Óleo e gás

O que é Frac Sand?



Esta areia especial é uma das chaves para a produção de petróleo e gás natural a partir de formações de xisto apertadas


Areia Frac: Vista em close-up de areia frac (à direita) e uma areia típica de tamanho de grão semelhante (à esquerda). Observe como a areia frac tem um tamanho de grão mais uniforme, formas de grão bem arredondadas e uma composição uniforme. É também um material muito resistente que pode resistir a forças de compressão de várias toneladas por polegada quadrada. Os grãos nesta imagem têm cerca de 0,50 milímetro de tamanho. foto

Produção de areia Frac: Este gráfico ilustra o aumento espetacular da produção de areia fraturada nos Estados Unidos. Dados do Anuário de Minerais dos Estados Unidos Geological Survey, 2005-2015.

Areia resistente a esmagamento para poços de petróleo e gás

"Areia frac" é uma areia de quartzo de alta pureza com grãos muito duráveis ​​e muito redondos. É um material resistente a esmagamento produzido para uso na indústria do petróleo. É usado no processo de fraturamento hidráulico (conhecido como "fraturamento") para produzir fluidos de petróleo, como óleo, gás natural e líquidos de gás natural a partir de unidades de rocha que não possuem espaço poroso adequado para que esses fluidos fluam para um poço. A maior parte da areia frac é um material natural feito de arenito de alta pureza. Um produto alternativo são contas de cerâmica feitas de bauxita sinterizada ou pequenas contas de metal feitas de alumínio.

A demanda por areia fraturada explodiu nos últimos anos, à medida que milhares de poços de petróleo e gás natural estão sendo estimulados usando o processo de fraturamento hidráulico. (Consulte a tabela de produção.) Um trabalho de fraturamento hidráulico em um poço pode exigir alguns milhares de toneladas de areia. Essa onda de perfuração especializada criou uma indústria de areia fracionada de bilhões de dólares em um tempo muito curto. Entre 2005 e 2015, a quantidade de areia fraturada usada pela indústria de petróleo e gás aumentou dramaticamente.

Vídeo Frac Sand: Vídeo da US Silica demonstrando as características de uma areia fraturada de alta qualidade.

Como é usado o Frac Sand?

Algumas unidades de rocha subterrânea, como o xisto orgânico, contêm grandes quantidades de óleo, gás natural ou líquidos de gás natural que não fluirão livremente para um poço. Eles não fluirão para um poço porque a unidade de rocha não possui permeabilidade (espaços de poros interconectados) ou os espaços de poros na rocha são tão pequenos que esses fluidos não podem fluir através deles.

O processo de fraturamento hidráulico resolve esse problema gerando fraturas na rocha. Isso é feito perfurando um poço na rocha, selando a parte do poço na zona portadora de petróleo e bombeando água sob alta pressão para essa parte do poço. Esta água é geralmente tratada com produtos químicos e espessantes, como a goma de guar, para criar um gel viscoso. Este gel facilita a capacidade da água de transportar grãos de areia fraturada em suspensão.

As grandes bombas na superfície da Terra aumentam a pressão da água na parte selada do poço até que ela seja alta o suficiente para exceder o ponto de ruptura das rochas circundantes. Quando o ponto de ruptura é atingido, eles fraturam repentinamente e a água corre rapidamente para dentro das fraturas, inflando-as e estendendo-as mais profundamente na rocha. Bilhões de grãos de areia são carregados profundamente nas fraturas por essa repentina onda de água. Podem ser necessários alguns milhares de toneladas de areia fracionada para estimular um único poço.

Vídeo Frac Sand: Vídeo da US Silica demonstrando as características de uma areia fraturada de alta qualidade.

Fraturamento hidráulico: Diagrama simplificado de um poço de gás natural que foi construído com perfuração horizontal para aumentar o comprimento de penetração através do Marcellus Shale. O fraturamento hidráulico é normalmente feito na porção horizontal do poço para estimular o fluxo de gás do xisto. Essa configuração de poço é usada em peças de xisto dos Estados Unidos.

Frac Sand como um "propante"

Quando as bombas são desligadas, as fraturas desinflam, mas não fecham completamente - porque são sustentadas por bilhões de grãos de areia fraturada. Isso ocorre apenas se grãos de areia suficientes para resistir à força das fraturas de fechamento tiverem sido lançados na rocha.

