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Dépôts de schiste bitumineux aux États-Unis



Réimpression de: United States Geological Survey Scientific Investigations Report 2005-5294 par John R. Dyni
États-Unis d'Amérique Schiste bitumineux

Schiste bitumineux américain: Carte des zones sous-jacentes à la formation de Green River dans le Colorado, l'Utah et le Wyoming, aux États-Unis (d'après Dyni, 2005) et les principales zones de schistes bitumineux exploitables en surface du Dévonien dans l'est des États-Unis (d'après Matthews et al., 1980). Cliquez pour agrandir la carte.

Aux États-Unis, de nombreux gisements de schiste bitumineux, allant du Précambrien au Tertiaire. Les deux gisements les plus importants se trouvent dans la formation Eocene Green River au Colorado, au Wyoming et en Utah et dans les schistes noirs du Dévonien et du Mississippien dans l'est des États-Unis. Les schistes bitumineux associés aux gisements de charbon de l'âge du Pennsylvanien se trouvent également dans l'est des États-Unis. On sait que d'autres gisements se trouvent au Nevada, au Montana, en Alaska, au Kansas et ailleurs, mais ils sont soit trop petits, soit de trop faible teneur, ou n'ont pas encore été suffisamment explorés (Russell, 1990, p. 82-157) pour être considérées comme des ressources aux fins du présent rapport. En raison de leur taille et de leur teneur, la plupart des recherches se sont concentrées sur la rivière Green et les gisements Dévonien-Mississippien.

Schiste bitumineux - Menu Pays

Formation de Green River:


-Géologie

Des sédiments lacustres de la formation de Green River se sont déposés dans deux grands lacs qui occupaient 65 000 km2 dans plusieurs bassins de structure sédimentaire au Colorado, au Wyoming et en Utah du début à la fin de l'Éocène moyen. Le soulèvement de la montagne Uinta et son extension vers l'est, l'anticlinal du bassin axial, séparent ces bassins. Le réseau lacustre de la rivière Green existait depuis plus de 10 millions d'années à une époque de climat tempéré chaud à subtropical. Pendant des parties de leur histoire, les bassins lacustres ont été fermés et les eaux sont devenues très salines.

Les fluctuations de la quantité d'eaux entrantes ont causé de grandes expansions et contractions des lacs, comme en témoigne l'intertension généralisée des strates lacustres marneuses avec des lits de grès et de siltite d'origine terrestre. Pendant les périodes arides, les lacs se contractaient et les eaux devenaient de plus en plus salines et alcalines. La teneur en eau de lac des carbonates et chlorures de sodium solubles a augmenté, tandis que les carbonates divalents Ca + Mg + Fe moins solubles ont été précipités avec des sédiments riches en matières organiques. Pendant les périodes les plus sèches, les eaux du lac ont atteint des salinités suffisantes pour précipiter des lits de nahcolite, d'halite et de trona. Les eaux interstitielles des sédiments étaient suffisamment salines pour précipiter des cristaux disséminés de nahcolite, de shortite et de dawsonite ainsi qu'une multitude d'autres minéraux authigéniques de carbonate et de silicate (Milton, 1977).

Un aspect remarquable de la minéralogie est le manque total de minéraux sulfatés authigènes. Bien que le sulfate soit probablement un anion majeur dans les eaux des cours d'eau entrant dans les lacs, l'ion sulfate était vraisemblablement totalement consommé par les bactéries sulfato-réductrices dans les eaux du lac et des sédiments selon la réaction d'oxydoréduction généralisée suivante:

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

Notez que deux moles de bicarbonate sont formées pour chaque mole de sulfate qui est réduite. Le sulfure d'hydrogène résultant pourrait soit réagir avec le Fe ++ disponible pour précipiter sous forme de sulfure de fer, soit s'échapper des sédiments sous forme de gaz (Dyni, 1998). Les autres principales sources de carbonate comprennent les algues sécrétant du carbonate de calcium, l'hydrolyse des minéraux silicatés et l'apport direct des flux entrants.

