Indhold
- Et knusebestandigt sand til olie- og gasbrønde
- Hvordan bruges Frac Sand?
- Frac Sand som en "Proppant"
- Hvilken type sand?
- Frac sandbehandlingsanlæg
- Hvor produceres og bruges Frac Sand?
- Frac sandkilder og priser
- Sinterede Bauxit Proppanter
Frac sand: Nærbillede af frac sand (til højre) og et typisk sand med lignende kornstørrelse (til venstre). Bemærk, hvordan frac sandet har en mere ensartet kornstørrelse, pænt afrundede kornformer og en ensartet sammensætning. Det er også et meget hårdt materiale, der kan modstå trykstyrker på op til flere tons pr. Kerner på dette billede er ca. 0,50 millimeter store.
Frac sandproduktion: Dette diagram illustrerer den spektakulære stigning i produktionen af ​​frac sand i USA. Data fra USA's Geological Survey Minerals Yearbooks, 2005-2015.
Et knusebestandigt sand til olie- og gasbrønde
"Frac sand" er et kvartssand med høj renhed med meget holdbare og meget runde korn. Det er et knusebestandigt materiale, der er produceret til brug af olieindustrien. Det bruges i den hydrauliske brudproces (kendt som "fracking") til at fremstille petroleumsvæsker, såsom olie, naturgas og naturgasvæsker fra klippeenheder, der mangler tilstrækkelig poreplads til, at disse væsker kan strømme til en brønd. De fleste frac sand er et naturligt materiale lavet af sandsten med høj renhed. Et alternativt produkt er keramiske perler fremstillet af sintret bauxit eller små metalperler fremstillet af aluminium.
Efterspørgslen efter frak sand har eksploderet i de senere år, da tusinder af olie- og naturgasbrønde stimuleres ved hjælp af den hydrauliske brudproces. (Se produktionsoversigten.) Et hydraulisk brudjob på en brønd kan kræve et par tusinde tons sand. Denne bølge af specialiseret boring har skabt en milliard dollar frac sandindustri på meget kort tid. Mellem 2005 og 2015 er mængden af ​​frac sand brugt af olie- og gasindustrien steget dramatisk.
Frac sand video: Video af US Silica, der demonstrerer egenskaberne ved frak sand af høj kvalitet.
Hvordan bruges Frac Sand?
Nogle underjordiske klippeenheder, såsom organisk skifer, indeholder store mængder olie, naturgas eller naturgasvæsker, der ikke vil flyde frit til en brønd. De vil ikke strømme til en brønd, fordi klippeenheden enten mangler permeabilitet (indbyrdes forbundne porrum), eller porerummene i klippen er så små, at disse væsker ikke kan strømme gennem dem.
Den hydrauliske brudproces løser dette problem ved at frembringe brud i klippen. Dette gøres ved at bore en brønd i klippen, forsegle delen af ​​brønden i den olieholdige zone og pumpe vand under højt tryk i den del af brønden. Dette vand behandles generelt med kemikalier og fortykningsmidler, såsom guargummi, for at skabe en tyktflydende gel. Denne gel letter vandets evne til at bære kerner af frac sand i suspension.
Store pumper på jordoverfladen øger vandtrykket i den forseglede del af brønden, indtil den er høj nok til at overskride brugen af ​​de omgivende klipper. Når deres brudpunkt nås, sprækker de pludselig, og vand løber hurtigt ind i brudene, blæser dem op og strækker dem dybere ned i klippen. Milliarder sandkerner transporteres dybt ind i brudene ved denne pludselige vandløb. Et par tusind tons frac sand kan være påkrævet for at stimulere en enkelt brønd.
Frac sand video: Video af US Silica, der demonstrerer egenskaberne ved frak sand af høj kvalitet.
Hydraulisk brud: Forenklet diagram over en naturgasbrønd, der er konstrueret med vandret boring for at øge penetrationslængden gennem Marcellus-skiferen. Hydraulisk brud udføres typisk i den horisontale del af brønden for at stimulere en strøm af gas fra skiferen. Denne brøndkonfiguration bruges i skiferspil i De Forenede Stater.
