根據(jù)2014年美國能源信息署（EIA）的預測，到2035年，美國來自頁巖地層的非常規(guī)天然氣產(chǎn)量將翻一番，約占國內(nèi)天然氣總產(chǎn)量的一半。同時，在未來幾十年中，非常規(guī)頁巖地層的國內(nèi)石油產(chǎn)量預計將增長15％。

產(chǎn)量的迅猛增長與現(xiàn)代水平鉆井技術和壓裂技術的最新發(fā)展相結合，已經(jīng)釋放了美國龐大的頁巖儲量。該技術引起了很多爭議，引發(fā)了環(huán)保組織和活躍頁巖生產(chǎn)區(qū)社區(qū)居民的抗議。

為了解決社區(qū)和環(huán)保主義者的擔憂，美國石油協(xié)會（API）創(chuàng)建了130個標準，并引用了政府機構的430多次引用。為了滿足這些標準，已經(jīng)開發(fā)了水力壓裂的許多創(chuàng)新。2014年的石油價格暴跌使情況變得更加復雜，這激發(fā)了生產(chǎn)商的更多創(chuàng)新。本文主要討論自那次崩潰以來發(fā)生的事態(tài)發(fā)展。

水平鉆孔

盡管第一口水平井是在1929年鉆探的，但直到最近十年，先進的材料和鉆探技術才使操作員可以通過巖層水平鉆一英里或更長的距離。

進步使得開采成本降低了，因為每個水平井的巖石體積都比為在垂直鉆井中開發(fā)儲層而鉆的幾口井要大得多。水平井還可能嚴重延遲垂直方法的問題，從而導致較低的生產(chǎn)和采收效率，以及過早放棄井。這是因為水平井占用了很大一部分儲量。由于游隙在地層中是水平的，因此通過沿水平方向鉆探，可以開采更多的天然氣或石油。垂直鉆孔時，只能挖掘水平井中與垂直鉆孔相交的一小部分。

2014年油價暴跌后，生產(chǎn)商需要進一步完善技術，以降低成本，同時應對新的行業(yè)挑戰(zhàn)。

Lynn Helms 1在他的論文“ Horizontal Drilling”中稱此開發(fā)為第二代水平鉆井：操作員，鉆井和服務承包商已經(jīng)設計，測試和改進了程序，并設計并安裝了改進的設備。結果是現(xiàn)在可以實現(xiàn)8,000英尺以上的位移。現(xiàn)在也可以鉆探地層圈閉，非均質(zhì)儲層和煤層。結果，可以鉆探更老的油田以提高采收率。第二代應用程序的例子是北達科他州的Cedar Hills-Red River和Wiley-Madison。

現(xiàn)在已經(jīng)有了第三代這種設備，Helms說，該設備可以更長，更深，更準確地放置多個水平井眼，以開采壓裂的烴源巖和熱注入井，例如用于加拿大油砂蒸汽輔助重力排水的井。 。目前在北達科他州和蒙大納州東部的巴肯中部油田是第三代水平鉆井的一個例子。

當被問及天然氣技術研究所（GTI）勘探與生產(chǎn)研究執(zhí)行董事肯特·佩里（Kent Perry）時，他認為在使壓裂技術有利可圖方面最重要的進展是什么，他指出了一些改進措施。他說：“生產(chǎn)商正朝著更高的支撐劑負荷（固體材料，通常是沙子，旨在保持誘發(fā)的水力壓裂開放）以及射孔之間的間距變化而邁進�！� 他說，更長的水平井眼正在破裂，“長度增長到三英里。”

另一個進步包括在水平段鉆井過程中將井（將段插入加固管中）套管入生產(chǎn)地層。這使操作員可以使用密度較低的鉆井泥漿。赫爾姆斯指出：“它們甚至可以在鉆井作業(yè)期間讓油井生產(chǎn)，防止通常在泥漿密度必須足夠高以保持井眼壓力大于地層壓力時通常發(fā)生的許多地層破壞。”

這些技術成就使較小的運營商能夠從每口井獲得最大的回報。但是，主要的鉆井公司現(xiàn)在正在從海上作業(yè)中借用甚至更先進的技術。

殼牌的“ iShale”倡議就是一個例子。該公司正在使用傳感器來自動調(diào)節(jié)井流量并控制天然氣，石油和水的分離。當在海上使用時，這種系統(tǒng)非常昂貴。但是殼牌公司正在尋求整合低成本傳感器，例如Apple Watch中使用的傳感器。這個想法是使用傳感器來消除工人在鉆機現(xiàn)場的需要。傳感器可以使一處工人可以監(jiān)督多口井，從而降低成本并充分利用資產(chǎn)。同樣，可以預測故障，并據(jù)此安排維修。

佩里認為，這是殼牌，斯倫貝謝等公司正在朝著完全自動化鉆井過程邁出的一步。例如，作為其研究的一部分，斯倫貝謝已經(jīng)在美國進行了從海外控制鉆井的測試。佩里說：“由于許多變量需要人工干預，因此尚無法實現(xiàn)鉆井的完全自動化，但是現(xiàn)在鉆井過程中有相當一部分是自動化的�！�

他補充說：“該領域最重大的變化是收集和處理大量數(shù)據(jù)的能力�！� 3D和4D地震讀數(shù)以及來自大量油井和其他地方的測井記錄有助于收集這一“大數(shù)據(jù)”，而計算機建模，數(shù)據(jù)管理和新信息技術有助于對其進行分析。

