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【還能怎樣】張竝瑜:頁岩氣─能源新革命與傳統迷思

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From Flickr. Credit: Dustin Gray

紀錄:王昱夫

頁岩氣是什麼?有人說頁岩氣開發會造成環境污染?有人說台灣沒有頁岩氣?頁岩氣革命席捲北美,進一步影響世界,今天讓我們一起,學習關於頁岩氣的科學,並對於種種頁岩氣的迷思,做出深入的探討與評估。

頁岩氣怎麼來?

一般我們依照天然氣形成的地質資源條件,分成「傳統天然氣」與「非傳統天然氣資源」。傳統天然氣多半是由在地層中,經歷百萬年移棲並且富集在「疏鬆」儲存地層中的天然氣所組成,其中又可依據是否與石油一起存在,分為「伴生(石油)移棲氣(Associated gas)」與「非伴生(石油)移棲氣(Nonassociated gas)」。而其他非傳統天然氣資源,則是存在於產生天然氣的有機泥質地層中或附近,因為孔隙率及滲透綠小,來不及移棲的天然氣,依照存在的位置及有機泥層的組成,又可分為煤層氣(Coal-bed gas)、緊滯沙層氣(Tight sand gas)以及頁岩氣(Shale gas)(注意:頁岩中若沒有泥岩層也不會有油氣,所以講者認為頁岩氣其實更適合被稱為「泥岩氣」)。

頁岩氣革命的意義

所謂的頁岩氣革命,與其說是水力壓裂法等技術上的革新,其實更接近一種觀念上的革命,因為相關開發技術在上世紀80年代就已存在。過去開採油氣,探勘與開採的重點是要有良好封閉的儲存層,通常是組成較為疏鬆的砂岩或是石灰岩層。油氣從含有油母質(有機泥質)的地層中生成,然後慢慢移棲至儲存層中,這個過程可能要花上數萬甚至數百萬年,也因此過去存有大量油氣的儲存層是較為稀少而珍貴的;

而頁岩氣的觀念革命,就是利用水力壓裂技術,直接開採含有有機泥質地層中的油氣(地質較堅硬,過去不易開採),由於有機泥質地層的滲透性差,往往保有大量尚未移棲的天然氣,運用水力壓裂法開採,灌注高壓液體使原本密實的岩層產生裂隙,內含的大量天然氣便會經由裂隙流入收集管線中,得到以往不易取得的天然氣資源。

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張竝瑜副教授介紹水力壓裂法的起源。

頁岩氣探勘與開發技術的最新進展

現代頁岩氣開採過程,首先會垂直鑽井至固定深度,接著以水平鑽井的方式抵達頁岩氣藏區,透過水力壓裂法,施加高壓水泵將堅硬岩層壓裂(水壓可串連高壓水車達到調整、增壓)。通常在一個礦區,會沿著一個垂直鑽井的四周環繞式地做水平探勘,形成一個圓盤型的頁岩氣礦區。

一個頁岩氣會成功的原因,也在於其基礎設施幾乎是直接利用舊有的天然氣開採基地與管線(將舊礦區進行水力壓裂再開發),開採出來的頁岩氣可以直接經由既有管線運送,節省了不少成本。

頁岩氣的幾個迷思

頁岩油or頁岩氣?

「氣是氣,油是油!兩者是完全不一樣的」講者如此說道。在地質中儲藏的資源,通常石油比較少,而天然氣較多,這是因為石油要形成,所需要的油母質(能夠形成石油的有機泥質物質)的成熟度與種類,要比形成天然氣的條件嚴苛的多。而在岩層中來不及移棲的不只是天然氣,也可能包含石油,因此也有所謂的「緊滯砂層油(Tight oil)」以及「頁岩油(Shale oil)」。少數的頁岩氣蘊藏帶,會同時有頁岩油和頁岩氣,但多數都只有天然氣,沒有石油。

水力壓裂法是種不確定且風險極高的新技術?

很多人會誤以為,水力壓裂法是種近幾年才剛發展的新技術,然而事實並非如此!水力壓裂技術,最早可以追溯到美國南北戰爭左右的時間點。在上世紀1940年代末便已經被運用於油氣井大規模的商業生產。也就是說,它其實是一個老技術,而且在油氣商業生產上已經被使用至少60年以上,至目前為止,施用或曾經運用水力壓裂法開鑿的油氣井已超過百口。

所以,如果要說水力壓力技術的應用是「貿然投入沒有驗證過的新技術」,其實不正確。它最早起源於西元1866年,美國內戰的退役上將愛德華・羅伯茨,申請了美國專利第59936號發明專利。其發明被簡單稱為「爆炸魚雷(Exploding Torpedo)」或是「羅伯茨魚雷」。發明設計包括一個鐵盒,中間填入15至20磅不等的黑火藥,從注滿水的油井置入到需要爆破的深度,然後透過導線引爆,可以有效地集中爆破產生的震波於附近含油氣的地層,使地層裂隙增大。該技術在當時幾乎立刻受到業界的採用。

頁岩氣開採是使用水力壓裂法,因為注入超過一百種以上的化學液體,所以有很大的污染問題?

