Petroleum Prospecting (石油探勘) Chapter 3 Petroleum Prospecting (石油探勘)

References for 石油探勘(Petroleum Prospecting) Textbook 1 Fundamentals of Petroleum, Petroleum Extension Service, The University of Texas at Austin, Austin, Texas,1979. – chapter 2 Textbook 4 Hyne,N.J., Petroleum Geology, Exploration, Drilling and Production, Penn Well Co., Tulsa, Oklahoma, 2001. -- chapter 13 ; 14 (p. 195-232) Textbook 1– chapter 2 SPE Energy Education

Text Books Textbook 1 Fundamentals of Petroleum, Petroleum Extension Service, The University of Texas at Austin, Austin, Texas,1979. Textbook 2 Archer, J. S., and Wall, C.G., Petroleum Engineering—principles and practice, Graham & Trotman, MD, 1986. TextBook 3 Donohue, D.A.T., and Lang K.R., Petroleum Technology, International Human Resources Development Corporation, Houston,1986. Textbook 4 Hyne,N.J., Petroleum Geology, Exploration, Drilling and Production, Penn Well Co., Tulsa, Oklahoma, 2001. Textbook 5 Devereux, S., Drilling Technology, Penn Well Co., Tulsa, Oklahoma, 1999.

石油工程 講授大綱 Textbook 2– chapter 1 Textbook 4– chapter 1 1. 前言 (Introduction) Textbook 2– chapter 1 Textbook 4– chapter 1 2. 石油地質及儲油層 (Petroleum Geology and Reservoir) Textbook 1– chapter 1 Textbook 2– chapter 2 Textbook 3– chapter 4.1; 4.2 3.石油探勘 (Petroleum Prospecting) Textbook 1– chapter 2 Textbook 4-- chapter 13 ; 14 SPE Energy Education 4.鑽井工程 (Drilling Engineering) Textbook 1– chapter 4 Textbook 2– chapter 3 SPE Energy Education Textbook 3– chapter 1

Chapter 3 Petroleum Prospecting (石油探勘) 地表觀測(Surface observation) －by observation on earth surface 地質探勘 (Geological exploration) －downward projection of geologic information 地球化學探勘(Geochemical exploration) --tracing hydrocarbons in soil and water 地物理探勘 (Geophysical exploration) －physical measurements of gravity, magnetic and seismic of subsurface

石油探勘法 －研究地下地質、構造、岩石特性……等 －尋找石油及其他地下資源 －獲得工程地質及地質工程資料(作為建築設計大型建築之用) －其他 化學Chemistry 地質Geology 物理Physics 地球化學Geochemistry 地球物理Geophysics 地球化學探勘 Geochemical Prospecting 地質探勘 Geological 地球物理探勘 Geophysical 目的 理論地物 應用地物 －研究地下地質、構造、岩石特性……等 －尋找石油及其他地下資源 －獲得工程地質及地質工程資料(作為建築設計大型建築之用) －其他

地表觀測(Surface Observation) 野外(或現場)之勘查 －地表之實地觀察 seeps (plate 13-1, 13-2, and fig. 13-1)

地表觀測--Seeps

地表觀測 -- Seeps

地質探勘 地質探勘 →尋找石油 利用地表岩石露頭或井孔的岩石之觀測而推測分折其地下附近之構造、組成及歷史等(plate 13-3)。 地質探勘 →尋找石油 利用地表岩石露頭或井孔的岩石之觀測而推測分折其地下附近之構造、組成及歷史等(plate 13-3)。 利用鑽井的地層資料研判儲油層位置(fig. 13-2)。 利用鑽井的地層資料研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-3; 13-4; 13-5; 13-6; 13-7)。

地質探勘—利用地表岩石露頭之觀測而推測分折其地下附近之構造、組成及歷史等(plate 13-3)。

地質探勘— 用鑽井的地層資料研判儲油層位置, 而發現新油田(fig. 13-2)。

地質探勘 --研究地層對比及連續性地層 要利用Marker bed (fig 13-3)。

地質探勘 – 由鑽井的地層資料(Well logs)利用Marker bed研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-6)。

地質探勘 --由Well logs資料利用Marker bed研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-5)。

地質探勘 -- 利用鑽井的地層資料(Microfossils)研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-4)。

地質探勘 -- 利用鑽井的地層資料研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-7)。

地球化學探勘 Geochemical exploration Geochemistry is the application of chemistry to the study of the earth. Geochemistry can be used to trace hydrocarbons in soil and water indicating of the proximity of a petroleum trap. Geochemistry can also be used to identify the source rock for a specific crude oil. The crude oils in traps can then be correlated with source rocks to determine the migration path for the petroleum.