汽車工業(yè)和航天計劃等許多行業(yè)的技術進步相結合，它們使用機器人技術，為這種數(shù)據(jù)挖掘和使用做出了貢獻。諸如人工智能之類的信息技術的進步可以處理并做出指導機器人技術的決策。通過互聯(lián)網(wǎng)和其他渠道進行數(shù)據(jù)傳輸可以監(jiān)控和查看過程。

挑戰(zhàn)性

佩里還指出，較長的水平井眼給作業(yè)帶來了其他挑戰(zhàn)。他說：“特別需要進一步研究的是一種生產(chǎn)技術，該技術可隨著流量隨時間的推移而使流體在水平井眼中流動�！�

他說，一種復雜的情況是，油和水往往位于井眼內(nèi)的低點，從而降低了產(chǎn)量。他說：“需要有能力確定水平井的產(chǎn)量�！� 他補充說，盡管可以運行生產(chǎn)日志來回答此類問題，但從成本和運營角度來看，收集數(shù)據(jù)是不切實際的。

生產(chǎn)者面臨的另一項挑戰(zhàn)是檢測管道和監(jiān)控罐中的泄漏。一種解決方案是無人機技術，它使使用熱成像技術能夠掃描無數(shù)井中的大片土地成為可能。這樣可以減少人工檢查和可能的高成本停機的成本。

準確預測最佳鉆孔位置的能力也已證明令人煩惱。為此，已經(jīng)開發(fā)了先進的井下傳感器，并將其用于繪制水平井中地下裂縫的位置圖。

另外，佩里說，即使有新的檢測資源的方法，生產(chǎn)者也必須能夠吸收和處理所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)。他說，這些數(shù)據(jù)為地質(zhì)模型提供了輸入，然后提供了關于地層性質(zhì)的更多清晰度。

康菲石油公司（ConocoPhillips）就是其中一個例子，該公司計劃在2019年開始使用磁共振成像技術來分析二疊紀巖石樣品并找到最佳的鉆探位置。這項技術對業(yè)界而言并不是新事物；該公司首先將其用于阿拉斯加的海上作業(yè)。但是，隨著分析數(shù)據(jù)的最新發(fā)展，結果可以提供更好的查找功能。

石油公司還使用了從醫(yī)學中借來的另一種有趣的技術：DNA測序。阿納達科（Anadarko）和挪威國家石油公司（Statoil）正在使用測序技術來查明潛力巨大的地區(qū)。測序的工作原理是從石油中的微生物中收集DNA，然后將其用于在巖石樣品中搜索相同的DNA。

康菲石油公司正在與服務提供商合作，以提高壓裂過程本身的準確性和控制力。該公司正在考慮確定如何對垂直和水平井眼之間的交匯處施加更大的壓力。在更大的壓力下，司鉆可以更有效地激發(fā)裂縫。根據(jù)康菲石油公司首席執(zhí)行官Ryan Lance的說法，這項多邊技術是將改變美國水力壓裂技術的下一個突破。

另一個有希望的創(chuàng)新是激光能量。GTI已經(jīng)使用這種能量代替機械工具或炸藥對井眼進行了研究，這意味著激光可以代替標準的旋轉鉆桿和鉆頭方法鉆井。佩里說，盡管還沒有商用產(chǎn)品，但這項研究顯示出了希望。

水問題

無論使用水平壓裂還是垂直壓裂，司鉆和操作員面臨的最大問題之一是水。問題涉及以下事實：在該過程中使用了稀缺的淡水，以及如何處理采出水（與石油或天然氣一起被捕集并帶到地面的水）。

全球估計，每開采一桶原油，就會產(chǎn)生三桶水。井的生產(chǎn)時間越長，進入過程的水就越多：在北美，該比率接近10：1。

采出水除了來自油井的油脂外，還有多種成分。這些包括鹽，細菌和其他生物，無機鹽，溶解或分散的碳氫化合物，溶解的氣體（例如H2S和CO2）和化學藥品。這些化學物質(zhì)以及在壓裂過程中使用的化學物質(zhì)都是天然存在的，包括除氧劑，阻垢劑，破乳劑和澄清劑，凝結劑，絮凝劑和溶劑。

肯特說，正在開發(fā)用于水處理的大量技術，包括膜研究，滲透，汽化等。

所有這些都面臨著商業(yè)用途的挑戰(zhàn)，包括開發(fā)區(qū)域?qū)λ�的需求以及開發(fā)轉移到新區(qū)域時會發(fā)生什么。

“每口井的生產(chǎn)水量都會發(fā)生很大變化，水質(zhì)也會發(fā)生變化�？咸亟忉屨f，這不像位置和其他條件都比較穩(wěn)定的市政水處理情況。

從井中生產(chǎn)水的主要處理技術包括使用重力油和水分離器，相分離，溶解氣浮，化學處理和蒸餾。還存在電化學方法，包括電滲析和電浮選。最近，正在探索電凝技術，一些研究表明該方法具有去除含油廢水和采出水中存在的大多數(shù)水污染物的能力。3

GTI有一個基于水的生命周期模型，可以評估水的需求。它模擬了開發(fā)中的整個生命周期的水需求。輸入的數(shù)據(jù)包括：隨著時間的推移要鉆多少口井，每口井需要多少水，本地水源和產(chǎn)出水有多少水，可以根據(jù)其質(zhì)量處理多少部分產(chǎn)出水，成本多少？和更多。該模型確定了一段時間內(nèi)所需的水，并確定了多余的可用水時期以及需要其他來源的更多水的時間。

壓裂作業(yè)中獲取淡水變得越來越困難，原因有很多，因此，即使鉆探和生產(chǎn)技術變得更加復雜，水的處理，回收，處置和再利用仍將是生產(chǎn)者的首要任務。