第七十四號:鑽個油井卻造出死亡漩渦是怎麼回事?

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ゞ(◎Д◎ヾ ~~要被大漩渦吸進去啦~~ /`゚д´)ノ

maelstrom
圖為數學中的碎形漩渦,與本期要講的漩渦無關XD [翻攝自:]

今天的冷知識週刊取材自筆者(科宅)常看的英語冷知識 YouTube 頻道,不可思議又後勁強。更棒的是,聽完之後還能對咱們的地球多一點點認識。

故事要從美國南部的路易斯安那州說起。位在大河密西西比河出海口,路易斯安那州是地勢低窪的湖沼之鄉。那兒有一不甚有名的小城——新伊比利亞(New Iberia),城的近郊有個十分普通的淡水湖,名字叫朋紐爾湖(Lake Peigneur),這麼怪異的發音都是因為歷史上,路易斯安那州與大部分的密西西比河流域曾為法國屬地。(報你知:州名中的「路易」就是指太陽王路易十四啦,安娜是誰我就不清楚。)雖然湖有 526 公頃,等於 20 個大安森林公園,但湖水很淺,也非名勝,最多只能讓當地人平時駕小船釣釣魚。

Lake Peigneur
朋紐爾湖的地理位置,翻攝自Google Map (2016)

但是在 1980 年 11 月 20 號上午發生的這檔事,因為實在太過怪異,居然讓朋紐爾湖從此名揚四海。

時間是黎明之前,天色才濛濛亮,一隊鑽油平台的工程師/工人已經開始幹活了。

其中包含榮恩.戴維斯和大衛.戴維斯這一對堂兄弟。他們受雇於鑽油台的所有者:德士古石油公司(Texaco, Inc.)幹的是體力活,傳統上稱之為「粗脖子」(Roughneck)一族。大衛的爸爸戈登是鑽油台的「鑽井領班」(Toolpusher),就是機械操作、籌畫、維護保養、員工安全……等一切的總指揮,船長一樣的角色,負責滿足資方的打洞鑽探要求。讀者可以把他想像成電影《世界末日》(Armageddon, 1998)裡的布魯斯威利。

而榮恩的爸/戈登他弟,又一個戴維斯,正好是鑽油台的設計者。話說這不叫巧合,這叫任人唯親 (nepotism,一般譯為裙帶主義。你看這個字和英語 nephew 像不像?nepos 就是拉丁語後代、孫子、姪子的意思。) 😆 。德士古公司這一座平台是可以在兩三天內拆卸,換個地方迅速重搭的特別設計,針對美國南方、墨西哥灣地區處處有油田這特色,高機動性可以節省很多成本。萬一挖空可以無痛更換地點重來。

話說鑽油平台昨天才蓋好,今天開始鑽。沒想到才開始不久,挖了約 180 公尺就遇到鑽頭卡住的倒楣事……大概是沒有放一包綠色乖乖的關係。而且最奇怪的是卡住鑽頭的元凶:他們鑽到了岩鹽——原本的計畫圖中,下方地層的確有岩鹽,但不應該在這麼淺的地方就鑽到。操作手又折騰了一陣子,好不容易又推進到 350 公尺時,鑽頭索性罷工,乾脆不動了。

drill workers
鑽探工作。示意圖:非當事平台 [圖源]

就在戈登正在指揮排除故障,焦頭爛額(也許大罵個幾句他弟設計的什麼爛平台)的同時,全體忽然聽到奇怪的聲音,好像什麼東西在洩壓、或是像倒轉寶特瓶時液體和空氣在瓶口快速流動的噗噗作響。接著,猛地一下震動!鑽油平台居然往側邊傾斜,搖搖欲墜。

眼見天大異狀,戈登果斷下令全體人員棄船……從鑽油平台撤離到湖上的駁船。全員連滾帶爬的上船並駛出一段安全距離之後,戈登回頭觀望評估受損情況。

不看還好,一看心都涼了——價值五百萬美金(可以參加 1.6 次慈善撲克王大賽)的鑽油台、六層樓高的井架、起重機,整個就在他面前倒塌,消失在湖裡。

天殺的這湖平均深度只有 0.8 公尺,鑽油平台所在一帶的水還不到膝蓋深呀,這是什麼紐奧良-Style 巫毒魔法。花黑噴???

