2005年之前，美国的天然气产量一直在下降。上世纪70年代，在美国政府的税收抵免等激励措施下，油气行业开始尝试开采流动性或渗透率较低的致密天然气或砂岩层。这样一来，天然气短缺问题得以解决了一二十年。煤层中的甲烷或天然气也是如此。这在20世纪80年代开始，缓解了几十年的短缺。
但美国对天然气的需求一直在增长——工业制造业、燃气发电厂、家庭和办公室的天然气供暖，以及用乙烷和丙烷等天然气液体制成的塑料，用于办公室、家庭、服装和药品。作为最后的努力，水平井被钻入几乎为零渗透率的页岩层。
与大多数直井一样，新的水平气井也需要进行压裂，但对于一口长水平井，需要进行多少次压裂处理呢?作业者需要一个强大可靠的泵送动力来源，以在具有挑战性的压力条件下注入大量压裂液。
(图片由作者提供)
页岩压裂的关键
传统的压裂方法和压裂液效果都不够好。
随后，在Fort Worth的Barnett页岩，一位工程师决定使用直泵水，而不是传统的凝胶水作为压裂液。天然气流量提高了，水也更便宜了，因此页岩井终于盈利了。
关键是要在水平井周围裂解页岩。在水力压裂中，水被压下直井，然后沿着水平井。被称为穿孔的小孔将水引导到页岩层，如果力量足够大，它就会像斧头劈开木头一样劈开岩石。这就是压裂泵的用武之地，需要一个庞大的泵系统。BETVICTOR体育官网
其结果是在页岩层中形成一个网状的微小裂缝。如果沿着一口水平井进行几次单独的压裂作业，井周围可能会有一层细小的裂缝。通过这种方式，作业者提高了页岩层的渗透性，在压裂作业结束后，气体分子更容易流向水平井。到2003年，页岩井开始盈利，开启了包括页岩油和页岩气在内的页岩革命的大门;这项新技术对两者都很有效。
挑战极限
富有冒险精神的石油和天然气公司不断挑战极限。他们钻了2英里长的水平井，并在每口水平井上进行了多达40次单独的压裂作业。这是一个需要许多大型抽油机同步的大工程。
首先，为了迫使水裂解页岩，泵必须克服地下12,000英尺深处岩石中的自然应力。BETVICTOR体育官网这意味着大约每平方英寸12000磅(psi)。这种压力就像在建造高速公路的压路机下面压碎你的手一样。
其次，在一口典型的页岩井中，所使用的水量可以在草地上填满一个足球场40英尺——这还只是一口井的用水量。
第三，在压裂后期，压裂泵必须输送BETVICTOR体育官网细小的砂粒和水。这些沙粒滞留在水平井周围产生的裂缝中，并在压裂作业完成后阻止裂缝闭合。在一口典型的页岩井中，仅一口井就需要泵入大约100个装有沙子的集装箱。
页岩革命
页岩压裂法的成功使美国自1947年以来首次实现了石油和天然气的自给自足。页岩革命为美国带来了廉价的汽油、廉价的工业电力、廉价的塑料和其他制造业的好处。在全球范围内，廉价可靠的石油和天然气能源提高了世界人口的生活水平。
2022年2月，美国击败澳大利亚和卡塔尔，成为第一大液化天然气(LNG)出口国。人们希望，这将有助于中国和印度等国从燃煤电厂转向天然气电厂，并减少温室气体排放(天然气燃烧比煤炭清洁得多)。
泵送系统
传统上，高压、大容量水裂缝需要柴油燃料内燃机。压裂泵必须在巨大的压力下注入压裂液(主要是水和沙子)，以凿开地下深处的岩石，使石油或天然气更容易流入井中。
普通压裂机群的压力上限为15000psi，但在美国有几个机群的压力上限为20000psi。页岩井的典型注入压力约为8000 psi。
通常情况下，每个单独的压裂作业泵水和砂的速度为30 ~ 75桶/分钟(bpm)，但最高可BETVICTOR体育官网达150桶/分钟。经过2 ~ 3小时的泵送后，注入液沿水平井向后移动一级，然后开始下一个压裂作业。
压裂泵是一BETVICTOR体育官网种往复正排量(PD)泵，包含流体端和动力端。沙子和水的混合物必须被压入井中，通过小的穿孔，因此泵必须承受腐蚀性液体。BETVICTOR体育官网此外，泵BETVICTOR体育官网还必须应对极端压力，特别是当压裂压力过高，有可能导致套管破裂时。
一个柴油泵车队通常需要20个独立的泵BETVICTOR体育官网拖车在井场。如果压裂现场有多个井口，压裂泵可以不间断地运行。BETVICTOR体育官网每个水力压裂车队需要约30人的工作人员，每12小时轮班约15人。总功率可达2000万马力(hp)。
业内有一种趋势，即采用一种名为simul frac的技术，这意味着压裂车队可以同时对两口井进行压裂。这将完井时间缩短了一半，提高了作业效率。
在Marcellus页岩中(图2)，每个垫层位置可钻8 ~ 14口气井，每口井可部署40个独立压裂级。如果每天进行6次压裂作业，所需时间为53 ~ 93天。因此，每个平台大约两到三个月的钻井活动并不罕见。
五联泵已实现更高的马力BETVICTOR体育官网。一家公司报告了11英寸的冲程，额定功率为5000马力。这意味着更低的运行速度以减少疲劳循环，延长泵的寿命和更少的泵拖车。
水力压裂泵必须坚固BETVICTOR体育官网可靠。停机时间是昂贵的，所以操作效率是非常需要的。
E-Fracking
在温室气体排放导致的气候变化的推动下，世界正在逐步从化石燃料过渡到可再生能源。化石燃料提供了全球83%的能源和73%的温室气体排放。
在油田中，减少温室气体的一种方法是公司通过使用风能或太阳能来泵送水力压裂作业，从而实现自身作业的绿色化。另外，也可以用e-frac系统取代柴油燃料内燃机，其中电动泵由使用LNG、压缩天然气(CNG)或燃烧气体的燃气轮机发电机驱动。BETVICTOR体育官网
燃气轮机比柴油发动机轻得多，可以在一个底盘上安装两个涡轮。这意味着现场通常需要的卡车有一半不再需要。一台典型的柴油机组将提供2200马力(hhp)，而一台典型的燃气轮机将提供4400马力(hhp)，且温室气体排放量相同。
一位水力压裂顾问表示，他所见过的电子车队正在使用野外天然气发电，为车队提供动力。这将减少三分之二的温室气体排放量，并允许运营公司在相同的温室气体排放许可下完成更多的井。
e -frac目前只占市场的10%，但由于全球对降低温室气体排放的需求，这一比例将会上升。使用e-frac通常可减少50%的温室气体。燃料和泵发动机的维修可以节省成本，但前期成本高于新的柴油系统。一家油田服务运营商表示，与柴油系统相比，e-frac系统的组件寿命更长。电动机、变压器和变频驱动器(vfd)取代了柴油系统中的发动机和变速器，这意味着更少的活动部件和更长的维护间隔。
在井场，柴油车队通常需要20辆泵拖车，而e-frac系统只需要8辆。e-frac的另一个优点是降低了95%的压裂泵送噪音。
作者非常感谢Carl Montgomery对压裂泵系统的贡献。