A review and evaluation of development in exploration, production, reserves estimation, and research efforts for shale gas and oil

Şeyl büyük miktarda killerden ve daha az miktarda kum ve silt boyutlu minerallerden oluşmuş, çok küçük tanecikli bir çökel kayaç türüdür. Çökelme döneminde, su içi çökelme ortamının türüne göre, ölü organzimaların kalıntıları biçimindeki organik malzemeler yanında nikel, çinko, vanadyum, molibden, selenyum, vb elementlerin organik ve/veya inorganik bileşikleri şeyli oluşturan tanecikler arasında birikebilirler. Şeyl çok uzun jeolojik zaman içinde onu oluşturan bileşenlerin, daha sonra üzerlerine yığılmış üst kayaç katmanlarının ağırlık baskısı (basıncı) ve artan gömülme derinliği ile yükselen sıcaklık altında sıkışmaları sonucunda oluşur. Milyonlarca yıl boyunca çökelen malzemenin geçirdiği fiziksel ve kimyasal dönüşümler ve yapısal değişimler olarak işleyen dijajenez sürecinde, tanecikler ve mineral parçaları arasındaki yerinde su sıkışan taneciklerin çimentolanma ve sıkılaşmaları için uygun koşulları sağlayarak şeylin oldukça katılaşmış bir kayaç olarak biçimlenmesini sağlarken, yerinde suyun bir bölümü de sıkışma etkisi altında oluşan şeyl ortamından dışarı atılır. Basınca ek olarak, artan sıcaklık ve ışıyan (radyoaktif) element içeren bileşenlerden olan ışınım şeylin ısıl olgunlaşma geçirmesine yol açar. Isıl olgunlaşmanın belirli bir düzeye erişmesine kadar, şeyl içindeki (eğer var ise) organik malzeme bozunmaya uğrayarak, ham petrol, gaz ve kerojenden oluşan hidrokarbonlara dönüşür. Kerojen ham petrol ve gaza dönüşemeyen, uzun ve karmaşık zincir yapılı moleküllere sahip bir tür organik malzemedir. Diyajenez sürecinde şeyl içinde oluşan hidrokarbon (ham petrol ve gaz) akışkanlar gözenek ağları, kırıklar, çatlaklar, veya faylar gibi geçiş yolları boyunca şeylden dışarıya, tercihen çökel kayaç yapıları içine göç edebilirler. Göç gözenekli ve geçirgen bir kayaçta hidrodinamik bir kapan içinde birikme ile son bulur ve böylece sıradan türde bir petrol ve gaz haznesi (rezervuar) oluşur. Oldukça yumuşak bir kayaç olan şeyl, kolay ayrılabilen ince katmanları ile, benzer bileşime sahip ve çamur taşı olarak anılan kayaçtan farklıdır. Şeyl içinde gözenek boyutu ve geçirgenlik düzeylerinin mikroskopik ölçeğin çok altında olması ve buna bağlı olarak geleneksel üretim ve rezerv kestirim uygulamalarının geçersiz kalması nedeniyle, şeyl yapıları içindeki ekonomik petrol ve gaz birikimleri "sıradışı" rezerv sınıfı içine sokulur. Bu çalışma şeyl yapılarındaki sıradışı petrol ve gaz rezervuarları ile ilgilenmektedir. Eğer bir şeyl yapısının organik kerojen içeriği yüzde 2 ile 14 arasında ise, o şeyl nurşen (umut var) bir kaynak olarak dikate alınır. Bir şeyl içinde oluşabilecek hidrokarbon, kerojen türü ve ısıl olgulaşmanın düzeyi ile belirlenir. Katı bir madde olan kerojen birkaç nanometre ile birkaç yüz nanometretre arasında değişen boyutta ve içine petrol ve gaz yerleşmiş gözeneklere sahip olabilir. Şeylden dikkate değer miktarda petrol üretimi II. Dünya Savaşı sırasında A.B.D.'de savaş tanklarına yakıt sağlamak üzere başlatılmıştır. Savaştan sonra, düşük petrol ve gaz fiyatları ve teknolojik yetersizlik nedeni ile şeylden üretim ekonomik olmamıştır. Mısır ile İsrail arasındaki 