不锈钢在页岩气开采中的应用

页岩气的出现

下面几个因素驱动了美国页岩气的蓬勃发展：天然气价格的快速增长;渴望摆脱对进口石油和天然气的依赖;BP石油公司漏油事件后，对海底石油开采风险的清醒认识;近年来陆地上发现的非传统能源，其中包括页岩气;认为页岩气是一种比煤炭更清洁的燃料。但是新技术的开发和应用，尤其是先进的水平钻孔和水力压裂(有时称为压裂或激励)技术的应用，才是美国天然气工业繁荣最重要的因素。新技术的提出开启了致密气和页岩气储藏的大门，这些气体虽然早已发现，但由于开采成本高、不经济而一直被搁置至今。随着天然气工业的蓬勃发展，现在美国一半的天然气产量来自煤层气、致密气和页岩气，其中页岩气增长最快，2004年到2008年之间，产量估计增长了三倍。美国页岩气的储量估计为616万亿立方英尺(tcf)，占其未开发天然气资源总量的三分之一。

北美洲的页岩气资源

页岩气的开采至今差不多已有几十年了，但由于过去石油价格低，一直都没有引起人们太多的关注。自从20世纪80年代以来，美国一直采用水平钻孔和水力压裂法从得克萨斯州的巴涅特(Barnett)页岩中开采页岩气，目前这个地方已成为该国最大的页岩气产区，日产气量达40亿立方英尺。戴文能源公司和切萨皮克能源公司就是当地开采页岩气的两个公司(见表1)。2006年切萨皮克能源公司开始勘探路易斯安那州北部的Haynesville页岩，在那里，页岩气贮藏于地下10000英尺或更深的地层，气体高温高压，利用传统钻探技术开采并不可行。

迄今为止， 美国最大的页岩层马塞卢斯(Marcellus)页岩位于其东北部，天然气储量达

1300万亿立方英尺。目前这里还未开发，但钻探发展很快(速度约40%，仅在2009年最后一个季度)。横跨美国和加拿大边境的Bakken页岩层，从美国的北达科他州起穿过蒙大拿州一直延伸到加拿大的萨斯喀彻温省和阿尔伯塔省。加拿大境内其他几个值得关注的页岩层分别位于霍恩河、魁北克省和安大略省。

变革传播

美国的页岩气革命很快传到了法国和欧洲的其他国家，同时也传到了世界的其他地区。2009年中国南部首次发现页岩气，储量估计在900万亿立方英尺，中石油与荷兰壳牌公司签订了合作开发协议。

欧洲开始页岩气勘探也仅仅几年时间，这个地区由于能源贫乏而过分依赖俄罗斯，页岩气业发展的范围相当大。迄今为止波兰是最受关注的国家，另外丹麦、瑞典、英国、法国、荷兰、德国和奥地利也发现了有页岩气。但是目前该行业在欧洲的发展仅仅处在勘探阶段。除欧洲和中国以外，印度是最具潜力的国家，尽管它的发展水平落后于中国。

“凿孔”和“压裂”

页岩气的储层通常位于地下10000至25000英尺之间，远深于常规天然气埋层。与常规天然气储层的多孔隙性相比，页岩气储层致密、不可渗透，因此难以开采。除非压裂岩层，打通气体通向气井的通路。与竖井相比，水平钻井能增加储气层的裸露。开采页岩气的井筒垂直段钻成后，先进行加固，之后继续钻井，一直到水平段上方500英尺处，开始钻斜井段。专用井下动力钻具在向下钻井过程中，形成一定的斜角。斜井段 (“狗腿”) 完成后，开始钻水平井，随后插入生产套管并灌入水泥。然后再通过套管把射孔枪伸到斜井段最底处(“脚趾”)。接通电流后，射孔枪开始等距离地在套管上打眼，把页岩分成一小段距离，以便实施压裂。随后水、砂子和化学制剂(增稠剂，溶解岩的酸、减阻剂，阻蚀剂等)的混合物以非常高的压力被泵入套管，并经孔眼进入周围岩石，引发页岩破裂，并在页岩上产生裂缝，通过这些裂缝，页岩气进入套管。压裂液中的砂粒则留在岩石裂缝中，把裂缝撑开，因此也把这些砂子叫作支撑剂。井筒的第一段先堵住，然后在下一段管道上重复进行“凿孔”和“压裂”。这个过程在井筒的水平段全线要重复几次。最后堵塞物被钻出，页岩气便涌向井眼。

争论和机遇

页岩气钻井开采也会导致环境破坏，页岩气井也会发生爆炸事故，例如2010年6月3日在美国宾夕法尼亚州的克利尔菲尔德县就发生一起这样的事故。另外如何处理压裂废液也是一个值得关注的问题。返排后的压裂液含有大量的盐、金属和放射性物质。目前对这种废液的处理技术还处于初级阶段，处理方法主要是：再循环、稀释、泵入地下或运到污水处理厂。砌衬的坑是这种废液最好的存储器，但那需要高额的场地费用和使用不锈钢储罐。压裂返排液处理的整个工艺周期为不锈钢供应商提供了商机。在大量开发含气页岩的过程中，显然也会产生一些差错。人们需要更多地了解其中的风险及其规避的措施。美国国家环境保护局正在起草关于水力压裂方面的报告，该报告可能于2012年公布。考虑到页岩气钻井开采对水资源的影响，纽约州暂时禁止采用水力压裂法开采页岩气。

基础设施、设备和材料

除了上面提到的不锈钢储罐外，目前这个领域不锈钢应用得还非常少，在其他天然气的钻井开采中也没有发现使用。斯伦贝尔公司已申请专利的不锈钢支撑架可能是一个例外，这种支撑架主要由一些细长的板状物组成，它们由不锈钢或具有耐腐蚀涂层的碳钢制成。在特定的压力下，这种支撑架与砂子一起使用，能提高地层裂纹的渗透性。测试中发现，302不锈钢丝(硬)的使用性能要优于碳素钢丝(软)。斯伦贝尔公司说，支撑架的任何一个发展都可能远离商业应用。除此之外，支撑架材料的选择主要是由页岩气的化学成分决定的，而不是由它所处的位置决定的，也许这个结论下得过早，页岩气的化学成分变化很大，即使在同一地层中也不一样。根据一份报告，酸性气体不成问题，符合这个结论。但也有人指出含有高浓度的二氧化碳、二氧化硫、氮气和乙烷的页岩气不符合这个结论。随着美国页岩气业的兴起，钢管销售量有望大幅提升，不锈钢销售也将从中获利。由于页岩气的酸性特质，不锈钢被广泛应用在钻井过程中。镍合金和钛合金大量用来制造完井管线配件、阀门和压力容器，而双相不锈钢还用于仪表和完井管柱中压裂液注入管的制造。钻柱部件不仅可以采用镍合金，也可选用Datalloy合金和Staballoy合金，钻头则由碳化钨硬质合金制成。页岩气的蓬勃发展导致了美国一些大型天然气处理厂的建设。通过低温处理工艺，冷却页岩气，并脱除其中的水、酸性气体、汞和氮，这种处理工艺与常规天然气的处理是一样的。在这个过程的几个阶段，都会用到不锈钢。