Evaluación de Posibles Impactos por Fracturación Hidráulica “Fracking” en los Recursos Hídricos

El Fracturamiento Hidráulico (Fracking) acompañado con avances tecnológicos en perforación ha servido para la producción de petróleo y gas en lugares inaccesibles haciéndolos económicamente extraíbles.

La Agencia de Protección Ambiental (EPA) sintetiza los cambios en la calidad y cantidad de agua potable producto del fracturamiento hidráulico e identifica los factores que afectan la frecuencia o severidad de los cambios potenciales en reporte científico realizado en Junio del 2015 [1] y resumido a continuación.

 

¿Qué es el Fracturamiento Hidráulico?

El fracturamiento hidráulico es una técnica de estimulación para incrementar la producción de hidrocarburos en formaciones de rocas. Consiste en la inyección de fluidos bajo cierta presión suficiente para fracturar las formaciones productoras de petróleo o gas. El fluido está compuesto de agua, químicos y apuntalante (comúnmente arenas). El apuntalante mantiene abierta las fracturas después de liberar la presión de la inyección. El petróleo y el gas viajan a través de las fracturas y elevan la producción del pozo a superficie.

El fracturamiento hidráulico se lleva a cabo en formaciones no convencionales, las cuales son:

  • Lutitas: Rocas ricas en materia orgánica, el petróleo y gas se encuentran entre los poros de las lutitas
  • Formaciones Poco Permeables: son formaciones de baja permeabilidad, pueden ser areniscas, limonitas, carbonatos entre otros.
  • Bandas de Carbón: el metano es el componente principal del gas el cual se absorbe al carbón entre sus poros. 
Figura 1. Sección esquemática de los tipos de rocas donde se aloja los hidrocarburos y la orientación de los pozos de producción usados en el fracturamiento hidráulico.

Figura 1. Sección esquemática de los tipos de rocas donde se aloja los hidrocarburos y la orientación de los pozos de producción usados en el fracturamiento hidráulico.

 

Alcance de la evaluación

Se define de acuerdo a las actividades relacionadas con el agua que se involucra en el ciclo de fracturamiento hidráulico. (1)Adquisición del agua, (2) Mezcla química, (3) Pozos de inyección, (4) Retorno y flujo de agua y (5) Tratamiento de aguas residuales y eliminación de residuos

Los impactos están definidos como cualquier cambio en la calidad o cantidad de agua potable. Donde es posible identificar los mecanismos responsables, por ejemplo un vertimiento de fluidos utilizado en el fracturamiento hidráulico impactaría en los recursos de agua potable.

El agua potable está definida en este reporte como cuerpos de agua subterránea o superficial que sirven para servicio público o privado. 

En la figura 2 se muestra la adquisición del agua para luego mezclarlo con los fluidos químicos e introducirlo en los pozos de inyección a presión. Las flechas muestran el movimiento del agua y químicos. En la actividad específica de tratamiento y eliminación de aguas residuales se hace un control de inyección subterráneo (a), un tratamiento y reúso de aguas y finalmente una descarga (c).

Figura 2. Etapas del ciclo del agua en el fracturamiento hidráulico

Figura 2. Etapas del ciclo del agua en el fracturamiento hidráulico

 

1. Adquisición del agua

El agua es el componente principal para el fracturamiento hidráulico. Por lo general representa casi el 90% del volumen de líquido inyectado en un pozo y cada fracturamiento requiere miles de millones de galones de agua.

¿Qué tipo de agua se usa en el fracturamiento hidráulico?

Normalmente proviene de las aguas superficiales, subterráneas, residuales o reutilizados del fracturamiento.

¿Cómo podría afectar la fracturación hidráulica a la cantidad de agua potable?

El potencial impacto sería la reducción de agua potable en zonas locales. 

¿Qué cantidad de agua se utiliza por pozo?

