非傳統油氣資源：頁岩氣的特性與開採技術
102/10/08
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呂明達｜
臺灣中油公司探採事業部
陳耀輝｜
臺灣中油公司探採事業部
頁岩氣是一種生成並儲存在頁岩中的天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效率的能源。由頁岩中的油母質（kerogen）經緩慢的高溫作用轉化而形成頁岩氣；油母質則是動植物遺骸在地下深部受細菌分解作用後殘留的有機物質，存在於頁岩或碳酸岩顆粒間。
頁岩的孔隙率低，岩層內滲透率也很低，因此氣體很難在頁岩中流動。若採用傳統鑽鑿垂直井生產油氣的方式開採，地層裡的天然氣很難流向生產井而產出，由於產量很低而不具經濟價值。因此，頁岩氣生產開發需採用特殊的技術，也就是在井口向地層內施作人工裂隙做為氣體的流動通道，以增加氣體產量，稱為液裂。
頁岩氣的形成
浮游生物及動植物死亡後的殘骸堆積在湖底或海底下，經地殼變動後埋藏在沉積盆地內，其中僅有一部分能由細菌在厭氧環境下分解，形成以碳、氫為主的油母質。由於歷經數千萬年沉積物的持續堆積，使油母質埋藏深度增加，地下的溫度與壓力升高，在適當的溫度壓力下，油母質就轉化成液態石油或天然氣。不同的有機物來源可生成不同類型的油母質，依據地層不同的油母質種類及溫度壓力條件，就有形成氣態天然氣、液態石油與固態煤炭的差異。
傳統的天然氣資源是由頁岩層生成天然氣，經過移棲至孔隙率及滲透率大的砂岩層中聚積。與傳統天然氣資源不同，頁岩氣在頁岩層中形成後，基本上並沒有經過移棲，而是直接聚集在頁岩層中。頁岩氣以自由氣的形式儲存在頁岩地層的孔隙及自然裂縫中，也以吸附氣的形式吸附在頁岩顆粒表面上。
頁岩氣層特徵
頁岩一般是顆粒小於4微米的細顆粒沉積岩，由粉砂和黏土級顆粒經壓實作用而形成。頁岩孔隙很小，從1～3奈米到400～750奈米不等，比表面積大，部分頁岩氣是吸附在頁岩顆粒表面上。
頁岩不同於其他黏土和泥岩，呈薄片狀且易分裂，意味著頁岩有可能形成裂縫。頁岩地層中的自然裂縫可為頁岩氣提供部分的儲存空間，也可為頁岩氣提供通道，進而有效提高頁岩氣產量。
頁岩在自然界中分布廣泛，沉積岩中頁岩約占60％，而且是大多數傳統油氣的主要生成岩石。常見的頁岩類型有黑色頁岩、碳質頁岩、矽質頁岩、鐵質頁岩、鈣質頁岩等。當頁岩中含有一定砂質成分時，就形成砂質頁岩。富有機質頁岩主要包括黑色頁岩與碳質頁岩，暗色富有機質的頁岩可以大量生成油氣。若頁岩內的脆性礦物如石英含量越高、黏土礦物越少，會有利於施作液裂。由於砂岩的滲透率較高，因此頁岩層中的粉砂或砂岩夾層可改善頁岩氣層的滲透性，有效提高其滲透率。
頁岩的礦物組成
頁岩含有的礦物成分不僅影響頁岩孔隙率、自然裂縫發育、含油氣量等，更是影響液裂施作成功與否的重要因素。
頁岩中黏土礦物含量越低，則石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高，岩石脆性就越強，在外力作用下越易造成天然裂縫和水力裂縫（hydraulic fractures），形成樹狀或網狀結構裂縫，有利於頁岩氣開採。而黏土礦物含量高的頁岩，塑性強，不利於液裂施作。
然而，不同頁岩層內的礦物組成差異很大，比如美國德州Barnett頁岩的矽質含量高，在Eagle Ford 頁岩中則碳酸鹽的含量高。
生產開發技術
頁岩地層因滲透率很低，氣體不易流動，因此開採頁岩氣常使用液裂方法—水力裂縫激勵技術，增加地層與生產井之間氣體的流動通道。液裂的原理是在井內套管，以穿孔器在生產層中穿孔，再利用高壓幫浦把液裂流體注入生產層，使地層擠裂而產生裂縫。
液裂過程首先需配合酸處理以提高液裂效果，把相當數量的水混合微酸性物質注入地層中，清除井孔附近的膠結物或碎屑，同時溶解井孔周圍填充於自然裂縫內的碳酸鹽礦物，使液裂流體得以深入自然裂縫。其次，高壓注入更巨大數量的水與交聯劑（cross-linkers），使地層破裂而產生裂縫。再次，把相當量的水與支撐劑（proppants）注入，利用支撐劑撐開產生的裂縫避免其閉合。最後，以清水把多餘的支撐劑沖排出井孔以避免堵塞。透過液裂產生的裂縫，會由井眼向生產層內延伸，使地層中的油氣能透過裂縫流至井口生產。
早期的液裂是在垂直的生產井中施作，使裂縫與地層的接觸面積加大，進而增加生產井與地層的連通管道。近年來，隨著鑽井技術的進步，常利用水平鑽井進行頁岩氣開採。水平井的鑽鑿是先垂直鑽到預定深度後，再以一定曲率改變鑽進角度持續鑽進，最後在目標生產層完成一定水平段的鑽鑿，這一水平段就是水平井。
雖然水平井鑽井成本是垂直井的2～3倍，但水平井與地層的接觸面較垂直井大很多，可以增加油氣的產量。此外，水平井在生產油氣過程中，所造成的地層壓力變化較垂直井小，若油氣下方有含水層，能有效減少產出水的可能。水平井也有減少地面設備、開採範圍擴大、受地面不利因素干擾小等優點。
水平井生產配合液裂，是目前開採頁岩氣層普遍使用的方法，其中較常應用的是以水平鑽井配合多段液裂技術—利用封隔器或其他材料段塞，在水平井的不同位置上施作多段液裂。即先在水平井上選擇一個井段實施液裂，增加頁岩氣產量，但隨著生產時間增加，產率會逐漸降低，這時在下一個水平井段再實施液裂，使頁岩氣產量再度提高。如此反覆在水平井不同井段上施作液裂的方法，就是多段液裂技術。
前景可期
美國能源資訊署2011年的研究報告指出，全球頁岩氣發展除北美以外，很少有商業開採頁岩氣成功的案例。美國德州Barnett 頁岩氣是世界上開採頁岩氣最活躍且最成功的地區，預估資源量可達327萬億立方英尺。但這資源量是一個很粗略的概估值，不確定因素高。
2002年，Devon能源公司針對美國德州Fort Worth盆地內的Barnett頁岩氣進行水平井生產試驗，相當成功。從此業界開始大力推廣水平鑽井，水平井儼然成為頁岩氣開發的主要方式。
2011年的統計指出，Barnett頁岩氣的生產井中垂直井數達3,112口，水平井數達8,270口，並配合不同的液裂施作，增產效果逐步提高。倘若沒有上述先進開採技術配合，Barnett頁岩氣便無法達到今日有經濟效益的大規模開採。
在美國引領下，頁岩氣的探勘開發已在全世界造成「頁岩氣革命」旋風，未來發展會引起全球天然氣供應的大變化。
