碳氢化合物勘探与结构评估

利用卫星影像和地球磁场、重力场的表面测量技术来勘探适合开采的碳氢化合物地层。在这些地区采用主动和被动地震反射测量法^[3]，利用频率在10～100Hz的声能以及大量表面接收器来监测从不同声阻抗的地层反射回来的声波。用这些数据来产生一个容积的三维图像（即工业上的3D），其厚度为1000m，面积为100m²，分辨率大约为10m，具体由波长决定。地震测量记录也可以以时间函数的形式获得（通常所说的时延，简写4D代表4维），并显示未被开采的石油地点，提取过程需另外钻很多孔。但是，地震发射器和探测器很少采用长久固定安装，在同一地点重新安置传感器系统也是一项复杂的工程。

石油位于各种沉积岩的细微孔隙中，属性可能会在不同的数量级上变化。岩石的宏观属性和微观结构之间的关系一般要通过测量和数据的半经验相关性来确定。但是，Auzerais等人^[4]已经证明，根据孔隙率第一性原理、表面积与体积比、渗透性、端点相对渗透率等也可以对其进行计算；热力学属性和微观分子之间的相互作用也存在类似关系，但是目前还没有突破性的成果。到目前为止，大多数开发物都是固体，例如石英砂岩。碳氢化合物能维持在储集岩中是因为在其顶部和边缘存在不可渗透的障碍层，例如断层、表面蚀化、岩石类型的改变等。

一旦探测到有潜在的碳氢化合物资源，需要通过钻井来检验碳氢化合物的成分，这个资源可能由厚度从0.01～100m不等的储层构成；一般情况下，储层越厚，开采的成本越小。幸运的是，绝大多数碳氢化合物储层的厚度都在1～10m间，而且覆盖的横向宽度较大。石油和天然气的储量可以根据对地层进行测量来确定，采用的方法有电磁和声波、中子散射、伽马射线、核磁共振、红外光谱，包括密度、黏性、相位和压力及温度在内的流体热物理学特性。

这些测量是针对从岩芯取出的物质而进行，可以从钻孔的底部或挖掘孔的侧面取样，只要地层不是很软，也不易破碎，因为只有在这种情况下才能恢复开采后留下的空隙部分；跟随钻探泥浆返回地面的岩屑可以用来分析研究。也可以采取另一种测量办法，在钻孔时把勘探器材挂在电缆线上带入井下^[5]，即通常我们所说的测井，地下得到的测量数据记录在卷筒纸上，这些数据是地表以下深度的函数^[6-9]。测井与钻取岩芯法相比，提供了虽然是间接的却是连续的分析，但是后者在技术难以实现，成本较高。对有些工程来说，测井数据可以对钻取岩芯法获取的数据进行补充。然而，石油储层的财政可行性要由储层的测量数据和流体参数来决定，这里只是对那些重要因素进行了简单描述。

孔隙度由伽马射线康普顿散射和后续的电子衰减辐射闪烁探测来确定。石英石和流体的散射截然不同。但是，当地层是含有化石、贝壳、珊瑚骨骼等的碳酸盐时，例如碳酸钙，分析会变得复杂。可以通过热中子非弹性散射伽马射线的光谱来确定矿物结构^[10]，从而得出氢、氯、硅、铁、钆的浓度，这与地层中矿物成分有关；这可以利用天然产生的辐射或光电吸收来确定。

石油和天然气工业的主要工作就是开采碳氢化合物。但是，沉积岩中普遍存在着水，所以水相也能从含碳氢化合物地层中获得。从全球角度来看，在石油和天然气工业中获得的水相比碳氢化合物本身还要多得多。因此，电导率可以衡量是否存在石油，并通过电磁感应和求解地层几何模型的麦克斯韦方程得到电阻；随着碳氢化合物含量的增加，电阻率可从0.1Ω·m上升到20000Ω·m。甚至通过电阻为2·10^-7 Ω·m的铁壳可以测量100Ω·m的地层^[11]。另一种方法是，可以通过氢原子的中子散射来识别石油和天然气，因为石油和水里的氢原子密度是相等的，但在天然气中却低得多；黏土矿物中的水易干扰测试结果，是系统误差的潜在来源。开采的难易程度取决于液压渗透率（平衡或稳态），渗透率越大，越容易开采。

为了顺利地对石油、天然气和水藏的进行评估，需要安装金属管（壳），并通过从表面钻孔泵取的混凝土固定到地层上。这些金属管道穿过碳氢化合物层，并允许液体流进壳中，到达地表。为了获得充足的数据以监测地层的变化，随着时间推移需要完成更深的测井。特别是，当从大直径钻孔中生产石油时，接近井口处液压降低，水和天然气朝着低压方向移动；最终水抢先产出，剩下的石油被困在小直径孔中。可以通过化学处理或钻替代井来减少水的产出。

