تعریف نفت شیل：
نفت شیل به نفتی اطلاق می‌شود که در سازندهای شیل غنی از مواد آلی و دارای منافذ در مقیاس نانو ذخیره می‌شود. این مخفف روغن شیل آلی بالغ است. شیل هم سنگ منشأ و هم سنگ مخزن نفت است. نفت شیل به شکل‌های جذب‌شده و آزاد وجود دارد و عموماً سبک وزن و کم ویسکوزیته است. این ماده در درجه اول در گلوگاه‌های منافذ و سیستم‌های شکستگی در مقیاس نانو ذخیره می‌شود که در امتداد یا موازی با لایه‌ها توزیع شده‌اند. شیل‌های غنی از مواد آلی عموماً در مناطق بزرگ و پیوسته در مرکز یک حوضه تجمع می‌یابند، عموماً نفت‌زا هستند و اندازه منبع بزرگی دارند. عوامل کلیدی در ارزیابی منطقه‌بندی مرکزی نفت شیل شامل توزیع فضای مخزن، شاخص شکنندگی مخزن، ویسکوزیته نفت شیل، انرژی سازند و اندازه شیل غنی از مواد آلی است. استخراج موفقیت‌آمیز گاز شیل، مرجع فنی برای استخراج نفت شیل فراهم می‌کند. فناوری‌های تحریک نفوذپذیری مصنوعی، مانند شکست افقی حجم چاه و شکست هیدرولیکی، فناوری‌های کلیدی برای توسعه مؤثر نفت شیل هستند. در میان منابع نفت شیل، نفت میعانات یا نفت سبک ممکن است انواع اصلی برای تولید صنعتی باشند [6،11]. مولکول‌های میعانات و نفت سبک قطری بین 0.5 تا 0.9 نانومتر دارند. از لحاظ تئوری، آنها به راحتی در گلوگاه‌های منافذ نانومقیاس شیل تحت دما و فشار بالا در زیر زمین قابل جریان و بازیابی هستند.
ویژگی‌های اساسی مناطق مطلوب توزیع نفت شیل:
نفت شیل از نظر مکانیسم‌های انباشت، فضای مخزن، ویژگی‌های سیال و توزیع، تفاوت‌های قابل توجهی با نفت معمولی جدا شده از منبع و مخزن و نفت سخت انباشته شده در نزدیکی منبع دارد، در حالی که شباهت‌های بیشتری با گاز شیل دارد.
ادغام منبع-مخزن، نگهداری و انباشت:
نفت شیل نمونه بارزی از تجمع نفت است که با منبع و مخزن یکپارچه، حفظ و انباشت و توزیع مداوم مشخص می‌شود. شیل‌های غنی از مواد آلی هم به عنوان لایه‌های منبع و هم به عنوان لایه‌های مخزن عمل می‌کنند. برخلاف گاز شیل، نفت شیل در درجه اول در طول فاز تولید هیدروکربن مایع از تکامل مواد آلی تشکیل می‌شود. در طول فاز تولید نفت پیوسته شیل‌های غنی از مواد آلی، نفت در داخل مخزن شیل حفظ و انباشته می‌شود و تنها پس از اشباع شدن خود مخزن شیل به بیرون پراکنده یا مهاجرت می‌کند. بنابراین، هر شیل غنی از مواد آلی در فاز تولید هیدروکربن مایع، پتانسیل تجمع نفت شیل را دارد. در حال حاضر، نفت شکستگی شیل در لایه‌های دریایی آمریکای شمالی و لایه‌های قاره‌ای چین کشف شده است [12]، اما هیچ گزارشی از کشف نفت شیل زیرزمینی وجود ندارد. غنی از مواد آلی و بلوغ بالا ماده آلی اساس غنی بودن شیل از نفت است. مقدار فهرست محتویات لایه‌های نفت شیل با بازده بالا و غنی عموماً بیش از 2٪ و مقدار رو عموماً 0.7٪ تا 2.0٪ است که نفت سبک و نفت میعانات را تشکیل می‌دهد که برای تولید مفید است. گلوگاه‌های منافذ و سیستم‌های شکستگی در مقیاس نانو توسعه‌یافته شیل‌ها عموماً لایه‌هایی در مقیاس میلی‌متر تا سانتی‌متر ایجاد می‌کنند. گلوگاه‌های منافذ در مقیاس نانو به طور گسترده در مخازن نفت شیل توسعه یافته‌اند و قطر منافذ عمدتاً از 50 تا 300 نانومتر متغیر است. منافذ در مقیاس میکرون به صورت محلی توسعه یافته‌اند و انواع منافذ شامل منافذ بین دانه‌ای، منافذ درون دانه‌ای، منافذ آلی و منافذ بین کریستالی هستند. ریزشکستگی‌ها نیز در مخازن نفت شیل بسیار توسعه یافته‌اند و انواع آنها متنوع است. شکستگی‌های لایه‌بندی افقی پر نشده، اصلی‌ترین آنها هستند و پس از آن شکستگی‌های انقباضی قرار دارند. شکستگی‌های ساختاری عمودی یا مورب در نزدیکی منطقه گسل ایجاد می‌شوند. اکثر شیل‌ها دارای لایه‌های به خوبی توسعه‌یافته، از جمله لایه‌های کانی رسی، لایه‌های کربناتی، لایه‌های آلی و پیریت هستند. نفت شیل به طور گسترده در این لایه‌ها و ریزشکستگی‌های موازی با این صفحات لایه‌بندی توزیع شده است.
