Fraturamento eletro-hidráulico

O conceito de hidro fraturamento , fraturamento eletrohidráulico ou estimulação por arco elétrico ou SEAP) designa, em geral, uma família de processos técnicos (não variantes pirotécnicos de fraturamento hidráulico às vezes chamados de fraturamento hidráulico ) para deslocar um material ou objeto por meio de uma onda de pressão transportado por água ou um fluido incompressível.

A fratura do material resulta do efeito da passagem do substrato ou do material por uma “onda de pressão” gerada por uma explosão produzida na água. No caso presente, essa explosão é chamada de “explosão elétrica” ou “explosão de vapor”. Esta explosão é induzida por um poderoso choque elétrico.

A onda pode ser gerada próximo ao material a ser destruído ou fragmentado.

Também pode ser produzido em uma cavidade dentro deste material, após a introdução de dois eletrodos imersos em água e colocados em altíssima tensão.

O efeito destrutivo pode ser aumentado repetindo a explosão. Um "trem de ondas de pressão" então desloca de forma mais eficaz a rocha ou vários materiais duros (por exemplo, cálculos biliares para telefones celulares).

Em um contexto de mineração e petróleo, esta descarga de alta tensão gera uma onda acústica na rocha (previamente perfurada e fraturada e saturada com água) . Essa onda é capaz de causar microfissuras na rocha ou quebrá-la. Os engenheiros estão avaliando a possibilidade de adaptar esta variante de fraturamento hidráulico às necessidades de perfuração profunda de petróleo ou gás, para melhor liberar as moléculas de petróleo, gás ou condensados ​​de gás fortemente aprisionados adsorvidos em matrizes de rocha impermeáveis ​​duras e profundas (incluindo gás de xisto , 2,5 a 5  km de profundidade). Essa técnica, ainda imatura para esse uso, exigiria a presença de um gerador e capacitores de alta potência na superfície ao nível do poço. Os impactos ambientais de repetidas explosões elétricas subterrâneas profundas não parecem ter sido estudados ou modelados.

Interesses

É uma tecnologia que elimina a necessidade de explosivos químicos e que talvez possa contribuir para a preparação da demolição de materiais contaminados, através da sua pré-deslocação, sem emissão de pó e estilhaços, possivelmente mesmo debaixo de água. (Com riscos para os organismos aquáticos se você estão no ambiente natural).

Foi considerada por integrantes da indústria de óleo e gás interessados ​​na exploração de formações geológicas profundas e / ou pouco permeáveis. Eles esperam ser capazes de dominar a criação de séries dirigidas de explosões elétricas que tornariam possível desintegrar ou rachar e microperfurar a rocha, a profundidades de 4 a  km no caso do gás de xisto , e de poços verticais, inclinados ou horizontal.

O fraturamento eletro-hidráulico também pode ser de interesse para a energia geotérmica profunda .

História do conceito e suas primeiras aplicações

Segundo a empresa Halliburton , uma das líderes mundiais em fraturamento hidráulico , a ideia de fraturar subsolo está no contexto do petróleo, nascida da necessidade de "estimular" a produtividade de determinados furos que se entupiram ou esgotaram. sabíamos que o depósito ainda era importante. Já na década de 1940 , o fraturamento sob alta pressão hidráulica foi testado; com uma primeira experiência em 1947 no Kansas pela Halliburton em nome de uma empresa de petróleo e gás. Algumas décadas depois, o fracking se mostrará essencial para a operação de poços de gás de xisto, cujo rendimento geralmente cai muito rapidamente.

Além disso, nos anos 1960-90, enquanto a engenharia elétrica progredia (invenção de campos elétricos pulsados, choques eletrodinâmicos, estudo do efeito corona, precipitação eletrostática, etc.) outros atores ou o mesmo testavam o uso de campos elétricos criados na solo ou subsolo (em profundidade rasa), ou na água ou em um fluido aquoso para:

Surgiu então a ideia de que poderia ser possível combinar explosão hidráulica com fraturamento hidráulico para fraturar porões contendo gás ou óleo dissolvido em rocha em grande profundidade, a fim de extrair de forma mais eficiente usando hidrocarbonetos não convencionais , especialmente gás de xisto.

