互动科普

在36平方千米的美国加利福利亚中央谷（Central Valley）干燥地带，8,000多台“马头”抽油机（horsehead pump，这是老一辈石油工人对这种机器的“昵称”）正慢慢地上下运动，将石油从地下抽上来。整个油区布满了闪闪发光的管线，标志着这个地方不是矿区的废墟。但就连专家也没有料到，技术的突破让这个油田几十年来一次又一次打破石油快要采完的预言。

克恩河油田是1899年发现的，当时分析家认为只有10%的稠油能被采出地表。到了1942年，经过了40多年的适度开采，人们估计这个油田仍有5,400万桶的可采储量，只占当时已开采储量2.78亿桶的一个零头。“在随后的44年里，克恩河油田出产的石油不是5,400万桶，而是7.36亿桶，而且还有9.7亿桶剩余地质储量，”1995年，美国麻省理工学院的能源专家莫里斯·埃德曼（Morris Adelman）说。不过就连这一估计也是错误的：2007年11月，该油田当时的经营者、美国石油大亨雪佛龙（CHEVRON）公司宣布，克恩河油田的累积产油量已达20亿桶。现在，克恩河油田仍以每天8万桶的产量出产石油，加利福利亚州政府估计，它的剩余储量仍有大约62,700万桶。

20世纪60年代，雪佛龙公司开始将蒸汽注入地下，大幅提高产量，这种蒸汽驱油（stream injection）技术在当时还是一种新技术。随后，一种崭新的勘探开发方法，结合稳定的蒸汽驱油技术，把克恩河油田变成了一个石油“聚宝盆”。

克恩河油田并非个案。通常人们认为，油田的产量应该符合一种钟形曲线，即哈伯特曲线［Hubbert curve，由壳牌石油公司地质学家M·金·哈伯特（M. King Hubbert）提出］，这条曲线在地下石油已知储量被采出一半时达到顶峰。但实际上，世界上大部分油田有多个峰值。换句话说，先进技术才是使油田变成“聚宝盆”的真正原因。

许多分析家预测，全球的石油产量将在未来几年里达到顶峰，然后开始下降，符合哈伯特曲线。但是我认为，事实将证明这些推测是错误的，就像过去对“石油峰值”一再错误的预言一样。新的勘探方法已经向我们揭示了地球的更多奥秘。采油技术的飞速发展使得以前难以动用的石油和不适合钻井的石油可以被开采。不断进步的勘探和开采技术可以保证石油产量在未来几十年里持续增长，并至少持续到下个世纪。

虽然石油和其他化石能源会造成气候变化和环境污染，但现有的替代能源在适用性、成本、集输和储存的方便性方面还无法和石油竞争。在继续深入研究替代能源的同时，我们必须确保最可靠的石油供应。

不能忽视的事

几乎所有的人都认为，全球石油产量即将接近峰值，随后就会开始下降。人们对此越来越恐慌，如果得知地球上大部分已经发现的石油资源仍留在地下未被开发，甚至有更多石油资源等待发现，他们可能会非常吃惊。

从表面上看，石油生产应该只能再持续几十年。2008年，就在经济衰退使得能源消耗减少前，全世界每年要消耗300亿桶石油。假设未来几十年里石油消耗量继续保持2008年的水平，全世界探明的石油储量目前估计介于1.1万亿到1.3万亿桶之间，只够我们继续使用大约40年。

但是，探明储量仅仅是预估，而不是固定不变的数字。探明储量是指在当前的技术条件下，能够划算地开采出来的石油量。随着技术的发展和石油价格的变化，这一数字也会不断变化。实际上，如果石油供应紧张或需求增加，销售价格上涨，那些曾经因为成本太高而不宜开采的石油也会成为探明储量的一部分。这就是大多数油田已出产的石油远远高于原来预估的可采储量，甚至比原来预估的地质储量（在地层原始条件下,具有产油能力的储集层中贮存石油的总量）还要高的原因。目前各个油田平均采收率只有35%，这就意味着已知油田所含石油还有2/3仍埋藏在地下。而在有关石油未来的争论中，这些资源很少被提及。

即使像美国这样一个石油产量从上世纪70年代以来就一直在下降（虽然速度没有哈伯特曲线预测的那么快）的“成熟”石油国家，地表之下仍有大量未开采的石油。虽然美国的探明石油储量仅有290亿桶，但美国国家石油委员会（National Petroleum Council，NPC）估计美国地下仍有11,240亿桶石油，其中3,740亿桶以当前的技术就可以开采出来。

美国地质勘探局（U.S. Geological Survey，USGS）估计，在全球范围内，地球上剩余的常规石油储量约有7万亿到8万亿桶。但是以今天的技术、经验和成本，只有其中部分石油能够划算地开采出来，从而能够被归类为探明储量。

还有更多的石油未被勘探。

地球上可能含有石油的地质构造是沉积盆地（sedimentary basin），其中只有1/3利用现代技术彻底勘探过（参见上图）。此外，美国地质勘探局的数据中并不包括超稠油（ultraheavy oil）、沥青砂（tar sand）、油页岩（oil shale）和沥青片岩（bituminous schist）之类的非常规石油，它们的储量加起来不比常规石油少。

