O scurtă istorie a fracturării hidraulice (1)

Pe bună dreptate, se poate spune că istoria fracturării hidraulice începe o dată cu istoria primului foraj săpat pentru a extrage petrolul de către Edwin L. Drake (1819-1880), cunoscut sub numele de Colonelul Drake (n-a fost niciodată colonel, doar conductor de tren, dar numele de colonel impunea respect).

În anul 1856, Seneca Oil Company din Pittsburgh, Pennsylvania, a început să producă kerosen (gaz de lampă) din țițeiul care se scurgea la suprafață în zona orășelului Titusville, aflat în apropiere. Pentru că ceea ce se putea colecta la suprafață nu era suficient pentru o rafinărie, patronii lui Seneca Oil l-au angajat în 1858 pe Drake să investigheze posibilitatea extragerii unor cantități mai mari de petrol prin săparea unui foraj similar cu cele săpate pentru apă.

Pe 27 august 1859, forajul săpat de Drake și oamenii lui a atins adâncimea de 21 m. Pentru că era o zi sâmbătă, lucrul a fost oprit. A doua zi, gaura de foraj era plină cu țiței.

Muzeul Drake care găzduiește prima instalație de foraj din lume pentru extragerea țițeiului. (Sursa)

Așa a început istoria unei forme de energie, „Epoca petrolului”, care va revoluționa dezvoltarea societății omenești și ale cărei consecințe le trăim și astăzi.

Drake a pompat țițeiul din foraj în butoaie de lemn. Pe măsură ce industria petrolului a început să se dezvolte la sfârșitul secolului al XIX-lea, producătorii de țiței i-au urmat pe producătorii de whisky care își transportau marfa în butoaie de lemn („barrels” sau „barili”) de 40 de galoane. Petroliștii au adaptat ideea acestui tip de transport, adăugând 2 galoane pentru a compensa eventuale pierderi. A rezultat un fapt semnificativ: pentru prima dată cumpărătorii știau exact cât țiței au achiziționat. Deși țițeiul nu se mai transportă în butoaie, el este încă măsurat în barili (bbs), echivalentul a 42 de galoane (159 litri)^[1].

Edwin L. Drake nu și-a patentat metoda, nu a avut aptitudini de om de afaceri și a murit sărac în 1880, la 22 de ani după ce invenția sa a marcat începutul unei noi ere de prosperitate, generate de folosirea derivatelor din petrol (benzină auto, motorină, benzină de avion, mase plastice, produse chimice și farmaceutice etc., etc.).

Edward A. L. Roberts (1829-1881) a venit în Titusville la câțiva ani după „colonelul” Drake. Când a murit (la un an după Drake), era unul dintre cei mai bogați oameni ai timpului din SUA. Dacă Drake poate fi considerat părintele forajelor de petrol, atunci Roberts poate fi considerat părintele fracturării sondelor. El a inventat „torpila lui Roberts”.

În timpul războiului civil american, Roberts a fost locotenent-colonel în armata unionistă (a nordului). A participat cu regimentul său la sângeroasa bătălie de la Fredericksburg din Virginia. În timpul atacului masiv susținut de artileria sudistă, el a făcut o observație interesantă: unele obuze inamice au căzut într-un mic canal și au detonat sub apă. Greutatea apei a amortizat întrucâtva explozia, obligând energia declanșată să se orienteze către malurile șanțului. Roberts s-a gândit să aplice acest principiu la noile foraje de petrol din Pennsylvania prin amplasarea unui dispozitiv exploziv pe talpa sondei umplute cu apă. Astfel, apa va forța explozia să se propage orizontal în rocile din jurul găurii de sondă în loc de vertical.

Torpila lui Roberts a fost primul dispozitiv de fracturare a rocilor. El a adus șase bombe la Titusville. Erau niște cilindri de tablă umpluți cu praf de pușcă și prevăzuți cu o capsă detonantă în cap. Muncitorii lui Roberts coborau torpila în sondă cu o sârmă lungă. O dată ajunsă la fund, o piesă de metal, asemănătoare cu plumbul de la undițe, era lansată pe sârmă, lovind capsa și detonând praful de pușcă. Roberts și-a patentat invenția în 1866.