La cantidad aproximada es de 1.5 millones de galones (5.7 millones de litros). Esta estimación representa una amplia variedad para los tipos de pozos fracturados, siendo los pozos verticales los que utilizan menos agua que los pozos horizontales. Por tanto, las estimaciones para un pozo horizontal de gas en lutitas requieren aproximadamente 4 millones de galones de agua. Esta variación resulta de varios factores como la longitud, la formación geológica y los fluidos para el fracturamiento.

Figura 3. Presupuestos de la cantidad de agua que se utilizó en la Cuenca del Río Pensilvania y the Barnnet Shale en Texas.

Figura 3. Presupuestos de la cantidad de agua que se utilizó en la Cuenca del Río Pensilvania y the Barnnet Shale en Texas.

¿Cómo podría afectar la fracturación hidráulica a la calidad del agua potable?

Las extracciones de agua subterránea superiores a las tasas de recarga naturales disminuyen el almacenamiento de agua en los acuíferos, lo que podría movilizar contaminantes o permitir la infiltración de agua de menor calidad de la superficie de la tierra o formaciones adyacentes. Los retiros también podrían disminuir la descarga de aguas subterráneas a los arroyos, lo que podría afectar la calidad de las aguas superficiales.

 

2. Mezcla Química

El fluido para el fracturamiento consta de 3 partes: (1) agua, (2) aditivos químicos y (3) el apuntalante. Los aditivos son elegidos para servir un propósito específico. Por ejemplo el ajustar el pH, aumentar la viscosidad, limitar el crecimiento bacteriano, etc. Estos productos químicos comprenden un pequeño porcentaje de hasta 2% o menos del volumen de líquido total inyectado.

¿Cuál es la identidad y el volumen de los productos químicos utilizados en los fluidos para el fracturamiento hidráulico?

Hemos identificado 1076 productos q uímicos, estos químicos incluyen ácidos, alcoholes, hidrocarburos aromáticos, bases, mezclas de hidrocarburos, polisacáridos, y tensioactivos. Según el análisis de la EPA de divulgaciones a FracFocus, el número de productos químicos únicos osciló entre 4-28, con una mediana de 14 sustancias químicas únicas por pozo.

El metanol, destilado de petróleo hidrotratados, y el ácido clorhídrico se reportaron tal como se utiliza en el 65% o más de los pozos, de acuerdo con las revelaciones de FracFocus analizados por la EPA. Solamente 32 productos químicos, excluyendo el agua, cuarzo, y cloruro de sodio, se utilizaron en más del 10% de los pozos de acuerdo con el análisis de la EPA.

Se estima que 9100 galones de productos químicos son utilizados por pozo.

¿Cuál es la química y las propiedades físicas toxicológicas de los aditivos químicos en la fracturación hidráulica?

Se obtuvieron las propiedades fisicoquímicos de 453 productos químicos del total de 1076 sustancias registradas en los fluidos de fracturamiento hidráulico. No hemos podido estimar las propiedades fisicoquímicas de los productos inorgánicos o mezclas.

Las propiedades que pueden impactar el recurso de agua potable incluyen la movilidad, la solubilidad y la volatilidad. Muchos de los 453 productos químicos se disuelven completamente en agua, pero su solubilidad acuosa es muy variable. Pocos de los productos químicos se volatilizan, y por lo tanto una gran proporción de los productos químicos del fracturamiento hidráulicos tienden a permanecer en el agua.

Si se producen derrames, ¿Cómo podría contaminar los productos químicos las fuentes de agua potable?

Son varios los mecanismos por los que se puede contaminar los recursos de agua potable. Estos incluyen el flujo superficial, la contaminación del suelo y el transporte eventual a las aguas superficiales, y la infiltración y contaminación de aguas subterráneas. De los 151 derrames caracterizados por el EPA 13 casos alcanzaron las aguas superficiales y 97 casos en suelos. Ninguno de los derrames de fluidos se reportaron haber llegado a las aguas subterráneas. Sin embargo puede tardarse años en que los fluidos se infiltren a las aguas subterráneas.

