Obsah
- Čo je hydraulické štiepenie?
- Ako dlho sa používa hydraulické štiepenie?
- Úspešné použitie hydraulického štiepenia v bridlicovom systéme
- Hydraulické štiepenie pri ostatných bridlíc
- Tekuté kvapaliny
- propanty
- Environmentálne obavy
- Výhody výroby
Čerpadlá a dieselové motory pripravené pre frac: Fotografie operácie hydraulického štiepenia vykonávanej na vŕtacej podložke v plynovej hre Marcellus Shale v juhozápadnom Pensylvánii. Pre frac je k dispozícii obrovské zhromaždenie čerpadiel, dieselových motorov, vodných nákladných automobilov, miešačiek piesku a vodovodných armatúr. Obrázok Doug Duncan, USGS.
Čo je hydraulické štiepenie?
Hydraulické štiepenie je postup, ktorý môže zvýšiť prietok oleja alebo plynu z vrtu. Robí sa to čerpaním tekutín zo studne do podzemných horninových jednotiek pod tlakami, ktoré sú dosť vysoké na to, aby sa hornina zlomila. Cieľom je vytvoriť sieť vzájomne prepojených zlomenín, ktoré budú slúžiť ako pórovité priestory pre pohyb ropy a zemného plynu do vrtu.
Hydraulické štiepenie kombinované s horizontálnym vŕtaním zmenilo predtým neproduktívne bridlice bohaté na organické látky na najväčšie polia zemného plynu na svete. Marcellus Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale a Bakken Formation sú príklady predtým neproduktívnych skalných jednotiek, ktoré sa hydraulickým štiepením premenili na fantastické plynové alebo ropné polia.
Ako dlho sa používa hydraulické štiepenie?
Prvé použitie hydraulického štiepenia na stimuláciu ropných a zemných plynových vrtov v Spojených štátoch sa uskutočnilo pred 60 rokmi. V roku 1949 bol spoločnosti Haliburton Oil Well Cementing Company udelený patent na postup. Metóda úspešne zvýšila rýchlosť výroby vrtu a táto prax sa rýchlo rozšírila. Teraz sa používa na celom svete v tisícoch studní každý rok. Náš benzín, vykurovacie palivo, zemný plyn a ďalšie výrobky vyrobené z ropných produktov by boli drahšie, keby sa nevynalezlo hydraulické štiepenie.
Horizontálne vŕtanie a hydraulické štiepenie: Zjednodušená schéma studne so zemným plynom, ktorá bola skonštruovaná s horizontálnym vŕtaním cez bridlicu Marcellus a hydraulickým štiepením na horizontálnej časti studne.
Vrtná doska pripravená na hydraulické štiepenie: Ďalšia fotografia vŕtacej podložky v deň frac v plynovej hre Marcellus Shale v juhozápadnom Pensylvánii. Foto: Doug Duncan, USGS.
Úspešné použitie hydraulického štiepenia v bridlicovom systéme
Na začiatku 90. rokov 20. storočia začala spoločnosť Mitchell Energy používať hydraulické štiepenie, aby stimulovala produkciu zemného plynu z vrtov vyvŕtaných do texaskej bridlice Barnett. Barnett Shale obsahoval obrovské množstvá zemného plynu; Barnett však zriedkavo ťažil zemný plyn v komerčných množstvách.
Mitchell Energy si uvedomil, že plyn v Barnettovom brale je zachytený v malom priestore pórov, ktoré neboli vzájomne prepojené. Hornina mala pórovitý priestor, ale chýbala jej priepustnosť. Studne vyvŕtané cez Barnett Shale by zvyčajne mali ukážku plynu, ale nie dosť plynu na komerčnú výrobu. Spoločnosť Mitchell Energy vyriešila tento problém hydraulickým štiepením bridlice Barnett, aby vytvorila sieť vzájomne prepojených pórových priestorov, ktoré umožnili prúdenie zemného plynu do vrtu.
