Estudio Fracturación de Pozos para Extracción de Gas

Corporación Mexicana de Investigación en
Materiales, S.A. de C.V.
1
FRACTURACIÓN DE
POZOS PARA
EXTRACCIÓN DE GAS
11FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
CONTENIDO
DESCRIPCIÓN
PÁGINA
I
INTRODUCCIÓN
3
II.
ALCANCE, OBJETIVOS Y METODO DE BUSQUEDA
4
III.
PANORAMA MUNDIAL
5
IV.
ESTADO DEL ARTE
20
V.
PATENTES
28
V.
MEGATENDENCIAS
39
VI.
CONCLUSIONES
41
BIBLIOGRAFÌA
42
ANEXO A.- Matriz de Patentes
2
22FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
I. INTRODUCCIÓN
Dentro de los recursos energéticos derivados de combustibles fósiles, el gas
natural es la fuente de energía más limpia, se caracteriza por tener una baja emisión de
gases de efecto invernadero y su nula generación de desechos peligrosos. El avance en
las tecnologías de extracción y su reducción en costos, han dado la posibilidad de
experimentar para la obtención de nuevos recursos de gas natural: gas de baja
permeabilidad (tight gas), gas de esquisto o gas Pizarra (shale gas) y gas metano de
carbón (coal bed methane).
El gas natural es obtenido de yacimientos convencionales o no convencionales, la
diferencia radica en la estructura geológica de los yacimientos y la manera en que se
realiza la extracción.
Para la extracción del gas natural de yacimientos convencionales son utilizadas
tecnologías ―tradicionales‖ de perforaciones verticales, debido a que el gas se encuentra
en rocas de alta permeabilidad y en alta presión, por lo que durante la perforación sale por
sí mismo a la superficie de la tierra, siendo una extracción fácil y barata. La mayor parte
del gas producido actualmente en el mundo proviene de yacimientos convencionales,
siendo los líderes Rusia, Estados Unidos y Canadá, se prospecta que los yacimientos
mundiales de gas natural podrán satisfacer la demanda actual hasta por los próximos 60
años y explorando los yacimientos no convencionales, este período se puede extender
hasta por unos 250 años, según la Agencia Internacional de Energía de Polonia.
En cuanto a la extracción de gas natural de yacimientos no convencionales, se encuentra
la de Gas de esquisto (shale gas), también conocido como gas de pizarra o lutita, que se
encuentra atrapado bajo la superficie a profundidades de mil a cinco mil metros, en
sedimentos de roca abundantes en esquisto y otros materiales orgánicos, estas rocas se
caracterizan por su baja permeabilidad, es por eso que requiere métodos de extracción
más compuestos y técnicamente más avanzados. Su composición se parece a la del gas
natural proveniente de yacimientos convencionales, contiene metano (75-95%) y
nitrógeno y a veces también pocas cantidades de etano, propano, de gases nobles,
oxígeno y óxido de carbono.
La extracción de gas esquisto (shale gas) es mediante la técnica de fracturación hidráulica
(Fracking), la cual consiste en generar grietas en el subsuelo a grandes profundidades, en
donde el gas se encuentra atrapado, logrando la fracturación de la roca madre (pizarras y
esquistos) para liberar el gas, dichas fracturas se realizan mediante explosivos o bien
3
33FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
mediante la inyección a alta presión de medios líquidos hidráulicos, utilizando
principalmente agua con arena y una serie de aditivos químicos.
Lo característico de los yacimientos no convencionales de gas es que se encuentran
localizados en extensas cuencas geológicas, ocupando cientos o hasta miles de
kilómetros cuadrados, representando una importante reserva energética en el mundo,
incluso superando a los yacimientos convencionales.
A nivel mundial se han puesto de manifiesto algunos impactos socio-ambientales de la
explotación del gas esquisto (shale gas), destacando principalmente los siguientes:
4

Impacto en el abastecimiento de recursos naturales como el agua, ya que ésta es
requerida en grandes cantidades en la aplicación de la técnica de fracturación
hidráulica, siendo que para un solo pozo es utilizado de 9 a 29 millones de litros de
agua.

Debido al empleo de agentes químicos que se ponen en contacto con el subsuelo
se tiene un gran impacto ambiental.
44FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
5
55FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
II. ALCANCE Y OBJETIVOS
ALCANCE
El presente documento está enfocado a los medios y tecnologías de fracturación de pozos
para la extracción de gas en yacimientos no convencionales, donde se muestra en forma
general los puntos principales de las invenciones o desarrollos tecnológicos.
OBJETIVOS

Conocer el estado que guarda el tema de fracturación en el mundo.

Identificar los principales elementos que impactan al tema de fracturación.

Analizar el enfoque tecnológico del tema.
METODO DE BÚSQUEDA
Como parte de las estrategias de búsqueda utilizadas para el desarrollo del Estudio, se
plantearon varias opciones con la finalidad de rastrear el mayor número de documentos
relevantes para el tema, considerando las siguientes:

