石油探採及處理：油氣田及其生產動力來源
100/09/07
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吳健一｜
臺灣中油公司探採研究所（退休）
范振暉｜
臺灣中油公司探採研究所
目前全世界已發現的油氣田，都存在於地下封閉構造或地層內，像是背斜封閉、斷層封閉或地層封閉。封閉構造內必須有具孔隙和滲透率良好的儲油層，這種儲油（氣）層通常是砂岩、碎屑岩及碳酸岩層。另外，仍需有緻密且滲透率很低的蓋岩如鍋蓋般覆蓋於儲油層上，以防止封存的油氣向上逸漏，常見的蓋岩例如頁岩、岩鹽、石膏、混岩等。
根據油氣移棲理論，儲油層最初充滿地層水，油氣從生油岩（source rock）生成後，因為比重較水低，會沿著具滲透性（流通性）的地層或縫隙往上移棲進入封閉的儲油層，逐漸把所含地層水往下排開形成油氣封閉，因此油氣層的下方都與水層接觸。地下水層大小不一，有的與地表的天水連通，形成開放型地下水層；不與天水相連通的稱為封閉型地下水層。儲油氣層內的地下水層範圍大小及其流通性好壞，攸關油氣田採收率（油氣田最終油氣累計產量與原始油氣總量的比值）的高低。
油氣層流體的組成
儲油氣層中的油氣（稱為油氣層流體）是自然生成的，由多種碳氫化合物混合而成，這類化合物的分子結構主要是石蠟烴、環烷烴、芳香烴等，少數油氣層流體也含有雙鍵結構的烯烴類。天然氣中的碳氫化合物，從碳數1的甲烷（CH4）至碳數30的都有，但低碳的碳氫化合物比率較高。原油則含有從甲烷至碳數125的碳氫化合物，所含高碳數的碳氫化合物愈多，原油比重愈高。
此外，油氣中也可能含有二氧化碳、硫化氫、硫醇、瀝青、溶解固粒、懸浮膠體等雜質。不同油氣田的油氣有不同的組成，全世界至今未曾發現過相同油氣層組成的油氣田。
井場分離器
通常油氣生產井井場都設有分離器，油氣由井口產出後，經降壓進入分離器內進行油氣分離，比重小的天然氣由頂部進入集氣系統，稱為分離器氣體。分離器的操作壓力大多在10大氣壓以上，分離器內下部的液態油因處於受壓狀態，尚含有部分溶解氣，因此由分離器排出後再進入貯罐槽內，於常壓常溫下釋放其所含的氣體，這氣體稱為貯罐氣，油則稱為貯罐油，這是二段分離器（油中的溶解氣分二階段分離，因此稱二段）。
另外也有三段分離器，即在初級分離器及貯罐槽之間加設一中間分離器。其中，氣油比（天然氣與貯罐油的體積比，在這裡天然氣是指分離器氣體加上貯罐氣）是石油工業界常用的油氣層流體特性。
油氣井開發生產初期，可由分離器分別取分離器氣樣及油樣，或以井下取樣器至井底取樣分析，得到油氣層流體的組成成分，通常會分別列出氣體成分（CO2、H2S及CH4）及中間成分（C2H6～C6H14）的個別濃度，而把庚烷（C7H16）及以上的成分集合在一起以C7＋表示。C7＋所占比率及其物性會直接影響油氣層中流體的相態變化，其濃度可用以判斷油氣在儲油層內是液態或氣態（油層或氣層）。
油氣田的種類
為利於解說油氣的特性，先介紹單成分、多成分碳氫化合物的物理性質。
單成分化合物 純乙烷（C2H6）在常溫、常壓下是氣體，若地層孔隙內所含碳氫化合物是乙烷，由於地溫梯度的關係，地層內的溫度會高於常溫，如其溫度高於臨界溫度攝氏32度，則不管地層內的壓力如何，所含乙烷永遠是氣態，這地層屬於儲氣層。但若前述的地層孔隙內含純丙烷（C3H8），且假設在發現時地層靜壓較高，則其中的丙烷是以液態存在，這地層屬儲油層。
