Sisältö
- Puristuskestävä hiekka öljy- ja kaasulähteille
- Kuinka Frac Sandia käytetään?
- Frac Sand "Vaattajana"
- Millaista hiekkaa?
- Frac-hiekan käsittelylaitokset
- Missä Frac Sand -tuotetta tuotetaan ja käytetään?
- Frac Sand -lähteet ja hinnat
- Sintratut bauksiittipotilaat
Frac-hiekka: Lähikuva frac-hiekkaa (oikealla) ja tyypillistä hiekkaa, jonka raekoko on samanlainen (vasemmalla). Huomaa, kuinka frac-hiekalla on yhtenäisempi raekoko, kauniisti pyöristetyt raekokot ja yhtenäinen koostumus. Se on myös erittäin kova materiaali, joka kestää jopa useita tonneja puristusvoimia neliötuumaa kohden. Tämän kuvan jyvät ovat kooltaan noin 0,50 millimetriä.
Frac-hiekan tuotanto: Tämä kaavio kuvaa fraktahiekan tuotannon näyttävää nousua Yhdysvalloissa. Tiedot Yhdysvaltojen geologisen tutkimuksen mineraalien vuosikirjoista, 2005-2015.
Puristuskestävä hiekka öljy- ja kaasulähteille
"Frac-hiekka" on erittäin puhdasta kvartsihiekkaa, jolla on erittäin kestäviä ja erittäin pyöreitä jyviä. Se on murskattu materiaali, jota valmistetaan käytettäväksi öljyteollisuudessa. Sitä käytetään hydraulisessa murtumisprosessissa (tunnetaan nimellä "fracking") öljynesteiden, kuten öljyn, maakaasun ja maakaasunesteiden, tuottamiseksi kallioyksiköistä, joilla ei ole riittävästi huokostilaa näiden nesteiden virtaamiseksi kaivoon. Suurin osa hiekkahiekasta on luonnollista materiaalia, joka on valmistettu erittäin puhtaasta hiekkakivestä. Vaihtoehtoinen tuote on sintratusta boksiitista valmistetut keraamiset helmet tai alumiinista valmistetut pienet metallihelmet.
Rakkaushiekan kysyntä on räjähtänyt viime vuosina, kun tuhansia öljy- ja maakaasukauvoja on stimuloitu hydraulisen murtumisprosessin avulla. (Katso tuotantotaulukko.) Hydraulinen murtotyö yhdessä kaivossa voi vaatia muutamatuhat tonnia hiekkaa. Tämä erikoistuneen porauksen nousu on luonut miljardin dollarin fraktahiekkateollisuuden hyvin lyhyessä ajassa. Vuosien 2005 ja 2015 välillä öljy- ja kaasuteollisuuden käyttämä fraktihiekan määrä on lisääntynyt dramaattisesti.
Frac-hiekkavideo: USA: n silikan video, joka osoittaa korkealaatuisen raivahiekan ominaisuudet.
Kuinka Frac Sandia käytetään?
Jotkut maanpinnan kallioyksiköt, kuten orgaaninen liuskekive, sisältävät suuria määriä öljyä, maakaasua tai maakaasunesteitä, jotka eivät virtaa vapaasti kaivoon. Ne eivät virtaa kaivoon, koska kallioyksiköllä joko puuttuu läpäisevyys (toisiinsa liitetyt huokostilat) tai kallion huokoset ovat niin pienet, että nämä nesteet eivät pääse virtaamaan niiden läpi.
Hydraulinen murtumisprosessi ratkaisee tämän ongelman luomalla murtumia kallioon. Tämä tehdään poraamalla kaivo kallioon, sulkemalla osa kaivoa öljyä kantavalla vyöhykkeellä ja pumppaamalla vettä korkean paineen alla siihen kaivo-osaan. Tätä vettä käsitellään yleensä kemikaaleilla ja sakeutusaineilla, kuten guarkumilla, viskoosin geelin luomiseksi. Tämä geeli helpottaa veden kykyä kuljettaa fraktahiekan jyviä suspensiona.
