115 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

初級採收（Primary Recovery）是利用油藏原有的天然能量，使油由地層流向井筒並產至地面。生產時，油、氣、水被採出，油藏壓力下降；地層流體與岩石膨脹，或外來水體流入，補充被採出流體留下的孔隙體積。初級採收不以注入水、氣等外加流體作為主要驅動力。

採收率以原始地層石油量為基準：

$$R_p=\frac{N_p}{N}\times 100\%$$

其中 $N_p$ 為累積採油量，$N$ 為原始地層石油量（OOIP）。各驅動機制的採收率是油藏條件下的典型範圍，會受油品黏度、地層非均質性、井位與生產操作等因素影響。

解題方法

作答時先界定初級採收是「利用天然油藏能量」，再逐項說明能量來源、流體如何移動，以及常見的採收率。主要機制包括溶解氣驅、氣帽膨脹驅、水驅及重力排油；實際油藏常由數種機制共同作用，表列範圍屬概略值。

驅動機制	原理與特徵	典型採收率
溶解氣驅（solution gas drive）	壓力下降至泡點以下，原溶於油中的氣體逸出並膨脹，推動油流向井筒。氣相逐漸增加時，氣體通常比油更容易流動，產氣油比上升，油藏壓力與產油量也會較快下降。	約 5–30% OOIP
氣帽膨脹驅（gas-cap drive）	油藏頂部原有自由氣帽，生產後氣帽氣體膨脹，提供能量並推動油向產油井移動。氣帽膨脹配合重力分異時，可改善油氣分離與排油效果。	約 20–40% OOIP
水驅（water drive）	與油藏相連的含水層（aquifer）因壓降而膨脹、向油藏補水，維持壓力並將油推向生產井。強水驅通常壓力維持較佳，採收率較高；若水過早突破產油井，也會增加產水並影響採收。

核心觀念

天然氣剛從井口產出時，通常不是可直接輸送或銷售的純甲烷，而是含有液態水、凝析油、天然氣液（NGL）、酸性氣體及其他雜質的混合流體。地面處理的目的，是依天然氣的成分與用途，將不需要的液體和雜質分離或降低至規格範圍，避免腐蝕、管線堵塞、水合物形成及燃燒或輸送問題，並回收可銷售產品。

解題方法

依「先分離井口流體，再去除氣體中的雜質，最後調整壓力與品質」的流程說明，即可完整回答。主要處理項目如下：

1. 氣、油、水初級分離

井口產出的流體可能同時含有天然氣、凝析油或原油，以及地層水。先經氣液分離器或多相分離器，利用相態、密度與流速差異，分出氣相、油相與水相。視產量與流體性質，分離器可採兩相或三相設計，也可串接多級分離，以回收凝析液並降低後續設備負荷。

分出的水通常需另行處理；含油液體則可進一步穩定或回收。這是天然氣地面處理的起始步驟。

2. 脫水

天然氣中的水蒸氣若在管線內冷凝，會造成腐蝕；在低溫、高壓條件下也可能形成天然氣水合物，堵塞管線、閥件與設備。因此須將水分降至輸送或加工規格。

常見方法包括：

• 吸收法：使天然氣與三甘醇（TEG）接觸，水蒸氣被甘醇吸收；富甘醇經再生後循環使用。
• 吸附法：利用分子篩等固體乾燥劑吸附水分，適合要求較低含水量的場合，例如低溫處理前。

3. 脫酸與脫硫

若原料氣含硫化氫（H₂S）、二氧化碳（CO₂）等酸性氣體，須進行脫酸處理。H₂S 具毒性且有腐蝕性，CO₂ 會降低天然氣熱值，也可能在有水時增加腐蝕問題。

核心觀念

本題考石油由生油岩到儲集層的「移棲」過程。依移動階段分為：

• 初次移棲（primary migration）：石油自低滲透的生油岩排出，進入較具滲透性的運移層或儲集岩。
• 二次移棲（secondary migration）：石油在運移層或儲集層內，沿孔隙、裂隙或斷層移動，最後進入圈閉並聚集。

解題方法

依「排出生油岩 → 沿通道運移 → 進入圈閉聚集」逐段說明作用機制：

1. 生油岩內的排出與初次移棲 生油岩埋藏加深後，壓實與生烴使孔隙流體壓力升高，促使油氣從細粒岩石排出。排出途徑包括孔隙網絡及短暫形成的微裂隙；壓實造成的流體壓力梯度也能協助排出。油氣進入較粗粒、較高滲透性的運移層後，初次移棲完成。

2. 運移層中的二次移棲 油氣密度通常低於地層水，因而受浮力驅動向上移動；若存在流體壓力差或地下水的水動力流，也會造成運移。油氣會沿砂岩等多孔、可滲透岩層，或沿裂隙、斷層等通道移動。

核心觀念

房柱法的礦柱設計，核心是比較兩件事：

1. 礦柱能承受多少載重：即礦柱強度 $S_p$。
2. 開採後礦柱實際承受多少載重：即礦柱應力 $\sigma_p$。

兩者的比值為安全係數：

$$F.S.=\frac{S_p}{\sigma_p}$$

安全係數愈大，表示礦柱承載餘裕愈大；若 $F.S.<1$，代表估計應力已超過估計強度，礦柱不具穩定性。設計時須依煤層、頂底盤、開採深度、採礦順序及可接受風險，採用適當的安全係數，而不能只憑單一通用值判定。

