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從地心竄出:頁岩革命的代價

2016/08/16 藍之青

美國頁岩油革命,撼動市界原油生產的版圖,但到底什麼是頁岩油? 圖/法新社
美國頁岩油革命,撼動市界原油生產的版圖,但到底什麼是頁岩油? 圖/法新社
 

如今我們能生產的天然氣,比地球上任一國家都還多。

——美國總統歐巴馬

過去十年,頁岩油氣的開發生產,讓美國在近兩、三年來逐漸從早前的能源進口大國,一舉躍居全球前兩大原油及天然氣生產國,能源自給自足,甚至反成為出口國。這樣轉變不僅改變了美國的能源產業和外匯結構,更造成全球油價動盪(參見:美國頁岩油革命,國際油價風雲變色),影響世界戰略局勢,並衝擊以美國為主要出口市場的國家。

到底現在讓美國左右著世界能源局勢,被稱為「非傳統」的頁岩氣和頁岩油是什麼? 而當我們擁抱這項新技術的同時,又可能面對怎麼樣的環境代價?

「如今我們能生產的天然氣,比地球上任一國家都還多。」歐巴馬說道。 圖/路透社
「如今我們能生產的天然氣,比地球上任一國家都還多。」歐巴馬說道。 圖/路透社

▎什麼是頁岩氣和頁岩油?

油頁岩是富有有機物、顆粒細緻腐泥的沉積岩層,分佈於世界各地。 圖/美聯社
油頁岩是富有有機物、顆粒細緻腐泥的沉積岩層,分佈於世界各地。 圖/美聯社

頁岩油氣主要來自於「油頁岩」。油頁岩生成於古代海洋和湖泊的層積物堆疊,形成富含有機物、顆粒細緻的腐泥、腐植沉積岩層,存在於各地質年代的地層,並分佈於世界各地。在造岩過程中,受到高溫高壓分解的有機物,成為成油物質,蘊藏在沉積頁岩層的裂縫和孔隙裡面。大多數的油頁岩蘊藏帶,都只有天然氣,沒有石油。註1

過去,油頁岩已知可被作為燃料和油源,但相較於傳統的石油油場和天然氣開採場的高油氣含量、高滲透率和高孔隙度註2,這些蘊藏於油頁岩中的石油和天然氣,因為其滲透率和孔隙度極低,一直以來生產過程困難且昂貴。

從1970年代開始,美國一直有在試驗開採油頁岩,但要一直到2005年,結合了「水力壓裂」(Hydralic Fracturing;簡稱fracking)和「水平鑽井」(Horizontal Drilling)的革命式新開採技術,才真正讓油頁岩的開採一夕翻身。

與此同時,美國《安全飲用水法》(Safe Drinking Water Act, 1974) 和《2005年能源政策法》(Energy Policy Act of 2005)豁免了所有水力壓裂的相關禁令,頁岩氣的開發正式全面起飛。

過去開採頁岩氣技術不純熟,生產過程困難且昂貴。 圖/法新社
過去開採頁岩氣技術不純熟,生產過程困難且昂貴。 圖/法新社

▎頁岩氣和水力壓裂法

那「水力壓裂」與「水平鑽井」究竟有什麼神奇之處?

傳統的鑽油井,一般都是垂直向下鑽,水平鑽井則可讓鑽頭在鑽到一定深度後,朝不同方向橫向鑽探,意即在地表上設立一個鑽油站,地底下垂直鑽到油頁岩層的深度,再往平行頁岩節理的方向橫向伸展(成圓盤狀),鑽探周圍大片地區。

橫向鑽入後的下一步,則是透過水力壓裂法先垂直打洞、破壞岩層節理,再注入含有沙粒和超過兩百六十種化學添加物的高壓水力,讓堅硬岩層裂開,越多越好。接著把水抽回,水中沙粒在把水抽出來的過程中,會卡住裂縫,留下難以計數的細小縫隙,以利頁岩氣收集——由於頁岩氣必須在幾乎不具滲透率的環境,才能生成,取得難度非常高,進而也擁有極高的環境風險。

注入地底下、用來壓裂油頁岩的高壓水力,必須加入化學物質,以利水中作為支撐劑的砂礫均勻分佈,使其成膠狀,減少摩擦力,而在壓裂過程結束之後,再破壞膠狀結構成為液體回流。高壓水力在減壓被抽回之後,則會夾帶大量地層中的輻射物質和重金屬。

雖然許多國家(如:中國、俄國、阿根廷)都有豐富的頁岩氣或頁岩油藏量,但受限於技術不夠成熟、地理環境因素限制、能源產業結構以及下列將提及的環境風險等等,讓目前頁岩氣的開採,「專屬」於美國。

開採頁岩油的特殊水平鑽井法,在地底下垂直鑽到油頁岩層的深度後,可往平行頁岩節理的...
開採頁岩油的特殊水平鑽井法,在地底下垂直鑽到油頁岩層的深度後,可往平行頁岩節理的方向橫向伸展,所能觸及的範圍更大;圖為加州蒙特雷探勘井。 圖/路透社

