水圧破砕とは何ですか？長所と短所

水圧破砕の略であるフラッキングは、鉱山労働者が地表の深部に埋められた岩石から石油と天然ガスを抽出できるようにする特定の掘削技術です。言い換えれば、それは到達困難な天然資源の回復を容易にします。

このテクノロジーは1950年代に完成しましたが、環境的にも政治的にも、これまでのところ大きな論争の的となっています。

以下では、水圧破砕に関連するプロセス、その歴史、および社会への影響について説明します。また、この手法の将来についても検討します。

フラッキングはどのように機能しますか？

プロセスの概略図|画像提供：Mike Norton

米国環境保護庁（EPA）によると、水圧破砕は井戸刺激プロセスであり、頁岩やその他の岩層から抽出される石油や天然ガスなどの天然資源の総量を大幅に増加させます。

水圧破砕技術には2つの要素があります。 1つは油圧掘削で、最初は垂直に、次に水平に実行されます。もう1つは、高圧で掘削された井戸に水圧破砕流体をポンプで注入または注入することです（これについては後で説明します）。

「フラッキング流体」は何で構成されていますか？

一般的に言えば、水圧破砕流体は主に、酸、潤滑剤、アルコールなどのさまざまな化学物質と混合された水です。これらに加えて、砂などの小さな固体粒子も少量添加されます。これらの粒子は「プロッパント」として知られています。

未処理の砂は従来のプロッパントですが、時間の経過とともに微粉の発生（サイズの縮小）の影響を受けやすくなります。また、理想的な粒度を維持するために、砂を樹脂でコーティングして特殊な砂（硬化性樹脂コーティング砂）を作成することがよくあります。ボーキサイト（焼結）やセラミックなどの他の代替品もあります。

米国環境保護庁は、国内の水圧破砕サイトで使用されている平均14の化学物質を特定しました。エタノール、塩酸、および石油留分は、おそらくそれらの中で最も一般的でした。

プロセス

ノースダコタ州に設置された水圧破砕法|画像提供：Joshua Doubek

水圧破砕プロセスは、地表から最大3km下まで延びることができる垂直に掘削された井戸から始まります。垂直井が特定の深さ（鉱物が豊富な岩が存在する）に達すると、90度回転して水平に続きます。テキサスA＆M大学の出版物によると、水平掘削は交差点から1.6kmまで伸びることがあります。

掘削が終わった後、井戸は包まれます。炭化水素や水圧破砕流体が地下水源にこぼれるのを防ぐために、硬化した中空のチューブ（鋼またはセメント製）が挿入されています。

次に、フラッキング流体が非常に高圧の条件下で坑井に注入されます。このプロセスは、多くの場合、62,000キロパスカルを超える圧力レベルで実行されます。これは、約9,000psiまたはポンド/平方インチです。

高圧では、フラッキング流体が岩石に亀裂や亀裂を生じさせ、炭化水素（石油や天然ガス）が自由に流れることができます。砂の粒子またはプロパントは、圧力が解放された後でもこれらの亀裂を開いたままにして、貴重な資源の継続的な解放を保証するためにあります。

閉じ込められた石油やガスとともに、大量の廃水または「逆流」液体が井戸から排出されます。逆流液には、水と、重金属、放射性物質、その他の毒素などのさまざまな有毒汚染物質が含まれています。

開いた坑口|画像提供：Joshua Doubek

水圧破砕井の廃水は、処理後に処分または再利用することができます。ただし、どちらの方法にも複雑な問題があります。

水圧破砕の歴史

岩石シミュレーション技術の最初の記録された使用は、1860年代にさかのぼります。ダイナマイトは、地層からの石油の総生産量を増やすためによく使用されました。このアイデアは、1865年に南北戦争のベテランであるエドワードA.L.ロバーツ大佐によって開発された「爆発魚雷」技術の基礎となりました。

ここでは、爆薬（最初は火薬またはニトログリセリン）が取り付けられたキャニスターが、爆風の効果を最大化するためにすでに水で満たされた井戸にロープで固定されました。魚雷の爆風は、鉱物の岩を砕き、時間の経過とともに蓄積するパラフィンワックスを取り除き、途切れることのない石油の流れを促進します。

ニトログリセリンで魚雷を充填する前に、パラフィンを溶かすために沸騰したお湯またはベンゼンを井戸に注ぎました。

水圧破砕の最新バージョンは、1940年代後半に米国で導入されました。

その利点と経済効果

水圧破砕技術により、エネルギー会社は到達困難な貯留層から貴重な資源を抽出できるだけでなく、（従来の方法と比較して）より多くの量でそれらを取得することができます。

水圧破砕は主に石油と天然ガスの抽出に使用されますが、他の一連の条件でも展開できます。たとえば、地下水井戸を刺激したり、岩の奥深くに廃棄物を処分したりするのに役立ちます。

