Schieferformationen (hauptsächlich bestehend aus mineralischen Körnern in Tongröße) sind die am häufigsten vorkommenden Sedimentgesteine ​​in der Erdkruste. Organische Schieferformationen sind Quellgesteine ​​sowie Reservoir- und Deckgesteine, die Öl und Gas einfangen (Speight, 2014a). . Schiefer ist ein spaltbares (bezogen auf die Fähigkeit des Schiefers, sich entlang der Einstreu in dünne Schichten aufzuspalten), terrigenes (bezogen auf den Ursprung des Sediments) Sedimentgestein, in dem Partikel größtenteils aus Schlamm und Ton bestehen (Blatt und Tracy, 2000). .

Schiefer gibt es in zwei allgemeinen Sorten, basierend auf dem organischen Gehalt: (1) dunkel oder (2) hell. Dunkle oder schwarze Schieferformationen sind organisch reich, während die helleren Schieferformationen organisch mager sind. Organisch reiche Schieferformationen wurden unter Bedingungen von wenig oder keinem Sauerstoff im Wasser abgelagert, wodurch das organische Material vor dem Zerfall bewahrt wurde. Die organische Substanz bestand hauptsächlich aus Pflanzenresten, die sich mit dem Sediment angesammelt hatten. Das Vorhandensein von organischen Ablagerungen in Schwarzschieferformationen macht die Formationen zu Kandidaten für die Erzeugung von Öl und Gas. Wenn das organische Material nach der Beerdigung mit Öl konserviert und richtig erhitzt wird, kann Erdgas entstehen. Der Marcellus-Schiefer, der Appalachian-Schiefer, der Haynesville-Schiefer und der Eagle Ford-Schiefer sowie der Barnett-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer und andere gasproduzierende Gesteine ​​sind allesamt dunkelgraue oder schwarze Schieferformationen, die Erdgas liefern (Speight, 2013c). .

Schieferformationen sind in Sedimentbecken allgegenwärtig, weshalb die wichtigsten organisch reichen Schieferformationen in den meisten Regionen der Welt bereits identifiziert wurden. Die Tiefen variieren von oberflächennahen bis zu mehreren 1000 Fuß unter Tage, während die Dicke von einigen zehn Fuß bis zu mehreren hundert Fuß variiert. Jede Schieferformation weist jedoch unterschiedliche geologische Merkmale auf, die sich auf die Art und Weise der Gasproduktion, die benötigten Technologien und die Wirtschaftlichkeit der Produktion auswirken (Scouten, 1990, Speight, 2012).

Die Menge an Erdgasflüssigkeiten (NGLs - Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan und sogar Octan), die üblicherweise mit der Erdgasproduktion im Gas verbunden sind, kann ebenfalls erheblich variieren, was wichtige Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion hat. Obwohl die meisten Trockengasquellen in den Vereinigten Staaten bei niedrigen Erdgaspreisen unwirtschaftlich sind, können Quellen mit einem signifikanten Flüssigkeitsgehalt nur für den Wert der Flüssigkeiten erzeugt werden (der Marktwert von NGLs korreliert eher mit dem Ölpreis als mit dem Gaspreis). Gas zu einem im wesentlichen freien Nebenprodukt machen.

Das Barnett Shale of Texas war das erste große Erdgasfeld, das in einem Schieferreservoir-Gestein entwickelt wurde. Die Gewinnung von Gas aus dem Barnett-Schiefer war eine Herausforderung, da die Porenräume im Schiefer so klein sind, dass sich Gas nur schwer durch den Schiefer und in den Brunnen bewegen kann. Es war notwendig, den Schiefer zu brechen, um das Gas aus den Porenräumen zu befreien und das Gas zum Bohrloch fließen zu lassen.

Die Gewinnung von Erdgas aus Schiefergaslagerstätten (unter Verwendung von Hydrofracking- und Hydrofracking-Verfahren) hat sich bei zahlreichen Vorgängen in verschiedenen Schiefergaslagerstätten in Nordamerika als möglich erwiesen. Eine Maximierung der Reservoirproduktionsfähigkeit kann jedoch nur durch ein gründliches Verständnis des Vorkommens und der Eigenschaften der Schiefergasressourcen sowie der Produktionsfähigkeit des Gases aus dem Reservoir erreicht werden (Kundert und Mullen, 2009). Obwohl dies ein klarer Fokus ist, müssen diese zeigen, wie wichtig eine gründliche Charakterisierung eines Schiefergasreservoirs ist und wie sich Erdmaterialien über verschiedene Zeitskalen verformen und wie sich dies auf den aktuellen Spannungszustand in der Kruste auswirkt (Speight, 2012) , 2014a).

Obwohl die Schiefergasressourcen einen erheblichen Teil der gegenwärtigen und zukünftigen Produktion ausmachen, ist die Zusammensetzung des gesamten Schiefergases nicht konstant, und die Anforderungen an die Gasaufbereitung für Schiefergas können von Gebiet zu Gebiet variieren (Schettler et al., 1989, Bullin und Krouskop, 2008, Wihbey, 2009, Weiland und Hatcher, 2012).

1.2 Schiefer

Schieferformationen und Schlickformationen sind die am häufigsten vorkommenden Sedimentgesteine ​​in der Erdkruste. In der Erdölgeologie sind organische Schieferformationen sowohl Quellgesteine ​​als auch Robbengesteine, die Öl und Gas einfangen (Speight, 2014). In der Reservoirtechnik sind Schieferformationen Strömungsbarrieren. Beim Bohren stößt der Meißel häufig auf ein größeres Schiefervolumen als Reservoirsande. Bei der seismischen Erkundung bilden Schieferformationen, die sich mit anderen Gesteinen verbinden, häufig gute seismische Reflektoren. Infolgedessen sind die seismischen und petrophysikalischen Eigenschaften von Schieferformationen und die Beziehungen zwischen diesen Eigenschaften sowohl für die Exploration als auch für das Reservoirmanagement wichtig. Schieferformationen sind weltweit verbreitet (siehe Kapitel 2).

