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非傳統油氣資源:冰與火的傳奇–天然氣水合物

102/10/08 瀏覽次數 13625
冰與火相伴

1934年,美國科學家哈默特(Hammersemidt)首次在輸送天然氣的管線中發現有水合物堵塞。水合物主要是由天然氣與水組成,呈固體狀,外貌很像冰雪或固態酒精,點火就可燃燒,因此有人稱為可燃冰、氣冰、固態瓦斯或甲烷水合物。

由於全球能源危機和減碳的需要,各國都在尋找能替代煤炭、石油和天然氣的新能源,因此碳排放量較少的天然氣水合物便受到重視。天然氣水合物大量儲存在海洋、凍土帶等處,其中的甲烷占80~99.9%,可直接點燃,燃燒後只產生少量的二氧化碳和水,汙染比傳統能源小很多。

根據間接資料,天然氣水合物在自然界中的存量很大,美國地質調查所2005年8月估計,天然氣水合物在海底的儲量約有49,000 × 1015立方英尺(1,390 × 1015立方公尺),在陸地凍土下約有12,000 × 1015立方英尺(340 × 1015立方公尺)。由於並未取得足夠的鑽井及生產資料,這些估計值充滿了不確定性。未來,若探勘成功及生產技術成熟,天然氣水合物才能成為重要的能源。

天然氣水合物的主要成分是甲烷(約80%)和二氧化碳(約20%),在海底與凍土層低溫高壓的共同作用下,甲烷與水結晶形成3種籠狀的結晶體組成固態的冰球。如果這種冰球融化,1立方公尺的天然氣水合物可輕易轉化為164立方公尺主要是甲烷的天然氣和0.8立方公尺的水,甲烷氣會快速地散發至大氣中。因為甲烷氣的溫室效應比二氧化碳高約22倍,會引起更大的地球暖化問題,因而人們對它又愛又怕,只有提升開發技術後才能妥善利用。

產狀和調查

20世紀70年代,英國地質調查所科學家在美國東海岸大陸邊緣進行震波測勘,發現了類海底反射層(bottom simulating reflector, BSR)。緊接著於1974年在深海鑽探岩心中鑽獲天然氣水合物,並釋放出大量甲烷氣,證實了BSR與天然氣水合物有關。70年代和80年代,國際合作的深海鑽探(DSI)和大洋鑽探計畫(ODP)陸續實施,在全球發現多處含有天然氣水合物。1995年冬,ODP64航次在大西洋西部進行一系列深海鑽孔,首次證實天然氣水合物分布廣泛,而天然氣水合物礦層下方的游離天然氣具有經濟價值。

除了BSR外,天然氣水合物獨特的物理化學性質和易受自然條件影響的動力學特性,決定其與海底微地貌的因果關係,特別是水合物形成、汽化分解的微地貌(如泥丘、錐狀體、麻坑、坑陷、鬥坑等,其中較直接的有冷溢氣口、麻坑、泥火山或泥底辟、海底滑坡等),以及伴生的生物群落、自生碳酸鹽岩結殼、天然氣水合物出露海底等。

這些水合物的海底微地貌可以用多種技術及設備來探測,主要是高精度定位,並採用聲學(聲納)間接測量和光學直視探查。這些技術包括多波束地形測量、旁側聲納掃描和淺地層綜合測量技術(包括沉積物中的烴類含量異常,自生性礦物如黃鐵礦、硫酸鹽礦物的增生等)、海底機器人和直視觀測技術,以及輔助性測量技術如水下定位和數據採集處理技術等。

經過多年的探測研究,已發現天然氣水合物可能存在於溝盆體系、陸棚體系,以及邊緣海盆的邊緣,也就是主動大陸邊緣和被動大陸邊緣的海底,尤其是與泥火山、地下水活動、鹽泥底辟,以及深海盆地中有關的大型斷裂構造。此外,還包括擴張海盆和北極區的永久凍土。