更恐怖的是,以鑽油台原本該在的地方為中心,湖水居然開始挾帶底泥其勢洶洶地流去,彷彿那裡開了個洞直直往異次元陷落。駁船也隨水流開始往回漂,幸好在推進器全開之後,船成功抗拒水流,將所有人安然送回到岸上。

非當事鑽油平台,井架就是正中央高高的 [圖源]

就在鑽油平台大約 400 公尺的下方,岩鹽礦礦工朱尼烏斯‧加迪森聽到了超級吵鬧的聲響沿著坑道傳來,拔山倒樹越來越近。

「等等,暫停啊,原來湖的下方有岩鹽礦坑啊,怎麼不早說呢?」

「我覺得先說了會被聰明的讀者猜到,就瞞到現在才…(遮臉)」

這鹽礦是路易斯安那州一白一黑的礦產中白的那一方,黑的是石油,白的就是岩鹽。礦坑已經有 61 年歷史,而加迪森目賭的是這 61 年來沒人見過,也不該出現在鹽礦坑裡的東西:洪水!原來他聽到的巨大聲響是動力機械使用的燃油桶,被及膝高的泥水流往他這兒快速沖來,一路相互碰撞的聲音。

倉皇逃命的加迪森絕對猜不到,這股惡水居然是一群鑽探石油的人搞的鬼。戴維斯等人在規劃鑽探時,當然知道這座「鑽石結晶」(Diamond Crystal)鹽礦存在,也和礦業公司取得了坑道位置圖。但不知道怎麼搞的,組裝鑽油平台時負責三角定位——顧名思義就是取三個定點,測量相對位置以決定鑽探位置——的某個傢伙把其中一個點標錯了,使得鑽油平台的位置向鹽礦靠近了大約 120 公尺。

所謂「失之毫釐,戳中大獎」(咦?)。

橫斷面示意圖,紅色部分都是岩鹽 [圖源]

筆者原本想像密閉坑道裡的水裡逃生,應該是很幽閉恐懼的場景。但不不不,金瓜石博物館展示那種依賴人力的礦坑,或者 Minecraft 遊戲中的廢礦坑,中間僅容一輛礦車通過的狹小景象,都是第三世界、二戰之前的歷史遺址了,現代的礦坑不管是鈾礦、煤礦、鐵礦、鹽礦,大多都是設計成可以讓巨大動力機械:卡車與挖掘機直接開進坑道作業的規格。

波蘭甚至有座百年鹽礦,簡直像座地下城,內有一座禮拜堂和地下湖泊,已被列為世界遺產。

鹽礦坑道就是直接在巨大一塊岩鹽中間用機器切削出來的,柱子、地板、天花板都是鹽。「鑽石結晶」礦坑裡典型的坑道是寬 15 公尺,8 層樓高的,用炸藥大塊大塊開採後,清出的巨大空間

這對理解接下來發生的事情很重要,主要是三點:

壹、水進來了坑道就開始崩塌,因為構造都是鹽,溶了;貳、花 61 年挖的坑道空間巨大,礦工因而有更多時間可以逃生,因為空間寬廣,水淹得比較慢;參、巨大地下空間 vs 大量湖水,你猜誰贏?

