Pétrole et gaz

Qu'est-ce que Frac Sand?



Ce sable spécial est l'une des clés de la production de pétrole et de gaz naturel à partir de formations de schiste serré


Sable de fracturation: Vue rapprochée de sable de fracturation (à droite) et d'un sable typique de granulométrie similaire (à gauche). Remarquez comment le sable de fracturation a une taille de grain plus uniforme, des formes de grain bien arrondies et une composition uniforme. Il s'agit également d'un matériau très résistant qui peut résister à des forces de compression allant jusqu'à plusieurs tonnes par pouce carré. Les grains de cette image mesurent environ 0,50 millimètre. Photo

Production de sable de fracturation: Ce graphique illustre l'augmentation spectaculaire de la production de sable de fracturation aux États-Unis. Données des United States Geological Survey Minerals Yearbooks, 2005-2015.

Un sable résistant à l'écrasement pour les puits de pétrole et de gaz

"Frac sand" est un sable de quartz de haute pureté avec des grains très durables et très ronds. Il s'agit d'un matériau résistant à l'écrasement conçu pour être utilisé par l'industrie pétrolière. Il est utilisé dans le processus de fracturation hydraulique (connu sous le nom de "fracturation hydraulique") pour produire des fluides pétroliers, tels que du pétrole, du gaz naturel et des liquides de gaz naturel à partir d'unités rocheuses qui n'ont pas suffisamment d'espace poreux pour que ces fluides s'écoulent vers un puits. La plupart du sable de fracturation est un matériau naturel fabriqué à partir de grès de haute pureté. Un produit alternatif est des perles en céramique en bauxite frittée ou de petites perles en métal en aluminium.

La demande de sable de fracturation a explosé au cours des dernières années alors que des milliers de puits de pétrole et de gaz naturel sont stimulés à l'aide du processus de fracturation hydraulique. (Voir le tableau de production.) Un travail de fracturation hydraulique sur un puits peut nécessiter quelques milliers de tonnes de sable. Cette poussée de forage spécialisé a créé une industrie de sable de fracturation d'un milliard de dollars en très peu de temps. Entre 2005 et 2015, la quantité de sable de fracturation utilisée par l'industrie pétrolière et gazière a considérablement augmenté.

Vidéo sur le sable de fracturation: Vidéo de US Silica montrant les caractéristiques d'un sable de fracturation de haute qualité.

Comment Frac Sand est-il utilisé?

Certaines unités rocheuses souterraines telles que les schistes organiques contiennent de grandes quantités de pétrole, de gaz naturel ou de liquides de gaz naturel qui ne couleront pas librement dans un puits. Ils ne couleront pas dans un puits parce que l'unité de roche manque de perméabilité (espaces de pores interconnectés) ou que les espaces de pores dans la roche sont si petits que ces fluides ne peuvent pas les traverser.

Le processus de fracturation hydraulique résout ce problème en générant des fractures dans la roche. Cela se fait en forant un puits dans la roche, en scellant la partie du puits dans la zone pétrolifère et en pompant l'eau sous haute pression dans cette partie du puits. Cette eau est généralement traitée avec des produits chimiques et des épaississants tels que la gomme de guar pour créer un gel visqueux. Ce gel facilite la capacité de l'eau à transporter des grains de sable de fracturation en suspension.

Les grosses pompes à la surface de la Terre augmentent la pression de l'eau dans la partie scellée du puits jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment élevée pour dépasser le point de rupture des roches environnantes. Lorsque leur point de rupture est atteint, ils se fracturent soudainement et l'eau se précipite rapidement dans les fractures, les gonflant et les prolongeant plus profondément dans la roche. Des milliards de grains de sable sont emportés profondément dans les fractures par cette soudaine ruée d'eau. Quelques milliers de tonnes de sable de fracturation peuvent être nécessaires pour stimuler un seul puits.

Vidéo sur le sable de fracturation: Vidéo de US Silica montrant les caractéristiques d'un sable de fracturation de haute qualité.

Fracturation hydraulique: Diagramme simplifié d'un puits de gaz naturel qui a été construit avec un forage horizontal pour augmenter la longueur de pénétration à travers le schiste de Marcellus. La fracturation hydraulique est généralement effectuée dans la partie horizontale du puits pour stimuler un flux de gaz provenant du schiste. Cette configuration de puits est utilisée dans les zones de schiste des États-Unis.

Frac Sand comme un "Proppant"

Lorsque les pompes sont éteintes, les fractures se dégonflent mais ne se ferment pas complètement - car elles sont ouvertes par des milliards de grains de sable de fracturation. Cela se produit uniquement si suffisamment de grains de sable pour résister à la force des fractures de fermeture ont été introduits dans la roche.

