石油峰值预言家如何在 1950 年代解释水力压裂法 [节选]

梅森·英曼《石油的预言》节选

作者注：在 1950 年代中期，M. 金·哈伯特是第一个正确解释一种称为水力压裂的新技术（或简称“压裂”）实际工作原理的人。本节选讲述了他如何解决这个难题，以及（在他的助手的帮助下）如何让其他人相信他的解释。他和他的助手在 1957 年发表的关于压裂的研究现在被认为是经典之作，至今仍经常被引用。

在 1954 年的一次会议上，两家石油公司——斯坦诺林公司和大西洋炼油公司——就水力压裂背后的物理学原理展开了激烈的辩论。这种相对较新的方法包括将流体泵入油井，直到在油井周围的岩石中打开裂缝，从而产生更多的石油。哈伯特回忆说，双方“进行了一场几乎持续了一整个下午的激烈争论”，他笑着说。双方的解释对他来说都没有道理。尽管如此，他还是“在场边只是欣赏着这场表演”。

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斯坦诺林公司在 1948 年推出了这项新技术，名为“水力压裂工艺”，很快就简称为“压裂”。这项技术立即受到了欢迎。在最初的几年里，它就被应用了 3 万多次，帮助提取更多的石油，尤其是从较老的油井中提取石油。

然而，即使在其使用变得普遍之后，也没有人确切地知道水力压裂是如何工作的。由于它是在地下数千英尺的井底使用的，因此没有简单的方法可以看到该技术的结果。为什么岩石会在特定的压力下破裂？为什么不同油井和不同地方所需的压力差别如此之大？没有人确定。

哈伯特在 1954 年的会议上观察到的辩论，是围绕一个看似深奥的观点展开的，但它对于理解压裂过程的工作原理至关重要。斯坦诺林公司认为裂缝是水平的，像薄煎饼一样。大西洋公司说裂缝是垂直的，沿着油井的长度，像火箭上的鳍。每家公司都有自己的理由——而哈伯特认为他们都错了。

在那次充满争议的会议结束后不久，壳牌公司给了哈伯特一项新任务：弄清楚压裂是如何工作的。

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哈伯特在 1946 年首次接触到水力压裂——尽管壳牌公司不是想利用它，而是想避免它。该公司工程师找到哈伯特，想看看他是否可以解决他们在墨西哥湾海上钻井时出现的一个谜团。与大多数油井一样，这些工程师使用的是一种叫做钻井泥浆的混合物——一种粘土和其他矿物质的浆液。他们将其泵入井中，使其流过钻头，为其冷却，并清除井底的岩屑。

泥浆还有另一个特别重要的作用。当它流回井口时，泥浆对井壁施加压力，阻止高压下的石油和天然气，否则可能会意外喷出。在过去的几十年里，这种喷涌而出的油井——标志性的黑色喷泉从钻井架中喷出——曾经是庆祝的原因。但它们既浪费又危险，因此通过仔细使用钻井泥浆，它们大多得到了控制。

壳牌公司的工程师告诉哈伯特，他们在墨西哥湾沿岸钻探时，使用非常轻薄的泥浆钻探了大约六千英尺，没有遇到任何问题。但在一百或两百英尺的范围内，他们遇到一个压力高得多的区域，需要更重的泥浆来提供足够的压力，以阻止岩石中的液体。他们担心，如果他们等待太久才使用重泥浆，他们就会冒着井喷的风险。然而，当他们过早地投入重泥浆时，他们又遇到了另一个问题，称为“漏失”，即钻井泥浆直接消失在井中。漏失是该地区钻井的一个主要问题，它减慢了钻井过程并提高了成本。有些油井的漏失问题非常严重，以至于在发现石油之前就被废弃了。由于不确定地下的动态，壳牌公司的工程师无法确定如何防止漏失。

哈伯特的第一个想法是，他们一定是碰到了一个有洞穴的石灰岩层。但是工程师告诉他，那个地区没有石灰岩。然后，他们解释说这个谜团还有另一个方面。当他们以高压将泥浆送下去时，泥浆就消失了。但是，当他们减轻压力时，循环就恢复了。工程师和哈伯特一致认为，重泥浆的压力一定是打开了井周围的裂缝。

然而，压力不足以抬起覆盖层——所有从上方压下来的岩石的重量——这让工程师们感到困惑。哈伯特意识到工程师们想象的裂缝是像薄煎饼一样的水平开口，要打开这样的裂缝，他们就必须抬起上方所有岩石的重量。哈伯特告诉他们，裂缝更有可能是垂直的，所以要打开裂缝，他们只需要将相邻的岩石横向推开，这通常需要少得多的力。这就像试图将银行金库的重门从铰链上抬起来，与将门在铰链上摆动之间的区别。

哈伯特解决了这个问题。他对潜在物理学的解释使工程师能够调整他们的钻井泥浆，以避免漏失并更有效地钻探。

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与此同时，斯坦诺林公司也发现了水力压裂法，并设计了一种利用它的方法。起初，它只是实验性的，使用一种购买成本低廉的液体。“由于供应和价格的原因，战争剩余的凝固汽油弹已被用于迄今为止的大部分实验，”斯坦诺林公司在 1948 年报告说。他们将沙子混合到凝固汽油弹中——也称为“胶状汽油”——沙子随之一起携带，使沙子能够深入新打开的裂缝中。然后他们泵入另一种溶解凝胶的液体，大部分凝固汽油弹都流回了地表。但是沙粒仍然卡在裂缝中，将其支撑打开，使石油和天然气从岩石中逸出。

