在加利福尼亞中央山谷十四平方英里的乾燥平坦土地上，超過 8,000 個磕頭機（老式石油工人這樣稱呼它們）緩慢地上下起伏，從地下抽取石油。縱橫交錯的閃亮管道表明，這個地方不僅僅是過去的遺蹟。但即使在專家眼中，克恩河油田也絲毫沒有透露出使其能夠在數十年的可怕預測中倖存下來的技術奇蹟。
當克恩河油田於 1899 年被發現時，分析師認為只有 10% 的異常粘稠的原油可以被開採出來。1942 年，經過四十多年的適度生產，該油田估計仍擁有 5400 萬桶可採石油，僅為已開採的 2.78 億桶的一小部分。“在接下來的 44 年裡，它生產的不是 5400 萬桶，而是 7.36 億桶，並且還剩下 9.7 億桶，”能源大師莫里斯·阿德爾曼在 1995 年指出。但即使是這個估計也被證明是錯誤的。2007 年 11 月，當時該油田的運營商美國石油巨頭雪佛龍公司宣佈，累計產量已達到 20 億桶。今天，克恩河油田每天仍產出近 8 萬桶石油，加利福尼亞州估計其剩餘儲量約為 6.27 億桶。
雪佛龍公司在 1960 年代開始透過向地下注入蒸汽來顯著提高產量，這在當時是一項新技術。 後來，一種新型的勘探和鑽井工具——以及穩定的蒸汽注入——將該油田變成了一種石油聚寶盆。
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克恩河並非個例。根據普遍的看法，一個油田的產量應該遵循一條鐘形軌跡，即所謂的哈伯特曲線（以已故的殼牌石油地質學家 M. 金·哈伯特的名字命名），並在已知石油開採過半時達到峰值。然而，世界上大多數油田都隨著時間的推移而復甦。在某種程度上，技術才是真正的聚寶盆。
許多分析師現在預言，全球石油產量將在未來幾年達到峰值，然後遵循哈伯特曲線下降。 但我相信，這些預測將被證明是錯誤的，正如過去類似的“石油峰值”預測 [參見 Colin J. Campbell 和 Jean H. Laherrère 的“廉價石油的終結”；《大眾科學》，1998 年 3 月] 一樣。新的勘探方法揭示了更多地球的秘密。開採技術的飛躍使得在曾經無法到達的地區和以前鑽探不經濟的地方開採石油成為可能。先進的勘探和開採方法可以使石油產量在未來幾十年內保持增長，並可能使石油供應至少再持續一個世紀。
儘管石油和其他化石燃料對氣候和環境構成風險，但就目前而言，替代能源在多功能性、成本以及運輸和儲存的便利性方面無法與之競爭。隨著對替代能源研究的不斷深入，我們需要確保我們負責任地使用我們擁有的石油。
所有你無法拋下的東西
在世界越來越擔心石油產量即將達到峰值並隨後下降的時候，令人驚訝的是，地球上已知的大部分資源仍未被開採，甚至還有更多的資源等待被發現。
從表面上看，石油應該只能再用幾十年。2008 年，就在經濟崩潰大幅削減消費之前，世界每年消耗約 300 億桶石油。假設在不久的將來，消費恢復到 2008 年的水平，然後保持不變，那麼我們地球已探明的石油儲量（目前估計在 1.1 萬億至 1.3 萬億桶之間）大約還能維持 40 年。
但已探明儲量只是估計值，而不是固定數字。它們被定義為使用當前技術可以經濟地開採的已知石油量，因此該定義會隨著技術的發展和原油價格的變化而變化。 特別是，如果供應趨緊或需求增加，轉售價格會上漲，曾經開採成本過高的石油就會成為已探明儲量的一部分。 這就是為什麼大多數油田的產量都遠遠超過了最初對其儲量的估計，甚至超過了最初對其總含量的估計。 今天，平均油田中只有 35% 的石油被開採出來，這意味著已知油田中約有三分之二的石油仍留在地下。 在關於石油未來的辯論中，這種資源很少被提及。
即使是像美國這樣成熟的石油國家，自 1970 年代以來石油產量一直在下降（即使沒有哈伯特曲線預測的那麼快），其地表下仍然蘊藏著大量的未開採石油。 儘管該國已探明的石油儲量目前僅為 290 億桶，但美國國家石油委員會 (NPC) 估計，地下仍有 11240 億桶石油，其中 3740 億桶可以使用當前技術開採出來。
在全球範圍內，美國地質調查局估計地球上剩餘的常規石油（石油）礦藏約為 7 萬億至 8 萬億桶。 但以今天的技術、知識和價格，只有一部分石油可以經濟地開採出來，因此被歸類為已探明儲量。
還有更多。
我們星球上只有三分之一的沉積盆地（可能含有石油的地質構造）已使用現代技術進行了徹底勘探。 此外，美國地質調查局的資料不包括非常規石油，例如超重油、油砂、油頁岩和瀝青頁岩，這些非常規石油的總量至少與常規石油一樣豐富。
