油氣探採:岩石的祕密

 
2017/06/05 楊志成 | 台灣中油股份有限公司探採研究所
蘇清全 | 台灣中油股份有限公司探採研究所     601
 
岩石夾帶著許多地球遺留下的古老訊息,舉凡氣候、自然環境、大氣成分及地殼變動的歷史,都可藉由岩石分析獲得必要的資訊。探勘人員通常會分析鑽井取出的岩心,以了解地底資源的分布。
 

地球的寶藏庫

 

地球上絕大多數的珍貴資源都埋藏在地底的岩石中,金屬礦產如金、銀和銅,非金屬礦產如鑽石、藍寶石、石灰岩和花崗岩,能源礦產如媒、石油、天然氣和油砂,水資源如地下水也視為礦產。地球上的岩石分成火成岩、變質岩和沉積岩,特定的岩石各有其特定蘊藏的礦產資源。若更了解地球上岩石的分布與特性,就有更充足的資訊探索地底下的資源,例如岩石分析的成果可以幫助探勘人員獲得更多資訊。

 

除了維持生命必須的水資源外,石油應該是當今世界上使用最廣泛的礦產資源。現代社會上使用的塑膠、纖維,絕大部分是由石油提煉而來的石化原料製作的 ,石油更是交通、工業和民生不可或缺的燃料。

 

石油來自埋藏地底的生物遺骸,在特定的溫度、壓力條件下經過數百萬年以上的時間轉化成石油或天然氣,這樣的生成背景使得石油99%以上都在沉積岩中發現。因此,石油探勘人員專注於沉積岩的分析,並藉由研究過去的自然環境演變推測可能埋藏生物的區域,並投入大量的資金鑽井探勘可能蘊藏石油的岩層。即便如此,全球探勘的平均成功率只有三成多。石油何其珍貴!

 

沉積岩在哪裡

 

既然石油來自於沉積岩,沉積岩在哪裡呢?就在沉積盆地裡!地殼的地形起伏造就崎嶇的地貌,地形高處的岩石被侵蝕、風化形成岩屑,經由水、風或冰川搬運堆積在地形低處。堆積在低處的岩屑稱為沉積物,堆積沉積物的地形低處則稱為沉積盆地,沉積物經過長時間的掩埋逐漸轉變為沉積岩。沉積岩以砂岩及頁岩的型態一層一層堆疊在沉積盆地中,透過由下而上的疊置定律,可解構沉積盆地的埋藏演化過程,進而探討油氣形成、移棲及可能存在的位置。

 

沉積盆地的各個區域由於地形、構造運動、距離海岸線或沉積物來源的距離不同而形成多樣的沉積環境,每個沉積環境都有其特有的岩石組合。比如,越接近河流上游,礫石越常出現,河流下游的沉積物則多以較細粒的砂或泥為主。

 

沉積學研究是利用今日觀察的岩石組合推測過去的沉積環境,並進一步討論沉積盆地的形貌、沉積物的內涵與特性、沉積盆地的形成歷史甚至地球的歷史,正所謂是鑑今知古。沉積盆地形成的歷史可做為判斷探勘區域是否具備產油條件的依據。

 

石油系統

 

產油的限制條件很多,舉凡生物遺骸的種類、溫度、壓力、轉化成石油所需的時間、石油形成的過程、石油的儲集和封存等,都是限制石油能否形成或保存的自然條件。當自然條件符合石油系統的模式時,才有產出石油的可能性。

 

石油以液態存在時稱作原油,氣態存在時則稱為天然氣,探勘人員常稱兩種形態的石油為油氣。產出油氣的石油系統包含:生油岩– 生成油氣的岩石,常是富含有機質的頁岩;儲集岩 – 把油氣儲存在孔隙中的岩石;蓋岩 – 覆蓋在儲集岩上的不透水岩層,使得油氣不隨時間逸散;封閉構造 –良好的封閉構造把分散的油氣聚集成油氣田,形成具經濟價值的礦區。良好的蓋岩只需考慮透水性及穩定性,分析的內容比生油岩和儲集岩單純,因此常把研究重心放在生油岩和儲集岩上。

 

岩心資料

 

自然界中,生油岩和儲集岩埋藏的深度大多超過3千公尺,必須投入巨額資金使用鑽井設備鑽探或開採油氣,才能取得地底深處的岩心來分析。鑽井設備的租用與持有費用昂貴,鑽井作業得不間斷地運作才能節省租金。在岩心取樣工作開始前必須選定適當時機停止鑽進,並再更換為取樣鑽頭才能進行後續取樣,現場駐井地質師需具備長久的經驗才能取得欲分析的岩石。

 

岩心資料昂貴且得來不易,岩心的保存、管理也就非常重要,通常依照上膠、取岩心栓、切割、裝盒、岩心庫保存的流程處理。一般較堅硬的岩石不需上膠,鬆軟的珍貴岩心則需上膠,防止遭破壞;取岩心栓供實驗室分析孔隙率及滲透率;切割成永久保存、觀察用及實驗用3部分;切割後的岩心以特製岩心箱保存,裝盒並保存在岩心庫內。永久保存的可做為日後岩心資料研討、教學訓練或博物館展示用。

