שבר הידראולי של בארות נפט וגז שנקדחו בפצלי

תוֹכֶן

• מה זה שבר הידראולי?
• כמה זמן נעשה שימוש בשבר הידראולי?
• שימוש מוצלח בשברים הידראוליים בפצלים
• שבר הידראולי במופעי פצלים אחרים
• נוזלים משברים
• דליפות
• דאגות סביבתיות
• יתרונות ייצור

משאבות ומנועי דיזל מוכנים לרכב: תצלום של פעולת שבר הידראולית המתבצעת על כרית קידוח במחזה הגז של מרקלוס, בדרום מערב פנסילבניה. מכלול עצום של משאבות, מנועי דיזל, משאיות מים, מערבלי חול, ואביזרי אינסטלציה נמצא במקום המעבר. תמונה מאת דאג דאנקן, USGS.

מה זה שבר הידראולי?

שבר הידראולי הוא הליך שיכול להגדיל את זרימת הנפט או הגז מבאר. זה נעשה על ידי שאיבת נוזלים בבור ליחידות סלע מתחת לפני השטח תחת לחצים שהם מספיק גבוהים כדי לשבור את הסלע. המטרה היא ליצור רשת של שברים מחוברים זה בזה אשר ישמשו כמרחבים נקבוביים לתנועת נפט וגז טבעי אל נשא הבאר.

שבר הידראולי בשילוב קידוח אופקי הפך בעבר פצלי אורגניים עשירים אורגניים לשדות הגז הטבעי הגדולים בעולם. פצלים מרקלוס, פצלי אוטיקה, פצפית ברנט, פיילד פורט נשר ותצורת בקקן הם דוגמאות ליחידות סלע שהיו בעבר לא יצרניות שהוסבו לשדות גז או נפט פנטסטיים על ידי שבר הידראולי.

כמה זמן נעשה שימוש בשבר הידראולי?

השימוש הראשון בשברים הידראוליים לעידוד בארות נפט וגז טבעי בארצות הברית נעשה לפני למעלה מ- 60 שנה. החברה המלטקת בארגון שמן הליברורטון הונפקה פטנט על ההליך בשנת 1949. השיטה העלתה בהצלחה את שיעורי ייצור הבאר והתרגול התפשט במהירות. הוא משמש כיום ברחבי העולם באלפי בארות מדי שנה. הבנזין, הדלק החימום שלנו, הגז הטבעי ומוצרים אחרים המיוצרים ממוצרי נפט היו עולים הרבה יותר אם לא הומצא שבר הידראולי.

קידוח אופקי ושבר הידראולי: תרשים מפושט של באר גז טבעי אשר נבנתה באמצעות קידוחים אופקיים דרך פצלת מרקלוס ושבר הידראולי בחלק האופקי של הבאר.

כרית קידוח מוכנה לשבר הידראולי: תצלום נוסף של משטח קידוח ביום השקע במחזה הגז של מרקלוס, בדרום מערב פנסילבניה. צילום: דאג דאנקן, USGS.

שימוש מוצלח בשברים הידראוליים בפצלים

בתחילת שנות התשעים החל מיטשל אנרגיה להשתמש בשברים הידראוליים כדי לעורר את ייצור הגז הטבעי מבארות שנקדחו לתוך ברנט לייק בטקסס. פצלי הברנט הכילו כמויות אדירות של גז טבעי; עם זאת, ברנט כמעט ולא הפיק גז טבעי בכמויות מסחריות.

מיטשל אנרגיה הבין כי הגז בשכונת ברנט לכוד בחללי נקבוביות זעירים שלא היו קשורים זה לזה. הסלע היה בעל נקבוביות נקבוביות אך לא היה חדירות. בארות שנקדחו דרך אגם ברנט היו בדרך כלל מופע של גז אך לא מספיק גז לייצור מסחרי. מיטשל אנרגיה פתרו בעיה זו על ידי שבר הידראולי של פצפית ברנט ליצירת רשת של חללי נקבוביות מחוברים זה לזה המאפשרים זרימת גז טבעי לבאר.