1973 Yom Kippur savaşı nedeniyle petrol fiyatlarındaki artışının olumsuz etkisi, A.B.D.'yi şeyl yapılarından ekonomik petrol üretmeye ve bunun için gereki yeni teknolojileri keşfetmeye ve geliştirmeye zorlamıştır. Geçen son yirmi yıllık dönemde, bir çok araştırmacı şeyl yapılarında sınıflandırma, petrol ve gaz rezerv kestirimi ve sıradışı şeyl girişimlerinde üretici kuyuları delme, tamamlama ve canlandırma için yeni yöntemler tanıtmışlardır. Araştırmaya yapılan dolgun yatırımlar A.B.D.'de şeylden petrol ve gaz üretiminde dikkate değer artışa, örneğin 2008'de A.B.D. hidrokarbon rezervlerinde yaklaşık yüzde 35 artışa, yol açan ve endüstriye som ilgi çeken yatay kuyu delme ve hidrolik çatlatma tekniklerinin geliştirilmesine ve kullanımına önderlik etmiştir. Bu başarı dünyada birçok ülkenin çökel havzalarındaki şeyl yapılarında sıradışı petrol ve gaz keşfine kalkışması için bir kılavuz olmuştur. Şeyl yapılarından üretimi en üst doruğa ulaştırmak üzere, anılan yöntemleri ve teknikleri daha da geliştirmek için araştırmalar tüm dünyada sürerken, şu ana kadar A.B.D. dışında yalnız Rusya ve Çin şeyl petrolü ve gazı girişimlerinde sınırlı bazı başarılar elde etmişlerdir. Şeyl sınıflama yöntemlerinden biri olan gerçek zaman sınıflaması, şeyl kayaçlarının petrofizik, bileşim ve elastik özeliklerinin kuyu loglarından kestirimine dayanır. Bir diğer teknik, hidrokarbon içerikli şeyl gruplarını bunların birleşik kuyu loglarında sergiledikleri benzeri bileşim özeliklerine ve loglardan türetilen katman özeliklerinin evrilmesi ile komşu katman etkilerinin en düşük düzeye indirgenmesine dayanarak tanımlamaya çalışır. Bir başka yöntem ise, karot analizi ve kuyu logu bilgilerini birlikte değerlendirerek şeylleri gözeneklilik, kılcal basınç, mineral yapısı ve toplam organik karbon bakımından sınıflandırır. Tüm bu yöntemler iyi sonuçlar veriyor ise de, her şeyl girişimi kendine özgü biricik olduğundan, hangi yöntemle daha iyi sonuç alınacağını saptamak için yöntemlerin hepsi de aynı kayaç yapısına uygulanmalıdır. Sıradan rezerv kestirim yöntemleri sıradışı gaz ve petrol rezervuarlarında çalışmıyor görünse de, bir öbek araştırmacı üretilebilir rezervin kestirimi için zamana bağımlı üretim debisi grafiklerinde olağan azalım eğrisi çözümleme tekniğini kullanmışlardır. Devoniyen Şeyli rezervlerini kestirmek için başlangıç test ve üretim verilerine dayalı, çift değişkenli dokuz denklemden oluşan bir regresyon modeli ortaya koymuşlardır. Langmuir adsorpsiyon izotermini de içine alan yeni bir hacimsel toplam yerinde gaz kestirim denklemi, soğurulmuş gaz fazı tarafından işgal edilmiş gözenek hacmini de dikkate alacak biçimde formüle edilmiştir. Kerojenin organik gözenek duvarlarının etkisi altında gaz yoğunluğu değişebildiğinden, hidrokarbon faz davranışının özgün uzunluğu 100 nanometreden kısa kılcal gözeneklerde çok farklı olduğu anlaşılmıştır. Şeyl rezervuarların üretimini ve doruk kurtarımını yükseltmek için yatay kuyu delme ve tamamlamaya olan ilgi son yirmi yılda artmıştır. En yaygın kullanılan tamamlama yöntemi kuyuların yatay kesimlerine koruma borusu indirmek ve deliklemedir. Kuyu yatay kesimi deliklemelerinden çok aşamalı optimize hidrolik çatlatma yapılması, ara bağlantılı çatlak ağları yaratarak kuyuya en yüksek akışı