114 高普考高考三級 採礦工程 石油探採學與採礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考的是油氣探勘由大尺度區域評估，逐步縮小至可供鑽探的具體目標之分層架構。四個調查層級依序為：沉積盆地分析（basin analysis）→ 石油系統分析（petroleum-system analysis）→ 探勘組合分析（play analysis）→ 探勘目標分析（prospect analysis）。

各層級的差別在於研究範圍逐漸縮小、地質解析度提高，探勘決策也由「此區是否具油氣潛力」逐步推進到「應在哪裡鑽井」。

解題方法與四大調查階段

一、沉積盆地分析（Basin Analysis）

以區域或盆地為尺度，判斷該沉積盆地是否具備生成並保存油氣的基本條件。主要調查內容包括：

• 盆地的地質構造、形成演化與沉積史。
• 沉積岩分布、厚度及沉積環境。
• 有機質豐富的可能源岩、儲集岩與蓋岩的區域分布。
• 盆地熱史、埋藏史，以及油氣生成與成熟的可能性。

此階段通常綜合地質圖、既有井資料、地球物理資料及區域地球化學資料。目的在於篩選具有油氣潛力的盆地或盆地區段，決定後續調查是否值得投入。

二、石油系統分析（Petroleum-System Analysis）

在具潛力的盆地內，確認油氣生成、運移、聚集與保存所需的地質要素及事件是否彼此配合。石油系統的核心要素包括：

• 源岩：含有足量有機質，且熱成熟度適當，能生成油氣。
• 儲集岩：具孔隙與滲透能力，可容納並傳輸油氣。
• 蓋岩：能阻止油氣向上逸散。
• 圈閉：提供油氣聚集的空間。
• 運移路徑：使油氣能由源岩移至儲集層及圈閉。
• 時間關係：油氣生成、運移與圈閉形成及保存的時序須適切。

分析重點是建立盆地的埋藏史、熱演化與油氣生成史，並判斷源岩、儲集層、蓋岩和圈閉在空間與時間上是否形成有效配合。此階段由「盆地可能有油氣」進一步判斷「是否存在完整且有效的成油系統」。

三、探勘組合分析（Play Analysis）

核心觀念

鑽井泥漿又稱鑽井液（drilling fluid），是鑽井時循環於地面泥漿池、鑽柱內部、鑽頭噴嘴與井筒環空的工作流體。它可以是液體、氣體或氣液混合物；「泥漿」一詞不代表它一定是含黏土的液體。

本題考查兩部分：一是泥漿在鑽井作業中承擔的工程功能，二是依連續相或流體型態區分的主要種類。作答時應先列出主要功能，再依分類架構說明各類泥漿的組成、特性與適用情況。

解題方法

按「泥漿做什麼」與「泥漿有哪些類型」分成兩段回答。說明各功能時，需連結到井底清潔、井控、井壁穩定及鑽井效率；說明種類時，則以水基、油基及氣體／氣液系統為主分類，並補充常見子類。

一、鑽井泥漿的功能

1. 攜帶與懸浮岩屑，清潔井底 泥漿由鑽柱向下流至鑽頭，再沿井筒環空返回地面，將鑽頭破碎的岩屑帶出井外。停止循環時，泥漿的凝膠性可使岩屑暫時懸浮，減少岩屑沉積、卡鑽或埋鑽風險。環空流速、流變性及岩屑粒徑都會影響清孔效果。

2. 控制地層壓力，維持井控 泥漿柱的靜液柱壓力可平衡地層孔隙壓力，降低油、氣、水等地層流體侵入井筒的風險。靜液柱壓力可概念性表示為 $P_h=\rho g h$ 其中 $\rho$ 為泥漿密度、$g$ 為重力加速度、$h$ 為垂直液柱高度。泥漿密度須配合地層壓力設計；密度不足可能造成井湧，過高則可能壓裂地層並導致漏失。

3. 支撐井壁，維持井眼穩定 泥漿壓力對井壁提供支撐，並可透過適當的濾餅與抑制性，減少地層崩落、頁岩吸水膨潤、井壁擴大及縮徑等問題。泥漿與地層不相容，也可能引起井壁不穩或地層傷害。

4. 冷卻與潤滑鑽頭、鑽柱及井下工具 鑽頭與岩層摩擦會產生熱，循環泥漿可帶走部分熱量，並降低鑽柱、鑽頭與井壁間的摩擦，有助於減少扭矩、磨耗及卡鑽。

5. 形成濾餅並控制濾失 泥漿中的固體顆粒可在井壁形成薄而低滲透性的濾餅，限制液相向地層濾失，幫助維持井壁穩定與井控。濾餅若過厚或濾失控制不當，可能增加起下鑽阻力、壓差卡鑽或傷害產層。

6. 傳遞水力能量，協助鑽進 泥漿經鑽頭噴嘴高速噴出，可沖洗鑽頭底部、改善井底清潔，並將泵送能量傳遞至井底。適當的泥漿流變性與流量有助於維持鑽進效率。

核心觀念

本題考查傳統與非傳統油氣資源的賦存型態、可流動性及開發方式。分類重點不只是油氣成分或埋藏深度，而是油氣在地層中的分布與流動條件，以及要用什麼方法才能經濟開採。隨著技術、成本與市場條件改變，傳統與非傳統資源的界線也會變動。

