Gas Natural No Convencional

Gas Natural No Convencional Jornadas sobre el Gas Natural y su Futuro Dirección General de Industria, Energía y Minas En colaboración con la Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid Consejería de Economía y Hacienda de la Comunidad de Madrid (Madrid 6 de Marzo de 2013) Francisco Hernández Geólogo

INDICE El Sistema de los Hidrocarburos Gas No Convencional Tecnología en No Convencionales Fracturación Hidráulica Comportamiento de los Yacimientos de Shale Gas Impacto Económico del Shale

El sistema de los hidrocarburos Procesos y componentes principales PROCESOS Componentes ACUMULACIÓN Gas Natural Petróleo Agua Roca sello Roca almacén MIGRACION GENERACION Roca generadora 49 o C 177 o C www.petroleumsupport.com 3

Las rocas generadoras de hidrocarburos A partir de una roca con un determinado contenido en materia orgánica, se generan en la naturaleza los diferentes tipos de hidrocarburos Roca Generadora (Roca madre) Petróleo pesado Petróleo ligero Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector Gas Natural 4

Los poros de las rocas del subsuelo Los poros son los espacios que existen dentro de una roca y que son capaces de almacenar un fluido (petróleo, gas o agua) Escala comparativa de tamaños de poro, tamaños de moléculas de hidrocarburos y métodos de visualización del poro MILIMETROS POROS de tamaño cercano a la decima de milímetro (limite resolución ojo humano) Milímetro Micrómetro Nanómetro OJO MICROSCOPIO LUZ MICROSCOPIO ELECTRONICO Molécula Petróleo 0.5 a 3 nm Molécula Metano 0.4 nm POROS de tamaño milimétrico (visible por el ojo humano) 5

La conexión entre los poros de las rocas POROS NO CONECTADOS ENTRE ELLOS (En el caso de contener gas, estaría inmovilizado en los poros) POROS CONECTADOS ENTRE ELLOS (En el caso de contener gas, podría circular a través de los poros) 1 mm GAS NO CONVENCIONAL GAS CONVENCIONAL 1 mm 6

GAS NO CONVENCIONAL CRUDOS NO CONVENCIONALES Recursos No Convencionales CRUDOS PESADOS Crudo líquido (con densidad menor que 22ºAPI) que tiene la habilidad de fluir en el pozo a las condiciones del reservorio, pero que también se estimula para los más pesados del yacimiento con métodos generalmente térmicos (Inyección de vapor, etc.). OIL SANDS Arenas bituminosas con crudo/bitumen de densidad menor de 10º API y viscosidad >10,000 cp. que no tienen capacidad de fluir al pozo en condiciones del reservorio, por lo que se explotan por minería (someros) o por sondeos con estimulación térmica (SAGD, CSS, etc.). tight/shale oil heavy oil oil shale oil sand = bitumen + sand TIGHT OIL Crudos producidos de clásticos/carbonatos con baja porosidad y permeabilidad. SHALE OIL Crudo producido en lutitas/pizarras con un alto porcentaje de materia orgánica (kerógeno) que ha alcanzado la ventana de generación de petróleo. OIL SHALE Roca madre que no ha alcanzado la ventana de generación de petróleo y necesita ser calentada para generar el crudo. COALBED METHANE Coalbed Methane (CBM) es el gas extraído de capas de carbón. SHALE GAS Gas natural producido en lutitas/pizarras con un alto porcentaje de materia orgánica (kerógeno) que ha alcanzado la ventana de generación de gas. TIGHT GAS - Gas natural producido de clásticos/carbonatos con baja porosidad y permeabilidad. HIDRATOS DE METANO - Es un compuesto sólido en el que se atrapa una gran cantidad de metano dentro de la estructura cristalina de agua en determinadas condiciones de presión y temperatura y formando un sólido similar al hielo. SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage CSS: Cycled Steam Stimulation Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector 7

Principales gases naturales no convencionales: Tight Gas Shale Gas Almacén = Clásticos/Carbonatos con baja porosidad y/o permeabilidad Roca con poros de pequeño tamaño y no conectados = Tight Almacén = Lutitas/pizarras con un alto porcentaje de materia orgánica (kerógeno) Roca con tamaño de grano extremadamente pequeño y alto porcentaje de materia orgánica = Shale Almacén diferente a la roca madre Almacén es el mismo que la roca madre Requieren aplicar tecnologías de fracturación para producir de forma económica Fuente de las imágenes: paginas web de compañías del sector 8

