Environmental risks associated with flowback and produced waters in shale gas projects

Lanting, Ma (2018). Environmental risks associated with flowback and produced waters in shale gas projects. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51678.

Descripción

Título: Environmental risks associated with flowback and produced waters in shale gas projects
Autor/es:
  • Lanting, Ma
Director/es:
  • Llamas Borrajo, Juan Francisco
  • Hurtado Bezos, Antonio
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Departamento: Energía y Combustibles
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La fracturación hidráulica, junto con el desarrollo de sondeos horizontales, constituye una tecnología diseñada para incrementar el flujo de gas natural y mejorar la productividad en las formaciones geológicas de baja permeabilidad. Durante estas operaciones, importantes volúmenes de agua, aguas de retorno o flowback más aguas de producción, que contienen una serie de compuestos orgánicos regresan a la superficie con un riesgo potencial de generar impactos negativos en el medioambiente y la salud humana. Para evaluar de manera predictiva el impacto potencial de dichos compuestos a lo largo de todo el proceso de transporte, así como sus cambios de concentración, resulta necesario disponer de modelos matemáticos que puedan ser aplicados en todo el ciclo de vida operacional de fracturación hidráulica. Con el fin de cubrir esta necesidad, a partir de datos de concentración procedentes de operaciones de explotación de Gas No Convencional, se ha desarrollado un modelo predictivo global que permite cuantificar y establecer la evolución de la concentración de los compuestos orgánicos mediante un modelo dinámico de transporte de materia orgánica de doble velocidad, lenta y rápida. Para la parte rápida del proceso se ha hecho uso de ajustes matemáticos inversos de datos de flowback procedentes de la zona de explotación de gas no convencional de Marcellus, en la cuenca de los Apalaches (EEUU), para poder estimar los coeficientes de transporte, habiéndose obtenido unos elevados coeficientes de determinación (R2) para los ajustes. La falta de datos experimentales ha imposibilitado su aplicación a la determinación de los parámetros asociados a la parte lenta del modelo. En este caso las concentraciones han sido estimadas mediante la simulación de Monte-Carlo haciendo uso de modelos teóricos. Los resultados muestran que a mayor valor del coeficiente de reparto de carbono orgánico (koc) de los compuestos, más tarde se alcanza la máxima concentración en agua. Además, el porcentaje máximo de concentración alcanzaría hasta el 90% de la concentración inicial disponible en la formación pizarrosa de darse el tiempo necesario para ello. Además se ha determinado la evolución temporal de los volúmenes de agua de flowback y de producción que, junto con la evolución de las concentraciones, ha permitido determinar la evolución de las concentraciones de contaminantes en los depósitos de almacenamiento de las aguas residuales. Todo ello tanto para valores medios como para extremos superiores de intervalos de confianza para niveles del 68 y/o 95%. Finalmente se ha llevado a cabo una estimación de la contaminación a la que daría lugar un vertido desde los tanques de almacenamiento. Para ello se ha usado una aproximación analítica, adecuada para cálculos posteriores probabilistas de riesgo, que permite obtener tanto la concentración en la zona vadosa como la cantidad de contaminante que se transferiría a los compartimentos ambientales de aguas subterráneas y atmosfera. En resumen, se trata de un modelo que puede contribuir significativamente a mejorar las técnicas de los procesos de exploración y explotación no convencional de pizarras para la extracción de gas al aumentar los beneficios derivados de la optimización de la evaluación del riesgo tanto para los residentes locales como no locales, así como para brindar experiencia a futuras operaciones. ----------ABSTRACT---------- The sum of hydraulic fracturing and horizontal wells means a technology designed to increase natural gas flow and to improve productivity in a low permeability geological formation. During this drilling operation, tons of flowback and produced water that contains several organic compounds return to the surface with a potential risk of influencing the surrounding environment and human health. A mathematical model is urgently needed to evaluate predictively the concentration evolution of organic compounds along the water transportation process throughout the whole hydraulic fracturing operational life cycle. A comprehensive predictive model, which fits the experimental data, combining an Organic Matter Transport Dynamic Model with a Two-Compartment First-order Rate Constant (TFRC) Model, has been established to quantify the organic compounds concentration. This model is composed of two transportation rates, fast and slow. For the fast part, the curve fitting technique is used to assess transport coefficients using flowback water data derived from the Marcellus Shale gas fracturing site (Appalachian Basin). The coefficients of determination (R2) of all analyzed compounds demonstrate a high experimental feasibility of this inverse adjustment method. This technique has not been yet used to obtain the parameters associated with slow rate transport due to the lack of experimental data. In this case the concentrations have been estimated by Monte-Carlo simulation using theoretical models. The results show that the higher the value of the organic carbon partition coefficient (koc) in chemicals, the later the maximum concentration in water will be reached, and the maximum concentration percentage would reach up to 90% of the initial slow available concentration within a long sufficient period. In addition, it has been determined the temporal evolution of volumes of flowback and produced water, which, together with the evolution of concentrations, has allowed to determine the evolution of concentrations of pollutants in the storage tanks of the waste waters. All this for both average values and upper confidence bound of the confidence interval at the 68% and/or 95% confidence level. Finally an estimation of the contamination which would give rise to a discharge from the storage tanks was carried out. For this purpose an analytical approach has been used, suitable for subsequent probabilistic assessments of risk, which allows obtaining both the concentration in the vadose zone and the amount of pollutant that would be transferred to the groundwater and atmosphere environmental compartments. To sum up, this is a model which would make a significant contribution to enhance Unconventional Shale Gas prospecting-mining processes through increasing benefits out of optimizing health risk assessment and of providing experience to further operations.

Proyectos asociados

TipoCódigoAcrónimoResponsableTítulo
Gobierno de EspañaCTM2014-59828-RSin especificarSin especificarSeguridad en un proyecto de extracción de gas de esquisto

Más información

ID de Registro: 51678
Identificador DC: http://oa.upm.es/51678/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:51678
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.51678
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 11 Sep 2018 05:07
Ultima Modificación: 11 Sep 2018 05:07
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