開始生產油氣後，地層壓力會逐漸下降，當降至某壓力時（約12大氣壓），儲油層內的丙烷會開始氣化，這時的壓力稱為泡點壓力（也是丙烷在攝氏32度時的蒸氣壓）。不論是油層或天然氣層裡，所含油氣絕不是單一成分的碳氫化合物。
多成分化合物 在世界上所發現的油層或天然氣層所含的油氣，都是多成分碳氫化合物的混合物。若地層中的混合物是氣態時，稱為儲氣層；若以液態存在，則稱為儲油層。多成分的碳氫化合物在地層裡究竟是氣態或液態，與碳氫化合物的組成成分（各碳氫化合物的含量比例），以及地層的溫度與壓力有關。
儲油層內所含油氣最初發現時如果是以液態存在，就是油田，以氣態存在的則是氣田。油田可再細分為黑油（低收縮性油）及揮發性油（高收縮性油），氣田則可再分為凝結油氣（因壓力下降使氣體內中間及重成分的油析出）、溼氣及乾氣3類，因此自然界存在的油氣田總共可分為5種類型。
黑油—黑油是指一般油田所產的油，雖然貯罐油通常呈黑色或深褐色，但稱為黑油主要是為了與揮發性油區分。黑油是一種低收縮性原油，因為它的地層體積因子（formation volume factor, Bo）都小於2。地層體積因子是指在油層內需要多少桶油生產至地表後，經釋出其溶解氣及降溫後可得1桶貯罐油，Bo愈大表示這種油收縮性愈大，可釋出愈多溶解氣，若Bo小於2，則稱為低收縮性油。
揮發性油—這類型油含較多中間成分的碳氫化合物，多以液態存在於儲油層內。當壓力降至起泡點之下時，溶解氣釋出，這是因為輕成分及中間成分逸出，液態體積立即明顯減少，因此也稱為高收縮性油，其地層體積因子都等於或大於2。在壓力低於泡點壓力後，油層內氣液二相共存，都會流至井底而產出，揮發性油的氣體由井底流至地表時，會因溫度壓力之下降而有凝結油析出，地面上所得貯罐油有部分是由油層內的氣體而來，此與黑油田不同（黑油油層內釋出的氣體是乾氣，不會再析出凝結油）是揮發性油的生產特性。
凝結油氣—這種氣田最初在氣層內是氣體狀態，在生產過程中，因壓力下降，在氣層內會有凝結油析出（這與氣體升壓液化，降壓氣化相反，因此也稱為逆變凝結油氣），開始析出凝結油時的氣層壓力稱為露點壓力。大部分這種氣田於氣層內所產生的凝結油都不易流動（或不易產出），導致生產井所產出的油氣及存留於氣層內的油氣組成不同，且生產井所產出油氣的成分隨時間而改變。
溼氣—溼氣田的油氣除甲烷、乙烷外，尚含有中間成分及少量重質成分，在氣層內壓力下降時不會有液態凝結油形成，因此氣層內由生產開始至耗竭，所產出油氣的氣油比及成分都不會改變。但因為分離器的操作條件會落入兩相區內，所以地面上仍會伴產凝結油。
乾氣—乾氣田的油氣主要是甲烷及少量中間成分，在儲氣層內及分離器操作條件下，都不會進入兩相區，不會有凝結油形成。這類油氣大都屬於由細菌生成的生物氣，臺灣南部新營及官田二氣田都屬於這種類型。
油氣層流體的相態行為，必須經由具代表性的樣品在實驗室中以相態試驗儀測試才能獲得。然而代表性樣品通常並非來自第一口成功的探勘井，往往是在油氣田生產之初才取樣，其間已經過一段時日，如何判別第一口成功探勘井的類別？石油工業累積多年經驗，可從探勘井的地層測試所得的氣油比、原油比重、顏色及油氣組成的資料做初步判斷。
油田的產油動力來源
