Bijlage 1 – Hydraulisch fracking methode
Deze uitvinding is gerelateerd aan een methode om ondergrondse formaties te breken, welke zich bevinden onder olie boorputten, gas boorputten en vergelijkbare boorputten. De methode maakt gebruik van een verbeterd onsamendrukbaar materiaal (Cooke, et al., 1973). Hydraulisch fracken is een boorput stimulatie methode ontworpen om de productiviteit van een boorput te verhogen door hoog geleidende breuken te creëren of kanalen in de producerende formatie welke zich rondom de boorput bevind.
Het proces omvat normaal gesproken twee basis stappen; De eerste is het injecteren van vloeistof bij een voldoende hoeveelheid en druk om de formatie los te breken en daarbij scheuren in het reservoir gesteente te creëren en daarna onsamendrukbaar materiaal in de openingen van de scheuren in de formatie te plaatsen, om de breuk te behouden in de formatie. Wanneer de druk in de scheur afgenomen is, zal de bulk van grond de scheur proberen te dichten op het samendrukbaar materiaal welke in de scheur aanwezig is. Als stimulatie van de grond zal moeten gebeuren, zal de he onsamendrukbaar materiaal voldoende mechanische druk kunnen uithouden, zodat de scheur niet zal dicht gaan en ook een relatief hoge permeabiliteit in the scheur met daarin het onsamendrukbaar materiaal te waarborgen (Cooke, et al., 1973).
Een grote variatie aan onsamendrukbaar materiaal is als een mogelijkheid naar voren gebracht voor het gebruik in hydraulische fracking operaties. Deze materialen vallen in twee klassen; de eerste klasse bestaat uit materiaal welke niet van vorm verandert en hard materiaal. Deze klasse wordt getypeerd door plastic pellets en wordt normaal gesproken geplaatst in de scheur in een gedeeltelijk één laags patroon, waarbij het harde materiaal normaal gesproken in een scheur geplaatst wordt in een meerder laags patroon. De huidige vorm van fracking gebruikt vooral hard materiaal (Cooke, et al., 1973).
Het hoofd probleem geassocieerd met conventionele hard onsamendrukbaar materiaal zoals zand, is de neiging om te verspreiden of desintegreren onder druk van de grond boven de formatie met de scheuren. Dit reduceert niet alleen de breedte van de scheur met het onsamendrukbaar materiaal, maar produceert kleine verstoppingen in de kanalen van de scheur. Onderzoek toonde aan dat de verstoppingseffecten van zand welke zich verspreid heeft binnen de scheur drastisch de doorlatendheid van de scheur beïnvloeden.
Experimenten om onsamendrukbaar materiaal voor in de fracking vloeistof te produceren welke efficiënt de druk van de bovenliggende grond aan kan zonder al te veel te desintegreren. Dit heeft geleid tot materialen zoals glas korrels, stalen korrels en vergelijkbare materialen. Deze materialen zijn echter duur en worden normaal gesproken alleen gebruikt onder speciale condities waar het economisch rendabel is om deze materialen te gebruiken (Cooke, et al., 1973). Als men dan kijkt naar de huidige situatie is er veel veranderd sinds 1973, want materialen zoals bijvoorbeeld nu de keramiek korrels worden net zoals zand vaak gebruikt (Cooley, Donnelly, Ross, & Luu, 2012) en (European Commission (Eurostat), 2013).
Laboratorium onderzoeken hebben aangetoond dat onsamendrukbaar materiaal gerenforceerd met vezels of met een temperatuur onafhankelijk gom veel minder snel de neiging heeft om net zoals zand uit elkaar te vallen en te verspreiden in de scheur en zo verstoppingen veroorzaakt. Extra onderzoek heeft aangetoond dat met gom geïmpregneerde korrels de doorlatendheid substantieel beter behouden onder druk van de formaties daarboven dan zand. De geprefereerde onsamendrukbare materialen zijn inclusief de volgende; cement pellets met een gewichtspercentage van 5 tot 50% vezelrijk materiaal als versterkend materiaal. In het oude patent staat nog geschreven
dat asbest het beste gebruikt kan worden hiervoor, echter is dit niet meer toegestaan (Cooke, et al., 1973).
De cement pellets met een gewichtspercentage van 3 tot 50% gom en geprefereerd één die temperatuur onafhankelijk is, zou in de huidige en toekomstige schaliegas boorputten kunnen worden gebruikt of worden al gebruikt. Tenslotte zijn de cement pellets met een gewichtspercentage van 5 tot 50% met vezels versterkt materiaal met een gewichtspercentage van 3 tot 5% gom, zijn zolang in de laatste combinatie geen asbest aanwezig is, zou in principe gebruikt kunnen worden als onsamendrukbaar materiaal in de huidige en nieuwe schaliegas boorputten (Cooke, et al., 1973). Het is redelijk bekend in de aardolie industrie dat permeabiliteit afneemt door fragmenten en verstoppingen geproduceerd door de desintegratie van onsamendrukbaar materiaal in korrel vorm zoals zand. Silica zand is juist gevoelig voor het uit elkaar vallen van het materiaal bij te hoge druk van de bovenliggende formaties boven de 4,000 psi.
