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石油探採及處理:如何挖掘黑金

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鑽井這門工藝在中國古代可以說相當先進,可遠溯至3世紀初的蜀漢時代,在現在的四川省已經採用原始的機具(或鑽具)鑽鑿水井以汲取鹽水;同時發現了原油和天然氣,做為燃料來熬煮食鹽。明朝時,宋應星編寫的《天工開物》一書中,對當時四川鑽井的施工情況有詳盡的說明。

近代油井的鑽鑿肇始於1859年,美國賓州提塔維爾附近德瑞克油井的鑽鑿成功,開啟油氣鑽井的新紀元。該井井深69英尺半(21公尺),以頓鑽法(利用鑽具重量反覆衝擊地層來鑽井)施工,日產原油不超過10桶,卻從此在美國興起了探油的熱潮。

無獨有偶,清咸豐11年(1861年),臺灣通事邱茍在苗栗出磺坑後龍溪畔見有石油流出,原先不知為何物,以火試引,居然燃燒起來,始知可做為燃料。於是就在原處以人工開挖油井一口,深約3公尺,每日產出的石油四十餘斤,供燈火及醫藥使用,是臺灣石油探勘的開端。十餘年後,福建巡撫丁日昌奏請朝廷官辦開發石油,引用外國技術,向美國購買一套頓鑽機,並聘請美國鑽井技師3人,來臺在出磺坑鑽井。1878年鑽得石油,每日產量有千餘斤,與德瑞克井的成功相距不過20年,可說東西相互輝映。

鑽井原理

簡單地說,鑽井就是在地下鑽鑿一個孔洞至預期的深度,以發現可能蘊藏的油氣,並下套管以保護孔洞避免崩塌,使成為一個有用的油氣井。早期以頓鑽法鑽井,利用鑽繩底端所連接鑽具的上下衝擊力量,用鑽頭擊碎岩層產生碎屑。每衝擊進入幾十公分就要起出鑽頭,因為井底鑽屑多了就打不下去,必須改用汲筒去撈淨鑽屑,然後再放下鑽具(即下鑽)頓擊;如此反覆進行,直到達到目標深度為止。

頓鑽速度很慢,相當費時。1860年代法國人設計出旋轉鑽井法,管串及鑽頭可以透過轉盤帶動旋轉。鑽頭上的齒牙設計,可針對軟硬不同的地層,對岩石產生刮、鏟、削、磨的作用,再搭配泥漿循環(稍後有解釋),把鑽屑立即帶離井底,直到鑽頭上的齒牙磨損無法使用,才由井底起出(即起鑽)。更換新鑽頭之後,再放入井內(即下鑽)繼續鑽進,直到達預定深度為止。旋轉鑽法使鑽井作業突飛猛進,因而取代頓鑽法並沿用至今。

鑽井作業是以鑽頭進行挖掘地層岩石的工作,又稱為鑽進作業。鑽頭上裝接由鑽鋌、重鑽桿及鑽桿組成的所謂鑽井管串(鑽串)。鑽鋌是粗壯的厚壁鋼管,供增加鑽頭重量用。在鑽進過程中,鑽頭加重絕不可超過鑽鋌的重量,以免鑽串彎曲而影響井程(即鑽井軌跡)及上部鑽桿的壽命。另為了增加井底鑽串的垂直性,控制井程,有時也會在鑽鋌串的適當位置加入穩定器。

鑽鋌上面再接上重鑽桿,一般是15單根,用來緩衝鑽鋌與鑽桿轉接時的應力轉變。重鑽桿上面接鑽桿,隨著鑽進深度增加,每鑽進9公尺就在鑽串中追加一根鑽桿。

鑽井設備

一套鑽井設備所包含的項目相當多,依它們的功能及特性,大致歸類如下:

動力系統 鑽井動力早期都採用柴油機,直接帶動鑽機、泥漿泵,以及其他大型設備。近年來,重型鑽井設備已改為柴油電機組合,先由柴油電機發出交流電,經整流成直流電後,直接帶動鑽機、泥漿泵和轉盤的直流馬達進行各項作業。直流馬達的出力可調整大小,靈活度較高,適於鑽井的起鑽及下鑽操作,因優於交流馬達的固定出力而廣被採用。至於井上的其他小型設備如泥漿攪拌機、空壓機等,仍採用交流馬達帶動。