شاخص شکنندگی مخزن بالا است:
محتوای کانی‌های شکننده، عامل کلیدی مؤثر بر توسعه ریزشکستگی‌ها در شیل، میزان نفت و روش‌های تحریک شکستگی است. هرچه میزان کانی‌های رسی مانند کائولینیت، مونت‌موریلونیت و هیدرومیکا در شیل کمتر و میزان کانی‌های شکننده مانند کوارتز، فلدسپار و کلسیت بیشتر باشد، سنگ شکننده‌تر می‌شود و آن را بیشتر مستعد تشکیل شکستگی‌های طبیعی و القایی تحت نیروهای خارجی می‌کند و در نتیجه بازیابی نفت شیل را تسهیل می‌کند. شیل‌های غنی از مواد آلی دریاچه‌ای چین عموماً دارای محتوای کانی‌های شکننده بالایی هستند که بیش از 40٪ است. به عنوان مثال، شیل دریاچه‌ای در عضو چانگ 7 سازند یانچانگ در حوضه اردوس دارای محتوای متوسط کانی‌های شکننده مانند کوارتز، فلدسپار، کلسیت و دولومیت است که به 41٪ می‌رسد. محتوای کانی‌های رسی کمتر از 50٪ است. شیل موجود در زیرعضوهای چانگ ۷۲ و چانگ ۷۳ دارای محتوای پیریت بالایی است که به طور متوسط ۹.۰٪ می‌باشد.
فشار بالای سازند و نفت سبک:
مناطق غنی از نفت شیل در سازندهای شیل بالغ و غنی از مواد آلی با تولید گسترده نفت واقع شده‌اند. این مناطق عموماً انرژی سازند بالایی دارند و ضرایب فشار آنها از ۱.۲ تا ۲.۰ متغیر است. تعداد کمی از سازندهای کم‌فشار، مانند سازند یانچانگ در حوضه اوردوس، ضرایب فشاری تنها ۰.۷ تا ۰.۹ دارند. نفت عموماً سبک است و چگالی نفت خام از ۰.۷۰ تا ۰.۸۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب و ویسکوزیته آن از ۰.۷ تا ۲۰.۰ میلی‌پاسکال بر ثانیه متغیر است. نسبت بالای گاز به نفت، جریان و تولید را در سیستم‌های مخزنی گلوگاه منفذی در مقیاس نانو تسهیل می‌کند.
توزیع گسترده و مداوم، پتانسیل بالای منابع:
توزیع نفت شیل از نظر ساختاری کنترل نمی‌شود و فاقد مرزهای تله‌ای مشخص است. در عوض، محدوده نفت‌خیز آن توسط توزیع شیل غنی از مواد آلی در پنجره تولید نفت کنترل می‌شود. نفت تولید شده توسط شیل تا حد زیادی در داخل شیل باقی می‌ماند و عموماً 20 تا 50 درصد از کل نفت تولید شده را تشکیل می‌دهد که نشان‌دهنده پتانسیل قابل توجه منابع است. به عنوان مثال، شیل مزوزوئیک عضو چانگ 7 در حوضه اوردوس (متمرکز در عضو چانگ 72 پایینی و بیشتر چانگ 73) حاوی فواصل غنی از نفت شیل است. برآوردهای اولیه نشان می‌دهد که منابع نفت شیل قابل بازیابی 10 تا 15 میلیون تن است. شیل‌های دریایی آمریکای شمالی به طور گسترده توزیع شده‌اند، ضخامت پایدار، فراوانی مواد آلی بالا و بلوغ بالایی دارند و به تولید نفت شیل سبک و میعانات کمک می‌کنند.
