Contenu
- Qu'est-ce que la fracturation hydraulique?
- Depuis combien de temps la fracturation hydraulique est-elle utilisée?
- Utilisation réussie de la fracturation hydraulique dans les schistes
- Fracturation hydraulique dans d'autres jeux de schiste
- Fluides de fracturation
- Proppants
- Préoccupations environnementales
- Avantages de production
Pompes et moteurs diesel prêts pour la fracture: Photo d'une opération de fracturation hydraulique en cours sur une plate-forme de forage dans le gisement de gaz de schiste de Marcellus, dans le sud-ouest de la Pennsylvanie. Un énorme assemblage de pompes, moteurs diesel, camions citernes à eau, mélangeurs à sable et accessoires de plomberie est en place pour la fracturation. Image de Doug Duncan, USGS.
Qu'est-ce que la fracturation hydraulique?
La fracturation hydraulique est une procédure pouvant augmenter le débit de pétrole ou de gaz d'un puits. Cela se fait en pompant des liquides dans un puits dans des unités de roche souterraines sous des pressions suffisamment élevées pour fracturer la roche. L'objectif est de créer un réseau de fractures interconnectées qui serviront d'espaces de pores pour le transport du pétrole et du gaz naturel vers le puits de forage.
La fracturation hydraulique, combinée au forage horizontal, a transformé les schistes riches en matières organiques, auparavant improductifs, en plus vastes gisements de gaz naturel au monde. Les schistes de Marcellus, les schistes d'Utica, les schistes de Barnett, les schistes d'Eagle Ford et la formation de Bakken sont des exemples d'unités rocheuses auparavant non productives qui ont été converties en fantastiques champs de gaz ou de pétrole par fracturation hydraulique.
Depuis combien de temps la fracturation hydraulique est-elle utilisée?
La première utilisation de la fracturation hydraulique pour stimuler les puits de pétrole et de gaz naturel aux États-Unis a été réalisée il y a plus de 60 ans. Un brevet pour la procédure a été délivré à la Haliburton Oil Well Cementing Company en 1949. Cette méthode a permis d’augmenter les taux de production des puits et la pratique s’est rapidement étendue. Il est maintenant utilisé dans le monde entier dans des milliers de puits chaque année. Notre essence, notre combustible de chauffage, notre gaz naturel et d’autres produits à base de produits pétroliers coûteraient beaucoup plus cher si la fracturation hydraulique n’avait pas été inventée.
Forage horizontal et fracturation hydraulique: Schéma simplifié d'un puits de gaz naturel construit avec un forage horizontal dans les schistes de Marcellus et une fracturation hydraulique sur la partie horizontale du puits.
Plaque de forage prête pour la fracturation hydraulique: Une autre photo d'une plate-forme de forage le jour de la fracture dans la zone gazière des schistes de Marcellus dans le sud-ouest de la Pennsylvanie. Photo de Doug Duncan, USGS.
Utilisation réussie de la fracturation hydraulique dans les schistes
Au début des années 90, Mitchell Energy a commencé à utiliser la fracturation hydraulique pour stimuler la production de gaz naturel provenant de puits forés dans le schiste de Barnett, au Texas. Le schiste Barnett contenait d’énormes quantités de gaz naturel; Cependant, Barnett produisait rarement du gaz naturel en quantités commerciales.
Mitchell Energy s'est rendu compte que le gaz contenu dans le schiste Barnett était emprisonné dans de minuscules espaces poreux non interconnectés. La roche avait un espace poreux mais manquait de perméabilité. Les puits forés dans le schiste de Barnett auraient généralement une démonstration de gaz, mais pas assez de gaz pour une production commerciale. Mitchell Energy a résolu ce problème en fracturant hydrauliquement le schiste Barnett afin de créer un réseau d'espaces interstitiels interconnectés permettant un flux de gaz naturel vers le puits.
