Hydraulic Fracturing_Intensification of Shale Gas Production

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


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]


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


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.


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


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


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


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


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.

Hydraulic Fracturing_Intensification of Shale Gas Production

Documents

Transcript of Hydraulic Fracturing_Intensification of Shale Gas Production