Vsebina
- Kaj je hidravlično lomljenje?
- Kako dolgo se uporablja hidravlično lomljenje?
- Uspešna uporaba hidravličnega loma v skrilavcu
- Hidravlično lomljenje v drugih ploščah iz skrilavca
- Tekočine za lomljenje
- Proppants
- Okoljski pomisleki
- Prednosti pri proizvodnji
Črpalke in dizelski motorji, pripravljeni za frak: Fotografija operacije hidravličnega lomljenja, ki se izvaja na vrtalni plošči v jugovzhodni Pensilvaniji, v plinu Marcellus Shale. Za frak je na voljo ogromna sestava črpalk, dizelskih motorjev, vodnih tovornjakov, mešalnikov peska in vodovodnih napeljav. Slika Doug Duncan, USGS.
Kaj je hidravlično lomljenje?
Hidravlično lomljenje je postopek, ki lahko poveča dotok nafte ali plina iz vrtine. To se izvede s črpanjem tekočine v vodnjak v podzemne kamnite enote pod pritiski, ki so dovolj visoki, da kamnino lomijo. Cilj je ustvariti mrežo medsebojno povezanih zlomov, ki bodo služili kot porni prostori za gibanje nafte in zemeljskega plina do vrtine.
Hidravlično lomljenje v kombinaciji z vodoravnim vrtanjem je spremenilo prej neproduktivne skrilavce, bogate z organskim, v največja polja zemeljskega plina na svetu. Forma Marcellus Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale in Bakken Formation so primeri prej neproduktivnih kamnitih enot, ki so se s hidravličnim lomljenjem pretvorile v fantastična plinska ali naftna polja.
Kako dolgo se uporablja hidravlično lomljenje?
Prva uporaba hidravličnega loma za spodbujanje vrtin za nafto in zemeljski plin v ZDA je bila izvedena pred več kot 60 leti. Leta 1949 je Hateburton Oil Cementing Company izdal patent za postopek. Metoda je uspešno povečala stopnje proizvodnje in praksa se je hitro razširila. Zdaj ga uporabljajo po vsem svetu v tisoč vrtinah vsako leto. Naš bencin, kurilno gorivo, zemeljski plin in drugi izdelki iz naftnih derivatov bi stali veliko več, če ne bi izumili hidravličnega loma.
Vodoravno vrtanje in hidravlično lomljenje: Poenostavljen diagram vrtine za zemeljski plin, ki je zgrajena z vodoravnim vrtanjem skozi skrilavca Marcellus in hidravličnim lomljenjem na vodoravnem delu vrtine.
Vrtalna ploščica pripravljena za hidravlično lomljenje: Še ena fotografija vrtalne plošče ob dnevu fraka v predvajanju plina Marcellus Shale v jugozahodni Pensilvaniji. Fotograf Doug Duncan, USGS.
Uspešna uporaba hidravličnega loma v skrilavcu
V začetku devetdesetih let je Mitchell Energy začela uporabljati hidravlično lomljenje, da bi spodbudila proizvodnjo zemeljskega plina iz vrtin, izvrtanih v Barnett Shale iz Teksasa. Skrinka Barnett je vsebovala ogromne količine zemeljskega plina; vendar je Barnett redko proizvajal zemeljski plin v komercialnih količinah.
Mitchell Energy je spoznal, da je bil plin v skrilavcu Barnett ujet v majhne pore, ki niso bili med seboj povezani. Kamen je imel pora, vendar je imel premalo prepustnosti. V vrtinah, izvrtanih skozi skrivnost Barnett, bi se ponavadi pojavili plin, vendar premalo plina za komercialno proizvodnjo. Mitchell Energy je to težavo rešil s hidravličnim lomljenjem Barnett Shale in ustvaril mrežo medsebojno povezanih površinskih pora, ki so omogočale pretok zemeljskega plina v vodnjak.