Malheureusement, de nombreuses fractures produites par le processus de fracturation hydraulique se sont refermées lorsque les pompes ont été arrêtées. Le schiste de Barnett était si profondément enfoui que des pressions restrictives ont fermé les nouvelles fractures. Ce problème a été résolu en ajoutant du sable au fluide de fracturation. Lorsque la roche se fracture, le flot d’eau dans les pores nouvellement ouverts entraîne des grains de sable profondément dans l’unité rocheuse. Lorsque la pression de l'eau a été réduite, les grains de sable "ont maintenu" la fracture ouverte et ont permis à un flux de gaz naturel de s'écouler à travers les fractures et dans le puits de forage. Aujourd'hui, il existe une variété de produits naturels et synthétiques vendus sous le nom de "sable de fracturation".
Mitchell Energy a encore amélioré le rendement de ses puits en les forant horizontalement dans le schiste de Barnett. Des puits verticaux ont été mis en route à la surface, orientés vers une orientation horizontale et traversés par le schiste de Barnett pendant des milliers de pieds. Cela multipliait la longueur de la zone de paiement dans le puits. Si une unité de roche avait une épaisseur de 100 pieds, elle aurait une zone de charge de 100 pieds dans un puits vertical. Cependant, si le puits était dirigé horizontalement et restait horizontal pendant 5 000 pieds à travers la formation cible, la longueur de la zone de paiement était cinquante fois plus longue que celle d'un puits vertical.
Mitchell Energy a eu recours à la fracturation hydraulique et au forage horizontal pour multiplier la productivité des puits de Barnett Shale. En fait, nombre de leurs puits très performants auraient été des échecs s’ils étaient des puits verticaux sans fracturation hydraulique.
Pistolet de perforation: Pistolet à perforer inutilisé et utilisé pour le forage pétrolier et gazier et la fracturation hydraulique. Le tuyau en bas montre les trous créés par les charges explosives montées à l'intérieur du tuyau. Photo de Bill Cunningham, USGS.
Fracturation hydraulique dans d'autres jeux de schiste
Alors que d'autres apprenaient que Mitchell Energys avait connu le succès dans les schistes de Barnett, au Texas, les méthodes de forage horizontal et de fracturation hydraulique ont été testées dans d'autres schistes riches en matières organiques. Ces méthodes ont rapidement réussi dans les schistes de Haynesville et de Fayetteville en Louisiane, au Texas et en Arkansas, puis dans les schistes de Marcellus dans le bassin des Appalaches. Les méthodes ont fonctionné dans de nombreux autres schistes et sont maintenant utilisées pour développer des schistes riches en matières organiques dans de nombreuses régions du monde.
La fracturation hydraulique a également permis la production de liquides de gaz naturel et de pétrole à partir de nombreux puits. Des roches telles que les schistes de Bakken, dans le Dakota du Nord, et les schistes de Niobrara, dans le Colorado, le Kansas, le Nebraska et le Wyoming produisent actuellement d'importantes quantités de pétrole provenant de la fracturation hydraulique.
Bassin de rétention d’eau Frac: Une retenue d'eau sur une plate-forme de forage dans la zone gazière de Fayetteville Shale en Arkansas. Les bassins bordés comme celui-ci sont utilisés pour le stockage de l'eau de fracturation sur les sites de forage dans toutes les zones de gaz naturel. Photo de Bill Cunningham, USGS.
Fluides de fracturation
L'eau est le fluide moteur utilisé dans le processus de fracturation hydraulique. Selon les caractéristiques du puits et de la roche fracturée, quelques millions de gallons d’eau peuvent être nécessaires pour mener à bien un travail de fracturation hydraulique.
Lorsque l'eau est pompée dans le puits, toute la longueur du puits n'est pas sous pression. Au lieu de cela, des bouchons sont insérés pour isoler la partie du puits où les fractures sont souhaitées. Seule cette section du puits reçoit toute la force de pompage. À mesure que la pression augmente dans cette partie du puits, l'eau ouvre les fractures et la pression motrice les prolonge profondément dans l'unité rocheuse. Lorsque le pompage cesse, ces fractures se referment rapidement et l'eau utilisée pour les ouvrir est repoussée dans le trou de forage, remonte dans le puits et est collectée à la surface. L'eau retournée à la surface est un mélange de l'eau injectée et de l'eau interstitielle emprisonnée dans l'unité rocheuse depuis des millions d'années. L'eau interstitielle est généralement une saumure contenant une quantité importante de solides dissous.
