108 高普考高考三級 採礦工程 石油探採學 考古題詳解

核心觀念

本題測驗「石油地質學」中最核心的整合性評估架構——石油系統（Petroleum System）。考生需掌握由學者 Magoon & Dow（1994）所建立的經典理論體系，核心考點包含：

1. 石油系統的標準定義：涵蓋「特定成熟生油岩」與其衍生之「所有油氣聚集」，以及成藏必備的實體要素與動態作用。
2. 組成要素（Essential Elements）：生油岩（Source Rock）、儲集岩（Reservoir Rock）、蓋岩（Seal Rock）、上覆岩（Overburden Rock）。
3. 地質作用（Geologic Processes）：圈閉形成（Trap Formation）、油氣生成（Generation）、運移（Migration）、聚集（Accumulation）與保存（Preservation）。
4. 時空匹配與關鍵時刻（Spatial-Temporal Relationship & Critical Moment）：各要素與作用在時間序列上的先後匹配關係。

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解題方法

本題為經典申論題，作答時宜採取「先總括定義、後模組化剖析特性」的架構：

1. 破題定義：引用權威定義（Magoon & Dow, 1994），以嚴謹的學術語彙點出石油系統的邊界與內涵（強調成因聯繫與自然界線）。
2. 特性論述：將特性拆解為「實體要素的完整性」、「動態作用的連續性」、「時空配置與關鍵時刻」、「確定性等級」以及「具備視覺化表徵工具」五大面向，層次分明、條理清晰。
3. 實務連結：簡要說明該概念如何作為盆地油氣潛能評估與風險降低的決策工具，展現高普考評閱委員所重視的工程應用視野。

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選項分析

本題為高考三級申論題，非選擇題。作答評分標準與要點配置如下：

• 定義部分（約佔 30% 配分）：必須明確寫出「單一成熟生油岩發育系統」、「伴生之已知或未知油氣藏」及「成藏所需之要素與作用」，缺一不可；若僅簡略回答「有油有氣的地質環境」，得分將大幅縮減。
• 特性部分（約佔 70% 配分）：必須兼顧「靜態要素」與「動態作用」，特別是「時序匹配（Timing）」與「關鍵時刻（Critical Moment）」，此為區分一般考生與榜首考生的關鍵指標。

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解題技巧

1. 專有名詞精準對齊：答案中應標註關鍵英文專有名詞（如 Essential Elements、Processes、Critical Moment、Events Chart），能顯著提高閱卷老師的專業認同度。
2. 掌握時序核心陷阱：油氣系統成敗的關鍵在於「時序」。必須強調「圈閉形成」必須早於或同時於「油氣大量運移」，若運移發生時圈閉尚未形成或蓋岩破裂，系統即告失效。
3. 答題版面配置技巧：採條列式、縮排與粗體標題編排，字數控制在 600～800 字左右，符合國考試卷每題約 1 至 1.5 頁的黃金作答篇幅。

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【答案】

一、石油系統之定義

依據石油地質學權威學者 Magoon 與 Dow（1994）之界定，**石油系統（Petroleum System）**之標準定義為：

「一個包含單一成熟生油岩（Mature Source Rock），以及由該生油岩所產生、運移並賦存於自然界中所有已知與推測之油氣聚集（Hydrocarbon Accumulations），連同該油氣聚集成藏所必需之一切地質要素（Geologic Elements）與動態地質作用（Geologic Processes）的天然地質實體。」

核心觀念

油氣探勘之地球物理方法，係利用地下岩層及地層流體之物理性質對比（Physical Property Contrasts），自地面、空中或井下量測天然或人為引發之物理場變化，藉以推斷地下構造形態、地層層次、沉積環境及儲集層流體性質之技術。

