Petróleo y gas

¿Qué es la arena Frac?



Esta arena especial es una de las claves para producir petróleo y gas natural a partir de formaciones de lutitas estrechas.


Arena Frac: Vista de primer plano de arena frac (a la derecha) y una arena típica de granulometría similar (a la izquierda). Observe cómo la arena frac tiene un tamaño de grano más uniforme, formas de grano muy redondeadas y una composición uniforme. También es un material muy resistente que puede resistir fuerzas de compresión de hasta varias toneladas por pulgada cuadrada. Los granos en esta imagen tienen un tamaño de aproximadamente 0,50 milímetros. Foto

Producción de arena fractal: Este gráfico ilustra el espectacular aumento en la producción de arena frac en los Estados Unidos. Datos del Anuario de Minerales del Estudio Geológico de los Estados Unidos, 2005-2015.

Una arena resistente al aplastamiento para pozos de petróleo y gas

La "arena Frac" es una arena de cuarzo de alta pureza con granos muy duraderos y muy redondos. Es un material resistente al aplastamiento producido para su uso por la industria petrolera. Se usa en el proceso de fracturación hidráulica (conocido como "fracking") para producir fluidos de petróleo, como petróleo, gas natural y líquidos de gas natural a partir de unidades de roca que carecen de espacio de poro adecuado para que estos fluidos fluyan a un pozo. La mayor parte de la arena frac es un material natural hecho de arenisca de alta pureza. Un producto alternativo son las cuentas de cerámica hechas de bauxita sinterizada o pequeñas cuentas de metal hechas de aluminio.

La demanda de arena frac ha explotado en los últimos años a medida que miles de pozos de petróleo y gas natural están siendo estimulados mediante el proceso de fracturación hidráulica. (Consulte la tabla de producción). Un trabajo de fracturación hidráulica en un pozo puede requerir unos pocos miles de toneladas de arena. Esta oleada de perforación especializada ha creado una industria de arena frac de mil millones de dólares en muy poco tiempo. Entre 2005 y 2015, la cantidad de arena frac utilizada por la industria del petróleo y el gas aumentó drásticamente.

Video de arena Frac: Video de US Silica que demuestra las características de una arena frac de alta calidad.

¿Cómo se usa Frac Sand?

Algunas unidades de rocas subterráneas, como el esquisto orgánico, contienen grandes cantidades de petróleo, gas natural o líquidos de gas natural que no fluirán libremente a un pozo. No fluirán a un pozo porque la unidad de roca carece de permeabilidad (espacios de poros interconectados) o los espacios de poros en la roca son tan pequeños que estos fluidos no pueden fluir a través de ellos.

El proceso de fracturación hidráulica resuelve este problema generando fracturas en la roca. Esto se hace perforando un pozo en la roca, sellando la porción del pozo en la zona de petróleo y bombeando agua a alta presión en esa porción del pozo. Esta agua generalmente se trata con productos químicos y espesantes como la goma guar para crear un gel viscoso. Este gel facilita la capacidad del agua de transportar granos de arena frac en suspensión.

Las bombas grandes en la superficie de la Tierra aumentan la presión del agua en la porción sellada del pozo hasta que sea lo suficientemente alta como para exceder el punto de ruptura de las rocas circundantes. Cuando se alcanza su punto de ruptura, se fracturan repentinamente y el agua se precipita rápidamente hacia las fracturas, inflándolas y extendiéndolas más profundamente en la roca. Miles de millones de granos de arena son transportados profundamente en las fracturas por esta repentina corriente de agua. Se pueden requerir unos pocos miles de toneladas de arena frac para estimular un solo pozo.

Video de arena Frac: Video de US Silica que demuestra las características de una arena frac de alta calidad.

Fracturamiento hidráulico: Diagrama simplificado de un pozo de gas natural que se ha construido con perforación horizontal para aumentar la longitud de penetración a través del esquisto de Marcellus. La fracturación hidráulica se realiza típicamente en la porción horizontal del pozo para estimular un flujo de gas desde el esquisto. Esta configuración de pozo se utiliza en juegos de lutitas de los Estados Unidos.

Frac Sand como un "apuntalante"

Cuando se apagan las bombas, las fracturas se desinflan pero no se cierran por completo, ya que están abiertas por miles de millones de granos de arena frac. Esto solo ocurre si se han introducido en la roca suficientes granos de arena para resistir la fuerza de las fracturas de cierre.

Las nuevas fracturas en la roca, sostenidas por los granos de arena duraderos, forman una red de espacio de poros que permite que los fluidos de petróleo fluyan de la roca hacia el pozo. La arena fractal se conoce como "apuntalante" porque mantiene abiertas las fracturas.

