Prof. dr. ing. Lazăr Avram UPG...

GAS FORUM 2013

Aspecte specifice privind explorarea şi exploatarea eficientă a gazelor de şist

Prof. dr. ing. Lazăr Avram UPG PLOIESTI Dr. ing. Ştefan Ciocaniu S. C. GEO TOTAL S.R.L.

Prof. dr. ing. Lazăr Avram Dr. ing. Ştefan Ciocaniu

GAS FORUM 2013


Gaze naturale neconvenţionale - resursele de gaze naturale acumulate în

zăcămintele geologice complexe, cu o permeabilitate scăzută, a căror exploatare

comercială poate fi realizată doar prin aplicarea unor operaţiuni petroliere

sofisticate şi adesea costisitoare.

Aceste acumulări de gaze nu au aceeaşi caracteristică geologică ca aceea a unui

zacământ clasic: roca mamă, rocă rezervor, rocă izolantă, capcană, etanşeitate..

Volumul mondial actual de resurse de gaze neconvenţionale depăşeşte 32,560

trilioane metri cubi, (dacă 0,924·1012 m3) şi nu există nicio îndoială că, pe măsura

ce tehnologiile specifice vor progresa, aceste estimări vor fi revizuite .

GAS FORUM 2013


Termenul de gaze neconvenţionale se referă în special la trei tipuri de resurse

neconvenţionale de gaze naturale:

• gaze din rezervoare (nisipuri) etanşe (tight gas sands),

• gaze din roci argiloase sau gaze de şist (shale gas)

• gaze de cărbune (coalbed methane).

• Tight gas sands - gaze cantonate în rocile nisipoase cu permeabilitate scăzută

şi foarte compacte, a căror exploatare presupune realizarea unor fisuri

hidraulice complexe.

• Shale gas - acumulările de gaze din depozitele argiloase, cu un conţinut

organic total mai mare de 3 %, cu porozităţi şi permeabilităţi scăzute Ca

termen de comparaţie, se apreciază că şistul este mai puţin permeabil decît

betonul (de aici, dificultatea gazelor naturale de a curge spre sondă).

• Coalbed methane reprezintă gazele conţinute în zăcămintele de cărbune.

GAS FORUM 2013


• Tabelul 1.Volumul resurselor de gaze neconvenţionale estimate în lume (Holditch şi Chianelli, aprilie 2008)

Regiunea Gazul de cărbune, tcf

Şisturi bituminoase, tcf

Gaze din zăcăminte etanşe, tcf

Total, tcf

America de Nord 3,017 3,842 1,371 8,228

America latină 0,039 2,117 1,293 3,448 Europe de Vest 0,157 0,510 0,353 1,019

Europa centrală şi de est 0,118 0,039 0,078 0,235

Fosta Uniune Sovietică 3,957 0,627 0,901 5,485

Orientul Mijlociu şi Africa de Nord

0 2,548 0,823 3,370

Africa sub- sahariană 0,039 0,274 0,784 1,097

Asia centrală şi China 1,215 3,528 0,353 5,094

Pacific (O.C.D.E.) 0,470 2,313 0,705 3,487

Alte ţări din Asia-Pacific 0 0,314 0,549 0,862

Asia de Sud 0,039 0 0,196 0,235 Pe glob 9,051 16,112 7,406 32,560


GAS FORUM 2013

• În figura 1 este prezentată o schemă a unei secţiuni geologice cu cele trei tipuri de resurse neconvenţionale de gaze naturale.

Fig. 1. Secţiune geologică (resurse neconvenţionale)) [1]


GAS FORUM 2013

Există trei caracteristici importante care fac diferenţa între gazele neconvenţionale şi

cele clasice.

• Prima: formaţiunile de gaze neconvenţionale sunt situate pe zone vaste,

continue, cu alte cuvinte nu în capcane clasice de hidrocarburi (structurale,

stratigrafice, subtile, etc.).

• A doua: localizarea geologică a gazelor neconvenţionale este mult mai complexă

decât cea a gazelor clasice.

• A treia: cele trei tipuri de surse neconvenţionale de gaze necesită automat şi o

tehnică de stimulare pentru a realiza producţii economice consistente (de

exemplu fisurarea hidraulică).


GAS FORUM 2013

• Forajul în şisturile argiloase

Şistul - roca sedimentară cea mai răspândită pe planetă. Gazele de şist pot fi stocate

într-o acumulare geologică prin diverse mecanisme: în porii rocii, într-un sistem de

fisuri sau adsorbite în şisturi minerale şi organice. Pentru a evalua cantitatea de gaze,

este necesar:

- să se delimiteze zona de expansiune a acumulărilor de gaze de şist;

- să se delimiteze expanisunea verticală a acestor acumulări;

- să se estimeze cantităţile de gaze (rezervele geologice);

- să se estimeze debitele potenţiale iniţiale;

- să se estimeze declinul probabil;

- să se estimeze permeabilitatea sistemului şi a matricii;

- să se determine tipul şi frecvenţa fisurilor;

- să se aleagă tehnologia de fisurare;

- să se fixeze presiunea etc.


