解锁地球—水力压裂的发展简史

Ming170

文章由窦煜杰翻译自: Michael Quentin Morton

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近来页岩气产业日渐繁荣，水力压裂在页岩地层中的使用成为相对较新的现象。之所以这么说，是因为"压裂"的概念比很多人的认识到的出现得更早。实际上，那些为了将油气从地下提取出来的非常规技术已经发展了已超过150年。

Drilling for shale gas, Washington County, Pennsylvania, in November 2010.Source: Mark Schmerling,www.fractracker.org

压裂技术，早在1857年就已出现，Preston Barmore将火药放入Canadaway Creek的井中，并扔进去一块烧红了的铁块，致使火药爆炸，压裂围岩，使得岩层中的天然气得以顺井释放。自那以后，压裂技术经过了长足的发展。

The Barmore well in 1858. Courtesy of the Darwin-Barker Historical Museum.

水力压裂，如其字面意思，是将水和砂混合起来泵入井中，使其达到高压状态，从而使得地下岩石发生破裂。这种使用水压的方式与19世纪中期介由炸药的"爆破法"相隔甚远，然而其基本思路却是一样的。爆破法的使用，在当时有效地使少产油气井重新焕发生机，然而效果却难以把握：从井口炸出的土柱、水柱、油柱，对旁观者而言确实壮观，然而却对工业生产方面缺乏可靠性。

1865年，Edward Roberts上校和他的哥哥发明了一种叫做"上方流体填压"的方法，这种方法能够有效控制爆炸，阻止岩屑自井眼炸出地表，压缩了爆炸空间，从而加强了爆炸的威力。他们还发明了一种硝基甘油'鱼雷'，代替了之前使用的黑火药和火药。他们的遗产被Tallini 和 OttoCupler Torpedo公司保留下来，他们依然在严格的安全流程下使用现代炸药进行"爆破"。

Col.Edward Roberts. Image courtesy of The Drake Well Museum, PennsylvaniaHistorical and Museum Commission.

水力压裂法的发明

1940年代，美孚石油公司的Floyd Farris提出使用水压压裂岩层可能增加产量。这个提议在1947年在堪萨斯Hugoton气田的KlepperNo.1井第一次投入使用。一千加仑（3785升）的环烷酸和棕榈油和汽油、砂混合在一起注入地下，在高压下使地层破碎，促使天然气流从灰岩地层中流出。

1949年，哈里巴顿油井固井公司 (HOWCO) 被唯一授权泵注“水力压裂”工艺（后来扩展到了其他够资格的公司）。在第一年，有332口井采用了以原油或者混合了原油、汽油和砂为压裂液的压裂操作。这种情况下，平均每口井增产了75%。自1953年起，水也成为了压裂液，很多添加剂被陆续加入，大大增强了其效能。1968年，水力压裂在整个美国被广泛用于油气井，但其使用也仅限于较简单的地质构造中。

水力压裂的突破

水力压裂法在其与水平井和其他新技术（比如说3D地震成像）结合后发生了变化。水平井侧向扩展了地层的压裂范围，不再是与地层简单地垂直接触。百万加仑的水，混合着砂和化学试剂，以高压注入井中，压裂围岩。压裂后产生的裂缝被水中含有的支撑剂填塞并支撑起来，使得岩层中被圈住的油气得以源源不断地流出。

Thefounder of Mitchell Energy, George P. Mitchell (right), with former USpresident, Jimmy Carter, circa 1978. Although Mitchell (1919–2013) has beencalled the "Father of Fracking", he is more accurately described asthe "Father of the Shale Gas Boom". Photo: the Cynthia and GeorgeMitchell Foundation.

水力压裂在从致密的页岩中获取烃类时遇到困难。1970年代中期，美国能源部(DOE)以及天然气研究所(GRI)，与私人运营商合作发展从页岩中生产天然气的技术。这包括水平井的使用，多级压裂以及油水压裂（slick-waterfracturing）。

在1981年和1998年见，德克萨斯州的米切尔能源与发展公司（Mitchell Energy andDevelopment），在测试巴内特(Barnett)页岩时使用了这些技术。油水(slick water)是一种低粘度的混合物，能够快速地泵入井中，对围岩施加更高的压力。油水的使用为公司带来了巨大的商业成功。2002年米切尔能源与戴文能源公司(Devon Energy)合并，使得压裂技术和水平井的使用快速增长。随着越来越多公司卷入这场技术变革，压裂技术逐渐传播到德州、俄克拉荷马州、阿肯色州、路易斯安那州、宾夕法尼亚州、西弗吉尼亚州和落基山脉的页岩气勘探中。