Normalement, dans « Exploitation minière et raffinage », nous nous concentrons sur le matériau lui-même qui est extrait et raffiné. Nous avons tout couvert, du cuivre au tungstène, en passant par des matériaux plus inhabituels comme le soufre et l'hélium. L'idée est de mettre en lumière la géologie et la chimie du matériau tout en se concentrant sur les différentes technologies nécessaires pour exploiter et commercialiser des gisements souvent très rares ou peu concentrés.
Cette fois, cependant, nous allons nous intéresser non pas à une ressource spécifique, mais à une technique : la fracturation hydraulique. La fracturation hydraulique fait l'actualité ces derniers temps en raison de son impact potentiel sur l'environnement, à la fois en termes de ses effets immédiats sur la qualité des eaux souterraines et de la perpétuation de notre dépendance aux combustibles fossiles. Comprendre ce qu'est la fracturation hydraulique et comment elle fonctionne est essentiel pour pouvoir évaluer les risques et les avantages de son utilisation. Il y a aussi le fait que, comme c'est le cas pour de nombreux processus d'ingénierie réalisés à grande échelle, il se passe beaucoup de choses intéressantes dans le domaine de la fracturation hydraulique qui méritent d'être explorées à part entière.
Boue fossile
Bien que la fracturation hydraulique soit utilisée depuis au moins les années 1940 pour stimuler la production de puits de pétrole et de gaz et qu'elle soit utilisée dans toutes sortes de puits forés dans plusieurs types de roches, la fracturation hydraulique est aujourd'hui plus fortement associée au développement de gisements de pétrole et de gaz naturel dans le pays. schiste argileux. Le schiste est une roche sédimentaire formée à partir de boues anciennes constituées de fins grains d'argile et de limon. Ce sont quelques-uns des matériaux les plus fins possibles, avec des grains allant de 62 microns de diamètre à moins d'un micron. Les grains fins ne sortent de la suspension que très lentement et ont tendance à le faire uniquement là où il n'y a pas de courants.
L'éclatement de la Pangée au cours de la période du Crétacé a fourni une grande partie des formations de schiste économiquement importantes dans l'est des États-Unis d'aujourd'hui, comme la formation de Marcellus qui s'étend de l'État de New York à l'Ohio et jusqu'au Tennesee. Les eaux chaudes et calmes de l’océan Atlantique nouvellement formé constituaient l’endroit idéal pour que les eaux de ruissellement chargées d’argile et de limon s’accumulent et se déposent, formant finalement la formation de schiste.
Le schiste est souvent associé au pétrole et au gaz naturel car les conditions qui favorisent sa formation favorisent également la création d’hydrocarbures. Les eaux chaudes et calmes du Crétacé étaient parfaites pour la croissance du phytoplancton et des algues, et lorsque ces organismes mouraient, ils pleuvaient avec les grains de limon et d'argile dans l'environnement pauvre en oxygène au fond. Couche après couche, elle s'est construite lentement au fil des millénaires, mais au lieu de se décomposer comme elles l'auraient fait dans un environnement riche en oxygène, les conditions réductrices ont lentement transformé la biomasse en kérogène ou en dépôts solides d'hydrocarbures. Avec l’ajout de chaleur et de pression, les hydrocarbures contenus dans le kérogène ont été transformés en pétrole et en gaz naturel.
Dans certains cas, la structure granulaire serrée du schiste agit comme une barrière imperméable pour empêcher le pétrole et le gaz générés dans les couches inférieures de flotter vers le haut, formant ainsi des dépôts souterrains de liquide et de gaz. Dans d’autres cas, les kérogènes sont transformés en pétrole ou en gaz naturel au sein même des schistes, piégés dans leurs pores. Sous une pression suffisante, le gaz peut même se dissoudre directement dans la matrice de schiste elle-même, pour être libéré uniquement lorsque la pression dans la roche est relâchée.
