O processo de desenvolvimento da produção de gás de folhelho engloba várias etapas, antes e depois do procedimento de fraturamento hidráulico. A abordagem destes passos fornece a contextualização necessária para a compreensão das normas que regem o desenvolvimento de gás de folhelho, que serão discutidas ao longo deste estudo.
Ao contrário do processo relativamente simples de perfuração convencional, a estrutura do folhelho não permite que os hidrocarbonetos fluam através de um poço vertical para a superfície a uma taxa econômica viável. Para extrair o gás que está preso nessas rochas, é necessário um processo de desenvolvimento que envolve vários estágios e pode ser considerado complexo (KANSAL, 2012).
Em primeiro lugar, o operador de gás de folhelho realiza testes sismográficos para encontrar um local promissor para a prospecção de gás, mapeando o interior das formações rochosas com o uso de ondas sonoras e reconstrução 3D para identificar a profundidade e a largura das rochas de folhelho. Esse processo pode ser conduzido pelo ar, por computação (analisando-se dados antigos) ou pelo solo (BNDES, 2013).
Tendo decidido o local, o operador constrói uma plataforma de perfuração – “estrutura metálica, semelhante àquelas observadas em plataformas de prospecção de petróleo em águas profundas, que dá sustentação a uma perfuratriz acoplada a um sistema computadorizado de direcionamento da sondagem” (SANBERG et al., 2014) - e outros equipamentos associados (NYSDEC, 2011) em um terreno nivelado e compactado, cuja área deverá ser de aproximadamente 20.000m2 (BNDES, 2013). Outra preocupação nesta fase é a infraestrutura de acesso ao local para viabilizar a logística da operação, que envolve, entre outros elementos, uma grande quantidade de caminhões e maquinário pesado (BNDES, 2013).
O próximo passo é a perfuração do poço, cujas paredes são revestidas com camadas de aço e cimento (NYSDEC, 2009) para impermeabilizá-lo. Perfuram-se verticalmente até 12 poços em direção à rocha de folhelho, situada em profundidade típica de 1,2 km a 3,6 km (BNDES, 2013). Uma vez que a perfuração atinge a profundidade onde o gás de folhelho é encontrado, geralmente ocorre a perfuração horizontal, que consiste numa técnica em que o furo exploratório, inicialmente vertical, é desviado para a horizontal quando atinge a camada de interesse, ou seja, permite que um grande comprimento do furo seja percorrido no estrato que aprisiona o gás (TAIOLI, 2013). No caso dos poços multilaterais - aqueles que apresentam ramos radiais advindos de um poço principal -, são perfuradas seções horizontais, de até 1,2 km de extensão, em diferentes direções (BNDES, 2013), de modo a maximizar a exposição ao recurso e aumentar a área de drenagem, conforme ilustra Figura 6.
Figura 6- Poços multilaterais
Fonte: Engenheiros do Petróleo, 2015
Apesar de a perfuração horizontal aumentar o acesso às formações de folhelho, ela gera um maior custo financeiro do que um poço vertical. O custo de perfuração de um poço horizontal na América do Norte é de US$ 5 a US$ 10 milhões (JOHNSON et al., 2009), embora esses valores sejam influenciados pela natureza da tecnologia necessária, pelo tempo adicional que é preciso para perfurar e, em alguns casos, pelo fraturamento hidráulico aplicado ao longo de vários dias em uma cavidade (NATIONAL ENERGY BOARD, 2009).
Durante a perfuração, o fluido chamado de flowback - também denominado água de produção, água de fraturamento (frackwater), água recuperada, solução de recuperação, água de refluxo (SANBERG et al., 2014) - geralmente flui para a superfície através do poço e tem de ser descartado juntamente com outros resíduos de perfuração, tais como as aparas de perfuração (principalmente de rocha que saem do poço) e fluidos de perfuração utilizados (NYSDC, 2011).
Depois que o poço é perfurado e o revestimento tenha sido instalado, o poço é hidraulicamente fraturado. O fraturamento hidráulico perfura a capa de concreto da seção horizontal com uma série de explosões controladas e a injeção sob alta pressão (5.000 psi) de uma mistura de água, areia e aditivos químicos (BNDES, 2013).
