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天涯河處覓油蹤─研究與分析

天涯河處覓油蹤─研究與分析

綜合科技

石油盆地分析技術是一種綜合科學技術,牽涉相當廣泛,除了眾所周知的「石油地質研究」外,還包括了「地球物理測勘」、「地球化學測勘」及「油氣田的經濟評估」等技術。

其 中,石油地質研究能幫助我們很快地瞭解某一沉積盆地是否具有油氣潛能,以便能掌握探勘先機;節省時間及人力;地球化學研究能使我們瞭解該盆地的生油岩狀況 及潛能,以及是否有成為大型油、氣田的機會;地球物理研究則可將各種探勘資料,由「點」擴大到「面」或「三度空間」,使我們快速而方便的瞭解地下構造形 貌;而如果進一步配合井下地質資料,更可追蹤出生油岩、儲集層及蓋層的分佈範圍,這些都是油氣探勘工作的必備條件。

油氣探勘是一種高風險、高利潤的工作,其最主要的研究對象是地層與岩石,然而大部份的地層與岩石都隱藏在地表之下,不能直接觀察,只能間接取得一些資料來加以分析解釋,再藉由實地開採來證實所作的解釋是否正確,這是多麼富有挑戰性的工作啊!

石油地質研究
石油地質研究通常需赴野外進行實地地質調查,再以所獲取的資料進行各種對比、研究、分析,以了解其地質概況。一般常用的方法包括尋找地表油氣徵兆、進行野外調查、或利用更先進的航空攝影及遙感測勘技術等。

●尋找地表油氣徵兆
雖 然地表的油氣徵兆不一定就表示其地下的儲油氣層具有經濟開採的價值,但仍不失為探勘新油氣田的重要線索,因此,早期的石油探勘工作常選擇在油氣苗附近鑽 井。清咸豐十一年 (西元 1861 年),番通邱茍無意間在苗栗出礦坑後龍溪畔發現冒著石油的油苗露頭,於是他手掘一口三公尺深的淺井,日產原油約 10 公升,挑到市集販賣,供人點燈及醫療之用,這就是台灣油氣探勘的開端。

一般來說,地表油氣徵兆主要有下列幾種型式:

泥火山地貌
●地表氣苗
天然氣可沿地下裂隙(如節理、斷層)游移而到達地表,所以任何地區若有天然氣逸出,均表示地下可能有油氣蘊藏存在。此外,某些地區若有由火山噴發出來的氣、油和鬆散的沉積物,可在地表上造成土丘,稱之為泥火山,這種現象也是含氣地層的特徵。

泥火山發育區的地貌景觀
●地表油苗
液體石油徵兆可以油池或油液滲出地表等形式出現,油苗通常呈黏稠液狀,這是因為它暴露在大氣中,加上受細菌的破壞,很容易造成原油的養 化和聚合(如瀝青基原油)。輕質流動的油苗雖較為罕見,但也不乏其例,如印尼婆羅洲和東委內瑞拉的原油可直接用作內燃機的燃料,此種石油多半為濕氣凝結後 的產物。

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●石油浸染
原來已在孔隙性地層聚集的原油,經地殼運動,再度暴露於地表或地表附近時,就會形成油浸岩石。油浸岩石一般較堅硬且耐風化;其中,油浸泥岩多呈黑色,油浸泥灰質泥岩呈藍色,油浸石灰岩則具有暗色班點。

●瀝青脈
瀝青可能以各種固體形態出現,但通常以近乎垂直的脈狀貫穿地表地層。其主要特徵為可溶於菉仿(choroform)和四菉化碳液體中。瀝青脈的儲藏量如果達到經濟價值時,可以像挖煤一樣,用淺坑道方法進行開採。

瀝青脈
●礦蠟
礦蠟為固體蠟狀,與石蠟基(和瀝青基相對應)原油浸染和油苗有關。最著名的天然石油蠟是地蠟(Ozokerite),其顏色依所含雜質的數量而有深淺的變化,可由透明的淡黃色至深褐色,其切斷面呈現貝殼狀,並具有典型的蠟狀光澤。

