美國頁岩氣發展對全球石化產業之影響(I)  作者:劉致中
 
 

美國頁岩氣(Shale gas)從十年前開始陸續開採後,逐漸影響全球的天然氣產業與石化產業,造成了天然氣價格低迷與石化產業進料比例改變的市場變化。在天然氣產業中,由於頁 岩氣的大量開採填補了美國天然氣的進口市場,造成美國天然氣市場價格的低迷。更由於頁岩氣的大量產出,美國石化業者開始擴大天然氣進料的比例,形成對石化 產業另一波的巨大影響。

一、天然氣的氣種與美國的市場現況

天然氣的主要構成成分為甲烷,通常可佔到85%,其次為乙烷、丙烷、丁烷等,約佔13%, 其餘如環烷烴、芳香族烴與其他氣體(氦、氬、氮、二氧化碳、硫化氫、水)等,約有2%。頁岩氣則為位於暗色泥頁岩或高碳泥頁岩中,以吸附或游離狀態聚集其 中的天然氣,是一種重要的非常規天然氣資源,頁岩氣的常見成分包括甲烷、二氧化碳、氮氣、乙烷甚至丙烷等。煤層氣的主要成分則是甲烷,它是在煤的生成和煤 的變質過程中所伴生的氣體。在古代植物在堆積成煤的初期,由纖維素和有機質經厭氧菌的作用分解而成。其蘊藏氣成份中的多碳成分越高,熱值越大,以上三種氣 體所含的多碳成分多寡不同,一般來說熱值以天然氣為最高,頁岩氣與煤層氣次之。

美國天然氣市場的產品,目前以傳統天然氣、頁岩氣與煤層氣三類產品為主,供應量以傳統天然氣為最大,約為45 BCF/D;頁岩氣與煤層氣居次,供應量分別為15 BCF/D與5 BCF/D。

二、美國與全球的頁岩氣分布狀況

全球各地都有頁岩氣的礦藏,目前探明的礦藏資訊顯示美洲地區為蘊藏量較為豐富的地區,其他地區如:歐洲、非洲、澳洲與中國大陸地區也都有頁岩氣的礦藏存在。

表一、全球頁岩氣估計儲量

單位:兆立方公尺

地區或國家

頁岩氣儲量

地區或國家

頁岩氣儲量

北美

108.79

非洲撒哈拉地區

7.76

南美

59.95

中亞和中國

99.90

西歐

14.44

太平洋經合組織

65.50

中歐和東歐

1.10

亞太其他地區

8.89

前蘇聯

17.75

中東和北非

72.15

資料來源:葉岩氣開採進展,石油科技動態,2010(2)

 


描述: File:EIA World Shale Gas Map.png

資料來源:U.S. Energy Information Administration(2011)

圖一、全球頁岩氣的蘊藏地點

美國地區的保守蘊藏量估計在109兆立方公尺,主要的頁岩氣蘊藏地區從美國西北海岸地區綿延至東北部,約有19座頁岩氣的氣源蘊藏盆地 (basins),目前有商業化生產的頁岩氣井為FortWorth盆地的Barnett頁岩氣、San Juan盆地的Lewis頁岩氣、Michigan盆地的Antrim頁岩氣 、Appalachian盆地的Marcellus頁岩氣與Illinois盆地的New Albany頁岩氣。

資料來源:APIC會議(2011/05)

圖二、美國頁岩氣的蘊藏地點

三、頁岩氣開採的必要條件

大部分具有頁岩氣的岩層分布範圍廣、岩層厚度深且含氣量高,使得頁岩氣井能夠長期地穩定產氣(生產週期長),也因此頁岩氣氣井具有開採壽命長 (30~50年)與產氣穩定的優點;但由於頁岩氣儲集層的滲透率低,開採難度高為其主要的進入障礙。頁岩氣要開採須具備相對應的地質條件與技術條件,詳述 如下。

(一)地質條件

頁岩氣的開採受到其沉積環境、成岩型態、有機質含量、水利條件、周邊岩層構造應力特性的條件影響,並非所有的頁岩氣礦藏都具有開採價值,通常需具有一定蘊藏量、有機質成分高、滲透性好且為封閉體系的氣井方具有經濟開採價值。

由於岩石內部的裂縫可以增加氣體在頁岩中的滲透率,使得頁岩氣較易開採,因此具裂縫型的泥頁岩地形,為商業開採的主要判斷指標之一,目前美國地區已開發的頁岩氣井均具有天然裂縫系統發育良好,頁岩滲透率高的特性。

(二)技術條件

頁岩氣氣井包含了兩個部分,一為垂直井部分,另一為水平井部分。一般頁岩氣蘊藏的地層,需打入長度2~5公里的垂直井,在垂直井抵達頁岩氣的蘊藏層後,即轉向與頁岩層水平的方向(如圖三所示)。

垂直鑽井(horizontal drilling)和水力壓裂(Hydraulic fracturing)為開採頁岩氣的主要關鍵技術。水力壓裂就是利用地面高壓泵,通過水平井向油層擠注具有較高粘度的壓裂液。當注入的壓裂液其流速超過 油層的吸收能力時,則在井底油層上形成很高的壓力,當這種壓力超過水平井位置的頁岩層破裂壓力時,含油的頁岩層會被壓力壓開並產生裂縫,裂縫會持續向油層 內擴張。為了保持壓開的裂縫處於張開的狀態,接著會將支撐劑(通常為石英砂)打入裂縫,一方面可以使裂縫繼續向前延伸,另一方面可以支撐已經壓開的裂縫, 使其不致於閉合。再接著注入頂替液,將井內支撐劑全部頂入裂縫。最後,先前注入的高粘度壓裂液會自動降解而由井筒排出。如此操作後會在含油的頁岩層留下一 條或多條長、寬、高不等的裂縫,使油層與水平井間建立一條新的通道,使得頁岩氣的產量大幅度增加。


描述: File:GasDepositDiagram.jpg

資料來源:EIA

圖三、頁岩氣開採的方式


資料來源:SHALE-DEPOSITED NATURAL GAS: A REVIEW OF POTENTIAL (2009)

圖四、經水力壓裂後所產生的岩層裂縫

作者:劉致中 石化高分子

(本文摘自ITIS產業資訊服務網2012/3/29)

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