3.3　石油的勘探与开采

3.3.1　石油的勘探

人们对如何发现油气藏的问题经历了一个不断探索的过程：早先以寻找油气苗为线索，后来用石油地质理论为指导进行预测，发展到现在将先进的理论与先进的探测技术相结合，采用正确的勘探程序，有效地降低勘探风险，提高了勘探成功率，加速了油气藏的发现。

（1）寻找油气苗

油气苗是地下油气藏在地表的最直接、最明显的标志。早期的找油就是从寻找、观察出露到地表的油气苗入手的。勘探人员在野外特别注意寻找有没有石油及其迹象（如沥青）或冒气泡的水泉，这是最直观的找油气方法。我国的克拉玛依油田附近有“黑油山”，就是通过发现油气苗而引起注意，投入钻探后发现的（见图3-3）。独山子油田则以因有含油气的泥水长期溢流而成的“泥火山”而著称；玉门油田其旁有“石油河”和“石油沟”；延长油矿范围内沿延河沟谷有多处油苗出露；四川最早利用气井的自贡也有不少气苗可以点燃，古籍中就有记载。

凡是有油气苗的地区，就表明有石油或天然气存在，这就意味着可以找到油气田。

但是有油气苗存在的油气藏毕竟很少，一般埋藏浅，容易被破坏。油气苗实际上是油气藏被破坏的结果。绝大多数油气藏深埋地下，地面没有油气苗。这些油气藏是应用科学的理论和先进的探测方法、手段和技术发现的。

（2）运用先进的石油地质理论指导找油

近代石油工业初期，石油地质学家发现油气都聚集在背斜之中。背斜像一口倒扣在地下的锅，向上运移（油气密度小，在浮力作用下向上运动）的油气被倒扣的锅盖住，油气进入“锅”中聚集成藏，于是提出了“背斜理论”。结果根据这种理论，人们发现了大批的油田，促进了石油工业的发展。直至今天，“背斜理论”对油气勘探仍具有重要的指导作用。

随着油气勘探成功的经验和失败的教训的不断积累，人们发现油气不仅可以聚集在背斜之中，也可以聚集在其他形式的地质空间之中。到了20世纪30年代，“圈闭理论”诞生了。“圈闭理论”认为，油气不仅可以聚集在背斜中形成油气藏，也可以在非背斜的其他空间中聚集成藏。凡是能够阻止油气在储层中继续运移并在其中聚集起来的空间场所称为“圈闭”，背斜仅仅是众多圈闭类型中的一种。“圈闭理论”的提出，大大开阔了人们的找油视野和领域，结果在岩性变化、不整合、古地貌、火山岩等多种地质体中发现了大量的油气藏。20世纪80年代以来，石油地质学家又提出了“含油气系统”理论。该理论认为，尽管圈闭是形成油气藏的空间，但不是控制油气藏形成的唯一因素，油气藏的形成是生、储、盖、运、圈、保六大要素在时、空上的有利配合，任何一方面的缺乏和不利对油气藏的形成和保存都有重要的影响。油气从生油气区到圈闭聚集成藏是一个动态平衡的过程，油气的聚集部位是有规律的。“古油气系统”已经成为全世界指导油气勘探，有效降低勘探风险的重要理论。

（3）现代勘探技术简介

科学的理论只能指出寻找油气的大致方向，指导人们从宏观角度来把握油气分布规律，而真正要寻找具体的油气聚集带和油气（田），还必须借助于先进的勘探技术、方法和手段。

①遥感地质技术　遥感技术是根据电磁波的理论，应用现代高新技术从高空或远距离通过遥感器对研究对象进行特殊测量的一种方法。遥感地质，就是通过距离地球表面350～1500km高空的地球资源卫星拍摄地球表面的照片，然后进行地质分析，找出油气藏。

不同的地质体，由于其组成不同，原子数量排列组合方式的不同，它们本身所特有的发射和吸收电磁波的性质也不同，反射外来电磁波的性质也就不同。卫星照片能够记录不同地质体的反射电磁波段的特性。利用这个特性，把卫星照片上不同地质体的光谱转换为最后的卫星地质照片。通过地质人员对卫星地质照片的解释，结合地面调查和采集岩样分析研究，可以确定含油气盆地的位置、规模和形态，划分可能的生油区和有利的油气聚集带，指出地下一定深度内的较大的地质圈闭。

