Płyny szczelinujące: Rodzaje, zastosowanie, ujawnianie składu
Płyny używane w procesie szczelinowania hydraulicznego nazywane są płynami szczelinującymi lub frackingowymi (ang. fracking fluids lub fracturing fluids). Są one wstrzykiwane do otworu wiertniczego pod wysokim ciśnieniem w celu utworzenia szczelin lub pęknięć w gazonośnej skale macierzystej. Po zakończeniu operacji szczelinowania płyn szczelinujący musi być usunięty z odwiertu aby umożliwić wydobycie gazu naturalnego.
Płyn jest usuwany przez obniżenie ciśnienia w odwiercie po powstaniu szczelin hydraulicznych. Podczas tej fazy, t.zw. flowback, część płynu powraca na powierzchnię, gdzie jest on zbierany, uzdatniany do ponownego użytku albo odprowadzany jako odpad przemysłowy. Ostatecznie, tylko niewielka część płynu szczelinującego powraca na powierzchnię, podczas gdy znaczna część objętości płynu pierwotnie stosowanego pozostaje pod ziemią.
Płyn szczelinujący = Płyn podstawowy + dodatki + proppant
Podczas operacji szczelinowania hydraulicznego są zwykle stosowane płyny szczelinujące na bazie wody typu "slickwater", które zawierają proppantsy (podsadzka hydrauliczna) oraz dodatki chemiczne. Termin "slickwater" oznacza, że lepkość wody jest niższa niż normalnie, co ma na celu obniżenie strat spowodowanych tarciem wewnątrz rury w trakcie wstrzykiwania płynu. Efekt ten osiąga się poprzez dodanie do płynu reduktora tarcia.
Płyny szczelinujące typu "slickwater" zwykle zawierają 98-99% objętości wody, oraz 1-1,9% proppantu i zwykle poniżej 1% różnych dodatków chemicznych (King, 2012). Proppantsy - to małe ziarenka piasku lub ziarenka ceramiczne, które "osiadają" w utworzonych szczelinach. Kiedy na końcu operacji szczelinowania ciśnienie w otworze spada, proppantsy zapobiegają zamykaniu się tych maleńkich szczelin, zapewniając w ten sposób zwiększony przepływ gazu ze złoża do odwiertu. Różne dodatki chemiczne ułatwiają operację szczelinowania hydraulicznego. Operacje szczelinowania w pojedynczym odwiercie wymagają zastosowania od 10.000 do 25.000 m3 wody (Broomfield, 2012).
Dodatki chemiczne: rodzaj i objętość
Liczba i objętość dodatków chemicznych stosowanych w danym rejonie poszukiwań w złożu łupków może być zróżnicowana. Zależą one od charakterystyki konkretnego złoża oraz od jego głębokości. Z tej przyczyny istnieje duża różnorodność dodatków do płynów szczelinujących.
Przegląd zwykle stosowanych rodzajów dodatków, ich cel oraz niektóre przykłady przedstawione są w tabeli 1.
| Rodzaj dodatku | Cel zastosowania | Przykłady |
|---|---|---|
| Biocydy | Przeciwdziałają wzrostowi bakterii i innych organizmów żywych | Terpeny (węglowodory terpenowe), Izotiazolinony (np. 1,2-benzoizothiazol-3 lub 2-methyl-4-isothiazolin-3-one) |
| Bufory | Kontrolują poziom pH | Kwasy i zasady nieorganiczne (n.p. kwas fluorowodorowy, dwusiarczan amonowy) |
| Reduktor lepkości | Środki ułatwiające odzyskiwanie płynu | Siarczany, nadtlenki (n.p. nadsiarczan amonu, nadtlenek wapnia) |
| Inhibitory korozji | Ochrania rury okładzinowe i sprzęt | Kwasy, alkohole, siarczyny (n.p. 2- butoksyetanol) |
| Środki sieciujące | Wspomagają tworzenie się żeli, zwiększają lepkość w celu wgłębnego wprowadzania piasku do odwiertu. | Borany, metale przejściowe w połączeniu z czynnikami kompleksującymi (n.p. tlenek, siarczan cyrkonu) |
| Reduktor tarcia | Powoduje przepływ laminarny zamiast przepływu turbulentnego | Polyakrylamidy, Destylaty naftowe, n.p. węglowodory aromatyczne (benzen, toluen) |
| Środki żelujące | Wspomagają tworzenie się żelu, zwiększają lepkość w celu wgłębnego wprowadzania piasku do odwiertu, idealny nośnik propantu | Guma guar, celuloza hydroksyetylowa, Polimer |
| Inhibitory osadów kamienia | Zapobiegają wytrącaniu się osadów mineralnych, które mogą gromadzić się na wewnętrznych ścianach orurowania lub uzbrojeniu odwiertu | Kwasy, fosfonaty (n.p.kwas dodecylobenzenosulfonowy, fosfonat wapniowy) |
| Reduktory napięcia powierzchniowego | Emulsyfikacja i tolerancja na zasolenie | Aminy, etery glikolowe, (nonylowe-) etoksylaty fenolu |
W poszczególnych odwiertach stosuje się zwykle tylko niewielką liczbę wybranych dodatków. Rys. 1 ilustuje ogólny przykład potencjalnego zastosowania dodatków oraz ich ilość. Konkretny skład płynów może jednak być znacznie zróżnicowany, zobacz Rys. 2.
