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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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加拿大亞伯達省的油砂熱

文/彼得‧費爾利(Peter Fairley)

由於埋藏在地底下的瀝青蘊藏豐富,加拿大是世界上成長最快的石油生產國之一。新的開採技術挖出更多的龐大資源,令人再度憂慮環境遭到破壞。

在許多人看來,加拿大的寒帶森林已經被整地和刨地,四處蔓延的開採活動撕裂,成了二十一世紀石油工業破壞環境的象徵。所謂的露天礦,將富含瀝青這種濃稠碳氫化合物的堅硬砂土挖掘出來,現在占加拿大石油出口的很大部分,包括大量輸往美國的石油。但是開發加拿大北部油砂的產業面貌正在改變──可能變得更為棘手。

從亞伯達省欣欣向榮的城鎮麥克莫里堡(Fort McMurray)往南或往西,許多露天礦和殘渣池使得這個省份的石油工業臭名遠揚。這些礦場又在褐綠色的水蘚沼澤和群聚的白雲杉、傑克松、白楊之間,帶進工業生產設施。被森林圍繞的這些設施,買賣鐵鏟和大型貨車,用於採礦。工人往下鑽採數百公尺,進入堅硬的瀝青帶,然後大量使用蒸汽,將地底的柏油融化,液化瀝青接著經由平行的管道冒出來。這種「現地」抽取法,現在占亞伯達北部石油業產出的一半左右,而且將有增無減。亞伯達1.8兆桶的瀝青,可能是世界上最大的單一碳氫化合物蘊藏,但這種資源的五分之四,埋在更深的地底,不是露天開採法能夠採掘到的。

現地抽取的成本十分昂貴──平均而言,如果世界油價每桶低於60美元,運用這種方法無法獲利。但由於今天的油價持續遠高於那個水準,所以愈來愈多生產商採用這種方法。根據設在卡加利(Calgary)的加拿大石油生產商協會(Canadian Association of Petroleum Producers)的估計,今年油砂每天的石油生產量將超過150萬桶,占加拿大輸往美國石油的一半以上(加拿大是美國進口石油的單一最大來源)。到2025年,油砂的產量預估將增加一倍以上,成為每天370萬桶,而現地抽取的油砂將占增幅的三分之二左右。

麻煩的是這種採掘方法和露天開採比起來,表面上似乎對環境的破壞比較小,但在許多方面,新技術造成的傷害卻遠大於露天開採。即使鑽採現場不像露天開採那樣蹂躪地貌,卻因大量使用能源,產生許多二氧化碳。利用蒸汽沖出瀝青,占加拿大總溫室氣體排放量的2.7%,去年產生的二氧化碳估計高達1,900萬噸──相當於370萬輛汽車排氣管一年的排放量。它產生的排放量是傳統油砂採掘法的兩倍以上。獨立專家表示,等到瀝青提煉和運交產品給美國各地的加油站,每加侖產生的溫室氣體已經是傳統原油提煉汽油的二或三倍。

最教人擔憂的是,採掘油砂只是「非傳統」石油產量增加的一例而已。這種石油以前很難開發,最近卻因技術進步,使得它們在經濟上可行。單單在美洲,這種資源就包括委內瑞拉數量龐大的瀝青般石油、巴西岸外的深海石油蘊藏,以及分布美國和加拿大各地頁岩蘊藏的「致密油」(tight oil)。這些地質資源和用來生產非傳統石油的技術差異很大。它們都需要使用能源密集和破壞環境的抽取作業流程。油砂是加拿大每年溫室氣體排放量的主要原因。加拿大政府承諾明年將溫室氣體排放量減為5億5,800萬噸,而現在卻超過7億1,000萬噸,估計2020年將達到7億8,500萬噸。

但事實上,全球已經迅速日益依賴非傳統石油(包括油砂),因為能源需求成長持續快於供給。而加拿大經濟,尤其是亞伯達,也十分依賴油砂產業的成長。2010年,加拿大公司和全球石油巨擘的投資總額達130億美元。今年成長為160億美元。油砂使得亞伯達成為加拿大最熱門的就業、投資和成長地點,有助於這個國家避開美國和歐洲不少國家引以為苦的許多經濟問題。

油砂給政府帶進數億美元的稅收和特許權使用費,也為紐芬蘭到溫哥華等許多地方創造不少就業機會。許多紐芬蘭人到亞伯達的麥克莫里堡工作;這個地方就相當於「紐芬蘭的第三大城市」,亞伯達的前能源局長馬里‧史密斯(Murray Smith)說。這樣的經濟影響力,勢必促使加拿大繼續開發這種資源,他說:「我們的隔壁顧客有2億5,000萬輛車子,每年行駛3兆哩。只要需求存在,肯定會有產品出售。我們會繼續生產油砂。」

