Inhalt
- Was ist Hydraulikfrakturierung?
- Wie lange wird die hydraulische Frakturierung schon angewendet?
- Erfolgreicher Einsatz von Hydraulic Fracturing in Shale
- Hydraulic Fracturing in anderen Schieferspielen
- Fracturing Fluids
- Stützmittel
- Umweltsorgen
- Produktionsvorteile
Pumpen und Dieselmotoren bereit für den Frac: Foto eines hydraulischen Aufbrechvorgangs, der an einem Bohrfeld im Marcellus Shale-Gasspiel im Südwesten von Pennsylvania durchgeführt wird. Eine enorme Ansammlung von Pumpen, Dieselmotoren, Wasserfahrzeugen, Sandmischern und Sanitärarmaturen ist für den Frac vorhanden. Bild von Doug Duncan, USGS.
Was ist Hydraulikfrakturierung?
Hydraulic Fracturing ist ein Verfahren, mit dem der Öl- oder Gasfluss aus einem Bohrloch erhöht werden kann. Dies geschieht durch Abpumpen von Flüssigkeiten in unterirdische Gesteinseinheiten unter Drücken, die hoch genug sind, um das Gestein zu brechen. Ziel ist es, ein Netzwerk miteinander verbundener Brüche zu schaffen, die als Porenräume für die Bewegung von Öl und Erdgas zum Bohrloch dienen.
Hydraulic Fracturing in Kombination mit Horizontalbohrungen hat bisher unproduktive organisch-reiche Schiefer zu den größten Erdgasfeldern der Welt gemacht. Der Marcellus-Schiefer, der Utica-Schiefer, der Barnett-Schiefer, der Eagle-Ford-Schiefer und die Bakken-Formation sind Beispiele für zuvor unproduktive Gesteinsblöcke, die durch Hydrofracking in fantastische Gas- oder Ölfelder umgewandelt wurden.
Wie lange wird die hydraulische Frakturierung schon angewendet?
Der erste Einsatz von Hydrofracking zur Förderung von Öl- und Erdgasbohrungen in den USA erfolgte vor über 60 Jahren. Die Haliburton Oil Well Cementing Company erhielt 1949 ein Patent für das Verfahren. Die Methode steigerte erfolgreich die Förderraten und die Praxis verbreitete sich schnell. Es wird heute weltweit jährlich in Tausenden von Brunnen eingesetzt. Unser Benzin, Heizöl, Erdgas und andere Produkte aus Erdölprodukten würden viel mehr kosten, wenn das hydraulische Brechen nicht erfunden worden wäre.
Horizontalbohren und hydraulisches Brechen: Vereinfachtes Diagramm einer Erdgasbohrung, die mit horizontalen Bohrungen durch den Marcellus-Schiefer und hydraulischem Aufbrechen im horizontalen Teil der Bohrung erstellt wurde.
Bohrkissen bereit zum hydraulischen Brechen: Ein weiteres Foto eines Bohrkissens am ersten Tag im Marcellus Shale-Gasspiel im Südwesten von Pennsylvania. Foto von Doug Duncan, USGS.
Erfolgreicher Einsatz von Hydraulic Fracturing in Shale
In den frühen 1990er Jahren begann Mitchell Energy mit dem Einsatz von Hydrofracking, um die Produktion von Erdgas aus Bohrlöchern im texanischen Barnett Shale zu fördern. Der Barnett Shale enthielt enorme Mengen an Erdgas; Das Barnett produzierte jedoch selten Erdgas in kommerziellen Mengen.
Mitchell Energy erkannte, dass das Gas im Barnett Shale in winzigen Porenräumen eingeschlossen war, die nicht miteinander verbunden waren. Das Gestein hatte einen Porenraum, aber keine Durchlässigkeit. Brunnen, die durch den Barnett Shale gebohrt wurden, zeigten normalerweise Gas, aber nicht genug Gas für die kommerzielle Produktion. Mitchell Energy löste dieses Problem, indem er den Barnett-Schiefer hydraulisch aufbrach, um ein Netzwerk von miteinander verbundenen Porenräumen zu schaffen, die einen Erdgasfluss zum Bohrloch ermöglichten.
