Obsah
- Co je to hydraulické štěpení?
- Jak dlouho se používá hydraulické štěpení?
- Úspěšné použití hydraulického lomu v břidlicovém systému
- Hydraulické lomování v jiných hrách z břidlic
- Těkavé kapaliny
- Proppants
- Environmentální zájmy
- Výhody výroby
Čerpadla a dieselové motory připravené pro frac: Fotografie operace hydraulického štěpení prováděné na vrtné podložce v plynové hře Marcellus Shale v jihozápadní Pensylvánii. Pro frac je na místě obrovské shromáždění čerpadel, dieselových motorů, vodních nákladních automobilů, míchaček písku a vodovodních armatur. Obrázek Doug Duncan, USGS.
Co je to hydraulické štěpení?
Hydraulické štěpení je postup, který může zvýšit průtok oleje nebo plynu ze studny. To se provádí čerpáním tekutin dolů ze studny do podpovrchových horninových jednotek pod tlaky, které jsou dostatečně vysoké, aby zlomily horninu. Cílem je vytvořit síť vzájemně propojených zlomenin, které budou sloužit jako pórovité prostory pro pohyb ropy a zemního plynu do vrtů.
Hydraulické štěpení kombinované s horizontálním vrtáním změnilo dříve neproduktivní břidlice bohaté na organické látky na největší pole zemního plynu na světě. Marcellus Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale a Bakken Formation jsou příklady dříve neproduktivních skalních jednotek, které byly přeměněny na fantastická plynová nebo ropná pole hydraulickým štěpením.
Jak dlouho se používá hydraulické štěpení?
První použití hydraulického štěpení ke stimulaci ropných a zemních plynů ve Spojených státech bylo provedeno před 60 lety. V roce 1949 byl společnosti Haliburton Oil Well Cementing Company udělen patent na tento postup. Metoda úspěšně zvýšila rychlost produkce studny a praxe se rychle rozšířila. Nyní se používá po celém světě v tisících studní každý rok. Náš benzín, topné palivo, zemní plyn a další produkty vyrobené z ropných produktů by stály mnohem víc, kdyby nebylo vynalezeno hydraulické štěpení.
Horizontální vrtání a hydraulické štěpení: Zjednodušený diagram studny na zemní plyn, která byla zkonstruována s horizontálním vrtáním skrz Marcellus Shale a hydraulickým lomem na horizontální části studny.
Vrtná podložka připravená k hydraulickému lomu: Další fotografie vrtací podložky na frac den v plynové hře Marcellus Shale v jihozápadním Pensylvánii. Foto: Doug Duncan, USGS.
Úspěšné použití hydraulického lomu v břidlicovém systému
Na počátku 90. let začal Mitchell Energy používat hydraulické štěpení ke stimulaci produkce zemního plynu ze studen vrtaných do barnetské břidlice v Texasu. Barnett Shale obsahoval obrovské množství zemního plynu; Barnett však zřídka vyráběl zemní plyn v komerčním množství.
Mitchell Energy si uvědomil, že plyn v Barnett Shale byl uvězněn v malých prostorech pórů, které nebyly propojeny. Skála měla pórovitý prostor, ale postrádala propustnost. Studny vyvrtané přes Barnett Shale by obvykle měly přehlídku plynu, ale ne dost plynu pro komerční výrobu. Mitchell Energy tento problém vyřešila hydraulickým štěpením břidlice Barnett a vytvořila síť vzájemně propojených pórových prostorů, které umožnily tok zemního plynu do studny.
Bohužel mnoho fraktur způsobených procesem hydraulického lomu prasklo, když byly čerpadla vypnuta. Barnett Shale byl tak hluboce pohřben, že omezující tlak uzavřel nové zlomeniny. Tento problém byl vyřešen přidáním písku do lomové tekutiny. Když se hornina zlomí, proud vody do nově otevřeného pórovitého prostoru přinese písková zrna hluboko do skalní jednotky. Když byl tlak vody snížen, zrna písku „propíchla“ zlomeninu a umožnila proud zemního plynu skrze zlomeniny a do vrtu studny. Dnes existuje celá řada přírodních a syntetických produktů, které se prodávají pod názvem „frac sand“.
Mitchell Energy dále zlepšil výtěžek jejich studen tím, že je vrtal vodorovně skrz Barnett Shale. Svislé studny byly zahájeny na povrchu, vedeny do vodorovné orientace a projížděny Barnettovou břidlicí tisíce stop. Tím se násobila délka platové zóny ve studni. Pokud by byla skalní jednotka tlustá 100 stop, měla by ve vertikální studni platovou zónu 100 stop. Pokud však byla studna řízena vodorovně a zůstala vodorovná po dobu 5 000 stop skrze cílovou formaci, pak byla délka výplatní zóny padesátkrát delší než výplatní zóna vertikální studny.
Společnost Mitchell Energy použila hydraulické štěpení a horizontální vrtání k znásobení produktivity vrtů Barnett Shale. Ve skutečnosti by mnoho z jejich velmi úspěšných vrtů bylo selháním, kdyby šlo o vertikální studny bez hydraulického lomu.
Perforační pistole: Nepoužitá a vyčerpaná děrovací pistole používaná při vrtání ropy a plynu a hydraulickém štěpení. Potrubí na dně ukazuje otvory vytvořené výbušnými náložemi namontovanými uvnitř trubky. Foto Bill Cunningham, USGS.
