النفط الصخري

يُعدّ زيت الصخر الزيتي نوعًا غير تقليدي من النفط يُستخرج من شظايا صخور الصخر الزيتي عن طريق التحلل الحراري أو الهدرجة أو الذوبان الحراري . تُحوّل هذه العمليات المادة العضوية الموجودة داخل الصخر ( الكيروجين ) إلى نفط وغاز صناعيين . يُمكن استخدام النفط الناتج مباشرةً كوقود، أو تحسينه ليتوافق مع مواصفات مواد التغذية في المصافي بإضافة الهيدروجين وإزالة الشوائب مثل الكبريت والنيتروجين . يُمكن استخدام المنتجات المكررة للأغراض نفسها التي تُستخدم فيها المنتجات المشتقة من النفط الخام .

يُستخدم مصطلح "النفط الصخري" أيضًا للإشارة إلى النفط الخام المُستخرج من الصخور الزيتية في تكوينات أخرى غير تقليدية ذات نفاذية منخفضة للغاية. مع ذلك، ولتقليل احتمالية الخلط بين النفط الصخري المُستخرج من الصخور الزيتية والنفط الخام الموجود في الصخور الزيتية الحاملة للنفط، يُفضّل استخدام مصطلح " النفط المحكم " للإشارة إلى الأخير. ^{[ 1 ]} وتوصي وكالة الطاقة الدولية باستخدام مصطلح " النفط المحكم الخفيف "، كما يستخدم تقرير "موارد الطاقة العالمية 2013" الصادر عن مجلس الطاقة العالمي مصطلح " النفط المحكم " للإشارة إلى النفط الخام الموجود في الصخور الزيتية الحاملة للنفط. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

كان الصخر الزيتي من أوائل مصادر الزيوت المعدنية التي استخدمها الإنسان. ^{[ 4 ]} في القرن العاشر الميلادي، وصف الطبيب العربي مساويه المرديني (ميسوي الأصغر) لأول مرة طريقة لاستخراج الزيت من "نوع من الصخر الزيتي البيتوميني". ^{[ 5 ]} كما ورد استخدامه في سويسرا والنمسا في أوائل القرن الرابع عشر الميلادي. [ ^{6 ] وفي} عام 1596، كتب الطبيب الشخصي لفريدريك الأول، دوق فورتمبيرغ، عن خصائصه العلاجية. ^{[ 7 ]} استُخدم زيت الصخر الزيتي لإضاءة شوارع مودينا بإيطاليا في مطلع القرن الثامن عشر الميلادي. ^{[ 7 ]} منح التاج البريطاني براءة اختراع عام 1694 لثلاثة أشخاص "اكتشفوا طريقة لاستخراج كميات كبيرة من القار والقطران والزيت من نوع من الأحجار". ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} لاحقًا، بيع المنتج المقطر تحت اسم "زيت بيتون البريطاني"، وقيل إنه "جربه أشخاص مختلفون لعلاج الآلام والأوجاع وحقق فائدة كبيرة". ^{[ 10 ]} تأسست صناعات استخراج الزيت الصخري الحديثة في فرنسا خلال ثلاثينيات القرن التاسع عشر وفي اسكتلندا خلال أربعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 11 ]} استُخدم الزيت كوقود، ومادة تشحيم، وزيت للمصابيح؛ إذ أدت الثورة الصناعية إلى زيادة الطلب على الإضاءة. وقد شكّل بديلاً لزيت الحيتان الذي أصبح نادرًا وباهظ الثمن . ^{[ 7 ] [ 12 ] [ 13 ]}

خلال أواخر القرن التاسع عشر ، أُنشئت مصانع استخراج النفط الصخري في أستراليا والبرازيل والولايات المتحدة . وفي أوائل القرن العشرين ، أنتجت الصين وإستونيا ونيوزيلندا وجنوب إفريقيا وإسبانيا والسويد وسويسرا النفط الصخري . إلا أن اكتشاف النفط الخام في الشرق الأوسط في منتصف القرن أدى إلى توقف معظم هذه الصناعات، مع أن إستونيا وشمال شرق الصين حافظتا على صناعاتهما الاستخراجية حتى أوائل القرن الحادي والعشرين. ^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]} واستجابةً لارتفاع أسعار النفط في مطلع القرن الحادي والعشرين، بدأت عمليات الاستخراج، أو جرى استكشافها، أو استؤنفت في الولايات المتحدة والصين وأستراليا والأردن . ^{[ 15 ]}

