Innehåll
- Vad är hydraulisk sprickbildning?
- Hur länge har hydraulisk brytning använts?
- Framgångsrik användning av hydraulisk brytning i skiffer
- Hydraulisk sprickbildning i andra skifferspel
- Fraktureringsvätskor
- stödmedel
- Miljöproblem
- Produktionsfördelar
Pumpar och dieselmotorer redo för frac: Foto av en hydraulisk sprickoperation som utförs vid en borrkudde i Marcellus Shale-gaslek i sydvästra Pennsylvania. En enorm sammansättning av pumpar, dieselmotorer, vattenbilar, sandblandare och VVS-installationer är på plats för frac. Bild av Doug Duncan, USGS.
Vad är hydraulisk sprickbildning?
Hydraulisk sprickbildning är en procedur som kan öka flödet av olja eller gas från en brunn. Det görs genom att pumpa vätskor ner i en brunn i bergenheterna under ytan under tryck som är tillräckligt höga för att spricka berget. Målet är att skapa ett nätverk av sammankopplade sprickor som kommer att fungera som porutrymmen för rörelse av olja och naturgas till brunnhålet.
Hydraulisk sprickbildning i kombination med horisontell borrning har förvandlat tidigare oproduktiv organisk rik skiffer till världens största naturgasfält. Marcellus Shale, Utica Shale, Barnett Shale, Eagle Ford Shale och Bakken Formation är exempel på tidigare icke-produktiva bergsenheter som har omvandlats till fantastiska gas- eller oljefält genom hydraulisk sprickbildning.
Hur länge har hydraulisk brytning använts?
Den första användningen av hydraulisk sprickbildning för att stimulera olja och naturgasbrunnar i USA gjordes för över 60 år sedan. Haliburton Oil Well Cementing Company utfärdades ett patent för förfarandet 1949. Metoden ökade framgångsrikt brunnsproduktionshastigheter och praxis spred sig snabbt. Det används nu över hela världen i tusentals brunnar varje år. Vår bensin, uppvärmningsbränsle, naturgas och andra produkter tillverkade av petroleumprodukter skulle kosta mycket mer om hydraulisk sprickbildning inte hade uppfunnits.
Horisontell borrning och hydraulisk sprickbildning: Förenklat diagram över en naturgasbrunn som har konstruerats med horisontell borrning genom Marcellus Shale och hydraulisk sprickbildning på brunnens horisontella del.
Borrplatta redo för hydraulisk sprickbildning: Ytterligare ett foto av en borrkudde på frac-dagen i Marcellus Shale-gaslek i sydvästra Pennsylvania. Foto av Doug Duncan, USGS.
Framgångsrik användning av hydraulisk brytning i skiffer
I början av 1990-talet började Mitchell Energy använda hydrauliska sprickor för att stimulera produktionen av naturgas från brunnar som borrats in i Barnett Shale i Texas. Barnettskalan innehöll enorma mängder naturgas; emellertid producerade Barnett sällan naturgas i kommersiella mängder.
Mitchell Energy insåg att gas i Barnett Shale fångades i små porerom som inte var sammankopplade. Stenen hade porutrymme men saknade permeabilitet. Brunnar som borras genom Barnett Shale skulle vanligtvis ha en gasvisning men inte tillräckligt med gas för kommersiell produktion. Mitchell Energy löst detta problem genom hydraulisk sprickning av Barnett Shale för att skapa ett nätverk av sammankopplade porutrymmen som möjliggjorde ett flöde av naturgas till brunnen.
Tyvärr stängdes många av de sprickor som producerades genom den hydrauliska sprickprocessen stängda när pumparna stängdes av. Barnettskifferen var så djupt begravd att begränsande tryck stängde de nya sprickorna. Detta problem löstes genom att tillsätta sand till sprickfluiden. När berget sprickor skulle rusan med vatten in i det nyöppnade porutrymmet bära sandkorn djupt in i klippaggregatet. När vattentrycket sänktes "stötte" sandkornen upp sprickan och tillät ett flöde av naturgas genom sprickorna och in i borrhålet. Idag finns det en mängd naturliga och syntetiska produkter som säljs under namnet "frac sand."
Mitchell Energy förbättrade avkastningen på deras brunnar ytterligare genom att borra dem horisontellt genom Barnettskalan. Vertikala brunnar startades vid ytan, styrdes till en horisontell orientering och drevs genom Barnettskifferen i tusentals fot. Detta multiplicerade längden på betalningszonen i brunnen. Om en stenenhet var 100 fot tjock, skulle den ha en betalningszon på 100 fot i en vertikal brunn. Men om brunnen styrdes horisontellt och förblev horisontell i 5000 fot genom målbildningen, var betalningszonens längd femton gånger längre än betalningszonen för en vertikal brunn.
Mitchell Energy använde hydraulisk sprickbildning och horisontell borrning för att multiplicera produktiviteten för Barnett Shale-brunnar. I själva verket skulle många av deras mycket framgångsrika brunnar ha varit fel om de var vertikala brunnar utan hydraulisk sprickbildning.
Perforeringspistol: Oanvänd och använt perforeringspistol som används vid borrning av olja och gas och hydraulisk sprickbildning. Röret på botten visar hål skapade av explosiva laddningar monterade inuti röret. Foto av Bill Cunningham, USGS.
