黑黝黝的液體黃金：尋找上天賦予人類的黑金資源
93/10/04
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謝昭輝｜
義守大學土木及生態工程研究所
能源探勘
古代生物遺骸經轉化形成石油和天然氣之後，油氣會經過移棲至適當的貯存聚集處，人類在這油氣的貯存處鑽掘油井，才能成功探測到油氣。那麼在這油氣探勘的過程中，如何在浩瀚的大地上找到最適合鑽井的位置呢？
首先，第一個想法就是，如果我們有像中國古代神話中的千里眼，能一眼看出蘊藏油氣的位置，這樣不就最能有效地挖掘到石油了嗎？沒錯，這也是專家學者們當初的第一個想法。因此，一些地球科學家，包括地質學家、地球化學家及地球物理學家，就開始試著借助各自專業的學識，從理論配合現代科技的工程發展而研發出多種探測儀器，努力探索地表下數百甚至數千公尺深的地層構造，找尋油氣貯存聚集的地方。
由於油氣密度較低，會沿著地層間的裂隙或地層顆粒間的孔隙向上移棲，直到遇到較為細緻的地層，像是泥岩或是頁岩做為蓋層，阻擋油氣分子繼續向上脫逸出去，這樣其下的地層就是一個適合油氣貯存的區域。為了找尋這樣適宜貯存油氣的地下構造，石油工業界均日以繼夜地在全球各地努力探測。現今一般油氣探勘過程都包括資料蒐集、資料處理、資料解釋及最後的鑽井等步驟。
首先，資料蒐集可從廣大的地區，依其地形特性，利用野外地質調查，做初步探勘以決定有油氣潛能的區域，然後再做進一步的精測工作。
地質調查
由於油氣成熟需要適當的壓力及溫度，以便將生物遺骸轉化為碳氫化合物，因此一般油藏都蘊藏在地下相當深的地方。早期，地質學家藉著野外地質調查，追蹤地層走向、傾角，並把具有油氣潛能的地層背斜構造，以幾何計算，推測可能的構造位置及深度，以提供井位鑽探開發油氣資源。
由於地下的地層構造，往往受到地球內部應力的作用，地下地層摺皺、錯動相當複雜，若僅由地表的地層分布狀態向地下延伸，常常會對地下構造的解釋，失之準確。為避免推估地下構造可能造成的錯誤，二次世界大戰後，油氣探勘界大量引進地球物理的方法予以改進。
重磁測勘
為了能夠快速地評估較有油氣潛能的地區，首先會利用重磁的量測方法，來決定地表下的沈積地層厚度。因為假如厚度不足，油氣在成熟過程中或在移棲中，就會逸散不見。雖然利用重磁測勘所獲得的重磁異常值，對沈積層厚度的變化反應較不敏感，但重磁測勘調查卻可藉車輛、船或飛機等運輸工具來完成。由於這些工具具有機動性高的優點。因此，在油源探勘計畫初勘時，這種調查方法對潛能區域的評估仍有重要的意義。
等到由初勘的結果中，發現具有潛能條件的區域後，接著才做進一步較精細的震波測勘。由於地下地層的岩性組成礦物、環境不同，致使每一岩層可能具有不同的物理特性，如震波速度、密度等差異，也因為彼此地層間的物理特性差異，對震波的傳遞會造成反射現象。我們便可藉著震波的反射，把各地層的界面描繪出來。若在整個探勘地區，藉著上述的震測方法做全面的調查探勘，則其下的地層構造就可以清楚地呈現出來。
震波測勘
為借助震波的反射來顯示地下的地層構造，首先需要能量造成震動以產生震波，猶如人工地震。 一般而言，能量產生的方式可分為炸藥式震源和非炸藥式震源兩大類。
炸藥式震源因使用炸藥爆炸產生震動，因此需要鑽孔放置炸藥，對地表會產生破壞。目前在陸上油氣探勘中，為了增加機動性和減少地面破壞，大多採用車輛式的振盪震源組做為震源。海上探勘，則大多採用裝置在測勘船上的高壓空氣槍陣列，以產生高壓空氣並在瞬間注入海中做為震源。油氣探勘可達到的地下地層的深度，視使用震源產生器的能量大小而定。
震源產生器產生的震波，在地層中傳遞，其能量會被地層吸收而減弱。地層對震波能量的吸收效應會與震波本身的頻率成正比，即震波的頻率越高，震波能量的衰減也越明顯。換句話說，頻率越高的震波，它傳遞的有效深度也就越淺。一般而言，震波頻率越高，對地層界面反應的解析能力也就越高，因此，對厚度較薄的含油氣地層，只有較高頻率的震波才能有效地反應出來。
記錄系統
為了把行進中的震波的反射訊號接收下來，以便做分析研究，需要有一記錄系統。此一記錄系統的原理和我們所熟悉的地震記錄系統相似，其中最主要的差異，是震測記錄系統知道產生震動的確實位置與時間，而自然地震的震源與發震時間則不定。
為提高反射訊號的品質和增進測勘工作的經濟性，目前一般都採用多頻道的震測記錄方式，同時記錄數百至千餘波道的訊號。此外，採用衛星定位系統標示地表測點的位置，以便能把訊號正確地套繪在地形圖或平面圖上。
由於震測儀所記錄到的震波紀錄，猶如我們所熟悉的地震紀錄一樣，包含各種有用及沒用的資訊。因此，需要做進一步的資料處理，把所希望獲得的訊號抽取出來，並把沒用的雜訊去除或壓抑，然後這些震測紀錄才能夠做為地下構造的解釋與評估油氣蘊藏之用。
