【百年化學 美國篇】 【百年化學 美國篇 No.40】頁岩氣壓裂：美國能源逆襲背後的“地下爆破”傳奇

如果你在2000年問一個美國能源大佬,未來十年美國能擺脫對中東石油的依賴嗎,他大概率會像看傻子一樣瞥你一眼,說不定還會補一句,你覺得我們的總統費盡心機,說服國會山的老爺們發動戰爭,是爲了傳播愛與和平嗎,作爲擁有上帝視角的我們,在看如今的能源困局,不得不承認這位大佬的吐槽孜孜扎心,畢竟當年一管洗衣粉就足以毀掉一個主權國家, 不光那時候的美國,即便放到現在,他每年仍要砸上百億美元從波斯灣買石油,航母編隊常年在中東蹲守看家護院,用企業家波恩皮肯斯的話來說,從1976年到2000年,我們給歐派克送了7萬億美元,相當於把美國的國運硬生生綁在了別人的油井上。 誰也沒料到,僅僅十年後,美國竟完成了一場驚天逆襲,不僅實現能源自給自足,還一躍成爲全球最大的天然氣生產國,甚至反過來向歐洲出口天然氣,把俄羅斯和波斯灣國家的能源壟斷攪得底朝天,而這一切的幕後推手,既不是什麼驚世駭俗的新能源黑科技,也不是偶然發現的超級油田,而是一項聽起來平平無奇,實則堪稱地下能源革命的技術。 液鹽氣化學壓裂技術,要搞懂這項技術到底有多牛,咱們得先從液鹽氣本身說起,很多人可能覺得,液鹽氣不就是普通天然氣,無非是藏的地方不一樣而已,這話半對半錯,普通天然氣藏在岩石的孔隙裏,就像水藏在海綿裏,只要鑽個井,它自己就會順着孔隙乖乖流出來,開採起來相對簡單,但液鹽氣不一樣,它藏在緻密的液鹽層裏,液鹽這東西,說好聽點是 岩石,說難聽點就是地下石頭板,緻密得堪比石心磚頭,孔隙小到連天然氣分子都難鑽過去,滲透率低得令人髮指,打個最通俗的比方,普通天然氣井是開着水龍頭接水,擰開就能用,而液鹽氣井要是不搞點特殊手段,就相當於對着一塊乾硬的磚頭擠水,哪怕擠到天荒地老,也擠不出擠滴,其實美國人早在1821年就發現了液鹽氣,當時在紐約州的佛羅里達, 有人在淺層液鹽的天然裂縫裏挖到了少量天然氣,用來照明和做飯,但那時候的技術太落後,只能減減這些漏網之餘,根本沒法大規模開採,到了20世紀30年代,美國開始測試水瓶井鑽探技術,1947年又第一次嘗試了水利壓裂,可這兩項技術就像兩個互不搭理的天才,各自爲政,各自發力,始終發揮不出合力,液鹽氣開採也一直停留在小打小鬧的階段。 直到20世紀70年代,美國的傳統天然氣儲量開始逐年下滑,能源危機一觸即發,聯邦政府才徹底慌了,開始砸錢搞研發,一邊推進東部液鹽氣項目,一邊給天然氣研究所撥鉅款,還通過能源法案給行業發稅收優惠,相當於國家層面親自給液鹽氣技術餵飯,硬生生把這項冷門技術從死亡邊緣拉了回來。 這時候,一個關鍵人物登場了,喬治·米切爾,後來被業界尊稱爲水利壓力之父,這位老爺子本來是搞石油出身,手裏攥着一家叫米切爾能源的公司,到了20世紀80年代,眼看傳統石油生意越來越難做,他獨具慧眼,把目光投向了被所有人都不看好的液鹽氣,那時候的液鹽氣開採,就是個妥妥的賠本買賣。 而市場價格才幾美元,相當於賣一瓶礦泉水,倒貼一瓶可樂的錢,很多能源公司都覺得這是個無底洞,紛紛撤資跑路,但米切爾偏不信邪,他認準了液鹽氣裏藏着的巨大潛力,硬是砸錢搞了十幾年研發,哪怕公司一度瀕臨破產,也沒放棄。 