这项技术很快流行起来，各公司在《石油与天然气杂志》和《世界石油》等行业杂志上宣传他们的压裂服务和设备，通常展示水平、像薄煎饼一样的裂缝的图纸。斯坦诺林公司是根据从几个浅层测试井中提取的证据得出的这一结论，并假设所有裂缝，即使是深处的裂缝，也同样是水平的。

正如哈伯特所看到的那样，这种解释“几乎被普遍接受，很少有反对的声音”。但对他来说，这种解释毫无意义。他们搞错了物理原理。1953 年，他在《石油交易》杂志上发表了一篇简短的评论，认为斯坦诺林的解释是错误的，裂缝很可能是垂直的。在 1954 年爆发关于压裂的“混战”的会议上，双方的解释都与哈伯特的解释不同。尽管这项技术得到了广泛应用，但对于它是如何工作的仍然存在分歧，而且其应用仍然碰运气。显然有改进的空间。

当壳牌公司委托哈伯特解释压裂的工作原理时，“我们掌握了数千个压裂工作的记录，其数据的可靠性各不相同，”他回忆说。“我们必须找出有用的信息。”

哈伯特最近聘请了一位新助手，大卫·威利斯，他刚刚在斯坦福大学完成了地质学博士学位。1954 年秋季，哈伯特和威利斯提出了一个理论，描述了当流体以高压泵入井中时起作用的力。他们为此进行了几个月的集中研究，并撰写了结果，以供次年夏天在荷兰皇家壳牌位于阿姆斯特丹的实验室举行的高级别会议。哈伯特和威利斯发现，在某些特殊条件下——在浅井中，或在像加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层那样受到横向应力的情况下——裂缝将呈水平状。但他们的分析表明，在大多数情况下，裂缝将是垂直的，沿着油井的井筒。

当哈伯特在阿姆斯特丹会议上展示结果时，“它受到了最高层技术人员的极大欢迎，”他回忆说，“完全接受了，没有任何重大批评。”在获得这种信任后，壳牌公司为其实地工程师组织了关于新分析的培训课程。当第一门课程开始时，威利斯不在，所以哈伯特亲自讲授了这门课。“我发现理论论证对这些人没有任何影响，”哈伯特回忆说。工程师们绝对确定裂缝是水平的。每篇文章，关于压裂的每个广告都显示裂缝是那样定向的。他们被“彻底洗脑了”，哈伯特认为。“他们没有任何真正的证据，但是他们在这个问题上受到了如此彻底的灌输，以至于他们非常清楚这些裂缝是水平的。”这很重要，因为如果他们不了解起作用的力，他们就无法精确地控制它。这项技术将仍然更多的是一种艺术而不是科学。

当威利斯回到休斯敦时，哈伯特告诉他演示失败了。威利斯当时没有说太多。但是几天后，在星期一早上，威利斯焦虑地出现在哈伯特的办公室门口。他想让哈伯特去实验室看看一些东西。哈伯特被积压的文书工作淹没，告诉威利斯必须等一等。威利斯离开了，然后半小时后又回来了，变得越来越坐立不安。他说，他周末一直在研究一些东西，哈伯特应该来看看。哈伯特让步了，蹒跚地走到了实验室。

在壳牌公司的贝莱尔实验室里，这里是全国资金最充足的研究机构之一，威利斯周末在家里组装的装置就在那里。那是一个金鱼缸，里面装满了液体 Knox 明胶和一些石膏。威利斯使用明胶来模拟岩石——考虑到哈伯特关于比例定律的研究，这很恰当——并在中间插入一个 Alka-Seltzer 瓶子来模仿一口井。他将液体明胶放入冰箱中，让其凝固，然后拔出瓶子。然后，他使用滴管将石膏浆液泵入井中，直到石膏开始挤入明胶中，形成裂缝。正如他们的理论所预测的那样，裂缝是垂直的。

尽管威利斯的装置是临时拼凑起来的，但哈伯特立即意识到这是他们需要说服实地工程师的：一个清晰的演示。他们将有机会在几周后的 1956 年初的壳牌内部会议上提出他们的理由。他们开始构建一个更大版本的模型。为了取代威利斯的金鱼缸，哈伯特在当地商店里搜寻更大的水族箱。

在壳牌公司的会议上，哈伯特和威利斯解释了他们的实验，并展示了石膏模型，首先从一个角度展示，裂缝从井的两侧向外张开。然后他们旋转模型，让观众可以看到裂缝又薄又尖，像刀刃一样。当然，它们毫无疑问是垂直的。

在这次演示的一周内，实地工程师开始发送他们压裂井后收集的数据。他们中的一些人将橡胶塞放入井中以形成井壁的印象。另一些人则将摄像机送入井中。这些现场数据表明，裂缝确实是垂直的。理论是正确的——工程师们终于相信了。正如哈伯特所说，威利斯的装置“产生了神奇的效果”。“它把这些人变成了基督徒。”