Lecture 11: 地質科學的 新挑戰及機會-石油和天然氣的探勘

黃武良教授黃武良教授臺灣大學地質科學系臺灣大學地質科學系

New challenge and opportunity of geosciences:

Oil and gas exploration in the

resource depleting Earth

胡植慶

國立臺灣大學地質科學系

Jyr-Ching HU, Dept. of Geosciences, National Taiwan University

Outlines

‧石油來自何處?

‧大自然的恩賜: 油氣生成過程

• DIY:你也可以在廚房生產石油:油母質實際轉變成石 油的過程

‧還剩下多少石油? 石油產量高峰是否存在？

‧從地底榨出更多油

‧其它替代的化石燃料

‧石油探採科技的最新發展

‧為什麼要研究開發天然氣水合物？明日的能源之星

‧臺灣擁有天然氣水合物資源嗎？

全球能源用量

(Energizing Earth) ‧全球每年的能源消耗量（兆千瓦小時）：

132.5

這些能源足夠供給一戶美國家庭用電：

130億年

‧使用現有科技，理論上能生產的再生能源總量（兆千瓦小時) 太陽能：444

風力發電：167 地熱發電：139 生質能源：69

‧世界能源消耗的比率： 建築物：40%

做為發電之用：41% 再生能源（包括水力發電）佔世界能源產出量的比率：20%

‧發電過程中以廢熱形式散逸的能源：2/3

石油來自何處?

(A) 恐龍(B) 四百磅重的牡蠣(C)三百磅重的海星(D)三英呎的蛤蜊(E) 浮游植物

Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Lisa Lisa MargonelliMargonelli

感謝單細胞感謝單細胞……

石油源自生物:石油是古代生物的遺骸經由深 埋、受高溫高壓的作用而成。

大自然的恩賜: 油氣生成過程

大自然的恩賜: 油氣生成過程1.

石油:大自然孕育千萬年而成，主要源自古代生

物遺骸，包括藻類等浮游生物、細菌、花粉、樹 脂等，沉積後在缺氧環境下經由複雜的微生物及 化學作用，首先轉化成油母質(Kerogen)。

2.

油母質:一種自然形成的高分子固態聚合物，一 般存在於顆粒很細而且富含有機物質的泥岩、頁

岩或碳酸鹽地層中。3.

油母質進一步深埋至4000~8000公尺的地底後，

由於溫度逐漸升高（約80~150℃）達到一定的成 熟度（在石油探勘技術中稱為油窗），即開始裂

解為較小分子的液態石油或天然氣。

油氣生成過程: 「生」、「儲」、「蓋」組合

4.石油從油母質產生，隨即進入生油岩地層的孔隙 間，當油氣越來越多、地層內壓力逐漸升高，油

氣便從生油岩排至周圍孔隙度較高的含水地層如 砂岩、碳酸岩中。

5.由於砂岩孔隙大，油氣可藉由浮力快速沿著傾斜 的運載地層或斷層往淺處移棲，一直遇到不透油

氣的蓋層（例如厚層頁岩、鹽岩等）受封阻而停 留下來，並慢慢匯集在此封閉的地質構造中。

6.儲藏油氣的封閉地質，一般是砂岩或碳酸岩地層 經由褶皺而成的倒碗形背斜構造，上方覆蓋著不

透油氣的蓋層。當封閉構造內的石油越聚越多， 就形成儲油層或油藏。

沉積盆地的 地下石油地

質系統

DIY:你也可以在廚房生產石油

‧實驗室中將含油母質豐富的頁岩煮成石 油。

‧將沒煮過的頁岩，壓成砂礫般大小，擺 進不鏽鋼汽缸裏，加水，蓋上蓋子，閂 緊，放進加熱套中，温度調到攝氏300至

365度。• 72小時後，瞧，原油就浮在水上面。

Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Lisa Lisa MargonelliMargonelli

油母質實際轉變成石油的過程Michael Michael LewanLewan, USGS, 1978, USGS, 1978

為什麽不把温度降到攝氏250度？(或 是80到150度)

‧真正的地質時間，加熱套在地下，愈深 的地方愈熱(地温梯度約每深1公里，温 度增加25度)。

‧Lewan藉由提高温度才將數十萬年、甚至 數百萬年的地質時間壓縮成幾天。

• “如果那樣做，實驗就必須執行一百年， 我的孩子並不會在我死後替我做這些實

驗”。Michael Michael LewanLewan, USGS, 1978, USGS, 1978

Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Lisa Lisa MargonelliMargonelli

