Optimizacion de Gestion de Aguas Residuales en la Fracturacion Hidraulica de Produccion de Petroleo y Gas de Esquisto
Solapas principales
Optimización de Gestión de Aguas Residuales en la Fracturación Hidráulica de Producción de Petróleo y Gas de Esquisto
El tratamiento centralizado de aguas residuales está surgiendo como una solución viable para la eficiencia a largo plazo en la gestión de abastecimiento de agua y tratamiento de aguas residuales en la fracturación hidráulica.
por Jeff Easton, Gerente de Ingeniería de Procesos, WesTech Engineering, Inc.
La cantidad de pozos de fracturación hidráulica (fracking) de petróleo de arcillas y gas de esquisto en los Estados Unidos y en todo el mundo sigue aumentando. Solo en la cuenca de esquisto del Bakken, en Dakota del Norte y Montana, más de 15.000 cabezas de pozo de fracturación hidráulica se encuentran en operación, con otros 20.000 pozos previstos para la apertura. Los EE.UU. tienen vastas reservas de petróleo y gas natural que son comercialmente accesibles, como resultado de los avances en las tecnologías de perforación horizontal y fracturación hidráulica, que han permitido mejorar el acceso al petróleo y gas en formaciones de esquisto, como el de Bakken. Pero a medida que más pozos de fracturación hidráulica entran en operación, la presión sobre el suministro de agua de profundidad y de superficie debido a la retirada de grandes volúmenes de H2O utilizados en el proceso – que necesitan hasta un millón de galones (casi 24.000 barriles) de agua fresca por cabeza de pozo para solamente completar el proceso de fracturación hidráulica. Igualmente importante es el creciente volumen de aguas residuales generadas de los pozos de fracturación hidráulica, lo que requiere la eliminación o reciclaje. Hasta 60 por ciento del agua inyectada en una cabeza de pozo (potencialmente 600.000 galones) durante el proceso de fracturación hidráulica será descargada fuera del pozo poco después, como reflujo de aguas residuales. A partir de entonces, y para la vida de la cabeza de pozo, éste descargará hasta 100.000 galones por día de agua residual producida. Estas aguas residuales necesitan ser capturadas y eliminadas o recicladas. Dado que el agua es el líquido base y mayor componente utilizado en la fracturación hidráulica, su importancia sigue siendo un factor crítico en la operación y la economía de la producción de petróleo de arcillas y de gas de esquisto. Pero los desafíos importantes y crecientes de gestión del agua están impactando la fracturación hidráulica. Los procedimientos de operación de agua potable y agua residual que han estado en vigor desde fines de 1990 están siendo afectadas por regulaciones gubernamentales cada vez más severas sobre las limitaciones de disponibilidad y de eliminación de aguas. Estos factores están impulsando a los ejecutivos de petróleo y gas a reevaluar sus actividades actuales de utilización de agua relacionadas a fracturación hidráulica, y adoptar una perspectiva más unificada, y de más largo alcance en su gestión del ciclo de vida del agua.
Una solución que promete un enfoque verdaderamente integral para la integración de todos los aspectos de la gestión del agua potable y de las aguas residuales en la producción de petróleo de arcillas y de gas de esquisto, mientras se optimiza la utilización de los recursos hídricos en todo el ciclo de vida de producción del pozo, es un enfoque centralizado para el tratamiento y reutilización del agua residual. La centralización no sólo proporciona tratamiento y reutilización del agua residual de reflujo de una gran cantidad de cabezas de pozo cuando los pozos son fracturados, pero también proporciona tratamiento y reutilización del agua residual producida en el largo plazo, ciclo de vida completo de los pozos – que representan la gran mayoría del agua residual que fluye de las cabezas de pozo. Además, un sistema centralizado puede más fácilmente acceder y utilizar fuentes alternativas de agua, como de las instalaciones de aguas residuales municipales, que de otra manera muy improbablemente serían accesos.
Intrínsecamente, cabezas de pozo que suministran producción de petróleo de arcillas y de gas de esquisto son procesos a largo plazo, generalmente superior a 20 años, pero las soluciones convencionales en juego para la manipulación de los recursos de agua potable y agua residual están orientados a corto plazo. Incautación de aguas residuales para la evaporación en lagunas de superficie, agua en camiones durante largas distancias para lugares de inyección para pozos profundos, y el tratamiento de agua residual de reflujo para su reutilización en cabeza de pozo son todas opciones de manejo de aguas residuales a corto plazo que no abordan los temas críticos que afectan a industria a largo plazo – como reducción de fuentes de agua, aumento de los reglamentos limitando la eliminación de aguas residuales, y crecientes preocupaciones ambientales y de seguridad del gobierno y del público.