●焦油砂
我 們習慣上常把露出在地表或地表附近的重質殘餘性石油浸染砂岩專門稱為焦油砂。但由於焦油一詞也指有機物乾餾後的最終產物,為避免混淆,有人認為應叫重油砂 (heavy sand) 更為恰當。焦油砂中的石油推斷是來自經過移棲的瀝青基原油,此瀝青基原油在移棲過程中或隨後因細菌作用結果,失去了其中較輕質的成份,造成重質殘餘性石油 浸染砂石。

●地瀝青湖
在世界上某些地方具有大規模的固態或半固態地瀝青的水平沉積,就稱為地瀝青湖。地瀝青湖是因為位於其地下的大型油田被破壞後,瀝青基原油中的輕質成份已大量逸散殆盡,其殘留物再經氧化和聚合作用後而形成。

●進行野外調查
地 質人員「跑野外」的主要目的是在調查地層的岩性、特徵、位態(包括走向及傾角)以及區域性的延伸範圍(包括其垂直及水平方向的分佈情形)。地層的「走向」 就是只岩層面與水平面交線的方位,「傾角」則是指在地層走向的垂直方向上岩層與水平面間的夾角,各地層的走向與傾角在野外地質工作上是非常基本、也非常重 要的數據。為了能夠清潔地觀察寶貴的露頭,野外地質人員常放著好好的山路不走,不是爬上峭壁,便是在濕滑難行的山溝中躍上躍下,因為山徑旁的岩層暴露在地 表的時間較長,往往已風化成土壤或滿佈雜物,根本無露頭可供觀察,而河川切割山崖兩旁的岩壁所顯露的岩層露頭較為清潔,可以取得較完整的資料以供分析;同 樣地,懸崖、採礦挖掘的坑道、鐵路的開鑿工程等也都是主要觀察的地方。野外地質人員便是要從這些零星的露頭加以仔細的觀察、描述與測量,然後繪出一幅完整 的地質圖。

野外地質調查工作結果並不意味著測勘工作的完成,而是測勘工作另一階段的開始。野外採集的岩樣或先前鑽井所獲的岩層、岩心,必須經過實驗室各種儀器 的分析檢驗,再將檢驗所得的數據綜合整理、評估後,配合區域地質的研究及各種地質原理作合理的解釋,以了解其是否具有生油的潛能,供做鑽井的參考。

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如何進行野外地質調查
野外調查可分成三個階段來執行:

1.事前的計劃作業

包括收集探勘區域內前人做過的調查或研究報告,及準備生活必需品與調查用具( 如調查區域地形、地質圖或航照圖、傾斜儀、地質鎚、放大鏡、野外記錄簿、標本採樣袋、色筆、及照相機……等 )。若調查區內並無前人做過調查,或沒有詳盡資料時,則須先進行「地質普測」,由一組地質人員就大區域中找出幾個較有油氣聚集希望的地區,而後在這些區域 進行「地質猜精測」。

2.野外測繪、觀察及蒐集資料

野外工作首先要確定岩層露頭在地形圖上的位置,而後要判別及描述岩層的各項性質,包括岩石的種類、顏色、顆粒大小、砂岩的淘選度與砂粒的圓度、膠結 物、化石的種類與密集程度、特殊礦物及沉積構造的種類等;並估計地層厚度、地層形貌、各種不同岩性地層的出現比例、區域性的沉積過程及構造特徵,如褶皺及 斷層等。傾斜儀與地質鎚是調查人員的兩項主要工具,前者可量取地層的走向及傾角,後者用於敲出岩石的新鮮面以作觀察,或尋找化石,然後敲得代表性的岩樣攜 回實驗室分析。薄層的燧石質或作狀石灰岩、鐵質的燧石砂岩夾層、明顯的化石帶及煤層等,常可作為極佳的指準層 (Index Bed),可用於作出構造之傾斜、傾沒和圈合狀況,以便作為詳查及進行地球物理探勘之用。

