Innehåll
- En krossbeständig sand för olje- och gasbrunnar
- Hur används Frac Sand?
- Frac Sand som en "Proppant"
- Vilken typ av sand?
- Frac Sand Processing Plant
- Var produceras och används Frac Sand?
- Frac sandkällor och priser
- Sinterade Bauxitproppanter
Frac sand: Närbild av frac sand (till höger) och en typisk sand med liknande kornstorlek (till vänster). Lägg märke till hur frac-sanden har en mer enhetlig kornstorlek, snyggt rundade kornformer och en enhetlig sammansättning. Det är också ett mycket tufft material som kan motstå tryckkrafter på upp till flera ton per kvadrat tum. Spannmål i denna bild är ungefär 0,50 millimeter stora.
Frac sandproduktion: Detta diagram illustrerar den spektakulära ökningen i produktionen av frac sand i USA. Data från USA: s Geological Survey Minerals Yearbooks, 2005-2015.
En krossbeständig sand för olje- och gasbrunnar
"Frac sand" är en kvartssand med hög renhet med mycket hållbara och mycket runda korn. Det är ett krossbeständigt material som produceras för användning av petroleumsindustrin. Det används i den hydrauliska sprickprocessen (känd som "fracking") för att producera petroleumvätskor, såsom olja, naturgas och naturgasvätskor från stenenheter som saknar tillräckligt porutrymme för att dessa vätskor kan rinna till en brunn. De flesta frac sand är ett naturligt material tillverkat av hög ren sandsten. En alternativ produkt är keramiska pärlor tillverkade av sintrad bauxit eller små metallpärlor tillverkade av aluminium.
Efterfrågan på fraksand har exploderat under de senaste åren eftersom tusentals olje- och naturgasbrunnar stimuleras med den hydrauliska sprickprocessen. (Se produktionsdiagrammet.) Ett hydrauliskt sprickjobb på en brunn kan kräva några tusen ton sand. Denna kraftiga kraftborrning har skapat en sandbransch på miljarder dollar på mycket kort tid. Mellan 2005 och 2015 har mängden frac sand som används av olje- och gasindustrin ökat dramatiskt.
Frac sand video: Video av US Silica som visar egenskaperna hos en högkvalitativ frac-sand.
Hur används Frac Sand?
Vissa bergenheter under jord, t.ex. organisk skiffer, innehåller stora mängder olja, naturgas eller naturgasvätskor som inte kommer att rinna fritt till en brunn. De kommer inte att flöda till en brunn eftersom stenenheten antingen saknar permeabilitet (sammankopplade porutrymmen) eller porerna i berget är så små att dessa vätskor inte kan strömma genom dem.
Den hydrauliska sprickprocessen löser detta problem genom att generera sprickor i berget. Detta görs genom att borra en brunn i berget, täta delen av brunnen i den petroleumsbärande zonen och pumpa vatten under högt tryck i den delen av brunnen. Detta vatten behandlas vanligtvis med kemikalier och förtjockningsmedel såsom guargummi för att skapa en viskös gel. Denna gel underlättar vattenförmågan att bära korn av frac sand i suspension.
Stora pumpar vid jordytan ökar vattentrycket i den förseglade delen av brunnen tills den är tillräckligt hög för att överskrida de omgivande bergens brytpunkt. När deras brytpunkt nås, spricker de plötsligt och vatten rusar snabbt in i sprickorna, blåser upp dem och sträcker dem djupare in i berget. Miljarder sandkorn transporteras djupt in i sprickorna genom denna plötsliga rusning av vatten. Några tusen ton frac sand kan krävas för att stimulera en enda brunn.
Frac sand video: Video av US Silica som visar egenskaperna hos en högkvalitativ frac-sand.
Hydraulisk spräckning: Förenklat diagram över en naturgasbrunn som har konstruerats med horisontell borrning för att öka penetrationslängden genom Marcellusskiffer. Hydraulisk sprickning görs vanligtvis i den horisontella delen av brunnen för att stimulera ett gasflöde från skifferen. Denna brunnkonfiguration används i skifferspel i USA.
