Depositi di scisto bituminoso negli Stati Uniti | Mappa, geologia e risorse

Contenuto

• Formazione di Green River:
• -Geologia
• -Sviluppi storici
• -Shale-Oil Resources
• -Altre risorse minerali
• Scisto bituminoso devoniano-mississippiano orientale:
• Ambiente ambientale
• -Risorse

Scisto bituminoso americano: Mappa delle aree sottoposte alla formazione del Green River in Colorado, Utah e Wyoming, Stati Uniti (dopo Dyni, 2005) e principali aree di scisti bituminosi di scisto bituminoso negli Stati Uniti orientali (dopo Matthews e altri 1980). Clicca per ingrandire la mappa.

Numerosi depositi di scisti bituminosi, che vanno dall'età precambriana all'età terziaria, sono presenti negli Stati Uniti. I due depositi più importanti si trovano nella formazione dell'Eocene Green River in Colorado, Wyoming e Utah e negli scisti neri devoniani-mississippiani negli Stati Uniti orientali. Lo scisto bituminoso associato ai giacimenti di carbone dell'età della Pennsylvania è anche negli Stati Uniti orientali. Altri depositi sono noti per essere in Nevada, Montana, Alaska, Kansas e altrove, ma questi sono o troppo piccoli, di grado troppo basso o non sono ancora stati esplorati abbastanza bene (Russell, 1990, pagg. 82-157) per essere considerato come risorse ai fini della presente relazione. A causa delle loro dimensioni e grado, la maggior parte delle indagini si è concentrata sul Green River e sui depositi Devonian-Mississippian.

Formazione di Green River:

-Geologia

I sedimenti lacustri della Formazione del Green River furono depositati in due grandi laghi che occuparono 65.000 km2 in diversi bacini sedimentari-strutturali in Colorado, Wyoming e Utah durante i primi periodi del medio Eocene. L'elevazione del monte Uinta e la sua estensione verso est, l'antilinea del bacino assiale, separano questi bacini. Il sistema lacustre di Green River esisteva da oltre 10 milioni di anni durante un periodo dal clima temperato caldo a quello subtropicale. Durante alcune parti della loro storia, i bacini lacustri furono chiusi e le acque divennero altamente saline.

Le fluttuazioni della quantità di acque di ruscello in afflusso hanno causato grandi espansioni e contrazioni dei laghi, come evidenziato dalla diffusa intreccio di strati lacustri marnosi con letti di arenaria e siltstone di origine terrestre. Durante i periodi aridi, i laghi si contrarono e le acque divennero sempre più saline e alcaline. Il contenuto di acqua di lago di carbonati di sodio solubili e cloruro è aumentato, mentre i carbonati di Ca + Mg + Fe bivalenti meno solubili sono stati fatti precipitare con sedimenti ricchi di organici. Durante i periodi più aridi, le acque del lago hanno raggiunto salinità sufficienti a far precipitare i letti di nahcolite, halite e trona. Le acque dei pori dei sedimenti erano sufficientemente saline per precipitare cristalli disseminati di nahcolite, shortite e dawsonite insieme a una miriade di altri carbonati autentici e minerali di silicato (Milton, 1977).

Un aspetto degno di nota della mineralogia è la completa mancanza di minerali solfati autentici. Sebbene il solfato fosse probabilmente un grande anione nelle acque del torrente che entravano nei laghi, lo ione solfato era presumibilmente totalmente consumato dai batteri che riducono i solfati nel lago e nelle acque dei sedimenti secondo la seguente reazione generalizzata di riduzione dell'ossidazione:

2CH₂O + SO₄^-2 ? 2HCO₃^-1 + H₂S

Si noti che si formano due moli di bicarbonato per ogni mole di solfato che viene ridotta. Il risultante idrogeno solforato potrebbe reagire con Fe ++ disponibile per precipitare come minerali di solfuro di ferro o fuggire dai sedimenti come gas (Dyni, 1998). Altre importanti fonti di carbonato includono alghe secernenti carbonato di calcio, idrolisi dei minerali di silicato e input diretto da flussi di afflusso.

