核心觀念

本題考查「石油系統（petroleum system）」的完整組成，以及如何將油氣探勘的地質概念應用於二氧化碳地質封存（geological carbon storage）。答題時應區分：

1. 石油系統的要素：地質條件是否具備。
2. 石油系統的作用過程：油氣如何生成、移動並累積。
3. 時間關係：圈閉與封蓋形成的時間，必須配合油氣生成與運移。
4. 保存條件：油氣形成後能否長期留存在地下。

解題方法

第一小題以「要素＋過程＋時間與保存」為架構，依序說明源岩、儲集岩、蓋岩、圈閉、覆蓋層，以及生成、排出、運移、聚集和保存等概念。

第二小題採用「類比石油系統、比較注入目的與地下行為」的方式作答。二氧化碳封存可借用油氣探勘中的源岩、儲集岩、蓋岩、圈閉、運移與封存完整性概念，但其流體來源、流動方向、操作方式及評估目標均與傳統油氣探勘不同。

（一）石油系統的各種要素（10分）

1. 源岩（source rock）

源岩是含有足量有機質，且在適當埋藏深度與熱演化條件下，能生成石油或天然氣的細粒沉積岩，常見岩性包括泥岩、頁岩及富含有機質的粉砂岩。

源岩須具備三項條件：

• 有機質含量足夠：可用總有機碳含量（TOC）評估。
• 有機質品質適當：有機質類型影響生成油或氣的傾向。
• 熱成熟度適當：埋藏加深後，溫度與時間使有機質轉化為油氣。

有機質在成岩及埋藏過程中大致經歷：

1. 成岩作用：有機質轉化為乾酪根（kerogen）。
2. 生油窗：乾酪根受熱裂解形成液態石油。
3. 生氣窗：更高成熟度下形成天然氣。

2. 儲集岩（reservoir rock）

儲集岩是能夠儲存油氣，並允許油氣流動的多孔性、滲透性岩石。常見儲集岩包括砂岩、碳酸鹽岩及裂隙發育的火成岩或變質岩。

主要評估性質包括：

• 孔隙度（porosity）：表示岩石孔隙所占體積比例，決定儲存容量。
• 滲透率（permeability）：表示流體通過岩石的難易程度，決定油氣能否流動及生產。
• 有效孔隙度：彼此連通、可供流體利用的孔隙比例。
• 潤濕性與毛細壓力：影響油、氣、水在孔隙中的分布。