Otros materiales que se han utilizado como apuntalante incluyen cuentas de cerámica, cuentas de aluminio y bauxita sinterizada. La arena fractal generalmente ofrece el más alto nivel de rendimiento, y actualmente es el apuntalante más utilizado por la industria petrolera.

Mapa de Jordan Sandstone: Muchas de las unidades de roca que actualmente se extraen para la arena frac también son acuíferos. Esto hace que las publicaciones de investigación de aguas subterráneas, como la serie de atlas de aguas subterráneas del Servicio Geológico de los Estados Unidos, sean valiosos documentos de prospección para determinar la presencia, el espesor y la estructura de las unidades de roca arenisca. Este mapa es del Atlas de aguas subterráneas de los Estados Unidos para Iowa, Michigan, Minnesota y Wisconsin. Muestra la extensión geográfica y el grosor de la arenisca de Jordan en Minnesota e Iowa. Se han publicado mapas similares en esta serie para otras unidades de roca arenisca y otras áreas geográficas.

¿Qué tipo de arena?

Los apuntalantes de la industria petrolera deben cumplir especificaciones muy exigentes. Las características de una arena frac de alta calidad incluyen:

  • arena de sílice de alta pureza
  • tamaño de grano perfectamente adaptado a los requisitos del trabajo
  • forma esférica que le permite transportarse en un fluido de fracturación hidráulica con una turbulencia mínima
  • durabilidad para resistir las fuerzas de aplastamiento de las fracturas de cierre

La arena Frac se produce en una gama de tamaños desde tan poco como 0.1 milímetros de diámetro a más de 2 milímetros de diámetro, según las especificaciones del cliente. La mayor parte de la arena frac consumida tiene un tamaño de entre 0,4 y 0,8 milímetros.

Las unidades de roca como la arenisca de San Pedro, la arenisca de Jordania, la arenisca de Oil Creek y la arenisca de nogal han sido fuentes potenciales de material de arena frac. Estas unidades de roca están compuestas de granos de cuarzo que han pasado por múltiples ciclos de erosión y erosión. Esa larga historia ha eliminado casi todos los granos minerales, excepto el cuarzo, y ha producido granos con formas muy redondas. Es por eso que es poco probable que la arena dragada de los ríos, excavada en terrazas o retirada de las playas produzca un buen producto.

Cuando se producen estas unidades de roca, generalmente son blandas, mal cementadas y, a veces, ligeramente erosionadas. Esto les permite ser excavados y aplastados con un daño mínimo a los granos de cuarzo. La arena de alta pureza de áreas como los Apalaches a menudo no es adecuada para la arena frac, porque ha sido sometida a fuerzas tectónicas que han deformado la roca y debilitado los granos de arena.

Mina de arena Frac en Wisconsin: Vista aérea de una operación de extracción de arena frac en Wisconsin. La arena fractal es un producto altamente especializado que solo se puede producir a partir de un pequeño número de depósitos de arena. Foto

Instalación de procesamiento de arena Frac: Vista aérea de una instalación de procesamiento de arena frac en Wisconsin. Foto

Plantas de procesamiento de arena Frac

La arena fractal no se usa directamente desde el suelo. Requiere procesamiento para optimizar su rendimiento. Después de la minería, se lleva a una planta de procesamiento. Allí se lava para eliminar partículas finas.

Después del lavado, la arena se apila en pilas para permitir que el agua de lavado se drene. Esta operación se realiza al aire libre y está restringida a las épocas del año cuando las temperaturas están por encima de cero. Después de drenar la arena, se coloca en un secador de aire para eliminar toda la humedad. Los granos secos se tamizan para obtener fracciones de tamaño específico para diferentes clientes.

La arena que no es adecuada para el fracking se separa y se vende para otros usos. Parte de la arena frac podría estar recubierta de resina para mejorar su rendimiento en la operación de fracking. Este material se venderá como un producto premium. Después del procesamiento, la mayor parte de la arena se carga directamente en vagones de tren para su entrega por ferrocarril.

Algunas plantas de procesamiento están ubicadas en el sitio de la mina. Sin embargo, las plantas de procesamiento son muy caras de construir y a veces son compartidas por múltiples minas. Estos están ubicados en el centro de varias minas y la arena se entrega en camión, tren o transportador.

¿Dónde se produce y utiliza Frac Sand?