有些頁岩氣開採井存在嚴重的環境污染問題,但也並不是所有頁岩氣開採井都有環境污染(受地質組成和開採深度不同而有不同)。關於壓裂液,其實90%是水、9.5%是沙,小於0.5%的化學藥劑如酸、樹脂、KCl(抗膨劑)、殺菌劑以及有機脫附劑⋯⋯等等,很多是我們日常生活就會接觸到的東西,也都需要美國相關單位嚴格的驗證和准許才可以注入地下。但是真正有毒的是來自於壓裂過程中,不慎因壓裂裂隙連通至上層含水層,而從泥頁岩中流入含水層的甲烷、有機植與腐植質。所以我們看國外影片,水龍頭打開可以點燃,是因為地下水層混入了頁岩氣才造成的「水火同源」現象。

美國的頁岩層厚度都較薄,平均厚度在150~200公尺之間,岩層埋藏深度則不一,有的只有ㄧ、二百公尺,有的深達4000公尺。所以需要先垂直鑽到泥岩地層的深度,在水平沿著泥質地層鑽鑿水平孔做水力壓裂。深度淺的,只要一施工不慎,往往會造成上述環境問題。但這並非技術本身有問題,主要還是施工的人的安全管理出了問題。

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張竝瑜副教授認為對頁岩氣開發不該抱著先入為主的誤解。

中國擁有全世界最大的頁岩氣蘊藏,但仍缺少水力壓裂這種成熟技術,所以現在無法開採?

中國並非沒有壓裂技術,必須再次強調,這種技術在1940年代就出現了,但是要能控制定向水平鑽的方向需要經驗與微震監測技術,這才是大陸方面最缺乏的!在經驗上,大陸目前比較傾向於先開採煤層氣(Coal-bed gas),利用開採煤層氣的過程當作練兵學習經驗,未來要克服技術和經驗上的不足,對中國來說並不是件難事。

臺灣沒有具經濟價值的頁岩氣蘊藏?

臺灣有頁岩氣,這是各界都沒有質疑的事(像有名的景點:泥火山,其實從泥岩層中冒出甲烷,就是頁岩氣),但是有沒有足夠的蘊藏量和開採價值呢?其實過去不管是中油或是工研院對頁岩氣的探勘,都做得並不完整,有些其實是到砂岩地區去找頁岩氣,忽略了頁岩氣真正可能存在的地點。

台灣在西南部、恆春以及東部個區域,都有泥岩分佈,其中分布最廣的是西南部泥岩地區,分佈範圍北自新營附近的龜重溪,南到高雄壽山與旗津公路附近的丘陵,涵蓋面積超過一千平方公里,厚度在數千公尺以上。現在積極探勘的甲烷化合物分布的地質,正是這些泥岩在數百萬年前的沈積環境。雖然在過去資料中,發現臺灣西南部泥岩的天然氣來源有機物成熟度較低(約在0.5~1.2Ro之間),但最近美國在東北部泥盆紀頁岩盆地的研究,發現在過去認為的低成熟地層其實也有大量頁岩氣蘊藏。

會出現這種差異的原因,可能是因為過去單位採用穿井(Performated method)的傳統開採石油天然氣評估方法,僅根據幾口開鑿在台南地區的鑽井來評估古亭坑泥岩區域,由於試鑽是乾井(沒有冒出有價值的油氣),便直接認定該地區沒有蘊藏。但是要知道,頁岩氣屬於非傳統能源,開採要用水力壓裂法將岩層壓裂增加表面積,使原本不連通的岩層產生相連的空隙,天然氣才能逸散出來,若只是單純用前者的方法(穿孔法),就像是用細吸管喝冰沙,一吸吸不到什麼,後者的方法(水力壓裂)則像是用粗吸管先攪一攪再吸,才有可能吸到杯子裡的東西啊!過去評估的方法與觀念與今日不同,才會導致過去一直認為台灣沒有蘊藏,其實是有機會有蘊藏的。

水力壓裂法會引發地震!?

延續上段的比喻,水力壓裂技術就像是喝冰砂一樣,凍硬了總要用吸管戳一戳,騰出一些空間來融化才能再喝,這個戳的動作會產生震動,也就是「微地震」。但一般我們再用力戳,每次戳鬆的範圍還是有限,力道也有限,引此產生的震動也還是有限。所以目前一般水力壓裂所直接造成的地震規模多在3以下,通常是屬於震度較小甚至無感的地震。因此是不會直接引起大地震的。

那有沒有可能引發許多小地震的能量,間接引發大地震呢?就臺灣來說,這也是不容易發生的!因為台灣的泥岩層很厚,就像一塊大海綿,即使因為開採頁岩氣產生微震,也一下就被周圍的泥岩吸收掉了,能量不容易累積,要誘發大地震的機會也相對小。

該如何看待頁岩氣

東野圭吾的「真夏方程式」裡面的湯川教授對著環保人士說:「你或許是環保的專家,但對科學是門外漢吧?⋯⋯如果你想雙贏,就必須雙方都有相當的知識和經驗,認為只重視一方就夠的想法,是一種傲慢的態度。要尊重對方的工作和想法,才是擴展雙方之道」。人類的文明與進步,同時也不可避免的需要資源的開發,也造成一定程度上的環境污染,除非我們回到原始時代,否則我們就不可避免地必須在環境和資源開發上尋求平衡點!所以如果抱著先入為主的誤解,去討論頁岩氣或其他能源的開發問題,以環境安全的疑慮,拒絕一切能源開發。是無法得到任何妥協與雙贏的機會的。

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活動結束大合照

 


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【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

關於作者

昱夫

PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。