關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
艾伯塔省康克林——從這裡附近的沙子中提取石油的挑戰通常需要刮除北方森林和下方的泥炭，以露出下方的油砂礦藏。 將增稠的沙子挖出，然後煮沸以分離出瀝青，並將剩餘的受汙染的水和淤泥傾倒在像小湖泊一樣大的巨大蓄水池中。 從軌道上看，這一過程造成的巨大露天礦場和尾礦湖非常突出，就像一個蔓延的潰瘍——這個星球上的傷疤證明了美國對石油的渴望。 但這個加拿大省份的油砂未來留下的可見痕跡較少，正如在這個城鎮附近所看到的那樣，它與其說是一個社群，不如說是通往油砂工人營地的道路交叉口。 這意味著更少的露天礦場、尾礦湖甚至巨型卡車，但也意味著更多的看不見的溫室氣體二氧化碳積聚在大氣中並使地球變暖。
這個未來是在至少地下200米處融化瀝青，而不是開採油砂。 2011年，每天有超過11000桶瀝青從這裡附近的凍土中融化出來，那裡的飛機跑道比城鎮的人流量更大，因為工人們乘飛機從遠至紐芬蘭的地方來來往往。
“大部分活動發生在地下375米處，”Cenovus的克里斯蒂娜湖油砂生產設施的運營和生產主管格雷格·法格南在最近的一次參觀中說。 Cenovus採用一種叫做蒸汽輔助重力洩油的技術來提取瀝青，這可以被認為是採礦的反面。 Cenovus不是在將油砂從地下挖出後在工業工廠中將瀝青從沙子中融化出來，而是用蒸汽將其在原地融化出來。 這意味著克里斯蒂娜湖在某種意義上是一個巨大的水處理設施，“恰好生產石油，”法格南說。“這不是一個複雜的事情，它只是很複雜。”
康克林是新的油砂繁榮的前沿城鎮之一，因為加拿大省份油砂中至少 1700 億桶的 80% 只能透過這種方式而不是透過採礦獲得。 2011年，原位作業的石油產量首次超過了油砂採礦的石油產量——隨著加拿大更多的油砂產量上線，這種趨勢只會增加。 如今，蒸汽從艾伯塔省東北部的北方森林中滾滾而出，那裡有許多開發商在工作——從最近被中國海洋石油總公司（中海油）收購的尼克森到殼牌等石油巨頭——就像雨後從地下冒出的蘑菇一樣。
但是，如果要與使用高壓水壓裂岩石等其他快速增長的石油開採技術或水力壓裂技術競爭以釋放被困的石油，就必須繼續提高原地瀝青的採收效率和成本。目前，據估計，艾伯塔省擁有超過 4000 億桶此類“緻密油”，這些石油已經在北達科他州的巴肯頁岩等地方生產，而巴肯頁岩是加拿大油砂石油的第一大客戶：美國。
融化焦油
蒸汽在克里斯蒂娜湖設施中占主導地位，那裡蘑菇雲升入冬季的藍色天空，只有瀝青加工廠附近的橙色火焰將其穿透。 九個工業鍋爐，由天然氣驅動，將附近含水層的處理過的鹽水加熱到 350 攝氏度，以蒸汽形式注入類似於三個巨大的地下沙箱的東西——巨大的矩形含油砂塊。 每個沙箱都被一對管道刺穿，一個管道上佈滿了孔，用於在其 800 米的長度上釋放加壓蒸汽並融化油砂中的石油，另一個管道用電動泵將融化的瀝青、沙子、水和天然氣吸回地面。 這些管道上串有感測器、儀表和光纖，或者用行業術語來說是“珠寶”，這使得地面上的油井操作員可以持續監測地下的情況，例如最初為每平方釐米 120 公斤力的粉碎性的蒸汽壓力。 克里斯蒂娜湖每注入 2.3 桶蒸汽，就可泵出一桶石油。
Cenovus 聲稱，在克里斯蒂娜湖，由於使用了回收水和幾乎完全使用了微鹹水，每生產一桶石油僅使用 0.07 桶淡水。 根據加拿大皇家學會關於此類油砂開發的2010 年報告，一個典型的設施每桶石油使用 0.6 桶淡水和 0.4 桶鹽水。 政府資助的技術創新機構艾伯塔創新公司的環境管理執行主任地質學家周約翰表示：“沙烏地阿拉伯的常規石油比 [蒸汽輔助重力洩油] 工藝消耗更多的水。”
鑽井本身提出了第一個挑戰。 在安裝過程中，每個沙箱場地中的成對油井同時鑽探，嚴格保持僅五米的間距，並使用專門為這種油砂開採而改裝的鑽機。 在每個場地或井場，大約鑽了八口這樣的油井，並排排列——一側是八個或更多的蒸汽注入器，另一側是匹配數量的產油井。
經過幾年的生產，例如 Cenovus 於 2001 年啟動的較老的福斯特溪設施，會鑽額外的油井，以從每個蒸汽產生的氣球形熔化區之間的油砂楔形物中回收石油。 這種楔形油井使 Cenovus 能夠在不增加任何額外蒸汽的情況下，每天為福斯特溪增加 20,000 桶的產量，而且預計一口油井的生產時間約為 20 年，儘管還沒有一口油井如此老。
