Revista Art-emis
Fracturarea hidraulică - Abordare tehnico-ecologică (1) PDF Imprimare Email
Col.(r) Prof. univ. dr. ing. Marian Rizea & Ing. drd. Cristina Neamţu-Rizea   
Luni, 18 Martie 2013 15:06
Col. (r) prof. univ. ing. dr. Marian Rizea, art-emisExploatarea gazelor de şist prin metoda fracturării hidraulice constituie în prezent, vârful de lance în domeniul extracţiei de hidrocarburi gazoase la nivel mondial având numeroşi adepţi pro şi contra. Tehnologia se aplică de mai puţin de un secol şi este în măsură să reconfigureze balanţa mondială a resurselor şi rezervelor energetice. Aceasta scurtă prezentare vine în întâmpinarea înţelegerii de către nespecialişti a metodei de facturare hidraulică sub aspect tehnic şi sintetizează unele opinii avizate care, alături de link-urile pentru accesarea unor filmuleţe, oferă posibilitatea fiecărui individ de a-şi forma propria părere privind viabilitatea tehnologiei la acest moment.

Exploitation of shale gas through hydraulic fracturing method is currently spearheading of the extraction of hydrocarbon gases in the world with many followers pros and cons. This technology is applied more than a century and is able to reconfigure the global balance of resources and energy reserves. This brief meets the layman understanding of the hydraulic fracturing method in technical aspect and summarizes some expert opinion which, along with links for accessing some movies, allows each individual to form their own opinion on the viability of the technology at this very moment.

Precizări

Cu aproape două secole si jumătate în urma, la 13 ianuarie 1776, Alessandro Volta (1745-1827) descoperă (cu mult înainte de pila voltaică), un gaz inflamabil care ieșea la suprafață din mlaștinile lombarde, lângă lacul Maggiore. Îl va numi „aerul originar din mlaștini" sau „gazul de baltă" şi va construi „pistolul electroflogopneumatic": în interiorul unui container de sticlă închis amesteca împreună oxigen și metan care în contact cu o scânteie exploda aruncând în aer un dop de zahăr (...) era un fel de sistem de alarmă. În ipotezele sale, acest sistem de alarmă ar fi putut funcționa și de la distanță, scânteia fiind trimisă pe cale electrică folosit pentru un sistem de alarmă. Nu intuia că descoperise ceea ce după mulți ani avea să fie recunoscut ca cel mai simplu dintre hidrocarburi din familia alcanilor, metanul CH4, produs prin descompunerea organismelor vii, combustibilul gazos care alături de cel solid, cărbunele şi cel lichid, petrolul, avea să revoluţioneze viaţa pe Pământ.

Gazele naturale, un combustibil fosil abundent, sunt extrase de peste 100 de ani în America de Nord şi Europa (în România se descoperă gazul metan la Sonda 2 Sărmăşel la 22 aprilie 1909) şi sunt utilizate pe scară largă pentru încălzirea locuinţelor, în industrie şi pentru generarea energiei electrice. Gazele naturale reprezintă un combustibil eficient, versatil şi cu emisii de poluanţi şi gaze de seră semnificativ mai reduse decât cărbunele. Gazele naturale dezvoltă o căldură de ardere mare (între 20÷45 MJ/Nm3, adică aproximativ între 5.000÷12.000 kcal/ Nm3).

Tipuri de gaze naturale

Gazul metan, care este un amestec de hidrocarburi uşoare în care predomină metanul (CH4) în proporţie de peste 90%. Acesta are o căldură de ardere de circa 8.500÷9.000 kcal/ Nm3. Zăcămintele de metan se găsesc la o adâncime medie cuprinsă între 400 şi 4.000 de metri, fiind separate de foarte multe ori de zăcămintele de ţiţei.
Gazele de sondă, care au un conţinut ridicat de butan şi propan, cu o căldură de ardere situată între 5.500÷6.000 kcal/Nm3, deci aproximativ jumătate din cea a metanului. Gazul de sondă este întotdeauna asociat zăcămintelor de petrol, constituind componenta activă în procesul de extracţie, antrenând ţiţeiul spre suprafaţă.
Gazele de şist (neconvenţionale) sunt gaze captive (în principal metan) în straturile sedimentare (şisturi) depuse în mările preistorice şi au o putere calorică asemănătoare celor de sondă. Existenţa acestui tip de gaze este cunoscută de mulţi ani, însă extragerea lor la scară industrială (şi economic viabilă) a fost posibilă după anul 2000, odată cu dezvoltarea unor tehnologii speciale.Fig-1-Schema geologică a resurselor de gaze naturale