良好的儲集岩必須同時具備足夠孔隙空間與連通性；孔隙度高但滲透率極低時，仍不利於油氣聚集與開採。

3. 蓋岩或封閉岩（seal rock）

蓋岩是滲透率極低的岩層，能阻止油氣向上逸散。常見蓋岩包括泥岩、頁岩、蒸發岩及緻密碳酸鹽岩。

蓋岩的封閉能力取決於：

• 岩性與礦物組成；
• 厚度與連續性；
• 斷層及裂隙發育情形；
• 毛細封閉壓力；
• 埋藏、變形及成岩歷史。

蓋岩不僅要能封住油氣，也須在地質時間尺度內維持完整性。若孔隙壓力超過蓋岩突破壓力，流體便可能穿越蓋岩而洩漏。

4. 圈閉（trap）

圈閉是能夠攔截並聚集油氣的地質構造或地層條件，使油氣不再沿浮力方向繼續上升。

主要類型如下：

• 構造圈閉：由褶皺、背斜、斷層或鹽丘等構造形成。
• 地層圈閉：由砂岩尖滅、沉積相變化、礁體或不整合面形成。
• 複合圈閉：同時具有構造與地層控制。

圈閉本身並不等同於儲集岩。圈閉是「幾何與地質位置上的攔截條件」，儲集岩則是「儲存與傳導流體的岩性條件」。

5. 覆蓋層（overburden）

覆蓋層是位於源岩、儲集岩與蓋岩之上的沉積地層。其主要作用包括：

• 提供埋藏深度與地溫，使源岩達到生油、生氣成熟度；
• 維持地下壓力與溫度條件；
• 協助形成適合油氣生成、運移與聚集的地質環境。

覆蓋層過薄，源岩可能無法成熟；覆蓋層的沉積與構造演化也會影響圈閉及蓋岩的形成。

6. 油氣生成與排出（generation and expulsion）

源岩中的乾酪根受熱轉化為油氣後，油氣必須從源岩中排出，才能進入運移階段。此過程受成熟度、孔隙壓力、岩石壓實及裂縫發育程度影響。

油氣生成量不足，或雖生成但無法排出，均會降低整個石油系統的勘探價值。

7. 運移（migration）

油氣從源岩移動至儲集岩的過程稱為運移，可分為：

• 初次運移：油氣由低滲透率源岩排出。
• 二次運移：油氣進入較具滲透性的地層後，沿滲透層、斷層或裂縫移動。

油氣運移的主要驅動力包括：

• 浮力；
• 壓力梯度；
• 地層水流；
• 毛細壓力差。

由於油氣密度通常低於地層水，油氣多具有向上運移的趨勢，因此容易在背斜高部、斷層封閉處或地層尖滅處聚集。

8. 聚集與保存（accumulation and preservation）

油氣抵達圈閉後，會依密度分層，通常形成上部天然氣、中部石油、下部地層水的分布。能否形成具經濟價值的油氣藏，取決於：

核心觀念

本題考查新發現油氣藏在尚無充分生產歷史時，利用「容積法（volumetric method）」估算地下原始油氣蘊藏量（initial oil/gas in place, OOIP/OGIP），再乘以採收率評估可採蘊藏量與經濟價值。

應區分：

• 地下原始蘊藏量：儲集層孔隙中原始存在的油或氣總量。
• 可採蘊藏量：地下原始蘊藏量乘以最終採收率。
• 經濟可採蘊藏量：可採量中，在油價、成本、技術及法規條件下具有經濟性的部分。

第一口井雖已鑽獲油氣，但資料尚不足以使用生產歷史或物質平衡法，因此主要採用震測構造解釋、測井、岩心及流體分析資料進行容積估算。

解題方法：容積法估算地下蘊藏量

一、估算儲集層岩石體積

由震測資料解釋構造頂面、底面及油水界面，計算封閉構造的總岩石體積：

其中：

• $A$：儲集層面積
• $h$：儲集層平均厚度
• $GRV$：總岩石體積（gross rock volume）

若需扣除非儲集岩層，應乘以淨厚比（net-to-gross ratio, $NTG$）：

其中 $NRV$ 為淨岩石體積。

二、估算含油氣孔隙體積

儲集層孔隙體積為：

其中 $\phi$ 為有效孔隙率。

油氣實際佔據的孔隙體積，須扣除原始含水飽和度 $S_{wi}$：

其中 $HCPV$ 為油氣孔隙體積。

三、換算為地面標準狀況下的油量

油在地下受壓及溶解氣影響，地下體積與地面體積不同，因此須使用原始油層體積因子 $B_{oi}$ 換算：

其中：

• $N$：原始地下油量換算為地面標準狀況的油量，單位通常為 STB
• $A$：acre
• $h$：ft
• $\phi$：小數
• $B_{oi}$：原始油層體積因子，單位 rb/STB
• $7758$：acre-ft 轉換為油層桶（reservoir barrel）的換算常數

若採用有效淨厚 $h_n=h \times NTG$，公式可寫成：

四、換算為地面標準狀況下的氣量

天然氣原始地層內量可表示為：

其中：

• $G$：原始地層氣量，通常以 SCF 表示
• $B_{gi}$：原始氣層體積因子，單位 rb/scf
• $43560$：acre-ft 轉換為立方英尺的換算常數

若使用氣體膨脹係數 $E_g$，且 $B_g$ 定義為地下體積／地面標準體積，則仍須以一致的 $B_g$ 定義進行換算，避免將 $B_g$ 與其倒數混用。

五、由原始蘊藏量估算可採量

容積法先得到地下原始油氣量，經採收率 $R_F$ 換算為可採量：

其中：

• $N_R$：可採油量
• $G_R$：可採氣量
• $R_F$：最終採收率

若評估經濟價值，還須進一步考慮油氣價格、開發井數、產能、操作成本、設備投資、稅費及折現率。因此，原始蘊藏量不等於可出售或可獲利的儲量。

各估算參數的取得方法

一、儲集層面積 $A$

主要由三維震測資料解釋取得：

1. 建立地震反射層位，追蹤儲集層頂界面與底界面。
2. 進行速度分析，將雙程走時轉換為深度。
3. 建立構造等深圖或深度構造圖。
4. 依油水界面、氣油界面及斷層封閉情形，圈定油氣接觸面。
5. 計算油氣充注面積及封閉構造面積。