因此，一個國家或一家公司即使不開發新的地區和前沿，如果它有能力從已知油田中開採更多的石油，也可以增加其黑金儲量。 儘管如此，這樣做並非總是容易的。
艱難的開始
與普遍的看法相反，石油並非儲存在巨大的地下湖泊或洞穴中。 如果你能“看到”一個油藏，你會注意到只有一個看似沒有石油空間的岩石結構。 但在肉眼看不到的地方，一個由通常看不見的孔隙和微裂縫組成的世界捕獲了微小的油滴，以及水和天然氣。
大自然在數百萬年的時間裡創造了這些地層。 它始於古代海洋底部堆積的大量植被和死亡微生物，分解並被連續的岩層掩埋。 然後，高溫和高壓將有機沉積物緩慢轉化為今天的石油和天然氣。 這些化石燃料浸透了多孔的地下岩石，幾乎就像水浸透浮石一樣。
當對這樣的油藏進行鑽探時，它的表現有點像開啟瓶塞的香檳。 石油從其古老的岩石監獄中釋放出來，油藏的內部壓力將其推到地表（以及石頭、泥漿和其他碎屑）。 這個過程一直持續到壓力消失，通常在幾年後。 初級或一級開採階段通常可以產出原位石油的 10% 到 15%。 從那時起，開採必須得到輔助。
在最初的“香檳”釋放後留在油藏中的石油約有三分之一被稱為滯留油——被強大的毛細作用力困在岩石中孤立孔隙內的油滴。 目前還沒有技術可以提取這部分石油。 剩餘的三分之二雖然是可流動的，但並不一定會自行流入井中。 事實上，通常約有一半的可流動石油由於地質屏障或低滲透率而滯留在油藏內部，這種情況發生在孔隙太窄時。 當石油不是輕質液體而是粘稠的糖漿狀物質時，情況會更糟。
為了幫助一些剩餘的石油滲過岩石中的孔隙並從井中流出，運營商通常會將天然氣和水注入油藏，這被稱為二級開採。 注入氣體恢復了損失的壓力，並迫使足夠流動的石油滲過岩石的孔隙。 同時，由於石油比水輕，注入水會將石油向上推向井口，就像在裝滿橄欖油的杯子中倒水會將橄欖油向上推一樣。
在過去的十年左右，隨著公司開始從一開始就應用先進技術，一級開採和二級開採之間的區別變得模糊。 迄今為止最重要的發展之一是水平井，這是一種 L 形結構，與自石油工業誕生以來一直使用的傳統垂直鑽井相比，能夠顯著提高石油產量。 L 形使水平井能夠改變方向並穿透油藏中原本無法到達的部分。 該方法於 1980 年代首次在商業上採用，特別適用於石油和天然氣佔據薄水平層的油藏。
多年來，勘探工具也得到了改進。 例如，先進的地下 3D 成像技術，它基於地震波如何從不同岩石成分層之間的邊界反射，現在可以更詳細地瞭解現有油田的結構，這有助於選擇在何處鑽探以最佳化開採。
成像技術現在使地質學家能夠“看到”海底以下不均勻分佈且有時厚度超過 5,000 米的鹽層下方的物質。 與冰凍的水域類似，鹽層過去是一個巨大的障礙，因為它們模糊了用於重建地下精確影像的地震波。
這種成像技術的突破，加上更先進的海洋技術，使海洋的新區域對石油開發商開放。 在 1970 年代開發北海油田時，似乎海洋技術已經達到了最艱鉅的里程碑，即開採位於水下 100 至 200 米和海底以下 1,000 米的油田。 但在過去幾年中，該行業已成功在水下 3,000 米和岩石和鹽層下 6,000 米的深度開採石油。 至少有三項主要的超深水海上發現：墨西哥灣的雷霆馬和傑克以及巴西海岸附近的圖皮。
竭盡全力
隨著油井比以往任何時候都更遠更深，在第一輪開採結束後，技術也在不斷發展，以便從岩石中開採出更多的石油。 一級和二級開採階段加在一起可以將採收率提高到 20% 到 40% 之間。 為了超越這一點，在專家們所說的三級開採中，通常需要降低剩餘石油的粘度，這可以透過使用熱量、氣體、化學物質甚至微生物來實現。 蒸汽注入是最古老的熱基方法之一，在 1960 年代初克恩河油田的復興中起到了決定性作用。 注入的蒸汽加熱了上覆地層，使石油能夠流動。 至今，克恩河的蒸汽注入專案仍然是世界上最大的同類項目之一。 蒸汽輔助開採的一種變體已應用於艾伯塔省太深而無法進行露天開採的油砂礦床。
另一種已在油田測試的熱基工藝是透過加熱器點燃油藏的一部分碳氫化合物，同時向井中泵入空氣以助燃。 火災產生熱量和二氧化碳 (CO2)，這兩者都會降低石油的粘度； 大部分 CO2 也留在地下，有助於將石油推出。 同時，火本身會分解石油中較大和較重的分子，再次使其流動。 可以控制氣流以限制被燃燒的石油並防止汙染物釋放到周圍環境中。