GAS FORUM 2013

La ora actuală, pentru exploatarea gazelor de şist se folosesc:

- foraje verticale

- foraje orizontale (dirijate).

Tendinţa, în viitor, se bazează mai mult pe forajele orizontale, ţinându-se seama

de extinderea şi de expunerea optimizată a formaţiunii geologice în acest caz.

Este binecunoscut faptul că realizarea unei sonde orizontale presupune, în primul

rând, efectuarea unui foraj vertical până la o adâncime cunoscută, urmat de KOP

(kick of point - punctul de schimbare a direcţiei de foraj), apoi de o porţiune

deviată până se ajunge la stratul productiv şi, finalmente, de forajul orizontal pe

lungimea proiectată care poate ajunge până la 2500 m. Această porţiune de

sondă, de secţiune orizontală, permite un contact cu formaţiunea de şist mult

mai important decât cel aferent forajului vertical.


GAS FORUM 2013

• Fisurarea hidaulică

Scopul operaţiei de fisurare hidraulică constă în intersectarea şi dechiderea

fisurilor existente într-un zăcământ şi, de asemenea în obţinerea de noi fisuri. Acest

sistem de fisuri este necesar pentru creearea de noi canale prin care gazele naturale

se poată pătrundă în sondă. În acest sens, în şist este injectat un fluid care are în

compoziţia sa, apă, substanţe chimice şi nisip. Sistemul de pregătire şi injecţie este

conceput astfel ca fluidul să fie adaptat formaţiunilor de roci pe care le traversează.

Compoziţia acestor fluide variază în funcţie de condiţiile geologice, tipul rocii, faza de

lucru, adâncime .

Este foarte important ca să se poată schimba vâscozitatea şi funcţiile acestor fluide în

timpul deplasării de la suprafaţă către extremitatea zonei fisurate şi în timpul curăţării

şi drenării fisurii (fig. 2).


GAS FORUM 2013

Fig. 2. Schemă de stimulare a fisurilor


GAS FORUM 2013

• Materiile granulare (produsele chimice şi nisipul) vor conduce la explozia formaţiunii

de aşa manieră încât să se obţină fisurile pentru eliberarea gazului care va ajunge

apoi, la suprafaţă, prin intermediul sondei (fig. 3). În acelaşi timp, nisipul este injectat

şi pentru a împiedica reblocarea fisurilor de mici (de ordinul milimetrilor.

• Printre tipurile de aceste produse chimice utilizate în cadrul acestei operaţii se pot

enumera: [3]: 1,2 benzisothiazolin-2, 1,2-benzisothiazolin-3, 1,2,4 trimetilbenzen, 1,4-

dioxane, 1-eicozen, 1-hexadezen, 1-octadezen; 1-tétradezen, anhidrid acetic, acetonă,

acrilamidă etc. (compoziţia şi conţinutul fiecărui produs sau amestec au fost ţinute

secret de către producătorii şi utilizatorii americani, care au cerut expres Senatului ca

legea să nu le impună să dezvăluie numele acestor produse).


GAS FORUM 2013

Fig. 3. Diagramă de extracţie a gazelor


GAS FORUM 2013

• Potrivit specialiştilor de la Halliburton şi a altor operatori din domeniu, mai mult

de 99,5% din fluidul utilizat în fisurarea hidraulică este compus din apă şi nisip.

Uneori nisipul poate fi acoperit cu răşină sau înlocuit cu bile din ceramică.

• Cea mai performantă metodă utilizată în prezent este aceea a fisurării hidraulice

în mai multe etape. În acest caz, secţiunea orizontală este împărţită în mai multe

intervale care sunt fisurate independent.

• Mai exact spus, şistul este fisurat, la presiuni ridicate, în diverse puncte, de-a

lungul secţiunii orizontale a sondei. În timpul executării operaţiei într-o secţiune,

toate celelalte sunt izolate, utilizându-se diferite tipuri de dopuri sau de packere.


GAS FORUM 2013

• Reversul medaliei

Rolul apei în procesul de fisurare este crucial. Exploatarea unei sonde cere utilizarea

a milioane de litrii de apă (în medie de la 8 la 35 millioane, pentru fiecare operaţie

de fracturare).