成礦地質模式

前蘇聯學者把天然氣水合物成礦系統概括分為靜態系統與動態系統兩種儲集模式。靜態系統是指由於冷切、擠壓或天然氣富集度增大(主要是生物氣生成)所生成;動態系統是指在沉積物內的反應帶進行物質替換所形成的水合物系統,包括滲流模式、泥火山作用模式、崩塌沉降模式和含油氣的岩塊沉降到較深的水下形成水合物。

較新的水合物儲集模式則與常規的油氣封閉概念相似,分為構造封閉型、地層封閉型及複合封閉型3種。

構造封閉型是指熱成因氣(因溫度和壓力生成)、生物成因氣(由有機生物生成)或兩者混合,從較深的含油氣系統沿斷裂、泥火山或其他的構造通道,快速遷移到水合物的穩定區域中。地層封閉型水合物礦藏則儲存在滲透性較高的沉積物中,主要由原地產出或從深部慢慢遷移而來的生物成因氣所形成。複合封閉型水合物礦藏則主要由活動斷裂或底辟構造快速供應流體(天然氣和水),在滲透性較高的沉積物中形成的。

國際水合物能源研究所在2008年的美國石油地質師協會提出,應該針對高品質水合物沉積形成的控制因素加以分析,高孔滲性儲存層中高濃度的水合物聚集並具相當規模,才有商業開採價值。他們強調對水合物探勘的關鍵是把水合物看成含油氣系統的一部分,而不是單單鑽探BSR反射層,正確識別目標並搭配適當的鑽探(包括安全的鑽探),商業性天然氣水合物開採才有可能。

美麗與隱憂

天然氣水合物的開採和應用遠景固然美麗,但由於甲烷氣屬於強溫室氣體,每單位重量的甲烷在20年內的增溫效應約是同樣重量二氧化碳的22倍,因此開採時會發生問題的隱憂不能不重視。

天然氣水合物的開採會改變儲存層的溫度、壓力條件,引起天然氣水合物的分解並釋出甲烷氣。因此,在可燃冰的開採過程中,若不能對溫壓條件加以妥善控制,就可能引發一系列環境的問題,如甲烷氣大規模逸入大氣造成溫室效應的加劇、海洋生態的改變、海底大規模的滑塌等。科學家更推測早在5,500萬年前就曾發生過一次海底可燃冰大量釋放,把甲烷放入大氣中使全球急遽變熱,造成生物大滅絕。

此外,由於水合物經常成為沉積物的膠結物,它對沉積物的強度及對上層的支撐具關鍵作用。水合物的形成和分解會影響沉積物的強度,進而誘發海底滑坡等地質災害的發生。

美國地質調查所的研究已表明,水合物能導致大陸斜坡上發生滑坡,除了對各種海底設施是一種很大的威脅外,可能促使局部地區發生海嘯。因此,就像童話故事〈傑克與魔豆〉一樣,如何攀爬魔豆莖幹,偷偷進入天宮,不驚醒睡著的巨人,抱回生金蛋的鵝,是大家都在探索的事。日本已於10年前開始進行天然氣水合物探勘,直到近期才生產測試,但在商業化生產方面仍有許多問題。

目前水合物的開採成本非常高,而且很難保證井底穩定不崩塌、不使甲烷氣洩漏、不引發溫室效應,這些問題已成為大規模開發可燃冰的巨大障礙。

臺灣的情況

2000年,臺灣西南海域高屏峽谷和枋寮峽谷之間的高屏斜坡發現有天然氣水合物的存在,並在2003年開始調查研究。這幾年來的調查發現震測有BSR,海水中有高濃度甲烷異常,海底有麻坑、泥貫入體、泥火山及崩塌,自生碳酸鹽礁等現象。特別是與大陸邊界接壤的南海北部,發現可能由天然氣水合物「冷泉」噴溢形成的巨型碳酸鹽岩—九龍甲烷礁,面積達四百多萬平方公里,是目前世界最大的自生碳酸鹽岩區。

雖然有這麼多的徵兆間接顯示臺灣西南海域可能有天然氣水合物存在,但還需進一步調查富集區的位置進行鑽井,證實開採天然氣水合物的經濟價值,更有待技術的進一步發展,以便能安全地進行商業開採。
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