Búsqueda por palabras clave (descriptores).
o

Búsqueda por el Clasificador Internacional de Patentes.
o
o
o
o
o

6
FRACTURE, GAS, HYDRAULIC, EXPLOSIVE, FRACKING
E21B-043/26 – PROCEDIMIENTOS PARA ACTIVAR LA PRODUCCIÓN,
POR FORMACIÓN DE GRIETAS O FRACTURAS
E21B-043/263 – UTILIZANDO EXPLOSIVOS
E21B-043/267
–
MANTENIENDO
LAS
FRACTURAS
POR
ENTIBAMIENTO
E21B-043/27 – MEDIANTE EL EMPLEO DE PRODUCTOS QUÍMICOS
EROSIVOS
C09K-062 – COMPOSICIONES PARA FORMAS HENDIDURAS O
FRACTURAS
Período de la búsqueda:
2000 a la Fecha
66FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
III. PANORAMA MUNDIAL
En Texas, a inicios de siglo, se descubrió la posibilidad de extraer gas de las rocas
sólidas, mediante la aplicación de arena y agua a presión. De acuerdo con la Agencia
Internacional de Energía (International Energy Agency IEA por sus siglas en inglés), el
volumen de gas no convencional es cercano al 50% de los recursos de gas a nivel global.
Los recursos técnicamente recuperables de gas esquito (Shale gas), la gran cantidad de
yacimientos alrededor del mundo y el potencial de extracción, colocan a este tipo de gas
como una prospectiva de gran interés para el mercado internacional.
La Figura 3.1 ilustra la localización de los yacimientos de Shale gas en el mundo (no
incluye información gráfica de Rusia), las cantidades estimadas postulan a China como el
principal país con reservas de gas con un aproximado de 36 tcm, trillones de metros³
(trillion cubic meters, tcm por sus siglas en inglés), en segundo lugar a Estados Unidos
con 24 tcm, seguido de Argentina con 22 tcm y en cuarto lugar a México con 20 tcm.
Fig. 3.1. Recursos Técnicamente Recuperables a nivel mundial. (1)
7
77FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
Las ventajas del Shale gas radican en, según predicciones de expertos, que es
abundante, barato y más limpio al ser quemado, en comparación con el resto de los
combustibles fósiles. Se considera que derivado de dichos yacimientos, los países
importadores de gas pueden transformarse en países exportadores, cubriendo sus
propias necesidades de consumo e inclusive planeando sus posibles clientes a nivel
mundial. (2)
Para el 2018 el panorama mundial de importaciones y exportaciones contemplando el gas
natural por tubería (pipeline) y el gas natural líquido (LNG por sus siglas en inglés) y los
niveles de importaciones/exportaciones según cada región, postulan a Norte América
(Canadá, Estados Unidos y México) con la mayor demanda solventada por sus niveles de
producción interna, permitiendo exportaciones de LNG; en la misma zona se observan
importaciones principalmente pertenecientes a México, actualmente Estados Unidos
importa desde Canadá pero al estar en la misma región no se contabiliza, ver Figura 3.2
(3)
Fig. 3.2. Mercado interregional de gas natural para el 2018 (bcm). (3)
Zonas como Europa cuentan con una demanda superior a sus niveles de producción
doméstica, lo cual conlleva niveles de importación elevados principalmente mediante gas
por tubería. Rusia se presenta como el mayor exportador mediante tubería esto
proveniente de sus altos niveles de producción doméstica, los cuales sobrepasan la
demanda requerida.
8
88FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
Zonas asiáticas presentan el mismo comportamiento que zonas europeas, presentando
niveles altos de importaciones provocado por la demanda presente, Latinoamérica y
Sudáfrica presentan los menores niveles en demanda, más la producción doméstica de
Sudáfrica es mayor, lo cual permite un mayor flujo de exportación.
Los flujos de gas natural líquido (LNG) son representados en la Figura 3.3, donde se
describen los niveles de importaciones/exportaciones en el mundo al 2012, año en el que
la región Asia-Oceanía presenta números a gran escala con un total de 226 bcm (billones
de metros³, bcm por sus siglas en inglés) esto asociado por la problemática existente en
la reactivación de plantas nucleares. (3)
Fig. 3.3. Flujo de gas natural líquido (LNG) en 2012. (3)
Desarrollando una comparativa con respecto al año 2011 se definen los siguientes puntos
de interés:
 La demanda de crecimiento de Corea disminuyó y sus importaciones
decrecieron en un 1%.
 China incremento sus importaciones un 22% (20bcm).
 India incrementó en 18 bcm sus importaciones.
 Europa mantiene el segundo lugar del mercado de importaciones con 66
bcm, en donde España se presenta como el principal importador con 19
bcm.
9
99FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
Expediente 387
 La región de América redujo sus importaciones un 24% de donde se
informa que:
o
o
o
o
Estados Unidos redujo sus importaciones por debajo del 50% a
5bcm y un 0.5 bcm es reexportado.
Canadá redujo un 50%.
México incremento un 0.9 con respecto al 2011.
El resto de Latinoamérica incremente sus importaciones casi al
50% con un total de 11bcm.
Para realizar una comparativa con respecto al 2011, como se menciona en los puntos
anteriores, se presenta la figura 3.4 la cual contempla el mercado internacional de gas por
tubería y LGN del 2011 según ―Statistical Review of World Energy (June 2011)‖.
Fig. 3.4. Flujo de gas por tubería y LNG en 2011. (2)
Tomando para análisis la región de Norte América principalmente Estados Unidos, se
presenta un cambio en el flujo de gas por tubería, reduciendo las importaciones,
principalmente de Canadá y solo una pequeña parte de México por otro lado
incrementando las exportaciones para con ellos, cambiando el flujo del mercado no solo a
nivel región sino impactando a nivel mundial. (3)
10
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1010
Expediente 387
La gráfica 3.5 ilustra la tendencia de EU respecto a importaciones y exportaciones del
2007 al 2012, en donde se puede observar la situación que se ha presentado con México,
mostrando una disminución progresiva en las exportaciones que hacía a EU, y a partir del
2010 incrementando las importaciones, pasando en el 2011, de importador/exportador a
solo importador.
Fig. 3.5. Importaciones y exportaciones de Estados Unidos 2007-2012. (3)
Con los yacimientos de Shale gas en Texas se logró un incremento de casi 100 bcm de
producción del 2007-2012; aunado a este yacimiento se cuentan con los de Eagle Ford,
Marcellus y Utica, lo cual postula a Estados Unidos como un sólido exportador de gas a
nivel mundial, siendo autosuficiente e importando únicamente un 1% para el 2035, ver
Figura 3.6, esto mediante una inversión en tecnologías de procesamiento del gas natural
para lograr exportaciones de Shale gas en forma de LNG. (2)
11
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1111
Expediente 387
Fig. 3.6. Proyección de la red de importaciones de Estados Unidos. (2)
El Shale gas se proyecta como el principal suministro de gas natural para lograr la
reducción de la red de importaciones de EU, el cual presenta un crecimiento del 113%
desde el 2011 al 2040 derivado de un 34% en 2011 a un 50% en 2040 de las fuentes de
gas natural para el país. (Ver figura 3.7) (4)
Fig. 3.7. Fuentes de producción de gas natural de EU. (4)
12
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1212
Expediente 387
México cuenta con un excelente potencial para desarrollar sus yacimientos de Shale gas,
PEMEX ha identificado al menos 200 puntos con oportunidades de extracción en el este
de México, Figura 3.8., los cuales se identifican de la siguiente manera:
1. Cuenca de Burgos (era Cretácea).
2. Región Sabinas-Burro-Picachos (era cretácea).
3. Cuenca de Tampico (era jurásica).
4. Plataforma de Tuxpan (era cretácea)
5. Cuenca de Veracruz (era sin especificar).
Para 2011 los niveles de recursos de Shale gas en México son 10% menores a previos
estudios (19.28 Tcm a 17.6 Tcm). (5)
Fig. 3.8. Áreas identificadas en México. (5)
Los detalles de cada zona se mencionan a continuación.
13
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1313
Expediente 387
1. Cuenca de Burgos
Localizada al noreste de México en el estado de Coahuila, Nuevo León y Tamaulipas
con una extensión aproximada de 44,800 km², donde se identifican en la Figura 3.9 zonas
en color amarillo y rojo con profundidades de 1 a 5 km, el territorio que también es parte
de la cuenca de Burgos excluido de estas zonas son yacimientos en los cuales el Shale