捲揚系統 包括捲揚機(俗稱鑽機)、井架、井架底座、天車(定滑輪),遊車(動滑輪)、大鉤、水龍頭、吊卡、鑽繩等,主要是用來升降鑽井管串及下套管串。井架分標準型及桅式型兩種:標準型類似電塔;桅式型則呈ㄇ字形,可自地面逐段安裝各桁架後平放在專用臺架上,利用鑽機本身的動力把整套井架豎立起來,不像標準型要一節一節往上裝,危險性較高。

井架高度自鑽井工作臺面算起,一般約43公尺。這種高度是因為每根鑽桿約9公尺,若一根一根地裝上或剝開,相當費時,為節省起、下鑽時間,常以單根鑽桿為一單位,三單根鑽桿稱為一立根,起揚後就豎立倚靠在井架上。井架除了需承受可能垂直荷重的5倍外,尚要能承受橫向的風力吹襲。現代製造的井架都有每小時160到200公里風速,約為中度颱風等級的耐風能力。

泥漿循環系統 內含泥漿泵、高低壓循環管閥、水龍帶、水龍頭、泥漿機械處理設備等,相當於人體的血液循環系統,而泥漿泵相當於心臟。泥漿的功能除清淨井孔、排除鑽屑外,尚可冷卻及潤滑鑽頭、支撐井壁不致崩塌、壓制地層壓力防止井噴,且因具有懸浮力可減輕井內管串的吊重等,是鑽井工程中很重要的一環。

泥漿是由搬土(一種黏土)加上水及專用的化學藥品摻配而成的黏性液體。泥漿經由泥漿泵抽汲後加壓,經地面高壓管線、立管、水龍帶、水龍頭進入井內鑽串,再從鑽串末端的鑽頭噴嘴射出。然後攜帶鑽屑沿著鑽串與井壁間的環孔上升回到地面,通過防噴裝置(防止噴井,噴井在稍後有解釋)及井口回流管,流到泥漿篩分離鑽屑(如果泥漿內有氣體混雜在內,則要啟動真空除氣機予以抽除),再經過泥漿機械處理設備濾除小粒徑或微細的固粒。

泥漿性質諸如黏度、比重、pH值等經駐井泥漿技術員於現場測試,如不符需求,則要添加藥品調整。

控制系統 鑽井儀表也是鑽井必須的設備之一,可用來了解鑽井時的井下狀況是否正常。其中有指重表指示鑽串重量,如果鑽串重量出現異常,則配合壓力表資訊,可研判鑽串是否發生破孔或斷掉。另外尚有轉速表、鑽井扭力表、大鉗上扣扭力表、鑽串壓力表(或稱泥漿循環壓力表)、電流表等,可用來研判鑽進作業是否發生意外或預先顯示事故徵兆。

較新的發展是用泥漿測錄儀結合網路,把所有鑽井資訊都綜合顯現在電腦螢幕上,無論在現場或遠端的辦公室,都可隨時全盤了解鑽井深度、泥泵衝次、鑽頭加重、轉速、泥漿循環壓力等,對於事故預防及追蹤都有莫大助益。

其他雜項設備 如鐵製儲油罐、儲水罐、儲泥罐、壓力水罐、壓縮空氣罐等,分別依需求儲存適當的容量,讓後勤補給供應無缺,靈活調度。

目前臺灣中油公司的鑽機都已組配成套,以便調度、維護及保養,並賦予編號。例如DE-60-2號鑽機,第一段的英文字母表示動力型式,本例的DE是指柴電式動力;第二段表示鑽深能力,單位是100公尺,因此60是指可鑽6,000公尺的井;第三段表示在同型鑽機中的第幾套,本例2是指第2套的意思。根據這種方式,可從成套鑽機的編號了解它的概要。

