Przepis na szczelinowanie hydrauliczne

Łupki gazonośne, w przeciwieństwie do konwencjonalnych złóż węglowodorów, zawierają gaz jedynie w niewielkich, izolowanych od siebie porach, które nawet po nawierceniu oddają go w bardzo skromnych ilościach. Aby umożliwić wydobycie także z tak zwięzłych skał, stosuje się dziś powszechnie technologię szczelinowania hydraulicznego. Jak to działa? Przepis poniżej…

Parametry zabiegu

Naszym celem jest wykonanie zabiegu szczelinowania w odcinku poziomym otworu, podzielonym na 10 sekcji. Podane parametry zabiegu, ilość poszczególnych składników oraz potrzebne urządzenia stanowią wartość uśrednioną, gdyż każdy zabieg szczelinowania jest indywidualnie przygotowywany do określonych warunków geologicznych i powierzchniowych.

Składniki

Potrzebujemy:

• 10-30 tys. m³ wody słodkiej lub nisko zmineralizowanej (średnio 18 tys. m³) ≈ 7 basenów olimpijskich,
• 1800-2500 ton materiału podsadzkowego (tzw. proppantu).

Najczęściej jako podsadzki używa się drobnego (od 0,14 do 0,5 mm średnicy) piasku lub materiałów ceramicznych. Jednak nie jest to zwyczajny piasek, gdyż musi on spełniać określone wymagania, takie jak:

• odporność na zgniatanie,
• odporność na rozpuszczenie przez kwas,
• obojętność chemiczna,
• jednorodność (wszystkie ziarna powinny mieć podobny kształt i wymiary),
• kulistość i gładkość ziaren,
• ciężar właściwy odpowiadający parametrom zabiegu,
• niska cena (jego pozyskanie powinno być tanie ze względu na duże ilości, które są potrzebne).

Chociaż do użycia podczas sporządzania płynu szczelinującego dostępnych jest kilkaset różnych substancji, to w praktyce najczęściej wykorzystuje się ich podczas jednego szczelinowania od kilku do kilkunastu. Skład oraz proporcje pomiędzy poszczególnymi składnikami są niejednokrotnie zmieniane podczas jednego zabiegu. Pozwala to uzyskać najbardziej optymalną kombinację w danych warunkach geologicznych, ciśnienia i temperatury. W poniższej tabeli wymieniono najczęściej stosowane składniki:

źródło:Współczesne wydobycie gazu z łupków w Stanach Zjednoczonych, Rada ds. Ochrony Wód Gruntowych, kwiecień 2009

Potrzebne urządzenia

• 5-10 agregatów pompowych,
• manifold (kolektor),
• głowica odwiertu,
• 2-4 zbiorników na proppant,
• zbiornik na wodę,
• piaskomieszałka (blender),
• transporter materiału podsadzkowego,
• zbiorniki na dodatki chemiczne,
• stacja pomiarowo-sterująca.

Urządzenia potrzebne do szczelinowania hydraulicznego (źródło: HydraulicFracturing& How itworks?, FracFocus. ChemicalDisclosure Registry)

Sposób wykonania zabiegu

Zabieg szczelinowania łupków gazonośnych w odwiercie poziomym najczęściej wykonywany jest nie na całej jego długości, lecz w poszczególnych odcinkach, zwanych sekcjami. W każdej z sekcji przeprowadza się kolejno:

• czyszczenie otworu,
• perforację,
• kwasowanie,
• szczelinowanie hydrauliczne,
• izolacje sekcji poprzez założenie tzw. „korka”.

Długość każdego odcinka poddanego szczelinowaniu waha się zazwyczaj od 50 do 120 metrów. W rozważanym przykładzie będzie to 10 sekcji po 100 metrów (załóżmy, że długość odcinka horyzontalnego wynosi 1000 m).

W pierwszym etapie należy przygotować do zabiegu szczelinowania, wykonany wcześniej, odwiert poziomy. Wówczas zabezpieczono go orurowaniem i warstwą cementu, które izolują wnętrze otworu od otaczających skał. Jednak, aby uzyskać niezbędne połączenie odwiertu ze złożem i umożliwić dopływ gazu, należy te osłony przebić. Używa się do tego tzw. perforatorów, czyli urządzeń zbudowanych ze stalowej rury z otworami o średnicy 1-2 cm, w których umieszczono materiały wybuchowe (ładunki kumulacyjne). Energia detonacji wydostaje się przez otwory perforatora, dzięki czemu przebijane jest orurowanie odwiertu w sposób kontrolowany i w ściśle określonych miejscach. Czasami zamiast ładunków wybuchowych stosuje się wodę pod wysokim ciśnieniem (perforacja hydrauliczna).

