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天然氣的黃金時代即將來臨！根據美國能源局的研究報告顯示，來自頁岩氣的天然氣產量將逐年增加，其供應美國國內能源的比例將由2010年的23%，上升至2035年的49%，而且這些天然氣的產量可能超過美國國內需求，剩餘部份可利用液化天然氣的方式出口。然而究竟是什麼樣的變更使美國認為，頁岩氣可以大大提高能源供應安全、減少溫室氣體排放量和提供消費者較低的天然氣價格？又是甚麼樣的技術應用使美國能源局認為，新的石化能源黃金20年夢想可以美夢成真？答案就是配合水平井的多段液裂（Hydraulic Fracturing）技術的應用（ 圖一）。

圖一：多段液裂技術示意圖。（圖片來源： University of Michigan）

原理

所謂液裂，顧名思義為利用液體使地層產生人工裂縫，因此進行液裂時，首先要配好注入流體，注入流體為一種混合液體，其主要成份包含水、化學添加物質以及最重要的支撐劑（Proppant）。支撐劑的種類包含有石英砂、人造陶瓷顆粒等。選定支撐劑後，加入大量的水中，使其成為懸浮液體，為使支撐劑於輸送過程中持續懸浮於水中，會加入許多化學物質如凝膠（Gel）以避免支撐劑沉積。

準備好注入流體後，將注入流體引導至井口，由地面加壓將注入流體送至井底，持續加壓（圖二a），當液體的壓力高於地層破裂壓力後，地層會破裂產生裂縫，同時混合液體也被擠入裂縫中（圖二b），這時地面注入壓力會突然下降，工程師就可以根據當時的流體注入率與注入時間，配合地質狀況評估裂縫成長情形。當裂縫成長至目標高度時停止加壓，然後進入減壓階段，當液體壓力低於地層破裂壓力時，地層裂縫會閉合，並將裂縫內的流體擠回井內造成回流現象，雖然許多注入流體被擠回井內，但在裂縫內會留下許多支撐劑，因此地層裂縫無法完全密合（圖二c），形成一個人工裂縫，做為油氣流動的通道。

圖二：液裂施工過程（俯視圖）。

若假設地層岩石特性與流體特性完全一樣，生產井液裂前，其地層流體僅能透過井眼圓周進入井內（圖三a），而液裂後地層流體可以由新形成之裂縫面流入裂縫中，再流入井內（圖三b），所以液裂增產的主要原理，在於使地層與生產井的接觸面積變大，亦即造成地層流體更容易流進井眼，增加單井的產能。也因此液裂技術常常被應用於地層岩石滲透率（流體於岩石的流動能力）低的油氣田中，提高油氣生產量，加速油氣田達到目標採收量。【更詳細的內容，請參閱第521期科學月刊】

圖三：地層流體流動受裂縫影響示意圖（俯視圖）。