Olio e gas

Che cos'è Frac Sand?



Questa sabbia speciale è una delle chiavi per la produzione di petrolio e gas naturale da strette formazioni di scisto


Frac sand: Vista ravvicinata della sabbia frac (a destra) e di una sabbia tipica con granulometria simile (a sinistra). Notare come la sabbia frac abbia una dimensione del grano più uniforme, forme del grano ben arrotondate e una composizione uniforme. È anche un materiale molto resistente in grado di resistere a forze di compressione fino a diverse tonnellate per pollice quadrato. I grani in questa immagine hanno una dimensione di circa 0,50 mm. Foto

Produzione di sabbia frac: Questo grafico illustra lo spettacolare aumento della produzione di sabbia frac negli Stati Uniti. Dati tratti dagli Annuari dei Minerali per il rilevamento geologico degli Stati Uniti, 2005-2015.

Una sabbia resistente allo schiacciamento per pozzi di petrolio e gas

"Frac sand" è una sabbia di quarzo di elevata purezza con grani molto resistenti e molto rotondi. È un materiale resistente alla compressione prodotto per l'uso nell'industria petrolifera. Viene utilizzato nel processo di fratturazione idraulica (noto come "fracking") per produrre fluidi di petrolio, come petrolio, gas naturale e liquidi di gas naturale da unità rocciose che non dispongono di uno spazio adeguato dei pori per far fluire questi fluidi verso un pozzo. La maggior parte della sabbia frac è un materiale naturale realizzato con arenaria di elevata purezza. Un prodotto alternativo sono le perle di ceramica a base di bauxite sinterizzata o piccole perle di metallo in alluminio.

La domanda di sabbia frac è esplosa negli ultimi anni poiché migliaia di pozzi di petrolio e gas naturale vengono stimolati con il processo di fratturazione idraulica. (Vedi la tabella di produzione.) Un lavoro di fratturazione idraulica su un pozzo può richiedere alcune migliaia di tonnellate di sabbia. Questa ondata di perforazioni specializzate ha creato in breve tempo un'industria della sabbia frac da miliardi di dollari. Tra il 2005 e il 2015, la quantità di sabbia abrasiva utilizzata dall'industria petrolifera e del gas è cresciuta notevolmente.

Frac sand video: Video di US Silica che mostra le caratteristiche di una sabbia frac di alta qualità.

Come si usa la sabbia Frac?

Alcune unità rocciose sotterranee come lo scisto organico contengono grandi quantità di petrolio, gas naturale o liquidi di gas naturale che non fluiranno liberamente verso un pozzo. Non scorreranno verso un pozzo perché l'unità rocciosa non ha permeabilità (spazi dei pori interconnessi) o gli spazi dei pori nella roccia sono così piccoli che questi fluidi non possono fluire attraverso di essi.

Il processo di fratturazione idraulica risolve questo problema generando fratture nella roccia. Questo viene fatto perforando un pozzo nella roccia, sigillando la porzione del pozzo nella zona portante di petrolio e pompando acqua ad alta pressione in quella porzione del pozzo. Quest'acqua viene generalmente trattata con prodotti chimici e addensanti come la gomma di guar per creare un gel viscoso. Questo gel facilita la capacità dell'acqua di trasportare granelli di sabbia frac in sospensione.

Grandi pompe sulla superficie terrestre aumentano la pressione dell'acqua nella porzione sigillata del pozzo fino a quando non è abbastanza alta da superare il punto di rottura delle rocce circostanti. Quando viene raggiunto il loro punto di rottura, si fratturano improvvisamente e l'acqua si precipita rapidamente nelle fratture, gonfiandole ed estendendole più in profondità nella roccia. Miliardi di granelli di sabbia vengono trasportati in profondità nelle fratture da questo improvviso flusso d'acqua. Per stimolare un singolo pozzo possono essere necessarie alcune migliaia di tonnellate di sabbia frac.

Frac sand video: Video di US Silica che mostra le caratteristiche di una sabbia frac di alta qualità.

Frattura idraulica: Diagramma semplificato di un pozzo di gas naturale che è stato costruito con perforazione orizzontale per aumentare la lunghezza della penetrazione attraverso lo scisto di Marcellus. La fratturazione idraulica viene in genere eseguita nella porzione orizzontale del pozzo per stimolare un flusso di gas dallo scisto. Questa configurazione di pozzo viene utilizzata nei giochi shale degli Stati Uniti.

Frac Sand come "Proppant"

Quando le pompe sono spente, le fratture si sgonfiano ma non si chiudono completamente, poiché sono protette da miliardi di granelli di sabbia frac. Ciò si verifica solo se nella roccia sono stati erogati abbastanza granelli di sabbia per resistere alla forza delle fratture di chiusura.