Alésage horizontal
Bien que l’accès à ces gisements de pétrole et de gaz séquestrés nécessite plus que simplement forer un trou dans le sol, la fracturation hydraulique commence exactement par cela. Des techniques traditionnelles de forage de puits, où une plate-forme à table rotative utilisant des longueurs de tiges de forage fait tourner un trépan dans des couches rocheuses souterraines tout en pompant une boue appelée boue de forage dans le forage pour refroidir et lubrifier le trépan, sont utilisées pour démarrer le puits. Le forage initial descend tout droit jusqu'à ce qu'il traverse l'aquifère le plus bas de la région, auquel cas l'ensemble du forage est recouvert d'un tubage en acier. Le tubage est rempli de coulis cimentaire qui est expulsé du fond du tubage par un bouchon inséré à la surface et pressé par l'appareil de forage. Cela comprime le coulis entre l'extérieur du tubage et le trou de forage et remonte à la surface, le scellant des couches aquifères qu'il traverse et servant de base aux équipements qui seront éventuellement ajoutés à la tête de puits, tels que obturateurs anti-éruption.
Une fois le puits bouché, le forage vertical se poursuit jusqu'au point de départ, où le forage passe de la verticale à l'horizontale. Étant donné que la couche de schiste cible est relativement mince – souvent seulement 50 à 300 pieds (15 à 100 mètres) d’épaisseur – le forage d’un forage vertical à travers elle n’exposerait qu’une petite partie de la surface. La fracturation hydraulique consiste à augmenter la surface et à relier autant de pores du schiste au forage ; le forage horizontal dans la veine de schiste rend cela possible. Les géologues et les ingénieurs miniers déterminent le point de départ sur la base de relevés sismiques et de journaux de forage provenant d'autres puits de la région et calculent le rayon nécessaire pour placer le forage au milieu de la veine. Étant donné que le train de tiges ne peut tourner que de quelques degrés au maximum, le rayon a tendance à être énorme, souvent des centaines de mètres.
Le forage directionnel est utilisé depuis les années 1920, souvent pour voler du pétrole provenant d’autres claims, et de nombreuses techniques ont été développées pour changer la direction d’un train de tiges en profondeur. L’une des méthodes les plus couramment utilisées dans les puits de fracturation est le moteur à boue. Alimenté par de la boue de forage pompée dans la tige de forage et forcée entre un stator hélicoïdal et un rotor, le moteur à boue peut faire tourner le trépan entre 60 et 100 tr/min. Lors du forage d'un puits vertical traditionnel, le moteur à boue peut être utilisé en plus de faire tourner l'ensemble du train de tiges, pour obtenir un taux de pénétration plus élevé. Le moteur à boue peut également alimenter le trépan avec le train de tiges verrouillé en place, et en ajoutant des entretoises angulaires entre le moteur à boue et le train de tiges, le trépan peut commencer à forer à un angle faible, généralement à quelques degrés seulement par rapport à la verticale. Le train de tiges est suffisamment flexible pour se plier et suivre le moteur de boue sur son chemin pour croiser la couche de schiste. L'azimut du forage peut également être modifié en faisant tourner le train de tiges de manière à ce que le trépan se dirige dans une direction légèrement différente. Certains outils permettent de modifier la courbure du moteur sans tirer tout le train de tiges vers le haut, ce qui représente une économie importante.
Déterminer où se trouve le trépan sous des kilomètres de roche est le travail d'outils de fond de trou comme l'outil de mesure en cours de forage (MWD). Ces outils alimentés par batterie varient dans ce qu'ils peuvent mesurer, mais comprennent généralement des capteurs de température et de pression et des unités de mesure inertielle (IMU) pour déterminer l'angle de la mèche. Certains outils MWD incluent également des magnétomètres pour l'orientation par rapport au champ magnétique terrestre. La transmission des données à la surface depuis le MWD peut poser problème, et bien que les connexions électriques et à fibre optique soient de plus en plus utilisées de nos jours, de nombreux MWD utilisent la boue de forage elle-même comme moyen de transport physique. La télémétrie de la boue utilise des ondes de pression créées dans la colonne de boue de forage pour renvoyer les données aux transducteurs de pression en surface. Les débits de données sont faibles ; 40 points de base au mieux, diminuant fortement avec l'augmentation de la distance. La télémétrie de la boue est également gênée par tout gaz dissous dans la boue de forage, ce qui atténue fortement le signal.
