3.3　石油的勘探與開采

3.3.1　石油的勘探

人們對如何發(fā)現(xiàn)油氣藏的問題經(jīng)歷了一個(gè)不斷探索的過程：早先以尋找油氣苗為線索，后來用石油地質(zhì)理論為指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)測，發(fā)展到現(xiàn)在將先進(jìn)的理論與先進(jìn)的探測技術(shù)相結(jié)合，采用正確的勘探程序，有效地降低勘探風(fēng)險(xiǎn)，提高了勘探成功率，加速了油氣藏的發(fā)現(xiàn)。

（1）尋找油氣苗

油氣苗是地下油氣藏在地表的最直接、最明顯的標(biāo)志。早期的找油就是從尋找、觀察出露到地表的油氣苗入手的。勘探人員在野外特別注意尋找有沒有石油及其跡象（如瀝青）或冒氣泡的水泉，這是最直觀的找油氣方法。我國的克拉瑪依油田附近有“黑油山”，就是通過發(fā)現(xiàn)油氣苗而引起注意，投入鉆探后發(fā)現(xiàn)的（見圖3-3）。獨(dú)山子油田則以因有含油氣的泥水長期溢流而成的“泥火山”而著稱；玉門油田其旁有“石油河”和“石油溝”；延長油礦范圍內(nèi)沿延河溝谷有多處油苗出露；四川最早利用氣井的自貢也有不少氣苗可以點(diǎn)燃，古籍中就有記載。

凡是有油氣苗的地區(qū)，就表明有石油或天然氣存在，這就意味著可以找到油氣田。

但是有油氣苗存在的油氣藏畢竟很少，一般埋藏淺，容易被破壞。油氣苗實(shí)際上是油氣藏被破壞的結(jié)果。絕大多數(shù)油氣藏深埋地下，地面沒有油氣苗。這些油氣藏是應(yīng)用科學(xué)的理論和先進(jìn)的探測方法、手段和技術(shù)發(fā)現(xiàn)的。

（2）運(yùn)用先進(jìn)的石油地質(zhì)理論指導(dǎo)找油

近代石油工業(yè)初期，石油地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)油氣都聚集在背斜之中。背斜像一口倒扣在地下的鍋，向上運(yùn)移（油氣密度小，在浮力作用下向上運(yùn)動）的油氣被倒扣的鍋蓋住，油氣進(jìn)入“鍋”中聚集成藏，于是提出了“背斜理論”。結(jié)果根據(jù)這種理論，人們發(fā)現(xiàn)了大批的油田，促進(jìn)了石油工業(yè)的發(fā)展。直至今天，“背斜理論”對油氣勘探仍具有重要的指導(dǎo)作用。

隨著油氣勘探成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)的不斷積累，人們發(fā)現(xiàn)油氣不僅可以聚集在背斜之中，也可以聚集在其他形式的地質(zhì)空間之中。到了20世紀(jì)30年代，“圈閉理論”誕生了?！叭﹂]理論”認(rèn)為，油氣不僅可以聚集在背斜中形成油氣藏，也可以在非背斜的其他空間中聚集成藏。凡是能夠阻止油氣在儲層中繼續(xù)運(yùn)移并在其中聚集起來的空間場所稱為“圈閉”，背斜僅僅是眾多圈閉類型中的一種?！叭﹂]理論”的提出，大大開闊了人們的找油視野和領(lǐng)域，結(jié)果在巖性變化、不整合、古地貌、火山巖等多種地質(zhì)體中發(fā)現(xiàn)了大量的油氣藏。20世紀(jì)80年代以來，石油地質(zhì)學(xué)家又提出了“含油氣系統(tǒng)”理論。該理論認(rèn)為，盡管圈閉是形成油氣藏的空間，但不是控制油氣藏形成的唯一因素，油氣藏的形成是生、儲、蓋、運(yùn)、圈、保六大要素在時(shí)、空上的有利配合，任何一方面的缺乏和不利對油氣藏的形成和保存都有重要的影響。油氣從生油氣區(qū)到圈閉聚集成藏是一個(gè)動態(tài)平衡的過程，油氣的聚集部位是有規(guī)律的?！肮庞蜌庀到y(tǒng)”已經(jīng)成為全世界指導(dǎo)油氣勘探，有效降低勘探風(fēng)險(xiǎn)的重要理論。