上述测量方法（大约50种）大多数应用于圆柱形探测器（或测量装置）中，圆柱形探测器直径小于0.12m，长度为10m，以方便在直径为0.15m的井眼中进行操作。几个探测器可以连接在一起，构成一个传感器阵列，长约30m，每个传感器对应一个地层参数。这些工具通过地表绞车的缆绳送到钻孔的深处。缆绳可以支撑测量工具的重量，通过嵌入缆绳中的电线一方面可以向工具传输电能，另一方面可以在位于轿车上的地表实验室和探测工具之间传送数据。

作为财务分析的一部分，部分储层流体从地层中被开采出来，其密度和黏性决定了测量是在钻孔下进行、井场进行还是在位于世界其他地区的实验室进行。样本通过一个工具来获取，这个工具实质上由软管和泵组成，将软管强制靠在钻井壁上，泵从地层中抽取液体送入采样瓶中，采样瓶也放在工具中，通过直径为10mm的软管（出油管线）将地层和地层流体采样工具中的样本采集瓶连接起来^[12]。将传感器部署在这些出油管线中以测试样本的密度和黏性，为价值与开采的测算提供指导。温度、压力、化学腐蚀性环境再加上测量结果的最终用途，使得在这些传感器设计中鲁棒性的优先级比不确定性要高。密度和黏性测量总的不确定范围规定是，密度不确定范围为1%，黏性不确定范围为10%；这个范围被认为是可接受的，可以以足够的精度对石油工业中所遇到的含碳氢化合物地层进行估算^[13]。(www.xing528.com)

垂直井从井眼周围的圆形区域产出碳氢化合物。但是，寻找油气田时可能在海上作业，这时首先需要垂直钻孔到一定深度，再用弯管导出到水平地面。这些水平井主要有三个优点：

（1）相比于垂直井可以穿过更大面积的油层区域；

（2）可以使生产设备与油层区域水平相距10km，就像英国南部Wytch农场的BP油田，从一个钻井平台就可以引出很多生产导管到地面；

（3）降低了石油钻井的环境影响。

事实上，对于水下3km的海上平台来说，高密集度的生产管道特别具有经济和环保优势，油井可以钻入到压强为200MPa，温度为488K的区域。

水平井利用所谓的定向钻孔技术，通过安装磁力计来检测方向，利用加速器获得钻杆的倾角使定向钻孔得以实现：随钻测量（MWD）允许钻头实时导入已确定的碳氢化合物地层，而碳氢化合物地层可以通过例如地震勘探等方法来确定^[14]。随钻测量系统包括以下部分：电池或者涡轮机产生的力，流向钻头的钻探泥浆，它可以驱动涡轮机并起到润滑剂的作用，同时将岩屑排到地表；获取数据的传感器；用于处理的电子器件。在定向钻孔系统和地面石油钻塔之间没有电力上的连接，因为钻杆不停地被加到钻柱里，阻碍了通过电缆实现的遥感勘测。定向钻孔系统与地表的通信通过流动的钻探泥浆的脉动压力来实现，但是每秒钟只能传送几位数据。随钻测量系统暴露于速度为100g的剧烈振动中，g为当地自由落体加速度。在岩石中以100r/min的速度旋转产生的磨损空隙必须能传输通过钻杆转换成二进制位的扭力载荷和轴向载荷，同时为钻头润滑剂（通常叫做泥浆）充当通道，润滑剂由安装在地面上的高压泵供应，可能含有斑脱岩磨损悬浮液。其他测量方法也可以用来提供以上所述测井数据，这些方法就是大家知道的LWD，指随钻测井。

这些测量方法是石油和天然气勘探方法之精选^[7-9]。事实上，还有很多关于原油化学分析和生化特性的评论^[15-24]。从油井或者实验室测试中获得的数据可以用来校正油藏模拟器中多孔介质模型、液体模型及管流模型的参数；在这些模拟器中，储层和流体被分割成块。储层模拟大约需要10⁶次调用一个计算流体热物理特征的组件，因此用来评估这些特征的方法所需的时间在整个模拟所需要时间中的比例不可以太大。至少对于常规作业来说，这一要求阻碍了基于分子模型的密集计算方法的应用。对于特殊的过程，因为单相关需求，通常超过限定的温度和压力时，工业上经常利用经验法和半经验法。一般，在储层的整个生产时期，重复使用地震和测井方法，并对参数进行进一步调整以展现测量结果，这些测量结果是利用工业界大家都知道的历史拟合方法得到的时间函数^[25-27]。

其中的一些测量技术也被应用于监测天然气存储设施^[28]，还有一些被用于检测美国华盛顿汉福德渗流区中被污染的地下水^[29]。汉福德，20世纪40年代建于哥伦布河岸边，第一个用于生产武器钚-239的全尺寸核反应堆就是位于这个地方。