Le nuove fratture nella roccia, sostenute dai durevoli granelli di sabbia, formano una rete di spazio dei pori che consente ai fluidi di petrolio di fluire dalla roccia e nel pozzo. La sabbia di Frac è conosciuta come "propizia" perché sostiene le fratture aperte.

Altri materiali che sono stati utilizzati come propellente includono perle di ceramica, perle di alluminio e bauxite sinterizzata. La sabbia di Frac offre generalmente il massimo livello di prestazioni ed è attualmente la propulsione più frequentemente utilizzata dall'industria petrolifera.

Mappa di Jordan Sandstone: Molte delle unità rocciose attualmente in fase di estrazione per la sabbia di frac sono anche falde acquifere. Questo rende le pubblicazioni di ricerca sulle acque sotterranee, come la serie di atlanti sotterranei del Geological Survey degli Stati Uniti, preziosi documenti di prospezione per determinare la presenza, lo spessore e la struttura delle unità rocciose di arenaria. Questa mappa proviene dall'Atlante sotterraneo degli Stati Uniti per Iowa, Michigan, Minnesota e Wisconsin. Mostra l'estensione geografica e lo spessore dell'arenaria di Giordania nel Minnesota e nello Iowa. Mappe simili sono state pubblicate in questa serie per altre unità di roccia arenaria e altre aree geografiche.

Che tipo di sabbia?

I propulsori dell'industria petrolifera devono soddisfare specifiche molto impegnative. Le caratteristiche di una sabbia frac di alta qualità includono:

  • sabbia silicea ad alta purezza
  • granulometria perfettamente adattata alle esigenze del lavoro
  • forma sferica che ne consente il trasporto in un fluido per fratture idraulico con turbolenze minime
  • durabilità per resistere alle forze di schiacciamento delle fratture di chiusura

La sabbia di Frac è prodotta in una gamma di dimensioni da 0,1 mm di diametro a oltre 2 mm di diametro a seconda delle specifiche del cliente. La maggior parte della sabbia consumata ha una dimensione compresa tra 0,4 e 0,8 millimetri.

Unità rocciose come la St. Peter Sandstone, la Jordan Sandstone, la Oil Creek Sandstone e la Hickory Sandstone sono state potenziali fonti di materiale di sabbia frac. Queste unità rocciose sono composte da granuli di quarzo che hanno attraversato diversi cicli di erosione ed erosione. Quella lunga storia ha rimosso quasi tutti i grani minerali diversi dal quarzo e ha prodotto grani con forme molto rotonde. Ecco perché è improbabile che la sabbia dragata dai fiumi, scavata dalle terrazze o rimossa dalle spiagge produca un buon prodotto.

Laddove queste unità rocciose sono prodotte, sono generalmente morbide, scarsamente cementate e talvolta leggermente stagionate. Ciò consente loro di essere scavati e frantumati con un danno minimo ai granuli di quarzo. La sabbia di elevata purezza proveniente da aree come gli Appalachi spesso non è adatta alla sabbia frac perché è stata sottoposta a forze tettoniche che hanno deformato la roccia e indebolito i granelli di sabbia.

Miniera di sabbia di Frac nel Wisconsin: Vista aerea di un'operazione di estrazione della sabbia del frac in Wisconsin. La sabbia di Frac è un prodotto altamente specializzato che può essere prodotto solo da un piccolo numero di depositi di sabbia. Foto

Impianto di lavorazione della sabbia Frac: Vista aerea di un impianto di lavorazione della sabbia frac in Wisconsin. Foto

Frac Sand Processing Plants

La sabbia frac non viene utilizzata direttamente da terra. Richiede l'elaborazione per ottimizzare le sue prestazioni. Dopo l'estrazione viene portato in un impianto di lavorazione. Lì viene lavato per rimuovere le particelle fini.

Dopo il lavaggio, la sabbia viene impilata in pile per consentire all'acqua di lavaggio di defluire. Questa operazione viene eseguita all'aperto ed è limitata ai periodi dell'anno in cui le temperature sono superiori allo zero. Dopo che la sabbia è stata scaricata, viene posta in un essiccatore d'aria per rimuovere tutta l'umidità. I grani secchi vengono quindi sottoposti a screening per ottenere frazioni di dimensioni specifiche per clienti diversi.

La sabbia non adatta al fracking viene separata e venduta per altri usi. Alcune sabbie frac potrebbero essere rivestite di resina per migliorare le prestazioni durante l'operazione di fracking. Questo materiale sarà venduto come prodotto premium. Dopo l'elaborazione, la maggior parte della sabbia viene caricata direttamente nei vagoni ferroviari per la consegna ferroviaria.

Alcuni impianti di lavorazione si trovano nel sito minerario. Tuttavia, gli impianti di lavorazione sono molto costosi da costruire e talvolta sono condivisi da più miniere. Questi sono situati centralmente in diverse miniere e la sabbia viene consegnata in camion, treno o nastro trasportatore.