Tecnología en no convencionales: Los primeros hitos El primer pozo comercial de Petróleo está datado en el año de 1859 en Pensilvania (USA) La perforación horizontal comenzó a desarrollarse en la década de los años 1930 en los Estados Unidos La primera operación de fracturación se realizó en el año de 1947 en el estado de Kansas. Pozo de petróleo Drake-1 perforado en el año 1859 (Titusville, Pensilvania, USA) En el año 1947 se realizó la primera operación de fracturación, haciéndolo la compañía Stanolind Oil, en el campo de Hugoton, en el SW de Kansas (USA) Pozo con 21 metros de profundidad total Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector La operación de fracturación se realizó a 730 metros de profundidad 9

Tecnología en no convencionales: Técnicas de perforación 2 4 km 300 m Acuíferos de agua dulce (no mas allá de 300 metros de profundidad) Detalle de las entubaciones para aislar el pozo, con respecto a los acuíferos de agua dulce (potable) Operaciones de Fracking (a mas de 2.000 metros de profundidad) Perforación sondeos horizontales La razón para la perforación horizontal en recursos no convencionales es aumentar el volumen intersectado por el pozo. El sondeo se perfora en vertical hasta cerca del objetivo entre 2.000-4000 m y posteriormente se perfora aumentando el ángulo para entrar en horizontal dentro de la formación objetivo y perforar normalmente hasta un máximo de 2000-3.000 m. En diferentes etapas se va entubando el pozo desde la superficie realizando también las cementaciones correspondientes. Esto asegura que no se afecte a los acuíferos superficiales. Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector 10

Tecnología en no convencionales: Técnicas de completación y estimulación avanzadas con Procesos de desarrollo de campos basada en eficiencia operacional Superficie (No a escala real) 100 Fuente: Halliburton Acuífero agua dulce Profundidad en pies 1000 Acuífero agua salada 2000 Completación avanzada 7100 Shale Gas Fuente: U.S. Department of Energy, Abril 2009 Existe una preocupación reciente alrededor de la fracturación hidráulica, aunque se trata de una tecnología conocida y utilizada desde hace más de 60 años en la industria y se realiza a una profundidad mucho mayor que la de los acuíferos de agua potable para consumo humano. Las prácticas adecuadas en la construcción/cementación del pozo (convencionales o no) evita la afectación a los acuíferos. Fracturación Hidráulica (estimulación avanzada): Su principal aplicación es para estimular la producción de petróleo o gas y es un método que se utiliza desde finales de los años cuarenta. El proceso se ha utilizado en más de un millón pozos productores y actualmente se fracturan hasta 40.000 pozos cada año (vertical y horizontal, petróleo y gas natural). Sin la utilización de la fracturación hidráulica se estima que el 80% de la producción no convencional de gas no existiría. Completaciones de pozo adaptadas (eficiencia operacional): El nuevo diseño de estas completaciones ha permitido la producción en multizonas. Microsísmica (eficiencia operacional): Fundamentalmente para monitorización / control de los procesos de fracturación y determinación de las zonas afectadas por nuevas fracturas. 11

Tecnología en no convencionales: Los hitos tecnológicos recientes y el impacto en la producción de hidrocarburos Producción diaria de petróleo en numero de barriles Pozos horizontales sin fracturación Pozos horizontales y fracturación en etapas Pozos horizontales y fracturación Numero de pozos Ejemplo real del impacto de los hitos tecnológicos en la evolución de la producción de hidrocarburos. Sistema petrolero de Bakken entre los años 1980 2011 (USA & Canadá) 12

Fracturación hidráulica y perforación horizontal 0 metros Acuíferos agua dulce Profundidad (metros) Profundidad (pies) 2.134 metros Fracturas Operaciones fracturación hidráulica Capa de Shale Gas La capa de Shale Gas es fracturada por la presión ejercida desde el interior del pozo Operaciones fracturación hidráulica Su empleo masivo y la escala de uso requerida en estos yacimientos no ha sido posible hasta mediados de la pasada década con el desarrollo y avances tecnológicos ligados a fracturación aplicada a sondeos horizontales y el nuevo diseño de completaciones de pozo. El coste de la fracturación hidráulica masiva representa hasta el 60% del coste total del sondeo. 13 Las labores de fracturación son necesarias para obtener los caudales comerciales.

