Łupki tworzą wyjątkowy system naftowy, w którym ta sama formacja stanowi skałę macierzystą, zbiornikową, uszczelniającą oraz pułapkę, a migracja gazu zachodzi jedynie w skali mikro bądź w ogóle nie występuje. Stanowi to wyzwanie dla petrofizyków, ponieważ wymaga stosowania zaawansowanych metod badawczych, zwłaszcza w skali mikro i nano.
Właściwości łupków mogą być opisane w różnych skalach obserwacji:
- ziaren mineralnych (skala nano- i mikrometrowa),
- pakiety lamin jednorodnych litologicznie (skala milimetrowa i centymetrowa),
- kompleksy osadowe wyższego rzędu wyróżniające się wewnętrznym zróżnicowaniem litologicznym i nadrzędnym uporządkowaniem struktury sedymentacyjnej (skala metrów).
Aby przedstawić właściwości petrofizyczne skał, czyli zdolności skał do magazynowania i transportu płynów złożowych, niezbędne jest wyznaczenie wielkości dwóch podstawowych parametrów:
- porowatości,
- przepuszczalności.
Ważne jest także zbadanie medium złożowego (ropa, gaz, woda) w skale. Przykładowy model petrofizyczny skały łupkowej bogatej w materię organiczną został przedstawiony na rysunku poniżej.
Porowatośc łupków
Porowatość to ilość wolnej przestrzeni w skale (wyrażona w %), która może zostać wypełniona przez ropę, gaz lub wodę. Od wielkość porowatości zależy ilość płynów złożowych zgromadzonych w skale.
Wyróżnia się dwa rodzaje porowatości:
- całkowitą - stosunek objętości wszystkich porów do całkowitej objętości skały,
- efektywną - stosunek porów połączonych ze sobą (przepuszczalnych) do całkowitej objętości skały.
Skała łupkowa jest zbudowana z mikro- i nanoprzestrzeni porowej, o różnym stopniu nasycenia wodą. Łupki są częściowo zbudowane z rezydualnej materii organicznej. Wolna przestrzeń występuje pomiędzy ziarnami skalnymi (pory i mikropory nieorganiczne), lecz jest jej bardzo mało. O porowatości efektywnej możemy zaś mówić dopiero po zabiegu szczelinowania.
Dotychczas w skałach zbiornikowych konwencjonalnych złóż węglowodorów (piaskowce, węglany) porowatością nazywana była wolna przestrzeń pomiędzy ziarnami skalnymi (pory i mikropory nieorganiczne). W tej przestrzeni oraz w obrębie lamin wzbogaconych w krzemionkę i w systemie naturalnych szczelin i mikroszczelin był zakumulowany gaz ziemny w formie wolnej.
W skałach łupkowych gaz ziemny występuje:
- w formie wolnej w obrębie cząsteczek skały,
- w formie wolnej w obrębie rozproszonej materii organicznej,
- w postaci zaadsorbowanej przez rozproszoną materię organiczną,
- w postaci zaadsorbowanej przez niektóre minerały ilaste.
W łupkowych kompleksach ilasto-mułowcowych gaz ziemny, oprócz wymienionych wcześniej różnych przestrzeni akumulacyjnych, w formie wolnej występuje również w obrębie warstewek wzbogaconych w materię organiczną. Jednak znacząca ilość gazu ziemnego w łupkach występuje w porach organicznych w obrębie nierozpuszczalnej materii organicznej, zwanej kerogenem.
Przepuszczalność i szczelinowatość łupków
Przepuszczalność skały jest związana z występowaniem naturalnych szczelin lub spękań czyli szczelinowatością. Szczeliny umożliwiają przepływ płynów złożowych pomiędzy przestrzeniami porowymi. Przepuszczalność skały umożliwia przypływ gazu ziemnego lub ropy naftowej do otworu wiertniczego i ich eksploatację.
Współczynnik przepuszczalności zależy od:
- wielkości porów i ich konfiguracji między sobą,
- wzajemnego ułożenia ziaren budujących skałę,
- wysortowania i cementacji ziaren,
- szczelinowatości skały.
W przypadku skał łupkowych ważnym elementem decydującym o przepuszczalności i porowatości są:
- skład mineralny,
- rozprzestrzenienie w skale materii organicznej,
- ilościowa (%) zawartość substancji organicznej,
- dojrzałość termiczna substancji organicznej.
Skały łupkowe charakteryzują się tym, że ich przepuszczalność jest bardzo niewielka, co w zasadzie uniemożliwia swobodny przepływ węglowodorów.
Aby umożliwić wydobycie węglowodorów ze złoża konieczne jest wykonywanie zabiegu stymulacji - np. szczelinowania skał. Zabieg ten powoduje połączenie poszczególnych porów skalnych z otworem wiertniczym i umożliwienie swobodnego przepływu gazu i płynów złożowych.
autor: Ireneusz Dyrka