一種更常見的方法是將氣體（如 CO2 或氮氣）高壓注入油藏。 這些氣體可以恢復或維持油藏的壓力，也可以與石油混合，降低其粘度和可能使石油滯留的力。 在美國，自 1970 年代以來，從火山或發電站廢氣中提取的 CO2 已應用於石油開採。 該工藝已在約 100 個正在進行的專案中使用，專用管道網路總長超過 2,500 公里。
在 CO2 注入方面積累的專業知識為從發電廠捕獲和儲存 CO2 開闢了道路——這些程式可以幫助大幅減少這種溫室氣體向大氣中的排放，並將其留在地下數百年。 自 1996 年以來，第一個商業碳捕獲和儲存專案一直在挪威海岸附近的斯萊普納油田執行，每年儲存 100 萬噸 CO2。 考慮到僅人類活動估計每年就向大氣中排放相當於約 500 億噸二氧化碳的溫室氣體，這個數量很小。 但該工廠的成功證明了概念的可行性。
然而，具有諷刺意味的是，使用 CO2 進行石油開採的主要問題之一是其稀缺性。 從發電站煙囪或火山捕獲氣體並不便宜，並且從較小的來源（如汽車甚至大多數工業工廠）捕獲氣體的成本高得令人望而卻步。 另一個障礙是運輸，如果油田位於偏遠地區，運輸成本可能會過高。
基於化學的開採是一種較新的策略。 某些化學物質可以與滯留的石油混合並降低其粘度，從而使其能夠流向井口。 這些物質都基於相同的原理工作，這類似於肥皂分子層如何吞噬脂肪物質並去除手上油脂的原理。 最成功的化學工藝還會增加地下水的粘度，這有助於水將石油推向井口，而無需先到達井口。 在中國的大慶油田，自 1990 年代中期以來，該工藝被認為額外開採出了油藏中 10% 的石油。 在該工藝的一個版本中，腐蝕性溶液從石油本身存在的成分中生成類似肥皂的物質，從而限制了總體成本。
微生物強化石油開採仍處於起步階段，美國、中國和其他國家正在進行實驗。 工程師將大量專門的微生物與營養物質以及在某些情況下與氧氣一起泵入油藏。 微生物在石油和岩石之間的介面中生長，有助於釋放石油。 基因工程為改造細菌和其他微生物開闢了可能性，使其更有效地幫助石油開採。
這些先進的開採技術都不是特別便宜。 但有些技術（特別是 CO2 輔助開採，如果附近容易獲得氣體來源）只要原油價格保持在每桶 30 美元以上就已經是經濟的，而大多數技術（包括化學開採）在每桶 50 美元左右變得經濟可行。
未來的尤里卡時刻
“易採石油”正在枯竭，可能是因為它最早被發現和燃燒。 世界上許多最大和生產力最高的石油盆地正接近我所說的技術成熟期，即傳統技術不再有效的時候。 這些盆地包括波斯灣國家、墨西哥、委內瑞拉和俄羅斯的油藏，這些油藏在 1930 年代、1940 年代和 1950 年代開始產油。 為了使這些油田在未來繼續生產，將需要新技術。
但“易採石油”在被發現時並沒有那麼“容易”。 同樣，由於技術專長的學習曲線，今天的難採石油將成為明天的易採石油。 石油工業的技術突破一直是漫長而曲折的過程的結果。 水平鑽井技術最早在 1930 年代進行了測試，一些更先進的開採方法至少自 1950 年代就已存在。 然而，在石油工業的大部分歷史中，石油一直供過於求，因此其價格一直過低，無法證明重大且昂貴的創新是合理的。 但一個新時代即將到來，新技術將以更快的速度被採用。
提高採收率的努力可能會因當前的資源民族主義浪潮而放緩。 1970 年代初期，主要的石油公司控制著全球約 80% 的石油儲量，而今天，全球超過 90% 的常規石油由生產國透過其國家石油公司直接控制。 但石油需求未來的不確定性使得其中一些國家不願投資於現代技術和勘探，尤其因為進行大量投資意味著從社會和經濟發展計劃中抽調資源。
儘管如此，我還是敢於做出一個預測。 到 2030 年，當時已知的石油中將有超過 50% 可以開採出來。 此外，到那時，已知石油的數量將顯著增加，並且更大比例的非常規石油（如油頁岩）將普遍生產，使可採儲量總額達到 4.5 萬億至 5 萬億桶石油之間。 “新儲量”的很大一部分將不是來自新的發現，而是來自更好地利用我們已有的資源的新能力。
可以肯定的是，到 2030 年，我們將再消耗 6500 億至 7000 億桶儲量，總共從 4.5 萬億至 5 萬億桶的數字中消耗約 1.6 萬億桶。 然而，如果我的估計是正確的，我們將在 21 世紀剩餘的時間裡擁有石油。 真正的問題將是如何使用剩餘的石油，而不會因不可接受的消費習慣而浪費它，並且——最重要的是——不會危及環境和氣候。
我們的星球。
注：本文最初印刷時的標題為“從地下擠出更多石油”。