以DE-60-2這套鑽機而言,總共的運搬重量約1,200公噸,井架是桅式型,所需井坪大小(面積)約為95公尺×55公尺,泥罐坪是24公尺 × 16公尺。從第一輛車搬運設備進入井場開始準備鑽井(籌鑽)起,至籌鑽完成可以開鑽為止,約需一個月。若成套設備較小,所需時間就會相對縮短。

鑽井設備籌組完成後,就可準備鑽井(開鑽)。由於擔心表土層鬆軟,環孔循環泥漿到地表後會在鬆土層到處亂流,日久會影響鑽機井架基礎的穩固性,因此要先鑽一個大型導孔至堅固地盤處,放入鐵圈(稱為導管),鐵圈外面與地下土層的中間灌注水泥封固,以確保爾後鑽井作業的循環泥漿能正常回流。

如果在山區鑽井,有時會在籌鑽末期,以人力開挖5~6公尺深的孔洞到達硬地盤,然後下送入導管(或稱下導管)。至於在海域鑽井,常需要設置30公尺深的導管,這時非鑽大井孔不可。初期的下導管的工作,依地區及地表情況不同而異。

導管設置好後,再焊接橫流管到泥漿篩上,完成泥漿循環系統。另外尚有供鑽桿接管用的小鼠洞,以及供帶動鑽串旋轉的方鑽鋌放置用的大鼠洞,也都要在導管設置前鎚打好。

籌備鑽井

整個鑽井過程包括:首先由石油公司的專業地質師根據各種地層探勘結果,綜合石油生態系統判斷石油(含天然氣)可能儲存的位置,定出井位及目標深度;鑽井工程師則依地層資料,設計鑽井施工計畫,再發包交由鑽井公司及油氣井服務公司執行。一般規畫是鑽直井,即油氣目標是在井位正下方,鑽井時,盡可能地垂直往下鑽挖,不用刻意控制井孔的傾斜角度。

有時因目標上方是城市、湖泊或海域,不適合開闢為井場,這時為增加產量及方便管理,就須考慮鑽鑿定向井,俗稱彎井。定向井位與目標油氣層(有時不只一層)相互間的方向及偏距在計畫上都要規劃,井程(或鑽井軌跡)可以是直線或弧形,但弧形井程有曲率半徑上的限制,不可隨意轉彎。由於定向井操作風險較高,需要更周延的設計及施工,因此費用也較垂直井高出約 3倍。

由於科技進步,不斷研發出定向鑽井的新技術及新器材,目前已可在旋轉鑽進中同時偵測井程狀況,使定向井可精準鑽到距目標位置幾公尺內,井孔的傾斜角度也可從0度到90度以上(0度是垂直井;90度是水平井)。若最後一段井程的角度達89度或更高,延伸距離達300公尺以上時,就可稱為水平井,主要用來增加單口井的產量。

井位選定後,就可著手開闢道路及井場,並設置工作人員的住宿設備及井場用水等。接著依井深選用合適的鑽機,配合鑽機大小的運輸及安裝設備,決定合適的道路及井場範圍大小。

鑽頭 鑽串 效率

鑽頭的設計製造因材料科學的發展而有長足進步,早期的岩石鑽頭基本上有齒牙,用以挖掘地層。配合地層軟硬不同,齒牙也分別有長短設計。淺部地層地質鬆軟,用長齒牙鑽頭挖掘較快;深部地層地質硬實,用短牙齒鑽頭挖掘較有效率,也比較能承受重量不易折斷。齒牙的材質現已大部分採用硬度高且耐磨的鎢碳鋼或聚晶鋼石,減少經常更換鑽頭的時間。

為了配合旋轉鑽進,鑽頭設計成三錐,每錐各自旋轉,讓鑽錐軸心與井心有一偏差,可提高鑽井效率。鑽錐內有軸承承受轉軸的重量,軸承的壽命是較弱的一環。在高速旋轉中,難免會跳動,軸承易損壞破裂,嚴重者會導致鑽錐脫落,因此近年來有朝向無軸承設計的趨勢,聚晶鋼石鑽頭即為此代表,這種鑽頭底部全面鑲嵌錢幣狀的人造鋼石,增加重量,並以中轉速切削岩石,除增加鑽速外,尚可減少事故發生。

