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2011 年 03 月 28 日 / ctkuo

淺談石化能源(二):石油與天然氣(上)

作者:歐陽孚 / 編輯:郭致廷

美國德州的小鎮Spindletop,1901年1月10日,由油井中爆炸般地噴發出大量石油,為開採「黑金」的瘋狂紀元揭開序幕。

圖片來源:維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Spindletop)


石油與天然氣是什麼?

石油(petroleum)與天然氣(natural gas)主要都由「烴類化合物(hydrocarbon)」組成,所謂烴類指的是成分僅有氫(hydrogen)與碳(carbon)的化合物,化學式可以寫成CxHy的形式,例如:甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、丁炔C4H6…等。這些化合物可以是看不見的氣態、像水一般流動的液態、或是濃稠的漿狀甚至是固態,它們屬於哪種形態取決於化合物分子的大小,一般而言X與Y數字越小者,流動性與揮發性越高,越大者則外型越為固定。所有的烴類都可以燃燒(與氧氣劇烈反應),進而生成二氧化碳(CO2)與水(H2O),並釋放出熱能。這告訴了我們兩件事:一是石油與天然氣可以做為燃料,供應人類能量;二是使用這種燃料無可避免地會產生二氧化碳。


石油與天然氣從何而來

石油與天然氣的生成要追溯至回遠古時代,死亡的海藻、浮游生物與黏土(clay)共同沉積到湖泊或是海洋的底部,經歷過與細菌的交互作用後,會生成外表是黑色的有機頁岩(organic shale)。經過了漫長的地質時間,如果有機頁岩被埋入地底深層,例如:2公里到4公里,該處的高溫會使得有機頁岩成份發生變化、並逐漸轉變為一種固態或臘狀的型態,這種只含有高分子聚合物的物質被稱為「油母質(kerogen)」,含有油母質的岩石被稱為「油頁岩(oil shale)」。


燃燒的油頁岩
圖片來源:維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_shale)



然而並不是有了油頁岩就會有石油,還需要一點運氣。溫度在石油生成的過程中非常關鍵,要有足夠高的溫度,油母質才會轉變成石油,而如果溫度又再繼續升高的話,石油中較長的分子便會裂解成較小的分子,於是便產生了天然氣。由下圖可以清楚的看到,只有在大約攝氏90到160度的狹小範圍內有機會生成石油而已,這個重要的狹小範圍被稱作「油窗(oil window)」。雖然天然氣能夠存在的溫度範圍較寬,但當溫度跨過攝氏250度時,天然氣便會變成石墨(graphite),不再是我們能夠輕易運用的石化燃料。一般而言,油窗約存在於地表以下3.5公里到6.5公里之間。


油窗(Oil window)



「石油躺在地底下的一個大洞裡,開採石油就是插一根吸管下去把它吸到地表上來」,這是個相當容易理解,但卻過度簡化的比喻。最重要的一點:石油不是躺在一個大洞裡。此處讓我們由三種基本的岩石談起:源岩(source rock)、儲油岩(reservoir rock)、頂蓋岩(seal rock)。源岩就是前頭提到的有機頁岩,存在於其中的油母質由於難以流動,因此並不是石油公司的目標;石油公司要的,是存在於儲油岩中、流動性高的石油或天然氣。好的儲油岩通常是砂岩,砂岩中約有35%是孔洞,而且這些孔洞彼此的連結性要高,才能夠形成石油與天然氣遊走的通道,由於石油的比重低於水,因此石油形成後會逐漸由油頁岩往上移動,進入儲油岩之中,但容易流進者,通常也容易流出去,因此頂蓋岩變顯得重要。頂蓋岩可以是一般的頁岩、鹽層、或是石灰岩,它們是滲透性較差的岩石,像是蓋子一般壓在儲油岩上,隨著石油或天然氣不斷往上冒,若是遇到斷層(fault),便會在儲油岩上端形成一個石油圈閉(oil trap),詳見下圖。石油公司的油井便是鑽入這些石油圈閉,才能取得流動性高的石油、獲得高產量;然而,沒有任何岩石是不可穿透的,因此只要有足夠的時間,頂蓋岩終究會被穿透,使得開採的條件消失。此外,細菌是生成石油的必要條件,然而石油中的細菌,卻也會不斷地消滅石油,事實上,從遠古以來已有無法估算的石油蘊藏被細菌消耗殆盡。