sağlamak için zorunludur. Çeşitli patlatma ve darbe yöntemleri ile şeyl kayaçlarda elde edilen dinamik çatlatma ve parçalama verileri, geçici dalga ile kayaç serbest yüzeyleri arasındaki etkileşimin kayaçta yöresel çatlama ve parçalanma başlatan gerilimler yarattığını göstermektedir. Bazı çalışmalara göre, kayacın statik dayanımı dinamik çatlama dayanımından onda bir (bir mertebe) daha düşüktür. Masif hidrolik çatlatma tekniği (MHF) kayacın olası birçok doğal çatlağı ile hidrolik çatlakları kesiştirme amacıyla uzun zamandan beri kullanılmaktadır. Çatlak yoğunluğu ve şeyl kalınlığının canlandırma teknolojisi ve stratejisinin belirlenmesinde önemli unsurlar oldukları bulunmuştur. Yeni bir hidrolik çatlatma tekniği olan kanal hidrolik çatlatma (CHF) tekniği, jeomekanik modelleme ve delikleme stratejisini birleştiren özelliği ile Marcellus şeyline uygulanmıştır. CHF tekniğinde, elyaf yüklü akışkan özgün biçimde pompalanarak, yaratılan çatlağın içine yerleştirilen dayak tanecik paketlerinin içinde iletkenliği yüksek kararlı akaç (kanal) ağı oluşturulur. Hidrokarbon akışkanlar dayak tanecikleri paketlerinin geçirgenliğine bağımlı kalmayarak, iletkenliği yüksek bu akaçlarda akarlar. Çatlak iletkenliğinin bu akaçlarla önemli düzeyde arttığı uygulamada kanıtlanmıştır. Endüstrinin bir diğer gereksinimi, şeyl rezervuar üretimlerinin öngörüsünün güvenilir biçimde yapılmasıdır. Üretim öngörülerinde her birisinin kendine özgü getirileri ve sakıncaları olan analitik andırı (simülasyon), sayısal andırı ve çeşitli azalım eğrisi çözümleme yöntemlerinden yararlanılmıştır. Bu yöntemlerde dikkate alınan unsurlar arasında öngörünün hızı ve doğruluğu önemli unsurlardır. Şeyl gazı kestirim modeli (SGPM) olarak anılan ve farklı bir yaklaşımla geliştirilmiş bir diğer model, şeyl gaz üretimindeki zorlukları azaltmak üzere önerilmiştir. Kolay kullanımlı bu basit model temelde tüm kütleyi korurken bireysel olarak her kuyu cıvarındaki akışa odaklanır. Modelin üstünlüğü, büyük sayıda kuyu bulunan tek veya çoğul şeyl girişimlerinde rezerv ve üretim kestirimi yapılırken, çabuk geridönüş gerektiren durumlarda hızlı ve yinelenebilir sonuçlar türetmesidir. Model bir çatlatma mekaniği yazılımı ile birlikte koşulabildiği için daha iyi çatlatma tasarımına olanak tanır. Modelin üretim öngörü becerisi farklı bölgelerde bulunan şeyl girişimlerinin gerçek üretimine karşı sınanmış ve kanıtlanmıştır. Bu nedenle, model hem geçmişteki üretime hem de gelecekteki öngörülen üretime güvenilir çakıştırma yapılmasında kullanılabilir. Modelin petrol ağırlıklı girişim ve çok fazlı akış vasıfları yoğuşuk üretiminin de anlaşılmasını sağlar. Güney Teksas'taki Eagle Ford şeylinin geliştirilmesi 2008 yılında başlatıldığında, bu şeylden yapılan üretime ilişkin hiçbir veri analizi bulunmadığı için, üretim davranışı modellemesi ve temel rezervuar parametreleri kestiriminde doğrusal çift gözeneklilik tip-eğrisi çözümleme tekniği kullanılmıştır. Kullanılan tip-eğrileri, durağan kuyu basıncında geçici üretim debisi ve kapalı-sınırlı çift-gözeneklilikli canlandırılmış rezervuar hacmi (SRV) baz alınarak oluşturulmuştur. Bello-ve-Nobakht yönteminin iki farklı yaklaşımı, erken-zaman ve geç-zaman üretim verilerinin çözümlenmesinde görünür zarı dikkate almak üzere