Le calde acque alcaline dei laghi dell'Eocene Green River hanno fornito condizioni eccellenti per la crescita abbondante di alghe blu-verdi (cianobatteri) che si ritiene siano i principali precursori della materia organica nello scisto bituminoso. Durante i periodi di acque rinfrescanti, i laghi ospitavano una varietà di pesci, razze, bivalvi, gasteropodi, ostracodi e altra fauna acquatica. Le aree periferiche dei laghi sostenevano un grande e variegato assemblaggio di piante terrestri, insetti, anfibi, tartarughe, lucertole, serpenti, coccodrilli, uccelli e numerosi animali di mammifero (McKenna, 1960; MacGinitie, 1969; e Grande, 1984).

-Sviluppi storici

La presenza di scisti bituminosi nella formazione del Green River in Colorado, Utah e Wyoming è nota da molti anni. Durante i primi del 1900, fu chiaramente stabilito che i depositi del Green River costituivano una delle principali risorse di olio di scisto (Woodruff and Day, 1914; Winchester, 1916; Gavin, 1924). Durante questo primo periodo, furono investigati il ​​Green River e altri depositi, tra cui lo scisto bituminoso della formazione marina di fosforia dell'età permiana nel Montana (Bowen, 1917; Condit, 1919) e lo scisto bituminoso nei letti del lago terziario vicino a Elko, Nevada (Winchester, 1923).

Nel 1967, il Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti iniziò un vasto programma per studiare la commercializzazione dei depositi di scisti bituminosi del Green River. I drammatici aumenti dei prezzi del petrolio risultanti dall'embargo petrolifero dell'OPEC del 1973-74 hanno innescato un'altra ripresa delle attività di scisto bituminoso negli anni '70 e nei primi anni '80. Nel 1974 diversi pacchi di terre pubbliche di scisti bituminosi in Colorado, Utah e Wyoming furono messi in gara a titolo del Programma federale di leasing di scisti bituminosi. Due tratti furono noleggiati in Colorado (C-a e C-b) e due nello Utah (U-a e U-b) a compagnie petrolifere.

Grandi strutture minerarie sotterranee, tra cui pozzi verticali, entrate di stanze e pilastri e storte in situ modificate, furono costruite sui Tratti C-a e C-b, ma venne prodotto poco o nessun olio di scisto. Durante questo periodo, Unocal Oil Company stava sviluppando le sue strutture di scisto bituminoso su terreni di proprietà privata sul lato sud del bacino del Piceance Creek. Le strutture includevano una miniera a cielo aperto con un ingresso di superficie, una storta di 10.000 barili / giorno (1.460 tonnellate / giorno) e un impianto di ammodernamento. A poche miglia a nord della proprietà di Unocal, la Exxon Corporation ha aperto una miniera a camera e pilastro con un ingresso di superficie, strade di trasporto, discarica di rifiuti di roccia, un serbatoio di stoccaggio dell'acqua e una diga.

Nel 1977-78, l'Ufficio delle miniere degli Stati Uniti ha aperto una miniera sperimentale che comprendeva un pozzo profondo 723 m con diverse entrate da camera e pilastro nella parte settentrionale del bacino del Piceance Creek per condurre ricerche sui depositi più profondi di scisto bituminoso, che sono mescolati con nahcolite e dawsonite. Il sito fu chiuso alla fine degli anni '80.

Circa tre milioni di dollari sono stati spesi per le tratte U-a / U-b nello Utah da tre compagnie energetiche per affondare un albero verticale profondo 313 m e un modo di trasporto inclinato verso una zona di alto livello di scisto bituminoso e per aprire diverse piccole entrate. Altre strutture includevano un edificio per i servizi minerari, impianti di trattamento delle acque e dei liquami e una diga per la conservazione dell'acqua.

