Upload
andrzej-szymanski
View
63
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
449
SYLWIA SIKORA*, MARIA-MAGDALENA SZAFRAN**
Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu ziemnego z łupków ilastych
Słowa kluczowe
szczelinowanie hydrauliczne, płyn szczelinujący, eksploatacja gazu ziemnego, shale gas, wiercenia
kierunkowe
Streszczenie
Technologia szczelinowania hydraulicznego w połączeniu z wierceniami otworów poziomych zrewolucjonizowała sposób wydobywania gazu ziemnego. W pracy dokonano przeglądu zaawansowanej technologii procesu szczelinowania hydraulicznego pozwalającego na intensyfikację eksploatacji gazu ziemnego z głęboko zalegających i trudno dostępnych formacji skalnych jakimi m.in. są łupki ilaste. Przedstawiono specyfikę otworów gazu ze złóż niekonwencjonalnych, zadania za jakie odpowiedzialny jest zabieg szczelinowania oraz skład płynu do szczelinującego. Na podstawie dotychczasowych amerykańskich doświadczeń przedstawiono cykl realizacji przedmiotowego zabiegu.
1. Wstęp
Obserwując rynek gazu ziemnego w USA wyraźnie widać wzrastający udział wydobycia gazu ze złóż niekonwencjonalnych, a szczególnie gazu z łupków w bilansie energetycznym tego kraju (rysunek 1).
* mgr inż., Ministerstwo Gospodarki, Departament Ropy i Gazu, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
w Krakowie, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Katedra Inżynierii Naftowej, [email protected] **
mgr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Katedra Inżynierii Naftowej, [email protected]
Sikora S., Szafran M.M.:
Rysunek 1. Wpływ wzrostu wydobycia Figure 1. Influence of shale gas production on energy market structure in USA [8]
Shal gas staje się coraz wazainteresowanie niekonwencjonalnymi zasobami gazu zimnego dynamicznie wzrasta na całym świecie. Wiedzę o istnieniu niekonwencjonalnych złóbrak odpowiedniej technologii nie pozwalał na jego przemysłowtechniczno – technologiczny umodostępnych warstw skalnych jakim jest dawna znanych technologii –
Naturalne szczeliny są podstawW celu wytworzenia szczeliny lub wipodsadzkowym jest przeprowadzenie zabiegu szcprzepuszczalność łupków pozwoli to na poprawzwiększenie produkcji odwiertu.
2. Specyfika niekonwencjonalnych złó
Formacją geologiczną, któw substancję organiczną. Poczśrodowiskach np. głębokich stref sedymentacyjnych. W wyniku diagenezy osady te przekształcają się w bardzo cienkie liwłasności przepuszczalnośprzepuszczalność łupków gazonogazu ziemnego. Typowa przepuszczalnokilku do kilkuset mD (1,2*10piaskowcowych lub węglanowych, gdzie siena przepływ gazu – rys. 2 [1].
: Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu...
450
Rysunek 1. Wpływ wzrostu wydobycia shale gas na bilans energetyczny USA [8]Figure 1. Influence of shale gas production on energy market structure in USA [8]
coraz ważniejszym źródłem energii w Ameryce Północnej. Dzi
zainteresowanie niekonwencjonalnymi zasobami gazu zimnego dynamicznie wzrasta na całym o istnieniu niekonwencjonalnych złóż gazu posiadano już od dawna. Niestety
brak odpowiedniej technologii nie pozwalał na jego przemysłową eksploatację. Dopiero posttechnologiczny umożliwił opłacalne wydobycie błękitnego surowca z trudno
pnych warstw skalnych jakim jest shale gas. Kluczem do sukcesu było połączenie dwóch od – wierceń horyzontalnych i szczelinowania hydraulicznego.
ą podstawą do dalszej efektywnej eksploatacji gazu z pokładów łupków. W celu wytworzenia szczeliny lub większej siatki szczelin, a następnie podparcia ich materiałem podsadzkowym jest przeprowadzenie zabiegu szczelinowania. Ze względu na bardzo nisk
łupków pozwoli to na poprawę przepuszczalności tych skał, a co za tym idzie kszenie produkcji odwiertu.
