Περιεχόμενο
- Τι είναι η υδραυλική κατάτμηση;
- Πόσο καιρό έχει χρησιμοποιηθεί η υδραυλική θραύση;
- Η επιτυχής χρήση του υδραυλικού σπασίματος στο σχιστόλιθο
- Υδραυλική θραύση σε άλλες αναπαραστάσεις σχιστόλιθου
- Υγρά κατάσπασης
- Προπάνια
- Περιβαλλοντικές ανησυχίες
- Οφέλη στην παραγωγή
Αντλίες και πετρελαιοκινητήρες έτοιμοι για το Frac: Φωτογραφία μιας λειτουργίας υδραυλικής ρωγμής που διεξάγεται σε ένα τρυπάνι γεώτρησης στο παιχνίδι φυσικού αερίου Marcellus Shale της νοτιοδυτικής Πενσυλβανίας. Ένα τεράστιο σύνολο αντλιών, κινητήρων ντίζελ, φορτηγών νερού, αναμικτών άμμου και εγκαταστάσεων υδραυλικών εγκαταστάσεων είναι εγκατεστημένο για το Frac. Εικόνα από Doug Duncan, USGS.
Τι είναι η υδραυλική κατάτμηση;
Η υδραυλική ρωγμή είναι μια διαδικασία που μπορεί να αυξήσει τη ροή του πετρελαίου ή του φυσικού αερίου από ένα πηγάδι. Αυτό γίνεται με την άντληση υγρών κάτω από ένα φρεάτιο σε μονάδες υπόγειας πέτρας υπό πιέσεις που είναι αρκετά υψηλές ώστε να σπάσουν το βράχο. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα δίκτυο διασυνδεδεμένων καταγμάτων που θα χρησιμεύουν ως χώροι πόρων για την κίνηση του πετρελαίου και του φυσικού αερίου στο φρεάτιο.
Η υδραυλική θραύση σε συνδυασμό με την οριζόντια διάτρηση έχει μετατρέψει προηγουμένως μη παραγωγικές οργανικές πλούσιες σχιστόλιθου στα μεγαλύτερα πεδία φυσικού αερίου στον κόσμο. Το Marshall Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale και Bakken Formation αποτελούν παραδείγματα παλαιών μη παραγωγικών μονάδων ροκ που έχουν μετατραπεί σε φανταστικό πετρέλαιο φυσικού αερίου ή πετρελαίου με υδραυλική ρωγμή.
Πόσο καιρό έχει χρησιμοποιηθεί η υδραυλική θραύση;
Η πρώτη χρήση της υδραυλικής θραύσης για την τόνωση πετρελαιοειδών και πηγαδιών φυσικού αερίου στις Ηνωμένες Πολιτείες έγινε πριν από 60 χρόνια. Η εταιρεία Haliburton Oil Wellment Company εξέδωσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη διαδικασία το 1949. Η μέθοδος αύξησε με επιτυχία τα ποσοστά παραγωγής και η πρακτική εξαπλώθηκε γρήγορα. Τώρα χρησιμοποιείται σε όλο τον κόσμο σε χιλιάδες πηγάδια κάθε χρόνο. Η βενζίνη μας, τα καύσιμα θέρμανσης, το φυσικό αέριο και άλλα προϊόντα που παράγονται από προϊόντα πετρελαίου θα κόστιζαν πολύ περισσότερο εάν δεν είχε εφευρεθεί η υδραυλική ρωγμάτωση.
Οριζόντια διάτρηση και υδραυλική θραύση: Απλοποιημένο διάγραμμα ενός φρέατος φυσικού αερίου που έχει κατασκευαστεί με οριζόντια διάτρηση μέσω του σχιστολιθικού Marcellus και υδραυλικό σπάσιμο στο οριζόντιο τμήμα του φρεατίου.
Υποδοχή γεώτρησης έτοιμη για υδραυλική θραύση: Μια άλλη φωτογραφία ενός τρυπανιού για την ημέρα frac στο παιχνίδι φυσικού αερίου Marcellus Shale της νοτιοδυτικής Πενσυλβανίας. Φωτογραφία από τον Doug Duncan, USGS.
Η επιτυχής χρήση του υδραυλικού σπασίματος στο σχιστόλιθο
Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, η Mitchell Energy άρχισε να χρησιμοποιεί υδραυλικά ρωγμές για να διεγείρει την παραγωγή φυσικού αερίου από πηγάδια που έχουν βυθιστεί στο σχιστόλιθο Barnett του Τέξας. Το Barnett Shale περιείχε τεράστιες ποσότητες φυσικού αερίου. Ωστόσο, η Barnett σπανίως παρήγαγε φυσικό αέριο σε εμπορικές ποσότητες.
