Rocas

Depósitos de esquisto bituminoso de Estados Unidos



Reimpresión de: Estudio Geológico de los Estados Unidos Informe de Investigaciones Científicas 2005-5294 por John R. Dyni
Esquisto bituminoso de los Estados Unidos de América

Esquisto bituminoso estadounidense: Mapa de las áreas subyacentes a la Formación Green River en Colorado, Utah y Wyoming, Estados Unidos (después de Dyni, 2005) y las principales áreas de lutitas bituminosas de Devonian en el este de los Estados Unidos (después de Matthews y otros 1980). Haga clic para ampliar el mapa.

Numerosos depósitos de esquisto bituminoso, que van desde el Precámbrico hasta el Terciario, están presentes en los Estados Unidos. Los dos depósitos más importantes se encuentran en la Formación Eocene Green River en Colorado, Wyoming y Utah y en las lutitas negras devonianas-Mississippi en el este de los Estados Unidos. El esquisto bituminoso asociado con depósitos de carbón de la edad de Pennsylvania también se encuentra en el este de los Estados Unidos. Se sabe que hay otros depósitos en Nevada, Montana, Alaska, Kansas y otros lugares, pero estos son demasiado pequeños, de grado demasiado bajo, o aún no se han explorado lo suficiente (Russell, 1990, p. 82-157) para ser considerados como recursos para los fines de este informe. Debido a su tamaño y grado, la mayoría de las investigaciones se han centrado en los depósitos de Green River y Devonian-Mississippian.

Esquisto bituminoso - Menú del país

Formación del río verde:


-Geología

Los sedimentos lacustres de la Formación Green River se depositaron en dos grandes lagos que ocuparon 65,000 km2 en varias cuencas sedimentarias estructurales en Colorado, Wyoming y Utah durante el Eoceno temprano y medio. La elevación de la montaña Uinta y su extensión hacia el este, el anticlinal de la Cuenca Axial, separan estas cuencas. El sistema de lagos de Green River existió durante más de 10 millones de años durante una época de clima templado templado a subtropical. Durante partes de su historia, las cuencas de los lagos se cerraron y las aguas se volvieron altamente salinas.

Las fluctuaciones en la cantidad de aguas de la corriente entrante causaron grandes expansiones y contracciones de los lagos, como lo demuestra la interacción entre estratos lacustres margosos con lechos de arenisca y limolita derivados de la tierra. Durante tiempos áridos, los lagos se contrajeron y las aguas se volvieron cada vez más salinas y alcalinas. El contenido de agua en el lago de los carbonatos y cloruro de sodio solubles aumentó, mientras que los carbonatos divalentes menos solubles de Ca + Mg + Fe se precipitaron con sedimentos ricos en materia orgánica. Durante los períodos más secos, las aguas del lago alcanzaron salinidades suficientes para precipitar lechos de nahcolita, halita y trona. Las aguas de los poros del sedimento eran suficientemente salinas para precipitar cristales diseminados de nahcolita, shortita y dawsonita junto con una gran cantidad de otros minerales de carbonato y silicato autigénicos (Milton, 1977).

Un aspecto notable de la mineralogía es la falta total de minerales de sulfato autigénico. Aunque el sulfato era probablemente un anión principal en las aguas de la corriente que ingresaba a los lagos, presumiblemente el ion sulfato fue consumido totalmente por las bacterias reductoras de sulfato en el lago y las aguas sedimentarias de acuerdo con la siguiente reacción generalizada de reducción de oxidación:

2CH2O + SO4-2 ? 2HCO3-1 + H2S

Tenga en cuenta que se forman dos moles de bicarbonato por cada mol de sulfato que se reduce. El sulfuro de hidrógeno resultante podría reaccionar con Fe ++ disponible para precipitar como minerales de sulfuro de hierro o escapar de los sedimentos como un gas (Dyni, 1998). Otras fuentes importantes de carbonato incluyen las algas secretoras de carbonato de calcio, la hidrólisis de minerales de silicato y el aporte directo de las corrientes de entrada.