Specyfika niekonwencjonalnych złóż gazu ziemnego typu shale gas
ą, która tworzy skały łupkowe są łupki gazonośne. Są. Początkowo iły i muły powstają w niskoenergetycznych
bokich stref sedymentacyjnych. W wyniku diagenezy osady te w bardzo cienkie liściaste skały łupkowe, posiadające bardzo niskie
ci przepuszczalności rzędu 10-2 – 10-5 mD. Dlatego też bardzo niska łupków gazonośnych klasyfikuje ich do tzw. niekonwencjonalnych złó
gazu ziemnego. Typowa przepuszczalność złóż konwencjonalnych mieści siękilku do kilkuset mD (1,2*101 – 6*102 mD), a gaz występujący zlokalizowany jest w skałach
glanowych, gdzie sieć połączonych ze sobą porów i szczelin pozwala rys. 2 [1].
ikacja wydobycia gazu...
na bilans energetyczny USA [8]
Figure 1. Influence of shale gas production on energy market structure in USA [8]
ródłem energii w Ameryce Północnej. Dzięki temu zainteresowanie niekonwencjonalnymi zasobami gazu zimnego dynamicznie wzrasta na całym
od dawna. Niestety . Dopiero postęp
kitnego surowca z trudno . Kluczem do sukcesu było połączenie dwóch od
nowania hydraulicznego. do dalszej efektywnej eksploatacji gazu z pokładów łupków.
pnie podparcia ich materiałem du na bardzo niską
ci tych skał, a co za tym idzie
shale gas
śne. Są one bogate w niskoenergetycznych
bokich stref sedymentacyjnych. W wyniku diagenezy osady te ące bardzo niskie ż bardzo niska
nych klasyfikuje ich do tzw. niekonwencjonalnych złóż ści się w okolicach
cy zlokalizowany jest w skałach porów i szczelin pozwala
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczon
Rysunek 2. Porównanie złóFigure 2. Comparison of conventional and unconventional deposits [9]
Skała łupkowa jest skałą
uszczelniającą, gdyż w wyniku ekstremalzamknięcie dla dróg migracji wi osiągniętej temperatury, gaz w łupkach pochodzi zkatalitycznego. Krótko mówiorganicznej w wysokiej temperaturze, która powstaje w warunkach panujziemią. Następnie jest on ponownie wchłaniany przez materiw łupku – rys.3.
Rysunek 3. Schematyczny prz
Figure 3. Schematic geological cross
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2011
451
2. Porównanie złóż konwencjonalnych i niekonwencjonalnych [9]
Figure 2. Comparison of conventional and unconventional deposits [9]
Skała łupkowa jest skałą macierzystą ponieważ powstają w niej węglowodory oraz skałwyniku ekstremalnie ograniczonej przepuszczalno
cie dla dróg migracji węglowodorów. W zależności od głębokośtej temperatury, gaz w łupkach pochodzi z etapu biogenicznego i/lub termo
katalitycznego. Krótko mówiąc gaz termogeniczny tworzy się w efekcie rozkładu materii organicznej w wysokiej temperaturze, która powstaje w warunkach panujących gł
pnie jest on ponownie wchłaniany przez materię organiczną
Rysunek 3. Schematyczny przekrój geologiczny – złoża konwencjonalne vs. niekonwencjonalne [10]
Figure 3. Schematic geological cross-section – conventional vs. unconventional reservoirs [10]
konwencjonalnych i niekonwencjonalnych [9] Figure 2. Comparison of conventional and unconventional deposits [9]
glowodory oraz skałą nie ograniczonej przepuszczalności tworzy
bokości pogrążenia etapu biogenicznego i/lub termo-
w efekcie rozkładu materii ących głęboko pod
organiczną i zamykany
a konwencjonalne vs.
conventional vs. unconventional reservoirs [10]
Sikora S., Szafran M.M.: Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu...
452
Analizując shale gas pod kątem chemicznym należy stwierdzić, iż jest to gaz suchy o wysokiej wartości kalorycznej (ponad 90% zawartości powstałego gazu to metan CH4). Zasadniczo jego występowanie zlokalizowane jest w systemie makro- i mikroszczelin w obrębie kompleksu warstw łupkowych oraz jako adsorbowane cząsteczki metanu w minerałach ilastych i cząsteczkach materii organicznej rozproszonej w łupku.