Schiefer ist eine geologische Gesteinsformation, die reich an Lehm ist und in der Regel aus feinen Sedimenten stammt, die in relativ ruhiger Umgebung am Grund von Meeren oder Seen abgelagert wurden und dann im Laufe von Millionen von Jahren vergraben wurden. Schieferformationen können als Druckbarrieren in Becken, als obere Dichtungen und als Reservoire in Schiefergasspielen dienen.

Technisch gesehen ist Schiefer ein spaltbares, terrigenes Sedimentgestein, in dem die Partikel größtenteils aus Schlick und Ton bestehen (Blatt und Tracy, 2000). In dieser Definition spaltbar bezieht sich auf die Fähigkeit des Schiefers, sich entlang der Einstreu und in dünne Blätter zu teilen terrigenous bezieht sich auf die Herkunft des Sediments. In vielen Becken steigt der Flüssigkeitsdruck des wässrigen Systems erheblich an, was zur Bildung einer Hydrofraktur und zum Abfließen der Flüssigkeit führt. Das Auftreten einer natürlichen Hydrofraktur ist jedoch unter den in den meisten Becken vorherrschenden Umständen ein unwahrscheinlicher Vorgang.

Wenn eine signifikante Menge organischer Substanz in den Sedimenten abgelagert wurde, kann das Schiefergestein organisches festes Material (Kerogen) enthalten. Die Eigenschaften und die Zusammensetzung des Schiefers lassen es in die Kategorie der Sedimentgesteine ​​fallen, die als bekannt sind Schlammsteine. Schiefer unterscheidet sich von anderen Schlammsteinen dadurch, dass er laminiert und spaltbar ist - der Schiefer besteht aus vielen dünnen Schichten und zerfällt leicht in dünne Stücke entlang der Laminierungen.

Schiefer besteht hauptsächlich aus tongroßen Mineralkörnern, bei denen es sich normalerweise um Tonmineralien wie Illit, Kaolinit und Smektit handelt. Schiefer enthält normalerweise andere tongroße Mineralpartikel wie Quarz, Chert und Feldspat. Andere Bestandteile können organische Teilchen, Carbonatmineralien, Eisenoxidmineralien, Sulfidmineralien und schwere Mineralkörner sein, und das Vorhandensein solcher Mineralien in Schiefer wird durch die Umgebung bestimmt, unter der sich die Schieferbestandteile befanden.

Schiefer gibt es in zwei allgemeinen Sorten, basierend auf dem organischen Gehalt: (i) dunkel oder (ii) hell. Dunkle oder schwarze Schieferformationen sind organisch reich, während die helleren Schieferformationen organisch mager sind. Organisch reiche Schieferformationen wurden unter Bedingungen von wenig oder keinem Sauerstoff im Wasser abgelagert, wodurch das organische Material vor dem Zerfall bewahrt wurde. Die organische Substanz bestand hauptsächlich aus Pflanzenresten, die sich mit dem Sediment angesammelt hatten.

Schwarze organische Schieferformationen sind das Ausgangsgestein für viele der Erdöl- und Erdgasvorkommen der Welt. Diese schwarzen Schieferformationen erhalten ihre schwarze Farbe aus winzigen Partikeln organischer Substanz, die mit dem Schlamm, aus dem sich der Schiefer gebildet hat, abgelagert wurden. Während der Schlamm in der Erde vergraben und erwärmt wurde, wurde ein Teil des organischen Materials in Öl und Erdgas umgewandelt.

Eine schwarze Farbe in Sedimentgesteinen weist fast immer auf organische Stoffe hin. Nur 1% oder 2% der organischen Materialien können dem Gestein eine dunkelgraue oder schwarze Farbe verleihen. Darüber hinaus impliziert diese schwarze Farbe fast immer, dass sich der Schiefer aus Sedimenten gebildet hat, die sich in einer sauerstoffarmen Umgebung abgelagert haben. Jeglicher Sauerstoff, der in die Umgebung gelangte, reagierte schnell mit den verfallenden organischen Ablagerungen. Wenn eine große Menge Sauerstoff vorhanden wäre, wären alle organischen Ablagerungen zerfallen. Eine sauerstoffarme Umgebung bietet auch die geeigneten Bedingungen für die Bildung von Sulfidmineralien wie Pyrit, einem weiteren wichtigen Mineral, das in den meisten Schwarzschiefersedimenten oder -formationen vorkommt.

Das Vorhandensein von organischen Ablagerungen in Schwarzschieferformationen macht sie zu Kandidaten für die Öl- und Gasförderung. Wenn das organische Material nach dem Vergraben konserviert und ordnungsgemäß erhitzt wird, können Öl und Erdgas erzeugt werden. Der Barnett-Schiefer, der Marcellus-Schiefer, der Haynesville-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer und andere gasproduzierende Gesteine ​​sind allesamt dunkelgraue oder schwarze Schieferformationen, die Erdgas liefern.

Das Öl und das Erdgas wanderten aufgrund ihrer geringen Dichte aus dem Schiefer nach oben durch die Sedimentmasse. Das Öl und das Gas wurden häufig in den Porenräumen einer darüber liegenden Gesteinseinheit wie einer Sandsteinformation eingeschlossen. Diese Arten von Öl- und Gasvorkommen sind bekannt als konventionelle Stauseen weil die Flüssigkeiten leicht durch die Poren des Gesteins in den Förderbrunnen fließen können.

Schieferformationen sind in Sedimentbecken allgegenwärtig: Sie machen in der Regel etwa 80% der Bohrungen eines Brunnens aus. Infolgedessen wurden die wichtigsten organisch reichen Schieferformationen in den meisten Regionen der Welt bereits identifiziert. Ihre Tiefen variieren von oberflächennahen bis zu mehreren tausend Fuß unter Tage, während ihre Dicke von mehreren zehn Fuß bis zu mehreren hundert Fuß variiert. Häufig ist genug über die geologische Vorgeschichte bekannt (Tabelle 1.2), um darauf schließen zu können, welche Schieferformationen wahrscheinlich Gas (oder Öl oder eine Mischung aus beiden) enthalten. In diesem Sinne scheint es keinen wirklichen Bedarf an größeren Explorationsbemühungen und -kosten für Schiefergas zu geben. Die Menge des vorhandenen Gases und insbesondere die Menge des Gases, die technisch und wirtschaftlich zurückgewonnen werden kann, kann jedoch erst bekannt werden, wenn eine Reihe von Bohrlöchern gebohrt und getestet wurden.

