Fracturamiento electrohidráulico

El concepto de hidro-fracturamiento , fracturamiento electrohidráulico o estimulación por arco eléctrico o PAES) designa, en general, una familia de procesos técnicos (no variantes pirotécnicas del fracturamiento hidráulico a veces llamado fracking ) para dislocar un material u objeto mediante una onda de presión. transportado por agua o un fluido incompresible.

La fractura del material resulta del efecto del paso del sustrato o del material por una "onda de presión" generada por una explosión producida en el agua. En el caso que nos ocupa, esta explosión se denomina "explosión eléctrica" ​​o "explosión de vapor". Esta explosión es inducida por una poderosa descarga eléctrica.

La onda se puede generar cerca del material a destruir o fragmentar.

También se puede producir en una cavidad dentro de este material, después de haber introducido dos electrodos sumergidos en agua y sometidos a muy alta tensión.

El efecto destructivo se puede mejorar repitiendo la explosión. Un "tren de ondas de presión" luego disloca de manera más efectiva la roca o varios materiales duros (por ejemplo, cálculos biliares en teléfonos celulares).

En un contexto minero y petrolero, esta descarga de alto voltaje genera una onda acústica en la roca (previamente perforada y fracturada y saturada de agua) . Esta onda es capaz de provocar microgrietas en la roca o romperla. Los ingenieros están evaluando la posibilidad de adaptar esta variante de fracturamiento hidráulico a las necesidades de perforación profunda de petróleo o gas, para liberar mejor las moléculas de petróleo, gas o condensados ​​de gas fuertemente atrapados adsorbidos en matrices de rocas duras e impermeables profundas (incluido el gas de esquisto , 2.5 a 5  km de profundidad). Esta técnica, aún inmadura para este uso, requeriría la presencia de un generador y condensadores de alta potencia en la superficie a nivel del pozo. Los impactos ambientales de repetidas explosiones eléctricas subterráneas profundas no parecen haber sido estudiados ni modelados.

Intereses

Es una tecnología que elimina la necesidad de explosivos químicos y que quizás podría contribuir a preparar la demolición de materiales contaminados, pre-dislocándolos, sin emisión de polvo y astillas, posiblemente incluso bajo el agua (con riesgos para los organismos acuáticos si se se encuentran en el medio natural).

Fue concebido por miembros de la industria del petróleo y el gas interesados ​​en la explotación de formaciones geológicas profundas y / o de baja permeabilidad. Esperan poder dominar la creación de series dirigidas de explosiones eléctricas que permitan desintegrar o agrietar y micro-agrietar la roca, a profundidades de 4 a  km en el caso del gas de esquisto , y desde pozos verticales inclinados. u horizontal.

La fracturación electrohidráulica también podría ser de interés para la energía geotérmica profunda .

Historia del concepto y sus primeras aplicaciones

Según la empresa Halliburton , uno de los líderes mundiales en fracturación hidráulica , la idea de fracturar el subsuelo está en el contexto petrolero nacida de la necesidad de "estimular" la productividad de ciertos pozos que fueron taponados o agotados. sabíamos que el depósito seguía siendo importante. Así, ya en la década de 1940 , se probó la fracturación bajo alta presión hidráulica; con un primer experimento en 1947 en Kansas por Halliburton en nombre de una compañía de petróleo y gas. Unas décadas más tarde, la fracturación hidráulica resultaría esencial para la operación de los pozos de gas de esquisto, cuyo rendimiento, por lo general, disminuiría muy rápidamente.

Además, en los años 1960-90, mientras avanzaba la ingeniería eléctrica (invención de campos eléctricos pulsados, choques electrodinámicos, estudio del efecto corona, precipitación electrostática, etc.) otros actores o los mismos probaron el uso de campos eléctricos creados en el suelo o subsuelo (a poca profundidad), o en agua o en un fluido acuoso para:

Entonces surgió la idea de que podría ser posible combinar la explosión hidráulica con la fracturación hidráulica para fracturar basamentos que contienen gas o petróleo disuelto en roca a gran profundidad, con el fin de extraer de manera más eficiente utilizando hidrocarburos no convencionales , especialmente gas de esquisto.

