老狗還是新把戲?-再談頁岩氣的開發技術:水力壓裂法

水力壓裂技術Hydraulic Fracturing(又被稱為水裂法Fracking)，催生了從北達科他州的巴肯(Bakken)，到賓州的馬塞勒斯(Marcellus)，以及德州的Barnett頁岩氣生產革命。不只如此，也引起隨之而來的抗議聲浪。曾經主演好萊塢影片心靈勇氣(Promised Land)的男星麥特·戴蒙(Matt Damon)(此片內容即是探討頁岩氣開採狂熱的環保與開發議題)，曾經於今年初(2013)發表了以下關於水力壓裂的看法：

“紐約州長科莫已下令暫停頁岩氣的開發許可，他希望以科學態度來檢視頁岩氣開發的安全行為。這看起來是一個理性的態度。因為冒然狂熱投入一個沒有驗證過的新技術，是一個不理性的作法。特別是我們已經開始聽到許多的抱怨與投訴，且讓我們拭目以待接下來的發展………”這是大家對於開發頁岩氣的水力壓裂技術的普遍印象。費雪聽到媒體很多對頁岩氣開發的疑懼與質疑，幾乎圍繞在幾個問題上，包括水力壓裂是個高級技術、水力壓裂注入地下許多有毒物質、是個沒驗證過的高風險技術………等等。

但，水力壓裂技術是一個沒有驗證過的高級技術嗎?而大家正要貿然投入這個高風險的新技術嗎?

費雪要說的是，不僅麥特戴蒙，就連很多媒體或專家也會驚訝，水力壓裂技術，最早可以追溯到美國南北戰爭左右的時間。最早運用於油氣井大規模的商業生產，開始於上世紀1940年代末期。也就是說，它是一個老技術，而且在油氣商業生產上已經被使用了至少超過60年以上。至目前為止，施用或曾經運用水力壓裂法開鑿的油氣井，已經超過百萬口。

所以，如果要說水力壓裂技術的運用是”貿然投入沒有驗證過的新技術”，這句話應該是不正確的。因為這是一個成熟的老技術。它最早起源於西元1866年（也就是147年前），美國內戰的退役上校愛德華·羅伯茨，申請並獲得了美國專利59,936號的發明權利。羅伯茨的發明被簡單地稱為“爆炸魚雷(Exploding Torpedo)”或是”羅伯茨魚雷”，它的發明創意，來自於羅伯茨上校在維吉尼亞州弗雷德里克斯堡戰役中，目睹南方邦聯軍隊發射的砲彈，在鑽入縱橫於戰場上的灌溉堤道後爆炸而來。這個觀察帶給他一個靈感，他稱之為 “上層液體填塞爆破”。 羅伯茨上校的設計，包括一個鐵盒，中間填入15至20磅不等的黑火藥，從注滿水的油井置入到需要爆破的深度，然後透過導線引爆，可以有效的集中爆破產生的震波於附近含油氣的地層，讓地層的裂隙增大。該技術幾乎立刻受到業界的採用。一些油井在爆破後一個星期內，石油產量可以增加超過10倍，羅伯茨石油魚雷公司因此業務蓬勃發展。雖然時至今日，很少有人知道這回事，但羅伯茨“爆炸魚雷”的誕生，卻是現代頁岩水力壓裂技術的濫觴。之後的幾十年來，類似的井下爆炸增產技術一直被廣泛用於油井的生產上，只是並非採用“爆炸魚雷”，而是使用鑽井用硝化甘油引爆來增加井的生產。

圖一、羅伯茨的發明專利“爆炸魚雷(Exploding Torpedo)”

井下硝化甘油引爆增產技術，被一直使用到1989年。但是脫胎於羅伯茨魚雷的水力壓裂技術，在1930年代之後又進入了另一個革命性發展。當時人們開始使用非爆炸性的酸液，運用壓力注入地下，以腐蝕擴增油氣儲存層的裂隙。1940年代，史丹諾林(Stanolind)石油和天然氣公司的弗洛伊德 哈里斯，仔細的研究了注入壓力以及輸出產量之間的關係，建立了水力壓裂技術的工程與科學基礎。史丹諾林公司在1947年，於堪薩斯州格蘭特縣的休格頓天然氣田，首次利用超過1000加侖的膠狀汽油混合砂子作為注入流體，在石灰岩層中進行了接近現在作法的水力壓裂實驗。首次商業生產中使用現代的水力壓裂法，則是由哈里伯頓公司，在1949年於奧克拉荷馬以及德州所進行的。在取得了專利權後，該公司在一年內用水裂法處理了332口油井，平均每口井增加了75%的石油生產量。該專利在1968年到期，因此開啟了水力壓裂的大門，紛紛為其他公司所仿效。

圖二、史丹諾林公司1947年的休格頓天然氣田試驗

今天所使用的水力壓裂技術在1998年開始被用來在泥質頁岩中提取頁岩氣。這種技術有時也被稱為水平黏滑液(slickwater)水力壓裂法，這種方法使用​​各種不同的流體，包括凝膠和泡沫。水力壓裂法也使用支撐劑，例如砂或陶瓷顆粒，以使水力壓裂產生的裂隙能夠保持開放。被稱之為頁岩氣之父的喬治米契，在1952年於德州Fort Worth附近接手別人認為貧瘠的油氣井，由於喬治米契聰明的採用了先前提到的水力壓裂技術，增加了油氣產量因此讓米契能源公司賺了大錢。但是他在後來長達30年的採油經驗中，卻發現鑽井的井測資料顯示，在鑽過很緻密的頁岩層時，卻也顯是有大量天然氣的存在癥候。因此從1982年起，該公司就致力於實驗改良水力壓裂技術，測是各種黏滑液的成分配比，當時雖然他可以壓裂頁岩，但隨後的黏滑液卻堵塞了天然氣溢出的裂隙，使得僅有非常少量的頁岩氣能被產出。到了1998年，喬治米契終於獲得突破，從頁岩中成功產出了可觀的頁岩氣。但是，同時他也耗盡了手上的現金，不得不在1999年將米契能源公司公開在市場出售。當時所有的中大型石油公司均不看好他所發展出來在頁岩中產氣的水力壓裂技術，因此根本沒有人有興趣購買米契能源公司。直到西元2000年，現在的頁岩氣巨擘，德文能源公司(Devon Energy Corp.)的總裁拉瑞尼可，慧眼獨具買下了米契能源公司，從此以後開啟了近十年以來的頁岩氣革命。

圖二、頁岩氣之父喬治米契(引自Rigzone)(died 2013/7/27 at age94)

所以，說完這個故事，不曉得還有沒有人認為”水力壓裂”是個新的未經驗證的技術”呢?很多人反對各種開發，是基於他對環保信念的堅持。但費雪最近讀了東野圭吾的”真夏方程式”(也就是天才伽利略教授的電影版原著)，裏面湯川學副教授對著環保人士這樣說:

“你或許是環保的專家，但對科學是門外漢吧?..........如果你想雙贏，就必須雙方都有相當的知識與經驗，認為只重是一方就夠的想法，是一種傲慢的態度。要尊重對方的工作與想法，才是擴展雙方之道。”費雪我也這麼認為，如果抱著各種先入為主的誤解去討論頁岩氣或各種能源的開發問題，是不會得到任何妥協與雙贏的機會的，希望大家要引以為鑑。