第一口井資料只能證明該井位置有油氣，不能直接代表整個構造皆含油氣。因此須配合後續評估井、側向井及壓力資料修正面積。

二、儲集層厚度 $h$

儲集層厚度可由下列資料取得：

• 鑽井地質錄井及岩屑描述
• 電阻率、伽馬射線、密度、聲波及中子等測井
• 岩心觀察與岩心分析
• 地震資料推估地層連續性及厚度變化

應區分：

• 總厚度（gross thickness）
• 淨厚度（net thickness）
• 有效淨厚（net pay）

有效淨厚必須排除泥岩、低滲透層及未達油氣產能標準的部分，不能直接把整段地層厚度全部納入計算。

三、淨厚比 $NTG$

核心觀念

本題考查背斜構造封閉、油氣水分布，以及 Gussow’s Principle（Gussow 原理）。判讀圖形時，依序確認：

1. 構造最高點及最低閉合點。
2. 氣、油、水三相的接觸面。
3. 垂直封閉高度與水平封閉範圍。
4. 油氣沿傾斜方向運移時，各個構造的充填與溢流順序。

在重力分異作用下，密度最小的天然氣位於上方，原油居中，地層水位於下方，因此形成「氣在上、油在中、水在下」的分布。

（一）圖中 A～E

• A：氣油接觸面（Gas-Oil Contact, GOC） A 所在的水平面為天然氣與原油的分界。

• B：油水接觸面（Oil-Water Contact, OWC） B 所在的水平面為原油與地層水的分界。

• C：溢流點或溢流面高程（Spill Point／Spill Level） C 表示封閉構造中，油氣充填至此高度後，會由構造低側溢出，繼續向鄰近構造運移。

• D：構造封閉高度（Vertical Closure） D 為構造最高點與溢流點之間的垂直高差，通常表示：

$D=Z_{\text{crest}}-Z_{\text{spill point}}$

• E：構造封閉範圍或封閉寬度（Areal Closure／Closure Width） E 表示兩側溢流點之間的水平距離，代表該背斜構造在剖面上的封閉範圍。

（二）Gussow’s Principle

1. 原理內容

Gussow 原理說明：當油氣沿同一連續的儲集層或運移層，經過一連串彼此相連、且高程逐漸升高的構造圈閉運移時，油氣會先充填構造位置較低的圈閉；當該圈閉充填至溢流點後，多餘的油氣便會溢出，繼續向上傾方向運移，填入下一個較高的圈閉。

其基本順序為：

$\text{低位圈閉先充填}\rightarrow\text{達溢流點}\rightarrow\text{向上傾溢流}\rightarrow\text{高位圈閉後充填}$