地球化學探勘 – to trace hydrocarbons Traces of hydrocarbons in soil and water are often good indications of the proximity of a petroleum trap (fig. 13-8). -- microseeps -- hydrocarbon halo(暈圈) -- sniffers(嗅覺器) -- Vitrenite reflectance

地球化學探勘 – to trace hydrocarbons

Vitrenite reflectance

Play A play is a combination of trap, reservoir rock, and seal that has been shown by previous discovered fields to contain commercial petroleum deposits in an area.

Trend A trend or fairway is the area along which the play has been proven, and more field could be found. (fig 13-9).

Prospect -- definition A prospect is the exact location where the geological and economic conditions are favorable for drilling an exploratory well.

Prospect -- geological factors There are four major geological factors in the success of a particular prospect. (1) There must have been a source rock that generated petroleum. (2) There must have been a reservoir rock to hold the petroleum. (3) There must be a trap. This includes a reservoir rock configuration that has four-sided closure, a seal on the reservoir rock, and no breach of the trap. (4) The timing must be right. The trap had to be in position before the petroleum migrated the area.

Prospect - economic An economic analysis of the prospect should include reserves and risk calculations.

地物理探勘 由地球物理探勘可獲得所需的地質資料而研判石油所在地 地質資料之獲得可經由 (a)利用物理原理及儀器，獲得地下構造、 地下岩石物理特性…等資料 (b)製作地下地質圖及構造圖…等，而研究 石油之所在

地物理探勘 主要是利用震波、重力、磁力等物理現象推測分析地下之構造及特性。 *震波測勘 (Seismic method) 反射－最常用之石油探勘；精測 折射－粗測之方法 *重力測勘(Gravity method ) －測基盤的形貌 *磁力測勘(Magnetic method) －觀測對磁性有反應之地層

地球物理探勘法 主要方法： (a)重力測 (b)磁力測勘(或磁力法) (c)震波測勘(或震波法) 其他方法： (a)電測測勘(或電測法)－Electrical method (b)放射性測勘(或放射性法)－Radioactive method (c)井測測勘(或井測法)－Well logging

重力測勘(或重力法) (Gravity Method) 量測原理：萬有引力及重力加速度 m1 m2 在地球上

重力量測儀器 (1)The gravity pendulum(重力單擺) －單擺原理(缺點：耗時) (2)The gravimeter(重力計) －Hock’s law, 彈簧 (3)The Hoyt gravimeter (4)The astatized gravimeter

(3)The Hoyt gravimeter (4)The astatized gravimeter →量測地表各測點之重力值或重力異常值

(3)The Hoyt gravimeter (4)The astatized gravimeter →量測地表各測點之重力值或重力異常值

重力資料解釋： －不同的岩石→不同的密度→不同的重力值 (密度大的岩石→重力值大) Anticline-structure Salt dome -structure Higher density rock Gravitational field Less dense rock

重力資料解釋： －不同的岩石→不同的密度→不同的重力值 (密度大的岩石→重力值大)

磁力測勘或磁力法 (magnetic method) 原理： －地球磁場 －地表磁場強度隨測點地下及其鄰 近岩石之磁性而變 磁性物質: 順磁性(paramagnetism) 物質:出現於含有過渡元素、稀土元素和錒系元素的材料中。當在外加磁場中，順磁性物質所產生的微弱磁化量的方向與外加磁場方向相同。   反磁性(diamagnetism) 物質：出現於一般材料中。當在外加磁場中，反磁性物質所產生微弱磁化量的方向與外加磁場方向相反。 鐵磁性(ferromagnetism)物質：鐵、鈷、鎳及其合金。當在外加磁場中，鐵磁性物質會產生極強之磁化量且方向與外加磁場方向一致。

磁力測勘或磁力法 (magnetic method) 磁感應強度(B) & 磁場強度 (H) B=μH Flux=perm×field strength μ= 磁導率 1947 North magnetic pole 73oN 100oW 1945 South magnetic pole 68oS 146oE N 　(導磁性或透磁性) 儀器：磁力儀

資料解釋 －地表各測點磁場強度不同之原因是測點以下之下列特性不同 (1)the permeability (導磁性)； (2)the magnetization(磁化) －火成岩及變質岩中的磁鐵(magnetite)較多(或較通常); 沉積岩中的磁鐵較少; 換言之，火成岩及變質岩中磁化率( susceptibility),k,較大， 沉積岩之k較小 石油累積在沉積岩裡 －磁測資料解釋較複雜，較難

