Geochemical and Strontium Isotope Characterization of Produced Waters from Marcellus Shale Natural Gas Extraction

Extraction of natural gas by hydraulic fracturing of the Middle Devonian Marcellus Shale, a major gas-bearing unit in the Appalachian Basin, results in significant quantities of produced water containing high total dissolved solids (TDS). We carried out a strontium (Sr) isotope investigation to determine the utility of Sr isotopes in identifying and quantifying the interaction of Marcellus Formation produced waters with other waters in the Appalachian Basin in the event of an accidental release, and to provide information about the source of the dissolved solids. Strontium isotopic ratios of Marcellus produced waters collected over a geographic range of ∼375 km from southwestern to northeastern Pennsylvania define a relatively narrow set of values (εSr SW = +13.8 to +41.6, where εSr SW is the deviation of the 87Sr/86Sr ratio from that of seawater in parts per 104); this isotopic range falls above that of Middle Devonian seawater, and is distinct from most western Pennsylvania acid mine drainage and Upper Devonian Venango Group oil and gas brines. The uniformity of the isotope ratios suggests a basin-wide source of dissolved solids with a component that is more radiogenic than seawater. Mixing models indicate that Sr isotope ratios can be used to sensitively differentiate between Marcellus Formation produced water and other potential sources of TDS into ground or surface waters.

A Natural Gas Severance Tax-An Economic Analysis

This study estimates the economic effects of a severance tax on the market for natural gas produced from shale sources using non-conventional extraction methods, such as horizontal drilling and fracking. Results suggest that a severance tax of 5% would increase the price of natural gas by as much as 3.82% and decrease gas extraction by an estimated 1.16% to a value of 9.52%. If applied to the Commonwealth of Pennsylvania in the United States, a 5% severance tax is estimated to raise between US$443 and $486 million per year in public revenue. The marginal deadweight loss associated with a 5% severance tax is estimated between 1.27% and 12.85% of the last dollar earned. The burden of this tax falls on both producers and consumers and depends upon the underlying assumptions made regarding the price responsiveness of consumers and producers. Under plausible assumptions, a family consuming 1000 MMcfs (approximate to 2.8 x 10(4) m(3)) per year of natural gas is estimated to pay an additional $100 per year after the implementation of a 5% severance tax.

First steps towards into the unknown. The possibilities prospects of unconventional gas extraction in Ukraine. OSW Commentary No. 106, 2013-04-24

Ukraine’s deposits of unconventional gas (shale gas, tight gas trapped in non-porous sandstone formations, and coal bed methane) may form a significant part of Europe’s gas reserves. Initial exploration and test drilling will be carried out in two major deposits: Yuzivska (Kharkiv and Donetsk Oblasts) and Oleska (Lviv and Ivano-Frankivsk Oblasts), to confirm the volume of the reserves. Shell and Chevron, respectively, won the tenders for the development of these fields in mid 2012. Gas extraction on an industrial scale is expected to commence in late 2018/ early 2019 at the earliest. According to estimates presented in the draft Energy Strategy of Ukraine 2030, annual gas production levels may range between 30 billion m3 and 47 billion m3 towards the end of the next decade. According to optimistic forecasts from IHS CERA, total gas production (from both conventional and unconventional reserves) could reach as much as 73 billion m3. However, this will require multi-billion dollar investments, a significant improvement in the investment climate, and political stability. It is clear at the present initial stage of the unconventional gas extraction project that the private interests of the Ukrainian government elite have played a positive role in initiating unconventional gas extraction projects. Ukraine has had to wait nearly four decades for this opportunity to regain its status of a major gas producer. Gas from unconventional sources may lead not only to Ukraine becoming self-sufficient in terms of energy supplies, but may also result in it beginning to export gas. Furthermore, shale gas deposits in Poland and Ukraine, including on the Black Sea shelf (both traditional natural gas and gas hydrates) form a specific ‘European methane belt’, which could bring about a cardinal change in the geopolitics and geo-economics of Eastern and Central Europe over the next thirty years.

Fracking: Impacto Económico y Repercusión Social y Medioambiental

El proyecto en un análisis en castellano de la industria de extracción de recursos no convencionales, denominada fractura hidráulica o fracking,desde el punto de vista del impacto económico e, indirectamente, la repercusión social y medioambiental.