O torpilă proiectată de Edward A. L. Roberts. (Sursa)

Aplicarea acestui procedeu, atât în sondele nou forate, cât și în cele vechi, cu producție mică, a avut un succes considerabil. Curând, praful de pușcă a fost înlocuit cu nitroglicerină. Ziarele locale nu mai pridideau să laude importanța invenției lui Roberts: „În ultimii trei ani, a fost cea mai de succes operațiune și a crescut producția de petrol în sute și sute de foraje într-o cantitate care este greu de estimat. După descoperirea petrolului, nici o altă invenție nu a condus așa de mult la îmbogățirea proprietarilor de foraje ca torpila lui Roberts”.

După torpile, următorul avans important în extragerea petrolului din roci s-a petrecut în 1932, atunci când compania Dow Chemical a început să folosească acid clorhidric ca să dizolve rocile și să creeze canale pentru petrol. Primul test a avut loc în Midland, Michigan, lângă cartierul general al companiei. Inginerii de la Dow Chemical au amestecat 500 galoane (circa 1.900 litri) de acid cu arsenic, ca să prevină corodarea țevilor de oțel. Noul procedeu a avut succes, producția crescând de trei ori. Anul următor, în nordul statului Texas, o altă companie a decis să injecteze acid sub presiune în gaura de sondă. De data aceasta, au fost injectate 750 galoane (circa 2.800 litri) de acid, urmate de petrol care trebuia să forțeze acidul să pătrundă în formațiunea calcaroasă. Înaintea tratamentului, sonda producea numai 1,5 barili de petrol pe zi. După tratamentul cu acid, producția a crescut la 125 barili/zi (adică, de 80 ori mai mult!) (1 baril = 159 litri). Până în 1938, circa 25.000 de foraje au fost „acidizate”, în unele cazuri folosindu-se chiar 10.000 galoane de acid (1 galon = 3,78 litri). Cu toate acestea, acidizarea a avut (și mai are încă) aplicații limitate, pentru că poate fi folosită cu succes numai în cazul rocilor calcaroase, cu conținut ridicat de calciu, care se elimină prin reacția cu acidul clorhidric. Această limitare a metodei a ridicat probleme serioase, deoarece majoritatea rezervoarelor de petrol sunt formate din roci grezoase, asupra cărora acidul nu are influență. Inginerii trebuiau să găsească altceva care să „spargă” rocile și să forțeze sondele să producă mai mult.

Următorul act al istoriei fracturării hidraulice se va juca în Tulsa, Oklahoma, auto-proclamată „Capitala mondială a petrolului” (nu fără motive: aici s-a înființat  în 1917 American Association of Petroleum Geologists, cea mai importantă organizație profesională a geologilor de petrol din întreaga lume și care publică reviste de cel mai înalt nivel profesional, cum ar fi AAPG Bulletin; tot aici, în 1930,  a fost creată Society of Exploration Geophysicists, cea mai importantă organizație profesională a geofizicienilor de petrol din întreaga lume, editoarea revistelor Geophysics și The Leading Edge).

Compania locală de categoria grea din Tulsa se numea Stanolind, formată în 1911 prin dezmembrarea ordonată de Curtea Supremă a imperiului lui John D. Rockefeller (Standard Oil). Stanolind (care a devenit Amoco și apoi o parte a corporației British Petroleum) avea unități independente de cercetare, așa cum numai alte două companii mai aveau: Texas Oil Company, mai târziu Texaco, și Standard Oil Company of New Jersey, mai târziu Exxon.

Unul dintre tinerii ingineri care lucra la Stanolind imediat dupa cel de-al doilea război mondial se numea Riley „Floyd” Farris. Specialitatea lui era cimentul din gaura de sondă. Atunci, ca și acum, forajiștii foloseau cimentul ca să umple spațiile goale dintre burlanele concentrice de tubaj și cel dintre tubajul extern și rocile din peretele găurii de sondă. Astfel, prin cimentare, sonda devine definitiv ancorată în rocă. Dacă forajul traversează o zonă cu apă (cum ar fi pânza freatică sau acviferul potabil), cimentul ajută la etanșarea sondei (nu intră apa din roci în sondă) și, invers, la etanșarea rocilor acviferului (apa nu se contaminează cu fluidele din gaura de sondă).