Kiedy uzyskamy już bezpośredni dostęp do łupków, należy udrożnić otwór wiertniczy oraz powstałe szczeliny. W tym celu zatłaczany jest płyn techniczny (najczęściej płuczka wiertnicza), w celu usunięcia pozostałości po perforacji oraz wykonywany zabieg tzw. „kwasowania przemywającego”. Znajdujące się w szczelinach minerały węglanowe mogą krystalizować, a minerały ilaste - pęcznieć pod wpływem wody, co z dużym prawdopodobieństwem zablokowałoby dopływ płynu szczelinującego do skały. Dlatego dopiero po oczyszczeniu i kwasowaniu otworu przystępujemy do szczelinowania hydraulicznego.

Najpierw zatłaczamy do odwiertu płyn szczelinujący z niewielką (lub żadną) ilością materiału podsadzkowego, w celu wytworzenia siatki szczelin. Ciśnienie tłoczenia musi być wyższe niż to panujące w złożu i wówczas dochodzi do pęknięcia skały. Gdyby płyn szczelinujący zawierał proppant już od samego początku, mógłby zatkać nowo powstałe szczeliny, a tym samym utrudnić cały proces.

W Stanach Zjednoczonych średnie notowane ciśnienie zatłaczanej wody do górotworu wynosi ok.35 MPa (to tak jakby na pojedynczym lewarku postawić 3 samochody osobowe), a wydajność tłoczenia waha się najczęściej między 8-18 m³/min. W Polsce wartości te są z reguły niższe (25-30 MPa). Woda potrzebna do wykonania zabiegu gromadzona jest uprzednio w zbiornikach w pobliżu wiertni. Pobiera się ją z miejscowego wodociągu, warstw podziemnych lub z mobilnych cystern (wtedy potrzeba ich nawet 200). Zasięg szczelinowania dochodzi średnio do ok.200-300 metrów w poziomie i pionie, dlatego zabieg powinno się stosować w odległości co najmniej 500 metrów od najbliższej warstwy zawierającej wody użytkowe (w Polsce sięgają one do głębokości ok. 400 m poniżej poziomu terenu).

Kolejnym etapem jest tłoczenie płynu szczelinującego z materiałem podsadzkowym o znacznie wyższej koncentracji. W tym przypadku piasek lub materiał ceramiczny mieszany jest z wodą i dodatkami chemicznymi w urządzeniu zwanym piaskomieszałką lub blenderem. Następnie, poprzez agregaty pompowe, manifold (urządzenie łączące wszystkie agregaty i kierujące wszelkie płyny zatłaczane i odbierane z odwiertu) oraz głowicę odwiertu, jest zatłaczany do otworu. Stężenie proppantu w płynie szczelinującym wrasta wraz z postępem wykonywania zabiegu i sięga zazwyczaj ok. 3-13%. Proppant ma za zadanie uniemożliwić zaciśnięcie się szczelin po odpuszczeniu ciśnienia cieczy. Dzięki temu gaz może się uwalniać z łupków jeszcze przez długi czas (nawet kilkadziesiąt lat).

Tłoczenie płynu szczelinującego w ramach 1 sekcji trwa ok. 1-2 godzin. Po tym czasie zamyka („korkuje”) się dany odcinek odwiertu i przystępuje w kolejnym do: perforacji, czyszczenia, kwasowania i znów szczelinowania.

Dopiero po wykonaniu zabiegu we wszystkich sekcjach zwiercane są korki izolujące poszczególne sekscje w otworze. Wówczas, najczęściej jedynie przez kilka pierwszych dni, następuje samoistny wypływ płynu (teraz nazwanego płynem zwrotnym lub pozabiegowym) oraz gazu z otworu wiertniczego. Czasami jednak występuje konieczność dodatkowego „wywoływania otworu”, czyli wspomagania wypłynięcia poprzez np. zatłaczanie azotu lub użycie pomp wgłębnych.

Płyn zwrotny gromadzi się w specjalnie przygotowanych do tego celu zbiornikach. Część będziemy mogli wykorzystać do kolejnego szczelinowania (średnio 20-40%, po uprzednim oczyszczeniu), jednak pozostałość trzeba poddać unieszkodliwieniu w przeznaczonej do tego instalacji.

Jeśli poprawnie wykonaliśmy nasz zabieg, możemy przystąpić do kolejnego etapu poszukiwania węglowodorów, czyli testów złożowych, które pozwolą nam realnie ocenić możliwość eksploatacji.

31.07.2014 r.

autor: Wojciech Labuda - Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH w Krakowie, Wydział Prawa i Administracji Uniwersytetu Warszawskiego, Szkoła Główna Handlowa w Warszawie