La exploración y producción de hidrocarburos en yacimientos no convencionales, frente a los principios de prevención, precaución y desarrollo sostenible

El presente trabajo de grado busca exponer el panorama actual de la exploración y producción de hidrocarburos en Yacimientos No Convencionales, realizada utilizando el fracturamiento hidráulico – Fracking – cómo método para lograr mejores condiciones físicas en el reservorio que permitan la extracción del recurso. El método mencionado es estudiado a la luz de los principios de prevención, precaución y desarrollo sostenible, que rigen la política ambiental en Colombia, con el objetivo de analizar los posibles impactos ambientales y sociales que se puedan generar por el desarrollo de la actividad extractiva de hidrocarburos en Yacimientos No Convencionales. Para finalmente mostrar que el Fracking como actividad está legalmente permitida en Colombia, y la legislación vigente responde a los principios mencionados previamente.

Pore structure characterization of North American shale gas reservoirs using USANS/SANS, gas adsorption, and mercury intrusion

Small-angle and ultra-small-angle neutron scattering (SANS and USANS), low-pressure adsorption (N2 and CO2), and high-pressure mercury intrusion measurements were performed on a suite of North American shale reservoir samples providing the first ever comparison of all these techniques for characterizing the complex pore structure of shales. The techniques were used to gain insight into the nature of the pore structure including pore geometry, pore size distribution and accessible versus inaccessible porosity. Reservoir samples for analysis were taken from currently-active shale gas plays including the Barnett, Marcellus, Haynesville, Eagle Ford, Woodford, Muskwa, and Duvernay shales. Low-pressure adsorption revealed strong differences in BET surface area and pore volumes for the sample suite, consistent with variability in composition of the samples. The combination of CO2 and N2 adsorption data allowed pore size distributions to be created for micro–meso–macroporosity up to a limit of �1000 Å. Pore size distributions are either uni- or multi-modal. The adsorption-derived pore size distributions for some samples are inconsistent with mercury intrusion data, likely owing to a combination of grain compression during high-pressure intrusion, and the fact that mercury intrusion yields information about pore throat rather than pore body distributions. SANS/USANS scattering data indicate a fractal geometry (power-law scattering) for a wide range of pore sizes and provide evidence that nanometer-scale spatial ordering occurs in lower mesopore–micropore range for some samples, which may be associated with inter-layer spacing in clay minerals. SANS/USANS pore radius distributions were converted to pore volume distributions for direct comparison with adsorption data. For the overlap region between the two methods, the agreement is quite good. Accessible porosity in the pore size (radius) range 5 nm–10 lm was determined for a Barnett shale sample using the contrast matching method with pressurized deuterated methane fluid. The results demonstrate that accessible porosity is pore-size dependent.

Caracterização de reservatórios não convencionais Shale Gas na Formação Barreirinha Bacia do Amazonas

Os folhelhos pretos devonianos da Formação Barreirinha caracterizamse pela alta radioatividade na porção basal, grande extensão areal, espessura e profundidade de soterramento variável que vão de exposição na superfície até mais de 3000 m. Eles são as principais rochas geradoras do sistema petrolífero convencional da Bacia do Amazonas, e recentemente foram consideradas como promissores plays de gás não convencional. Folhelhos são geralmente caracterizados por uma matriz fechada, que faz com que sejam relativamente impermeáveis em relação ao fluxo de gás, a menos que ocorram fraturas, e dependendo das suas características geológicas e geoquímicas podem funcionar com um Sistema Petrolífero autossuficiente, atuando tanto como rocha fonte, quanto como reservatório de gás (reservatório Shale Gas). Assim, o gás natural termogênico ou biogênico gerado pode ser armazenado em folhelhos ricos em matéria orgânica na forma livre, adsorvida, ou em estado dissolvido. Em contraste com os sistemas petrolíferos convencionais, reservatórios Shale Gas, possuem mecanismos de aprisionamento e armazenamento únicos, sendo necessária a utilização de técnicas de avaliações específicas. No entanto, folhelhos prolíficos geralmente podem ser reconhecidos a partir de alguns parâmetros básicos: arquitetura geológica e sedimentar, propriedades geoquímicas e petrofísicas e composição mineralógica. Tendo em vista a carência de pesquisas de caráter descritivo, com cunho exploratório dos folhelhos geradores da Formação Barreirinha, esta dissertação tem como objetivo introduzir uma metodologia de identificação de intervalos de folhelho gerador com potencial para reservatório Shale Gas. Começando com uma investigação regional sobre o contexto geológico e sedimentar, seguido de uma avaliação abrangente enfocando as características geoquímicas, petrofísicas e litofácies dos folhelhos a partir da integração de parâmetros obtidos de perfis geofísicos de poço, análises geoquímicas e aplicação dos conceitos de Estratigrafia de Sequencia.