2. 以圖形說明

在圖示背斜構造中，油氣由側向沿儲集層運移。由於油的密度小於水，油會在地層水之上聚集；天然氣密度更小，則聚集於原油上方，形成：

核心觀念

本題重點在於區分「岩化作用」與「成岩作用」的範圍，並說明碳酸鹽沉積物由鬆散沉積物轉變為碳酸鹽岩時，受到孔隙流體、埋藏深度、溫壓及生物作用所造成的變化。

兩者關係可概括為：

岩化作用是成岩作用的一部分，主要著重於鬆散沉積物如何變成具固結性的沉積岩；成岩作用則涵蓋沉積後、變質作用前所發生的各種物理、化學與生物變化。

解題方法

本題可分成兩個層次作答：

1. 先分別界定岩化作用與成岩作用，並指出兩者的包含關係。
2. 說明碳酸鹽岩成岩作用時，依沉積物所處的環境與埋藏階段，依序討論：

• 海相沉積物表面及近地表成岩作用；
• 淡水成岩作用；
• 深埋藏成岩作用；
• 隆起後的再次暴露與風化作用。

作答時應同時交代「作用機制」與「造成的岩石特徵」，例如溶解會形成鑄模孔隙，膠結會降低孔隙率，壓溶會形成縫合線，而白雲石化可能改變礦物組成及孔隙結構。

（一）名詞定義

1. 岩化作用（Lithification）

岩化作用是指鬆散的沉積物，經由壓密、脫水、膠結及部分重結晶等作用，轉變為具有一定強度與固結性的沉積岩之過程。

主要作用包括：

（1）壓密作用（Compaction）

沉積物埋藏加深後，上覆沉積物重量增加，使顆粒重新排列、接觸面積增加，並排出部分孔隙水。因此通常會造成：

• 孔隙率降低；
• 沉積物體積縮小；
• 顆粒排列較緊密；
• 黏土及細粒沉積物產生脫水。

（2）膠結作用（Cementation）

孔隙水中的礦物成分在顆粒間沉澱，將原本鬆散的顆粒黏結成整體。常見膠結物包括：

• 方解石；
• 白雲石；
• 石英；
• 氧化鐵；
• 黏土礦物。

碳酸鹽岩中最常見的膠結物為方解石及白雲石。

（3）脫水與初期重結晶

沉積物在壓密及埋藏過程中排出孔隙水，部分不穩定礦物也會轉變為較穩定的礦物。例如文石及高鎂方解石，常在成岩過程中轉變為低鎂方解石。

因此，岩化作用的核心是：

2. 成岩作用（Diagenesis）

成岩作用是指沉積物沉積後，在未達到變質作用條件以前，於地表至地下埋藏環境中所發生的所有物理、化學及生物作用的總稱。

成岩作用的範圍比岩化作用廣，除包含壓密、脫水及膠結等岩化作用外，還包括：

• 溶解作用；
• 重結晶及新生變晶作用；
• 礦物置換；
• 白雲石化；
• 矽化；
• 壓溶作用；
• 生物擾動；
• 孔隙流體與岩石的交代作用；
• 隆起後的淡水淋濾及岩溶作用。

成岩作用通常發生於沉積物沉積後至變質作用開始前，主要影響因素包括：

1. 埋藏深度；
2. 溫度與壓力；
3. 孔隙率與滲透率；
4. 孔隙流體的化學性質；
5. 氧化還原條件；
6. 原始沉積物的礦物組成。

應特別注意，成岩作用不包括已進入變質作用階段的高溫、高壓礦物重組。

（二）碳酸鹽岩的成岩過程

碳酸鹽沉積物主要由方解石、文石及高鎂方解石組成，也常含有貝殼、珊瑚、棘皮動物碎屑、藻類碎屑及泥晶碳酸鹽。由於碳酸鹽礦物容易與孔隙流體反應，因此碳酸鹽岩的成岩作用通常比砂岩更活躍，且容易造成孔隙率與滲透率的大幅變化。