gas está a más de 5 km de profundidad.
Esta zona tiene contacto con Eagle Ford, zona de extracción de Shale gas perteneciente
a EU, de donde se tiene una prospectiva de extracción de 9.7 Tcm de este gas.
El primer descubrimiento de Shale gas en la cuenca de Burgos fue realizada por Pemex
en 2010, por medio del pozo denominado Emergente-1. La perspectiva de PEMEX es la
perforación de más de 75 pozos de exploración a lo largo de la Cuenca de Burgos para el
2015.
Fig. 3.9. Cuenca de Burgos. (5)
14
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1414
Expediente 387
2. La Cuenca de Sabinas
Cuenta con un área de 92,463 km² en la parte noreste del país, mas solo una parte
está contemplada para la extracción de Shale gas, ver Figura 3.10. Los estados que
abarcan esta zona son Coahuila y Nuevo León, en dicha zona se encuentra un pozo de
extracción de PEMEX denominado Peyotes – Picachos.
Existen dos puntos principales para la extracción de Shale gas en la Cuenca de Sabinas,
―Eagle Ford Shale‖ con un estimado de 2.83 Tcm técnicamente recuperables. El segundo
es ―La casita Formation‖ con un estimado de 0.45 Tcm
Fig. 3.10. Cuenca de Sabinas. (5)
15
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1515
Expediente 387
3. Cuenca de Tampico
Ubicada en los territorios de Tamaulipas, San Luis Potosí, Hidalgo, Puebla y Veracruz,
Figura 3.11, conocida como una zona petrolera, los yacimientos de Shale gas se
encuentran a una profundidad aproximada de 1400 – 3000 m.
El principal yacimiento de este gas se encuentra en ―Pimienta Shale‖ con una extensión
territorial de 35,224z km², alrededor de esta zona se identifican cerca de 50 pozos de
extracción convencional. Los recursos de Shale gas de esta zona están en promedio de
4.27 Tcm únicamente de Shale gas, actualmente PEMEX desarrolla evaluaciones
referente al terreno de la Cuenca de Tampico y planea la perforación de 80 pozos de
exploración en 2015.
Fig. 3.11. Cuenca de Tampico. (5)
16
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1616
Expediente 387
4. Plataforma de Tuxpan
Localizada al sureste de la Cuenca de Tampico, cuenta con yacimientos de las épocas
cretácea y jurásica, con las zonas nombradas como ―Tamaulipas Fm‖ y ―Pimienta Fm‖
respectivamente. Tamaulipas Fm presenta un rango de profundidad de 2.4 km con un
prospectiva de 0.028 Tcm de Shale gas recuperable en la zona, mientras que Pimienta
Fm con un área aproximada de 2590 km² (muy similar a Pimienta Fm).
Actualmente en esta zona no se tienen actividades registradas por parte de PEMEX para
la explotación de este gas. Esta zona se caracteriza principalmente por la obtención de
petróleo como lo muestra la figura 3.12.
Fig. 3.12. Plataforma de Tuxpan. (5)
17
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1717
Expediente 387
5. Cuenca de Veracruz
Cuenta con una extensión de 23388 km² a lo largo del estado de Veracruz, ver Figura
3.13 y ocupando una parte de Oaxaca, dicha zona cuenta con una prospectiva incierta en
cuestión de cantidades; PEMEX planea desarrollar la perforación de 10 pozos de
exploración en los próximos 3 años (2014-2016). (5)
a)
b)
Fig. 3.13. a) Cuenca de Veracruz b) Distribución de las zonas de extracción en
México. (5)
Para un desarrollo completo de este proyecto, es necesario tomar en cuenta las
capacidades que se poseen en México y la proyección que se tiene para el
aprovechamiento de los recursos. El crecimiento de la red de gaseoductos en México
(ver Figura 3.14) se perfila como un punto de inversión y crecimiento en donde según
datos de la SENER (Secretaría de Energía) y CRE (Comisión Reguladora de Energía) el
mayor crecimiento se presentara del 2010 al 2017 con un incremento del 5%. (6)
18
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1818
Expediente 387
Fig. 3.14. Crecimiento de la red de gaseoductos (Km). (6)
Actualmente los niveles en la demanda de gas natural de México están incrementando
año con año, debido a que los niveles de producción del país no son los suficientes para
cubrir dicha demanda, las importaciones se hacen presentes principalmente provenientes
de EU, dichos niveles de importaciones pueden ser cubiertos mediante la correcta
extracción del Shale gas. La prospectiva del país para 2018, ver Figura 3.15, es alcanzar
la autosuficiencia, para eliminar la dependencia de las importaciones de gas. Mientras
EU nos vislumbra como consumidores frecuentes, la prospectiva de demanda para el
2018 con respecto al 2012 presentará un aumento del 44%, esto implicaría un incremento
en las importaciones, sin embargo, la cobertura de la demanda empleando el Shale gas
se prospecta que tenga inicio para el 2015 y su desarrollo incrementaría paulatinamente
hasta el 2026 para lograr cubrir la demanda interna y crear el suministro suficiente para
almacenaje o bien posibilidad de exportación. (6)
Fig. 3.15. Prospectiva de gas natural para México (mmpcd). (6)
19
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
1919
Expediente 387
Pese a la anterior la prospectiva de la diminución y eliminación de las importaciones del
gas, se considera que presenta una dificultad debido, principalmente, por los precios del
gas que maneja EU, la falta de infraestructura y el rezago tecnológico en el tema por parte
de México, por lo cual según la gráfica 3.16 se plantea un incremento en las
exportaciones a partir del año 2018 (anteriormente manejado como el punto de
autosuficiencia) pero las importaciones de LNG y gas por tubería se mantendrían
constantes.
Fig. 3.16. Importaciones – exportaciones de gas natural para México (mmpcd). (6)
20
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2020
Expediente 387
IV. ESTADO DEL ARTE
El energético natural de origen fósil conocido como gas natural comúnmente se
encuentra en el subsuelo de manera asociada con otros energéticos en el mismo
yacimiento como con el petróleo, o bien no asociado cuando está acompañado
únicamente de pequeñas cantidades de otros hidrocarburos. El gas natural se encuentra
atrapado entre las porosidades de las rocas subterráneas (Figura 4.1), donde mientras
más porosa sea el tipo de roca mayor cantidad de gas almacenado tendrá, dentro de
estos tipos de roca se encuentra la arena, roca caliza o dolomita, dichas rocas se
almacenan dentro de capas impermeables de roca, las cuales forman bolsas de
almacenamiento del gas (7), las cuales se buscará liberar por medio de la extracción.
Figura 4.1. Porosidades donde se almacena el gas natural. (7)
Otro factor que influye en la extracción del gas es el nivel de porosidad de la roca que
contiene el gas natural y el factor de permeabilidad (Figura 4.2) definido por la alineación
de los poros de las rocas y su interconectabilidad, lo cual permite el flujo del gas natural
con relativa facilidad.
Figura 4.2. Permeabilidad de las rocas donde se almacena el gas natural. (7)
21
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2121
Expediente 387
Según los términos anteriormente definidos, las explotaciones de yacimientos de gas
natural pueden definirse en dos tipos principalmente.
22
 Explotaciones convencionales
 Explotaciones no convencionales
En este tipo de explotaciones las rocas
son altamente porosas, por lo cual al
perforar la capa impermeable donde se
localiza encerrado el gas natural, dicho
gas sale por el pozo hasta la
superficie. Este tipo de extracción ha
sido el método de extracción por
excelencia. (7)
Cuando las rocas que contienen el gas
natural son poco porosas y de menor
permeabilidad como lo son arenas
compactas, lechos de carbón y pizarra, se
requieren técnicas más complejas y
agresivas con el subsuelo y medio
ambiente. De las anteriores el gas obtenido
de la pizarra tiene niveles de producción
muy bajos y altos costos puesto que es
prácticamente impermeable, debido a esto
técnicas como la fracturación de pozos y
la perforación horizontal son empleadas
para obtener la mayor cantidad de gas
contenido en las rocas poco porosas. (7)
Figura 4.3. Ejemplo de explotación
convencional
Figura 4.4. Ejemplo de explotación no
convencional. (7)
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2222
Expediente 387
A continuación se presenta una descripción general del método de extracción del shale
gas (gas esquisto) mediante la técnica de fracturación hidráulica –Fracking.

