skifferolja producerades. Under denna tid utvecklade Unocal Oil Company sina oljeskiffer på privatägda mark på södra sidan av Piceance Creek Basin. Faciliteterna inkluderade en rum-och-pelare gruva med en yta inträde, en 10.000 fat / dag (1.460 ton / dag) retort, och en uppgradering anläggning. Några mil norr om fastigheten Unocal öppnade Exxon Corporation en rum-och-pelargruva med en ytainträde, åkerier, avfallsplats och en vattenlagringsbehållare och dam.

1977-78 öppnade US Bureau of Mines en experimentell gruva som inkluderade en 723 m djup axel med flera rum och pelare in i den norra delen av Piceance Creek-bassängen för att bedriva forskning om de djupare avsättningarna av oljeskiffer, som är blandade med nahcolite och dawsonite. Webbplatsen stängdes i slutet av 1980-talet.

Cirka 80 miljoner dollar spenderades på U-a / U-b-kanalerna i Utah av tre energiföretag för att sjunka en 313 m djup vertikal axel och lutade transportvägen till en högklassig zon av oljeskiffer och för att öppna flera små poster. Andra anläggningar inkluderade en gruvtjänstbyggnad, vatten- och avloppsreningsverk och en vattenhållningsdam.

Seep Ridge-projektet placerade söder om U-a / U-b-kanalerna, finansierade av Geokinetics, Inc. och U.S. Department of Energy, producerade skifferolja med en grund retortingmetod på plats. Flera tusen fat skifferolja producerades.

Den Unocal oljeskifferanläggningen var det sista stora projektet för att producera skifferolja från Green River Formation. Anläggningskonstruktionen började 1980 och kapitalinvesteringarna för att bygga gruvan, retort, uppgradera anläggningen och andra anläggningar var $ 650 miljoner. Unocal producerade 657 000 ton (cirka 4,4 miljoner bbls) skifferolja, som skickades till Chicago för förädling till transportbränslen och andra produkter under ett program som delvis subventionerades av den amerikanska regeringen. Den genomsnittliga produktionshastigheten under de senaste månaderna av verksamheten var cirka 875 ton (cirka 5.900 fat) skifferolja per dag; anläggningen stängdes 1991.

Under de senaste åren inledde Shell Oil Company ett experimentellt fältprojekt för att återvinna skifferolja med en egen teknik in situ. Vissa detaljer om projektet har offentliggjorts och resultaten hittills (2006) verkar gynna fortsatt forskning.

-Skala-oljeresurser

När oljeskifferavsättningarna i Green River i Colorado blev bättre kända ökade uppskattningarna av resursen från cirka 20 miljarder fat 1916, till 900 miljarder fat 1961 och till 1,0 biljoner fat (~ 147 miljarder ton) 1989 (Winchester, 1916, s. 140; Donnell, 1961; Pitman m.fl., 1989). Ett litologiskt avsnitt och en sammanfattning av resurserna från oljeskifferzoner i Piceance Creek-bassängen visas i figur 17.

Green River-skifferresurserna i Utah och Wyoming är inte så välkända som de i Colorado. Trudell m.fl. (1983, s. 57) beräknade de uppmätta och uppskattade resurserna för skifferolja i ett område av cirka 5 200 km² i östra Uinta-bassängen, Utah, till 214 miljarder fat (31 miljarder ton) varav ungefär en tredjedel är i den rika mahogny-skifferzonen. Culbertson m.fl. (1980, s. 17) uppskattade oljeskifferresurserna i Green River Formation i Green River Basin i sydvästra Wyoming till 244 miljarder fat (~ 35 miljarder ton) skifferolja.

