Esta arena especial es una de las claves para la producción de petróleo y gas natural a partir de formaciones de esquisto compactas
Arena de fracturación: Vista de cerca de la arena de fracturación (a la derecha) y una arena típica de tamaño de grano similar (a la izquierda). Obsérvese que la arena de fractura tiene un tamaño de grano más uniforme, formas de grano bien redondeadas y una composición uniforme. También es un material muy duro que puede resistir fuerzas de compresión de hasta varias toneladas por pulgada cuadrada. Los granos de esta imagen tienen un tamaño de unos 0,50 milímetros. Foto con derechos de autor iStockphoto / BanksPhotos.
Producción de arena de fracturación: Este gráfico ilustra la cantidad de arena industrial natural que se ha utilizado como apuntalante en el proceso de fracturación hidráulica. No incluye los materiales fabricados por el hombre que se han utilizado como apuntalante (como las perlas de cerámica, las perlas de aluminio o la bauxita sinterizada. Los datos proceden de los Anuarios de Minerales del Servicio Geológico de los Estados Unidos y de los Resúmenes de Productos Minerales del Servicio Geológico de los Estados Unidos, 2005-2020.
¿Qué es la arena de fracturación?
La “arena de fracturación” es una arena de cuarzo de gran pureza con granos muy duraderos y muy redondos. Es un material resistente al aplastamiento que se produce para su uso en la industria petrolera. Se utiliza en el proceso de fracturación hidráulica (conocido como “fracking”) para producir fluidos petrolíferos, como petróleo, gas natural y líquidos de gas natural, a partir de unidades de roca que carecen de un espacio de poros adecuado para que estos fluidos fluyan hacia un pozo.
La mayor parte de la arena de fracturación es un material natural hecho de arenisca de gran pureza. Los productos alternativos son perlas de cerámica hechas de bauxita sinterizada o pequeñas perlas de metal hechas de aluminio.
La demanda de arena de fracturación se disparó en 2010, cuando el uso de la fracturación hidráulica se convirtió en el método estándar de producción de petróleo y gas a partir de formaciones rocosas compactas como el Marcellus Shale y el Utica Shale de la cuenca de los Apalaches. En la actualidad, miles de pozos de petróleo y gas natural se estimulan cada año mediante la perforación horizontal y la fracturación hidráulica.
Un trabajo de fracturación hidráulica en un pozo puede requerir varios miles de toneladas de arena. Este aumento de la perforación especializada ha creado una industria de arena de fracturación de miles de millones de dólares en muy poco tiempo. Entre 2005 y 2014, la cantidad de arena de fracturación utilizada por la industria del petróleo y el gas ha aumentado de forma espectacular.
Actualmente se utilizan millones de toneladas de arena de fracturación cada año. Esta tendencia continuará mientras se utilice el proceso de fracturación hidráulica para estimular los pozos, o hasta que los apuntalamientos artificiales sean más eficaces o se conviertan en sustitutos menos costosos.
Vídeo sobre la arena de fracturación: Vídeo de U.S. Silica que demuestra las características de una arena de fracturación de alta calidad.
¿Cómo se utiliza la arena de fracturación?
Algunas unidades de roca del subsuelo, como las pizarras orgánicas, contienen grandes cantidades de petróleo, gas natural o líquidos de gas natural que no fluyen libremente hacia un pozo. No fluyen hacia un pozo porque la unidad de roca carece de permeabilidad (espacios porosos interconectados), o los espacios porosos de la roca son tan pequeños que estos fluidos no pueden fluir a través de ellos.
El proceso de fracturación hidráulica resuelve este problema generando fracturas en la roca. Para ello, se perfora un pozo en la roca, se sella la parte del pozo en la zona petrolífera y se bombea agua a alta presión en esa parte del pozo. Esta agua suele tratarse con productos químicos y espesantes, como la goma guar, para crear un gel viscoso. Este gel facilita la capacidad del agua para transportar granos de arena de fracturación en suspensión.
Las grandes bombas en la superficie de la Tierra aumentan la presión del agua en la parte sellada del pozo hasta que es lo suficientemente alta como para superar el punto de rotura de las rocas circundantes. Cuando se alcanza su punto de rotura, éstas se fracturan repentinamente y el agua se precipita rápidamente en las fracturas, inflándolas y extendiéndolas más profundamente en la roca. Miles de millones de granos de arena son arrastrados a las profundidades de las fracturas por este repentino flujo de agua. Se pueden necesitar varios miles de toneladas de arena de fracturación para estimular un solo pozo.
Vídeo sobre la arena de fracturación: Vídeo de U.S. Silica que demuestra las características de una arena de fracturación de alta calidad.
