Inhalt
- Crush-resistenter Sand für Öl- und Gasbohrungen
- Wie wird Frac Sand verwendet?
- Frac Sand als "Stützmittel"
- Welche Art von Sand?
- Frac Sandaufbereitungsanlagen
- Wo wird Frac Sand hergestellt und verwendet?
- Frac Sand Quellen und Preise
- Gesinterte Bauxitstützen
Fracsand: Nahaufnahme von Fracsand (rechts) und einem typischen Sand ähnlicher Körnung (links). Beachten Sie, dass der Frac-Sand eine gleichmäßigere Korngröße, schön abgerundete Kornformen und eine einheitliche Zusammensetzung aufweist. Es ist auch ein sehr zähes Material, das Druckkräften von bis zu mehreren Tonnen pro Quadratzoll standhält. Körner in diesem Bild sind etwa 0,50 Millimeter groß.
Fracsandproduktion: Diese Grafik zeigt den spektakulären Anstieg der Produktion von Frac-Sand in den Vereinigten Staaten. Daten aus den United States Geological Survey Minerals Yearbooks, 2005-2015.
Crush-resistenter Sand für Öl- und Gasbohrungen
"Fracsand" ist ein hochreiner Quarzsand mit sehr langlebigen und sehr runden Körnern. Es ist ein bruchsicheres Material, das für die Erdölindustrie hergestellt wird. Es wird beim hydraulischen Brechen (als "Fracking" bezeichnet) verwendet, um aus Gesteinsblöcken Erdöl-, Erdgas- und Erdgasflüssigkeiten zu gewinnen, die keinen ausreichenden Porenraum aufweisen, damit diese Flüssigkeiten in ein Bohrloch fließen können. Der meiste Fracsand ist ein natürliches Material aus hochreinem Sandstein. Ein alternatives Produkt sind Keramikperlen aus gesintertem Bauxit oder kleine Metallperlen aus Aluminium.
Die Nachfrage nach Fracsand ist in den letzten Jahren explodiert, da Tausende von Öl- und Erdgasbohrungen mithilfe des hydraulischen Aufschlussverfahrens stimuliert werden. (Siehe Produktionsdiagramm.) Ein hydraulischer Spaltvorgang an einem Bohrloch kann einige tausend Tonnen Sand erfordern. Diese Welle von Spezialbohrungen hat in kürzester Zeit eine milliardenschwere Fracsandindustrie geschaffen. Zwischen 2005 und 2015 hat die Menge an Fracsand in der Öl- und Gasindustrie dramatisch zugenommen.
Frac Sand Video: Ein Video von US Silica zeigt die Eigenschaften eines hochwertigen Frac-Sandes.
Wie wird Frac Sand verwendet?
Einige unterirdische Gesteinsblöcke wie organischer Schiefer enthalten große Mengen an Öl, Erdgas oder Erdgasflüssigkeiten, die nicht ungehindert zu einem Brunnen fließen. Sie fließen nicht in ein Bohrloch, da der Gesteinseinheit entweder die Durchlässigkeit (miteinander verbundene Porenräume) fehlt oder die Porenräume im Gestein so klein sind, dass diese Flüssigkeiten nicht durchfließen können.
Das hydraulische Brechen löst dieses Problem, indem es Brüche im Gestein erzeugt. Dazu bohren Sie einen Brunnen in das Gestein, versiegeln den Teil des Brunnens in der erdölhaltigen Zone und pumpen Wasser unter hohem Druck in diesen Teil des Brunnens. Dieses Wasser wird im Allgemeinen mit Chemikalien und Verdickungsmitteln wie Guarkernmehl behandelt, um ein viskoses Gel zu erzeugen. Dieses Gel erleichtert es dem Wasser, Körner von Fracksand in Suspension zu transportieren.
Große Pumpen an der Erdoberfläche erhöhen den Wasserdruck im versiegelten Teil des Brunnens, bis er hoch genug ist, um die Bruchstelle der umgebenden Felsen zu überschreiten. Wenn ihre Sollbruchstelle erreicht ist, brechen sie plötzlich und Wasser dringt schnell in die Brüche ein, bläst sie auf und dehnt sie tiefer in den Felsen aus. Milliarden von Sandkörnern werden durch diesen plötzlichen Wasserschwall tief in die Brüche getragen. Es können einige tausend Tonnen Fracsand erforderlich sein, um einen einzelnen Brunnen zu stimulieren.
Frac Sand Video: Ein Video von US Silica zeigt die Eigenschaften eines hochwertigen Frac-Sandes.
Hydraulic Fracturing: Vereinfachtes Diagramm einer Erdgasbohrung, die mit horizontalen Bohrungen gebaut wurde, um die Eindringdauer durch den Marcellus-Schiefer zu erhöhen. Das hydraulische Aufbrechen wird typischerweise im horizontalen Teil des Bohrlochs durchgeführt, um einen Gasstrom aus dem Schiefer anzuregen. Diese Bohrlochkonfiguration wird in Schieferspielen der Vereinigten Staaten verwendet.
