2013年6月27日 星期四

淺談二氧化碳地質封存


最近因為水果日報的報導,使得大家對於二氧化碳地質封存(Geological Carbon sequestration )有很許多疑問,但是在網路上對於二氧化碳地質封存技術,卻充滿了很多不盡然正確的說法。甚至在網路上,有學生標誌了自己的研究實驗室取信於大眾,卻提供不專業也不正確的語言,造成更多的誤解。二氧化碳地質封存是一個最近熱門的話題,其實只要閱讀一些英文報導文章,也不用什麼高深的專業論文,即可大致可以獲得全貌及初步概念。但費雪卻很驚訝的發現不知是懶還是甚麼原因,現在的學生卻對於這類淺顯易懂的英文文章,沒有大量收集閱讀並進行整理,結果雖然是在專業實驗室,卻很粗糙的用一知半解的態度提供我們很多不正確的訊息。這真的是我們專業的警訊,長久以往,將摧毀民眾對我們的專業尊敬與相信!!!!因此費雪認為有必要來說一下二氧化碳地質封存這件事。澄清一些不準確的認知。

碳捕獲與儲藏(Carbon Capture and Storage, CCS)將人類燃燒石化燃料產生的二氧化碳,利用生物固定、化學固定、或是注入地下岩層儲藏的方式,讓過多的二氧化碳無法在一定時間內循環回到大氣中,以減緩溫室效應的一個手段。而利用注入地下岩層的方式,由於牽涉地質的條件,因此又被稱為(二氧化碳)地質封存技術。

二氧化碳地質封存所考量的地質條件,整理美國能源部及學者的看法,一般包括以下幾種地質條件:

1. 深層鹹水含水層(Deep Saline Aquifers/Formations)

2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層(Active/Depleted Oil(Gas) Reservoirs)

3. 深層煤層(Deep Coal Beds)

4. 多孔隙玄武岩層(Porous Basalt)

 

圖一、幾個不同的地質封存條件(引用自http://thetyee.cachefly.net/News/2012/06/25/carbon-sequestration.jpg)

費雪分別將其想法原理、優缺點簡單說明如下:

1. 深層鹹水含水層:

想法原理:

將壓縮後成大密度液態的二氧化碳注入地下深層的鹹水含水層中。一般深層的受壓含水層以砂岩為主,因為深度大,因此其中多為鹹水為主。(造成原因有很多,因為鹽水密度大下沉,淡水密度小會上浮,另外就是在地層中的地層水經過長期的與礦物反應,變成礦物質含量很高的鹹水等都是可能原因)受壓含水層上下若有滲透率低的阻水層,如頁岩或泥岩存在,可以對液態的水及二氧化碳形成阻隔層,因此不會滲漏回到地表。另外,鹹水中的礦物質會與溶解的二氧化碳反應,形成碳酸鈣沉澱進一步固定碳在地層中。

優點:

n  深層鹹水含水層的分布廣,體積大,有較多的儲存空間,容易選擇適當場址。

n  如果有少量洩漏,解壓的過程將造成二氧化碳沉澱成碳酸鈣,堵塞滲漏通道,達成自封的效果。

缺點:

n  大面積的地層同時也代表滲漏的機會大,如果附近有沒有調查出來的斷層或裂隙存在,將造成未預期的滲漏通道。

n  注入二氧化碳過多將造成水質酸化,會造成地層中的礦物質被溶解,反而致使阻隔層滲漏。

n  深層的地下受壓含水層,若存在大量裂隙,會因為注入液態二氧化碳而造成裂隙的剪移,進而產生微震。而在應力累積的區域,大量的微震往往增加誘發大地震的機率。

 2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層:

想法原理:

是將二氧化碳流體打入過去的油氣儲存層或目前還在生產的油氣儲存層中,利用原來儲存油氣的空間,儲存二氧化碳。由於油氣儲存層上方,被油氣封閉構造(例如低滲透率的斷層等地質構造或地層)阻隔,因此可以做為二氧化碳的阻隔層。

 

圖二、注入二氧化碳增加油氣的生產效率示意圖(引用自http://www.socalcarb.org/images/storage_3.jpg)