Fracturación hidráulica: Diagrama simplificado de un pozo de gas natural que se ha construido con perforación horizontal para aumentar la longitud de penetración a través del Marcellus Shale. La fracturación hidráulica se realiza normalmente en la parte horizontal del pozo para estimular el flujo de gas de la pizarra. Esta configuración de pozo se utiliza en las zonas de esquisto de Estados Unidos.
La arena de fracturación como “apuntalante”
Cuando se apagan las bombas, las fracturas se desinflan pero no se cierran completamente, porque se mantienen abiertas gracias a los miles de millones de granos de arena de fracturación. Esto sólo ocurre si se han introducido en la roca suficientes granos de arena para resistir la fuerza de cierre de las fracturas.
Las nuevas fracturas en la roca, abiertas por los granos de arena duraderos, forman una red de espacio poroso que permite que los fluidos del petróleo fluyan fuera de la roca y hacia el pozo. La arena de fracturación se conoce como “apuntalante” porque “apuntala” las fracturas.
Otros materiales que se han utilizado como apuntalante son las perlas de cerámica, las perlas de aluminio y la bauxita sinterizada. La arena de fracturación suele ofrecer el mayor nivel de rendimiento, y actualmente es el apuntalante más utilizado por la industria petrolera.
Mapa de arenisca de Jordania: Muchas de las unidades de roca que actualmente se explotan para obtener arena de fracturación son también acuíferos. Esto hace que las publicaciones de investigación de aguas subterráneas, como la serie de atlas de aguas subterráneas del Servicio Geológico de los Estados Unidos, sean valiosos documentos de prospección para determinar la presencia, el espesor y la estructura de las unidades de roca arenisca. Este mapa procede del Atlas de aguas subterráneas de los Estados Unidos para Iowa, Michigan, Minnesota y Wisconsin. Muestra la extensión geográfica y el espesor de la arenisca Jordan en Minnesota y Iowa. Se han publicado mapas similares en esta serie para otras unidades de roca arenisca y otras áreas geográficas.
¿Qué tipo de arena?
Los agentes de sostén de la industria petrolera deben cumplir especificaciones muy exigentes. Las características de una arena de fracturación de alta calidad incluyen:
- arena de sílice de gran pureza
- tamaño de grano perfectamente adaptado a los requisitos del trabajo
- forma esférica que le permite ser transportada en el fluido de fracturación hidráulica con una turbulencia mínima
- durabilidad para resistir las fuerzas de aplastamiento de las fracturas de cierre
La arena de fracturación se produce en una gama de tamaños que van desde 0,1 milímetros de diámetro hasta más de 2 milímetros de diámetro, dependiendo de las especificaciones del cliente. La mayor parte de la arena de fractura que se consume tiene un tamaño de entre 0,4 y 0,8 milímetros.
Unidades rocosas como la arenisca St. Peter, la arenisca Jordan, la arenisca Oil Creek y la arenisca Hickory han sido fuentes potenciales de material de arena de fractura. Estas unidades de roca están compuestas por granos de cuarzo que han pasado por múltiples ciclos de meteorización y erosión. Esa larga historia ha eliminado casi todos los granos minerales que no son de cuarzo y ha producido granos con formas muy redondas. Por ello, es poco probable que la arena dragada de los ríos, excavada en las terrazas o extraída de las playas produzca un buen producto.
Cuando se producen estas unidades de roca, suelen ser blandas, poco cementadas y a veces ligeramente meteorizadas. Esto permite excavarlas y triturarlas con un daño mínimo a los granos de cuarzo. Las arenas de gran pureza procedentes de zonas como los Apalaches no suelen ser adecuadas para las arenas de fracturación porque han sido sometidas a fuerzas tectónicas que han deformado la roca y debilitado los granos de arena.
Mina de arena de fracturación en Wisconsin: Vista aérea de una explotación minera de arena de fracturación en Wisconsin. La arena de fracturación es un producto altamente especializado que sólo puede producirse a partir de un pequeño número de depósitos de arena. Foto copyright iStockphoto / BanksPhotos.
Instalación de procesamiento de arena de frac: Vista aérea de una instalación de procesamiento de arena de frac en Wisconsin. Foto copyright iStockphoto / BanksPhotos.
Plantas de procesamiento de arena de fracturación
La arena de fracturación no se utiliza directamente del suelo. Necesita ser procesada para optimizar su rendimiento. Tras la extracción, se lleva a una planta de procesamiento. Allí se lava para eliminar las partículas finas.