 

3. Pozo de Inyección

Los líquidos fluyen a través del pozo en la zona de producción, donde las presiones de inyección de fluidos son suficientes para crear fracturas en la roca.

Hay dos mecanismos principales del subsuelo mediante el cual la inyección de fluido y la creación y propagación de fracturas pueden conducir a la contaminación de los recursos de agua potable: (1) el movimiento no intencionado de líquidos o gases fuera del pozo de producción a lo largo de la parte exterior de la producción a través de las deficiencias en el casing o cemento del pozo, y (2) el movimiento no intencionado de líquidos o gases de la zona de producción a través de formaciones geológicas del subsuelo. Las combinaciones de estos dos mecanismos también son posibles.

¿Qué tan efectivas son las prácticas actuales de construcción de pozos en que contiene fluidos líquidos y los gases antes, durante y después de fracturarse?

Los pozos de producción se construyen para acceder y transmitir hidrocarburos a partir de las formaciones, y para aislar zonas de líquido (que contienen aceite, gas o agua) de cada otra.

La mayoría de los pozos utilizados en las operaciones de fracturamiento hidráulico tienen el casing y una capa de cemento para proteger los recursos de agua potable, pero hay excepciones: una encuesta realizada por la EPA de los pozos de petróleo y producción de gas por nueve compañías petroleras y de servicios de gas en 2009 y 2010 estimaron que al menos 3% de los pozos (600 fuera de 23.000 pozos) no tenía cemento a través de una parte del casing. La ausencia de cemento da lugar a un impacto.

Se puede producir impactos en el casing o cemento si están inadecuadamente diseñadas o construidas. Hay varios casos de pozos que han fallado al momento del fracturamiento como por ejemplo el estallido del casing debido a la presión.

¿Qué características geológicas locales podría permitir la migración de fluidos líquidos y gaseosas a las fuentes de agua potable?

Modelos numéricos y estudios microsísmicos sugieren que las fracturas creadas durante el fracturamiento hidráulico son poco probable que se extiendan hacia arriba desde formaciones profundas en los acuíferos de agua potable su.

La encuesta de la EPA de los pozos de petróleo y producción de gas por nueve empresas de servicios en 2009 y 2010 estima que el 20% de los 23.000 pozos tenía menos de 2.000 pies (610 m) de distancia entre el punto de menos profundo y la base de la recursos de agua subterránea protegida reportados por los operadores así.

 

4. Retorno y flujo de agua

Agua, de calidad variable, es un subproducto de la producción de petróleo y gas. Después de la fracturación hidráulica, se libera la presión de inyección y el agua fluye de nuevo desde el pozo. Inicialmente esta agua es similar al fluido de fracturación hidráulica, pero conforme pasa el tiempo la composición se ve afectada por las características de la formación y las posibles reacciones entre la formación y el fluido de fracturación. Sin embargo, los fluidos de fracturación hidráulica y cualquier agua de formación de regresar a la superficie a menudo se denominan colectivamente como agua producida. La cantidad de agua producida varía, pero típicamente promedios 10% a 25% de los volúmenes inyectados. Las velocidades de flujo son generalmente altos inicialmente, y luego disminuyen con el tiempo a lo largo de la producción de petróleo o gas.

¿Cuál es la composición del flujo de retorno y el agua producida, y qué factores podrían influir en esta composición?

Los factores que influyen en la composición son: la composición de los fluidos de fracturación hidráulica inyectados, el tipo de formación fracturado, los procesos del subsuelo, y tiempo de residencia. La composición química inicial de agua producida refleja principalmente la química de los fluidos inyectados. En los últimos tiempos, la composición química del agua de producción refleja la geoquímica de la formación fracturada.

