Hydraulische fracturering: gesteente kraken om olie en gas te winnen
Stel je een spons voor die propvol water zit, maar waarvan de poriën zo nauw zijn dat het water er bijna niet uit kan lopen. Zoiets is schaliegesteente diep in de aardkorst: het bevat vaak wel olie of aardgas, maar de gesteentelagen zijn zo dicht en slecht doorlatend dat de brandstof er vanzelf niet uitstroomt. Hydraulische fracturering — in de volksmond vaak "fracking" genoemd — is een techniek om dat gesteente onder hoge druk kunstmatig te laten scheuren, zodat de olie of het gas alsnog een weg naar de boorput vindt.
De techniek combineert twee dingen: eerst wordt een put geboord die, in plaats van alleen recht naar beneden te gaan, op grote diepte afbuigt en horizontaal door de gaslaag loopt (horizontaal boren). Vervolgens wordt via die put een mengsel van water, zand en chemicaliën met hoge druk het gesteente ingepompt. Die druk perst piepkleine scheurtjes open die met het zand worden "opgehouden", zoals een deur die met een wig op een kier wordt gehouden. Door die scheurtjes kan het gas of de olie alsnog naar de put stromen. Zonder fracking zouden veel schalie- en steenkoollagen economisch waardeloos zijn; met de techniek werden ze de basis van de Amerikaanse schaliegasrevolutie van de afgelopen twintig jaar.
Wat is het precies?
Het proces begint met een verticale put die op enkele kilometers diepte de gaslaag bereikt. Vanaf dat punt buigt de boor geleidelijk af tot hij horizontaal door de dunne, gasrijke gesteentelaag loopt — soms wel anderhalve kilometer ver. Deze combinatie van diep verticaal en lang horizontaal boren heet horizontaal boren en zorgt dat één put een veel groter deel van de gaslaag kan aanboren dan een rechte put ooit zou kunnen.
Daarna wordt de put met een perforatiekanon op meerdere plekken doorboord, zodat er kleine gaatjes in de stalen buis en het omringende gesteente ontstaan. Via die gaatjes wordt vervolgens het frac-fluid ingepompt: een mengsel van meestal meer dan 90 procent water, ongeveer 9 procent zand of keramische korrels (het proppant genoemd) en een klein percentage chemicaliën, zoals middelen tegen bacteriegroei, corrosieremmers en verdikkingsmiddelen. Dit mengsel wordt met pompen op het maaiveld tot drukken van honderden bars gebracht.
Onder die druk scheurt het gesteente open in netwerken van haarscheurtjes die zich tientallen tot honderden meters van de put kunnen uitstrekken. Het zand in de vloeistof stroomt de scheuren in en houdt ze — ook nadat de druk wordt weggehaald — op een kier, als een wig. Door dit fijnmazige netwerk van open scheurtjes kan het gas of de olie alsnog naar de put migreren en aan de oppervlakte worden opgepompt. Een deel van het ingepompte water, het zogeheten terugvloeiwater of "flowback", komt mee omhoog en moet worden opgevangen, gezuiverd of via injectieputten teruggebracht in de diepe ondergrond.
Eén put kan in meerdere fasen worden "gefrackt": segment voor segment van de horizontale sectie wordt afgesloten en apart onder druk gezet, zodat het hele traject optimaal wordt benut. Bij een moderne schalieput gaat het al snel om tien tot dertig van zulke fasen, en om duizenden kubieke meters water per put.
Wat wil men ermee bereiken?
Het primaire doel is economisch: toegang krijgen tot olie- en gasvoorraden die met conventionele boortechnieken niet of nauwelijks winbaar zijn. Schaliegesteente en sommige steenkoollagen bevatten wereldwijd enorme hoeveelheden koolwaterstoffen, maar zonder fracturering blijven die grotendeels ondergronds zitten omdat het gesteente simpelweg niet doorlatend genoeg is.
Voor de Verenigde Staten was dit een expliciete energiestrategie: minder afhankelijk worden van geïmporteerde olie en gas door binnenlandse schaliebronnen te ontsluiten. Dat is grotendeels gelukt — de VS werden rond 2017-2018 weer netto-exporteur van aardgas, iets wat decennia ondenkbaar was. Voorstanders wijzen ook op de rol van goedkoop schaliegas bij het uitfaseren van kolencentrales in de VS, omdat gascentrales per opgewekte kilowattuur minder CO2 uitstoten dan kolencentrales.
Tegelijk is fracking omstreden. Critici wijzen op het grote waterverbruik, het risico op vervuiling van grondwater, de kans op lichte, door de mens veroorzaakte aardbevingen (geïnduceerde seismiciteit), en het feit dat het uiteindelijk gaat om het winnen van meer fossiele brandstof in een tijd dat klimaatbeleid juist vraagt om minder fossiel gebruik. Die spanning tussen energiezekerheid op korte termijn en klimaatdoelen op lange termijn is de kern van het maatschappelijke debat.