本題之核心物理觀念與對比物性包括：

1. 彈性與密度對比（震波法）：岩層之聲阻抗差（Acoustic Impedance, $Z = \rho \cdot v$，其中 $\rho$ 為岩石密度，$v$ 為震波速度），產生反射波與折射波。法向入射反射係數公式為： $R = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} = \frac{\rho_2 v_2 - \rho_1 v_1}{\rho_2 v_2 + \rho_1 v_1}$
2. 密度對比（重力法）：依據牛頓萬有引力定律量測地表重力微小變化（重力異常 $\Delta g$），反映地下岩石密度差異（$\Delta \rho$）。
3. 磁化率對比（磁力法）：量測地球總磁場異常（$\Delta T$），反映沉積盆地基盤或火成岩侵入體與沉積岩之磁化率差異（$\Delta \kappa$）。
4. 電阻率／導電度對比（電法與電磁法）：烴類（高阻抗）與地層鹽水（低阻抗）存在極大電阻率差，利用天然或人工電磁場探測地下電阻率構造。

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解題方法

國考申論題面對廣泛性題目「請說明……之重要地球物理方法」，切入點應採取**「系統性分類 $\to$ 原理與物性 $\to$ 油氣探勘實務應用」**之層次化架構：

1. 整體探勘策略定位：依照探勘進程（區域普查 $\to$ 構造鎖定 $\to$ 儲層與流體直接辨識），建立「重磁奠基、震測為主、電磁輔助」之整體架構。
2. 分項論述各重要方法：

• 震測法（Seismic Methods）：油氣探勘絕對核心，詳述「反射震測」與「折射震測」。
• 重力探勘法（Gravity Methods）：區域構造與盆地輪廓評估。
• 磁力探勘法（Magnetic Methods）：沉積基盤深度與火成岩體圈定。
• 電法與電磁探勘法（Electrical & Electromagnetic Methods）：尤指受控源電磁法（CSEM）在深海油氣的直接烴類指示。
• 井下地球物理（井測，Borehole Geophysics）：將地表時間域資料轉為深度域與校正岩性之橋梁。

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選項分析（申論題答題評分要點解析）

本題為申論題，無選擇選項，評閱委員之評分重點與得分關鍵如下：

• 全面性（涵蓋四至五大方法）：若僅寫震測法，難以取得 15 分以上（滿分 20～25 分計）；必須囊括震測、重力、磁力、電磁法。
• 深度性（物性對比與機制）：每一種方法均須寫出「量測參數」與「岩石物理差異」（如聲阻抗、密度、磁化率、電阻率），不可僅列名詞。
• 油氣關聯性：不可單純默背通用地物原理，須緊扣「油氣地質構造」（背斜、斷層、鹽丘、沉積盆地基盤）與「直接烴指示（DHI，如亮點、平點）」。

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解題技巧

1. 記憶口訣：「重、磁、震、電、井」（按探勘生命週期：由廣域到局域、由低成本到高成本、由構造普查到流體細查）。
2. 避開常見陷阱：

• 震測探勘在油氣工業以**反射震測（Reflection Seismology）**為絕大主軸，切忌把大篇幅花在地震學的「天然地震芮氏規模」或工程地質常用的「淺層折射震測法」。
• 誤以為地球物理可以直接「百分之百確認地下有油」。必須明確說明重磁屬間接探測，反射震測與電磁法則可提供直接烴指示（Direct Hydrocarbon Indicator, DHI），最終仍須經鑽井證實。

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【答案】

油氣探勘中的地球物理方法，主要係利用沉積盆地地層、岩性、構造與地層流體間之密度、彈性波速、磁化率及電阻率等物性對比，藉由地表或井中量測各物理場之異常，達成圈定構造、評估生儲蓋組合與辨識流體之目的。重要方法說明如下：

一、 震測探勘法（Seismic Methods）——油氣探勘核心骨幹

震測法在油氣探勘投資比例最高（佔地物預算 90% 以上），利用人工震源（炸藥、震波車 Vibroseis、空氣槍 Airgun）產生彈性波向地下傳播，接收自岩層介面折返之波形。

1. 反射震測法（Reflection Seismology）：

• 基本原理：彈性波在通過不同聲阻抗（$Z = \rho \cdot v$）之岩層交界面時，部分能量反射回地表，依據雙程走時（Two-Way Travel Time, TWT）與振幅變化計算地層深度與構造形態。
• 主要應用：