Bohužiaľ, mnoho fraktúr spôsobených procesom hydraulického štiepenia prasklo zatvorené, keď boli čerpadlá vypnuté. Barnett Shale bol tak hlboko pochovaný, že obmedzujúci tlak uzavrel nové zlomeniny. Tento problém sa vyriešil pridaním piesku do štiepiacej kvapaliny. Keď sa hornina zlomí, prúd vody do novo otvoreného pórovitého priestoru by niesol pieskové zrná hlboko do skalnej jednotky. Keď sa tlak vody znížil, zrnká piesku „podporili“ zlomeninu a umožnili prúdenie zemného plynu cez zlomeniny a do otvoru vrtu. Dnes existuje celý rad prírodných a syntetických výrobkov, ktoré sa predávajú pod názvom „frac piesok“.
Mitchell Energy ďalej zlepšil výnos svojich vrtov horizontálnym vŕtaním cez Barnett Shale. Zvislé vrty sa začali na povrchu, riadili sa do horizontálnej orientácie a prešli tisíckami stôp cez Barnett Shale. Toto vynásobilo dĺžku platenej zóny v studni. Keby mala skalná jednotka hrúbku 100 stôp, mala by mať vo zvislej studni platovú zónu 100 stôp. Avšak, ak bola studňa riadená horizontálne a zostala horizontálna 5 000 stôp cez cieľovú formáciu, potom dĺžka platenej zóny bola päťdesiatkrát dlhšia ako platená zóna vertikálnej studne.
Spoločnosť Mitchell Energy použila hydraulické štiepenie a horizontálne vŕtanie na znásobenie produktivity vrtov Barnett Shale. V skutočnosti by mnohé z ich veľmi úspešných vrtov boli zlyhania, keby išlo o zvislé vrty bez hydraulického štiepenia.
Perforačná pištoľ: Nepoužité a použité perforovacie pištole používané pri ropných a plynových vrtoch a hydraulickom štiepení. Potrubie na dne ukazuje otvory vytvorené výbušnými náplňami namontovanými vo vnútri rúry. Foto: Bill Cunningham, USGS.
Hydraulické štiepenie pri ostatných bridlíc
Ako sa ostatní dozvedeli o úspechu spoločnosti Mitchell Energys v bare Barnett Shale v Texase, metódy horizontálneho vŕtania a hydraulického štiepenia sa vyskúšali v iných bridlíc bohatých na organické látky. Tieto metódy rýchlo uspeli v Haynesville Shale a Fayetteville Shale v Louisiane, Texase a Arkansase - potom na Marcellus Shale v Appalachianskej kotline. Metódy pracovali v mnohých iných bridliciach a teraz sa používajú na vývoj brehových bridlíc bohatých na organické látky v mnohých častiach sveta.
Hydraulické štiepenie tiež umožnilo výrobu kvapalín a oleja zo zemných plynov z mnohých vrtov. Horninové jednotky ako Bakken Shale v Severnej Dakote a Niobrara Shale v Colorade, Kansas, Nebraska a Wyoming teraz produkujú značné množstvo oleja z hydraulického štiepenia.
Rybník na zadržiavanie vody Frac: Vodná nádrž na vŕtacej podložke v plynovej hre Fayetteville Shale v Arkansase. Takto postavené rybníky sa používajú na ukladanie vody z frakcií na vrtných miestach vo všetkých hrách so zemným plynom. Foto: Bill Cunningham, USGS.
Tekuté kvapaliny
Voda je hnacou kvapalinou používanou v procese hydraulického štiepenia. V závislosti na vlastnostiach vrtu a štiepenej horniny môže byť potrebných na dokončenie hydraulického štiepenia niekoľko miliónov galónov vody.
Keď je voda čerpaná do studne, nie je po celej dĺžke studne natlakovaná. Namiesto toho sa vložia zátky, aby sa časť jamky izolovala tam, kde sú potrebné zlomeniny. Iba táto sekcia studne prijíma celú silu čerpania. Keď sa v tejto časti vrtu vytvára tlak, voda otvára zlomeniny a hnací tlak rozširuje zlomeniny hlboko do skalnej jednotky. Keď sa čerpanie zastaví, tieto zlomeniny sa rýchlo uzavrú a voda použitá na ich otvorenie sa tlačí späť do vrtu, späť do studne a zhromažďuje sa na povrchu. Voda navrátená na povrch je zmesou vody vstrekovanej a pórovitej vody, ktorá bola zachytená v skalnej jednotke milióny rokov. Pórová voda je obvykle soľanka so značným množstvom rozpustených pevných látok.