Experimenten tonen aan dat het aanwezig zijn van 20% aan verstoppingen, de doorlatendheid van de breuklijn met 50% vermindert (Cooke, et al., 1973). De cement pellets mogen gevormd worden door conventionele pelletiseer technieken gebruik makend van een mengsel van droog cement, water en vezels. De term cement, gebruikt in het patent, refereert naar hydraulische cementen. Dit type cement wordt geproduceerd door een precieze mix te verbranden van even verdeelde kalkachtig materiaal en kleihoudend materiaal en het resulterende residu fijn te malen tot een zeer fijn poeder. Het residu van de verbranding wordt “clinker” genoemd, wat eigenlijk gewoon koolstof is in poeder vorm oftewel as. Dit materiaal, wat hoofdzakelijk uit kalk, silicaten en aluminium verbindingen bestaat, wordt afgevoerd van de verbrandingsoven in poeder vorm of als pellet. Het as kan gemakkelijk worden gezeefd in een samengeperste grote, welke gebruikt kan worden als onsamendrukbaar materiaal in bijvoorbeeld een schaliegas reservoir. Een coating en impregnatie van de samengeperste as met een synthetisch gom toegevoegd kan het dragend vermogen verbeteren en daarmee efficiënter omgaan met de druk van de bovenliggende grond (Cooke, et al., 1973). De cement pellets versterkt met vezels kunnen ook andere toevoegsels, zoals een vulmiddel bevatten, bijv. kwartszand (silicameel), kalksteen, cokes, vliegas en dergelijke fijn verdeelde passieve materialen. Laboratoriumproeven hebben aangetoond dat versterkte cement korrels kunnen worden gepelletiseerd in een formaat dat geschikt is voor gebruik als opvulmateriaal voor fracking operaties (Cooke, et al., 1973). Na drukproeven van de pompen en boorput instrumenten, een viskeuze vloeistof, bekend als de pad wordt geïnjecteerd in de put met voldoende snelheid en druk om een breuk in de formatie te creëren. De breukvormingsvloeistof kan op oliebasis, water basis, zuur basis gebruikt worden en er kunnen ook emulsie vloeistoffen of een andere vloeistoffen gebruikt worden in het hydraulische breken van de grond. Het kan additieven zoals biocides, corrosie remmers, wrijving remmers, geleermiddelen, ijzerregelingsmiddelen, zuurstofbinders en verkalking remmers bevatten (Cooke, et al., 1973).
De injectie van het vloeistof wordt voortgezet totdat een breuk van voldoende grootte is verkregen zodat de breuk e cement of keramiek korrels kan ontvangen. Normaal gesproken is een breuk met een breedte van twee en een half maal de diameter van de grootste korrels heeft voldoende groot om de korrels te ontvangen. Wanneer de breuk van de gewenste grootte is verkregen, worden de pellets in de vloeistof ondergedompeld in de vloeistof en wordt dan getransporteerd in de vloeistof naar de breuk waar deze in het gewenste patroon wordt aangebracht (Cooke, et al., 1973).
De pellets worden gewoonlijk ingebracht in de breekvloeistof in een concentratie die voldoende is om meerdere lagen in de breuk te vormen. Onder bepaalde omstandigheden kan het echter wenselijk zijn een patroon bekend als gedeeltelijke monolaag te gebruiken, waarbij de pellets relatief breed worden verspreid in de breuk en vormen als het ware pijlers in de breukwanden. In elk geval zal de concentratie van de pellets van ongeveer 0,06 kilogram tot ongeveer 0,6 kilogram per liter in de breukvormingsvloeistof aanwezig zijn. Na plaatsing van pellets in de breuk wordt de druk in de boorput met voldoende tijd om het te laten afnemen in de formatie, de druk terug gebracht naar de situatie voor het injecteren van de vloeistof. Dit veroorzaakt dat de breuk sluit en oefent een sluitingsspanning uit op de cement pellets of andere deeltjes. De tijd benodigd voor dit proces kan variëren van enkele minuten tot enkele dagen (Cooke, et al., 1973).
Wanneer de boorput gaat produceren, zullen koolwaterstoffen uit de formatie stromen door de breuk en in de boorput. De sluitingsspanning van de breukwanden op de cement korrels zullen de neiging hebben om de deeltjes te desintegreren, welke leiden tot de vorming van fragmenten die onder productie omstandigheden de breuken welke gedurende de fracking operaties zijn gecreëerd verstoppen en de stromingsdoorgangen richting de boorput afsluiten zodat er geen gas richting de boorput stroomt. Laboratorium onderzoeken werden uitgevoerd op vezelcement pellets en met gom gevulde cement pellets om de mate van pellet desintegratie onder druk van de bovenliggende formaties en druk van de breukwanden te toetsen. Aanvullende experimenten werden uitgevoerd om de permeabiliteit behoud van hars gevulde cement pellets en as pellets onder verschillende druk niveaus te bepalen (Cooke, et al., 1973).