フラッキング用プロパント

プロッパントとは、一般的に砂、処理砂、または人工セラミック材料などの固体材料で、フラクチャリング処理中または処理後に、誘発された水圧破砕を開いたままにするために設計されており、最も一般的には非在来型貯留層に使用されます。これは、フラクチャリングの種類に応じて組成が異なるフラクチャリング液に添加され、ゲル状、フォーム状、またはスリックウォーター状になる場合があります。さらに、非在来型フラクチャリング液も存在する可能性があります。流体は、粘度などの材料特性においてトレードオフがあり、粘度が高いほど、より高濃度のプロッパントを運搬できます。また、プロッパントを適切に運搬するために一定のフラックスポンプ速度（流速）を維持するために必要なエネルギーまたは圧力、 pH、さまざまなレオロジー因子なども考慮する必要があります。さらに、流体は、浸透性の高い砂岩井戸の少量の井戸刺激（ 1井戸あたり2万～8万米ガロン（7万6千～30万リットル） ）から、シェールガスやタイトガスなどの1井戸あたり数百万ガロンの水を使用する大量操業まで、幅広く使用される可能性があります。  

従来の考え方では、ゲル、フォーム、スリックウォーター流体の相対的な優劣についてはしばしば意見が分かれており、これはプロパントの選択にも関係しています。例えば、Zuber、Kuskraa、Sawyer（1988）は、炭層メタン操業ではゲルベースの流体が最良の結果をもたらすようだと結論付けましたが^{[ 1 ]}、2012年現在ではスリックウォーター処理の方が人気があります。

プロッパントを除けば、スリックウォーター破砕液は大部分が水で、一般的に体積比で99%以上を占めますが、ゲルベースの流体では、他の添加剤を除いて、ポリマーや界面活性剤が最大7体積%を占める場合があります。その他の一般的な添加剤には、塩酸（低pHは特定の岩石を腐食させ、例えば石灰岩を溶解する）、摩擦低減剤、グアーガム、殺生物剤、乳化破壊剤、乳化剤、2-ブトキシエタノール、放射性トレーサー同位体などがあります。

プロッパントは、低い閉鎖応力では小さなメッシュのプロッパントよりも透過性が高いが、高い閉鎖応力では機械的に破壊され（つまり粉砕され）、非常に細かい粒子（「微粒子」）を生成するため、ある閾値応力を超えると、小さなメッシュのプロッパントが大きなメッシュのプロッパントよりも透過性が高くなる。^{[ 2 ]}

砂は一般的なプロッパントですが、未処理の砂は微粉の発生がかなり多く、微粉の発生は初期供給量の重量％で測定されることが多いです。あるメーカーは、未処理の砂の微粉発生量が23.9％であるのに対し、軽量セラミックでは8.2％、自社製品では0.5％であると主張しています。^{[ 3 ]}十分な強度を持ちながら理想的なメッシュサイズ（つまり透過性）を維持する方法の1つは、十分な強度を持つプロッパントを選択することです。砂を樹脂でコーティングして、硬化可能な樹脂コーティング砂またはプレキュアード樹脂コーティング砂を形成することができます。特定の状況では、まったく異なるプロッパント材料を選択することもあります。一般的な代替品には、セラミックや焼結ボーキサイトなどがあります。

強度を高めると、多くの場合、密度も高くなり、その結果、破砕時に流量、粘度、または圧力が高くなり、環境的にも経済的にも破砕コストが増加する。^{[ 4 ]}一方、軽量プロッパントは、強度と密度の傾向を打破したり、ガス透過性を高めたりするように設計されている。プロッパントの形状も重要であり、特定の形状や形態はプロッパント粒子にかかる応力を増幅させ、破砕に対して特に脆弱にする（鋭い不連続性は、一般的に線形弾性材料に無限の応力を許容する）。^{[ 5 ]}

プロッパントのメッシュサイズもフラクチャーの長さに影響します。フラクチャーの幅がプロッパントの直径の2倍未満に減少すると、プロッパントが「ブリッジアウト」されることがあります。^{[ 2 ]}プロッパントがフラクチャーに堆積すると、プロッパントはそれ以上の流体の流れや他のプロッパントの流れに抵抗し、フラクチャーのさらなる成長を阻害します。さらに、閉鎖応力（外部流体圧力が解放された後）により、微粒子が生成されなくてもプロッパントが再編成または「押し出され」、フラクチャーの有効幅が小さくなり、透過性が低下します。一部の企業は、このような再編成を防ぐために、プロッパント粒子間の静止時の結合を弱くしようとしています。フラクチャリング流体とその運搬プロッパントの流体力学とレオロジーのモデリングは、業界で活発に研究されているテーマです。

適切なプロッパントの選択は、油井の生産量と最終的な回収率にプラスの影響を与えるものの、市販のプロッパントはコスト面でも制約を受ける。供給業者から現場までの輸送コストは、プロッパントのコストの大きな部分を占める。

プロッパントを除けば、スリックウォーター破砕液は大部分が水で、一般的には体積比で99%以上を占めますが、ゲルベースの流体では、他の添加剤を除いて、ポリマーや界面活性剤が最大7体積%を占める場合があります。^{[ 6 ]}その他の一般的な添加剤には、塩酸（低pHは特定の岩石をエッチングし、例えば石灰岩を溶解します）、摩擦低減剤、グアーガム、^{[ 7 ]}殺生物剤、乳化破壊剤、乳化剤、および2-ブトキシエタノールなどがあります。

放射性トレーサー同位体は、水圧破砕によって生じた亀裂の注入プロファイルと位置を特定するために、水圧破砕液に添加されることがあります。^{[ 8 ]}特許では、通常、同じ井戸で複数のトレーサーがどのように使用されるかが詳細に説明されています。井戸は、異なる段階で水圧破砕されます。^{[ 9 ]}各段階では、半減期の異なるトレーサーが使用されます。^{[ 9 ] [ 10 ]}それらの半減期は、40.2 時間 (ランタン-140 ) から 5.27 年 (コバルト-60 ) までです。^{[ 11 ]}放射性核種の注入量は、米国原子力規制委員会(NRC) のガイドラインに記載されています。^{[ 12 ]} NRC のガイドラインには、単一および複数の井戸で使用されるフィールド フラッドまたは強化石油およびガス回収研究用途のトレーサーとして使用される、固体、液体、気体のさまざまな放射性物質も記載されています。^{[ 12 ]}

米国では、米国環境保護庁が揮発性有機化合物と発がん性物質であるBTEXの割合が高いと指摘しているディーゼル油系添加剤破砕液を除き、水圧破砕作業における破砕液の使用は、2005年の米国浄水法による規制から明確に除外された。この立法措置は、その後、特定の利益団体のロビー活動の産物であるとして論争を巻き起こしている。

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