勘探和开发致密或页岩地层中的碳氢化合物彻底改变了全球能源格局，释放了以往被认为是无法获得的巨大储量的石油和天然气。本文旨在探讨从致密储层和页岩储层中开采碳氢化合物的复杂过程，讲述的了关于SPE（石油工程师协会）发布的技术成果。
    
 
    在致密或页岩地层钻探和开采碳氢化合物这项任务彻底改变了全球能源格局，释放了以往被认为是无法获得的巨大的石油和天然气储量。据估计，2024年美国各类致密油藏开采的石油产量非常可观，见图1（截至到2024年2月1日美国致密油藏原油产出的产量估值，数据来源于美国能源信息署）。然而，致密或页岩地层的生产过程并非没有挑战，挑战涵盖技术障碍和环境问题。因此，了解当前情况和未来前景对于股东或利益相关方掌控复杂储层至关重要。为了解决SPE阐述的重大问题，本文旨在探讨从致密和页岩储层中开采碳氢化合物的复杂问题。
 
 
 
图1
 
页岩油藏的挑战
 
    首先，我们对致密或页岩地层进行了简明扼要的描述。致密油或页岩油气是在含油泥岩中发现的碳氢化合物，页岩气由气页岩产生或与致密油有关（Boak 和 Kleinberg 2020）。致密非常规地层的特征是存在有机质含量高的细粒沉积岩，例如页岩，其中碳氢化合物牢固地嵌入岩石基质中。
 
    复杂地质构造和不规则形状。致密地层和页岩地层以其复杂的地质构造而著称，这也使得预测这类储层内碳氢化合物的储量、分布和行态变得十分困难。此外，页岩地层的厚度、成分以及出现的自然裂缝可能表现出显着的变化。因此，了解和把握非传统页岩地层复杂地质构造对于成功实现页岩油生产至关重要。
 
    储层超低渗透率。致密或页岩地层的低渗透率阻碍了碳氢化合物的流动或运移，需要采用水力压裂这类技术来开辟人工开采途径。然而，裂缝的有效激发需要采用先进的钻井技术和开采工艺，例如多级水力压裂和水平钻井，反过来讲，这也需要精准的工程方法以及对储层特性的充分了解。
 
    环境问题。致密和页岩油气开采对环境的影响一直是人们激烈争论的话题，也是评估页岩油气生产潜力的关键要素。这些问题包括水污染、空气污染、人类行为引发的地震活动、自然栖息地的破坏以及温室气体排放进入大气中。这些都涉及到环境问题。为了实现负责任和可持续的页岩油生产，严格遵守法律法规、贯彻最佳实践以及开展清洁开采技术的研究至关重要。
 
    因此，页岩油生产的负面影响可被降至最低。使用包括CO₂（二氧化碳）这样的气体具有多种好处。其中一个好处就是能向复杂地质构造的储层中注入有效储存的气体。这是由于气体能被圈闭在地层内，这样有助于减少二氧化碳整体的净排放量。然而，CO₂气体通常会释放到大气中，直到气体流仅包含纯天然气，这就引发了环境问题。
 
    水资源管理。水力压裂过程需要将大量的水与支撑剂和化学品一起注入储层，使储层产生裂缝，并保持裂缝张开、不会闭合。水源、水处理和水处置管理带来了巨大的物流和环境难题，特别是在水资源短缺普遍存在的地区。
 
    财政问题。尽管技术进步使得开采致密或页岩地层中的碳氢化合物成为可能，但该过程在经济上仍然具有挑战性，特别是在材料商品价格低或运营成本高的地区。页岩油生产产生的费用包括钻井和完井成本、基础设施开发和运营花费。这些费用可能会受到各种因素影响，包括储层的位置、井的深度和复杂性，以及可用的熟练劳动力和相关设备。此外，全球石油市场的价格是决定页岩油生产可行性的关键因素。
 
    尽管如此，技术的进步使页岩油开采更加高效和具有成本效益。因此，美国页岩油生产的前景有所改善，近年来页岩油产量的大幅增长就证明了这一点，见图1。因此，通过创新和优化不断提高生产效率、降低成本对于这些项目的持续运营非常重要。
 
    政府法规的不确定性。致密和页岩油气生产在可能发生变化的监管框架下运营，从而影响各个方面，例如许可程序、土地使用权、环境合规性和税收政策。与气候政策和排放法规等未来可能发生监管变化相关的不确定性可能会使项目规划和投资决策变得更加复杂。
 