核心觀念

油氣層數值模擬（Reservoir Simulation）是油層工程結合計算流體力學（CFD）、應用數學與電腦科學的核心技術。其本質為利用數值方法（如有限差分法 Finite Difference Method），求解多孔介質中多相流體（油、氣、水）在非均質地層流動的非線性偏微分方程組。

控制流體流動的核心控制方程式由三大物理定律聯立推導而成：

1. 質量守恆定律（連續方程式，Continuity Equation）： $\nabla \cdot \left( \frac{\rho \vec{v}}{B_l} \right) + q_l = \frac{\partial}{\partial t}\left( \frac{\phi S_l}{B_l} \right)$ （其中下標 $l$ 代表油、氣、水各相；$\phi$ 為孔隙率；$S_l$ 為流體飽和度；$B_l$ 為地層體積係數；$q_l$ 為生產或注入源匯項）。
2. 多相達西定律（Multiphase Darcy's Law）： $\vec{v}_l = -\frac{k k_{rl}}{\mu_l} \left( \nabla P_l - \rho_l g \nabla D \right)$ （其中 $k$ 為絕對滲透率；$k_{rl}$ 為相對滲透率；$\mu_l$ 為流體黏度；$P_l$ 為流體相壓力；$D$ 為垂直深度）。
3. 狀態方程式（Equation of State, EOS）與流體相平衡：提供流體密度 $\rho$、體積係數 $B$、溶解氣油比 $R_s$、黏度 $\mu$ 隨壓力與溫度變化的 PVT 關係。

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解題方法

本題為典型的工程程序申論題，切入點應依循油氣層動態評估的「專案工程生命週期（Project Life Cycle）」展開。回答時不可只泛論「用電腦軟體計算」，而必須將模擬過程拆解為層次分明、邏輯嚴密的標準工程步驟：

1. 研究目標確立與模型選型（釐清工程問題與邊界條件）
2. 資料蒐集與品質控制（QC）（靜態地質與動態生產資料整合）
3. 靜態網格建立與屬性粗化（Upscaling）（地質模型轉化為數值計算網格）
4. 模型初始化與平衡檢驗（流體界面設定與原始地質儲量校正）
5. 歷史擬合（History Matching）（動態參數反演校正，模擬的核心技術點）
6. 生產預測與方案優化（Production Forecasting）（評估可採儲量與增產策略）
7. 敏感度與不確定性分析（風險量化並提出開發建議）

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選項分析（申論題答題結構要點剖析）

本題為高普考申論題，評分標準側重各階段工作內容的技術深度與邏輯連貫性：

• 前端資料整合與模型建構（佔分權重約 30%）：必須強調靜態地質資料（測井、岩心、相滲、毛細管壓）與動態 PVT 資料如何賦予網格節點，並說明為何需要進行「粗化（Upscaling）」。
• 歷史擬合階段（佔分權重約 40%，為全題關鍵）：歷史擬合是驗證模型可靠度的唯一依據。作答時須具體指出「調校哪些參數」（如相滲端點值、斷層傳導率、邊水推力強度）以吻合「哪些歷史動態觀測值」（如井底流壓、分相產量、氣油比、含水率）。
• 生產預測與決策應用（佔分權重約 30%）：需說明設定操作限制條件（Constraints）之必要性，並舉出常見的開發方案評估（如邊際水驅、注水/注氣二次採油、加密井 Infill Drilling、EOR 提高採收率）。

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解題技巧

1. 記憶口訣與心智圖：記憶流程可用「標、資、網、初、歷、預、報」七字訣（目標 $\rightarrow$ 資料 $\rightarrow$ 網格粗化 $\rightarrow$ 初始化平衡 $\rightarrow$ 歷史擬合 $\rightarrow$ 預測評估 $\rightarrow$ 決策報告）。
2. 專有名詞中英對照：閱卷老師極為重視專業術語的規範性，關鍵字如：黑油模型（Black-Oil Model）、相平衡（Phase Equilibrium）、粗化（Upscaling）、物質平衡（Material Balance）、歷史擬合（History Matching）、相對滲透率（Relative Permeability）務必標註英文。
3. 避免常見失分盲點：

