Fratturazione idraulica

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

La fratturazione idraulica, spesso denominata con i termini inglesi fracking o hydrofracking, è lo sfruttamento della pressione di un fluido, in genere acqua, per creare e poi propagare una frattura in uno strato roccioso[1]. La fratturazione, detta in inglese frack job (o frac job)[2][3], viene eseguita dopo una trivellazione entro una formazione di roccia contenente idrocarburi, per aumentarne la permeabilità al fine di migliorare la produzione del petrolio o del gas da argille contenuti nel giacimento e incrementarne il tasso di recupero.

Le fratture idrauliche possono essere sia naturali che create dall'uomo; esse vengono create e allargate dalla pressione del fluido contenuto nella frattura. Le fratture idrauliche naturali più comuni sono i dicchi e i filoni-strato, oltre alle fessurazioni causate dal ghiaccio nei climi freddi. Quelle create dall'uomo vengono indotte in profondità in ben precisi strati di roccia all'interno dei giacimenti di petrolio e gas, estese pompando fluido sotto pressione e poi mantenute aperte introducendo sabbia, ghiaia, granuli di ceramica come riempitivo permeabile; in questo modo le rocce non possono richiudersi quando la pressione dell'acqua viene meno.

Uno schema di fratturazione idraulica allo scopo di estrarre gas da argille, con note su eventuali rischi ambientali.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Il primo uso di questa tecnologia per la stimolazione di giacimenti petroliferi avvenne negli Stati Uniti nel 1947[4][5]. La prima azienda ad usarla commercialmente fu la Halliburton nel 1949[4], e vista l'aumentata produzione che provocò si diffuse rapidamente prima nell'industria petrolifera statunitense e poi in quella di tutto il mondo. Il primo uso in assoluto però è ancora più antico: secondo T.L. Watson[6] risale addirittura al 1903. Prima di quella data ci sono prove di uso di questa tecnica nella cava del monte Airy, vicino Mount Airy, North Carolina dove si usava (e si usa tuttora) per separare blocchi di granito dalla roccia madre.

Utilizzo attuale[modifica | modifica sorgente]

Negli Stati Uniti durante il 2011 sono state effettuate esplorazioni estensive di fitte rocce bituminose alla ricerca di petrolio[7].

Rischi ambientali[modifica | modifica sorgente]

La fratturazione idraulica è sotto monitoraggio a livello internazionale a causa di preoccupazioni per i rischi di contaminazione chimica delle acque sotterranee e dell'aria. In alcuni paesi l'uso di questa tecnica è stata sospesa o addirittura vietata[8][9].

Rischi sismici[modifica | modifica sorgente]

Le tecniche di microfratturazione idraulica del sedimento possono, in taluni casi, generare una micro-sismicità indotta e molto localizzata. L'intensità di questi micro-terremoti è di solito piuttosto limitata, ma ci possono essere problemi locali di stabilità del terreno proprio quando i sedimenti sono superficiali. Sono stati comunque registrati alcuni terremoti probabilmente indotti superiori al 5º grado della Scala Richter. Ad esempio nel Rocky Mountain Arsenal, vicino a Denver in Colorado, nel 1967, dopo l'iniezione di oltre 17 milioni di litri al mese di liquidi di scarto a 3.670 metri di profondità, furono registrate una serie di scosse indotte localizzate nell'area, con una punta massima di magnitudo compresa fra 5 e 5,5[10][11].

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

La tecnica della fratturazione idraulica è utilizzata per aumentare, o ristabilire, il ritmo di estrazione di fluidi come petrolio, gas e acqua, incluso da giacimenti non convenzionali come quelli carboniferi o le rocce bituminose. La fratturazione idraulica permette l'estrazione di gas naturale e petrolio da formazioni rocciose molto al di sotto della superficie terrestre (tra i 1500 e i 6100 metri). Tali profondità spesso non presentano porosità e permeabilità tali da permettere l'estrazione ad un tasso economicamente conveniente. Ad esempio, la fratturazione permette l'estrazione di gas naturale dalle rocce bituminose, un materiale estremamente impermeabile (tra i micro e i nanodarcy[12]). La frattura crea un passaggio dal giacimento al pozzo, aumentando la portata dell'estrazione.

