地球上还有多少石油可以开采

伤我心太深

《PS+科技新时代》杂志2011年8月封面
　　text－罗伯特
　　石油威胁着环境，破坏了自然平衡，而且其储量正在迅速耗尽。但尽管如此，我们今天使用的能量中有35%都是由石油提供的。我们不可能永远依赖石油，但是在我们全面转向更绿色的经济之前，至少在几十年内这个世界还必须依赖石油来满足能源需求。在今天和绿色的明天之间，最合理的过渡方式是什么？
　　当我们讨论未来人类社会的联系的时候，即使不考虑物理定律的限制，在经济活动日益全球化的背景下，真实的人体和物资也仍然需要移动，而且常常需要被移动很长的距离。如果没有史前碳氢化合物的稳定供应，这种移动将是无法实现的。地球上95%以上的运输工具—从轿车到卡车，从货轮到喷气式飞机—都以石油制品为燃料，如果没有这些石油制品，我们绝大多数人都无法前往工作地点，货物无法流通，甚至无法保证蔬菜和粮食从田地走进我们的厨房。至少到目前为止，人类必须要依靠石油。
　　我们之所以如此依赖石油，里面确实有石油工业施加了政治影响的原因，但这并不是问题的关键。最关键的因素是，石油是一种了不起的能源。与其他常规能源相比，它在更小的体积内储存了更多的能量，而且开采石油本身需要的能源也要少得多。在拥有大量易于开采石油的中东地区，只要一桶原油的能量就能开采出30桶原油。在地球上所有目前能够利用的能源中，石油是能量产出投入比(EROEI)最高的能源之一。(以生产生物乙醇为例，一桶原油的能量只能获得能量接近两桶原油的生物乙醇。)正是石油不可思议的高效率让我们对它如此依赖(尤其是交通运输行业)，也让寻找替代能源之路显得如此艰难。
　　但是我们必须找到一种替代能源。我们几乎已经将所有易于开采的石油消耗殆尽，现在不得不面对那些更难以发现、开采的油田(例如页岩中储存的石油)，以及重油这样更难以提炼的石油种类。与此同时，石油开采的环境代价也在与日俱增。石油生产依然是地区生态环境最大的威胁—就像不久前在山东蓬莱发生的泄漏事故—而且石油消耗产生的巨大碳足迹也在整体上威胁着全球的环境。
　　弥补我们今天的石油经济与尚不明确的未来清洁能源经济之间巨大的差距并不容易。可替代能源系统，例如使用由海藻提取的生物燃料的混合动力汽车，也许在有一天将会被大量使用。但是“可持续性”与“环保”一样，同样只是个巨大的概念。现实中几乎所有人都更乐于使用相对便宜的能源，实际上，在经济困难地区，很多人需要廉价的能源来满足生存的需要。让可再生替代能源系统变得廉价是一个长期而且充满变数的过程，这部分原因在于它们要与之竞争的以石油为基础的系统(例如内燃机)过于强大，部分原因也是它们自身需要变得更高效、更有吸引力。
　　此外，就算我们已经开始准备大规模使用某种新型能源，比如在2020年量产使用生物燃料的插电式混合动力汽车，而且我们还能以今天生产汽油车同样的速度生产这种新型汽车—这实在是一个理想得不能再理想的局面—也仍然还需要15年时间才能把已有的汽油汽车完全替换掉。与此同时，汽油的消耗量依然在不断攀升—新兴经济体对汽油的需求将完全超过发达经济体在绿色能源上的努力。加州大学圣迭戈分校的国际能源政策专家大卫•维克特认为，至少在这之后再过20年，汽油的消费量才会开始下降。届时，全世界每天的汽油消耗量将从85mbd(百万桶/天)，增加到100mbd。现实情况是，斯坦福大学Precourt能源效率中心的主管詹姆斯•斯维尼认为，要将全世界的石油消耗降低到一个更经济、对环境更友好的数量(大约是30mbd)，至少还需要40年时间。在那之前，“我们将消耗大量的石油。”他说。