Les eaux chaudes et alcalines des lacs des lacs de la rivière Éocène verte ont fourni d'excellentes conditions pour la croissance abondante d'algues bleu-vert (cyanobactéries) qui seraient le principal précurseur de la matière organique dans les schistes bitumineux. Pendant les périodes de rafraîchissement des eaux, les lacs abritaient une variété de poissons, de raies, de bivalves, de gastéropodes, d'ostracodes et d'autres espèces aquatiques. Les zones périphériques aux lacs abritaient un assemblage vaste et varié de plantes terrestres, d'insectes, d'amphibiens, de tortues, de lézards, de serpents, de crocodiles, d'oiseaux et de nombreux mammifères (McKenna, 1960; MacGinitie, 1969; et Grande, 1984).

-Développements historiques

La présence de schistes bitumineux dans la formation de Green River au Colorado, en Utah et au Wyoming est connue depuis de nombreuses années. Au début des années 1900, il a été clairement établi que les gisements de Green River constituaient une ressource majeure en pétrole de schiste (Woodruff et Day, 1914; Winchester, 1916; Gavin, 1924). Au cours de cette première période, la rivière Green et d'autres gisements ont été étudiés, y compris le schiste bitumineux de la formation marine Phosphoria d'âge Permien au Montana (Bowen, 1917; Condit, 1919) et le schiste bitumineux dans les lits du lac Tertiaire près d'Elko, Nevada (Winchester, 1923).

En 1967, le département américain de l'Intérieur a lancé un vaste programme pour enquêter sur la commercialisation des gisements de schiste bitumineux de Green River. Les augmentations spectaculaires des prix du pétrole résultant de l'embargo pétrolier de l'OPEP de 1973-74 ont déclenché une nouvelle résurgence des activités de schistes bitumineux dans les années 1970 et au début des années 1980. En 1974, plusieurs parcelles de schistes bitumineux publics du Colorado, de l'Utah et du Wyoming ont été mises en concurrence avec le Federal Prototype Oil Shale Leasing Program. Deux tracts ont été loués au Colorado (C-a et C-b) et deux en Utah (U-a et U-b) à des compagnies pétrolières.

De grandes installations minières souterraines, y compris des puits verticaux, des entrées de pièces et de piliers et des cornues modifiées in situ, ont été construites sur les secteurs C-a et C-b, mais peu ou pas de pétrole de schiste a été produit. Pendant ce temps, Unocal Oil Company développait ses installations de schiste bitumineux sur des terres privées du côté sud du bassin Piceance Creek. Les installations comprenaient une mine à chambre et pilier avec une entrée en surface, une cornue de 10 000 barils / jour (1 460 tonnes / jour) et une usine de valorisation. À quelques kilomètres au nord de la propriété Unocal, Exxon Corporation a ouvert une mine à chambres et piliers avec une entrée en surface, des routes de transport, une décharge de stériles, un réservoir de stockage d'eau et un barrage.

En 1977-1978, le US Bureau of Mines a ouvert une mine expérimentale qui comprenait un puits de 723 m de profondeur avec plusieurs entrées de pièce et de pilier dans la partie nord du bassin de Piceance Creek pour mener des recherches sur les gisements plus profonds de schiste bitumineux, qui sont mélangés avec de la nahcolite et de la dawsonite. Le site a été fermé à la fin des années 80.

Environ 80 millions de dollars ont été dépensés sur les tracts U-a / U-b dans l'Utah par trois sociétés énergétiques pour couler un puits vertical de 313 m de profondeur et un chemin de transport incliné vers une zone de schiste bitumineux de haute qualité et pour ouvrir plusieurs petites entrées. Les autres installations comprenaient un bâtiment de services miniers, des usines de traitement de l'eau et des eaux usées et un barrage de rétention d'eau.