Şisturile sunt roci metamorfice şi/sau sedimentare ce au proprietatea de a se desface uşor în lamele subţiri cu suprafeţe paralele. Aceste roci nu sunt permeabile, adică nu permit transferul lichidelor sau gazelor. În epoca devoniană, acum 360-415 milioane de ani, pe fundul mărilor s-au depus straturi fine de nămol şi argilă în care au rămas captive resturile organice provenite de la plantele şi animalele prezente în acea perioadă. Aceste straturi s-au transformat în timp în roci sedimentare (şisturi), iar resturile organice în gaz metan (gaze de şist). O parte din acestea au migrat prin rocile permeabile prezente printre şisturi, formând aşa-zisele pungi de gaze, din care astăzi sunt extrase, în mod convenţional, gazele naturale.[1]

Fig-2-Harta faliilor în arealul Vălenii de MunteGazele prezente în mod natural în roca şistoasă nu se deosebesc în niciun fel de alte gaze naturale, însă ele sunt captive în straturi de rocă etanşe şi necesită alte metode de extracţie decât cele din zăcămintele tradiţionale de gaze.

Etapele tehnologice ale exploatării gazelor de şist

Pentru extragerea gazelor neconvenţionale se efectuează foraje verticale ce intersectează straturile sedimentare (şisturile) la adâncimi cuprinse între 1.800 şi 3.600 m.
Odată ajuns la adâncimea la care este dispus stratul de şisturi (ce poate avea până la
200 m grosime), forajul este executat orizontal pe lungimea acestuia pe distanţe de 1.000÷2.000 m, astfel încât sonda forată să intersecteze cât mai multe fisuri. Prin intermediul acestor fisuri urmează a fi drenate/colectate ulterior gazele acumulate în aceste roci.
Deoarece fisurile prezente în mod natural în şisturi nu sunt suficiente pentru debite comerciale şi pentru o producţie profitabilă, se procedează la crearea unora artificiale (fracturare hidraulică) Fig-3, straturi şistoasefolosindu-se apa pompată cu presiuni foarte mari. Fracturarea hidraulică este procedeul prin care, în straturile geologice cu proprietăţi infime de curgere (permeabilitate extrem de redusă) unde se găsesc gaze naturale, sunt realizate fisuri cu secţiuni foarte mici ce permit captarea acestora.

Fracturarea hidraulică este similară fisurării hidraulice, metodă utilizată în procesul de stimulare a formaţiunilor productive şi pentru extragerea gazelor convenţionale (gaz metan şi gaz de sondă), dar şi a ţiţeiului. Fisurarea hidraulică este specifică producerii de fisuri în rocile colectoare de ţiţei şi gaze (care sunt medii poros-permeabile), pe când fracturarea hidraulică se realizează în roci (şisturi) compacte. Dacă în primul caz (fisurare) rezultatul final al pompării sub presiune a fluidului este realizarea unor fisuri de ordinul a 1-2 m în roca poros permeabilă care are capacitatea de a prelua şi diminua (absorbi) şocul hidraulic, în al doilea caz (fracturare), rezultatul este crearea de fisuri mult mai profunde în masa rocii (şistul fiind mult mai dur), de ordinul sutelor de metri, concomitent cu dezvoltarea unor seisme locale.