3.繪製地質圖幅及撰寫報告

在地質條件合適而擬進行鑽探的地區,地質人員最重要的工作是將地質調查所得的資料加以整理,繪聲繪製地面地質圖及撰寫報告。地質圖需表示出區域的地 質特性、地層分佈、地質構造,並推測可能發生的地質變動及所造成的地質結果,製圖時也必需以大家公認的簡單符號來標示 ( 如中國地質學會所編的「石油探勘與開發的標準圖例」)。而後再根據地質圖來繪製地下地層的等高線圖,以作為未來鑽井的依據。野外工作人員常在白天跑野外, 晚上回到帳篷或旅舍中仍要互相討論,以繪製地質圖草圖,工作十分辛苦,然而當地質圖繪製完成,或發現了適當的探勘構造後,所有的辛勞都有了代價。

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●最新地質測勘科技
由於人類的科技愈來愈進步,因此近年來人們更利用航空攝影、衛星成像及遙感測勘技術,來協助收集地質資料,以便進行石油研究。 航空攝影技術可補充並加速地面、地質測勘工作,指出地質構造的特徵和可能的地質界線;在岩層出露良好的地區,航空照片甚至可直接指出地面岩層中存在的背斜 和穹隆等構造,也可利用露頭形狀、水系格局、地形表現及傾角與走向變化等資料,來進行地質構造解釋。例如樹枝狀水系為平緩地層的表現,而平行的帶狀水系則 代表地層的傾角甚陡。

應用衛星成像不但可成功地發現淺海地區的油苗,以及因天然氣逸出而造成的土壤顏色變化,它也能探測深部地層的形式和特徵,了解影響油氣深部斷層儲聚的重要資料。

而遙感測勘方法中,紅外線及熱紅外線照常可提供有價值的地質資料,近年來也被廣泛地應用於油氣探勘工作中。


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地球物理測勘
地球表面的地層主要由岩石組成,不同的岩石其密度、磁性、導電性及傳波速度也不一樣,簡單的說就是有不同的物理特性。地球物理探勘就是利用物理學上的一些原理及性質,來尋找石油 (或其他礦物),一般常用的有動力、磁力、電力及震波測勘等。


●磁力測勘
應用磁力法可以尋找地下磁力異常地區,並測定沉積岩的厚度及基盤面的起伏情形。但由於陸上磁測容易受建築物、鐵路、鐵管及高壓電線的影響,今日所有的磁力測量幾乎皆為空中磁測。其優點為迅速、經濟、方便,且不受地表磁性干擾。


●重力測勘
在 地球表面上的任何一點,物體所受到的重力都有其理論值,也就是地心引力與地球旋轉離心力的合力。但如果淺部地層岩石比重分佈不均勻,該地區實際量測的重力 值大小會有不同。將實際量到的重力值減去理論重力值,就是該地的重力異常值,可反應當地的地下狀況。當重力異常值偏高時,表示地底下有山脊或背斜構造;反 之,當重力異常值偏低時,即表示地下可能存在有岩鹽等比重較低的物質。

●震波測勘
震波測勘是在地面或海面上製造震波,由於地下岩層的密度不同其傳波速度也會受到影響,因此震波在不同地層會有反射與折射的現象,使傳回 來的震波經由接收器 (Geophone) 接收時,在時間上產生一些偏移。地質人員只要觀測震波傳播、及發生反射、折射時間,即可瞭解地底下地質構造的形貌,藉此找出可能藏有油氣的位置。製造人工 震波的方法一般有利用炸藥爆炸、空氣槍及震盪震源車等。

地質構造三維震測電腦圖
如果是在茫茫的大海或廣闊的陸地上,地球物理測勘方法如何覓「油蹤」?一般來說,開始時是用空中磁測法探勘,以確定當地沉積物的厚度、及基盤的深度與形 貌;然後再用重力測勘確定局部構造的高區位置;在確定井位以前,還需以震波探勘法來決定最有希望的構造位置,以便一「鑽」成功。
油氣生成的三個必要條件----生油岩、儲油岩以及封閉構造 (蓋岩) 中,生油岩是一切油氣的根本,因此,生油岩的研究就是地球化學研究的主要目標。