米切爾的團隊一開始用的是傳統壓裂液,裏面加了大量凝膠,雖然能勉強壓裂岩石,但成本高得離譜不說,還容易堵塞裂縫,開採效率低得可憐。 直到1998年,他們終於搞出了一個革命性改進——非焦化壓裂液,也就是後來被廣泛使用的滑溜水。 這種壓裂液以水爲主,只加少量化學添加劑,不僅成本大幅降低,還能減少對裂縫的堵塞,一下子就讓液鹽氣開採有了商業價值。 老爺子硬生生把開採成本降到了4美元每百萬英熱單位,相當於從賠本賺吆喝,徹底變成了穩賺不賠的買賣。 不過米切爾自己也沒想到,他這十幾年的死磕不僅救了自己的公司,還徹底改寫了美國的能源格局,甚至間接影響了全球地緣政治的走向。 真正讓這項技術封神的,是2003年美國哈利伯頓公司的完善升級。 哈利伯頓作爲全球頂級的能源服務公司,在米切爾技術的基礎上,優化了壓裂液的配方和高壓輸送技術,打造出一套成熟的化學壓裂套餐。 這才讓液鹽氣開採真正擺脫小打小鬧,實現了規模化、產業化。 這項技術的核心目標很簡單,把緻密的液鹽層掰裂,給藏在裏面的天然氣打通一條逃生通道。 就像咱們家裏的牆壁,要是想讓空氣流通,就得開個窗戶,液鹽層也是一樣,得給天然氣開個專屬通道。 但液鹽層的抗壓強度極高,普通壓力根本掰不開它,所以第一步就是造壓裂液。 這東西可不是普通的自來水,而是水、砂和化學添加劑組成的混合菌團,每一種成分都有自己的崗位職責,缺一不可。 先說說混合菌團裏的主角之一,支撐劑,說白了就是咱們常說的砂子,可能有人會嗤之以鼻,砂子有什麼稀奇的,工地裏一抓一大把。 但壓裂用的砂子可不是普通的建築砂,得是高強度、高純度的石英砂,力勁還得精準控制,不能太大也不能太小,差一點都不行,它的作用就像咱們砌牆使用的磚頭。 一旦液鹽層被壓出裂縫,砂子就會順着壓裂液衝進裂縫裏,等井內壓力釋放後,砂子就會牢牢卡在裂縫裏,不讓裂縫重新閉合。 要是沒有砂子,裂縫就會像被捏扁的吸管一樣,一鬆手就合上了,天然氣還是沒法流出來。 打個更形象的比方,壓裂液是撬開裂縫的手,而砂子就是卡住裂縫的楔子,二者完美配合,才能完成壓裂的第一步。 接下來是化學添加劑,雖然它只佔壓裂液的0.5%左右,卻是化龍點睛的關鍵,主要有兩種核心成分,減阻劑和殺菌劑。 先說說減阻劑,咱們都有過這樣的體驗,水在管道里流動會有阻力,流速越快,阻力越大。 要是用普通的水進行高壓輸送,大部分能量都會浪費在克服阻力上,相當於用盡全力推一輛陷在泥裏的車,施力不討好。 減阻劑的作用就是給壓裂液減阻提速,就像給管道內壁塗了一層潤滑油,能讓壓裂液在高壓下快速流動,減少能量損耗,讓壓力能精準傳遞到液鹽層,不至於半路上掉鏈子。 而且減阻劑還能防止壓裂液在輸送過程中沉澱,保證砂子能均勻分佈在裂縫裏,避免出現有的地方砂子堆成山,有的地方光禿禿沒砂子的情況。 再說說殺菌劑,這東西聽起來和壓裂八竿子打不着,但其實至關重要,地下環境陰暗潮溼,缺氧密閉,藏着大量微生物,這些微生物要是在裂縫裏肆意滋生,就會產生粘液和沉澱物,慢慢把剛打通的裂縫堵塞,相當於剛打開的通道又被垃圾堵死了。 砂菌劑的作用就是清理這些地下垃圾,抑制微生物的生長繁殖,保證裂縫始終暢通無阻,讓天然氣能持續不斷地流到地面。除此之外,壓裂液裏還會加一些防腐蝕劑,防止高壓環境和化學物質腐蝕昂貴的鑽井設備,畢竟一套鑽井設備動輒上千萬美元,要是被腐蝕壞了,那損失可就大了。 