米国での水圧破砕技術の目覚ましい成長は、国の石油とガスの生産を劇的に改善しました。 2008年には、国の総天然ガス生産量はロシアのそれを上回り、世界最大の天然ガス生産国になりました。

ちなみに、この国はサウジアラビアを飛び越えて、2013年に世界最大の石油生産国になりました。

最大の天然ガス生産国|画像提供：Statista

天然ガスの世界的な需要は増加するばかりです。経営コンサルティング会社のマッキンゼーによると、2019年の見通しレポートによると、LNG（液化天然ガス）の需要は2035年まで年間3.6％増加する可能性があります。

豊富なシェールガス埋蔵量と高度な水圧破砕技術により、米国は同期間に世界の天然ガスの半分以上を供給すると予想されています。

水圧破砕の経済的側面を決定するために実施された研究は、ほとんどが肯定的でした。ブルッキングズインスティテュートからの2017年のレポートによると、シェールガスの採掘だけでも、米国の中南部西部地域で1人あたりの消費者利益が最大432ドル増加しました。

さらに、水圧破砕の増加により、国のガスへの年間支出が大幅に減少しました。この手法による年間の総経済的利益は約740億ドルです。

ただし、水圧破砕は農業などの経済部門に悪影響を与える可能性があります。少なくとも1つの研究によると、町の灌漑作物の生産性は、近く（半径11〜20 km）に井戸を掘削すると5.7％減少します。同じ調査によると、カナダのアルバータ州は2014年に約1480万ドルの農業収入を失いました。

水圧破砕は安全ですか？環境と社会への影響

大規模な水圧破砕がアメリカのエネルギー市場を変革し、次の100年の間アメリカを自立させたことは間違いありません。それは米国経済を後押しし、世界中の多くの国が同じことを模倣しようと試みました。

しかし、この技術は米国でも広く批判されています。

フィラデルフィアのクリーンエネルギー行進（2016年）| Mark Dixon / Flickr

長期間にわたる水圧破砕の使用は、複数の方法で環境に害を及ぼす可能性があります。地下水汚染、頻繁な地震、騒音公害、高い水使用量、気候変動、および全体的な健康リスクは、水圧破砕と結びついています。

何十年もの間、水圧破砕の反対者は、その支持者に対してけん引を行っています。水圧破砕の支持者は、その経済的利益と、天然ガスが石炭のはるかにクリーンな代替品であるという事実をしばしば引用します。

この技術の使用に関する最大の懸念は、地下水と地表水の汚染です。 2016年に、元EPAの科学者であるDominic DiGiulioが実施した調査によると、パビリオン（ワイオミング州）の井戸は、水圧破砕液に使用される有害な化学物質で汚染されています。他の同様の発見もなされました。水圧破砕による地下水汚染と大気汚染の潜在的に高いリスクは、EU環境総局による2012年の報告書で特定されました。

水圧破砕液に必要な大量の水も大きな問題です。平均的なサイズの水圧破砕施設（単一の井戸）は350万ガロンもの水を使用しますが、大型の水圧破砕施設では約500万ガロンです。

水圧破砕における流体注入のプロセスは、しばしば誘発された震えと関連しています。これらの地震は通常小規模ですが、物的損害を引き起こすほど大きなものはほとんどありません。米国のコロラド州、ニューメキシコ州、テキサス州、カンザス州、オクラホマ州に住む800万人近くの人々が、水圧破砕によって引き起こされる地震の危険に直面していると報告されています。

水圧破砕はまた、即時および長期の両方の健康への影響があります。米国疾病予防管理センター（CDC）が2014年に行った予備調査では、水圧破砕施設の労働者が危険なレベルのベンゼン（ガンになるリスクを高める化合物）にさらされていると疑われています。また、珪肺症などの他の重篤な症状を発症する可能性もあります。

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世界の他の地域での水圧破砕

米国を除いて、水圧破砕は、少なくともある程度は、世界中の他の国で行われています。水圧破砕は現在、南アフリカで開発の初期段階にあります。カナダでは比較的広く普及しており、2012年には356を超えるアクティブな掘削リグがあります。

ドイツやイギリスなどのヨーロッパ諸国は、1970年代に水圧破砕技術を採用しました。しかし、今日、これらの国々はそれに対して完全に禁止または一時的な禁止を発行しています。

2011年、全国的な抗議の後、フランスはその使用を完全に禁止した最初の国になりました。

政府規制

現在水圧破砕技術を（ある程度）利用している国では、国、州、および地方レベルで少なくともいくつかの規則と規制が実施されています。

米国では、水圧破砕は、プロセスで使用される化学物質に関する詳細の開示を免除されています（それ以外の場合は、安全飲料水法で義務付けられています）。州は連邦法に従う必要がありますが、セーフティネットと規制を導入することができます。テキサス、ワイオミング、ミシガンを含むいくつかの州では、鉱業会社にそのような詳細の開示を義務付けています。

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バーモント州は、2012年に米国で最初に水圧破砕を禁止した州になりました。その後、3年後にニューヨーク州が続きました。