يُستخرج زيت الصخر الزيتي عن طريق التحلل الحراري، أو الهدرجة، أو الذوبان الحراري للصخر الزيتي. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يُجرى التحلل الحراري للصخر في معوجة ، إما فوق سطح الأرض أو داخل التكوين الصخري نفسه. اعتبارًا من عام 2008، تُجري معظم صناعات الصخر الزيتي عملية استخراج زيت الصخر الزيتي بعد استخراج الصخر وسحقه ونقله إلى منشأة معوجة، على الرغم من وجود العديد من التقنيات التجريبية التي تُجري العملية في الموقع. تختلف درجة الحرارة التي يتحلل عندها الكيروجين إلى هيدروكربونات قابلة للاستخدام باختلاف المدة الزمنية للعملية؛ ففي عملية التحلل فوق سطح الأرض، يبدأ التحلل عند 300 درجة مئوية (570 درجة فهرنهايت) ، ولكنه يستمر بشكل أسرع وأكثر اكتمالًا عند درجات حرارة أعلى. يحدث التحلل بأسرع ما يمكن عند درجة حرارة تتراوح بين 480 و520 درجة مئوية (900 و970 درجة فهرنهايت) . ^{[ 16 ]}    

تستخلص عمليات الهدرجة والتحلل الحراري (عمليات السوائل التفاعلية) الزيت باستخدام مانحات الهيدروجين أو المذيبات أو مزيج منهما. يتضمن التحلل الحراري استخدام المذيبات عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة، مما يزيد من إنتاج الزيت عن طريق تكسير المادة العضوية المذابة. وتنتج الطرق المختلفة زيت الصخر الزيتي بخصائص متباينة. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

يُعدّ معدل الطاقة المُنتَجة من الصخر الزيتي إلى الطاقة المُستخدَمة في استخراجه ومعالجته مقياسًا حاسمًا لجدوى استخراج النفط الصخري، وهو ما يُعرف بنسبة "الطاقة المُستَخْدَمة على الطاقة المُستَخْدَمة" ( EROEI ). فنسبة EROEI تساوي 2 (أو 2:1) تعني أنه لإنتاج برميلين من النفط، يجب حرق/استهلاك طاقة تُعادل طاقة برميل واحد من النفط. وقدّرت دراسة أُجريت عام 1984 نسبة EROEI لمختلف رواسب الصخر الزيتي المعروفة بين 0.7 و13.3. ^{[ 21 ]} وتُقدّر دراسات أحدث نسبة EROEI للصخور الزيتية بين 1:1 و2:1 أو بين 2:16 و16:1، وذلك بحسب ما إذا كانت الطاقة الذاتية تُحتسب ضمن التكلفة أو تُستثنى منها، ويُحتسب فقط الطاقة المُشتراة كمدخلات. ^{[ 22 ]} وقد أفادت شركة رويال داتش شل بنسبة EROEI تتراوح بين 3 و4 في عام 2006 عن مشروعها التطويري في الموقع ضمن " مشروع ماهوجني البحثي ". ^{[ 23 ] [ 24 ]}

تختلف كمية النفط التي يمكن استخلاصها أثناء عملية التقطير باختلاف نوع الصخر الزيتي والتقنية المستخدمة. ^{[ 15 ]} يُنتج سدس الصخر الزيتي في تكوين النهر الأخضر تقريبًا كمية عالية نسبيًا تتراوح بين 25 و100 جالون أمريكي (95 إلى 379 لترًا؛ 21 إلى 83 جالونًا إمبراطوريًا ) من زيت الصخر الزيتي لكل طن من الصخر الزيتي؛ بينما يُنتج ثلث الصخر الزيتي تقريبًا كمية تتراوح بين 10 و25 جالونًا أمريكيًا (38 إلى 95 لترًا؛ 8.3 إلى 20.8 جالونًا إمبراطوريًا ) لكل طن. (10 جالونات أمريكية/طن تعادل تقريبًا 3.4 أطنان من النفط لكل 100 طن من الصخر الزيتي). أما نصف الصخر الزيتي في تكوين النهر الأخضر تقريبًا فيُنتج كمية أقل من 10 جالونات أمريكية/طن. ^{[ 25 ]}         

أعلنت كبرى شركات إنتاج النفط الصخري العالمية عن معدلات إنتاجها من عملياتها التجارية. فقد أفادت مجموعة فوشون للتعدين بإنتاج 300 ألف  طن من النفط الصخري سنوياً من 6.6  مليون طن من الصخر الزيتي، بنسبة إنتاج تبلغ 4.5% من الوزن. ^{[ 26 ]} وتزعم شركة VKG Oil إنتاج 250 ألف  طن من النفط سنوياً من  مليوني طن من الصخر الزيتي، بنسبة إنتاج تبلغ 13%. ^{[ 27 ]} أما شركة بتروبراس، فتنتج في مصنع بتروسيكس  التابع لها 550 طناً من النفط يومياً من 6200  طن من الصخر الزيتي، بنسبة إنتاج تبلغ 9%. ^{[ 28 ]}