Las cálidas aguas alcalinas de los lagos del río Eoceno Green proporcionaron excelentes condiciones para el crecimiento abundante de algas verde-azules (cianobacterias) que se cree que son los principales precursores de la materia orgánica en el esquisto bituminoso. Durante los tiempos de aguas refrescantes, los lagos albergaban una variedad de peces, rayas, bivalvos, gasterópodos, ostracodes y otra fauna acuática. Las áreas periféricas a los lagos soportaron un conjunto grande y variado de plantas terrestres, insectos, anfibios, tortugas, lagartijas, serpientes, cocodrilos, pájaros y numerosos animales mamíferos (McKenna, 1960; MacGinitie, 1969; y Grande, 1984).

-Desarrollos históricos

La presencia de esquisto bituminoso en la Formación Green River en Colorado, Utah y Wyoming se conoce desde hace muchos años. A principios de 1900, se estableció claramente que los depósitos de Green River eran un recurso importante de petróleo de esquisto bituminoso (Woodruff y Day, 1914; Winchester, 1916; Gavin, 1924). Durante este período temprano, se investigaron el río Verde y otros depósitos, incluyendo el esquisto bituminoso de la Formación de Fosforia marina de la edad Pérmica en Montana (Bowen, 1917; Condit, 1919) y el esquisto bituminoso en los lechos de los lagos terciarios cerca de Elko, Nevada (Winchester, 1923).

En 1967, el Departamento del Interior de EE. UU. Comenzó un extenso programa para investigar la comercialización de los yacimientos de esquisto bituminoso de Green River. Los dramáticos aumentos en los precios del petróleo resultantes del embargo de petróleo de la OPEP de 1973-74 desencadenaron otro resurgimiento de las actividades de esquisto bituminoso durante la década de 1970 y principios de la década de 1980. En 1974, varias parcelas de tierras públicas de lutitas petrolíferas en Colorado, Utah y Wyoming fueron sometidas a una licitación competitiva bajo el Programa Federal de Arrendamiento de Lutitas bituminosas. Se alquilaron dos tratados en Colorado (C-a y C-b) y dos en Utah (U-a y U-b) a compañías petroleras.

Se construyeron grandes instalaciones de minería subterránea, incluidos pozos verticales, entradas de habitaciones y pilares y retortas in situ modificadas, en los tractos C-a y C-b, pero se produjo poco o nada de petróleo de esquisto. Durante este tiempo, Unocal Oil Company estaba desarrollando sus instalaciones de esquisto bituminoso en terrenos de propiedad privada en el lado sur de la cuenca Piceance Creek. Las instalaciones incluyeron una mina de cuarto y pilar con una entrada en la superficie, una réplica de 10,000 barriles / día (1,460 toneladas / día) y una planta de mejora. A pocas millas al norte de la propiedad de Unocal, Exxon Corporation abrió una mina de habitaciones y pilares con una entrada en la superficie, caminos de acarreo, vertedero de desechos de roca y un depósito y presa de almacenamiento de agua.

En 1977-78, la Oficina de Minas de EE. UU. Abrió una mina experimental que incluía un pozo de 723 m de profundidad con varias entradas de habitaciones y pilares en la parte norte de la cuenca de Piceance Creek para realizar investigaciones sobre los depósitos más profundos de esquisto bituminoso, que se mezclan con nahcolita y dawsonita. El sitio fue cerrado a fines de la década de 1980.

Tres compañías de energía gastaron alrededor de $ 80 millones en los tractos U-a / U-b en Utah para hundir un eje vertical de 313 m de profundidad y un camino de transporte inclinado a una zona de esquisto bituminoso de alta ley y abrir varias pequeñas entradas. Otras instalaciones incluyeron un edificio de servicios mineros, plantas de tratamiento de agua y alcantarillado, y una presa de retención de agua.

