La tecnologia: il Fracking

Qua, più che di tecnologia che utilizza il gas, parleremo delle tecniche e del metodo per estrarre il gas scisto.

Lo sviluppo e l’estrazione dello shale gas prevede cinque tappe fondamentali:

! Identificazione della risorsa di gas: Durante questo processo l’azienda interessata comincia ad avviare delle indagini di prospezione in alcune regioni, individuandole tramite studi geologici, microsimici e penetrazioni confinate.

! Sondaggi preliminari: La misura della portata delle formazioni di gas è misurata tramite indagini sismiche. Sono analizzate le caratteristiche geologiche come faglie e fratture che possano incidere sul pozzo. L’iniziale perforazione verticale comincia a stimare le proprietà della risorsa di shale gas. Normalmente vengono raccolti i campioni più importanti.

! Trivellazione per progetto pilota (Pilot project drilling): Inizialmente si perfora orizzontalmente per determinare le proprietà del bacino e le migliori tecniche d’estrazione. La perforazione verticale a sua volta, continua là, dove ci sono potenziali riserve di shale gas. È la compagnia interessata ad eseguire i test di produttività iniziale.

! Test per progetto pilota (pilot production testing): Vengono perforati pozzi multipli orizzontali su di un singolo strato facenti parte di un intero progetto pilota. Le tecniche di perforazione sono ottimizzate tra cui la trivellazione, la fatturazione idraulica multistrato ed i sondaggi microsismici. A questo punto l’azienda inizia la progettazione e l’acquisizione della servitù di passaggio dell’impianto stesso.

! Sbocco commerciale: A questo punto, l’azienda coinvolta prende decisioni di vendita per procedere.

Per l’estrazione dello shale gas si usano quindi due tecniche: la trivellazione orizzontale controllata ed il fracking idraulico. Queste due sono tecniche conosciute da tempo nel campo petrolifero, ma solo da un decennio si è scoperto che usandole insieme si può estrarre il gas intrappolato negli scisti ed altri idrocarburi non convenzionali.

Figura 2.3: Fracking idraulico e perforazione orizzontale.

In un pozzo tradizionale, la trivella scende in verticale, accompagnata da grandi quantità di fluido di perforazione che ne diminuisce l’attrito, raffredda l’attrezzatura e tiene in pressione il pozzo. Durante l’esecuzione di un pozzo, nella prima parte del percorso, attraversa una o più falde acquifere e per tale motivo viene usata la tecnica del casing: una sorta di cappotto d’acciaio e cemento inserito nel pozzo per renderlo a tenuta stagna ed impedire che il gas, il petrolio o il fluido di perforazione, entrino a contatto con l’acqua di falda destinata all’uso umano inquinandola gravemente. Per estrarre lo shale gas o l’olio, a tutto questo si aggiunge una seconda ed una terza fase. Una volta eseguita una trivellazione verticale, essa viene fatta progressivamente deviare finché la testa fresante non si troverà a perforare in orizzontale, rispetto al piano campagna, in direzione del giacimento roccioso. La trivellazione orizzontale sarà eseguita per tutto il percorso previsto all’interno del giacimento.

Figura 2.4: Sequenze nel fracking. Fonte: ProPublica

Terminata la fase di trivellazione orizzontale all’interno dello scisto, si inserisce dell’ esplosivo al fondo del perforo realizzato dalla trivella che fatto brillare, fratturerà la roccia creando delle fosse spaccature nell’intorno del perforo stesso. Questo processo di fratturazione della roccia mediante l’impiego di esplosivo, non viene eseguito una sola volta, ma ripetuto più e più volte lungo tutta la linea di trivellazione orizzontale eseguita. Generalmente si effettua la fratturazione della roccia con esplosivo ogni 20 metri di cavo orizzontale partendo, come già detto, da fine foro di trivellazione e procedendo a passo di gambero fino all’inizio del tratto orizzontale trivellato. Ad ogni singolo brillamento eseguito si pompa ad altra pressione dell’acqua con sabbia ed agenti chimici (in sostituzione della sabbia è molto usato il proppant) al fine di fratturare ulteriormente lo scisto e liberare il gas o l’olio che contiene. Questa procedura viene ripetuta diverse volte (circa ogni 20 metri) e dopo ogni esplosione si fanno indietreggiare le aste di trivellazione attraverso le quali viene posizionato l’esplosivo ed iniettato il fluido ad alta pressione. Per ogni brillamento eseguito ed al termine del pompaggio dell’acqua e sabbia ad alta pressione, si isola la sezione con un

“tappo” di acciaio in modo che il gas o il greggio non fuoriesca invadendo il pozzo. Si ripetono queste operazioni di brillamento, pompaggio ad alta pressione di acqua e sabbia, isolamento della sezione del cavo fino a completare tutto il tratto di trivellazione orizzontale. Le sezioni chiuse con i tappi in acciaio saranno aperte una o più per volta a seconda della quantità di gas/olio presenti nel giacimento ed una volta che tutte le operazioni di fracturing sono state completare e si è pronti in superficie per le varie operazioni di estrazione, trattamento del gas/olio, storage o spedizione tramite pipeline.

Volendo fornire degli ordini di grandezza in termini di profondità del pozzo verticale e di lunghezza della trivellazione orizzontale, possiamo dire che oggi generalmente le lunghezze si uguagliano. In pratica, siccome un pozzo verticale in giacimenti non convenzionali si aggira tra i cinque mila ed i sei mila metri di profondità, la trivellazione orizzontale può essere altrettanto lunga in direzione del giacimento.

Il costo di un solo pozzo, invece, s’aggira dai 5 ai 10 milioni di dollari a seconda della complessità.