Frac Sand som en "Proppant"
När pumparna stängs av töms sprickorna ut men stängs inte helt - eftersom de stöds upp av miljarder korn med frak sand. Detta inträffar endast om tillräckligt med sandkorn för att motstå kraften i stängningsfrakturerna har levererats in i berget.
De nya sprickorna i berget, öppna av de hållbara sandkornen, bildar ett nätverk av porutrymme som gör att petroleumvätskor kan rinna ut ur berget och in i brunnen. Frac sand är känt som en "proppant" eftersom den stöder sprickorna öppna.
Andra material som har använts som ett proppmedel inkluderar keramiska pärlor, aluminiumpärlor och sintrad bauxit. Frac sand levererar i allmänhet den högsta prestandanivån, och det är för närvarande den proppant som oftast används av petroleumsindustrin.
Jordan Sandstone karta: Många av de stenenheter som för närvarande bryts ut för frac sand är också akvifärer. Detta gör publikationer om grundvattenforskning, till exempel grundvattenatlas-serien från USA: s geologiska undersökning, till värdefulla prospekteringsdokument för att bestämma närvaron, tjocklek och struktur för sandstenens bergsenheter.Denna karta är från USA: s grundvattenatlas för Iowa, Michigan, Minnesota och Wisconsin. Den visar den geografiska omfattningen och tjockleken av Jordan Sandstone i Minnesota och Iowa. Liknande kartor har publicerats i denna serie för andra sandstenbergsenheter och andra geografiska områden.
Vilken typ av sand?
Proppanter av oljeindustrin måste uppfylla mycket krävande specifikationer. Egenskaperna hos en högkvalitativ frac-sand inkluderar:
- kiseldioxid med hög renhet
- kornstorlek perfekt anpassad till jobbkraven
- sfärisk form som gör det möjligt att transportera den i hydraulisk sprickfluid med minimal turbulens
- hållbarhet för att motstå krossningar för att stänga sprickor
Frac sand produceras i en mängd storlekar från så små som 0,1 millimeter i diameter till över 2 millimeter i diameter beroende på kundens specifikationer. Det mesta av konsumerad sand som konsumeras är mellan 0,4 och 0,8 mm.
Stenheter som St. Peter Sandstone, Jordan Sandstone, Oil Creek Sandstone och Hickory Sandstone har varit potentiella källor till frac sandmaterial. Dessa stenenheter består av kvartskorn som har genomgått flera cykler av väder och erosion. Den långa historien har tagit bort nästan alla mineralkorn än kvarts och producerat korn med mycket runda former. Därför är det osannolikt att sand som är muddrad från floder, utgrävt från terrasser eller borttagen från stränderna kommer att ge en bra produkt.
När dessa stenenheter produceras är de vanligtvis mjuka, dåligt cementerade och ibland lätt väderbitna. Detta gör att de kan grävas och krossas med minimal skada på kvartskornen. Sand med hög renhet från områden som Appalachians är ofta inte lämplig för frac sand eftersom den har utsatts för tektoniska krafter som har deformerat berget och försvagat sandkornen.
Frac sandgruva i Wisconsin: Flygfoto över en gruvdrift för frac sand i Wisconsin. Frac sand är en mycket specialiserad produkt som endast kan produceras från ett litet antal sandavlagringar.
Frac sandbearbetningsanläggning: Flygfoto över en anläggning för bearbetning av frac sand i Wisconsin.
Frac Sand Processing Plant
Frac sand används inte direkt från marken. Det kräver bearbetning för att optimera dess prestanda. Efter gruvdrift tas den till en bearbetningsanläggning. Där tvättas det för att ta bort fina partiklar.
