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非傳統油氣資源：天然瀝青與超重油的開採

102/10/08 21026

王志文｜成功大學資源工程學系

邱琪惠｜成功大學資源工程研究所

重油很重嗎

重質原油（簡稱重油）或超重質原油（簡稱超重油）都是原油的一種，但流動性比較差，會用「重」這個形容詞，是因為它們的密度或比重比一般的原油高。

一般石油的密度是每立方公分0.85公克，相當於美國石油指標（API）的35度（註1）。而重油的API值介於10至20度之間（所對應的密度介於每立方公分1公克及0.934公克之間）；超重油則小於10度（黏度不超過10,000厘泊（centipoise）；密度大於每立方公分1公克）。另外，還有一種天然瀝青，在加拿大稱為「油砂」，其黏度大於10,000厘泊且API小於10度（密度大於每立方公分1公克）。

天然瀝青、重油和超重油具高黏度、高密度或低API值，這是天然瀝青和超重油開採困難、運輸和提煉成本都比傳統原油高的原因（註2）。以前都拿天然瀝青當作鋪路的材料，但從2007年後因油價高漲，再加上開採技術的改進，使得高開發成本的油砂有了經濟利益而開始生產。

如何生產天然瀝青與超重油

黏度會影響液體的流動能力，黏度愈大流動愈難，反之則流動愈容易。黏度是原油很重要的物理性質，會隨著溫度的增加而急速下降，和麥芽糖加溫後變成可以流動的現象相似。

原油在生產井或輸油管中的流動速度，對石油礦區的生產開發作業影響很大。如果氣溫降低，原油會因黏度增大使得輸送速率減緩，進而導致生產困難及效率降低。因此，需藉由加溫方式減低原油的黏度，或以保溫管線運送原油，但這些方法都會增加生產開發的成本。

地表挖掘法

地表挖掘法適用於開採深度小於 75 公尺的天然瀝青礦區，挖掘出來的天然瀝青中，瀝青原油約占 10 至 12％，礦物質（包括砂和黏土）約占 80 至 85％，其餘 4 至 6％是水。工程人員會利用加熱降低瀝青原油的黏度，增加其流動性以分離瀝青原油與砂土。之後在瀝青原油中加入輕質石油，混合稀釋成瀝青混合油出售，或把瀝青原油直接運送至改質廠進行油品改質後出售。

現地採收法

當天然瀝青的埋藏深度大於75公尺時，則改用現地採收法生產，這方法是採用熱採收技術。由於油砂中的瀝青黏度很高，不易流動甚至完全不能流動，但其黏度會隨著溫度上升而急速下降，因此可加熱地層以增加瀝青的流動性。以下介紹幾個現地採收的主要生產方式。

循環蒸氣激勵法　這方法包括注氣、燜熱及生產3個階段。第一階段（注氣）是由井口連續注入高溫蒸氣，所及範圍的地層溫度會升高，因而降低瀝青原油的黏度，增加其流動性，這階段可能由幾天到數周不等。第二階段是關井燜熱，使注入的高溫蒸氣由井孔周圍持續向外擴散，具流動性的瀝青原油範圍會漸漸加大，這階段也為期幾天到數周。第三階段則是開井生產，抽取具流動性的瀝青原油，期間是幾周到數個月。

持續重複上述的步驟，而下一循環所需注入的蒸氣總量，是根據前一次生產流體總量來計算，以擴大流動範圍並提高生產量。

低溫重油併砂生產法　這種生產方式是把砂和瀝青一起從井底抽出到地表後再分離。地層裡的砂取出後，原先的砂層會形成通道或具較高滲透性的區帶，而有助於瀝青或重油的滲出。這方法適用在黏度較低、流動性較高的重油，如加拿大亞伯達省的沃巴斯卡、冷湖南方、和平河和委內瑞拉就使用過這方法。

蒸氣驅排法　這方法是利用注入井注入蒸氣以降低地層中的重油黏度，注入的蒸氣會驅使重油往生產井流動，再藉由氣舉法（藉由壓縮空氣或天然氣使油從井中生產出來的方法）或幫浦抽取法生產原油。

蒸氣輔助重力驅排法　這方法是在地層中鑽鑿兩口上下平行的水平井，每口水平井長約500至1,000公尺，而兩口水平井間的垂直間隔大約是5公尺。位在上方的水平井是注入井，下方的是生產井，每口水平井又包括內管（油管）和外管（環孔）兩部分，都可以讓流體在裡面流動。這方法包含的上、下兩口水平井又稱為對井。

利用這方法開採天然瀝青地層時，初始階段是同時自二口水平井注入高溫水蒸氣，由內管（油管）注入經外管（環孔）循環生產注入水蒸氣及井邊的瀝青。期間，因逐漸把地層加溫而使上下兩口井間的瀝青原油漸具流動性，這操作稱為啟動階段。第二階段是生產階段，這時下方的水平井停止注入水蒸氣而改為生產加溫過的瀝青，上方的水平井則仍持續注入水蒸氣。