Fracturación hidráulica (Fracking)
La fracturación hidráulica de pozos es un método diseñado y empleado para la obtención
y aprovechamiento del gas atrapado en las rocas del subsuelo en zonas muy profundas,
en donde las propiedades del mismo no son óptimas para la recuperación del gas por
medios convencionales, el primer paso a desarrollar es el estudio de la zona para
determinar las prospectivas de recuperación del área, después de analizar dicha
información y definir la pertinencia de la extracción, se procede con la perforación en
primera instancia de manera vertical (como los medios convencionales) posteriormente
alcanzada la profundidad en donde se encuentra el Shale gas atrapado se procede con la
perforación horizontal como se ilustra en la Figura 4.5.
Figura 4.5. Esquema de fracturación de pozos. (8)
Teniendo lista la perforación horizontal se emplean explosivos para generar grietas o
fracturas en el subsuelo, posteriormente mediante la inyección de un fluido a una presión
muy elevada, similar a la presión que existe debajo del mar a una profundidad entre 3450
23
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2323
Expediente 387
y 6900 mts., (oscila entre 34 y 690 atmósferas). Por lo general el fluido inyectado está
compuesto en un 98% aproximadamente por agua y arena (como agente de
apuntalamiento) y un 2% por productos químicos. (7)
La arena que esta mezclada con el fluido inyectado a presión tiene como objetivo principal
extender y mantener las grietas abiertas para que el gas pueda emplear estos canales
como camino hacia la superficie y lograr su recolección, Figura 4.6. (8).
Figura 4.6. Efecto de la arena en las
fracturas. (7)
Las funciones de los químicos empleados son:





Distribución homogénea del agente de apuntalamiento (arena).
Facilitación del retroceso del fluido.
Inhibición de la corrosión
Limpieza de los orificios y tubos.
Antioxidante, biocida, bactericida.
Los insumos necesarios para llevar a cabo una fracturación son elevados, por ejemplo,
para una plataforma de 6 pozos con 2 km de profundidad y 1.2 km de recorrido en
perforación horizontal se requiere entre 21000 a 93600 toneladas de agua. En la Figura
4.7 se muestra los consumos mínimos y máximos (7)
24
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2424
Expediente 387
Toneladas
100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
Consumo de Agua para
fracturación
Incremento mínimo de
consumo en proceso
completo
Incremento Maximo de
consumo en proceso
completo
Min
21000
Incremento mínimo de consumo en
proceso completo
23100
Max
72000
79200
Consumo de Agua para fracturación
Incremento Maximo de consumo
en proceso completo
27300
93600
Figura 4.7. Toneladas de agua para fracturación de pozos. (7)
De acuerdo a los datos anteriores, se podría considerar en forma general que el mínimo
consumo de agua para llevar a cabo el proceso de fracturación de un pozo es de 21,000
toneladas.
Sin embargo según la ―International Gas Union‖ en su reporte del 2012 refleja que el
consumo de agua para la producción de energía mediante el Shale gas tiene como
promedio 5 litros por cada MMBTU (medida en MMBTU, British Thermal Unit BTU por sus
siglas en inglés) en comparativa con fuentes como petróleo que se ubica en los 55 litros
en promedio y los bio-energéticos que se ubican en por encima de los 9500 litros por
MMBTU, ver Figura 4.8. (9)
25
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2525
Expediente 387
Figura 4.8. Rangos de litros de agua empleados por MMBTU de energía producidos. (9)
El agua es la llave de entrada para la extracción del Shale gas, tomando en cuenta los
altos consumos de agua para la estimulación de un pozo, aproximadamente 11 millones
de litros. Derivado de lo anterior y con la finalidad de determinar si este consumo es alto,
se presenta un comparativo de consumo de agua para distintos sectores, elaborado en el
año 2011, en donde a esa fecha se tenía registros de 17,000 pozos de perforación
horizontal para la extracción del Shale gas, el cual se muestra en la Figura 4.9. (9)
Figura 4.9. Porcentaje de agua empleado en distintos sectores. (9)
26
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2626
Expediente 387
Los pozos de extracción de gas se dividen en 3 etapas, la construcción, perforación y
puesta en marcha, en donde la fracturación hidráulica ya está en trabajo, cada etapa
conlleva ciertos costos como lo ilustra la Figura 4.10 que representa un desglose
aproximado de los costos del desarrollo de 4 pozos, dicho estudio fue elaborado por el
grupo Deloitte en 2012, y donde se demuestra que el agua es el principal gasto en la
etapa de fracturación, mas no es el mayor gasto de todo el desarrollo del pozo de
extracción. (1)
USD
Figura 4.10. Desglose de costos para 4 pozos de extracción. (1)
Los productos químicos empleados representan aproximadamente el 2% del total de la
mezcla empleada en el proceso de fracturación, lo cual indica que aproximadamente entre
1500 y 4300 toneladas de productos químicos son inyectados al subsuelo, de los cuales
solo se logra recuperar del 15 al 80% del fluido inyectado, generando con esto un
problema ambiental para las zonas en donde se localizan los pozos a fracturar. Sin
embargo otros estudios mencionan que del total de la mezcla solo el 0.5% es sobre
contenidos químicos. Algunos de los compuestos químicos más representativos son
mostrados en la Figura 4.11
27
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2727
Expediente 387
Figura 4.11. Agentes químicos empleados para el proceso de fracturación. (9)
El principio de funcionamiento de las plantas de extracción de los pozos es reciclar el
agua llevándola a tratamiento para eliminar los residuos químicos y volver a emplearla en
el proceso. Se estima que el tiempo de vida de los pozos es aproximado a 7 años con una
baja en la producción a partir del año 5, al abandonar el pozo se procede a desmantelar la
planta y el sellado de los pozos, quedando residuos y químicos almacenados en el
mismo. (7)
28
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2828
Expediente 387
V. PATENTES
5.1 CLASIFICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA
5.1.1 POR LA CLASIFICACIÓN INTERNACIONAL DE PATENTES
Derivado de la búsqueda realizada en documentos de patente, se identificaron las
clasificaciones en las que se están llevando a cabo desarrollos en referencia del tema de
Fracturación de Pozos para extracción de gas, siendo que de un total de 776 documentos
de patentes se identificaron en los siguientes 6 grupos principales de desarrollos, su
proporción en porcentaje se muestra en la Figura 5.1.1. En el Anexo A se incluye la
matriz de patentes.






E21B.- Perforación del suelo o roca para extracción de gas.
C09K.- Sustancias químicas.
C04B.- Cementos, hormigón, piedra artificial. Materiales para construcción.
G01V.- Metrología y detección de objetos.
G06F.- Tratamiento de datos.
F04F.- Bombeo de fluidos.
3%
2%
2% 1%
E21B
C09K
21%
C04B
G01V
G06F
F04F
71%
Figura 5.1.1.- Clasificación de patentes.

