Contenuto
- Che cos'è la fratturazione idraulica?
- Da quanto tempo viene utilizzata la fratturazione idraulica?
- Uso riuscito della fratturazione idraulica in scisto
- Frattura idraulica in altri giochi di scisto
- Fluidi di fratturazione
- proppants
- Preoccupazioni ambientali
- Vantaggi della produzione
Pompe e motori diesel pronti per il frac: Foto di un'operazione di fratturazione idraulica condotta in una piattaforma di perforazione nel gioco a gas di Marcellus Shale nella Pennsylvania sudoccidentale. Un enorme assemblaggio di pompe, motori diesel, camion d'acqua, miscelatori di sabbia e impianti idraulici è pronto per il lavoro. Immagine di Doug Duncan, USGS.
Che cos'è la fratturazione idraulica?
La fratturazione idraulica è una procedura che può aumentare il flusso di petrolio o gas da un pozzo. Viene fatto pompando liquidi in un pozzo in unità rocciose sotterranee sotto pressioni che sono abbastanza alte da fratturare la roccia. L'obiettivo è quello di creare una rete di fratture interconnesse che serviranno da spazi dei pori per il movimento di petrolio e gas naturale verso il pozzo.
La fratturazione idraulica combinata con la perforazione orizzontale ha trasformato gli scisti ricchi di organici precedentemente improduttivi nei più grandi giacimenti di gas naturale del mondo. Marcellus Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale e Bakken Formation sono esempi di unità rocciose precedentemente improduttive che sono state convertite in fantastici campi di gas o petrolio da fratture idrauliche.
Da quanto tempo viene utilizzata la fratturazione idraulica?
Il primo utilizzo della fratturazione idraulica per stimolare i pozzi di petrolio e gas naturale negli Stati Uniti è stato fatto oltre 60 anni fa. La ditta Haliburton Oil Well Cementing Company ottenne un brevetto per la procedura nel 1949. Il metodo aumentò con successo i tassi di produzione dei pozzi e la pratica si diffuse rapidamente. Ora viene utilizzato in tutto il mondo in migliaia di pozzi ogni anno. La nostra benzina, combustibile per riscaldamento, gas naturale e altri prodotti a base di prodotti petroliferi costerebbero molto di più se non fosse stata inventata la fratturazione idraulica.
Foratura orizzontale e fratturazione idraulica: Diagramma semplificato di un pozzo di gas naturale che è stato costruito con perforazione orizzontale attraverso lo scisto di Marcellus e fratturazione idraulica sulla porzione orizzontale del pozzo.
Piattaforma di perforazione pronta per la fratturazione idraulica: Un'altra foto di un trapano il giorno di frac nel gioco a gas di Marcellus Shale nella Pennsylvania sudoccidentale. Foto di Doug Duncan, USGS.
Uso riuscito della fratturazione idraulica in scisto
All'inizio degli anni '90, Mitchell Energy ha iniziato a utilizzare la fratturazione idraulica per stimolare la produzione di gas naturale da pozzi perforati nella Barnett Shale del Texas. Barnett Shale conteneva enormi quantità di gas naturale; tuttavia, Barnett produceva raramente gas naturale in quantità commerciali.
Mitchell Energy si rese conto che il gas nella Barnett Shale era intrappolato in piccoli spazi dei pori che non erano interconnessi. La roccia aveva lo spazio dei pori ma mancava di permeabilità. I pozzi perforati attraverso il Barnett Shale avrebbero di solito uno spettacolo di gas ma non abbastanza gas per la produzione commerciale. Mitchell Energy ha risolto questo problema fratturando idraulicamente lo scisto di Barnett per creare una rete di spazi di pori interconnessi che ha permesso un flusso di gas naturale al pozzo.
