工程天然气从美国页岩

页岩地质学和水力压裂

天然气被困在页岩矿床，包括在马塞勒斯页岩地层，前起源于史前生活数百万年。植物和原始的动物在分解古代海床天然气被困在泥层中形成页岩，这是一种沉积岩。页岩具有紧密的小孔隙结构，必须对岩石进行压裂才能释放其中的天然气。美国许多可销售的页岩矿床位于地表下一英里多的地方，有些甚至深达9000多英尺。

以及建设概述

多数在页岩井已经从纯粹的垂直于具有水平段移位。以上的页岩矿床，垂直孔被钻出到最深的淡水含水层下面，使用井管与钻头附件，然后将其用钢包裹，用水泥固定。在任何淡水含水层的深度进行初步钻探时，通常使用旋转钻，钻屑被压缩空气压到地面上。

一旦通过含水层的初始垂直部分的完整性得到验证，井的垂直钻探将继续到更低的起始点，在那里井必须开始它的起始点90度的转变以水平钻称为横向钻。淡水含水层下更深的垂直和横向钻孔是用注入重晶石和膨润土(粘土)的泥浆的水力旋转钻机完成的。泥浆冷却钻头并将钻屑带到地面。

当天然气井的所有垂直部分和侧向部分都经过钻井、套管井和安装生产管后，将侧向管段打上大约1000 '的孔，这样天然气就有了流入井内的通道。天然气井侧钻通常会延伸3000英尺，现在在某些情况下会延伸到近10000英尺。侧井管射孔后，必须将侧井周围的页岩射孔骨折通过使用高压混合的沙子，数百万加仑的水，和添加剂来保持沙子悬浮，释放气体，防止铁结垢和细菌生长。

上面的YouTube视频生动地展示了建造天然气井所需的施工过程和事件顺序。

从井产气（天然气检索率）最高的是在项目的开始，但行动仍然经济几十年来，下面的下降对数曲线，直到进一步的天然气生产已不再具有成本效益。当井达到收益的边际税率，其他页岩最近的行业趋势是压裂现有井在认为经济上可行的支线。

确定和验证井位

而页岩地层的深度和厚度的基本认识是已知的，特定的站点信息仍需要精确地计划钻井和天然气检索。除了评估被钻通以达到页岩播放底土层的均匀性和厚度，确定所述页岩天然裂缝的程度和取向是最有效地放置在孔的横向部分的关键。

为此，由专门的地球物理测试公司进行地震测试。小型炸药或重型卡车在地面以下产生冲击波。记录卡车或检波器捕获反射声波，然后计算机程序生成图形，帮助识别所有必要的地下特征，以选择最佳的钻井位置、侧向配置和水力压裂策略。

在钻井过程中，井孔的评估，作为收集钻屑被检查，以便记录实际条件在泥浆测井过程中发生（例如，岩石或土壤和土壤水分含量的类型）存在于任何特定的井深度。

此外，随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)技术现在已经可以使用了，这些技术将传感器安装在钻头后面，以在钻井过程中传递当前的情况。还有一种钻孔测井技术，在这种技术中，将一根电线插入钻孔，用仪器记录关于电阻率、声波特性、辐射源反射率和尺寸信息的数据。这些信息有助于指导井眼进入和穿过页岩地层。

这是越来越普遍个别井台支持多口井。一些最现代的钻机必须走（横向移动）跨越井场的潜力。的偏移量仅约15英尺需要钻一个新井垂直镗邻近现有之一，每增加以及运行垂直于页岩的天然裂缝（期望的结果）的新的侧部。在该平面图中，多井支管通常需要在反射上的垂直钻孔的每一侧上的叉的外观，与相邻的阱之间支线成帧任何天然页岩骨折。

这个介绍宾夕法尼亚州立大学农业科学学院提供了有关马塞勒斯页岩地层的更多信息。特别注意以下内容:第10页，有干湿气体地图;第30页，有井的结构和套管图;第31页，显示横向方向(干草叉型);第36页显示了产量下降曲线[这条曲线的一个重要方面是产量的快速下降，伴随着很长(几十年)的生产阶段]。

钻台工程注意事项

马塞勒斯页岩矿床周围的大多数天然气井垫层面积约为5-8英亩。该地区大部分地区多山或丘陵地形，要求工程师设计切割和填满重型土方，为钻机和相关的完井和增产设备以及现场通道准备平整、稳定的井垫。中期的、长达数十年的生产阶段和最后的修复阶段都需要场地修复计划，并应具备适当的环境保护特征。

大量的设备移动和相关的工程活动需要得到一个生产点的井。钻机本身就是工程上的奇迹，新的钻机正在为马塞勒斯页岩定制。参与设计或指定钻机的工程师要仔细评估钻机的尺寸和能力，并为钻机和地层的深度选择合适的钻机电机。

• 戴里克:此前钻探作业井架必须站起来。井架是（钢）起重机和承重结构，其支撑所述钻和钻杆在阱无聊。井架的范围可以高达150' 的天然气井。他们被运上在预制节众多卡车和现场组装。
• 钻杆以30 '增量的方式生产和运输，并在现场组装。
• 管站在井架可以是单，双，或三看台上，这意味着它们可以保持基本的30' ，或60' ，或90' 的组装管段，分别。有些钻机井架和步行有能够系统全台移动到新位置上的垫而管14000' 存储在管站的。
• 钻电机：考虑到垂直井距和横向井距的组合，钻马达必须提供足够的动力，使钻头能够切割5-8英寸的井，钻穿岩层的距离很长，很容易达到12,000'(或超过2英里)。现在使用的更大的钻机马达可以产生超过1500马力的动力。相关的便携式发电机和电缆也需要定好尺寸并送到项目现场——不仅用于钻井作业，而且用于区域照明和支持服务。从启动点到侧部末端的水平段的钻头是由泵入井筒的泥浆驱动的涡轮。
• 网站恢复:在天然气回收的生产阶段，一个完整的井垫通常会减少到大约1英亩的面积。被称为“圣诞树”的计量井的管道和阀门，以及水/气体分离和初始气体脱水设备，都安装在地面以上。地面上的储罐也用于收集和储存在深井中发现的盐水(采出水)和从气井中回收的任何油。一些土地所有者与环境恢复公司和野生动物专家密切合作，使他们的生产场地恢复到生态友好的状态。