• 盲點一：漏掉「模型初始化」。若未先平衡重力－毛細管平衡即進行運算，初始時間步（Timestep）會產生巨大的虛假數值流動。
• 盲點二：忽視歷史擬合的「非唯一性（Non-uniqueness）」。參數調整必須具備地質與物理合理性，不可漫無邊際地修改滲透率數值。

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【答案】

油氣層模擬（Reservoir Simulation）係指利用數值計算方法，在電腦中建立油氣層的多維多相流體流動模型，藉以重現油氣層過去的生產動態，並預測不同開發方案下的未來開採效能。其標準作業過程與工作內容可劃分為以下七個階段：

一、 模擬目標與模型選型（Study Objectives & Model Selection）

1. 確立工程目標：明確模擬的目的，例如：評估原始油氣地質儲量（OOIP/OGIP）、診斷底水錐進或氣頂氣穿問題、優化加密井（Infill wells）井位、評估注水/注氣二次採油（Secondary Recovery）或化學驅/熱採提高採收率（EOR）效益。
2. 選擇數值模型型態：

• 黑油模型（Black Oil Model）：假設流體相態僅取決於壓力，組分不隨動態相平衡劇烈轉變，適用於常規黑油及乾氣油藏。

核心觀念

本題測驗「天然氣工程」（Natural Gas Processing）中極為關鍵的單元操作——天然氣甜化（Gas Sweetening / 酸性氣體脫除 Acid Gas Removal）。

1. 伴生酸性氣體之組成與危害：

• 主要成分：硫化氫（$\text{H}_2\text{S}$）與二氧化碳（$\text{CO}_2$），有時伴隨微量硫醇（$\text{RSH}$）、硫化羰（$\text{COS}$）及二硫化碳（$\text{CS}_2$）。
• 危害與脫除必要性：
• 腐蝕管線：$\text{H}_2\text{S}$ 與水反應呈酸性，會引發電化學腐蝕及硫化物應力腐蝕破裂（SSCC）；$\text{CO}_2$ 溶於水生成碳酸（$\text{H}_2\text{CO}_3$），造成嚴重的碳鋼管腐蝕。
• 安全與毒性：$\text{H}_2\text{S}$ 為劇毒氣體，低濃度即可麻痺嗅覺神經，高濃度（$>100\text{ ppmv}$）可直接致命。
• 降低熱值與低溫凍結：$\text{CO}_2$ 為不可燃氣體，稀釋天然氣發熱量；在液化天然氣（LNG）深冷製程中，$\text{CO}_2$ 容易凝固析出造成管路與換熱器堵塞。
• 商品管輸規範：一般管輸標準要求 $\text{H}_2\text{S} \le 4\text{ ppmv}$（或 $< 1/4\text{ grain}/100\text{ scf}$）；$\text{CO}_2 \le 2\sim 3\text{ mol}\%$（LNG 製程則要求 $\text{CO}_2 \le 50\text{ ppmv}$）。

2. 脫除原理與分類： 依分離機制主要分為五大流派：

• 化學吸收法（Chemical Absorption）：酸鹼可逆化學反應（如烷醇胺法）。
• 物理吸收法（Physical Absorption）：基於亨利定律（Henry's Law）的高壓低溫物理溶解。
• 混和吸收法（Physico-Chemical Solvents）：結合化學與物理溶劑特性。
• 固體床吸附法（Solid Bed Adsorption / Scavenging）：物理分子篩或固相不可逆化學反應。
• 薄膜分離法（Membrane Separation）：利用高分子膜對不同氣體分子的溶解-擴散滲透速率差異。

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解題方法

本題為經典工程申論問答題，切入架構應掌握「定義危害與標準 $\rightarrow$ 依物理化學原理分門別類說明工藝 $\rightarrow$ 詳述工業主流流程（胺液法循環） $\rightarrow$ 歸納技術選型依據」，展現系統化工程思維：

