تعريف النفط الصخري:
يشير مصطلح زيت الصخر الزيتي إلى البترول المُخزّن في تكوينات صخرية نانوية المسام غنية بالمواد العضوية. وهو اختصار لعبارة "زيت الصخر الزيتي العضوي الناضج". يُعدّ الصخر الزيتي صخرة مصدرية وصخرة خزانية للنفط. يوجد زيت الصخر الزيتي في أشكال ممتصة وحرة، وهو خفيف الوزن ومنخفض اللزوجة بشكل عام. يُخزّن بشكل أساسي في حلق المسام النانوية وأنظمة الكسور، موزعًا على طول أو موازٍ للصفائح. يتراكم الصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية بشكل عام على مساحات كبيرة ومتواصلة في وسط الحوض، وهو عادةً ما يكون حاملًا للنفط، وله حجم مورد كبير. تشمل العوامل الرئيسية في تقييم "core منطقة لزيت الصخر الزيتي توزيع مساحة المكمن، ومؤشر هشاشة المكمن، ولزوجة زيت الصخر الزيتي، وطاقة التكوين، وحجم الصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية. يوفر الاستخراج الناجح لغاز الصخر الزيتي مرجعًا فنيًا لاستخراج زيت الصخر الزيتي. تُعدّ تقنيات تحفيز النفاذية الاصطناعية، مثل التكسير وإعادة التكسير الأفقي للآبار، تقنياتٍ أساسيةً للتطوير الفعال للنفط الصخري. من بين موارد النفط الصخري، يُعدّ النفط المُكثّف أو النفط الخفيف النوعين الرئيسيين للإنتاج الصناعي [6،11]. يتراوح قطر جزيئات النفط المُكثّف والخفيف بين 0.5 و0.9 نانومتر. نظريًا، يسهل تدفقها واستخلاصها داخل مسامّ الصخر الزيتي النانوية تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين تحت الأرض.
الخصائص الأساسية لمناطق توزيع النفط الصخري الملائمة:
يختلف النفط الصخري بشكل كبير عن النفط التقليدي المنفصل عن مصدره وخزانه والنفط الصخري المتراكم بالقرب من المصدر من حيث آليات التراكم، ومساحة الخزان، وخصائص السوائل، والتوزيع، في حين يشترك في المزيد من أوجه التشابه مع الغاز الصخري.
التكامل بين المصدر والخزان والاحتفاظ والتراكم:
النفط الصخري هو مثال نموذجي لتراكم النفط يتميز بتكامل المصدر والخزان والاحتفاظ والتراكم والتوزيع المستمر. تعمل الصخور الزيتية الغنية بالمواد العضوية كطبقات مصدر وخزان. وعلى عكس الغاز الصخري، يتكون النفط الصخري في المقام الأول خلال مرحلة توليد الهيدروكربونات السائلة لتطور المادة العضوية. وخلال مرحلة توليد النفط المستمرة للصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية، يتم الاحتفاظ بالنفط وتراكمه داخل خزان الصخر الزيتي، ولا ينتشر أو ينتقل للخارج إلا بعد تشبع خزان الصخر الزيتي نفسه. لذلك، فإن أي صخر زيتي غني بالمواد العضوية في مرحلة توليد الهيدروكربونات السائلة لديه القدرة على تراكم النفط الصخري. وفي الوقت الحاضر، تم اكتشاف زيت الكسر الصخري في الطبقات البحرية لأمريكا الشمالية والطبقات القارية الصينية [12]، ولكن لا توجد تقارير عن اكتشاف النفط الصخري في الطبقة السفلية. غني بالمادة العضوية وذو نضج عالي المادة العضوية هي أساس أن يكون الصخر الزيتي غنيًا بالنفط. قيمة جدول المحتويات لطبقات الزيت الصخري الغنية وعالية الغلة تكون عادةً أكبر من 2%، وقيمة رو تكون عادةً من 0.7% إلى 2.0%، مكونةً زيتًا خفيفًا وزيتًا مكثفًا، مما يُساعد على الإنتاج. حلق المسام النانوية المتطورة وأنظمة الكسر يُطور الزيت الصخري عمومًا صفائح بمقياس المليمتر-السنتيمتر. تتطور حلق المسام النانوية على نطاق واسع في خزانات الزيت الصخري، حيث تتراوح أقطار المسام بشكل أساسي من 50 إلى 300 نانومتر. تتطور المسام على نطاق الميكرون محليًا، وتشمل أنواع المسام المسام بين الحبيبات والمسام داخل الحبيبات والمسام العضوية والمسام بين البلورات. كما أن الكسور الدقيقة متطورة جدًا في خزانات الزيت الصخري، وأنواعها متنوعة. كسور الطبقات الأفقية غير المملوءة هي الكسور الرئيسية، تليها كسور الانكماش. تتطور الكسور الهيكلية الرأسية أو المائلة بالقرب من منطقة الصدع. تتميز معظم الصخور الزيتية بصفائح متطورة، بما في ذلك صفائح المعادن الطينية، وصفائح الكربونات، والصفائح العضوية، والبيريت. ينتشر زيت الصخر الزيتي على نطاق واسع داخل هذه الصفائح، ويتكون من شقوق دقيقة موازية لطبقات الطبقات هذه.
