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勘探和開發致密或頁巖地層中的碳氫化合物徹底改變了全球能源格局，釋放了以往被認為是無法獲得的巨大儲量的石油和天然氣。本文旨在探討從致密儲層和頁巖儲層中開采碳氫化合物的復雜過程，講述的了關于SPE（石油工程師協會）發布的技術成果。
    
 
    在致密或頁巖地層鉆探和開采碳氫化合物這項任務徹底改變了全球能源格局，釋放了以往被認為是無法獲得的巨大的石油和天然氣儲量。據估計，2024年美國各類致密油藏開采的石油產量非常可觀，見圖1（截至到2024年2月1日美國致密油藏原油產出的產量估值，數據來源于美國能源信息署）。然而，致密或頁巖地層的生產過程并非沒有挑戰，挑戰涵蓋技術障礙和環境問題。因此，了解當前情況和未來前景對于股東或利益相關方掌控復雜儲層至關重要。為了解決SPE闡述的重大問題，本文旨在探討從致密和頁巖儲層中開采碳氫化合物的復雜問題。
 
 
 
圖1
 
頁巖油藏的挑戰
 
    首先，我們對致密或頁巖地層進行了簡明扼要的描述。致密油或頁巖油氣是在含油泥巖中發現的碳氫化合物，頁巖氣由氣頁巖產生或與致密油有關（Boak 和 Kleinberg 2020）。致密非常規地層的特征是存在有機質含量高的細粒沉積巖，例如頁巖，其中碳氫化合物牢固地嵌入巖石基質中。
 
    復雜地質構造和不規則形狀。致密地層和頁巖地層以其復雜的地質構造而著稱，這也使得預測這類儲層內碳氫化合物的儲量、分布和行態變得十分困難。此外，頁巖地層的厚度、成分以及出現的自然裂縫可能表現出顯著的變化。因此，了解和把握非傳統頁巖地層復雜地質構造對于成功實現頁巖油生產至關重要。
 
    儲層超低滲透率。致密或頁巖地層的低滲透率阻礙了碳氫化合物的流動或運移，需要采用水力壓裂這類技術來開辟人工開采途徑。然而，裂縫的有效激發需要采用先進的鉆井技術和開采工藝，例如多級水力壓裂和水平鉆井，反過來講，這也需要精準的工程方法以及對儲層特性的充分了解。
 
    環境問題。致密和頁巖油氣開采對環境的影響一直是人們激烈爭論的話題，也是評估頁巖油氣生產潛力的關鍵要素。這些問題包括水污染、空氣污染、人類行為引發的地震活動、自然棲息地的破壞以及溫室氣體排放進入大氣中。這些都涉及到環境問題。為了實現負責任和可持續的頁巖油生產，嚴格遵守法律法規、貫徹最佳實踐以及開展清潔開采技術的研究至關重要。
 
    因此，頁巖油生產的負面影響可被降至最低。使用包括CO₂（二氧化碳）這樣的氣體具有多種好處。其中一個好處就是能向復雜地質構造的儲層中注入有效儲存的氣體。這是由于氣體能被圈閉在地層內，這樣有助于減少二氧化碳整體的凈排放量。然而，CO₂氣體通常會釋放到大氣中，直到氣體流僅包含純天然氣，這就引發了環境問題。
 
    水資源管理。水力壓裂過程需要將大量的水與支撐劑和化學品一起注入儲層，使儲層產生裂縫，并保持裂縫張開、不會閉合。水源、水處理和水處置管理帶來了巨大的物流和環境難題，特別是在水資源短缺普遍存在的地區。
 
    財政問題。盡管技術進步使得開采致密或頁巖地層中的碳氫化合物成為可能，但該過程在經濟上仍然具有挑戰性，特別是在材料商品價格低或運營成本高的地區。頁巖油生產產生的費用包括鉆井和完井成本、基礎設施開發和運營花費。這些費用可能會受到各種因素影響，包括儲層的位置、井的深度和復雜性，以及可用的熟練勞動力和相關設備。此外，全球石油市場的價格是決定頁巖油生產可行性的關鍵因素。
 
    盡管如此，技術的進步使頁巖油開采更加高效和具有成本效益。因此，美國頁巖油生產的前景有所改善，近年來頁巖油產量的大幅增長就證明了這一點，見圖1。因此，通過創新和優化不斷提高生產效率、降低成本對于這些項目的持續運營非常重要。
 
    政府法規的不確定性。致密和頁巖油氣生產在可能發生變化的監管框架下運營，從而影響各個方面，例如許可程序、土地使用權、環境合規性和稅收政策。與氣候政策和排放法規等未來可能發生監管變化相關的不確定性可能會使項目規劃和投資決策變得更加復雜。
 