    尽管如此，政府实施的保证美国页岩油储量可持续开发的措施和法规至关重要。这些举措的实施有助于减少对环境的影响，有效管理水资源，以及解决与页岩油开采相关的社会和经济问题。措施和法规还可为研发更清洁的开采技术提供激励政策，促进行业的透明度和问责制。通过执行更严格的法律法规和贯彻最佳实践，可对环境和人类健康构成的风险降至最低。
 
    基础设施和物流。致密页岩油藏油气生产所需的基础设施和物流运转，如管道运输、加工设施和储存地点，需要大量的投资和协调。与这些挑战相关的潜在额外费用和时间要求可能会对页岩油生产的盈利能力和可行性产生重大影响。因此，解决物流限制问题对于确保项目开发的顺利运行至关重要。
 
    技术研究与创新。尽管技术进步有助于提高致密或页岩油藏的生产效率，但为了应对技术挑战，释放非传统油气资源的全部潜能，人们需要不断地创新。需要进一步研究与开发，以提高现有钻井工艺的技术应用和储层表征，应对前面提到的其他问题，如水资源管理与实践以及环境绩效等问题。
 
    市场和价格波动。原油市场通常具有不可预测的特点，由于供需的波动、地缘政治局势紧张以及宏观经济形势等各种因素，原油价格经常会发生变化。由于行业的波动，市场参与者往往会面临巨大障碍。石油和天然气价格的突然下跌可能会对致密油或页岩油项目的投资决策和盈利能力产生重大影响，尤其是那些生产成本或财政杠杆高的项目。这些波动对市场参与者构成了重大挑战。
 
当前展望
 
    在2000年初，开展了试点项目，通过向致密油藏或页岩油藏注入二氧化碳和甲烷气体来提高原油采收率。虽然表面活性剂和纳米流体注入等化学方法提高原油采收率的技术已在各种地层中得到了应用，但这些技术仅在2010年后才得到广泛普及。这些提高原油采收率的方法在提高致密或页岩储层原油产量方面已被证明是有效的。
 
    根据最近的一篇评论，在美国巴肯页岩中层进行的一项单井试验表明，实施化学方法提高采收率可以显著提高原油产量。具体而言，衰减曲线分析表明，这种方法可以在开采5年后将估计的最终采收率提高达25%，而原油采收率可提高8.3%。
 
    尽管大宗商品价格波动和监管带来的压力，但在钻井和完井技术进步的推动下，致密或页岩地层的原油产量继续增长。在美国，特别是二叠纪盆地和Eagle Ford地层等地区，仍然是页岩油气生产的热点地区，对全球的油气供应做出了巨大贡献。
 
    各家石油公司越来越注重通过技术创新和运营优化来最大限度地提高生产效率和降低成本。水平钻井、水力压裂技术以及油藏描述的最新进展提高了油气采收率和油井的经济效益，从而增强了致密油田和页岩油田的竞争力。
 
    非传统油气开发涉及在huff-n-puff（循环溶剂注入）工艺中运用气体，其中包括各种气体，如表1所示。
 
表1
    尽管二叠纪盆地在致密油生产中继续发挥着至关重要的作用，但似乎包括巴肯地层、马塞勒斯地层和海恩斯维尔页岩在内的其他地区也对致密或页岩地层的油气生产做出了重大贡献。这种生产的多样化有助于降低风险，可为石油公司提供利用各种地质特征和市场走势的机会。细致的经济分析和评估表明，海恩斯维尔页岩油田尤其具有经济可行性和可持续开采的潜力。
 
    总体而言，致密和页岩地层的油气生产为满足全球能源需求提供了巨大潜能，美国页岩油生产的前景非常乐观，而且，随着技术和开采工艺的进步而不断得到改善。
 
    不过，解决本文强调的与页岩油开采相关的挑战和限制非常重要，例如环境问题、水资源消耗、社会和经济影响以及市场动态。应对这些挑战需要利益相关方之间的通力合作、技术创新以及对环境管理的承诺。因此，该行业可以释放致密和页岩地层的全部潜能，同时最大限度地减少对环境和周围社区的负面影响。
 
    美国将在全球能源的未来发展中发挥至关重要的作用，因为致密和页岩油气资源预计将做出重大贡献。不过，首先需要克服那些已知的挑战。