113 專技高考高等考試 採礦工程技師 石油探採 考古題詳解

核心觀念

孔隙率 $\phi$ 是岩石中孔隙體積占總體積的比例：

$$\phi=\frac{V_{\text{孔隙}}}{V_{\text{總體}}}$$

滲透率 $k$ 衡量流體通過岩石孔隙的難易程度，主要取決於孔隙之間是否連通，以及孔喉的大小。孔隙率高不代表滲透率必然高：岩石可以有許多孔隙，卻因孔隙彼此不連通或孔喉狹窄而不易讓油氣流動。

本題比較沉積岩的裂縫、顆粒大小與淘選度，分別如何影響孔隙空間及流體通道。

解題方法

逐一判斷三項因素如何改變兩件事：一是岩石可容納流體的孔隙體積；二是孔隙間通道的連通性與孔喉大小。影響方向須區分孔隙率和滲透率，不能將兩者視為同一性質。

各因素對孔隙率與滲透率的影響

1. 裂縫

裂縫會增加岩石中的次生孔隙空間，因此通常能提高有效孔隙率；若裂縫彼此連通，便形成流體容易通過的通道，使滲透率大幅增加。裂縫對滲透率的提升尤其顯著，因為流體可沿較寬、較連續的裂隙流動。

但裂縫若孤立、不連通，或被方解石、黏土等礦物充填，對有效孔隙率及滲透率的貢獻便有限。裂縫也可能造成方向性：沿裂縫方向的滲透率較高，垂直裂縫方向則較低。

2. 顆粒大小

核心觀念

本題考查 Archie 電阻率關係式，以及泥漿水侵入帶（沖洗帶）電阻率如何協助估算未受侵入地層的含水飽和率 $S_w$。$S_w$ 是地層原始含水飽和率；$S_{xo}$ 則是沖洗帶內泥漿水的飽和率。

題目給定：

$$S_w^2=\frac{R_o}{R_t},\qquad S_{xo}=S_w^{0.2}$$

電阻率參數可用地層因子 $F$ 表示：

$$R_o=F R_w,\qquad R_{xo}=F R_{mf}$$

其中 $R_o$ 是地層完全由地層水飽和時的電阻率；$R_{xo}$ 是沖洗帶電阻率。

解題方法

先由 $S_{xo}=S_w^{0.2}$ 兩邊取五次方，得：

$$S_{xo}^{5}=S_w$$

再由 $S_w^2=R_o/R_t$，並代入 $R_o=F R_w$：

$$S_w^2=\frac{F R_w}{R_t}$$

同理，沖洗帶電阻率關係為：

$$R_{xo}=F R_{mf}$$

因此：

$$F=\frac{R_{xo}}{R_{mf}}$$

將 $F$ 代入 $S_w^2$ 關係式：

$$S_w^2=\frac{R_{xo}}{R_{mf}}\frac{R_w}{R_t} =\frac{R_w R_{xo}}{R_{mf}R_t}$$

取正平方根，得到 $S_w$ 的計算式：

$$\boxed{S_w=\sqrt{\frac{R_w R_{xo}}{R_{mf}R_t}}}$$

而依題目給定的飽和率關係，也可寫成：

$$\boxed{S_w=S_{xo}^{5}}$$

兩式合併，可用下式表示一致性關係：

$$S_{xo}^{5}=\sqrt{\frac{R_w R_{xo}}{R_{mf}R_t}}$$

各參數估算值的取得

核心觀念

本題考查鑽井液（drilling mud）的主要功能，以及泥漿性質如何影響鑽進速率（rate of penetration, ROP）。泥漿由水或油等基液、黏土與各類化學添加劑組成；它不只是把岩屑帶出井口的循環介質，也用來控制井底壓力、維持井壁穩定並冷卻潤滑鑽頭。

解題方法

答題可先依「壓力控制、井壁穩定、岩屑清除、鑽具保護與作業支援」整理泥漿功能，再說明影響鑽進速率的主要機制：泥漿柱壓力、井底岩屑堆積、泥餅與濾液，以及泥漿的流變性和固相含量。

1. 控制地層壓力、防止井噴 泥漿柱提供靜水壓力，近似為 $P_m=\rho_m g h$ 其中 $\rho_m$ 為泥漿密度、$g$ 為重力加速度、$h$ 為垂直液柱高度。適當的泥漿密度可平衡地層流體壓力，防止油、氣、水侵入井筒而造成井噴；同時應避免泥漿壓力過高，以免壓裂地層或使泥漿大量漏失。

2. 清除並攜帶岩屑 鑽頭破碎的岩屑由循環泥漿帶至地面，再經振動篩等固控設備分離。停泵或起下鑽時，泥漿的凝膠強度可協助懸浮岩屑，避免其沉降、堆積或造成鑽具卡阻。

3. 支撐井壁、降低井壁坍塌風險 泥漿柱對井壁提供壓力支撐；泥漿在井壁形成的薄泥餅可減少濾液進入地層，幫助維持井眼穩定。泥漿性質不適當時，可能引起井壁坍塌、擴徑或地層傷害。

4. 冷卻、潤滑鑽頭與鑽具 循環泥漿帶走鑽頭和鑽具摩擦產生的熱量，並降低摩擦與磨耗，有助於延長鑽頭及鑽具壽命。

5. 提供作業資訊與輔助井下作業 地面返出的岩屑可供地層判讀；泥漿還能傳遞鑽井參數，並在適當設計下協助控制漏失、腐蝕及井下工具運作。

泥漿對鑽進速率的影響

核心觀念

溶解氣驅（dissolved gas drive，又稱 solution gas drive）是指儲集層沒有足以維持壓力的活躍水驅或氣頂時，主要靠原油與其中溶解氣體膨脹來提供產油能量。GOR（gas-oil ratio，氣油比）通常指地面產氣量除以地面產油量；本題關心的是生產氣油比隨生產歷程的變化。

關鍵壓力是泡點壓力 $P_b$：當儲集層壓力高於泡點時，氣體大致維持溶解於油中；低於泡點後，溶解氣開始從原油中析出，形成自由氣相。

解題方法

依序比較儲集層壓力與泡點壓力，再說明析出氣體的流動與產出情形：

1. 壓力高於泡點： 初期生產使儲集層壓力逐漸下降，但油中的氣體仍主要溶解。產出油所攜帶的溶解氣比例大致不變，因此 GOR 通常維持初始溶解氣油比附近。
2. 壓力降至泡點以下： 溶解氣析出並膨脹，提供驅動能量。析出的氣體先以分散氣泡存在；當氣體飽和度尚未達到臨界氣體飽和度時，氣相尚不能有效流動，GOR 仍可能變化不大。
3. 氣相連通並可流動後： 自由氣開始與油共同流向井筒。