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發掘天然氣 科學人雜誌
撰文∕李名揚
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相較於煤或石油,天然氣是排放二氧化碳較少的一種能源,因此越來越受到各界重視。但是天然氣產於地底深處,我們要如何發現?又如何開採?

  由於造成全球暖化的二氧化碳排放量與日俱增,2011年12月11日在南非德班舉行的聯合國氣候會議,首次強迫美國、中國、印度等排碳大國未來均須減排。主成份為甲烷(CH4)的天然氣因為含碳比例低於煤和石油,燃燒時排放的二氧化碳較少,因此在再生能源技術尚未完全成熟的現在,天然氣發電成為能源的重要選項。

  石油與天然氣常相伴形成,台灣產油不多,卻開採出不少的天然氣。之所以會以天然氣為主,與千萬年前石油和天然氣生成時的環境條件有關:台灣附近是開闊的海域,沉積物主要是從中國大陸沖到海裡的植物,有機質含量低,這類陸相沉積物主要形成天然氣,只有極少量石油;石油則是封閉淺海裡的藻類和浮游生物沉積到地底的結果,例如現在盛產石油的北非到中東一帶,即是如此。

  特殊結構,封存天然氣

  天然氣田必須有能夠儲存天然氣的地層結構,首先要有孔隙率較高的砂岩,讓天然氣可以儲藏在其中;接著,在砂岩層的上面要覆蓋孔隙率低的緻密岩石如頁岩、泥岩或鹽岩,而且這種沉積岩構造要在天然氣形成之前就已經存在,如此才能將天然氣封存起來。儲存油氣的地質構造有背斜構造、斷層封閉、地層封閉等三種,在台灣主要分佈在西部新竹到高雄的平原地區。

  要知道某處地底是否封存有天然氣,首先要知道該處的地底結構是否屬於上述三種構造。最基本的方法是進行地面地質調查,如果某處兩側的地層露頭分別向下傾斜,好似地底有個倒過來的碗狀背斜構造,就有機會封存有天然氣。不過由於土地大量開發,現在已經不容易直接看到地層的露頭。

  因此,探勘人員會以地球物理測勘方法,利用各種先進的儀器,從地表探勘地底的構造,他們會先以精確度較低、但較便宜的方式進行探勘,隨著對地底的地層結構掌握更清楚、研判含有天然氣的可能性夠高,再改用比較精密的方式進一步確認。

  探勘人員起初先在地表以重力計偵測地底產生的重力強度,由於不同岩石的密度不同,可以計算出各種岩層的深度,綜合起來,即可得知地底的地層結構。利用電阻儀和磁力儀則可測量電阻和磁場強度,因為地底岩石成份不同,所含的礦物不同,因而具有不同的電阻,也會產生不同的磁場強度,可以據此推估地層結構。

  但是在地表測量到的數值,不論重力、電阻或磁場強度,都是從地底深處一直到地表的綜合效應,僅能獲得粗略的結果,因此對於可能蘊藏天然氣的地區,探勘人員會進一步進行“反射震測”測勘,即在地面使用“振盪震源車”上的金屬塊撞擊地面產生震波,再在另一處接收,由於不同岩層的界面均會反射震波,只要分析反射波的波形和傳遞的時間,即可推估地質構造。

  反射震測比重力、電阻、磁場強度可靠,但仍然是在地面間接測量的結果。當透過反射震測研判地底可能具有足以容納夠多天然氣的地層結構時,就會投入更多經費鑽井探測。至於多大的結構才叫做“夠大”,以台灣的陸上探勘而言,鑽一口井的成本近新台幣一億元,依成功機率及期望值估計,至少要評估該處地底含有價值超過成本數倍的天然氣,才值得鑽探。

  在鑽井的過程中,會把井下鑽碎的岩石碎屑帶上來,由此得知地底不同深度的岩性;若要更精確了解地層結構及過去的演變,可以取一段岩心進行分析,不過取岩心成本昂貴、減慢鑽井速度且易造成井壁崩塌,所以只會視情況執行。台灣已鑽獲天然氣的砂岩層位於地下900~5700公尺深處,在幾千公尺的鑽井過程中,通常每一口井只會依需要採取數段、共幾十公尺長的岩心,以供研判地層結構之用。

  鑽井之後,探勘人員會垂放精密儀器到井下偵測,稱為“井內測勘”。首先是測量γ射線強度,因為每種礦物都有不同的天然放射性,砂岩天然放出的γ射線強度比頁岩弱,因此只要垂放輻射感應器到井下,偵測不同深度的γ射線強度,就可判別砂岩層及頁岩層的分佈,而得知地底是否具有可以儲存天然氣的地質構造。另一種方式是發出聲波並偵測反射波,利用砂岩和頁岩密度不同、聲波傳送速度不同的特性,來判別地底岩層的分佈。

  確認結構中有油氣

  經過這些偵測,可以確認地底是否具有合乎天然氣田條件的地質構造,但這並不表示其中一定有天然氣,萬一這樣的地質構造在天然氣產生之後才形成,那麼天然氣早就逸失了;或是雖然具有可以保存天然氣的結構,卻缺乏植物沉積物,根本沒有天然氣在此生成,也是無用。因此在進行井下偵測的時候,探勘人員還會使用一些儀器直接測量有無天然氣存在。

  其中一種是中子放射儀,它會放出中子,並偵測反射的中子能量,若反射的中子能量大幅減弱,就表示岩層內含有天然氣。這是因為中子和氫原子核的質量幾乎一樣,當中子撞擊到氫原子核,會將能量轉移給氫原子核而喪失速度,但若撞擊到其他質量和中子相差很多的大型原子核,則速度大小變化不大。天然氣(以CH4為主)所含的氫原子比例遠高於周遭岩石或其他物質,因此會造成反射中子的能量大幅減少。

  【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2012年第119期1月號】

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