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FRACに対応したポンプとディーゼルエンジン： ペンシルベニア州南西部のマーセラスシェールガスプレイの掘削パッドで行われている水圧破砕作業の写真。ポンプ、ディーゼルエンジン、ウォータートラック、サンドミキサー、配管設備の膨大な集合体がfrac用に用意されています。 USGSのDoug Duncanによる画像。
水圧破砕とは何ですか？
水圧破砕は、井戸からの油またはガスの流れを増やすことができる手順です。それは、岩を破壊するのに十分高い圧力の下で、地下の岩石ユニットに井戸から液体を送り込むことによって行われます。目標は、油井と天然ガスが坑井に移動するための細孔空間として機能する相互接続した割れ目のネットワークを作成することです。
水平掘削と組み合わされた水圧破砕により、以前は非生産的な有機物に富む頁岩が世界最大の天然ガス田になりました。 Marcellus頁岩、Utica頁岩、Barnett頁岩、Eagle Ford頁岩、およびBakken層は、水圧破砕によって幻想的なガスまたは油田に変換された以前は生産性のなかった岩石ユニットの例です。
水圧破砕はどのくらい使用されていますか？
米国で油井および天然ガス井を刺激するための水圧破砕の最初の使用は、60年以上前に行われました。 Haliburton Oil Well Cementing Companyは、1949年に手順の特許を取得しました。この方法により、井戸の生産率が向上し、慣行が急速に広がりました。現在、毎年何千もの井戸で世界中で使用されています。水圧破砕が発明されていない場合、ガソリン、加熱燃料、天然ガス、および石油製品から作られた他の製品は、はるかに費用がかかります。
水平掘削と水圧破砕： Marcellus頁岩を水平に掘削し、井戸の水平部分で水圧破砕を行って建設された天然ガス井の簡略図。
水圧破砕に対応した掘削パッド： ペンシルベニア州南西部のマーセラスシェールガスプレイで行われた、ある日のドリルパッドの別の写真。 USGSのDoug Duncanによる写真。
頁岩における水圧破砕の成功した使用
1990年代初頭、Mitchell Energyは水圧破砕を使用して、テキサスのBarnett Shaleに掘削された井戸からの天然ガスの生産を刺激し始めました。バーネットシェールには、大量の天然ガスが含まれていました。しかし、バーネットは商業的な量の天然ガスを生産することはめったになかった。
ミッチェルエナジーは、バーネットシェールのガスが相互に接続されていない小さな細孔空間に閉じ込められていることに気付きました。岩には孔隙がありましたが、浸透性はありませんでした。 Barnett Shaleを掘削した井戸には通常、ガスのショーがありますが、商業生産には十分なガスがありません。 Mitchell Energyは、Barnett Shaleを水圧破砕して相互接続された細孔空間のネットワークを作成し、天然ガスを井戸に流すことでこの問題を解決しました。
残念ながら、水圧破砕プロセスによって生じた骨折の多くは、ポンプがオフになったときにスナップで閉じられました。バーネット頁岩は非常に深く埋められていたため、閉じ込め圧力が新しい骨折を閉じた。この問題は、破砕流体に砂を追加することで解決しました。岩が割れると、新しく開いた孔隙に水が押し寄せ、砂粒が岩盤の奥深くに運ばれます。水圧が低下すると、砂粒が割れ目を「支え」、開いて天然ガスが割れ目を通って井戸の穴に流れ込みます。今日では、「フラックサンド」という名前で販売されているさまざまな天然および合成製品があります。
Mitchell Energyは、Barnett Shaleを水平方向に掘削することにより、井戸の収量をさらに改善しました。垂直坑井は地表から始まり、水平方向に操縦され、数千フィートにわたってバーネット頁岩を通り抜けました。これにより、井戸の有料ゾーンの長さが増しました。岩盤が100フィートの厚さである場合、垂直井に100フィートの有料ゾーンがあります。ただし、井戸が水平方向に操向され、ターゲットフォーメーションを5000フィート水平に保たれた場合、有料ゾーンの長さは垂直井戸の有料ゾーンの50倍になりました。
ミッチェル・エナジーは、水圧破砕と水平掘削を使用して、バーネット・シェール井の生産性を向上させました。実際、非常に成功した井戸の多くは、水圧破砕を伴わない垂直井戸である場合は失敗でした。
穿孔銃： 石油およびガスの掘削と水圧破砕で使用される未使用および使用済みの穿孔ガン。底のパイプは、パイプの内側に取り付けられた爆発物によって作られた穴を示しています。 USGSのビル・カニンガムによる写真。
他のシェールプレイにおける水圧破砕