遥感技术作为一种快速、经济的勘探油气的手段，在我国西部地区油气勘探中的作用及效果非常显著。但它对小范围的微观地质问题反映精度较低，寻找存在于较深地层的储油圈闭的难度较大。

②地震勘探技术　地震勘探技术是利用地层和流体（油气）对地震波的不同变化来寻找油气圈闭的方法。

在进行地震勘探时，采用人工放炮的方法产生人为的地震波。地震波在向地下传播过程中，由于不同的岩石的密度不同，在遇到不同岩石之间的界面时，会产生反射、折射和透射。在地面上利用仪器观察分析反射到地表的反射波，依据反射波传播的速度、时间就可以了解地下深处岩石界面的弯曲、断裂情况，加上反射波的振幅、频率、相位等特征参数就可以判断岩石的性质、流体（油、气）的情况等，这就是地震勘探的原理。

根据地震勘探的精度和方式，分为二维地震勘探和三维地震勘探。

早期的地震勘探是在地面的一条直线上（这条直线称为地震测线）放炮和接收地震波，这样就可得到测线下一条剖面的地质图像。这种测量方法称为二维地震。要想得到一个地区的地下情况，就要在地面上按一定间隔纵横交错平行布置许多测线，用二维剖面研究地下构造情况。将这些剖面排列起来，就可以得到一个地区的地下油气藏情况。世界上著名的中东油田、墨西哥湾油田、北海油田、里海油田和中国的大庆油田等都是靠二维地震方法提供圈闭的。

20世纪70年代，随着计算机技术的进步，出现了三维地震勘探技术。三维地震勘探技术是在二维地震勘探的基础上发展起来的，二维勘探得到的图形是个平面，而三维勘探，可以获得x、y、z三个方向的立体图像，一些在二维地震中难以发现的小圈闭和一些特殊的地质构造、地质现象，都能从三维地震的资料中较好地反映出来。

（4）地表化学勘探

由于油气是一种复杂的有机化合物，是一种能流动、渗透、扩散的物质，所以油气藏的上方的地表及其周围常常会形成某些异常现象。如由于某些物理化学或生物的作用，使一些稀有金属和生物也会发生异常，因此利用化学、物理化学和生物化学来研究与油气藏有关的气体成分、烃类含量、稀有金属、细菌种属等异常的方法称为地表化学勘探。

地表化学勘探的主要方法有：气体测量法、发光沥青法、水化学法和细菌法等。基于上述油气藏与“异常”的关系，可采用在勘探地区的地面（表土层以下）或剖面（露头或钻井）上，按一定间隔进行取样分析，了解有关成分、含量的变化。例如气体测量法，要系统分析样品中气体含量及成分，绘制等值线圈或地化指标变化剖面图，确定背景值和异常区，结合其他地质资料对勘探地区作出古油气远景评价。

地表化学勘探有时也会出现由于其他原因而引起的假异常。

3.3.2　石油的开采

将石油从地下“取”出来的过程称为油田开发或采油，常见的采油方法有以下几种。

（1）自喷采油

石油在地下深处承受着巨大的压力，当采油井钻到油层时，则油层与地表连通，在巨大压力作用下石油将从井下向上喷出。这种井的采油方法称为自喷采油。采油井能不能自喷，是由油层压力的大小来决定的。压力大，喷劲就大；压力小，喷劲就小。当压力小到一定程度时，石油就喷不出来了。

自喷井的产量一般来说都是比较高的，例如中东地区最高的自喷油井日产油量可达万吨左右，我国华北油田也有日产千吨的自喷井，大庆油田的高产自喷井日产200～300t。据统计，目前世界上约有50%～60%的石油是由自喷井开采出来的。由于这种方法不需要复杂昂贵的设备，油井管理比较方便，是一种经济效益较高的采油方法。所以，在油田开发过程中，人们都尽可能地设法保持油井能长期自喷。

