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黑黝黝的液體黃金:石油採收技術與蘊藏量估算估算

93/10/05 瀏覽次數 6824
蘊藏量與資源量

石油是埋藏在地表下地層中的流體,廣義的石油包括原油及天然氣,但狹義的石油是指原油。埋藏在地層中的石油總量,稱為石油資源量,也稱為石油埋藏量。在石油的資源量中,具有經濟價值的可採收總量,稱為蘊藏量,又稱為可採蘊藏量。

按世界石油協會和美國石油工程師協會對石油蘊藏量所作的定義是:自某一估算時間開始,根據當時的經濟條件和採收技術,在可預見的未來所能夠經濟採收的石油總量。蘊藏量的大小和估算的時間起始點有關,若未特別提及時間,通常是以估算的時間點為起始點。

石油地層自初始生產至最後停止生產之間可以經濟採收的總量,稱為最終採收量。在已生產或已開發的礦區或地區,為了更清楚地指出該礦區是已經過一段開採期之後所估算的石油蘊藏量,而稱為剩餘蘊藏量。例如,在二○○一年所估算的世界原油蘊藏量大約是一千六百億立方公尺(1兆桶),天然氣蘊藏量大約是一百五十兆立方公尺,臺灣目前的天然氣蘊藏量(或剩餘蘊藏量)大約是一百億立方公尺,上述的蘊藏量並不包括未被發現的石油在內。

石油蘊藏量的多寡除了取決於石油資源量(或埋藏量)之外,也會受到採收技術及石油價格變化的影響。應用不同的採收技術會造成不同的石油產能–該地層所能生產的最大石油生產量(最大生產率)。通常,在石油開發生產的初期,石油產能較高,隨著生產時間的增長而逐漸遞降。當遞降至某一生產率時,因其收益(石油價格乘上生產率)不敷生產營運支出或不具經濟價值時,則停止石油的生產。

如果石油礦區在發現之初的產能就很低,低到所生產的石油收益無法支付生產營運支出時,就無經濟價值,不論該礦區含有多少石油資源量,其蘊藏量是零。但若石油價格上漲時,生產收益可以增加而達到經濟價值時,就值得去開採這個礦區的石油,其蘊藏量就不再是零。因此,石油價格上漲會使蘊藏量增加。

此外,如果石油價格不變,但採收技術改進,進而提高產能時,會使原先不具經濟價值的石油礦區,變成具有生產經濟價值。因此,技術的提高也可增加蘊藏量或最終採收量。 但石油原始資源量(或原始埋藏量)是不變的。

蘊藏量與資源量的比值是採收率,換言之,蘊藏量等於資源量乘上採收率。世界上各礦區的原油採收率大約介於5~30%之間,天然氣的採收率通常約為60~90%之間,但緻密地層中的原油或天然氣採收率很低。採收率大小和採收技術、地質條件、石油流動特性以及經濟條件有關。由於原油的採收率較低,所以,值得去研究原油的採收技術而增產或增加蘊藏量。在以下的生產技術改進討論中,若無特別提醒,所稱的石油是指原油。

初級採油法

在石油生產之前,必先鑽鑿生產井,並且裝設井下和地表的生產設備。天然氣井在開井後,因為高壓地層中的天然氣膨脹,使天然氣自動由地層流入生產井,再噴流至地表而生產。由於氣體容易流動,它的採收率較高。

在原油的生產方面,除了有些高壓地層的生產井,可以直接開井而自噴生產之外,通常要加裝抽油設備,以抽取地層中的石油。同時,地層的壓力把遠處的原油推向井囗。這種生產方式稱為一級採油或初級採油。世界上各礦區一級採油的原油最大採收率大約是25%,最低僅約5%。對於採收率偏低的地層,例如小於10%,若經評估可行時,可以實施其他增加採收率的方法。

為了提高石油採收率或蘊藏量,石油工程專家和學者已研究出各種增加石油產能的採收方法。以改善影響石油產能的重要參數,包括石油生產動力(地層壓力)、地層連通性質(地層滲透率)、以及流體流動性質(原油黏滯度)等。

水沖排採油法

由於石油生產的主要動力來自地層壓力,地層壓力大者產能較大。對於原來壓力低的地層或是生產一段時間之後壓力變低的地層,若地質條件合適時,可以將水注入地層,增加壓力,把其中的原油由注入井排掃至鄰近的生產井而採收,這種採收方法稱為水沖排採油法。

在水沖排的地層中,注水區前端與殘留原油區之間形成原油匯集區,該區向生產井方向移動,抵達生產井之後,石油的產能增加。在一九七九~一九八○年的石油能源危機之前,注水加壓生產原油是在一級採油之後實施,因此,又將水沖排採油稱為二級採油。

三級採油法

含石油地層在經過一段時間的生產後,如果在地層中仍然含有很多的殘餘原油(通常在85~90%以上),而且地質條件適合時,可以溉注化學藥劑(例如類似清潔劑的化學藥品),以改變地層孔隙表面的性質,使得原油在孔隙表面上的附著力降低,讓原油容易流動,增加產能或蘊藏量,這種技術稱為化學採油法。

混溶採油法則是使注入的氣體(例如二氧化碳)和地層殘餘原油混溶,降低原油的黏度,使不易流動的殘留原油變得較容易移動而被採收。在石油能源危機之前,化學採油法及混溶採油法是在二級採油之後實施,而曾被稱為三級採油。