Farris a fost intrigat de un mister pe care vechii petroliști nu-l puteau explica. Ei au remarcat că, atunci când cimentul intră în sondă, o parte din el dispare uneori. Cimentul nu era ieftin atunci (nici astăzi nu e) și, când se pierdea, costul forajului creștea datorită cimentului adițional. Unele foraje necesitau până la cinci habe suplimentare de ciment. Pierderea cimentului l-a contrariat pe Farris. De ce unele sonde „înghit” mai mult ciment decât indicau calculele sale? Ce se întâmpla? Unde se ducea cimentul?

Făcând studii sistematice pe 115 dosare de sondă și corelând presiunea creată de greutatea cimentului cu adâncimea forajelor, Farris a ajuns la următoarea concluzie: Greutatea cimentului și a altor lichide din gaura de sondă spărgeau rocile creând fracturi. Când cimentul era pompat în sondă, o parte se pierdea în fracturi. Ce-ar fi dacă el ar încerca să fractureze roca prin pomparea unui lichid? Spre deosebire de ciment, lichidul putea fi scos din gaura de sondă după ce fractura rocile. O dată lichidul îndepărtat, s-a gândit el, poate că mai mult petrol și gaz s-ar fi scurs din rocă.

În noiembrie 1946, Bob Fast, un tânăr de 25 de ani și coleg al lui Farris, s-a hotărât să verifice ipoteza fracturării rocilor cu lichid. Experimentul a avut loc anul următor în sonda Klepper #1 din câmpul gazeifer Hugoton din sud-vestul statului Kansas.

În 1947, Stanolind Oil a efectuat prima fracturare hidraulică în câmpul gazeifer Hugoton localizat în sud-vestul statului Kansas. Experimentul a utilizat napalm (benzină gelatinoasă) și nisip din râul Arkansas. (Sursa)

Colonelul Roberts a fracturat cu exploziv, dar Fast și Farris au făcut prima fracturare cu un lichid. Pentru că apa generează frecare, necesitând multe pompe pentru a o injecta în roci, Fast a căutat o modalitate de a reduce fricțiunea apei. Îi trebuia un lichid care să fie lubrifiant (vâscozitate mică), să se amestece bine cu apa și să se găsească din abundență. Fast a ales napalmul care rămăsese din timpul celui de-al doilea război mondial, când fusese din plin utilizat pentru aruncătoarele de flăcări și bombele incendiare aruncate asupra Japoniei.

Fast a pompat în foraj 1.000 galoane (3.780 litri) de benzină îngroșată cu napalm, după care au urmat 2.000 galoane (7.560 litri) de benzină. A repetat procedura de patru ori la diverse adâncimi. (Formațiunea purtătoare de gaz era un strat de calcar situat la circa 730 metri adâncime). Fast a pretins că a produs fracturi în roca de calcar. Când napalmul și benzina au fost recuperate, gazul a erupt din foraj. Dar a fost cam aceeași cantitate de gaz care s-ar fi obținut prin folosirea acidului clorhidric (metoda convențională de acidizare a sondei). Prima încercare de fracturare s-a dovedit a fi un eșec.

