改变提取的规则

随着石油价格的上涨，以前开采不划算的储量变得有吸引力。Nuala Moran探索了化学技术的应用

从地下开采化石燃料既不便宜也不容易。然而，一些石油比其他石油更容易开采，成本也更低，随着压力的释放，它们会自动从储层中流出。问题是，以这种方式可以提取的数量取决于基岩的构象和孔隙度。在一些油藏中，仅10%的总储量就可以如此轻松地回收。开发剩余的资源需要额外的努力和成本。

不出所料，努力和成本之间的平衡决定了开采化石燃料的公司的行为。提取需要多简单?这取决于石油和天然气价格。随着它们的上升，更大比例的全球储量变得具有成本效益。

自21世纪初以来，价格确实非常高。这种价格激励催生了一波旨在实现两件事的化学技术:使以前被认为无法开采的页岩资源得以开采;增加常规油田的产量。

出于对能源安全的担忧，开发页岩油气储量技术的早期资金大多来自美国能源部(DOE)。但长期的高油价——2012年大部分时间原油价格都超过了每桶100美元(66英镑)——促进了这项研究在页岩资源的勘探和开发上的转化，而这些资源以前是禁区。与此同时，高油价正推动新化学方法的应用，以提高传统砂岩和石灰岩储层的石油开采比例。

新的化学技术正在与其他领域的创新相结合，包括:钻井和泵送机械、地震学、储层计算机建模和分子矿物学。现在被广泛应用的许多技术实际上已经有几十年的历史了，它们是在前几次油价震荡期间诞生的，只是在后来油价下跌时被搁置了。面对持续高企的油价、对能源安全的担忧、不断增长的需求，以及充分利用有限资源的必要性，这些企业现在正纷纷出手。

传统的资源

一个被广泛引用的行业数据是，使用传统的两阶段提取方法，平均只能回收任何储层中所含石油的三分之一。在第一阶段，处于压力之下的石油会自动流出。当随后的压力下降使流量减少时，第二阶段的采油开始，将水和气体(天然气、氮气或二氧化碳)或单独注水，再次增加压力，将更多的石油扫出。剩下的三分之二被储存在小口袋里或分布在岩石的孔隙中，不能以这种方式提取。

此时，在油藏的三次开发中，采用蒸汽、化学药品或水、气交替注入的提高采收率(EOR)技术开始发挥作用。石油公司的David Sorin表示，油价是化学提高采收率的主要诱因Novecare该公司是比利时特种化学品公司Solvay的一个业务部门，专注于提高采收率。他说，如果油价在每桶30-40美元，你就不会这么麻烦了。

采用EOR技术的另一个原因是，人们认为该技术正变得越来越成熟，而且认识到化石燃料作为一种有限的资源，应该尽可能充分地利用。特别是，这种情绪正在激励那些只在国内活动的国有石油公司。例如，阿曼、马来西亚和阿根廷就是这种情况。索林说，他们找不到新的储量，因此没有其他选择。

在EOR中使用的两种主要化学物质是聚合物和表面活性剂，它们在泵入水之前加入水中，将油挤出。聚合物增加了水的粘度，从而提高了水施加的压力。聚合物的可用范围相对较窄，必须针对每个油藏进行选择验证。

但是，使用聚合物增加泵送水粘度的收益会随着时间的推移而减少，因为剩余的石油会越来越多地被毛细力束缚在岩石表面，而持续增加压力引起的裂缝风险也会越来越大。这时，表面活性剂开始发挥作用，打破油和水之间的界面张力，从而帮助石油从岩石中解放出来。选择合适的表面活性剂是一项精确的任务，需要详细了解储层的温度、盐度和矿物学。

壳牌是20世纪70年代开发用于化学提高采收率的表面活性剂的先驱之一。从那时起，研究人员不断完善这项技术，使所需的表面活性剂数量大大减少，并且可以精确地操纵它们的分子结构，使表面活性剂能够针对特定的储层进行定制。精度的提高改善了化学提高采收率的失败尝试。他说，20多年前出现过一些失败，主要原因是缺乏详细的设计和评估。现在，我们已经填补了化学方面和分析实验室方面的空白。”索林说。

由于不同油藏的EOR项目不同，产量的增加也不同。10%的提高被认为是很好的结果，但在某些情况下，化学提高采收率可以增加20%，使总采出油达到可用储量的50-60%。化学EOR每增加一桶油，成本为20-40美元。索林解释说:“换句话说，你不会不惜任何(原油)成本来做这件事，这就是为什么它在过去没有成功。”

回到基本问题

人们的注意力也转向了改进通过泵入气体或水来清扫储层的传统方法。一个显著的例子是'BP部署的LoSal技术该研究利用了该公司开展的基础化学研究，以找出是什么原因使石油分子粘附在岩石表面。他们发现，在砂岩中，石油分子通过钙和镁等二价阳离子与粘土颗粒结合。在含有高浓度离子的高矿化度水中，石油被静电力牢牢地固定在粘土表面。当盐度降低时，二价阳离子被单价离子(如钠)取代，破坏了键，使石油分子被扫向生产井。

继在阿拉斯加Endicott油田成功进行现场试验后，BP现在将LoSal技术应用于设得兰群岛以西的北海Clair Ridge油田，在那里将花费1.2亿美元安装一个淡化海水的装置。英国石油公司(BP)技术主管安德鲁•考金(Andrew Cockin)表示，以每桶仅3美元的资本成本，海水淡化厂将绰绰有余。在试验中，LoSal已经将产量提高了10%，尽管考金说，在实际项目中，这种改善不太可能这么大。