Materią organiczną generującą węglowodory (ropa naftowa, gaz ziemny), także przechodząca w węgiel jest kerogen. Kerogen jest nierozpuszczalną substancją organiczną. Najkorzystniejsze wartości odnoszą się do tzw. Kerogenu III, częściowo Kerogenu II w obszarze, w których wytwarza się gaz ziemny [2]. Innymi bardzo ważnymi, ale już pochodnymi właściwościami łupkowych skał macierzystych są:
• % zawartości węgla organicznego (TOC – total organic carbon), • dojrzałość termiczna materii organicznej zawartej w skale (% vitrinite reflectance). Zespół wartości fizycznych skał łupkowych, pozytywnie rokujących dla wielkości
potencjału gazowego, jest następujący: • porowatość > 4% • nasycenie wodą < 45% • nasycenie ropą <5% • przepuszczalność >100 nanodarcy (1nD=10-9 D) • TOC > 2% • Ro (ws. refleksyjności witrynitu) > 1,3 – 1,5 %
3. Podstawy teoretyczne zabiegu szczelinowania
Wraz z rozwojem szeroko pojętego przemysłu węglowodorowego równocześnie rozwijała się technika i technologia stosowanych zabiegów intensyfikacji. Pierwszy eksperymentalny zabieg szczelinowania hydraulicznego wykonano na złożu Hugon w stanie Kansas w 1947 roku. W 1949 roku proces technologiczny zabiegu został opatentowany, a firma Halliburton Oil Well Cementing Company otrzymała wyłączną licencję na jego wykonywanie. Następne dwa zabiegi zostały wykonane w stanach Oklahoma i Texas 17 marca 1949 r. [3].
W 1981 roku teksański inżynier George T. Mitchell eksperymentował z różnymi metodami pozyskiwania gazu ziemnego z łupków. To on po raz pierwszy postanowił zastosować metodę szczelinowania hydraulicznego czyli wtłoczenia pod bardzo dużym ciśnieniem płynu szczelinującego do zdefiniowanych odcinków otworów wiertniczych w celu tworzenia i powiększania istniejących szczelin w strukturach skał łupkowych.
Powstanie szczeliny następuje w wyniku wytworzenia w caliźnie skały złożowej naprężeń rozrywających większych od granicy wytrzymałości skały na rozrywanie. Naprężenia te powstają w skutek działania ciśnienia cieczy roboczej wtłaczanej do odwiertu.
Ciśnienie przy którym następuje rozerwanie calizny skały złożowej nazywa się ciśnieniem szczelinowania, które głownie zależy od:
• rodzaju skał złożowych, • własności wytrzymałościowych skał złożowych, • porowatości i szczelinowatości, • stopnia nasycenia por płynem złożowym, • głębokości zalegania złoża. Szczelinowanie hydrauliczne jest procesem polegającym na tłoczeniu cieczy
szczelinującej o dużej lepkości pod ciśnieniem przekraczającym ciśnienie górotworu. W wyniku tego zabiegu powstaje szczelina o określonym zasięgu i rozwartości. Aby nie
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczon
dopuścić do powtórnego zacimateriałem o odpowiedniej granulacji Po zakończeniu zabiegu szczelinowania i odebraniu zw złożu pozostaje wyłącznie materiadecyduje o wzroście produkcji zDlatego też przy doborze materiaon następującymi właściwoodpowiednią wielkością ziaren, jednorodnoodpowiednim ciężarem właWybór materiału na podsadzkgórotworu) oraz temperatury panujObecnie jako materiał podsadzkowy stosuje siceramiczne, boksyty.
Ciecz szczelinująca powinna posiadapozwolą na utrzymanie wtłaczanego piasku w formie zawiesiny, a nastzmniejszenie lepkości cieczy, a po zakopozostawiając piasek w szczelinie.
Ciecze jakie dotychczas były stosowane w zabie• żele – ciecze, których du
żelującego (polimer naturalny),• polimery sieciowe – ciecze, które uzyskuj
żeli (sieciowanie jest to proces tworzenia wipolimerów przy użyciu boru, tytanu lub cyrkonu),
• emulsje – ciecze powstaj• piany – powstają w wyniku aeryzacji Dobrej jakości ciecz szczelinuj• niskimi oporami przep• stabilną lepkością, • wytrzymałością strukturaln• małą filtracją w ściany szczeliny,• dobrymi własnościami transportowymi materiaPowinna również nie uszkadza
Rysunek 4. Symulacja szczelinowania hydraulicznego [7]Figure 4. Hydraulic fracturing symulation [7]
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2011
453
do powtórnego zaciśnięcia się szczeliny należy podsadzić ją piaskiem lub innym odpowiedniej granulacji – rys.4.
