■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
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