تختلف خصائص زيت الصخر الزيتي الخام تبعًا لتكوين الصخر الزيتي الأصلي وتقنية الاستخراج المستخدمة. ^{[ 29 ]} ومثل النفط التقليدي، يُعد زيت الصخر الزيتي مزيجًا معقدًا من الهيدروكربونات، ويُصنف وفقًا لخصائصه العامة. وعادةً ما يحتوي على كميات كبيرة من الهيدروكربونات الأوليفينية والعطرية . كما قد يحتوي على كميات كبيرة من العناصر غير الكربونية . يتضمن التركيب النموذجي لزيت الصخر الزيتي 0.5-1% من الأكسجين ، و1.5-2% من النيتروجين ، و0.15-1% من الكبريت ؛ وتحتوي بعض الرواسب على كميات أكبر من العناصر غير الكربونية مقارنةً بغيرها. وغالبًا ما توجد أيضًا جزيئات معدنية ومعادن. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وبشكل عام، يكون الزيت أقل سيولة من النفط الخام، حيث يصبح قابلاً للصب عند درجات حرارة تتراوح بين 24 و27 درجة مئوية (75 و81 درجة فهرنهايت) ، بينما يكون النفط الخام التقليدي قابلاً للصب عند درجات حرارة تتراوح بين -60 و30 درجة مئوية (-76 و86 درجة فهرنهايت) . تؤثر هذه الخاصية على قدرة النفط الصخري على النقل في خطوط أنابيب النفط الحالية . ^{[ 30 ] [ 32 ] [ 33 ]}    

يحتوي زيت الصخر الزيتي على هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات ، وهي مواد مسرطنة . وقد خلصت وكالة حماية البيئة الأمريكية إلى أن زيت الصخر الزيتي الخام له احتمالية مسرطنة طفيفة، تُضاهي بعض منتجات تكرير البترول الوسيطة، بينما يتمتع زيت الصخر الزيتي المُحسَّن باحتمالية مسرطنة أقل، إذ يُعتقد أن معظم المركبات العطرية متعددة الحلقات قد تحللت بفعل الهدرجة . ^{[ 34 ]} وتصنف منظمة الصحة العالمية زيت الصخر الزيتي ضمن المجموعة الأولى من المواد المسرطنة للإنسان. ^{[ 35 ]}

على الرغم من إمكانية حرق زيت الصخر الزيتي الخام مباشرةً كوقود، إلا أن العديد من استخداماته تتطلب معالجته. وتستدعي الخصائص المختلفة للزيوت الخام إجراء معالجات أولية متنوعة قبل إرسالها إلى مصفاة نفط تقليدية . ^{[ 36 ]}

تُعيق الجسيمات الموجودة في النفط الخام عمليات التكرير اللاحقة؛ ويُسبب الكبريت والنيتروجين تلوث الهواء . كما يُؤدي الكبريت والنيتروجين، إلى جانب الزرنيخ والحديد اللذين قد يكونان موجودين، إلى تدمير المحفزات المستخدمة في التكرير . [ 37 ^{] [ 38 ] تُشكل الأوليفينات} رواسب غير قابلة للذوبان وتُسبب عدم استقرار. يُساهم الأكسجين الموجود في النفط، بمستويات أعلى من تلك الموجودة في النفط الخام ، في تكوين الجذور الحرة المُدمرة . ^{[ 31 ]} يُمكن معالجة هذه المشاكل من خلال إزالة الكبريت بالهيدروجين وإزالة النيتروجين بالهيدروجين، مما يُؤدي إلى منتج يُضاهي النفط الخام القياسي . ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 39 ] [ 40 ]} يُمكن إزالة الفينولات أولًا عن طريق الاستخلاص بالماء. ^{[ 40 ]} يتطلب تحويل النفط الصخري إلى وقود للنقل تعديل نسب الهيدروجين إلى الكربون عن طريق إضافة الهيدروجين ( التكسير الهيدروجيني ) أو إزالة الكربون ( التكويك ). ^{[ 39 ] [ 40 ]}

