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准备好进行压裂的泵和柴油发动机： 在宾夕法尼亚州西南部的马塞勒斯页岩气田的一个钻井平台上进行的水力压裂作业的照片。压裂机有大量的泵，柴油发动机，水车，混砂机和卫生设备组成。图片由道格·邓肯（Doug Duncan），USGS提供。
什么是水力压裂？
水力压裂是可以增加井中石油或天然气流量的程序。通过在足够高的压力下将井下的液体向下泵入地下岩石单元中来完成。目的是建立一个相互连接的裂缝网络，将其作为孔隙空间，将石油和天然气运至井眼。
水力压裂与水平钻井相结合，已经使以前无产的富含有机质的页岩成为世界上最大的天然气田。 Marcellus页岩，Utica页岩，Barnett页岩，Eagle Ford页岩和Bakken地层是以前非生产性的岩石单元的例子，这些岩石单元已通过水力压裂转化为奇妙的天然气或油田。
水力压裂使用了多长时间？
美国在60年前就首次使用水力压裂法增产石油和天然气井。哈里伯顿油井固井公司于1949年获得了该程序的专利。该方法成功地提高了井的生产率，并且实践迅速普及。现在，全世界每年有数千口井在使用它。如果没有发明水力压裂技术，我们的汽油，取暖燃料，天然气和其他由石油产品制成的产品的成本将更高。
水平钻井和水力压裂： 天然气井的简化图，该天然气井通过水平钻探穿过Marcellus页岩，并在该井的水平部分进行了水力压裂。
准备好进行水力压裂的钻台： 宾夕法尼亚西南部马塞勒斯页岩气矿床压裂日的另一张钻头垫照片。 USGS道格·邓肯（Doug Duncan）摄影。
页岩水力压裂的成功应用
在1990年代初期，米切尔能源公司开始使用水力压裂技术，以刺激德克萨斯州Barnett页岩中钻井的天然气产量。巴内特页岩含有大量的天然气。然而，巴内特很少生产商业量的天然气。
Mitchell Energy意识到Barnett页岩中的气体被困在没有相互连接的微小孔隙中。岩石具有孔隙空间，但缺乏渗透性。穿过巴内特页岩钻探的井通常会显示天然气，但没有足够的天然气用于商业生产。 Mitchell Energy通过水力压裂Barnett页岩以创建相互连接的孔隙空间网络来解决此问题，从而使天然气流向井。
不幸的是，当泵关闭时，由水力压裂过程产生的许多裂缝突然闭合。巴内特页岩被深埋，以至封闭压力封闭了新的裂缝。通过在压裂液中加入砂子解决了这个问题。当岩石破裂时，涌入新开放的孔隙的水会将砂粒带入岩石单元深处。当水压降低时，砂粒“支撑”裂缝，并允许天然气流过裂缝并进入井眼。如今，有各种各样的天然和合成产品以“压裂砂”的名称出售。
Mitchell Energy通过在Barnett页岩上水平钻井，进一步提高了油井的产量。垂直井从地表开始，转向水平方向，并穿过Barnett页岩数千英尺。这乘以井中产油区的长度。如果岩石单元的厚度为100英尺，则其垂直井中的采出区为100英尺。但是，如果将井水平引导并在目标地层中保持水平达5000英尺，则支付区的长度将比垂直井的支付区长50倍。
Mitchell Energy使用水力压裂和水平钻井来增加Barnett页岩井的生产率。实际上，如果它们是没有水力压裂的垂直井，那么他们许多成功的井将是失败的。
射孔枪： 未使用和用过的射孔枪，用于油气钻探和水力压裂。底部的管道显示了由安装在管道内部的炸药产生的孔。 USGS的Bill Cunningham摄影。
其他页岩中的水力压裂