廢好壓裂液之後,下一步就是高壓注入,這一步就得靠高壓泵發力了。這種高壓泵的壓力有多恐怖,相當於在一平方釐米的面積上壓上600公斤的重物,差不多是一輛小汽車的重量。壓裂液通過高壓泵被強行注入到水平鑽井裏。 這裏要說明一下,水平鑽井可不是普通的垂直鑽井,它能在地下幾百米甚至上千米的地方水平延伸3000米左右,相當於在地下挖了一條長長的隧道,能最大限度地接觸液鹽層,大幅提高壓裂效率。 當壓裂液的壓力超過液鹽層的抗壓強度時,神奇的事情就發生了,致命的液鹽層會被硬生生壓出無數條細小的裂縫,這些裂縫像一張巨大的地下網絡,把藏在液鹽裏的天然氣都串聯了起來。 這裏有個關鍵點,很多人都有個誤解,以爲壓裂是把液鹽層炸碎,其實不然,壓裂是用壓力慢慢掰裂液鹽,而不是暴力炸碎,裂縫的寬度非常小,只有幾毫米甚至幾微米,肉眼根本看不見,只能通過微震成像技術才能監測到。 微震成像技術最早是桑迪亞國家實驗室研究黴蟲時發明的,後來被用到了液鹽氣壓裂上,能精準監測裂縫的分佈和延伸情況,相當於給地下裂縫裝了一個24小時監控攝像頭,讓工程師能實時調整壓裂液的注入量和壓力,確保壓裂效果達到最佳。 當裂縫形成後,壓裂液會帶着沙子衝進裂縫,沙子牢牢卡在裂縫裏,形成一條永久通道,這時候工程師會停止注入壓裂液,釋放井內的壓力,藏在液鹽層裏的天然氣就會順着這些裂縫沿着鑽井一路向上流到地面,經過進化處理後,就變成了我們日常生活中能使用的天然氣,整個過程聽起來簡單,但每一步都容不得半點差錯。 壓裂液的配方比例錯了,可能根本壓不開裂縫,高壓泵的壓力控制不好,可能會把鑽井壓塌,沙子的瀝浸不合適,可能會堵塞裂縫,甚至地下的溫度和地質條件都會影響壓裂效果,可以說,每一口液氧氣井的壓裂都是一次精準的地下手術,稍有不慎,就可能滿盤皆輸,血本無歸。 哈利伯頓公司完善這項技術後,美國的液氧氣產量就像坐了火箭一樣飆升,增長速度快得讓人咋舌。2007年,液氧氣佔美國天然氣產量的比例還只有8.07%,到了2010年,這個比例就飆升到了21.69%,也就是在這一年,美國成功超越俄羅斯,成爲全球最大的天然氣生產國。 而根據美國能源信息署的預測,到2035年,美國46%的天然氣供給都將來自液氧氣,這種增長速度放在以前是想都不敢想的。有人開玩笑說,美國用一項壓裂技術,把自己從能源進口大戶變成了能源出口大佬,相當於憑空多了一個地下天然氣寶庫,躺着就能賺錢。 可能有人會好奇,美國的液氧氣儲量並不是世界第一啊。根據2013年美國能源信息署的數據,中國的可採液氧氣儲量是1115萬億立方英尺,排名世界第一,美國只有665萬億立方英尺,還在第四位。那爲什麼美國能率先實現液氧氣的規模化開採?答案很簡單,技術和政策的雙重加持。除了米切爾和哈利伯頓的技術突破,美國政府的支持也起到了決定性作用。 從20世紀70年代開始,聯邦政府就一直在給液氧氣研發砸錢,提供稅收優惠,推動技術創新,甚至和私人公司合作,建造了第一口多裂縫液氧氣水瓶井。可以說,美國的液氧氣革命是市場需求加技術創新加政府支持三者合力的結果,缺一不可,少了任何一個,都不會有今天的局面。 液氧氣的崛起,不僅徹底改變了美國的能源格局,還對全球經濟和地緣政治產生了顛覆性的影響。從經濟層面來說,液氧氣的大規模開採,讓美國的天然氣價格大幅下降。