一、 前言

在世界各國追求經濟成長之際，不論開發中國家或是已開發國家對於能源需求皆大幅增加，能源價格在供需逐漸失衡的情況下不斷高漲。世界主要國家也因此投注大量資金致力於化石能源及替代能源的探勘與開發，希望降低能源價格波動對經濟造成巨大衝擊。近年來天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)的研究與開發受到重視，由於天然氣水合物所解離出的甲烷氣體可直接應用於目前的各種發電設備、運輸工具及生活所需，乃被認為可能成為本世紀的一種新能源。亞洲名列已開發國家的日本，屬於天然資源缺乏而需仰賴大量能源進口之國家，因此非常積極探勘與準備開發周邊海域所蘊藏的天然氣水合物，其研究進度為亞洲國家之首，值得台灣在開拓自給能源政策擬定之參考。本文將探討日本及台灣對於此一來自海底的新能源—天然氣水合物之探勘進度與開採技術。

二、天然氣水合物介紹

天然氣水合物為冰霜狀的白色結晶固體，其主要成分是天然氣和水，於低溫高壓的情況下所形成的固態水合物。在大自然所發現的天然氣水合物，其包含的氣體以甲烷為主，佔有99%以上，因此又稱為甲烷水合物(Methane Hydrate)。天然氣水合物可以直接點火燃燒，形成冰火共存燃燒的情形，因此也被稱為可燃冰。

天然氣水合物形成的條件會因為其氣體成分而異，一般在溫度攝氏零下10度及壓力高於17個大氣壓的條件下，水分子形成冰晶籠狀結構，將甲烷氣體分子包覆在中間形成所謂的天然氣水合物（鄧瑞彬、林再興，2003）。由於天然氣水合物的組成僅是水分子包覆所形成的結晶體，天然氣水合物中的氣體分子並非以離子鍵或化學鍵連結的方式與水分子結合，在溫度及壓力變動時，天然氣可輕易從固態水合物中分解出來。在標準狀態下，1立方公尺的天然氣水合物，約可分解出 0.8立方公尺的水及約164立方公尺的天然氣(Kvenvolden, 1999)。自然界最早發現天然氣水合物是在北極圈附近的永凍層，而在近期許多國家的海洋探測計畫中，發現在世界各地陸緣的海洋沉積層也含有大量的天然氣水合物。外觀類似冰塊的天然氣水合物，在溫度低、壓力高的地質環境下蘊藏於海床沉積層的孔隙中，此沉積層為一不透水層，在適合條件下，沉積層下方可能存有游離天然氣。由於固態的天然氣水合物與氣態的游離天然氣其密度差異大，二者間界面會形成強反射面，即所謂的海底仿擬反射，是搜尋天然氣水合物存在的重要徵兆之一。

根據海洋地質學者的推測，天然氣水合物內含甲烷之有機碳含量，為目前已知石油、天然氣及煤加總之有機碳儲量的兩倍 (Kvenvolden, 1998)，若能加快開採技術的成熟，使其開採成本達到商業供給的水準，將可減緩全球能源供應缺口的擴大。

三、日本探勘現況

1995年起日本經濟產業省資源能源廳與日本行政法人石油天然氣金屬礦物資源機構，共同進行日本周邊海域海底之探勘與開發。2001年日本發表天然氣水合物探勘計畫(メタンハイドレート開発計画について)，初步估計日本周邊海域天然氣水合物的蘊藏量，可供應日本天然氣用量達100年之久。該計畫分三大階段，2001年至2006年進行基礎周遭海域的探勘確認，同時積極研發開採技術；2007年至2011年進行開採試產及環境影響評估；2012年至2016年進行開採技術的整備，降低開採成本以符合實際應用之經濟價值。此計畫預定在2016年達到天然氣水合物商業開採與穩定供應之目標 (資源エネルギー庁，2001)。

日本在天然氣水合物的探勘計畫第一階段中，已確認在日本東海沖至熊野灘，即紀伊半島南部、歌山縣南部與三重縣南部海岸周邊的海底蘊藏有天然氣水合物。計畫執行單位以地震探索法進行海底沙岩層的震波探勘，進行二次元及三次元海底掃描，以確認天然氣水合物蘊藏的範圍。在2004年已於東海至熊野灘海面 7個區域16個地點挖掘30個採樣坑，從水深約700至2,000公尺的海底採集出深度250至500公尺之海底沉積層樣本，並發現天然氣水合物(独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構，2004)。日本經濟產業省資源能源廳估算日本周邊海底天然氣水合物的蘊藏量達7.4兆立方公尺，以1999年日本的天然氣消費量750億立方公尺估算，約可供日本使用100年。

四、台灣探勘現況

經濟部中央地質調查所從2002年起，結合台灣大學海洋研究所、海洋大學應用地科所及中央大學地物所，執行「台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究」之四年期（2004-2007年）中長程科技發展計畫，投入金額達一億八千萬（行政院海洋事務推動委員會，2006）。該計畫對台灣西南海域，即高雄至恆春外海約100公里處，水深500至3,500公尺，範圍達一萬平方公里的海域進行天然氣水合物的探勘調查。研究專家利用水上反射震測、海底地震儀探測、海底聲納回聲剖面探測、地熱探測及海底照相觀測系統等儀器，進行海底地質掃描記錄，配合海底照相觀測系統進行天然氣水合物的探勘（陳松春、王詠絢，2007）。