　　大量是多少？按照维克特的预计，石油消耗的峰值将在2030年之后出现，而在此之前世界将消耗掉1万亿桶原油。而在抵达峰值右侧的某一点—石油仅占人类能源消耗的一小部分—之前，还需要另外1万亿桶原油。为了满足这个需求，我们将必须在未来40年间生产出两万亿桶原油，差不多是自1859年宾夕法尼亚“打野猫井”的家伙宣布人类进入石油时代以来生产的石油总量—1.2万亿桶—的两倍。
　　科罗拉多矿业学校的石油工程教授豪森•凯泽米称，在这最后的两万亿桶石油中，有半数储量处于已经探明或者等待确认的状态，能用今天的技术以一定的收益进行开采。而另外的一半的得到则不会这么容易。据估计，地球上的石油储量超过8万亿桶，但是这些石油以多种形式存在。其中的某些，例如存在于页岩中的石油，开采或者提炼的成本将会非常高昂。随着我们逐渐转向那些开采困难的石油，我们还将不得不支付一些额外的成本，一些在油井之外必须付出的巨大成本。在社会动荡的国家和地区进行开采需要支付这种成本，在环境脆弱的地区进行石油开采同样也要支付这种成本。
　　这也意味着我们面对着一系列复杂的选择，不仅仅是去哪里开采何种类型的石油，还靠考虑什么时候去进行开采。现在就开始尝试所有可能的开采形式听起来像是个好主意，尤其对于投资于特定石油资源的企业和政治家来说更是如此。但是在技术人员找到新的开采和提炼技术之后，今天开采起来成本高昂或者对环境破坏巨大的石油资源也会变得更廉价、更清洁。考虑到这些，如果我们不是从政治家和商人的短见观点、而是从石油工程师的长期观点来开采这最后的两万亿桶石油，情况会怎么样？哪些种类的石油我们应该首先开采，又有哪些种类的石油应该留到最后呢？
　　将其留到最后
　　页岩
　　总储量：3万亿桶等效原油
　　由于对石油进口的安全感到焦虑，制定政策的政治家们希望能开采距离我们最近、储量最丰富的石油资源是可以理解的。而这些政治家中的很多人希望开采的就是页岩油。页岩油的储量非常丰富，但是，由于种种原因，页岩油的开采一直饱受争议，反对的声音从未停止。
　　页岩油是用所谓的油原制造的。远古时代的有机物积聚在岩石结构中，但是没有受到足以将其完全变成石油的热量，就形成了油原。石油工程师很早之前就知道如何将这个未完成的过程进行完全—对油原加热使其蒸发，然后将蒸发得到的蒸汽制成合成原油，最后再将合成原油提炼成汽油和其他油品。
　　但是这个过程的成本非常高。油原需要在地面上进行加热和转换(需要泵送到地面)，或是在地下用电加热器进行加热。这两个步骤使得页岩油的生产成本高达90美元/桶。当然，随着全球原油价格的猛涨，这个价格看起来仍然是可以接受的。而且如果页岩油制造工业能够规模化—目前都是小规模的试验性开采—那么这个数字还会降低。
　　问题是，页岩油开采的额外代价也是非常高的。它的能量密度不高(一吨岩石只能生产出113升油原)，因此开采的公司必须在巨大区域内移动数以百万吨计的岩石，而这种移动会使大量的重金属进入到水循环系统中。在地下加热的方法同样会污染地下水—尽管石油公司称通过在地下进行冷冻的方法能够解决这个问题。而且这两种方法同样都需要大量的资源。生产一桶合成原油需要3桶水，仅此一项就让已经处于干旱威胁下的世界无法接受。利用在地下生产的方法，油原必须在高达370摄氏度的温度下保存两年多时间，在地面上生产的方法同样需要大量的热量。对资源的这些要求，加上油原的低能量密度，让页岩油的产出投入比非常低—从最高的10∶1到低得让人无法接受的3∶1。
　　煤炭
　　总储量：1.5万亿桶等效原油
　　第二次世界大战期间，油料极度短缺的德军就已经证实了能将煤制成合成原油。将煤转换成合成原油的方法非常简单：工程师将强烈的蒸汽流通过煤炭，将其分解为能够进行转换的气体，再经过费-托过程将其制成汽油和其他油料。众多的能源公司正在着手研发各种煤炭液化(CTL)工艺，作为石油的替代品，尤其是在煤炭储量丰富的国家，这种技术被广泛使用。