يمكن استخدام زيت الصخر الزيتي المُنتَج بتقنيات معينة، مثل عملية كيفيتر ، دون مزيد من المعالجة كمكون زيتي ومصدر للمركبات الفينولية . كما يمكن استخدام زيوت التقطير من عملية كيفيتر كمخففات للزيوت الثقيلة المشتقة من البترول، وكمادة مضافة مُحسِّنة للالتصاق في المواد البيتومينية مثل الأسفلت. ^{[ 40 ]}

قبل الحرب العالمية الثانية ، كان معظم النفط الصخري يُعالج ليُستخدم كوقود للنقل. بعد ذلك، استُخدم كمادة خام للمواد الكيميائية الوسيطة، والمواد الكيميائية النقية، والراتنجات الصناعية، وكمادة حافظة للأخشاب المستخدمة في السكك الحديدية . اعتبارًا من عام 2008، يُستخدم بشكل أساسي كزيت تدفئة ووقود بحري، وبدرجة أقل في إنتاج مواد كيميائية متنوعة. ^{[ 36 ]}

يُعدّ تركيز المركبات ذات درجة الغليان العالية في النفط الصخري مناسبًا لإنتاج المشتقات المتوسطة مثل الكيروسين ووقود الطائرات ووقود الديزل . ^{[ 31 ] [ 41 ] [ 42 ]} ويمكن أن يؤدي التكسير الإضافي إلى إنتاج الهيدروكربونات الأخف المستخدمة في البنزين. ^{[ 31 ] [ 43 ]}

لا يزال يُستخدم حتى اليوم "زيت الصخر الزيتي المُسلفن الشاحب" (PSSO)، وهو نوع مُسلفن ومُعادل للأمونيا يُسمى "إيكثامول" (الاسم الكيميائي: بيتومينوسلفونات الأمونيوم ). ^{[ 44 ]}

وقد تم تقدير احتياطيات النفط الصخري القابلة للاستخراج تقنياً على مستوى العالم مؤخراً بما يتراوح بين 2.8 و 3.3 تريليون برميل (450 × 10 ^ ⁹ إلى 520 × 10 ^ ⁹ متر مكعب ⁾ من النفط الصخري، مع وجود أكبر الاحتياطيات في الولايات المتحدة ، والتي يُعتقد أنها تحتوي على 1.5-2.6 تريليون برميل (240 × 10 ^ ⁹ - 410 × 10 ^ ⁹ متر ^مكعب ) . ^{[ 14 ] [ 41 ] [ 45 ] [ 46 ]} قُدِّر الإنتاج العالمي من النفط الصخري بـ 17,700 برميل يوميًا (2,810 متر ^مكعب /يوم) في عام 2008. وكانت الدول الرائدة في الإنتاج هي الصين ( 7,600 برميل يوميًا (1,210 متر ^مكعب /يوم) )، وإستونيا ( 6,300 برميل يوميًا (1,000 متر ^مكعب /يوم) )، والبرازيل ( 3,800 برميل يوميًا (600 متر ^مكعب /يوم) ). ^{[ 14 ]}      

واجه إنتاج النفط الصخري عقباتٍ بسبب الصعوبات التقنية والتكاليف. ^{[ 47 ]} في مارس 2011، شكك مكتب إدارة الأراضي التابع لوزارة الداخلية الأمريكية في مقترحات العمليات التجارية في كولورادو ويوتا ووايومنغ، مصرحًا بأنه "لا توجد حتى الآن طرق مجدية اقتصاديًا معروفة لاستخراج ومعالجة النفط الصخري لأغراض تجارية". ^{[ 48 ]} تستخدم إدارة معلومات الطاقة الأمريكية أحيانًا مصطلح "النفط الصخري (المحكمة)" للإشارة إلى النفط المحكمة، "النفط الخام... المُنتج مباشرةً من موارد النفط المحكمة". في عام 2021، أنتجت الولايات المتحدة 7.23 مليون برميل من هذا النفط المحكمة يوميًا، أي ما يعادل حوالي 64% من إجمالي إنتاج النفط الخام الأمريكي. ^{[ 49 ]} كما تُطلق وكالة الطاقة الدولية أحيانًا على النفط المحكمة اسم "النفط الصخري"، ^{[ 50 ]} لكنها تُصنف أي منتجات من النفط الصخري ضمن الوقود الصلب . ^{[ 51 ]}

• خزانات غير تقليدية (للنفط والغاز)
• اقتصاديات الصخر الزيتي
• غاز الصخر الزيتي
• تغويز الفحم تحت الأرض
• الصخر الزيتي المستهلك
• فاكا مويرتا
• عملية تعدين الصخر الزيتي في كريفيني