czeniu zabiegu szczelinowania i odebraniu z odwiertu cieczy szczelinujcznie materiał podsadzkowy, którego jakość i rozmieszczenie
cie produkcji złoża. przy doborze materiału na podsadzkę należy zwracać uwagę, aby cechowa
ciwościami fizycznymi [4]: dużą wytrzymałością ziaren, jednorodnością ziaren, kulistością i gładkoaściwym.
u na podsadzkę uzależniony jest od ciśnienia zamknięcia szczeliny (citemperatury panującej w złożu.
podsadzkowy stosuje się: piasek, piasek pokryty żywicami, materia
ca powinna posiadać odpowiednie własności reologiczne, kt na utrzymanie wtłaczanego piasku w formie zawiesiny, a następnie pozwol
ci cieczy, a po zakończeniu zabiegu pozwolą cieczy łatwiej spłync piasek w szczelinie.
Ciecze jakie dotychczas były stosowane w zabiegu szczelinowania można podzieliciecze, których duża lepkość uzyskiwana jest w wyniku dodania do wody
cego (polimer naturalny), ciecze, które uzyskują bardzo wysoką lepkość w wyniku sieciowania
e jest to proces tworzenia wiązań poprzecznych pomiędzy yciu boru, tytanu lub cyrkonu),
ciecze powstające w wyniku zmieszania wody z węglowodorami pw wyniku aeryzacji żeli (70–80% gazu).
ci ciecz szczelinująca powinna charakteryzować się: niskimi oporami przepływu w rurach,
strukturalną, ciany szczeliny, ciami transportowymi materiału podsadzkowego.
nie uszkadzać podsadzki, być tania, a co najważniejsze by
Rysunek 4. Symulacja szczelinowania hydraulicznego [7]
Figure 4. Hydraulic fracturing symulation [7]
piaskiem lub innym
odwiertu cieczy szczelinującej, i rozmieszczenie
, aby cechował się ą na zgniatanie, adkością ziaren,
szczeliny (ciśnienia
ywicami, materiały
ci reologiczne, które ępnie pozwolą na
cieczy łatwiej spłynąć
żna podzielić na: uzyskiwana jest w wyniku dodania do wody środka
w wyniku sieciowania dzy łańcuchami
glowodorami płynnymi,
niejsze być bezpieczna.
Sikora S., Szafran M.M.:
Jeszcze do niedawna wydobycie gazu niekonwencjonalnego uz
nieopłacalne. W celu dotarcia do trudno dostzastosowania specjalnego uzbrojenia otworów. Chociaskalę rozpoczęło się w latach osiemdziesii XXI wieku połączenie dwóch stosowanych wczepoziomych i szczelinowania hydraulicznego gazu niekonwencjonalnego.
4.1. Otwory horyzontalne (poziome)
Po przeprowadzeniu badawystępowania podziemnych zasobów wpod plac wiertniczy rozpoczyna siodbiegają od prac wykonywanych podczas wierce
Kiedy wiercenie przechodzi przez warstwy wodonozabezpieczenia w postaci licznych warstw cementu, które tworzokładzinowymi stabilnośćnieprzepuszczalną barierę pomi
Wiercenia kontynuuje sięwarunków geologicznych jest to na głNastępnie poprzez kontrolowane stopniowe skrzywienie otworu przechodzi sipoziomego celem przewiercenia docelowej warstwy gazonopoziomego sięga nawet 3000 m od pionowego szybu.
Odwiert poziomy pozwala na bardziej efektywnzasobów niż otwór pionowy. 8 otworów poziomych rozchodzumożliwia dostęp do złoża, któreotworów pionowych – rys. 5 [1].
Sama technologia wiercenia poziomego nie wystarczy do efektywnej eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu. Aby umonależy wytworzyć w odcinku poziomym otworu wiertniczego sienastępnie wypełnić je piaskiem o odpowiedniej granulacji, tworzkomunikacji ze złoża do otworu wydobywczego
Rysunek 5. Otwory kierunkowe
: Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu...
454
4. Technologia wydobycia
Jeszcze do niedawna wydobycie gazu niekonwencjonalnego uznawane było za nieopłacalne. W celu dotarcia do trudno dostępnych i głęboko zalegających złózastosowania specjalnego uzbrojenia otworów. Chociaż wydobycie komercyjne na niewielk
w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku, to dopiero na przełomie XX czenie dwóch stosowanych wcześniej technologii – wykonywania otworów
poziomych i szczelinowania hydraulicznego – umożliwiło rozpowszechnienie sigazu niekonwencjonalnego.