2012年的時候,美國天然氣價格降到了每百萬應熱單位3美元,比煤炭還便宜。這直接導致了兩個結果,一是美國的能源密集型工業開始迴流,以前很多工廠因爲能源成本太高,紛紛搬到了其他國家。 現在又紛紛搬回美國,帶動了本土就業和經濟發展。二是美國的煤炭出口量大幅增加,大量低價煤湧入世界市場,直接影響了世界的煤炭行業格局。經濟學人就曾評論說,液氧氣帶來的低價天然氣正在重塑美國的工業格局,讓美國重新成爲製造業的熱土。 從地緣政治層面來說,美國實現能源獨立後,對中東石油的依賴大幅降低,再也不用爲了石油安全,在中東投入大量的軍事力量。可以說,美國的能源獨立正在重塑全球地緣政治的格局。 現在反過來,是歐派克看美國的臉色,生怕美國斷了自己的財路。而美國和加拿大液氧氣產量的增長,還削弱了俄羅斯和波斯灣國家對歐洲天然氣價格的控制。以前歐洲的天然氣價格幾乎被俄羅斯壟斷,歐洲各國只能忍氣吞聲。 現在美國的液化天然氣源源不斷地運往歐洲,讓歐洲有了更多的選擇,也讓俄羅斯的能源話語權大幅下降,地緣政治天平開始向美國傾斜。奧巴馬政府甚至把液氧氣當成了減排神器,認爲液氧氣的廣泛使用,可以有效降低溫室氣體的排放。事實也確實如此。 2012年,美國的二氧化碳排放量降到了20年來的最低值,其中一個重要原因就是,很多燃煤電廠都紛紛換成了天然氣電廠。要知道,天然氣燃燒產生的二氧化碳比煤炭少一半左右,而且燃燒更充分,產生的污染物也更少。 不過,關於液氧氣的環保爭議,從它出現的那天起就沒有停止過,就像一千個人眼裏有一千個哈姆雷特。有人認爲液氧氣是清潔能源的希望,能緩解能源危機和環境污染,也有人認爲它是環境殺手,會給地球帶來不可逆轉的傷害。最受爭議的第一個問題,就是甲烷泄漏。甲烷是一種比二氧化碳強得多的溫室氣體,根據研究,甲烷的溫室效應是二氧化碳的33倍。 要是甲烷泄漏量太大,液氧氣的環保優勢就會大打折扣,甚至比煤炭還不環保。2011年,康奈爾大學的羅伯特·豪沃斯教授發表了一篇研究,聲稱液氧氣的生命週期溫室氣體排放量和煤炭差不多,甚至更高,原因就是甲烷泄漏率被嚴重低估了。 這篇研究一出,立刻引發了軒然大波,很多環保組織紛紛站出來反對液氧氣開採,把它當成環境公敵,但很快,就有其他研究反駁了這個觀點。美國能源部、卡內基梅隆大學等權威機構的研究表明,豪沃斯教授的研究高估了甲烷泄漏率,實際上,美國液氧氣的甲烷泄漏率在1.4%左右,而且隨着技術的不斷進步,這個比例還在持續下降。 2013年,美國環保署甚至把甲烷泄漏率的估計值下調了20%,明確表示,液氧氣的溫室氣體排放量依然比煤炭低很多。 第二個爭議點,就是水污染。很多人擔心,壓裂液裏的化學物質會污染地下水和地表水,危害人類健康。不可否認,壓裂過程中會使用大量的水,一口液煙氣井大概需要2000萬升水,相當於1萬個家庭一天的用水量。 而且壓裂液裏還有鹼組劑、殺菌劑等化學物質,要是處理不當,確實可能污染水源。 2011年,就有研究發現,賓夕法尼亞州東北部的淺層地下水被液煙氣井泄漏的甲烷污染,當地居民打開水龍頭,點燃水就能着火,場面十分嚇人,也讓人們對液煙氣開採的恐懼進一步加劇。 還有都科大學的研究發現,賓夕法尼亞州的一條小溪裏,雷的含量是上游的200倍,而這些雷正是液煙氣開採產生的廢水排放造成的,雷是一種放射性物質,長期接觸會嚴重危害人體健康。 