Tabelle 1.2. Die geologische Zeitskala

EpocheZeitraumEpocheUngefähre Dauer (Millionen von Jahren)Ungefähre Anzahl von Jahren (Millionen von Jahren)
CenozoicQuartärHolozänVor 10.000 Jahren bis heute
Pleistozän-20.01
TertiärPliozän112
Miozän1213
Oligozän1125
Eozän2236
Paläozän7158
MesozoikumKreide7165
Jura54136
Trias35190
PaläozoikumPermian55225
Kohlenstoffhaltig65280
Devonian60345
Silur20405
Ordovician75425
Cambrian100500
Pre-Cambrian3380600

Jede Schieferformation weist unterschiedliche geologische Merkmale auf, die sich auf die Art und Weise der Gasproduktion, die benötigten Technologien und die Wirtschaftlichkeit der Produktion auswirken. Verschiedene Teile der (im Allgemeinen großen) Schiefervorkommen weisen auch unterschiedliche Merkmale auf: kleine süße Flecken oder Kerngebiete kann eine viel bessere Produktion liefern als der Rest der Formation, oft aufgrund des Vorhandenseins natürlicher Brüche, die die Permeabilität verbessern (Hunter und Young, 1953).

Die Menge an Erdgas, die in der Erdgasproduktion enthalten ist, kann ebenfalls beträchtlich variieren, was wichtige Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion hat. Während die meisten Trockengasspiele in den Vereinigten Staaten bei den derzeit niedrigen Erdgaspreisen wahrscheinlich unwirtschaftlich sind, können Spiele mit erheblichem Flüssigkeitsgehalt nur für den Wert der Flüssigkeiten hergestellt werden (der Marktwert von NGLs korreliert eher mit dem Ölpreis als mit dem Gaspreis Dies macht Gas zu einem im Wesentlichen freien Nebenprodukt.

In den späten 1990er Jahren entwickelten Erdgasbohrunternehmen neue Methoden zur Freisetzung von Öl und Erdgas, die in den winzigen Porenräumen des Schiefers eingeschlossen sind. Diese Entdeckung war bedeutsam, weil sie einige der größten Erdgasvorkommen der Welt erschlossen hat.

Der Barnett-Schiefer von Texas war das erste große Erdgasfeld, das in einem Schieferreservoir-Gestein entwickelt wurde. Die Gewinnung von Gas aus dem Barnett-Schiefer war eine Herausforderung, da die Porenräume im Schiefer so klein sind, dass das Gas Schwierigkeiten hat, sich durch den Schiefer und in den Brunnen zu bewegen. Bohrer entdeckten, dass die Durchlässigkeit des Schiefers erhöht werden konnte, indem Wasser unter einem Druck, der hoch genug war, um den Schiefer zu brechen, in den Brunnen gepumpt wurde. Diese Risse setzten einen Teil des Gases aus den Porenräumen frei und ermöglichten es dem Gas, zum Bohrloch zu fließen (hydraulisches Aufbrechen, Hydrofracken).

Das Horizontalbohren und das Hydrofracking revolutionierten die Bohrtechnik und ebneten den Weg für die Erschließung mehrerer riesiger Erdgasfelder. Dazu gehören der Marcellus-Schiefer in den Appalachen, der Haynesville-Schiefer in Louisiana und der Fayetteville-Schiefer in Arkansas. Diese riesigen Schieferreservoire enthalten genug Erdgas, um 20 Jahre oder länger den gesamten Bedarf der Vereinigten Staaten zu decken.

Hydraulische Eigenschaften sind Eigenschaften eines Gesteins wie Durchlässigkeit und Porosität, die seine Fähigkeit widerspiegeln, Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Erdgas zu halten und zu übertragen. In dieser Hinsicht hat Schiefer eine sehr kleine Partikelgröße, so dass die Zwischenräume sehr klein sind. Tatsächlich sind sie so klein, dass Öl, Erdgas und Wasser Schwierigkeiten haben, sich durch den Fels zu bewegen. Schiefer kann daher als Deckgestein für Erdöl- und Erdgasfallen dienen und ist auch ein Wassersperrstoff, der den Fluss des Grundwassers blockiert oder begrenzt.

Obwohl die Zwischenräume in einer Schieferformation sehr klein sind, können sie ein erhebliches Volumen des Gesteins einnehmen. Dadurch kann der Schiefer erhebliche Mengen an Wasser, Gas oder Öl aufnehmen, diese aber aufgrund der geringen Permeabilität nicht effektiv übertragen. Die Öl- und Gasindustrie überwindet diese Einschränkungen des Schiefers, indem sie horizontale Bohrungen und hydraulisches Brechen anwendet, um künstliche Porosität und Permeabilität im Gestein zu erzeugen.

Einige der im Schiefer vorkommenden Tonmineralien können große Mengen an Wasser, Erdgas, Ionen oder anderen Substanzen absorbieren oder adsorbieren. Diese Eigenschaft von Schiefer kann es ihm ermöglichen, Flüssigkeiten oder Ionen selektiv und zäh zu halten oder frei freizusetzen.

Somit kann diese Schiefergasressource als technologiegetriebene Ressource betrachtet werden, da die Erzielung einer Gasproduktion aus ansonsten unproduktivem Gestein technologieintensive Prozesse erfordert. Die Maximierung der Gasgewinnung erfordert weitaus mehr Bohrlöcher als dies bei herkömmlichen Erdgasbetrieben der Fall wäre. Darüber hinaus werden häufig horizontale Bohrlöcher mit horizontalen Beinen bis zu einer Länge von einer Meile oder mehr verwendet, um den größtmöglichen Zugang zum Reservoir zu erhalten.

