来自美国页岩矿床的工程天然气

页岩地质学和水力压裂

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。植物和原始动物在其中分解古代海床开采出来的天然气被困在泥层中变成了页岩，这是一种沉积岩。页岩具有致密的小孔隙结构，必须将岩石破裂才能释放其中的天然气。美国许多有市场价值的页岩矿床都位于地表以下1英里以上，有些深度可达9000英尺甚至更多。

以及建设概述

页岩剧中的大多数井已经从纯粹的垂直移动到具有水平段。在页岩沉积物上方，垂直孔钻到最深的淡水含水层下方，使用钻头附着的井管，然后钢套管和水泥到位．任何淡水含水层的初始钻井通常都是用旋转钻机进行的，通过压缩空气将钻屑压到地面。

一旦通过含水层的初始垂直段的完整性得到验证，垂直钻井将继续进行到更低的起始点，也就是井必须开始的地方90度转变被称为横向的水平镗孔。通过使用带有重晶石和膨润土（粘土）注入的钻井泥浆的液压旋转钻头来实现淡水含水层下方更深的垂直和横向钻孔。钻孔泥浆冷却钻头并向表面携带钻屑。

当天然气井的所有垂直和水平段都被钻井、套管并安装生产管时，在水平管段进行大约1000 '的射孔，以便天然气有通道流入井中。通常情况下，天然气井的水平段长度为3000’’，现在有些井的水平段长度甚至达到了10000’’。水平段射孔后，必须对水平段周围的页岩进行压裂骨折通过使用加压的沙子、几百万加仑的水和添加剂，使沙子保持悬浮状态，释放气体，防止铁垢和细菌生长。

上面的YouTube视频以图形方式提出了构建天然气所需的施工过程和事件顺序。

在项目开始时，井的天然气产量(天然气回收率)是最高的，但在接下来的几十年里，作业仍然具有经济效益，随着天然气产量的下降呈对数曲线，直到进一步的天然气产量不再具有经济效益。当井达到边际回报率时，其他页岩储层的行业趋势是在经济上可行的地方对现有的水平段进行再压裂。

确定和确认井位

虽然已经对页岩地层深度和厚度有了基本了解，但仍需要具体的现场信息来准确规划钻井和天然气回收。除了评估为达到页岩储层而钻穿的深层土层的均匀性和厚度外，确定页岩中天然裂缝的范围和方向对于最有效地布置井的水平段至关重要。

为此，专门的地球物理测试公司进行了地震测试。小型爆炸装置或卡车在整个现场产生低于地面的冲击波。记录卡车或地震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，以选择最佳钻井位置、横向配置和水力压裂策略。

在钻井期间，在泥浆测井过程中发生井孔的评估，因为检查钻头扦插以记录在任何特定井深度的实际条件（例如，岩石或土壤和土壤水分含量）中。

此外，现在还有随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)技术，传感器位于钻头后方，以跟踪钻井过程中出现的情况。还有一种井眼测井技术，将电缆与仪器一起放入井眼，可以记录电阻率、声波特性、辐射源反射率和维度信息等数据。这些信息有助于指导井眼进入和穿过页岩地层。

对于个人井垫来支持多个井来越来越常见。一些最现代化的钻井平台有可能在井底上行走（横向移动）。只需要大约15英尺的偏移来钻取与现有井相邻的新型垂直井，并且每个额外的良好侧面垂直于页岩自然骨折（所需结果）。在平面图中，多个孔横向侧面通常采用在垂直钻孔的每一侧反射的干草灶的外观，其中任何自然的页岩骨折框架之间相邻的孔横向。

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地层的信息。特别要注意以下几点:第10页，里面有湿气和干气图;第30页，有井的结构和套管图解;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，伴随着一个漫长的(几十年的)生产阶段]。

钻台工程注意事项

Marcellus页岩沉积物的大多数天然气井垫的尺寸约为5-8英亩。在这个地区的大部分地区都有山区或丘陵地形，需要工程师设计切割和填补重物，为钻机和相关的井完成和刺激设备以及现场接入道路准备一个水平，稳定的井垫。临时恢复计划，对于临时，几十年的长期生产阶段和最终恢复阶段，具有适当的环保特征。

需要大量的设备移动和相关的工程活动，才能使井到达生产点。钻机本身就是工程上的奇迹，最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仔细评估井架的尺寸和能力，并根据钻机和地层深度选择合适的钻机马达。

• 戴里克:在进行钻井作业之前，必须竖起一个井架。井架是(钢)起重机和承重结构，支撑钻机和钻杆在钻井上。对于天然气井，井架的范围可达150'。它们由许多卡车以预制部件运送，并在现场组装。
• 钻杆以30 '为单位生产和发货，并在现场组装。
• 管站井架上可以是单座、双座或三座，这意味着它们可以分别容纳基本的30'、60'或90'的组装管段。一些钻机和井架都有步行系统，能够在管架中存储14000英尺的管道时将整个钻机移动到新的位置。
• 钻马达:考虑到垂直井和水平井的组合距离，必须引入钻机马达，以提供足够的动力，使钻头能够钻穿5-8”的井，钻穿岩层的距离很容易达到12,000’(或超过2英里)。现在使用的更大的钻机马达能产生1500多马力。相关的便携式发电机和电缆也需要确定尺寸并送往项目现场，不仅用于钻井作业，也用于区域照明和支持服务。水平段从起始点到水平段末端的钻头是一个涡轮，它由泵入井筒的泥浆驱动。
• 网站恢复:在天然气回收生产阶段，一个完成的井场面积通常减少到约1英亩。被称为“圣诞树”的油井计量管道和阀门，以及水/气分离和初始气体脱水设备，都是超等级安装的。地面上的储罐也用于收集和存储在井深处发现的盐水液体(产出水)和从气井中提取的任何石油。一些相关的土地所有者与环境修复公司和野生动物专家密切合作，将他们的生产地点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来说，除了井场之外的项目设计考虑是常见的，尤其重要的:

• 侵蚀、沉积和雨水控制:在整个井垫和任何新的通道道路的整个生活中，典型的暴风水管理担心适合任何接地项目需要设计。这些包括表土稳定，播种，上梯度导流通道和下梯度沉降盆，以及过滤织物或过滤器袜子。在施工和开发期间，这些尤其重要，直到井垫达到其生产阶段。
• 裂缝水管理:井制剂的页岩压裂阶段需要大量的水，通常在每水平井4-500万加仑的范围内。在井下破裂之前，弗拉姆水带到了该场地，通常通过油轮卡车进行分阶段进行压裂操作。井垫上的水箱和卡车与歧管管道和软管连接到卡车上安装的泵，使水和添加剂可以在非常高的压力下被迫进入井孔。必须实施水管理计划，特别是对于下面的页岩压裂后水返回到表面的水。高密度聚乙烯（HPDE）衬里的凹坑已经用于收集FRAC水，但是使用储罐作为闭环管道系统的一部分存在趋势。
• 道路准备或升级:石料是散装的，放置在分级通道上，以提供更好的车辆移动。如果现有的公共路面用于运输钻机、钻杆和套管、沙子、水和其他油井材料，通常会增加路面厚度，或提供重铺路面，以适应需要更大的卡车装载量。

许多其他的设计和工程考虑包括:

• 土地、管道、集输管线和通道的施工前调查。
• 敏感的环境资源调查，必要时缓解，以及监管许可。
• 基础设施改进，包括桥梁评估和重型卡车交通升级。

争议的概述

这个行业也不是没有争议．新闻媒体中的索赔声称压裂过程导致饮用井水和/或淡水含水液与压裂液，盐水或甲烷的污染造成污染。

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的地方，中间有许多硬岩层。压裂对饮用井水或含水层造成污染的可能性微乎其微。有人反驳说，压裂过程为天然气流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途径。然而，考虑到厚厚的中间岩层和将流体向上驱动数千英尺所需要的极端压力，这种路径几乎不可能形成。

公平地说，在整体井建筑过程中可以与页岩压裂程序分开的整体井建筑过程中可能进行井水或淡水含水层污染。这些饮用水污染方案比任何归因于液压压裂的饮用水污染情况：

• 沿井钻探:通过水位钻孔钻孔井套管周围有缺陷的粘合是一个潜在的担忧。勤奋的壳体上方和通过现有含水层的深度的粘合对于将鲜水从钻孔沉积起来非常重要;监管机构一直在重新加工其规定，以进一步确保水泥井外壳是高度有效的障碍。
• 在井垫上的表面：钻井泥浆的溢出或泄漏，压裂添加剂，用于发电机和车辆的燃料，或者来自井的盐水和生产的水是一个问题。这些流体在井垫的井垫的表面上处理，在含水层下方的井垫，完成。另外，在井场处的较差的压裂水或雨水含量可能导致可能迁移到淡水饮水供应的污染水径。鉴于这些担忧，公司正在改善溢出遏制计划和实践，在整个钻井期间，一些甚至在整个钻垫上铺设了HPDE衬垫。

天然气产量展望

天然气和相关建筑活动市场前景光明，特别是汽油价格现在再次升至每加仑3美元以上。天然气行业正在考虑或正在进行进一步的改进:

• 许多目前燃烧煤粉的发电厂可以转化为天然气。这种转换成本高昂，但可以改善空气质量。
• 压缩天然气(CNG)车辆是可用的，以及转换套件。每天返回维修设施的巴士或出租车等车队都是使用CNG的最佳选择。
• 正在实施将天然气转化为柴油和喷射燃料等传统液体燃料的技术。

工业设备可以处理“湿”天然气，这是含有称为天然气液体（NGLS）的长链烃的气体，正在建设中或在Marcellus页岩地区的西部部分划分。“干燥”天然气可以在去除水和可能存在的任何硫化氢后直接送入输电线路。新的管道将被要求有效地将来自页岩地点的任何类型的提取的天然气传送到整个美国的天然气配送公司和最终用户

“中游”天然气工业 - 井垫和能源消费者之间的天然气行业 - 执行聚会，压缩和天然气加工服务，如脱水。这些活动及其相关的基础设施必须随着产量增加而增加。

天然气产量不能根据供需状况即时调整。马塞勒斯地区有许多地下天然气储藏库，因此可以在那里储存天然气以满足冬季的高需求。Marcellus页岩地区的许多自然地质孔隙中的存储区域将会扩大。

天然气高效营销源于美国的页岩扮演需要大量的工程考虑。对天然气资源的日益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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Jim Daley，PMP，天然气总监和格林霍恩和奥玛拉的能源项目，是此功能的技术贡献者。