Ytterligare resurser finns också i Washakie Basin öster om Green River Basin i sydvästra Wyoming. Trudell m.fl. (1973) rapporterade att flera medlemmar av Green River Formation på Kinney Rim på västra sidan av Washakie Basin innehåller sekvenser av låg till måttlig kvalitet på oljeskiffer i tre kärnhål. Två sekvenser av oljeskiffer i Laney Member, 11 och 42 m tjock, i genomsnitt 63 l / t och representerar så mycket som 8,7 miljoner ton skifferolja på plats per kvadratkilometer. En total uppskattning av resursen i Washakie Basin rapporterades inte på grund av brist på underjordiska data.

-Andra mineralresurser

Förutom fossil energi innehåller oljeskifferavsättningarna i Green River i Colorado värdefulla resurser av natriumkarbonatmineraler inklusive nahcolite (NaHCO)₃) och dawsonite. Båda mineralerna är blandade med högklassig oljeskiffer i den djupa norra delen av bassängen. Dyni (1974) uppskattade den totala nahcolitresursen till 29 miljarder ton. Beard och andra (1974) uppskattade nästan samma mängd nahcolite och 17 miljarder ton dawsonite. Båda mineralerna har värde för soda (Na₂CO3) och dawsonite har också potentiellt värde för aluminiumoxid (Al₂O3) innehåll. Det senare mineralet kommer sannolikt att återvinnas som en biprodukt av en oljeskifferoperation. Ett företag är lösning som bryter nahcolite för tillverkning av natriumbikarbonat i den norra delen av Piceance Creek-bassängen på djup på cirka 600 m (Day, 1998). Ett annat företag stoppade lösningen för gruvdrift nahcolite 2004, men bearbetar nu soda som erhållits från Wyoming tronavlagringar för att tillverka natriumbikarbonat.

Wilkins Peak-medlem i Green River Formation i Green River Basin i sydvästra Wyoming innehåller inte bara oljeskiffer utan också världens största kända resurs för natriumkarbonat som trona (Na)₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O).Tronresursen beräknas till mer än 115 miljarder ton i 22 bäddar från 1,2 till 9,8 m i tjocklek (Wiig m.fl., 1995). 1997 var tronaproduktionen från fem gruvor 16,5 miljoner ton (Harris, 1997). Trona förädlas till soda (Na₂CO₃) används vid tillverkning av flaska och plattglas, bakpulver, tvål och tvättmedel, kemikalier för avfallshantering och många andra industrikemikalier. Ett ton soda erhålls från cirka två ton tronmalm. Wyoming trona tillhandahåller cirka 90 procent av amerikansk soda behov; dessutom exporteras ungefär en tredjedel av den totala producerade sodaaskan i Wyoming.

I den djupare delen av Piceance Creek-bassängen innehåller oljeskifferet Green River en potentiell naturresursresurs, men dess ekonomiska återhämtning är tveksam (Cole och Daub, 1991). Naturgas finns också i oljeskifferavsättningarna i Green River i sydvästra Wyoming, och antagligen i oljeskiffer i Utah, men i okända mängder. En sammanfattning av oljeskiffer och mineralresurser från Green River Formation i Colorado, Wyoming och Utah ges i tabell 8.

Eastern Devonian-Mississippian Oil Shale:

-Depositionsmiljö

Svart organisk rik marinskiffer och tillhörande sediment från sen Devonian och tidig Mississippian ålder ligger under cirka 725 000 km² i östra USA. Dessa skiffer har utnyttjats under många år som en naturresursresurs, men har också betraktats som en potentiell lågklassig resurs för skifferolja och uran (Roen och Kepferle, 1993; Conant och Swanson, 1961).

Under åren har geologer använt många lokala namn på dessa skiffer och tillhörande stenar, inklusive Chattanooga, New Albany, Ohio, Sunbury, Antrim och andra. En grupp papper som beskriver stratigrafi, struktur och gaspotential för dessa bergarter i östra USA har publicerats av U.S. Geological Survey (Roen och Kepferle, 1993).

