水圧破砕用プロパント

プロパントは固体材料で、通常は砂、処理済み砂、または人工セラミック材料であり、破砕処理中または処理後に、誘発された水圧破砕を開いた状態に保つために設計されており、最も一般的には非従来型貯留層で使用されます。プロパントは、使用される破砕の種類に応じて組成が異なり、ゲル、泡、またはスリックウォーターベースの場合があるフラッキング流体に追加されます。さらに、非従来型フラッキング流体が存在する場合があります。流体は、粘度（粘性が高い流体ほどより濃縮されたプロパントを運ぶことができます）などの材料特性、プロパントを適切に導く特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要因などでトレードオフがあります。さらに、流体は、高透水性砂岩井の低容量井刺激（井あたり 20 ～ 80,000 米ガロン（76 ～ 303 kl））から、井あたり数百万ガロンの水を使用するシェールガスやタイトガスなどの大容量操作まで、さまざまな用途に使用できます。

ゲル、フォーム、スリックウォーター流体の相対的な優位性については、従来の見解ではしばしば揺らいでおり、これはプロパントの選択に関係しています。たとえば、Zuber、Kuskraa、Sawyer (1988) は、ゲルベースの流体が炭層メタン操作で最良の結果を達成すると思われることを発見しましたが、^[1] 2012 年現在、スリックウォーター処理の方が人気があります。

プロパント以外では、スリックウォーター破砕流体は主に水で、通常は体積比で 99% 以上が水ですが、ゲルベースの流体では、他の添加物を無視して、ポリマーと界面活性剤が最大 7 体積% 含まれることがあります。その他の一般的な添加物には、塩酸(pH が低いと特定の岩石が腐食し、たとえば石灰岩が溶解することがあります)、摩擦低減剤、グアーガム、殺生物剤、エマルジョンブレーカー、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。

プロパントは、低い閉鎖応力では小メッシュプロ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損し（つまり、押しつぶされ）、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、小メッシュプロパントが大メッシュプロパントの透過性を上回る。^[2]

砂は一般的なプロパントですが、未処理の砂は微粒子が大量に生成されやすい傾向があります。微粒子の生成は、多くの場合、最初の供給量の重量％で測定されます。あるメーカーは、未処理の砂の微粒子生成は23.9％であると主張していますが、軽量セラミックでは8.2％、自社製品では0.5％です。 ^[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1つの方法は、十分な強度のプロ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、硬化性樹脂コーティング砂または事前硬化樹脂コーティング砂を形成します。特定の状況では、まったく異なるプロパント材料が選択される可能性があり、一般的な代替品にはセラミックと焼結ボーキサイトがあります。

強度を高めると密度が増すという代償を払うことが多く、その結果、破砕中により高い流量、粘度、圧力が必要となり、環境的にも経済的にも破砕コストが増加する。^[4]逆に軽量プロパントは強度密度の傾向を打破したり、ガス透過性を高めたりできるように設計されている。プロパントの形状も重要で、特定の形状や形態はプロパント粒子にかかる応力を増幅させ、特に破砕されやすくする（鋭い不連続性は、線形弾性材料に無限の応力を与える可能性がある）。^[5]

プロパントのメッシュサイズも亀裂の長さに影響します。亀裂の幅がプロパントの直径の 2 倍未満に減少すると、プロパントは「ブリッジアウト」される可能性があります。^[2]プロパントが亀裂に堆積すると、プロパントはそれ以上の流体の流れや他のプロパントの流れに抵抗し、亀裂のそれ以上の成長を阻害します。さらに、閉鎖応力 (外部流体圧力が解放されると) により、微粒子が生成されなくてもプロパントが再編成されるか「押し出される」可能性があり、亀裂の有効幅が狭くなり、浸透性が低下します。一部の企業は、このような再編成を防ぐために、静止時にプロパント粒子間の結合を弱くしようとしています。破砕流体とそれが運ぶプロ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。

適切なプロパントの選択は、井戸の生産率と全体的な最終回収率にプラスの影響を与えますが、市販のプロパントはコストによっても制約されます。サプライヤーから現場までの輸送コストは、プロパントのコストの大きな要素となります。

プロパント以外では、スリックウォーター破砕流体は主に水で、通常は体積比で99%以上が水ですが、ゲルベースの流体では、他の添加物を無視して、ポリマーと界面活性剤が最大7体積%を占めることがあります。^[6]その他の一般的な添加物には、塩酸（低pHは特定の岩石を腐食させ、たとえば石灰岩を溶かす可能性があります）、摩擦低減剤、グアーガム、^[7] 殺生物剤、エマルジョンブレーカー、乳化剤、および2-ブトキシエタノールがあります。

放射性トレーサー同位体は、水圧破砕によって作成された亀裂の注入プロファイルと位置を決定するために、水圧破砕流体に含まれることがあります。^[8]特許では、同じ井戸で複数のトレーサーが通常どのように使用されるかが詳細に説明されています。井戸はさまざまな段階で水圧破砕されます。^[9]各段階で半減期の異なるトレーサーが使用されます。^{[9] [10]}半減期は、40.2 時間 (ランタン 140 ) から 5.27 年 (コバルト 60 ) の範囲です。^[11]放射性核種の注入あたりの量は、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 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石油およびガスの増進回収研究アプリケーション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、アメリカ環境保護庁が揮発性有機化合物と発がん性物質BTEXの含有率が高いと指摘したディーゼルベースの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年にアメリカ水質浄化法に基づく規制から明示的に除外されたが、この立法措置は、特別利益団体のロビー活動の産物であるとして論争を呼んでいる。^[要出典]

• 水圧破砕用添加剤のリスト
• 水圧破砕と放射性核種