Na žalost so se številni zlomi, ki so nastali s postopkom hidravličnega loma, ob izklopu črpalk zaprli. Barnettova skrilavca je bila tako globoko zakopana, da je z močnim pritiskom zaprl nove zlome. To težavo smo rešili z dodajanjem peska tekočini za lomljenje. Ko se je kamnina zlomila, bi hitenje vode v novo odprti prostor pora povzročilo peščeno zrno globoko v kamnino. Ko se je vodni tlak zmanjšal, so se peščena zrna "potisnila", da se je zlom odprl in omogočil pretok zemeljskega plina skozi zlome in v vrtino v vrtino. Danes obstajajo številni naravni in sintetični izdelki, ki se prodajajo pod imenom "frac pesek."
Mitchell Energy je še izboljšala izkoristek svojih vrtin tako, da jih je vodoravno vrtala skozi Barnett Shale. Na površini so se začeli navpični vodnjaki, usmerjeni do vodoravne orientacije in speljani skozi skrivnost Barnett na tisoče metrov. To je pomnožilo dolžino plačilnega območja v vrtini. Če bi bila kamninska enota debela 100 čevljev, bi bila v navpičnem vodnjaku plačna cona 100 čevljev. Če pa se je vodnjak vodil vodoravno in je skozi ciljno tvorbo ostal vodoraven 5000 čevljev, potem je bila dolžina plačilnega območja petdesetkrat daljša od plačne cone navpičnega vodnjaka.
Mitchell Energy je za povečanje produktivnosti vrtin Barnett Shale uporabil hidravlično lomljenje in vodoravno vrtanje. V resnici bi bili številni njihovi zelo uspešni vrtini neuspešni, če bi bili navpični vodnjaki brez hidravličnega loma.
Perforacijska pištola: Neporabljena in porabljena perforirajoča pištola, ki se uporablja pri vrtanju nafte in plina ter hidravličnem lomu. Na dnu cevi so luknje, ki nastanejo zaradi eksplozivnih nabojev, nameščenih znotraj cevi. Foto: Bill Cunningham, USGS.
Hidravlično lomljenje v drugih ploščah iz skrilavca
Ko so drugi izvedeli za uspeh Mitchell Energys v Teksaškem skrilavcu Barnett, so metode horizontalnega vrtanja in hidravličnega loma preizkusili v drugih slanicah, bogatih z organskimi viri. Te metode so hitro uspele v skrilavcu Haynesville Shale in Fayetteville Shale v Louisiani, Teksasu in Arkanzasu - nato v skrilavcu Marcellus v Appalachian Basin. Metode so delovale na številnih drugih skrilavcih in se zdaj uporabljajo za razvoj organskih bogatih skrilavcev v mnogih delih sveta.
Hidravlično lomljenje je omogočilo tudi proizvodnjo tekočin iz zemeljskega plina in nafte iz mnogih vrtin. Skalne enote, kot so severna Dakota iz Bakken in skrilavca Niobrare v Koloradu, Kansasu, Nebraski in Wyomingu, zdaj pridobivajo velike količine nafte zaradi hidravličnega loma.
Ribnik z zadrževalno vodo Frac: Zajezitev vode pri vrtalni plošči v igralnici plina Fayetteville Shale v Arkansasu. Tako obloženi ribniki se uporabljajo za shranjevanje vode s fracki na mestih za vrtanje v vseh igrah zemeljskega plina. Foto: Bill Cunningham, USGS.
Tekočine za lomljenje
Voda je pogonska tekočina, ki se uporablja pri postopku hidravličnega loma. Glede na značilnosti vodnjaka in kamnine, ki se lomi, je za dokončanje hidravličnega lomljenja potrebno nekaj milijonov litrov vode.
Ko se voda črpa v vodnjak, celotna dolžina vodnjaka ni pod tlakom. Namesto tega so vstavljeni čepi za izolacijo dela vrtine, kjer so želeni zlomi. Samo ta oddelek vodnjaka prejema vso silo črpanja. Ko se na tem delu vodnjaka poveča pritisk, se voda odpre zlomom, pogonski tlak pa zlome razširi globoko v kamnino. Ko se črpanje ustavi, se ti zlomi hitro zaprejo, voda, ki se jih odpre, se potisne nazaj v vrtino, nazaj v vodnjak in se nabere na površini. Voda, ki se je vrnila na površje, je mešanica vbrizgane vode in pora, ki je bila milijona let ujeta v kamnino. Porna voda je običajno slanica s pomembnimi količinami raztopljenih trdnih snovi.
