关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
艾伯塔省康克林——从这里附近的沙子中提取石油的挑战通常需要刮除北方森林和下方的泥炭，以露出下方的油砂矿藏。 将增稠的沙子挖出，然后煮沸以分离出沥青，并将剩余的受污染的水和淤泥倾倒在像小湖泊一样大的巨大蓄水池中。 从轨道上看，这一过程造成的巨大露天矿场和尾矿湖非常突出，就像一个蔓延的溃疡——这个星球上的伤疤证明了美国对石油的渴望。 但这个加拿大省份的油砂未来留下的可见痕迹较少，正如在这个城镇附近所看到的那样，它与其说是一个社区，不如说是通往油砂工人营地的道路交叉口。 这意味着更少的露天矿场、尾矿湖甚至巨型卡车，但也意味着更多的看不见的温室气体二氧化碳积聚在大气中并使地球变暖。
这个未来是在至少地下200米处融化沥青，而不是开采油砂。 2011年，每天有超过11000桶沥青从这里附近的冻土中融化出来，那里的飞机跑道比城镇的人流量更大，因为工人们乘飞机从远至纽芬兰的地方来来往往。
“大部分活动发生在地下375米处，”Cenovus的克里斯蒂娜湖油砂生产设施的运营和生产主管格雷格·法格南在最近的一次参观中说。 Cenovus采用一种叫做蒸汽辅助重力泄油的技术来提取沥青，这可以被认为是采矿的反面。 Cenovus不是在将油砂从地下挖出后在工业工厂中将沥青从沙子中融化出来，而是用蒸汽将其在原地融化出来。 这意味着克里斯蒂娜湖在某种意义上是一个巨大的水处理设施，“恰好生产石油，”法格南说。“这不是一个复杂的事情，它只是很复杂。”
康克林是新的油砂繁荣的前沿城镇之一，因为加拿大省份油砂中至少 1700 亿桶的 80% 只能通过这种方式而不是通过采矿获得。 2011年，原位作业的石油产量首次超过了油砂采矿的石油产量——随着加拿大更多的油砂产量上线，这种趋势只会增加。 如今，蒸汽从艾伯塔省东北部的北方森林中滚滚而出，那里有许多开发商在工作——从最近被中国海洋石油总公司（中海油）收购的尼克森到壳牌等石油巨头——就像雨后从地下冒出的蘑菇一样。
但是，如果要与使用高压水压裂岩石等其他快速增长的石油开采技术或水力压裂技术竞争以释放被困的石油，就必须继续提高原地沥青的采收效率和成本。目前，据估计，艾伯塔省拥有超过 4000 亿桶此类“致密油”，这些石油已经在北达科他州的巴肯页岩等地方生产，而巴肯页岩是加拿大油砂石油的第一大客户：美国。
融化焦油
蒸汽在克里斯蒂娜湖设施中占主导地位，那里蘑菇云升入冬季的蓝色天空，只有沥青加工厂附近的橙色火焰将其穿透。 九个工业锅炉，由天然气驱动，将附近含水层的处理过的盐水加热到 350 摄氏度，以蒸汽形式注入类似于三个巨大的地下沙箱的东西——巨大的矩形含油砂块。 每个沙箱都被一对管道刺穿，一个管道上布满了孔，用于在其 800 米的长度上释放加压蒸汽并融化油砂中的石油，另一个管道用电动泵将融化的沥青、沙子、水和天然气吸回地面。 这些管道上串有传感器、仪表和光纤，或者用行业术语来说是“珠宝”，这使得地面上的油井操作员可以持续监测地下的情况，例如最初为每平方厘米 120 公斤力的粉碎性的蒸汽压力。 克里斯蒂娜湖每注入 2.3 桶蒸汽，就可泵出一桶石油。
Cenovus 声称，在克里斯蒂娜湖，由于使用了回收水和几乎完全使用了微咸水，每生产一桶石油仅使用 0.07 桶淡水。 根据加拿大皇家学会关于此类油砂开发的2010 年报告，一个典型的设施每桶石油使用 0.6 桶淡水和 0.4 桶盐水。 政府资助的技术创新机构艾伯塔创新公司的环境管理执行主任地质学家周约翰表示：“沙特阿拉伯的常规石油比 [蒸汽辅助重力泄油] 工艺消耗更多的水。”
钻井本身提出了第一个挑战。 在安装过程中，每个沙箱场地中的成对油井同时钻探，严格保持仅五米的间距，并使用专门为这种油砂开采而改装的钻机。 在每个场地或井场，大约钻了八口这样的油井，并排排列——一侧是八个或更多的蒸汽注入器，另一侧是匹配数量的产油井。
经过几年的生产，例如 Cenovus 于 2001 年启动的较老的福斯特溪设施，会钻额外的油井，以从每个蒸汽产生的气球形熔化区之间的油砂楔形物中回收石油。 这种楔形油井使 Cenovus 能够在不增加任何额外蒸汽的情况下，每天为福斯特溪增加 20,000 桶的产量，而且预计一口油井的生产时间约为 20 年，尽管还没有一口油井如此老。