Hace unos años, los productores de Wisconsin y Texas suministraban gran parte de la arena frac utilizada por la industria del petróleo y el gas. Sin embargo, un gran aumento en la demanda causado por el auge del gas natural y el petróleo de esquisto ha motivado a muchas compañías a proporcionar este producto. Muchas de estas compañías se encuentran en la parte central de los Estados Unidos, donde la piedra arenisca de San Pedro y unidades de roca similares están cerca de la superficie y se pueden excavar fácilmente. Estas áreas también son donde las fuerzas tectónicas no han causado un fuerte plegamiento de las unidades de roca y debilitado los granos de arena. El área principal se encuentra en los estados del medio oeste (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska y Wisconsin).

La mayoría de las arenas de sílice de alta pureza en los Estados Unidos se conocen desde hace décadas. Se han utilizado para la fabricación de vidrio y usos metalúrgicos. La búsqueda actual de arena frac no se trata de "descubrir nuevas fuentes de arena", sino de determinar qué fuentes producen materiales superiores.

La arena fractal se usa para producir gas natural, líquidos de gas natural y petróleo a partir de lutitas y otras rocas apretadas donde se requiere fractura hidráulica. Estos incluyen: el esquisto Marcellus, el esquisto Utica, la formación Bakken, el esquisto Haynesville, el esquisto Fayetteville, el esquisto Eagle Ford, el esquisto Barnett y muchos otros juegos de esquisto en todo Estados Unidos.

San Pedro Arenisca: Una foto de la piedra arenisca de San Pedro coronada por la Dolomita de Joachim tomada cerca del Pacífico, Missouri. Imagen de dominio público de Kbh3rd.

Fuentes de arena de Frac y precios

La demanda de arena frac en América del Norte ha aumentado considerablemente en los últimos años en respuesta a numerosos juegos de esquisto que se están desarrollando en muchas partes de los Estados Unidos y Canadá. El Servicio Geológico de los Estados Unidos informa la fuente de esta producción:

La piedra arenisca ordovícica de San Pedro en el medio oeste es una fuente primaria de arena de sílice para muchos usos finales y también es una fuente importante de arena frac. Extraída en cinco estados, la arena frac de la piedra arenisca de San Pedro se encuentra a una distancia razonable de transporte a numerosas formaciones subterráneas de esquisto bituminoso que producen gas natural.
En 2011, el 59% de la arena frac se produjo en el Medio Oeste.

Los precios promedio reportados para la arena frac en el Anuario de Minerales del Servicio Geológico de EE. UU. Estaban entre $ 45 por tonelada y $ 50 por tonelada en 2010. En 2011, el precio promedio había aumentado a $ 54.83. Esto es significativamente más alto que el precio promedio de $ 35 por tonelada para arena especial que se vende fuera de la industria de la construcción.

Información de arena de Frac
1 Frac Sand en Wisconsin: Bruce Brown, Wisconsin Geological and Natural History Survey, Fact Sheet 05, 2012.
2 Los hechos de Frac: Mark Zdunczyk, artículo de Drilling Minerals, enero de 2007.
3 Proppantes de fractura hidráulica: artículo, mapa de fuentes de apuntalante de sílice de EE. UU. Y video sobre las propiedades importantes de la arena frac, 2011.
4 $ y dólares - Minería Frac Sand en el valle del río: Reggie McLeod, Big River Magazine, julio-agosto de 2011.
5 compañías petroleras atraídas por Frac Sand: Isabel Ordóñez, artículo de Dow Jones Newswires en Rigzone.com, mayo de 2012.
6 St. Peter Sandstone: artículo del sitio web, Departamento de Recursos Naturales de Missouri, Programa de Estudio Geológico, último acceso en octubre de 2016.
7 Sílice: United States Geological Survey, Minerals Yearbooks from 2005-2015.
8 Atlas de Aguas Subterráneas de los Estados Unidos, Estudio Geológico de los Estados Unidos, Serie Atlas de Investigaciones Hidrológicas, publicado de 1992 a 2000.

Apoyos de bauxita sinterizada

La bauxita en polvo se puede fusionar en pequeñas cuentas a temperaturas muy altas. Estas cuentas tienen una resistencia al aplastamiento muy alta, y eso las hace adecuadas para su uso como apuntalante. La gravedad específica de las cuentas y su tamaño pueden coincidir con la viscosidad del fluido de fracturación hidráulica y con el tamaño de las fracturas que se espera que se desarrollen en la roca. Los apuntaladores fabricados proporcionan una amplia selección de tamaño de grano y gravedad específica en comparación con un apuntalante natural conocido como arena frac. Actualmente se usa arena Frac en lugar de apuntaladores fabricados porque tiene una ventaja de costo y transporte.