El concepto de gestión de aguas residuales centralizado está ganando impulso. En América del Norte, más de una docena de plantas de tratamiento de aguas residuales centralizadas a servicio de la extracción de petróleo de arcillas y de gas de esquisto están ahora instaladas y produciendo, o en desarrollo.
Opciones Reducidas para Abastecimiento de Agua
Los suministros de agua potable para uso en la fracturación hidráulica se están tornando cada vez más caros y más inalcanzables. Hace relativamente poco tiempo, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército ordenó en contra de la política de larga data de adquisición de agua de la cuenca del río Missouri para el uso en la fracturación de petróleo de arcillas y de gas de esquisto. Esto desvió operadores de fracking para comprar agua de lagunas y pozos a mayores costos de los propietarios locales. Ahora estos propietarios se están quedando sin agua. En 2013 el consumo de agua en los pozos de fracking de la formación de Bakken se espera alcanzar 6 mil millones de galones. Hoy en día, el abastecimiento de agua es el principal desafío de fracking en Bakken.
En Texas, donde operan los pozos de fracturación hidráulico de las formaciones Eagle Ford, Barnett Shale o Permian Basin y lidian con la constante amenaza de la sequía, los operadores de fracking compiten con los agricultores y ganaderos por su parte de agua fresca. Como en Dakota del Norte, el abastecimiento de agua es el principal desafío de fracking en Texas. En ambas estas áreas, no existe una fuente infinita de agua para la expansión de las operaciones de fracturación hidráulico.
Hasta en Pennsylvania, y en todas las formaciones de esquisto de Marcellus y Utica, donde la disponibilidad de agua es más accesible, con el aumento del número de pozos el abastecimiento de agua es cada vez más controlado. Según la Susquehanna River Basin Commission (SRBC), el fracturación hidráulico de un pozo horizontal Marcellus puede utilizar 4 a 8 millones de galones de agua, generalmente dentro de un período de una semana. Sin embargo, la Commission dice que algunos pozos de Marcellus pueden necesitar ser fracturados varias veces durante su vida productiva (generalmente de cinco a veinte años, o más). Estas grandes extracciones de agua pueden venir de corrientes, ríos, lagos y lagunas de propiedad privada, o aguas subterráneas, y podrían afectar a la disponibilidad de las inmediaciones de fuentes de agua potable y otros usos, lo que aumenta la posibilidad de conflictos entre los utilizadores de agua.
Limitaciones en la Eliminación de Aguas Residuales
Los Estados y algunos gobiernos locales tienen la responsabilidad principal de la adopción y la implementación de programas para asegurar la gestión adecuada de las aguas residuales de fracturación hidráulica. Muchos pozos de fracturación que operan en la formación Bakken en Dakota del Norte y Montana, y los que funcionan en las formaciones de Eagle Ford, Barnett Shale y Permian Basin en Texas, utilizan lagunas de superficie para almacenar fluidos de fracturación hidráulico (reflujo y aguas residuales producidas) para evaporación o hasta que se adopten medidas necesarias para su eliminación. Casi 50% de las aguas residuales generadas a partir de la fracturación hidráulica en estos estados se desvía y se almacena en lagunas de superficie. Sin embargo, en Pennsylvania dentro de los últimos 24 meses, se ha eliminado por completo el uso de lagunas de superficie para el almacenamiento de aguas residuales.
Pero el uso futuro de lagunas de superficie seguramente deberá ser más regulado. EPA (Environmental Protection Agency) está evaluando las prácticas de la industria y los requisitos estatales y está considerando la necesidad de orientación técnica en el diseño, operación, mantenimiento y cierre de las lagunas de superficie bajo la RCRA (Resource Conservation and Recovery Act) para minimizar los potenciales impactos ambientales.
En muchas regiones de los EE.UU., incluyendo Texas, Dakota del Norte y Montana, la inyección en pozos subterráneos profundos es un método popular para la eliminación de los fluidos de fracking y otras sustancias procedentes de las operaciones de extracción de petróleo de arcillas y de gas de esquisto. Pennsylvania, algún tiempo atrás, ha prohibido el uso de la inyección en pozos profundos en el estado. Empresas de fracking operando en Pennsylvania, deseosos de inyectar sus aguas residuales en pozos profundos, deben transportarlos a Ohio para la deposición.
Esto abre otra serie de problemas potenciales relacionados con el transporte de grandes volúmenes de aguas residuales. Los municipios están preocupados con la seguridad de altos números de camiones circulando por las carreteras rurales y por pequeñas ciudades, y el impacto en la seguridad que puede tener sobre los residentes. Otro punto es el impacto de las flotas de camiones pesados que viajan en estas carreteras. Para ayudar a compensar este problema, algunos gobiernos locales en Pennsylvania requieren que las compañías de fracking depositen fianzas para cubrir la reparación y mantenimiento de carreteras. Problemas con el transporte de las aguas residuales de los pozos de fracking a los lugares de inyección de pozos profundos no son exclusivos de Pennsylvania.