不過,也有研究表明,只要操作規範、監管到位,液煙氣開採對水資源的污染是可以控制的。 麻省理工學院2011年的研究就明確指出,液煙氣開發的環境影響雖然有挑戰,但完全可以管理,很多水污染事件並不是技術本身的問題,而是部分公司爲了節省成本,違規操作,沒有做好廢水處理工作。 而且,液煙氣開採使用的水大部分都會被回收處理,回收率在50%到70%左右,並不是全部浪費掉。 另外,加拿大的一家公司還發明瞭用液化餅丸代替水的壓裂方法,大幅減少了水資源的使用和污染,不過這種方法的成本比較高,目前還沒有廣泛推廣。 值得一提的是,2005年,美國的能源政策法案竟然把水利壓裂排除在了安全飲用水法的監管之外,這就導致很多公司在開採過程中缺乏約束,肆意排放廢水,進一步加劇了水污染的風險,這也是美國液煙氣開採的一個硬傷,至今仍被人們詬病。 第三個爭議點,就是地震。很多人擔心高壓注入壓裂液會觸發地震,尤其是在地質條件不穩定的地區,有統計數據顯示,美國中部規模大於等於三級的地震數量,從1973至2008年間的平均每年24個,激增到2009至2014年間的193個。 而且很多地震都發生在液煙氣開採作業區附近,不得不讓人懷疑兩者之間的關聯。斯坦福大學的研究就明確發現,俄克拉荷馬州之所以地震頻發,主要是因爲當地企業把壓裂產生的含鹽廢水回注到地下深處的沉積層,導致斷層活化,進而引發地震。加拿大西部的一些地區,也出現過水利壓裂誘發中小型地震的情況。 2016年,卡爾加里大學的教授在《科學》雜誌上發表研究,詳細解釋了壓裂誘發地震的兩大機制,一是壓裂液滲入斷層,增加了孔隙壓強,二是壓裂本身造成的地硬力變化,激活了原本穩定的斷層。 不過,關於壓裂和地震的關係,科學界目前還沒有形成統一的共識。支持液鹽氣開採的學者認爲,壓裂誘發的地震大多是三級以下的微型地震,人類幾乎感覺不到,而且這種小型地震的能量釋放,反而能避免大型地震的一次性爆發。 相當於給地下的能量慢慢放棄,反而能降低大型地震的風險,是一件好事。反對者則認爲,雖然現在的地震都是小型的,但長期下去,可能會激活更大的斷層,引發更大的地震。而且目前還沒有成熟的技術,能準確界定一場地震是天然的還是人爲的,存在很大的安全隱患。 截至目前,全世界範圍內,只有英國布萊克普和美國俄亥俄州發生過少數幾次能被人類感覺到的與壓裂相關的地震。大部分壓裂作業都沒有引發明顯的地震,所以這個爭議還會持續下去,短期內很難有定論。 除了環保爭議,美國的頁岩氣開採還面臨着一個現實難題——成本和債務。美國頁岩氣生產的平均成本在80美元上下,很多公司爲了擴大開採規模,搶佔市場份額,採取了重債開發的策略,也就是靠發債或借貸來籌集資金,相當於借債挖礦。 而且,頁岩氣井的產量遞減率很高,很多井在開採初期產量很高,但過了幾年,產量就會大幅下降,甚至徹底枯竭。這就意味着,公司需要不斷地鑽新井,才能維持產量,進一步增加了成本,陷入借債鑽井再借債的惡性循環。 2011年,紐約時報的一項調查發現,很多頁岩氣公司爲了吸引投資,故意高估井的產量和儲量,誇大經濟效益。實際上,頁岩氣的經濟效益並沒有想象中那麼好,不過,也有一些效率高、技術先進的公司,能把開採成本控制在4到6美元每千立方英尺,實現穩定盈利。