Otwory horyzontalne (poziome) – technologia wykonania
Po przeprowadzeniu badań sejsmicznych, których celem jest wyznaczenie miejsce
powania podziemnych zasobów węglowodorów oraz przygotowaniu infrastruktury pod plac wiertniczy rozpoczyna się prace wiertnicze, które w pierwszym etap
od prac wykonywanych podczas wierceń konwencjonalnych. Kiedy wiercenie przechodzi przez warstwy wodonośne, stosuje si
zabezpieczenia w postaci licznych warstw cementu, które tworzą wraz z rurami okładzinowymi stabilność ścian otworu, które razem tworzą zintegrowan
ę pomiędzy odwiertem, a warstwami wodonośnymi i skalnymi.Wiercenia kontynuuje się, aż do osiągnięcia docelowego horyzontu. W zale
warunków geologicznych jest to na głębokościach pomiędzy 2000 m do nawet 4000 m. pnie poprzez kontrolowane stopniowe skrzywienie otworu przechodzi si
poziomego celem przewiercenia docelowej warstwy gazonośnej. Długoga nawet 3000 m od pionowego szybu.
poziomy pozwala na bardziej efektywną eksploatację udokumentowanych otwór pionowy. 8 otworów poziomych rozchodzących się z jednej lokalizacji
p do złoża, które w klasycznej eksploatacji wymagałyby odwiercenia 16 rys. 5 [1].
Sama technologia wiercenia poziomego nie wystarczy do efektywnej eksploatacji niekonwencjonalnych złóż gazu. Aby umożliwić wydobycie surowca na wi
w odcinku poziomym otworu wiertniczego sieć sztucznych szczelin, je piaskiem o odpowiedniej granulacji, tworząc w ten sposób nowe drogi a do otworu wydobywczego – rys.6.
Rysunek 5. Otwory kierunkowe - poziome [6]
Figure 5. Directional design [6]
ikacja wydobycia gazu...
nawane było za cych złóż wymagało
wydobycie komercyjne na niewielką dopiero na przełomie XX
wykonywania otworów liwiło rozpowszechnienie się wydobycia
technologia wykonania
sejsmicznych, których celem jest wyznaczenie miejsce glowodorów oraz przygotowaniu infrastruktury
prace wiertnicze, które w pierwszym etapie niczym nie
ne, stosuje się specjalne wraz z rurami ą zintegrowaną,
nymi i skalnymi. cia docelowego horyzontu. W zależności od
dzy 2000 m do nawet 4000 m. pnie poprzez kontrolowane stopniowe skrzywienie otworu przechodzi się do odcinka
nej. Długość odcinka
udokumentowanych z jednej lokalizacji
klasycznej eksploatacji wymagałyby odwiercenia 16
Sama technologia wiercenia poziomego nie wystarczy do efektywnej eksploatacji wydobycie surowca na większą skalę,
sztucznych szczelin, c w ten sposób nowe drogi
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczon
4.2.
Jednym z najważniejszych, jegazu z łupków jest stymulacja warstwy łupków. Stymulacja, majbardzo małej przepuszczalno
Każde złoże gazu niekonwencjonalnego jest inne pod wzglSprawia to, że niektóre złoekonomiczne) od innych. Proces szczelinowania iprzebieg, jeśli skały zawierajzawierają one naturalne pęi samo pozyskiwanie gazu, gdyNajwiększy potencjał eksploatacyjny majNatomiast głębokie otwory są
W celu wytworzenia szczelin w łupod wysokim ciśnieniem (ok. 600 bar) płyn szczelinuji piasku o odpowiedniej granulacji, a pozostałe 0,05 % to dodatki chemiczne. Piasek spełnia zadanie uniemożliwienia zamknistworzeniu drogi dopływu gazu ziemnego do otworu.
Substancje chemiczne dodawane do płynu szczelinujwykonanie zabiegu, który ma na celu regulowapłynu. W tabeli 1 przedstawiono przykładowy zestaw składu chemicznego substancji chemicznych wykorzystanych do sporzShale w USA.