Unglücklicherweise schnappten viele der durch den hydraulischen Spaltprozess erzeugten Brüche zu, als die Pumpen abgeschaltet wurden. Der Barnett Shale war so tief vergraben, dass ein begrenzter Druck die neuen Brüche schloss. Dieses Problem wurde durch Zugabe von Sand zur Spaltflüssigkeit gelöst. Wenn der Stein brach, trug der Wasserschwall in den neu geöffneten Porenraum Sandkörner tief in die Gesteinseinheit. Wenn der Wasserdruck verringert wurde, "stützten" die Sandkörner den Bruch und ließen Erdgas durch die Brüche in das Bohrloch fließen. Heute gibt es eine Vielzahl von natürlichen und synthetischen Produkten, die unter dem Namen "Fracsand" vertrieben werden.
Mitchell Energy verbesserte den Ertrag ihrer Bohrungen weiter, indem sie horizontal durch den Barnett Shale bohrten. Vertikale Bohrlöcher wurden an der Oberfläche gestartet, in eine horizontale Ausrichtung gelenkt und für Tausende von Fuß durch den Barnett Shale getrieben. Dies multiplizierte die Länge der Gehaltszone im Bohrloch. Wenn eine Steineinheit 30 Meter dick wäre, hätte sie eine Auszahlungszone von 30 Metern in einem vertikalen Brunnen. Wenn der Schacht jedoch horizontal gesteuert wurde und 5000 Fuß durch die Zielformation horizontal blieb, war die Länge der Abrechnungszone fünfzigmal länger als die Abrechnungszone eines vertikalen Schachts.
Mitchell Energy setzte hydraulisches Brechen und horizontales Bohren ein, um die Produktivität von Barnett Shale-Bohrlöchern zu vervielfachen. Tatsächlich wären viele ihrer höchst erfolgreichen Bohrungen Ausfälle gewesen, wenn es sich um vertikale Bohrungen ohne hydraulisches Aufbrechen gehandelt hätte.
Perforationspistole: Unbenutzte und verbrauchte Perforierpistole für Öl- und Gasbohrungen und hydraulische Frakturierung. Das Rohr unten zeigt Löcher, die durch die im Rohr angebrachten Sprengladungen entstehen. Foto von Bill Cunningham, USGS.
Hydraulic Fracturing in anderen Schieferspielen
Wie andere von Mitchell Energys Erfolg im Barnett Shale of Texas erfuhren, wurden die Methoden des Horizontalbohrens und des Hydrofrackings in anderen organisch reichen Schiefern erprobt. Diese Methoden haben sich im Haynesville Shale und Fayetteville Shale in Louisiana, Texas und Arkansas schnell durchgesetzt - dann im Marcellus Shale im Appalachian Basin. Die Methoden haben in vielen anderen Schiefern funktioniert und werden jetzt in vielen Teilen der Welt zur Entwicklung von Schiefern mit hohem Bio-Gehalt verwendet.
Hydraulic Fracturing hat auch die Förderung von Erdgasflüssigkeiten und -öl aus vielen Bohrlöchern ermöglicht. Gesteinsblöcke wie der Bakken-Schiefer von North Dakota und der Niobrara-Schiefer von Colorado, Kansas, Nebraska und Wyoming fördern jetzt beträchtliche Mengen Öl aus dem hydraulischen Brechen.
Frac Wasserauffangbecken: Ein Wasseraufstau bei einem Bohrfeld im Fayetteville Shale-Gas-Spiel von Arkansas. Solche ausgekleideten Teiche werden für die Frac-Wasserspeicherung an Bohrstellen in allen Erdgasspielen verwendet. Foto von Bill Cunningham, USGS.
Fracturing Fluids
Wasser ist die treibende Flüssigkeit, die beim hydraulischen Brechen verwendet wird. Abhängig von den Eigenschaften des Bohrlochs und des zu brechenden Gesteins können einige Millionen Gallonen Wasser erforderlich sein, um eine hydraulische Brecharbeit auszuführen.
Wenn das Wasser in den Brunnen gepumpt wird, steht nicht die gesamte Länge des Brunnens unter Druck. Stattdessen werden Stopfen eingesetzt, um den Teil des Bohrlochs zu isolieren, an dem die Frakturen gewünscht werden. Nur dieser Abschnitt des Brunnens erhält die volle Pumpkraft. Wenn sich in diesem Teil des Brunnens Druck aufbaut, öffnet Wasser Risse, und der Antriebsdruck dehnt die Risse tief in die Gesteinseinheit aus. Wenn das Pumpen stoppt, schnappen diese Risse schnell zu und das zum Öffnen verwendete Wasser wird in das Bohrloch zurückgeschoben, das Bohrloch gesichert und an der Oberfläche gesammelt. Das an die Oberfläche zurückgeführte Wasser ist eine Mischung aus injiziertem Wasser und Porenwasser, das seit Millionen von Jahren in der Gesteinseinheit eingeschlossen ist. Das Porenwasser ist normalerweise eine Salzlösung mit erheblichen Mengen an gelösten Feststoffen.