Desafíos para el sector del petróleo y el gas

A medida que se agotan los depósitos convencionales, la búsqueda de hidrocarburos no convencionales en formaciones geológicas profundas (es decir, de 2,5 a 4 o incluso 5  km ) requiere cada vez más la fracturación hidráulica y varios medios de estimulación de pozos, porque a esta profundidad el sustrato es insuficientemente poroso para permitir el paso del gas natural y / o el petróleo fluya hacia el sustrato hasta el pozo a una velocidad que haga que el pozo sea rentable mediante la venta de algo de gas. Este es particularmente el caso de las lutitas profundas. La fractura de porciones muy grandes de capas de lutitas es por ello una condición necesaria para la extracción rentable del gas allí atrapado (en cantidades muy pequeñas por metro cúbico de lutita).

El "hidro-fracking" podría algún día permitir que los pozos de gas o los operadores de petróleo que actualmente utilizan la fracturación hidráulica controlen mejor la amplitud y la conformación tridimensional de las ondas de fracturamiento, mientras que tal vez disminuya su consumo de agua y el riesgo de que una roca del yacimiento se filtre hacia las rocas vecinas y / o el medio ambiente;

Este control se realizaría:

  1. modulando la intensidad de la energía eléctrica inyectada;
  2. mediante un control fino (por un medio todavía hipotético) de la posición de los electrodos (en las 3 dimensiones del espacio);
  3. mediante un fino control de la distancia entre electrodos, quizás por medio de sofisticados detectores acústicos (capaces de deconvolucionar en tiempo real las señales codificadas que vienen del fondo y distorsionadas por los kilómetros de roca que ha atravesado) para localizar desde la superficie el preciso posición del punto de partida de una explosión eléctrica (y por tanto de los electrodos), con el fin de guiar el flujo de ondas de choque responsables de dislocar o fracturar la roca.

Esta posibilidad de control remoto sigue siendo hipotética. Y según la literatura disponible, este método nunca ha sido probado a media o gran profundidad, y hasta la fecha no existen sensores o servomotores operando a muy gran profundidad en condiciones de alta presión y alta temperatura (por ejemplo). distancia entre electrodos o comprobar el estado de estos electrodos).

Estado del arte

La investigación aún se encuentra en esta área emergente.

Aparte de algunos trabajos teóricos, las únicas experiencias concretas de "hidro fracking" al servicio de la perforación de petróleo o gas parecen estar contenidas en un doctorado en ingeniería civil , apoyado en 2010 por M Miss Wen Chen, investigadora de ingeniería civil. Esta tesis incluye un componente teórico y un componente de experimentación de laboratorio. Fue apoyado por el grupo Total, que ya utiliza métodos de perforación convencionales para petróleo o gas ubicados a gran o muy gran profundidad, incluida la perforación en alta mar .

Esta tesis permitió, en el laboratorio y en parte de los experimentos, abordar dos de las condiciones de la llamada perforación "profunda",

  1. ) la presión (en este caso correspondiente a una profundidad de unos 1.500  m );
  2. ) la naturaleza muy “impermeable” de las rocas del yacimiento que la industria petrolera ahora quiere explotar (0.1 microDarcy o mD).

El objeto general del trabajo fue el estudio de la posibilidad de preparar (fracturar) rocas que alberguen depósitos difusos de hidrocarburos no convencionales y / o de estimular (también fracturando) los pozos existentes (para aumentar allí, y de esa manera) mejor. distribuida en el espacio que con la fracturación hidráulica convencional, la permeabilidad de la capa de roca a explotar). Esto requiere modificar la microestructura de la roca para aumentar su microporosidad y porosidad (para permitir la desorción y circulación del gas, o de los condensados ​​de gas natural (que necesitan una mayor porosidad). Sin embargo, el perforador debe encontrar un equilibrio y, si es posible, no debilitar demasiada resistencia de la roca para que las microfisuras no se cierren demasiado rápido.

W. Chen utilizó como sustituto de las muestras de rocas reales cilindros homogéneos de mortero llamados "probetas". Estas muestras eran de dos tipos; 1) cilindros llenos expuestos externamente a la onda de choque, y 2 °) cilindros perforados (tubularmente) expuestos a una explosión interna).

Las muestras cilíndricas se expusieron en agua a ondas de compresión generadas por choques "electrohidráulicos". Estos choques fueron producidos por la descarga de dos electrodos (1 cm de distancia  ) y colocados bajo alta tensión, en un recinto reforzado y en un faradio . La herramienta para producir un arco eléctrico "en agua a presión y temperatura ambiente" fue desarrollada con el laboratorio de ingeniería eléctrica de la Universidad de Pau y una empresa (Effitech) especializada en la producción de "fuertes impulsos eléctricos" (FPEP) para el sector industrial.