• 傳統油氣通常在孔隙性、滲透性良好的儲集岩中聚集，受構造或地層圈閉控制，並有蓋岩封閉；油氣能在壓力作用下流入井筒，通常以垂直井或定向井開發。
• 非傳統油氣泛指分布較廣、滲透性低、流動性差，或須經特殊處理才能經濟開採的油氣資源。單靠鑽井常不足以使油氣穩定流入井筒，通常需要水平井、人工裂縫、熱採、礦採或地面加工等技術。

非傳統油氣資源種類

一、非傳統天然氣

1. 頁岩氣（shale gas）：天然氣賦存於頁岩等細粒、低滲透岩層中，常以水平井搭配水力壓裂增加產能。
2. 緻密氣（tight gas）：天然氣位於低滲透砂岩或碳酸鹽岩等緻密地層中，通常須經人工增產處理才能有效生產。
3. 煤層氣（coalbed methane, CBM）：甲烷吸附於煤的孔隙表面或賦存於煤層裂隙中；生產時常先抽降地層水壓，使甲烷解吸並流入井筒。
4. 天然氣水合物（gas hydrate）：甲烷等氣體與水在低溫、高壓條件下形成固態水合物，須藉由降壓、加熱等方式使其分解，再回收天然氣。

二、非傳統液態油氣

1. 緻密油／頁岩油（tight oil／shale oil）：液態原油賦存於低滲透緻密岩層，通常須用水平井及水力壓裂提高流動能力。
2. 油砂／天然瀝青（oil sands／bitumen）：原油黏度極高，常須露天或地下採礦，或以蒸汽等熱採方法降低黏度後採出，並可能經升級處理。
3. 油頁岩（oil shale）：岩石中的有機質主要是乾酪根（kerogen），不是可直接流動的原油；須經加熱乾餾等處理，才能轉化為液態油。

辨析：「頁岩油」常指低滲透頁岩或緻密岩層中的可採液態原油；「油頁岩」則是含乾酪根的岩石，須先經熱處理轉化，兩者不可混為一談。

解題方法

作答可依「氣、油分類，再比較開發條件」組織：

核心觀念

開採方法（Mining Method）是依礦床條件與工程、經濟及環境限制，選擇採取礦石、控制地壓、運搬礦石與處理採空區的一整套作業方式。題目考的是開採方法選擇的評估架構：方法必須符合礦床與圍岩條件，也須能安全、有效率且具經濟效益地回收礦石。

開採方法可先依採礦位置分為露天採礦與地下採礦，再依礦體形態及地壓控制需求細分。選擇時不能只看單一因素，例如礦石品位或開採成本，而須綜合比較安全、回收率、產能、成本及環境影響。

解題方法

可按「礦床條件 → 地質與地壓 → 生產與設備 → 經濟與外部限制」的順序說明，並指出各因素如何影響方法選擇。

1. 礦床與礦體條件

• 礦體埋藏深度與覆土厚度：覆土較薄且礦體延伸廣時，露天開採較具優勢；深部礦體通常須評估地下開採。
• 礦體形狀、大小與延伸方向：厚大、規則、連續的礦體，較容易採用規模化方法；狹窄、透鏡狀或形狀不規則的礦體，須考慮選擇性較高、能減少貧化的採法。
• 礦體傾角與厚度：傾角、厚度會影響採場配置、重力落礦與運搬方式，以及是否適合分層或分段開採。
• 礦石品位與品位分布：品位高低及其變化會影響可接受的貧化程度、選擇性開採需求與礦石截止品位。
• 礦石與脈石的物理性質：硬度、強度、脆性、節理及破碎性，會影響鑽孔、爆破、裝載、運搬與採場穩定。

2. 圍岩、地質構造與地壓條件

• 頂板、底板及礦體本身的強度與穩定性：岩體穩定性高時，可採用較大採場或較少支撐的方式；穩定性差時，須縮小採場、加強支護或採用充填等控制措施。
• 節理、斷層、褶皺、破碎帶與含水狀況：地質構造會增加冒落、突水及採場失穩風險，也會影響開拓位置與採場布置。
• 地應力與採深：深部高地應力可能造成岩爆、巷道變形或支撐需求增加，需納入採場尺寸、開採順序及地壓控制設計。
• 採空區處理與地表沉陷：須評估採空區是否充填、崩落或保留，以及對地表、既有設施和相鄰礦體的影響。

3. 生產與作業條件

• 預定產能與開採年限：大型、穩定產量需求會影響採場規模、機械化程度及開拓系統；短期或小規模礦體則須避免投入過多固定設施。
• 回收率與貧化率：方法應盡量提高可採礦石回收率，同時控制廢石混入。高品位或形狀不規則的礦體，通常更重視選擇性與貧化控制。