Kemiki se pogosto dodajajo vode, ki se uporabljajo pri hidravličnem lomljenju. Ti dodatki služijo različnim namenom. Nekateri zgostijo vodo v gel, ki je učinkovitejši pri odpiranju zlomov in nošenju propanta globoko v kamnino. Druge kemikalije so dodane za: zmanjšanje trenja, zadrževanje kamnitih naplavin v tekočini, preprečevanje korozije opreme, ubijanje bakterij, nadzor pH in drugih funkcij.
Večina podjetij je bila odporna na razkritje sestave svojih hidravličnih tekočin za lomljenje. Menijo, da bi morali biti ti podatki ohranjeni kot zasebni, da bi zaščitili svoje konkurenčne raziskave. Vendar pa regulatorji začenjajo zahtevati informacije, nekatera podjetja pa začnejo informacije deliti prostovoljno.
Fracni pesek: Drobnozrnat kremenčev pesek se pomeša s kemikalijami in vodo, preden se črpa v kamnine, da se prepreči zapiranje novo nastalih umetnih zlomov po končanem hidravličnem lomu. Foto: Bill Cunningham, USGS.
Proppants
Pri hidravličnem lomljenju se uporabljajo različni propanti. To so majhni delci, odporni proti drobenju, ki jih v lom prenaša tekočina s hidravličnim lomljenjem. Ko se črpalke izklopijo in zlomi zrušijo, ti delci, odporni proti drobju, zlomijo odprejo, kar ustvarja poraten prostor, skozi katerega lahko zemeljski plin potuje v vodnjak.
Frac pesek je najpogosteje uporabljen danes, vendar so bili uporabljeni tudi aluminijasti kroglice, keramične kroglice, sintrani boksit in drugi materiali. Pri lomljenju ene vdolbinice lahko uporabimo več kot milijon funtov propanta.
Pogled satelitske slike vodoravnih vrtin: Satelitski prikaz vrtališča Utica Shale, kjer je bilo zgrajenih devet vodoravnih vrtin in stimuliranih s hidravličnim lomljenjem.
Okoljski pomisleki
Obstaja vrsta okoljskih pomislekov, povezanih s hidravličnim lomljenjem. Tej vključujejo:
1) Zlomi, ki nastanejo v vodnjaku, se lahko razširijo neposredno v plitve kamnite enote, ki se uporabljajo za oskrbo s pitno vodo. Lahko pa zlomi, ki nastanejo v vodnjaku, komunicirajo z naravnimi zlomi, ki segajo v plitke kamnite enote, ki se uporabljajo za oskrbo s pitno vodo.
2) Ohišje vodnjaka se lahko odpove in omogoči tekočinam, da uhajajo v plitve kamnite enote, ki se uporabljajo za oskrbo s pitno vodo.
3) Nenamerno razlitje tekočin s hidravličnim lomljenjem ali tekočin, ki se izločijo med delom loma, lahko izteka v zemljo ali onesnaži površinsko vodo.
Prednosti pri proizvodnji
Hidravlično lomljenje lahko znatno poveča donos vrtine. Če je kombinirano z vodoravnim vrtanjem, se nedonosne kamnine pogosto pretvorijo v produktivna polja zemeljskega plina. Ta tehnika je v veliki meri odgovorna za razvoj plinskega polja Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale in Marcellus Shale. Prav tako lahko osvobodi nafto iz tesnih skalnih enot, kot je bilo storjeno s skrilavcem Bakken in Siola Niobrara.
Proces hidravličnega loma in kemikalije, ki se uporabljajo pri njem, povzročajo največ skrbi skrbnikom okolice, ki opazujejo industrijo zemeljskega plina. Potrebno je regulativno okolje, ki bo omogočilo uporabo teh tehnik in zagotovilo okoljske zaščite za zaščito vodnih zalog in ljudi, ki živijo na območjih, kjer se vrta.