　　用煤炭生产合成原油的吸引力是难以抗拒的。每吨煤炭差不多能合成出两桶原油，理论上全世界8470亿吨煤炭能够合成出约1.5万亿桶合成原油，能为人类需要的最后1万亿桶原油提供可靠的保障。
　　但是与页岩油一样，CTL也有显著的缺点。它的能量回报率不高—一桶原油的能量只能获得4~7桶CTL燃料。更重要的是，煤中的碳含量要比石油高20%以上，而转化过程让碳含量进一步提高，这导致CTL燃料的碳足迹几乎是传统石油的两倍—燃烧每桶CTL会产生750千克二氧化碳，而一桶普通原油燃烧造成的碳足迹只有430千克。
　　即使制造商安装巨大、昂贵的系统去捕捉并封存转换过程产生的二氧化碳，卡内基•梅隆大学的环境工程教授爱德华•罗宾说，由于煤炭生产需要耗费大量的能量，因此来自CTL燃料的二氧化碳排放依然不会少于传统的石油开采。因此即使在最理想情况下，用煤制造油料也不会为我们带来一个对环境更友好的能源系统。
　　即使抛开上面这些问题不谈，煤炭的供应本身也是有限的。美国兰德公司的研究人员2008年公布研究结果称，如果将美国运输用油的10%用CTL代替，那么每年也需要4亿吨标准煤—已经超出了美国目前煤炭工业生产量的40%(很大程度上美国的煤炭生产受到环境问题的限制)。“即使在像中国这种煤炭生产几乎不受环境因素制约的国家，我认为这也是一件不可能完成的任务。”罗宾说。
　　过一段时间再说
　　重油
　　总储量 ：1~2万亿桶等效原油
　　随着新型工艺和方法的出现，一些非传统的资源尽管存在很多缺点，也开始逐渐变得有吸引力起来。重油就是其中的一种。无论是委内瑞拉出产的那种糖浆一样的原油，还是加拿大亚伯达省出产的那种沥青一样的油砂都属于重油。几十年来，石油行业都将重油看作是一种劣质原油—轻质原油更易于开采，而且其小分子链结构更容易进行炼制。与轻质原油相比，重油含有更多的分子，主要被用于炼制低利润的产品，例如船舶用油或者是沥青。但是新型炼制工艺的出现让重油能更容易地炼制出汽油，新式开采方法也让它能更容易地被从地下开采出来。例如，在美国加利福尼亚州贝克斯菲尔德的重油田，雪佛龙公司通过计算机控制，将蒸汽注入重油内，将其稀释以更易于抽取到地面。
　　亚伯达省的油砂则更有希望。石油公司将沥青状的重油与沙粒和泥土分离开来，并将其制成合成原油。即使按照传统的两吨沙子能提炼出一桶石油的比例，仅亚伯达省的油砂就能生产出超过3150亿桶原油。随着炼制成本的降低，这里的原油产量已经达到了1.5mbd，而且在2035年有望再翻两番，达到6.3mbd。
　　当然，重油生产也需要付出大量额外的成本。与页岩中的油原一样，重油处理同样既可以在地下、也可以在地面进行。这两种方法每生产一桶原油都需要4.5桶水，而且能量产出投入比也只有不很好的7∶1。此外由于重油中含有大量的碳，重油的碳足迹要比传统原油高20%以上—虽然不像煤炭那么差，但是同样对环境谈不上友好。
　　碳捕捉和封存技术在重油生产的过程中所能起的作用非常有限。由于对油砂的操作是非常混乱而无序的，因此只有很小部分的二氧化碳能够被封存。(一项研究表明，即使到2030年人们也只能捕获重油生产过程所产生二氧化碳的40%。)但是如果碳捕获技术能得到有效发展，那么重油将会成为人类需要的最后两万亿桶原油中非常重要的组成部分—至少比页岩油和煤化油的碳含量少，而且一些富含重油的国家在政治上也比今天的一些产油国更稳定。
　　深海石油
　　总储量：0.1万~0.7万亿
　　桶等效原油