資料解釋(Dome or anticline)

磁力資料解釋： －不同的岩石→不同的磁性→不同的磁力值

磁力/重力資料解釋 (Fault)

震波測勘 (Seismic Exploration) -- 反射法(Seismic reflection method) -- 折射法(Seismic refraction method)

反射法(Seismic reflection method) Data Acquisition Data Processing Data Interpretation

反射震波測勘 震源 接收器 震測資料擷取(Data acquisition) 在地表， 炸葯爆炸 或機械撞擊或其他震動 ↓ 產生震波或脈波 傳播至地下地層 在不同物理特性的地層介面反射 反射波返回地表而被記錄(震測資料) 震波資料處理(Data processing) 地層速度分析 震測剖面 震測資料解釋(Data interpretation) 地層構造 －背斜 (Anticliness) －向斜 (Syncliness) －斷層 (Faults) －尖滅 (Pinchouts) 震源

Data Acquisition

震波測勘炸測 震測資料擷取(Data acquisition) 在地表， 炸葯爆炸 或機械撞擊或其他震動 ↓ 產生震波或脈波 傳播至地下地層 在不同物理特性的地層介面反射 反射波返回地表而被記錄(震測資料)

陸上震波測勘炸測法 震測資料擷取(Data acquisition) 在地表， 炸葯爆炸 或機械撞擊或其他震動 ↓ 產生震波或脈波 傳播至地下地層 在不同物理特性的地層介面反射 反射波返回地表而被記錄(震測資料)

陸上震波測勘炸測

Vibrator Truck

震波測勘法的Geophone排列

海上震波測勘炸測

海上震波測勘炸測時震測船曳著Air gun 及streammer

震波測勘之炸點底圖

Data Processing 震波資料處理(Data processing) 地層速度分析 ↓ 震測剖面

反射法

震測 剖面圖

震測 剖面圖

震測 剖面圖(Bright spot)

Data Interpretation

震測 剖面圖

Seismic Profile (correlating with drilling data)

震測 剖面圖 (Salt dome)

地質探勘 --研究地層對比及連續性地層 要利用Marker bed (fig 13-3)。

地質探勘 – 由鑽井的地層資料(Well logs)利用Marker bed研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-6)。

地質探勘 --由Well logs資料利用Marker bed研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-5)。

地質探勘 -- 利用鑽井的地層資料(Microfossils)研究井與井之間的地層對比及連續性(fig 13-4)。

震測 剖面原圖

震測 剖面分析及解釋結果 (Isochron map)

震測 剖面分析及解釋結果 (Structure map)

震波測勘折射法 V0 V1 Z1 Z2 在地表， 炸葯爆炸 或其他大震動 ↓ 產生震波 傳播至地下地層 震波 ↓ 在不同物理特性的地層介面 D1 D2 D3 D4 Z1 Z2 在地表， 炸葯爆炸 或其他大震動 ↓ 產生震波 傳播至地下地層 震波 ↓ 在不同物理特性的地層介面 之高速層折射(或全反射) 全反射波返回地表而被記錄 資料處理(作圖)及解釋(求地層之 震波速度及地層厚度及傾斜角) T X Xcros Xcrit

井測測勘(或井測法)－Well Logging 井下電測 井測測勘(或井測法)－Well Logging 常見之井測包括： (1)The Spontaneous-Potential (SP) Logs 自然電位 (2)Conventional Resistivity Logs 傳統式電阻 (3)Focusing-Electrode Logs 集焦電極 (4)Induction Logs 感應式 (5)Microresistivity Logs 微電阻 (6)Sonic Logs 音波 (7)Formation density Logs 地層密度 (8)Neutron Logs 中子 (9)Gamma Ray Logs 伽瑪射線 (10)其他

SP Log 自然電位差井測（SP Log）是偵測及記錄井中電極體內的電極與固定在地表上的電極之間的電位差。 自然電位差和井孔（裸孔）內的泥漿鹽份、地層水鹽份以及岩層滲透性有關。 當地層水的鹽分濃度高於泥漿濾液時，砂岩層的電位為相對於頁岩部份的負電位，SP曲線的讀數會向“左”偏移。

GR Log 伽瑪井測為測定地層之自然伽瑪放射線 頁岩及黏土（Clay）所含的放射性元素（例如，K40）較多；砂岩、白雲石、石灰岩等地層裡的自然伽碼線放射量很少。 一般而言，在伽瑪井測圖上，向右偏移之曲線表示伽瑪線較大（即 ”頁岩”）。

