2013年7月27日 星期六

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1520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?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。

2013年7月16日 星期二

地質粉彩系列之藥物篇: 療癒系礦物:黏土藥不藥?

今天費雪要來續一下老婆大人交代的任務,因為費雪家裡的大人又再度抱怨每次我寫的太硬太艱難,穿插太多無趣的專業名詞,因此外行人很難讀得下去。為顧及廣大女性及非專業的讀者們興趣。費雪要來續一下關於你我食衣住行,生活周遭會遇到的地質粉彩系列。
今天費雪要來談一下一個具有神奇功效的地質礦物。那就是黏土。大家小時候都玩過黏土,也知道黏土經過手捏或拉坯塑形後,經過高溫燒製,可以變成陶瓷器。但是比較少人知道,黏土其實介入了你我生活實在很深,包括我們生病時的用藥,有時候都會有黏土的成分在裏面,只是你我不知道而已。
圖1、藥裏面有時會有黏土成分

黏土礦物可以分為三大族群,包括高嶺土石(Kaolinite)、伊利石(Illite)、蒙脫石(Montmorillonite) 一般常用在瓷器燒製的是高嶺土,主要成分就是高嶺石。高嶺石是含水的層狀鋁矽酸鹽類礦物,來自於火成岩中的長石或雲母,經過數百萬年與熱水作用風化而成。由於活性低,吸附性高,其中含有矽、鋅、鎂、鋁等礦物質。因此有時也會被當作替代的主食或食物添加劑使用。
高嶺土在大饑荒時期曾被飢民當成食物充飢,吃下暫時解除飢餓感,因此又被叫做觀音土,因為至少能像觀音大士一樣,能暫時解救飢民免於馬上餓死。明朝崇禎三年(西元1630)陝西大飢,陝西巡按馬懋才在備陳大飢疏就提到當時的陝西人民只能吃觀音土填飽肚子。但觀音土含大量氧化鋁,也非有機食物不能被人體消化吸收。因此儘管吃了不會馬上餓肚子,少量吃不會致命,但是由於其毫無營養成份,吃久了人還是會死於營養不良。
另外還有一種常被食用或作為藥物的黏土,叫做膨潤土(Bentonite),主要成分為黏土礦物的蒙脫石,屬於層狀鋁矽酸鹽類礦物(Phyllosilicates)的一種,由於極易吸水成為糊狀,置於水中時,體積會膨脹數倍至十數倍之多,因而得名膨潤土。又可因含鉀、鈉、鈣等離子成分不同,可分為鉀基、鈉基及鈣基膨潤土黏土礦物。這些粘土礦物是數百萬年前的火山活動中所形成,主要是來自於火山灰。鈣基膨潤土多數均可食用,對人體並無害。鈉基膨潤土則通常用於工業用途,包括像石油鑽井泥漿、貓砂、塑形土、水泥磚、塗料、混凝土、鞋油、蠟筆、清潔劑,甚至炸藥等工業製品。許多鈉基膨潤土也可被作為食用粘土銷售,但食用前需要與含大量鉀的酸性飲料(例如蘋果醋等)加以混合,以抵消高鈉含量,減少被人體吸收,一天的攝取量也不宜過多。另一方面,鈣基膨潤土則沒有這種攝取量的限制。鈣基膨潤土有時又被稱為活的粘土(living clays),因為它可以促進生物體中酵素酶的產生作用。因此是作為人類、 動物和植物能攝取的食用粘土首選。
圖3、加水變成糊狀的膨潤土

雖然用高嶺土或膨潤土等食用黏土作為療癒藥物,或許對有些人而言是一個無法想像的新觀念。但早在有歷史紀錄之前,人類早就已經內服或外用食用粘土,作為治病,維持生命和保健的用途,例如數千年前的安第斯高山部落、 中非和澳洲原住民,已經懂得使用粘土作為主食,營養補充成分以及治療的藥物了。古代羅馬暴君尼祿的軍醫迪歐斯科里德(Dioscorides)(西元40-70),在他的藥物誌中紀錄黏土具有神明智慧一般的治療功效。在西元二世紀時著名的希臘哲學家和醫師蓋倫(Galen)(西元129-200),首先記錄使用粘土治療生病或受傷的動物。後來在他的紀錄中更提及了許多利用粘土作為內服和外用治療的案例。而中世紀波斯的偉大哲學及醫師伊本西納(ابن سينا, Avicena)( 西元980-1037),也曾經教過許多學生關於粘土的治療方法。
圖2、一幅13世紀的關於伊本西納的畫作

但說到對於黏土療效的深入認知與靈活用法,那就真的非中國人莫屬了。成書於東漢時期的神農本草經”(又名本經”)就提到了白石脂,也就是前面說過的高嶺土。說白石脂 氣味甘平無毒,主治黃疸泄痢,腸澼膿血,陰蝕下血赤白,邪氣癰腫疽痔惡瘡頭瘍疥瘙。久服補髓益氣,肥健不飢,輕身延年 (翻成白話就是:乖乖,這簡直快要是治百病還兼有減肥效果了!)。另外,中國唐代開元年間(西元739)陳藏器的本草拾遺中則將膨潤土稱之為甘土,稱無毒,主草葉諸菌毒。熱湯末和服之現代醫學也證明,中國人早就認知到黏土礦物有吸附作用,內服後能吸附腸內氣體和細菌毒素,阻止毒物在胃腸道的吸收,並對發炎粘膜有保護作用。而將黏土礦物用於治療痢疾和食物中毒。另外。將黏土礦物塗敷外用,有保護皮膚作用,能吸收創面滲出物,也有防止細菌侵入的效果。
到了二十世紀初期,著名的柏林醫師朱利斯(Julius Stump),用粘土礦物製成的藥物,在亞洲霍亂大流行期間治療病人,得到良好的治療效果。同時期的坎柏格醫生(Meyer Camberg),則用綠泥黏土來治療砷中毒。第一次世界大戰期間,德國醫師利用粘土礦物,作為食物中毒、 痢疾、 腹瀉、 和傷口感染的解決方案,大大降低士兵的死亡率。而當時的俄國士兵則每人配發 200 克的粘土,作為抵抗痢疾的隨身藥品,部分法國部隊也將黏土礦物添加到食用的芥末醬中,以免於受到痢疾肆虐。

直至近期,醫學界也開始重視這些黏土礦物對於各種疾病療癒的功效及其他防護等功用。例如俄羅斯科學家,與核材料工作時用粘土來保護他們的身體免受輻射傷害。因為黏土被發現有很好的輻射屏蔽功能,也可以吸附含放射性的游離離子。事實上,在車諾比爾核災事件發生後,膨潤土是被用來投放到熔毀的反應爐附近,吸收輻射汙染的材料。一些替代醫療及醫美專業人員,也大量採用膨潤土作為舒緩運動傷害與排毒的材料。在藥劑學裏,黏土礦物則被大量用來作為藥劑的賦形劑(用來增加藥物的均勻性、穩定性與減少藥物的刺激性、不良氣味的添加品)與反應劑成分。這是由於黏土礦物同時具有會與藥劑中離子反應的離子基部分以及不反應的矽酸鹽聚合物部分。許多科學家正在研究利用黏土礦物的這個特點,將黏土礦物當作藥劑的載體,可以定時、定量將需要的藥劑,投放到人體組織及器官的特定位置,也就是所謂的標靶治療。看到這裏,相信大家對於一個小小的黏土礦物,竟然在我們醫療的世界中,扮演了許多可貴的角色而感到驚訝吧!也因此,我們可以說醫藥的學問在很多面向上,其實也跟地質有著密不可分的關係呢!