地下的油和氣

有些岩層有產油的潛能，有些 則只有產氣的潛能，取決於 不同種類的油母質。

Seeing is believing0.3 mm

黃武良教授黃武良教授臺灣大學地質科學系臺灣大學地質科學系

還剩下多少石油? 石油產量高峰是否存在？

從地底榨出更多油 (Squeezing More Oil from the Ground)

目前一般油田 的開採率僅有 35%左右，也就 是說大約有2/3 的石油仍埋在

地底。

採油務盡

一點一滴 都別放過

未開發的陸地與海洋油田

地球上的沉積盆地（可能蘊藏石油的地質結構）中，曾 以現代科技徹底探勘過的只有1/3

全球油氣探勘的新領域(Frontier)

1.前蘇聯

(如裏海等中亞礦區;庫頁島等)

2.委內瑞拉

3.利比亞

(Libya)4.亞洲海域

(Asia-Oceanica)

5.深海區(墨西哥灣、西非、巴西、祕魯外海)

6.深部探勘成熟大油田

(North sea, Alaska, Gulf of Mexico,大慶油田, 中國陸上第一深井: 塔裡

木油田，井深7528米，目前亞洲陸上第一深 井。)

7.極區

(Siberia, Canada, Greenland, Berent, Beaufort sea)

Thomas S. Ahlbrandt (2000)

其它替代的化石燃料 (fossil fuels)

‧油砂 (Oil sands): 3,500 billion barrels?‧油頁岩 (Oil Shales:14,000 billion

barrels?‧天然氣水合物(Methane hydrates):

10,000 billion tons C?‧煤(Coal): (one ton of coal produces 200

liters of crude, Wikipedia)‧天然氣 (Natural gas) - lots‧生質燃料 (Biofuels)

碳足跡的考量碳足跡(Carbon Footprint)可被定

義為與一項勞動(Activity)以及產 品的整個生命週期過程所直接與間 接產生的二氧化碳排放量。

石油探採科技的最新發展

1.震測技術及影像處理:運用地震波在不同成份岩層 界線反射的原理，可設計出先進的三維地底成像技

術，能讓我們更詳盡了解現有的油田結構，協助我 們選定鑽挖位置，獲取最大採油效益。

2.複雜地質構造和層序地層學

3.石油系統

4.深海鑽探及方向鑽井(L形水平井的出現)

5.油藏模擬及4-D監測

6.加強採油

石油探採科技的最新發展

成像技術的突破加上更先進的外海採油技術，讓海 洋成為石油開發的新領域。1970年代開發北海油田 時，外海採油技術似乎已經到了極限，當時開採深 度至海平面以下100~200公尺、位於海床下方1000