Desafios para o setor de óleo e gás

À medida que os depósitos convencionais são esgotados, a busca por hidrocarbonetos não convencionais em formações geológicas profundas (ou seja, 2,5 a 4 ou mesmo 5  km ) exige cada vez mais fraturamento hidráulico e vários meios de estimulação de poço, porque nesta profundidade o substrato é insuficientemente poroso para permitir o gás natural e / ou o óleo flua para o substrato para o furo de poço a uma velocidade que torna possível tornar o poço lucrativo por meio da venda de algum gás. Este é particularmente o caso de xistos profundos. A fraturação de grandes porções das camadas de xisto é, por isso, condição necessária para a extração lucrativa do gás ali preso (em quantidades muito pequenas por metro cúbico de xisto).

O "hidro fraturamento" poderia um dia permitir que poços de gás ou operadores de petróleo atualmente usando fraturamento hidráulico para controlar melhor a amplitude e as ondas de fraturamento de conformação tridimensional, enquanto diminui talvez seu consumo de água e o risco de uma rocha reservatório vazar para rochas vizinhas e / ou meio ambiente;

Este controle seria realizado:

  1. modulando a intensidade da energia elétrica injetada;
  2. via controle fino (por meio ainda hipotético) da posição dos eletrodos (nas 3 dimensões do espaço);
  3. através do controle fino da distância entre os eletrodos, talvez por meio de detectores acústicos sofisticados (capazes de deconvolver em tempo real os sinais embaralhados que vêm do fundo e distorcidos pelos quilômetros de rocha que atravessou) para localizar da superfície o preciso posição do ponto de partida de uma explosão elétrica (e, portanto, dos eletrodos), a fim de orientar o fluxo das ondas de choque responsáveis ​​pelo deslocamento ou fratura da rocha.

Essa possibilidade de controle remoto ainda é hipotética. E de acordo com a literatura disponível, este método nunca foi testado em médias ou grandes profundidades, e até o momento não existem sensores ou servomotores operando em profundidades muito grandes em condições de alta pressão e alta temperatura (por exemplo). Exemplo para manipular distância entre os eletrodos ou verifique o estado desses eletrodos).

Estado da arte

A pesquisa ainda está nesta área emergente.

Para além de alguns trabalhos teóricos, as únicas experiências concretas de "hidro fraturação" no serviço da perfuração de petróleo ou gás parecem contidas num doutoramento em engenharia civil , apoiado em 2010 pela M Miss Wen Chen, investigadora em engenharia civil. Esta dissertação inclui uma componente teórica e uma componente de experimentação laboratorial. Foi apoiado pelo grupo Total, que já utiliza métodos convencionais de perfuração de petróleo ou gás localizados em grandes ou muito grandes profundidades, incluindo perfuração offshore .

Esta tese possibilitou - em laboratório e parte dos experimentos - abordar duas das condições da chamada perfuração "profunda",

  1. ) a pressão (aqui correspondendo a uma profundidade de cerca de 1.500  m );
  2. ) a natureza muito “impermeável” das rochas reservatório que a indústria do petróleo agora quer explorar (0,1 microDarcy ou mD).

O objeto geral do trabalho foi o estudo da possibilidade de preparar (fraturar) rochas que abrigassem depósitos difusos de hidrocarbonetos não convencionais e / ou de estimular (também por fraturamento) poços existentes (para aí aumentar, e dessa forma. Melhor distribuído no espaço do que com o fraturamento hidráulico convencional, a permeabilidade da camada de rocha a ser explorada). Isso requer a modificação da microestrutura da rocha para aumentar sua microporosidade e porosidade (para permitir a dessorção e circulação de gás, ou condensados ​​de gás natural (que precisam de maior porosidade). O perfurador deve, no entanto, encontrar um equilíbrio e - se possível - não enfraquecer o resistência da rocha demais para que as microfissuras não fechem muito rapidamente.

W. Chen usou como substituto para amostras de rocha real cilindros homogêneos de argamassa chamados "tubos de ensaio". Essas amostras eram de dois tipos; 1) cilindros cheios expostos externamente à onda de choque e 2 °) cilindros perfurados (tubularmente) expostos a uma explosão interna).

