怎麼評價液壓破碎法/水力壓裂法 (fracking)?

水力壓裂
英語:Hydraulic fracturing,又稱為水力劈裂、水力裂解技術)是開採頁岩氣時所用的方法,用水壓將岩石層壓裂,從而釋放出其中的天然氣或石油。


對於李瀅浩的答案,非專業人士了解這麼多,很厲害呀!不過還是有點小的問題,「而這裡特別提一下@十年燈 最後一段,現在唯一掌握並且大規模利用水壓法的只有美國,剩下的國家包括我們都是在跟著炒概念。因為現在唯一一個在實際採用此類技術大規模生產的就是美國,剩下的國家純粹跟著瞎摻乎。」這個其實是有偏頗的,水力壓裂法已經很普遍的技術,並不特別,美國領先的是水平井分段壓裂技術,而且是領先不是壟斷,而且也不是「只有美帝其他國家瞎摻乎」,很多帝都是很厲害的,斯倫貝謝應該算是法國的吧,可以了解下;我們國家也可以做只是不能那麼好,還是能湊活用的,國內的川慶鑽探等公司也還是蠻可以的,至少對付亞非拉好夥伴們是完全沒有壓力的。您這麼說,這讓我們這些學石油的學生情何以堪,無地自容呀。

算半個專業人士吧,本科學習石油工程,碩士在讀學習油氣田開發(油藏數值模擬方向)。油氣田開發有一個方向專門研究水力壓裂 (Hydraulic Fracturing),即油氣增產方向 (Reservoir Stimulation),包括壓裂,酸化等。一般不翻譯為水力劈裂,業內的人都用為水力壓裂或壓裂。

對於石油工程的學生本科階段會在採油工程一書里講到(西南石油是這樣的), 1947年就開始了Hydraulic fracturing -。這篇給非專業人士看的文章其實講的比較詳細只不過是英文的。
King, G. 2012. Hydraulic Fracturing 101: What Every Representative,
Environmentalist, Regulator, Reporter, Investor, University Researcher,
Neighbor and Engineer Should Know About Estimating Frac Risk and
Improving Frac Performance in Unconventional Gas and Oil Wells.
Presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference, The
Woodlands, Texas, 6-8 February. SPE-152596-MS. Hydraulic Fracturing 101: What Every Representative, Environmentalist, Regulator, Reporter, Investor, University Researcher, Neighbor and Engineer Should Know About Estimating Frac Risk and Improving Frac Performance in Unconventional Gas and Oil Wells

壓裂的成本是很高的。生產實習在川慶鑽探參觀過,那一台壓裂車貌似是2000萬吧,於是大家紛紛和它合影,圖片沒找到,隨便在已經工作的同學的人人里找了一張,很壯觀吧。一般頁岩氣壓裂用個10台很正常,所以說搞壓裂的有錢呀,學壓裂的也有錢途呀,也說明了頁岩氣開發成本是很高的。不是一般人玩的起的,因此也有人說頁岩氣是老美搞出來的騙局。
頁岩氣大騙局
_焦點透視

見新聞中國頁岩氣工廠化作業國內外裝備巨頭同台競技。給爪機黨(近日,記者從中石油川慶鑽探公司了解到,國內首次頁岩氣「工廠化」作業正在長寧-威遠國家級示範區開展。據悉,井場共布井6口,目前已有3口井順利完成壓裂作業,正在進行投產測試,投產後將會繼續另外3口井的鑽完井及壓裂作業。在「工廠化」壓裂作業過程中,施工方則選用了1台哈里伯頓混砂車和1台傑瑞混砂車交替進行混砂施工、10台哈里伯頓壓裂車與11台傑瑞2000型壓裂車共同壓裂的作業方案,確保了首次「工廠化」作業順利推進。)

對於頁岩氣(以及煤層氣,其實都是天然氣即大部分是CH4甲烷,所以說它清潔嘛),一般採用水平井分段壓裂Multistage Hydraulic Fracturing,先打一口水平井然後壓裂,但是和常規的直井壓裂僅幾條縫不同,分段壓裂要壓很多段20-30段國外,國內由於技術限制只有10多段,不過以後會更多。圖片來自維基百科,與常規壓裂另一點不同是頁岩氣壓裂利用了頁岩較高的脆性,利用清水壓裂,不加或加入少量的支撐劑;形成錯位縫(剪切縫)自支撐,常規的是嚙合縫(拉伸縫)靠支撐劑撐開;然後進一步形成很多微裂縫就像把地層像玻璃打碎一樣(體積壓裂的概念),這樣就極大的提高了地層的滲流能力,所以頁岩氣井才能有具有商業價值的產量,還是忍不住引用一下吧:
陳作, 薛承瑾, 蔣廷學, 等. 頁岩氣井體積壓裂技術在我國的應用建議[J]. 天然氣工業, 2010, 30(10): 30-32.
鄒雨時, 張士誠, 馬新仿. 頁岩壓裂剪切裂縫形成條件及其導流能力研究[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(18).