因此，一个国家或公司如果有能力从已发现的油田中采出更多石油，即使不开疆拓土，也能增加这种黑色黄金的储量。当然，做到这一点可能并不容易。

步履维艰

与人们通常想象的不同，石油不是储藏在巨大的地下湖泊或洞穴里。如果能“透视”到油藏内部，你可能只会注意到岩石结构，而看不到储油空间。事实上，这些由石油、水和天然气组成的无数小液滴，就储存在肉眼看不见的毛细孔和微裂缝里。

大自然经过数百万年的沉积形成了这些结构。最初,大量植被和死亡的微生物等沉积物堆积在远古海洋底部，分解后被掩埋在层层岩石下。高温高压慢慢将这些有机沉积物转化为石油和天然气。这些化石燃料渗透到地下多孔的岩石中，就像水渗入到浮石中一样。

油藏刚被打开时，有点像打开一瓶香槟酒。石油摆脱了岩石的长期囚禁，油藏内部的压力将石油（连同岩石、泥土和其他碎片一起）推向地面。这个过程通常会持续几年，直至压力消耗殆尽。在这个初始阶段，或者说一次采油（primary recovery）阶段，采收率通常可以达到10%~15%。在此之后，想要继续采油就必须采取辅助措施。

经过最初“香槟式”的自喷阶段后，油藏中剩余的石油大约有1/3被强大的毛细作用力吸在封闭孤立的岩石孔隙中——它们被称为“不可动油”（immobile oil），现有技术无法开采这部分石油。剩余的2/3虽然可以流动，但不会自动流入油井中。事实上，通常约有1/2的可动油会由于地层屏障或渗透性差（往往是因为毛细孔太狭窄）而滞留在油藏内。石油是一种类似糖浆的黏稠液体，流动性不好，这就使情况变得更加糟糕。

为了帮助部分剩余石油透过岩石孔隙渗出到油井当中，工程师通常会将天然气和水注入油藏，这种方法被称为“二次采油”（secondary recovery）。注入的气体使压力得以恢复，迫使能够充分流动的石油从岩石孔隙中渗出。与此同时，由于油比水轻，注水会促使石油流向油井，就好比将水倒入一个装有橄榄油的玻璃杯中，油就会向上浮动。

在过去的10年中，随着石油公司从一开始就逐步采用先进技术，一次采油和二次采油之间的界限已经变得模糊了。迄今为止开采技术上最重要的一项进步就是水平井（horizontal well）技术，与自石油工业开始时就在使用的传统垂直井相比，这种结构类似L形的油井能开采出更多的石油。这种L形结构能使水平井改变方向，穿透以前无法到达的油藏部分。这种方法在20世纪80年代首次实现商业化应用，特别适合开采石油和天然气存储在水平薄层中的油藏。

勘探技术也在逐年改善。比方说，以探测地震波在不同成分岩石界面之间如何反射为基础的三维井下成像技术，现在就能帮助我们更详细地了解现有油田的结构，从而提高钻井成功率。

现在的成像技术能让地质学家“看透”崎岖不平分布在海床以下的含盐岩层，有些岩层的厚度甚至超过5,000米。而在以前，盐层就像是冰层一样，代表着不可逾越的障碍，因为它们使那些用来重建地下地质结构图像的地震反射波变得模糊不清。

成像技术上的突破，加上更先进的海上开采技术，已使石油开采者能够向全新的海域进军。在20世纪70年代开发北海油田时，海上开采似乎就已经达到了极限，能够在100~200米深的水下及海床以下1,000米深处钻井采油。但在过去的几年里，石油界又成功地从3,000米深的水下和6,000米厚的岩盐层中打出了石油。目前在海上至少发现了三个超深油井，分别是墨西哥湾的桑德霍斯油田（Thunder Horse）和杰克油田（Jack），以及离巴西海岸不远的图皮油田（Tupi）。

最后的办法

就如同油井越钻越深一样，技术的进步还让我们可以在一、二次采油之后，从岩石中榨取出更多的石油。一、二次采油阶段总共能使采收率达到20%~40%。要想开采更多的石油，做到专家所说的“三次采油”（tertiary recovery），就必须降低剩余石油的黏度，这一点可以借助热力、气体、化学剂甚至微生物来实现。蒸汽驱油是最古老的热采方式之一。20世纪60年代初，这种方法对克恩河油田复苏起到了决定性作用。注入的蒸汽能加热上覆地层，使石油容易流动。到今天为止，克恩河油田的蒸汽驱油项目是世界上同类项目中最大的。另一种蒸汽驱油技术被用于美国阿尔伯特地区沥青砂沉积物的开采，这一矿藏由于地层太深而无法露天开采。

另一种已在油田上实验成功的热采油方法是二氧化碳驱油（CO2 injection）。该方法用一个加热器点燃油藏中部分碳氢化合物，同时将空气泵入井中辅助燃烧。燃烧产生的热量和二氧化碳可以降低石油黏度，大部分二氧化碳将残留在地下，有助于将石油压出。同时，燃烧本身将较大、较重的石油分子裂解成小分子，又进一步增加了流动性。通过控制气流，还可以抑制石油的燃烧，阻止燃烧释放的污染物进入周围环境。