Mehrstufiges Hydrofracking (siehe Kapitel 3), bei dem der Schiefer an mehreren Stellen entlang des horizontalen Abschnitts des Bohrlochs unter hohem Druck gerissen wird, wird verwendet, um Leitungen zu erstellen, durch die Gas strömen kann. Die mikroseismische Bildgebung ermöglicht es dem Bediener zu visualisieren, wo dieses Bruchwachstum im Reservoir auftritt. Als technologiegetriebene Ressource kann die Entwicklungsrate von Schiefergas jedoch durch die Verfügbarkeit erforderlicher Ressourcen wie Süßwasser, Bruchstützmittel oder Bohrinseln, die in der Lage sind, Bohrlöcher mit einer Länge von zwei Meilen oder mehr zu bohren, begrenzt werden.

Artikel von: Hobart M. King, Ph.D., RPG

Schiefer: Schiefer bricht in dünne Stücke mit scharfen Kanten. Es kommt in einer Vielzahl von Farben vor, darunter Rot, Braun, Grün, Grau und Schwarz. Es ist das am häufigsten vorkommende Sedimentgestein und kommt weltweit in Sedimentbecken vor.

Was ist Schiefer?

Schiefer ist ein feinkörniges Sedimentgestein, das sich aus der Verdichtung von Schlick und tongroßen Mineralpartikeln bildet, die wir gemeinhin als "Schlamm" bezeichnen. Diese Komposition ordnet Schiefer in eine Kategorie von Sedimentgesteinen ein, die als "Schlammsteine" bekannt sind. Schiefer unterscheidet sich von anderen Schlammsteinen dadurch, dass er spaltbar und laminiert ist. "Laminiert" bedeutet, dass das Gestein aus vielen dünnen Schichten besteht. "Spaltbar" bedeutet, dass sich das Gestein entlang der Lamellen leicht in dünne Stücke aufspaltet.

Verwendung von Shale

Einige Schiefer haben spezielle Eigenschaften, die sie zu wichtigen Ressourcen machen. Schwarzschiefer enthalten organisches Material, das manchmal zu Erdgas oder Öl zerfällt. Andere Schiefer können zerkleinert und mit Wasser gemischt werden, um Tone zu erzeugen, die zu einer Vielzahl nützlicher Objekte verarbeitet werden können.

Konventioneller Öl- und Erdgasbehälter: Diese Zeichnung zeigt eine "Antiklinikfalle", die Öl und Erdgas enthält. Die grauen Gesteinsblöcke sind undurchlässiger Schiefer. Öl und Erdgas bilden sich in diesen Schiefereinheiten und wandern dann nach oben. Ein Teil des Öls und Gases wird im gelben Sandstein eingeschlossen und bildet ein Öl- und Gasreservoir. Dies ist ein "herkömmliches" Reservoir - das bedeutet, dass Öl und Gas durch den Porenraum des Sandsteins fließen und aus dem Bohrloch gefördert werden können.

Konventionelles Öl und Erdgas

Schwarze organische Schiefer sind das Ausgangsgestein für viele der weltweit wichtigsten Erdöl- und Erdgasvorkommen. Diese Schiefer erhalten ihre schwarze Farbe aus winzigen Partikeln organischer Substanz, die sich mit dem Schlamm ablagerten, aus dem sich der Schiefer bildete. Während der Schlamm in der Erde vergraben und erwärmt wurde, wurde ein Teil des organischen Materials in Öl und Erdgas umgewandelt.

Das Öl und das Erdgas wanderten aufgrund ihrer geringen Dichte aus dem Schiefer nach oben durch die Sedimentmasse. Das Öl und das Gas wurden häufig in den Porenräumen einer darüber liegenden Gesteinseinheit wie Sandstein eingeschlossen (siehe Abbildung). Diese Arten von Öl- und Gasvorkommen sind als "konventionelle Reservoire" bekannt, da die Flüssigkeiten leicht durch die Poren des Gesteins in die Förderbohrung fließen können.

Obwohl durch Bohrungen große Mengen an Öl und Erdgas aus dem Reservoirgestein gewonnen werden können, verbleibt ein Großteil davon im Schiefer. Dieses Öl und Gas ist sehr schwer zu entfernen, da es in winzigen Porenräumen eingeschlossen oder auf Tonmineralpartikeln, aus denen der Schiefer besteht, adsorbiert ist.

Unkonventioneller Öl- und Gasbehälter: Diese Zeichnung zeigt die neuen Technologien, die die Erschließung unkonventioneller Öl- und Erdgasfelder ermöglichen. In diesen Gasfeldern werden Öl und Gas in Schiefern oder einer anderen undurchlässigen Gesteinseinheit gehalten. Um dieses Öl oder Gas zu fördern, werden spezielle Technologien benötigt. Eine davon ist das horizontale Bohren, bei dem ein vertikaler Brunnen in einen horizontalen versetzt wird, so dass er eine lange Strecke des Reservoirgesteins durchdringt. Das zweite ist das hydraulische Brechen. Bei dieser Technik wird ein Teil des Brunnens abgedichtet und Wasser eingepumpt, um einen Druck zu erzeugen, der hoch genug ist, um das umgebende Gestein zu brechen. Das Ergebnis ist ein hochgebrochenes Reservoir, in das ein langes Bohrloch eindringt.

Unkonventionelles Öl und Erdgas

In den späten 1990er Jahren entwickelten Erdgasbohrunternehmen neue Methoden zur Freisetzung von Öl und Erdgas, die in den winzigen Porenräumen des Schiefers eingeschlossen sind. Diese Entdeckung war bedeutsam, weil sie einige der größten Erdgasvorkommen der Welt erschlossen hat.

Das Barnett Shale of Texas war das erste große Erdgasfeld, das in einem Schieferreservoir-Gestein entwickelt wurde. Die Gewinnung von Gas aus dem Barnett Shale war eine Herausforderung. Die Porenräume im Schiefer sind so klein, dass das Gas Schwierigkeiten hat, sich durch den Schiefer und in den Brunnen zu bewegen. Bohrer entdeckten, dass sie die Durchlässigkeit des Schiefers erhöhen konnten, indem sie Wasser unter einem Druck, der hoch genug war, um den Schiefer zu brechen, in den Brunnen pumpten. Diese Brüche setzten einen Teil des Gases aus den Porenräumen frei und ließen es zum Bohrloch fließen. Diese Technik ist als "Hydraulic Fracturing" oder "Hydrofracing" bekannt.