示意影片,現代的鹽礦礦坑內是長這樣

在筆者想像中是開堆高機橫衝直撞,而逃脫成功的加迪森,回到安全區域馬上觸發了撤離警報——坑道的燈號閃爍三次,即 SOS 信號。當天在工作的 50 名(也有來源說 55 名)礦工開始往有電梯的疏散層集中逃生。所幸疏散層不是在最低漥的地方,在水首先灌入最底層時可以給礦工爭取到等電梯的時間。礦工電梯大致和摩天大樓工地的那種橘色鐵柵欄電梯差不多,一次最多只能承載八個人。光想像都感覺得到相對論的時間膨脹效應,一趟電梯像是一輩子一樣長。

最後礦坑內的 50 人全數逃出,宛如奇蹟,但那是後話,現在地面上正天翻地覆——

就在地球的重力正在把湖水、連同湖底鬆散的沉積物往下方 400 公尺的礦坑裡扯,坍陷坑洞越變越大的同時,小利昂司‧比亞托正駕著小船,和他的姪子兩人在湖上釣魚,時年 52 歲的比亞托是空軍退役、鹽業公司退休,閒雲野鶴的生活居然被捲入這樁人禍併發天災,世界末日般的景象。

……背景音樂 I Don’t Wanna Miss A Thing (小心音量) 淡入…..

沒錯,捲入,因為兩人的釣魚小船現在開始繞著漩渦(whirlpool 或 maelstrom)轉——比亞托回憶道:「我們看到湖水中出現一個洞眼,依我看直徑有 100 呎(30 公尺)。」同樣在打轉的還有湖上漂著的十一艘駁船,正是戴維斯等人先前用來載運鑽油台零件建設施工,不久前也用以脫困的同一種船,長十幾公尺——其中一艘更是一共乘載了四輛大卡車。

比亞托:「完了完了,要見上帝了。」
姪子:「不要呀人家還是處男。」(設計台詞)

說時遲那時快,一艘駁船掉進洞口,暫時阻礙了水流。比亞托見機不可失,「上啊!太陽能之翼。」就把馬達開最大,從漩渦中心一口氣脫離出來。靠岸後比亞托草草把船繫在岸邊的樹上,兩人往陸上狂奔,終於逃出生天,回頭一看(好熟悉)才發現原來小船、和綁船的樹、和樹底下的陸地通通坍塌進湖裡面了。這不叫九死一生什麼叫九死一生。

從戴維斯一家逃出鑽油台算起過了三小時,湖水完全乾掉露出湖底,礦坑大獲全勝!朋紐爾湖湖水的體積原本是大約九百五十萬立方公尺,等於 3800 個奧林匹克游泳池,或翡翠水庫滿水量的 1/35。後來統計崩塌的湖岸陸地面積一共有 26 公頃餘,等於湖增加了 36 個足球場的面積。

本文主要取材的「歷史頻道」紀錄片,讀者覺得漩渦是順時鐘還逆時鐘?

在那之後兩天,原本從朋紐爾湖向南流進墨西哥灣,長 20 公里的德爾坎伯(Delcambre)水道不停洶湧地逆流而上,往乾涸的湖盆裡灌,一個在岸邊看鯉魚的少年彷彿覺悟了什麼,鹽礦現在開始大口大口的將把墨西哥灣的海水吞進去,在水道與湖盆地相接的落差之處出現了 50 公尺高的瀑布——暫時贏得了地勢平坦的路易斯安那州最高瀑布的頭銜。

造成這一切的,是鑽油平台那一支長長的,但直徑只有 14 英吋(36 公分)的鑽頭。

就在「鑽石結晶」礦坑的工人都撤到地面上之後不久,一連串震耳欲聾的爆炸聲傳來,從礦坑的通氣井升起了百餘公尺高的噴泉(geyser)。這是因為水壓縮了坑道裡的空氣排不掉,累積了很大壓力突然釋放出來。順帶一提,台北捷運列車進站時入口會颳風是一樣的原理,中和蘆洲線因為車站月台比較窄,這效應更明顯,理論上我們可以從車站平面圖估計站內氣體被列車「活塞」壓縮的比例算出氣壓差然後……啊離題了XD。電影《十萬火急》(Daylight, 1996)最後,史特龍也是利用這種壓力的忽然釋放逃出淹水隧道的。

