Frakturering

2. Metodebeskrivelse

2.1 Injektionsgasser og væsker
2.2 Injektionstryk og -tider
2.3 Lækage (leakoff)
2.4 Udstyr
2.4.1 Udstyr over jorden
2.4.2 Udstyr under jorden
2.5 Boringsudbygning
2.6 Sammenligning mellem hydraulisk og pneumatisk frakturering

I nærværende udredningsrapport er amerikanske termer tilføjet i (kursiv) første gang den danske oversættelse forekommer i teksten. Det er tilstræbt at benytte SI enheder, men da hovedparten af fraktureringslitteraturen kommer fra Nordamerika, hvor SI enheder bruges mere sporadisk er der i Bilag 1 vist en konverteringstabel mellem de hyppigst anvendte enheder.

Det grundlæggende princip for etablering af sprækker ved fraktureringsmetoden er, at der i bunden af en boring injiceres en væske eller gas (fluid) med et tryk der skal overstige in-situ spændingstilstand (confining stress) i den omgivende jord. Herved dannes en revne eller sprække. Ved en fortsat injektion af fluid udvides sprækken. Sprækken når sin endelige udstrækning når, injektionen af fluid stoppes, når sprækken møder en barriere (f.eks. husfundament), eller når den rammer jordoverfladen. Endelig kan sprækkens udbredelse blive stoppet, hvis gassen eller væsken "tabes" som lækage til den omgivende jord gennem sprækkens væg (leakoff) eller hvis sprækken skærer jordoverfladen (venting). Lækage og venting er nærmere beskrevet i afsnit 2.3.

Der kan anvendes følgende typer af væske og gas til etablering af sprækkerne: trykluft /gas, rent vand, samt en specielt udformet geléagtig klæbende boremudder, der består af guargummi gelé, sand og vand. Når der injiceres luft eller gas benævnes metoden pneumatisk frakturering, og hvis der anvendes rent vand eller vand tilsat gelé og eventuelt sand benævnes metoden hydraulisk frakturering. Endelig anvendes i sjældnere tilfælde trykket fra eksplosioner til at danne kunstige sprækker. Sidstnævnte metode benævnes eksplosiv frakturering eller blasting og er mest anvendt i olieindustrien samt i vandforsyningssammenhæng til forbedring af boringers ydeevne i grundfjeldsområder (f.eks. Klemensker vandværk på Bornholm). EPA (1994) giver en oversigt over de forskellige metoder og sammenligner de enkelte metoder indbyrdes. De enkelte metoder kan i nogen grad modificeres til at kunne imødekomme forskellige behov ved specifikke forureningsoprensninger. Den eksplosive fraktureringsmetode vil ikke blive behandlet videre i denne udviklingsrapport.

2.1 Injektionsgasser og væsker

Til pneumatisk frakturering anvendes der i regelen trykluft. Imidlertid kan særlige behov for at opretholde eller skabe aerobe / anerobe forhold i jordlag, der skal renses op ved biologiske oprensningsmetoder medføre, at en gastype med en anden sammensætning må benyttes. Når der benyttes luft til frakturering, er der relativ begrænset mulighed for mobilisering af vandfasen, mens luftfasen med lethed kan mobiliseres. Finkornede partikler eller pulver kan let transporteres med fraktureringsluften ind i en induceret sprække. Dog aftager transportevnen i luftstrømmen med stigende kornstørrelse, vægtfylde og afstand til injektionspunktet. Yderligere er det karakteristisk at luft har en begrænset evne til at injicere et tilstrækkelig volumen af grovkornet sand ind i en induceret sprække, så en stor nok permeabilitet af den inducerede sprække kan opnås. Igangværende forskningsundersøgelser af gassers evne til at transportere fyldmaterialer ind i sprækker viser dog en lovende udvikling.

Injektion af rent vand ved hydraulisk frakturering er sjældnere brugt og kræver relativ høje initiale injektionstryk (mere end 5 MPa eller ca. 50 atm) (EPA, 1994). Rent vand kan transportere sandkorn ind i en sprække, men bedre resultater opnås med plastikkugler, der har samme densitet som vand og derfor lettere lader sig transportere i vandig opløsning (Waltz and Decker, 1981).