Maapallon pinnalla olevat suuret pumput lisäävät kaivojen suljetun osan vedenpainetta, kunnes se on riittävän korkea ylittämään ympäröivien kivien murtumispisteen. Kun niiden murtumispiste on saavutettu, ne murtuvat yhtäkkiä ja vesi valuu nopeasti murtumiin, täyttäen ne ja laajentamalla niitä syvemmälle kallioon. Miljardit hiekkajyvät kulkeutuvat syvälle murtumiin tämän äkillisen vesipaineen takia. Yksi kaivo voidaan stimuloida muutamatuhat tonnia frac-hiekkaa.
Frac-hiekkavideo: USA: n silikan video, joka osoittaa korkealaatuisen raivahiekan ominaisuudet.
Hydraulinen murtuminen: Yksinkertaistettu kaavio maakaasukuopasta, joka on rakennettu vaakasuoralla porauksella Marcellus-liuskan läpi tunkeutumisen pituuden lisäämiseksi. Hydraulinen murtuminen tapahtuu tyypillisesti kaivon vaakasuorassa osassa kaasun virtauksen stimuloimiseksi liuskeesta. Tätä kaivokonfiguraatiota käytetään Yhdysvaltojen liuskepelissä.
Frac Sand "Vaattajana"
Kun pumput kytketään pois päältä, murtumat tyhjenevät, mutta eivät sulkeudu kokonaan - koska ne tukeutuvat miljardien rakohiekan jyvien avulla. Tämä tapahtuu vain, jos kalliossa on toimitettu tarpeeksi hiekkajyviä vastaamaan sulkeutuvien murtumien voimaa.
Kallion uudet murtumat, joiden tukevat kestävät hiekkajyvät, muodostavat huokostilaverkoston, jonka avulla öljynesteet voivat virtata kalliosta ja kaivoon. Frac-hiekkaa kutsutaan "tukijaksi", koska se tukee murtumia auki.
Muita apuaineena käytettyjä materiaaleja ovat keraamiset helmet, alumiinihelmet ja sintrattu boksiitti. Frac-hiekka tarjoaa yleensä korkeimman suorituskyvyn, ja se on tällä hetkellä öljyteollisuudessa yleisimmin käytetty tukimateriaali.
Jordanin hiekkakiven kartta: Monet kiviyksiköistä, joita louhitaan parhaillaan fraktahiekkaa varten, ovat myös pohjavesikerroksia. Tämä tekee pohjavesitutkimusjulkaisuista, kuten Yhdysvaltojen geologisen tutkimuskeskuksen pohjavesisatlasarjasta, arvokkaita etsintäasiakirjoja hiekkakiven kallioyksiköiden esiintymisen, paksuuden ja rakenteen määrittämiseksi.Tämä kartta on peräisin Yhdysvaltain Iowan, Michiganin, Minnesotan ja Wisconsinin pohjavesikalasasta. Se osoittaa Jordanin hiekkakiven maantieteellisen laajuuden ja paksuuden Minnesotassa ja Iowassa. Samanlaisia karttoja on julkaistu tässä sarjassa muille hiekkakiven kallioyksiköille ja muille maantieteellisille alueille.
Millaista hiekkaa?
Öljyteollisuuden kannattajien on täytettävä erittäin vaativat vaatimukset. Korkealaatuisen raivahiekan ominaisuuksiin kuuluvat:
- erittäin puhdasta silikahiekkaa
- raekoko sopii täydellisesti työvaatimuksiin
- pallomainen muoto, joka mahdollistaa sen kuljettamisen hydraulisessa murtumisnesteessä minimaalisen turbulenssin kanssa
- kestävyys vastustaa sulkeutuvien murtumien puristusvoimia
Frac-hiekkaa tuotetaan eri kokoisina halkaisijaltaan 0,1 millimetristä halkaisijaltaan yli 2 millimetriin asiakkaan toiveiden mukaan. Suurin osa käytetystä fraktahiekasta on välillä 0,4 - 0,8 millimetriä.
