根据2014年美国能源信息署（EIA）的预测，到2035年，美国来自页岩地层的非常规天然气产量将翻一番，约占国内天然气总产量的一半。同时，在未来几十年中，非常规页岩地层的国内石油产量预计将增长15％。

产量的迅猛增长与现代水平钻井技术和压裂技术的最新发展相结合，已经释放了美国庞大的页岩储量。该技术引起了很多争议，引发了环保组织和活跃页岩生产区社区居民的抗议。

为了解决社区和环保主义者的担忧，美国石油协会（API）创建了130个标准，并引用了政府机构的430多次引用。为了满足这些标准，已经开发了水力压裂的许多创新。2014年的石油价格暴跌使情况变得更加复杂，这激发了生产商的更多创新。本文主要讨论自那次崩溃以来发生的事态发展。

水平钻孔

尽管第一口水平井是在1929年钻探的，但直到最近十年，先进的材料和钻探技术才使操作员可以通过岩层水平钻一英里或更长的距离。

进步使得开采成本降低了，因为每个水平井的岩石体积都比为在垂直钻井中开发储层而钻的几口井要大得多。水平井还可能严重延迟垂直方法的问题，从而导致较低的生产和采收效率，以及过早放弃井。这是因为水平井占用了很大一部分储量。由于游隙在地层中是水平的，因此通过沿水平方向钻探，可以开采更多的天然气或石油。垂直钻孔时，只能挖掘水平井中与垂直钻孔相交的一小部分。

2014年油价暴跌后，生产商需要进一步完善技术，以降低成本，同时应对新的行业挑战。

Lynn Helms 1在他的论文“ Horizontal Drilling”中称此开发为第二代水平钻井：操作员，钻井和服务承包商已经设计，测试和改进了程序，并设计并安装了改进的设备。结果是现在可以实现8,000英尺以上的位移。现在也可以钻探地层圈闭，非均质储层和煤层。结果，可以钻探更老的油田以提高采收率。第二代应用程序的例子是北达科他州的Cedar Hills-Red River和Wiley-Madison。

现在已经有了第三代这种设备，Helms说，该设备可以更长，更深，更准确地放置多个水平井眼，以开采压裂的烃源岩和热注入井，例如用于加拿大油砂蒸汽辅助重力排水的井。 。目前在北达科他州和蒙大纳州东部的巴肯中部油田是第三代水平钻井的一个例子。

当被问及天然气技术研究所（GTI）勘探与生产研究执行董事肯特·佩里（Kent Perry）时，他认为在使压裂技术有利可图方面最重要的进展是什么，他指出了一些改进措施。他说：“生产商正朝着更高的支撑剂负荷（固体材料，通常是沙子，旨在保持诱发的水力压裂开放）以及射孔之间的间距变化而迈进。” 他说，更长的水平井眼正在破裂，“长度增长到三英里。”

另一个进步包括在水平段钻井过程中将井（将段插入加固管中）套管入生产地层。这使操作员可以使用密度较低的钻井泥浆。赫尔姆斯指出：“它们甚至可以在钻井作业期间让油井生产，防止通常在泥浆密度必须足够高以保持井眼压力大于地层压力时通常发生的许多地层破坏。”

这些技术成就使较小的运营商能够从每口井获得最大的回报。但是，主要的钻井公司现在正在从海上作业中借用甚至更先进的技术。

壳牌的“ iShale”倡议就是一个例子。该公司正在使用传感器来自动调节井流量并控制天然气，石油和水的分离。当在海上使用时，这种系统非常昂贵。但是壳牌公司正在寻求整合低成本传感器，例如Apple Watch中使用的传感器。这个想法是使用传感器来消除工人在钻机现场的需要。传感器可以使一处工人可以监督多口井，从而降低成本并充分利用资产。同样，可以预测故障，并据此安排维修。

佩里认为，这是壳牌，斯伦贝谢等公司正在朝着完全自动化钻井过程迈出的一步。例如，作为其研究的一部分，斯伦贝谢已经在美国进行了从海外控制钻井的测试。佩里说：“由于许多变量需要人工干预，因此尚无法实现钻井的完全自动化，但是现在钻井过程中有相当一部分是自动化的。”

他补充说：“该领域最重大的变化是收集和处理大量数据的能力。” 3D和4D地震读数以及来自大量油井和其他地方的测井记录有助于收集这一“大数据”，而计算机建模，数据管理和新信息技术有助于对其进行分析。

汽车工业和航天计划等许多行业的技术进步相结合，它们使用机器人技术，为这种数据挖掘和使用做出了贡献。诸如人工智能之类的信息技术的进步可以处理并做出指导机器人技术的决策。通过互联网和其他渠道进行数据传输可以监控和查看过程。