優點:

-立即可用,加上過去探勘與生產過程已經清楚了解區域地質結構與工程特性,不需再另外評估,開發成本低。

-生產中的油氣儲存庫適度注入二氧化碳將可增加油氣的產量與生產效率。

-由於已經存在地質條件參數,方便二氧化碳回注的操作管理,可以減低意外以及誘發微震的機率。
 

缺點:

-油氣儲存層存在的區域不多,僅有限的油氣田可供選址。

-可儲存二氧化碳空間一般體積較小。

-一般油氣井深度較深,以耗竭的油氣儲存層而言,因為抽取油氣後,多出來的空間一則因為岩層壓密沉陷而減小,一則因為周圍的鹽水立刻補充填滿空隙。因此要回注到大深度已被壓密及鹽水填滿的油氣儲存層,需要回注較大壓力的液態二氧化碳,較為不經濟。
 

3. 深層煤層:

想法原理:

將二氧化碳回注到太深無法經濟開採的煤層中。由於一般煤層孔隙率低,且大多吸附甲烷氣於其中。一般二氧化碳置換甲烷的比例約為1:11:3間,因此注入與碳親和力較高的二氧化碳,可以吸附在煤層裏,並置換出甲烷氣(也就是天然氣)

優點:

-可以儲存二氧化碳,同時生產可利用的煤層天然氣。

 
缺點:

-分布地點有限,可供選擇的地點有限。

-效應與作用類似水力壓裂,會產生微震,在大地應力累積的地區易誘發規模較大的地震。

 
4. 多孔隙玄武岩層

注入由外海的玄武岩層,玄武岩為火山岩的一種,是由裂隙噴發的玄武岩質岩漿凝結形成。因為噴發與流動的過程中常常捕獲許多氣泡於岩漿中,因此玄武岩常常含有很多孔隙。由於玄武岩很容易與溶解二氧化碳或碳酸根離子反應,產生碳酸鈣沉澱於孔隙中,可以進一步將碳固定在地層中。(特別一提:澎湖的文石就是沉澱在玄武岩孔隙中的碳酸鈣沉澱所形成,由於多期沉澱造成沉澱物有一層一層紋理,因此稱之為文石)

 


優點:

-玄武岩為易化學反應之岩石,可以促進固碳的化學反應。

-海中的玄武岩層上方有海水以及厚的黏土質海相沉積物覆蓋,可以作為阻隔層。

 
缺點:

-海中回注與鑽井作業成本高。

-成效尚待驗證。
 

但是不管哪一種地質條件,都有其風險與地域的不可確定性。所以都要經過調查評估與驗證,確定其可行性才行。費雪昨天聽到一個演講,是國外的學者在談回注造成微震的風險評估,其中談到如何評估風險,發現台灣可能較不重視這些地質風險評估的研究與做法。例如誘發微震風險的計算應該是:”地震加速度”@”發生地震規模一定以上的機率,乘上附近一定半徑的人口密度,乘上災損的金額期望值(這個計算是大致是如此的意義,但由於費雪並不是風險評估專家,因此細部可能有誤喔!)。那我們很多開發案都是在人口稠密的地區進行,包括被抨擊的二氧化碳回注試驗,那這個風險計算,雖然可能發生一定規模的地震機率小,但會不會在乘上人口密度以及災損金額後,這個風險變得很大?也因此國外才會在人口稀少與外海施作二氧化碳回注的封存工程。費雪是覺得台電也好,中油也好,都應該在未來的驗證計畫中,好好的考量並計算風險。特別是公關及教育要做,昨天國外專家一致認為持續與居民溝通、公開透明資訊與教育是在探勘評估階段也好、試驗階段也好、或是營運維護階段也好都要持續努力進行的工作。台電和中油最近被當作全民公敵,費雪個人是覺得這兩個單位應該好好重視科普教育與資訊透明公開的工程啦~長久堅持專業的傲慢不肯接觸科普與居民,是會招致民眾的不信任與偏見啦~~~

更多的資訊,可以見:
http://ccs.tw/
 
 
參考資料:

2013年6月23日 星期日

暗黑的地球物理原力:巫毒地球物理


地球物理學,比起地質學是一門較為年輕的科學。今天費雪要講的,卻是地球物理的黑暗原力那一面,這個黑暗原力在學術圈有個專業名詞,叫巫毒地球物理”(Voodoo Geophysics)。幾年前國外的地質學界曾經有個笑話: ”對於地球物理探測的結果,通常你只能相信其中的20%,因為另外的80%不是假的,就是無法印證。而那些你認為相信的20%,還有一半是根據鑽井跟地質學家的解釋製造出來的。這句話費雪其實不太同意也不太服氣,但是這幾年下來體會一些實際的經驗後,卻不得不承認,其中還是有現在學界及業界正存在的事實。費雪認為,造成這樣錯誤印象的主因,是因為地球物理研究中,混雜了一些巫毒地球物理在裡面,才會造成地科研究圈裡有這樣的認知。
 
圖1:巫毒界的暗黑原力

所以費雪我想,就先來跟大家介紹甚麼是巫毒地球物理。舉個最近親身經歷的例子而言,有外面的工程顧問公司來找費雪問問題,告訴我外面有哪些國內外學者研發的地球物理儀器如何如何神奇,可以多精準直接知道地下物體的濃度與體積。但是說到這些儀器的物理原理以及精確度,大家卻也搞不清楚,只告訴我這些學者正在申請專利中,因為是專業機密,所以連儀器都神神祕秘不讓人仔細檢視,必須要經過他們內部訓練的專業人員方可接觸操作。這種可以說是標準的巫毒地球物理的例子。

通常上述例子中的使用人或研發人,都會告訴大家他的儀器有多神多神,現場實際測試也都能大致掌握地下物體分布,可以取信現場觀眾。但是卻很奇怪的拒絕讓人仔細檢視儀器,也拒絕在受別人控制的未知場址盲測試,提不出對於儀器的精確與準確度科學測試報告,也無法告訴人可能誤差來源,更提不出經過可信的同儕審查的論文印證。這種情況,屬於所謂的地球物理黑暗原力中的刻意騙局(Blatant Scams)不讓其他科學家檢視與驗證的原因,與其說是為了商業機密,不如說是怕被其他專家拆穿識破。相信經過了費雪一番描述,大家開始對於巫毒地球物理的標準現象,開始有一些模模糊糊的認識了。

但是費雪要告訴大家的是,其實巫毒地球物理不只包括像上述的未知儀器的例子。有些使用已知成熟儀器或地球物理技術的學者或專家,也會告訴你他的技術有多神多準,測量的深度之大,解析的物體之小,看到的現象之準,已經到了張目對日,明察秋毫的地步了。但是提到可信度的驗證,以及儀器的誤差,以及訊號分析、演算方法適用性與參數設定,這些專家學者卻很習慣一筆含糊帶過。這種國外叫做科學誤導(Misguided Science)科學誤導者,儀器本身用的是成熟且經過科學印證的物理原理,但是使用者或者是不了解技術的物理原理,或是刻意誇大它的用途與功效。最常見的例子就是像透地雷達,使用的是電磁波,也有堅實的理論基礎,但如果有人告訴你他可以用透地雷達看到地下數百公尺深的構造,那絕對是誇大了透地雷達的功效。因為理論上透地雷達功率衰減的快,一般只能穿透到地下10-20公尺深度,在地下水位面很淺的台灣,因為電磁波在飽和含水地層中衰減的快,速度也慢,因此往往只有5-7公尺的穿透深度。所以要用透地雷達看到10-20公尺以上深度,以現在技術而言是做不太到的(除非是在北極冰層或地下水很深的沙漠)
 