Hydraulické lomování v jiných hrách z břidlic
Jak se ostatní dozvěděli o úspěchu Mitchell Energys v barnetské břidlicově baleárské oblasti, metody horizontálního vrtání a hydraulického štěpení byly vyzkoušeny v jiných břidlicích bohatých na organické látky. Tyto metody rychle uspěly v Haynesville Shale a Fayetteville Shale v Louisianě, Texasu a Arkansasu - poté na Marcellus Shale v Appalachian Basin. Metody fungovaly v mnoha jiných břidlicích a nyní se používají k vývoji břidlic bohatých na organické látky v mnoha částech světa.
Hydraulické štěpení také umožnilo výrobu tekutin na zemní plyn a oleje z mnoha vrtů. Skalní jednotky jako Bakken Shale v Severní Dakotě a Niobrara Shale v Coloradu, Kansas, Nebraska a Wyoming nyní produkují značné množství oleje z hydraulického štěpení.
Frac zadržovací vodní nádrž: Vodní nádrž na vrtací podložce v plynové hře Fayetteville Shale v Arkansasu. Takto postavené rybníky se používají k ukládání vody ve vodě na vrtných místech ve všech hrách na zemní plyn. Foto Bill Cunningham, USGS.
Těkavé kapaliny
Voda je hnací kapalinou používanou v procesu hydraulického štěpení. V závislosti na vlastnostech vrtu a lomu, který se má lomit, může být pro dokončení hydraulického štěpení vyžadováno několik milionů galonů vody.
Když je voda čerpána do studny, není celá délka studny pod tlakem. Místo toho jsou vloženy zátky, které izolují část jamky tam, kde jsou požadovány zlomeniny. Pouze tato sekce studny přijímá plnou sílu čerpání. Jak se v této části studny vytváří tlak, voda otevírá zlomeniny a hnací tlak rozšiřuje zlomeniny hluboko do skalní jednotky. Při zastavení čerpání se tyto zlomeniny rychle uzavírají a voda použitá k jejich otevření je tlačena zpět do vrtu, zpět do studny a je shromažďována na povrchu. Voda navrácená na povrch je směsí vstřikované vody a pórové vody, která byla zachycena ve skalní jednotce po miliony let. Pórová voda je obvykle solanka se značným množstvím rozpuštěných pevných látek.
Do vody používané při hydraulickém štěpení se často přidávají chemikálie. Tyto přísady slouží k různým účelům. Někteří zahušťují vodu do gelu, který je účinnější při otevírání zlomenin a přenášení propantů hluboko do skalní jednotky. Další chemikálie se přidávají do: snižují tření, udržují zbytky hornin suspendované v kapalině, zabraňují korozi zařízení, ničí bakterie, kontrolují pH a další funkce.
Většina společností byla odolná vůči odhalení složení svých hydraulických frakčních kapalin. Domnívají se, že tyto informace by měly být uchovávány v soukromí, aby byl chráněn jejich konkurenční výzkum. Regulační orgány však tyto informace začínají požadovat a některé společnosti tyto informace začínají dobrovolně sdílet.
Frac písek: Jemnozrnný křemičitý písek se před čerpáním do skalních útvarů smísí s chemikáliemi a vodou, aby se po dokončení hydraulického lomu zabránilo uzavření nově vytvořených umělých zlomenin. Foto Bill Cunningham, USGS.
Proppants
Při hydraulickém štěpení se používá celá řada propantů. Jedná se o malé částice odolné proti rozdrcení, které jsou do fraktur přenášeny hydraulickou frakční tekutinou. Když jsou čerpadla vypnuta a zlomeniny se zhroutí, tyto částice odolné proti rozdrcení drží zlomeninu otevřenou a vytvářejí pórovitý prostor, skrz který může zemní plyn cestovat do studny.
Frac písek je dnes nejčastěji používaným propantem, ale byly také použity hliníkové korálky, keramické korálky, slinutý bauxit a další materiály. Při zlomení jedné jamky lze použít více než milion liber propantů.
Satelitní pohled na vodorovné vrty: Satelitní pohled na vrtné místo Utica Shale, kde bylo vybudováno devět horizontálních vrtů a stimulováno hydraulickým štěpením.
Environmentální zájmy
V souvislosti s hydraulickým štěpením existuje řada ekologických problémů. Tyto zahrnují:
1) Zlomeniny vytvořené ve studně se mohou rozšířit přímo do mělkých skalních jednotek, které se používají pro zásobování pitnou vodou. Nebo zlomeniny vytvořené v studně mohou komunikovat s přírodními zlomeninami, které sahají do mělkých skalních jednotek, které se používají pro zásobování pitnou vodou.
2) Plášť studny by mohl selhat a umožnit tekutinám uniknout do mělkých skalních jednotek používaných pro zásobování pitnou vodou.
3) Náhodné úniky hydraulických frakčních kapalin nebo tekutin vypuzených během lomové práce mohou proniknout do země nebo kontaminovat povrchovou vodu.
Výhody výroby
Hydraulické štěpení může výrazně zvýšit výtěžek studny. Při kombinaci s horizontálním vrtáním se nerentabilní skalní útvary často přeměňují na produktivní pole zemního plynu. Tato technika je z velké části zodpovědná za vývoj plynových polí Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale a Marcellus Shale. Může také osvobodit ropu z pevných skalních jednotek, jak tomu bylo u Bakken Shale a Niobrara Shale.
Proces hydraulického štěpení a chemikálie s ním spojené způsobují největší obavy obhájcům životního prostředí, kteří sledují průmysl zemního plynu. Je zapotřebí regulační prostředí, které umožní použití těchto technik a poskytne ochranu životního prostředí k ochraně vodovodů a lidí, kteří žijí v oblastech, kde dochází k vrtání.