Il progetto Seep Ridge situato a sud dei tratti U-a / U-b, finanziato da Geokinetics, Inc. e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha prodotto olio di scisto con un metodo di replica superficiale in situ. Furono prodotte diverse migliaia di barili di olio di scisto.

L'impianto Unocal di scisto bituminoso è stato l'ultimo grande progetto per la produzione di olio di scisto dalla Green River Formation. La costruzione di impianti iniziò nel 1980 e gli investimenti di capitale per la costruzione di miniere, storta, ammodernamento di impianti e altre strutture ammontavano a $ 650 milioni. Unocal ha prodotto 657.000 tonnellate (circa 4,4 milioni di barili) di olio di scisto, che sono stati spediti a Chicago per la raffinazione di carburanti per il trasporto e altri prodotti nell'ambito di un programma parzialmente finanziato dal governo degli Stati Uniti. Il tasso medio di produzione negli ultimi mesi di funzionamento è stato di circa 875 tonnellate (circa 5.900 barili) di olio di scisto al giorno; la struttura è stata chiusa nel 1991.

Negli ultimi anni, Shell Oil Company ha avviato un progetto sperimentale sul campo per recuperare l'olio di scisto con una tecnica in situ proprietaria. Alcuni dettagli sul progetto sono stati resi pubblici e i risultati fino ad oggi (2006) sembrano favorire la ricerca continua.

-Shale-Oil Resources

Man mano che i giacimenti di scisti bituminosi di Green River in Colorado divennero più noti, le stime della risorsa aumentarono da circa 20 miliardi di barili nel 1916, a 900 miliardi di barili nel 1961 e a 1,0 trilioni di barili (~ 147 miliardi di tonnellate) nel 1989 (Winchester, 1916, p.140; Donnell, 1961; Pitman e altri, 1989). Una figura litologica e un riassunto delle risorse delle zone di scisto bituminoso nel bacino del Piceance Creek sono mostrate nella figura 17.

Le risorse di scisti bituminosi di Green River nello Utah e nel Wyoming non sono così conosciute come quelle del Colorado. Trudell e altri (1983, p. 57) hanno calcolato le risorse misurate e stimate dell'olio di scisto in un'area di circa 5.200 km² nel bacino orientale di Uinta, nello Utah, circa 214 miliardi di barili (31 miliardi di tonnellate) di cui circa un terzo si trova nella ricca zona di mogano-scisto bituminoso. Culbertson e altri (1980, p. 17) stimarono che le risorse di scisto bituminoso nella formazione del Green River nel bacino del Green River nel sud-ovest del Wyoming fossero 244 miliardi di barili (~ 35 miliardi di tonnellate) di olio di scisto.

Ulteriori risorse si trovano anche nel bacino del Washakie a est del bacino del Green River nel sud-ovest del Wyoming. Trudell e altri (1973) riportarono che diversi membri della Green River Formation sul Kinney Rim sul lato ovest del bacino di Washakie contengono sequenze di gradi da bassi a moderati di scisto bituminoso in tre fori centrali. Due sequenze di scisto bituminoso nel Laney Member, spesse 11 e 42 m, in media 63 l / te rappresentano fino a 8,7 milioni di tonnellate di olio di scisto in situ per chilometro quadrato. Una stima totale della risorsa nel bacino di Washakie non è stata riportata per mancanza di dati sul sottosuolo.