 

提取與分析岩心資料所提供的資訊,並建置資料庫是必需的基礎工作。岩心分析可在直觀且最具真實性的岩心資料中提取想要的資訊,利用岩心描述,岩石薄片分析,孔隙率、滲透率測定,X光繞射分析,掃描式電子顯微鏡分析等方法,把岩石做定性描述與實驗室的定量分析。

 

岩心描述

 

岩心描述利用直觀的視覺,描述岩性種類與顆粒大小的變化、沉積構造。拍攝岩心照片是一項重要的記錄方式,可分兩套相片組,一套是未沾溼的,另一套是經噴水沾溼的,沾溼的主要目的是使某些層理或沉積構造顯得特別清楚,就可觀察某些沉積及地質構造特徵。

 

整合岩心描述的各種資訊,如岩性、粒徑分布的特徵、沉積構造及生痕化石的鑑別等,隨後把岩石有系統地分類成各種岩石相,並分析各岩石相之間的相關性,可發現特定的沉積環境有其特定的岩石組合。例如,河道堆積物的特性是極粗粒的砂岩、交錯層,並富含碳質物、樹葉與木片化石、粒級層等。而較低能量的河流支流的河岸及氾濫沉積的特徵是平坦的細顆沉積、豐富的碳質物,尤其是樹葉化石及小塊木片,偶有高能量的波痕。

 

薄片分析

 

把岩心樣品磨製成厚度0.03 mm的標準岩石薄片,以偏光顯微鏡鑑定其岩石種類是砂岩、頁岩、石灰岩,或火成岩類、變質岩類。岩樣經藍色灌膠處理,以方便辨識岩樣中的孔隙及裂縫。

 

岩石薄片分析項目包括礦物組成的百分比,泥質填充物、膠結物成分及碳酸鹽膠結物等在岩樣中所占的百分比,顆粒的粒徑、圓度及淘選情況,岩樣的組織結構,孔隙的分布狀況,以及孔隙中礦物的充填性質。有時也包括岩樣中最小、最大及平均粒徑的量測,視孔隙率的估計,裂縫特性的觀察等。

 

分析的結果是岩石薄片照片,展示岩石在顯微鏡下的特徵。岩石的非均質特性非常普遍,除與原來的沉積環境有密切關係外,在形成岩石過程中所產生的變化也相當重要。薄片分析能夠觀察岩石內部結構的各項微細特徵。

 

孔隙率和滲透率的測定

 

通常依岩性變化情況,在砂岩部分鑽取2~4枚水平岩心栓,測定孔隙率與滲透率。岩心的孔隙率可分為有效孔隙率及總孔隙率。有效孔隙率是指岩心中彼此相互連通的孔隙占全部體積的百分比,可採用孔隙率測定儀及氦氣孔隙率測定儀來量測。而岩心中除有效孔隙之外,尚有隔離不連通的孔隙。總孔隙率是指所有孔隙的總和占全部體積的百分比,採用體積計來測定岩心的氣體。孔隙率的大小決定岩石內部可容納的流體空間的大小,通常孔隙率大的岩石可蘊藏較多的水、油和空氣。

 

在分析岩心的採樣深度、真比重、假比重、孔隙率、氣體滲透率及液體滲透率等資料後,繪製成各種關係圖,如孔隙率與深度關係圖、滲透率與深度關係圖、孔隙率與滲透率關係圖,得到岩心的孔隙率與滲透率分析結果。滲透率高低決定流體通過孔隙的速率,滲透率高的岩石其內含流體較容易流通。

 

岩樣分析

 

岩心樣品磨成粉末後,進行X光繞射分析,分析礦物種類及黏土礦物組成百分比,即高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石等的含量。分析礦物組成的原理是利用特定礦物(如石英、鉀長石、斜長石或鈉長石、方解石、白雲石、鐵白雲石、菱鐵礦、黃鐵礦、雲母類及黏土礦物)的主要X光繞射峰的強度來判斷其含量的多寡,並以A代表大量(abundant)、C代表中量(common)、M代表少量(minor)、R代表微量(rare)來區分。所有X光繞射分析的結果都可直接與岩石薄片分析結果對比、相互驗證,獲得更正確的岩性分析結果。

 

掃描式電子顯微鏡分析屬於較精密的分析工作,主要目的是觀察岩樣的顆粒表面特性及孔隙充填情形,特別是黏土礦物的種類與形貌。通常是在岩石薄片分析工作完成之後,挑選較重要的岩樣進行電子顯微鏡分析。樣品需先去除水分,以銀膠或炭膠黏於掃描式電子顯微鏡專用的樣品台上,在表面上鍍金使樣品導電,才能置入掃描式電子顯微鏡的樣品室中觀察岩樣顆粒表面的各種特性,並拍照留存。