他の人がテキサスのバーネット頁岩でのミッチェルエナジーの成功を知ったように、水平掘削と水圧破砕の方法は他の有機物に富む頁岩で試されました。これらの方法は、テキサス州ルイジアナ州のヘインズビルシェールとフェイエットビルシェール、そしてアパラチア盆地のマルセラスシェールですぐに成功しました。この方法は他の多くのシェールで機能し、現在では世界の多くの地域で有機物に富むシェールの開発に使用されています。
水圧破砕により、多くの井戸からの天然ガスの液体と油の生産も可能になりました。ノースダコタのバッケン頁岩、コロラド、カンザス、ネブラスカ、ワイオミングのニオブララ頁岩などの岩盤は、現在、水圧破砕からかなりの量の油を産出しています。
フラック水封じ池： アーカンソー州のフェイエットビルシェールガスプレイのドリルパッドの貯水池。このような裏地付きの池は、すべての天然ガス再生施設の掘削現場でのフラック水貯蔵に使用されます。 USGSのビル・カニンガムによる写真。
破砕流体
水は、水圧破砕プロセスで使用される駆動流体です。井戸の特性と割れている岩によっては、水圧破砕作業を完了するために数百万ガロンの水が必要になる場合があります。
水が井戸に汲み上げられるとき、井戸の全長は加圧されません。代わりに、骨折が望まれるウェルの部分を分離するためにプラグが挿入されます。井戸のこの部分のみが揚水の全力を受けます。井戸のこの部分に圧力が蓄積すると、水が割れ目を開き、駆動圧力が割れ目を岩盤の奥深くに広げます。ポンピングが停止すると、これらの骨折はすぐにスナップで閉じられ、骨折を開くために使用された水がボアホールに押し戻され、井戸をバックアップし、地表に集められます。地表に戻る水は、注入された水と何百万年もの間岩盤に閉じ込められた間隙水との混合物です。間隙水は通常、かなりの量の溶解した固体を含む塩水です。
水圧破砕で使用される水には、しばしば化学物質が添加されます。これらの添加剤はさまざまな目的に役立ちます。水をゲルに濃縮して、割れ目を開き、岩盤の奥深くにプロパントを運ぶのにより効果的なものもあります。他の化学物質が追加されます。摩擦を減らし、岩石の破片を液体に浮遊させ、機器の腐食を防ぎ、バクテリアを殺し、pHやその他の機能を制御します。
ほとんどの企業は、水圧破砕流体の組成を明らかにすることに抵抗を示してきました。彼らは、競争力のある研究を保護するために、この情報を非公開にすべきだと考えています。しかし、規制当局は情報を要求し始めており、一部の企業は自発的に情報を共有し始めています。
フラックサンド： 水力学的破砕が完了した後に新しく作成された人工骨折が閉じるのを防ぐために、細粒ケイ砂は岩層に注入される前に化学物質と水と混合されます。 USGSのビル・カニンガムによる写真。
プロッパント
水圧破砕では、さまざまなプロパントが使用されます。これらは、水圧破砕流体によって骨折に運ばれる小さなクラッシュ耐性粒子です。ポンプがオフになり、骨折が崩壊すると、これらの耐破砕性粒子が骨折を開いた状態に保ち、天然ガスが井戸に移動できる細孔空間を作成します。
フラックサンドは、今日最も一般的に使用されているプロパントですが、アルミニウムビーズ、セラミックビーズ、焼結ボーキサイトなどの材料も使用されています。 1つの井戸を破砕しながら、100万ポンド以上のプロパントを使用できます。
水平井の衛星画像ビュー： 9つの水平井が建設され、水圧破砕で刺激されたウティカシェール掘削サイトの衛星ビュー。
環境への懸念
水圧破砕に関連した多くの環境問題があります。これらには以下が含まれます。
1）井戸で生じた割れ目は、飲料水の供給に使用される浅い岩盤に直接広がる可能性があります。または、井戸で生じた割れ目は、飲料水の供給に使用される浅い岩盤に伸びる自然の割れ目と通信する可能性があります。
2）井戸のケーシングが破損し、飲料水供給に使用される浅い岩盤に液体が漏れることがあります。
3）水圧破砕流体の偶発的な流出、または破砕作業中に放出された流体は、地面に浸透したり、地表水を汚染したりする可能性があります。
生産の利点
水圧破砕は、井戸の収量を大幅に増加させる可能性があります。水平掘削と組み合わせると、採算の取れない岩石が生産的な天然ガス田に変換されることがよくあります。この手法は、主にバーネットシェール、ヘインズビルシェール、フェイエットビルシェール、およびマーセラスシェールのガス田の開発を担当しています。また、バッケンシェールとニオブララシェールで行われたように、タイトロックユニットからオイルを解放できます。
水圧破砕プロセスとそれに使用される化学物質は、天然ガス産業を監視する環境擁護者にとって最大の懸念を引き起こします。これらの技術の採用を可能にし、給水と掘削が行われる地域に住む人々を保護するための環境保護手段を提供する規制環境が必要です。