災害過後,雖沒有人命傷亡,但苦主兼元凶德士古石油公司不僅毀了五百萬鎂的鑽油台,最後還以總額四千五百萬鎂(15 次慈善撲克王大賽)的和解金賠償了礦業公司,鹽礦已結構盡毀、不可能復原,所有員工立刻被迫退休。

事故原因調查則進展的很不順利,因為物證現在都躺在地底 400 公尺了哈哈哈。對當地居民而言,湖變大又變深,還因為海水倒灌變成鹹水湖——這表示能抓的魚變大隻了,真是好樣的!比亞托老爺子應該會同意「大難不死必有後福」這中國諺語。

1980 年朋紐爾湖大漩渦,這一場由天然與人為的因素精密又巧合之相遇所引發的災難,奇蹟的是地面上跟下,縱然過程千驚萬險,卻沒有人因這起鑽探意外而喪命,真是太幸運了。好啦,喝完了這杯酪梨牛奶,我們下次再見囉,啵掰~


「欸~不是啊科宅,你不覺得很奇怪,幹嘛挖石油挖到岩鹽旁邊,岩鹽旁邊會有油嗎?」

「咦,這是巧合還是有物理意義。我查查喔。」


【以下是地球科學時間:一種寫在岩石裡、動輒億萬年跨度的歷史故事】

結果還真的不是巧合,有重要的地質學意義。就是鹽丘(salt dome這個地下的奇觀,本科宅活到這麼大才知道地球有這種神奇的地質構造,真是慚愧呀。

[圖片來源 :鹽丘之形成示意、:鹽丘周圍的石油、天然氣、硫磺等鑽探]

什麼是鹽丘?字典式解釋「岩鹽因為浮力而流動,往上推擠地層形成的柱狀或蕈狀侵入結構」←說什麼瘋話這是,固體的岩鹽怎麼會流動?

原來,在遙遠的古代,例如侏儸紀或更早,沿海的一大片低窪地區忽然與海水隔絕,之後延續幾千幾萬年反覆的經歷「充滿海水→乾涸→充滿海水」的循環,累積了厚厚一層「蒸發岩」(Evaporite)其實就是今天大鹽湖或死海那樣一層厚實鹽殼子。

之後又經過幾百萬年,泥沙等沉積碎屑把鹽層整個埋起來。泥沙的密度和鹽剛開始差不多,但是地層越積越厚,巨大的壓力讓泥沙間的縫隙消失,彼此黏合成岩石,這時密度就比鹽大了。密度低的東西壓在密度高的東西下方是不穩定的,就像燒開水時的對流,密度低的東西(例如熱水)有往上跑的傾向。也可以想成是鹽丘周圍的岩石下沉,其重量轉成「靜水壓」把岩鹽從深深的地下逼得往上跑——我們對「固體」的概念,常常放在地球科學的高壓、巨大應力條件下會不太可靠。總之,被上方極厚的岩石地層推擠而往上「流動」的鹽,形狀會變成奇怪的柱狀或蕈狀,正是因為流體力學裡有名的 Rayleigh-Taylor 不穩定性(白話文:熔岩燈與蕈狀雲)造成的,一切科學都是應用物理 Rooooock~~~

岩鹽的逆襲(!)常會把上方的地層頂成同心圓穹頂狀,有時在該區域局部破裂形成一些斷層,如上方兩圖所示。地質學家用一個很拉風的名字稱呼這種穹頂形狀的地層——背斜構造(anticline)。高中地球科學課有專心聽的同學應該記得,背斜構造是適合石油、天然氣儲藏的天然陷阱(trap)。更棒的是岩鹽本身也是超低孔隙的不透水也不透油更不透天然氣的構造——背斜加不透水層,這就是為啥鹽丘會是尋找石油的理想地質標誌啦。這一類相關知識對石油企業重要的程度,使得地質學特別劃出一個分支叫「岩鹽構造學」(salt tectonics)。

