石油探採及處理：如何挖掘黑金
100/09/07
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高國忠｜
臺灣中油公司探採事業部
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。