Apa utilizată pentru fisurarea unui şist este prelevată din râuri. Această cantitate

imensă de apă presupune crearea unor bazine de stocare (mai multe piscine

olimpice).

După realizarea operaţiei de fisurare, aproximativ 40 - 50 % din cantitatea de fluide

utilizată se va reîntoarce la suprafaţă şi va trebui stocată în bazine de retenţie.

Restul lichidului de fisurare va umezi rocile aferente zăcământului şi nu poate fi

recuperat din cauza presiunii scăzute a zăcământului. Totuşi, acestă operaţiune se

realizează doar o singură dată, la începutul exploatării sondelor.


GAS FORUM 2013

• Apa este amestecată cu nisip şi cu aditivi chimici pentru a rezulta un fluid care va fi

injectat pentru fisurarea pereţilor şistului. Printre aditivii chimici se numără

biocidul, lubrifianţii şi detergenţii. Apa care va urca la suprafaţă după terminarea

operaţiunii, poate conţine saramură întâlnită în adâncul pământului, ca şi materiale

grele.

• În aprilie 2011, un raport parlamentar american indica faptul că exploatarea

gazelor din şisturi a antrenat utlizarea, între 2005 şi 2009, a « mai mult de 2500 de

produse pentru operaţiuea de fisurare hidraulică, care conţine 750 de substanţe

chimice, dintre care 29 sunt cunoscute ca fiind cancerigene sau suspectate de a fi

cancerigene sau care prezintă riscuri pentru sănătate şi mediu» .

• O operaţie de fisurare hidraulică poate avea consecinţe nefaste asupra mediului

ambiant: poluarea apelor subterane şi a solurilor, degradarea peisajului, zgomotul

etc. Acest aspect, fără a lua în calcul şi scurgerile de gaze, pot contribui la

accentuarea efectului de seră.


GAS FORUM 2013

• . • Progresele realizate în monitorizarea şi controlul fisurării hidraulice din straturile

bogate în gaze (de obicei, la mai mult de un kilometru sub pânza freatică) fac ca riscul unei comunicări directe între stratul exploatat şi pânzele freatice să fie improbabile.

• Ar trebui să se insiste mai mult pe realizarea corectă a consolidării (tubare şi cimentare) sondei, realizării carotajului geofizic de control ş.a.

• Apele freatice pot fi afectate într-o manieră indirectă de: deversarea apelor de producţie sau refluxul necontrolat de fluide de la suprafaţă; riscurile legate de gestionarea bazinului de decantare; riscurile legate de transportul apelor uzate şi a aditivilor chimici cu camioane cisternă; riscurile legate de tratarea apelor contaminate etc.

• Alte riscuri referitoare la contaminarea apei privesc bazinele de gestionare a apelor uzate care pot conţine produse chimice, metale grele, metan, saramură etc. Riscurile sunt deosebit de importante mai ales atunci când este vorba de proximitatea unor terenuri agricole sau de prezenţa zonelor locuite. Acest aspect presupune aplicarea unor măsuri stricte de gestionare a resurselor.


GAS FORUM 2013

• In Franţa, proiectele de exploatare se află în fază de cercetare preliminară, fiind

acordate doar trei autorizaţii de exploatare, dintre acestea, două, revenindu-i

companiei americane Schuepbach Energy LLC. Cercetările se întind pe o suprafaţă

care totalizează 9 672 km², în departamentele: Ardèche, Drôme, Vaucluse, Gard,

Hérault, Aveyron şi Lozère, pentru durate cuprinse între 3 şi 5 ani.

• În urma a numeroase dezbaterii pe tema gazelor de şist, a fost elaborat un raport

ministerial, iar Senatul francez s-a pronunţat pe 10/06/2011, în favoarea

propunerii de lege Jacob, care interzice metoda fisurării hidraulice pentru

extracaţia gazelor de şist.

• În cele din urmă, doar fisurarea hidraulică este interzisă prin această lege. Dacă nu

există în prezent nicio altă metodă de extracţie, ne putem gândi deja la alternative,

cum ar fi fisurarea prin metan lichefiat sau fisurarea prin arc electric.


GAS FORUM 2013

• Decizia de trecere la exploatarea comercială a unui zăcământ de gaze de şist

presupune atingerea unui punct culminant abia după câţiva ani de cercetări,

experimente, colectări de date.

• În acest sens propunem, în cele ce urmează, o schemă cu cinci etape pentru

exploatarea unui zăcământ de gaze de şist.