مؤشر هشاشة الخزان مرتفع:
يُعد محتوى المعادن الهشة عاملاً رئيسيًا يؤثر على تطور الكسور الدقيقة في الصخر الزيتي ومحتوى الزيت وطرق تحفيز التكسير. كلما انخفض محتوى المعادن الطينية مثل الكاولينيت والمونتموريلونيت والهيدروميكا في الصخر الزيتي، وارتفع محتوى المعادن الهشة مثل الكوارتز والفلسبار والكالسيت، زادت هشاشة الصخر، مما يجعله أكثر عرضة لتكوين الكسور الطبيعية والمستحثة تحت تأثير القوى الخارجية، مما يسهل استخلاص زيت الصخر الزيتي. تحتوي الصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية في البحيرات الصينية عمومًا على نسبة عالية من المعادن الهشة، تتجاوز 40٪. على سبيل المثال، يحتوي الصخر الزيتي البحيراتي في عضو تشانغ 7 من تكوين يانتشانغ في حوض أوردوس على متوسط محتوى من المعادن الهشة مثل الكوارتز والفلسبار والكالسيت والدولوميت، يصل إلى 41٪. محتوى المعادن الطينية أقل من 50٪. يحتوي الصخر الزيتي في العضوين الفرعيين تشانغ 72 وتشانغ 73 على نسبة عالية من البيريت، بمعدل 9.0%.
ضغط التكوين العالي والنفط الخفيف:
تقع المناطق الغنية بالنفط الصخري في تكوينات صخرية صخرية ناضجة وغنية بالمواد العضوية، ذات إنتاج نفطي كثيف. تتميز هذه المناطق عمومًا بطاقة تكوين عالية، حيث تتراوح معاملات الضغط بين 1.2 و2.0. في بعض التكوينات منخفضة الضغط، مثل تكوين يانتشانغ في حوض أوردوس، تتراوح معاملات الضغط بين 0.7 و0.9 فقط. يتميز النفط عمومًا بخفة وزنه، حيث تتراوح كثافته الخام بين 0.70 و0.85 غ/سم³، وتتراوح لزوجته بين 0.7 و20.0 ملي باسكال/ثانية. تُسهّل نسبة الغاز إلى النفط العالية التدفق والإنتاج في أنظمة مكامن المسام والحنجرة النانوية.
توزيع كبير ومستمر وإمكانات موارد عالية:
لا يخضع توزيع النفط الصخري للتحكم الهيكلي، إذ يفتقر إلى حدود واضحة للمصائد. وبدلاً من ذلك، يُتحكم في نطاقه الحامل للنفط من خلال توزيع الصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية ضمن نافذة توليد النفط. ويُحتفظ بالنفط المُولّد من الصخر الزيتي إلى حد كبير داخل الصخر الزيتي، حيث يُمثل عمومًا ما بين 20% و50% من إجمالي النفط المُولّد، مما يُشير إلى إمكانات كبيرة للموارد. على سبيل المثال، يحتوي الصخر الزيتي من فئة تشانغ 7، الذي يعود إلى العصر الوسيط، في حوض أوردوس (المُركّز في الفئة السفلية من فئة تشانغ 72 ومعظم فئة تشانغ 73) على فترات غنية بالنفط الصخري. وتشير التقديرات الأولية إلى أن موارد النفط الصخري القابلة للاستخراج تتراوح بين 10 ملايين و15 مليون طن. ينتشر الصخر الزيتي البحري في أمريكا الشمالية على نطاق واسع، ويتميز بسماكة مستقرة، ووفرة عالية من المواد العضوية، ونضج عالٍ، مما يُساعد على إنتاج النفط الصخري الخفيف والمُكثّف.