Le projet Seep Ridge, situé au sud des secteurs U-a / U-b, financé par Geokinetics, Inc. et le Département américain de l'énergie, a produit du pétrole de schiste par une méthode de cornue in situ peu profonde. Plusieurs milliers de barils de schiste bitumineux ont été produits.

L'usine de schiste bitumineux Unocal a été le dernier grand projet de production d'huile de schiste à partir de la formation de Green River. La construction de l'usine a commencé en 1980 et l'investissement en capital pour la construction de la mine, de la cornue, de la modernisation de l'usine et d'autres installations s'est élevé à 650 millions de dollars. Unocal a produit 657 000 tonnes (environ 4,4 millions de barils) de pétrole de schiste, qui ont été expédiées à Chicago pour être raffinées en carburants de transport et autres produits dans le cadre d'un programme partiellement subventionné par le gouvernement américain. Le taux moyen de production au cours des derniers mois d'exploitation était d'environ 875 tonnes (environ 5 900 barils) d'huile de schiste par jour; l'installation a été fermée en 1991.

Au cours des dernières années, Shell Oil Company a commencé un projet expérimental sur le terrain pour récupérer le pétrole de schiste par une technique in situ exclusive. Certains détails sur le projet ont été annoncés publiquement et les résultats à ce jour (2006) semblent favoriser la poursuite des recherches.

-Ressources en huile de baleine

Au fur et à mesure que les gisements de schiste bitumineux de Green River au Colorado devenaient plus connus, les estimations de la ressource sont passées d'environ 20 milliards de barils en 1916 à 900 milliards de barils en 1961 et à 1,0 billion de barils (~ 147 milliards de tonnes) en 1989 (Winchester, 1916, p. 140; Donnell, 1961; Pitman et al., 1989). Une section lithologique et un résumé des ressources par zones de schiste bitumineux dans le bassin du ruisseau Piceance sont présentés à la figure 17.

Les ressources de schiste bitumineux de Green River dans l'Utah et le Wyoming ne sont pas aussi connues que celles du Colorado. Trudell et al. (1983, p. 57) ont calculé les ressources mesurées et estimées de pétrole de schiste sur une superficie d'environ 5 200 km2 dans l'est du bassin d'Uinta, dans l'Utah, soit 214 milliards de barils (31 milliards de tonnes), dont environ un tiers se trouve dans la riche zone de schiste bitumineux d'acajou. Culbertson et al. (1980, p. 17) ont estimé les ressources de schiste bitumineux de la formation de Green River dans le bassin de Green River au sud-ouest du Wyoming à 244 milliards de barils (~ 35 milliards de tonnes) de pétrole de schiste.

Des ressources supplémentaires se trouvent également dans le bassin Washakie à l'est du bassin de la rivière Green, dans le sud-ouest du Wyoming. Trudell et al. (1973) ont rapporté que plusieurs membres de la formation de Green River sur Kinney Rim, du côté ouest du bassin Washakie, contiennent des séquences de schistes bitumineux de niveaux faibles à modérés dans trois trous de carottage. Deux séquences de schiste bitumineux dans le membre Laney, d'une épaisseur de 11 et 42 m, représentent en moyenne 63 l / t et représentent jusqu'à 8,7 millions de tonnes d'huile de schiste in situ par kilomètre carré. Une estimation totale de la ressource dans le bassin Washakie n'a pas été rapportée faute de données souterraines.

-Autres ressources minérales

En plus de l'énergie fossile, les gisements de schiste bitumineux de Green River au Colorado contiennent des ressources précieuses de minéraux de carbonate de sodium, y compris la nahcolite (NaHCO3) et la dawsonite NaAl (OH)2CO3. Les deux minéraux sont mélangés à du schiste bitumineux de haute qualité dans la partie nord profonde du bassin. Dyni (1974) a estimé la ressource totale en nahcolite à 29 milliards de tonnes. Beard et al. (1974) ont estimé à peu près la même quantité de nahcolite et 17 milliards de tonnes de dawsonite. Les deux minéraux ont de la valeur pour la soude (Na2CO 3) et la dawsonite a également une valeur potentielle pour son alumine (Al2O3) contenu. Ce dernier minéral est le plus susceptible d'être récupéré comme sous-produit d'une exploitation de schiste bitumineux. Une entreprise exploite en solution du nahcolite pour la fabrication de bicarbonate de sodium dans la partie nord du bassin du ruisseau Piceance à des profondeurs d'environ 600 m (Day, 1998). Une autre société a arrêté l'extraction de solution de nahcolite en 2004, mais traite désormais du carbonate de soude provenant des gisements trona du Wyoming pour fabriquer du bicarbonate de sodium.