• Prima etapă, cu o durată de la 1 la 3 ani, constă în identificarea resurselor de gaze de

şist. Se prelevează un număr mare de carote mecanice pentru evaluarea geologică

detaliată a caracteristicilor rocilor, în scopul stabilirii următorilor parametrii:

porozitatea, saturaţia, permeabilitatea, densitatea, conţinutul de gaze (metri cubi/

tone), timpul de desorbţie a argilei, presiunea şi temperatura zăcământului,

proprietăţile mecanice ale rocilor (modulul Young şi coeficientul Poisson),

determinarea conţinutului organic total.


GAS FORUM 2013

• A doua etapă, cu o durată de la 1 la 3 ani, este aceea a evaluării preliminare care

include evaluarea extinderii suprafeţei de acumulare a gazelor de şist. Se

efectuează investigaţii seismice pentru a evalua extinderea formaţiunii gazeifere

şi, de asemenea, pentru a detecta defecte sau discontinuităţi care pot avea

impact semnificativ asupra zăcământului potenţial. Se vor realiza estimări cu

privire la rezervele geologice şi factorul de recuperare, proprietăţile mecanice ale

rocilor, extinderea pe orizontală şi pe verticală a acumulării de gaze de şist,

cantităţile de gaze libere şi gaze absorbite în matricea rocii, debitele potenţiale

iniţiale şi declinul probabil .

• A treia etapă este aceea a proiectului pilot de foraj. În această etapă se realizează

forajul unei sonde orizontale, determinându-se proprietăţile zăcământului şi

alegându-se tehnica de echipare a sondei. În acelaşi timp trebuie forate, în

continuare, sonde verticale în zonele adiacente cu potenţial important de gaze de

şist şi trebuie efectuate testele iniţiale de producţie.


GAS FORUM 2013

• A patra etapă corespunde testării-pilot a producţiei. În această etapă se

relizează forajul unei sonde orizontale multiple, pe aceeaşi platformă, ca parte a

unui proiect-pilot complet. Se analizează şi se optimizează tehnicile de foraj, de

fisurare multiplă şi cele de investigare micro-seismică. După aceea se va efectua

testul-pilot de producţie.

• A cincea etapă şi ultima, este reprezentată de exploatarea comercială. Ea constă

în luarea deciziei de a se trece la exploatarea zăcământului şi obţinerea

aprobărilor guvernamentale pentru construirea staţiilor de gaze, a conductelor

şi realizarea forajului. După punerea în exploatare a primei sonde, cu certe

performanţe economice, se pot pregăti documentele de raportare a descoperirii

gazelor de şist, pentru a delimita clar domeniul de aplicare şi a pregăti planul de

dezvoltare.


GAS FORUM 2013

Concluzii şi propuneri 1. Accesul la o suprafaţă extinsă a zăcământului este avantajoasă în raport cu sondele verticale convenţionale, dar este mai scump. Dificultăţile tehnice şi durata mai lungă a forajului orizontal sau a fisurării explică costul mai mare al procedeului. În general, sondele orizontale de gaze costă de la 5 milioane până la 10 milioane de dolari. Mai mult decât atât, ca şi regulă generală, producătorii recuperează doar 20 % din gaz, comparativ cu 90% din gazul recuperat din zăcămintele de gaze clasice. Astfel că, un calcul economic prelabil este absolut necesar. 2. Volumul mondial de resurse actuale de gaze neconvenţionale este foarte important. Acesta depăşeşte 32,560 trilioane metri cubi de gaze. Între acestea, gazele din şisturi ocupă primul loc cu 16,112 trilioane metri cubi. Nu există niciun dubiu că pe măsură ce tehnologiile specifice vor avansa, aceste estimări vor fi revizuite într-un sens pozitiv. 3. La ora actuală, combinarea forajului orizontal cu operaţia de fisurare hidraulică în mai multe etape a condus la o creştere semnificativă a producţiei de gaze din şisturi. În scopul protejării mediului înconjurător, ne putem gândi deja la soluţii alternative cum ar fi fisurarea prin metan lichefiat sau fisurarea prin arc electric.


GAS FORUM 2013

4. Pentru a reduce riscurile poluării apelor freatice, în primul rând trebuie să se optimizeze programele de tubare şi de cimentare a sondelor orizontale. În acelaşi timp, pentru protecţia apelor freatice, a zăcămintelor şi a mediului înconjurător, trebuie să se reacţioneze cu privire la natura şi compoziţia produselor chimice care sunt folosite în operaţia de fisurare. 5. Decizia de a trece la exploatarea comercială a zăcămintelor de gaze din şisturi presupune ajungerea la un punct culminant după câţiva ani de cercetări, experimente, colectări de date, etc. În acest sens noi propunem un sistem cu cince etape pentru exploatarea şi dezvoltarea zăcământului de gaze din şisturi.

Prof. dr. ing. Lazăr Avram UPG...

Documents

Transcript of Prof. dr. ing. Lazăr Avram UPG...