Die Bohrer lernten auch, wie man bis zur Höhe des Schiefers bohrt und den Brunnen um 90 Grad dreht, um horizontal durch die Schieferfelseneinheit zu bohren. Dadurch entstand ein Brunnen mit einer sehr langen "Pay Zone" durch das Reservoirgestein (siehe Abbildung). Diese Methode ist als "horizontales Bohren" bekannt.

Das Horizontalbohren und das Hydrofracking revolutionierten die Bohrtechnik und ebneten den Weg für die Erschließung mehrerer riesiger Erdgasfelder. Dazu gehören der Marcellus-Schiefer in den Appalachen, der Haynesville-Schiefer in Louisiana und der Fayetteville-Schiefer in Arkansas. Diese riesigen Schieferreservoire enthalten genug Erdgas, um den Bedarf der Vereinigten Staaten für mindestens zwanzig Jahre zu decken.

Schiefer in Ziegeln und Fliesen: Schiefer wird als Rohstoff für die Herstellung vieler Arten von Ziegeln, Fliesen, Rohren, Töpferwaren und anderen hergestellten Produkten verwendet. Ziegel und Ziegel gehören zu den am häufigsten verwendeten und begehrtesten Materialien für den Bau von Häusern, Wänden, Straßen und Gewerbebauten. Bildcopyright iStockphoto / Guy Elliott.

Schiefer zur Herstellung von Ton

Jeder hat Kontakt zu Produkten aus Schiefer. Wenn Sie in einem Ziegelhaus wohnen, auf einer gemauerten Straße fahren, in einem Haus mit Ziegeldach wohnen oder Pflanzen in "Terrakotta" -Töpfen halten, haben Sie täglich Kontakt mit Gegenständen, die wahrscheinlich aus Schiefer hergestellt wurden.

Vor vielen Jahren wurden dieselben Gegenstände aus natürlichem Ton hergestellt. Bei starker Beanspruchung wurden jedoch die meisten kleinen Tonvorkommen aufgebraucht. Hersteller, die eine neue Rohstoffquelle benötigten, stellten bald fest, dass das Mischen von fein gemahlenem Schiefer mit Wasser zu einem Ton führen würde, der oft ähnliche oder überlegene Eigenschaften hatte. Heutzutage wurden die meisten Stücke, die einst aus natürlichem Ton hergestellt wurden, durch fast identische Stücke aus Ton ersetzt, die durch Mischen von fein gemahlenem Schiefer mit Wasser hergestellt wurden.

Rock & Mineral Kits: Holen Sie sich ein Gesteins-, Mineral- oder Fossilienkit, um mehr über Erdmaterialien zu erfahren. Der beste Weg, um etwas über Gesteine ​​zu lernen, besteht darin, Proben zum Testen und Untersuchen zur Verfügung zu haben.

Schiefer zur Herstellung von Zement

Zement ist ein weiteres weit verbreitetes Material, das häufig aus Schiefer hergestellt wird. Bei der Herstellung von Zement werden zerkleinerter Kalkstein und Schiefer auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um das gesamte Wasser zu verdampfen und den Kalkstein in Kalziumoxid und Kohlendioxid zu zerlegen. Das Kohlendioxid geht als Emission verloren, aber das Calciumoxid bildet zusammen mit dem erhitzten Schiefer ein Pulver, das aushärtet, wenn es mit Wasser gemischt und getrocknet wird. Aus Zement werden Beton und viele andere Produkte für die Bauindustrie hergestellt.

Ölschiefer: Ein Gestein, das eine erhebliche Menge an organischem Material in Form von festem Kerogen enthält. Bis zu 1/3 des Gesteins kann festes organisches Material sein. Dieses Exemplar hat einen Durchmesser von ungefähr zehn Zentimetern.

Ölschiefer

Ölschiefer ist ein Gestein, das erhebliche Mengen an organischem Material in Form von Kerogen enthält. Bis zu 1/3 des Gesteins kann festes Kerogen sein. Flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe können aus Ölschiefer gewonnen werden, das Gestein muss jedoch erhitzt und / oder mit Lösungsmitteln behandelt werden. Dies ist in der Regel weniger effizient als das Bohren von Gesteinen, die Öl oder Gas direkt in einen Brunnen fördern. Die Gewinnung der Kohlenwasserstoffe aus Ölschiefer erzeugt Emissionen und Abfallprodukte, die erhebliche Umweltbedenken hervorrufen. Dies ist einer der Gründe, warum die umfangreichen Ölschiefervorkommen der Welt nicht aggressiv genutzt wurden.

Ölschiefer entspricht normalerweise der Definition von "Schiefer", da es sich um "ein laminiertes Gestein handelt, das zu mindestens 67% aus Tonmineralien besteht". Es enthält jedoch manchmal genug organisches Material und Carbonatmineralien, so dass Tonmineralien weniger als 67% des Gesteins ausmachen.

Schieferkernproben: Wenn Schiefer für die Bewertung von Öl, Erdgas oder Mineralressourcen gebohrt wird, wird häufig ein Kern aus dem Bohrloch gewonnen. Das Gestein im Kern kann dann getestet werden, um zu erfahren, welches Potenzial es besitzt und wie die Ressource am besten entwickelt werden kann.

Zusammensetzung des Schiefers

Schiefer ist ein Gestein, das hauptsächlich aus lehmgroßen Mineralkörnern besteht. Diese winzigen Körner sind normalerweise Tonmineralien wie Illit, Kaolinit und Smektit. Schiefer enthält normalerweise andere tongroße Mineralpartikel wie Quarz, Chert und Feldspat. Andere Bestandteile können organische Partikel, Carbonatmineralien, Eisenoxidmineralien, Sulfidmineralien und schwere Mineralkörner einschließen. Diese "anderen Bestandteile" im Gestein werden oft durch die Ablagerungsumgebung des Schiefers bestimmt und bestimmen oft die Farbe des Gesteins.