美國之所以能成功開發頁岩氣,很大程度歸因於水平井分段壓裂技術。確實在頁岩氣壓裂開發過程中也出現了很多問題,比如說水源污染呀,見視頻自來水燃燒_百度百科。但是壓裂技術對於開發低滲的非常規油氣藏非常重要,幾乎是唯一途徑,而且廣泛應用,說不定大家家裡現在燒的氣或者車用的油就是壓裂開發來的。
個人覺得當今人類的活動和生態多少會有矛盾,這是避免不了的,但是還是要引起重視。石油領域其實很關心環境的(政治任務大家懂得),不知道大家聽說過HSE體系沒有,這就是石油行業最早提出的。

如圖這本書差不都是經典吧,反正我同宿舍學習壓裂方向的同學抱著看,就盜圖了。
學石油的同學的Wikipedia,Petrowiki,只不過貌似只有英文版,如果英文好的可以看一下(Hydraulic fracturing -)。

這方向的研究學者國內外都很多,國外著名的即是編書的那個Economides,國內出名的有任老,任書泉_百度百科,中石油的副校長張士誠_百度百科,我們學校的校長趙金洲_百度百科,等等;貌似這個方向還沒出院士(貌似!),因此未來是我們石油領域下一個院士的熱門方向,希望我們趙校長加油呀。

最後,國內的頁岩氣開發現在真正投入實踐的(壓裂生產的)僅僅在四川重慶地區吧(據我所知)。中國非常規油氣網涪陵焦石壩頁岩氣開發一期產建拉開序幕。其他省份剛剛起步吧,雖然媒體吵得很熱,希望頁岩氣能為我們帶來清潔的能源吧。


知乎上還有石油行業細分技術的問答,驚喜之餘,網友回答還是有些不全面,作以下補充:
1. 水力壓裂技術成熟度:
水力壓裂技術已經很成熟,可以上優酷上搜索【中國壓裂網】有很多視頻,並且有關於水力壓裂技術發展史的視頻

2. 水力壓裂工業應用:
水力壓裂目前廣泛應用於全世界的低滲滲油藏開發,尤其是非常規油氣如緻密砂岩氣、頁岩氣和煤層氣的開發,注意是全世界,包括美國、加拿大、中國、澳大利亞、阿根廷、英國、波蘭及非洲(中東油太豐富了,常規油藏高孔高滲一般不需要壓裂)。技術先進性美國加拿大同一檔次,澳大利亞煤層壓裂次之,中國可以排第三的。當然有些裝備需要進口。

3. 水力壓裂技術提供者:
(1)公司
關於水力壓裂技術提供者當屬國際油服巨頭,從美國近些年申請的專利就可以看出:

四大油服:SchlumbergerHalliburtonBaker HughesWeatherford
加拿大的Califrac等中小規模油服公司
國內的三桶油的鑽探公司或工程服務公司
國內民營油服:安東、百勤、華油SPT等及中外合資公司(技術上未必有國企油服的好)
(2)高校
北美的高校石油工程專業基本上都有水力壓裂專業,舉幾個SPE論文常客高校:
得州大學奧斯汀
得州農機
休斯敦大學
俄克拉荷馬大學
阿爾伯塔大學
卡爾加里大學。。。

4. 水污染及消耗問題:
(1)水污染:
有安全表明經壓裂的頁岩氣已經進入了淺層地下水,導致美國居民引用水(自來水)中含有大量氣泡(甲烷,頁岩氣的主要成分),甚至可用打火機點燃。中國壓裂網論壇和youtube上有大量視頻,這也是美國民眾抗議水力壓裂技術的主要原因。

(2)水資源消耗問題:
水力壓裂要消耗大量的水是事實,對缺水地區來說是個問題。但目前,人們正在努力開發無水壓裂技術,強LPG壓裂,CO2壓裂技術,既實現 壓裂又不消耗水資源。
開發低滲透油藏,壓裂是必須的,水力壓裂只是壓裂方式的一種,不是必須的,相信油服公司會找到環境友好型 壓裂技術。