Tras el lavado, la arena se apila en montones para permitir que el agua del lavado se escurra. Esta operación se realiza al aire libre y se limita a las épocas del año en las que las temperaturas son superiores al punto de congelación. Una vez escurrida la arena, se coloca en un secador de aire para eliminar toda la humedad. A continuación, los granos secos se tamizan para obtener fracciones de tamaño específicas para diferentes clientes.
La arena que no es adecuada para el fracking se separa y se vende para otros usos. Algunas arenas de fracking pueden ser recubiertas de resina para mejorar su rendimiento en la operación de fracking. Este material se venderá como producto de primera calidad. Después del procesamiento, la mayor parte de la arena se carga directamente en vagones de tren para su entrega por ferrocarril.
Algunas plantas de procesamiento se encuentran en el lugar de la mina. Sin embargo, las plantas de procesamiento son muy costosas de construir y a veces son compartidas por varias minas. Éstas están situadas en el centro de varias minas y la arena se entrega por camión, tren o cinta transportadora.
¿Dónde se produce y utiliza la arena de fracturación?
Hace unos años, los productores de Wisconsin y Texas suministraban gran parte de la arena de fracturación utilizada por la industria del petróleo y el gas. Sin embargo, el enorme aumento de la demanda provocado por el auge del gas natural y el petróleo de esquisto ha motivado a muchas empresas a suministrar este producto. Muchas de estas empresas se encuentran en la parte central de Estados Unidos, donde la arenisca de San Pedro y otras unidades rocosas similares están cerca de la superficie y son fáciles de excavar.
Estas zonas también se encuentran donde las fuerzas tectónicas no han provocado un plegamiento severo de las unidades de roca y han debilitado los granos de arena. La zona principal se encuentra en los estados del medio oeste (Illinois, Indiana, Iowa, Kansas, Kentucky, Minnesota, Michigan, Missouri, Nebraska y Wisconsin).
La mayoría de las arenas silíceas de gran pureza de Estados Unidos se conocen desde hace décadas. Se han utilizado para la fabricación de vidrio y para usos metalúrgicos. La búsqueda actual de arena de fracturación no consiste en “descubrir nuevas fuentes de arena”, sino en determinar qué fuentes producen materiales superiores.
La arena de fracturación se utiliza para producir gas natural, líquidos de gas natural y petróleo a partir de pizarras y otras rocas compactas que requieren fracturación hidráulica. Entre ellas se encuentran: la pizarra Marcellus, la pizarra Utica, la formación Bakken, la pizarra Haynesville, la pizarra Fayetteville, la pizarra Eagle Ford, la pizarra Barnett y muchos otros yacimientos de pizarra en todo Estados Unidos.
San Pedro: Una foto de la arenisca San Pedro coronada por la dolomía Joachim tomada cerca de Pacific, Missouri. Imagen de dominio público por Kbh3rd.
Fuentes y precios de la arena de fracturación
La demanda de arena de fracturación en Norteamérica ha aumentado considerablemente en los últimos años en respuesta a las numerosas explotaciones de esquisto que se están desarrollando en muchas partes de Estados Unidos, Canadá y México. El Servicio Geológico de Estados Unidos informa sobre el origen de esta producción:
3 La arenisca ordovícica de San Pedro, en el Medio Oeste, es una fuente primaria de arena de sílice para muchos usos finales y es también una fuente importante de arena de fracturación. La arena de fracturación de la arenisca de San Pedro, que se extrae en cinco estados, se encuentra a una distancia de transporte razonable de numerosas formaciones de esquisto subterráneas que producen gas natural.
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Los precios medios comunicados para la arena de fractura en el Anuario de Minerales del Servicio Geológico de Estados Unidos y el Resumen de Productos Minerales son volátiles. Entre 2016 y 2023 el precio osciló entre 35 y 56 dólares por tonelada – en el sitio de la mina. Los precios entregados pueden ser enormemente superiores en función de la distancia a la que haya que transportar la arena y del número de veces que haya que manipularla por el camino.
Propulsores de bauxita sinterizada
La bauxita en polvo puede fundirse en pequeñas perlas a temperaturas muy elevadas. Estas perlas tienen una gran resistencia al aplastamiento, lo que las hace adecuadas para su uso como agente de sostén. La gravedad específica de las perlas y su tamaño pueden ajustarse a la viscosidad del fluido de fracturación hidráulica y al tamaño de las fracturas que se espera que se desarrollen en la roca.
Los agentes de sostén fabricados ofrecen una amplia selección de tamaños de grano y gravedad específica en comparación con el agente de sostén natural conocido como arena de fracturación. La arena de fracturación se utiliza actualmente en lugar de los agentes de sostén manufacturados porque tiene una ventaja de coste y de transporte.