Hydraulisk sprickbildning i andra skifferspel
Som andra fick veta om Mitchell Energys framgång i Barnett Shale i Texas, testades metoderna för horisontell borrning och hydraulisk sprickbildning i andra ekologiska skiffer. Dessa metoder lyckades snabbt i Haynesville Shale och Fayetteville Shale i Louisiana, Texas och Arkansas - sedan i Marcellus Shale i Appalachian Basin. Metoderna fungerade i många andra skiffer och används nu för att utveckla organiskt rika skiffer i många delar av världen.
Hydraulisk sprickbildning har också möjliggjort produktion av naturgasvätskor och olja från många brunnar. Stenheter som Bakken Shale i North Dakota och Niobrara Shale i Colorado, Kansas, Nebraska och Wyoming ger nu betydande mängder olja från hydraulisk sprickbildning.
Frac vatten inneslutning damm: Ett vattendrag vid en borrkudde i Fayetteville Shale-gaslek i Arkansas. Fodrade dammar som detta används för lagring av frakvatten på borrplatser i alla naturgaslekar. Foto av Bill Cunningham, USGS.
Fraktureringsvätskor
Vatten är den drivande vätskan som används i den hydrauliska sprickprocessen. Beroende på egenskaperna hos brunnen och berget som sprickas kan några miljoner gallon vatten krävas för att genomföra ett hydrauliskt sprickjobb.
När vattnet pumpas in i brunnen trycksätts inte hela längden på brunnen. Istället sätts pluggar in för att isolera den del av brunnen där sprickorna önskas. Endast detta avsnitt av brunnen får pumpens fulla kraft. När trycket byggs upp i denna del av brunnen öppnar vatten sprickor, och drivtrycket sträcker sprickorna djupt in i bergenheten. När pumpningen stoppas knäpps dessa frakturer snabbt och vattnet som används för att öppna dem skjuts tillbaka in i borrhålen, backa upp brunnen och samlas upp vid ytan. Vattnet som återförs till ytan är en blandning av det injicerade vattnet och porvattnet som har fångats i bergenheten i miljoner år. Porvattnet är vanligtvis en saltlösning med betydande mängder lösta fasta ämnen.
Kemikalier tillsätts ofta till vattnet som används vid hydraulisk sprickbildning. Dessa tillsatser tjänar en mängd olika syften. Vissa förtjockar vattnet till en gel som är mer effektiv vid öppning av sprickor och transporterar proppanter djupt in i bergenheten. Andra kemikalier läggs till för att minska friktion, hålla bergskräp hängande i vätskan, förhindra korrosion av utrustning, döda bakterier, kontrollera pH och andra funktioner.
De flesta företag har varit resistenta mot att avslöja sammansättningen av sina hydrauliska sprickfluider. De anser att denna information bör hållas privat för att skydda deras konkurrenskraftiga forskning. Tillsynsmyndigheterna börjar dock begära informationen, och vissa företag börjar dela informationen frivilligt.
Frac sand: Finkornig kiseldioxidsand blandas med kemikalier och vatten innan den pumpas in i bergformationer för att förhindra att de nyligen skapade konstgjorda sprickorna stängs efter att den hydrauliska sprickningen är klar. Foto av Bill Cunningham, USGS.
stödmedel
En mängd proppanter används vid hydraulisk sprickbildning. Dessa är små krossresistenta partiklar som transporteras in i sprickorna av den hydrauliska sprickfluiden. När pumparna stängs av och sprickorna kollapsar håller dessa krossresistenta partiklar brottet öppet, vilket skapar porutrymme genom vilket naturgas kan röra sig till brunnen.
Frac sand är det mest använda materialet idag men aluminiumpärlor, keramiska pärlor, sintrad bauxit och andra material har också använts. Över en miljon pund proppanter kan användas medan du spricker en enda brunn.
Satellitbildsvy av horisontella brunnar: En satellitvy av en borrplats i Utica Shale där nio horisontella brunnar har konstruerats och stimulerats med hydraulisk sprickbildning.
Miljöproblem
Det finns ett antal miljöproblem relaterade till hydraulisk sprickbildning. Dessa inkluderar:
1) Frakturer som produceras i brunnen kan sträcka sig direkt till grunda bergenheter som används för dricksvattenförsörjning. Eller, sprickor som produceras i brunnen kan kommunicera med naturliga sprickor som sträcker sig till grunt bergsenheter som används för dricksvattenförsörjning.
2) Höljet på en brunn kan misslyckas och tillåta vätskor att komma ut i grunda bergsenheter som används för dricksvattenförsörjning.
3) Oavsiktliga spill av hydrauliska sprickfluider eller vätskor som släpps ut under ett sprickjobb kan sippra ner i marken eller förorena ytvatten.
Produktionsfördelar
Hydraulisk sprickbildning kan öka utbytet av en brunn avsevärt. När det kombineras med horisontell borrning omvandlas ofördelbara bergformationer ofta till produktiva naturgasfält. Tekniken är till stor del ansvarig för utvecklingen av gasfälten Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale och Marcellus Shale. Det kan också befria olja från trånga stenenheter, som har gjorts med Bakken Shale och Niobrara Shale.
Den hydrauliska sprickprocessen och de kemikalier som används med den orsakar den största mängden oro för miljöbefäl som tittar på naturgasindustrin. Det krävs en reglerande miljö som gör det möjligt att använda dessa tekniker och ge miljöskyddsåtgärder för att skydda vattenförsörjningen och människor som bor i de områden där borrning sker.