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2011
455
Rysunek 6. Udostępnianie złoża [5, 1] Figure 6. Casing program [5, 1]
Technologia szczelinowania hydraulicznego
niejszych, jeśli nie kluczowych elementów w technologii wydobycia gazu z łupków jest stymulacja warstwy łupków. Stymulacja, mająca na celu zwbardzo małej przepuszczalności matrycy skalnej, polega na szczelinowaniu hydraulicznym.
e gazu niekonwencjonalnego jest inne pod względem geologicznym. e niektóre złoża są bardziej dostępne (oraz, co się z tym wi
ekonomiczne) od innych. Proces szczelinowania i wydobycia ma zwykle łatwiejszy li skały zawierające gaz mają relatywnie wysoką przepuszczalno
one naturalne pęknięcia, które ułatwiają zarówno proces szczelinowania, jak i samo pozyskiwanie gazu, gdyż może on łatwiej wydostać się do strefy przyodwiertowej.
kszy potencjał eksploatacyjny mają odwierty sięgające płytszych warstw skalnych. bokie otwory są bardziej kosztowne.
W celu wytworzenia szczelin w łupkowych formacjach skalnych do otworu nalenieniem (ok. 600 bar) płyn szczelinujący, który w 99,5 % składa si
odpowiedniej granulacji, a pozostałe 0,05 % to dodatki chemiczne. Piasek spełnia ienia zamknięcia nowo wytworzonych szczelin przy równoczesnym
stworzeniu drogi dopływu gazu ziemnego do otworu. Substancje chemiczne dodawane do płynu szczelinującego umożliwiaj
wykonanie zabiegu, który ma na celu regulować lepkość, wilgotność czy ciężpłynu. W tabeli 1 przedstawiono przykładowy zestaw składu chemicznego substancji chemicznych wykorzystanych do sporządzenia płynu szczelinującego na zło
li nie kluczowych elementów w technologii wydobycia ca na celu zwiększenie
ci matrycy skalnej, polega na szczelinowaniu hydraulicznym. dem geologicznym.
z tym wiąże, bardziej wydobycia ma zwykle łatwiejszy
przepuszczalność. Wówczas zarówno proces szczelinowania, jak
do strefy przyodwiertowej. ce płytszych warstw skalnych.
pkowych formacjach skalnych do otworu należy wtłoczyć cy, który w 99,5 % składa się z wody
odpowiedniej granulacji, a pozostałe 0,05 % to dodatki chemiczne. Piasek spełnia cia nowo wytworzonych szczelin przy równoczesnym
żliwiają poprawne zy ciężar właściwy
płynu. W tabeli 1 przedstawiono przykładowy zestaw składu chemicznego substancji cego na złożu Marcellus
Sikora S., Szafran M.M.: Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu...
456
Tabela 1. Skład płynu szczelinującego na przykładzie złoża Marcellus Shale [7] Table 1. Example of typical Marcellus Shale fracturing fluid [7]
Skład płynu szczelinującego i powszechne zastosowanie składników
Dodatek Składnik chemiczny Rola Powszechne zastosowanie
Kwas Kwas solny Ułatwia rozpuszczanie minerałów i powstanie pęknięć w skale
Dodawany do wody basenowej
Środek antybakteryjny
Aldehyd glutarowy
Niszczy bakterie występujące w wodzie, które wytwarzają produkty uboczne powodujące korozje
Środek odkażający, wykorzystywany do sterylizacji narzędzi lekarskich i dentystycznych
Kruszarka Nadsiarczan amonu
Opóźnia rozkład żelu
Używany w środkach koloryzacji włosów, jako środek dezynfekujący i w produkcji powszechnie używanych plastikowych artykułów gospodarstwa domowego
Czynnik hamujący korozję
Formamid Zapobiega korozji rur okładzinowych
Stosowany w przemyśle farmaceutycznym, produkcji włókien akrylowych i plastiku
Czynnik umożliwiający sieciowanie
Sole boranowe Utrzymuje lepkość płynu w miarę wzrastania temperatury
Obecny w środkach do prania, mydłach do rąk i kosmetykach
Środek zmniejszający tarcie
Destylator ropy naftowej
"Wygładza" wodę w celu zminimalizowania tarcia
Używany w przemyśle kosmetycznym, w tym produkcji środków do pielęgnacji włosów, paznokci i skóry oraz kosmetyków do makijażu
Żel Guma guar lub hydroksyceluloza
Zwiększa gęstość wody (aby mogła ona unieść piasek)
Zagęszczacz; występuje w kosmetykach, produktach piekarniczych, lodach, pastach to zębów, sosach i dressingach do sałatek