Mentre il principale uso industriale della fratturazione idraulica è stimolare l'estrazione di petrolio e gas[13][14][15], la fratturazione idraulica è utilizzata anche:

  • nella costruzione di pozzi idrici[16];
  • per preparare le rocce alla trivellazione di miniere[17];
  • per rendere più efficienti processi di riduzione delle perdite (di solito fuoriuscite di idrocarburi)[18];
  • smaltire perdite iniettandole in formazioni rocciose idonee;
  • come metodo per misurare tensioni nella crosta terrestre.

Metodologia[modifica | modifica sorgente]

Una frattura idraulica viene creata dal pompaggio del liquido fratturante nel pozzo, con una forza sufficiente per aumentare la pressione oltre il gradiente di frattura della roccia sottostante. Questo causa una o più crepe in cui il fluido entra e le estende ancora di più. Per mantenere aperta la crepa anche dopo l'arresto del pompaggio si aggiunge al fluido un materiale solido, normalmente sabbia setacciata, che viene portato dal fluido nelle fratture e impedisce loro di richiudersi completamente, creando un passaggio ad alta permeabilità per il fluido da estrarre.

Trivellare un pozzo produce schegge di roccia e detriti che possono infilarsi nelle crepe e nei pori della parete del pozzo, sigillando parzialmente il pozzo e riducendone la permeabilità: la fratturazione idraulica può ristabilire un adeguato flusso di estrazione dal giacimento. Per questo motivo è una misura standard adottata in tutti i pozzi trivellati in rocce scarsamente permeabili, e circa il 90% di tutti i pozzi di gas naturale negli Stati Uniti usa la fratturazione idraulica per produrre gas a un prezzo competitivo.

Il fluido iniettato nei pozzi può essere acqua, gel, schiuma o gas compressi come azoto, diossido di carbonio o semplice aria. Si usano anche vari tipi di materiale solido di mantenimento: di solito sabbia, ma anche sabbia con rivestimenti in resina o sferule di ceramica appositamente progettate a seconda del tipo di permeabilità richiesto o della pressione a cui il materiale dovrà resistere. A volte si usano sabbie contenenti dei traccianti radioattivi naturali, per poter seguire l'andamento delle fratture indotte nel sottosuolo. La proporzione fra fluido di fratturazione e materiale di mantenimento è in genere 99% fluido e 1% di materiale.

Per rilevare la dimensione e l'orientamento delle fratture provocate si esegue un monitoraggio microsismico durante il pompaggio di fratturazione, installando schiere di geofoni in pozzi adiacenti. Mappando i microsismi dovuti alle fratture in crescita si può dedurre la geometria approssimativa delle fratture. Altre importanti informazioni sugli sforzi indotti nelle rocce si ottengono piazzando schiere di inclinometri.

L'equipaggiamento standard per la fratturazione che si usa nei campi petroliferi comprende un miscelatore dinamico, una o più pompe ad alta pressione e alto flusso (di solito pompe triple o quintuple) e una unità di monitoraggio sismico. Altro materiale necessario sono serbatoi, tubature ad alta pressione, unità additivanti e manometri per tenere sotto controllo la pressione, il flusso e la densità del fluido durante l'iniezione. I valori di pressione e flusso del fluido variano molto nelle varie fasi: l'iniezione inizia con bassa pressione e flusso anche di 265 litri al minuto. Nella fase di sforzo la pressione aumenta fino a valori di 100 MPa e il flusso diminuisce gradatamente.

Critiche[modifica | modifica sorgente]

Sulla critica diretta a questo processo di estrazione di gas naturale, impiegato su larga scala negli Stati Uniti, è basato il documentario Gasland di Josh Fox, candidato al Premio Oscar 2011 per la categoria Documentari. L'Indipendent Petroleum Association of America ha lanciato poi un contro-documentario intitolato TruthLand con l'obiettivo di contestare le conclusioni e il metodo usati da Fox. È in preparazione un seguito di GasLand, sempre per mano di Josh Fox, dal titolo GasLand Part II.


Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Philippe A. Charlez: Rock Mechanics: Petroleum applications, Editions Technip, 1997
  2. ^ "frac job", Schlumberger Oilfield Glossary
  3. ^ "frac job" Pennsylvania Marcellus Shale GIS Database
  4. ^ a b Howard, G.C. e C.R. Fast (editori), Hydraulic Fracturing, Monograph Vol. 2 della serie Henry L. Doherty, Società degli ingegneri petroliferi di New York, 1970.
  5. ^ Montgomery, Carl T., Smith, Michael B., Hydraulic Fracturing: History of an Enduring Technology in Journal of Petroleum Technology, vol. 62, n. 12, Society of Petroleum Engineers, dicembre 2010, pp. 26–32. ISSN 0149-2136. URL consultato il 5 gennaio 2011.
  6. ^ Watson, T.L., Granites of the southeastern Atlantic states, U.S. Geological Survey Bulletin 426, 1910.
  7. ^ (EN) Clifford Krauss, Shale Boom in Texas Could Increase U.S. Oil Output in The New York Times, 27 maggio 2011. URL consultato il 28 maggio 2011.
    «the hottest new oil play in the country».
  8. ^ (EN) Wikipedia eng.
  9. ^ (EN) Dan Frosch, In Land of Gas Drilling, Battle for Water That Doesn’t Reek or Fizz in The New York Times, 2 giugno 2012. URL consultato il 2 giugno 2012.
    «In Land of Gas Drilling, Battle for Water That Doesn’t Reek or Fizz».
  10. ^ USGS: "Can we cause earthquakes? Is there any way to prevent earthquakes?
  11. ^ "The first well-documented case of injection-induced seismicity occurred at the Rocky Mountain Arsenal near Denver in 1966-67. The injection of 17 to 21 million L/mo of hazardous waste into a 3,671-m-deep disposal well was quickly followed by many felt earthquakes (fig. A1A) in a region where the last felt earthquake occurred in 1882 (Healy and others, 1968). Comparisons between the onset of seismicity and well operations and between earthquake frequency and average injection rate showed a convincing correlation. Although injection ceased in February 1966, earthquakes triggered by the increased fluid pressure established around the wells continued for several years. In 1967, three large earthquakes each with a magnitude of greater than 5 occurred, causing minor structural damage in and around the greater Denver area." Nicholson, Craig and Wesson, R.L., 1990, Earthquake Hazard Associated with Deep Well Injection--A Report to the U.S. Environmental Protection Agency: U.S. Geological Survey Bulletin 1951 (PDF, pag. 39 Appendix A)
  12. ^ (EN) The Barnett Shale.
  13. ^ Gidley, J.L. et al. (editors), Recent Advances in Hydraulic Fracturing, SPE Monograph, SPE, Richardson, Texas, 1989.
  14. ^ Yew, C.H., Mechanics of Hydraulic Fracturing, Gulf Publishing Company, Houston, Texas, 1997.
  15. ^ Economides, M.J. and K.G. Nolte (editors), Reservoir Stimulation, John Wiley & Sons, Ltd., New York, 2000.
  16. ^ David Banks, Odling, N.E., Skarphagen, H., and Rohr-Torp, E., Permeability and stress in crystalline rocks in Terra Nova, vol. 8, n. 3, 1996, pp. 223–235. DOI:10.1111/j.1365-3121.1996.tb00751.x.
  17. ^ Brown, E.T., Block Caving Geomechanics, JKMRC Monograph 3, JKMRC, Indooroopilly, Queensland, 2003.
  18. ^ U. Frank, N. Barkley, Remediation of low permeability subsurface formations by fracturing enhancement of soil vapor extraction, Journal of Hazardous Materials, Volume 40, Issue 2, Soil Remediation: Application of Innovative and Standard Technologies, February 1995, Pages 191-201, ISSN 0304-3894, DOI: 10.1016/0304-3894(94)00069-S.

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

ingegneria Portale Ingegneria: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di ingegneria