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地質能源:傳統油井逐漸枯竭,能源從哪裡來?

107/03/12 瀏覽次數 4717
石油的由來主要有兩種假說,一種認為石油源自於地殼深處的太初物質,但這種說法比較鮮為人知。而另一種說法則是認為石油來自於古代生物遺骸,經由沉積作用將生物遺骸等有機物質深埋於地底下,在絕氧的環境下,細菌等微生物消耗氧氣,將生物遺骸轉變成碳氫化合物,在生油岩地層中形成油母質。在一定的地層溫度、壓力範圍環境條件下,油母質逐漸經由複雜的化學反應慢慢轉變成石油,在經由長時間的高溫高壓,使之裂解程不同分子大小的碳氫化合物(例如:天然氣、瓦斯、凝結油、煤油、石蠟、瀝青等)。
 

隨著時間推移,地層壓力增高,將生油岩孔隙中的碳氫化合物擠出,迫使油氣移棲到合適的封存構造中,成為油藏。

石油危機後,能源的新方向

十世紀70、80年代,石油危機出現之前,世界上大都在生產取用儲藏於砂岩及碳酸岩中的石油,因為砂岩孔隙率與滲透率高,有利於的下流體流動,往往僅須鑽井、穿孔,地層中的原油便會自湧而出。這種生產技術簡單、成本低廉及產量巨大的油藏便被稱為「傳統油氣資源」。

 

 

事實上有些油氣資源,由於其儲藏地層的特性(滲透率、孔隙率過小等因素)或是油氣資源本身性質(黏滯度等物理、化學性質),導致其生產成本與技術難度高於傳統油氣資源,因此乏人問津。但在戰爭爆發導致石油危機,石油輸出大國控制了原油輸出之時,原油價格水漲船高,使得這些原本生產成本相對高昂的油氣資源開始備受重視,而這種油氣資源便被稱為「非傳統油氣資源」。

在傳統油氣資源日漸稀缺,油價高昂的現今,非傳統油氣資源的開發早已不是新聞。目前被積極開發的非傳統油氣資源主要有三種,頁岩氣、油砂以及天然氣水合物。

 
非傳統油氣資源的資源特性與開發限制示意圖。(圖/世新大學 新媒體科普實作計畫)非傳統油氣資源的資源特性與開發限制示意圖。(圖/世新大學 新媒體科普實作計畫)
 

藏在頁岩裡的天然氣——頁岩氣
 
頁岩氣來自於頁岩質的生油岩,油母質在頁岩中形成油氣後,由於頁岩顆粒緻密,流體不易流動,導致有部分油氣分子被封存於緻密的岩石縫隙之中,無法移棲。頁岩氣的主要成份為天然氣,成份十分單純,雜質含量及少,但由於頁岩的滲透率(流體於孔隙介質中的流動能力)不佳,一般狀態下根本無法進行生產。

直到近十年來,美國石油工程及鑽井生產技術有所突破,利用水平鑽井(Horizontal Drilling)以及水力壓裂技術(Hydraulic Fracturing),在頁岩地層中打入高壓液體,製造開裂,成功有效的生產頁岩氣。該技術的成熟應用也為美國帶來不亞於俄羅斯的天然氣產量,使美國天然氣貿易油進口轉為出口,形成了所謂的「頁岩氣革命」。

 

油沙:混在泥沙之間的石油

 

還有一種油氣資源存在於離地表較近的深度,那便是北美加拿大原油生產的主要來源——油砂。油砂由砂粒、水、泥土及大量黏稠的原油混合而成,存在於淺層的砂質地層,在砂粒之間存在著類似瀝青質的高黏度石油。由於其黏度過高,流動性並不佳,無法如傳統油氣資源般直接打井進行生產。

 
開採自美國加州的焦油砂礦石。(圖/Wikipedia,James St. John,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B2%B9%E7%A0%82#/media/File:Tar_Sandstone_California.jpg)開採自美國加州的焦油砂礦石。(圖/Wikipedia,James St. John,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B2%B9%E7%A0%82#/media/File:Tar_Sandstone_California.jpg)
 
現經開採油砂主要有兩種辦法,第一種是直接再地表開挖,除去地表植被、覆土,將接近地表的油砂資源如露天採礦直接進行開挖,將油砂在現場加熱,使其中所蘊含之石油與砂粒分離。另一種較為先進的技術則是在地下油砂層中鑽入上、下兩口水平井,從位於上方的水平井注入熱源,使油砂中的稠油熔解,因重力作用流入下方的生產井進行生產。

油砂的興盛開採為加拿大帶來不少財富,但大面積的地表開挖破壞了原有生態,且因油砂而高速發展的城市也衍生出許多潛在的治安危機。
 

躲藏在水面下的「天然氣水合物」

 

近年來在台灣的西南海域探勘到了大量天然氣水合物的蹤跡,更令人感到興奮的是,2017年七月,中國宣布在鄰近香港的神狐海域生產天然氣水合物試驗成功,也證實了海域天然氣水合物開採的可行性。

天然氣水合物又可以被稱為可燃冰,是在低溫高壓的環境下,由水分子包裹甲烷氣分子形成晶格而成,常被發現於永凍層及海床下。在常溫常壓下,水合物分解後大約可以產生150~180單位體積的氣體及0.8單位體積的水。天然氣水合物開採所生產出的甲烷被視為是一種較為潔淨的能源,其熱值高且不會排放有毒的氮、硫化物,也是許多國家在未來希望開發的新興能源。

如今開採技術尚未成熟,無法保證開採作業的安全性。如同永凍土層融化會使地層不穩定,造成土壤液化,開採天然氣水合物也可能破壞海底地層的穩定性,造成海底滑坡、地震、海嘯及大量天然氣湧出毒化海水等可怕的災難。希望再不遠的未來,台灣也能順利開採海域天然氣水合物,增加能源自給率,幫助未來台灣的環境保護以及能源經濟。

 
審校:沈建豪
資料來源
  • 科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」
  • 原標題:地質能源(1)傳統與非傳統油氣能源
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