2013年5月1日

成就天然氣黃金時代—夢想的能源增產技術-液裂

作者/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(Hydraulic Fracturing) 技術的應用( 圖一)。

圖一:多段液裂技術示意圖。(圖片來源: University of Michigan)
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(Proppant)。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(Gel)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(圖二a),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(圖二b),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(圖二c),形成一個人工裂縫,做為油氣流動的通道。

圖二:液裂施工過程(俯視圖)。

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(圖三a),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(圖三b),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。【更詳細的內容,請參閱第521期科學月刊】

圖三:地層流體流動受裂縫影響示意圖(俯視圖)。

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