Geologia łupków naftowych

Łupki naftowe, każda skała osadowa zawierająca różne ilości stałego materiału organicznego, który daje produkty ropopochodne, wraz z różnorodnymi stałymi produktami ubocznymi, poddana pirolizie - obróbka polegająca na podgrzaniu skały do ​​temperatury powyżej 300 ° C (około 575 ° F) przy braku tlenu. Ciekły olej wydobywany z łupków po ich ulepszeniu tworzy rodzaj syntetycznej ropy naftowej, powszechnie nazywanej ropą łupkową. Ropa naftowa wytwarzana z łupków ma potencjalną wartość handlową na niektórych rynkach obsługiwanych przez konwencjonalną ropę naftową, ponieważ można ją przerabiać na produkty od oleju napędowego po benzynę (benzynę) po skroplony gaz ropopochodny (LPG). Niektóre stałe produkty uboczne przetwarzania łupków bitumicznych są odpadami nieużytecznymi, ale inne mają wartość handlową. Należą do nich siarka, amoniak, tlenek glinu, soda kalcynowana i nahcolite (mineralna postać wodorowęglanu sodu). Ponadto zużyty łupek ilasty został wykorzystany do produkcji cementu, w którym materiał bogaty w węgiel może poprawić bilans energetyczny mieszanki. Jednocześnie wydobycie łupków naftowych ma potencjalnie znaczący wpływ na środowisko naturalne, w tym na emisję węgla, zużycie wody, zanieczyszczenie wód gruntowych i zaburzenia powierzchni ziemi.

Pojawiło się pewne zamieszanie w odniesieniu do łupków bitumicznych i oleju łupkowego. Do początku XXI wieku terminy te odnosiły się odpowiednio tylko do bogatej w organiczne skały ropy naftowej opisanej w tym artykule oraz do ciekłego produktu otrzymanego z tej skały przez pirolizę. Jednak na początku XXI wieku te same terminy stosowano również do drobnoziarnistych nieprzepuszczalnych skał, które zawierają ropę naftową, oraz do ropy wytwarzanej z tych skał przez szczelinowanie hydrauliczne.

Tworzenie i skład łupków naftowych

Geologiczne pochodzenie

Łupki naftowe powstały z osadów osadzonych w starożytnych jeziorach, morzach i małych lądowych zbiornikach wodnych, takich jak torfowiska i laguny. Łupki roponośne osadzone w dużych basenach jeziornych, szczególnie tych pochodzenia tektonicznego, mają zwykle znaczną grubość części. Mineralogicznie złoża składają się z marglinu lub gliny ilastej, prawdopodobnie związanej z tufem wulkanicznym i mineralnymi osadami odparowującymi. Główne złoża łupków tego rodzaju to ogromne formacje Green River (GRF) w zachodnich Stanach Zjednoczonych, pochodzące z epoki eocenu; łupki naftowe znalezione w Demokratycznej Republice Konga, które zostały złożone w okresie triasu; oraz łupek Albert w New Brunswick, Kanada, pochodzenia Missisipi.

Łupki naftowe zdeponowane w płytkich środowiskach morskich są cieńsze niż łupki pochodzenia jeziornego, ale mają większy zasięg. Frakcja mineralna składa się głównie z gliny i krzemionki, chociaż występują również węglany. Rozległe złoża czarnych łupków tej odmiany powstały w okresie kambryjskim w północnej Europie i na Syberii; okres syluru w Ameryce Północnej; okres permu w południowej Brazylii, Urugwaju i Argentynie; okres jurajski w zachodniej Europie; oraz epoka miocenu okresu neogenu we Włoszech, na Sycylii i w Kalifornii.

Łupki roponośne osadzone w małych jeziorach, torfowiskach i lagunach występują w pokładach węgla. Depozyty tego typu występują w sekwencji znalezionej w Europie Zachodniej, pochodzącej z okresu permu oraz w złożach północno-wschodnich Chin ustanowionych we wczesnej erze kenozoicznej.

Skład chemiczny

Łupki naftowe składają się ze stałej materii organicznej uwięzionej w nieorganicznej matrycy mineralnej. Chemicznie, zawartość minerałów składa się głównie z krzemu, wapnia, glinu, magnezu, żelaza, sodu i potasu w minerałach krzemianowych, węglanowych, tlenkowych i siarczkowych.

Skład chemiczny materii organicznej jest zmienny. Składa się głównie ze złożonych cząsteczek organicznych zawierających wodór i węgiel, a także pewne ilości pierwiastków heteroatomowych, tlenu, azotu i siarki. Elementy heteroatomiczne mają istotny wpływ na właściwości oleju wydobywanego z łupków, często wpływając na wybór procesów ulepszania i rafinacji, a łupki z różnych regionów i różnych źródeł geologicznych są czasami znane z zawartości tych kluczowych pierwiastków. Na przykład łupek naftowy z kukersytu w Estonii jest znany z tego, że jest bogaty w tlen. Łupki naftowe, które powstały w środowisku jezior solnych, takie jak łupki GRF w zachodnich Stanach Zjednoczonych, są zwykle bogate w azot, podczas gdy łupki ropy naftowej, takie jak te znalezione w Maroku, Egipcie, Izraelu i Jordanii, są bogate w siarkę.

Zawartość minerałów

Składniki mineralne łupków bitumicznych różnią się w zależności od rodzaju osadu. Niektóre z nich są prawdziwymi łupkami ilastymi, w których dominują minerały ilaste, takie jak Garden Gulch Member z GRF w Utah. Inne, takie jak Parachute Creek Member z GRF w Kolorado, to kamienie wapienne, zawierające dolomit lub kalcyt, a także minerały krzemianowe, takie jak glina, kwarc i skaleń.

Różne złoża łupków roponośnych wydobywane na całym świecie od początku XX wieku wahały się od łupków ilastych do marglowych i węglanowych. Wszystkie są stosunkowo drobnoziarnistymi skałami osadowymi, ponieważ osady gruboziarnistego osadu, takie jak piasek, nie są kompatybilne z zachowaniem materiału organicznego. Na przykład piaskowiec znaleziony w części GRF w Wyoming znacznie zmniejsza bogactwo organiczne łupków bitumicznych.

W GRF minerały solne, takie jak nahcolite, trona i dawsonit, wraz z wieloma innymi niezwykłymi minerałami, najprawdopodobniej powstały w wyjątkowo zasolonych i uwarstwionych warunkach w wodzie jeziora eoceńskiego. Stratyfikacja chemiczna stworzyłaby ubogie w tlen środowisko bogate w dwutlenek węgla w słonych dolnych warstwach jeziora, co pomogłoby zachować materię organiczną, osadzić minerały nieorganiczne i zniszczyć dużą część gliny przenoszonej jako osad.