Les nouvelles fractures dans la roche, soutenues par les grains de sable durables, forment un réseau d'espace poreux qui permet aux fluides pétroliers de s'écouler hors de la roche et dans le puits. Le sable de fracturation est connu comme un «support» car il soutient les fractures ouvertes.

D'autres matériaux qui ont été utilisés comme agent de soutènement comprennent les billes de céramique, les billes d'aluminium et la bauxite frittée. Le sable de fracturation offre généralement le plus haut niveau de performance, et il est actuellement le support le plus fréquemment utilisé par l'industrie pétrolière.

Carte de Jordan Sandstone: Bon nombre des unités rocheuses actuellement exploitées pour le sable de fracturation sont également des aquifères. Cela fait des publications de recherche sur les eaux souterraines, comme la série d'atlas des eaux souterraines de la United States Geological Survey, de précieux documents de prospection pour déterminer la présence, l'épaisseur et la structure des unités de roches de grès. Cette carte provient de l'Atlas des eaux souterraines des États-Unis pour l'Iowa, le Michigan, le Minnesota et le Wisconsin. Il montre l'étendue géographique et l'épaisseur du grès Jordan dans le Minnesota et l'Iowa. Des cartes similaires ont été publiées dans cette série pour d'autres unités rocheuses de grès et d'autres zones géographiques.

Quel type de sable?

Les soutiens de l'industrie pétrolière doivent répondre à des spécifications très exigeantes. Les caractéristiques d'un sable de fracturation de haute qualité comprennent:

  • sable de silice de haute pureté
  • granulométrie parfaitement adaptée aux exigences de l'emploi
  • forme sphérique qui permet de le transporter dans un fluide de fracturation hydraulique avec un minimum de turbulence
  • durabilité pour résister aux forces d'écrasement des fractures de fermeture

Le sable de fracturation est produit dans une gamme de tailles allant de 0,1 millimètre de diamètre à plus de 2 millimètres de diamètre selon les spécifications du client. La majeure partie du sable de fracturation consommé a une taille comprise entre 0,4 et 0,8 millimètres.

Les roches comme le grès de St. Peter, le grès de Jordan, le grès Oil Creek et le grès Hickory ont été des sources potentielles de sable de fracturation. Ces unités rocheuses sont composées de grains de quartz qui ont subi de multiples cycles d'altération et d'érosion. Cette longue histoire a éliminé presque tous les grains minéraux autres que le quartz et produit des grains aux formes très rondes. C'est pourquoi le sable dragué des rivières, excavé des terrasses ou retiré des plages est peu susceptible de produire un bon produit.

Lorsque ces unités rocheuses sont produites, elles sont généralement molles, mal cimentées et parfois légèrement altérées. Cela leur permet d'être excavés et broyés avec un minimum de dommages aux grains de quartz. Le sable de haute pureté provenant de régions telles que les Appalaches n'est souvent pas adapté au sable de fracturation car il a été soumis à des forces tectoniques qui ont déformé la roche et affaibli les grains de sable.

Mine de sable de Frac dans le Wisconsin: Vue aérienne d'une exploitation minière de sable de fracturation dans le Wisconsin. Le sable de fracturation est un produit hautement spécialisé qui ne peut être produit qu'à partir d'un petit nombre de dépôts de sable. Photo

Installation de traitement du sable Frac: Vue aérienne d'une installation de traitement de sable de fracturation dans le Wisconsin. Photo

Usines de traitement du sable Frac

Le sable de fracturation n'est pas utilisé directement du sol. Il nécessite un traitement pour optimiser ses performances. Après l'extraction, il est transporté dans une usine de transformation. Là, il est lavé pour éliminer les fines particules.

Après le lavage, le sable est empilé en tas pour permettre à l'eau de lavage de s'écouler. Cette opération se fait à l'extérieur et est limitée aux périodes de l'année où les températures sont supérieures à zéro. Une fois le sable égoutté, il est placé dans un séchoir à air pour éliminer toute l'humidité. Les grains secs sont ensuite criblés pour obtenir des fractions de taille spécifiques pour différents clients.

Le sable qui ne convient pas à la fracturation est séparé et vendu pour d'autres utilisations. Une partie du sable de fracturation peut être revêtue de résine pour améliorer ses performances lors de l'opération de fracturation. Ce matériau sera vendu comme un produit premium. Après le traitement, la plupart du sable est chargé directement dans les wagons pour la livraison ferroviaire.

Certaines usines de transformation sont situées sur le site de la mine. Cependant, les usines de traitement sont très coûteuses à construire et sont parfois partagées par plusieurs mines. Celles-ci sont situées au centre de plusieurs mines et le sable est livré par camion, train ou convoyeur.