公尺的油田。但近幾年來，石油業界已經成功開採 到水深3000公尺、位於6000公尺深的岩石與鹽層下 方的油田。目前已發現的超深外海油田至少有三

處，分別是位於墨西哥灣的雷馬（Thunder Horse） 和傑克（Jack）油田，以及巴西外海的度皮

（Tupi）油田。

Powerpoint: Oil spill in Gulf of Mexico

把稻稈變能源‧纖維酒精產業化的時代即將來臨，台灣

以自身產量最豐富的稻稈，做為邁向新 能源時代的第一步

為什麼要研究開發天然氣水合物？明日的 能源之星

‧分布廣:全球27 %的陸域永凍層及90 %的陸緣 海域沉積物中，可能有天然氣水合物的賦存。

‧儲量大:天然氣水合物的甲烷總資源量約有2萬 兆立方公尺，其有機碳含量約有10兆公噸，約 為目前已知所有傳統化石燃料能源之有機碳總 儲量的2倍。

‧潔淨:甲烷燃燒後所排放的SOx量為零，NOx的 排放量只有燃煤的20~37 %或燃油的33~50 %， CO2

的排放量只有燃煤的57 %或燃油的67 %。

確認產出區  

推論產出區

HydrateHydrateRidgeRidge

Mackenzie DeltaMackenzie Delta

NankaiNankai TroughTrough

台灣西南海域台灣西南海域印度印度

MessoyakahMessoyakah fieldfield

墨西哥灣墨西哥灣

BlakeBlakeRidgeRidge

太平洋

太平洋

印度洋

印度洋

大西洋

大西洋

大西洋

大西洋

北極海北極海北極海北極海

自然界中，天然氣水合物在極區的永凍層及 海域大陸斜坡與大陸隆堆一帶的海床下面均 有相當廣泛的分布。

什麼是天然氣水合物？

‧天然氣水合物(Gas Hydrate)是氣體分子在高 壓及低溫的環境下被呈籠形結構的水分子所包 合而形成冰晶狀的固態包合物(clathrate)。

籠晶：副成分被主成分結晶 構造空隙包合而成的結晶化 合物，二者之間並無化學鍵 或離子鍵。

氣體分子(副成分)：

可能有甲烷、乙烷、丙烷、 異丁烷、正丁烷、氮、二氧 化碳或硫化氫等。

由於自然界產出的天然氣水 合物中，90%以上所包合的氣 體分子組成主要為甲烷，故

通稱為「甲烷水合物」。

HH22 OO

G S HYDRATE

天然氣水合物外觀似冰晶

Gulf of Mexico

Hydrate Ridge

Hydrate Ridge

Hydrate Ridge位於美西Oregon 外海

Gulf of Mexico位於美國南部外

海(呈黃色是因受 到油氣分子混染 所致)

常溫常壓下，

1單位體積的甲烷水合物， 可分解產生150~180單位體積的甲烷及0.8

單位體積的水。

1 m3

甲烷水合物

150~180 m3

甲烷氣

0.8 m3

水

++

甲烷成因

‧‧甲烷氧化作用甲烷氧化作用CHCH44+2H+2H22OO→→COCO22+4H+4H22

‧微生物甲烷生成作用COCO22+4H+4H22→→CHCH44+2H+2H22OO

‧熱裂解作用CHCH33(CH(CH22)n(CH)n(CH33))＞＞

150150℃→℃→CHCH44

天然氣水合物和傳統天然氣之比較

天然氣水合物與傳統天然氣同屬於潔淨的化石 燃料

開發生產方法

天然氣水合物在儲集層中呈固態，必須先將它氣 化後，才能如同傳統天然氣田一樣的進行開發。

可能的環境衝擊(非 人為因素)

‧天然氣水合物的賦存深度淺 ，多分布在陸表以下2,000

公尺深或海床下方1,100公 尺深的範圍以內。一旦發生 海水面下降或海水溫度升高 等地質事件時，受到減壓或 升溫效應，將使得天然氣水 合物穩定帶底部位置向上變 淺；此時，位於新的穩定帶 底部下方原已生成的天然氣 水合物開始發生分解，所產 生富含氣水等高壓流體將儲 聚在新穩定帶底部下方而形 成地層弱帶。一旦受到後期 的重力或地震作用，可能引 發海床崩毀或滑移，並伴隨 釋出大量的甲烷。

氣候暖化(非人為因素)

甲烷是一種強效溫室氣體，每單位重量受 到太陽輻射生熱所引起的全球溫室效應 潛勢，約為同量二氧化碳在100年間所產 生全球溫室效應潛勢的23倍。

臺灣擁有天然氣水合物資源嗎？

‧西南-南部海域

大陸斜坡、增積岩體‧南海海域

大陸斜坡、西沙海槽‧東北海域

大陸斜坡、沖繩海槽‧東南海域

大陸斜坡、海槽‧東部海域

大陸斜坡、海溝Liu et al. (1998)Liu et al. (1998)

(水深大於500公尺)

周圍海域潛能區

台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究主要工作地球物理調查海域地質調查地球化學調查資料庫建置國際合作

工作目標(民國93-96年)確認天然氣水合物的賦存位置與分布建立天然氣水合物賦存指標規劃探勘好景區

海域遠距調查

‧海底仿擬反射（（bottom simulating reflector; BSR: 海底下方沉積層中如有天然氣水合物的

生成，常會在反射震測剖面上，呈現一個高阻 抗且與海床近乎平行但相位相反的強反射面， 稱為海底仿擬反射或似海底反射。海底仿擬反 射是天然氣水合物賦存的重要指標，同時也可 指示天然氣水合物穩定帶下界深度。

‧地球化學異常: 藉由沉積物組成與地球化學特 性異常，例如海洋底水與沉積物間隙的甲烷含 量高、、沉積物孔隙水的氯離子含量低、硫酸

鹽-甲烷界面深度異常淺、及有自生性甲烷源 碳酸鹽出現等現象，亦可指示是否有天然氣水

合物賦存潛能。

海域遠距調查

‧海床地貌與淺部地層特徵

利用水下攝影或側掃聲納等探測技術，來 觀測海床地貌與海底生物群落特徵，例 如麻坑、氣體噴柱、泥火山、煙柱、泥 隆堆、碳酸鹽類隆堆、天然氣水合物隆 堆及特殊化學自養性生物群落如冰蟲、 管狀蠕蟲類、貽貝類、蚌類、菌席等特 徵，均可直接或間接指示有天然氣水合 物的賦存。此外，天然氣水合物賦存區 也常伴隨有泥貫入體等現象。