לרוע המזל רבים מהשברים שנוצרו בתהליך השבר ההידראולי ננעלו כשכבו המשאבות. פצפית הברנט הייתה קבורה כל כך עמוקה עד שלחץ מוגבל סגר את השברים החדשים. בעיה זו נפתרה על ידי הוספת חול לנוזל השבר. כשהסלע שבר, זרימת המים לחלל הנקבוביות שנפתח לאחרונה תוביל גרגרי חול לעומק יחידת הסלע. כאשר הופחת לחץ המים, גרגירי החול "דחפו" את השבר פתוח ואיפשרו זרימת גז טבעי דרך השברים ואל תוך נשא הבאר. כיום ישנם מגוון מוצרים טבעיים וסינתטיים הנמכרים תחת השם "חול פריק".

מיטשל אנרגיה שיפרה עוד יותר את תפוקת הבארות שלהם על ידי קידוחם אופקית דרך צפת ברנט. בארות אנכיות הופעלו על פני השטח, הובלו לכיוון אופקי והונעו דרך פצפת ברנט לאורך אלפי מטרים. זה הכפיל את אורך אזור השכר בבאר. אם יחידת סלע הייתה בעובי של מטר וחצי, יהיה זה אזור שכר של מטר וחצי בבאר אנכית. עם זאת, אם הבור הובל אופקי ונשאר אופקי לאורך מטר וחצי לאורך מבנה המטרה, אז אורך אזור השכר היה ארוך פי חמישה מאזור השכר של באר אנכית.

מיטשל אנרגיה השתמשה בשברים הידראוליים ובקידוחים אופקיים בכדי להכפיל את התפוקה של בארות של ברנט לייק. למעשה, רבים מהבארות המצליחות ביותר שלהם היו כישלונות אם היו בארות אנכיות ללא שבר הידראולי.

אקדח ניקוב: אקדח ניקוב שלא נעשה בו שימוש ושימוש בקידוח נפט וגז ובשבר הידראולי. הצינור בתחתית מראה חורים שנוצרו על ידי מטעני הנפץ שהוצבו בתוך הצינור. צילום: ביל קנינגהם, USGS.

שבר הידראולי במופעי פצלים אחרים

כפי שנודע לאחרים על הצלחתו של מיטשל אנרג'י בשפת הברנט של טקסס, ניסו את שיטות הקידוח האופקי והשבר ההידראולי בשאר אפסים עשירים אורגניים. שיטות אלה הצליחו במהרה בייקנה של היינסוויל ופיילת פייטוויל מלואיזיאנה, טקסס וארקנסו - אז בשכונת מרקלוס באגן האפלצ'ים. השיטות עבדו בצללים רבים אחרים וכעת הן משמשות לפיתוח פצלי ים עשירים אורגניים באזורים רבים בעולם.

שבר הידראולי אפשר גם ייצור נוזלי גז טבעי ושמן מבארות רבות. יחידות סלע כמו לייק הלייק של צפון דקוטה ושפת הניוברה מקולורדו, קנזס, נברסקה וויומינג מניבות כעת כמויות משמעותיות של נפט משבר הידראולי.

בריכת הכלה של Frac: שקע מים על משטח קידוח במשחק הגז של פייטוויל פיילייט של ארקנסו. בריכות מרופדות כאלו משמשות לאגירת מים מהמחלקה באתרי קידוחים בכל משחקי הגז הטבעי. צילום: ביל קנינגהם, USGS.

נוזלים משברים

מים הם נוזל הנהיגה המשמש בתהליך השבר ההידראולי. בהתאם למאפייני הבאר והסלע הנשבר, ניתן לדרוש כמה מיליוני גלונים של מים כדי להשלים עבודת שבר הידראולית.

כאשר נשאבים המים לבאר, כל אורך הבאר אינו מופעל תחת לחץ. במקום זאת, מוכנסים תקעים לבידוד חלק הבאר במקום הרצוי לשברים. רק חלק זה של הבאר מקבל את מלוא כוח השאיבה. עם התפתחות הלחץ בחלק זה של הבאר, מים פותחים שברים, ולחץ ההנעה מרחיב את השברים בעומק יחידת הסלע. כאשר השאיבה נעצרת, שברים אלו נצמדים במהירות, והמים המשמשים לפתיחתם נדחפים חזרה אל בור הקידוח, מגבים את הבאר ונאספים על פני השטח. המים המוחזרים לפני השטח הם תערובת של מים שהוזרקו ומים נקבוביים שנלכדו ביחידת הסלע במשך מיליוני שנים. מי הנקבוביות הם לרוב מי מלח עם כמויות משמעותיות של מוצקים מומסים.

