从美国页岩矿床开采天然气

页岩地质学与水力压裂

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代海床开采出的天然气被困在泥层中，泥层变成了页岩，这是一种沉积岩。页岩具有致密的小孔隙结构，岩石必须破裂才能释放出困在其中的天然气。美国许多有市场价值的页岩矿藏都位于地表以下一英里(约合1.6公里)以上，有些甚至更深到9000英尺。

以及建设概述

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采用钢封装，并固井到位．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。

一旦通过含水层的初始垂直段的完整性得到验证，井的垂直钻井就会继续进行，直到更低的起始点，井必须从那里开始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。

当天然气井所有的垂直和横向部分都被钻完、套管并安装生产管时，横向管段将被射孔，长度约为1000 '，这样天然气将有通道流入井中。天然气井的水平段通常延伸3000’，现在在某些情况下延伸至近10000’。水平段管柱射孔后，水平段周围的页岩必须保持稳定骨折通过使用沙子、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。

为此，由专业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整个工地地面以下产生冲击波。记录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、横向结构和水力压裂策略。

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)。

此外，随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)技术现在也很流行，传感器被放置在钻头后面，随着钻井的进行来传递当前的条件。还有一种井眼测井技术，在该技术中，将一根电线与仪器放置到井眼中，仪器可以记录电阻率、声波特性、辐射源反射率和尺寸信息等数据。这些信息有助于引导井筒进入和穿过页岩地层。

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

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一口井达到生产点。钻机本身就是工程奇迹，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仔细评估井架的尺寸和容量，并根据钻机和地层深度选择合适的钻机马达。

• 戴里克: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。
• 钻杆以30 '为单位制造和运输，并在现场组装。
• 管站井架可以是单架、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:在采气生产阶段，一个完整的井台通常会减少到1英亩左右。被称为“采油树”，用于井计量的管道和阀门，以及水/气分离和初始气体脱水设备，都安装在等级以上。地面储罐也用于收集和储存在大油井深处发现的盐水(产出水)和从气井中回收的石油。一些担心的土地所有者与环境修复公司和野生动物专家密切合作，使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，井台之外的项目设计考虑是常见的，尤其重要:

• 侵蚀、沉积和雨水控制: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。
• 道路准备或改善:将石料大块运来，放置在平整的道路上，以便车辆更方便地行驶。如果现有的公共路面用于运输钻机、钻杆和套管、砂、水和其他井下材料，通常会增加路面厚度或重铺路面，以便在需要的地方容纳更大的卡车装载。

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，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。
• 现有压缩天然气(CNG)车辆和转换工具。每天返回维修设施的公共汽车或出租车等车队运营是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。

可以加工的工业工厂“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的日益依赖。

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吉姆·戴利，PMP，天然气和格林霍恩&奥玛拉能源项目，是此功能的技术贡献者。