مدل‌های رسوبی شیل غنی از مواد آلی:
شیل‌ها می‌توانند در محیط‌های رسوبی دریایی، انتقالی و زمینی تشکیل شوند. تشکیل شیل‌های سیاه غنی از مواد آلی نیازمند دو شرط کلیدی است: بهره‌وری بالا و تأمین فراوان مواد آلی؛ و شرایطی که برای حفظ، تجمع و تبدیل مواد آلی رسوبی مساعد باشد.
چهار مدل رسوب‌گذاری اصلی برای شیل‌های سیاه غنی از مواد آلی وجود دارد: پیشروی دریایی (دریاچه‌ای)، لایه‌بندی آب، آستانه و بالاآمدگی جریان اقیانوسی. در حوضه‌های دریاچه‌ای قاره‌ای، تنها سه مورد از این مدل‌ها رخ می‌دهد: پیشروی، لایه‌بندی آب و آستانه. مدل پیشروی شامل افزایش نسبی سطح دریاچه است که منجر به شرایط بی‌هوازی گسترده در آب‌های عمیق می‌شود. این امر به مواد آلی اجازه می‌دهد تا دفن و حفظ شوند و شیل‌های سیاه (بخش‌های متراکم) را تشکیل دهند. این امر معمولاً در حوضه‌های فرورفتگی گسترده‌تر است. مدل لایه‌بندی آب شامل انسداد گردش آب در بالا و پایین حوضه آبریز به دلیل تفاوت در دما، شوری یا سایر عوامل است که منجر به شرایط بی‌هوازی در مناطق کم‌ارتفاع و راکد محلی و تشکیل شیل‌های سیاه غنی از مواد آلی می‌شود. لایه‌بندی آب رایج‌ترین شکل تشکیل شیل غنی از مواد آلی است. الگوهای رسوب‌گذاری آستانه‌ای به عنوان آستانه بالا و آستانه پایین طبقه‌بندی می‌شوند که عمدتاً بر اساس عمق آب است. الگوی آستانه بالا در حوضه‌های عمیق، مانند حوضه‌های دریاچه‌ای گسل‌دار و پیش‌خشکی، رخ می‌دهد، جایی که آستانه پایین مانع از نفوذ آب‌های خارجی به آب‌های عمیق‌تر می‌شود. در نتیجه، لایه‌بندی آب یک محیط بی‌هوازی ایجاد می‌کند که منجر به توسعه شیل‌های سیاه می‌شود. الگوی آستانه پایین در مناطق کم‌عمق و راکد آب (مانند باتلاق‌ها) رخ می‌دهد. تجزیه زیستی مقادیر زیادی اکسیژن مصرف می‌کند و منجر به یک محیط کاهنده و حفظ مواد آلی گیاهی بالاتر می‌شود که منجر به تشکیل شیل‌های زغال‌سنگ می‌شود. مشخص‌ترین ویژگی الگوی آستانه پایین، عدم وجود لایه‌بندی آب است.
در طول نوسانات دوره‌ای سطح دریاچه، عمق آب و نرخ ورود رسوب نیز به صورت دوره‌ای تغییر می‌کند و منجر به تغییرات منظم در کل محتوای کربن آلی در سراسر پروفیل رسوبی می‌شود. مرزهای توالی با آب کم‌عمق‌تر، تجمع سریع رسوب و اکسیداسیون فعال مشخص می‌شوند که اغلب منجر به حداقل مقادیر کربن آلی کل در سراسر پروفیل می‌شود. در نزدیکی حداکثر سطح طغیان دریاچه، تأمین رسوب کند است و در نتیجه رسوب‌گذاری جبران نشده رخ می‌دهد. ماده آلی نسبتاً غنی است و اغلب دارای حداکثر سطح کربن آلی کل است. این بازه متراکم، مطلوب‌ترین بازه شیل غنی از مواد آلی در توالی است. با این حال، فواصل متراکم در نزدیکی حداکثر سطح طغیان دریاچه در تمام حوضه‌های دریاچه تشکیل نمی‌شوند. حوضه‌های دریاچه قاره‌ای از نظر نوع حوضه و مرحله تکاملی متفاوت هستند و به دلیل عواملی مانند مساحت کوچک حوضه، منشأهای متعدد و نوسانات سطح دریاچه، توزیع عمودی شیل غنی از مواد آلی در توالی پیچیده است. فواصل متراکم در حوضه‌های دریاچه گسل‌دار در شرق چین می‌تواند در قسمت پایینی مسیرهای سیستم‌های مرتفع یا در مسیرهای سیستم‌های پیشروی رخ دهد. حوضه‌ها در غرب میانه در درجه اول در مسیرهای سیستم‌های پیشروی قرار دارند.