Impacts of shale gas wastewater disposal on water quality in western Pennsylvania.

The safe disposal of liquid wastes associated with oil and gas production in the United States is a major challenge given their large volumes and typically high levels of contaminants. In Pennsylvania, oil and gas wastewater is sometimes treated at brine treatment facilities and discharged to local streams. This study examined the water quality and isotopic compositions of discharged effluents, surface waters, and stream sediments associated with a treatment facility site in western Pennsylvania. The elevated levels of chloride and bromide, combined with the strontium, radium, oxygen, and hydrogen isotopic compositions of the effluents reflect the composition of Marcellus Shale produced waters. The discharge of the effluent from the treatment facility increased downstream concentrations of chloride and bromide above background levels. Barium and radium were substantially (>90%) reduced in the treated effluents compared to concentrations in Marcellus Shale produced waters. Nonetheless, (226)Ra levels in stream sediments (544-8759 Bq/kg) at the point of discharge were ~200 times greater than upstream and background sediments (22-44 Bq/kg) and above radioactive waste disposal threshold regulations, posing potential environmental risks of radium bioaccumulation in localized areas of shale gas wastewater disposal.

Implications of shale gas development for climate change.

Advances in technologies for extracting oil and gas from shale formations have dramatically increased U.S. production of natural gas. As production expands domestically and abroad, natural gas prices will be lower than without shale gas. Lower prices have two main effects: increasing overall energy consumption, and encouraging substitution away from sources such as coal, nuclear, renewables, and electricity. We examine the evidence and analyze modeling projections to understand how these two dynamics affect greenhouse gas emissions. Most evidence indicates that natural gas as a substitute for coal in electricity production, gasoline in transport, and electricity in buildings decreases greenhouse gases, although as an electricity substitute this depends on the electricity mix displaced. Modeling suggests that absent substantial policy changes, increased natural gas production slightly increases overall energy use, more substantially encourages fuel-switching, and that the combined effect slightly alters economy wide GHG emissions; whether the net effect is a slight decrease or increase depends on modeling assumptions including upstream methane emissions. Our main conclusions are that natural gas can help reduce GHG emissions, but in the absence of targeted climate policy measures, it will not substantially change the course of global GHG concentrations. Abundant natural gas can, however, help reduce the costs of achieving GHG reduction goals.

Proposta metodológica para avaliação preliminar de jazigos de shale gas

O potencial de um reservatório de shale gas e influenciado por um grande número de fatores, tais como a sua mineralogia e textura, o seu tipo e maturação de querogénio, a saturação de fluidos, os mecanismos de armazenamento de gás, a profundidade do reservatório e a temperatura e pressão de poros. Nesse sentido, o principal objetivo desta tese foi estabelecer uma metodologia de avaliação preliminar de potenciais jazigos de shale gas (estudo de afloramentos com base numa litoestratigrafia de alta resolução), que foi posteriormente aplicada na Formação de Vale das Fontes (Bacia Lusitânica, Portugal). Esta tese tem a particularidade de contribuir, não só para o aprofundamento da informação a nível geoquímico do local, mas também na abordagem inovadora que permitiu a caracterização petrofísica da Formação de Vale das Fontes. Para a aplicação da metodologia estabelecida, foi necessária a realização dos seguintes ensaios laboratoriais: Rock-Eval 6, picnometria de gás hélio, ensaio de resistência a compressão simples, Darcypress e a difracção de raios-X, aplicando o método de Rietveld. Os resultados obtidos na análise petrofísica mostram uma formação rochosa de baixa porosidade que segundo a classificação ISRM, e classificada como ”Resistente”, para alem de revelar comportamento dúctil e elevado índice de fragilidade. A permeabilidade média obtida situa a Formação no intervalo correspondente as permeabilidades atribuídas aos jazigos de tigh gas, indicando a necessidade de fracturação hidráulica, no caso de uma eventual exploração de hidrocarbonetos, enquanto a difracção de raios-X destaca a calcite, o quartzo e os filossilicatos como os minerais mais presentes na Formação. Do ponto de vista geoquímico, os resultados obtidos mostram que apesar do considerável teor médio de carbono orgânico total, a natureza da matéria orgânica analisada e maioritariamente imatura, composta, principalmente, por querogénio do tipo IV, o que indica a incapacidade de a formação gerar hidrocarbonetos em quantidades economicamente exploráveis.