As novas fraturas na rocha, sustentadas pelos duráveis ​​grãos de areia, formam uma rede de espaço poroso que permite que fluidos de petróleo fluam para fora da rocha e entrem no poço. A areia frac é conhecida como "propante" porque sustenta as fraturas abertas.

Outros materiais que foram usados ​​como propante incluem contas de cerâmica, contas de alumínio e bauxita sinterizada. A areia frac geralmente oferece o mais alto nível de desempenho e atualmente é o propante mais utilizado pela indústria do petróleo.

Mapa de Jordan Sandstone: Muitas das unidades de rocha que atualmente estão sendo mineradas em areia fraturada também são aqüíferos. Isso torna publicações de pesquisa de águas subterrâneas, como a série de atlas de águas subterrâneas do United States Geological Survey, valiosos documentos de prospecção para determinar a presença, espessura e estrutura de unidades de rochas de arenito. Este mapa é do Atlas de Águas Subterrâneas dos Estados Unidos para Iowa, Michigan, Minnesota e Wisconsin. Ele mostra a extensão geográfica e a espessura do Jordan Sandstone em Minnesota e Iowa. Mapas semelhantes foram publicados nesta série para outras unidades de rochas de arenito e outras áreas geográficas.

Que tipo de areia?

Os propantes da indústria do petróleo devem atender a especificações muito exigentes. As características de uma areia fraturada de alta qualidade incluem:

  • areia de sílica de alta pureza
  • tamanho de grão perfeitamente adequado às exigências do trabalho
  • forma esférica que permite que seja transportado em fluido de fraturamento hidráulico com turbulência mínima
  • durabilidade para resistir às forças de esmagamento das fraturas de fechamento

A areia frac é produzida em uma variedade de tamanhos, de tão pequenos quanto 0,1 milímetros de diâmetro a mais de 2 milímetros de diâmetro, dependendo das especificações do cliente. A maior parte da areia fraturada consumida tem entre 0,4 e 0,8 milímetros de tamanho.

Unidades de rochas como o St. Peter Sandstone, Jordan Sandstone, Oil Creek Sandstone e Hickory Sandstone têm sido fontes potenciais de material de areia fraturada. Essas unidades de rocha são compostas de grãos de quartzo que passaram por vários ciclos de intemperismo e erosão. Essa longa história removeu quase todos os grãos minerais, exceto o quartzo, e produziu grãos com formas muito redondas. É por isso que é improvável que areia retirada de rios, escavada em terraços ou removida de praias produza um bom produto.

Onde essas unidades de rocha são produzidas, elas geralmente são macias, mal cimentadas e, às vezes, levemente desgastadas. Isso permite que eles sejam escavados e esmagados com danos mínimos aos grãos de quartzo. A areia de alta pureza de áreas como os Apalaches muitas vezes não é adequada para areia fraturada porque foi submetida a forças tectônicas que deformaram a rocha e enfraqueceram os grãos de areia.

Mina de areia Frac em Wisconsin: Vista aérea de uma operação de mineração de areia frac em Wisconsin. A areia frac é um produto altamente especializado que só pode ser produzido a partir de um pequeno número de depósitos de areia. foto

Frac facilidade de processamento de areia: Vista aérea de uma instalação de processamento de areia frac em Wisconsin. foto

Plantas de processamento de areia Frac

Areia frac não é usada diretamente do chão. Requer processamento para otimizar seu desempenho. Após a mineração, ele é levado para uma planta de processamento. Lá é lavado para remover partículas finas.

Após a lavagem, a areia é empilhada em pilhas para permitir que a água seja lavada. Esta operação é feita ao ar livre e é restrita a épocas do ano em que as temperaturas estão acima de zero. Depois que a areia é drenada, ela é colocada em um secador de ar para remover toda a umidade. Os grãos secos são então selecionados para obter frações de tamanho específico para diferentes clientes.

A areia que não é adequada para fraturamento é separada e vendida para outros usos. Alguma areia fratizada pode ser revestida com resina para melhorar seu desempenho na operação de fraturamento. Este material será vendido como um produto premium. Após o processamento, a maior parte da areia é carregada diretamente nos vagões para a entrega dos trens.

Algumas plantas de processamento estão localizadas na mina. No entanto, as plantas de processamento são muito caras de construir e às vezes são compartilhadas por várias minas. Eles estão localizados centralmente em várias minas e a areia é entregue por caminhão, trem ou transportador.

Onde é produzido e usado o Frac Sand?

