油氣探採:上山下海尋覓油氣

 
2017/06/05 傅衣健 | 台灣中油股份有限公司探採研究所     386
 

油氣成藏的產生,在時間順序上先要有生油岩的沉積、埋藏、加熱、成熟而產生油氣,同時儲油岩和蓋岩已經沉積且構造已成形,並座落在油氣上浮運移的路徑上。

 

溯源於中國

 

講起油氣探勘,得提到3個要件,兩項關於技術,一項關於人,我們對尋覓油氣有特殊天賦的人稱之為「找油人」。技術方面,一是尋找油氣藏的地下位置,二是鑽井,這兩項技術都源自於中國。尋找油氣藏,拿一個最簡單的背斜構造地質為例,古代中國人從地表的特徵斷定背斜構造的存在和位置。但構造有多深、有沒有油氣、如何把裡面的油氣拿到地面上,就看鑽井技術和人的堅持了。

 

自古以來,石油天然氣便對當地的人提供了藥品、潤滑劑、防水劑和能源。中國以石油為燃料,在《漢書.地理志》就有記載,1303年則已經開鑿石油井,載於《大元一統志》,用來做燃料和藥品。天然氣的最早記載也出於《漢書.地理志》。晉代張華所著《博物志》記述了三國時期(西元220~280年)四川邛崍一帶天然氣的採用情況,當時用人力挖掘的井「縱廣五尺,深二、三丈」,產出的天然氣用來煮鹽。

 

古代油氣都是因為流到地表而被人類發現的,鑽井去取就算是探勘了。據說到了西元4世紀,中國的石油井已經鑽深到二、三十丈了。鑽探的目標多是背斜地形,即地底下隆起的地形構造,油氣常藏在其中。這類的油氣藏是中國首先發現和認識的,稱之為龍脈。

 

四川的井鹽長久以來是國家的命脈,相隨的鑽井技術也應運而生,用來鑽鹽井和天然氣井。北宋在西元1041~1048年間頓鑽式鑽井技術已經成熟,所鑽的井直如竹筒而稱為卓筒井。鑿井時,用圓刃鐵銼鑿出的井口如碗大,深數十丈,用巨竹去節套接成為井壁,蘇軾在《蜀鹽說》裡曾提到。

 

早年,世界各地都是用頓鑽法鑿水井,但中國的技術遙遙領先。1835年,頓鑽式的天然氣燊海井鑽深已經超過1千公尺。這時期的自貢市,百年間有幾萬到幾十萬人同時在此生產井鹽,規模之大,絕不輸於當時歐美任何的工業重鎮。中國的鑽井技術也就在這時由四川傳到德國。另外從17世紀起,法國人發明了另一套旋轉鑽井術,到了20世紀初,較有效率的旋轉鑽法完全取代了頓鑽法。

 

一千多年來鹽政都屬國營壟斷事業,加上中國向來重士農輕工商,雖然鑽井技術很早就發明了,被稱為中國的第5大發明,卻進步遲緩。

 

世界油氣近代史

 

美國的近代石油史起自賓州,賓州的石油在19世紀初都是在地表收集的。直到1859年8月27日,德雷克(Edwin Drake)才成功地用頓鑽機鑽了第1口自流油井,在賓州櫻桃鎮21.2公尺下找到石油。德雷克井號稱世界第1口現代油井,從此賓州成了煤油、潤滑油的供應地。

 

直到德州的盧卡斯(Anthony Lucas)在紡錘山鹽丘上用旋轉鑽機打到高產自流石油,世界由此改變。紡錘山早被認為有石油蘊藏,從1892年起,9年間無數的乾井和破產後,迎來了1901年1月10日的狂喜。紡錘山井在鑽到147公尺時噴油了,油柱高達50公尺,經過9天才封住,噴失的油接近100萬桶。聞風而來的淘黑金人群讓博蒙特市的人口瞬時增加了5倍,墨西哥灣從此進入石油的版圖。

 

與此同時,中東出現了一位堪稱典範的找油人,就是出生於英國的雷諾斯(George B. Reynolds)。1901年,他受僱於達西(William Knox D'Arcy)到波斯(今伊朗)探勘石油,開始了他22年的找油人生涯,找到了兩個世界級的產油盆地,一個在伊朗,一個在委內瑞拉。直到今天,這兩個國家的可採儲量排名世界第4和第1。

 

1907年,達西的公司不斷虧損、重組後,命令雷諾斯停止鑽井。但他不聽命令,終於在1908年1月23日成功發現超大型的蘇拉門寺院油田。金主們成立了安格魯波斯石油公司,也就是後來的英國石油公司。1911年他被解僱,轉而投效殼牌石油公司,到委內瑞拉找石油,11年後再度發現超大型羅莎油田。這兩個發現奠定了這兩家石油公司百年的基業,如今在非國營公司中仍然排名第2和第3。

 

雷諾斯的時代,英國和意大利已經有了地質年代的研究,但全球地質年代的對比才剛剛萌芽,更不要說了解石油系統的全球性,還有它和地質年代,盆地形態的關係了。但是雷諾斯找到的兩個油田雖然相隔十萬八千里,卻有相同的地質年代,盆地形態。這純屬巧合,還是他遠遠走在知識的前端,就不得而知了。

 

外海油氣探勘要從加州說起。加州早期發現的油田在海邊,而且延伸到海裡,促成了海上鑽井的發展。19世紀末,找油人就修建百來公尺長的碼頭到海裡,在上面鑽井採油。到了20世紀初,墨西哥灣的沼澤區已經起用獨立於水上的鑽井平台了。二戰後,固定支架的鑽井平台已可以在墨西哥灣離岸十幾公里、水深10公尺的外海鑽探。