5. 水力壓裂誘發地震
有實際案例證明水力壓裂會誘發較大震級的地震(M+2),人類有震感。已經獲得美國官方證實。尤其是頁岩氣開發和水力壓裂活躍地區之一美國Oklahoma州,因為水力壓裂的應用,地震發震率明顯上升。
世界範圍內,比較著名的有3個(見下圖),震級均大於2級:

就先談這麼多吧,希望我解釋的還是比較淺顯的,畢竟現在【頁岩氣】【水力壓裂】已經成了熱詞了,buzz words, 非石油行業的人都聽說過,也有許多誤解,希望我的回答能普及一下這方面的知識。


2014年,我在准東參與試油工作的時候有幸見識過緻密油平台叢式井組的大型水利加砂壓裂現場,此井組為六口水平井,六口井的方位角以井場為中心360度放散開,由於緻密油低滲透率的特點,此壓裂的目是連通六個方向的水平井段,把井筒之間的地層連通呈蜘蛛網的形態。施工採用大排量,高壓力的手段,8台2500型壓裂車,同時作業,採油樹壓力級別105MPa,施工井口壓力達到了80MPa。

以上是基本情況。我不知道題主有沒有在石油行業一線工作過,或者對壓裂酸化有沒有一定基礎的了解。實際壓裂過程中,我們對地層的壓裂施工分為三段,第一段:前置液,前置液一般是滑溜水,在排量穩定的時候,還需要加段塞(粒徑小的石英砂,目的是打磨不規則的裂縫,方便支撐劑進入);第二段,攜砂液,主體是胍膠,攜帶支撐劑(普遍為陶瓷粒);第三段:頂替液,一般也為滑溜水。有一點必須提出的是,這兩種液體是含硫的,我曾經遇到過地層不含硫,但是壓裂後卻出硫化氫的情況。

那麼這井組為什麼這麼特別呢?要回啊對這個問題就必須要說它的壓裂管柱。井組6口井都採用水平段裸眼完井的完井方式,管柱採用裸眼封隔器加常閉循環閥的組合疊加,總體為23級,也就是說一共23組裸眼封隔器加常閉循環閥,至於前面說我們國家的多級壓裂技術不行的朋友,我想說我們的技術也是可以擺上檯面的嘛。其中還有兩口井採用了橋塞射孔壓裂連作的工藝(6口中的2口由於循環閥產生砂橋不能直接壓裂,便採用了直接射開油管壓裂的手段進行下一步作業)。我們的技術是越來越牛逼的,而且各位朋友,不要一說起壓裂就想起頁岩氣嘛,我們的常規油藏,非常規油藏方面,壓裂也是運用的非常廣的。准東這邊一般工序都是,射孔,替液或者抽汲,有油就壓,沒有就封,哈哈哈哈哈。


寫得很亂,總體來說壓裂不是一個新名詞,但是隨著工藝完善,壓裂的應用越來越廣了。
PS:不要問我壓裂和水利壓裂有沒有區別:D


看來真是油紅是非多呀,水力壓裂法這個看起來高端大氣的技術術語已經被大家耳熟能詳了呢~作為北美頁岩氣開發的大功臣,水力壓裂法在『建功立業』的同時也廣受詬病,能豆君就在這裡帶大家一窺究竟。

定義:水力壓裂法是指使用摻入了化學物質的高壓水流對頁岩層進行壓裂,人為造成很多縫隙,將石油或天然氣從岩石縫隙中釋放出來,並順著井筒流到地表的油氣開採方法。

起源:雖然水力壓裂法的大量應用的確是在近些年,但是早在1947年,美國的堪薩斯州就進行了水力壓裂的試驗。該項技術於1949年獲得專利權,當年晚些時候,哈里伯頓石油固井公司(Halliburton Oil Well Cementing Company)將其投入商業運營。有數據稱,從那時起至今,大約90%的美國油氣井都採用了水力壓裂技術,非常規油氣在該技術的應用領域還要算是「後起之秀」。

問題:

1. 環境污染:環保人士認為,用於壓裂岩石的高壓水流中含有大量化學物質,是污染的最主要來源。事實上,採用水力壓裂法注入地下的液體,其最主要成分是水和砂,化學物質的含量非常少。當然,這並不意味著對環境毫無影響,但影響程度絕沒有想像中那麼大。