kullanılmıştır. Eagle Ford şeylinden yapılan üretim doğrusal akış, çift doğrusal akış ve sınır egemen akış rejimlerini sergilemiştir. Dilim tipi çatlak modeli varsayımı ve çift doğrusal akış çözümlemesi baz alınarak, çatlak geçirgenliği yaklaşık 820 nano Darcy olarak kestirilmiştir. Buna karşılık, doğrusal matriks akış çözümlemesi baz alınarak, matriks geçirgenliği 181 ile 255 nano Darcy arasında kestirilmiştir. Bu sonuçlar sayısal andırı (simülasyon) yardımı ile geçerli kılınmıştır. Çünki, sayısal andırı çalışmasında elde edilen geçirgenlik değerleri tip-eğrisi çözümlemesinden elde edilenler ile aynı değer aralığında çıkmışlardır. Eagle Ford şeyli için üretim öngörüsü yaparken farklı soğurulma izotermleri kullanılmıştır. Üretim öngörüsü sonuçlarından gazın geri bırakılmasının hem rezervuar basıncı hem de soğurma izotermine bağlı olduğu sonucuna varılmıştır. Erken zamanda gazın geri bırakılmasının, yüksek rezervuar basıncı nedeniyle, genelde pek de önemli olmadığı bulunmuştur. Laboratuarda ölçülmüş soğurma izotermlerine göre, gazın etkin olarak geri bırakılması için uzun erimli üretim öngörüsüne gerek vardır. Ayrıca, basit hidrodinamik benzeşlikten yararlanılarak azalım eğrileri türetilmiştir. Çeşitli üretim azalım eğrisi çalışmaları baz alınarak, kuyu üretkenliğinde önemli bazı fiziksel unsurlar da sınanmıştır. Eksponansiyel veya hiperbolik azalım eğrisinin Devoniyen Şeyli kuyuları üretim azalım verilerine gayet iyi uyabileceği görülmüştür. Üretim azalımının açık akışa, kayaç basıncına ve özgün şeyl üretim mekanizmalarına bağlı olarak karakterize edilmesine uğraşılmıştır. Sıradışı şeyl rezervuarların çatlatılmış yatay kuyularında geçici basınç davranışı ile üretim davranışını modellemek üzere analitik bir üçlü doğrusal akış çözümü ortaya konulmuştur. Model basit olsa da, bir şeyl rezervuarın matriksi ve doğal çatlaklarının içsel özeliklerini de içeren temel petrofizik niteliklerini birleştirecek yeterlilikte çok yönlüdür. Modelde akışkan takasının özel özgünlüklerine ek olarak çeşitli rezervuar bileşenleri de göz önüne alınabilmektedir. Ayrıca, sıradışı şeyl rezervuarların çoğul çatlatılmış yatay kuyularındaki geçici basınç tepkilerinin çözümlemesi için pratik bir analitik model de sunulmuş ve açıklanmıştır. Petrol ve gaz fiyatlarının dikkate değer düzeyde yükselişinden sonra, A.B.D.'deki sıradışı şeyl rezervuarlardan petrol ve gaz üretimi hem teknik hem de ekonomik olarak yapılabilir hale gelmiştir. Teksas'ta Forth Worth yakınlarındaki Barnett şeyli A.B.D.'deki ve dolayısıyla dünyadaki olgun şeyl girişimleri arasında tatmin edici üretim geçmişine sahip olanlardan bir tanesidir. Bu nedenle, 6000'den fazla üreten kuyusu ile geliştirilmiş olan Barnett şeylinin üretim ekonomisinin incelenmesi, şeyl girişimlerinin nasıl ticarî hale getirilebileceğine ilişkin fikir oluşturabilmek için örnek bir model olarak dikkate alınabilir. Bu tez çalışmasının gerçekleştirildiği süre içindeki maliyetler ve fiyatlar esas alınırsa, bir kuyunun maliyetini karşılamak için doruk gaz üretiminin yaklaşık 550 ile 900 milyon standart feet küb arasında olması gerekir. Şeyl kayaçlardan petrol üretiminde ise, olgun bir sahadan günde 100 000 varil petrol üretebilmek için en düşük petrol fiyatı en azından varil başına 43 USD olmalıdır.