所以,頁岩氣行業也呈現出兩極分化的態勢,強者遇強,弱者淘汰。 說到這裏,咱們不得不提一下其他國家的態度。美國的頁岩氣革命,不僅改變了自己,也給全球其他國家帶來了啓發和挑戰。加拿大是繼美國之後,第二個實現頁岩氣商業化開採的國家,2009年的產量就達到了72億立方米,而且加拿大的頁岩氣儲量也很豐富,未來有望成爲全球重要的頁岩氣出口國,和美國形成北美能源雙雄的格局。 中國的頁岩氣儲量世界第一,2009年開始啓動頁岩氣勘察項目,2016年的產量達到78.82億立方米,僅次於美國和加拿大,居世界第三位。而且中國已經掌握了自主的壓力技術,在重慶、福林建成了北美以外最大的頁岩氣田,未來的發展潛力巨大,有望成爲全球頁岩氣行業的重要力量。 但並不是所有國家都願意發展頁岩氣,法國就是一個典型的例子。2013年,法國總統奧朗德明確表示,不允許在法國境內開採頁岩氣,理由很簡單,壓力技術會污染水源,引發不可預知的生態連鎖反應,損害法國民衆的健康和環境。 法國人口密集,沒有美國和加拿大那樣廣闊的無人荒原,而且頁岩氣儲量不高。再加上法國在覈能和新能源領域發展得很好,根本不需要靠頁岩氣來緩解能源壓力,所以綜合評估後,果斷放棄了頁岩氣開採。俄羅斯的情況則比較特殊,俄羅斯本身就有大量的常規天然氣資源,價格便宜,開採成本低,所以暫時不需要大規模開採頁岩氣。 但普京在2012年還是提出,要在2017年大規模開發頁岩氣,目的很明確,不是爲了當下的需求,而是爲了掌握這項核心技術以備將來不時之需。畢竟既多不壓身,尤其是在能源領域,掌握了核心技術,就掌握了話語權,不至於被別人卡脖子。 回頭看美國的頁岩氣革命,其實就是一場從無到有,從賠本到盈利,從冷門到主流的逆襲。從1821年第一次發現頁岩氣,到20世紀70年代政府開始砸錢研發,再到米切爾工科技術難關,哈里伯頓完善技術,最後實現規模化開採。 美國用了近200年的時間,才完成了這場能源革命。這項技術看似簡單,實則是人類智慧的結晶,它把原本藏在地下,無法開採的天然氣,變成了能爲人類所用的能源,改變了一個國家的命運,也重塑了全球能源格局,影響了地緣政治的走向。 有人說,頁岩氣是過渡能源,未來會被太陽能、風能等新能源取代,終究會退出歷史舞臺。但不可否認的是,在新能源完全成熟,能實現大規模普及之前,頁岩氣將會在全球能源結構中扮演重要角色,成爲緩解能源危機的主力軍。 而且,頁岩氣的開發,也推動了相關技術的進步,比如水平鑽井、微震成像、壓裂液配方等,這些技術不僅可以用於頁岩氣開採,還可以用於其他非常規能源的開發,爲人類尋找更多的能源出路,提供了可能。 不過,我們也要清醒地認識到,頁岩氣畢竟是化石能源,燃燒還是會產生溫室氣體,而且開採過程中確實存在環保風險。 所以,美國的頁岩氣革命既是一個成功案例,也給我們敲響了警鐘,能源開發不能只追求經濟效益,還要兼顧環境保護,不能爲了眼前的利益,犧牲子孫後代的生存環境。 只有實現綠色開採、規範開採,才能讓能源真正爲人類服務,而不是成爲破壞環境的劊子手。 而一個真正的強盜,怎麼可能因爲自己家裏有了充足的資源,就放棄對外掠奪呢? 美國的能源逆襲從來都不是爲了和平發展,背後依然藏着霸權主義的野心,這一點值得我們每一個人警惕。