Alguns estudos indicam que a perfuração e o fraturamento de um único poço nos EUA exigem de 10 a 17 milhões de litros de água (US EPA, 2011d; IEA, 2011). Ainda que esses volumes sejam grandes, por si mesmos, eles são relativamente modestos em comparação ao uso da água na produção de outros recursos energéticos. Considerando, por exemplo, que um típico poço de gás de folhelho da Barnett produz aproximadamente 2,65 bilhões de pés
cúbicos de gás (75 milhões m3) ao longo de sua vida útil, a quantidade de água usada para produzir este gás é de aproximadamente 5,6 litros para cada milhão de Unidades Térmicas Britânicas (mmBtu) (US DOE, 2006). Isto representa menos de 20% do volume de água necessária para produzir 1 mmBtu de carvão já pronto para queimar numa central termelétrica, ou ainda, 0,05% da água necessária para produzir a mesma energia equivalente de etanol, conforme demonstrado na Tabela 1.
Tabela 1- Exigência de água para diferentes recursos energéticos
Recurso energético Variação de litros de água por MMBTU usados na produção de energia
Gás de folhelho – Companhia Barnett 5,56*
Gás de folhelho – Companhia CHK 2,27 – 6,81*
Gás Natural Convencional 3,79 – 11,36
Carvão (sem transporte de slurry**) Carvão (com transporte da slurry)
7,57 – 30,28 49,21 – 121,13 Biodiesel (a partir de soja irrigada) 52995,74 -283905,73 Etanol combustível (a partir de milho irrigado) 9501,38 – 110155,42
Fonte: Elaboração própria, com base em dados de IGU, 2012; CHESAPEAKE ENERGY, 2009 e US DOE, 2006 *Não inclui processamento que pode acrescentar até 7,57 litros por MMBTU.
** Slurry é um resíduo líquido derivado da lavagem do carvão. Nota: Valores foram convertidos de galões para litros.
As formulações adicionadas à água e à areia variam de acordo com as características do poço e das formações rochosas que serão fraturadas, apresentando, geralmente, concentrações muito baixas de 3 a 12 aditivos químicos (FRACFOCUS, S.D.a), com propósitos específicos.
Os redutores de fricção são um componente essencial, pois garantem que o fluido seja bombeado para a zona de alvo a uma taxa mais elevada e a uma pressão mais reduzida do que se a água fosse usada isoladamente. Substâncias biocidas são adicionadas para impedir o crescimento de microorganismos e reduzir a incrustação biológica4. Sequestradores de oxigênio e outros estabilizantes são destinados a prevenir a corrosão de metais da coluna de perfuração e dos dutos. Ácidos são utilizados para remover a lama de perfuração. O fluido de fraturamento não é apenas utilizado para criar fraturas na formação rochosa, mas também para estabilizar a luz do poço que poderia colapsar em alguns pontos e escorar as fraturas e fissuras pela areia que é carregada por ele (GWPC; ALL CONSULTING, 2009).
4 Incrustação biológica é o processo pelo qual material indesejado de origem microbiana, vegetal ou animal, ou organismos inteiros se acumulam sobre superfícies feitas pelo homem.
A Figura 7 demonstra as porcentagens volumétricas de aditivos que foram utilizados em um dos nove estágios de tratamento de fraturamento hidráulico de um poço horizontal de Fayetteville Shale, enquanto que a Tabela 2 relaciona os principais aditivos encontrados em fluidos de fraturamento, suas funções e outras utilizações.
Figura 7- Composição do fluido de fraturamento
Fonte: Adaptado de GWPC; ALL CONSULTING, 2009
É importante destacar que a concentração de cada aditivo pode variar para atender às necessidades específicas de cada área de exploração, não existindo uma formulação padrão. As empresas têm desenvolvido um número de compostos com propriedades funcionais semelhantes a serem utilizados para mesma finalidade em ambientes bem diferentes.