Sfortunatamente molte delle fratture prodotte dal processo di fratturazione idraulica si sono chiuse quando sono state spente le pompe. Barnett Shale è stato sepolto così profondamente che la pressione limitata ha chiuso le nuove fratture. Questo problema è stato risolto aggiungendo sabbia al fluido di fratturazione. Quando la roccia si fratturava, il flusso d'acqua nello spazio dei pori appena aperto trasportava granelli di sabbia in profondità nell'unità rocciosa. Quando la pressione dell'acqua è stata ridotta, i granelli di sabbia "hanno appoggiato" la frattura aperta e hanno permesso un flusso di gas naturale attraverso le fratture e nel foro del pozzo. Oggi ci sono una varietà di prodotti naturali e sintetici che vengono venduti con il nome di "sabbia frac".
Mitchell Energy ha ulteriormente migliorato la resa dei loro pozzi perforandoli orizzontalmente attraverso lo Barnle Shale. I pozzi verticali sono stati avviati in superficie, orientati verso un orientamento orizzontale e guidati attraverso il Barnett Shale per migliaia di piedi. Ciò ha moltiplicato la lunghezza della zona di pagamento nel pozzo. Se un'unità di roccia avesse uno spessore di 100 piedi, avrebbe una zona di pagamento di 100 piedi in un pozzo verticale. Tuttavia, se il pozzo era orientato in orizzontale e rimaneva orizzontale per 5000 piedi attraverso la formazione del bersaglio, la lunghezza della zona di pagamento era cinquanta volte più lunga della zona di pagamento di un pozzo verticale.
Mitchell Energy ha utilizzato la fratturazione idraulica e la perforazione orizzontale per moltiplicare la produttività dei pozzi Barnett Shale. In effetti, molti dei loro pozzi di grande successo sarebbero stati guasti se fossero pozzi verticali senza fratture idrauliche.
Pistola per perforazione: Pistola perforante non utilizzata e esaurita utilizzata nella perforazione di petrolio e gas e fratturazione idraulica Il tubo sul fondo mostra i fori creati dalle cariche esplosive montate all'interno del tubo. Foto di Bill Cunningham, USGS.
Frattura idraulica in altri giochi di scisto
Mentre altri hanno appreso del successo di Mitchell Energys nella Barnett Shale del Texas, i metodi di perforazione orizzontale e fratturazione idraulica sono stati provati in altri scisti ricchi di organici. Questi metodi sono riusciti rapidamente nello Shale di Haynesville e nello Shale di Fayetteville in Louisiana, Texas e Arkansas - poi nel Marcellus Shale nel bacino degli Appalachi. I metodi hanno funzionato in molti altri scisti e ora vengono utilizzati per sviluppare scisti ricchi di organico in molte parti del mondo.
La fratturazione idraulica ha inoltre permesso la produzione di liquidi e oli di gas naturale da molti pozzi. Unità rocciose come Bakken Shale del Nord Dakota e Niobrara Shale del Colorado, Kansas, Nebraska e Wyoming stanno ora producendo quantità significative di petrolio dalla frattura idraulica.
Laghetto di contenimento dell'acqua Frac: Un sequestro di acqua in corrispondenza di un trapano nel gioco a gas di Fayetteville Shale dell'Arkansas. Stagni allineati come questo vengono utilizzati per lo stoccaggio di acqua frac nei siti di perforazione in tutti i giochi di gas naturale. Foto di Bill Cunningham, USGS.
Fluidi di fratturazione
L'acqua è il fluido motore utilizzato nel processo di fratturazione idraulica. A seconda delle caratteristiche del pozzo e della roccia fratturata, per completare un lavoro di fratturazione idraulica possono essere necessari alcuni milioni di litri d'acqua.
Quando l'acqua viene pompata nel pozzo, l'intera lunghezza del pozzo non viene pressurizzata. Invece, vengono inseriti dei tappi per isolare la porzione di pozzo in cui si desiderano le fratture. Solo questa sezione del pozzo riceve tutta la forza del pompaggio. Mentre la pressione si accumula in questa porzione del pozzo, l'acqua apre le fratture e la pressione motrice estende le fratture in profondità nell'unità rocciosa. Quando il pompaggio si interrompe, queste fratture si chiudono rapidamente e l'acqua utilizzata per aprirle viene respinta nel pozzo, risalendo nel pozzo e viene raccolta in superficie. L'acqua restituita alla superficie è una miscela di acqua iniettata e poro che è stata intrappolata nell'unità rocciosa per milioni di anni. L'acqua dei pori è di solito una salamoia con quantità significative di solidi disciolti.