Guargummi gelé er en viskøs væske, der hyppigt anvendes ved hydraulisk frakturering. Guargummi er et tilsætningsstof der i fødevareindustrien blandt andet anvendes til at gøre yoghurt og tandpasta tykkere. Vand og guargummi gelé danner en stiv geléagtig substans, ved tilsætning af en vandig opløsning af borat, der danner krydsbindinger med de øvrige dele af boremudderet. Den geléagtige substans har de rette reologiske egenskaber (mekanisk bevægelse af stof med stor viskositet) til at kunne bære betydelige mængder af sand (proppant) i suspension uden at miste evnen til at flyde (1,2-1,8 kg sand pr. liter guargummi gelé). Et enzym (benævnes ofte breaker), som resulterer i at substansen kan nedbrydes til en væske efter 2-4 uger af naturligt forekommende mikroorganismer i jorden tilsættes boremudderet, der derefter uden besvær kan pumpes væk, så kun sand ligger tilbage i den nye sprække. Der er imidlertid ikke fundet oplysninger om undersøgelser, der dokumenterer en fuldstændig fjernelse af guargummi gelé, borat-krydsbinder eller breakerenzymet fra den oppumpede væske efter 2-4 ugers nedbrydning. Blandingsspecifikationer og kvalitetssikring af opblandingen er detaljeret beskrevet i EPA (1993a).

2.2 Injektionstryk og -tider

Det væske- eller gastryk der skal til, for at etablere en revne eller initial sprække i injektionsboringen afhænger af en række forhold: in-situ spændingstilstanden; den omgivende bjergarts sejhed (toughness, jf. afsnit 3.6); injektionshastigheden; størrelsen af den initiale revnedannelse; samt uregelmæssigheder i borehullets form. Hovedreglen er, at injektionstrykket stiger med stigende injektionsdybde, stigende injektionshastighed og for hydraulisk frakturerings vedkommende med stigende viskositet af borevæsken eller boremudderet. Injektionstrykket vil være højest, når den initiale sprække skal dannes (initiation pressure) og reduceres efterfølgende i sprækkens vækstfase (propagation pressure). Der er stor forskel på om en sprække etableres med gas eller væske, hvad angår injektionstryk, -hastighed og -tider. I Figur 2.1 er vist eksempler fra to forskellige lokaliteter på injektionstrykkets tidslige udvikling (pressure-time history) ved etablering af en sprække med hhv. (a) luft og (b) sandfyldt gelé. Figur 2.1(a) er etableret i en leret siltaflejring, mens (b) er etableret i en siltet leraflejring. Som det ses er injektionstrykket stort set det samme i de to viste eksempler. Dette er imidlertid et tilfælde, da det initiale injektionstryk typisk vil være større ved brug af luft i forhold til sandfyldt gelé i samme type geologisk aflejring. Injektionstiderne for de to eksempler giver dog et retvisende indtryk af, at pneumatiske sprækker typisk etableres på 20-60 sekunder, mens den endelige udbredelse af en hydraulisk sprække nås efter 5-15 minutters injektion.

Sammenhængen mellem injektionstryk og -hastigheden ved injektion med hhv. luft og sandfyldt gelé er illustreret med følgende eksempel. En sprække i en siltet leraflejring etableres i 2 meters dybde med henholdsvis luft og vand med værdierne for injektionstryk og -hastighed, som vist i Tabel 1. Det ses at injektionshastigheden for luft er langt større end for sandfyldt gelé, mens injektionstrykket er mere end 10 gange større for luft end for vand. Dette skyldes at der under normale udføres en indskæring i borevæggen ved hydraulisk frakturering, mens indskæringen normalt ikke laves ved pneumatiske frakturering. Derved behøves der et større initialtryk ved injektion med luft end med vand eller boremudder. Trykgradienten med dybden for luft 0,67-1,11 atm pr. m (3-5 psi per foot) (Schuring og Chan, 1992) og for vand 0,2 atm pr. m (0,9 psi per foot) (EPA, 1994).

2.3 Lækage (leakoff)

Teoretisk set ville en sprække kunne udvikle sig til uendelig afstand fra injektionspunktet, hvis jorden der omgiver sprækken var totalt impermeabel. Under naturgivne forhold er der imidlertid flere faktorer, der begrænser udbredelsen af sprækken. Den vigtigste faktor er lækageparameteren (begreb fra olieindustri) (Figur 2.2). Hastigheden for tab af gas eller væske til den omgivende jord ved lækage vil stige, mens en sprække er i vækst som følge af den øgede sprækkeoverflade. Andre faktorer der indvirker på lækage-hastigheden omfatter den omliggende jords relative permeabilitet, samt injektionsvæskens viskositet og gas- eller væsketrykket.

