Contenido
- ¿Qué es la fractura hidráulica?
- ¿Cuánto tiempo se ha usado la fractura hidráulica?
- Uso exitoso de la fractura hidráulica en lutitas
- Fracturamiento hidráulico en otros juegos de lutitas
- Fluidos de fractura
- Apuntalantes
- Preocupaciones ambientales
- Beneficios de producción
Bombas y motores diesel listos para la frac: Foto de una operación de fracturación hidráulica que se realiza en una plataforma de perforación en el juego de gas Marcellus Shale del suroeste de Pensilvania. Un conjunto enorme de bombas, motores diesel, camiones de agua, mezcladores de arena y accesorios de plomería está en su lugar para la fractura. Imagen de Doug Duncan, USGS.
¿Qué es la fractura hidráulica?
La fracturación hidráulica es un procedimiento que puede aumentar el flujo de petróleo o gas de un pozo. Se realiza bombeando líquidos por un pozo hacia las unidades de roca subterránea bajo presiones que son lo suficientemente altas como para fracturar la roca. El objetivo es crear una red de fracturas interconectadas que sirvan como espacios porosos para el movimiento de petróleo y gas natural al pozo.
La fracturación hidráulica combinada con perforación horizontal ha convertido pizarras ricas en materia orgánica previamente improductivas en los campos de gas natural más grandes del mundo. El esquisto Marcellus, el esquisto Utica, el esquisto Barnett, el esquisto Eagle Ford y la formación Bakken son ejemplos de unidades de roca previamente improductivas que se han convertido en fantásticos campos de gas o petróleo por fractura hidráulica.
¿Cuánto tiempo se ha usado la fractura hidráulica?
El primer uso de la fractura hidráulica para estimular los pozos de petróleo y gas natural en los Estados Unidos se realizó hace más de 60 años. La Compañía de Cementación de Pozos Petroleros de Haliburton recibió una patente para el procedimiento en 1949. El método aumentó exitosamente las tasas de producción de pozos y la práctica se extendió rápidamente. Ahora se usa en todo el mundo en miles de pozos cada año. Nuestra gasolina, combustible para calefacción, gas natural y otros productos hechos de productos derivados del petróleo costarían mucho más si no se hubiera inventado la fractura hidráulica.
Perforación horizontal y fracturación hidráulica: Diagrama simplificado de un pozo de gas natural que se ha construido con perforación horizontal a través del esquisto de Marcellus y fracturación hidráulica en la porción horizontal del pozo.
Plataforma de perforación lista para fractura hidráulica: Otra foto de una plataforma de perforación en el día frac en el juego de gas Marcellus Shale del suroeste de Pensilvania. Foto de Doug Duncan, USGS.
Uso exitoso de la fractura hidráulica en lutitas
A principios de la década de 1990, Mitchell Energy comenzó a utilizar la fracturación hidráulica para estimular la producción de gas natural de los pozos perforados en el Barnett Shale de Texas. El esquisto de Barnett contenía enormes cantidades de gas natural; Sin embargo, el Barnett rara vez produce gas natural en cantidades comerciales.
Mitchell Energy se dio cuenta de que el gas en Barnett Shale estaba atrapado en pequeños espacios de poros que no estaban interconectados. La roca tenía poros pero carecía de permeabilidad. Los pozos perforados a través de Barnett Shale generalmente tendrían una muestra de gas, pero no suficiente para la producción comercial. Mitchell Energy resolvió este problema fracturando hidráulicamente el esquisto de Barnett para crear una red de espacios de poros interconectados que permitieron un flujo de gas natural al pozo.
Desafortunadamente, muchas de las fracturas producidas por el proceso de fracturación hidráulica se cerraron cuando las bombas se apagaron. El esquisto de Barnett estaba tan profundamente enterrado que la presión limitante cerró las nuevas fracturas. Este problema se resolvió agregando arena al fluido de fractura. Cuando la roca se fracturaba, la corriente de agua en el poro recién abierto llevaría los granos de arena a la unidad de roca. Cuando se redujo la presión del agua, los granos de arena "apoyaron" la fractura para abrirla y permitieron un flujo de gas natural a través de las fracturas y dentro del pozo. Hoy en día hay una variedad de productos naturales y sintéticos que se venden bajo el nombre de "arena frac".
Mitchell Energy mejoró aún más el rendimiento de sus pozos al perforarlos horizontalmente a través de Barnett Shale. Se iniciaron pozos verticales en la superficie, dirigidos a una orientación horizontal y conducidos a través de Barnett Shale durante miles de pies. Esto multiplicó la longitud de la zona de pago en el pozo. Si una unidad de roca tuviera 100 pies de espesor, tendría una zona de pago de 100 pies en un pozo vertical. Sin embargo, si el pozo se dirigió horizontalmente y permaneció horizontal durante 5000 pies a través de la formación del objetivo, entonces la longitud de la zona de pago era cincuenta veces más larga que la zona de pago de un pozo vertical.
Mitchell Energy utilizó fracturación hidráulica y perforación horizontal para multiplicar la productividad de los pozos Barnett Shale. De hecho, muchos de sus pozos altamente exitosos habrían sido fallidos si fueran pozos verticales sin fractura hidráulica.
Pistola de perforación: Pistola de perforación no utilizada y gastada utilizada en perforación de petróleo y gas y fracturación hidráulica. La tubería en la parte inferior muestra agujeros creados por las cargas explosivas montadas dentro de la tubería. Foto de Bill Cunningham, USGS.