כימיקלים מוסיפים לרוב למים המשמשים בשבר הידראולי. תוספים אלה משמשים למגוון מטרות. חלקם מעבים את המים לג'ל יעיל יותר בפתיחת שברים ונשיאת חניכיים עמוק לתוך יחידת הסלע. כימיקלים נוספים מתווספים ל: להפחית את החיכוך, לשמור על פסולת סלעים תלויה בנוזל, למנוע קורוזיה של ציוד, להרוג חיידקים, לשלוט על pH ותפקודים אחרים.

מרבית החברות היו עמידות בפני חשיפת הרכב נוזלי השבר ההידראוליים שלהם. הם מאמינים כי יש לשמור על מידע זה באופן פרטי כדי להגן על המחקר התחרותי שלהם. עם זאת, הרגולטורים מתחילים לדרוש את המידע, וכמה חברות מתחילות לשתף את המידע בהתנדבות.

חול Frac: חול סיליקה עדין משובח מעורבב עם כימיקלים ומים לפני שהוא נשאב לתצורות סלע כדי למנוע את השברים המלאכותיים שיצרו לאחרונה לאחר סיום השבר ההידראולי. צילום: ביל קנינגהם, USGS.

דליפות

מגוון של תומכים משמשים בשבר הידראולי. אלה הם חלקיקים קטנים חסרי ריסוק הנישאים לשברים על ידי נוזל השבר ההידראולי. כשמכבים את המשאבות והשברים קורסים, החלקיקים העמידים למחץ מחזיקים את השבר פתוח, ויוצרים חלל נקבובית דרכו יכול גז טבעי לנוע לבאר.

חול Frac הוא התומך הנפוץ ביותר כיום אך נעשה שימוש גם בחרוזי אלומיניום, חרוזי קרמיקה, בוקסיט מסונן וחומרים אחרים. ניתן להשתמש ביותר ממיליון פאונד של נוזלים תוך שבר של באר אחת.

תצוגת תמונת לוויין של בארות אופקיות: תצפית לווינית באתר קידוח של צדפה של Utica בו נבנו תשע בארות אופקיות ועברו גירוי בשברים הידראוליים.

דאגות סביבתיות

ישנם מספר חששות סביבתיים הקשורים לשבר הידראולי. אלו כוללים:

1) שברים המיוצרים בבאר עשויים להתרחב ישירות ליחידות סלע רדודות המשמשות לאספקת מי שתייה. לחלופין, שברים המיוצרים בבאר עשויים לתקשר עם שברים טבעיים הנמשכים ליחידות סלע רדודות המשמשות לאספקת מי שתייה.

2) מעטפת באר עשויה להיכשל ולאפשר לנוזלים לברוח ליחידות סלע רדודות המשמשות לאספקת מי שתייה.

3) שפכים מקריים של נוזלים שבירים הידראוליים או נוזלים שגורשו במהלך עבודת שבר עשויים לחלחל לאדמה או לזהם את מי השטח.

יתרונות ייצור

שבר הידראולי יכול להעלות משמעותית את התשואה של באר. כאשר הוא משולב בקידוח אופקי, תצורות סלע בלתי רווחיות הופכות לרוב לשדות גז טבעי פרודוקטיביים. הטכניקה אחראית בעיקר לפיתוח שדות הגז של ברנט לייקייל, היינסוויל, פיילת פייט פיילייט ומרקלוס פצלים. זה יכול גם לשחרר נפט מיחידות סלע צמודות כפי שעשה עם פצלי בקקן ונילארה.

תהליך השבר ההידראולי והכימיקלים המשמשים אותו גורמים את הדאגה הגדולה ביותר לתומכי הסביבה הצופים בתעשיית הגז הטבעי. יש צורך בסביבה רגולטורית שתאפשר שימוש בטכניקות אלו ותספק אמצעי סביבה להגנה על אספקת מים ואנשים הגרים באזורים בהם מתרחשת קידוח.