Efter tvättning staplas sanden i högar för att låta tvättvattnet rinna av. Denna operation utförs utomhus och är begränsad till tider på året när temperaturen är över frysen. Efter att sanden tömts placeras den i en lufttork för att avlägsna all fukt. De torra kornen screenas sedan för att erhålla specifika storleksfraktioner för olika kunder.
Sand som inte är lämplig för fracking separeras och säljs för andra användningar. En del frac sand kan vara hartsbelagd för att förbättra dess prestanda i frackingoperationen. Detta material kommer att säljas som en premiumprodukt. Efter bearbetning laddas de flesta sand direkt i tågbilar för tågleverans.
Vissa bearbetningsanläggningar finns på gruvplatsen. Emellertid är bearbetningsanläggningar mycket dyra att bygga och delas ibland av flera gruvor. Dessa är centralt belägna i flera gruvor och sanden levereras med lastbil, tåg eller transportör.
Var produceras och används Frac Sand?
För några år sedan levererade producenter i Wisconsin och Texas mycket av frac-sanden som används av olje- och gasindustrin. En enorm stigning i efterfrågan orsakad av naturgas- och skifferoljeboomen har dock motiverat många företag att tillhandahålla denna produkt. Många av dessa företag finns i den centrala delen av Förenta staterna där St. Peter Sandstone och liknande stenenheter ligger nära ytan och lätt grävas. Dessa områden är också där tektoniska krafter inte har orsakat svår vikning av bergsenheterna och försvagat sandkornen. Det främsta området är i de västliga delstaterna (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska och Wisconsin).
De flesta av silikasandarna med hög renhet i USA har varit kända i årtionden. De har använts för glastillverkning och metallurgisk användning. Den aktuella sökningen efter frac sand handlar inte om att "upptäcka nya sandkällor", utan handlar istället om att bestämma vilka källor som producerar överlägsna material.
Frac sand används för att producera naturgas, naturgasvätskor och olja från skiffer och andra täta bergarter där hydraulisk sprickbildning krävs. Dessa inkluderar: Marcellus Shale, Utica Shale, Bakken Formation, Haynesville Shale, Fayetteville Shale, Eagle Ford Shale, Barnett Shale och många andra skifferspel över hela USA.
St. Peter Sandstone: Ett foto av St Peter Sandstone som är avslutad av Joachim Dolomite som tas nära Stillahavet, Missouri. Public domain image av Kbh3rd.
Frac sandkällor och priser
Efterfrågan på frac sand i Nordamerika har ökat kraftigt under de senaste åren som svar på många skifferspel som utvecklats i många delar av USA och Kanada. USA: s geologiska undersökning rapporterar källan till denna produktion:
Ordovicianen St. Peter Sandstone i Mellanvästern är en primär källa av kiselsand för många slutanvändningar och är en viktig källa till frac sand också. Bryts i fem stater, är frac sand från St. Peter Sandstone inom rimligt transportavstånd till många underjordiska skifferformationer som producerar naturgas.2011 producerades 59% av frac sand i Mellanvästern.
Rapporterade genomsnittspriser för frac sand i U.S. Geological Survey Minerals Årbok låg mellan $ 45 per ton och $ 50 per ton 2010. År 2011 hade det genomsnittliga priset stigit till $ 54,83. Detta är betydligt högre än det genomsnittliga priset på $ 35 per ton för specialsand som säljs utanför byggbranschen.
Sinterade Bauxitproppanter
Pulveriserad bauxit kan smältes till små pärlor vid mycket höga temperaturer. Dessa pärlor har en mycket hög krossmotstånd, och det gör dem lämpliga för användning som proppmedel. Pärlernas specifika vikt och deras storlek kan matchas med viskositeten hos den hydrauliska sprickfluiden och till storleken på sprickor som förväntas utvecklas i berget. Tillverkade proppanter tillhandahåller ett brett urval av kornstorlek och specifik tyngdkraft jämfört med en naturlig propppant känd som frac sand. Frac sand används för närvarande istället för tillverkade proppanter eftersom det har en kostnads- och transportfördel.