Contenu
- Un sable résistant à l'écrasement pour les puits de pétrole et de gaz
- Comment utilise-t-on le sable de frac?
- Frac Sand comme "Proppant"
- Quel type de sable?
- Usines de traitement du sable de fracturation
- Où le sable de frac est-il produit et utilisé?
- Frac Sand Sources et Prix
- Proppants de bauxite frittée
Sable de fracture: Vue rapprochée du sable de fracturation (à droite) et d'un sable typique de taille de grain similaire (à gauche). Notez que le sable de fracturation présente une taille de grain plus uniforme, des formes de grain bien arrondies et une composition uniforme. C'est également un matériau très résistant qui peut résister à des forces de compression allant jusqu'à plusieurs tonnes par pouce carré. Les grains de cette image mesurent environ 0,50 millimètre.
Production de sable de fracturation: Ce graphique illustre la hausse spectaculaire de la production de sable de fracturation aux États-Unis. Données extraites des annuaires de la Commission géologique des États-Unis, 2005-2015.
Un sable résistant à l'écrasement pour les puits de pétrole et de gaz
Le "sable de fracture" est un sable de quartz de haute pureté aux grains très durables et très ronds. Il s’agit d’un matériau résistant à l’écrasement, destiné à l’industrie pétrolière. Il est utilisé dans le processus de fracturation hydraulique (appelé «fracturation») pour produire des fluides pétroliers, tels que le pétrole, le gaz naturel et les liquides de gaz naturel, à partir d'unités de roche ne disposant pas d'un espace de pore suffisant pour que ces fluides puissent s'écouler dans un puits. La plupart du sable de fracture est un matériau naturel fabriqué à partir de grès de haute pureté. Un produit alternatif est constitué de perles en céramique faites de bauxite frittée ou de petites perles métalliques en aluminium.
La demande de sable de fracturation a explosé ces dernières années alors que des milliers de puits de pétrole et de gaz naturel sont stimulés par le processus de fracturation hydraulique. (Voir le tableau de production.) Un travail de fracturation hydraulique sur un puits peut nécessiter quelques milliers de tonnes de sable. Cette vague de forage spécialisé a créé une industrie du sable de fracturation d'un milliard de dollars en très peu de temps. Entre 2005 et 2015, la quantité de sable de fracturation utilisée par l'industrie pétrolière et gazière a considérablement augmenté.
Vidéo sable frac: Vidéo de US Silica démontrant les caractéristiques d'un sable de fracturation de haute qualité.
Comment utilise-t-on le sable de frac?
Certaines roches souterraines telles que les schistes organiques contiennent de grandes quantités de pétrole, de gaz naturel ou de liquides de gaz naturel qui ne s'écouleront pas librement dans un puits. Ils ne s'écouleront pas dans un puits car l'unité dans la roche manque de perméabilité (espaces de pores interconnectés) ou les espaces de pores dans la roche sont si petits que ces fluides ne peuvent pas les traverser.
Le processus de fracturation hydraulique résout ce problème en générant des fractures dans la roche. Cela se fait en forant un puits dans la roche, en scellant la partie du puits dans la zone pétrolifère et en pompant de l'eau sous haute pression dans cette partie du puits. Cette eau est généralement traitée avec des produits chimiques et des épaississants tels que la gomme de guar pour créer un gel visqueux. Ce gel facilite la capacité de l'eau à transporter des grains de sable de fracturation en suspension.
Les grandes pompes situées à la surface de la terre augmentent la pression de l'eau dans la partie étanche du puits jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment élevée pour dépasser le point de rupture des roches environnantes. Lorsqu'ils atteignent leur point de rupture, ils se fracturent soudainement et l'eau pénètre rapidement dans les fractures, les gonflant et les prolongeant plus profondément dans la roche. Des milliards de grains de sable sont entraînés profondément dans les fractures par cette précipitation soudaine d'eau. Quelques milliers de tonnes de sable de fracturation peuvent être nécessaires pour stimuler un seul puits.
Vidéo sable frac: Vidéo de US Silica démontrant les caractéristiques d'un sable de fracturation de haute qualité.
Fracturation hydraulique: Schéma simplifié d'un puits de gaz naturel construit avec un forage horizontal pour augmenter la longueur de pénétration dans les schistes de Marcellus. La fracturation hydraulique est généralement effectuée dans la partie horizontale du puits pour stimuler un flux de gaz provenant du schiste. Cette configuration de puits est utilisée dans les jeux de schiste des États-Unis.