Schwarzer Schiefer: Bio-reicher Schwarzschiefer. Erdgas und Öl sind manchmal in den winzigen Porenräumen dieser Art von Schiefer eingeschlossen.

Farben des Schiefers

Wie die meisten Gesteine ​​wird die Farbe des Schiefers häufig durch das Vorhandensein bestimmter Materialien in geringen Mengen bestimmt. Bereits wenige Prozent organischer Materialien oder Eisen können die Farbe eines Gesteins erheblich verändern.

Schiefergas spielt: Seit Ende der neunziger Jahre wurden Dutzende von bisher unproduktiven schwarzen Bio-Schiefern erfolgreich zu wertvollen Gasfeldern ausgebaut. Siehe Artikel: "Was ist Schiefergas?"

Schwarzer und grauer Schiefer

Eine schwarze Farbe in Sedimentgesteinen weist fast immer auf organische Stoffe hin. Nur ein oder zwei Prozent organischer Materialien können dem Gestein eine dunkelgraue oder schwarze Farbe verleihen. Darüber hinaus impliziert diese schwarze Farbe fast immer, dass sich der Schiefer aus Sedimenten gebildet hat, die sich in einer sauerstoffarmen Umgebung abgelagert haben. Jeglicher Sauerstoff, der in die Umgebung gelangte, reagierte schnell mit den verfallenden organischen Ablagerungen. Wenn eine große Menge Sauerstoff vorhanden wäre, wären alle organischen Ablagerungen zerfallen. Eine sauerstoffarme Umgebung bietet auch die geeigneten Bedingungen für die Bildung von Sulfidmineralien wie Pyrit, einem weiteren wichtigen Mineral, das in den meisten Schwarzschiefern vorkommt.

Das Vorhandensein von organischen Abfällen in schwarzen Schiefern macht sie zu Kandidaten für die Erzeugung von Öl und Gas. Wenn das organische Material nach dem Vergraben konserviert und ordnungsgemäß erhitzt wird, können Öl und Erdgas erzeugt werden. Der Barnett-Schiefer, der Marcellus-Schiefer, der Haynesville-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer und andere gasproduzierende Gesteine ​​sind alle dunkelgraue oder schwarze Schiefer, die Erdgas fördern. Der Bakken-Schiefer von North Dakota und der Eagle Ford-Schiefer von Texas sind Beispiele für Schiefer, die Öl liefern.

Grauschiefer enthalten manchmal eine kleine Menge organischer Substanz. Grauschiefer können jedoch auch Gesteine ​​sein, die kalkhaltige Materialien oder einfach Tonmineralien enthalten, die eine graue Farbe ergeben.

Utica und Marcellus Shale: Es wird angenommen, dass zwei schwarze Bio-Schiefer im Appalachen-Becken genug Erdgas enthalten, um die Vereinigten Staaten für mehrere Jahre zu versorgen. Dies sind der Marcellus Shale und der Utica Shale.

Roter, brauner und gelber Schiefer

In sauerstoffreichen Umgebungen abgelagerte Schiefer enthalten häufig winzige Partikel von Eisenoxid- oder Eisenhydroxidmineralien wie Hämatit, Goethit oder Limonit. Nur wenige Prozent dieser Mineralien, die im Gestein verteilt sind, können die roten, braunen oder gelben Farben vieler Arten von Schiefer hervorbringen. Das Vorhandensein von Hämatit kann einen roten Schiefer erzeugen. Das Vorhandensein von Limonit oder Goethit kann einen gelben oder braunen Schiefer erzeugen.

Geologie, Zusammensetzung und Verwendung

Schiefer ist das am häufigsten vorkommende Sedimentgestein und macht etwa 70 Prozent des Gesteins in der Erdkruste aus. Es ist ein feinkörniges klastisches Sedimentgestein aus verdichtetem Schlamm, bestehend aus Ton und winzigen Partikeln von Quarz, Calcit, Glimmer, Pyrit, anderen Mineralien und organischen Verbindungen. Schiefer kommt auf der ganzen Welt in Gebieten vor, in denen Wasser existiert oder einmal geflossen ist.

Wie sich Schiefer bildet

Schiefer bildet sich durch Verdichtung, typischerweise aus Partikeln in langsamem oder ruhigem Wasser, wie Flussdeltas, Seen, Sümpfen oder dem Meeresboden. Schwere Partikel sinken und bilden letztendlich Sandstein und Kalkstein, während Ton und feiner Schlick im Wasser schweben. Im Laufe der Zeit setzen sich diese feinen Partikel ab und bauen sich aufeinander auf, wobei sie Gestein bilden. Schiefer tritt typischerweise in einem mehrere Meter dicken Broadsheet auf. Je nach Geografie können sich auch linsenförmige Formationen bilden. Manchmal sind Tierspuren, Fossilien oder sogar Abdrücke von Regentropfen in Schieferschichten erhalten.

Zusammensetzung und Eigenschaften

Der Lehm Klasten oder Partikel im Schiefer haben einen Durchmesser von weniger als 0,004 Millimetern, was bedeutet, dass die Struktur des Gesteins nur unter Vergrößerung sichtbar wird. Der Ton stammt aus der Zersetzung von Feldspat. Schiefer besteht zu mindestens 30 Prozent aus Ton mit unterschiedlichen Anteilen an Quarz, Feldspat, Karbonaten, Eisenoxiden und organischer Substanz. Ölschiefer oder bituminös enthält auch Kerogenein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen von verstorbenen Pflanzen und Tieren. Schiefer wird in der Regel nach seinem Mineralgehalt klassifiziert, daher gibt es Kieselschiefer (Silica), Kalkschiefer (Calcit oder Dolomit), limonitischen oder hämatitischen Schiefer (Eisenmineralien), kohlenstoffhaltigen oder bituminösen Schiefer (Kohlenstoffverbindungen) und Phosphatschiefer ( Phosphat).