نماذج الرواسب الصخرية الغنية بالمواد العضوية:
يمكن أن يتشكل الصخر الزيتي في البيئات الرسوبية البحرية والانتقالية والبرية. ويتطلب تكوين الصخر الزيتي الأسود الغني بالمواد العضوية شرطين أساسيين: إنتاجية عالية ووفرة في المواد العضوية؛ وظروفًا مواتية لحفظ المواد العضوية الرسوبية وتراكمها وتحويلها.
هناك أربعة نماذج ترسيب رئيسية للصخر الزيتي الأسود الغني بالمواد العضوية: التجاوز البحري (البحيراتي)، وطبقية المياه، والعتبة، وصعود تيار المحيط. في أحواض البحيرات القارية، تحدث ثلاثة نماذج فقط من هذه النماذج: التجاوز، وطبقية المياه، والعتبة. يتضمن نموذج التجاوز ارتفاعًا نسبيًا في مستوى البحيرة، مما يؤدي إلى ظروف نقص الأكسجين على نطاق واسع في المياه العميقة. يسمح هذا بدفن المواد العضوية والحفاظ عليها، مما يشكل الصخر الزيتي الأسود (المقاطع الكثيفة). وعادةً ما يكون هذا أكثر انتشارًا في أحواض المنخفضات. يتضمن نموذج طبقية المياه عرقلة دوران المياه فوق وتحت حوض مستجمعات المياه بسبب الاختلافات في درجة الحرارة أو الملوحة أو عوامل أخرى، مما يؤدي إلى ظروف نقص الأكسجين في المناطق المنخفضة المحلية الراكدة وتكوين الصخر الزيتي الأسود الغني بالمواد العضوية. يُعد التجاوز الطبقي المائي الشكل الأكثر شيوعًا لتكوين الصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية. تُصنف أنماط ترسيب العتبة إلى عتبة عالية وعتبة منخفضة، استنادًا في المقام الأول إلى عمق المياه. يحدث نمط العتبة العالية في الأحواض العميقة، مثل أحواض البحيرات المتصدعة وأحواض البحيرات الأمامية، حيث يمنع هذا النمط تأثير المياه الخارجية على المياه العميقة. ونتيجةً لذلك، يُنشئ التدرج الطبقي المائي بيئةً خاليةً من الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوّن الصخر الزيتي الأسود. أما نمط العتبة المنخفضة، فيحدث في مناطق المياه الضحلة الراكدة (مثل المستنقعات). يستهلك التحلل الحيوي كمياتٍ كبيرةً من الأكسجين، مما يؤدي إلى بيئةٍ مُختزلةٍ والحفاظ على المواد العضوية النباتية الأعلى، مما يؤدي إلى تكوّن الصخر الزيتي الحامل للفحم. السمة الأبرز لنمط العتبة المنخفضة هي غياب التدرج الطبقي المائي.
خلال التقلبات الدورية في منسوب البحيرة، يتغير عمق المياه ومعدلات دخول الرواسب بشكل دوري، مما يؤدي إلى تغيرات منتظمة في إجمالي محتوى الكربون العضوي عبر المقطع الرسوبي. تتميز حدود التسلسل بمياه أكثر ضحالة، وتراكم سريع للرواسب، وأكسدة نشطة، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض قيم إجمالي الكربون العضوي عبر المقطع. بالقرب من أقصى سطح فيضان للبحيرة، يكون إمداد الرواسب بطيئًا، مما يؤدي إلى ترسيب غير مُعوّض. تتميز المادة العضوية بثراء نسبي، وغالبًا ما تكون مستويات الكربون العضوي الكلي فيها قصوى. تُعد هذه الفترة الكثيفة الفترة الأنسب للصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية في التسلسل. ومع ذلك، لا تتشكل فترات كثيفة بالقرب من أقصى سطح فيضان للبحيرة في جميع أحواض البحيرات. تختلف أحواض البحيرات القارية في نوع الحوض ومرحلة تطوره، وبسبب عوامل مثل صغر مساحة الحوض، وتعدد مصادره، وتقلبات منسوب البحيرة، فإن التوزيع الرأسي للصخر الزيتي الغني بالمواد العضوية داخل التسلسل معقد. يمكن أن تحدث فترات كثيفة في أحواض البحيرات المتصدعة في شرق الصين في الجزء السفلي من مناطق الأنظمة ذات المنحدرات العالية أو داخل مناطق الأنظمة المتعدية. تقع الأحواض في الغرب الأوسط بشكل أساسي داخل مناطق الأنظمة المتعدية.