Los costos para transportar el agua residual para la inyección en pozos profundos oscilan entre $3 y $ 7 por barril. Para los pozos recién fracturados, el costo podría alcanzar los $100.000 para el transporte de más de 14.000 barriles de reflujo – niveles de agua producidos a partir de cada cuenca, y en realidad, cada boca de pozo puede variar. Además, un potencial adicional de 3.400 barriles por día de agua residual producida transportada, a $ 20.000 por día. Para transportar el agua fuera del sitio para su disposición durante la vida de 20 años de un proyecto de pozo de fracturación hidráulica, se estima que costará 160 millones dólares (incluye los costos de transporte, la eliminación de agua y los costos de mano de obra).
Estanques de superficie y de inyección en pozos profundos han servido a las necesidades de aguas residuales de la producción de petróleo y gas de esquisto por más de una década. A partir de una visión de corto plazo, estos métodos han proporcionado una solución rentable. Pero mismo que los operadores están progresivamente acosados por la necesidad de mejorar la gestión de sus recursos hídricos, es necesario ser realmente rentable desde una perspectiva a más largo plazo, uno se aproxima más apropiadamente la inversión a largo plazo en sus pozos, y más estrechamente alineada con la intensificación de las restricciones que se imponen a su industria.
Tratamiento de Aguas Residuales de Cabeza de Pozo
Agua residual asociada con la extracción de petróleo de arcillas y gas de esquisto pueden contener altos niveles de sólidos totales disueltos (TDS), aditivos líquidos de fracturación, sólidos totales en suspensión (TSS), compuestos de dureza, metales, petróleo y gas, bacterias y agentes de desinfección de bacterias, y materiales naturalmente radioactivos. Estos contaminantes son parcialmente una combinación de sustancias químicas y agentes introducidos profundamente en el pozo (9000 pies y más profundo) que facilitan la fracturación modificando la composición química del agua para aumentar la viscosidad, transportar más arena y mejorar la conductividad. Efectivamente, el proceso de fracturación es empujar el agua hacia abajo en la formación de la roca, tratando de acuñar las grietas rocosas abiertas. La arena se llena en las grietas que el fluido hidráulico ha mantenido abiertas. Una vez que el fracking está hecho, gran parte del agua vuelve a subir el pozo como reflujo de agua residual. Junto con ella vienen bacterias y las características de la formación geológica, incluyendo minerales, materiales radiactivos y petróleo y gas.
Algunos operadores de perforación eligen reutilizar una porción del agua residual para reemplazar y / o complementar el agua potable en la formulación del fluido de fracturación para un futuro pozo o re-fracturar el mismo pozo. La reutilización de agua residual de petróleo de arcillas y gas de esquisto es, en parte, dependiente de los niveles de contaminantes en el agua residual y la proximidad de otros sitios de fracturación que podrían reutilizar el agua residual. Esta práctica tiene el potencial de reducir las descargas a las lagunas de superficie, minimizar la inyección subterránea de agua residual, y conservar y reutilizar recursos hídricos.
Soluciones móviles para el tratamiento de agua residual en la cabeza del pozo permiten el reciclaje y la reutilización del reflujo sin la necesidad de almacenamiento de agua residual en lagunas de superficie en el sitio, o para transporte del reflujo de agua residual para su deposición fuera del sitio de los pozos profundos de inyección. El agua residual reciclada es tratada específicamente para un sitio de pozo de fracturación diferente. El tratamiento es personalizado para la geología del sitio de ese pozo especificado.
El inconveniente de las soluciones móviles de cabeza de pozo es que no proporcionan el procesamiento continuo para manejar el agua residual producida, que necesitaría ser procesada para una posible fracturación continua de 20 años. Dado que el agua residual producida representa 95%, o más, del agua residual generada durante el ciclo de vida de un pozo, sistemas de procesamiento móviles no ofrecen una solución adecuada para resolver los problemas a largo plazo de decreciente fuentes de agua y de regidas limitaciones de disposición del agua residual.
Gestión Centralizada del Agua
El tratamiento centralizado del agua residual está surgiendo como una solución viable para la eficiencia a largo plazo en la gestión de abastecimiento de agua y tratamiento de agua residual en la fracturación hidráulica. Instalaciones de tratamiento centralizado manejan tanto el reflujo de agua residual como el agua residual producida en pozos de petróleo de arcillas y gas dentro de una región, en un radio de 40 a 50 millas. Los oleoductos conectan todas las cabezas de pozo directamente con la planta de tratamiento central.
