NộI Dung
- Cát chống nghiền cho giếng dầu và khí đốt
- Cát Frac được sử dụng như thế nào?
- Frac Sand như một "Proppant"
- Loại cát nào?
- Nhà máy chế biến cát Frac
- Frac Sand được sản xuất và sử dụng ở đâu?
- Nguồn và giá cát Frac
- Sản phẩm Bauxite thiêu kết
Cát Frac: Nhìn cận cảnh cát frac (bên phải) và cát điển hình có kích thước hạt tương tự (bên trái). Lưu ý cách cát frac có kích thước hạt đồng đều hơn, hình dạng hạt tròn độc đáo và thành phần đồng đều. Nó cũng là một vật liệu rất cứng có thể chống lại lực nén lên đến vài tấn mỗi inch vuông. Các hạt trong hình ảnh này có kích thước khoảng 0,5 mm.
Sản xuất cát Frac: Biểu đồ này minh họa sự gia tăng ngoạn mục trong sản xuất cát frac ở Hoa Kỳ. Dữ liệu từ Niên giám Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, 2005-2015.
Cát chống nghiền cho giếng dầu và khí đốt
"Cát Frac" là một loại cát thạch anh có độ tinh khiết cao với các hạt rất bền và rất tròn. Nó là một vật liệu chống nghiền được sản xuất để sử dụng cho ngành công nghiệp dầu khí. Nó được sử dụng trong quá trình bẻ gãy thủy lực (được gọi là "fracking") để sản xuất chất lỏng dầu mỏ, như dầu, khí tự nhiên và chất lỏng khí tự nhiên từ các đơn vị đá thiếu không gian lỗ rỗng đủ để các chất lỏng này chảy vào giếng. Hầu hết cát frac là một vật liệu tự nhiên được làm từ sa thạch có độ tinh khiết cao. Một sản phẩm thay thế là hạt gốm làm từ bauxite thiêu kết hoặc hạt kim loại nhỏ làm từ nhôm.
Nhu cầu về cát frac đã bùng nổ trong vài năm qua khi hàng ngàn giếng dầu và khí đốt tự nhiên đang được kích thích bằng cách sử dụng quá trình nứt vỡ thủy lực. (Xem biểu đồ sản xuất.) Một công việc bẻ gãy thủy lực trên một giếng có thể cần vài nghìn tấn cát. Sự gia tăng của khoan chuyên dụng này đã tạo ra một ngành công nghiệp cát frac tỷ đô trong một thời gian rất ngắn. Từ năm 2005 đến 2015, lượng cát frac được sử dụng bởi ngành dầu khí đã tăng lên đáng kể.
Video cát Frac: Video của US Silica thể hiện các đặc tính của cát frac chất lượng cao.
Cát Frac được sử dụng như thế nào?
Một số đơn vị đá dưới bề mặt như đá phiến hữu cơ chứa một lượng lớn dầu, khí tự nhiên hoặc chất lỏng khí tự nhiên sẽ không chảy tự do vào giếng. Chúng sẽ không chảy vào giếng vì đơn vị đá thiếu tính thấm (không gian lỗ rỗng liên kết với nhau) hoặc không gian lỗ rỗng trong đá quá nhỏ đến nỗi những chất lỏng này không thể chảy qua chúng.
Quá trình nứt vỡ thủy lực giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra các vết nứt trong đá. Điều này được thực hiện bằng cách khoan một cái giếng vào đá, bịt kín một phần của giếng trong khu vực chứa dầu mỏ và bơm nước dưới áp suất cao vào phần đó của giếng. Nước này thường được xử lý bằng hóa chất và chất làm đặc như guar gum để tạo ra một loại gel nhớt. Gel này tạo điều kiện cho nước có khả năng mang các hạt cát frac ở trạng thái lơ lửng.
Máy bơm lớn trên bề mặt Trái đất làm tăng áp lực nước trong phần kín của giếng cho đến khi nó đủ cao để vượt quá điểm phá vỡ của những tảng đá xung quanh. Khi đạt đến điểm phá vỡ, chúng đột ngột gãy xương và nước chảy nhanh vào các khe nứt, thổi phồng chúng và kéo chúng sâu hơn vào đá. Hàng tỷ hạt cát được mang sâu vào các khe nứt bởi dòng nước bất ngờ này. Một vài ngàn tấn cát frac có thể được yêu cầu để kích thích một giếng duy nhất.
Video cát Frac: Video của US Silica thể hiện các đặc tính của cát frac chất lượng cao.
Phá vỡ thủy lực: Sơ đồ đơn giản hóa một giếng khí tự nhiên đã được xây dựng với khoan ngang để tăng thời gian thâm nhập thông qua Đá phiến Marcellus. Phá vỡ thủy lực thường được thực hiện trong phần nằm ngang của giếng để kích thích dòng khí từ đá phiến. Cấu hình tốt này được sử dụng trong các vở kịch đá phiến của Hoa Kỳ.