Alguns anos atrás, os produtores de Wisconsin e Texas estavam fornecendo grande parte da areia fraturada usada pela indústria de petróleo e gás. No entanto, um grande aumento na demanda causado pelo boom do gás natural e do óleo de xisto motivou muitas empresas a fornecer esse produto. Muitas dessas empresas estão na parte central dos Estados Unidos, onde o St. Peter Sandstone e unidades de rochas similares estão próximas da superfície e são facilmente escavadas. Essas áreas também são onde as forças tectônicas não causaram dobramento severo das unidades rochosas e enfraqueceram os grãos de areia. A área principal fica nos estados do meio-oeste (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska e Wisconsin).

A maioria das areias de sílica de alta pureza nos Estados Unidos é conhecida há décadas. Eles foram usados ​​para fabricação de vidro e metalúrgico. A busca atual por areia fraturada não se trata de "descobrir novas fontes de areia", mas de determinar quais fontes produzem materiais superiores.

A areia frac é usada para produzir gás natural, líquidos de gás natural e óleo de folhelhos e outras rochas apertadas, onde é necessário fraturar hidráulico. Eles incluem: o Marcellus Shale, o Utica Shale, a Bakken Formation, o Haynesville Shale, o Fayetteville Shale, o Eagle Ford Shale, o Barnett Shale e muitas outras peças de xisto nos Estados Unidos.

Arenito de São Pedro: Uma foto do St. Peter Sandstone tampada pela Joachim Dolomite tirada perto de Pacific, Missouri. Imagem de domínio público por Kbh3rd.

Areia Frac Fontes e Preços

A demanda por areia fraturada na América do Norte aumentou acentuadamente nos últimos anos em resposta a inúmeras peças de xisto em desenvolvimento em muitas partes dos Estados Unidos e Canadá. O Serviço Geológico dos Estados Unidos relata a fonte desta produção:

O Ordovician St. Peter Sandstone no Centro-Oeste é uma fonte primária de areia de sílica para muitos usos finais e também é uma importante fonte de areia fraturada. Minerada em cinco estados, a areia fratificada do arenito de São Pedro fica a uma distância razoável de transporte para inúmeras formações subterrâneas de xisto produzindo gás natural.
Em 2011, 59% da areia frat foi produzida no Centro-Oeste.

Os preços médios relatados para areia fraturada no Anuário de Minerais da Pesquisa Geológica dos EUA estavam entre US $ 45 por tonelada e US $ 50 por tonelada em 2010. Em 2011, o preço médio subiu para US $ 54,83. Isso é significativamente mais alto do que o preço médio de US $ 35 por tonelada para areia especial vendida fora da indústria da construção.

Informação Frac Sand
1 Frac Sand em Wisconsin: Bruce Brown, Pesquisa de História Geológica e Natural de Wisconsin, Ficha 05, 2012.
2 Os fatos de Frac: Mark Zdunczyk, artigo de Drilling Minerals, janeiro de 2007.
3 Proppants de fraturamento hidráulico: artigo, mapa das fontes de propante de sílica dos EUA e vídeo sobre as propriedades importantes da areia de fratura, 2011.
4 $ e dólares - Mineração Frac Sand no vale do rio: Reggie McLeod, Big River Magazine, julho-agosto de 2011.
5 Companhias de petróleo atraídas para Frac Sand: artigo de Isabel Ordonez, Dow Jones Newswires no Rigzone.com, maio de 2012.
6 St. Peter Sandstone: artigo no site, Departamento de Recursos Naturais do Missouri, Programa Geological Survey, acessado pela última vez em outubro de 2016.
7 Sílica: Pesquisa Geológica dos Estados Unidos, Anuários de Minerais de 2005-2015.
8 Atlas de águas subterrâneas dos Estados Unidos, Estados Unidos Geological Survey, Hydrologic Investigations Atlas Series, publicado de 1992 a 2000.

Suportes de bauxita sinterizada

A bauxita em pó pode ser fundida em pequenas esferas a temperaturas muito altas. Essas esferas têm uma resistência muito alta ao esmagamento, o que as torna adequadas para uso como propante. A gravidade específica das esferas e seu tamanho podem ser comparados à viscosidade do fluido de fraturamento hidráulico e ao tamanho das fraturas que se espera que se desenvolvam na rocha. Os propantes fabricados fornecem uma ampla seleção de tamanho de grãos e gravidade específica em comparação com um propante natural conhecido como areia frac. Atualmente, a areia frac é usada em vez de propantes fabricados, porque possui uma vantagem de custo e transporte.