1. Inleiding
3.2. Uit welke activiteiten bestaat het boren naar en het winnen van schaliegas
3.2.4. Extractie proces
Horizontale boorputten zijn duurder en moeilijker om nauwkeurig te boren dan verticale putten, maar ze maken het mogelijk om meer gas te winnen uit een enkele boorput. In het geval van de Marcellus schalie ligt deze onder een drinkwater reservoir. Deze is echter gescheiden van de reservoir door gesteente van extreem lage permeabiliteit. Nadat de put is geboord, wordt met de casing geprobeerd om te voorkomen dat boorvloeistof en aardgas naar het grondwater kunnen stromen (Arthur, 2008).
Hoewel de hoeveelheid gas in de Marcellus schalie enorm is, hebben schalieformaties over het algemeen een extreem lage permeabiliteit, variërend van 0,01 tot 0,00001 millidarcy. Typische oliereservoir formaties hebben een permeabiliteit van 100 tot 10,000 millidarcy. Deze lage natuurlijke doorlaatbaarheid betekent dat elk gasproductie boorput geboord in de formatie niet in staat zal zijn om genoeg aardgas te produceren om goed economisch levensvatbaar te zijn. Hydrofracturering (zie figuur 9) is een proces (zie bijlage 1 voor een gedetailleerde beschrijving over de pellets/korrels gebruikt bij het fracken) dat wordt gebruikt om de permeabiliteit van de schalie te verhogen, zodat gas kan stromen naar de boorput (NY Department of Environmental Conservation, 2011).
Het hydraulische fracken begint door het injecteren van water naar de ondergrond om de schalie te breken, om zo de permeabiliteit te verhogen. Gezeefd zand wordt toegevoegd als "onsamendrukbaar materiaal" naar de nieuwe gebroken rots om deze open te houden. Het doel van het hydraulische breken of "fracking" is om de bestaande natuurlijke breuken te stimuleren of nieuwe fracturen te creëren binnen de boorlocatie in het reservoir. Deze breuk is noodzakelijk om wegen te maken waarlangs het gas naar de boorput kan stromen. Hydrofracturering bestaat uit pompen van een gas of een vloeistof, met onsamendrukbaar materiaal (meestal zand of keramische korrels), langs de boorput bij een hoge snelheid en druk door de perforaties te laten gaan waardoor het omringende gesteente breekt. Het vloeistof mengsel vult de open breuken, houd ze open na de breuk nadat de druk wordt verwijderd. Nadat de breuk stimulatie voltooit, blijft het zand of keramische korrels in de fractuur, terwijl de vloeistof naar het oppervlak stroomt (NY Department of Environmental Conservation, 2011) en (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012).
In de meeste horizontale putten zijn meerdere fracking operaties nodig om effectief het reservoir gesteente te stimuleren. Dit proces wordt "meertraps fracken" genoemd en bestaat uit het horizontale gedeelte van de boorpijp te verdelen in secties waarin het gesteente rondom vervolgens afzonderlijk worden gefrackt. Tijdens deze behandeling wordt elke "sectie" geïsoleerd van de rest van de boorput. Na voltooiing van alle frackingsfasen, stroomt de vloeistof voor het grootste gedeelte terug naar de oppervlakte, alleen een deel blijft achter (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012).
Het zand zorgt voor het open houden van het gebroken gesteente en is een medium voor de breekvloeistof om het gesteente te passeren. Naast water en zand, worden kleine concentraties van chemische additieven aangewend om nog meer gas te kunnen produceren. Deze toevoegsels omvatten chemicaliën welke de wrijving binnen de put verlagen en het onsamendrukbaar materiaal effectief laten stromen door de breuken in de formatie, om de groei van algen en bacteriën die het bronsysteem zou schaden te voorkomen en om peilbuis corrosie te voorkomen. De additieven (Cooke, et al., 1973) en (Arthur, 2008) (zie tabel 1) maken doorgaans tussen 0,05 tot 0,5% van het totale vloeistofvolume uit.
Tabel 1: Algemene vloeistof additieven. Overgenomen van Arthur, et al. En U.S. Department of Energy Additief type Hoofdbestanddelen Normaal gebruik van de hoofdbestanddelen
Zuur Zoutzuur Wordt als chemisch middel gebruikt in
zwembaden
Biocide Glutaaraldehyde Koud sterilisatiemiddel in zorgsector
Breker Natriumchloride Conserveermiddel
Corrosie remmer N, N-dimethylformamide Gebruikt als een kristallisatie medium in de farmaceutische industrie
Wrijving remmer Aardoliedestillaat Cosmetica, met inbegrip haar, make-up, nagels en huid producten
Geleermiddel Guargom of Hydroxyethyl cellulose
Verdikkingsmiddel gebruikt in cosmetica, sauzen en dressings.