2. 水耗:根據美國環保署公布的數據,依照當前的鑽探速度,美國平均每年大約鑽探3.5萬口頁岩井,每口井需要消耗200萬到500萬加侖(1加侖約等於3.78升——編者注)的淡水。以此計算,每年美國需要消耗掉700億到1400億加侖的水用於開採頁岩油氣。這對於日趨缺乏淡水的世界來說,可是一個不容忽視的問題。不過,事情總有兩面性。開採頁岩油氣過程中使用的水,約有20%還會重新返回地面。雖然這種返回地面的廢水混有化學液體、重金屬、鹽等,對植物和水生物都有劇毒,但卻為水處理行業提供了商機。越來越多的油服公司和水處理公司加入了回收處理和再利用壓裂用水的行列。

3.讓美味冰激凌價格更高!據油價網撰文稱,壓裂液中有一種含量很小的化學製劑瓜爾膠,是瓜爾豆植物種子的天然產物,可以用來改善冰淇淋等一些日常食品的口感。頁岩油氣的繁榮使得瓜爾膠的用量大增,隨之而來的就是瓜爾豆植物價格的上漲。於是,人們喜聞樂見的冰淇淋等一系列需要用到此種添加劑的食物,生產成本都明顯上升,價格也自然水漲船高了。

更多詳情請瀏覽 無所不能-財新網能源頻道 的文章:油紅是非多:揭秘水力壓裂法「真容」


這個英語在業界的準確翻譯是「水力壓裂」,目前這個技術可以大幅增加低滲透油氣田的產量,全世界範圍都在廣泛使用,但歐洲和美國在使用此法壓裂時,由於遇到了環境污染和可能引起微地震等問題,導致這項技術在當地使用爭議很大。
國內使用此項技術也有40多年的歷史了,並不是什麼新鮮事物,但國內的使用一直停留在粗放籠統得過且過,要結果不要過程的階段,所以此技術並未在國內形成系統的產學研全方位的進步,可以說是一項在爭議中前行的技術。


fracking對國家來說,總是喜歡的。最直觀的就是gas價格的下降。對於很多國家暖氣都是燒氣的,這點對大部分民眾來說都是很喜歡的。上面十年燈提到的壓裂液體中的化學物質,除了少數幾家公司基本上都已經公布出來了。還有一點很大的優勢就是,大量廉價的天然氣,促使美國研究用天然氣合成乙烯。美國乙烯的成本已經低於中東國家。我認為最大的缺點是,浪費水資源。去年美國德州乾旱,剛好也是fracking程度很高的地區。結果慘不忍睹。各個媒體的資料都不一樣,基本上一口井耗費的水量,根據美國EPA 的數據在7800到19000立方之間。但是不同的人估算不一樣。還有一點需要擔心的,康奈爾大學的教授認為 fraking可能會引起動物的死亡。
Study suggests hydrofracking is killing farm animals, pets
fracking這東西,當然還會破壞風景。這點在國外很重視。在英國就有當地居民認為風力發電太影響風景,太醜陋。不同意。
這東西對當地的普通百姓,農民之類的肯定不喜歡的。對於其它地區來說,肯定欣喜。石油化工業向來都是帶來大量人口和就業。


目前從事壓裂行業,就我的簡單理解說吧,貽笑大方了。
基本的概念和用途我就不一一闡釋了,主要原理是利用地面高壓泵組,將高粘也已以大大超過底層吸收能力的排量注入井中,在井底憋起高壓,當此壓力大於井壁附近的地應力和地層岩石抗張強度時,便在井底附近地層產生裂縫;繼續注入帶有支撐劑的攜砂液,裂縫向前延伸並填以支撐劑,關井後李峰閉合在支撐劑上,從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫,使井達到增產增注的目的。
施工流程一般為:循環、試壓、低替、試壓、加前置液、加攜砂液、頂替、替擠等。

環境問題
雖然壓裂液中含有大量化學藥劑,但是我國大部分天然氣井井深達3000-3500米,頁岩氣井甚至更深,對地下水影響有限。環境問題的關鍵在於液體反排的處理問題。在新兩法形勢下,部分地區嘗試將反排的壓裂液送到處理廠,再處理後繼續使用,大大降低了環境污染。

在我國,由於地質條件限制,油氣資源開採難度極大,所以壓裂是開採油氣資源非常重要的手段。如果我們能像科威特(一口井一天的原油產量相當於我國某採油廠幾百口井一年的產量),地質條件優越,我們國家也沒有必要使用這種成本高(單井壓裂成本甚至上百萬)、更危險(直井壓裂泵壓能達到60兆帕、水平井逼近90兆帕)、不易控制(壓開裂縫預測一直是研究重點、串層是常事)的開採方式。