Frac Sand als "Stützmittel"
Wenn die Pumpen ausgeschaltet werden, entleeren sich die Frakturen, schließen sich jedoch nicht vollständig, da sie durch Milliarden von Fracksandkörnern aufgestützt werden. Dies tritt nur auf, wenn genügend Sandkörner, die der Kraft der Schließfrakturen widerstehen, in das Gestein eingebracht wurden.
Die neuen Brüche im Gestein, die durch die dauerhaften Sandkörner aufgestützt werden, bilden ein Netz von Poren, durch das Erdölflüssigkeiten aus dem Gestein in den Brunnen fließen können. Fracsand ist als "Stützmittel" bekannt, weil es die Frakturen aufreißt.
Andere Materialien, die als Stützmittel verwendet wurden, umfassen Keramikperlen, Aluminiumperlen und gesintertes Bauxit. Fracsand liefert im Allgemeinen das höchste Leistungsniveau und ist derzeit das in der Erdölindustrie am häufigsten verwendete Stützmittel.
Jordanien Sandstein Karte: Viele der Gesteinsblöcke, die derzeit für Fracksand abgebaut werden, sind auch Grundwasserleiter. Dies macht Veröffentlichungen zur Grundwasserforschung wie die Grundwasseratlasreihe des United States Geological Survey zu wertvollen Prospektionsdokumenten für die Bestimmung des Vorkommens, der Dicke und der Struktur von Sandsteinfelsen.Diese Karte stammt aus dem Grundwasseratlas der USA für Iowa, Michigan, Minnesota und Wisconsin. Es zeigt die geografische Ausdehnung und Dicke des Jordan Sandstone in Minnesota und Iowa. Ähnliche Karten wurden in dieser Serie für andere Sandsteinfelseneinheiten und andere geografische Gebiete veröffentlicht.
Welche Art von Sand?
Stützmittel für die Erdölindustrie müssen sehr anspruchsvolle Spezifikationen erfüllen. Die Eigenschaften eines hochwertigen Frac-Sandes sind:
- hochreiner Quarzsand
- Korngröße perfekt auf die Arbeitsanforderungen abgestimmt
- sphärische Form, die es ermöglicht, es mit minimaler Turbulenz in hydraulischer Spaltflüssigkeit zu transportieren
- Haltbarkeit gegen Quetschkräfte bei Schließfrakturen
Fracsand wird in einer Reihe von Größen von nur 0,1 Millimeter Durchmesser bis über 2 Millimeter Durchmesser hergestellt, je nach Kundenspezifikation. Der größte Teil des verbrauchten Fracsandes ist zwischen 0,4 und 0,8 Millimeter groß.
Gesteinsblöcke wie der St. Peter-Sandstein, der Jordan-Sandstein, der Oil Creek-Sandstein und der Hickory-Sandstein waren potenzielle Quellen für Fracksandmaterial. Diese Gesteinseinheiten bestehen aus Quarzkörnern, die mehrere Zyklen von Verwitterung und Erosion durchlaufen haben. Diese lange Geschichte hat fast alle Mineralkörner außer Quarz entfernt und Körner mit sehr runden Formen erzeugt. Aus diesem Grund ist es unwahrscheinlich, dass Sand, der aus Flüssen gebaggert, von Terrassen ausgegraben oder von Stränden entfernt wird, ein gutes Produkt ergibt.
Wo diese Gesteinsblöcke hergestellt werden, sind sie normalerweise weich, schlecht zementiert und manchmal leicht verwittert. Dadurch können sie mit minimaler Beschädigung der Quarzkörner ausgegraben und zerkleinert werden. Hochreiner Sand aus Gebieten wie den Appalachen ist oft nicht für Frac-Sand geeignet, da er tektonischen Kräften ausgesetzt war, die das Gestein deformiert und die Sandkörner geschwächt haben.
Frac Sandmine in Wisconsin: Luftaufnahme eines Fracsandabbauvorgangs in Wisconsin. Fracsand ist ein hochspezialisiertes Produkt, das nur aus wenigen Sandvorkommen hergestellt werden kann.
Fracsandaufbereitungsanlage: Luftaufnahme einer frac Sandverarbeitungsanlage in Wisconsin.
Frac Sandaufbereitungsanlagen
Fracsand wird nicht direkt vom Boden aus verwendet. Es ist eine Verarbeitung erforderlich, um die Leistung zu optimieren. Nach dem Abbau wird es zu einer Verarbeitungsanlage gebracht. Dort wird es gewaschen, um feine Partikel zu entfernen.
Nach dem Waschen wird der Sand gestapelt, damit das Waschwasser abfließen kann. Dieser Vorgang wird im Freien ausgeführt und ist auf Zeiten beschränkt, in denen die Temperaturen über dem Gefrierpunkt liegen. Nachdem der Sand abgelassen wurde, wird er in einen Lufttrockner gestellt, um die gesamte Feuchtigkeit zu entfernen. Die trockenen Körner werden dann gesiebt, um spezifische Größenfraktionen für verschiedene Kunden zu erhalten.