（3）現(xiàn)代勘探技術(shù)簡介

科學(xué)的理論只能指出尋找油氣的大致方向，指導(dǎo)人們從宏觀角度來把握油氣分布規(guī)律，而真正要尋找具體的油氣聚集帶和油氣（田），還必須借助于先進(jìn)的勘探技術(shù)、方法和手段。

①遙感地質(zhì)技術(shù)　遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波的理論，應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)從高空或遠(yuǎn)距離通過遙感器對研究對象進(jìn)行特殊測量的一種方法。遙感地質(zhì)，就是通過距離地球表面350～1500km高空的地球資源衛(wèi)星拍攝地球表面的照片，然后進(jìn)行地質(zhì)分析，找出油氣藏。

不同的地質(zhì)體，由于其組成不同，原子數(shù)量排列組合方式的不同，它們本身所特有的發(fā)射和吸收電磁波的性質(zhì)也不同，反射外來電磁波的性質(zhì)也就不同。衛(wèi)星照片能夠記錄不同地質(zhì)體的反射電磁波段的特性。利用這個(gè)特性，把衛(wèi)星照片上不同地質(zhì)體的光譜轉(zhuǎn)換為最后的衛(wèi)星地質(zhì)照片。通過地質(zhì)人員對衛(wèi)星地質(zhì)照片的解釋，結(jié)合地面調(diào)查和采集巖樣分析研究，可以確定含油氣盆地的位置、規(guī)模和形態(tài)，劃分可能的生油區(qū)和有利的油氣聚集帶，指出地下一定深度內(nèi)的較大的地質(zhì)圈閉。

遙感技術(shù)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的勘探油氣的手段，在我國西部地區(qū)油氣勘探中的作用及效果非常顯著。但它對小范圍的微觀地質(zhì)問題反映精度較低，尋找存在于較深地層的儲油圈閉的難度較大。

②地震勘探技術(shù)　地震勘探技術(shù)是利用地層和流體（油氣）對地震波的不同變化來尋找油氣圈閉的方法。

在進(jìn)行地震勘探時(shí)，采用人工放炮的方法產(chǎn)生人為的地震波。地震波在向地下傳播過程中，由于不同的巖石的密度不同，在遇到不同巖石之間的界面時(shí)，會產(chǎn)生反射、折射和透射。在地面上利用儀器觀察分析反射到地表的反射波，依據(jù)反射波傳播的速度、時(shí)間就可以了解地下深處巖石界面的彎曲、斷裂情況，加上反射波的振幅、頻率、相位等特征參數(shù)就可以判斷巖石的性質(zhì)、流體（油、氣）的情況等，這就是地震勘探的原理。

根據(jù)地震勘探的精度和方式，分為二維地震勘探和三維地震勘探。

早期的地震勘探是在地面的一條直線上（這條直線稱為地震測線）放炮和接收地震波，這樣就可得到測線下一條剖面的地質(zhì)圖像。這種測量方法稱為二維地震。要想得到一個(gè)地區(qū)的地下情況，就要在地面上按一定間隔縱橫交錯(cuò)平行布置許多測線，用二維剖面研究地下構(gòu)造情況。將這些剖面排列起來，就可以得到一個(gè)地區(qū)的地下油氣藏情況。世界上著名的中東油田、墨西哥灣油田、北海油田、里海油田和中國的大慶油田等都是靠二維地震方法提供圈閉的。

20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了三維地震勘探技術(shù)。三維地震勘探技術(shù)是在二維地震勘探的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二維勘探得到的圖形是個(gè)平面，而三維勘探，可以獲得x、y、z三個(gè)方向的立體圖像，一些在二維地震中難以發(fā)現(xiàn)的小圈閉和一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)現(xiàn)象，都能從三維地震的資料中較好地反映出來。