De svarta skifferen deponerades under sent Devonian och tidig Mississippian tid i ett stort epeiriskt hav som täckte mycket av mellersta och östra USA öster om Mississippi River. Området omfattade den breda, grunda, inre plattformen på väst som graderar österut i Appalachian Basin. Djupet till basen av Devonian-Mississippian black shales sträcker sig från ytbeläggningar på den inre plattformen till mer än 2 700 m längs avlagringsaxeln för Appalachian Basin (de Witt m.fl., 1993, deras pl. 1).

Det sena Devonska havet var relativt grunt med minimal ström och vågverkan, ungefär som miljön där Sveriges Alum Shale deponerades i Europa. En stor del av det organiska ämnet i svartskiffer är amorf bituminit, även om några strukturerade fossila organismer som t.ex. Tasmaniter, Botryococcus, Foerstia, och andra har erkänts. Conodonts och linguloid brachiopods fördelas sparsamt genom vissa sängar. Även om mycket av det organiska materialet är amorft och av osäker ursprung, tros det allmänt att mycket av det härrörde från planktonalger.

I de distala delarna av Devonhavet samlades det organiska ämnet mycket långsamt tillsammans med mycket finkorniga lerosediment i dåligt syresatta vatten fria från grävande organismer. Conant och Swanson (1961, s. 54) uppskattade att 30 cm av den övre delen av Chattanooga-skiffer som placerades på den inre plattformen i Tennessee skulle kunna representera så mycket som 150 000 år av sedimentation.

De svarta skalarna tjockar österut i Appalachian Basin på grund av ökande mängder av klastiska sediment som kastades ut i Devonian havet från Appalachian Highland som ligger öster om bassängen. Pyrit och marcasit är många autentiska mineraler, men karbonatmineraler är bara en mindre del av mineralämnet.

-Resurser

Oljeskifferresursen finns i den delen av inre plattformen där de svarta skifferna är de rikaste och närmast ytan. Även om det länge är känt för att producera olja vid retortering, ger det organiska materialet i Devonian-Mississippian black shale endast ungefär hälften så mycket som det organiska materialet i Green River-oljeskiffer, vilket anses bero på skillnader i typen av organiskt material (eller typ av organiskt kol) i var och en av oljeskifferna. Devonian-Mississippian oljeskiffer har ett högre förhållande av aromatisk till alifatisk organiskt kol än Green River-oljeskiffer och visas med hjälp av materialbalans Fischer-analyser ger mycket mindre skifferolja och en högre procentandel kolrester (Miknis, 1990).

Hydrotorterande Devonian-Mississippian oljeskiffer kan öka oljeavkastningen med mer än 200 procent av det värde som bestäms av Fischer-analysen. Däremot är omvandlingen av organiskt material till olja genom hydroretortering mycket mindre för Green River-oljeskiffer, cirka 130 till 140 procent av Fischer-analysvärdet. Andra marina oljeskiffer svarar också positivt på hydrotortortering, med utbyten så mycket som eller mer än 300 procent av Fischer-analysen (Dyni, m.fl., 1990).

Matthews och andra (1980) utvärderade Devonian-Mississippian oljeskiffer i områden av den inre plattformen där skifferna är tillräckligt rika på organiska ämnen och tillräckligt nära ytan för att kunna brytas av öppen grop. Resultaten av utredningarna i Alabama, Illinois, Indiana, Kentucky, Ohio, Michigan, östra Missouri, Tennessee och West Virginia, indikerade att 98 procent av de nära minsta resurser finns i Kentucky, Ohio, Indiana och Tennessee (Matthews, 1983) .

Kriterierna för utvärderingen av den Devonian-Mississippian oljeskifferresurs som används av Matthews och andra (1980) var:

1. Organiskt kolinnehåll: = 10 viktprocent
2. Överbelastning: = 200 m
3. Avrivningsförhållande: = 2,5: 1
4. Skifferbäddens tjocklek: = 3 m
5. Öppen gruvdrift och hydrotortortering

På grundval av dessa kriterier uppskattades de totala oljeresurserna från Devonian – Mississippia till 423 miljarder fat (61 miljarder ton).