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石油探採及處理:油氣田及其生產動力來源

100/09/07 瀏覽次數 19201
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%。
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