美国页岩产业的兴起与水力压裂技术

2015-05-27 11:51:00

经过几十年的建设和技术革新,美国页岩产业得到了快速的发展。从1990年代页岩开采技术开始成熟起,生产成本下降很快。在2008年后国际油价一路上行的国际环境形势下,美国涌现出页岩气工业热潮,如宾夕法尼亚州的马塞勒斯页岩(MarcellusShale)、密歇根州的安特里姆页岩(AntrimShale)、阿肯色的费耶特维尔页岩(FayettevilleShale)、纽约州的尤蒂卡页岩(UticaShale)和俄克拉荷马的卡尼页岩(CarneyShale)等。

在这些商业化的页岩开采与生产以及创新中,水力压裂技术(HydraulicFracturing)起到了关键作用。

水力压裂,顾名思义是使用高压水使岩层破裂的一种技术,其与油气开发有着密切的关联。具体的操作是用远超地层承载压力的高压水泵入油气井中,并引发沿井眼部分的压裂段出现裂缝。高压水中包含用以提升岩层渗透性的添加剂,同时井内还添加沙粒和陶粒等支撑剂用于保持裂缝的开启,从而使油气资源进入井中。水力压裂起初用于老井改造和提高采收率,但随着水平井技术的出现开始大规模应用于页岩油气开采。水平井将钻井在岩层内水平延伸,由于页岩气地层具有水平渗透性,使用水平井可以沿地层延展35公里,以充分获取油气藏。

以岩层压裂技术开采油气资源毫无疑问源自极度崇尚冒险精神的美国,早在1821年,美国工业化开发的第一口气井就是页岩井,压裂技术也因此从一开始就伴随着美国油气行业的发展。但直到1947年,以高压水作为可控岩层破裂诱导的试验才正式开始,两年后印第安纳标准石油(后为Amoco石油,1998年被BP收购)旗下的Stanolind在奥克拉荷马和德克萨斯州建立了两处水力压裂处理设施,从此正式拉开了美国商业化水力压裂技术应用的序幕。

19731979年两次石油危机出现之后,美国才逐步意识到油气资源的高度对外依存度对国家安全产生极大威胁,此后“能源独立”成为30年来美国历任总统都必然提到的竞选词。在这一背景之下,美国国会在1980年迅速通过了非常规燃料免税的优惠政策,随后页岩气开发速度明显加快。德克萨斯州的商人乔治·米切尔(GeorgeMitchell)注意,并且开始尝试非常规钻井。

改善下坡钻井电机和诸如井下遥测设备等发明对于米切尔的努力尤为关键。米切尔公司在德克萨斯州的巴奈特页岩(BarnettShale)的油井已近枯竭,导致了在1980年代和1990年代巴奈特页岩的激进试验。米切尔后来被称做“水力压裂之父”主要就归功于现在使用的,他在非常规钻井技术上的创新。

真正促使水力压裂法和页岩气进入公众视野的,是2003年水平井技术的发明以及随后5年由于天然气价格飙升而引发的国际资金的大量介入。据不完全统计,在20072010年,美国与页岩气相关的各类资产交易接近8000亿美元,较2000年增长近20倍。美国天然气产量激增,从2007年的不到2万亿立方英尺上升到2012年的超过10万亿立方英尺,增加的很大部份都是来自页岩气。美国天然气产量的提高导致美国天然气价格降至历史最低点,同时也带动了工业使用和发电需求。

虽然前景看起来颇为美好,但任何一种资源的开采都不可避免要带来自然资源的破坏。就目前来看,水力压裂法存在两大主要危害:一是地下水污染,二是地质灾害。

水力压裂每次液压破碎都需要耗费大量水,据统计,美国单口页岩气井耗水量平均为20万吨。而压裂液中添加的大量化学药剂被直接注入地下深层,虽然深度在1500米以上,并不会直接危机地下水,但长远来看,化学药剂逐步渗透仍会造成巨大污染。也因此,雪佛龙和埃克森等石油巨头都对水力压裂法持谨慎态度。而在欧洲,除了美国的“老伙计”英国亦步亦趋外,欧洲大陆国家至今仍基本未放开水力压裂禁令,致使其页岩油气开发技术至今仍处于较落后水平。

另外,由于长期超采地下水,页岩油气开采地区存在大面积地下水采空区,再继续向地下施加的高压力会带来不确定的地质损害,岩层的破裂和华东有引发地震的较大可能性。自去年开始,一系列罕见的地质灾害,包括201210月份发生于达拉斯和12月发生于俄亥俄州的地震,都被指为水力压裂引发。

从目前的数据来看,水力压裂与地质灾害的关系似乎非常明显,不过美国政府却选择了回避态度。在这一研究课题公开后,该州的环保部门仍坚持称地震是由自然原因产生,与油气开采无关。英国学界也果断回应,杜伦大学研究表示水力压裂对地质结构虽然有影响,但并不是地震的主要诱导因素,并称在有记录的地震中,仅有3次是由水力压裂引发,水力压裂对地质影响排在采矿、地热和地下蓄水之后,不应该过分担忧。

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