（4）地表化學(xué)勘探

由于油氣是一種復(fù)雜的有機(jī)化合物，是一種能流動、滲透、擴(kuò)散的物質(zhì)，所以油氣藏的上方的地表及其周圍常常會形成某些異?，F(xiàn)象。如由于某些物理化學(xué)或生物的作用，使一些稀有金屬和生物也會發(fā)生異常，因此利用化學(xué)、物理化學(xué)和生物化學(xué)來研究與油氣藏有關(guān)的氣體成分、烴類含量、稀有金屬、細(xì)菌種屬等異常的方法稱為地表化學(xué)勘探。

地表化學(xué)勘探的主要方法有：氣體測量法、發(fā)光瀝青法、水化學(xué)法和細(xì)菌法等?；谏鲜鲇蜌獠嘏c“異常”的關(guān)系，可采用在勘探地區(qū)的地面（表土層以下）或剖面（露頭或鉆井）上，按一定間隔進(jìn)行取樣分析，了解有關(guān)成分、含量的變化。例如氣體測量法，要系統(tǒng)分析樣品中氣體含量及成分，繪制等值線圈或地化指標(biāo)變化剖面圖，確定背景值和異常區(qū)，結(jié)合其他地質(zhì)資料對勘探地區(qū)作出古油氣遠(yuǎn)景評價(jià)。

地表化學(xué)勘探有時(shí)也會出現(xiàn)由于其他原因而引起的假異常。

3.3.2　石油的開采

將石油從地下“取”出來的過程稱為油田開發(fā)或采油，常見的采油方法有以下幾種。

（1）自噴采油

石油在地下深處承受著巨大的壓力，當(dāng)采油井鉆到油層時(shí)，則油層與地表連通，在巨大壓力作用下石油將從井下向上噴出。這種井的采油方法稱為自噴采油。采油井能不能自噴，是由油層壓力的大小來決定的。壓力大，噴勁就大；壓力小，噴勁就小。當(dāng)壓力小到一定程度時(shí)，石油就噴不出來了。

自噴井的產(chǎn)量一般來說都是比較高的，例如中東地區(qū)最高的自噴油井日產(chǎn)油量可達(dá)萬噸左右，我國華北油田也有日產(chǎn)千噸的自噴井，大慶油田的高產(chǎn)自噴井日產(chǎn)200～300t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上約有50%～60%的石油是由自噴井開采出來的。由于這種方法不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，油井管理比較方便，是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的采油方法。所以，在油田開發(fā)過程中，人們都盡可能地設(shè)法保持油井能長期自噴。

（2）機(jī)械采油

對于不能自噴的油井需要利用機(jī)械裝置進(jìn)行采油。經(jīng)常采用的機(jī)械采油方法有抽油機(jī)采油、潛油泵采油、氣舉采油等，下面分別進(jìn)行介紹。

①抽油機(jī)采油　抽油機(jī)是通過下到井底的深井泵來完成采油的，它有工作筒和活塞。工作筒下部裝有固定活門與油管連接，下到井筒液面以下。活塞是空心圓筒，上面有游動活門，用抽油桿下到工作筒里。抽油桿可以帶動活塞上下運(yùn)動。當(dāng)活塞向上時(shí)，游動活門在液體壓力下關(guān)閉，這時(shí)活塞上面的石油就從工作筒內(nèi)提到上面的油管里去。同時(shí)，工作筒內(nèi)的壓力降低，油管外的石油就頂開固定活門流入工作筒內(nèi)。當(dāng)活塞向下時(shí)，工作筒內(nèi)壓力增加，固定活門關(guān)閉，石油就頂開游動活門流到活塞上面。這樣活塞上下反復(fù)運(yùn)動，井里的石油就被抽到油管里去，并不斷地從油管內(nèi)升舉到井口。當(dāng)前主要采用的是游梁抽油機(jī)，人們也習(xí)慣稱它為“磕頭機(jī)”。目前國內(nèi)外油田約有80%的非自噴井都用這種抽油機(jī)來采油，如圖3-4所示。