Dem Wasser, das beim Hydrofracking verwendet wird, werden häufig Chemikalien zugesetzt. Diese Additive dienen einer Vielzahl von Zwecken. Einige verdicken das Wasser zu einem Gel, das das Öffnen von Brüchen und das Tragen von Stützmitteln bis tief in die Gesteinseinheit erleichtert. Andere Chemikalien werden hinzugefügt, um: die Reibung zu verringern, Steinabfälle in der Flüssigkeit zu halten, Korrosion der Ausrüstung zu verhindern, Bakterien abzutöten, den pH-Wert und andere Funktionen zu kontrollieren.
Die meisten Unternehmen haben sich geweigert, die Zusammensetzung ihrer hydraulischen Fracturing-Flüssigkeiten aufzudecken. Sie glauben, dass diese Informationen geheim gehalten werden sollten, um ihre Wettbewerbsforschung zu schützen. Die Aufsichtsbehörden beginnen jedoch, die Informationen einzufordern, und einige Unternehmen beginnen, die Informationen freiwillig weiterzugeben.
Fracsand: Feinkörniger Quarzsand wird mit Chemikalien und Wasser gemischt, bevor er in Gesteinsformationen gepumpt wird, um zu verhindern, dass sich die neu entstandenen künstlichen Brüche nach Abschluss des hydraulischen Bruchs schließen. Foto von Bill Cunningham, USGS.
Stützmittel
Eine Vielzahl von Stützmitteln wird beim hydraulischen Brechen verwendet. Hierbei handelt es sich um kleine bruchfeste Partikel, die von der hydraulischen Spaltflüssigkeit in die Frakturen befördert werden. Wenn die Pumpen abgeschaltet werden und die Brüche zusammenbrechen, halten diese bruchsicheren Partikel den Bruch offen, wodurch ein Porenraum entsteht, durch den Erdgas zum Bohrloch gelangen kann.
Fracsand ist das heute am häufigsten verwendete Stützmittel, es wurden jedoch auch Aluminiumperlen, Keramikperlen, gesintertes Bauxit und andere Materialien verwendet. Über eine Million Pfund Stützmittel können verwendet werden, während ein einzelnes Bohrloch gebrochen wird.
Satellitenbildansicht der horizontalen Brunnen: Satellitenaufnahme eines Bohrstandorts von Utica Shale, an dem neun horizontale Bohrlöcher gebaut und mit hydraulischem Aufbrechen stimuliert wurden.
Umweltsorgen
Es gibt eine Reihe von Umweltbedenken im Zusammenhang mit dem hydraulischen Brechen. Diese schließen ein:
1) In der Quelle erzeugte Brüche können sich direkt in flache Gesteinsblöcke erstrecken, die für die Trinkwasserversorgung verwendet werden. In der Quelle erzeugte Brüche könnten auch mit natürlichen Brüchen in Verbindung stehen, die sich in flache Gesteinseinheiten erstrecken, die für die Trinkwasserversorgung verwendet werden.
2) Das Gehäuse eines Brunnens kann ausfallen und Flüssigkeiten in flache Gesteinsblöcke gelangen lassen, die für die Trinkwasserversorgung verwendet werden.
3) Versehentliches Verschütten von hydraulischen Fracturing-Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten, die während einer Fracturing-Arbeit ausgestoßen wurden, können in den Boden eindringen oder das Oberflächenwasser verunreinigen.
Produktionsvorteile
Hydraulic Fracturing kann die Ausbeute eines Brunnens signifikant erhöhen. In Kombination mit Horizontalbohrungen werden unrentable Gesteinsformationen häufig in produktive Erdgasfelder umgewandelt. Die Technik ist hauptsächlich für die Erschließung der Gasfelder Barnett Shale, Haynesville Shale, Fayetteville Shale und Marcellus Shale verantwortlich. Es kann auch Öl aus engen Gesteinsblöcken freisetzen, wie dies beim Bakken- und Niobrara-Schiefer der Fall ist.
Das hydraulische Brechen und die damit verbundenen Chemikalien bereiten Umweltschützern, die die Erdgasindustrie beobachten, die größte Sorge. Es ist ein Regelungsumfeld erforderlich, das den Einsatz dieser Techniken ermöglicht und Umweltschutzmaßnahmen zum Schutz der Wasserversorgung und der Menschen vorsieht, die in den Gebieten leben, in denen Bohrungen durchgeführt werden.