Dove viene prodotta e utilizzata la sabbia Frac?

Alcuni anni fa i produttori di Wisconsin e Texas fornivano gran parte della sabbia fracassata utilizzata dall'industria petrolifera e del gas. Tuttavia, un forte aumento della domanda causato dal boom del gas naturale e dello shale oil ha motivato molte aziende a fornire questo prodotto. Molte di queste compagnie si trovano nella parte centrale degli Stati Uniti, dove la St. Peter Sandstone e unità rocciose simili sono vicine alla superficie e facilmente scavabili. Queste aree sono anche dove le forze tettoniche non hanno causato una ripiegamento grave delle unità rocciose e indebolito i granelli di sabbia. L'area principale si trova negli stati medio occidentali (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska e Wisconsin).

La maggior parte delle sabbie di silice ad alta purezza negli Stati Uniti sono note da decenni. Sono stati usati per la fabbricazione del vetro e per usi metallurgici. L'attuale ricerca di sabbia frac non riguarda "la scoperta di nuove fonti di sabbia", ma piuttosto la determinazione di quali fonti producono materiali superiori.

La sabbia di Frac viene utilizzata per produrre gas naturale, liquidi di gas naturale e petrolio da scisti e altre rocce strette dove è richiesta la fratturazione idraulica. Questi includono: Marcellus Shale, Utica Shale, Bakken Formation, Haynesville Shale, Fayetteville Shale, Eagle Ford Shale, Barnett Shale e molti altri spettacoli di scisto negli Stati Uniti.

Pietra arenaria di San Pietro: Una foto di arenaria di San Pietro ricoperta dalla Joachim Dolomite scattata vicino al Pacifico, Missouri. Immagine di dominio pubblico di Kbh3rd.

Fonti e prezzi della sabbia di Frac

La domanda di sabbia frac in Nord America è cresciuta drasticamente negli ultimi anni in risposta ai numerosi giochi di scisto che si sono sviluppati in molte parti degli Stati Uniti e del Canada. The United States Geological Survey riporta la fonte di questa produzione:

L'ordinario St. Peter Sandstone nel Midwest è una fonte primaria di sabbia silicea per molti usi finali ed è anche una delle principali fonti di sabbia frac. Estratta in cinque stati, la sabbia proveniente dall'arenaria di San Pietro si trova a una ragionevole distanza di trasporto da numerose formazioni sotterranee di scisto che producono gas naturale.
Nel 2011, il 59% della sabbia frac è stata prodotta nel Midwest.

I prezzi medi dichiarati per la sabbia frac nell'Annuario dei Minerali del Geological Survey degli Stati Uniti erano compresi tra $ 45 per tonnellata e $ 50 per tonnellata nel 2010. Nel 2011 il prezzo medio era salito a $ 54,83. Questo è significativamente superiore al prezzo medio di $ 35 per tonnellata per sabbia speciale venduta al di fuori del settore delle costruzioni.

Informazioni su Frac Sand
1 Frac Sand in Wisconsin: Bruce Brown, Wisconsin Geological and Natural History Survey, Fact Sheet 05, 2012.
2 I fatti di Frac: Mark Zdunczyk, articolo di Drilling Minerals, gennaio 2007.
3 Propulsori per fratture idrauliche: articolo, mappa delle fonti di propellente silicea degli Stati Uniti e video sulle proprietà importanti della sabbia frac, 2011.
4 $ and Dollars - Mining Frac Sand in the River Valley: Reggie McLeod, Big River Magazine, luglio-agosto 2011.
5 compagnie petrolifere attratte da Frac Sand: Isabel Ordonez, articolo Dow Jones Newswires su Rigzone.com, maggio 2012.
6 St. Peter Sandstone: articolo del sito Web, Dipartimento delle risorse naturali del Missouri, Programma di indagine geologica, ultimo accesso ottobre 2016.
7 Silica: sondaggio geologico degli Stati Uniti, annuari dei minerali dal 2005-2015.
8 Atlante di acque sotterranee degli Stati Uniti, Indagine geologica degli Stati Uniti, Idrologic Investigations Atlas Series, pubblicato dal 1992 al 2000.

Proppants di bauxite sinterizzata

La bauxite in polvere può essere fusa in microsfere a temperature molto elevate. Queste perle hanno un'altissima resistenza allo schiacciamento e ciò le rende adatte per l'uso come propellente. Il peso specifico delle perle e le loro dimensioni possono essere adattati alla viscosità del fluido di fratturazione idraulica e alla dimensione delle fratture che si prevede si svilupperanno nella roccia. I proppant fabbricati offrono una vasta selezione di granulometria e gravità specifica rispetto a un proppant naturale noto come sabbia frac. La sabbia di Frac è attualmente utilizzata al posto dei proppant fabbricati perché ha un vantaggio in termini di costi e trasporto.