液压破碎法丨页岩油气革命的驱动技术

本文选自Engineering 期刊2018年第4期

作者：Lance A. Davis

来源：Lance A. Davis.The Shale Oil and Gas Revolution[J].Engineering,2018,4(4):438–439.

在地缘政治的影响下，全球能源格局时常遭受剧变。对于经历过1973年石油禁运的美国人而言，在加油站排着长队等候的情景仍历历在目。

如今，世界上出现了完全由技术驱动的一大剧变——水力压裂和水平钻井。这些主要是在美国发展起来的技术，已经有了几十年的发展历史，但是由于这些技术对世界能源和下游工业化学品市场产生了巨大影响，所以直到最近几年，它们的重大进展和广泛应用才得到很大的关注[1–3]。

2015年，美国石油和天然气碳氢化合物产量位列世界第一。2012年，美国的石油和天然气总产量超过俄罗斯；2011年，美国成为世界上最大的天然气生产国；2013年，美国所有石油碳氢化合物产量达世界最高水平[4]。

目前美国原油总产量接近每天9.5×10⁶桶，略低于1970年每天1×10⁷桶的美国历史纪录水平。按年计算，自2008年至2017年的短短9年内，美国原油总产量从1.829×10⁹桶增至3.402×10⁹桶[5]。

美国油价在几年前曾达到每桶100美元，2018年3月为每桶65美元，高昂的油价使得页岩油回收有利可图，是美国原油产量迅速增长的一大动力。并且，自2015年取消40年禁令之后，美国成为了石油和液化天然气（LNG）出口国[6]。页岩气的繁荣发展也带动了美国对下游化学品生产的巨额投资。

即便还没有完全地实现能源独立，美国现在对海外石油和天然气的依赖程度已经减轻了许多。这一地缘政治的发展影响十分深远——远远超出了这篇短文的范围，但是人们在参考文献[1–3]中可窥一斑。

这种石油和天然气从油页岩矿床中开采而来，众所周知，它们在美国有大量的储量，但还无法以一种比较经济实用的方式被开采出来。而水力压裂和定向/水平钻井技术（当两项技术结合时通常被称为“液压破碎法”）的持续发展改变了现状。

液压破碎法需要把混有沙子的水/化学品混合物抽送到高压沉积物中，使岩石在已经定向钻孔的地层中破裂。水被注入时，沙子支撑着岩石裂缝打开，为油和气流向开采井留出通道。

第一例水力压裂发生在19世纪60年代，但是进一步的发展于1947年开始，这项技术在20世纪六七十年代被广泛应用于常规采油[7]。“现代液压破碎法”始于20世纪90年代，当时美国独立石油和天然气开发商George P. Mitchell将水力压裂与定向/水平钻井相结合[7,8]。

钻井垂直开始，在离目标矿床约100m处停止钻井。然后在钻柱和钻头之间安装液压马达，当钻头呈某一角度时，泥浆便通过其被抽入，使得其转动并以垂直角度探钻，而不用旋转整个钻柱。钻头进入矿床后就变为水平探钻。这种名义上的水平钻柱可以被精确控制以契合矿床的剖面。

如图1所示，美国的页岩矿床通常会在水平方向上延伸较大的距离，且厚度相对有限[9]。页岩矿床富含石油和天然气，但由于页岩缺乏渗透性，难以通过常规方法进行提取。

☝ 图1 天然气资源地质示意图[9]

这个问题通过水力压裂得到了解决，但由于矿床太“薄”，单靠水力压裂是不够的。传统的垂直钻井只能进入相当于巨大“煎饼”的一小部分。在矿床中操纵钻柱从垂直移动到水平，可以缩短油气流入井筒的距离，将井筒延长1km或更长以便用于经济开采。一个单井口可以部署多个水平钻柱，以挖掘矿床的所有象限。

页岩气通常含有70%~95%的甲烷（这对其能源含量来说很有用），以及少于15%的乙烷和少于5%的丙烷。乙烷和丙烷从甲烷中分离而来，尽管含量有限，但乙烷是化学中最重要的成分。蒸汽裂解制乙烯（也称次乙基），是下游化工产品的基本组成部分。

化学工业每年生产1.5×10⁸t乙烯，超过任何其他化学合成砌块[6]。在欧洲和亚洲，获取乙烷是从石油中提炼出来的石油脑开始的，因为天然气液供应有限，而且虽然石油比液化天然气更经济，但其有更高的生产成本。在中东地区，天然气充足，乙烷则是从天然气液中提取[10]。美国与中东地区竞争激烈，但相对于欧洲和亚洲却有着巨大的优势。因此，美国出现了大规模的化学品生产热潮。

在2018年4月，美国化学委员会（AmericanChemistry Council）报道说，自2010年以来，美国已经投资了1940亿美元用于超过325个新的化学品生产项目，因为从页岩矿床中得到供应充足、稳定且具有成本竞争力的天然气数量不足[11]。这项投资的数额逐步增加，超出了化学工业对合理的数量扩张和工艺升级的必要投资。它推动了美国化学工业的复兴，美国化学工业已经从世界高成本生产者转变为成本最低的生产者之一。

大部分投资是用于出口的，其中64%的投资项目是针对外国公司或外国合作伙伴。美国的乙烯产能预计将从2015年的2.9×10⁷t增加到2021年的4×10⁷t[12]。