Frac Sand comme "Proppant"
Lorsque les pompes sont éteintes, les fractures se dégonflent mais ne se ferment pas complètement - car elles sont maintenues ouvertes par des milliards de grains de sable de fracturation. Cela ne se produit que si suffisamment de grains de sable pour résister à la force des fractures de fermeture ont été livrés dans la roche.
Les nouvelles fractures dans la roche, maintenues ouvertes par les grains de sable durables, forment un réseau d’espace interstitiel qui permet aux fluides de pétrole de s'écouler de la roche vers le puits. Le sable de fracturation est connu comme un "agent de soutènement" car il maintient les fractures ouvertes.
Parmi les autres matériaux utilisés comme agents de soutènement figurent les perles en céramique, les perles en aluminium et la bauxite frittée. Le sable de fracturation offre généralement le niveau de performance le plus élevé, et il est actuellement l'agent de soutènement le plus utilisé par l'industrie pétrolière.
Carte de grès de Jordanie: Un grand nombre des unités de roches actuellement exploitées pour le sable de fracturation sont également des aquifères. Cela fait des publications de recherche sur les eaux souterraines, telles que la série d'atlas des eaux souterraines du United States Geological Survey, des documents de prospection précieux pour déterminer la présence, l'épaisseur et la structure d'unités de roche de grès.Cette carte est issue de l'atlas des eaux souterraines des États-Unis pour l'Iowa, le Michigan, le Minnesota et le Wisconsin. Il montre l'étendue géographique et l'épaisseur du grès de Jordanie dans le Minnesota et l'Iowa. Des cartes similaires ont été publiées dans cette série pour d'autres unités de roche de grès et d'autres zones géographiques.
Quel type de sable?
Les agents de soutènement de l'industrie pétrolière doivent répondre à des spécifications très strictes. Les caractéristiques d'un sable de frac de haute qualité incluent:
- sable de silice de haute pureté
- taille du grain parfaitement adaptée aux exigences du poste
- forme sphérique lui permettant d'être transporté dans un fluide de fracturation hydraulique avec un minimum de turbulence
- durabilité pour résister aux forces d'écrasement des ruptures de fermeture
Le sable de fractionnement est produit dans une gamme de tailles allant de 0,1 millimètre de diamètre à plus de 2 millimètres de diamètre, en fonction des spécifications du client. La plus grande partie du sable de fracturation consommé a une taille comprise entre 0,4 et 0,8 millimètre.
Des roches telles que le grès de Saint-Pierre, le grès de Jordanie, le grès de Oil Creek et le grès de Hickory sont des sources potentielles de sable de fracturation. Ces unités rocheuses sont composées de grains de quartz ayant subi plusieurs cycles d’altération et d’érosion. Cette longue histoire a éliminé presque tous les grains minéraux autres que le quartz et produit des grains aux formes très rondes. C'est la raison pour laquelle le sable dragué dans les rivières, excavé des terrasses ou retiré des plages est peu susceptible de produire un bon produit.
Là où ces unités rocheuses sont produites, elles sont généralement molles, mal cimentées et parfois légèrement altérées. Cela leur permet d'être excavés et broyés avec un minimum de dommages aux grains de quartz. Le sable de haute pureté provenant de régions telles que les Appalaches ne convient souvent pas au sable de fracturation car il a été soumis à des forces tectoniques qui ont déformé la roche et affaibli les grains de sable.
Mine de sable Frac dans le Wisconsin: Vue aérienne d'une opération d'extraction de sable de fracturation dans le Wisconsin. Le sable de fracturation est un produit hautement spécialisé qui ne peut être produit qu’à partir d’un petit nombre de dépôts de sable.
Installation de traitement du sable de fracturation: Vue aérienne d'une installation de traitement de sable de frac dans le Wisconsin.
Usines de traitement du sable de fracturation
Le sable de fracturation n'est pas utilisé directement du sol. Un traitement est nécessaire pour optimiser ses performances. Après extraction, il est transporté dans une usine de traitement. Là, il est lavé pour éliminer les fines particules.