Frac Sand như một "Proppant"
Khi các máy bơm bị tắt, các vết nứt sẽ xì hơi nhưng không đóng hoàn toàn - bởi vì chúng được mở ra bởi hàng tỷ hạt cát frac. Điều này chỉ xảy ra nếu đủ hạt cát để chống lại lực gãy xương đã được đưa vào đá.
Các vết nứt mới trong đá, được mở ra bởi các hạt cát bền, tạo thành một mạng lưới không gian lỗ rỗng cho phép chất lỏng dầu mỏ chảy ra khỏi đá và vào giếng. Cát Frac được biết đến như một "proppant" bởi vì nó hỗ trợ cho các khe nứt mở ra.
Các vật liệu khác đã được sử dụng làm vật liệu bao gồm hạt gốm, hạt nhôm và bauxite thiêu kết. Cát Frac thường mang lại hiệu suất cao nhất và hiện tại nó là sản phẩm được sử dụng thường xuyên nhất trong ngành dầu khí.
Bản đồ đá sa thạch Jordan: Nhiều đơn vị đá hiện đang được khai thác cho cát frac cũng là tầng chứa nước. Điều này làm cho các ấn phẩm nghiên cứu nước ngầm, chẳng hạn như loạt bản đồ nước ngầm của Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, các tài liệu khảo sát có giá trị để xác định sự hiện diện, độ dày và cấu trúc của các đơn vị đá sa thạch.Bản đồ này lấy từ Bản đồ nước ngầm của Hoa Kỳ cho Iowa, Michigan, Minnesota và Wisconsin. Nó cho thấy phạm vi địa lý và độ dày của Đá sa thạch Jordan ở Minnesota và Iowa. Các bản đồ tương tự đã được xuất bản trong loạt bài này cho các đơn vị đá sa thạch khác và các khu vực địa lý khác.
Loại cát nào?
Các sản phẩm đầu ra của ngành dầu khí phải đáp ứng các thông số kỹ thuật rất khắt khe. Các đặc tính của cát frac chất lượng cao bao gồm:
- cát silic có độ tinh khiết cao
- kích thước hạt hoàn toàn phù hợp với yêu cầu công việc
- hình dạng hình cầu cho phép nó được thực hiện trong chất lỏng thủy lực bẻ gãy với nhiễu loạn tối thiểu
- độ bền để chống lại lực nghiền của gãy xương
Cát Frac được sản xuất trong một loạt các kích cỡ từ nhỏ đến 0,1 mm đường kính đến hơn 2 mm đường kính tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của khách hàng. Hầu hết cát frac tiêu thụ có kích thước từ 0,4 đến 0,8 mm.
Các đơn vị đá như Đá sa thạch St. Peter, Đá sa thạch Jordan, Đá sa thạch Oil Creek và Đá sa thạch Hickory là những nguồn nguyên liệu cát frac tiềm năng. Các đơn vị đá này bao gồm các hạt thạch anh đã trải qua nhiều chu kỳ phong hóa và xói mòn. Lịch sử lâu dài đó đã loại bỏ gần như tất cả các hạt khoáng sản khác ngoài thạch anh và sản xuất các loại ngũ cốc có hình dạng rất tròn. Đây là lý do tại sao cát được nạo vét từ các con sông, đào từ ruộng bậc thang hoặc loại bỏ khỏi các bãi biển không có khả năng tạo ra một sản phẩm tốt.
Trường hợp các đơn vị đá này được sản xuất, chúng thường mềm, xi măng kém và đôi khi bị phong hóa nhẹ. Điều này cho phép chúng được khai quật và nghiền nát với thiệt hại tối thiểu đối với các hạt thạch anh. Cát có độ tinh khiết cao từ các khu vực như Appalachia thường không phù hợp với cát frac vì nó đã chịu tác động của lực kiến tạo làm biến dạng đá và làm suy yếu các hạt cát.
Mỏ cát Frac ở Wisconsin: Nhìn từ trên không của một hoạt động khai thác cát frac ở Wisconsin. Cát Frac là một sản phẩm chuyên dụng cao, chỉ có thể được sản xuất từ một số lượng nhỏ cát.
Cơ sở chế biến cát Frac: Nhìn từ trên không của một cơ sở chế biến cát frac ở Wisconsin.
Nhà máy chế biến cát Frac
Cát Frac không được sử dụng thẳng từ mặt đất. Nó đòi hỏi xử lý để tối ưu hóa hiệu suất của nó. Sau khi khai thác nó được đưa đến một nhà máy chế biến. Ở đó nó được rửa sạch để loại bỏ các hạt mịn.
Sau khi rửa, cát được xếp thành đống để cho nước rửa chảy ra. Hoạt động này được thực hiện ngoài trời và bị hạn chế vào các thời điểm trong năm khi nhiệt độ cao hơn mức đóng băng. Sau khi cát được rút hết, nó được đặt trong máy sấy không khí để loại bỏ tất cả độ ẩm. Các hạt khô sau đó được sàng lọc để thu được các phân số kích thước cụ thể cho các khách hàng khác nhau.