还有一些人试图提高在二次生产阶段使用二氧化碳来增加储层压力的效率。例如，美国匹兹堡大学的科学家正在开发二氧化碳“增稠剂”，以防止“指入”，即气体沿着阻力最小的路径，绕过油层，而不是将它们扫到生产井中。

这是一项有历史的技术。匹兹堡大学的研究人员在20世纪90年代首次证明了可以设计出使二氧化碳变得粘稠的添加剂，但它们太昂贵了。现在，研究人员正在着手开发低成本版本，可以将粘度提高100倍。罗伯特Enick一位参与该项目的科学家说，如果二氧化碳的粘度可以提高到与石油相当的水平，“就可以抑制注水的需求，用更少的二氧化碳就可以更快地开采更多的石油。”

美国油田使用的二氧化碳来自天然资源，但增稠技术可能被证明特别有价值。该行业正将其想法转向利用人为产生的二氧化碳来提高产量，同时将这种温室气体隔离在废油层中，从而创造一个良性循环。

英国有碳捕获与封存(CCS)项目，旨在将北海废弃油田的燃煤发电站产生的二氧化碳储存起来。据介绍，首先使用天然气排出更多的石油是“常识”Jon Gluyas他在英国杜伦大学研究CCS。

Gluyas在石油行业工作了28年，其中10年是重新开发死亡或濒临死亡的油田。他说，有很多成熟油田还有相当多的石油储量。“过去的经验，例如，在德克萨斯州西部，表明泵入二氧化碳效果很好。“然而，在英国发电站的二氧化碳被捕获、运输和储存到北海使用之前，还需要解决一些技术问题，比如高压和酸性，以及它们对管道的影响。”

同样地，尽管效果不如二氧化碳，但目前在北海燃烧或排放的天然气也可以用于覆盖储层。Gluyas认为，不应该在成熟油田停止生产和关闭钻机，而是应该应用一系列EOR技术来充分利用北海的成熟油田。他说，如果我们现在放弃北海，就再也回不去了。

液压攻击

与化学提高采收率一样，水力压裂(“水力压裂”)开采页岩油气储量的技术历史悠久，可追溯到20世纪30年代。直到1979年，美国能源部发表了一份题为“从非常规资源中回收天然气的商业化计划”的报告，才开始系统地尝试开发提取“非常规”、难以获取的资源的方法。

他说，这些技术以前就有了，但只是一种粗糙的形式。由于对供应的担忧和油价高企，出现了更多的创新Wallace Tyner他是美国普渡大学全球政策研究所的能源和自然资源政策分析专家。

页岩的细粒度意味着石油和天然气不会在压力下自动流出，也不可能用水或气横扫储层。相反，裂缝必须使用含有复杂化学混合物的加压流体在岩石中扩展页岩气被寄予厚望功能)。这些化学物质具有多种作用，包括控制压裂液的粘度、蚀刻新通道、保持裂缝畅通以及保护设备。

Tyner说:“钻井能力尤其重要，但在水力压裂中，化学成分也极其重要，使用的化学混合物也随着时间的推移而不断进化。”

水力压裂产生的裂缝的尺寸是可变的，但典型的裂缝可能是宽1厘米，高30米，延伸超过100米。当加压压裂液打开裂缝时，支撑剂被泵入以保持裂缝张开。它们必须很坚固，以防止裂缝闭合，并且具有渗透性，以允许石油和天然气流入油井。常用的支撑剂包括砂石、陶瓷和烧结铝土矿。

这些支撑剂的现代改进包括形成晶格的树脂涂层砂，防止颗粒在油气提取过程中移动，以及由多孔陶瓷或纤维-树脂混合物制成的超轻支撑剂。选择最好的支撑剂对于优化储层产能至关重要，同时需要对页岩的性质进行良好的分析，包括颗粒大小和密度。压裂液的其他关键化学成分是破碎剂，一旦产生裂缝，它就会降低流体的粘度。这有助于确保流体在通过裂缝时沉积支撑剂。

未来趋势

页岩中蕴藏的石油和天然气曾一度被认为是不可开采的。美国能源部在研究方面的投资，加上转化这些技术的价格激励，意味着美国从这些来源获得的天然气产量激增。如今，中国有望在2013年超过沙特阿拉伯，成为全球最大的原油生产国。

我的感觉是每桶60美元是技术退步的低点

正如英国石油(BP)首席执行长达德利(Bob Dudley)在公司年度股东大会上所指出的那样。全球供应展望2007年至2011年的平均油价比1997年至2001年的平均价格高出220%。正如页岩革命所表明的那样，高油价正在支持新技术发展所支撑的供应扩张。达德利说，到2030年，页岩油和天然气将占全球能源供应增量的近五分之一。

更新的技术也在酝酿中，包括使用超临界二氧化碳进行石油回收，使用电脉冲而不是水力压裂水在页岩中制造裂缝，以及微生物EOR，在这种技术中，细菌将被用来消化石油。美国能源部将继续投资于EOR的研发，特别是研究如何优化超临界二氧化碳的使用，以克服指入问题。

石油公司正专注于提高采收率的技术，无论是内部还是与学术界和专业公司合作。例如，壳牌的科学家正在与德克萨斯大学一起研究化学EOR石油与地球系统工程中心在美国。与此同时，该公司还与油田服务公司斯伦贝谢(Schlumberger)签订了研究协议，以提高采收率，延长油气田的寿命。

Tyner指出，美国能源部有三个参考价格，分别为每桶200美元、135美元和60美元，用于评估EOR和非常规资源开发技术的成本效益。他说，我的感觉是每桶60美元是技术退步的低点。但石油需求的持续增长，尤其是来自发展中国家的需求，意味着创新浪潮将持续下去。

努阿拉·莫兰，英国克鲁科普作家