油氣探採:窺探地層的祕密

 
2017/06/05 古月萍 | 台灣中油股份有限公司探採事業部     343
 

在實際鑽井之前,都是借助地面地質資料作圖法、重力、磁力、電磁及震波來獲取地下構造的資訊。然而無論地物探勘法的精度有多高,從地表偵測地下總有其不確定性,而油氣探勘開發需要精確的地層信息。

 

獲取地下信息最直接的方法就是鑽井,直接觀察獲取的岩芯,並進行岩石分析。但採取岩芯的成本很高,因此在鑽洞的井孔中探測地下岩層的井測技術應運而生,其中發展最快、應用最廣的是電測。

 

井測技術

 

井測的技術融匯了物理學和地球科學。古典物理學中的熱力學、聲學、光學、電磁學,近代物理學中的電子學、X射線學、光電學、原子物理、化學和電化學都是這些技術的基石。礦產資源如地下水、金礦、煤礦、石油、天然氣等的探勘和開發過程,提供井測技術一個無限寬廣的研究方向與實際應用空間。

 

地質科學家在探究地下岩層信息時,井測技術是非常有效的工具,可探究岩層的組構、化學組成與形成過程,進而研判油氣所在,做為探採的依據。早期,地質學家利用井測技術進行不同井孔裡具有近似導電特徵層段的對比。隨著井測技術的進步,應用於地下構造繪圖、儲集層描述及沉積學解釋,井測結果也可用來辨識裂隙或提供岩層礦物資訊。

 

井測原理

 

1927年,法國人斯倫貝謝兄弟(Conrad and Marcel Schlumberger)發明了半連續式的電阻率測量技術,利用設有多個金屬電極的膠木筒做為簡單探頭,把探頭放入井孔,並利用一條纜線連結探頭與地表,因此這項技術也稱為纜線測錄。透過這條纜線,可以下放探頭至井孔內部並提拉以控制探頭的位置。而這條纜線內部由多條纜線構成,除了供應探頭電源外,也把探頭量測獲取的資料傳回至地表。

 

隨著技術演進,如今探頭也可以設置在鑽井時的鑽鋌上,然其資料傳至地表時需考量鑽井泥漿柱的影響。由於操作過程不同,這項技術又稱為隨鑽測錄。

 

井測是利用纜繩吊掛儀器,放入井徑約20公分左右的井孔,在小幾何空間、高溫壓條件下,進行地下地層的測量和記錄。直接測量的岩層參數包括井徑、溫度、壓力、地層傾角、伽瑪射線、自然電位、電阻率、光電吸收指數、聲波時差、密度、中子孔隙率、核磁共振時間、礦物化學元素成分等,透過多項的岩層紀錄了解井下地質。

 

不同井測儀器有不同的性能、作用、使用條件與範圍,因此需依據地質條件如區域性的岩性、物性、流體性質、層厚度等,鑽孔條件及泥漿特性,再加上鑽井工程與目的,組合多種針對性的井測儀器進行井測,蒐集岩層的各項參數以及補足地表震波分析的間接資料。

 

岩層紀錄反向推演

 

把岩層紀錄反向推演至地質資訊時,會出現多種看似合理的地質解釋,這歸因於實際量測記錄的岩層往往是異向性物質,而現有發展成熟的反推地質資訊方法如Archie公式多是針對均質性物質。因此,井測數據結合井孔內採集的岩石與流體樣本的實驗室分析數據非常重要。也就是除了透過井孔窺探外,還透過鑽井泥漿的循環帶出岩屑或在井孔置入取芯工具採集岩芯,來觀察岩樣的岩性、物性、電性、含油氣的特性、生油岩特徵、地化指標、古生物分布和沉積環境判斷、構造及斷裂情況、地層傾角與地層接觸關係等。

 

探勘者運用井測獲得井孔中岩層的多種電測曲線,結合實驗室測量在特定深度取得岩樣的真實岩石與流體資訊,尋找最適合的反向從電測特性推演至真實地質資訊的公式,以及演算岩石物理參數如頁岩比率、孔隙率及孔隙內的含水飽和度,並把公式運用至未施行岩石樣本採集的相同層位地層。同時,透過裸孔影像觀察斷層,由岩石樣本沉積粒度垂向變化的關聯,指示沉積相的變化。

 

結合多口井孔岩層參數與岩石物理參數曲線、地層年代與沉積相資訊,進行區域地層對比,並應用於繪製地下構造、解釋構造運動歷史與區域沉積架構,以及從事後續流體數值量化模擬等工作。有了這些井測參數,就可以幫助我們認識地下地層的沉積環境、了解地下岩層的孔隙連通情況、岩石的壓密及膠結情況,以及孔隙內的流體特性和含量,進而找出油氣層位置,並做為地下油氣量化的根據。

 

井測曲線的解讀

 

每一種井測儀器的背後,都有其獨自的技術發展史,因此不同年代的井測曲線解讀法有所不同,在地質領域的應用層面也不同。早期,對於透過井測曲線的岩層岩相分類僅可分為低電阻岩相(一般的頁岩)及高電阻岩相(非頁岩)兩類。隨著井測儀伽瑪射線測井的引進,透過井測曲線的方式,能從岩層中識別出頁岩層。後來,伽瑪射線測井技術更發展至識別出地層的鉀元素、鈾元素及釷元素的圖譜,開啟了井測技術在地質領域的應用。

 

目前廣泛使用的中子 ─ 密度井測技術,以及光電吸收指數井測技術,能間接計算構成岩層的礦物組成。另外,較為少見的有地球化學井測技術的實際運用,科學家可藉此量測各種元素濃度隨井深的變化,再依據沉積岩、火成岩及變質岩岩石礦物特徵,演算這口井井下地質的岩石礦物組成。

 

上述的各種井測曲線的反演計算之所以能夠完成,主要是建構在對地層中的岩石礦物和流體特性的基本認知上。各種礦物一般具有一定的結晶構造,並有一定的化學成分和物理性質,這些物理性質包含了密度、彈性波傳播速度、電阻率、熱導率、放射性、磁化率、光電吸收係數、聲波孔隙度及中子孔隙度等。岩石孔隙裡的各式流體如油、氣或水也有其一定的物理及化學特性,能和礦物的物化特性區分。

 

井測技術的發展

 

利用井孔窺探地下地層的祕密是一門綜合學科,是探究地下地質的必經工作。除了廣泛應用在找尋地下埋藏的石油和天然氣之外,隨著人類對水源、自然資源、環境淨化及汙染源控制的需求,電測在地下地質研究的需求也在增長中。

 

繼1927年法國斯倫貝謝兄弟發明了電阻率井測技術之後,1939年,中國使用電阻率井測技術探勘石油與天然氣,直到1950年才出現聚焦式電阻率(側向)井測。1946年5月,美國德州油田採用法國人Doll提出的感應式電阻率井測方法。美孚石油公司和殼牌石油公司於1950年代初各自發展了聲波井測。1952年,Summer和Broding提出了單發雙收聲波井測儀,1964年,斯倫貝謝公司改進為雙發雙收的井眼補償聲波井測儀。

 

放射性井測又稱核井測,開始於1930年代末,由美國和前蘇聯首先使用自然伽瑪井測方法評估地層和區分岩性,後來發展為系列核井測儀。這些技術沿用至今,並仍不斷演進。台灣目前尚無自行研發的井測測量技術,主要利用工程外包取得地層電測資料,自行解釋地層的岩石特性及油氣概況。