石油峰值預言家如何在 1950 年代解釋水力壓裂法 [節選]

梅森·英曼《石油的預言》節選

作者注：在 1950 年代中期，M. 金·哈伯特是第一個正確解釋一種稱為水力壓裂的新技術（或簡稱“壓裂”）實際工作原理的人。本節選講述了他如何解決這個難題，以及（在他的助手的幫助下）如何讓其他人相信他的解釋。他和他的助手在 1957 年發表的關於壓裂的研究現在被認為是經典之作，至今仍經常被引用。

在 1954 年的一次會議上，兩家石油公司——斯坦諾林公司和大西洋煉油公司——就水力壓裂背後的物理學原理展開了激烈的辯論。這種相對較新的方法包括將流體泵入油井，直到在油井周圍的岩石中開啟裂縫，從而產生更多的石油。哈伯特回憶說，雙方“進行了一場幾乎持續了一整個下午的激烈爭論”，他笑著說。雙方的解釋對他來說都沒有道理。儘管如此，他還是“在場邊只是欣賞著這場表演”。

關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞工作訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠看到關於塑造我們當今世界的發現和思想的有影響力的故事。

斯坦諾林公司在 1948 年推出了這項新技術，名為“水力壓裂工藝”，很快就簡稱為“壓裂”。這項技術立即受到了歡迎。在最初的幾年裡，它就被應用了 3 萬多次，幫助提取更多的石油，尤其是從較老的油井中提取石油。

然而，即使在其使用變得普遍之後，也沒有人確切地知道水力壓裂是如何工作的。由於它是在地下數千英尺的井底使用的，因此沒有簡單的方法可以看到該技術的結果。為什麼岩石會在特定的壓力下破裂？為什麼不同油井和不同地方所需的壓力差別如此之大？沒有人確定。

哈伯特在 1954 年的會議上觀察到的辯論，是圍繞一個看似深奧的觀點展開的，但它對於理解壓裂過程的工作原理至關重要。斯坦諾林公司認為裂縫是水平的，像薄煎餅一樣。大西洋公司說裂縫是垂直的，沿著油井的長度，像火箭上的鰭。每家公司都有自己的理由——而哈伯特認為他們都錯了。

在那次充滿爭議的會議結束後不久，殼牌公司給了哈伯特一項新任務：弄清楚壓裂是如何工作的。

~~~~~

哈伯特在 1946 年首次接觸到水力壓裂——儘管殼牌公司不是想利用它，而是想避免它。該公司工程師找到哈伯特，想看看他是否可以解決他們在墨西哥灣海上鑽井時出現的一個謎團。與大多數油井一樣，這些工程師使用的是一種叫做鑽井泥漿的混合物——一種粘土和其他礦物質的漿液。他們將其泵入井中，使其流過鑽頭，為其冷卻，並清除井底的岩屑。

泥漿還有另一個特別重要的作用。當它流回井口時，泥漿對井壁施加壓力，阻止高壓下的石油和天然氣，否則可能會意外噴出。在過去的幾十年裡，這種噴湧而出的油井——標誌性的黑色噴泉從鑽井架中噴出——曾經是慶祝的原因。但它們既浪費又危險，因此透過仔細使用鑽井泥漿，它們大多得到了控制。

殼牌公司的工程師告訴哈伯特，他們在墨西哥灣沿岸鑽探時，使用非常輕薄的泥漿鑽探了大約六千英尺，沒有遇到任何問題。但在一百或兩百英尺的範圍內，他們遇到一個壓力高得多的區域，需要更重的泥漿來提供足夠的壓力，以阻止岩石中的液體。他們擔心，如果他們等待太久才使用重泥漿，他們就會冒著井噴的風險。然而，當他們過早地投入重泥漿時，他們又遇到了另一個問題，稱為“漏失”，即鑽井泥漿直接消失在井中。漏失是該地區鑽井的一個主要問題，它減慢了鑽井過程並提高了成本。有些油井的漏失問題非常嚴重，以至於在發現石油之前就被廢棄了。由於不確定地下的動態，殼牌公司的工程師無法確定如何防止漏失。

哈伯特的第一個想法是，他們一定是碰到了一個有洞穴的石灰岩層。但是工程師告訴他，那個地區沒有石灰岩。然後，他們解釋說這個謎團還有另一個方面。當他們以高壓將泥漿送下去時，泥漿就消失了。但是，當他們減輕壓力時，迴圈就恢復了。工程師和哈伯特一致認為，重泥漿的壓力一定是打開了井周圍的裂縫。

然而，壓力不足以抬起覆蓋層——所有從上方壓下來的岩石的重量——這讓工程師們感到困惑。哈伯特意識到工程師們想象的裂縫是像薄煎餅一樣的水平開口，要開啟這樣的裂縫，他們就必須抬起上方所有岩石的重量。哈伯特告訴他們，裂縫更有可能是垂直的，所以要開啟裂縫，他們只需要將相鄰的岩石橫向推開，這通常需要少得多的力。這就像試圖將銀行金庫的重門從鉸鏈上抬起來，與將門在鉸鏈上擺動之間的區別。

哈伯特解決了這個問題。他對潛在物理學的解釋使工程師能夠調整他們的鑽井泥漿，以避免漏失並更有效地鑽探。