另外,鑽頭上含有數個循環孔,孔端配置噴嘴,可在泥漿循環時高速噴射,除了可馬上把鑽屑自齒牙清除帶走外,在鬆軟地層鑽進時更有效率。

提高鑽進效率可節省時間,也就可節省金錢。一般石油公司租用鑽井公司的鑽機,是以日計算,而鑽井費用占成本的最大比率,如能節省幾天,不無小補。因此選用合適的鑽頭、良好的井底鑽串組配,採用最合適的鑽重、轉速及動力的最佳化施工,進而縮短工期、提高效率,以及節省鑽井成本,已成為現代鑽井工程人員不斷努力及改進的目標。

分期鑽進 設置套管保護井孔

由於淺層油氣構造幾乎都已開發及鑽探,目前的探勘井都是深約3,000公尺的中深井,甚至更深。中深井或深井的鑽鑿要鑽過許多不同岩性的地層,這些地層都屬於沉積岩,井孔浸泡暴露在泥漿中過久,泥漿中的水分會滲透到頁岩地層,產生物理及化學作用引起井壁崩坍、井孔擴大。

另外,也有因不同地層的壓力差距過大,而須隔離泥漿與頁岩地層才能鑽進的情況。因此,必須設計分期鑽進,設置套管,並在環孔注入水泥以保護井孔。至於要分幾期鑽進,則依井深、地層壓力、地層岩性、有無特殊需求來保護地層,以及是否為定向井等因素而定。

以臺灣中油公司5,000公尺的深井為例,可採五期鑽進,各期的井孔分別設置不同口徑的套管。在第四期以後,套管可暫時掛在前期套管的下端,這類套管稱為襯管。若該井有油氣生產時,可再接回地面。

最後一期鑽完井孔後,利用電測研判是否有油氣生產價值。若無油氣潛能,則不放入套管,直接進行廢井工作;若有油氣跡象,則放入套管進行試油氣工作,再看結果是否達經濟效益,來決定要不要完井生產。若要生產油氣,就把襯管接回到地面,底部用水泥封住,並裝置油管生產,這口井就稱為成功井,否則稱為乾井。

鑽井風險在哪裡

鑽井作業不能保證一帆風順,尤其是超過5,000公尺的深井,在高溫高壓下泥漿及水泥性質不易掌控,產生不少後遺症。鑽井中,若井壁在泥漿中浸泡太久,頁岩層易因吸水軟化而崩塌,很可能造成管串被卡住,無法動彈,叫做卡鑽。如經搶救甚至打撈都無效時,管串會被埋掉,導致井孔不能使用而被迫放棄。這時必須移動井位重新鑽進,或在原井孔上方側向鑽出,使得生產成本增加。若是定向井,風險更高,是鑽井人員的夢魘。

另外,在鑽進中,如管串扭斷、穩定器翼片損毀掉落、鑽錐失落、工具不小心掉落等情況不斷,嚴重的會演變成打撈事故。又如鑽入低壓地層發生泥漿洩漏,因壓差關係也會造成卡鑽。

風險最高的莫過於噴井。通常在從未鑽過井的地區鑽第一口探勘井時,若遇到高壓地層,井內因泥漿柱壓不足會造成井內高油氣衝噴而出。若未及時控制,等高壓氣上升到地面就可能引起噴井。萬一不小心井場又著火,損失可就大了!這些事故的發生,除了人為疏失外,大部分都有徵兆可尋。雖不能完全避免鑽井意外或井噴事故,但訓練有素警覺性高的鑽井人員,應可在最短時間把危險降到最低。

只要油氣還是民生及工業使用的主要能源,油氣井的鑽鑿就會繼續存在。經過百餘年的探勘開採,淺層、交通方便的油氣田早已鑽探開採殆盡,人類被迫往深處地層、深海海域、極地及蠻荒僻野鑽探新的油氣田。成本不但持續增加,而且也有枯竭的一天,但在可預見的未來,油氣鑽探仍尚有可為。為了降低鑽井成本,以及克服愈來愈困難的探勘環境,鑽井新技術及新器材會陸續創新發展。只要油氣未被新的能源所取代,油氣鑽鑿仍有它創新成長的一片天。
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