    盡管如此，政府實施的保證美國頁巖油儲量可持續開發的措施和法規至關重要。這些舉措的實施有助于減少對環境的影響，有效管理水資源，以及解決與頁巖油開采相關的社會和經濟問題。措施和法規還可為研發更清潔的開采技術提供激勵政策，促進行業的透明度和問責制。通過執行更嚴格的法律法規和貫徹最佳實踐，可對環境和人類健康構成的風險降至最低。
 
    基礎設施和物流。致密頁巖油藏油氣生產所需的基礎設施和物流運轉，如管道運輸、加工設施和儲存地點，需要大量的投資和協調。與這些挑戰相關的潛在額外費用和時間要求可能會對頁巖油生產的盈利能力和可行性產生重大影響。因此，解決物流限制問題對于確保項目開發的順利運行至關重要。
 
    技術研究與創新。盡管技術進步有助于提高致密或頁巖油藏的生產效率，但為了應對技術挑戰，釋放非傳統油氣資源的全部潛能，人們需要不斷地創新。需要進一步研究與開發，以提高現有鉆井工藝的技術應用和儲層表征，應對前面提到的其他問題，如水資源管理與實踐以及環境績效等問題。
 
    市場和價格波動。原油市場通常具有不可預測的特點，由于供需的波動、地緣政治局勢緊張以及宏觀經濟形勢等各種因素，原油價格經常會發生變化。由于行業的波動，市場參與者往往會面臨巨大障礙。石油和天然氣價格的突然下跌可能會對致密油或頁巖油項目的投資決策和盈利能力產生重大影響，尤其是那些生產成本或財政杠桿高的項目。這些波動對市場參與者構成了重大挑戰。
 
當前展望
 
    在2000年初，開展了試點項目，通過向致密油藏或頁巖油藏注入二氧化碳和甲烷氣體來提高原油采收率。雖然表面活性劑和納米流體注入等化學方法提高原油采收率的技術已在各種地層中得到了應用，但這些技術僅在2010年后才得到廣泛普及。這些提高原油采收率的方法在提高致密或頁巖儲層原油產量方面已被證明是有效的。
 
    根據最近的一篇評論，在美國巴肯頁巖中層進行的一項單井試驗表明，實施化學方法提高采收率可以顯著提高原油產量。具體而言，衰減曲線分析表明，這種方法可以在開采5年后將估計的最終采收率提高達25%，而原油采收率可提高8.3%。
 
    盡管大宗商品價格波動和監管帶來的壓力，但在鉆井和完井技術進步的推動下，致密或頁巖地層的原油產量繼續增長。在美國，特別是二疊紀盆地和Eagle Ford地層等地區，仍然是頁巖油氣生產的熱點地區，對全球的油氣供應做出了巨大貢獻。
 
    各家石油公司越來越注重通過技術創新和運營優化來最大限度地提高生產效率和降低成本。水平鉆井、水力壓裂技術以及油藏描述的最新進展提高了油氣采收率和油井的經濟效益，從而增強了致密油田和頁巖油田的競爭力。
 
    非傳統油氣開發涉及在huff-n-puff（循環溶劑注入）工藝中運用氣體，其中包括各種氣體，如表1所示。
 
表1
    盡管二疊紀盆地在致密油生產中繼續發揮著至關重要的作用，但似乎包括巴肯地層、馬塞勒斯地層和海恩斯維爾頁巖在內的其他地區也對致密或頁巖地層的油氣生產做出了重大貢獻。這種生產的多樣化有助于降低風險，可為石油公司提供利用各種地質特征和市場走勢的機會。細致的經濟分析和評估表明，海恩斯維爾頁巖油田尤其具有經濟可行性和可持續開采的潛力。
 
    總體而言，致密和頁巖地層的油氣生產為滿足全球能源需求提供了巨大潛能，美國頁巖油生產的前景非常樂觀，而且，隨著技術和開采工藝的進步而不斷得到改善。
 
    不過，解決本文強調的與頁巖油開采相關的挑戰和限制非常重要，例如環境問題、水資源消耗、社會和經濟影響以及市場動態。應對這些挑戰需要利益相關方之間的通力合作、技術創新以及對環境管理的承諾。因此，該行業可以釋放致密和頁巖地層的全部潛能，同時最大限度地減少對環境和周圍社區的負面影響。
 
    美國將在全球能源的未來發展中發揮至關重要的作用，因為致密和頁巖油氣資源預計將做出重大貢獻。不過，首先需要克服那些已知的挑戰。