Cenovus 发言人布雷特·哈里斯说：“这些油田真的像实验室一样”，运营商正在不断调整并提出改进建议，例如可以承受地下高温但也可以用电而不是天然气运行的水泵。 运营商还在不断调整蒸汽流量，关闭穿孔管道的某些部分，以关闭对某些部分的热量，并确保整个过程均匀融化。 此类原地生产一直是实验性的，从 1926 年的第一次尝试开始：当时可用的管道无法承受蒸汽的热量和压力，导致蒸汽爆炸，摧毁了启动工厂并导致企业家雅各布·欧文·阿伯谢等人受伤。
这不是一个完全消失的问题。 加拿大石油公司 Devon Canada 实际上在其地下沙箱上使用了过大的压力，并导致了井喷，在 2010 年夏天，在附近向空中喷出了滚烫的蒸汽和沥青，而 Total Energy 在 2006 年在麦克默里堡北部也造成了类似的蒸汽、石油和岩石爆炸。 由于内部截留的冷却水，蒸汽管道本身也发生了爆炸。 Cenovus 的法格南说，这种“水锤”已经将管道抛掷了长达一公里，使它们像牙签一样从地下伸出，嵌入了超过三米深的地方。 蒸汽“具有很大的冲击力，”他说。
更好的工程设计
原地项目面临的工程挑战包括油砂矿藏上方缺乏足够的密封——允许蒸汽在不融化石油的情况下逸出，或者更糟糕的是，石油本身会流失——到可以熄灭一桶又一桶蒸汽热量的地下含水层，或“盗油区”。 并且那是在昂贵的油井对投入使用之后。 在克里斯蒂娜湖，油藏位于不是岩石而是天然气的一层下方——这意味着 Cenovus 的操作员必须不断注入空气，以确保天然气压力匹配或超过泵入蒸汽的压力，这样蒸汽就不会在不做融化工作的情况下逸出。
然而，油砂的最终工程挑战可能是应对温室气体。 由于原地生产的增加，艾伯塔省油砂的温室气体排放量去年上升了 1.7%，自 2009 年以来上升了 16%，据加拿大石油生产商协会称。 新近占主导地位的原位技术生产石油的成本比更粗暴的传统采矿排放到大气中的二氧化碳高 2.5 倍。 虽然这可能相当于在加利福尼亚或尼日利亚使用蒸汽来淹没重油时排放的量，但这两个温室气体来源的增长速度都不如油砂。
为了应对气候挑战，艾伯塔省已投资超过 15 亿美元用于开发二氧化碳捕获与封存 (CCS) 技术。但这项技术尚未应用于原地开采作业；目前油砂项目中唯一一个项目涉及捕获壳牌公司位于萨斯喀彻温堡附近运营的小型炼油厂的二氧化碳排放，该项目名为 Quest。该项目计划于 2015 年启动，目前还没有在任何原地开采设施中进行二氧化碳捕获与封存的计划。
加拿大环保组织彭比纳研究所估计，在克里斯蒂娜湖等油砂生产设施中添加二氧化碳捕获与封存技术，每公吨二氧化碳的成本将超过 200 美元。艾伯塔省目前对二氧化碳的价格为每公吨 15 美元。“关键在于找到使捕获与封存具有经济效益的方法，”哈里斯说，并指出 Cenovus 公司在其位于萨斯喀彻温省的韦伯恩提高石油采收率项目中做到了这一点。该公司利用在北达科他州边境的汽化工厂捕获的二氧化碳来开采更多的石油——而额外生产的石油有助于支付二氧化碳捕获过程的费用，尽管石油在燃烧时最终也会加剧温室气体负担。
因此，减少能源消耗可能是一条更好的途径。通过使用溶剂（如烃类丁烷），原地开采生产商可以提高蒸汽本身的沥青回收能力。Cenovus 公司自 2004 年以来一直在克里斯蒂娜湖测试该工艺，并将在该公司新批准的 Narrows Lake 项目中实施该工艺，该项目计划于 2017 年开始生产石油。阿尔伯塔大学油砂创新中心的科学主管、化学工程师 Murray Gray 表示，使用此类溶剂“可以将能源消耗降低多达 50%”。
Gray 指出，此类新技术意味着开发和生产这种已经是最昂贵的石油形式之一的成本更高。目前，Cenovus 公司发言人哈里斯表示，该公司每桶石油需要赚取至少 35 美元。由于西德克萨斯中质原油价格为 85 美元，这不成问题，除了大气变暖之外。而且，原地开采开发并非对土地没有影响：有生产蒸汽和处理沥青的工业工厂、储存最终产品的储罐区，以及用于井场的大型、方正的空地，这些井场配备有诸如带有井眼（类似于腿）的细长履带的机械，这些井眼还连接到蜿蜒穿过北方森林的多条管道。还有用于地震测试的一排排砍伐线，地震测试揭示了油砂矿床的位置，考虑到北方树木生长缓慢，这些砍伐线需要很长时间才能恢复。
但是，从地下融化沥青的技术仍在发展中。第一个商业蒸汽辅助重力泄油设施仅在 2001 年开始运行。已经开始试验潜在的进步，例如像美国国防承包商哈里斯公司今年测试的那样，用微波炉加热地面以松开石油。“这个行业还很年轻，”最初的油砂公司 Suncor 的政府关系经理 Scott Wenger 说，该公司接待了哈里斯公司的电磁砂加热项目。“谁知道新技术会带来什么？”