▎巨大獲利後的環境成本

過去五、六年美國頁岩氣的大量增產,消費者剩餘因為天然氣價格下降而增加(例如以天然氣發電的電力和暖氣價格下降,以及成為許多工業生產過程價格較低的能源來源),頁岩氣生產商以及整個頁岩產業因此從中獲取巨大利益。

頁岩氣的生產讓美國能源得以自給自足,降低對外進口能源的依賴,減少供應鏈可能的不穩定性和干擾,對國家安全有正面效益。

此外,比起石油和煤,頁岩氣天然氣在同單位的能量產出,所排放出的二氧化碳量和空氣汙染物較少。但儘管如此,隨著頁岩氣技術的開發,越來越多嚴重的負面環境影響也隨之浮現,也因此頁岩氣產業從開始達到商業化規模之初,便已受到許多團體——例如紀錄片《天然氣之國》(Gasland)和好萊塢演員馬克‧魯法洛(Mark Ruffalo)——強烈且尖銳的抨擊。

開採頁岩氣、油所產生的負面影響,主要有下列幾項:

  • 地景破壞
  • 空氣、噪音、土和水源汙染
  • 輻射物質和地震

環保組織《綠色和平》在倫敦西敏寺附近模擬頁油田探勘跟開採,以此示威抗議頁岩油開採...
環保組織《綠色和平》在倫敦西敏寺附近模擬頁油田探勘跟開採,以此示威抗議頁岩油開採對地球地景、土壤跟水源所產生的負面影響。 圖/歐新社

▎自然棲地破碎

一個典型的頁岩氣鑽井站,約佔地四到五公頃,包含各種加壓水泵、機械設備、天然氣儲藏設施、運輸水、化學添加物和砂粒支撐劑的卡車等等,但不含廢水儲存槽所佔用的面積。若將廢水儲存槽的面積算進去的話,生產頁岩氣所需土地面積可達上述所說面積的至少兩倍。

依據各州規定,天然氣井和井的間隔,大概是160公頃到640公頃。有些時候,還可以申請許可,在井和井中間相隔四十公頃處,再開挖,也因此許多頁岩氣蘊藏帶的開發,可謂是超高密度——2015年,美國有約一百七十萬口的頁岩氣和頁岩油井,開採區平均每1.75平方公里就有一口井。美國總統歐巴馬也曾驕傲地表示

我們鑽遍了美國各地!

一般而言,這些鑽氣井的產出量年年劇烈下滑,大概到第十年,產量已極少,因此需要一再地擴張開採區和頁岩氣井的數目。這些鑽氣站和井跟井之間,有縝密的道路連結,以利卡車運輸,再加上大面積的廢水儲存槽,都需要大量的土地使用,造成野生動物的棲地和自然生態的破碎化(fragmentation)。

自然生態的破碎化包含生物多樣性流失、影響生物遷徙路線、掠食,以及人類非法盜捕增加等等。更甚者,這些鑽過頁岩氣的大片土地,幾乎不會再做任何利用。

一個頁岩氣鑽井站,約佔地四到五公頃,包含各種加壓水泵機械、天然氣儲藏設施,若加上...
一個頁岩氣鑽井站,約佔地四到五公頃,包含各種加壓水泵機械、天然氣儲藏設施,若加上廢水儲存槽,開採場面積則再翻倍。圖/路透社 圖/路透社

位於美國科羅拉多州皮甲斯盆地的實驗性頁岩油開採設施,為世界第二大石油公司——荷蘭...
位於美國科羅拉多州皮甲斯盆地的實驗性頁岩油開採設施,為世界第二大石油公司——荷蘭殼牌公司(Dutch Royal Shell)——所擁有。 圖/美聯社

▎水、土汙染:會起火的水

機具運作、頁岩氣處理的過程和卡車,皆會造成噪音和空氣汙染。空氣汙染物質包含懸浮微粒、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳以及非甲烷有機化合物,另外還包含從廢水池蒸散的揮發性化學物質,以及各種操作上的外漏、蒸散和排放。

用水力壓裂法取得頁岩氣需要的用水,為傳統鑽油井的十倍,在水力壓裂的過程中,可能產生的水污染包括腐植泥(質)溢出、廢水回流、地面上活動液體外漏(含廢水水管、技術失誤),以及地層結構上自然的和人為的外漏。

此外,減壓回收非常大量壓裂液體,混砸了水、重金屬、甲烷、以及其他化學物質,這廢棄的壓裂液體如同其他尾礦渣一樣需要妥善處置。地下水汙染(透過外溢、意外、壓裂液和甲烷侵入)常是頁岩氣和水力壓裂法最受抨擊之處。

許多在不同鑽井處的抗議接踵而來。在德州一個城鎮Dish,除了不停的噪音、鑽地震動和刺鼻氣味外,許多關於居民生病和動物死亡的案例相繼發生。2010年,該市市長特別指示獨立顧問公司研究當地受頁岩氣開採之後的空氣品質,結果報告指出,空氣中確實有高濃度的致癌物質和神經毒素,會對人體造成短期和長期的健康影響。