Do vody používanej pri hydraulickom štiepení sa často pridávajú chemikálie. Tieto prísady slúžia na rôzne účely. Niektorí zahusťujú vodu do gélu, ktorý je účinnejší pri otváraní zlomenín a nesení propantov hlboko do skalnej jednotky. K chemikáliám sa pridávajú ďalšie chemikálie: znižujú trenie, udržujú trosky suspendované v kvapaline, bránia korózii zariadenia, ničia baktérie, regulujú pH a ďalšie funkcie.
Väčšina spoločností bola odolná voči odhaleniu zloženia svojich hydraulických štiepiacich kvapalín. Domnievajú sa, že tieto informácie by sa mali uchovávať v súkromí, aby sa chránil ich konkurenčný výskum. Regulačné orgány však začínajú požadovať informácie a niektoré spoločnosti ich začnú dobrovoľne zdieľať.
Frac piesok: Jemnozrnný kremičitý piesok sa zmieša s chemikáliami a vodou predtým, ako sa načerpá do skalných útvarov, aby sa zabránilo dokončeniu novovytvorených umelých zlomenín po ukončení hydraulického štiepenia. Foto: Bill Cunningham, USGS.
propanty
Pri hydraulickom štiepení sa používa celý rad propantov. Sú to malé čiastočky odolné proti rozdrveniu, ktoré sú hydraulickými štiepiacimi tekutinami prenášané do zlomenín. Keď sú pumpy vypnuté a zlomeniny sa zrútia, tieto drviny odolné voči rozdrveniu udržujú zlomeninu otvorenú a vytvárajú priestor pórov, cez ktorý môže zemný plyn putovať do studne.
Frac piesok je dnes najpoužívanejší propant, ale použili sa aj hliníkové perličky, keramické perličky, sintrovaný bauxit a ďalšie materiály. Pri zlomení jednej jamky sa môže použiť viac ako milión libier propantov.
Satelitné zobrazenie horizontálnych vrtov: Satelitný pohľad na vrtné miesto Utica Shale, kde bolo vybudovaných deväť horizontálnych vrtov a stimulovaných hydraulickým štiepením.
Environmentálne obavy
V súvislosti s hydraulickým štiepením existuje množstvo environmentálnych problémov. Tie obsahujú:
1) Zlomeniny vyprodukované v studni sa môžu rozšíriť priamo na plytké skalné jednotky, ktoré sa používajú na zásobovanie pitnou vodou. Alebo zlomeniny vytvorené v studni môžu komunikovať s prírodnými zlomeninami, ktoré siahajú do plytkých skalných jednotiek, ktoré sa používajú na zásobovanie pitnou vodou.
2) Plášť studne by mohol zlyhať a umožniť únik tekutín do plytkých skalných jednotiek používaných na zásobovanie pitnou vodou.
3) Náhodné úniky hydraulických štiepiacich kvapalín alebo tekutín vylúčených počas prasknutia môžu preniknúť do zeme alebo kontaminovať povrchové vody.
Výhody výroby
Hydraulické štiepenie môže významne zvýšiť výťažok vrtu. Ak sa kombinuje s horizontálnym vŕtaním, nerentabilné skalné útvary sa často premieňajú na produktívne polia zemného plynu. Táto technika je do značnej miery zodpovedná za vývoj plynových polí Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale a Marcellus Shale. Môže tiež uvoľňovať ropu z pevných skalných jednotiek, ako to bolo v prípade bridlíc Bakken a Niobrara.
Proces hydraulického štiepenia a chemikálie s ním spojené vyvolávajú najväčšie obavy obhajcov životného prostredia, ktorí sledujú priemysel so zemným plynom. Potrebné je regulačné prostredie, ktoré umožní použitie týchto techník a poskytne environmentálne záruky na ochranu dodávok vody a ľudí, ktorí žijú v oblastiach, v ktorých dochádza k vŕtaniu.