~~~~~

與此同時，斯坦諾林公司也發現了水力壓裂法，並設計了一種利用它的方法。起初，它只是實驗性的，使用一種購買成本低廉的液體。“由於供應和價格的原因，戰爭剩餘的凝固汽油彈已被用於迄今為止的大部分實驗，”斯坦諾林公司在 1948 年報告說。他們將沙子混合到凝固汽油彈中——也稱為“膠狀汽油”——沙子隨之一起攜帶，使沙子能夠深入新開啟的裂縫中。然後他們泵入另一種溶解凝膠的液體，大部分凝固汽油彈都流回了地表。但是沙粒仍然卡在裂縫中，將其支撐開啟，使石油和天然氣從岩石中逸出。

這項技術很快流行起來，各公司在《石油與天然氣雜誌》和《世界石油》等行業雜誌上宣傳他們的壓裂服務和裝置，通常展示水平、像薄煎餅一樣的裂縫的圖紙。斯坦諾林公司是根據從幾個淺層測試井中提取的證據得出的這一結論，並假設所有裂縫，即使是深處的裂縫，也同樣是水平的。

正如哈伯特所看到的那樣，這種解釋“幾乎被普遍接受，很少有反對的聲音”。但對他來說，這種解釋毫無意義。他們搞錯了物理原理。1953 年，他在《石油交易》雜誌上發表了一篇簡短的評論，認為斯坦諾林的解釋是錯誤的，裂縫很可能是垂直的。在 1954 年爆發關於壓裂的“混戰”的會議上，雙方的解釋都與哈伯特的解釋不同。儘管這項技術得到了廣泛應用，但對於它是如何工作的仍然存在分歧，而且其應用仍然碰運氣。顯然有改進的空間。

當殼牌公司委託哈伯特解釋壓裂的工作原理時，“我們掌握了數千個壓裂工作的記錄，其資料的可靠性各不相同，”他回憶說。“我們必須找出有用的資訊。”

哈伯特最近聘請了一位新助手，大衛·威利斯，他剛剛在斯坦福大學完成了地質學博士學位。1954 年秋季，哈伯特和威利斯提出了一個理論，描述了當流體以高壓泵入井中時起作用的力。他們為此進行了幾個月的集中研究，並撰寫了結果，以供次年夏天在荷蘭皇家殼牌位於阿姆斯特丹的實驗室舉行的高級別會議。哈伯特和威利斯發現，在某些特殊條件下——在淺井中，或在像加利福尼亞州的聖安德烈亞斯斷層那樣受到橫向應力的情況下——裂縫將呈水平狀。但他們的分析表明，在大多數情況下，裂縫將是垂直的，沿著油井的井筒。

當哈伯特在阿姆斯特丹會議上展示結果時，“它受到了最高層技術人員的極大歡迎，”他回憶說，“完全接受了，沒有任何重大批評。”在獲得這種信任後，殼牌公司為其實地工程師組織了關於新分析的培訓課程。當第一門課程開始時，威利斯不在，所以哈伯特親自講授了這門課。“我發現理論論證對這些人沒有任何影響，”哈伯特回憶說。工程師們絕對確定裂縫是水平的。每篇文章，關於壓裂的每個廣告都顯示裂縫是那樣定向的。他們被“徹底洗腦了”，哈伯特認為。“他們沒有任何真正的證據，但是他們在這個問題上受到了如此徹底的灌輸，以至於他們非常清楚這些裂縫是水平的。”這很重要，因為如果他們不瞭解起作用的力，他們就無法精確地控制它。這項技術將仍然更多的是一種藝術而不是科學。

當威利斯回到休斯敦時，哈伯特告訴他演示失敗了。威利斯當時沒有說太多。但是幾天後，在星期一早上，威利斯焦慮地出現在哈伯特的辦公室門口。他想讓哈伯特去實驗室看看一些東西。哈伯特被積壓的文書工作淹沒，告訴威利斯必須等一等。威利斯離開了，然後半小時後又回來了，變得越來越坐立不安。他說，他週末一直在研究一些東西，哈伯特應該來看看。哈伯特讓步了，蹣跚地走到了實驗室。

在殼牌公司的貝萊爾實驗室裡，這裡是全國資金最充足的研究機構之一，威利斯週末在家裡組裝的裝置就在那裡。那是一個金魚缸，裡面裝滿了液體 Knox 明膠和一些石膏。威利斯使用明膠來模擬岩石——考慮到哈伯特關於比例定律的研究，這很恰當——並在中間插入一個 Alka-Seltzer 瓶子來模仿一口井。他將液體明膠放入冰箱中，讓其凝固，然後拔出瓶子。然後，他使用滴管將石膏漿液泵入井中，直到石膏開始擠入明膠中，形成裂縫。正如他們的理論所預測的那樣，裂縫是垂直的。

儘管威利斯的裝置是臨時拼湊起來的，但哈伯特立即意識到這是他們需要說服實地工程師的：一個清晰的演示。他們將有機會在幾周後的 1956 年初的殼牌內部會議上提出他們的理由。他們開始構建一個更大版本的模型。為了取代威利斯的金魚缸，哈伯特在當地商店裡搜尋更大的水族箱。

在殼牌公司的會議上，哈伯特和威利斯解釋了他們的實驗，並展示了石膏模型，首先從一個角度展示，裂縫從井的兩側向外張開。然後他們旋轉模型，讓觀眾可以看到裂縫又薄又尖，像刀刃一樣。當然，它們毫無疑問是垂直的。

在這次演示的一週內，實地工程師開始傳送他們壓裂井後收集的資料。他們中的一些人將橡膠塞放入井中以形成井壁的印象。另一些人則將攝像機送入井中。這些現場資料表明，裂縫確實是垂直的。理論是正確的——工程師們終於相信了。正如哈伯特所說，威利斯的裝置“產生了神奇的效果”。“它把這些人變成了基督徒。”