页岩油和天然气的繁荣也不乏有质疑者。人们一直担心水力压裂会导致地下水受到污染，引发当地地震，并在萃取过程中导致甲烷逸出，这是一种比CO₂更强的温室气体[13,14]。还有人指出，大量低成本的页岩油和天然气的供应可能会阻断/延迟其转换为对抗全球变暖的低碳能源，如风能和太阳能[1,15]。

人们对于液压破碎法有着众多担忧，以至于德国、法国以及美国的纽约州都禁止使用此方法[13]，但是页岩油气的开发在美国其他地区仍蓬勃发展。事实上，页岩油气的经营者不愿意承认这些潜在的问题，但是政府和社区不断施压，迫使他们不断改进工艺过程以减少潜在的不利影响。

低成本页岩气的供应是造成美国煤炭工业衰退的主要原因。支持者指出，相较于煤炭，天然气排放的温室气体更少，而且循环使用对于天然气发电厂也更为容易。他们认为如果储电技术一直缺乏实质性改进，那么天然气厂便始终需要规避太阳能或风能设施带来的供应损失。

还有人指出，太阳能和风能设施的成本稳步下降[16]，地方政府（特别是在美国西部各州）法规规定，继续鼓励引进太阳能和风力发电场来取代传统的煤炭和核电，在某些情况下，相较于油气厂，政府更偏爱这些太阳能和风力发电场[15]。

参考资料：

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[1] Blas J. The dark side of America’s rise to oil superpower [Internet]. New York: Bloomberg L.P.; 2018 Jan 25 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-01-25/the-dark-side-of-americasrise-to-oil-superpower.

[2] Krauss C. Boom in American liquefied natural gas is shaking up the energy world [Internet]. New York: The New York Times; 2017 Oct 16 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.nytimes.com/2017/10/16/business/energyenvironment/liquified-natural-gas-world-markets.html.

[3] Krauss C. Oil boom gives the US a new edge in energy and diplomacy [Internet]. New York: The New York Times; 2018 Jan 28 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.nytimes.com/2018/01/28/business/energyenvironment/oil-boom.html.

[4] Doman L. United States remains largest producer of petroleum and natural gas hydrocarbons [Internet]. Washington, DC: US Energy Information Administration; 2016 May 23 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=26352.

[5] US field production of crude oil [Internet]. Washington, DC: US Energy Information Administration; [cited 2018 Mar 30]. Available from: https://www.eia.gov/dnav/pet/hist/LeafHandler.ashx?n=PET&s=MCRFPUS1&f=A.

[6] Peplow M. How fracking is upending the chemical industry. Nature 2017; 550(7674):26–8.

[7] Manfreda J. The real history of fracking [Internet]. Oilprice.com; 2015 Apr 13 [cited 2018 May 25]. Available from: https://oilprice.com/Energy/Crude-Oil/The-Real-History-Of-Fracking.html.

[8] King HM. Directional and horizontal drilling in oil and gas wells [Internet]. Geology.com; c2005–2018 [cited 2018 May 25]. Available from: https://geology.com/articles/horizontal-drilling/.

[9] Schematic geology of natural gas resources [Internet]. Washington, DC: US Energy Information Administration; 2010 Jan 27 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.eia.gov/oil_gas/natural_gas/special/ngresources/ngresources.html.

[10] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Division on Earth and Life Studies, Board on Chemical Sciences and Technology. The changing landscape of hydrocarbon feedstocks for chemical production: implications for catalysis: proceedings of a workshop. Alper J, editor. Washington, DC: The National Academies Press; 2016.

[11] US chemical investment linked to shale gas: $194 billion and counting [Internet]. Washington, DC: American Chemistry Council; 2018 Apr [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.americanchemistry.com/Policy/Energy/Shale-Gas/Fact-Sheet-US-Chemical-Investment-Linked-to-Shale-Gas.pdf.

[12] Forecast of global supply and demand trends for petrochemical products (for the period 2008 to 2021) compiled [Internet]. Tokyo:Ministry of Economy, Trade and Industry; 2017 Jun 28 [cited 2018 May 25]. Available from: http://www.meti.go.jp/english/press/2017/0628_003.html.

[13] Fracking: the pros and cons of extracting shale gas [Internet]. London: BBC; 2015 Jun 23 [cited 2018 May 25]. Available from: http://www.bbc.com/news/av/uk-england-lancashire-33230412/fracking-the-pros-and-consofextracting-shale-gas.

[14] 26 pros and cons of fracking [Internet]. Seattle: Vittana; [cited 2018 May 25]. Available from: https://vittana.org/26-pros-and-cons-of-fracking.

[15] Penn I. It’s the No.1 power source, but natural gas faces headwinds [Internet].New York: The New York Times; 2018 Mar 28 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.nytimes.com/2018/03/28/business/energy-environment/natural-gas-power.html.

[16] Seigel RP. On the climb to renewable energy, solar and wind prices tumble [Internet]. Oakland: GreenBiz Group Inc.; 2017 Aug 17 [cited 2018 May 25]. Available from: https://www.greenbiz.com/article/climb-renewableenergysolar-and-wind-prices-tumble.

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