Shale Gas and the EU Internal Gas Market: Beyond the Hype and Hysteria. CEPS Working Document No. 369, September 2012

This paper analyses the interplay between shale gas and the EU internal gas market. Drawing on data presented in the 2012 International Energy Agency’s report on unconventional gas and additional scenario analyses performed by the Joint Research Centre, the paper is based on the assumption that shale gas will not fundamentally change the EU’s dependence on foreign gas supplies. It argues that attention should be shifted away from hyping shale gas to completing the internal gas market. Two main reasons are given for this. First, the internal gas market is needed to enable shale gas development in countries where there is political support for shale gas extraction. And second, a well-functioning internal gas market would, arguably, contribute much more to Europe’s security of supply than domestic shale gas exploitation. This has important implications for the shale gas industry. As it is hard to see how subsidies or exemptions from environmental legislation could be justified, shale gas development in Europe will only go ahead if it proves to be both economically and environmentally viable. It is thus up to the energy industry to demonstrate that this is the case.

Desarrollo del gas lutita (shale gas) y su impacto en el mercado energético: reflexiones para Centroamérica

La producción de shale gas o gas natural de lutita en los Estados Unidos ha sorprendido al mundo por su rápido desarrollo y repercusión en la disminución del precio del combustible y el aumento de reservas de hidrocarburos. Este desarrollo ha crecido junto con la oferta de petróleo y de condensados de gas natural. Se estima que los Estados Unidos serían autosuficientes en petróleo y superavitarios en gas natural en menos de 30 años. El renovado impulso de los hidrocarburos no-convencionales empieza a ser visto como una "revolución energética" que dará nuevo dinamismo a la economía de ese país. Por su novedad, la evaluación completa de estos desarrollos confronta dificultades metodológicas, estadísticas y de conocimiento científico, tecnológico, social y económico. Las regiones de los Estados Unidos y Canadá con yacimientos de shale gas comprobados son muchas. Sin embargo, dado lo novedoso de su explotación, no existe historial suficientemente largo para sacar conclusiones sobre procesos de exploración, picos y declives de producción y técnicas de recuperación de los recursos. Las analogías y extrapolaciones de las experiencias varían entre plays o conglomerados de yacimientos. Las dudas crecen ante la discordancia entre la creciente producción de gas y precios de mercado inferiores a los costos. También se escuchan advertencias sobre los potenciales efectos nocivos de su explotación en el medio ambiente y comunidades aledañas. Hay dudas sobre los posibles efectos de la técnica de "fracturamiento hidráulico" (fracking) y los disolventes químicos empleados en mantos freáticos y agua potable. Este documento se compone de cinco capítulos. En el primero se aborda el tema de la explotación de shale gas, desde el origen, la producción, la economía y los impactos de la exploración y producción de shale gas, hasta algunas peculiaridades del entorno de negocios y de los sistemas legal, financiero e impositivo. Dada su vasta experiencia en producción de hidrocarburos, los Estados Unidos cuentan con numerosas empresas proveedoras de bienes y servicios para la exploración y explotación de shale gas. Legisladores y autoridades de todos los niveles aplican instrumentos legales y procesan debates y opiniones para ir encontrando soluciones a los retos y cuestionamientos relacionados. En el capítulo II se presenta un análisis de escenarios y proyecciones al año 2035. Se discuten las dinámicas que pueden convertir a los Estados Unidos en exportador neto de gas natural. Se asume que el energético menos costoso termina dominado el mercado. Sin embargo, el shale gas tiene un largo proceso por recorrer antes de desbancar a las grandes industrias de energía con muchas décadas en el mercado. Se revisa el crecimiento de reservas y producción en abasto a una demanda creciente, que a su vez requerirá que los sistemas de transporte, almacenamiento y distribución de combustible se sigan expandiendo y que los precios de mercado continúen bajos o aumenten lentamente, mientras los del crudo serían sustancialmente mayores. Esta diferencia de precios está motivando la sustitución de combustibles. Las tecnologías de "gas a líquidos", "gas comprimido", "celdas de gas metano" y otras seguirán abriendo espacio, hasta sustituir las tecnologías basadas en hidrocarburos