目前初步探勘結果台灣西南海域海床下600公尺內的沉積層中，估計有30億立方公尺天然氣水合物的蘊藏量，若全部開採出來可解離出甲烷氣體約5千億立方公尺，相當於台灣50年天然氣用量。以目前天然氣參考均價15元/立方公尺計算（經濟部能源局，2008），約有新台幣七兆元的產值，若能達成商業開採，將是台灣能源自主供應上極為重要的資源。

五、天然氣水合物開採技術

現今海上油田鑽取海底原油的技術已經相當成熟，然蘊藏於海床下沉積層內的天然氣水合物為一固態物質，與直接抽取原油之開採技術不同，必須由現有油田鑽取技術進行改良，研發出穩定可靠的開採技術。天然氣水合物之開採有些風險，其一，天然氣水合物所包含的甲烷屬於強效溫室氣體，相同的量對全球氣候的增溫效應是二氧化碳的131倍，在天然氣水合物開採的過程中對沉積層所造成之壓力變化，極容易使得天然氣水合物迅速解離而釋出大量甲烷氣體，加速全球氣候暖化的趨勢(Kvenvolden, 1999)。其二，天然氣水合物突發的迅速解離過程也可能使得海床崩塌，造成海底地層劇烈變動而引起陸上海嘯。因此，世界各國皆投入相當資源，研究安全穩定的天然氣水合物開採技術，以避免因大量開採而引發全球環境浩劫。

天然氣水合物目前試產的開採方式，並非將海床下或地表下的固態天然氣水合物開採到地表來利用，而是利用溫度、壓力等效應來改變甲烷氣與水之相界平衡關係，使得甲烷氣體先解離出後，將其導引到地面加以儲存與利用。開採的理論模式主要有下列三種方式：

(一)熱激發法（Thermal Stimulation）：將蒸氣或熱水等熱液由地表導引至地表下之天然氣水合物賦存層中，加熱使天然氣水合物的溫度高於解離溫度而分離出甲烷氣與水。此法已成功地應用於陸域永凍層天然氣水合物的開採，若利用於海床下的開採，則熱液傳送距離長，其成本過高。

(二)化學試劑激發法（Inhibitor Stimulation）：將鹽水或海水、甲醇與二氧化碳等溶劑與溶質導引至天然氣水合物賦存層中，降低天然氣水合物的解離平衡溫度，促進解離反應而產生甲烷氣，再將甲烷氣導引至地表。此法對於促進天然氣水合物解離反應的速率較熱激發法為慢，但所需的成本則較低。

(三)減壓法（Depressurization）：利用位於天然氣水合物下方平衡共存的游離氣層，先行以熱激發法或化學試劑激發法促使部份天然氣水合物解離產生甲烷並以連通管引導到地表，引導的過程壓力將會降低，降壓效應可使得氣固相平衡共存的天然氣水合物發生解離而釋出甲烷，若能持續控制此壓力變化，即可穩定進行天然氣水合物的開採。此法較適用於深海床下天然氣水合物的開發（謝惠子，2006）。

在加拿大北部、美國阿拉斯加、日本外海以及印度離岸海域已有相關計畫進行地質鑽探，除了尋找天然氣水合物的分布外，也對採集出的土壤樣本進行微生物、沉積及地球化學之分析。其中日本積極參與加拿大的研究開採計畫2006-2008 JOGMEC/NRCan Mallik Gas Hydrate Production Research Program，該計畫於加拿大北部Taglu進行試驗開採，以熱激法從17公尺厚的天然氣水合物蘊藏層中解離出甲烷氣體，最大甲烷流量達每日1,500 立方公尺(Collett, 2007)。此開採量相較於商業生產有很大的差距，仍需進一步開發穩定大量生產的技術。

六、結論與建議

由於台灣能源進口已超過97%，分散能源進口來源以及提高能源使用效率，是當前我國能源政策的重要方針。當原油價格不斷攀高，開發新的化石能源以降低能源進口依存度，則是未來我國能源政策所應思考的方向。近日學研單位已發現台灣西南海域蘊藏天然氣水合物，初步探勘結果認定賦存量大，具有商業開採之價值。我國目前具有油田鑽鑿技術就屬台灣中油公司，且在台灣陸上有多口油氣井生產天然氣；海底油田之開採則在國外海域，以投資合作的方式進行。然而，台灣對於海底礦產開採技術之開發仍落後於美國、日本、加拿大及印度等國家。因此，政府應對天然氣水合物擬定明確的開發計畫，擴大結合產官學研各界專家、學者及業者，投入更多研究經費與培養相關人才，並積極與國外進行技術交流，建立海底礦產探勘的核心能力，掌握海上鑽鑿平台之技術，以利未來對天然氣水合物之有效開採、運輸、儲存與使用，達到國家能源多元化與提昇能源自給度的目標。

參考文獻

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作者：

王孟平 / 國研院科技政策中心副研究員

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