Væksten af en sprække vil stoppe, når lækagehastigheden bliver lig den hastighed hvormed gas eller væske injiceres i sprækken. F.eks. vil en injektion af 25-50 m³ luft pr. minut i en hærdnet sandsten i ca. 20 sekunder resulterer i dannelsen af et sprækkeplan med en diameter på 10-20 m og med en sprækkeapertur på 2,5-20 cm. En længere injektionstid ville ikke bidrage til en forøgelse af sprækkens størrelse. Kun ved at øge injektionshastigheden kunne en større sprække dannes.

Den høje lækagehastighed ved injektion af luft har yderligere den fordel, at opsprækningsgraden af sidebjergarten vil kunne forøges, hvorved en større direkte adgang til en eventuelt forurenet jord opnås, så effekten af oprensningen potentielt kan forøges.

Injektionshastigheden er således en kritisk designparameter til dimensionering af sprækker induceret med luft. Sprækker etableret ved hydraulisk frakturering i leraflejringer vil normalt ikke være påvirket af nævneværdig lækage. Dimensionen af en hydraulisk sprække vil således primært være begrænset af det injicerede materiales volumen.

Udbredelsen af sprækker dannet med luft og vand vil derimod begge være begrænset af om sprækken skærer jordoverfladen. Dette kan medføre tab af gas eller væske, der kan forringe effekten af en oprensning ved eksempelvis vakuumekstraktion, da influensradius bliver betydelig reduceret hvis "falsk" luft trækkes ned i formationen via sprækkens skæringssted med jordoverfladen.

2.4 Udstyr

Til etablering af inducerede sprækker anvendes der udstyr både over og under jorden. Designet af udstyret over jorden er bestemt af om der skal anvendes gas eller væske som injektionsmiddel.

2.4.1 Udstyr over jorden

Udstyr der benyttes over terræn til hhv. pneumatisk og hydraulisk frakturering er forskelligt. Den pneumatiske frakturering kræver et udstyr, der kan levere et højt luft- eller gastryk og en tilstrækkelig høj strømningshastighed på meget kort tid (få sekunder). Udstyret består af en serie af trykluftsflasker koblet sammen i et manifoldsystem, der typisk kan levere en injektionshastighed på 25-50 m³ pr. minut og et tryk på 5-20 atm. Tryksystemet skal være fleksibelt og skal relativt let kunne tilpasses lokale behov mht. gastype, tryk og strømningshastighed (Figur 2.3). Trykluft fra en almindelig kompresser kan normalt ikke bruges, da kompressorer ikke kan levere de krævede høje tryk på kort tid. Desuden er det nødvendigt at benytte filtre til fældning af olierester fra luftstrømmen når almindelige kompressorer benyttes.

Hydraulisk frakturering udført med rent vand kræver udstyr, der primært består af en stempelpumpe til høje tryk forbundet med diverse trykventiler. Sprækker dannet ved injektion af guargummi gelé, sand og vand kræver en speciel opblander, der kan blande det sammensatte boremudder. Der er flere løsningsmuligheder til at få blandet boremudderet. Den ene består af en portionsblander, der udgøres af en eller flere åbne kar forbundet med en omrører. Denne løsning er mandskabskrævende og kan kun benyttes, hvor volumenet af det injicerede boremudder er relativt lille, så det ikke overstiger portionsblanderens volumen.

En anden mulighed er at bruge en kontinuert opblander, der blander vand med guargummi gelé, borat-krydsbinder, enzymbreaker og sand. En kontinuert opblander repræsenterer en betydelige større investering end en portionsblander, men til gengæld kan opgaven løses hurtigere, hvorved stykprisen pr. etableret sprække bliver mindre. Boremudderet kan i de fleste tilfælde injiceres med en duplex eller triplex stempelpumpe, ligesom ekcentriske snekkepumper eller monopumper hyppigt er blevet anvendt.