②潛油電泵采油　潛油電泵主要由井下電動機(jī)、離心泵、保護(hù)器和地下電纜等組成。電動機(jī)裝在井下，直接帶動潛油泵，如圖3-5所示。

潛油離心泵和普通農(nóng)用抽水機(jī)的道理一樣是旋轉(zhuǎn)式的。不過抽水機(jī)旋轉(zhuǎn)葉輪級數(shù)少，而潛油離心泵的葉輪是多級的。電動機(jī)下到幾百米甚至上千米的油井里，從井口下一根電纜接在潛油電動機(jī)上。當(dāng)電纜通電后，潛油電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動潛油離心泵的多級葉輪轉(zhuǎn)動。每一級葉輪都給井底原油增加一定的壓力，就如同抽水機(jī)給水增加壓力一樣。當(dāng)原油經(jīng)過多級葉輪轉(zhuǎn)動后，壓力會升得很高，于是油就被從井底舉到井口。

潛油電動機(jī)由于直接帶動潛油離心泵，省去了不必要的動力消耗。因此，它的功能比抽油機(jī)高得多，并能節(jié)約用電。它可用于較深的高產(chǎn)井，也便于實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)自動化。

③水力活塞泵采油　這種泵是利用注入井內(nèi)的高壓液體驅(qū)動井下的液馬達(dá)，液馬達(dá)上下往復(fù)運(yùn)動帶動抽油泵抽油。水力活塞泵具有下泵深、泵效高、檢修泵方便等特點(diǎn)，而且排量范圍廣，適用于稠油、高含蠟、低液面、方向井等情況的油井。特別對沒有電源的外圍井，可利用本井的天然氣作發(fā)動機(jī)的燃料，帶動地面高壓泵來驅(qū)動井下泵抽油。我國山東勝利油田目前有幾百臺在應(yīng)用。

④氣舉采油　氣舉采油是把天然氣注入到采油井內(nèi)油管和套管的環(huán)形空間，通過油管下部的一個(gè)閥門進(jìn)入油管，使油管內(nèi)的原油混入氣體，使液柱壓力降低，生產(chǎn)壓差加大，不斷將原油舉升到地面。氣舉采油井口和井下工具都比較簡單，但地面需要安裝天然氣壓縮機(jī).一次投資成本較高，氣舉采油主要用于一些不適宜采用一般機(jī)械采油方法的油井，如高油氣比例井，或有腐蝕性成分氣、水的井或井下情況復(fù)雜的井。氣舉采油要有比較充足的天然氣源。當(dāng)前，我國僅在遼河和中原油田有少量氣舉油井。

⑤注水（氣）采油　隨著油田的開發(fā)，油層壓力不斷下降，為了向油層內(nèi)補(bǔ)充能量，往往采取向油層注水或注氣的辦法。我國大多數(shù)油田都采用注水的方式向油層補(bǔ)充能量。注水采油大致分為兩類：一類是晚期注水開發(fā)，就是油田靠天然能量開采已無法維持生產(chǎn)時(shí)，采用注水來進(jìn)行二次采油；另一類則是早期注水開發(fā)的方法，也就是油田一投產(chǎn)，或開發(fā)早期階段即開始注水，始終保持油層有足夠的能量，保持穩(wěn)產(chǎn)。我國注水油田的采油量占全國產(chǎn)油量的90%以上。大慶油田自1960年投入開發(fā)以來，創(chuàng)造了我國一整套早期分層注水開發(fā)的系統(tǒng)工程。在同一口注水井中，將注水層按滲透率的差異分為若干段，對各段實(shí)行分層定量注水，使各油層都能得到能量補(bǔ)充，保持了油井較長時(shí)間的自噴。大慶油田1976年年產(chǎn)量增加到5000萬噸以后，一直穩(wěn)產(chǎn)，到1998年油田年產(chǎn)量仍保持在5500萬噸以上，2017年完成原油產(chǎn)量3952萬噸，天然氣產(chǎn)量首次突破40億立方米。