Η Mitchell Energy συνειδητοποίησε ότι το φυσικό αέριο στο σχοινί του Barnett παγιδεύτηκε σε μικροσκοπικούς πόρους που δεν ήταν διασυνδεδεμένοι. Ο βράχος είχε πόρους, αλλά δεν είχε διαπερατότητα. Τα πηγάδια που διέρρευσαν από το Barnett Shale θα είχαν συνήθως μια εκπομπή φυσικού αερίου αλλά όχι αρκετό αέριο για εμπορική παραγωγή. Η Mitchell Energy επιλύει το πρόβλημα αυτό με την υδραυλική θραύση του Barnett Shale για να δημιουργήσει ένα δίκτυο διασυνδεδεμένων χώρων πόρων που επέτρεψαν τη ροή φυσικού αερίου στο πηγάδι.
Δυστυχώς πολλά από τα κατάγματα που παράγονται από τη διαδικασία της υδραυλικής θραύσης έσπασαν κλειστά όταν οι αντλίες ήταν απενεργοποιημένες. Ο σχιστόλιθος Barnett ήταν τόσο βαθιά θαμμένος, ώστε η περιοριστική πίεση έκλεισε τα νέα κατάγματα. Αυτό το πρόβλημα επιλύθηκε προσθέτοντας άμμο στο υγρό θραύσης. Όταν ο βράχος έσπασε, η βιασύνη του νερού στο νεοαποκτηθέντα πόρο χώρος θα φέρει κόκκους άμμου βαθιά μέσα στη μονάδα βράχου. Όταν μειώθηκε η πίεση του νερού, οι κόκκοι της άμμου «υποστήριξαν» το θραύσμα ανοιχτό και επέτρεψαν τη ροή του φυσικού αερίου μέσω των καταγμάτων και στην οπή του φρέατος. Σήμερα υπάρχουν μια ποικιλία από φυσικά και συνθετικά προϊόντα που πωλούνται με την ονομασία "άμμο φρακ".
Η ενέργεια Mitchell βελτίωσε περαιτέρω την απόδοση των φρεατίων τους, γεώτρητά τους οριζόντια μέσα από το σχιστόλιθο Barnett. Κατακόρυφα φρεάτια ξεκίνησαν στην επιφάνεια, κατευθύνονται σε οριζόντιο προσανατολισμό και οδηγούνται μέσω του Barnett σχιστόλιθου για χιλιάδες πόδια. Αυτό πολλαπλασίασε το μήκος της ζώνης πληρωμής στο πηγάδι. Εάν μια μονάδα βράχου είχε πάχος 100 ποδιών, θα είχε μια ζώνη πληρωμής 100 ποδιών σε κάθετο πηγάδι. Ωστόσο, αν το πηγάδι οδηγήθηκε οριζόντια και παρέμεινε οριζόντια για 5000 πόδια μέσω του σχηματισμού στόχου, τότε το μήκος της ζώνης πληρωμής ήταν πενήντα φορές μεγαλύτερο από τη ζώνη πληρωμής ενός κάθετου φρεατίου.
Η Mitchell Energy χρησιμοποίησε την υδραυλική θραύση και την οριζόντια διάτρηση για να πολλαπλασιάσει την παραγωγικότητα των φρεατίων Barnett Shale. Στην πραγματικότητα, πολλά από τα εξαιρετικά επιτυχημένα πηγάδια τους θα ήταν αποτυχίες αν ήταν κατακόρυφα πηγάδια χωρίς υδραυλικό σπάσιμο.
Διάταξη διάτρησης: Αχρησιμοποίητο και χρησιμοποιημένο πιστόλι διάτρησης που χρησιμοποιείται στη διάτρηση πετρελαίου και αερίου και στην υδραυλική θραύση. Ο σωλήνας στο κάτω μέρος δείχνει τις οπές που δημιουργούνται από τα εκρηκτικά φορτία που είναι τοποθετημένα μέσα στο σωλήνα. Φωτογραφία από τον Bill Cunningham, USGS.