Luego, las muestras tubulares son expuestas a descargas eléctricas internas, "en la parte central (ahuecada) de un cilindro hueco de mortero confinado vertical y radialmente" , en un dispositivo diseñado para reconstituir una presión equivalente a la que se encontraría a 1500 a 2.000  m de profundidad.

Wen Chen pudo así estudiar in vitro los efectos de la onda de choque en un mortero que simulaba una roca de yacimiento del tipo “  Tight Gas Reservoirs  ”. Fue capaz de variar la distancia entre los electrodos y la probeta y medir, en una escala fina, los efectos de la tasa de deformación, en compresión y en tracción (tracción tangencial en la muestra tubular). También fue capaz de multiplicar el número de choques inducidos y variar su intensidad y estudiar las condiciones de deformación y debilitamiento de la resistencia del hormigón , así como su permeabilidad (medida a través de la porosidad del hormigón a gas y mercurio ). Estas condiciones dependen en particular de la composición del mortero, de su buen uso y en todos los casos de la distribución del tamaño de los poros y de la conectividad de estos poros, así como de la “  tortuosidad  ” de los poros, como muchos parámetros. que influyen en la permeabilidad del hormigón a los gases (Cf. Ley de Darcy y método de Klinkenberg para evaluar la permeabilidad del hormigón.

Wen Chen, con la ayuda de varios laboratorios, incluido el Laboratorio de Termodinámica y Energía de Fluidos Complejos (LFC), pudo confiar en modelos 3D viscoelásticos , viscoplásticos o anisotrópicos , elásticos "dañables". En particular, pudo utilizar el código EuroPlexus , desarrollado por el CEA para estudiar explosiones debidas a la caída de corium líquido fuera de un reactor nuclear ).

Resultados: Estos ensayos muestran que "el daño y la permeabilidad (de la muestra de mortero) cambian con la energía inyectada independientemente del nivel de confinamiento" y que "el umbral de permeabilidad en función de la energía inyectada aumenta con el nivel de contención" .

Sin embargo, estas pruebas solo se referían a "probetas" de unos pocos centímetros de ancho, algunas de las cuales se mantuvieron bajo presión, pero no en las condiciones ambientales, de temperatura y profundidad de un pozo real.

En su tesis, el autor también ha avanzado en el conocimiento de la resistencia interna del hormigón a las ondas pulsadas, lo que también puede ser de interés para la industria del petróleo y el gas, que lo utiliza para el revestimiento de pozos y para la fundición de los casquillos finales. .

Supuestos de cálculo

W. Chen pudo basarse en varias tesis y trabajos anteriores, que incluyen:

  1. la tesis de JF Dubé (1994);
  2. la tesis de TV Picande (2001);
  3. la tesis de Jacques Touya (2003), que se centró en el método conocido como "  plasma blasting  " o PBT ( Plasma Blasting Technology , ya "utilizado para el fregado de materiales, la destrucción de grandes conjuntos de hormigón o la perforación de galerías" o en un caso la destrucción experimental de ciertos residuos).

La idea básica es que la producción de potentes descargas eléctricas en el agua instilada en una roca profunda, podría generar "ondas asociadas a la presión acústica" capaces de fracturar una roca dura e impermeable.

Principios tecnicos

Si los capacitores de potencia, los kilómetros de cables que conectan la superficie al fondo del pozo y las condiciones en el punto del electrodo lo permiten (los condensadores deben entregar decenas a cientos de kilovoltios para desintegrar la roca entre los dos electrodos colocados juiciosamente) , la "rápida restitución de fuertes energías eléctricas almacenadas en los condensadores  " se puede convertir en una onda de choque ("Blast") que en buenas condiciones puede alcanzar cientos de megaPascales , es decir, un rango comparable de "velocidad de deformación en compresión "a lo que se mide en el rango de explosiones ( ráfagas ), terremotos , colisiones de aviones o la explosión de un misil sobre un objetivo duro, en la escala propuesta por Riisgaard, pero es aquí el agua que reemplaza al explosivo tradicional.