由於水蒸氣的密度較低而往上方飄移，使得地層上方重質的瀝青原油因升溫而熔化，兩口水平對井周圍的地層因而形成蒸氣室。當蒸氣室漸漸向外擴大時，所熔化的瀝青原油和凝結的水會因重力作用，沿著蒸氣室邊緣流入下方的生產井。若在注入蒸氣中添加溶劑，以減緩蒸氣室的擴大速率而提高短期內生產量的方法，則稱為蒸氣添加溶劑輔助重力驅排法。

腳趾—腳跟空氣注入採收法　這方法包含一口水平井與一口垂直井，由垂直井注入空氣並點火燃燒一小部分的重油（又稱為火攻），藉由燃燒熔化油砂中的瀝青，把油推至水平生產井以生產重油。

世界開採現況

天然瀝青與超重油因沉積環境、埋藏的地層特性（例如埋藏深度、地層溫度、地層壓力等）與流體性質（例如流體黏度、流體組成等）不同，所使用的開採方式也相異。

加拿大亞伯達省能源資源保護委員會的2009年報告指出，加拿大約有5％使用低溫重油併砂生產法；冷湖礦區因超重油的流體黏度較低，所以有25％利用循環蒸氣激勵法；和平河和阿薩巴斯卡因流體黏度較高，分別有40％和50％利用蒸氣輔助重力驅排法來生產。

相較於加拿大亞伯達省的油砂，位於委內瑞拉奧里諾科石油帶的超重油地層因溫度較高、岩石通道的滲透性好、重油黏度低且流動性佳，因此採用多口水平井冷產方式，在井下設置電阻加熱，並設置電力驅動的井底馬達抽取加熱後的石油，這種生產方式大約占超重油總量的8至12％。未來若要繼續增加超重油的生產量，則需要採用注入蒸氣或蒸氣添加溶劑等方式。重油改質廠的建置也必須納入考量。

全球儲量與分布

世界能源委員會2010年的報告指出，天然瀝青儲存在23個國家的598個礦區，惟尚無報告指出有多少天然瀝青儲存在海域中。加拿大是目前唯一商業生產油砂的國家，阿薩巴斯卡、和平河和冷湖是主要油砂礦區，其油砂蘊藏量共約1,730億桶，占全世界天然瀝青蘊藏量的2∕3（註3）。

除了加拿大外，還有其他22個國家共367個天然瀝青的礦區，其中以哈薩克和俄羅斯的天然瀝青資源量（註4）較多，分別是25.11和8.17億桶，這兩個國家也擁有豐富的傳統原油與天然氣。

超重油儲存在21個國家的162個礦區中，有13個礦區位在海域或部分海域。其中，東委內瑞拉盆地中的奧里諾科石油帶約有1,900億桶的資源量，占其國內總超重油資源量的90％。委內瑞拉在2008年的超重油日產量約為64萬桶，東北部海岸的何塞煉油廠每日合成原油約58萬桶，超重油所煉製的石油量已超過委內瑞拉總石油生產量的20％。

由於加拿大亞伯達省與委內瑞拉奧里諾科石油帶的超重油可以商業生產，證實了生產策略與技術的可行性，可以提供未來開發小型油砂或超重油礦區的參考，這有助於增加世界的石油開採量。

未來前景

現今已發現的天然瀝青與超重油礦的原始埋藏總量，據估相當於傳統原油的總量，其中絕大部分在加拿大與委內瑞拉。2008年有報導指出，加拿大亞伯達省的油砂與委內瑞拉奧里諾科石油帶超重油的生產，會使得油價下降，因為這兩個國家的天然瀝青與超重油生產已經如火如荼地展開。委內瑞拉政府預計在2021年奧里諾科石油帶生產的超重油日產會達到686萬桶，加拿大也預估在2018年的天然瀝青日產量可達295萬桶。

為了降低開採天然瀝青或超重油時的能源消耗與溫室氣體排放量，未來計劃在生產前利用電加熱、地底燃燒火攻或腳趾—腳跟空氣注入採收法來提高地層溫度。

全世界石油的消耗量日益增加，促使人類致力研發非傳統石油資源的生產技術，以供應全世界能源的需求。未來，在研發新技術的同時，也必須兼顧降低對環境的衝擊，以善盡世界公民的責任。

備註

水的密度是每立方公分1.0公克。
API值是美國石油學會制定用來衡量原油比重的指標，和我們常用的比重值正好相反，API值越大，實際上比重越小。水的API恰是10，因此當油的API大於10時，可知其密度比水小；當油的API小於10時，則密度比水大。
蘊藏量是指在目前的工程、技術、經濟等條件下可以開採出來的總量，隨著未來技術提升與油價高漲，蘊藏量也會增加。
資源量是表示儲存在地底下的總量。

深度閱讀

Alberta ERCB, Alberta's Energy Reserves 2008 and Supply/Demand Outlook 2009-2018: http://www.aer.ca/data-and-publications/statistical-reports/st98
World Energy Council, 2010 Survey of Energy Resources: http://www.worldenergy.org/documents/ser_2010_report_1.pdf

資料來源

《科學發展》2013年10月，490期，22 ~ 28頁

科發月刊(5221)

非傳統油氣資源：天然瀝青與超重油的開採

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