Frac Sand som en "Proppant"
Når pumperne er slukket, tømmes brudene, men lukkes ikke helt - fordi de er åbne af milliarder af korn af frak sand. Dette forekommer kun, hvis der er leveret tilstrækkelig sandkorn til at modstå kraften fra de lukkende brud i klippen.
De nye brud i klippen, som er åbnet af de holdbare sandkorn, danner et netværk af poreplads, der tillader, at petroleumsvæsker flyder ud af klippen og ind i brønden. Frac sand er kendt som en "proppant", fordi det rekviserer brudene åben.
Andre materialer, der er blevet anvendt som et beskyttelsesmiddel, inkluderer keramiske perler, aluminiumsperler og sintret bauxit. Frac sand leverer generelt det højeste niveau af ydeevne, og det er i øjeblikket den støtte, der hyppigst bruges af olieindustrien.
Jordan Sandstone kort: Mange af de klippeenheder, der i øjeblikket udvindes til frak sand, er også akviferer. Dette gør publikationer om grundvandsforskning, såsom grundvandsatlas-serien fra De Forenede Staters geologiske undersøgelse, til værdifulde efterforskningsdokumenter til bestemmelse af tilstedeværelsen, tykkelsen og strukturen af ​​sandstenstenheder.Dette kort er fra USA's grundvandsatlas for Iowa, Michigan, Minnesota og Wisconsin. Det viser den geografiske udstrækning og tykkelse af Jordan Sandstone i Minnesota og Iowa. Lignende kort er blevet offentliggjort i denne serie for andre sandstenstenheder og andre geografiske områder.
Hvilken type sand?
Proppanter til olieindustrien skal opfylde meget krævende specifikationer. Egenskaberne ved et højkvalitets frac-sand inkluderer:
- silicasand med høj renhed
- kornstørrelse perfekt tilpasset jobkrav
- sfærisk form, der gør det muligt at bære det i hydraulisk brudfluid med minimal turbulens
- holdbarhed til at modstå knusningskræfter ved lukning af brud
Frac-sand produceres i en række størrelser fra så små som 0,1 mm i diameter til over 2 mm i diameter afhængigt af kundens specifikationer. Det meste af det konsumerede frac-sand er mellem 0,4 og 0,8 mm.
Klippeenheder som St. Peter Sandstone, Jordan Sandstone, Oil Creek Sandstone og Hickory Sandstone har været potentielle kilder til frac sandmateriale. Disse klippeenheder er sammensat af kvartskorn, der har været igennem flere cyklusser af forvitring og erosion. Den lange historie har fjernet næsten alle mineralkorn bortset fra kvarts og produceret korn med meget runde former. Dette er grunden til, at sand, der er udgravet fra floder, udgravet fra terrasser eller fjernet fra strande, sandsynligvis ikke producerer et godt produkt.
Hvor disse stenenheder produceres, er de normalt bløde, dårligt cementerede og undertiden let forvitret. Dette giver mulighed for at blive udgravet og knust med minimal skade på kvartskornene. Sand med høj renhed fra områder som Appalachians er ofte ikke egnet til frac sand, fordi det er blevet udsat for tektoniske kræfter, der har deformeret klippen og svækket sandkornene.
Frac sandmine i Wisconsin: Luftfoto af en sand fra minedrift i Wisconsin. Frac sand er et yderst specialiseret produkt, der kun kan produceres fra et lille antal sandaflejringer.
Frac sandforarbejdningsanlæg: Luftfoto af en anlæg til forarbejdning af frac sand i Wisconsin.
Frac sandbehandlingsanlæg
Frac sand bruges ikke direkte fra jorden. Det kræver behandling for at optimere dens ydelse. Efter minedrift føres det til et forarbejdningsanlæg. Der vaskes det for at fjerne fine partikler.
Efter vask stables sandet i bunker for at lade vaskevandet dræne af. Denne handling udføres udendørs og er begrænset til tidspunkter af året, hvor temperaturerne er over frysepunktet. Når sandet er drænet, anbringes det i en lufttørrer for at fjerne al fugt. De tørre kerner screenes derefter for at opnå specifikke størrelsesfraktioner for forskellige kunder.