蒸汽時代

麥克莫里堡南方120公里處的克里斯蒂娜湖(Christina Lake)真的十分偏遠,現地抽取卻迅速擴張。雖然伐林、天然氣生產、砂石礦已經侵蝕森林,騾鹿和駝鹿數量仍然多於人類。最接近克里斯蒂娜湖,有人居住的是地方是人口三百的康克林(Conklin)村,往南則是冷湖軍用機場區(Cold Lake Military Air Range),這是一塊龐大的無人土地,保留給空戰演習和戰術武器試射使用。但是孤立一隅的感覺慢慢消失,因為數以千計的工人在克里斯蒂娜湖和亞伯達其他十來個地方,忙著安裝和運轉價值數十億美元的設備。

包括沙烏地阿拉伯和墨西哥灣等地龐大的「傳統」石油蘊藏在內,世界許多石油都是從地底冒出的碳氫混合物,很容易在室溫下流動。相反的,加拿大的油砂是碳氫化合物附著砂土的柏油。從地底抽取出來之後,石油的黏性和冷糖漿相似。基本上,抽取油砂必須扭轉數百萬年前開始形成瀝青的自然力量。當時隆起的落磯山脈(Rocky Mountains)將快速流動的輕質石油,推擠進入鄰近的埋砂層。

約一個世紀以來,企業家努力將固化礦體從砂土分離出來,使它們再次成為液態碳氫化合物。麥克莫里堡的礦場於1960年代和1970年代初啟用,並在政府的扶持之下跌跌撞撞發展,直到1990年代末,油價開始上漲,投資人受到激勵才肯砸錢。

亞伯達的現地抽取作業場是政府1974年出資,展開研究計畫,希望油砂產業擺脫露天開採技術之下的產物。1990年代末,亞伯達省的計畫終於選定一種技術,稱作蒸汽輔助重力排流(steam-assisted gravity drainage;SAGD)。設在卡加利 的公司塞諾佛斯(Cenovus)負責克里斯蒂娜湖的營運活動,1999年設立第一座商業化SAGD開採場,三年後開始在克里斯蒂娜湖試營運。

露天開採是在除去地面的表層之後,挖掘地下75公尺以內的瀝青,SAGD卻比較複雜,但仍然是以蠻力抽取深埋在地底的瀝青。在克里斯蒂娜湖,成對的孔井深入375公尺的地底,到達25到30公尺厚的瀝青層,然後孔井在礦層下三分之一內水平延伸800公尺,一條孔井在另一條之上5公尺。接著將蒸汽以250°C的溫度打進上面那口井,將瀝青加熱,使它融化,從砂土和其他的礦物間流出。底下那口「生產井」接著抽出水和融化瀝青的混合物到地面,然後將水從瀝青分離後回收。最後,瀝青與一種烴稀釋劑混合,使它變薄,以利從管道送到附近的石油集散場,開始運交美國的煉油廠。

地面上,克里斯蒂娜湖相當忙碌。這座開採場每天運送超過1萬6,000桶瀝青。8月間,塞諾佛斯斥資約9億加元,完成擴場行動,將產能提高到每天5萬8,000桶。現在這個地方也正展開兩個規模相當的擴場行動。工作人員將增為約,2000人,連續七到十天,在現場工作、吃飯和睡覺。負責克里斯蒂娜湖營運作業的資深副總裁德魯‧齊格甘斯柏格(Drew Zieglgansberger)說,將來還會成長得更大。齊格甘斯柏格預估,到2019年,這座開採場將每天生產超過25萬桶瀝青──他說,足夠美國伊利諾州所有的汽車加滿油,而且這座開採場應該能夠維持這樣的步調長達三十年之久。

這座開採場本身比較像是中型的化學工廠,不像採礦設施。地面上有五具高達32公尺的蒸汽產生器;另有四具正在興建。這些龐大的爐子,燒的是天然氣,每小時噴出250個百萬英制熱量單位(BTU)的蒸汽。齊格甘斯柏格說,它們總共產生的熱,相當於五萬戶住宅後院的烤肉架。(克里斯蒂娜湖的蒸汽產生器每小時燃燒和排出的熱氣,製造75公噸的二氧化碳排放量──每桶瀝青合約45公斤的二氧化碳。)