Cenovus 發言人佈雷特·哈里斯說：“這些油田真的像實驗室一樣”，運營商正在不斷調整並提出改進建議，例如可以承受地下高溫但也可以用電而不是天然氣執行的水泵。 運營商還在不斷調整蒸汽流量，關閉穿孔管道的某些部分，以關閉對某些部分的熱量，並確保整個過程均勻融化。 此類原地生產一直是實驗性的，從 1926 年的第一次嘗試開始：當時可用的管道無法承受蒸汽的熱量和壓力，導致蒸汽爆炸，摧毀了啟動工廠並導致企業家雅各布·歐文·阿伯謝等人受傷。
這不是一個完全消失的問題。 加拿大石油公司 Devon Canada 實際上在其地下沙箱上使用了過大的壓力，並導致了井噴，在 2010 年夏天，在附近向空中噴出了滾燙的蒸汽和瀝青，而 Total Energy 在 2006 年在麥克默裡堡北部也造成了類似的蒸汽、石油和岩石爆炸。 由於內部截留的冷卻水，蒸汽管道本身也發生了爆炸。 Cenovus 的法格南說，這種“水錘”已經將管道拋擲了長達一公里，使它們像牙籤一樣從地下伸出，嵌入了超過三米深的地方。 蒸汽“具有很大的衝擊力，”他說。
更好的工程設計
原地專案面臨的工程挑戰包括油砂礦藏上方缺乏足夠的密封——允許蒸汽在不融化石油的情況下逸出，或者更糟糕的是，石油本身會流失——到可以熄滅一桶又一桶蒸汽熱量的地下含水層，或“盜油區”。 並且那是在昂貴的油井對投入使用之後。 在克里斯蒂娜湖，油藏位於不是岩石而是天然氣的一層下方——這意味著 Cenovus 的操作員必須不斷注入空氣，以確保天然氣壓力匹配或超過泵入蒸汽的壓力，這樣蒸汽就不會在不做融化工作的情況下逸出。
然而，油砂的最終工程挑戰可能是應對溫室氣體。 由於原地生產的增加，艾伯塔省油砂的溫室氣體排放量去年上升了 1.7%，自 2009 年以來上升了 16%，據加拿大石油生產商協會稱。 新近占主導地位的原位技術生產石油的成本比更粗暴的傳統採礦排放到大氣中的二氧化碳高 2.5 倍。 雖然這可能相當於在加利福尼亞或奈及利亞使用蒸汽來淹沒重油時排放的量，但這兩個溫室氣體來源的增長速度都不如油砂。
為了應對氣候挑戰，艾伯塔省已投資超過 15 億美元用於開發二氧化碳捕獲與封存 (CCS) 技術。但這項技術尚未應用於原地開採作業；目前油砂專案中唯一一個專案涉及捕獲殼牌公司位於薩斯喀徹溫堡附近運營的小型煉油廠的二氧化碳排放，該專案名為 Quest。該專案計劃於 2015 年啟動，目前還沒有在任何原地開採設施中進行二氧化碳捕獲與封存的計劃。
加拿大環保組織彭比納研究所估計，在克里斯蒂娜湖等油砂生產設施中新增二氧化碳捕獲與封存技術，每公噸二氧化碳的成本將超過 200 美元。艾伯塔省目前對二氧化碳的價格為每公噸 15 美元。“關鍵在於找到使捕獲與封存具有經濟效益的方法，”哈里斯說，並指出 Cenovus 公司在其位於薩斯喀徹溫省的韋伯恩提高石油採收率專案中做到了這一點。該公司利用在北達科他州邊境的汽化工廠捕獲的二氧化碳來開採更多的石油——而額外生產的石油有助於支付二氧化碳捕獲過程的費用，儘管石油在燃燒時最終也會加劇溫室氣體負擔。
因此，減少能源消耗可能是一條更好的途徑。透過使用溶劑（如烴類丁烷），原地開採生產商可以提高蒸汽本身的瀝青回收能力。Cenovus 公司自 2004 年以來一直在克里斯蒂娜湖測試該工藝，並將在該公司新批准的 Narrows Lake 專案中實施該工藝，該專案計劃於 2017 年開始生產石油。阿爾伯塔大學油砂創新中心的科學主管、化學工程師 Murray Gray 表示，使用此類溶劑“可以將能源消耗降低多達 50%”。
Gray 指出，此類新技術意味著開發和生產這種已經是最昂貴的石油形式之一的成本更高。目前，Cenovus 公司發言人哈里斯表示，該公司每桶石油需要賺取至少 35 美元。由於西德克薩斯中質原油價格為 85 美元，這不成問題，除了大氣變暖之外。而且，原地開採開發並非對土地沒有影響：有生產蒸汽和處理瀝青的工業工廠、儲存最終產品的儲罐區，以及用於井場的大型、方正的空地，這些井場配備有諸如帶有井眼（類似於腿）的細長履帶的機械，這些井眼還連線到蜿蜒穿過北方森林的多條管道。還有用於地震測試的一排排砍伐線，地震測試揭示了油砂礦床的位置，考慮到北方樹木生長緩慢，這些砍伐線需要很長時間才能恢復。
但是，從地下融化瀝青的技術仍在發展中。第一個商業蒸汽輔助重力洩油設施僅在 2001 年開始執行。已經開始試驗潛在的進步，例如像美國國防承包商哈里斯公司今年測試的那樣，用微波爐加熱地面以鬆開石油。“這個行業還很年輕，”最初的油砂公司 Suncor 的政府關係經理 Scott Wenger 說，該公司接待了哈里斯公司的電磁砂加熱專案。“誰知道新技術會帶來什麼？”