　　深海石油这个词中的“深”指的是钻探平台的垂直高度，或者换句话说是钻探平台下面海水的深度。但是，对于深海石油开采来说，更重要的是海床到石油之间的深度。在海底，要向下钻探两三千米非常不容易，要比在地面上向下钻探困难得多。(目前的纪录是2009年在墨西哥湾创造的，深度约1万米。)但是现在一只前所未有的强大钻探队伍正在利用水平钻井新技术、深海机器人和“四维”地震技术(地质学家用这种技术分析石油和天然气的实时储量)，来迅速增加深海石油的产量。尽管到目前为止人类只探测了不到一半的海床，但是在过去10年中深海石油的产量已经提高了3倍，达到了5mbd，而且预计到2015年还会再增加一倍到10mbd。
　　但是随着去年墨西哥湾“深水地平线”灾难的发生，开采深海石油的额外成本将会大幅增加。深海油田的压力是海平面压力的2000倍以上，导致储藏的石油温度非常高(超过200摄氏度)，而且充满了腐蚀性物质(包括在水中能溶解金属的硫化氢)。而且由于将石油从海底送到海面的管道长而且沉重，导致海面上的钻井平台必须非常巨大才能确保在海面上漂浮。
　　在人们几十年来已经发现的深海油田中，储量最高的是巴西的“盐下油田”。在这座油田的上方覆盖着2400米厚的盐层。这厚厚的一层盐有很大益处—它吸收了周围了的热量，避免了石油分解。但是它同样也带来了不利之处—让下面的石油凝结成了果冻状，以至在将这些石油抽出来之前，技术人员必须首先注入化学物质将其稀释。
　　由于以上种种原因，深海石油是开采成本最高的几种石油资源之一。仅仅石油平台的价格就高达6亿美元甚至更多(如果是在北极圈内，由于平台还必须能抵抗10级冬季风暴和浮冰的冲击，这个数字还会飙升)，而钻探一口深海油井的成本也会轻易超过1亿美元。所有这些努力的结果也只能获得中等水平的能量产出投入比—从15∶1到3∶1。
　　尽管各个石油公司也在设法提高安全性，但是在深海石油开采方面进行的绝大多数研究和开发都是针对如何降低成本、节约能量。例如，遥控、可转向钻头让石油公司能在一个石油平台上钻探多口油井(这样可以降低成本，减少地面上的碳足迹)，并紧跟狭窄的石油存储区，极大地增加产量。(目前水平钻探的纪录是由埃克森公司在俄罗斯库页岛附近创造的，长度约11.2千米。)为了进一步降低钻探成本，石油公司还在逐渐采用更强力的钻探电机、用超硬材料制造的钻头来提高钻探效率。最终，钻头将在钻探系统中彻底消失。美国阿贡国家实验室进行的试验表明，高能激光通过加热岩石使其炸裂甚至熔化，能比传统钻头更有效地穿透岩石。
　　随着石油公司开发出更精确的“多通道”地震勘探技术，深海石油的开发成本还将进一步降低。这种技术能综合对比数以百万计的地震信号，避免钻探到下面空无一物的岩石。此外为了更好地测量油田里石油的储量，石油公司正在开发能承受高压高热的“孔下”传感器(类似于美国航空航天局监控火箭发动机工作状态的传感器)，这些传感器通过光纤与地面上的电脑之间进行通信。
　　随着数据量的增加，石油行业还将开发能更好地对数据进行分析的工具，其中既包括高压缩率算法(好莱坞的动画公司参与了这项工作)，也包括全新的计算机架构。“假如要同时处理100万个通道的数据，那么就需要海量处理能力的计算机，这是我们目前尚未具备的能力。”壳牌公司的首席地质科学家布鲁斯•瑞维尔说。为了获取这种能力，石油公司正在与英特尔、IBM和其他硬件厂商进行合作。在未来，瑞维尔说，石油公司“将依靠高性能计算机而不是钻头进行石油开采。”
　　今天最好的选择
　　天然气
　　总储量：1万亿桶等效原油
　　天然气，或者用这个行业惯用的说法称其为“气”，长期以来一直是石油最大的潜在竞争对手。天然气比石油更洁净—它的燃烧产物中各种颗粒的数量更少，而且输出同样的能量碳排放也要比石油少1/4，但是尽管如此，目前在中国的交通运输中天然气燃料仅仅占非常小的一部分，只有非常少量的公交车使用压缩天然气(CNG)燃料。日后随着天然气供应量的增加，也许这个比例会有所增加。
