什么是压裂？优点和缺点

压裂是水力压裂的简称，是一种特殊的钻井技术，允许矿工从深埋在地表以下的岩石中提取石油和天然气。换句话说，它促进了难以获取的自然资源的恢复。

尽管这项技术在 1950 年代得到了完善，但迄今为止，无论是在环境上还是在政治上，它仍然是一个有争议的重大问题。

下面，我们将讨论水力压裂所涉及的过程、其历史及其对社会的影响。我们还将探索这项技术的未来。

压裂是如何工作的？

流程示意图|图片提供：迈克·诺顿

根据美国环境保护署或 EPA 的说法，水力压裂是一种显着增加从页岩和其他岩层中提取的石油和天然气等自然资源总量的油井增产过程。

水力压裂技术有两个组成部分。一种是水力钻井，先垂直进行，后水平进行。另一种是在高压下将压裂液（我们稍后会介绍）泵入或注入钻井中。

“压裂液”是由什么组成的？

一般来说，水力压裂液多为水混合各种化学物质，包括酸、润滑剂、酒精等。除此之外，还添加了少量细小的固体颗粒，如沙子。这些颗粒被称为“支撑剂”。

虽然未经处理的沙子是一种传统的支撑剂，但随着时间的推移，它很容易产生细粉（尺寸减小）。并且为了保持理想的粒度，沙子通常涂有树脂以制造特殊的沙子（Curable Resin Coated Sand）。还有其他替代品，如铝土矿（烧结）和陶瓷。

美国环境保护署已确定该国水力压裂现场平均使用 14 种化学品。其中最常见的可能是乙醇、盐酸和石油馏分。

过程

在北达科他州建立的水力压裂|图片提供：约书亚·杜贝克

压裂过程从垂直钻探的井开始，该井可以延伸至地表以下 3 公里。一旦垂直井到达一定深度（富含矿物质的岩石所在的位置），它会旋转 90 度并继续水平。根据德克萨斯农工大学的一份出版物，水平钻孔距离交叉点可延伸至 1.6 公里。

钻井结束后，将井包起来；插入一根硬化的空心管（由钢或水泥制成）以阻止碳氢化合物和压裂液溢出到地下水源中。

然后在极高压力条件下将压裂液注入井中。该过程通常在超过 62,000 千帕的压力水平下进行，即每平方英寸约 9,000 psi 或磅。

在高压下，压裂液在岩石中产生裂缝和裂缝，碳氢化合物（石油和天然气）可以通过这些裂缝和裂缝自由流动。砂粒或支撑剂在压力释放后仍然保持这些裂缝张开，确保宝贵资源的持续释放。

随着被困油气，大量废水或“回流”液体从井中排出。返排液含有水和各种有毒污染物，包括重金属、放射性物质和其他毒素。

开放式井口 |图片提供：约书亚·杜贝克

水力压裂井废水经处理后可直接处理或回用。然而，这两种方法都有其复杂性。

压裂的历史

岩石模拟技术的首次使用记录可以追溯到 1860 年代。炸药通常用于增加地质构造中石油的总产量。这个想法为“爆炸鱼雷”技术奠定了基础，该技术由美国内战老兵爱德华·A·L·罗伯茨上校于 1865 年开发。

在这里，装有炸药（最初是火药或硝酸甘油）的罐子被绳索放入井中，井里已经装满了水，以最大限度地发挥爆炸效果。鱼雷爆炸会破坏矿物岩石并去除随着时间的推移积累的石蜡，以促进石油的不间断流动。