對亞伯達的油砂產業來說,克里斯蒂娜湖目前非常適合使用SAGD,是個壞消息。齊格甘斯柏格只需要兩桶的水加熱成蒸汽,就能製造一桶的瀝青,使它的現地抽取作業成為亞伯達效率最高者。它的競爭者(以及將來大部分的SAGD營運活動)必須將目標對準比較薄層的瀝青蘊藏,其中有些夾雜岩石層和水,會使注入的熱氣遇到阻礙而轉向。這一來,亞伯達的能源資源保育局(Energy Resource Conservation Board)估計,去年經由SAGD生產的一桶瀝青,平均需要接近三桶的蒸汽。這是為什麼一旦考慮運輸和提煉,亞伯達的現地生產流程產生的溫室氣體排放量會遠高於使用傳統原油來生產燃料。

在卡加利的新創公司N-Solv創辦人兼執行長約翰‧奈尼格(John Nenniger)看來,這樣的數字令人反感。這家公司正在探討各種油砂開發技術。奈尼格表示,自1980年代末第一次SAGD實地試營運以來,這個產業幾乎沒有進步:「最早的試營運中,蒸汽對石油比是2.38。此後蒸汽對石油比實際上惡化。一點進步也沒有。」

回報?

但不能說都沒人在努力嘗試。蜆殼(Shell)、森科能源(Suncor Energy)和艾克森(Exxon)的子公司帝國石油(Imperial Oil)等大型石油公司,以及N-Solv和Laricina等新創企業,都在實際測試數量愈來愈多的現地技術。有些公司把空氣打進很深的地底,點燃某些瀝青,希望將其餘的部分溶解得更有效率。還有公司認為電力可以用來將深埋在地底的瀝青加熱。

塞諾佛斯正在測試一種方法,結合蒸汽和一種溶媒丁烷,將瀝青鬆綁。A02區看起來和克里斯蒂娜湖的其他任何開採場沒有兩樣,但它只有一對管井,輔以額外的硬體:三座五十呎長的丁烷儲存槽,以及將它和250°C的蒸汽混合的設備。蒸汽是從蒸汽產生器經由管路轟隆隆衝進。增添這種設備,興建新場的成本增加約三分之一,但塞諾佛斯負責油砂開採的執行副總裁哈伯‧齊納(Harbir Chhina)表示,多花錢是值得的。齊納說,加進丁烷,同樣的資源能多產生10%到15%的瀝青,而且速度快30%左右。

由於能源的使用、獲利和溫室氣體汙染有所改善,塞諾佛斯將在內洛斯湖(Narrows Lake)展開第一次的商業規模測試。這項現地開採計畫就在克里斯蒂娜湖西北不遠處,塞諾佛斯希望2016年前,每天生產13萬桶的瀝青。(內洛斯湖的計畫可望在2012年夏獲得批准;亞伯達不曾駁回油砂開採申請案。)齊納預測:內洛斯湖的蒸汽對石油比將為1.7左右,比不用溶媒低15%。他說,大部分的SAGD開採場使用這種技術,可以降低溫室氣體排放量高達30%。

在此同時,奈尼格正加緊測試一種只用溶媒的開採流程。這是1970年代他的父親發明的。他父親是加拿大第二大工程公司賀奇(Hatch)的製程工程副總裁。賀奇是N-Solv的大股東。奈尼格在賀奇臨時拼湊的卡加利辦公室,策劃重新使用這種技術:斥資6,000萬美元,正在森科能源的杜佛(Dover)場展開試營運。杜佛位於麥克莫里堡的西北方,也是SAGD製程最早測試的地點。

奈尼格估計,不用蒸汽,以及降低溫度,每桶瀝青可以節省9美元。此外,溶媒開採流程可以抽取品質最好的瀝青,把更多像柏油那樣最重的物質留在地底。這應該會使N-Solv的瀝青更容易提煉,生產商每交運一桶就多賺15美元。奈尼格也預估,這種流程每桶瀝青使用的能源將比SAGD少80%到90%,因而降低碳排放量。

N-Solv計劃今年冬天在它的試營運設施鑽觀測井,明年夏天應該就會有噴射井和生產井。溫熱的溶媒可能早在2012年秋就開始流動,下一個夏天就有生產成果。奈尼格估計,短則五年,將提出商業規模營運的申請。「正面迎戰,證明我們比SAGD要好,將開啟整個油砂的市場,」他說。