1. 海相早期成岩作用

沉積物仍位於海床或海水影響範圍內時，主要受到海水、生物及早期膠結作用影響。

（1）生物微鑽孔與微晶化作用

藻類、真菌及其他微生物會鑽蝕碳酸鹽顆粒表面，使顆粒邊緣逐漸轉變為泥晶碳酸鹽，形成微晶化作用（Micritization）。

其結果包括：

• 顆粒表面形成泥晶包膜；
• 原始顆粒結構被部分破壞；
• 顆粒間孔隙可能被泥晶填塞；
• 生物活動造成局部孔隙與微小通道。

（2）海相膠結作用

海水中的碳酸鈣可在顆粒表面及孔隙中沉澱，形成海相膠結物。常見型態包括：

• 纖維狀或針狀方解石膠結；
• 等厚包覆顆粒的等厚膠結；
• 棘皮動物碎屑周圍的附生方解石；
• 顆粒表面的外延生長。

海相膠結會使沉積物迅速固結，並通常降低初始孔隙率。

（3）生物擾動作用

底棲生物掘穴、搬運及混合作用，會改變沉積物的組織與孔隙分布，也會造成氧化還原界面及孔隙流體化學條件的變化，進而影響膠結、溶解及礦物生成。

2. 淡水成岩作用

碳酸鹽沉積物若因海平面下降、構造抬升或沉積間斷而暴露於大氣淡水中，淡水會沿裂隙及孔隙下滲，形成重要的淡水成岩作用。

（1）不穩定碳酸鹽礦物的溶解

文石及高鎂方解石相對不穩定，容易被含有二氧化碳的淡水溶解：

溶解作用可能形成：

• 貝殼或顆粒的鑄模孔隙；
• 粒內孔隙；
• 溶蝕孔洞；
• 洞穴及岩溶地形；
• 次生孔隙。

在地下水位以上的滲流帶，溶解及再沉澱常呈不均勻分布；在地下水位以下的飽和帶，則較容易發生方解石沉澱與孔隙充填。

（2）淡水方解石膠結

溶解出的碳酸鈣在水化學條件改變、二氧化碳逸出或溶液達到過飽和時，會重新沉澱為方解石。

常見膠結型態包括：

核心觀念

砂岩分類主要依據兩大項：

1. 砂岩骨架顆粒（framework grains）的礦物與岩屑組成
2. 基質（matrix）含量

砂岩是粒徑約為 $1/16$ 至 $2\ \mathrm{mm}$ 的砂級沉積物固結形成的碎屑岩。分類時先確認砂岩的粒度範圍，再以骨架顆粒的相對比例及基質含量命名。

主要骨架成分包括：

• 石英（Quartz, $Q$）
• 長石（Feldspar, $F$）
• 岩屑（Lithic fragments, $L$）

其中 $Q$、$F$、$L$ 通常以三端元三角圖表示：

三角圖中的位置，決定砂岩屬於石英砂岩、長石砂岩或岩屑砂岩等類型。

一、依基質含量分類：Arenite 與 Wacke

砂岩中除了砂級骨架顆粒外，常含有粒徑小於砂級的細粒物質，稱為基質。基質必須與後期生成的膠結物區分：

• 基質：沉積時即存在於砂粒之間的泥質、粉砂質細粒物質。
• 膠結物（cement）：沉積物堆積後，由地下水沉澱形成的方解石、矽質、鐵氧化物等化學物質。

依基質含量，砂岩可先分成兩大類：

1. Arenite（純砂岩、砂屑岩）

基質含量通常小於 $15\%$，骨架顆粒彼此接觸，岩石較乾淨，表示沉積物經過較充分的淘選。

常見種類包括：

• Quartz arenite（石英砂岩）：石英含量極高。
• Arkose 或 Feldspathic arenite（長石砂岩）：長石含量顯著。
• Litharenite（岩屑砂岩）：岩屑含量顯著。

2. Wacke（雜砂岩）

基質含量通常大於 $15\%$，細粒基質較多，砂粒常被泥質物包裹，代表沉積物淘選程度較差，常與快速沉積、重力流或混濁流環境有關。

依骨架顆粒組成，可分為：

• Quartz wacke（石英雜砂岩）
• Feldspathic wacke（長石雜砂岩）
• Lithic wacke（岩屑雜砂岩）

$15\%$ 是傳統分類中的重要界線，但不同分類系統的實際界定方式可能略有差異，答題時應說明所採用的分類系統。

二、依骨架顆粒組成分類：QFL 系統

在排除基質後，將主要骨架顆粒比例標準化：

再依三種主要成分的相對含量分類。

1. Quartz arenite（石英砂岩）

石英含量通常超過骨架顆粒的 $90\%$，長石及岩屑很少。其特徵為：

• 成分成熟度高
• 常具有高度圓磨度
• 淘選良好
• 常經歷長距離搬運或多次再沉積

石英砂岩也常稱為 quartz sandstone。

2. Arkose 或 Feldspathic sandstone（長石砂岩）

長石含量高，傳統上常以長石占骨架顆粒約 $25\%$ 作為 arkose 的重要判準。其特徵為：

• 常含較多鉀長石、斜長石
• 石英含量相對降低
• 岩屑含量通常不高
• 常源自花崗岩質或片麻岩質母岩

長石容易風化，因此大量長石保存通常表示：

• 母岩快速隆起與侵蝕
• 搬運距離短
• 乾燥或寒冷等不利化學風化的氣候
• 沉積速率高

3. Litharenite（岩屑砂岩）

岩屑含量高，來源可包括：

• 火山岩岩屑
• 變質岩岩屑
• 沉積岩岩屑
• 微晶岩屑或其他岩石碎片

岩屑砂岩反映母岩種類及構造環境，常見於活動造山帶、火山弧及沉積盆地周緣。

三、常用的分類架構

核心觀念

本題考查沉積學（Sedimentology）與石油地質學（Petroleum Geology）中**河流主控型三角洲（River-dominated Delta）**之分支子類——**曲流形式河流三角洲（Meandering river-dominated delta / Meander-belt delta）**的沉積環境動力特徵與空間/垂直沉積相剖面特徵。