核心觀念

本題考的是房柱法（Room and Pillar）與長壁法（Longwall）在煤層中的採掘、裝煤、運輸、支護及工作面推進順序。答題時應依每種方法的典型作業循環說明，並指出兩者在採區布置、頂板控制與煤柱處理上的差異。

房柱法先將煤層切分為房間與煤柱，利用煤柱支撐頂板；長壁法則沿長工作面連續採煤，以液壓支架支護工作面，並在工作面推進後讓採空區頂板垮落或按設計管理。

解題方法

依「採煤 → 裝載與運輸 → 支護 → 工作面推進 → 頂板處理」的順序描述作業循環。房柱法須分別交代掘進採房與回收煤柱階段；長壁法則須交代採煤機、刮板輸送機與液壓支架如何配合循環前進。

房柱法（Room and Pillar）的開採作業循環

1. 巷道布置與切割採房 先依煤層厚度、傾角、頂底板條件與地質構造，規劃主巷、運輸巷及通風巷，並以巷道將煤層分割為一系列採房與煤柱。採房間保留規則排列的煤柱，以支撐上覆岩層。

2. 採煤與裝載 採煤機在採房內切割煤壁；視煤層條件，也可配合鑽孔、爆破。切落的煤由刮板輸送機或裝載設備送至連接巷道，再裝入礦車或連續運輸系統。

3. 運煤、通風與作業面推進 煤流沿巷道運至主運輸系統。通風巷與局部通風設備供應新鮮空氣、稀釋瓦斯並排除粉塵。採房工作面依預定方向逐步向前推進，留下設計尺寸的煤柱。

4. 頂板管理與安全檢查 施工期間持續檢查頂板、煤柱及巷道狀況，並依需要設置錨桿、金屬網或其他局部支護。煤柱尺寸與採房寬度須配合地壓、煤層及開採深度，避免煤柱破壞或頂板大面積冒落。

5. 回收煤柱（退採階段） 採區採房完成後，可按採礦設計退採並回收部分煤柱，以提高煤炭回收率。回收順序須配合頂板控制與撤退路線；煤柱回收後，頂板通常逐步垮落，採空區依計畫封閉或管理。若地壓或安全條件不允許，煤柱則保留，不進行回收。

**循環重點：**房柱法的日常循環以採房掘進、出煤及頂板管理為主；整個採區的後續退採則可能包含煤柱回收。

長壁法（Longwall）的開採作業循環

核心觀念

露天礦場爆破的環境影響，主要來自炸藥爆轟能量傳遞至岩體、空氣與周邊地區，常見項目包括：爆破振動、空氣衝擊波與噪音、飛石、粉塵，以及爆破煙氣。爆破也可能造成邊坡鬆動或落石，影響地形穩定與鄰近設施。

作答時應採「影響來源 → 可能危害 → 對應防治」逐項說明。防治的核心是合理設計爆破參數、妥善施工與警戒，並依敏感設施位置監測效果、調整作業。

法規部分，以命題當年（民國 114 年）法規為準。《礦場安全法》規範礦場安全管理與危險器材使用；《礦場安全法施行細則》包含爆破作業的安全要求。此題重點在環境影響與防治，毋須逐條背誦法條。法規後續如有修正，解題仍以命題當年法規為準。

解題方法：依爆破效應分類說明

一、爆破振動

**環境影響：**爆炸能量以地震波形式在岩體中傳播，可能使鄰近建築物、道路、管線及礦場設備產生振動或損壞；也可能使岩體節理擴展、邊坡鬆動，增加落石或崩塌風險，並造成居民不適。

防治對策：

• 控制單段最大裝藥量，採用毫秒延時、分段起爆，避免大量炸藥同時起爆。
• 合理選定孔距、排距、底盤抵抗線與裝藥結構，避免超深、過量裝藥及不良自由面造成能量集中。
• 鄰近建築物或最終邊坡時，採預裂爆破、光面爆破或緩衝爆破，減少對保留岩體的損傷。
• 避免在不利地質或不適當氣象條件下爆破；依現場監測調整裝藥量、起爆順序與延時。
• 在敏感建物、設施或邊坡設置振動監測點，記錄峰值粒子速度等指標，檢討爆破設計。

二、空氣衝擊波與噪音

**環境影響：**爆破產生的空氣壓力波與聲響會造成噪音、驚擾居民及動物；衝擊波過強時，可能使門窗或輕型設施受損，也可能造成作業人員聽力傷害。

防治對策：

• 減少單次起爆量，採用分段延時起爆，降低瞬間壓力波與聲響。
• 確保砲孔填塞長度及材料適當，避免炸藥能量由孔口逸散；妥善覆蓋爆區，並控制起爆網路與外露導爆元件。
• 選擇適當爆破時段，事前通知鄰近居民與相關單位，避免夜間或敏感時段作業。
• 對鄰近敏感點進行噪音或空氣衝擊波監測，超出管理值時調整設計與施工方式。
• 提供作業人員適當的聽力防護具，並落實爆破警報與疏散程序。

三、飛石

**環境影響：**岩塊可能飛出爆區，危及作業人員、居民、道路車輛及鄰近建築物，是爆破作業中直接且急迫的安全危害。

防治對策：