Le membre de Wilkins Peak de la formation de Green River dans le bassin de Green River, dans le sud-ouest du Wyoming, contient non seulement du schiste bitumineux, mais aussi la plus grande ressource connue au monde de carbonate de sodium naturel sous forme de trona (Na2CO3.NaHCO3.2H2O). La ressource trona est estimée à plus de 115 milliards de tonnes dans 22 lits de 1,2 à 9,8 m d'épaisseur (Wiig et al., 1995). En 1997, la production de trona de cinq mines était de 16,5 millions de tonnes (Harris, 1997). Trona est raffiné en carbonate de sodium (Na2CO3) utilisés dans la fabrication de bouteilles et de verres plats, de bicarbonate de soude, de savon et de détergents, de produits chimiques de traitement des déchets et de nombreux autres produits chimiques industriels. Une tonne de carbonate de sodium est obtenue à partir d'environ deux tonnes de minerai de trona. Le Wyoming trona fournit environ 90% des besoins américains en carbonate de sodium; en outre, environ un tiers de la production totale de carbonate de soude du Wyoming est exportée.

Dans la partie la plus profonde du bassin de Piceance Creek, le schiste bitumineux de Green River contient une ressource potentielle de gaz naturel, mais sa reprise économique est discutable (Cole et Daub, 1991). Le gaz naturel est également présent dans les gisements de schiste bitumineux de Green River dans le sud-ouest du Wyoming, et probablement dans les schistes bitumineux de l'Utah, mais en quantités inconnues. Le tableau 8 présente un résumé des schistes bitumineux et des ressources minérales de la formation de Green River au Colorado, au Wyoming et en Utah.

Schistes bitumineux du Dévonien oriental et du Mississippien:


-Environnement de dépôt

Des schistes marins riches en matières organiques noires et des sédiments associés d'âge du Dévonien tardif et du Mississippien inférieur sous-tendent environ 725 000 km2 dans l'est des États-Unis. Ces schistes sont exploités depuis de nombreuses années comme ressource de gaz naturel, mais ont également été considérés comme une ressource potentielle à faible teneur en pétrole de schiste et en uranium (Roen et Kepferle, 1993; Conant et Swanson, 1961).

Au fil des ans, les géologues ont appliqué de nombreux noms locaux à ces schistes et roches associées, notamment Chattanooga, New Albany, Ohio, Sunbury, Antrim et d'autres. Un groupe d'articles détaillant la stratigraphie, la structure et le potentiel gazier de ces roches dans l'est des États-Unis a été publié par l'US Geological Survey (Roen et Kepferle, 1993).

Les schistes noirs ont été déposés au cours du Dévonien tardif et du début du Mississippien dans une grande mer épépire qui couvrait une grande partie du centre et de l'est des États-Unis à l'est du Mississippi. La zone comprenait la plate-forme intérieure large et peu profonde à l'ouest qui s'incline vers l'est dans le bassin des Appalaches. La profondeur jusqu'à la base des schistes noirs du Dévonien et du Mississippien va des expositions en surface sur la plate-forme intérieure à plus de 2700 m le long de l'axe de sédimentation du bassin des Appalaches (de Witt et al., 1993, leur pl. 1).