Rys.1: Uogólniony przykład składu płynu stosowanego przy szczelinowaniu w złożu łupków. Dodatki, takie jak reduktory tarcia czy biocydy, są stosowane często; inne dodatki pokazane tutaj są stosowane rzadziej, zależnie od charakterystyki złoża (King, 2012). Źródło ilustracji: Shale gas extraction in the UK: a review of hydraulic fracturing (2012).
Rys.2: Skład płynu stosowanego przy szczelinowaniu w złożu łupków. Po lewej: ExxonMobil - Niemcy; płyn stosowany w roku 2008 ("Damme 3"). Po prawej: Cuadrilla, Zjednoczone Królestwo, płyn stosowany w roku 2011.
Zastosowanie dodatków
W czasie całego procesu szczelinowania dodatki są zwykle stosowane w sposób sekwencyjny (U.S. EPA, 2011). Nie wszystkie działania mają miejsce w każdej operacji szczelinowania. Oto niektóre możliwe kroki:
- Zastosowanie kwasu – często połączone z użyciem inhibitora korozji – czyści perforowaną obudowę odwiertu.
- W czasie płynnego cementowania stosuje się reduktory tarcia aby osiągnąć optymalną wydajność pomp. W celu zapewnienia jak najlepszego przepływu do szczelin wstrzykiwane są proppantsy, czasem w połączeniu ze środkami żelującymi i/lub sieciującymi.
- Po utworzeniu szczelin i pęknięć do płynu mogą zostać dodane reduktory tarcia w celu obniżenia jego lepkości oraz usprawnienia procesu odzyskiwania płynu.
- Inne środki chemiczne są czasem dodawane do mieszanki aby sprostać wymaganiom konkretnej metody wydobycia gazu. Biocydy oraz inhibitory osadów kamienia przeciwdziałają negatywnemu wpływowi bakterii i materii mineralnej na wydajność odwiertu gazowego. Bufory mogą zapewnić niezawodną interakcję wprowadzonych środków chemicznych w konkretnych warunkach geochemicznych, podczas gdy reduktory napięcia zmniejszają napięcie powierzchniowe płynów.
Ujawnianie składu płynów szczelinujących
Do operatorów związanych z eksploatacją gazu łupkowego stale apeluje się aby w pełni ujawniali skład płynów szczelinujących, ich objętość, a także stosowane dodatki. Temat ten stał się ważną kwestią w debacie publicznej, ponieważ niektóre dodatki stosowane obecnie lub w przeszłości, mogą w swojej czystej formie być niebezpieczne lub toksyczne. Reakcja przemysłu na tę prośbę była powolna, ale obecnie niektóre firmy ujawniają już stosowne informacje.
Postęp częściowo zawdzięczamy faktowi, że w niektórych stanach USA ujawnianie składu chemicznego wymagane jest prawem. W odniesieniu do USA i Kanady, skład płynów szczelinujących i inne dane są udostępniane indywidualnie dla poszczególnych odwiertów na stronie internetowej FracFocus (USA / Kanady). W USA do stycznia 2013 r. zarejestrowano około 35.000 odwiertów. Należy jednak zauważyć, że FracFocus był krytykowany za niekompletne dane oraz za przyzwolenie na to, aby operatorzy powoływali się na tajemnicę handlową i w ten sposób unikali udostępniania pełnych danych.
W Europie, w dniu dzisiejszym, dane o składzie płynów szczelinujących są dostępne w odniesieniu do jednej operacji szczelinowania związanej z gazem łupkowym w Wielkiej Brytanii (Cuadrilla), w Polsce dostępne są dane (BNK), a w Niemczech udostępniono dane kilku operacji szczelinowania (ExxonMobil - głównie o rezerwuarach gazu zamkniętego, i tylko jednej operacji związanej z gazem łupkowym: “Damme 3”).
Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung (WEG, Niemieckie Przemysłowe Stowarzyszenie Producentów Ropy i Gazu) na swojej platformie dostarcza również informacji na temat płynów frackingowych stosowanych w zbiornikach gazu zamkniętego w Niemczech (Exxon Mobile, RWE Dea, GDF Suez). Od lata 2013 roku Międzynarodowe Stowarzyszenie Prodcentów Ropy i Gazu (OGP, the International Association of Oil and Gas Producers) prowadzi europejską platformę internetową Fakty NGŁ (Gaz Naturalny z Łupków – serwis w celu ujawniania składu płynów frackingowych oraz dodatków), na łamach której publikuje skład frackingowych dodatków chemicznych stosowanych w odwiertach gazu łupkowego.
SHIP jest wdzięczny za poparcie udzielone przez Instytut Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk (ING PAN) i wersje polskie zamieszczonych tekstów.