　　随着一种名为液压致裂技术的钻探技术的出现，石油公司现在已经能在之前难以抵达的页岩结构中抽取天然气。全世界目前已探明的页岩气的储量为6662万亿立方米，差不多相当于8270亿桶石油，其中还不包括那些在油田中与石油一起发现的部分。此外，石油公司确信，还有一些储量巨大的深海天然气田目前没有被发现。
　　天然气的储量如此丰富，而且在输出同样能量的情况下，它的价格只有石油的1/4，这也导致人们正在认真考虑将它的应用从极少数的公交车扩展到通用运输行业。例如，在美国一家名为Valero的公司将很快开始在美国一些新建的加油站中提供CNG燃料。
　　但是，天然气开采同样要付出一些额外成本。液压致裂技术对当地环境来说是非常危险的，这种技术是通过高压液体将地下封闭着天然气的岩石压裂，将天然气释放出来。所使用的液压液经常含有有毒物质，很可能污染地下水。但是这种被媒体广泛报道的危险也许是可控的。天然气通常储存在地下上千米深的地方，而地下水要靠近地面得多，因此污染主要会发生在钻孔与地下水储存区发生交叉的地方，通过强制开采公司更仔细地密封钻井壁就能解决这个问题。
　　也有人认为，将天然气广泛应用于交通运输行业也许会带来令人惊异的副作用。首先，天然气使用量的增加将会带动其价格的上升，从而抵消天然气目前所拥有的价格优势 ；其次，在目前天然气供应量一定的情况下，将更多数量的天然气用于交通运输业，将导致其他行业—尤其是能源领域—的天然气供应减少，而这些行业为了填补这个缺口将不得不转向碳排放高得多的煤炭，导致二氧化碳排放增多。但是，至少有一点是肯定的，那就是将适当比例的天然气用于交通运输业，既能减少二氧化碳排放，也能减少对石油的依赖。
　　原油强化回收
　　总储量：5000亿桶等效原油
　　所需的额外成本最低的资源还是那些在石油的价格还很便宜的时代我们留下的石油。通常情况下，石油公司在一处油田只会开采石油储量的1/3。导致这种情况的部分原因是，随着石油被逐渐开采，油田中的压力也会降低，将石油送到表面变得更困难，导致剩余石油的开采成本大幅上升。在全世界范围内，被开采过的油田中残留的石油储量也许有上万亿桶。从经济角度讲，将所有这些石油都开采出来是不现实的。但是一种名为原油强化回收(EOR)的新技术，能够将开采的比例提高到70%。
　　在世界范围内，EOR技术的应用不仅能增加5000亿桶石油储量，还有潜在的环境上的好处。一种最有希望的EOR方法是用二氧化碳使石油“溢出来”—二氧化碳会溶解在石油中，将石油变得更稀薄、更易于抽取。在石油被抽取到地面之后，含有的二氧化碳被再次分离并重新注入油田，永久封存在地下。利用这种方法，人们可以在火力发电站或者精炼厂捕获二氧化碳并将其泵入油田，这样不仅将带来数千亿桶石油，还能封存几十亿吨二氧化碳。而且EOR方法的能量产出投入比能高达20∶1。
　　EOR技术并不能完全填补石油的缺口，但是在理想情况下，我们至少能通过利用这种技术获得一部分额外的石油，加上能够开采出的天然气，在一段时间内以对环境最小的损坏满足人类对能源的需求，而将那些开采过程会对环境造成巨大破坏的资源留到以后。等到未来的技术人员找到更安全、更高效的开采方法之后，再开采并利用它们。
　　当然，我们不是生活在一个理想中的世界。到目前为止，石油公司的行为仍然与过去没有任何区别，那就是用尽可能便宜的方法开采石油。石油消费者也遵循着同样的方式，购买可能获得的最便宜的能源。也许有朝一日，石油的市场价格将能够反映所有的额外成本，也许是通过碳排放税或者是通过其他的气候管理方法。但是也许这一切根本不会发生，因为能源政策从来都缺乏远见。让通向清洁能源未来的道路保持完全清洁几乎是不可能的。它需要各种各样的贸易协定和妥协，而且随着我们对摆脱石油依赖的焦虑的与日俱增，这些协定和妥协的代价也会越来越高。