Die Farbe des Schiefers hängt von der Zusammensetzung der Mineralien ab. Schiefer mit einem höheren organischen (Kohlenstoff-) Gehalt neigt dazu, dunkler zu werden und kann schwarz oder grau sein. Die Anwesenheit von Eisen (III) -Verbindungen ergibt roten, braunen oder violetten Schiefer. Eisen liefert schwarzen, blauen und grünen Schiefer. Schiefer, der viel Calcit enthält, neigt dazu, hellgrau oder gelb zu sein.

Die Korngröße und Zusammensetzung der Mineralien im Schiefer bestimmen dessen Durchlässigkeit, Härte und Plastizität. Im Allgemeinen ist Schiefer spaltbar und spaltet sich leicht in Schichten parallel zur Einstreuebene auf, welche die Ebene der Tonflockenablagerung ist. Schiefer ist laminiertDas heißt, das Gestein besteht aus vielen dünnen Schichten, die miteinander verbunden sind.

Keramik- und Feinsteinzeug: Arbeitspferde der Fliesenwelt

Am besten für kostengünstige Oberflächen mit einer nahezu unendlichen Auswahl an Stilen geeignet. Wenn wir davon sprechen, dass Fliesen kostengünstig sind, sprechen wir von Keramikfliesen. Obwohl nicht alle Keramikfliesen billig sind, ist es möglich, günstige Keramikfliesen zu finden, die immer noch zur Schönheit Ihres Zuhauses beitragen können. Keramikfliesen beginnen mit Ton - Schiefer, Gips und Sand - und werden zu einem Material verarbeitet, das sich Bisque nennt. Das Biskuit wird zu Kacheln geformt und in einem Ofen bei bis zu 1100 ° C gebrannt. Je höher die Temperatur, desto stärker die Kachel. Keramikfliesen sind naturgemäß porös. Daher muss eine Glasur auf die Fliese aufgetragen werden, und dann wird die Fliese erneut gebrannt, um die Glasur zu härten. Manchmal wird die Glasur aufgetragen, bevor das Biskuit zum ersten Mal gebrannt wird.

Der Hauptvorteil von Keramikfliesen besteht also, neben den möglichen Kosteneinsparungen, darin, dass sie in einer unendlichen Vielfalt von Farben und Formen verarbeitet werden können, da sie von Grund auf neu hergestellt werden. Porzellan ist eine Vielzahl von Keramikfliesen, die von der Porcelain Tile Certification Agency (PTCA) entweder als Porzellan oder als Nicht-Porzellan zertifiziert wurden. Gemäß der PTCA muss Porzellan ASTM C373 erfüllen, einen höheren Standard für die Wasseraufnahme als Keramik, die nicht als "Porzellan" bezeichnet wird. Somit ist Porzellan ein besserer Kandidat für Bereiche mit hoher Feuchtigkeit wie Badewannen und Duschen.

Glasfliese: Hell, glänzend, schön

Das Glasmosaik, das häufig mit Designtrends der frühen 2000er Jahre in Verbindung gebracht wird, eignet sich am besten für auffällige, auffällige, spaßige vertikale Oberflächen und gilt nach wie vor als die Fliese der Wahl für begrenzte vertikale Oberflächen, die viel Aufmerksamkeit erhalten. Es wird allgemein für Küchen- und Badezimmer-Aufkantungen verwendet. Glasmosaik ist aufgrund von Druckrissen nicht für Fußböden geeignet. Die meisten Mosaikgläser werden mit einem Gewebeträger geliefert, mit dem Sie jeweils ein Quadratfuß installieren können. Glasfliesen haben eine funkelnde, glänzende Schönheit, die mit anderen Arten von Fliesenmaterialien nicht zu vergleichen ist.

Steinbruch-Fliese: Stark und traditionell

Am besten für Außen- und Innenböden wie Foyers und Flure geeignet. In der Vergangenheit stammten Steinbruchkacheln aus Steinbrüchen. Genau wie Sie auf alten Fotografien von Vermont-Steinbrüchen sehen, wurde die Fliese weggeschnitten, geschliffen und poliert. Aber jetzt verwenden die Hersteller die Extrusionsmethode, um eine glasartige Tonfliese herzustellen, die fast so hart wie Naturstein ist.

Steinbruchfliesen haben eine raue Oberfläche, was bedeutet, dass sie sich perfekt für Fußböden eignen, da sie einen guten Halt bieten. Aber es bedeutet auch, dass Steinbruchfliesen nicht für Küchenarbeitsplatten geeignet sind, da sie sehr porös sind. Obwohl die Steinbruchfliese versiegelt werden kann, um sie weniger porös zu machen, ist sie dennoch nicht für Oberflächen zur Zubereitung von Nahrungsmitteln geeignet.

Stein: All-natürliche Schönheit

Am besten für Küchen und Badezimmer. In den letzten Jahren hat sich Granit zum großen Gewinner des Küchen-Design-Gewinnspiels entwickelt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Granit gut aussieht, aber seine Probleme hat. Granit reißt leicht und ist wie Steinbruchziegel porös. Daher muss er regelmäßig versiegelt und poliert werden. Darüber hinaus können Granit und Marmor leicht zerkratzt werden und sind nicht immer beständig gegen hohe Temperaturen wie in heißen Küchentöpfen.

Die vielfältigen Farben und Strukturen von Naturstein lassen sich jedoch nicht mit Keramikfliesen kopieren. Es ist unendlich faszinierend und setzt einzigartige Designakzente für Ihr Haus. Trotz der Mängel des Natursteins gewinnt es also aus gestalterischer Sicht. Naturstein kann bei der Verwendung in Badezimmern unwirtlich und barfuß sein. Aus diesem Grund wird die Installation von Heizmatten unter dem Stein für Badezimmer dringend empfohlen.

Grüner Schiefer

Grünschiefer werden gelegentlich gefunden. Dies sollte nicht überraschen, da einige der Tonmineralien und Glimmer, die einen Großteil des Volumens dieser Gesteine ​​ausmachen, typischerweise eine grünliche Farbe haben.