As amostras cilíndricas foram expostas na água a ondas de compressão geradas por choques "eletro-hidráulicos". Esses choques foram produzidos pela descarga de dois eletrodos (1 cm de distância  ) e colocados sob alta tensão, em um recinto reforçado e em um paraíso . A ferramenta para produção de arco elétrico "em água à pressão e temperatura ambiente" foi desenvolvida com o laboratório de engenharia elétrica da Universidade de Pau e uma empresa (Effitech) especializada na produção de "potências elétricas de forte pulsação" (FPEP) para o setor industrial.

Em seguida, as amostras tubulares são expostas a choques elétricos internos, "na parte central (vazada) de um cilindro oco de argamassa confinado vertical e radialmente" , em um dispositivo projetado para reconstituir uma pressão equivalente à que se encontraria em 1 500 a 2.000  m de profundidade.

Wen Chen pôde assim estudar in vitro os efeitos da onda de choque em uma argamassa simulando uma rocha reservatório do   tipo “ Reservatórios de Gás Tight ”). Foi capaz de variar a distância entre os eletrodos e o corpo de prova e medir - em uma escala fina - os efeitos da taxa de deformação, na compressão e na tração (tração tangencial na amostra tubular). Também foi capaz de multiplicar o número de choques induzidos e variar sua intensidade e estudar as condições de deformação e enfraquecimento da resistência do concreto , bem como sua permeabilidade (medida através da porosidade do concreto ao gás e ao mercúrio ). Estas condições dependem nomeadamente da composição da argamassa, do seu bom uso e em todos os casos da distribuição da dimensão dos poros e da conectividade destes, bem como da “  tortuosidade  ” dos poros, conforme muitos parâmetros que influenciam na permeabilidade ao gás do concreto (Cf. Lei de Darcy e método de Klinkenberg para avaliar a permeabilidade do concreto.

Wen Chen, com a ajuda de vários laboratórios incluindo o Laboratório de Termodinâmica e Energia de Fluidos Complexos (LFC), pôde contar com modelos 3D viscoelásticos , viscoplásticos ou anisotrópicos , elásticos "danificáveis". Em particular, foi capaz de usar o código EuroPlexus , desenvolvido para o CEA para estudar explosões devido à queda de cório líquido de um reator nuclear ).

Resultados: Estes testes mostram que "o dano e a permeabilidade (da amostra de argamassa) mudam com a energia injetada independentemente do nível de confinamento" e que "o limiar de permeabilidade em função da energia injetada aumenta com o nível de contenção" .

No entanto, esses testes se referiam apenas a "corpos de prova" de alguns centímetros de largura, alguns dos quais mantidos sob pressão, mas não sob as condições ambientais, de temperatura e de profundidade de um poço real.

Em sua tese, o autor também avançou no conhecimento da resistência interna do concreto às ondas pulsadas, o que também pode ser de interesse para a indústria de óleo e gás que o utiliza para revestimento de poços e para fundição de tampas. .

Suposições de cálculo

W. Chen foi capaz de se basear em várias teses e trabalhos anteriores, incluindo:

  1. a tese de JF Dubé (1994);
  2. a tese de TV Picande (2001);
  3. a tese de Jacques Touya (2003), que enfocou o método conhecido como "  plasma blasting  " ou PBT ( Plasma Blasting Technology , já "utilizado para a lavagem de materiais, a destruição de grandes conjuntos de concreto ou a perfuração de galerias" ou em um caso, a destruição experimental de certos resíduos).

A ideia básica é que a produção de poderosos choques elétricos na água instilada em uma rocha profunda, poderia gerar "ondas associadas à pressão acústica" capazes de fraturar uma rocha dura e impermeável.

Princípios técnicos

Se os capacitores de potência, os quilômetros de cabos conectando a superfície ao fundo do poço e as condições na ponta do eletrodo permitirem (os condensadores devem fornecer dezenas a centenas de quilovolts para desintegrar a rocha entre os dois eletrodos criteriosamente posicionados) , a "rápida restituição de fortes energias elétricas armazenadas nos capacitores  " pode ser convertida em uma onda de choque ("Blast") que pode, em boas condições, atingir centenas de megaPascais , ou seja, uma faixa comparável de "velocidade de deformação na compressão “ao que se mede no alcance das explosões ( rajadas ), terremotos , colisões de aeronaves ou a explosão de um míssil em um alvo difícil, na escala proposta por Riisgaard, mas é aqui a água que substitui o tradicional explosivo

Touya mostrou que a força da onda de pressão "depende diretamente da energia elétrica E B disponível no momento da quebra e em nenhum caso da energia inicial armazenada" ), e essas descargas elétricas podem ser repetidas em série.