当其他人了解到Mitchell Energys在德克萨斯州的Barnett页岩中取得成功时，在其他富含有机物的页岩中尝试了水平钻井和水力压裂的方法。这些方法很快在路易斯安那州，德克萨斯州和阿肯色州的海恩斯维尔页岩和费耶特维尔页岩中获得了成功，然后在阿巴拉契亚盆地的马塞勒斯页岩中获得了成功。该方法在其他许多页岩中也起作用，现在在世界许多地区被用于开发富含有机物的页岩。
水力压裂还使得能够从许多井中生产天然气液体和石油。北达科他州的巴肯页岩和科罗拉多州的堪布拉斯州的尼布拉拉页岩，堪萨斯州，内布拉斯加州和怀俄明州等岩石单位现在通过水力压裂生产大量石油。
压裂水遏制池： 阿肯色州Fayetteville页岩气田的一个钻台上蓄水。像这样的带衬砌的池塘可在所有天然气田的钻井地点用于压裂水的储存。 USGS的Bill Cunningham摄影。
压裂液
水是水力压裂过程中使用的驱动流体。根据井的特性和被压裂的岩石，可能需要几百万加仑的水才能完成水力压裂作业。
当水被泵入井中时，井的整个长度不会被加压。取而代之的是，插入塞子以隔离需要裂缝的井眼部分。井的仅此部分承受全部泵送力。随着压力在该部分井中累积，水打开了裂缝，而驱动压力将裂缝延伸到岩石单元的深处。当抽水停止时，这些裂缝迅速闭合，用于打开它们的水被推回钻孔，回到井中并被收集在地表。返回地面的水是注入的水和孔隙水的混合物，孔隙水已被困在岩石单元中数百万年。孔隙水通常是具有大量溶解固体的盐水。
通常将化学药品添加到水力压裂所用的水中。这些添加剂有多种用途。有些会使水增稠成凝胶，这对于打开裂缝和将支撑剂深入岩石单元更有效。添加了其他化学物质：减少摩擦，保持岩石碎屑悬浮在液体中，防止设备腐蚀，杀死细菌，控制pH值和其他功能。
大多数公司一直拒绝透露其水力压裂液的成分。他们认为，这些信息应该保密，以保护他们的竞争研究。但是，监管机构开始要求提供信息，并且一些公司开始自愿共享信息。
压裂砂： 将细粒硅砂与化学物质和水混合后，再泵入岩层中，以防止在水力压裂完成后新产生的人工裂缝闭合。 USGS的Bill Cunningham摄影。
支撑剂
水力压裂中使用了多种支撑剂。这些是小的抗压碎颗粒，被水力压裂液带入裂缝中。当关闭泵并压裂裂缝时，这些抗压碎颗粒使裂缝保持敞开状态，从而形成了孔隙空间，天然气可以通过孔隙进入井中。
压裂砂是当今最常用的支撑剂，但也使用了铝珠，陶瓷珠，烧结铝土矿和其他材料。在压裂单个井时可以使用超过一百万磅的支撑剂。
水平井的卫星图像视图： Utica页岩钻探现场的卫星视图，那里已经建造了9口水平井并通过水力压裂进行增产。
环境问题
有许多与水力压裂有关的环境问题。这些包括：
1）井中产生的裂缝可能会直接延伸到用于饮用水供应的浅层岩石单元中。或者，井中产生的裂缝可能与天然裂缝连通，这些裂缝延伸到用于饮用水供应的浅岩石单元中。
2）井的套管可能会失效，并导致液体泄漏到用于饮用水供应的浅岩石单元中。
3）水力压裂液的意外泄漏或压裂作业期间排出的液体可能渗入地下或污染地表水。
生产效益
水力压裂可以显着提高井的产量。当它与水平钻井结合时，无利可图的岩层经常被转换成生产性的天然气田。该技术主要负责开发Barnett页岩，Haynesville页岩，Fayetteville页岩和Marcellus页岩气田。与Bakken页岩和Niobrara页岩一样，它也可以从致密岩石单元中释放石油。
水力压裂工艺及其所用的化学物质引起了关注天然气行业的环保主义者的最大关注。需要一个监管环境，以允许采用这些技术并提供环境保护措施，以保护水源和钻探地区的居民。