有的鹽丘往上跑得非常非常非常非常遠,這是因為它們是很古老的鹽,形成於古生代或更久以前。這麼古老的岩鹽往上跑形成的鹽丘,其結構高度單位是 20~50 公里 ʘᗩʘ ! 想想看,走在陸地某些表面看似平凡無奇的,屬於「富有歷史的」沉積岩層之上,你的腳底下可能埋藏著幾十億年前風乾的鹽,所形成上下貫穿幾十公里地層的高聳垂直鹽柱子。而且因為鹽的密度比岩石低,比正常少受到一點點重力的你或許會感到有點輕飄飄的(差異太輕微了,才不會 XD)~~啊啊,怎麼我到今天才知道這麼妙的地球故事啊。

地球內部與深海,人類知道的趨近零。(來源=xkcd#1040:大圖按我

最後一個問題:以上所說,

科學家到底怎麼知道的?

人類目前鑽地最深的紀錄是,在 2010 年爆炸成一堆破銅爛鐵、還大量漏油,搞得歐巴馬政府灰頭土臉被戲稱是「歐巴馬的 911」的深水地平線(Deepwater Horizon)外海鑽油平台,就是最近拍成同名電影,主角是馬克華伯格的那個。

深水地平線一共往下鑽了 10.6 公里!作為比較基準,當年美國使用的石油,其來源之油井平均深度只有 1.8 公里深,相距整整六倍。深水地平線從偉大、且極昂貴的工程突破、油井中的杜拜塔變成慘敗的千古罪人,成敗只有一線之隔而已,值得一嘆。

此外,前蘇聯的 科拉超深井更是挖了 12.3 公里才放棄。上圖右邊兩條黑線就代表這一美一蘇,兩口破紀錄的超深井。

總之重點是,地底下的情形我們幾乎沒機會直接觀察到。除了鑽孔以外,地質學家常用的方法是天然聲納——地震波的折射反射。或製造一場小型的人為地震,石油業內常笑稱古老時代是在用炸藥探勘石油,就是說利用炸藥、或者水力重鎚震撼地面之後,用地震儀紀錄傳回的波型,絞盡腦汁地推算地底構造。

回波定位超抽像的,不是蝙蝠或海豚或夜魔俠,常人實在無法以直覺理解。

但在鹽丘的例子,有更簡單直覺的方法可以用,而且名字很酷:重力異常訊號(gravitational anomalies)!前面說過,岩鹽密度比岩石低,一個巨大的岩鹽結構埋在地表附近,對地面物體的萬有引力的拉扯,就和一塊岩石不同,於是在鹽丘上方的重力加速度值 g 比較小。同理,在金屬礦脈上方的重力加速度會比較大。可以利用單擺的週期是 T ≒ 2π √(L/g) 之原理,只要拿個單擺記時就能最粗略的測量重力常數 g。進一步將 g 值在地圖上標記出來,就可以直覺地看到鹽丘的範圍(柱狀投射到地表呈同心圓)、或是礦脈的走向。更精確的儀器可以裝置在飛機、船舶、與人造衛星上,連續的進行大範圍的「引力遙測」,對於不可見的地底、海底的大型構造的探勘、與活動的監測是一項利器。而這也正是台灣內政部地政司衛星遙測中心附設的「國家重力基準站」專司之業務……本文由該單位(才沒有 XD)贊助。

至於在深深深深的地下與神秘的深海中能探測到什麼大型構造,是失落的古城還是蟄伏的哥吉拉,我們對此認知少之又少,就開放給讀者的想像力發揮囉。

沒想到,電影《星際效應》裡穿越多維時空傳達父女思念之情的媒介——重力異常訊號,也能協助美國德州的 Roughneck 白手挖井創業家們「心電感應」找到鹽丘,最重要的還是鹽丘四周的石油、天然氣地質陷阱加以開採。想起來多有趣。望您閱讀愉快。

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每日一冷,創立於 2012 年 11 月。宗旨是讓更多人發出:「知道這個到底要幹嘛啦!!」的驚呼。期許從日常最微小的細節出發,重新喚醒每個人沉睡已久的好奇心。合作或授權請洽粉專。
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