Que la fracturation hydraulique commence
Une fois le forage horizontal placé dans la couche de schiste, un tubage en acier est placé dans le forage et jointoyé avec du ciment. À ce stade, le forage est complètement isolé de la roche environnante et doit être perforé. Ceci est accompli avec un pistolet perforateur, un tronçon de tuyau parsemé de petites charges creuses. Le canon perforant est préparé en surface par des artificiers qui placent les charges dans le canon et les relient entre elles par un cordeau détonant. Le canon est abaissé dans l'alésage et placé à l'extrême extrémité de la section horizontale, appelée pointe. Lorsque les charges explosent, elles forment des jets très énergétiques de métal fluidisé qui traversent le tubage et le coulis et pénètrent dans les schistes environnants. La profondeur et la largeur de la pénétration dépendent de la charge creuse spécifique utilisée, mais peuvent s'étendre jusqu'à un demi-mètre dans la roche environnante.
La perforation peut également être réalisée de manière non explosive, à l'aide d'un outil qui dirige des jets de fluide chargé d'abrasif à haute pression à travers des orifices situés sur ses côtés. Il n'est pas très éloigné de la découpe au jet d'eau et peut couper à travers l'enveloppe en acier et en ciment et pénétrer profondément dans les schistes environnants. L'avantage de ce type de perforation est qu'il peut être intégré dans un seul outil polyvalent qui peut
Une fois l’alésage perforé, une fracturation peut se produire. Le principe est simple : un fluide incompressible est pompé dans le forage sous forte pression. Le fluide quitte le forage et pénètre dans les perforations, fissurant la roche et agrandissant les perforations d'origine. Les fissures peuvent s’étendre sur plusieurs mètres depuis le forage d’origine jusqu’à la roche, exposant ainsi une bien plus grande surface de roche au forage.
La pression nécessaire pour fracturer hydrauliquement une roche solide, peut-être à un mile ou plus sous la surface, peut être énorme – jusqu'à 15 000 livres par pouce carré (100 MPa). En plus de la haute pression, le fluide de fracturation doit être pompé à des volumes extrêmement élevés, jusqu'à 10 pieds cubes/s (265 l/s). Le volume global de matériau nécessaire est également impressionnant : un forage de 6 pouces et 10 000 pieds de long nécessiterait à lui seul près de 15 000 gallons de fluide. Ajoutez le volume de liquide nécessaire pour combler les fractures et cela pourrait facilement dépasser 5 millions de gallons.
Le fluide de fracturation est une boue composée principalement d’eau et de sable. Le sable sert d'agent de soutènement, qui empêche les minuscules microfractures de s'effondrer une fois la pression de fracturation relâchée. Le fluide de fracturation contient également une fraction d'un pour cent de divers additifs chimiques, principalement pour former un gel qui transfère efficacement la force hydraulique tout en maintenant l'agent de soutènement en suspension. La gomme de guar, un polysaccharide hydrosoluble extrait des graines de guar, est souvent utilisée pour créer le gel. Les gels de fracturation sont parfois décomposés après un certain temps pour éliminer les fractures et permettre un écoulement plus libre ; une combinaison d'acides et d'enzymes est généralement utilisée pour ce travail.
Une fois la fracturation terminée, le fluide de fracturation est retiré du trou de forage. Il est impossible de récupérer tout le liquide ; Parfois, jusqu'à 50 % sont récupérés, mais souvent aussi peu que 5 % peuvent être pompés vers la surface. Une fois qu'une section du forage a été fracturée, elle est isolée du reste du puits par un bouchon isolant placé en amont de la section fraîchement fracturée. L’ensemble du processus – perforation, fracturation, récupération, isolation – est répété dans le trou de forage jusqu’à ce que la totalité du forage horizontal soit fracturée. Les bouchons isolants sont ensuite forés et le puits peut commencer sa production.
