从美国页岩矿床开采天然气

页岩地质和水力压裂

页岩沉积物中的天然气，包括马塞勒斯页岩地层中的天然气，起源于数百万年前的史前生命。植物和原始动物在古海床产生的天然气被困在泥浆层中，成为页岩，这是一个沉积岩。页岩的小毛孔结构紧凑，岩石必须裂缝，以释放出困境的天然气。许多美国的销售页岩存款位于地球表面下方超过一英里，有些大约9,000英寸或更多。

井建筑概述

页岩储层中的大多数井已经从纯垂直井段转变为水平井段。在页岩矿床的上方，使用带有钻头的井管钻一个垂直孔，钻至最深的淡水含水层以下在钢制衬垫并巩固到位．任何淡水含水层的初始钻进通常都是用旋转钻头进行的，钻屑通过压缩空气被压到地面。

一旦通过含水层的这种初始垂直段的完整性都经过验证，井的垂直钻井就在下面进一步进一步进一步，其中井必须开始90度转变到水平钻孔称为横向钻孔。淡水含水层以下较深的垂直和横向钻进是通过液压旋转钻机与注入重晶石和膨润土(粘土)的钻井泥浆完成的。钻井泥浆冷却钻头，并将钻屑带到地面。

当天然气井的所有垂直和横向部分都是钻孔，套管，并配有生产管道，横向管道部分在约1,000'的部分中穿孔，使得天然气将具有流入井的途径。在某些情况下，天然气井常规延伸3,000'，现在距离近10,000'。在横向井管穿孔后，横向侧向的页岩必须是裂缝通过使用沙子、数百万加仑的水和添加剂的加压混合物，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一口天然气井所需的施工过程和一系列事件。

在项目初期，井的天然气产量(天然气采收率)最高，但在接下来的几十年里，作业仍然是经济的，并遵循对数曲线递减，直到进一步的天然气产量不再具有成本效益。当井达到边际回报率时，其他页岩气藏最近的行业趋势是在经济可行的情况下对现有的水平段进行重复压裂。

确定和验证油井位置

虽然我们已经知道了页岩地层深度和厚度的基本信息，但仍然需要具体的现场信息来准确规划钻井和天然气回收。除了评估钻至页岩的底土层的均匀性和厚度外，确定页岩中天然裂缝的程度和方向对于最有效地布置井的横向部分至关重要。

为实现这一目标，进行了专门的地球物理测试公司的地震检测。小型爆炸性收费或捶击卡车在整个网站上产生低于等级的冲击波。录制卡车或地理位音捕获反射声波，然后计算机程序会生成图形，有助于识别选择最佳钻孔位置，横向配置和液压压裂策略所需的所有必要的地下功能。

在钻井过程中，在录井过程中对井筒进行评估，检查收集的钻屑，记录在任何特定井深的实际情况(例如，岩石或土壤的类型和土壤水分含量)。

另外，在钻井（MWD）或钻井（LWD）技术的同时测量，在钻孔（LWD）技术中，传感器位于钻头后面以在钻头进展时中继所存在的条件。还存在一种钻孔测井技术，其中用仪器将线线放入孔中，该仪器可以记录电阻率，声波特性，辐射源的反射率和尺寸信息的数据。这些信息有助于指导钻孔到钻孔和通过页岩形成。

单个井台支撑多口井的情况越来越普遍。一些最先进的钻机都具有在井台上移动(横向移动)的潜力。在现有直井附近钻新的直井只需要大约15英尺的邻井，每口井的新水平段都垂直于页岩天然裂缝(这是一个理想的结果)。在平面视图中，多个分支井通常在垂直井的每一侧呈现干草叉的外观，相邻分支井之间的天然页岩裂缝被框架化。

这演讲宾夕法尼亚州立大学农业科学学院提供了更多关于马塞勒斯页岩形成的信息。特别注意以下几点:第10页，其中有湿气和干气图;第30页，有井的结构和套管图形;第31页，显示横向方向(干草叉模式);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迅速下降，伴随着一个长(几十年)的生产阶段]。

钻井平台工程注意事项

马塞勒斯页岩(Marcellus Shale)的大部分天然气井场面积约为5-8英亩。该地区大部分地区都是山区或丘陵地带，这就要求工程师设计大量的挖土和填土工程，为钻机和相关的完井和增产设备以及现场通道准备一个水平、稳定的井台。需要为临时的、长达数十年的生产阶段和最终的恢复阶段制定具有适当环境保护特征的场地恢复计划。

需要大量的设备运动和相关的工程活动来获得良好的生产点。钻机本身是工程奇迹，较新的钻机正在为Marcellus Shale定制。设计或指定钻机的工程师仔细评估Derrick Size和容量，并为钻机和深度选择合适的钻孔电机。

• 德里克：在钻井作业之前，必须架设起井架。井架是一种钢结构的起重机和承重结构，用于支撑钻柱和钻杆。天然气井的井架长度可达150英尺。这些预制构件用大量卡车运输，并在现场组装。
• 钻杆由30'增量制造并运输，并在现场组装。
• 管道立场井架可以是单架、双架或三架，这意味着它们可以分别安装30'、60'或90'的基本管段。一些钻机和井架具有行走系统，能够将整个钻机移动到平台上的新位置，同时14,000'的管道存储在管架中。
• 钻马达:必须引入钻机马达，以提供足够的动力，使钻头能够沿着很长的距离切割5-8英寸的岩层，考虑到直井和水平井的组合距离，这段距离可以轻松达到12,000'(或超过2英里)。目前使用的大型钻机的马力超过1500马力。相关的便携式发电机和电缆也需要调整尺寸并送到项目现场——不仅用于钻井作业，还用于区域照明和支持服务。水平段从启动点到水平段末端的钻头是由泵入井眼的泥浆驱动的涡轮。
• 网站恢复：天然气检索的生产阶段的完整的井垫通常减少到约1英亩的部位。被称为“圣诞树”，用于良好的计量的管道和阀门，以及水/天然气分离和初始气体脱水设备，安装在等级上方。地上罐中的上面还有收集和储存盐水液体（生产水）在很大的深处发现，任何从气体中取出的油。一些有关的土地所有者与环境恢复公司和野生动物专家密切合作，将其生产网站返回生态友好状态。