1. 破題：界定酸性氣體種類與脫酸（甜化）規格。
2. 主體展開：

• 詳列四大主要脫除技術類別（化學溶劑、物理溶劑、固體吸附、薄膜技術），說明各自之作用機制、代表製程與反應特徵。
• 重點闡述應用最廣泛的「烷醇胺（Amine）循環再生系統」，畫出/描述典型工藝流程（吸收塔、閃蒸槽、換熱器、再生塔、重沸器）。

3. 收斂總結：說明實務上如何根據「進氣酸氣分壓」、「處理量」、「產品純度要求」及「是否需選擇性脫 $\text{H}_2\text{S}$」來挑選最適合的方法。

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選項分析

本題為高考三級申論問答題，無提供既定選項。以下針對工程實務上處理酸性氣體的五種核心技術途徑進行「優勢、劣勢與適用條件」之對比分析：

技術途徑	代表製程 / 吸收劑	作用機制與反應特點	優點與適用情境	缺點與限制
化學吸收法	MEA、DEA、MDEA、DGA、阻礙胺（Hindered Amine）	弱鹼性溶劑與弱酸性氣體發生放熱酸鹼中和反應；高溫下反應逆轉放出酸氣。	• 適合中低酸氣分壓與嚴格脫除規格。<br>• MDEA 具動力學特性，可選擇性吸收 $\text{H}_2\text{S}$ 而跳過 $\text{CO}_2$。	• 溶劑再生需消耗大量熱能（重沸器熱負荷高）。<br>• 易受降解、發泡及設備腐蝕困擾。
物理吸收法	Selexol（聚乙二醇二甲醚）、Rectisol（低溫甲醇）、Fluor Solvent	遵循亨利定律：氣體溶解度與分壓成正比；降壓閃蒸或輕微吹脫即可再生。	• 適合高酸氣分壓（總壓高、酸氣濃度高）之天然氣。<br>• 再生能耗極低，不需高溫水解熱。	• 在低壓下吸收容量差。<br>• 容易共吸天然氣中的重烴（$\text{C}_3^+$），造成烴類損失。
混合吸收法	Sulfinol 製程（環丁碸 Sulfolane + DIPA 或 MDEA + 水）	物理溶劑（溶解力強）與化學溶劑（深度淨化）之複配。	• 同時兼顧高酸氣分壓大容量吸收與低分壓深度脫除。<br>• 能有效協同脫除有機硫（$\text{COS}$、$\text{RSH}$）。	• 溶劑成本較高，組分濃度控制較複雜。
固體吸附與固定床法	分子篩（4A/5A/13X）、氧化鐵海綿（Iron Sponge）、ZnO 脫硫劑	物理吸附（孔徑篩分與表面吸附）或固相化學反應（如 $\text{ZnO} + \text{H}_2\text{S} \rightarrow \text{ZnS} + \text{H}_2\text{O}$）。	• 適用於**微量酸氣（Polishing）**或小流量偏遠井口。<br>• 設備構造極其簡單，不需連續液體循環。	• 硫容有限，固定床需定期更換或高溫脫附再生。<br>• 不適合處理大批量高濃度酸氣。
薄膜分離法	醋酸纖維素膜、聚醯亞胺膜	溶解-擴散機制；$\text{CO}_2$ 與 $\text{H}_2\text{S}$ 之滲透速率遠高於 $\text{CH}_4$。	• 佔地極小、重量輕、無化學液相外洩風險，極適合海上採油平台。<br>• 模組化彈性高，適合粗脫碳。	• 滲透膜存在壓降損失與烴類洩漏。<br>• 單級膜難以同時滿足極低殘留標準，壽命易受液滴污染。

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解題技巧

1. 破題關鍵在於分類的清晰度：切忌一開始就跳入單一製程的細節。考官評分重點在於考生是否掌握天然氣處理工程的技術光譜（化學吸收、物理吸收、固相吸附、薄膜技術）。
2. 化學吸收法的關鍵加分點——MDEA 選擇性原理：

• 第一級胺（MEA）與第二級胺（DEA）能與 $\text{CO}_2$ 迅速生成胺基甲酸鹽（Carbamate），反應速率極快：