El proyecto Seep Ridge, ubicado al sur de los tractos U-a / U-b, financiado por Geokinetics, Inc. y el Departamento de Energía de los EE. UU., Produjo petróleo de esquisto bituminoso mediante un método de replicación in situ poco profundo. Se produjeron varios miles de barriles de petróleo de esquisto.

La planta de lutita bituminosa de Unocal fue el último gran proyecto en producir petróleo de lutita de la Formación Green River. La construcción de la planta comenzó en 1980, y la inversión de capital para construir la mina, la retorta, la mejora de la planta y otras instalaciones fue de $ 650 millones. Unocal produjo 657,000 toneladas (alrededor de 4.4 millones de bbls) de petróleo de esquisto bituminoso, que fueron enviadas a Chicago para su refinación en combustibles de transporte y otros productos bajo un programa parcialmente subsidiado por el gobierno de los EE. UU. La tasa promedio de producción en los últimos meses de operación fue de aproximadamente 875 toneladas (aproximadamente 5,900 barriles) de petróleo de esquisto bituminoso por día; La instalación se cerró en 1991.

En los últimos años, Shell Oil Company comenzó un proyecto de campo experimental para recuperar el petróleo de esquisto bituminoso mediante una técnica in situ patentada. Algunos detalles sobre el proyecto se han anunciado públicamente, y los resultados hasta la fecha (2006) parecen favorecer la investigación continua.

-Recursos de petróleo de esquisto

A medida que los depósitos de esquisto bituminoso de Green River en Colorado se hicieron más conocidos, las estimaciones del recurso aumentaron de aproximadamente 20 mil millones de barriles en 1916, a 900 mil millones de barriles en 1961, y a 1,0 billones de barriles (~ 147 mil millones de toneladas) en 1989 (Winchester, 1916, p. 140; Donnell, 1961; Pitman y otros, 1989). En la figura 17 se muestra una sección litológica y un resumen de los recursos por zonas de esquisto bituminoso en la cuenca Piceance Creek.

Los recursos de lutitas bituminosas de Green River en Utah y Wyoming no son tan conocidos como los de Colorado. Trudell y otros (1983, p. 57) calcularon los recursos medidos y estimados del petróleo de esquisto bituminoso en un área de aproximadamente 5,200 km.2 en el este de la cuenca de Uinta, Utah, habrá 214 mil millones de barriles (31 mil millones de toneladas) de los cuales aproximadamente un tercio se encuentra en la rica zona de esquisto bituminoso de caoba. Culbertson y otros (1980, p. 17) estimaron que los recursos de esquisto bituminoso en la Formación Green River en la cuenca del río Green en el suroeste de Wyoming son 244 mil millones de barriles (~ 35 mil millones de toneladas) de petróleo de esquisto bituminoso.

También hay recursos adicionales en la cuenca Washakie al este de la cuenca del río Green en el suroeste de Wyoming. Trudell y otros (1973) informaron que varios miembros de la Formación Green River en Kinney Rim en el lado oeste de la cuenca Washakie contienen secuencias de lutitas bituminosas de grados bajos a moderados en tres agujeros centrales. Dos secuencias de esquisto bituminoso en el miembro Laney, de 11 y 42 m de espesor, tienen un promedio de 63 l / t y representan hasta 8,7 millones de toneladas de petróleo de esquisto bituminoso in situ por kilómetro cuadrado. No se informó una estimación total del recurso en la cuenca Washakie por falta de datos subsuperficiales.