C’è da dire che quasi sempre le società petrolifere eseguono, partendo dalla trivellazione esistente, altre trivellazioni orizzontali in modo da fratturare il più possibile la roccia nell’intorno del pozzo verticale. In questo modo, da un solo pozzo visibile in superficie, si possono realizzare anche 10 perforazioni orizzontali a 360° rispetto alla parte verticale e, quindi, dieci vie d’uscita per il gas/olio. Ognuna delle quali implica varie cariche di esplosivo e conseguentemente pompaggio di fluido.

Nel fluido utilizzato per fratturare ulteriormente la roccia, possono essere impiegate per il fracking anche delle microsfere di ceramica (proppant). Il proppant viene pompato ad alta pressione insieme al fluido, al fine di saturare le fratture create facendo sì che esse non si richiudano (avendo quindi una funzione di puntellamento, altrimenti detta poppino). Le fratture riempite con il proppante mantengono, quindi, un canale permeabile attraverso il quale gli idrocarburi possono fluire liberamente aumentando la produzione di olio e gas recuperabile attraverso il pozzo. Da considerare che un pozzo di shale gas già dopo un anno di produzione ha esaurito più del 50% della sua capacità, quindi, per poter mantenere costante la produzione, occorre continuare a perforare (e per tale ragione vengono eseguite più perforazioni orizzontali da uno stesso pozzo verticale visibile in superficie). La sabbia ed altri materiali sempre a base di sabbia, sono diventanti i più conosciuti ed economici tipi di proppante utilizzate grazie anche alle loro disponibilità ed il loro basso costo. Tuttavia, uno studio sui tassi di produzione pubblicati dalla Society of Petroleum Engeeneers, ha dimostrato che la concentrazione, la forma e le dimensioni uniformi del proppante ceramico, offrono

prestazioni più elevate rispetto ai proppanti tradizionali consentendo una migliore produzione di gas e petrolio in differenti condizioni geomorfologiche del giacimento.

Il mix di sostanze usate per confezionare il fluido da iniettare ad alta pressione nelle fessure della roccia per aprirle e consentire la fuoriuscita del gaso o dell’olio è solitamente formato al 99,5% da acqua e sabbia ( o proppante ceramico) e nel restante 0,5% sono contenuto sostanze chimiche tra le quale alcune molto pericolose come ad esempio: Cloruro di idrogeno (E507), Glutarandehyde (G5882), N,N-Dimethylformaldeide, Distillato di petrolio, Metildrossetilcellulosa, Acido citrico, Tiourea, Cloruro di Potassio, Carbonato di Sodio, Carbonato di Potassio, Glicoletilene, Isopropanolo, Carbossimetilcelllosa.

Figura 2.5: Schematizzazione delle differenze tra il proppante a base di sabbia e quello ceramico Fonte: Massimo Chiarelli-Esperto in tecniche avanzate di scavo in sotterraneo

Queste sono solo una parte delle sostanze più usate, ma ne esistono tantissime altre. Alcune di queste sostanze risultano innocue, ma altre sono estremamente pericolose. Da tener presente che il fluido di perforazione è differente dal fluido iniettato ad alta pressione dopo ciascuna operazione di brillamento. Entrambi vengono iniettati dalla superficie esterna del pozzo attraverso le aste di perforazione, ma essi sono di diversa natura chimico-fisica pur avendo entrambi una prevalente componente d’acqua. Infatti il fluido di perforazione serve principalmente a questa operazione dell’appunto di trivellazione e apertura/stabilità del perforo mentre, il fluido iniettato ad altissima pressione a cavo eseguito, serve essenzialmente alla fratturazione ulteriore della roccia non ancora completamente fratturata dalle operazioni di trivellazione e dalle cariche esplosive. In quest’ultimo fluido, confezionato al 99,5% da acqua e dal restante 0,5% da sostanze chimiche, è contenuto anche il proppant avente la funzione descritta precedentemente.

Abbiamo fatto accenno alla tecnica del casing, usata durante le operazione di trivellazione al fine di rendere il pozzo a tenuta stagna. Infatti, in fase di apertura del pozzo, la trivella attraversa spesso vene d’acqua dolce che può entrare a contatto con gli stessi fanghi di perforazione: il rischio che l’acqua di falda possa venirsi a trovare a contatto con detti fluidi è alto così come è alto anche che lo shale gas e lo shale oil possano entrare a contatto con l’acqua. È da ricordare che le quantità di metano perse durante il fracking sono superiori a quelle legate all’estrazione del gas convenzionale con ordini di grandezza che variano dal 35% al 100% in più. Non per ultimo è da considerare la perdita di gas legate al flaring, ovvero la pratica utilizzata nei proces- si estrattivi di bruciare in torcia (flare) il gas in eccesso uscito dal pozzo al fine di far sfogare i picchi di pressione e quindi evitare esplosioni. È prassi comune bruciare il gas in eccesso a canna libera, senza alcun filtro e direttamente in atmosfera. Un ulteriore aspetto legato a questo rivoluzionario processo estrattivo da giacimenti convenzionali, è quello della radioattività indotta. Negli Stati Uniti, ad esempio, è permesso usare materiale radioattivo durante il fracking idraulico delle rocce perché permette di tracciare le fessurazioni e a trovare gas. Il materiale radioattivo generalmente usato è costituito da polveri di Americio-241/Berillio, ma non di rado sono usati anche Cromo, Cobalto, Iodio, Zirconio, Potassio, lantanio, Rubidio, Scandio, Iridio, Kripton, Xeno e Manganese. In pratica si usano sorgenti portatili di neutroni.