儲油層的石油能流到井底產出，主要靠油層內的壓力。當油層內的油氣產出一單位體積後，如無其他流體流入補充其原先所占的空間，油層內的壓力勢必逐漸下降而停產。使儲油層內的油氣持續生產的驅油機制稱為驅油型態，主要可分為：溶解氣驅（溶解在石油中的天然氣膨脹）、氣頂驅動（僅指石油上層天然氣的膨脹）、水驅（油層旁的水層膨脹）3類，分述如下：
溶解氣驅 這種驅油機制的油田下面的水層，屬封閉型且範圍相當小。在產油過程中油層壓力下降後，地層水進入原先儲存油氣空間的量微乎其微。起初壓力下降時仍是單相液態油，主要靠油本身因壓力下降而膨脹使油產出。但一般這階段的採收率僅約2至5％左右。若壓力持續下降至低於泡點壓力，油中的溶解氣開始釋出小氣泡，壓力下降愈多，氣泡愈多，同時愈膨脹成大氣泡而推送原油流至井底產出。
這種驅油機制的油田生產特性是：油層壓力下降快；生產時，地層壓力下降到氣體起泡的壓力前氣油比維持不變，到泡點壓力後快速上升；一般無伴隨產生水；採收率低，僅約5～25％。
氣頂驅動 油層內如果油帶上含有氣帽，且其下面水層是封閉型且範圍很小，不具水驅作用，即屬氣頂驅動。通常這類油田的生產井的穿孔生產區間位於油帶中，保持氣帽的氣體，以利用氣帽的膨脹把原油推向井底。含氣帽的油層都是飽和油，其油層壓力位於黑油的兩相區內或泡點壓力曲線上。
氣頂驅動油田的生產特性是：相對於溶解氣驅油田，其油層壓力下降較慢；無伴隨產生水；位於構造高區的生產井中氣油比增加較快；通常會保持氣帽，不生產氣帽中的天然氣，直至廢棄前才生產；採收率依氣帽大小、構造形貌及儲油層垂直向的滲透率而定，介於20～40％間。
水驅 儲油層下部必須是開放型水層，或範圍很大且滲透率佳、厚度足夠的封閉型水層。當油層壓力下降時，地層水會膨脹而侵入原儲存原油的空間，維持油層壓力。雖然水的壓縮係數僅約4.4 × 10-5／atm，但只要水層體積夠大，即使油層壓力僅下降約7個大氣壓，地層水因膨脹而侵入原儲油空間的量就相當可觀。水驅型油田的生產特性有：油層壓力下降較緩慢；氣油比變化較小；位於構造低區的生產井會先產出水；採收率約在30～65％。
氣田生產及採收率
從儲氣層生產天然氣的動力主要來自天然氣的膨脹，換言之，當生產井打開後，井底的壓力下降時，天然氣由距離井口遠處地層的高壓處流向低壓的井口處而產出。氣田的生產機制有兩種。一種是原先儲存天然氣的空間固定不變，稱為耗竭型氣田；另一種類似水驅型油田，地層水會侵入原先儲存天然氣的空間。耗竭型氣田完全靠氣層氣體本身因降壓膨脹而生產，廢棄時氣層壓力較低，採收率約75～90％。水驅型氣田廢棄時氣田壓力較高，採收率約55～75％。當儲氣層的岩性異質性愈高時，採收率愈低。
儲油氣層中的油氣（稱為油氣層流體）是在自然界中由多種碳氫化合物混合而成，在世界上所發現的油層或天然氣層裡，都是多成分碳氫化合物地層。儲油層內所含油氣最初發現時，如果以液態存在，稱為油田，以氣態存在的則稱為氣田。
含液態碳氫化合物的地層稱為油層（或儲油層），基本上，油層可分為黑油及揮發性油，氣態的天然氣層可分為乾氣、溼氣及凝結油氣。儲油層內促使油氣持續生產的機制稱為驅油型態，主要可分為：溶解氣驅（溶解在石油的天然氣膨脹）、氣頂驅動（僅指石油上層天然氣膨脹）及水驅（油層旁的水層膨脹）3類。溶解氣驅採收率低，僅約5～25％，氣頂驅動採收率約介於20～40％，水驅採收率約在30～65％。