Sand, der ikke er egnet til fracking, separeres og sælges til anden brug. Noget frac sand kan være harpiksbelagt for at forbedre dets ydeevne i frackingoperationen. Dette materiale vil blive solgt som et premiumprodukt. Efter forarbejdning lægges det meste sand direkte i togbiler til levering af jernbane.
Nogle forarbejdningsanlæg er placeret på minen. Forarbejdningsanlæg er imidlertid meget dyre at bygge og deles nogle gange af flere miner. Disse er centralt placeret i flere miner, og sandet leveres med lastbil, tog eller transportør.
Hvor produceres og bruges Frac Sand?
For nogle få år siden leverede producenter i Wisconsin og Texas meget af det frac sand, der blev brugt af olie- og gasindustrien. En enorm stigning i efterspørgsel forårsaget af boom af naturgas og skiferolie har imidlertid motiveret mange virksomheder til at levere dette produkt. Mange af disse virksomheder er i den centrale del af USA, hvor St. Peter Sandstone og lignende klippeenheder er tæt på overfladen og let udgravet. Disse områder er også hvor tektoniske kræfter ikke har forårsaget alvorlig foldning af klippeenhederne og svækket sandkornene. Det primære område er i de midtvestlige stater (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska og Wisconsin).
De fleste af silicasandene med høj renhed i USA har været kendt i årtier. De er blevet brugt til glasfremstilling og metallurgisk brug. Den aktuelle søgning efter frac sand handler ikke om "at opdage nye kilder til sand", det handler i stedet om at bestemme, hvilke kilder der producerer overlegne materialer.
Frac sand bruges til at producere naturgas, naturgasvæsker og olie fra skifer og andre tætte klipper, hvor der kræves hydraulisk brud. Disse inkluderer: Marcellus skifer, Utica skifer, Bakken formation, Haynesville skifer, Fayetteville skifer, Eagle Ford skifer, Barnett skifer og mange andre skiferspil i hele USA.
St. Peter Sandstone: Et foto af St. Peter Sandstone, som er taget af Joachim Dolomite taget nær Pacific, Missouri. Offentligt ejendomsbillede af Kbh3rd.
Frac sandkilder og priser
Efterspørgslen efter frak sand i Nordamerika er steget kraftigt i de sidste par år som reaktion på adskillige skiferspil, der udvikles i mange dele af USA og Canada. Den amerikanske geologiske undersøgelse rapporterer kilden til denne produktion:
Ordovicium St. Peter Sandstone i Midtvesten er en primær kilde til silicasand til mange slutbrug og er også en vigtig kilde til frac sand. Fraket sand fra St. Peter Sandstone, der er udkøbt i fem stater, ligger inden for rimelig transportafstand til adskillige underjordiske skifer, der producerer naturgas.I 2011 blev 59% af frac sand produceret i Midtvesten.
De rapporterede gennemsnitspriser for frac sand i U.S. Geological Survey Minerals Årbog lå mellem $ 45 pr. Ton og $ 50 pr. Ton i 2010. I 2011 var gennemsnitsprisen steget til $ 54,83. Dette er markant højere end gennemsnitsprisen på $ 35 pr. Ton for specialsand, der sælges uden for byggebranchen.
Sinterede Bauxit Proppanter
Pulveriseret bauxit kan smeltes i små perler ved meget høje temperaturer. Disse perler har en meget høj knusemodstand, og det gør dem velegnede til brug som et støttemiddel. Perlernes specifikke tyngdekraft og deres størrelse kan tilpasses viskositeten af ​​det hydrauliske brudfluid og størrelsen på brud, som forventes at udvikle sig i klippen. Fremstillede proppanter tilvejebringer et bredt udvalg af kornstørrelse og specifik tyngdekraft sammenlignet med en naturlig proppant kendt som frac sand. Frac sand bruges i øjeblikket i stedet for fremstillede proppanter, fordi det har en omkostnings- og transportfordel.