Optimización del nexo agua-energía en los procesos de fractura hidráulica

Abstract

Hydraulic fracturing or fracking is a technique for extracting gas and oil from unconventional reservoirs, generally shale formations. However, the demand for water to carry out the fracture is enormous and involves problems associated with water consumption and pollution. In the present work, it is proposed to use CO2 as fracture fluid, coming from a power plant, to replace the water partially or even totally since the properties of CO2 in its supercritical state are very similar to those of water, besides CO2 allows three-dimensional fractures, which facilitate the release of shale gas. On the other hand, the use of CO2 as fracture fluid represents an increase in the process costs because the CO2 provided by the power plant must be in a supercritical state which is done by an adsorption plant. Undoubtedly, the economic part has a lot of weight in this type of decision, so the objective function is to minimize the total annual cost. This paper proposes to develop a mathematical programming formulation based on a superstructure to synthesize water and CO2 networks associated with shale gas hydraulic fracturing, water treatment and disposal, CO2 capture and adsorption operations, while accounting for the uncertainty of the system and the environmental aspects in the decision of the location of the wells. The proposed formulation entails a strategic planning that minimizes the cost considering the requirements of water, generation and capture of CO2, as well as the capacity of the equipment for treatment technologies, transportation, storage and disposal units. The key uncertainties are related to the use of water and CO2 for fracture and the return of flowback water based on time.

La fractura hidráulica o fracking es una técnica para la extracción de gas y petróleo de yacimientos no convencionales, generalmente de formaciones de esquistos (shale). Sin embargo, la demanda de agua para realizar la fractura es enorme y conlleva problemas asociados al consumo y contaminación de agua. En el presente trabajo se propone usar el CO2 proveniente de una planta de potencia para suplir parcial o totalmente al agua como fluido de fractura, ya que las propiedades del CO2 en su estado supercrítico son muy similares a las del agua y permiten fracturas tridimensionales, las cuales facilitan la liberación del gas shale. Por otra parte, el uso de CO2 como fluido de fractura representa un incremento en los costos del proceso debido a que el CO2 proveniente de una planta de potencia se tiene que llevar al estado supercrítico en una planta de adsorción. Sin duda, la parte económica tiene mucho peso en este tipo de decisiones, por lo que la función objetivo es minimizar el costo total anual. El presente trabajo propone desarrollar una formulación de programación matemática basada en una superestructura para sintetizar redes de agua y CO2 asociadas con operaciones de fracturación hidráulica de gas shale, tratamiento y disposición del agua, captura y adsorción de CO2, mientras se tiene en cuenta la incertidumbre del sistema y los aspectos ambientales en la decisión de la localización de los pozos. La formulación propuesta conlleva una planificación estratégica que minimiza el costo considerando los requisitos de agua, generación y captación del CO2, así como la capacidad de los equipos para tecnologías de tratamiento, transportación, unidades de almacenamiento y disposición. Las incertidumbres claves están relacionadas con el uso de agua y CO2 para la fracturación y el retorno del agua de reflujo basado en el tiempo.