E21B.- Perforación del suelo o roca para extracción del gas.
Grupo que incluye todas aquellas patentes referentes al proceso de perforación tales
como los dispositivos empleados o bien los métodos usados para optimizar el proceso de
perforación o fracturación. Los elementos que integran el proceso catalogados como
equipo de trabajo son considerados en esta categoría.
29
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
2929
Expediente 387

C09K.- Sustancias químicas
Las sustancias químicas son empleadas en la mezcla del fluido apuntalante
principalmente con el objetivo de propagar, expandir y mantener las fracturas abiertas;
dentro de las sustancias se consideran aquellas empleadas para mejorar la calidad del
Shale gas o bien como agentes bactericidas.
 C04B.- Cementos, hormigón, piedra artificial. Materiales para construcción.
Este grupo contempla los materiales empleados para mantener protegida la perforación,
donde los materiales de construcción son empleados para crear un revestimiento
alrededor del tubo de perforación para asegurar la integridad del pozo, principalmente
enfocado en la zona de contacto con los mantos acuíferos para evitar fugas y
contaminaciones que puedan esparcirse a través de estos.
 G01V.- Metrología y detección de objetos
El concepto de metrología engloba aquellas patentes enfocadas a obtener datos del
subsuelo, de la distribución de las fracturas o bien variables que brinden información
cuantificable para mejora del proceso.
 G06F.- Tratamiento de datos
Posterior a la adquisición de datos el tratamiento de los mismos principalmente en la
etapa inicial de los pozos de extracción tiene como objetivo plasmar información
pertinente empleada en la preparación del pozo.

F04F.- Bombeo de fluidos
El bombeo de fluidos está enfocado al proceso de extracción del gas y el líquido
empleado en la fracturación, para posteriormente separarlos y dar los tratamientos
requeridos a cada uno
Dentro de la clasificación de la tecnología, la correlación de las patentes según sus
categorías se ilustra en la Figura 5.1.4, en donde se puede observar que el 65 % (511
documentos) está clasificado dentro de la categoría E21B ―Perforación del suelo o de la
roca‖ ―extracción de petróleo, gas, agua o materiales solubles o fundibles o de una
suspensión de materias minerales a partir de pozos‖. Dicha categoría presenta una
relación directa con la clasificación C09K ―Sustancias para aplicaciones no previstas en
otro lugar; aplicaciones de sustancias no previstas en otro lugar‖. La clasificación E21B
engloba lo referente a la perforación, el control de la salida del fluido (E21B 41/12),
desplazamiento por agua (E21B 43/20), comunicación de pozos (E21B 43/17), mientras
que la sección C09K aplica para los productos químicos empleados en el proceso para
refuerzo de fracturas (C09K 8/80), estimulación de pozos (C09K 8/80), químicos erosivos
(C09K 8/72) por mencionar algunas.
30
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3030
Expediente 387
Existen clasificaciones con las cuales se tiene relación en conjunto o bien de una manera
discreta principalmente para ciertas partes del proceso como lo son:



G01V. Mediciones y pruebas de campo, principalmente como estudios previos.
C04B. Cementos y composiciones, empleados para soportar la perforación.
E21F. Perforación de la tierra, métodos de extracción del gas.
Figura 5.1.4. Diagrama de correlación de la clasificación de patentes.
31
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3131
Expediente 387
5.1.2 CLASIFICACIÓN POR EL OBJETO DEL DESARROLLO PLASMADO EN LAS
PATENTES
Analizando el objeto de los desarrollos descritos en los documentos de patentes, se
identificaron las puntualidades sobre los mismos, las cuales se muestran en proporción de
documentos por tema en la Figura 5.1.2.
0.25%
1.75%
2%
8%
Proceso alterno
Válvulas
Simulación
Metrología
31%
57%
Fluido
Proceso
Figura 5.1.2.- Clasificación según objetivo.
El detalle de la clasificación de patentes mencionado anteriormente, se describe a
continuación:
a) Proceso. Patentes que involucran metodologías, equipos o instalaciones para
desarrollar la fracturación hidráulica, materiales de construcción como cementos
empleados en la protección del pozo de fracturación, así como sistemas que
dependan de energía solar o eólica como fuentes de alimentación del proceso de
fracturación hidráulica.
b) Fluido. Documentos enfocados al fluido de fracturación, el apuntalante, aditivos a los
fluidos para mejora del desempeño, separación del fluido del gas y el proceso de
reutilización del mismo.
32
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3232
Expediente 387
c) Metrología. Medios de sensado, sistemas completos para la medición previa del
terreno, la recolección y tratamiento de datos durante y posterior a la fracturación,
realizando una caracterización del terreno, de las fracturas o las rutas posibles a
seguir en el proceso, se hace mención de sistemas de detección de microsismos y
sistemas acústicos entre otros.
d) Simulación. Simulación para investigación y pruebas de elementos del proceso.
e) Válvulas. Tipos de válvulas específicamente diseñadas para el proceso de la
inserción del fluido tanto como para la extracción del mismo y cuando viene
acompañado del gas.
f)
33
Proceso alterno. Proceso de fracturación diferentes a la fracturación hidráulica.
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3333
Expediente 387
5.2 MERCADO DE INTERÉS DE EXPLOTACIÓN
El mercado de interés, se refiere al país en donde se registra el conocimiento a través de
un registro de patente, considerando que es en donde se explotará económicamente
dicha tecnología. En la Figura 5.2.1 se puede apreciar un especial interés por registrar
en las oficinas de patentes de Estados Unidos, China y Rusia.
Figura 5.2.1.- Distribución por país de origen
En la Figura 5.2.2 se observa el
número de documentos registrados
por país, destacando Estados
Unidos con 384 desarrollos, seguido
por China con 179 documentos de
patentes,
Rusia
con
115
documentos y Canadá con 46
patentes. En el caso de México,
solo se cuenta con 6 patentes.
384
Estados Unidos
China
Rusia
Canada
Reino unido
Francia
Brasil
México
Australia
Japon
Corea del sur
Alemania
Italia
Kazajistan
Noruega
Israel
Egipto
179
115
46
13
8
6
6
5
5
3
2
1
1
1
1
1
0
100
200
300
400
Figura 5.2.2.- Distribución por país de origen
34
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3434
Expediente 387
5.3 PROPIETARIOS DE LA TECNOLOGÍA
La Figura 5.3.1 muestra a los principales titulares o dueños de la tecnología protegida en
las patentes, en donde se aprecia que la empresa con mayor conocimiento generado en
el tema de interés con 121 registros de patente es ―SCHLUMBERGER CANADA LTD‖,
empresa dedicada plenamente a la industria del gas y petróleo. En segundo lugar se
presenta ―BAKER HUGHES INC‖ la cual se dedica a proyectos de perforaciones de
pozos.
121
SCHLUMBERGER CANADA LTD
46
BAKER HUGHES INC
43
PRAD RES&DEV LTD
37
PETROCHINA CO LTD
HALLIBURTON ENERGY SERVICES INC
27
BJ SERVICES CO
25
18
TATNEFT STOCK CO
PRAD RES & DEV NV
14
CHINA PETROCHEMICAL CO LTD
14
CHANGQING UNDERGROUND TECH…
0
14
50
100
150
Figura 5.3.1.- Los 10 Principales Titulares de la tecnología de interés
35
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3535
Expediente 387
Dentro del análisis realizado se encontró que solo seis documentos fueron registrados en
la Oficina de Patentes de México, los cuales se mencionan a continuación.