El agua producida varía en calidad de fresco a altamente salina, y puede contener altos niveles de aniones y cationes principales, metales, compuestos orgánicos, y radionúclidos de origen natural. El agua producida a partir de formaciones de lutitas y gas apretado contiene típicamente altos niveles de sólidos disueltos totales (TDS) y constituyentes iónicos (por ejemplo, bromuro, calcio, cloruro, hierro, potasio, manganeso, magnesio y sodio). El agua producida puede contener también metales (por ejemplo, bario, cadmio, cromo, plomo, mercurio y) y compuestos orgánicos tales como benceno. El agua producida a partir de metano en capas de carbón normalmente tiene niveles de TDS mucho más bajos en comparación con otros tipos de aguas producidas, particularmente si la capa de carbón se depositó en condiciones de agua dulce.

Se identificaron 134 productos químicos. Estos incluyen productos químicos añadidos durante la etapa de mezcla química, así como de origen natural productos químicos orgánicos y radionucleidos, metales y otros componentes de las formaciones rocosas del subsuelo movilizados por el proceso de fracturamiento hidráulico.

¿Cuáles son las propiedades químicas, físicas y toxicológicas de flujo fracturamiento y componentes del agua producidos?

Los componentes identificados de agua producida incluyen productos químicos inorgánicos (cationes y aniones, es decir, metales, metaloides, no metales, y materiales radiactivos), productos químicos orgánicos y compuestos, y materiales no identificados medidos como carbono orgánico total y carbono orgánico disuelto. Algunos componentes se transportan fácilmente con agua (es decir, cloruro y bromuro), mientras que otros dependen en gran medida de las condiciones geoquímicas en el cuerpo de agua receptor (es decir, el radio y bario), y la evaluación de su transporte se basa en factores específicos del lugar.

En consecuencia, si se derrama, estos productos químicos pueden permanecer en los suelos o sedimentos cerca de los sitios de derrames. La baja movilidad puede dar lugar a pequeños penachos de contaminantes disueltos en el agua subterránea, aunque estos productos químicos pueden ser transportados con los sedimentos en las aguas superficiales o pequeñas partículas en el agua subterránea. Propiedades químicas orgánicas varían con la salinidad, y los efectos dependen de la naturaleza de la sustancia química.

 

5. Gestión de Aguas Residuales y Disposición de Residuos

El Manejo y disposición de aguas residuales podrían afectar los recursos de agua potable a través de múltiples mecanismos, incluyendo: el tratamiento inadecuado de las aguas residuales antes de su descarga a un agua receptora, liberaciones accidentales durante el transporte o la fuga de las piscinas de almacenamiento de aguas residuales, vertidos no permitidos, migración de los componentes de las aguas residuales después de la aplicación de la tierra, la gestión inadecuada de los materiales residuales del tratamiento, o la acumulación de componentes de aguas residuales en los sedimentos cerca de emisarios de instalaciones centralizadas de tratamiento de residuos (quintales) o de obras de tratamiento de propiedad pública (POTW) que han tratado de aguas residuales fracturación hidráulica.

¿Cuáles son los métodos de tratamiento y eliminación de aguas residuales comunes para el fracturamiento hidráulico, y donde se practican estos métodos?

La eliminación en los pozos de la UIC (también llamados pozos de eliminación) se da a través de estanques de evaporación; tratamiento en quintales, seguida de la reutilización o por descarga a cualquiera de las aguas superficiales o POTWs; reutilizar con un tratamiento mínimo o nulo.

¿Qué tan efectivas son POTWs convencionales y sistemas de tratamiento comercial en la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos en las aguas residuales?

En algunos casos, las aguas residuales tratadas en CWTS pueden ser enviadas a un POTW para UN tratamiento y la descarga adicional. Se mezcla con POTW para evitar efectos perjudiciales sobre los procesos biológicos en la estación de depuración que ayudan en el tratamiento de aguas residuales.

 

Referencias

EPA, Assessment of the Potential Impacts of Hydraulic Fracturing for Oil and Gas on Drinking Water Resources - Executive Summary, External Review Draft | EPA/600/R-15/047c | June 2015 | www.epa.gov/hfstudy

Descargue el Resumen Ejecutivo aquí.

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Posted on July 6, 2015 and filed under Hidrogeología, Calidad de agua, Medio ambiente.