-Otros recursos minerales

Además de la energía fósil, los depósitos de esquisto bituminoso de Green River en Colorado contienen valiosos recursos de minerales de carbonato de sodio, incluida la nahcolita (NaHCO3) y dawsonita NaAl (OH)2CO3. Ambos minerales se mezclan con lutitas bituminosas de alto grado en la parte norte profunda de la cuenca. Dyni (1974) estimó el recurso total de nahcolita en 29 mil millones de toneladas. Beard y otros (1974) estimaron casi la misma cantidad de nahcolita y 17 mil millones de toneladas de dawsonita. Ambos minerales tienen valor para la ceniza de soda (Na2CO 3) y dawsonita también tiene un valor potencial para su alúmina (Al2O3) contenido. Es probable que este último mineral se recupere como un subproducto de una operación de esquisto bituminoso. Una empresa es la solución de extracción de nahcolita para la fabricación de bicarbonato de sodio en la parte norte de la cuenca de Piceance Creek a profundidades de aproximadamente 600 m (Day, 1998). Otra compañía dejó de extraer la solución de nahcolita en 2004, pero ahora procesa cenizas de sosa obtenidas de los depósitos de trona de Wyoming para fabricar bicarbonato de sodio.

El miembro de Wilkins Peak de la Formación Green River en la cuenca del río Green en el suroeste de Wyoming contiene no solo el esquisto bituminoso sino también el mayor recurso conocido mundial de carbonato de sodio natural como la trona (Na2CO3.NaHCO3.2H2O) El recurso trona se estima en más de 115 mil millones de toneladas en 22 camas con un espesor de 1,2 a 9,8 m (Wiig y otros, 1995). En 1997, la producción de trona de cinco minas fue de 16,5 millones de toneladas (Harris, 1997). Trona se refina en carbonato de sodio (Na2CO3) utilizado en la fabricación de botellas y vidrio plano, bicarbonato de sodio, jabón y detergentes, productos químicos para el tratamiento de residuos y muchos otros productos químicos industriales. Se obtiene una tonelada de carbonato de sodio de aproximadamente dos toneladas de mineral de trona. Wyoming trona abastece alrededor del 90 por ciento de las necesidades de ceniza de soda de los Estados Unidos; Además, se exporta aproximadamente un tercio del total de cenizas de sosa producidas por Wyoming.

En la parte más profunda de la cuenca Piceance Creek, el esquisto bituminoso de Green River contiene un recurso potencial de gas natural, pero su recuperación económica es cuestionable (Cole y Daub, 1991). El gas natural también está presente en los depósitos de esquisto bituminoso de Green River en el suroeste de Wyoming, y probablemente en el esquisto bituminoso de Utah, pero en cantidades desconocidas. En la tabla 8 se presenta un resumen de los recursos de esquisto bituminoso y minerales de la Formación Green River en Colorado, Wyoming y Utah.

Pizarras bituminosas del este del Devónico-Mississippi:


-Medio ambiente deposicional

El esquisto marino negro rico en materia orgánica y los sedimentos asociados del Devónico tardío y la edad temprana de Mississippi subyacen a unos 725,000 km.2 en el este de los Estados Unidos. Estas lutitas han sido explotadas durante muchos años como un recurso de gas natural, pero también han sido consideradas como un recurso potencial de bajo grado de petróleo de esquisto bituminoso y uranio (Roen y Kepferle, 1993; Conant y Swanson, 1961).

Con los años, los geólogos han aplicado muchos nombres locales a estas lutitas y rocas asociadas, incluidos Chattanooga, New Albany, Ohio, Sunbury, Antrim y otros. El Servicio Geológico de EE. UU. (Roen y Kepferle, 1993) ha publicado un grupo de documentos que detalla la estratigrafía, la estructura y el potencial de gas de estas rocas en el este de los Estados Unidos.

Las lutitas negras se depositaron durante el Devónico tardío y la época temprana de Mississippi en un gran mar epeírico que cubría gran parte del medio y este de los Estados Unidos al este del río Mississippi. El área incluía la amplia, poco profunda, plataforma interior en el oeste que se inclina hacia el este en la cuenca de los Apalaches. La profundidad hasta la base de las lutitas negras del Devónico-Mississippi varía desde exposiciones superficiales en la Plataforma Interior hasta más de 2.700 m a lo largo del eje de depósito de la Cuenca de los Apalaches (de Witt y otros, 1993, su pl. 1).