特別令研究團隊擔心的,還有不明原因的幼馬重病死亡。在許多地方,人為的疏失和意外也層出不窮,例如:起火的廢水、外洩的有毒廢水跟甲烷(甲烷的分子的暖化效果約是二氧化碳分子的25倍,且會存在大氣中一百年)等等。甚至還有住宅因屋裡水系統被甲烷汙染而爆炸的案例。

若干報告也指出,上千件有紀錄的案例,直指民生用水裡混雜的甲烷濃度,和當地頁岩氣井的密度呈正相關,這也是為什麼很多民眾對開發頁岩氣負面影響的第一印象,就是打開水龍頭之後的水會起火,以及森林田野間燃燒的小池塘。

大部分廢水外洩、民生用水和地下水汙染案件,負責的公司卻都只以罰款作為處分。

頁岩氣開採可造成大量甲烷外洩,其分子除了會造成比二氧化碳分子高25倍的暖化效果外...
頁岩氣開採可造成大量甲烷外洩,其分子除了會造成比二氧化碳分子高25倍的暖化效果外,其他受汙染的空氣亦可能含有高濃度的致癌物質和神經毒素。圖為美國土地管理局於加州油廠附近檢測油苗(oil seed)。 圖/路透社

美國NASA衛星空照比對巴肯頁岩油區與明尼亞波里斯聖保羅跟芝加哥兩大城市,人煙稀...
美國NASA衛星空照比對巴肯頁岩油區與明尼亞波里斯聖保羅跟芝加哥兩大城市,人煙稀少的巴肯區所呈現的亮度,除了是當地開採設施的照明設備外,亦包含開採過程中釋放出的氣體的火光。 圖/NASA

▎輻射物質和地震

輻射物質存在於自然的地質組成中,濃度依不同油頁岩帶而有所區別。在水力壓裂法的過程中,這些輻射物質(例如鈾、釷和鐳)會隨著壓裂液到地表,有時候也可能隨著壓裂後的縫隙,進入地下水或地表水中。

譬如,位在馬賽勒斯油頁岩開採帶(Marcellus)的紐約州奧內達加郡(Onondaga),有兩百多戶住家地下室的空氣中,被探測到高濃度的輻射物質;在這個油頁岩帶的土壤也都可以測量到。

除此之外,水力壓裂法也會頻繁地造成區域內芮氏規模一到三不等的地震,影響居民。

▎離再生能源更遙遠?

雖然比起石油和煤,天然氣同單位能量排放較少的二氧化碳,但是減少排出的二氧化碳,也可能被頁岩氣開採過程中大量外漏的甲烷抵銷。環保團體因此批評頁岩氣的開採,因其低廉的價格削弱、延遲了再生能源的發展和競爭力,讓世界繼續依賴化石燃料。

譬如,一個規模四至五公頃的頁岩氣鑽井站,若用做太陽能發電的話,一年能產生約四十萬瓦的電力,轉換效率58%,換算成天然氣約七萬立方公尺。以德州巴奈特油頁岩帶(Barnett)來說,一個頁岩氣井第一年約可產出一千一百萬立方公尺的天然氣,第九年剩下八萬立方公尺,到第十年則剩下約四萬立方公尺。而一座太陽能發電廠的壽命是二十年左右,汰舊換新之後也不需要更多的土地使用。

雖然嚴格說起,沒有任何一種能源可算是完全乾淨清潔的能源,但是站在世界能源轉型的角度來說,以及考慮到目前大氣中已經爆表的溫室氣體濃度,繼續一直把儲藏於地底下的溫室氣體釋放出來,再去仰賴還在發展中的碳捕集技術或是地球工程,都不能從根本去解決氣候變遷、暖化、海洋酸化,以及物種滅絕等種種環境生態問題。

美國頁岩氣開採所引發的各種可能的負面影響和不確定性,也是歐洲這邊基於預警原則,遲遲沒有打算開採頁岩氣的原因之一。頁岩氣雖然改變了全球的能源版圖,但是不是一個值得繼續大力發展的產業,確實需要政府和公民社會的深思。

這個改變世界產油版圖的產業,是否該持續下去,值得我們停一停思考一下。 圖/路透社
這個改變世界產油版圖的產業,是否該持續下去,值得我們停一停思考一下。 圖/路透社

▎備註

註1:

在油頁岩層中,要產生能形成石油的有機泥質物質的條件,比生成天然氣要嚴苛許多(例如需要高溫加壓到攝氏450度)。相對少數的頁岩氣蘊藏帶,會同時存在天然氣和石油。目前只有愛沙尼亞擁有占國內能源平衡百分之五十的頁岩油。

註2:

滲透率為在一定壓力下,岩石允許流體通過的能力;孔隙度為土壤岩石內,顆粒之間的空隙體積佔總體積的比值。


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藍之青

政大外交系畢,碩士主修環境政策和管理,目前為鹿特丹大學(環境)法律經濟學博士候選人。研究和生活熱忱專注在全球環境議題。

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