1. 三角洲動力分類：依據加洛韋（Galloway）的三元分類架構，三角洲受河流作用（Fluvial process）、波浪作用（Wave process）及潮汐作用（Tide process）控制。曲流形式河流三角洲屬於河流作用極占優勢、波浪與潮汐能量極弱的沉積體系。
2. 曲流河沉積特徵：曲流河系統（Meandering River System）發育於低區域坡度地區，輸砂特性以高比例的懸移載（Suspensions, 泥與粉砂）與細粒推移載（Bed load, 細砂）為主。其標誌性構造為發達的曲流帶（Meander belt）、點壩（Point bar）及側面堆積面（Lateral Accretion Surfaces, LAS）。

解題方法

解答本題應採取結構化與雙向切入（空間相區與垂直層理組合）的方法：

1. 子題(一) 沉積環境：從「水力學動力」、「區域地形與坡度」、「物源沉積物粒徑」三個軸向進行說明，明確定義其發育於低能海盆/湖盆邊緣及高彎曲度河流平原。
2. 子題(二) 沉積相：採「空間相區分帶（地理分相）」與「垂直粒徑淘洗變化（垂直層序）」雙重架構進行系統性陳述：

• 依由陸向海劃分為三大相區：三角洲平原相（Delta Plain Facies）、三角洲前緣相（Delta Front Facies）與前三角洲相（Prodelta Facies）。
• 精確指出點壩（Point bar）特有的**向上淘細（Fining-upward）層序，與河口壩（Mouth bar）特有的向上淘粗（Coarsening-upward）**層序在垂直剖面上的疊置組合關係。

選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。答題評分標準與要點分析如下：

• 子題(一)評分關鍵：必須精確指出「弱波浪/弱潮汐」、「低坡度區域」與「高泥砂比/懸移載為主」等三個沉積環境特徵，缺一不可。
• 子題(二)評分關鍵：必須涵蓋三大主相區（平原、前緣、前三角洲），且必須提及曲流河道/點壩的微相特徵（向上淘細、側面堆積構造），以及前進式（Progradational）雙淘洗層序疊置結構。

解題技巧

1. 比較對照記憶法：

• 曲流河三角洲：低坡度、泥砂比高（懸移載為主）、發育點壩（向上淘細）、天然堤與泥炭沼澤發達。
• 辮狀河三角洲（Braided delta）：高坡度、粗砂礫石為主（推移載為主）、多頻道分叉、無發達點壩。

2. 垂直相疊置記憶口訣：

• 三角洲前進（Progradation）形成下部的向上淘粗（前三角洲 $\rightarrow$ 三角洲前緣/河口壩）；上方被曲流河道切割覆蓋時，河道內部展現向上淘細（點壩與洪氾泥岩）。熟記「下淘粗、上淘細」是獲得高分的得分點。

【答案】

(一) 曲流形式河流三角洲之沉積環境

曲流形式河流三角洲（Meandering River-dominated Delta）的沉積環境特徵主要由下列四個核心條件所決定：

1. 水力學動力環境（Hydraulic Dynamics）： 屬於典型的河流主控型三角洲。水體（海盆或湖盆）的波浪能量與潮汐作用極弱，無法對河流攜入水體的沉積物進行有效的二次搬運或重新分布，沉積過程幾乎完全受控於注入河流的水流與重力作用。
2. 地形與區域坡度（Topography & Slope）： 發育於區域坡度極低（Low gradient）的濱海平原或湖濱地區。由於地面坡度平緩，河流水流流速減緩，河道彎曲度（Sinuosity）極高，形成廣闊的曲流帶（Meander belt）。
3. 物源沉積物特性（Sediments Load）： 上游物源供應以細粒沉積物為主，包含高比例的懸移載（Suspension load，粉砂與黏土）及少量細粒推移載（Bed load，細砂）。黏土質沉積物提供河岸較高的抗蝕力，進一步固化高彎曲度河道的發展。