Essas descargas constituiriam então um "  sistema pulsado  " tornado mais eficiente pela sucessão de pulsações, cujo efeito seria de forma comparável ao de uma "grande britadeira virtual e distante", introduzida no próprio coração da rocha, sem peças mecânicas; o martelo sendo aqui substituído pela onda sônica (ou "quebra" subsônica que libera vários milhares de barras em algumas dezenas de nanossegundos ). A onda assim gerada poderia ser "deportada" pela água (se a água foi injetada onde é necessária, ou já está presente na rocha na quantidade e nos locais desejados);

Logo após ligar, ocorre o curto-circuito . Inicialmente, ocorre uma perda muito curta de energia, conhecida como “fase de pré-descarga”. Por menos de 180μs (medição feita em laboratório por W. Chen, mas águas profundas, carregadas de sais podem ser muito condutivas , o que influencia na qualidade da descarga elétrica), correspondendo a uma difusão de elétrons no meio; A breve queda de tensão é então de cerca de 25%.
Então, “um canal de arco é criado entre os eletrodos. A expansão do canal do arco gera ondas de pressão que se propagam no líquido para o material a ser tratado ”  ; O arco elétrico faz com que a água “exploda” de certa forma, com o aparecimento de um “  plasma ” acompanhado pela formação quase instantânea de uma grande quantidade de bolhas de gás (vapor de água fervente e talvez oxigênio e hidrogênio do cracking da água ) . A descarga elétrica se propagará em um flash de um eletrodo para outro (quanto mais distantes os eletrodos estão, maior deve ser a voltagem); Se o meio for aquoso, esta descarga forma uma onda de pressão hidráulica que será deportada mais ou menos longe (de acordo com sua força e de acordo com a resistência oposta pela rocha). Mas esses choques poderiam, em parte, apresentar os mesmos problemas que aqueles induzidos por explosivos químicos e pela pressão do fraturamento hidráulico, em particular em um material menos homogêneo do que a argamassa usada por W. Chen (2010) para sua tese.

Outras alternativas ao fraturamento apenas hidráulico

Desde o início dos anos 2000, pelo menos, várias técnicas alternativas têm sido buscadas pelos fabricantes ao fraturamento hidráulico simples ou "clássico", que é localmente proibido (na França, por exemplo, desde 2011 para a exploração de gás ou petróleo), e em outros lugares cada vez mais controversos, em particular para o consumo de água que gera e a quantidade de energia, areia e insumos químicos que mobiliza e os riscos associados de poluição ou vazamentos e suas contribuições diretas e emissões indiretas de gases de efeito estufa.

Estas soluções, até agora em número reduzido, visam essencialmente substituir a água por outro fluido. Freqüentemente, ainda são experimentais e, às vezes, apresentam riscos.

Embora seja uma das variantes, o fraturamento hidrelétrico é uma das soluções às vezes citadas. Se tivéssemos a energia elétrica disponível e um bom domínio do posicionamento remoto dos eletrodos, talvez permitisse a estimulação de poços (óleo, condensados ​​de gás ) durante o entupimento por meio de arco elétrico. Pode, no entanto, requerer o uso de água, mas em quantidades menores para a difusão dos propantes .

No futuro, outras soluções podem ser:

Incertezas, limites e dificuldades

Além da dessorção química, que representa a priori grandes riscos de poluição, todas as “alternativas físicas” propostas à fragmentação hidráulica são baseadas no frio (nitrogênio líquido + água) ou no aquecimento repentino da rocha e / ou na propagação de uma onda de choque. Em todos os casos, trata-se de aumentar as tensões internas do substrato mineral para forçar a fluência repentina e promover o rompimento. A fraturação é induzida por pressão e / ou por um grande gradiente térmico em uma curta distância (na zona de “curto-circuito” e pela onda de choque transportada no caso de eletrofratura);

Muitas incógnitas técnicas, ambientais, econômicas, socioeconômicas e ecotoxicológicas persistem até hoje:

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Veja também

Artigos relacionados

Bibliografia

links externos