Υδραυλική θραύση σε άλλες αναπαραστάσεις σχιστόλιθου
Όπως άλλοι έμαθαν σχετικά με την επιτυχία του Mitchell Energys στο Barnett Shale του Τέξας, οι μέθοδοι οριζόντιας διάτρησης και υδραυλικής θραύσης δοκιμάστηκαν σε άλλες οργανικές πλούσιες σχιστόλιθοι. Αυτές οι μέθοδοι πέτυχαν γρήγορα στο σχιστόλιθο Haynesville και το σχιστόλιθο Fayetteville της Λουιζιάνας, του Τέξας και του Αρκάνσας - στη συνέχεια, στο σχιστόλιθο Marcellus στην λεκάνη της Απαλαχίας. Οι μέθοδοι δούλεψαν σε πολλές άλλες σχιστόλιθες και τώρα χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη οργανικών πλούσιων σχιστόλιθων σε πολλά μέρη του κόσμου.
Η υδραυλική ρωγμάτωση επέτρεψε επίσης την παραγωγή υγρών φυσικού αερίου και πετρελαίου από πολλά πηγάδια. Οι μονάδες ροκ όπως το κοκκάλινο κοχύλι της Βόρειας Ντακότα και το σχιστόλιθο Niobrara του Κολοράντο, του Κάνσας, της Νεμπράσκα και του Ουαϊόμινγκ αποδίδουν τώρα σημαντικές ποσότητες πετρελαίου από την υδραυλική ρωγμάτωση.
Frac λίμνη συγκράτησης νερού: Μια κατακρήμνιση νερού σε ένα τρυπάνι στο παιχνίδι φυσικού αερίου Fayetteville σχιστόλιθου του Αρκάνσας. Αυτές οι λίμνες με επένδυση όπως αυτές χρησιμοποιούνται για αποθήκευση νερού frac σε χώρους γεώτρησης σε όλα τα παιχνίδια φυσικού αερίου. Φωτογραφία από τον Bill Cunningham, USGS.
Υγρά κατάσπασης
Το νερό είναι το κινητήριο υγρό που χρησιμοποιείται στη διαδικασία υδραυλικής θραύσης. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του φρέατος και το σπασμένο πέτρωμα, μπορούν να απαιτηθούν μερικά εκατομμύρια γαλόνια νερού για να ολοκληρωθεί μια εργασία υδραυλικού σπασίματος.
Όταν το νερό αντλείται μέσα στο φρεάτιο, ολόκληρο το μήκος του φρεατίου δεν είναι υπό πίεση. Αντίθετα, τοποθετούνται βύσματα για την απομόνωση του τμήματος του φρέατος όπου είναι επιθυμητά τα κατάγματα. Μόνο αυτό το τμήμα του φρέατος λαμβάνει την πλήρη δύναμη άντλησης. Καθώς αυξάνεται η πίεση σε αυτό το τμήμα του φρεατίου, το νερό ανοίγει κατάγματα και η πίεση οδήγησης επεκτείνει τα κατάγματα βαθιά στη μονάδα βράχων. Όταν σταματά η άντληση, αυτά τα κατάγματα κλείνουν γρήγορα και το νερό που χρησιμοποιείται για να τα ανοίξει ωθείται πίσω στην γεώτρηση, επιστρέφει το φρεάτιο και συλλέγεται στην επιφάνεια. Το νερό που επιστρέφει στην επιφάνεια είναι ένα μίγμα από το ύδωρ που εγχύεται με νερό και το πόρο που έχει παγιδευτεί στη μονάδα βράχου για εκατομμύρια χρόνια. Το νερό πόρων είναι συνήθως άλμη με σημαντικές ποσότητες διαλελυμένων στερεών.
Οι χημικές ουσίες προστίθενται συχνά στο νερό που χρησιμοποιείται για την υδραυλική θραύση. Αυτά τα πρόσθετα εξυπηρετούν διάφορους σκοπούς. Ορισμένοι πυκνώσουν το νερό σε μια πηκτή που είναι πιο αποτελεσματική στο άνοιγμα των καταγμάτων και στη μεταφορά προπυ-νίων βαθιά στη μονάδα βράχων. Άλλες χημικές ουσίες προστίθενται για: μείωση της τριβής, διατήρηση των θραυσμάτων των πετρωμάτων αιωρούμενων στο υγρό, πρόληψη της διάβρωσης του εξοπλισμού, εξόντωση των βακτηρίων, έλεγχος του pH και άλλες λειτουργίες.
Οι περισσότερες εταιρείες είναι ανθεκτικές στην αποκάλυψη της σύνθεσης των υδραυλικών τους υγρών θραύσης. Πιστεύουν ότι αυτές οι πληροφορίες θα πρέπει να παραμείνουν ιδιωτικές για να προστατεύσουν την ανταγωνιστική τους έρευνα. Ωστόσο, οι ρυθμιστικές αρχές αρχίζουν να ζητούν τις πληροφορίες και ορισμένες εταιρείες αρχίζουν να μοιράζονται τις πληροφορίες εθελοντικά.