Resistivity Log 電阻井測是量測電極(A)與另一端電極(M及N)之間的電位差，再利用歐姆定律計算而得地層電阻。 電阻井測可依據其偵測的範圍（由井口深入地層的半徑大小），而分為淺測徑、中測徑及深測徑電阻井測，可以分別得到浸污區、過渡帶、及未浸污區的地層電阻值，進而求得地層的真電阻值。

Sonic Log 聲波井測為量測聲波（通常為壓縮聲波）通過 1英呎厚的地層所需的間隔傳遞時間。 利用聲波井測所記錄的間隔傳遞時間、配合已知（或假設）的地層岩基以及地層流體的間隔傳遞時間，可估算出地層孔隙率。

Density Log 密度井測是由探測針放射出中等強度的伽瑪線，至地層內撞擊地層中之電子後，由接收器偵測伽瑪線的剩餘強度。 在電子密度愈高之地層（地層密度高之地層），伽瑪線撞擊地層中的電子之機會及次數就愈多，接收器所偵測之伽碼線的強度愈少。 利用密度電測可以量測地層孔隙率。

Neutron Log 中子井測是向地層放射中子以偵測地層孔隙率。 中子以高速撞擊地層內其他原子核，減速達到熱動力速度（Thermal velocity）時即被擄獲，未被擄獲的中子到達接收器後，即被探測針的中子接收器測定並記錄之。 中子井測之讀值可以表示地層之孔隙率。

電測圖

地層學(Stratigraphy) 研究地層(Rock Strata)的 --- 來源(Origin) --- 組成(Composition) --- 分佈(Distribution)及 --- 連續性(Succession)

地層測試 (Stratigraphic test, or strata test) 鑽井取岩石樣本以得到地質資料

地層對比 (Stratigraphic correlation) 井與井之間，以下特性之比對 -- 地層(Strata) -- 化石(fossils) --- 岩石硬度(Rock hardness or softness) --- 電測資料(Electric data) It is much easier to correlate wells because the data that are collected by drillers’ logs, sample logs, electrical logs enable the geologists to predict more precisely where similar rock formations will occur in each case

Subsurface correlation It is based primarily on －stratigraphic continuity, or －the fact that formations maintain the same thickness from one well to another. Any change in thickness can be a geologic indicator of －a change in the conditions that formed the strata, or －may be a signal of an event that could cause petroleum to accumulate.

Structure Map

Oil and gas discoveries 1842 －The presence of oil seep on anticline crests was observed 1859 －The drilling of the famous Drake well in Pennsylvania 1885 －I.C. White applied geological knowledge in search of gas in Pennsylvania and nearby states. Late 19t century －Geologist searched for oil in East Indians and Mexico 1897 －Geological departments were established by some U.S. oil companies, －Many of subsequent discoveries in the mid continent, Gulf Coast, California, and elsewhere were made with the application of geology to the problem of finding petroleum reservoir.

The first oil discovery Gravity measurements Seismic refraction Seismic reflection 1915 & 1916 The torsion balance was employed to detail the structure in a oil field at Egbell, now in Czechoslovakia(捷克斯洛伐克，歐洲中部) 1919 Ludger Mintrop applied for a German patent on locating and measuring depth to subsurface features by refraction. ~ 1921 The earliest experiments with the seismic reflection method were carried out by J.C. Karcher in central Oklahoma. 1917 Schweidar detailed a known salt dome at Hanigsen in Germany with a torsion balance and the predicted structure was confirmed by subsequent drilling 1923 The earliest work was in Mexico, but later in the year a refraction survey was under takan along the Mexico fault zone in the Texac Gulf coast. 1924 The first oil discovery 1922 Shell surveyed the Horgada field in Egypt with a torsion balance Finding the orchard dome in Texas 1927 The reflection method was put to work for routine exploration Late The Spindletop field in Texas was traversed by a torsion balance yielding a strike anomaly over the known salt structure 1928 伊朗 The seismic refraction method was introduced into the middle East by the Darcy Exploration Company (→British Petroleum) 1930 By the early 1930’s Reflection become the most widely used of all geophysical techniques, a status has maintained ever since. The torsion balance was used for the first time to explore for oil over areas where the structure was completely unknown. This was in the Gulf coast of the U.S.A. ＊ Discovered the productive Nash dome in Texas.

震測之wiggle trace 及 剖面圖