Kiviyksiköt, kuten St. Peter Sandstone, Jordan Sandstone, Oil Creek Sandstone ja Hickory Sandstone, ovat olleet potentiaalisia murtohiekka-aineiden lähteitä. Nämä kiviyksiköt koostuvat kvartsirakeista, jotka ovat olleet läpi useiden sään ja eroosion kierrosten. Tämä pitkä historia on poistanut melkein kaikki muut kivennäisjyvät kuin kvartsi ja tuottanut jyviä, joiden muoto on erittäin pyöreä. Tästä syystä jokien kaivoksista, terasseilta kaivettuista tai rannoilta poistettu hiekka ei todennäköisesti tuota hyvää tuotetta.
Missä näitä kallioyksiköitä tuotetaan, ne ovat yleensä pehmeitä, heikosti sementoituja ja joskus kevyesti sääolosuhteisia. Tämä mahdollistaa niiden louhinnan ja murskaamisen siten, että kvartsin jyvät vaurioituvat mahdollisimman vähän. Appalakkien kaltaisilta alueilta peräisin oleva erittäin puhdas hiekka ei useinkaan sovellu murrahiekkaan, koska se on altistettu tektonisille voimille, jotka ovat muodonmuutos ja heikentänyt hiekkajyviä.
Frac-hiekkakaivos Wisconsinissa: Ilmakuva frac-hiekan kaivostoiminnasta Wisconsinissa. Frac-hiekka on erittäin erikoistunut tuote, jota voidaan tuottaa vain pienestä määrästä hiekkakerroksia.
Frac-hiekan käsittelylaitos: Ilmakuva frac-hiekan käsittelylaitoksesta Wisconsinissa.
Frac-hiekan käsittelylaitokset
Frac-hiekkaa ei käytetä suoraan maasta. Se vaatii käsittelyä suorituskyvyn optimoimiseksi. Kaivostoiminnan jälkeen se viedään jalostuslaitokseen. Siellä se pestään pienten hiukkasten poistamiseksi.
Pesun jälkeen hiekka pinotaan paaluihin, jotta pesuvesi voi valua pois. Tämä toimenpide tehdään ulkona, ja se on rajoitettu vuodenaikoihin, jolloin lämpötilat ovat yli jäätymisen. Kun hiekka on valutettu, se asetetaan ilmankuivaajaan kaiken kosteuden poistamiseksi. Kuivat jyvät seulotaan sitten erityisten kokojakeiden saamiseksi eri asiakkaille.
Hiekka, joka ei sovellu purkamiseen, erotetaan ja myydään muihin käyttötarkoituksiin. Jotkut raivahiekkaa voidaan päällystää hartsilla sen suorituskyvyn parantamiseksi fraktiointitoimenpiteessä. Tätä materiaalia myydään premium-tuotteena. Käsittelyn jälkeen suurin osa hiekasta lastataan suoraan junavaunuihin rautatiejärjestelmää varten.
Jotkut jalostuslaitokset sijaitsevat kaivoksen alueella. Jalostamoiden rakentaminen on kuitenkin erittäin kallista, ja ne jakautuvat toisinaan useiden kaivosten kesken. Ne sijaitsevat useiden kaivoksien keskellä ja hiekka toimitetaan kuorma-autolla, junalla tai kuljettimella.
Missä Frac Sand -tuotetta tuotetaan ja käytetään?