Frac άμμος: Η λεπτής άμμου διοξειδίου του πυριτίου αναμιγνύεται με χημικά και νερό προτού αντληθεί σε σχηματισμούς πετρώματος για να αποφευχθεί το κλείσιμο των τεχνητών θραυσμάτων μετά την ολοκλήρωση της υδραυλικής θραύσης. Φωτογραφία από τον Bill Cunningham, USGS.
Προπάνια
Στην υδραυλική ρωγμάτωση χρησιμοποιείται μια ποικιλία από προπλάσματα. Πρόκειται για μικρά σωματίδια ανθεκτικά στη θραύση που μεταφέρονται στα κατάγματα από το υδραυλικό υγρό θραύσης. Όταν οι αντλίες σβήνουν και τα κατάγματα καταρρέουν, αυτά τα σωματίδια ανθεκτικά στη θραύση κρατούν το θραύσμα ανοιχτό, δημιουργώντας χώρο πόρων μέσω του οποίου το φυσικό αέριο μπορεί να μεταφερθεί στο φρεάτιο.
Η άμμος Frac είναι το προωθητικό που χρησιμοποιείται πιο συχνά σήμερα, αλλά χρησιμοποιήθηκαν επίσης χάντρες αλουμινίου, κεραμικές χάντρες, συντηγμένο βωξίτη και άλλα υλικά. Πάνω από ένα εκατομμύριο λίβρες προπλάσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά τη διάσπαση ενός μόνο φρέατος.
Δορυφορική προβολή εικόνων οριζόντιων πηγαδιών: Δορυφορική άποψη ενός χώρου γεώτρησης Utica σχιστόλιθου, όπου έχουν κατασκευαστεί και διεγείρονται εννέα οριζόντια πηγάδια με υδραυλική θραύση.
Περιβαλλοντικές ανησυχίες
Υπάρχουν ορισμένες περιβαλλοντικές ανησυχίες που σχετίζονται με την υδραυλική ρωγμή. Αυτά περιλαμβάνουν:
1) Τα κατάγματα που παράγονται στο φρεάτιο μπορεί να εκτείνονται απευθείας σε ρηχές μονάδες που χρησιμοποιούνται για την παροχή πόσιμου νερού. Ή, τα κατάγματα που παράγονται στο πηγάδι μπορεί να επικοινωνούν με φυσικά κατάγματα που εκτείνονται σε ρηχές μονάδες ροκ που χρησιμοποιούνται για πόσιμο νερό.
2) Το περίβλημα ενός πηγαδιού μπορεί να αποτύχει και να επιτρέψει στα υγρά να διαφύγουν σε ρηχές μονάδες βράχου που χρησιμοποιούνται για την παροχή πόσιμου νερού.
3) Οι τυχαίες διαρροές υγρών υδραυλικής θραύσης ή υγρών που εκδιώχθηκαν κατά τη διάρκεια μιας εργασίας διάσπασης ενδέχεται να διαρρεύσουν στο έδαφος ή να μολύνουν τα επιφανειακά ύδατα.
Οφέλη στην παραγωγή
Η υδραυλική θραύση μπορεί να αυξήσει σημαντικά την απόδοση ενός πηγαδιού. Όταν συνδυάζεται με οριζόντια γεωτρήσεις, οι μη κερδοφόροι σχηματισμοί πετρώματος συχνά μετατρέπονται σε παραγωγικά πεδία φυσικού αερίου. Η τεχνική είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνη για την ανάπτυξη των πεδίων φυσικού αερίου Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale και Marcellus Shale. Μπορεί επίσης να ελευθερώσει το πετρέλαιο από τις σφικτές ροκ μονάδες όπως έχει γίνει με το φλοιό Bakken και το Niobrara Shale.
Η διαδικασία υδραυλικής θραύσης και οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται μαζί της προκαλούν τη μεγαλύτερη ανησυχία στους περιβαλλοντικούς υπερασπιστές που παρακολουθούν τη βιομηχανία φυσικού αερίου. Απαιτείται ένα ρυθμιστικό περιβάλλον το οποίο θα επιτρέψει την εφαρμογή αυτών των τεχνικών και θα παράσχει περιβαλλοντικές διασφαλίσεις για την προστασία των υδάτινων πόρων και των ανθρώπων που ζουν στις περιοχές όπου συμβαίνουν γεωτρήσεις.