在硝化甘油填充鱼雷之前，先将沸水或苯倒入井中，尝试溶解石蜡。

现代版的水力压裂于 1940 年代后期引入美国。

其优势和经济效益

水力压裂技术不仅使能源公司能够从难以到达的储层中提取有价值的资源，而且可以获取更多数量的资源（与传统方法相比）。

尽管水力压裂主要用于石油和天然气开采，但它也可以部署在一系列其他条件下。例如，它可以刺激地下水井或帮助处理深入岩石中的废物。

美国压裂技术的显着发展极大地提高了该国的石油和天然气产量。 2008年，该国天然气总产量超过俄罗斯，成为世界第一大天然气生产国。

另一方面，该国在 2013 年超越沙特阿拉伯成为世界上最大的石油生产国。

最大的天然气生产国 |图片提供：Statista

全球对天然气的需求只会增加。根据管理咨询公司麦肯锡的2019年展望报告显示，到2035年LNG（液化天然气）的需求可能以每年3.6%的速度增长。

美国拥有丰富的页岩气储量和先进的压裂技术，预计同期将供应全球一半以上的天然气。

为确定水力压裂的经济方面而进行的研究大多是积极的。布鲁金斯学会 2017 年的一份报告表明，仅页岩气开采一项就使美国中西南部地区的人均消费收益增加了 432 美元。

此外，水力压裂的增加显着降低了国家的年度天然气支出。这项技术的年总经济收益约为 740 亿美元。

然而，水力压裂可能会对农业等经济部门产生不利影响。至少一项研究发现，当在其附近（半径 11-20 公里）钻一口井时，一个城镇的灌溉作物生产力会下降 5.7%。根据同一项研究，加拿大阿尔伯塔省 2014 年农业收入损失约 1480 万美元。

压裂安全吗？对环境和社会的影响

毫无疑问，广泛的水力压裂改变了美国的能源市场，并使它们在接下来的一百年里自力更生。它提振了美国经济，世界上许多国家都试图效仿。

然而，即使在美国，这项技术也面临着广泛的批评。

费城清洁能源游行（2016 年）|马克迪克森/ Flickr

长期使用水力压裂会对环境造成不止一种危害。地下水污染、频繁的地震、噪音污染、高用水量、气候变化和整体健康风险都与水力压裂有关。

几十年来，水力压裂的反对者一直在与支持它的人竞争。水力压裂的支持者经常引用其经济效益以及天然气是煤炭的更清洁替代品这一事实。

使用该技术的最大问题是地下水和地表水污染。 2016 年，前 EPA 科学家 Dominic DiGiulio 进行的一项研究表明，Pavillion（怀俄明州）的水井被用于压裂液的有害化学物质污染。也有其他类似的发现。欧盟环境总局 2012 年的一份报告指出，水力压裂造成地下水污染和空气污染的潜在高风险。

压裂液所需的大量水也是一个主要问题。一个中等规模的水力压裂设施（单井）用水量高达 350 万加仑，而大型水力压裂设施的用水量约为 500 万加仑。

水力压裂中的流体注入过程通常与诱发震颤有关。虽然这些震动通常是小规模的，但很少有大到足以造成财产损失的。据报道，居住在美国科罗拉多州、新墨西哥州、德克萨斯州、堪萨斯州和俄克拉荷马州的近 800 万人面临水力压裂引发地震的危险。

水力压裂对健康也有直接和长期的影响。美国疾病控制与预防中心 (CDC) 于 2014 年进行的一项初步研究怀疑，水力压裂设施中的工人暴露在危险水平的苯中（一种会增加患癌症风险的化合物）。他们还可能发展为其他严重疾病，例如矽肺。

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世界其他地区的压裂

除美国外，至少在某种程度上，世界其他国家也在进行水力压裂。 Fracking 目前在南非处于发展初期。在加拿大比较普遍，2012年活跃钻机超过356台。

德国和英国等欧洲国家在 70 年代采用了水力压裂技术。然而，今天，这些国家要么彻底禁止，要么暂时禁止。

2011年，经过全国性的抗议，法国成为第一个完全禁止使用它的国家。

政府法规

目前（在任何程度上）使用水力压裂技术的国家至少在国家、州和地方层面制定了一些规则和法规。

在美国，水力压裂无需披露有关该过程中使用的化学品的详细信息（否则安全饮用水法案是强制性的）。虽然各州必须遵守联邦法律，但它们可以制定安全网和法规。包括德克萨斯州、怀俄明州和密歇根州在内的多个州要求矿业公司披露此类详细信息。

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佛蒙特州于 2012 年成为美国第一个禁止水力压裂的州。三年后，纽约紧随其后。