CARBO CERAMICS INC (Empresa Estadounidense)
http://www.carboceramics.com
MX2006PA011762A. Enfocada al Fluido-Apuntalante.

MINERAC O CURIMBABA LTDA (Empresa Brasileña)
http://www.curimbaba.com.br/
MX2005PA011664A Enfocada al Fluido-Apuntalante.

SCHLUMBERGER TECHNOLOGY BV (Empresa Estadounidense)
http://www.slb.com/
MX2005PA000443A. Enfocada a la medición de la fractura durante el proceso.
MX2003PA003374A. Enfocada al método de empleo del agente apuntalante.
MX2003PA007291A. Enfocada al Fluido apuntalante.

36
RHONE POULENC CHIMIE (Empresa Francesa)
MX2003PA007291A. Enfocada al Fluido apuntalante.
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3636
Expediente 387
5.4 EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
La distribución en el tiempo de las publicaciones integradas para el estudio, es mostrada
en la Figura 5.4.1, aunque el desarrollo de tecnología referente al shale gas inicio en el
2000 en Texas, se observar que el principal auge se dio a partir el 2011 y en forma
sostenida a la fecha, esto debido a los niveles de importancia que toma el tema a nivel
mundial.
2003
200
2013
2004
150
100
2012
2005
50
0
2011
2006
2010
2007
2009
2008
Figura 5.4.1.- Patentes en el tiempo.
De acuerdo a la clasificación antes mencionada, la Figura 5.4.2, presenta la evolución en
el tiempo según el objetivo de protección, donde se observa un mayor número de
desarrollos de patentes en el 2013 para Fracturación de Pozos de Gas. Dentro de la
clasificación el proceso ha sido constante en el desarrollo siempre buscando la mejora, en
segundo lugar lo clasificado como ―fluido‖ sigue de la mano al proceso, ya que es
necesario para desarrollar la fracturación hidráulica, hasta el 2013 se presentan 2
patentes enfocadas a un proceso alterno a la fracturación hidráulica, pero con el mismo fin
de extracción del gas.
37
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3737
Expediente 387
2013
2012
2011
2010
Alterno al proceso
2009
Fluido
Metrología
2008
Proceso
2007
Simulación
2006
Válvulas
2005
2004
2003
0
50
100
150
200
Figura 5.4.2. Enfoque de las patentes en el tiempo.
Dentro de los resultados analizados, un elemento destacable, es la tecnología emergente
sobre métodos alternos de extracción de shale gas, para sustituir el proceso de
fracturación hidráulica, la cual tiene grandes controversias respecto a las implicaciones
ambientales, a continuación se mencionan algunas particularidades de dichas propuestas,
las cuales son presentadas por la empresa Expansion Energy LLC (http://www.expansionenergy.com) como tecnología emergente.
38
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3838
Expediente 387
Patente US20130192838 A1 NON-HYDRAULIC FRACTURING SYSTEMS, METHODS,
AND PROCESSES
Patente US8342246 B2- FRACTURING SYSTEMS AND METHODS UTILIZING
METACRITICAL PHASE NATURAL GAS
Empresa: EXPANSION ENERGY LLC (EXPA-N) http://www.expansion-energy.com
País: Estados Unidos
Novedad: Método para extraer hidrocarburos de formaciones subterráneas si el uso de
líquidos.
Alcance: El método implica bombear gas natural en fase metacrítica en formaciones
subterráneas para crear o extender fracturas o fisuras. La presión del gas natural en fase
metacrítica es mantenida o incrementada en la formación para mantener la fisura abierta.
Un apuntalante es enviado a la formación subterránea, donde éste es enviado a través de
compresas tibias de gas natural comprimido, la presión del mismo es liberada tal que el
apuntalante mantiene la fisura abierta.
Patente US20130220605A1. NON-HYDRAULIC FRACTURING SYSTEMS, METHODS,
AND PROCESSES- (continuación de las anteriores)
Empresa: EXPANSION ENERGY LLC (EXPA-N)
País: Estados Unidos
Alcance: El método implica proporcionar un líquido no acuoso tal como el metanol, al cual
se le añade un tensoactivo y un apuntalante; el líquido obtenido es energizado con gas
natural presurizado y llevado a las formaciones subterráneas.
39
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
3939
Expediente 387
VI. MEGATENDENCIAS
a. La controversia que rodea al tema de la explotación del Shale gas, bajo el método de
fracturación hidráulica (Fracking) respecto a su impacto ambiental, bajo opiniones
diversas desde los que minimizan dichos impactos, hasta otros que han presionado de
tal manera que en algunos países de Europa han dejado de realizar los trabajos de
explotación derivado de las implicaciones tangibles que se han presentado. Derivado
de lo anterior, se ha iniciado a buscar nuevas alternativas al proceso de explotación,
como es el caso de la empresa EcorpStim quienes desarrollan e implementa técnicas
innovadoras de extracción para recursos convencionales y no convencionales como
las que se mencionan a continuación.