Touya ha demostrado que la fuerza de la onda de presión "depende directamente de la energía eléctrica E B disponible en el momento de la avería y en ningún caso de la energía almacenada inicial" ), y estas descargas eléctricas pueden repetirse en serie.

Estas descargas constituirían entonces un “  sistema pulsado  ” que se volvería más eficiente por la sucesión de pulsaciones, cuyo efecto sería de forma comparable al de un “gran martillo neumático virtual y distante”, introducido en el corazón mismo de la roca. sin partes mecánicas; el martillo se reemplaza aquí por la onda sónica (o "ruptura" subsónica que libera varios miles de barras en unas pocas decenas de nanosegundos ). La ola así generada podría ser "deportada" por el agua (si el agua ha sido inyectada donde se necesita, o ya está presente en la roca en la cantidad y lugares deseados);

Inmediatamente después del encendido, se produce el cortocircuito . Inicialmente, se produce una pérdida de energía muy breve, conocida como “fase de predescarga”. Durante menos de 180μs (medida realizada en laboratorio por W. Chen, pero aguas profundas, cargadas de sales pueden ser muy conductoras , lo que influye en la calidad de la descarga eléctrica), corresponde a una difusión de electrones en el medio; La breve caída de voltaje es entonces de aproximadamente el 25%.
Entonces “se crea un canal de arco entre los electrodos. La expansión del canal del arco genera ondas de presión que se propagan en el líquido al material a tratar ”  ; El arco eléctrico hace que el agua "explote" de una manera, con la aparición de un "  plasma " acompañado de la formación casi instantánea de una gran cantidad de burbujas de gas (vapor de agua hirviendo y quizás oxígeno e hidrógeno por el agrietamiento del agua ) . La descarga eléctrica se propagará en un instante de un electrodo a otro (cuanto más separados estén los electrodos, mayor será el voltaje); Si el medio es acuoso, esta descarga forma una ola de presión hidráulica que será deportada más o menos lejos (según su fuerza y ​​según la resistencia que oponga la roca). Pero estos choques podrían plantear en parte los mismos problemas que los inducidos por explosivos químicos y la presión de la fracturación hidráulica, en particular en un material menos homogéneo que el mortero utilizado por W. Chen (2010) para su tesis.

Otras alternativas a la fracturación solo hidráulica

Desde principios de la década de 2000, al menos, los fabricantes han buscado varias técnicas alternativas a la fracturación hidráulica simple o "clásica" que está prohibida localmente (en Francia, por ejemplo, desde 2011 para la explotación de gas o petróleo), y en otros lugares cada vez más controvertida, en particular por el consumo de agua que genera, y la cantidad de energía, arena e insumos químicos que moviliza y los riesgos asociados de contaminación o fugas y sus contribuciones directas y emisiones indirectas de gases de efecto invernadero.

Estas soluciones, hasta la fecha pocas en número, tienen como objetivo fundamental sustituir el agua por otro fluido. A menudo todavía son experimentales y, a veces, no están exentos de riesgos.

Aunque es una de las variantes, la fracturación hidroeléctrica es una de las soluciones que se mencionan a veces. Elle permettrait peut-être, si l'on disposait de la puissance électrique disponible et d'une bonne maitrise du positionnement à distance des électrodes la stimulation de puits (de pétrole, de condensats de gaz ) en cours de colmatage au moyen d'un arco eléctrico. No obstante, podría requerir el uso de agua pero en cantidades menores para la difusión de apuntalantes .

En el futuro, otras soluciones podrían ser:

Incertidumbres, límites y dificultades

Aparte de la desorción química, que a priori presenta grandes riesgos de contaminación, todas las "alternativas físicas" propuestas a la fragmentación hidráulica se basan en el frío (nitrógeno líquido + agua) o en un calentamiento repentino muy repentino de la roca, y / o en la propagación de una onda de choque. En todos los casos, se trata de incrementar las tensiones internas del sustrato mineral para forzar la fluencia repentina en el mismo y favorecer el estallido. La fractura es inducida por la presión y / o por un gran gradiente térmico en una distancia corta (en la zona de “cortocircuito” y por la onda de choque llevada más allá en el caso de la electrofractura);

Muchas incógnitas técnicas, ambientales, económicas, socioeconómicas y ecotoxicológicas persisten hasta el día de hoy:

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Ver también

Artículos relacionados

Bibliografía

enlaces externos