تعد الولايات المتحدة رائدة عالميًا في إنتاج النفط الصخري، حيث يتم العثور على النفط الصخري بشكل أساسي في العديد من الأحواض التمثيلية:
باكن شيل: تقع في ولايتي داكوتا الشمالية ومونتانا، وكانت أول منطقة لإنتاج النفط الصخري في الولايات المتحدة تُحقق إنتاجًا صناعيًا واسع النطاق. يعتمد إنتاج النفط بشكل أساسي على النفط الخام الخفيف، بكثافة تتراوح بين 0.79 و0.85 غ/سم³ ولزوجة منخفضة، مما يُسهّل استخراجه. أما حوض برميان، الممتد بين تكساس ونيو مكسيكو، فيتميز بخزانات كثيفة ومتواصلة غنية بالنفط الخفيف والمكثفات، مما يجعله المنطقة الرئيسية لإنتاج النفط الصخري في الولايات المتحدة.
يشتهر صخور إيجل فورد الصخرية، الواقعة في جنوب تكساس، بارتفاع نسبة الكربون العضوي الكلي (جدول المحتويات) ودرجة نضجها العالية. كما أن نفطها الخفيف ونسبة الغاز إلى النفط العالية تجعلها مناسبة للإنتاج باستخدام تقنية التكسير الكمي الأفقي.
يتشابه النفط الصخري في هذه المناطق مع النفط الصخري في الصين في خصائصه:
غني بالمواد العضوية وناضج للغاية (رو عادة ما يكون من 0.7% إلى 2.0%)؛
مسام نانوية متطورة وأنظمة كسور دقيقة، مما يؤدي إلى استمرارية جيدة للخزان؛
زيت خفيف ولزوجة منخفضة، مما يسمح بالتدفق السهل؛
تكنولوجيا تحفيز التكسير الناضجة، مع الآبار الأفقية بالإضافة إلى التكسير متعدد المراحل كطريقة الإنتاج الأساسية.
جدوى إنتاج الرفع الاصطناعي للنفط الصخري:
تتكون مكامن النفط الصخري بشكل أساسي من مسام نانوية، مما يؤدي إلى انخفاض نفاذية النفط والغاز الطبيعية. لذلك، غالبًا ما يكون الرفع الاصطناعي ضروريًا لزيادة إنتاج الآبار. تشمل الطرق الشائعة ما يلي:
مضخة قضيب الشفط (خطة إعادة الهيكلة الاستراتيجية)
المزايا: تكنولوجيا ناضجة، تشغيل بسيط، مناسب للآبار ذات القطر الصغير واللزوجة العالية؛
العيوب: تتأثر الكفاءة بشكل كبير بالعمق ولزوجة الزيت، مما يجعلها غير مناسبة لتكوينات الصخر الزيتي النانوية ذات النفاذية المنخفضة للغاية.
مضخة غاطسة كهربائية (الإدراك الحسي الإلكتروني) / مضخة تجويف تقدمية (بي سي بي)
الإدراك الحسي الإلكتروني: مناسب للآبار ذات القطر الكبير والإنتاجية العالية، ويعمل بشكل أفضل مع النفط الخفيف واللزوجة المنخفضة، ويمكّن من الإنتاج المستمر؛
بي سي بي: مناسب للآبار ذات العائد المتوسط إلى المنخفض واللزوجة العالية، ويمكنه التعامل مع بعض الآبار ذات المحتوى العالي من الرمل أو الشمع.
بالنسبة للنفط الصخري الخفيف في الولايات المتحدة (مثل الزيت الصخري في إيجل فورد وباكن)، فإن المضخات الأنبوبية تكون أكثر ملاءمة بسبب لزوجة الزيت المنخفضة، والإنتاجية العالية، وملاءمة جسم المضخة للآبار الأفقية أو المقاطع الأفقية الطويلة.