Fracturación por gel propano. Se menciona como un proceso de muy bajo
consumo de agua y bajo consumo de químicos o bien nulo, ya que con el propano
es suficiente para generar las fracturas en el subsuelo, sin embargo dicho proceso
conlleva altos riesgos por el nivel de peligro que implica el manejo de grandes
cantidades del gel propano, por ser altamente explosivo.

Fracturación por Propano no Flamable (NFP por sus siglas en inglés) el cual se
presenta como una excelente solución para realizar una fracturación limpia y sin
riesgos de explosión. El desarrollo de esta técnica se encuentra en su fase inicial y
no está completamente probada.
b. En general en Europa se cuenta con una prospectiva de explotación de shale gas con
niveles promedio de 2.83 – 5.66 tcm (trillones de metros³), solo en el caso de Rusia se
tiene una prospectiva más alta sobre un promedio de 5.66-8.49 tcm, sin embargo
comparado con otros países como China que tiene una prospectiva de 36 tcm o
Estados Unidos con 24 tcm, su nivel se puede observar bajo, ver Figura 6.1.1.
|
Figura 6.1.1.- Prospectiva de recursos de Shale gas de Europa para 2011.
40
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
4040
Expediente 387
c. El desarrollo del Shale gas está presente como una fuente energética rentable y se
cuentan con las soluciones tecnológicas para su extracción y disposición, sin embargo
las problemáticas ambientales han frenado en alguna medida su desarrollo, llegando
al punto de prohibición del proceso en países como:
 Francia
 Holanda
 Bulgaria
 Alemania
Otros países se encuentran realizando extracción, pero con permisos en trámite y/o en
desarrollo.
En la Figura 6.1.2 se muestran el estado que presentan los diferentes países en Europa
sobre la extracción de shale gas.
Figura 6.1.2.- Estatus del avance de extracción de shale gas en países europeos.
41
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
4141
Expediente 387
VI. CONCLUSIONES
42

El proceso de fracturación hidráulica, es un proceso maduro que está presente en
la actualidad y brinda resultados medibles tanto de producción como de gastos
pertinentes al proceso en general. Estados Unidos se presenta como el pionero en
el tema.

La prospectiva de mercado a nivel mundial, propone al Shale gas como una fuente
energética constante que pudiese solventar los niveles de consumo regionales,
como incrementar los niveles de exportación de cada región que cuente con los
yacimientos, si la producción del Shale gas se hace presente, los costos del gas
natural empleados en áreas como industria, comercio o consumo se prospectan a
la baja, de otra manera se presentará una alza mantenida en el precio del gas.

Los agentes químicos empleados en los fluidos de fracturación no son
recuperados al 100% y representan daños al medio ambiente al ser una sustancia
que de forma natural no debe estar en el subsuelo, dichos agentes químicos
deben ser identificados para poder definir su nivel de riesgo. El principal punto se
encuentra en la sección de los mantos acuíferos donde los revestimientos de
concreto y materiales de construcción deben ser altamente confiables para evitar
contaminaciones directas a los suministros de agua para las regiones.

La búsqueda de medios que no involucren sustancias químicas es necesaria para
evitar contaminaciones ambientales y afectaciones a largo plazo, así mismo las
legislaciones de los países protegen fuertemente al ecosistema buscando la
prohibición de procedimientos de extracción no seguros que pongan en riesgo al
ecosistema.

Algunos estudios sugieren que la fracturación de pozos es el causante de
movimientos sísmicos presentados en las áreas cercanas a las plataformas de
perforación, donde anteriormente no se habían registrado movimientos, por lo cual
el estudio de éstos debe ser elaborado previo, durante y post apertura de un pozo
de extracción de gas.

El desarrollo de nuevas tecnologías es de primera necesidad, como lo son
investigaciones referentes a fracturación por Propano o NFP y su evaluación sobre
la efectividad en diferentes áreas geográficas, teniendo grandes expectativas por
ser una solución para las implicaciones ecológicas actuales.
FRACTURACIÓN DE POZOS PARA EXTRACCIÓN DE GAS
4242
Expediente 387
BIBLIOGRAFÍA
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5. —. Thechnically Re coverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An
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(SHALE GAS) Y SU IMPACTO EN EL MERCADO ENERGÉTICO DE MÉXICO:
REFLEXIONES PARA CENTROAMÉRICA. México : Impreso en Naciones Unidas
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Convencional y la Fractura Hidráulica Permisos en Burgos. Burgos : s.n., 2011.
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9. (IGU), International Gas Union. Shale Gas The Facts about the Environmental
Concerns. Norway : International Gas Union (IGU), 2012. www.igu.org.
43
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