Où le sable Frac est-il produit et utilisé?

Il y a quelques années, les producteurs du Wisconsin et du Texas fournissaient une grande partie du sable de fracturation utilisé par l'industrie pétrolière et gazière. Cependant, une énorme poussée de la demande causée par le boom du gaz naturel et du pétrole de schiste a incité de nombreuses entreprises à fournir ce produit. Bon nombre de ces entreprises sont situées dans la partie centrale des États-Unis, où le grès de Saint-Pierre et des unités rocheuses similaires sont proches de la surface et facilement excavés. Ces zones sont également celles où les forces tectoniques n'ont pas provoqué de plissement important des unités rocheuses et affaibli les grains de sable. La zone privilégiée se trouve dans les États du Midwest (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska et Wisconsin).

La plupart des sables siliceux de haute pureté aux États-Unis sont connus depuis des décennies. Ils ont été utilisés pour la verrerie et la métallurgie. La recherche actuelle de sable de fracturation ne consiste pas à «découvrir de nouvelles sources de sable», mais plutôt à déterminer quelles sources produisent des matériaux de qualité supérieure.

Le sable de fracturation est utilisé pour produire du gaz naturel, des liquides de gaz naturel et du pétrole à partir de schistes et d'autres roches étanches où une fracturation hydraulique est requise. Il s'agit notamment du schiste de Marcellus, du schiste d'Utica, de la formation de Bakken, du schiste de Haynesville, du schiste de Fayetteville, du schiste d'Eagle Ford, du schiste de Barnett et de nombreux autres jeux de schiste aux États-Unis.

Grès de Saint-Pierre: Une photo du grès de Saint-Pierre coiffée par la dolomite Joachim prise près de Pacific, Missouri. Image du domaine public par Kbh3rd.

Sources et prix du sable de fracturation

La demande de sable de fracturation en Amérique du Nord a fortement augmenté au cours des dernières années en réponse aux nombreux gisements de schiste qui se sont développés dans de nombreuses régions des États-Unis et du Canada. Le United States Geological Survey rapporte la source de cette production:

Le grès Ordovicien St. Peter dans le Midwest est une source principale de sable de silice pour de nombreuses utilisations finales et est également une source majeure de sable de fracturation. Miné dans cinq États, le sable de fracturation du grès de St. Peter se trouve à une distance raisonnable de transport de nombreuses formations de schiste souterrain produisant du gaz naturel.
En 2011, 59% du sable de fracturation a été produit dans le Midwest.

Les prix moyens signalés pour le sable de fracturation dans le US Geological Survey Minerals Yearbook se situaient entre 45 $ et 50 $ la tonne en 2010. En 2011, le prix moyen était passé à 54,83 $. Ce montant est nettement supérieur au prix moyen de 35 $ la tonne de sable spécial vendu à l'extérieur de l'industrie de la construction.

Informations sur Frac Sand
1 Frac Sand in Wisconsin: Bruce Brown, Wisconsin Geological and Natural History Survey, Fiche d'information 05, 2012.
2 The Facts of Frac: Mark Zdunczyk, article de Drilling Minerals, janvier 2007.
3 Hydraulic Fracturing Proppants: article, carte des sources de propulseurs américains de silice et vidéo sur les propriétés importantes du sable de fracturation, 2011.
4 $ et Dollars - Mining Frac Sand in the River Valley: Reggie McLeod, Big River Magazine, juillet-août 2011.
5 compagnies pétrolières attirées par Frac Sand: Isabel Ordonez, article Dow Jones Newswires sur Rigzone.com, mai 2012.
6 St.Pierre Sandstone: article du site Web, Missouri Department of Natural Resources, Geological Survey Program, consulté pour la dernière fois en octobre 2016.
7 Silice: United States Geological Survey, Minerals Yearbooks de 2005 à 2015.
8 Atlas des eaux souterraines des États-Unis, United States Geological Survey, Hydrologic Investigations Atlas Series, publié de 1992 à 2000.

Proppants en bauxite frittée

La bauxite en poudre peut être fusionnée en minuscules perles à des températures très élevées. Ces billes ont une résistance à l'écrasement très élevée, ce qui les rend aptes à être utilisées comme agent de soutènement. La gravité spécifique des billes et leur taille peuvent être adaptées à la viscosité du fluide de fracturation hydraulique et à la taille des fractures qui devraient se développer dans la roche. Les agents de soutènement manufacturés offrent un large choix de granulométrie et de densité par rapport à un agent de soutènement naturel appelé sable de fracturation. Le sable de fracturation est actuellement utilisé à la place des soutiens fabriqués car il présente un avantage en termes de coût et de transport.