líquidos que han dominado el desarrollo energético por más de un siglo. La etapa de transición hacia lo que los teóricos consideran que será la era de los energéticos renovables se está volviendo realidad. Pero no hay indicios de que los combustibles tradicionales simplemente desaparecerán para dar paso a los energéticos renovables. Más bien, el shale gas se desarrolla como una nueva capa tendiente a envolver todo el mercado, sobre la cual se irá acomodando gradualmente el resto de los energéticos renovables. Así está sucediendo ya en la industria eléctrica debido a la flexibilidad de los ciclos combinados basados en gas natural, en especial su capacidad de reducir e incrementar su carga, conservando altos rendimientos térmicos. Esta flexibilidad permitirá que el resto de las fuentes alternativas (eólica, solar, mareomotriz y las que se vayan incorporando), cuya capacidad de generación es variable, se acomoden en forma combinada. En el III capítulo se describe la situación del gas natural en México, donde los bajos precios del combustible, el avance tecnológico, el manejo político del marco legal ambiental y social, además de la expansión de las redes de transporte, almacenamiento y distribución, también están cambiando. Se espera que el shale gas sea una nueva fuente de riqueza y de energía a bajo costo, pero, el proceso tomará varios años o décadas antes de que las expectativas se hagan realidad. Existen dudas sobre la forma de materializar este potencial en el país. Un primer problema para México es su propia definición constitucional de la propiedad y explotación de los hidrocarburos por un monopolio de Estado, Pemex. Este modelo resulta inadecuado para explotar shale gas a gran escala. Otro problema está representado por los altos costos de logística presionados por la rapidez del ciclo de producción, cuyos picos y declives se alcanzan a pocas semanas de iniciada la perforación. El declive puede ser tan rápido hasta volver incosteable mantener los equipos en un solo lugar por demasiado tiempo. Pemex no parece adaptada para trabajar en una dinámica logística de gran velocidad, en la que los equipos de perforación y de trabajadores deben desplazarse entre numerosas operaciones. Por estas razones, México parece destinado a experimentar una primera etapa consumiendo shale gas barato importado de los Estados Unidos. Para ello se construyen redes de gasoductos a lo largo de la frontera, por donde se irá recibiendo el gas y acostumbrándose a él. Después vendrán los grandes debates nacionales para decidir quiénes serán los protagonistas de este nuevo desarrollo, si Pemex o empresas privadas. Las reformas resultantes deberán plasmarse en la Constitución y reglamentarse en leyes secundarias; se diseñarán nuevos modelos impositivos y regulatorios. A esto se agregará la preocupación por los impactos sociales y ambientales de esta industria, la escasez de proveedores especializados y la necesidad de capacitar gran número de trabajadores, los cuales podrían ser contratados por Pemex o por el sector privado, dependiendo del modelo que se adopte en las reformas. El ritmo de aprovechamiento del shale gas mexicano será lento. Este reto no ha sido discutido en México. Se habla de los reacomodos del mercado de gas natural como fenómeno de corto plazo, referido a los precios presentes. Mientras tanto, el desabasto de gas natural se convierte en tema central de la política industrial. ¿Quién pagará el sobreprecio del gas natural licuado (LNG) en las escasas terminales de regasificación del país? En el capítulo IV se presenta el balance de exportaciones e importaciones de gas natural de América del norte. El reto de México a mediano plazo se perfila como la necesidad de desarrollar su propia industria gasera y extender las redes de gasoductos y de electricidad, hasta unir el sur y el norte del país, desarrollando simultáneamente la región oeste en la costa del Pacífico. Con el gas natural como punta de lanza, la industria energética irá configurando una nueva geografía industrial. Ahora corresponde al sistema político crear las condiciones institucionales para que esa dinámica se extienda por todo el territorio nacional. En el capítulo V se abordan algunas implicaciones y retos para los países de Centroamérica. Se discute la posibilidad de consolidar consorcios regionales sólidos, capaces de negociar contratos con México para abastecer gas natural a largo plazo, además de financiar los gasoductos necesarios. También se analizan algunos escenarios favorables en el caso de la negociación de suministros de gas natural en el marco de los tratados de libre comercio que los países de dicha subregión tienen con los Estados Unidos.