Après le lavage, le sable est empilé pour permettre à l'eau de lavage de s'écouler. Cette opération est effectuée à l'extérieur et est limitée aux périodes de l'année où les températures sont au-dessus de zéro. Une fois le sable drainé, il est placé dans un séchoir à air pour éliminer toute humidité. Les grains secs sont ensuite tamisés pour obtenir des fractions de tailles spécifiques pour différents clients.
Le sable qui ne convient pas à la fracturation est séparé et vendu pour d'autres utilisations. Une partie du sable de fracturation pourrait être recouverte de résine afin d’améliorer ses performances lors de la fracturation. Ce matériel sera vendu en tant que produit premium. Après le traitement, la plus grande partie du sable est directement chargée dans les wagons pour la livraison par rail.
Certaines usines de traitement sont situées sur le site de la mine. Cependant, les usines de traitement sont très coûteuses à construire et sont parfois partagées par plusieurs mines. Celles-ci sont situées au centre de plusieurs mines et le sable est livré par camion, train ou convoyeur.
Où le sable de frac est-il produit et utilisé?
Il y a quelques années, les producteurs du Wisconsin et du Texas fournissaient une grande partie du sable de fracturation utilisé par l'industrie pétrolière et gazière. Cependant, une forte augmentation de la demande provoquée par le boom du gaz naturel et du pétrole de schiste a motivé de nombreuses entreprises à fournir ce produit. Un grand nombre de ces sociétés sont situées dans la partie centrale des États-Unis, où les unités de roches Saint-Pierre, en grès et similaires, sont proches de la surface et facilement excavées. Ces zones sont également des zones où les forces tectoniques n’ont pas causé de graves pliages des unités rocheuses ni affaibli les grains de sable. La zone principale se situe dans les États du centre-ouest (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska et Wisconsin).
La plupart des sables siliceux de haute pureté aux États-Unis sont connus depuis des décennies. Ils ont été utilisés pour la fabrication de verre et la métallurgie. La recherche actuelle de sable de fracturation ne consiste pas à "découvrir de nouvelles sources de sable", mais à déterminer quelles sources produisent des matériaux de qualité supérieure.
Le sable de fracturation est utilisé pour produire du gaz naturel, des liquides de gaz naturel et du pétrole à partir de schistes et d'autres roches compactes nécessitant une fracturation hydraulique. Ceux-ci comprennent: les schistes de Marcellus, les schistes d'Utica, la formation de Bakken, les schistes de Haynesville, de Fayetteville, les gisements Eagle Ford, les schistes de Barnett et de nombreux autres gisements de schiste aux États-Unis.
St. Peter Sandstone: Une photo du grès Saint-Pierre coiffée par la dolomite de Joachim prise près de Pacific, dans le Missouri. Image du domaine public par Kbh3rd.
Frac Sand Sources et Prix
La demande de sable de fracturation en Amérique du Nord a fortement augmenté au cours des dernières années en raison du développement de nombreux gisements de schiste dans de nombreuses régions des États-Unis et du Canada. Le United States Geological Survey rapporte la source de cette production:
Le grès St. Peter Ordovician dans le Midwest est une source principale de sable de silice pour de nombreuses utilisations finales et est également une source majeure de sable de fracturation. Exploitée dans cinq États américains, le sable de fracturation du grès de Saint-Pierre se trouve à une distance de transport raisonnable de nombreuses formations de schiste souterraines produisant du gaz naturel.En 2011, 59% du sable de fracturation était produit dans le Midwest.
Les prix moyens rapportés pour le sable de fracturation dans l'Annuaire américain de la Commission géologique américaine (Geological Survey Minerals Yearbook) étaient compris entre 45 et 50 USD par tonne en 2010. En 2011, le prix moyen était passé à 54,83 USD. Ce montant est nettement supérieur au prix moyen de 35 dollars par tonne pour le sable de spécialité vendu en dehors du secteur de la construction.
Proppants de bauxite frittée
La bauxite en poudre peut être fondue en petites perles à des températures très élevées. Ces perles ont une très grande résistance à la compression, ce qui les rend utilisables comme agent de soutènement. La densité et la taille des billes peuvent être adaptées à la viscosité du fluide de fracturation hydraulique et à la taille des fractures susceptibles de se développer dans la roche. Les agents de soutènement fabriqués offrent un large choix de granulométrie et de densité relative par rapport à un agent de soutènement naturel appelé sable de fracturation. Le sable de fracturation est actuellement utilisé à la place des agents de soutènement manufacturés, car il présente un avantage en termes de coût et de transport.