更常用的一种方法是，在油气藏中高压注入二氧化碳和氮气之类的气体。这些气体能恢复或维持油藏压力，也能与石油混合，降低石油的黏度和阻力，以便于采集石油。从20世纪70年代以来，美国就将来自火山的二氧化碳或来自发电站的废气用于驱油，该方法已在100多个正在进行的采油项目中使用，已经铺设的管网合计达2,500多千米。

二氧化碳驱油的实践和经验为获取并储存电站排放的二氧化碳提供了途径——将二氧化碳封存在地下数百年，而不再向大气排放这种温室气体。第一个商业化的碳捕获和储存项目出现在挪威海岸附近的斯莱普纳油田（Sleipner）。该油田自1996年以来，每年储存二氧化碳100万吨。考虑到每年仅人类活动产生的温室气体就相当于向大气中排放50亿吨二氧化碳，这座油田储存的二氧化碳数量似乎微不足道，但该项目的成功可以验证这一思路的正确性。

具有讽刺意味的是，二氧化碳驱油遇到的主要问题是二氧化碳匮乏。从电站烟囱或火山口捕获二氧化碳气体并不便宜，从规模更小的二氧化碳源（如汽车尾气或工厂废气）中收集气体就更难。另一个障碍是集输，如果油田位于偏远地区，运输成本是非常昂贵的。

化学驱油则是一种较新的战略。某些化学物质能与剩余石油混合，降低石油黏度，使它更容易流入油井。这些物质的驱油机理全都相同，类似于用肥皂分子吞掉脂肪从而将油脂从你手上洗掉。最成功的化学驱油过程还能增加地下水的黏度，用水将油驱向油井，而且水不会先到达油井。在中国的大庆油田，自20世纪90年代中期采用化学驱油以来，采收率又提高了10%。有一种方法是加入一种腐蚀性溶液，从石油自身含有的组分中产生皂样物质，从而降低了总成本。

用微生物提高采收率目前仍处于起步阶段，美国、中国和其他一些国家正在进行相关试验。工程师将大量特制的微生物与营养物质（有时还有氧气）一起泵入油藏。这些微生物在石油和岩石界面之间生长，帮助石油从岩石中释放出来。基因工程技术能够改造细菌和其他微生物，使它们能更有效地提高石油采收率。

这些先进的采油技术都不便宜。但只要石油价格维持在每桶30美元以上，有些技术（特别是二氧化碳驱油，如果气源就在附近而且方便获取的话）还是很划算的。如果石油价格升到每桶50美元，包括化学驱油在内的大多数方法都会变得很划算。

未来还有希望

容易开发的石油资源已经不多了，这可能是因为它们最先被发现和使用。世界上许多最大和生产力最高的油田正在接近我所说的技术“成熟”阶段，到了这一阶段，传统技术将不能再从这些油田中有效采油。这些油田包括海湾地区国家、墨西哥、委内瑞拉和俄罗斯等地从20世纪30年代、40年代和50年代起就开始产油的那些油田。它们想要在未来继续保持稳产，就必须开发新的开采技术。

但是，“容易开发的石油”并不“容易”被找到。同样，由于专业知识的不断积累，今天难以开采的石油，明天将会变成容易开采的石油。石油工业领域的技术突破一般都要经过旷日持久的过程才会出现。水平钻井技术在20世纪30年代开始首次测试，一些比较先进的采油方法至少在20世纪50年代就已经存在。虽然纵观大部分石油工业史，石油储量曾被过于高估，导致油价太低而难以开展有意义和有价值的创新。但新的时代已经来临，新技术的推广步伐将大大加快。

由于当前资源民族保护主义浪潮的影响，提高石油采收率的进程将会减缓。20世纪70年代初，主要石油公司控制着全球石油储量的80%左右。而在今天，石油生产国通过国有石油公司直接控制超过90%的世界常规石油。但是，石油需求前景的不明朗，使其中一些国家不愿意在开采技术现代化和资源勘探领域投资，特别是由于大规模投资就意味着要从社会和经济发展规划的其他方面挪用资源。

不过，我可以大胆预测：到2030年，全球届时已知的石油储量中将有半数可以开采。另外，那时的已知石油储量也将显著增长，相当大的一部分非常规石油［如油页岩（oil shale）］将被普遍开采，使可采储量总数达到4.5万亿~5万亿桶。“新增储量”中的很大一部分，并不是因为我们会发现更多的新油田，而是因为我们将更好地利用已经发现的油藏。

可以肯定的是，到2030年，我们将再消耗6,500亿~7,000亿桶石油。换句话说，在总共4.5万亿~5万亿桶的可采储量中，一共要消耗掉大约1.6万亿桶。不过如果我的估计是正确的，21世纪后半叶我们还将有石油可用。真正的问题是我们应该如何使用剩下的石油，才能不因为不良消费习惯而浪费石油资源，最重要的是，不危及我们赖以生存的地球环境和气候。