頂蓋岩(seal rock)、儲油岩(reservoir rock)與石油圈閉(oil trap)



在這個小節裡我們快速地認識了許多專有名詞,然而這只是非常概略地介紹而已,各位讀者若想要對石油的生成有更進一步的了解,書店與網路上有更多資料可供參考。此處筆者想要強調的是:石油與天然氣的生成非常不易,從生物遺體的沉積、起化學作用的過程、在岩石間移動的旅途,甚至是被人類開採的時機,都有許多的條件必須被滿足。然而人類卻很可能在數百年間把地球花費百萬年所形成的石油耗盡,足見人類目前消耗它們的速度有多麼驚人。

有鑒於此,除了發展替代能源取代石油以外,也有部份學者正在研究如何模仿自然界石油生成的過程,利用人工的方式,將海藻經由高溫高壓的熱化學反應轉化為性質類似的原油 (crude oil),並從中提取石油,期望能支援傳統石油的需求以應付石油不斷減少的困境。



石油與天然氣開採狀況

最早人類發現石油,是部分區域的地表冒出黑色氣泡與油狀液體,人們拿它來潤滑機具、或是作為點燈的燃料,這些石油基本上是儲油岩的地層暴露於地表,如上圖右上方所示,因此石油能夠自行冒出、取得非常容易。但前述的情況畢竟少見,隨著人們對石油的需求漸漸增加,大規模開採便成為必要,於是便有人動起念頭往地底下鑽。在1859年,在美國賓州的一群工程師在往下鑽了21.2公尺後,發現油區,首次利用泵浦將石油輸送到地表上來,此時的產量約是每日10到35桶,雖然以今日標準看來,這樣的產量實在低得可憐,但在當時已是重大突破。

20世紀初,一群工程師選擇在美國德州的小鎮Spindletop鑽油,雖然他們的產量每日50桶已遠高於當時的平均值,但是詭異的直覺讓他們選擇繼續往下鑽。1901年1月10日,如往常一般運作的鑽油平台達到了347公尺的深度,接著無預警地開始劇烈震動,一瞬間地面上的鑽油設備爆炸般地往天空飛去,地表出現了高達50公尺的黑色噴泉,讓Spindletop一帶下起了黑雨,這個油井的噴發速率是每日7萬5000桶!由此開始,美國的鑽油重心迅速移轉到德州,石油狂熱讓Spindletop的地價由原本的每英畝10美金,上漲到100萬美金!

由上面的敘述可以看出,陸地上的石油是由淺層往深層一路開採下去,因此當石油公司自己國家陸地上的石油都開採得差不多之後,他們採取的策略便是往其他國家發展或是向海洋前進。海面上的鑽油平台可以是固定在海床上的、人工島嶼式的、或是浮動式的,端看鑽油環境而定,如下圖所示。鑽油平台的目標是在海床底下的石油或天然氣,所以開採原理其實與陸地類似,然而不同的是平台與海床間隔著的洋流增添了許多挑戰;此外,一旦發生意外要援救工作人員或自然環境,難度都非常的高,2010年石油公司BP在美國墨西哥灣發生的漏油意外,造成了嚴重的人員傷亡與海洋汙染便是一例 [註1]。


圖片來源:維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_platform)


註釋:

[註1] 墨西哥灣漏油事件

2010年4月20日石油公司BP在墨西哥灣(Gulf of Mexico)的一座鑽油平台發生甲烷(天然氣主要成分)洩漏事故,引發爆炸,造成數十名工作人員死傷。災害發生後該油井每日洩漏數萬至十來萬桶原油至海洋中,造成嚴重的海洋生態汙染。更多資訊詳見:中文維基百科〈2010年墨西哥灣漏油事件〉、英文維基百Deepwater Horizon oil spill〉。


相關文章:
淺談石化能源(一) ─ 石化能源使用現況
淺談石化能源(三) ─ 石油與天然氣(下)
淺談石化能源(四) ─ 煤炭

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