成就天然氣黃金時代夢想的能源增產技術——液裂

■吳偉智（任職台灣中油公司探採事業部海域處） 天然氣的黃金時代即將來臨！根據美國能源局的研究報告顯示，來自頁岩氣的天然氣產量將逐年增加，其供應美國國內能源的比例將由2010年的23%，上升至2035年的49%，而且這些天然氣的產量可能超過美國國內需求，剩餘部份可利用液化天然氣的方式出口。然而究竟是什麼樣的變更使美國認為，頁岩氣可以大大提高能源供應安全、減少溫室氣體排放量和提供消費者較低的天然氣價格？又是甚麼樣的技術應用使美國能源局認為，新的石化能源黃金20年夢想可以美夢成真？答案就是配合水平井的多段液裂技術的應用。 【原理】所謂液裂，顧名思義為利用液體使地層產生人工裂縫，因此進行液裂時，首先要配好注入流體，注入流體為一種混合液體，其主要成份包含水、化學添加物質以及最重要的支撐劑。支撐劑的種類包含有石英砂、人造陶瓷顆粒等。選定支撐劑後，加入大量的水中，使其成為懸浮液體，為使支撐劑於輸送過程中持續懸浮於水中，會加入許多化學物質如凝膠以避免支撐劑沉積。 準備好注入流體後，將注入流體引導至井口，由地面加壓將注入流體送至井底，持續加壓，當液體的壓力高於地層破裂壓力後，地層會破裂產生裂縫，同時混合液體也被擠入裂縫中，這時地面注入壓力會突然下降，工程師就 可以根據當時的流體注入率與注入時間，配合地質狀況評估裂縫成長情形。當裂縫成長至目標高度時停止加壓，然後進入減壓階段，當液體壓力低於地層破裂壓力時，地層裂縫會閉合，並將裂縫內的流體擠回井內造成回流現象，雖然許多注入流體被擠回井內，但在裂縫內會留下許多支撐劑，因此地層裂縫無法完全密合，形成一個人工裂縫，做為油氣流動的通道。 若假設地層岩石特性與流體特性完全一樣，生產井液裂前，其地層流體僅能透過井眼圓周進入井內，而液裂後地層流體可以由新形成之裂縫面流入裂縫中，再流入井內，所以液裂增產的主要原理，在於使地層與生產井的接觸面積變大，亦即造成地層流體更容易流進井眼，增加單井的產能。也因此液裂技術常常被應用於地層岩石滲透率（流體於岩石的流動能力）低的油氣田中，提高油氣生產量，加速油氣田達到目標採收量。 【現場應用】液裂增產技術應用於現地時，除了地面設備外，尚需考量地層的大地應力分布，以控制裂縫生長方向。地面設備主要是加壓設備、大型儲槽、大型攪拌槽以及高壓管線。目前液裂服務公司均有可移動式之成套設備，不在此多述。 裂縫生長方向，主要受限於地層的大地應力分布，當地層深度較淺（一般而言深度約在1000公尺以內），地層的垂直應力小於水平應力，即地層的垂直方向為最小應力方向，液裂時將形成水平裂縫；當地層深度較深（一般而言約深於1000公尺），地層的垂直應力大於水平應力，因此水平應力中x或y方向為最小應力方向，液裂時將形成垂直裂縫。 若液裂要配合水平井技術時，則需於施工前確認最小應力方向，所謂水平井是指井程進入生產層時，其鑽進方向與地層層面接近平行。當水平井的水平段進入生產層時，其方向必須與地層最小應力方向平行，當水平段達到設計長度後即可進行多段液裂。所謂多段液裂是指利用臨時填塞器等，將水平孔段分割為許多小段，再分段或多段同時進行液裂，液裂完成後由於水平段與地層最小應力方向平行，因此裂縫生長方向幾乎與水平段垂直。目前水平井的多段液裂技術相當成熟，一口水平井可進行30幾段之液裂，大幅提升單井產能。 頁岩氣，是指蘊藏於頁岩內之天然氣，一般而言，頁岩具有高孔隙率、低滲透率之特性。先前水平井多段液裂技術未成熟前，由於無開發經濟價值，這些頁岩所蘊藏之天然氣無法被列為蘊藏量。但自2010年以來，美國國內發展出水平井多段液裂技術，成功應用於頁岩層厚度在100至200公尺之地層，使得頁岩氣開發具經濟價值，美國國內天然氣蘊藏量倍增，頁岩氣躍升為能源閃亮之星。 【今日之星—頁岩氣】透過工程技術的發展，改變整個世界的能源結構，是利用水平井多段液裂技術開發頁岩氣最好的寫照。本來一文不值的頁岩氣，因為生產技術的改進，可以造就美國從天然氣進口國變成出口國的美夢！ 然而頁岩氣的開發仍然存在許多危機，利用水平井多段液裂技術雖可大幅提升單井產能，但是其高原生產期一般只能維持6個月，6個月後就快速遞減，若要整個氣田維持固定產量，需要透過不斷的鑽井、液裂才能達成目標產量，一口生產井所需成本約需6百萬美金，氣田擁有者需持續不斷的投入資金，才能有穩定的產量，也因此頁岩氣開發案的回本年限會較一般傳統天然氣氣田長。此外，水源問題、水污染的問題也是頁岩氣開發案需要考量的主要因素。 【結語】水平井多段液裂技術，使得美國天然氣蘊藏量倍增，各國如加拿大與大陸等，也都紛紛投入頁岩氣開發技術的發展，在全世界化石燃料持續枯竭時，打入一劑強心針。然而水平井多段液裂技術是否就可以扮演能源救世主，讓全世界油氣持續50 年而不竭，目前無法得知。當然有頁岩氣就可以聯想到頁岩油，但是尚有許多能源如天然氣水合物，正等待具經濟價值開發技術的研發，也許在不久的將來，在油氣開發工程師們的努力下，又有一個新能源可以成為明日之星！ 本版內容由台灣立報與《科學月刊》合作出版 《科學月刊》網址：http://www.scimonth.com.tw/