IJzerregelingsmiddel Citroenzuur Citroenzuur wordt gebruikt om kalkaanslag te verwijderen (citroensap ~ 7% Citroenzuur) Zuurstofbinder Ammoniumwaterstofsulfiet Gebruikt in cosmetica
Onsamendrukbaar materiaal
Silica, Kwartszand Speel zand
Het bedrijf Meyer & Associates, Inc. Zegt over het fracking vloeistof “Hoewel sommige van deze stoffen schadelijk zijn, is het zeer belangrijk om op te merken dat ze worden geïnjecteerd bij lage concentraties, het meeste van de vloeistof bestaat uit schoon, gezeefd zand en water” (Meyer & Associates, Inc., 2014). Ingenieurs en geologen bepalen de exacte samenstelling van de vloeistof zoals ook het volume en de injectiedruk. Dit wordt typisch uitgevoerd met een computersimulatie programma dat in staat is een driedimensionale analyse van de ondergrondse omstandigheden door te lopen. Deze programma's hebben de mogelijkheid om de werking van de boorput pompen te specificeren, te anticiperen op de breuk dynamiek en geven aan wat het optimale mengsel vloeistof mengsel is (Meyer & Associates, Inc., 2014).
De vloeistof welke hiervoor gebruikt wordt bestaat uit water, chemische additieven (zie figuur 10) en meestal zand, keramiek korrels, of andere onsamendrukbare materiaal. De vloeistof zonder het zand en keramiek korrels stroomt terug naar de oppervlakte door de boorput. Een onbekende hoeveelheid vloeistof, samen met zijn chemische additieven, blijft ondergronds. De terugstroom en geproduceerd water, die aanzienlijk zouter kan worden dan het zeewater, bevatten een verscheidenheid aan andere verontreinigingen en worden meestal opgeslagen op het terrein in tanks of putten voor hergebruik of verwijdering (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012). Fracking vloeistoffen bestaan uit een complex mengsel van vele componenten die zijn ontworpen om een diverse reeks functies te vervullen en welke geschikt zijn voor een verscheidenheid van factoren, waar onder lokale geologie, boorput diepte en de lengte van het horizontale segment van de boorput. Hoewel de precieze combinatie van componenten uniek is voor de formatie. De chemicaliën dienen als geleermiddelen, voor het breken van de ondergrond, als biociden, corrosieremmers en aanslagremmers (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012). Vertegenwoordigers van het bedrijfsleven wijzen erop dat chemische stoffen een klein percentage vertegenwoordigen van de vloeistof. Een gemiddeld fracking vloeistof bestaat uit meer dan 99 % water en zand. Gezien de grote hoeveelheid vloeistof die grond wordt geïnjecteerd, kan echter een klein percentage chemicaliën een grote invloed hebben op de omgeving (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012).
Water Gebruik
Water is de meest voorkomende breekvloeistof. In sommige leisteen gasreservoirs, waarbij het gesteente niet compatibel is met water wordt in plaats daarvan kooldioxide, stikstof of perfluorpropaan gebruikt. Verschillende hoeveelheden water worden in verschillende schalieformaties gebruikt. Dit kan variëren van 2.000 tot 20.000 kubieke meter per boorput. Na voltooiing zullen de meeste putten 20 tot 30 jaar produceren zonder verdere fracking en verwante watergebruik (CSUR, 2013) en (LP Gas, 2014).
Eurostat stelt dat “een typische schaliegas boorput tussen de 10.000 en 20.000 m3 water verbruikt in twee tot drie maanden. Dit verschil is vooral afhankelijk van de ondergrondse geologie en het aantal hydrofracturering stappen welke vereist zijn. Echter als meertrapsbreken ( van 5 tot 15 stappen ) nodig zal zijn, zou het extra water verbruik tussen de 2.500 tot 5.000 m3 liggen voor het boren van de boorput en 7.500 tot 15.000 m3 voor fracking” (European Commission (Eurostat), 2013). Hoewel deze cijfers op zichzelf hoog lijken, is de hoeveelheid water die wordt gebruikt per eenheid geproduceerde energie uit schaliegas gedurende de levensduur lager dan steenkool, kernenergie of een geconcentreerde zonne-energiecentrales (Shale Gas Europe, 2013).
Als onderdeel van de inspanningen van de sector om zoet water te verminderen, wordt een groot deel van dit water gerecycled, hergebruikt in verdere fracking operaties of toegepast in andere industriële processen (Shale Gas Europe, 2013).
Wanneer het water wordt onttrokken uit lokale bronnen wordt het langzaam en over langere periodes gedaan, zoals wordt vermeld in de vergunningen. Dit water wordt tot het gebruikt wordt bewaard in grote bassins tot de grotere hoeveelheden water nodig zullen zijn (Shale Gas Europe, 2013).
Water Bronnen
In de vroege stadia van schaliegas ontwikkeling wordt het gebruikte water meestal onttrokken aan zoetwater bronnen. Aardgasproducenten gebruiken echter steeds vaker methoden om water te recyclen of fracken met niet-drinkbaar brak water om een verhoogde vraag naar water te compenseren en de effecten op het oppervlaktewater en grondwater te verminderen. Water wordt meestal per vrachtwagen naar de boorput gebracht en opgeslagen in grote bassins of tanks en ook weer per vrachtwagen als vervuild afvalwater afgevoerd en in een boorput diep onder de grond geïnjecteerd.