-Altre risorse minerali

Oltre all'energia fossile, i giacimenti di scisti bituminosi di Green River in Colorado contengono preziose risorse di minerali di carbonato di sodio incluso nahcolite (NaHCO₃) e dawsonite. Entrambi i minerali sono mescolati con olio di scisto di alta qualità nella parte settentrionale profonda del bacino. Dyni (1974) stimò la risorsa nahcolite totale in 29 miliardi di tonnellate. Beard e altri (1974) stimarono quasi la stessa quantità di nahcolite e 17 miliardi di tonnellate di dawsonite. Entrambi i minerali hanno un valore per il carbonato di sodio (Na₂CO3) e dawsonite ha anche un valore potenziale per la sua allumina (Al₂O3) contenuto. È molto probabile che quest'ultimo minerale venga recuperato come sottoprodotto di un'operazione di scisto bituminoso. Una società sta estraendo la nahcolite di soluzione per la produzione di bicarbonato di sodio nella parte settentrionale del bacino del Piceance Creek a una profondità di circa 600 m (Day, 1998). Un'altra società ha interrotto la soluzione di estrazione di nahcolite nel 2004, ma ora elabora carbonato di sodio ottenuto dai depositi di trona del Wyoming per produrre bicarbonato di sodio.

Il Wilkins Peak Membro della formazione del Green River nel bacino del Green River nel Wyoming sudoccidentale contiene non solo scisto bituminoso ma anche la più grande risorsa conosciuta al mondo di carbonato di sodio naturale come trona (Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O).La risorsa trona è stimata in oltre 115 miliardi di tonnellate in 22 letti con uno spessore compreso tra 1,2 e 9,8 m (Wiig e altri, 1995). Nel 1997, la produzione di trona da cinque miniere era di 16,5 milioni di tonnellate (Harris, 1997). Trona è raffinato in carbonato di sodio (Na₂CO₃) utilizzato nella fabbricazione di bottiglie e vetro piano, bicarbonato di sodio, sapone e detergenti, prodotti chimici per il trattamento dei rifiuti e molti altri prodotti chimici industriali. Una tonnellata di carbonato di sodio è ottenuta da circa due tonnellate di minerale di trona. Wyoming trona fornisce circa il 90 percento del fabbisogno di carbonato di sodio degli Stati Uniti; inoltre, viene esportato circa un terzo del totale del carbonato di sodio prodotto nel Wyoming.

Nella parte più profonda del bacino del Piceance Creek, lo scisto bituminoso del Green River contiene una potenziale risorsa di gas naturale, ma la sua ripresa economica è discutibile (Cole e Daub, 1991). Il gas naturale è presente anche nei depositi di scisti bituminosi del Green River nel sud-ovest del Wyoming e probabilmente nello scisti bituminosi nello Utah, ma in quantità sconosciute. Nella tabella 8 è riportato un riassunto delle risorse di scisti bituminosi e minerali della formazione del Green River in Colorado, Wyoming e Utah.

Scisto bituminoso devoniano-mississippiano orientale:

Ambiente ambientale

Scisti marini neri ricchi di organico e sedimenti associati dell'età tardiva della Devonia e dell'inizio del Mississippiano sono alla base di circa 725.000 km² negli Stati Uniti orientali. Questi scisti sono stati sfruttati per molti anni come una risorsa di gas naturale, ma sono stati anche considerati una potenziale risorsa di basso livello di olio di scisto e uranio (Roen e Kepferle, 1993; Conant e Swanson, 1961).

Nel corso degli anni, i geologi hanno applicato molti nomi locali a questi scisti e alle rocce associate, tra cui Chattanooga, New Albany, Ohio, Sunbury, Antrim e altri. Un gruppo di articoli che descrivono dettagliatamente la stratigrafia, la struttura e il potenziale gassoso di queste rocce negli Stati Uniti orientali sono stati pubblicati dall'US Geological Survey (Roen e Kepferle, 1993).

Gli scisti neri furono depositati durante il periodo tardo devoniano e del primo Mississippiano in un grande mare epeirico che copriva gran parte degli Stati Uniti centrali e orientali a est del fiume Mississippi. L'area comprendeva l'ampia, poco profonda, piattaforma interna a ovest che si dirige verso est nel bacino degli Appalachi. La profondità alla base degli scisti neri devoniani-mississippiani va dalle esposizioni superficiali sulla piattaforma interna a oltre 2.700 m lungo l'asse deposizionale del bacino appalachiano (de Witt e altri, 1993, loro pl.1).