圖2.透地雷達

另外一種常見的地球物理黑暗原力叫做過度推銷/過度解釋(Over-selling)。使用的是科學上正確的物理原理,也是用受到驗證的地球物理技術以及演算方法進行資料分析。但是卻忽略了技術以及儀器的物理解析極限,並低估了環境雜訊的影響。不過,過度推銷/解釋(Over-selling)算是擦到了黑暗巫毒地球物理邊邊的一種行為。Over-selling最常發生在學校的學生身上,有時候連備受尊敬的地球物理學者,也會在不經意的情況下犯這種錯誤。舉個很簡單的例子而言,像透地雷達波、地震波都是遵循波動力學,因此就訊號處理的解析度來說,要分離兩個波所代表的反射面,需要波峰與波峰的間距大於1/2波長,也就是說訊號處理技術理論上最小能解析的地層厚度,要在雷達波或地震波長的1/2以上。有時某些研究的地層分層解釋,來自於地震或雷達波探測,但仔細一算就知道該種地球物理技術解析度沒法看到那麼薄的地層,但是解釋者還可以分層,並計算出在該層中的波速側向變化,實在是很神。最常發生的是因為資料都是交由學生處理,而學生就是發揮黃金左眼與神之右手的功力(就是參考鑽井資料來畫定分層反射面),才會產生這種情況。不過Over-selling只能說是很輕微的染到了黑暗原力,雖然如此,但是如果研究的成果是與工業或資源開發的設計相關,將造成國家社會很大的損失,因此也值得我們要特別注意。

費雪要說一個有名的巫毒地球物理刻意騙局(Blatant Scams)的例子,就是空中重力波油氣嗅探儀的故事1979年有一位名叫波拿所立的義大利人通過中間人的介紹,接觸了法國石油公司Elf Aquitaine(就是大家聽過的Elf機油的母公司,現在改名叫Total),宣稱發明了一套通過空中重力波偵測,可以探測油氣的設備。Elf的經理於是把波拿所立的設備(包在厚厚的遮蔽簾幕下)帶上飛機,飛越已知的油氣田。而該儀器在正確的時刻與地點響起了偵測到物體的聲音,並且在螢幕上顯示不明的條紋影像。(不幸的是該測試竟然是在沒有任何該公司科學家的參與,也無法仔細檢視儀器的情況下進行的。)Elf很快的跟波拿所立簽了一個8千萬美元的初期合約,而且竟然還承諾不需知道任何儀器的原理。更神奇的是,在多次重複測試發現無法正確顯示油氣位置後,波拿所立解釋是因為儀器過於靈敏,Elf還又跟他再簽了一個1 3千萬美元的後續授權合約。但是最後,Elf開始產生了懷疑,於是要求波拿所立讓他們檢視儀器。波拿所立答應讓Elf技術人員很短的檢視他的儀器外觀並拍照。結果該公司的技術人員檢視後,懷疑他們看到的僅是一個很簡單的訊號產生器而已。最後Elf公司乾脆請來著名的物理學家哈露維茲,哈露維茲要求波拿所立重新展示它儀器的部分功能,也就是穿牆偵測能力,哈露維茲將一隻尺放在牆的一側,結果波拿所立的儀器在偵測後,準確的呈現了一個直方體的形狀---只是哈露維茲在放尺的時候,故意把尺凹折了90…………..結果當然是騙局被拆穿,波拿所立逃到外國,但Elf也因為草率投資而慘痛損失15千萬美金。
圖3 Elf石油公司標誌

那要如何分辨巫毒地球物理?根據加拿大Furgo空中探測公司的Greg Hodges的整理,屬於巫毒地球物理的黑暗原力,往往呈現以下的幾個特徵或其中之一:

1. 由一人或數人公司發明的獨一無二的儀器,市場上無其他類似儀器。

2. 有限的提供服務,並不外租,只能經過有受訓的該公司人員操作。

3. 現地驗證需要經過特別調校

4. 非常簡單的現地試驗(忽略一般環境下會有的雜訊等條件)

5. 無與倫比的儀器能力,例如極大的探測深度、很高的準確度、很精細的解析度。

6. 令人懷疑的物理理論基礎。

7. 令人懷疑的解釋與解釋方法。

8. 非凡的解釋能力,超出了物理解析能力以外。

9. 非技術專業的行銷手法,沒有適當的技術文件與認證。

10. 所有的量測方法與儀器都視為秘密不公開或半公開。
為了地球物理科學的健康發展,費雪想,大家還是要明辨巫毒地球物理,避免染到黑暗原力,造成自己以及國家社會的重大損失!!!