Muutama vuosi sitten Wisconsinin ja Texasin tuottajat toimittivat suuren osan öljy- ja kaasuteollisuuden käyttämästä hiekkahiekasta. Maakaasu- ja liuskeöljypuomin aiheuttama valtava kysynnän kasvu on kuitenkin motivoinut monia yrityksiä toimittamaan tätä tuotetta. Monet näistä yrityksistä sijaitsevat Yhdysvaltojen keskustassa, missä St. Peter Sandstone ja vastaavat kiviyksiköt ovat lähellä pintaa ja kaivettavissa helposti. Näillä alueilla tektoniset voimat eivät ole myöskään aiheuttaneet kiviyksiköiden voimakasta taittumista ja heikentäneet hiekkajyviä. Ensisijainen alue on keskilännen osavaltioissa (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska ja Wisconsin).
Suurin osa Yhdysvaltojen erittäin puhdasta piidioksidihiomaa on ollut tiedossa vuosikymmenien ajan. Niitä on käytetty lasinvalmistukseen ja metallurgiseen käyttöön. Frac-hiekan nykyinen haku ei koske "uusien hiekkalähteiden löytämistä", vaan sen sijaan sen määrittämistä, mitkä lähteet tuottavat parempia materiaaleja.
Frac-hiekkaa käytetään luonnonkaasun, maakaasunesteiden ja öljyn tuotantoon liuskekivestä ja muista tiiviistä kivistä, joissa tarvitaan hydraulista hajoamista. Näitä ovat: Marcellus-liuske, Utica-liuske, Bakken-muodostuminen, Haynesville-liuske, Fayetteville-liuske, Eagle Ford -levy, Barnett-liuske ja monet muut liuskepelisteet Yhdysvalloissa.
St. Peter Sandstone: Kuva Joachim Dolomiitin päällystämästä Pietarin hiekkakivestä, joka on otettu lähellä Tyynenmeren Missouria. Julkisen kuvan kuva: Kbh3rd.
Frac Sand -lähteet ja hinnat
Frarac-hiekan kysyntä Pohjois-Amerikassa on noussut voimakkaasti viime vuosina vastauksena lukuisiin liuskeleikkipuistoihin, jotka ovat kehittyneet monissa osissa Yhdysvaltoja ja Kanadaa. Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos ilmoittaa tämän tuotannon lähteen:
Keskilännessä sijaitseva Ordovician St. Peter -hiekkakivi on ensisijainen piidioksidihiekan lähde monissa loppukäytöissä ja on myös tärkeä fraktihiekan lähde. Viidessä osavaltiossa louhittu fraktahiekka Pietarin hiekkakivestä on kohtuullisen kuljetusetäisyyden päässä lukuisista maakaasua tuottavista maanalaisista liuskemuodoista.Vuonna 2011 59% frac-hiekasta tuotettiin Midwestissä.
Yhdysvaltain geologisen tutkimuksen mineraalien vuosikirjassa ilmoitetut fraktahiekan keskimääräiset hinnat olivat 45–50 dollaria tonnilta vuonna 2010. Vuonna 2011 keskimääräinen hinta oli noussut 54,83 dollariin. Tämä on huomattavasti korkeampi kuin rakennusteollisuuden ulkopuolella myytävän erikoishiekan keskimääräinen hinta 35 dollaria tonnilta.
Sintratut bauksiittipotilaat
Jauhemainen bauksiitti voidaan sulauttaa pieniksi helmiksi erittäin korkeissa lämpötiloissa. Näillä helmillä on erittäin korkea murtolujuus, ja se tekee niistä sopivia käytettäväksi potkurina. Helmien ominaispaino ja niiden koko voidaan sovittaa hydraulisen murtumisnesteen viskositeettiin ja murtumien kokoon, joiden odotetaan kehittyvän kallioon. Valmistetut kannattajat tarjoavat laajan valikoiman raekokoja ja ominaispainoa verrattuna luonnontuotantoon, jota kutsutaan frac-hiekkaksi. Frac-hiekkaa käytetään tällä hetkellä valmistettujen potkurien sijaan, koska sillä on kustannus- ja kuljetusedut.