Fracturación hidráulica: Ejemplo de composición porcentual del volumen de un fluido de fracturación Una operación típica de fractura, utilizará unas concentraciones muy bajas de entre 3 a 12 aditivos, en función de las características del agua y de la formación que se pretende fracturar. Los aditivos del fluido de fracturación deben de cumplir con el Reglamento REACH (Reglamento (CE) nº 1907/2006 del Parlamento Europeo y del Consejo) cuyo principal objetivo es garantizar un alto nivel de protección de la salud humana y el medio ambiente. Para ello, introduce la obligación de efectuar un registro de todas las sustancias químicas que se comercializan dentro del territorio de la Unión Europea. A partir de su entrada en vigor el día 1 de junio de 2007, no se puede comercializar ninguna sustancia química que no se encuentre registrada, evaluada y autorizada. Fluido de fracturación Agua y sostenedor de fractura (proppant) 99,51% (Diluido al 15%) Fuente: U.S. Department of Energy, Abril 2009 El acido diluido al 15% reacciona con carbonatos y origina cloruro de calcio mas agua y dióxido de carbono CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + H 2 O + CO 2 14

Fracturación hidráulica: Componentes individuales del fluido de fracturación, volúmenes y funciones Fuente: Kansas Geological Survey Agua usada en un pozo en una fracturación: 1000018000 m3. De esta cantidad se recupera entre un 20 y un 80 % en la primera etapa de producción (Flowback) que puede ser utilizada de nuevo en otras nuevas fracturaciones, inyectada en acuíferos profundos o tratada para otros usos en función de la especificación requerida. El DOE (Departamento de Energía) de Estados Unidos y el Consejo de Protección del Agua Subterránea (GWPC) de EEUU crearon FracFocus. Una base de datos a nivel nacional, que se puede buscar información específica por pozo sobre los aditivos y cantidades utilizadas en los procesos que fracturación. En la UE existe el reglamento Reach (obliga a efectuar un registro de todas las sustancias químicas que se comercializan dentro del territorio de la Unión Europea). El reglamento crea un sistema integrado de registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias químicas, que obliga a las empresas que los fabrican e importan a evaluar los riesgos derivados de su utilización y a adoptar las medidas necesarias para gestionar y mitigar cualquier riesgo identificado. En 2011, la EPA (US Environmental Protection Agency) comenzó un estudio de los potenciales impactos de la fracturación hidráulica en los recursos de agua potable. Este trabajo de la EPA está recopilando datos de los productos químicos y prácticas utilizadas en la fracturación hidráulica, haciéndolo de nueve empresas que fracturaron un total de 24.925 pozos, e incluyendo información adicional de FracFocus de 12.000 sondeos informados. Se espera disponer del informe final en 2014. 15

Fracturación hidráulica: Sostenedor de fractura (proppant) y ciclo del agua de fracturación Proppant cerámico (fabricación artificial) Diferentes tipos de proppant Proppant (sostenedor de fractura) Arena natural Proppant sintético Proppant cerámico Arena natural Arena cubierta de resina Proppant bauxitico El ciclo del agua de fracturación puede llegar a consistir de 5 etapas: Adquisición del agua necesaria para la fracturación hidráulica Mezcla (en el emplazamiento) y creación del fluido de fracturación Inyección, a alta presión, del fluido de fracturación en el objetivo Recuperación en superficie del fluido de fracturación (flowback) Tratamiento del flowback Flowback después de tratamiento Flowback antes de tratamiento Desde el pozo Hacia el pozo Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector 16

Fracturación hidráulica: Equipos utilizados Fuente imagen: JPT Operación de fracturación en el condado de Candian, Oklahoma (USA) donde el contratista Halliburton utilizó un total de 28 camiones de bombeo con una potencia total de 52000 hhp 17