（2）机械采油

对于不能自喷的油井需要利用机械装置进行采油。经常采用的机械采油方法有抽油机采油、潜油泵采油、气举采油等，下面分别进行介绍。

①抽油机采油　抽油机是通过下到井底的深井泵来完成采油的，它有工作筒和活塞。工作筒下部装有固定活门与油管连接，下到井筒液面以下。活塞是空心圆筒，上面有游动活门，用抽油杆下到工作筒里。抽油杆可以带动活塞上下运动。当活塞向上时，游动活门在液体压力下关闭，这时活塞上面的石油就从工作筒内提到上面的油管里去。同时，工作筒内的压力降低，油管外的石油就顶开固定活门流入工作筒内。当活塞向下时，工作筒内压力增加，固定活门关闭，石油就顶开游动活门流到活塞上面。这样活塞上下反复运动，井里的石油就被抽到油管里去，并不断地从油管内升举到井口。当前主要采用的是游梁抽油机，人们也习惯称它为“磕头机”。目前国内外油田约有80%的非自喷井都用这种抽油机来采油，如图3-4所示。

②潜油电泵采油　潜油电泵主要由井下电动机、离心泵、保护器和地下电缆等组成。电动机装在井下，直接带动潜油泵，如图3-5所示。

潜油离心泵和普通农用抽水机的道理一样是旋转式的。不过抽水机旋转叶轮级数少，而潜油离心泵的叶轮是多级的。电动机下到几百米甚至上千米的油井里，从井口下一根电缆接在潜油电动机上。当电缆通电后，潜油电动机旋转带动潜油离心泵的多级叶轮转动。每一级叶轮都给井底原油增加一定的压力，就如同抽水机给水增加压力一样。当原油经过多级叶轮转动后，压力会升得很高，于是油就被从井底举到井口。

潜油电动机由于直接带动潜油离心泵，省去了不必要的动力消耗。因此，它的功能比抽油机高得多，并能节约用电。它可用于较深的高产井，也便于实现油田生产自动化。

③水力活塞泵采油　这种泵是利用注入井内的高压液体驱动井下的液马达，液马达上下往复运动带动抽油泵抽油。水力活塞泵具有下泵深、泵效高、检修泵方便等特点，而且排量范围广，适用于稠油、高含蜡、低液面、方向井等情况的油井。特别对没有电源的外围井，可利用本井的天然气作发动机的燃料，带动地面高压泵来驱动井下泵抽油。我国山东胜利油田目前有几百台在应用。

④气举采油　气举采油是把天然气注入到采油井内油管和套管的环形空间，通过油管下部的一个阀门进入油管，使油管内的原油混入气体，使液柱压力降低，生产压差加大，不断将原油举升到地面。气举采油井口和井下工具都比较简单，但地面需要安装天然气压缩机.一次投资成本较高，气举采油主要用于一些不适宜采用一般机械采油方法的油井，如高油气比例井，或有腐蚀性成分气、水的井或井下情况复杂的井。气举采油要有比较充足的天然气源。当前，我国仅在辽河和中原油田有少量气举油井。

⑤注水（气）采油　随着油田的开发，油层压力不断下降，为了向油层内补充能量，往往采取向油层注水或注气的办法。我国大多数油田都采用注水的方式向油层补充能量。注水采油大致分为两类：一类是晚期注水开发，就是油田靠天然能量开采已无法维持生产时，采用注水来进行二次采油；另一类则是早期注水开发的方法，也就是油田一投产，或开发早期阶段即开始注水，始终保持油层有足够的能量，保持稳产。我国注水油田的采油量占全国产油量的90%以上。大庆油田自1960年投入开发以来，创造了我国一整套早期分层注水开发的系统工程。在同一口注水井中，将注水层按渗透率的差异分为若干段，对各段实行分层定量注水，使各油层都能得到能量补充，保持了油井较长时间的自喷。大庆油田1976年年产量增加到5000万吨以后，一直稳产，到1998年油田年产量仍保持在5500万吨以上，2017年完成原油产量3952万吨，天然气产量首次突破40亿立方米。