油砂開採技術創新所面對的問題是:發展新的現地技術所承受的財務風險,能否得到回報?塞諾佛斯在克里斯蒂娜湖的投資,只要全球的油價每桶達45到50美元就獲有利潤;現在油價每桶高於75美元,所以它賺了不少錢。在天然氣便宜和石油昂貴的時代中,加拿大的瀝青生產商將需要額外的推力,才會砸下數十億美元,投入不同於SAGD和其他不同的開採方法。奈尼格相信,在目前的經濟條件下,也就是能源成本低、享有稅捐減免,以及不用負擔碳排放成本,企業決策者沒有很大的改變誘因。「現在的系統不能產生市場拉力,」他說。

多倫多大學的工程與公共政策教授希瑟‧麥克萊恩(Heather MacLean)說:「必須有某種政策推力……才能真正激勵效率最高的生產方法和降低溫室氣體與其他的環境衝擊。」她說,我們需要訂定碳價。兩年前,亞伯達開徵碳稅,每噸15美元,但這只涵蓋一部分的工業排放,連石油業的高階主管也不認為這對投資有什麼影響。「每桶成本只多區區數十美分,」齊格甘斯柏格說。

更頭痛的問題

今年夏天,知名的氣候變遷行動主義者在白宮前面抗議兩個星期,亞伯達的油砂頓時人盡皆知。他們的行動是針對計畫中的京士頓特大(Keystone XL)油管。這條油管將經由36吋的油管,從亞伯達拉到德州的亞瑟港(Port Arthur),長達2,673公里,每天輸運五十萬桶石油給美國灣岸的煉油廠。包括美國國家航空太空總署(NASA)的氣候科學家詹姆斯‧韓森(James Hansen),超過一千名抗議者被捕。歐巴馬總統預計在今年冬天,就這條油管做出最後的決定。

加州史丹福的華盛頓卡內基研究所(Carnegie Institution of Washington)大氣科學家肯‧卡爾代拉(Ken Caldeira)等二十位知名氣候科學家,發表公開信給總統,反對鋪設京士頓特大油管。他們聲稱,阻止興建這條油管,將提高亞伯達的瀝青行銷成本,從而對生產商發出訂定碳價的訊號。「允許他們將廢棄物排放到大氣,我們大家等於在對化石燃料業提供免費補貼,」卡爾代拉說。「我們應該取消那種補貼。」

卡爾代拉說,他認為油砂投資最終的問題,在於它們可能強化我們對於石油的依賴,而車輛燃燒汽油占全球二氧化碳 排放量的五分之一以上。改進油砂的開採流程,只會加深我們對石油的依賴。亞伯達政府估計,以目前的方法,能從油砂經濟有效生產1,690億桶瀝青──占埋藏在地底的這種資源不到十分之一。效率更高的技術,會產生更多的石油,供全世界的小客車和貨車燃燒。「如果我們想演進到低碳能源系統,就不應該建立更多的化石燃料基礎設施,」卡爾代拉說。

但是阻止京士頓特大油管鋪設,可能帶來始料未及的後果。如果歐巴馬總統封殺這項計畫,生產商還是有辦法銷售瀝青,利用鐵路油槽車或者經由計畫鋪設到加拿大太平洋岸港口的油管輸送出去。而且,如果加拿大的瀝青產量減少,可能促使其他地方的生產商趁機而入,開發油頁岩、難以控制的深海油井,或甚至煤等資源,以滿足居高不下的燃料需求。史丹福大學的能源資源工程系教授亞當‧伯蘭特(Adam Brandt)說,抑制油砂的生產,不可能阻止全球的石油流動,「市場力量沛然莫之能禦」。麥克萊恩同意他的看法。「今天進口大量石油的國家,不會明天說停就停,」她說。「它們不會在下個年代就全部改用電動車。因此在我看來,制定政策,不再增設化石燃料基礎設施似乎不可行。」

許多專家表示,降低整體的石油需求,是緩和亞伯達油砂產業造成環境衝擊的唯一方法,麥克萊恩和卡加利大學的生命週期分析員艾利克斯‧夏邦傑(Alex Charpentier)、喬爾‧伯格森(Joule Bergerson)2009年發表的生命週期研究彙總分析普受推崇,似乎支持那些專家的看法。這份分析報告指出,如果汽油是從現地開採場提煉而得,開一公里的車子,會產生320到350克的二氧化碳汙染。如果汽油是從傳統的原油提煉而得,同樣的里程所造成的污染會比較低──250到280克的二氧化碳。但是燃燒石油本身,不管燃料如何產生,都占兩種方式的212克。

伯蘭特說,根本之計是:「如果我們真的對油砂有意見,就需要正視我們的石油使用習慣。」



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