Sand, der nicht zum Fracking geeignet ist, wird abgetrennt und für andere Zwecke verkauft. Einige Frac-Sande können harzbeschichtet sein, um ihre Leistung beim Fracking zu verbessern. Dieses Material wird als Premiumprodukt verkauft. Nach der Verarbeitung wird der größte Teil des Sandes direkt in Eisenbahnwaggons verladen, um auf der Schiene angeliefert zu werden.
Einige Aufbereitungsanlagen befinden sich auf dem Bergwerksgelände. Der Bau von Aufbereitungsanlagen ist jedoch sehr teuer und wird manchmal von mehreren Minen gemeinsam genutzt. Diese liegen zentral zu mehreren Minen und der Sand wird per LKW, Bahn oder Förderer angeliefert.
Wo wird Frac Sand hergestellt und verwendet?
Vor einigen Jahren lieferten Produzenten in Wisconsin und Texas einen Großteil des Fracsands, der von der Öl- und Gasindustrie verwendet wurde. Ein starker Nachfrageschub durch den Erdgas- und Schieferölboom hat jedoch viele Unternehmen dazu motiviert, dieses Produkt anzubieten. Viele dieser Unternehmen befinden sich im zentralen Teil der USA, wo die St. Peter Sandstone und ähnliche Gesteinsblöcke nahe an der Oberfläche liegen und leicht ausgehoben werden können. In diesen Gebieten haben tektonische Kräfte nicht zu einer starken Faltung der Gesteinsblöcke geführt und die Sandkörner geschwächt. Das Hauptgebiet liegt in den mittelwestlichen Bundesstaaten (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska und Wisconsin).
Die meisten hochreinen Quarzsande in den USA sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie wurden zur Glasherstellung und für metallurgische Zwecke verwendet. Bei der aktuellen Suche nach Fracsand geht es nicht darum, "neue Sandquellen zu entdecken", sondern zu bestimmen, welche Quellen überlegene Materialien produzieren.
Fracsand wird zur Gewinnung von Erdgas, Erdgasflüssigkeiten und Öl aus Schiefern und anderen festen Gesteinen verwendet, bei denen ein hydraulisches Brechen erforderlich ist. Dazu gehören: der Marcellus-Schiefer, der Utica-Schiefer, die Bakken-Formation, der Haynesville-Schiefer, der Fayetteville-Schiefer, der Eagle-Ford-Schiefer, der Barnett-Schiefer und viele andere Schieferspiele in den Vereinigten Staaten.
St. Peter Sandstein: Ein Foto des St. Peter Sandsteins mit einer Kappe von Joachim Dolomite in der Nähe von Pacific, Missouri. Public Domain Bild von Kbh3rd.
Frac Sand Quellen und Preise
Die Nachfrage nach Fracksand in Nordamerika ist in den letzten Jahren aufgrund zahlreicher Schieferspiele in weiten Teilen der USA und Kanadas stark gestiegen. Die United States Geological Survey berichtet über die Quelle dieser Produktion:
Der ordovizische St. Peter Sandstein im Mittleren Westen ist eine Hauptquelle für Quarzsand für viele Endanwendungen und auch eine Hauptquelle für Fracksand. Der in fünf Bundesstaaten abgebaute Fracsand aus dem St. Peter Sandstone befindet sich in angemessener Transportentfernung zu zahlreichen unterirdischen Schieferformationen, in denen Erdgas gefördert wird.Im Jahr 2011 wurden 59% des Fracsandes im Mittleren Westen produziert.
Die im US-amerikanischen Geological Survey Minerals Yearbook angegebenen Durchschnittspreise für Fracksand lagen 2010 zwischen 45 USD pro Tonne und 50 USD pro Tonne. 2011 war der Durchschnittspreis auf 54,83 USD gestiegen. Dies ist deutlich höher als der Durchschnittspreis von 35 USD pro Tonne für Spezialsand, der außerhalb der Bauindustrie verkauft wird.
Gesinterte Bauxitstützen
Pulverförmiges Bauxit kann bei sehr hohen Temperaturen zu winzigen Perlen verschmolzen werden. Diese Perlen haben eine sehr hohe Druckfestigkeit und eignen sich daher als Stützmittel. Das spezifische Gewicht der Kügelchen und ihre Größe können an die Viskosität der hydraulischen Spaltflüssigkeit und an die Größe der Brüche angepasst werden, von denen erwartet wird, dass sie sich im Gestein entwickeln. Hergestellte Stützmittel bieten eine große Auswahl an Korngröße und spezifischem Gewicht im Vergleich zu natürlichen Stützmitteln, die als Fracsand bekannt sind. Fracsand wird derzeit anstelle von hergestellten Stützmitteln verwendet, da es einen Kosten- und Transportvorteil hat.