Les produits chimiques sont souvent ajoutés à l'eau utilisée pour la fracturation hydraulique. Ces additifs servent à diverses fins. Certains épaississent l’eau en un gel plus efficace pour ouvrir les fractures et transporter les agents de soutènement profondément dans l’unité rocheuse. D'autres produits chimiques sont ajoutés pour: réduire les frottements, maintenir les débris rocheux en suspension dans le liquide, empêcher la corrosion de l'équipement, tuer les bactéries, contrôler le pH et d'autres fonctions.
La plupart des entreprises ont été réticentes à révéler la composition de leurs fluides de fracturation hydraulique. Ils estiment que ces informations doivent rester confidentielles pour protéger leurs recherches concurrentielles. Cependant, les régulateurs commencent à exiger des informations et certaines entreprises commencent à les partager volontairement.
Sable de fracture: Le sable de silice à grains fins est mélangé à des produits chimiques et à de l’eau avant d’être pompé dans des formations rocheuses afin d’empêcher la fermeture des fractures artificielles nouvellement créées une fois la fracturation hydraulique terminée. Photo de Bill Cunningham, USGS.
Proppants
Une variété d'agents de soutènement sont utilisés dans la fracturation hydraulique. Ce sont de petites particules résistantes à la compression qui sont entraînées dans les fractures par le fluide de fracturation hydraulique. Lorsque les pompes sont éteintes et que les fractures s'effondrent, ces particules résistantes à l'écrasement maintiennent la fracture ouverte, créant un espace poreux à travers lequel le gaz naturel peut se rendre au puits.
Le sable de fracturation est l'agent de soutènement le plus couramment utilisé aujourd'hui, mais des perles en aluminium, des perles en céramique, de la bauxite frittée et d'autres matériaux ont également été utilisés. Plus d'un million de livres de produits de soutènement peuvent être utilisés pour fracturer un seul puits.
Image satellite des puits horizontaux: Vue satellite d'un site de forage de schistes d'Utica où neuf puits horizontaux ont été construits et stimulés par fracturation hydraulique.
Préoccupations environnementales
La fracturation hydraulique soulève un certain nombre de problèmes environnementaux. Ceux-ci inclus:
1) Les fractures produites dans le puits pourraient s’étendre directement dans des unités rocheuses peu profondes utilisées pour l’alimentation en eau potable. Ou bien, les fractures produites dans le puits peuvent communiquer avec des fractures naturelles qui s'étendent dans des unités de roches peu profondes utilisées pour l'approvisionnement en eau potable.
2) Le tubage d'un puits peut faire défaut et permettre aux fluides de s'échapper dans des unités rocheuses peu profondes utilisées pour l'approvisionnement en eau potable.
3) Des déversements accidentels de fluides de fracturation hydraulique ou expulsés au cours d'un travail de fracturation pourraient s'infiltrer dans le sol ou contaminer les eaux de surface.
Avantages de production
La fracturation hydraulique peut augmenter considérablement le rendement d'un puits. Lorsqu'elles sont combinées à des forages horizontaux, les formations rocheuses non rentables sont souvent converties en champs de gaz naturel productifs. Cette technique est en grande partie responsable de la mise en valeur des gisements de gaz de Barnett Shale, de Haynesville, de Fayetteville et de Marcellus. Il peut également libérer du pétrole provenant d'unités rocheuses étroites, comme cela a été fait avec les schistes de Bakken et de Niobrara.
Le processus de fracturation hydraulique et les produits chimiques utilisés suscitent la plus grande inquiétude parmi les défenseurs de l'environnement qui surveillent l'industrie du gaz naturel. Un environnement réglementaire est nécessaire pour permettre l'utilisation de ces techniques et fournir des sauvegardes environnementales pour protéger les sources d'approvisionnement en eau et les personnes vivant dans les zones de forage.