石油是一種化學成份複雜的有機流體 (混合物),地球化學探勘即是分析地層岩石及流體的化學特性以尋找石油的蹤跡。前面提到的地球物理方法是尋找儲油氣的構造,地球化學方法則是判斷此構造有沒有油。

根據石油有機成因的理論,科學家認為石油是由海中及陸上動、植物的遺骸掩埋在沉積物中,長時間受地熱、地壓以及岩石中某些礦物的催化作用,逐漸轉變而成。其中,大部份的動物脂肪,在沉積不久後即被分解帶走,殘留下來能夠生產石油的主要仍是植物的遺骸,尤其是藻類。

地球化學研究
大部份的生油岩是頁岩,在頁岩中有一種像煤一樣的黑色有機物,我們稱它為「油母質」(Kerogen),它既不溶於強酸、強鹼,也不溶於有機溶劑中,它是 有機物遺骸,經細菌分解,去除糖類、氨基酸及脂肪酸後,所剩下的高分子聚合物。油氣即由油母質受熱裂解而來。油母質產生於富含有機物的緻密頁岩中,油氣在 岩層中生成後,因其比重輕,隨即會向孔隙較大的岩層移動,而後聚集在適當的構造封閉中,形成儲油氣層。

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但並非所有的頁岩都是好的生油岩,如何判斷生油岩品質的好壞?所生成的是油?還是氣?蘊藏量是多?還是少?這些都必須經由實驗室分析評估才曉得。生油岩的評估包括三方面---有機物富集度、有機物類型及成熟度,也就是用一些客觀的數據來判斷某一頁岩是否可能成為生油岩。

皺褶構造
有機物富集度就是測定岩樣中有機碳含量的多寡,進而推算油氣的生成量;好比搾豬油一樣,有好的肥豬肉,才能搾得大量豬油。根據研究顯示,在封閉、缺氧及以細顆粒沉積為主的環境中,比較可能保存較多的有機物,這也就是為什麼富含藻類的產油型生油岩常常位於湖泊中心的道理。

有機物的類型可以由顯微鏡觀測及化學分析等方法來判定,如果有機物主要以藻類的遺骸為主,即是典型的產油型油母質;而若主要為植物木質部及纖維素的遺骸,則以產氣為主。

光有大量的肥豬肉還不能得到大量的豬油,必須有適量的熱源加熱。同樣的道理,生油岩所受的熱,若不足以讓有機物轉化為油氣,那麼有機碳含量再高也是枉然。因此,成熟度夠不夠十分得重要。成熟度不足,會生成比重高、黏度大的原油;過於成熟則會形成天然氣,過與不及都不好。

有機物要轉變成石油必須經過化學反應,一般化學反應的速率有快有慢,生成石油的反應可以說是非常慢,甚至需要幾千萬年的時間才能完成,由此可知石油的珍貴。

油氣田經濟評估
要老闆拿出一大筆錢來投資一項事業尤其像石油探勘這種高風險的事業,他心中盤算的第一件事必定是「能不能賺錢」?因此要如何才能說服負責公司成敗、一向精 打細算的老闆掏出錢來呢?那就必須有一套合乎經濟學理的評估方法來讓他瞭解投資的遠景與可能收益,這套方法就是經濟評估。

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經濟評估就是要告訴老闆他需要投資多少錢?同時告訴他會在多年內,每年為他賺回多少錢?賺回的錢會不會比存在銀行生利息划算?如果賺得錢比銀行多很多,老闆當然會很樂意拿出巨額的金錢來投資。但要如何評估投資某一油礦賺的錢比銀行利息多呢?

在石油礦藏經濟評估時,除了考慮投資報酬率之外,一般還需要考慮回收年限,也有人稱為還本時間,譬如說今年拿出一百萬來投資,預計一年後可以賺五十萬元, 二年後可以賺三十萬元,三年後可以賺二十萬元,也就是說三年後可以把投資的一百萬元賺回來,所以回收年限為三年,回收年限越短,當然越值得投資。

某些地區的油礦由於開發成本高,在市場油價低迷的時候,乏人問津;但一當油價飆漲,投資老闆預期利潤增加,這時就會「鹹魚翻身」,成為搶手的開發對象。