额外的工程考虑

对于未开发和偏远地区的天然气井项目，井垫以外的项目设计考虑是常见的，而且特别重要:

• 侵蚀、沉积和雨水控制:整个井场的生活和任何新的通路，典型的雨水管理问题的适当任何土方工程需要设计。这些包括表土稳定，播种，上升斜度导流通道和下梯度沉淀池，和过滤织物或过滤器的袜子。这是建设和发展过程中尤为重要，直到井场达到生产阶段。
• 裂隙水管理：以及制剂的页岩压裂阶段需要大量的水，典型地在每水平井4-5百万加仑的范围内。在此之前的好支线的压裂，压裂水被带到现场，通常是通过油罐车上演的压裂作业。在井场水箱和卡车与歧管管道和软管连接到安装在卡车上的泵使水和添加剂可被压入井孔以非常高的压力。一种水管理计划必须被实现，特别是对于水按以下页岩压裂返回到地表。内衬高密度聚乙烯（HPDE）凹坑已被用来收集水压裂，但有朝向使用储罐作为闭环管路系统的一部分的趋势。
• 道路准备或升级:石料以散装方式运来，并放置在平整的道路上，以提供更佳的车辆移动。当现有的公共路面用于运输钻机、钻杆和套管、沙子、水和其他井筒材料时，通常会增加路面厚度，或者在需要的地方重新铺设路面以容纳更大的卡车载重量。

许多其他的设计和工程方面的考虑包括：

• 建设前对土地和管道、集输线路和道路的勘测。
• 敏感的环境资源调查，缓解如果必要的话，和监管许可。
• 基础设施增强，包括桥梁评估和重型卡车交通升级。

争议的概述

这个行业并不是没有争议。新闻媒体声称，压裂过程导致饮用井水和/或淡水含水层受到压裂液、盐水或甲烷的污染。

页岩气水力压裂活动是非常深刻和饮用水供应通常是一英里的页岩区更上面，有许多硬岩层之间。用于通过压裂饮用井水或含水层的污染的任何潜在的是极小。反驳已取得的压裂工艺创造了天然气的新途径流向成淡水含水层数千英尺以上的天然气井支线。但是，考虑到中间的厚岩层，并且将需要驱动流体数千英尺的极端压力向上，这是极不可能可以形成这样的途径。

这是公平地说，井水或淡水含水层的污染期间全面小康建设过程中从页岩压裂过程分开是可能的。这些饮用水污染的情况比任何归因于水力压裂更加合理：

• 沿井钻孔：围绕钻井通过地下水位闷井套管固井故障是一个潜在的问题。的井套管上方和通过现有的含水层的深度勤奋固井是从井镗分离淡水重要;监管机构已返工的规定，以进一步确保巩固井套管是非常有效的屏障。
• 在表面上的井场：溢出或钻井泥浆的泄漏，从井压裂添加剂，电动发电机和车辆，或盐水燃料和产生的水是一个问题。这些流体在表面上的井场井构造，完成和含水层下面气体生产期间处理。另外，压裂保水能力差或在钻井现场雨水遏制可能导致污染的水流失，可能迁移到一个新的饮水供应。在这些问题光，企业正在提高自身的泄漏控制计划和做法，在完井阶段，有的甚至铺设HPDE衬在整个钻井平台。

天然气产量前景

天然气和相关建筑活动的市场前景光明，尤其是在汽油价格再度升至每加仑3美元以上的情况下。天然气行业的进一步改善正在考虑或正在进行中:

• 许多电厂目前燃烧煤粉可以转换为天然气。这种转换是昂贵的，但可能会导致空气质量的改善。
• 可提供压缩天然气(CNG)车辆，以及转换工具。车队运作，例如每天返回维修设施的巴士或的士，是压缩天然气的最佳选择。
• 目前正在实施将天然气转化为柴油和喷气燃料等传统液体燃料的技术。

工业厂房可处理“湿”天然气马塞勒斯页岩区西部地区正在建设或计划建设的天然气包括长链烃类，即天然气液化(NGLs)。“干”天然气在去除水和任何可能存在的硫化氢后可以直接输送到输电线路。新的输气管道将被要求有效地将从页岩开采出的任何一种天然气输送到美国各地的天然气分销公司和最终用户

“中游”天然气工业 - 那些井场和能源消费之间 - 进行收集，压缩和天然气加工服务，如脱水。这些活动及其相关基础设施将不得不增加与增加产量。

天然气产量不能立即调整供求关系。许多地下储气库藏已在马塞勒斯地区存在使天然气能为冬季高需求存储在那里。在整个马塞勒斯页岩区自然发生的地质空隙许多存储区域将扩大。

天然气的高效营销来自美国的页岩气需要大量的工程考虑。美国未来的能源和环境(空气质量)政策肯定会反映出对天然气资源依赖的增加。

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吉姆·戴利，PMP，天然气的董事，Greenhorne & O 'Mara的能源项目，是该特性的技术贡献者。