 

尋找油氣藏的技術發展

 

在找油氣藏方面,隨著科技進步,重力、磁力、聲波、電磁波等都用來做遙感探測。每口井也用類似的應力和放射線測量它穿過岩層的岩石和液體的物性,同時截取岩屑和岩心樣品。加上地質、地物和地化等基礎科學的發展,對資料與樣品的取得、分析、解釋不斷進步。凡此種種都為了探明地下岩石的種類、年代、溫度、形狀和所含液體。其中,聲波震測技術的發展由1維、2維、3維到時差3維,更是對油氣藏的發現與確定發揮關鍵作用,顯示出地下3度空間的形貌。

 

有了3度空間的形貌,石油公司開始研究石油系統,也開始重視風險。石油系統指的是整個沉積盆地的演化和油氣成藏的關係,包括:油氣產生 –含生油岩的沉積、埋藏、加熱、成熟而產生油氣;油氣運移– 生油岩產生的油氣如何運移到儲油岩;儲油岩– 儲油岩的沉積和埋藏,原生孔隙率的保持和再生孔隙率的形成,使得油氣能夠儲存和流動;蓋岩封阻–油氣在儲油岩內聚集而不會向上流失需要緻密的蓋岩來封阻;油氣成藏 – 油氣藏必須儲藏在蓋岩的構造圈閉內。

 

在一個盆地能否找到油氣,這5個條件缺一不可,而且在時間順序上不可錯位。先要有生油岩的沉積,再需要埋藏、加熱、成熟而產生油氣,在產生油氣的時窗裡,儲油岩和蓋岩已經沉積,構造也已成形,而且座落在生油岩產生的油氣上浮運移的路徑上。

 

新的盆地要做兩輪風險評估。第1輪對整個盆地某一類型的油氣藏就依這5項做風險評估,整個風險成功率就是單項成功率的相乘。例如,每一項的成功率都是8成,整個風險成功率就是0.8的5次方,只剩下3成。第2輪對特定的構造再做同樣的評估,假使成功率仍然一樣是3成,兩輪合起來就只剩1成,這大約代表在一個盆地裡發現新的油藏類型的成功率。發現油氣後,第1輪的風險成功率就變成百分之百了,其他同類型的油藏目標只需做第2輪評估,成功率可上升至3成以上。

 

近60年來,外海探勘就在鑽井和震測技術不斷進步下,由淺海、深海到超深海和鹽層下,全球海域盆地的探勘技術已經成熟,陸上崎嶇地形的探勘也可以完全用直升機運補,唯一的地域限制只有環境和價格的考量了。例如,南北極區、國家公園和環境脆弱地區是限制探勘的。加上優秀找油人跳脫框架的另類看法,在科技進步中點綴一些令人興奮的傳奇發現,也讓唱衰油氣枯竭的人多次跌破眼鏡。

 

頁岩氣的例子

 

最好的例子是近10年來興起的頁岩油氣探勘,對將來油氣供應起了翻天覆地的影響,同時引發了另一場資源競爭。頁岩油氣蘊藏在盆地的中心,也正是人類首選的宜居之地。加上頁岩油氣礦區面積大、鑽井數量多,讓這個一向為人詬病的汙染工業直接進入民宅的後院。

 

頁岩氣的存在是眾所周知的,只是沒有人相信可以生產而已,除了米契爾(George Mitchell)。他堅信生產頁岩氣只是工藝問題,花了10年的時間,用盡市場上成熟的科技,證明頁岩氣是可以經濟開發的。

 

因為頁岩油氣是直接從生油岩中生產,選擇的又是已發現油氣的盆地,傳統的風險成功率是百分之百。再加上一口井的生產不會改變它壓裂範圍外油藏的原始狀況,因此每一口井都是獨立的。傳統的油藏模擬,經濟分析,循序探勘、開發、生產的概念都不管用了,每一口井都集探勘生產於一身,有獨立的經濟效應。

 

至於資源競爭,指的是與人類居住的資源,如土地、空氣、水和環境的競爭。舉例說,世界第1個頁岩氣田涵蓋了人口稠密的美國德州達拉斯機場周邊13,000平方公里。試想在台灣所有的平地,10年內鑽1萬6千口井,能夠不擾民嗎?

 

在美國東北部的另一個頁岩氣田,面積相當於2∕3個賓州(兩個台灣)。這氣田的開發提供了東北部的能源需求,但它延伸到紐約州的部分仍然被紐約州政府禁止開採,擔心的是對環境的破壞,如汙染飲用水,產生甲烷氣、地震、噪音和破壞交通。

 

成功的找油人

 

事隔100年後,一個成功的找油人依然要像20世紀初的查理一樣,可以從不完整而且局部甚至互相牴觸的資料中,尋找嶄新的連接方法來重組它們,創建一個出人意外的解釋,令人驚艷又正確的預測模型,發現新的油氣藏類型。

 

當然,隨著科技的進步,容易發現的油田已經耗盡。一個找油人更需要有跨領域的淵博知識,跨越不同資料類型及尺度的處理能力和實際經驗,並且能接納及綜合其他專家的意見,建立一個令人信服的預測模型。最後還得有一張能言善道的嘴,說服出錢的老闆鑽一口井去尋找新類型的油氣藏。

 

石油探勘是一種高風險、高回報的行業。有人說,找油人都是樂天派的夢想家,他們相信一夜致富,在不到十分之一的成功率下,一而再,再而三地推銷他們的主意,尋求金主來圓夢。在替代能源還無法取代油氣的當下,為了滿足全球能源的需求,我們還真需要這種人呢!