Cercetarea efectuată la Stanolind în ceea ce ei au numit „tratament hidrafrac” nu a fost numai de dragul științei pure. Compania voia să facă sondele mai productive. La mijlocul secolului al XX-lea, găsirea unor noi zone petrolifere și gazeifere bogate devenise o problemă majoră pentru companiile de profil din SUA. Ele au început să foreze mai puțin și încercau să stoarcă și ultima picătură de țiței din rocă. Companiile de petrol investiseră deja sume enorme în foraje și în construirea rețelelor de conducte pentru transportul petrolului și gazelor, așa că orice tehnologie care ar fi putut crește producția măcar cu 5% ar fi fost profitabilă. În plus, în timpul celui de-al doilea război mondial, oțelul fusese folosit pentru tancuri, tunuri, mitraliere și alte mașini militare. O sondă nu foarte adâncă (de exemplu, 1.300 m) necesita peste 60 tone de oțel pentru prăjini de foraj și tubaj. Industria de petrol s-a găsit în fața unei dileme. Ea trebuia să crească producția pentru a satisface nevoile războiului, dar avea cantități limitate de oțel pentru foraje noi și conducte. Soluția a fost întoarcerea la vechile foraje care fuseseră abandonate pentru că produceau prea puțin petrol. Până în anii ’40 companiile americane foraseră peste un milion de sonde. Mai mult de jumătate din ele nu mai produceau nimic sau aveau debite nesemnificative. Fast și colegii lui de la Stanolind voiau să vadă dacă fracturarea ar putea readuce la viață  vechile sonde, iar noile sonde să le facă mai productive.

Continuând cercetarea în laborator și pe machete de teren, Fast și Farris au demonstrat că rocile rezervor pot fi fracturate cu apă. Dar imediat, și-au dat seama că fracturarea cu apă ridică o problemă. După extragerea apei, fracturile nou create se vor închide imediat la loc. De ce, și-au spus ei, să nu amestecăm apa cu nisip ca să menținem fracturile deschise? Prima încercare de acest tip a avut loc în estul Texasului într-o sondă care producea mai puțin de un baril pe zi. Un amestec de nisip, țiței, săpun și substanțe metalice a fost pompat în foraj și lăsat acolo 48 de ore. Săpunul a spălat petrolul din rocă. După ce amestecul a fost scos, sonda a început să producă 50 barili de petrol pe zi. Și această producție de 50 ori mai mare a continuat mult timp (nu doar câteva luni).

Farris a depus o cerere de patent pentru fracturare hidraulică în luna mai 1948. Licența a fost acordată lui HOWCO, Halliburton Oil Well Cementing Company din Texas. Pe 17 martie 1949 HOWCO a efectuat primele două fracturări hidraulice comerciale în Stephens County, Oklahoma și Archer County, Texas. Procesul de fracturare a fost apoi folosit în 332 de foraje de-a lungul anului 1949, și producția a crescut surprinzător cu 75%. La început, lichidul de fracturare consta din țiței, benzină și kerosen. Apoi, din 1953, s-a folosit apa.^[2]

Fracturarea hidraulică a început să evolueze rapid. La mijlocul anilor ‘50, companiile de foraj începuseră să folosească tot mai multă apă, cu mai puțini aditivi chimici, drept fluid de fracturare. La prima vedere, utilizarea apei în locul țițeiului pare neobișnuită pentru că practica de teren recomanda evitarea apei pentru că ar putea compromite zăcământul și afecta extragerea petrolului și gazelor. Primele teste de teren cu apă au infirmat însă vechile prejudecăți, astfel că tot mai mari cantități de apă au devenit o practică comună pe teren. În plus, ratele de injectare au crescut de 20 de ori, pompând mai mult fluid care va crea mai multă presiune asupra rocilor și, implicit, mai multe fracturi. Noi inovații în echipamentul de pompare au adăugat mai mulți cai-putere fracturării hidraulice.

Bob Fast și colegii lui de la Stanolind au continuat să cerceteze fracturarea hidraulică de-a lungul a mai mulți ani. Compania a devenit interesată în folosirea unor explozivi puternici bazați pe combustibilul de rachetă, din dorința de a produce fracturi mai mari. Această idee s-a dovedit fatală. Pe 11 noiembrie 1970, o echipă de lucru a forat o gaură de sondă pentru a testa combustibilul ca fluid de fracturare. O piesă din echipament a fost cuplată la o linie electrică și a declanșat accidental o explozie. Opt muncitori au fost uciși pe loc. Fast, care, de regulă, era supraveghetorul de la fața locului, nu a fost prezent. Era în concediu de odihnă. La doi ani de la producerea accidentului, s-a pensionat. (VA URMA)

____________________________

[2] http://thebreakthrough.org/index.php/programs/energy-and-climate/where-the-shale-gas-revolution-came-from/