Fracturación hidráulica: Profundidad de fracturas vs. Profundidad acuíferos potables Acuíferos de agua dulce mas profundos Sistema petrolero de Shale Gas Barnett (USA) Mapa de las operaciones de fractura realizadas Profundidad (pies) Fuente: The American Oil & Gas Reporter, Julio 2010 Numero de operaciones de fractura, ordenadas por profundidades a las que se han realizado Los fluidos de fracturación se inyectan en formaciones normalmente a profundidades entre los 2000 4000 m., lugar en donde el agua de formación no es potable y de salinidad media a muy alta. Por tanto a miles de metros de los acuíferos de agua potable. Las fracturas no suelen extenderse mas allá de los 300 a 400m alrededor del pozo horizontal. Publicaciones del DOE y del API, en base a datos históricos, estiman muy baja probabilidad de ocurrencia para afectación a acuíferos someros. La tecnología de microsísmica registrada durante los procesos de fracturación ha permitido controlar y conocer mejor la extensión de las fracturas producidas. 18

Microsísmica como herramienta de control La microsísmica detecta la localización de los eventos que se producen durante una operación de fracturación Acuíferos potables (no mas allá de 300 metros de profundidad) Camiones Fracking Acuíferos potables (no mas allá de 300 metros de profundidad) Profundidad 2 4 km Nivel freático (agua dulce) Pozo Fracturas Camión microsísmica Geófonos Eventos microsísmicos Shale Gas 2 4 km Profundidad Escala de las fracturas muy exagerada para poder ver su relación con el pozo horizontal y con la microsísmica Fuente imagen: Jumbo Resources LTD 19

2LO JDV )ORZ 5DWH Volumen de flujo de hidrocarburos Características y comportamiento de los yacimientos de shale/tight gas Curva de declino por pozo Fuerte declino en los primeros años Cola de caudal muy baja pero duradera Una de las características más singulares de este tipo de yacimientos es el comportamiento de los pozos. Presentan producciones iniciales modestas, que declinan extraordinariamente rápido. En el primer año la producción disminuye un 65-80% sobre la producción media de los 30 primeros días. La producción inicial en pozos que drenan recursos Años 2 4 km Ejemplo de desarrollo de shale/ tight gas con sondeos horizontales y fracturados Con las localizaciones multi pozos horizontales se ha reducido el impacto en superficie del 10-12% al 1-2% convencionales es varias veces mayor y tienen un declino menos acentuado. El rápido agotamiento de los pozos no convencionales, obliga a la permanente perforación de sondeos para evitar el declino del campo, a un ritmo e intensidad, hasta la fecha desconocidos. Esto, unido a las vastas extensiones que abarcan este tipo de acumulaciones, conduce a una actividad intensiva y duradera en el tiempo. Esquemas de desarrollo basados en la perforación de centenas de pozos han permitido transformar recursos contingentes en reservas recuperables previamente no económicas. 20 Fuente de las imágenes: paginas web de compañías y agencias del sector

Efecto de los recursos no convencionales en la producción de hidrocarburos de EEUU Producción de crudo en EEUU (miles de barriles diarios) 24 Producción anual de Gas Natural en EEUU (Tcf) 6,4 Mbd en 2012 24 Tcfen 2012 Mbd = Millones barriles día 2012 Fuente: EIA (US Energy Information Administration) 2012 Tcf = Trillones pies cúbicos 21

Impacto en la economía del desarrollo del Shale Generación de empleo: En 2012, un total de 1,7 millones de empleos en Estados Unidos se han generado por la actividad derivada de los no convencionales (1,25 millones de empleos en los estados productores y 0,45 en los estados no productores) de un total de 9,2 millones de empleos que cuenta la industria del Oil & Gas. Reparto de 1,25 millones de empleos en estados productores Reparto de 0,45 millones de empleos en estados no productores Ingresos para el Gobierno: ha generado 63 miles de millones de dólares en ingresos para el Gobierno en el año 2012. El shale gas ha provocado una importante reducción de los precios del gas en Estados Unidos, reflejada en una sustitución parcial de centrales eléctricas de carbón por gas, con el efecto colateral de la reducción del 9% de las emisiones de CO2 desde 2007 y la vuelta a los niveles de emisión de 1995. 22 Fuente: API