Cát không phù hợp để fracking được tách ra và bán cho sử dụng khác. Một số cát frac có thể được phủ nhựa để cải thiện hiệu suất của nó trong hoạt động fracking. Vật liệu này sẽ được bán như một sản phẩm cao cấp. Sau khi xử lý hầu hết cát được nạp trực tiếp vào xe lửa để giao hàng đường sắt.
Một số nhà máy chế biến được đặt tại khu vực mỏ. Tuy nhiên, các nhà máy chế biến rất tốn kém để xây dựng và đôi khi được chia sẻ bởi nhiều mỏ. Đây là những vị trí trung tâm cho một số mỏ và cát được vận chuyển bằng xe tải, xe lửa hoặc băng tải.
Frac Sand được sản xuất và sử dụng ở đâu?
Một vài năm trước, các nhà sản xuất ở Wisconsin và Texas đã cung cấp phần lớn cát frac được sử dụng bởi ngành công nghiệp dầu khí. Tuy nhiên, nhu cầu tăng đột biến do sự bùng nổ của khí tự nhiên và dầu đá phiến đã thúc đẩy nhiều công ty cung cấp sản phẩm này. Nhiều trong số các công ty này nằm ở khu vực trung tâm của Hoa Kỳ nơi đá sa thạch St. Peter và các đơn vị đá tương tự nằm sát bề mặt và dễ dàng khai quật. Những khu vực này cũng là nơi các lực kiến tạo không gây ra sự gấp khúc nghiêm trọng của các đơn vị đá và làm suy yếu các hạt cát. Khu vực đắc địa nằm ở các tiểu bang trung tây (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska và Wisconsin).
Hầu hết các cát silic có độ tinh khiết cao ở Hoa Kỳ đã được biết đến trong nhiều thập kỷ. Chúng đã được sử dụng cho sản xuất thủy tinh và luyện kim. Việc tìm kiếm cát frac hiện tại không phải là "khám phá các nguồn cát mới", mà thay vào đó là việc xác định nguồn nào tạo ra vật liệu cao cấp.
Cát Frac được sử dụng để sản xuất khí đốt tự nhiên, chất lỏng khí tự nhiên và dầu từ đá phiến và các loại đá chặt khác, nơi cần phải phá vỡ thủy lực. Chúng bao gồm: Đá phiến Marcellus, Đá phiến Utica, Hình thành Bakken, Đá phiến Haynesville, Đá phiến Fayetteville, Đá phiến Eagle Ford, Đá phiến Barnett và nhiều loại đá phiến khác trên khắp Hoa Kỳ.
Đá sa thạch St. Một bức ảnh về đá sa thạch St. Peter được Joachim Dolomite chụp gần Thái Bình Dương, Missouri. Hình ảnh phạm vi công cộng của Kbh3rd.
Nguồn và giá cát Frac
Nhu cầu về cát frac ở Bắc Mỹ đã tăng mạnh trong vài năm qua để đáp ứng với nhiều vở kịch đá phiến phát triển ở nhiều vùng của Hoa Kỳ và Canada. Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ báo cáo nguồn gốc của sản phẩm này:
Đá cát Ordovic St. Peter ở Trung Tây là nguồn cát silic chính cho nhiều mục đích sử dụng cuối cùng và cũng là một nguồn chính của cát frac. Được khai thác ở năm bang, cát frac từ sa thạch St. Peter nằm trong khoảng cách vận chuyển hợp lý đến nhiều thành tạo đá phiến ngầm tạo ra khí đốt tự nhiên.Năm 2011, 59% cát frac được sản xuất ở Trung Tây.
Báo cáo giá trung bình của cát frac trong Niên giám Khoáng sản Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ là từ 45 đô la / tấn đến 50 đô la / tấn vào năm 2010. Trong năm 2011, giá trung bình đã tăng lên 54,83 đô la. Con số này cao hơn đáng kể so với mức giá trung bình 35 USD / tấn đối với cát đặc sản được bán ngoài ngành xây dựng.
Sản phẩm Bauxite thiêu kết
Bauxite dạng bột có thể được hợp nhất thành các hạt nhỏ ở nhiệt độ rất cao. Những hạt này có khả năng chống nghiền rất cao, và điều đó làm cho chúng phù hợp để sử dụng như một sản phẩm đầu ra. Trọng lượng riêng của các hạt và kích thước của chúng có thể phù hợp với độ nhớt của chất lỏng nứt thủy lực và kích thước của các vết nứt dự kiến sẽ phát triển trong đá. Các sản phẩm đầu ra được sản xuất cung cấp nhiều lựa chọn về kích thước hạt và trọng lượng riêng so với một sản phẩm tự nhiên được gọi là cát frac. Cát Frac hiện đang được sử dụng thay cho các sản phẩm đầu ra được sản xuất bởi vì nó có lợi thế về chi phí và vận chuyển.