現在的壓裂技術本身已經是相對來說比較完善的了,在國外這幾年更多的研究重點在壓裂過程中的返排液和采出水對環境的影響,和怎樣更好的重複利用壓裂廢水。水力壓裂是否對人類健康有影響至今還是有爭論的。由於油氣藏特別是非常規氣藏深度一般在地下幾千米,而地表水一般在地下幾十上百米,因此水力壓裂對地下水直接的污染可能較小,而更可能是來自於運輸或做業時的溢出和滲漏。一般來講壓裂液主要是由90%的水,9.5%的支撐劑和0.5%的化學添加劑組成的。因此可以確定的是水力壓裂需要消耗大量的地表水資源,同時會反排出大量的地層水和壓裂廢水。但是研究統計表明水力壓裂所需要的水資源遠遠不如在農業上所投入的水資源,但是在缺水的地區比如墨西哥某些地方卻會產生非常嚴重的水資源問題。除了水資源的使用,對環境的問題還有其中化學成分的毒性,絕大多數壓裂水,返排液,采出水,主要具有很高的鈉鎂鈣氯等離子,重金屬含量很低。雖然化學添加劑只佔0.5%,但卻是毒理研究的重點,化學成分樓上已經說得很清楚了。由於地層含有高溫高壓以及地質情況複雜的特點,注入的化學添加劑的成分和性質會在整個過程中發生巨大的變化,所以現在科學研究主要的方向是對各類化學物質經過地下壓裂的過程後的分析。現在反排液包括產出水中能探測到的已知有機物有幾十種,但是未知的有機物不誇張講還有成百上千種。我們組現在在基因層面研究壓裂水對水體生物和微生物的研究,但是對產業界或者學界,怎樣處理或者重新利用大量的壓裂廢水也是很值得研究的


現在頁岩氣一口井上二三十台壓裂車都是常事了,總體來講頁岩壓裂缺點是用水量大且施工結束後返排液無法處理,是環保頭疼問題。壓裂成本大,國內頁岩氣投入產出效率低,嚴峻。如果以後能慢慢研究一套成熟的無水壓裂如二氧化碳更好。


歪個樓,《馬男波傑克》里戴安他們家不是因為fracking塌了么


題主是在問怎麼「評價」(Evaluate)Hydraulic fracturing啊?你們都回答了寫什麼? :-P
從「評價」的角度來說,對於Hydraulic fracturing,主要中兩種方法:
第一種:Micro Seismic Monitoring
第二種:Acoustic Well Logging
前者通過對壓裂過程的實時監測,可以反演出壓裂事件發生的空間位置和釋放的能量大小及岩石破裂機理,從而給出壓裂縫的空間展布和壓裂縫隨壓裂過程的時間變化。
後者壓前測井可確定地層岩石物理參數,地應力,地層本徵裂縫,層理等信息,為壓裂過程提供工程指導;壓後測井可以判斷壓裂縫高度和近井開裂情況,裂縫規模,地層各向異性變化及應力釋放情況。
兩種方法相結合可對Hydraulic fracturing的效果進行較好的「評價」~~


用學校圖書館搜了一下,在「Fracking: The Operations and
Environmental Consequences of Hydraulic Fracturing」 這本書的第14章」 Public Perception, the Media, and the Facts」上發現了一個調查報告。University of Texas at Austin的相關研究者做了一些調查,針對Barnett shale area,Haynesville shale area和Marcellus shale area這三個地方。調查顯示,2/3的人對Hydraulic Fracturing持否定態度,無論調查結果來自國家媒體或者地方媒體。

研究者還發現,這些媒體在調查時只有少部分提到了關於Hydraulic Fracturing的科學研究。不足20%的報紙,25%的廣播新聞,33%的在線新聞在對公眾調查時引用了有關Hydraulic Fracturing的科學研究。公眾對Hydraulic Fracturing的認知受媒體報道影響很大。

另外,根據」annual meeting of The American Association
for the Advancement of Science (AAAS) in Vancouver, British Columbia」 上發布的一個研究,很多被歸咎於Hydraulic Fracturing的問題,其實是所有油氣開採都會遇到的常見問題,比如casing failures or poor cement jobs。研究還指出,很多報道出來的污染問題,其實是源於地上泄漏(above-ground spills)和對頁岩氣開採中產生的廢水的違反規定的操作,而不是來自Hydraulic Fracturing。其中一個作者說:這些問題不僅僅是Hydraulic Fracturing的問題。

不是專業人士,不知道對書中所寫理解的是否正確。


tian bill 同學的回答已經挺全面了。佔個坑吧,正好整理一下自己的思路。。


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