資料處理
先前提到為加強反射訊號的品質，石油探勘界都採用多頻道方式記錄，每一次的炸測，同時記錄相當數量波道的反射訊號。因此，在使用這些資料時，必須把相同地層反射點的訊號相加在一起，才能提升反射震波的強度。
為了讓相同反射點反射回來的震波，經由不同測點記錄到的震波訊號可以相加在一起，必須把各自的反射震波訊號行進時間先修正到一致。為達到這目的，先對反射區地下地層做速度分析，以求得地下地層的速度函數，然後才能正確地對不同波道的反射波行進時間作修正，最後才可以相疊加在一起，以提升紀錄資料的品質。
接著，為去除或壓抑多種雜訊，如記錄過程中車輛或人員走動而引起的震動，沿地表面傳遞而非反射的訊號，或是受到周圍環境而反射或折射的訊號，在資料處理過程中，一般都需要做適當的濾波以濾除這些雜訊，強化地下反射訊號的品質。
經過上述的處理過程，將測線上每一測點的資料相連地排列在一起，就可展現出地下地層構造的訊息，也就是一般所稱的地下構造時間剖面。由於在野外所獲得的反射波訊號，是以反射波傳遞時間長短來反應地下反射地層的深淺，若欲了解地下地層構造的實際深度，則可借助地下地層速度函數將地下構造的時間剖面，轉換成地下構造深度剖面。
若地下地層構造平坦者，通常時間剖面與深度剖面所展現的特性非常一致。但是若地下地層摺皺或傾斜，則兩者間會有相當的差異。此外，若地下地層有不連續現象，例如斷層、一般稱為砂凸透鏡體的古河道遺留砂所形成的透鏡狀地形、以及地層厚度逐漸減薄的尖滅處等，則其不連續點會產生繞射現象。地層的繞射現象不僅會影響地下地層反射訊號的品質，有時也會在震測剖面上造成疑似背斜構造。因此，在一般的資料處理過程中，也常常會加上所謂的移位處理步驟，以去除此繞射現象。
資料解釋
以上所敘述，只是在一般油氣探勘過程中資料蒐集及資料處理的部分而已，有了這些經過處理的震測剖面，最後還是要由地質人員來判讀並解釋這些震測剖面所隱含的地質訊息，猶如醫師解讀在醫學中常用的超音波反應圖一般。藉由震測剖面結果來顯示地下地層分布情形和可能的地下構造，以找尋有油氣蘊藏潛能的地區及鑽探目標地層的深度，然後提出鑽探計畫供決策者參考。
由開始籌劃探勘工作至提出鑽探計畫，一切的研究分析都只是推測評估，至於能否鑽獲油氣，則需靠直接鑽井以驗證。雖然是良好的貯藏環境，但若沒有適當的油源移棲或恰當的成熟烴族，仍不能獲致油氣。
當在已選定的井位開始鑽探時，在鑽井過程中，有時需要摘取岩心與震測剖面上的紀錄訊號做比對，以利地下地質構造的解釋、檢測與修正。同時在鑽井過程中，常常伴隨著做一些電井測工作，以記錄在各不同深度地層的岩性物理特性，如速度、孔隙率、滲透率，或是地層組成岩性等。這些參數資料可以幫助地球化學專家，評估該地層的油藏潛能和解釋油源的生成年代及移棲過程，對油氣探勘事業具有很重要的意義。
海陸鑽探的差異
陸上的訊號記錄受波器，原則上採用電磁感應的線圈設計，而海域資料記錄受波器，都採用壓電材料製作而成，以記錄震波在水中傳遞時，造成水中壓力變化的情形。壓電材料能將施加於材料上的壓力轉換成電壓輸出，輸出電壓的高低與承受壓力的大小成正比關係。此外，在海上探勘由於沒有地形地物以供辨識，不像陸上有地形圖可供參考，因此，定位系統如GPS是必須的設備。
當一切的野外調查工作完成後，接下來必須靠直接的鑽井以驗證並生產油氣。在鑽井步驟中，為防止鑽井崩塌，常需隨時在鑽探過程中，置入鋼製套管以保護井壁。套管規格長度是8.5～10.5（陸上）或13（海域）公尺不等，而鑽桿長度約10公尺，因此，在鑽進一口深達數千公尺的井時，常常需要進行無數次更換鑽頭及下套管的工作。陸上井孔固定在井架下，操作較易控制，但在海上鑽探，因海水關係則較為困難。此外，海水深度會影響井架的架設與鑽井的進度，也是決定鑽探是否成功的關鍵。
在鑽井過程中，另一不可忽略的要素是泥漿。試想，從地表向下鑽一口數千公尺的井，也就是必須把井位下面數千公尺的岩石移除。原來位在井底的地層，驟然減少這數千公尺石頭的壓力，會使井壁周圍地層內的流體向井孔流動。為防止因井孔內外流體的壓力差過大而噴井，在鑽井過程中，須隨時把調製適當比重的泥漿灌入，以保持井壁內外的壓力平衡。
油氣資源的探勘工作，是一連串科學與工藝的結合。油氣探勘從早期由地表的油苗調查，直至今日發展出有如千里眼般的探勘技術，主要是拜地球科學界從業人員不斷的研究，電子工業的蓬勃發展，以及電腦的運算能力快速提升所賜，是由一群人不斷努力工作才獲致的成就。
化石燃料油氣需要長時間的醞釀才能成熟，非短時間可快速製造出來，也不是取之不盡、用之不竭的。因此，在享受上天賦予的黑金資源時，我們更應該以珍惜、嚴肅的態度來對待它，不是嗎？