Środek kontrolny Kwas cytrynowy Uniemożliwia wytrącanie się tlenków metali
Dodatek do żywności i napojów; sok cytrynowy zawiera w przybliżeniu 7% kwasu cytrynowego
Stabilizator iłów Chlorek potasu Uniemożliwia interakcję płynu z iłami
Używany w substytutach niskosodowej soli kuchennej, lekarstwach i płynach dożylnych
Środek regulujący pH
Węglan potasu lub sodu
Usprawnia działanie innych składników, np. czynników umożliwiających sieciowanie
Występuje w detergentach do prania, mydłach, zmiękczaczach wody i detergentach do zmywarek
Środek uniemożliwiający zamknięcie szczelin
Krzemionka, piasek kwarcowy
Utrzymuje szczeliny w stanie otwartym, co umożliwia wydostanie się gazu
Używany w filtracji wody pitnej, piaskownicach, betonowej i ceglanej zaprawie murarskiej
Czynnik przeciwdziałający osadzaniu się kamienia
Glikol etylenowy Uniemożliwia tworzenie się nalotu kamiennego w rurach
Występuje w środkach czyszczących dla gospodarstw domowych, odmrażaczach, farbach i uszczelkach
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczon
Substancja powierzchniowo czynna
Izopropanol
Woda Woda
Jakość wykonania szczelin kontroluje si
Przede wszystkim jednak przed podjokreślić ich własności geomechaniczne isię płyny, ciśnienie i czas trwania poszczególnych etapów zabizabieg przedtem symuluje cyfrowo. Etap laboratoryjny jest przynosi efekty – w łupkach uzyskuje sio promieniu nawet 900 m (w piaskowcach do 200 m) [1].
Woda używana w procesie szczelinowania hydraulicznego pozyskiwana jest zwykle ze źródeł naziemnych lub podziemnych, przy czym jest ona niezbwydobycia. Ilość wody potrzebnej doukształtowania terenu oraz czynników geologicznych orazIlość wody wykorzystywanej w procesie wiercenia i szczelinowania jednego otworu poziomego waha się od 7,6 ajeden etap wynosi od 250 ton do nawet 500 ton [11].
Woda użyta w procesie szczelinowania hydraulicznego i woda powstała podczas samego procesu może być wykorzystana ponownie na wiele sposobów, na przykład do nawadniania.
Rysunek 7. Wpływ strefy przyodwiertowej naFigure 7. Impact of drainage area on production from horizontal well with and without
Opłacalność wydobycia gazu z łupków zale
zabiegów stymulacji hydraulicznej. Ze wzglnawet w obrębie tego samego złokluczowych obszarów, na jakie nalerdzenia wiertniczego, która pozwala na charakterystyk
VI Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2011
457
Izopropanol
Używany do zmniejszenia ciśnienia powierzchniowego płynów hydraulicznych oraz usprawnienia odzyskiwania płynu z otworu wiertniczego po wykonaniu procesu szczelinowania
Występuje w płynach do czyszczenia szkła, preparatach do czyszczenia różnych rodzajów powierzchni, antyperspirantach, dezodorantach i koloryzacji włosów
Używana w celu poszerzenia szczelin i przeniesienia substancji uniemożliwiającej ich zamknięcie (piasku)
Kształtuje teren, uprodukcji
wykonania szczelin kontroluje się za pomocą metod mikrosejsmiki otworowej. Przede wszystkim jednak przed podjęciem kosztownych prac bada się próbki skał, aby
ci geomechaniczne i naprężenia w górotworze. Pod tym knienie i czas trwania poszczególnych etapów zabiegu szczelinowania, a cały
zabieg przedtem symuluje cyfrowo. Etap laboratoryjny jest żmudny i kosztowny, ale w łupkach uzyskuje się precyzyjne rozłożone, koncentryczne strefy sp
o promieniu nawet 900 m (w piaskowcach do 200 m) [1]. ywana w procesie szczelinowania hydraulicznego pozyskiwana jest zwykle ze
ródeł naziemnych lub podziemnych, przy czym jest ona niezbędna tylko przez krótki okres wody potrzebnej do wykonania procesu szczelinowania zale
łtowania terenu oraz czynników geologicznych oraz geograficzno-hydrologicznych. wody wykorzystywanej w procesie wiercenia i szczelinowania jednego otworu
od 7,6 aż nawet do 22,7 mln litrów wody. Natomiast ilowynosi od 250 ton do nawet 500 ton [11].
yta w procesie szczelinowania hydraulicznego i woda powstała podczas samego wykorzystana ponownie na wiele sposobów, na przykład do nawadniania.