I prodotti chimici vengono spesso aggiunti all'acqua utilizzata nella fratturazione idraulica. Questi additivi servono a vari scopi. Alcuni addensano l'acqua in un gel che è più efficace nell'aprire le fratture e nel trasportare i proiettili in profondità nell'unità rocciosa. Altre sostanze chimiche vengono aggiunte per: ridurre l'attrito, mantenere i detriti di roccia sospesi nel liquido, prevenire la corrosione delle apparecchiature, uccidere i batteri, controllare il pH e altre funzioni.
La maggior parte delle aziende ha resistito alla rivelazione della composizione dei fluidi di fratturazione idraulica. Credono che queste informazioni debbano essere mantenute private per proteggere la loro ricerca competitiva. Tuttavia, i regolatori stanno iniziando a richiedere le informazioni e alcune aziende stanno iniziando a condividere le informazioni volontariamente.
Frac sand: La sabbia silicea a grana fine viene miscelata con sostanze chimiche e acqua prima di essere pompata in formazioni rocciose per impedire la chiusura delle fratture artificiali appena create dopo il completamento della fratturazione idraulica. Foto di Bill Cunningham, USGS.
proppants
Una varietà di propianti viene utilizzata nella fratturazione idraulica. Queste sono piccole particelle resistenti allo schiacciamento che vengono trasportate nelle fratture dal fluido di fratturazione idraulico. Quando le pompe vengono spente e le fratture collassano, queste particelle resistenti allo schiacciamento mantengono aperta la frattura, creando uno spazio dei pori attraverso il quale il gas naturale può spostarsi nel pozzo.
La sabbia di Frac è la propulsione più comunemente usata oggi ma sono state utilizzate anche perle di alluminio, perle di ceramica, bauxite sinterizzata e altri materiali. Oltre un milione di libbre di propianti possono essere utilizzati durante la frattura di un singolo pozzo.
Vista immagine satellitare di pozzi orizzontali: Una vista satellitare di un sito di perforazione di scisto Utica dove sono stati costruiti e stimolati nove pozzi orizzontali con fratture idrauliche.
Preoccupazioni ambientali
Ci sono una serie di preoccupazioni ambientali legate alla fratturazione idraulica. Questi includono:
1) Le fratture prodotte nel pozzo potrebbero estendersi direttamente in unità di roccia poco profonde utilizzate per l'approvvigionamento di acqua potabile. Oppure, le fratture prodotte nel pozzo potrebbero comunicare con fratture naturali che si estendono in unità rocciose poco profonde che vengono utilizzate per l'approvvigionamento di acqua potabile.
2) L'involucro di un pozzo potrebbe non funzionare e consentire ai fluidi di fuoriuscire in unità di roccia poco profonde utilizzate per l'approvvigionamento di acqua potabile.
3) I versamenti accidentali di fluidi o fluidi di fratturazione idraulici espulsi durante un lavoro di fratturazione potrebbero penetrare nel terreno o contaminare le acque superficiali.
Vantaggi della produzione
La frattura idraulica può aumentare significativamente la resa di un pozzo. Quando viene combinato con la perforazione orizzontale, le formazioni rocciose non redditizie vengono spesso convertite in campi di gas naturale produttivi. La tecnica è in gran parte responsabile dello sviluppo dei giacimenti di gas Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale e Marcellus Shale. Può anche liberare petrolio dalle unità rocciose strette come è stato fatto con Bakken Shale e Niobrara Shale.
Il processo di fratturazione idraulica e le sostanze chimiche utilizzate con esso causano la massima preoccupazione per i sostenitori dell'ambiente che osservano l'industria del gas naturale. È necessario un ambiente regolamentare che consenta di utilizzare queste tecniche e fornisca salvaguardie ambientali per proteggere l'approvvigionamento idrico e le persone che vivono nelle aree in cui si verificano le perforazioni.