Voorbeelden uit de praktijk
De Barnett Shale in Texas geldt als de bakermat van de moderne schaliegasindustrie. Oliebedrijf Mitchell Energy, onder leiding van George Mitchell, experimenteerde daar vanaf de jaren negentig met de combinatie van horizontaal boren en een goedkopere variant van fracking met vooral water ("slickwater fracturing"). Rond 1998 werd die combinatie commercieel rendabel, wat de start van de Amerikaanse schaliegasboom inluidde.
De Marcellus Shale, die zich uitstrekt onder de staten Pennsylvania, New York, Ohio en West Virginia, is sinds ongeveer 2008 een van de grootste gasvelden ter wereld geworden en produceert een aanzienlijk deel van het Amerikaanse aardgas.
In het Perm-bekken (Permian Basin) in West-Texas en New Mexico wordt sinds het midden van de jaren 2010 op grote schaal olie via fracking gewonnen; het is inmiddels het productiefste olieveld van de Verenigde Staten.
Buiten de VS trekt de Vaca Muerta-formatie in Argentinië veel aandacht als een van de grootste schaliegas- en schalieolievoorraden ter wereld, met sinds de jaren 2010 groeiende productie en investeringen van onder meer staatsbedrijf YPF en internationale partners.
In het Verenigd Koninkrijk probeerde bedrijf Cuadrilla Resources bij Preston New Road in Lancashire vanaf 2018 schaliegas te winnen. Na meerdere waarneembare aardbevinkjes, waaronder een beving van 2,9 op de schaal van Richter in augustus 2019, legde de Britse overheid de proefboringen stil en kondigde later dat jaar een moratorium op fracking af.
Hoe ver is de techniek?
Technisch gezien is hydraulische fracturering volwassen: het wordt al sinds 1949 toegepast (destijds uitgevoerd door Halliburton in opdracht van Stanolind Oil in Kansas) en de combinatie met horizontaal boren is sinds eind jaren negentig op grote schaal beproefd. In de Verenigde Staten is fracking de standaardmethode geworden voor nieuwe olie- en gaswinning; het overgrote deel van de Amerikaanse gasproductie komt inmiddels uit schaliegesteente.
De ontwikkeling gaat vooral door op het gebied van efficiëntie: langere horizontale putten, meer frac-fasen per put, betere sensortechniek om scheuren in real time te volgen, en pogingen om minder zoet water en meer hergebruikt of brak water te gebruiken. Ook wordt onderzocht hoe methaanlekkage tijdens winning en transport — een krachtig broeikasgas — verder kan worden teruggedrongen, omdat dit een belangrijk kritiekpunt is op de klimaatimpact van schaliegas.
In Europa ligt de ontwikkeling grotendeels stil. Frankrijk verbood fracking al in 2011, het Verenigd Koninkrijk voerde in 2019 een moratorium in, en Nederland kent sinds 2015 een moratorium op schaliegaswinning dat sindsdien meermaals is verlengd; er wordt in Nederland dan ook niet actief naar schaliegas geboord. Duitsland staat fracking voor schaliegas alleen onder strenge voorwaarden toe en vrijwel niet in de praktijk. De belangrijkste obstakels zijn maatschappelijk draagvlak, zorgen over grondwater en aardbevingen, en — in de context van de energietransitie — de vraag of nieuwe fossiele winning nog wenselijk is naast klimaatdoelen.
Wie werken eraan?
De dienstverlening rond fracking wordt gedomineerd door een paar grote oliedienstverleners: Halliburton (dat de techniek in 1949 op de markt bracht en nog altijd marktleider is), Schlumberger (tegenwoordig SLB) en Baker Hughes. Zij leveren de pompen, chemicaliën en expertise aan olie- en gasbedrijven.
Op het gebied van productie zijn Amerikaanse schalie-specialisten zoals ExxonMobil, Chevron, Pioneer Natural Resources (inmiddels onderdeel van ExxonMobil) en Chesapeake Energy toonaangevend, naast talloze kleinere Amerikaanse "shale players". In Argentinië trekt staatsbedrijf YPF de ontwikkeling van Vaca Muerta, vaak in samenwerking met internationale partners.
Op regelgevend en onderzoeksgebied houden Amerikaanse instanties als het Environmental Protection Agency (EPA) en de U.S. Geological Survey (USGS) zich bezig met de milieueffecten en het risico op geïnduceerde aardbevingen. In Nederland volgt het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) ontwikkelingen rond fracking en mijnbouw in het algemeen, mede vanwege de ervaring met geïnduceerde aardbevingen door gaswinning in Groningen — overigens een andere, conventionele vorm van gaswinning zonder fracking, die niettemin het Nederlandse wantrouwen tegen ondergrondse ingrepen sterk heeft gevoed.