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解題方法：依序評估強度、應力與安全係數

一、蒐集現場與試驗資料

先整理會影響礦柱承載能力及載重的資料：

• 煤層埋藏深度、厚度、傾角及覆岩密度。
• 礦柱的寬度、長度、高度、形狀，以及相鄰巷道寬度。
• 煤體節理、裂隙、層理、風化與破碎情形。
• 煤樣單軸抗壓強度、現地煤體強度，以及頂底盤岩層與底板承載能力。
• 採礦範圍、採出率、採序、鄰近採空區與邊界條件。

現地煤體的有效強度通常低於完整煤樣的實驗室強度，因此不可不加修正地把完整煤樣強度直接當成礦柱強度。

二、估算礦柱強度 $S_p$

煤柱強度通常依現地試驗、礦場經驗與經驗公式估算。公式須配合礦區地質與礦柱幾何選用，不能將不同公式的常數或適用條件混用。

常見的 Bieniawski 形式為：

$$S_p=S_1\left(0.64+0.36\frac{w}{h}\right)$$

其中：

• $S_p$：礦柱平均強度。
• $S_1$：相應條件下的煤體強度。
• $w$：礦柱有效寬度；長方形礦柱通常須按所採用公式定義有效寬度。
• $h$：礦柱高度，亦即煤層採高。

此式呈現重要趨勢：在其他條件相同時，$w/h$ 增加，礦柱強度通常上升。實際評估仍須確認公式的試驗基礎、單位、尺寸定義及適用範圍。

另有 Salamon–Munro 等經驗公式，適用於特定煤礦資料與礦柱條件。選用時應以適用礦區的校估資料為依據，並確認原公式的單位制及礦柱尺寸定義。

三、估算礦柱應力 $\sigma_p$

初步設計常用分擔面積法（Tributary Area Method）。其假設為：覆岩重量由礦柱支撐，個別礦柱負擔其所分配的地表投影面積。

先由覆岩深度估算原始垂直應力：

$$\sigma_v=\gamma H=\rho gH$$

核心觀念

地球物理探勘是測量地下岩石或礦體的物理性質，利用礦體與圍岩之間的差異，推定有利地質構造及礦體位置。常用性質包括密度、磁化率、電阻率、導電率、彈性波速度與放射性。

探勘異常不等於礦床本身：異常可能來自岩性變化、斷層、地下水或地形等因素。因此，地球物理資料通常須配合地質、地球化學調查，並以鑽探或坑道驗證。

解題方法與各方法適用礦種

依量測的物理性質分類，逐一說明「原理—異常特徵—適用礦種」，即可完整作答。

方法	原理及判讀	常見適用礦種與用途
重力法	量測重力場的微小變化，校正地形等因素後分析重力異常。高密度礦體常造成重力高；低密度地層或空洞常呈重力低。	高密度金屬礦體，如鉻鐵礦、磁鐵礦、硫化物礦床；也可用於石灰岩、鹽丘等密度差異明顯的地質構造調查。
磁力法	量測地磁場的變化，利用磁化率或剩磁差異尋找磁性岩體、礦體及地質構造。	磁鐵礦、鈦鐵礦等磁性礦床；亦可間接追蹤與磁性岩體伴生的礦床、基盤起伏與斷層。
電阻法	將電流注入地下並量測電位差，推求地下電阻率分布。不同岩石、礦體及含水狀況的電阻率不同。	導電性良好的硫化物礦床、石墨礦床；也可調查含水層、風化層及礦體覆蓋層厚度。
激發極化法	對地下施加電流後，觀察切斷電流時的電壓衰減，或交流量測相位差。可充電性較強的礦物會產生明顯極化效應。	浸染狀硫化物礦床，如銅、鉛、鋅、金等礦化帶；尤其適合尋找金屬硫化物細粒浸染區。
自然電位法	不人工供電，量測地下自然形成的電位差；其來源可包括地下水流動、氧化還原反應及礦體電化學作用。	可用於尋找部分硫化物礦體，並調查地下水流與滲流路徑；通常需配合其他方法判釋。

核心觀念

本題比較碎礦機設在運搬直井的**上方（shaft-top crushing）與底部（shaft-bottom crushing）**時，對礦石運搬流程、設備配置、施工維護及故障風險的影響。判斷關鍵是：碎礦發生在礦石進入直井之前或之後。

設於直井上方時，礦石先破碎再入井；設於直井底部時，較大塊礦石先經直井下放，再於底部破碎。

解題方法

逐一比較兩種配置的運搬設備需求、直井利用率、空間與施工條件、維修便利性，以及故障對整體生產的影響。答案宜指出各自的適用條件，避免只列優缺點而未說明原因。

直井上方設置碎礦機

優點

• **降低直井堵塞風險：**礦石先破碎至適當粒度後再入井，可減少大塊礦石卡在井筒、井口或卸礦處的情形。
• **提升直井運搬效率：**粒度較均勻，較容易控制裝載與下放作業，直井及相關運搬系統也較不易因大塊礦石而受阻。
• **便於集中處理：**可在地表或井口附近設置破碎、篩分及轉運設備，方便與後續地表輸送系統銜接。

缺點

• **井口端設施與空間需求大：**需在直井上方設置破碎機、受料槽及相關輸送設備，增加地表或井口區的建置需求。
• **破碎後才進入直井，仍須承受垂直運搬：**碎礦後的礦石需經直井下放，因粒度較細，可能增加粉塵、漏料與井筒清理管理需求。
• **井口破碎設備故障會限制入井供料：**破碎機或受料系統停機時，礦石無法順利進入直井，容易造成上游採掘與裝運作業受影響。

直井底部設置碎礦機

優點