Fig-4-5-Localizare şi proces de fracturarePentru a înţelege mai bine fenomenul, închipuiţi-vă că loviţi cu un ciocan ascuţit, cu aceeaşi forţă, o cărămidă nearsă (prototipul rocilor poros permeabile), dar uscată şi una arsă în cuptor (prototipul rocii şistoase). Veţi observa că efectul este total diferit. Deşi din acelaşi material, cărămizile vor prelua şocul potrivit stării funcţionale. Cărămida uscată va avea doar câteva fisuri, iar cea arsă se va sfărâma (fractura) în zeci de bucăţi. În principiu, pentru realizarea fracturării hidraulice se pompează în straturile geologice, la presiuni foarte mari (de ordinul a peste 1.000 bari, aprox 1.050 Kgf/cm2, superioare presiunii din porii rocii colectoare), apă cu nisip şi anumite cantităţi de aditivi, astfel încât să se producă fisurarea şisturilor.

Se pot observa ciclurile de presurizare: în primul se execută deschiderea formaţiunii, în următoarele două realizându-se propagarea fisurii create. În secţiunea orizontală a sondei, în zona de exploatare se efectuează operaţiunea de perforare a sondei (cu ajutorul unor echipamente speciale) sau se introduc segmente de tubing cu perforaturi. Acestea sunt izolate succesiv, după care, prin fiecare, se pompează, aşa cum am precizat anterior, apă cu nisip la presiuni foarte mari. Apa care iese prin perforaturile tubingului erodează stratul de şisturi, provocând fisuri foarte mici (cu secţiuni de ordinul milimetrilor pătraţi). Acestea se propagă pe sute de metri în stratul de sedimente. La încetarea procesului
de pompare, apa se retrage, iar fisurile rămân deschise datorită nisipului, astfel încât se permite drenarea şi acumularea gazului metan (gazele neconvenţionale).
Pentru fiecare secţiune se utilizează până la 350.000 de litri de apă, pentru o singură
sondă fiind utilizate câteva milioane de litri (4-28 milioane litri).
Mare parte din această apă este reutilizată pentru executarea altor foraje. Problema este că, adusă la suprafaţă, este depozitată temporar în batale, bazine săpate în pământ, impermeabilizate, dar descoperite (seamănă cu nişte ștranduri-piscine), fiind supusă procesului de evaporare.

Fluidul de fracturareFig-6-7-Fracturarea hidraulică

Firmele străine de foraj, specializate în astfel de operaţiuni susţin că aditivii care se utilizează în acest proces sunt aceiaşi cu cei care se folosesc în operaţiunile convenţionale şi sunt reglementaţi în statele membre UE. Afirmaţiile nu au însă acoperire şi nici nu garantează că aceste fluide de fracturare nu sunt nocive oamenilor şi mediului. Sub pretextul, de altfel justificat, de protectie a licenţei, compoziţia fluidului este SECRETĂ. Pentru liniştirea opiniei publice, unele firme au făcut publice structura fluidului hidraulic care ar avea următoarea reprezentare grafică.

Alți specialiști susţin că fluidul de fracturare ar avea o altă structură, şi anume:
95% apă,
4,5% nisip,
0,5% componenţi chimici (peste 590). Aspectul va fi dezvoltat spre finalul lucrării.
Evaluarea condiţiilor de exploatare eficientă prin fracturare hidraulică necesită o gamă complexă de echipamente, instalaţii, aparatură de măsură şi control, precum şi o tehnologie consacrată, sigură şi cu bune rezultate.
Tehnologia fracturării hidraulice este varianta îmbunătăţită a celei de fisurare hidraulică. Fisurarea hidraulică a fost utilizată în peste un milion de sonde încă din 1960, de către firmele de foraj-extracţie din România, SUA, fosta URSS, Canada, Marea Britanie, Franţa, etc. fiind aplicată ca procedeu pentru mărirea afluxului de hidrocarburi în sonde convenţionale (foraje preponderent verticale). Fracturarea hidraulică este o tehnologie relativ recentă, dezvoltată de către firme de profil din SUA şi se aplică în sonde orizontale specifice exploatării gazelor de şist.
- Va urma - footer