增進採油法

在一九七九至一九八○年的石油能源危機發生時,美國政府為了增產石油,制定鼓勵各種增加石油採收的稅率減免條例。石油公司為了節稅,便儘早使用化學採油法、混溶採油法以及其他增產方法生產石油。因此,這些方法通常並不等到二級採油之後才實施,很可能在初級採油中就開始實施。所以,將化學採油法、混溶採油法、以及熱採法,統稱為增進採油法。

熱採法是用來採收地層中黏稠性高的原油。所注入的熱水、熱蒸氣或現地燃燒部分石油使地層的原油溫度升高,黏度降低,流動性提高,增加產能。增進採油法的採收率視採收法及地質條件而定,最高可達15%。

改進採油法

   除了上述將含有化學藥劑或是含熱能的液體注入地層的增進採油法之外,另有採用非注入流體而能夠增產的採收技術,例如液裂處理及酸處理等。能夠增加產能的所有方法,包括增進採油法、液裂處理以及酸處理等採收技術,統稱為改進採油法。

液裂處理是應用於地層孔隙連通性質不良,而造成石油流動不易的低滲透率地層或緻密地層,這種地層的石油生產能力很低,不具經濟生產價值。即使緻密地層的石油資源量很多,若不用增產技術,其蘊藏量則近乎零。液裂處理是在石油地層與井口連接處製造人工裂縫,增加石油流動至井口的路徑,而增加石油產能。石油能源危機之後,石油公司加強研究開發低滲透率地層的液裂處理技術,已使得一些原先沒有經濟價值的石油資源變成具有經濟價值。

上述改進採油法的使用時機及適用地層,要根據含石油地層的地質特性(例如地層厚度、孔隙率、均質性)、地層孔隙連通特性(例如滲透率)、石油流動特性(例如黏度)以及油價加以判斷及篩選,其間的採收率可以依據油層工程的計算原理去估算。

蘊藏量估算

石油蘊藏量的估算包括體積法、類比法、物質平衡法、油層模擬法、及生產遞降法等。

最容易理解且最直接的石油蘊藏量估算法,是體積法。該法是利用地質資料求得含石油地層的面積及厚度,計算含石油地層的總體積,由總體積乘上地層的孔隙率中含石油的百分比(孔隙中含有石油和水),便可得石油資源量或埋藏量。採收率的計算是根據油層工程的原理配合採收方法計算而得。在石油礦區探勘成功發現石油之後,由於已有鑽井資料和地質資料,可以利用體積法估算地層的石油資源量和蘊藏量。

在石油探勘時期或是在鑽鑿第一口生產井之前,雖然缺乏地質的工程資料,但為了某種需要,例如撰寫探勘計畫書而需要進行石油資源量和蘊藏量的預估時,可以採用類比法。這個方法是根據所要評估的石油礦區的鄰近地質資料和附近其他已開發或生產的礦區資料,利用其間的類似性,採用適當的蘊藏量評估方法估算該礦區的資源量和蘊藏量。由於缺乏礦區的現場資料,所以估算出來的蘊藏量估計值不確定性相當大,且不同評估者之間所得的結果差異性也很大。

當石油礦區進入開發或生產時期之後,所鑽鑿的井數增加,而且每口井都要經過測試和完井(加裝生產設備),因此有很多的工程和地質資料,在生產石油時,又有生產資料。這時除了可以採用體積法外,也可利用物質平衡法和油層模擬法來估算石油資源量和蘊藏量。

物質平衡法是利用礦區的工程資料(例如生產量、地層平均壓力,和石油與天然氣的特性等),並假設地層是均質岩層,可由物質平衡原理導出地層壓力隨著含石油殘留量變化的計算式,而估算礦區的資源量和蘊藏量,物質平衡法所得到的結果可信度很高。

當地層不均勻,或是採用特殊採油法的蘊藏量估算時,需要採用油層模擬法。該法是先導出流體在地層中的流動方程式,並考慮各種生產機制,而得到很多方程式,所以必須使用電腦來計算,因此也稱為數值模擬法。在應用計算時,先進行生產資料的核對模擬計算(稱為生產歷史資料調諧),以確認地質和工程資料後,再根據各種不同的生產條件,估算未來的生產率隨時間的變化、礦區的資源量和蘊藏量。此法所得到的結果較準確,但需要較專業人才、耗費較多的人力才能完成。

若礦區已生產一段時間,整個礦區的生產量開始下降,此時生產資料很多,可以根據礦區的遞降生產資料(生產率隨時間的變化),利用外插法計算未來生產率隨時間的變化,估算出石油或天然氣的蘊藏量,這方法稱為生產遞降法。由於礦區的生產己接近晚期,資料較完整,若未來生產方法和操作與先前相同,所估算的結果可靠性很高。

蘊藏量估算的不確定性

隨著探勘-開發-生產時期的演進,石油礦區的地質、工程和生產資料隨之增多,可以使用的蘊藏量估算法也增加,各種方法所得到的結果將趨近於相同。由於蘊藏量會隨著石油採收技術的改進和石油價格的變化而改變,因此要開採至礦區生產停止而廢棄後,所計算的蘊藏量結果才完全正確。換言之,在石油礦區停止生產而廢棄之前,所估算的石油資源量和蘊藏量都存在著某種程度的不確定性。
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