底拖深海照相(TowCam)探測

美國木洞海洋研究中心(WHOI)

海床地貌特徵

泥火山或冷泉(A)天然氣水合物隆堆

(B) 化學自營性生物(B)管狀蟲貝類菌席(叢)自生性碳酸鹽礁層

(C)

Hein et al.(2006)Hein et al.(2006)

泥火山泥火山 天然氣水合物隆堆天然氣水合物隆堆

化學自營性生物化學自營性生物

自生性碳酸鹽礁層自生性碳酸鹽礁層

二枚貝類二枚貝類

化學自營性生物群落化學自營性生物群落

菌叢菌叢((菌席菌席))

現生貽貝類 (化學自營性)

台日學界合作台日學界合作

(ROV)(ROV)

線控無線控無人載具人載具

碳碳酸鹽礁層酸鹽礁層

海百合海百合

Sea fan?Sea fan?

學習重點

‧油氣生成過程

‧從地底榨出更多油

‧為什麼要研究開發天然氣水合物？明日 的能源之星

參考資料

1.

2030永續能源， 科學人，

2009年12月號，第 94 期。

2.從地底榨出更多油，科學人，

2009年11月號， 第 93 期。

3.石油哪裡來？科學人，

2009年11月號，第 93 期。

4. 以草煉油，科學人，

2009年8月號。

建議閱讀

‧

從地底榨出更多油

‧

石油哪裡來？

投影片教材補充

油母質(Kerogen)

‧孢粉油母質分類四大類:(1)藻類油母質(Algal or Amorphous Kerogen)包括藻類

以及由油頁岩中分離出來的不定型類似藻類的物質其 潛能以產油為主。

(2)草本型油母質(Herbaceous Kerogen)包括角質類、孢 子、花粉等其潛能以產油及部份之氣。

(3)木型油母質(Woody Kerogen)包括有結構木質碎屑， 其潛能以產氣為主帶少量之油。

(4)煤型油母質(Coaly Kerogen)包括煤質的煤素及細煤素 等，其潛能以產氣為主。

關於油氣潛能的評估，由孢粉油母質類型評估油氣潛能 之方法，進行油氣潛能之評估。

介於綠藻和石油之間的步驟

‧油母質(Kerogen)一詞，是由Breger於 1961年提出，其所下的定義為沉積岩中

其既不溶於鹼性溶劑亦不溶於一般有機 溶劑的有機物質。

生麵糰是麵粉和麵包的中間點生麵糰是麵粉和麵包的中間點

Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Oil on the Brain: Adventure from the Pump to Pipeline Lisa Lisa MargonelliMargonelli

Lecture 11: 地質科學的�新挑戰及機會-石油和天然氣的探勘�Outlines全球能源用量 (Energizing Earth) 石油來自何處?大自然的恩賜: 油氣生成過程大自然的恩賜: 油氣生成過程油氣生成過程: 「生」、「儲」、「蓋」組合 沉積盆地的地下石油地質系統 投影片編號 9DIY:你也可以在廚房生產石油為什麽不把温度降到攝氏250度？(或是80到150度)地下的油和氣還剩下多少石油? 石油產量高峰是否存在？ 投影片編號 14從地底榨出更多油 (Squeezing More Oil from the Ground)投影片編號 16未開發的陸地與海洋油田全球油氣探勘的新領域(Frontier)投影片編號 19其它替代的化石燃料 (fossil fuels)碳足跡的考量投影片編號 22投影片編號 23把稻稈變能源為什麼要研究開發天然氣水合物？明日的能源之星投影片編號 26什麼是天然氣水合物？投影片編號 28天然氣水合物外觀似冰晶投影片編號 30甲烷成因天然氣水合物和傳統天然氣之比較開發生產方法可能的環境衝擊(非人為因素)氣候暖化(非人為因素)臺灣擁有天然氣水合物資源嗎？台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域遠距調查海域遠距調查底拖深海照相(TowCam)探測海床地貌特徵投影片編號 42投影片編號 43現生貽貝類�(化學自營性)投影片編號 45投影片編號 46學習重點參考資料建議閱讀投影片教材補充油母質(Kerogen)介於綠藻和石油之間的步驟投影片編號 53