挑战性

佩里还指出，较长的水平井眼给作业带来了其他挑战。他说：“特别需要进一步研究的是一种生产技术，该技术可随着流量随时间的推移而使流体在水平井眼中流动。”

他说，一种复杂的情况是，油和水往往位于井眼内的低点，从而降低了产量。他说：“需要有能力确定水平井的产量。” 他补充说，尽管可以运行生产日志来回答此类问题，但从成本和运营角度来看，收集数据是不切实际的。

生产者面临的另一项挑战是检测管道和监控罐中的泄漏。一种解决方案是无人机技术，它使使用热成像技术能够扫描无数井中的大片土地成为可能。这样可以减少人工检查和可能的高成本停机的成本。

准确预测最佳钻孔位置的能力也已证明令人烦恼。为此，已经开发了先进的井下传感器，并将其用于绘制水平井中地下裂缝的位置图。

另外，佩里说，即使有新的检测资源的方法，生产者也必须能够吸收和处理所创建的数据。他说，这些数据为地质模型提供了输入，然后提供了关于地层性质的更多清晰度。

康菲石油公司（ConocoPhillips）就是其中一个例子，该公司计划在2019年开始使用磁共振成像技术来分析二叠纪岩石样品并找到最佳的钻探位置。这项技术对业界而言并不是新事物；该公司首先将其用于阿拉斯加的海上作业。但是，随着分析数据的最新发展，结果可以提供更好的查找功能。

石油公司还使用了从医学中借来的另一种有趣的技术：DNA测序。阿纳达科（Anadarko）和挪威国家石油公司（Statoil）正在使用测序技术来查明潜力巨大的地区。测序的工作原理是从石油中的微生物中收集DNA，然后将其用于在岩石样品中搜索相同的DNA。

康菲石油公司正在与服务提供商合作，以提高压裂过程本身的准确性和控制力。该公司正在考虑确定如何对垂直和水平井眼之间的交汇处施加更大的压力。在更大的压力下，司钻可以更有效地激发裂缝。根据康菲石油公司首席执行官Ryan Lance的说法，这项多边技术是将改变美国水力压裂技术的下一个突破。

另一个有希望的创新是激光能量。GTI已经使用这种能量代替机械工具或炸药对井眼进行了研究，这意味着激光可以代替标准的旋转钻杆和钻头方法钻井。佩里说，尽管还没有商用产品，但这项研究显示出了希望。

水问题

无论使用水平压裂还是垂直压裂，司钻和操作员面临的最大问题之一是水。问题涉及以下事实：在该过程中使用了稀缺的淡水，以及如何处理采出水（与石油或天然气一起被捕集并带到地面的水）。

全球估计，每开采一桶原油，就会产生三桶水。井的生产时间越长，进入过程的水就越多：在北美，该比率接近10：1。

采出水除了来自油井的油脂外，还有多种成分。这些包括盐，细菌和其他生物，无机盐，溶解或分散的碳氢化合物，溶解的气体（例如H2S和CO2）和化学药品。这些化学物质以及在压裂过程中使用的化学物质都是天然存在的，包括除氧剂，阻垢剂，破乳剂和澄清剂，凝结剂，絮凝剂和溶剂。

肯特说，正在开发用于水处理的大量技术，包括膜研究，渗透，汽化等。

所有这些都面临着商业用途的挑战，包括开发区域对水的需求以及开发转移到新区域时会发生什么。

“每口井的生产水量都会发生很大变化，水质也会发生变化。肯特解释说，这不像位置和其他条件都比较稳定的市政水处理情况。

从井中生产水的主要处理技术包括使用重力油和水分离器，相分离，溶解气浮，化学处理和蒸馏。还存在电化学方法，包括电渗析和电浮选。最近，正在探索电凝技术，一些研究表明该方法具有去除含油废水和采出水中存在的大多数水污染物的能力。3

GTI有一个基于水的生命周期模型，可以评估水的需求。它模拟了开发中的整个生命周期的水需求。输入的数据包括：随着时间的推移要钻多少口井，每口井需要多少水，本地水源和产出水有多少水，可以根据其质量处理多少部分产出水，成本多少？和更多。该模型确定了一段时间内所需的水，并确定了多余的可用水时期以及需要其他来源的更多水的时间。

压裂作业中获取淡水变得越来越困难，原因有很多，因此，即使钻探和生产技术变得更加复杂，水的处理，回收，处置和再利用仍将是生产者的首要任务。