La mer du Dévonien supérieur était relativement peu profonde avec un courant et une action des vagues minimes, tout comme l'environnement dans lequel le schiste d'alun de Suède a été déposé en Europe. Une grande partie de la matière organique du schiste noir est de la bituminite amorphe, bien que quelques organismes fossiles structurés tels que Tasmanites, Botryococcus, Foerstia, et d'autres ont été reconnus. Les conodontes et les brachiopodes linguloïdes sont répartis avec parcimonie dans certains lits. Bien qu'une grande partie de la matière organique soit amorphe et d'origine incertaine, on pense généralement qu'une grande partie de celle-ci est dérivée d'algues planctoniques.

Dans les parties distales de la mer Dévonienne, la matière organique s'est accumulée très lentement avec des sédiments argileux à grain très fin dans des eaux mal oxygénées exemptes d'organismes fouisseurs. Conant et Swanson (1961, p. 54) ont estimé que 30 cm de la partie supérieure du schiste de Chattanooga déposé sur la plate-forme intérieure au Tennessee pourraient représenter jusqu'à 150 000 ans de sédimentation.

Les schistes noirs s'épaississent vers l'est dans le bassin des Appalaches en raison des quantités croissantes de sédiments clastiques qui ont été rejetés dans la mer Dévonienne à partir des hautes terres des Appalaches situées à l'est du bassin. La pyrite et la marcassite sont des minéraux authigéniques abondants, mais les minéraux carbonatés ne représentent qu'une fraction mineure de la matière minérale.

-Ressources

La ressource de schiste bitumineux se trouve dans la partie de la plate-forme intérieure où les schistes noirs sont les plus riches et les plus proches de la surface. Bien que connue depuis longtemps pour produire du pétrole lors de la réplique, la matière organique du schiste noir du Dévonien et du Mississippien ne produit qu'environ la moitié de la matière organique du schiste bitumineux de Green River, qui serait attribuable à des différences dans le type de matière organique. (ou type de carbone organique) dans chacun des schistes bitumineux. Le schiste bitumineux du Dévonien et du Mississippien a un rapport plus élevé de carbone organique aromatique à aliphatique que le schiste bitumineux de Green River, et il est démontré par les analyses de Fischer du bilan matière qu'il donne beaucoup moins d'huile de schiste et un pourcentage plus élevé de résidus de carbone (Miknis, 1990).

L'hydrorétortement des schistes bitumineux du Dévonien et du Mississippien peut augmenter le rendement en huile de plus de 200% de la valeur déterminée par le test Fischer. En revanche, la conversion de la matière organique en pétrole par hydrotraitement est beaucoup moins importante pour les schistes bitumineux de Green River, environ 130 à 140% de la valeur du test de Fischer. D'autres schistes bitumineux marins réagissent également favorablement à l'hydrorétortage, avec des rendements allant jusqu'à 300% ou plus du test Fischer (Dyni et al., 1990).

Matthews et al. (1980) ont évalué les schistes bitumineux du Dévonien et du Mississippien dans les zones de la plate-forme intérieure où les schistes sont suffisamment riches en matière organique et suffisamment proches de la surface pour pouvoir être exploités à ciel ouvert. Les résultats d'enquêtes en Alabama, Illinois, Indiana, Kentucky, Ohio, Michigan, est du Missouri, Tennessee et Virginie-Occidentale ont indiqué que 98% des ressources exploitables proches de la surface se trouvent dans le Kentucky, Ohio, Indiana et Tennessee (Matthews, 1983) .

Les critères d'évaluation de la ressource de schiste bitumineux Dévonien-Mississippien utilisés par Matthews et autres (1980) étaient:

  1. Teneur en carbone organique: = 10% en poids
  2. Morts-terrains: = 200 m
  3. Rapport de décapage: = 2,5: 1
  4. Épaisseur du lit de schiste: = 3 m
  5. Exploitation minière à ciel ouvert et hydrorétortage

Sur la base de ces critères, les ressources totales en pétrole de schiste Dévonien-Mississippien étaient estimées à 423 milliards de barils (61 milliards de tonnes).