Il tardo Devoniano era relativamente poco profondo con una corrente minima e un'azione ondulatoria, molto simile all'ambiente in cui era stato depositato in Europa l'Alum Shale di Svezia. Gran parte della materia organica nello scisto nero è la bituminite amorfa, sebbene alcuni organismi fossili strutturati come Tasmanites, Botryococcus, Foerstia, e altri sono stati riconosciuti. Conodonti e brachiopodi linguloidi sono distribuiti con parsimonia attraverso alcuni letti. Sebbene gran parte della materia organica sia amorfa e di origine incerta, si ritiene generalmente che gran parte di essa sia derivata da alghe planctoniche.

Nelle parti distali del mare della Devonia, la materia organica si accumula molto lentamente insieme a sedimenti argillosi a grana molto fine in acque scarsamente ossigenate prive di organismi scavatori. Conant e Swanson (1961, p. 54) stimarono che 30 cm della parte superiore della Chattanooga Shale depositata sulla piattaforma interna nel Tennessee potessero rappresentare fino a 150.000 anni di sedimentazione.

Gli scisti neri si addensano verso est nel bacino degli Appalachi a causa delle crescenti quantità di sedimenti clastici che furono versati nel mare della Devonia dall'altopiano appalachiano che si trova ad est del bacino. La pirite e la marcasite sono minerali autentici in abbondanza, ma i minerali carbonatici sono solo una piccola parte della materia minerale.

-Risorse

La risorsa di scisto bituminoso si trova in quella parte della piattaforma interna dove gli scisti neri sono i più ricchi e vicini alla superficie. Sebbene sia noto da tempo per produrre petrolio al momento della replica, la sostanza organica nello scisto nero devoniano-mississippiano produce solo circa la metà della materia organica dello scisto bituminoso del Green River, che si ritiene sia attribuibile alle differenze nel tipo di materia organica (o tipo di carbonio organico) in ciascuno degli scisti bituminosi. Lo scisto bituminoso devoniano-mississippiano ha un rapporto più elevato tra carbonio organico aromatico e alifatico rispetto allo scisto bituminoso di Green River ed è dimostrato dal bilancio materiale che Fischer analizza per produrre molto meno olio di scisto e una percentuale più elevata di residui di carbonio (Miknis, 1990).

Lo scisto bituminoso deviano-mississippiano può aumentare la resa in petrolio di oltre il 200 percento del valore determinato dal dosaggio Fischer. Al contrario, la conversione della materia organica in petrolio mediante idroretortimento è molto meno per lo scisto bituminoso di Green River, circa il 130-140 percento del valore del dosaggio Fischer. Anche altri scisti bituminosi marini rispondono favorevolmente all'idroretortimento, con rese pari o superiori al 300% del dosaggio Fischer (Dyni e altri, 1990).

Matthews e altri (1980) hanno valutato gli scisti bituminosi devoniani-mississippiani in aree della piattaforma interna dove gli scisti sono abbastanza ricchi di materia organica e abbastanza vicini alla superficie per essere minati da una fossa aperta. I risultati delle indagini in Alabama, Illinois, Indiana, Kentucky, Ohio, Michigan, Missouri orientale, Tennessee e West Virginia hanno indicato che il 98 percento delle risorse minerarie vicine alla superficie si trovano in Kentucky, Ohio, Indiana e Tennessee (Matthews, 1983) .

I criteri per la valutazione della risorsa di scisto bituminoso devoniano-mississippiano utilizzata da Matthews e altri (1980) erano:

1. Contenuto di carbonio organico: = 10 percento in peso
2. Sovraccarico: = 200 m
3. Rapporto di strippaggio: = 2,5: 1
4. Spessore del letto di scisto: = 3 m
5. Miniere a cielo aperto e idroretorting

Sulla base di questi criteri, le risorse petrolifere di scisto devoniano-mississippiano sono state stimate in 423 miliardi di barili (61 miliardi di tonnellate).