Erdgasschiefer gut: In weniger als zehn Jahren ist der Schiefer im Energiesektor in die Höhe geschossen. Neue Bohr- und Bohrlochentwicklungsmethoden wie hydraulisches Brechen und horizontales Bohren können das in der dichten Matrix organischer Schiefer eingeschlossene Öl und Erdgas erschließen. Bildcopyright iStockphoto / Edward Todd.

Hydraulische Eigenschaften von Schiefer

Hydraulische Eigenschaften sind Eigenschaften eines Gesteins wie Durchlässigkeit und Porosität, die seine Fähigkeit widerspiegeln, Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Erdgas zu halten und zu übertragen.

Schiefer hat eine sehr kleine Partikelgröße, daher sind die Zwischenräume sehr klein. Tatsächlich sind sie so klein, dass Öl, Erdgas und Wasser Schwierigkeiten haben, sich durch den Fels zu bewegen. Schiefer kann daher als Deckgestein für Erdöl- und Erdgasfallen dienen, und er ist auch ein Aquiklud, das den Fluss des Grundwassers blockiert oder begrenzt.

Obwohl die Zwischenräume in einem Schiefer sehr klein sind, können sie ein erhebliches Volumen des Gesteins einnehmen. Dadurch kann der Schiefer erhebliche Mengen an Wasser, Gas oder Öl aufnehmen, diese aber aufgrund der geringen Permeabilität nicht effektiv übertragen. Die Öl- und Gasindustrie überwindet diese Einschränkungen des Schiefers, indem sie horizontale Bohrungen und hydraulisches Brechen anwendet, um künstliche Porosität und Permeabilität im Gestein zu erzeugen.

Einige der im Schiefer vorkommenden Tonmineralien können große Mengen an Wasser, Erdgas, Ionen oder anderen Substanzen absorbieren oder adsorbieren. Diese Eigenschaft von Schiefer kann es ihm ermöglichen, Flüssigkeiten oder Ionen selektiv und zäh zu halten oder frei freizusetzen.

Expansive Bodenkarte: Der United States Geological Survey hat eine verallgemeinerte Karte der expansiven Böden für die unteren 48 Bundesstaaten erstellt.

Technische Eigenschaften von Schieferböden

Schiefer und die daraus abgeleiteten Böden gehören zu den störendsten Materialien, auf denen gebaut werden muss. Sie unterliegen Volumen- und Kompetenzänderungen, die sie in der Regel zu unzuverlässigen Konstruktionsuntergründen machen.

Expansive Böden

Die Tonmineralien in einigen von Schiefer abgeleiteten Böden können große Mengen Wasser aufnehmen und abgeben. Diese Änderung des Feuchtigkeitsgehalts geht gewöhnlich mit einer Änderung des Volumens einher, die mehrere Prozent betragen kann. Diese Materialien werden "expansive Böden" genannt. Wenn diese Böden nass werden, quellen sie auf und wenn sie austrocknen, schrumpfen sie. Gebäude, Straßen, Versorgungsleitungen oder andere Strukturen, die auf oder in diesen Materialien platziert sind, können durch die Kräfte und Bewegungen der Volumenänderung geschwächt oder beschädigt werden. Ausgedehnte Böden sind eine der häufigsten Ursachen für Gründungsschäden an Gebäuden in den Vereinigten Staaten.

Schieferdelta: Ein Delta ist eine Sedimentablagerung, die sich bildet, wenn ein Strom in ein stehendes Gewässer eintritt. Die Wassergeschwindigkeit des Stroms nimmt plötzlich ab und die beförderten Sedimente setzen sich am Boden ab. In Deltas wird das größte Volumen des Erdschlamms abgelagert. Das obige Bild ist eine Satellitenansicht des Mississippi-Deltas und zeigt dessen Vertriebskanäle und verteilungsübergreifende Ablagerungen. Das hellblaue Wasser, das das Delta umgibt, ist mit Sedimenten beladen.

Hangstabilität

Schiefer ist das Gestein, das am häufigsten mit Erdrutschen in Verbindung gebracht wird. Durch die Verwitterung wird der Schiefer in einen tonreichen Boden verwandelt, der normalerweise eine sehr geringe Scherfestigkeit aufweist - insbesondere im feuchten Zustand. Wenn diese Materialien mit geringer Festigkeit nass sind und sich an einem steilen Hang befinden, können sie sich langsam oder schnell bergab bewegen. Überladung oder Ausgrabung durch Menschen lösen häufig einen Ausfall aus.

Schiefer auf dem Mars: Schiefer ist auch ein sehr verbreiteter Fels auf dem Mars. Dieses Foto wurde mit der Mastkamera des Mars Curiosity Rover aufgenommen. Es zeigt dünn eingebettete spaltbare Schiefer im Gale Crater. Neugier bohrte Löcher in die Felsen des Gale Crater und identifizierte Tonmineralien in den Stecklingen. NASA-Bild.

Umgebungen der Schieferlagerung

Eine Ansammlung von Schlamm beginnt mit der chemischen Verwitterung von Gesteinen. Diese Verwitterung zersetzt die Gesteine ​​in Tonmineralien und andere kleine Partikel, die häufig Teil des lokalen Bodens werden. Ein Regensturm könnte winzige Bodenpartikel aus dem Land in Bäche spülen und den Bächen ein "schlammiges" Aussehen verleihen. Wenn der Strom langsamer wird oder in ein stehendes Gewässer wie einen See, einen Sumpf oder einen Ozean eintritt, setzen sich die Schlammpartikel auf dem Boden ab. Wenn diese Ansammlung von Schlamm ungestört und begraben ist, kann sie in ein Sedimentgestein umgewandelt werden, das als "Schlammstein" bekannt ist. So entstehen die meisten Schiefer.

Der Prozess der Schieferbildung ist nicht auf die Erde beschränkt. Die Marsrover haben auf dem Mars viele Aufschlüsse mit Sedimentgesteinseinheiten gefunden, die genau wie die auf der Erde gefundenen Schiefer aussehen (siehe Foto).