A diferença entre as formulações de aditivos pode ser tão pequena como uma alteração na concentração de um único aditivo. Não é incomum para determinadas formulações de fluidos serem omitidas algumas categorias de compostos se suas propriedades não são necessárias para a aplicação específica, em virtude de garantia aos segredos de propriedade industrial. Isso não é inerente apenas na atividade de fraturamento hidráulico, a maioria dos processos químicos industriais é mantida em sigilo pelas grandes corporações.
Ademais, grande parte dos processos industriais usa produtos químicos e quase todos podem ser perigosos em grandes quantidades ou se não tratados adequadamente após o uso. Para exemplicar esta questão, é possível utilizar o caso do cloro, um elemento químico que se manuseado corretamente e nas concentrações indicadas é seguro aos trabalhadores e moradores e fornece ao final água potável para a comunidade, porém em concentrações altas pode provocar riscos à saúde humana (GWPC; ALL CONSULTING, 2009). Algo
semelhante ocorre com os aditivos presentes no fluido de fraturamento, que podem ser considerados seguros se dosados nas quantidades indicadas e devidamente tratados após o uso, conforme as normas preconizadas pela indústria. Entretanto, se essas normas e indicações não forem respeitadas, os aditivos podem ser perigosos (GWPC; ALL CONSULTING, 2009).
Tabela 2- Produtos químicos utilizados no fluido de fraturamento hidráulico Componente/
Tipo de aditivo
Exemplo Propósito Outros usos
Propante (agente de sustentação)
Silica ou areia de quartzo Manter fraturas abertas Ácido Ácido clorídrico Dissolver minerais e
iniciar fratura
Produtos de limpeza Inibidor de
incrustação
Etileno-glicol Redutor de atrito
Controlado de Ferro/agentes de estabilização
Ácido cítrico ou ácido clorídrico Inibir a precipitação de compostos de ferro, mantendo-os em uma forma solúvel Alimentos
Sal Cloreto de potássio Equilíbrio osmótico ao meio
Alimentos
Biocida Glutaraldeído Elimina bactérias Desinfecção de alguns equipamentos de uso médico Prevenir a degradação do revestimento do poço Cloreto de potássio ou compostos à base de poliacrilamida
Reduzir o atrito tubular e subsequentemente reduzir a pressão necessária para bombear o fluido para o interior do poço
Farmacêutica (Cloreto de potássio)
Agente crosslinker Sais de borato Melhorar as características e capacidade dos agentes gelificantes no
transporte do material propante
Continuação
Tabela 2- Produtos químicos utilizados no fluido de fraturamento hidráulico
Componente/ Tipo de aditivo
Exemplo Propósito Outros usos
Inibidores de corrosão N, N- dimetilformami da e os eliminadores de oxigênio Prevenir a degradação do revestimento do poço Agentes gelificantes Goma xantana, hidroximetilcelu lose
Dar viscosidade a solução à base de água para ajudar no transporte do material propante
Alimentos (Goma xantana)
Surfactante Isopropanol Facilitar o fluxo de gás Produto de limpeza
Breaker Persulfato de
amônia
Evitar a quebra do polímero Indústria de papel e têxtil.
Descontaminação da água.
Fonte: Elaboração própria com dados de GWPC; ALL CONSULTING, 2009
O fluido de fraturamento fratura a rocha e cria passagens através das quais o gás natural, previamente preso na rocha de folhelho, pode agora fluir e ser conduzido para a superfície (NYSDEC, 2011). Nem todo o poço é fraturado de uma só vez, mas sim em etapas de alguns metros de cada vez (NYSDEC, 2011). Essa etapa dura, em geral, entre três e dez dias.
Normalmente, parte da solução que é injetada dentro da cavidade retorna à superfície; este fluido recuperado deve também ser tratado e eliminado (NYSDEC, 2011). O operador instala equipamentos na cabeça do poço para controlar e operar a planta. A Figura 8 apresenta um diagrama que ilustra alguns aspectos do processo de desenvolvimento de gás de folhelho, focando o fraturamento hidráulico.
Figura 8- Processo de desenvolvimento da produção de gás de folhelho
Fonte: PROPUBLICA. Gráfico de AL GRANBERG, adaptado por BNDES, 2013