额外的工程考虑因素

对于未开发和偏远地区的天然气井项目来说，井台之外的项目设计考虑是常见的，尤其重要:

• 侵蚀，沉降和雨水控制：在井台和任何新通道的整个生命周期中，典型的雨水管理问题适用于任何土方工程需要进行设计。这包括表土稳定、播种、上梯度导流渠和下梯度沉淀池，以及滤布或滤筒。在施工和开发过程中，直到井台达到生产阶段，这些都非常重要。
• 裂缝水管理:页岩压裂准备阶段需要大量的水，通常每口水平井需要400 - 500万加仑的水。在进行水平段压裂之前，通常通过油罐车将压裂水运至现场，进行分段压裂作业。井台上的水箱和卡车通过管汇和软管与卡车上安装的泵连接，这样就可以在非常高的压力下将水和添加剂强制注入井筒。必须实施水管理计划，特别是在页岩压裂后返回地面的水。高密度聚乙烯(HPDE)内衬井已经被用于收集压裂水，但将储罐作为闭环管道系统的一部分的趋势越来越明显。
• 道路准备或升级：石骨料被散装并放置在分级接入道路上，以提供更好的车辆运动。当现有的公共浮出水面的道路用于运输钻机，钻管和套管，砂，水等井材料时，通常增加路面厚度或提供重压件以适应所需的较大的卡车装载。

其他许多设计和工程方面的考虑包括:

• 对土地、管道、集输线路和通路进行施工前调查。
• 敏感的环境资源调查、必要时的缓解措施和监管许可。
• 基础设施改进，包括桥梁评估和重型卡车交通升级。

争议概述

这个行业没有没有争议．新闻媒体声称，压裂过程已经导致饮用井水和/或淡水含水层被压裂液、盐水或甲烷污染。

页岩中的水力压裂活动非常深，饮用水供应通常在页岩带上方一英里或更多，中间有许多坚硬的岩层。压裂对饮用井水或含水层造成污染的可能性微乎其微。反对意见认为，压裂过程为天然气进入天然气井水平段上方数千英尺的淡水含水层创造了新的通道。然而，考虑到中间厚厚的岩层和将流体向上驱动数千英尺所需要的极端压力，形成这样的通道是极不可能的。

可以说，除了页岩压裂过程之外，在整个油井建设过程中，井水或淡水含水层可能受到污染。这些饮用水污染情景比任何水力压裂都更可信:

• 沿井筒钻探:在钻过地下水位的井中，套管周围的错误固井是一个潜在的问题。在现有含水层的上部和下部进行套管固井作业，对于将淡水从井眼中隔离出来非常重要;监管机构一直在修改法规，以进一步确保固井套管是高效的屏障。
• 井台地面:钻井泥浆、压裂添加剂、发电机和车辆用燃料、盐水和油井产出水的溢出或泄漏都是一个问题。在施工、完井和含水层以下的天然气生产期间，这些流体在井台的地面进行处理。另外，井场的压裂水或雨水密封不良可能会导致污染的水流失，这些水可能会转移到淡水饮用水供应中。考虑到这些问题，公司正在改进他们的堵漏计划和做法，一些公司甚至在完井阶段将HPDE尾管覆盖整个钻井平台。

天然气生产前景

天然气和相关建筑活动的市场前景光明，特别是汽油价格现在再次超过每加仑3美元。进一步的天然气工业改进正在考虑或正在进行中:

• 许多目前燃烧煤粉的发电厂都可以转化成天然气。这种转换成本很高，但可以改善空气质量。
• 可提供压缩的天然气（CNG）车辆，转换套件是可用的。每天返回维护设施的公共汽车或出租车等总线或出租车是CNG的优秀候选者。
• 将天然气转化为柴油和航空燃料等传统液体燃料的技术正在实施。

可以加工的工业工厂“湿”天然气目前，马塞勒斯页岩地区的西部地区正在建设或规划中。“干燥”天然气可以在去除水和任何可能存在的硫化氢后直接送入输电线。为了有效地将页岩开采的任何一种天然气输送到美国各地的天然气分销公司和终端用户，将需要新的管道

“中游”天然气行业，即位于井台和能源消耗之间的行业，提供收集、压缩和脱水等天然气处理服务。这些活动及其相关的基础设施将随着产量的增加而增加。

天然气产量不能立即根据供求情况进行调整。马塞勒斯地区有许多地下天然气储存库，因此天然气可以储存在那里以满足冬季的高需求。马塞勒斯页岩地区的许多天然地质空洞的存储区域将会扩大。

高效营销天然气美国的页岩中需要众多工程考虑因素。增加对我们天然气资源的依赖，肯定会反映在美国未来的能源和环境（空气质量）政策中。

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吉姆·戴利，PMP，天然气和Greenhorne＆O'Mara的能源计划他是该特性的技术贡献者。