Rysunek 7. Wpływ strefy przyodwiertowej na produkcję gazu z szczelinowaniem i bez [12]Figure 7. Impact of drainage area on production from horizontal well with and without
fracking [12]
5. Wnioski
wydobycia gazu z łupków zależy od istnienia naturalnej sieci spcji hydraulicznej. Ze względu na znaczne zróżnicowanie warunków zło
bie tego samego złoża – opłacalność może się znacznie różnić. Dlatego tekluczowych obszarów, na jakie należy zwrócić uwagę w tym procesie to m.in. geologia, anardzenia wiertniczego, która pozwala na charakterystykę skał, analizę wpływu wody na skał
puje w płynach do czyszczenia szkła, preparatach do czyszczenia
nych rodzajów
antyperspirantach, orantach i środkach do
koloryzacji włosów
Kształtuje teren, używana w
ikrosejsmiki otworowej. ę próbki skał, aby
enia w górotworze. Pod tym kątem dobiera egu szczelinowania, a cały
mudny i kosztowny, ale one, koncentryczne strefy spękań
ywana w procesie szczelinowania hydraulicznego pozyskiwana jest zwykle ze dna tylko przez krótki okres
wykonania procesu szczelinowania zależna jest hydrologicznych.
wody wykorzystywanej w procesie wiercenia i szczelinowania jednego otworu nawet do 22,7 mln litrów wody. Natomiast ilość piasku na
yta w procesie szczelinowania hydraulicznego i woda powstała podczas samego wykorzystana ponownie na wiele sposobów, na przykład do nawadniania.
gazu z szczelinowaniem i bez [12]
Figure 7. Impact of drainage area on production from horizontal well with and without
y od istnienia naturalnej sieci spękań oraz nicowanie warunków złożowych –
. Dlatego też wśród w tym procesie to m.in. geologia, analiza
wpływu wody na skałę
Sikora S., Szafran M.M.: Szczelinowanie hydrauliczne – intensyfikacja wydobycia gazu...
458
złożową, przepuszczalność, usytuowanie odwiertu, charakterystykę naturalnych szczelin, naprężenia, cementację odwiertów w celu optymalizacji szczelinowania hydraulicznego, odpowiedni dobór perforatorów i opróbowanie odwiertu.
Rozwój technologiczny ostatnich lat oraz ciągłe ulepszanie i pracowanie nad nowymi patentami sprawiły, że wydobycie gazu ze złóż niekonwencjonalnych stało się nie tylko opłacalne, ale również bezpieczniejsze i efektywniejsze.
Literatura
[1] Primer A.: „Modern Shale Gas Development in the United States”, US Department of Energy, 04.2009
[2] Siemek J.: „Gaz ziemny-zasoby konwencjonalne i niekonwencjonalne”, Lublin 2011 [3] Jewulski J.: Metody intensyfikacji wydobycia płynów złożowych, Kraków 2007 [4] Górski W.: ”Wykonywanie zabiegów intensyfikacji wydobycia ropy naftowej”, Radom
2007 [5] Kaliski M.: „Polityka rządu w zakresie rozwoju i wykorzystania gazu łupkowego
w Polsce”, VII Międzynarodowy Kongres MBA, Kraków 2011 [6] Douglas N.: “Managing Oil and Natural Gas Development on U. S. Federal Lands and
Federal Mineral Estate”, U. S. Department of the Interior Bureau of Land Management, Waszyngton 2011
[7] www.hydraulicfracturing.com/Process/Pages/information.aspx [8] www.eia.gov [9] www.weglowodory.pl [10] www.pgi.gov.pl [11] Ziemkiewicz P., IVLP for Poland: “Water Management and Marcellus Gas
Development”, West Virginia Water Research Institute, rok 2011 [12] Belyadi A., Aminian K., Ameri S., Light-Foot A.: “Performance of the hydraulic
fractured horizontal wells in low permability formation”, West Virginia University, SPE 139082, rok 2010
SYLWIA SIKORA, MARIA-MAGDALENA SZAFRAN
Hydraulic fracturing – intensification of shale gas production
Keywords
hydraulic fracturing, fracturing fluid, natural gas production, shale gas, directional drilling,
Abstract
Hydraulic fracturing and horizontal drilling technology have revolutionised the way in which natural gas is extracted. The paper is a review of high-tech hydraulic fracturing technology. The process allow on intensify the extraction of natural gas reservoir deep underground in order to the create small fractures in the shale rocks. Presents the characteristics of unconventional gas wells, a tasks of hydraulic fracturing process and the composition of the fracturing fluid. U.S. experiences show the life cycle of the fracking process.