Fracturamiento hidráulico en otros juegos de lutitas
A medida que otros se enteraron del éxito de Mitchell Energys en Barnett Shale of Texas, los métodos de perforación horizontal y fracturación hidráulica se probaron en otras lutitas ricas en materia orgánica. Estos métodos tuvieron éxito rápidamente en el esquisto Haynesville y el esquisto Fayetteville de Louisiana, Texas y Arkansas, y luego en el esquisto Marcellus en la cuenca de los Apalaches. Los métodos funcionaron en muchas otras lutitas y ahora se están utilizando para desarrollar lutitas ricas en materia orgánica en muchas partes del mundo.
La fracturación hidráulica también ha permitido la producción de líquidos de gas natural y petróleo de muchos pozos. Las unidades rocosas como el esquisto Bakken de Dakota del Norte y el esquisto Niobrara de Colorado, Kansas, Nebraska y Wyoming ahora están produciendo cantidades significativas de petróleo por fractura hidráulica.
Estanque de contención de agua Frac: Un depósito de agua en una plataforma de perforación en el juego de gas Fayetteville Shale de Arkansas. Los estanques revestidos como este se utilizan para el almacenamiento de agua fraccionada en sitios de perforación en todos los juegos de gas natural. Foto de Bill Cunningham, USGS.
Fluidos de fractura
El agua es el fluido impulsor utilizado en el proceso de fracturación hidráulica. Dependiendo de las características del pozo y la roca que se está fracturando, se pueden requerir unos pocos millones de galones de agua para completar un trabajo de fracturación hidráulica.
Cuando el agua se bombea al pozo, no se presuriza toda la longitud del pozo. En cambio, se insertan tapones para aislar la porción del pozo donde se desean las fracturas. Solo esta sección del pozo recibe toda la fuerza de bombeo. A medida que se acumula presión en esta porción del pozo, el agua abre fracturas y la presión de conducción extiende las fracturas profundamente en la unidad de roca. Cuando se detiene el bombeo, estas fracturas se cierran rápidamente, y el agua utilizada para abrirlas se empuja hacia el pozo, vuelve a subir al pozo y se recoge en la superficie. El agua que regresa a la superficie es una mezcla del agua inyectada y el agua de poro que ha estado atrapada en la unidad de roca durante millones de años. El agua de los poros suele ser una salmuera con cantidades significativas de sólidos disueltos.
Los productos químicos a menudo se agregan al agua utilizada en la fracturación hidráulica. Estos aditivos sirven para una variedad de propósitos. Algunos espesan el agua en un gel que es más efectivo para abrir fracturas y transportar los apuntaladores profundamente en la unidad de roca. Se agregan otras sustancias químicas para: reducir la fricción, mantener los restos de roca suspendidos en el líquido, prevenir la corrosión del equipo, matar las bacterias, controlar el pH y otras funciones.
La mayoría de las empresas se han resistido a revelar la composición de sus fluidos de fractura hidráulica. Creen que esta información debe mantenerse privada para proteger su investigación competitiva. Sin embargo, los reguladores están comenzando a exigir la información, y algunas compañías están comenzando a compartirla voluntariamente.
Arena Frac: La arena de sílice de grano fino se mezcla con productos químicos y agua antes de ser bombeada en formaciones rocosas para evitar que las fracturas artificiales recién creadas se cierren después de que se complete la fracturación hidráulica. Foto de Bill Cunningham, USGS.
Apuntalantes
Se utiliza una variedad de apuntalantes en la fracturación hidráulica. Estas son pequeñas partículas resistentes al aplastamiento que son transportadas a las fracturas por el fluido de fracturación hidráulica. Cuando las bombas se apagan y las fracturas colapsan, estas partículas resistentes al aplastamiento mantienen la fractura abierta, creando un espacio de poros a través del cual el gas natural puede viajar al pozo.
La arena fractal es el apuntalante más utilizado hoy en día, pero también se han utilizado perlas de aluminio, perlas de cerámica, bauxita sinterizada y otros materiales. Se pueden usar más de un millón de libras de apuntaladores mientras se fractura un solo pozo.
Vista de imagen satelital de pozos horizontales: Una vista satelital de un sitio de perforación Utica Shale donde se han construido y estimulado nueve pozos horizontales con fractura hidráulica.
Preocupaciones ambientales
Hay una serie de preocupaciones ambientales relacionadas con la fracturación hidráulica. Éstos incluyen:
1) Las fracturas producidas en el pozo pueden extenderse directamente a unidades de rocas poco profundas que se utilizan para el suministro de agua potable. O bien, las fracturas producidas en el pozo pueden comunicarse con fracturas naturales que se extienden en unidades de rocas poco profundas que se utilizan para el suministro de agua potable.
2) La cubierta de un pozo puede fallar y permitir que los fluidos escapen hacia las unidades de rocas poco profundas utilizadas para el suministro de agua potable.
3) Los derrames accidentales de fluidos de fractura hidráulica o fluidos expulsados durante un trabajo de fractura pueden filtrarse al suelo o contaminar el agua superficial.
Beneficios de producción
La fracturación hidráulica puede aumentar significativamente el rendimiento de un pozo. Cuando se combina con la perforación horizontal, las formaciones rocosas no rentables a menudo se convierten en campos productivos de gas natural. La técnica es en gran parte responsable del desarrollo de los campos de gas Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale y Marcellus Shale. También puede liberar petróleo de unidades de roca compacta como se ha hecho con el esquisto de Bakken y el esquisto de Niobrara.
El proceso de fracturación hidráulica y los productos químicos utilizados con él causan la mayor preocupación a los defensores del medio ambiente que vigilan la industria del gas natural. Se necesita un entorno regulatorio que permita el empleo de estas técnicas y brinde salvaguardas ambientales para proteger los suministros de agua y las personas que viven en las áreas donde ocurre la perforación.