2.4.2 Udstyr under jorden

Frakturering fra isoleret zone i åben boring

Udstyret under jorden skal kunne isolere det interval i boringen, der ønskes opsprækket. Til isolation af sprækkezonen anvendes straddlepakkere, hvorimellem der er placeret en injektionsdysse, der kan fokusere injektionsgassens eller -væskens stråle, så størst muligt injektionstryk kan opnås (Figur 2.3). Til pneumatisk frakturering er der udviklet en specialdyse, der er særlig velegnet til overførsel af gastryk (Schuring og Chan, 1992). Kommercielt tilgængelige udstyr tillader etablering af sprækker med en afstand på ca. 0,5 meter langs et åbent lodret borehul. Der er rapporteret eksempler på problemer med at opnå en tilstrækkelig isolation af injektionszonen i boringer uden filtersætning (dvs. åbne boringer) i vandmættet silt og ler i USA (EPA, 1994). Under danske forhold vurderes det imidlertid, at fraktureringsaktiviteter på ler og siltlokaliteter aldrig eller kun yderst sjældent vil blive gennemført i åbne boringer.

Frakturering fra rammeboring

Principperne for etablering af inducerede sprækker fra rammeboringer (driven casing) i lavpermeable bjergarter med både luft, vand eller boremudder iblandet sand kan skitseres som vist i (Figur 2.4 (a)-(f)) (FRx, 1999). Beskrivelsens punkt (c) er kun gældende for hydraulisk frakturering, da der i forbindelse med pneumatisk frakturering normalt ikke udføres indskæringer.

2.5 Boringsudbygning

Den anvendte metode til udbygningen af boringer med inducerede sprækker er ens for pneumatisk og hydraulisk frakturering. Valget af metode er bestemt af følgende forhold:

• formålet med oprensningen;
• adgangsmuligheder til de enkelte sprækker (fleksibilitet);
• hensyn til økonomiske betingelser.

Boringerne kan principielt udbygges på de tre forskellige måder der er vist på Figur 2.5 (a) – (c):

1. Filtersætning af inducerede sprækker med ét langt filterrør (4"- 6" diameter). Metoden er relativ billig, men reducerer fleksibiliteten for oprensningen.
2. Udbygning med filterrør til hver induceret sprække i samme boringsudbygning. De enkelte filterrør er adskilt med afpropninger. Boringsdiameteren er typisk 6"- 8". Udbygningen af (b) er dyrere end (a), men giver til gengæld mulighed for en større fleksibilitet, da der kan injiceres / oppumpes fra de enkelte sprækkezoner samtidigt.
3. Filtersætning af hver enkelt induceret sprækkedybde med individuelle rammeboringer (2"-3" borediameter). Metoden er mindst ligeså fleksibel som (b) men vil være dyrere at etablere. Lokale adgangsforhold kan gøre at udbygning (c) må foretrækkes.

I sjældnere tilfælde kan horisontale sprækker etableres i eksisterende boringer i geologiske aflejringer, der er så sammenhængende, at formationen ikke falder sammen, hvis en filtersektion fjernes (inklusiv gruskastning). I andre tilfælde fjernes filtersektion (og gruskastning) ikke og injektionstrykket påføres direkte på filtermaterialet i den dybde, hvor sprækken ønskes dannet. Derved er der risiko for, at injektionsvæsken eller gassen kan presses via gruskastningen, udenom straddlepakkeren og uhensigtsmæssigt spredes op langs filtersektionen (eller gruskastningen).

Hvor det alligevel lykkes at etablere en horisontal sprække i en eksisterende boring, uden at fjerne filter og gruskastning, risikerer oprensningseffekten at blive beskeden.

2.6 Sammenligning mellem hydraulisk og pneumatisk frakturering

Forskelle og ligheder mellem de to fraktureringsmetoder kan opsummeres som vist i Tabel 2. De angivne karakteristika og værdier er alle typiske størrelser der rapporteres i litteraturen, men kan naturligvis varierer en del.

Det skal specielt nævnes for fyldmaterialernes vedkommende, at der i langt fra alle tilfælde benyttes udelukkende sand i forbindelse med hydraulisk frakturering. I et stigende antal sager enten eksperimenteres eller praktiseres der med injektion af andre materialer end sand i de inducerede sprækker. Andre materialer kan være: grafit, mikrober og næringssalte, iltningsmiddel, oxidant og reduktant samt skumbeton og bentonit. Hver enkelt af disse øvrige materialer er nærmere omtalt i kapitel 7 og 8.

Tabel 2.
Sammenligning mellem pneumatisk og hydraulisk frakturering