El mar del Devónico tardío era relativamente poco profundo con una mínima corriente y acción de las olas, muy similar al entorno en el que se depositó el Alum Shale de Suecia en Europa. Una gran parte de la materia orgánica en el esquisto negro es bituminita amorfa, aunque algunos organismos fósiles estructurados como Tasmanitas, Botryococcus, Foerstia, y otros han sido reconocidos. Los conodontes y los braquiópodos linguloides se distribuyen con moderación a través de algunas camas. Aunque gran parte de la materia orgánica es amorfa y de origen incierto, generalmente se cree que gran parte de ella se deriva de algas planctónicas.

En las partes distales del mar Devónico, la materia orgánica se acumuló muy lentamente junto con sedimentos arcillosos de grano muy fino en aguas pobremente oxigenadas libres de organismos excavadores. Conant y Swanson (1961, p. 54) estimaron que 30 cm de la parte superior de la pizarra de Chattanooga depositada en la Plataforma Interior en Tennessee podrían representar hasta 150,000 años de sedimentación.

Las lutitas negras se espesan hacia el este en la cuenca de los Apalaches debido a la creciente cantidad de sedimentos clásticos que se vierten en el mar Devónico desde las tierras altas de los Apalaches que se encuentran al este de la cuenca. La pirita y las marcasitas son abundantes minerales autigénicos, pero los minerales de carbonato son solo una fracción menor de la materia mineral.

-Recursos

El recurso de lutita petrolífera se encuentra en esa parte de la Plataforma Interior donde las lutitas negras son las más ricas y cercanas a la superficie. Aunque desde hace mucho tiempo se sabe que produce petróleo al replicar, la materia orgánica en el esquisto negro Devoniano-Mississippi produce solo la mitad de la materia orgánica del esquisto bituminoso de Green River, que se atribuye a las diferencias en el tipo de materia orgánica. (o tipo de carbono orgánico) en cada una de las lutitas petrolíferas. El esquisto bituminoso Devonian-Mississippian tiene una proporción más alta de carbono orgánico aromático a alifático que el esquisto bituminoso de Green River, y los ensayos de Fischer de balance de materiales muestran que produce mucho menos aceite de esquisto bituminoso y un mayor porcentaje de residuos de carbono (Miknis, 1990).

El esquisto bituminoso hidrorretorsionante del Devónico-Mississippi puede aumentar el rendimiento del petróleo en más del 200 por ciento del valor determinado por el ensayo de Fischer. Por el contrario, la conversión de materia orgánica en petróleo mediante hidroretorsionamiento es mucho menor para el esquisto bituminoso de Green River, alrededor del 130 al 140 por ciento del valor del ensayo de Fischer. Otras lutitas bituminosas marinas también responden favorablemente a la hidroretorsión, con rendimientos de hasta el 300 por ciento o más del ensayo de Fischer (Dyni y otros, 1990).

Matthews y otros (1980) evaluaron las lutitas petrolíferas del Devónico-Mississippi en áreas de la Plataforma Interior donde las lutitas son lo suficientemente ricas en materia orgánica y lo suficientemente cerca de la superficie como para ser explotables a cielo abierto. Los resultados de las investigaciones en Alabama, Illinois, Indiana, Kentucky, Ohio, Michigan, el este de Missouri, Tennessee y Virginia Occidental indicaron que el 98 por ciento de los recursos mineros cercanos a la superficie se encuentran en Kentucky, Ohio, Indiana y Tennessee (Matthews, 1983) .

Los criterios para la evaluación del recurso de lutita bituminosa del Devónico-Mississippi utilizado por Matthews y otros (1980) fueron:

  1. Contenido de carbono orgánico: = 10 por ciento en peso
  2. Sobrecarga: = 200 m
  3. Relación de separación: = 2.5: 1
  4. Espesor de la cama de esquisto: = 3 m
  5. Minería a cielo abierto e hidroretorsión

Sobre la base de estos criterios, se estimó que los recursos totales de petróleo de lutitas de Devonian-Mississippian eran de 423 mil millones de barriles (61 mil millones de toneladas).