ایالات متحده پیشگام جهانی در تولید نفت شیل است و نفت شیل عمدتاً در چندین حوزه نمونه یافت می‌شود:
باکن شیل: این منطقه که در داکوتای شمالی و مونتانا واقع شده است، اولین استان نفت شیل در ایالات متحده بود که به تولید صنعتی در مقیاس بزرگ دست یافت. تولید نفت عمدتاً نفت خام سبک با چگالی بین 0.79 تا 0.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب و ویسکوزیته پایین است که استخراج آن را آسان می‌کند. حوضه پرمین، که تگزاس و نیومکزیکو را در بر می‌گیرد، دارای مخازن ضخیم و پیوسته غنی از نفت سبک و میعانات گازی است و آن را به منطقه اصلی تولید نفت شیل در ایالات متحده تبدیل می‌کند.
شیل ایگل فورد، واقع در جنوب تگزاس، به دلیل مقادیر بالای فهرست محتویات و بلوغ بالای آن شناخته شده است. نفت سبک و نسبت بالای گاز به نفت آن، آن را برای تولید با استفاده از شکست افقی حجمی چاه مناسب می‌سازد.
نفت شیل در این مناطق ویژگی‌های مشابهی با نفت شیل چین دارد:
غنی از مواد آلی و بسیار رسیده (رو معمولاً 0.7٪ تا 2.0٪ است)؛
گلوگاه‌های منافذ و سیستم‌های ریزشکستگی در مقیاس نانو که به خوبی توسعه یافته‌اند، منجر به پیوستگی خوب مخزن می‌شوند.
روغن سبک و ویسکوزیته پایین، که امکان جریان آسان را فراهم می‌کند.
فناوری تحریک شکستگی پیشرفته، با چاه‌های افقی به همراه شکستگی چند مرحله‌ای به عنوان روش تولید اصلی.
امکان‌سنجی تولید مصنوعی نفت شیل:
مخازن نفت شیل عمدتاً از گلوگاه‌های منفذی در مقیاس نانو تشکیل شده‌اند که منجر به نفوذپذیری طبیعی پایین برای نفت و گاز می‌شود. بنابراین، اغلب برای افزایش تولید چاه، به فرازآوری مصنوعی نیاز است. روش‌های رایج عبارتند از:
پمپ میله‌ای مکنده (اس آر پی)
مزایا: فناوری پیشرفته، عملیات ساده، مناسب برای چاه‌های با قطر کوچک و ویسکوزیته بالا؛
معایب: راندمان به طور قابل توجهی تحت تأثیر عمق و ویسکوزیته نفت قرار می‌گیرد، و این امر آن را برای سازندهای شیل نانومتخلخل با نفوذپذیری بسیار کم نامناسب می‌کند.
پمپ شناور برقی (ای اس پی) / پمپ حفره پیش‌رونده (پی سی پی)
ای اس پی: مناسب برای چاه‌های با قطر بزرگ و بازده بالا، بهترین عملکرد را با نفت سبک و ویسکوزیته پایین دارد و امکان تولید مداوم را فراهم می‌کند.
پی سی پی: مناسب برای چاه‌های با بازده متوسط تا کم و ویسکوزیته بالا، و می‌تواند برخی از چاه‌ها را با محتوای شن یا موم بالا تحمل کند.
برای نفت شیل سبک ایالات متحده (مانند نفت شیل ایگل فورد و باکن)، پمپ‌های لوله‌ای به دلیل ویسکوزیته پایین نفت، بازده بالا و مناسب بودن بدنه پمپ برای چاه‌های افقی یا مقاطع افقی طولانی، مناسب‌تر هستند.