互动科普

最近取得的地下成像技术、定向钻探技术和深水采油技术的新发明有可能找到和获得更多的深层石油。

迄今为止，全球所有石油的95%以上都是由廉价而容易发现和获得的传统石油提供的。乍看起来，对传统石油未来生产形势的看法似乎是灰暗可怖的。根据预测，2010年时，全世界迫切依赖于石油的经济将需要更多的石油，比届时石油工业所能生产的约多100亿桶，接近1997年全球石油生产总量的一半。如此巨大的供应缺口将有可能导致价格动荡、经济衰退乃至战争。

值得庆幸的是，四大技术进展不仅将能加速发现新的油田，而且将能经济地大大提高现有油田的收获率，从而填补大部分缺口。若是上述技术按计划于3至5年的时间内在最大的一些油田推广应用，那么，到2010年时，就有可能将全球石油生产率提高20%以上。如此迅速的推广应用似乎是一种奢望，因为传统上石油工业推广应用新发明都要花10~20年的时间。然而，在这种情况下，庞大的经济力量将推动石油工业领域的变革。

例如，在过的两年里，法国埃尔夫石油公司(Elf)已在西非的海岸外发现了一些大的油田。在同一时期，该公司的股票价格翻了一番，因为工业分析家预计埃尔夫公司的石油产量在2001年时将增长8％。如果世界上其它几大石油公司也像埃尔夫公司这样的话，那么，到2010年时，它们应当能够每年多生产50亿桶石油，或许因此能够填补全球产量同需求量的差额的一半。

本文将依次报道石油技术上的四大进展，下面先从地下石油的勘探新方法开始。

以4维勘探石油

1927年，地质学家们初次成功地将反射的声波转换成地壳的详尽剖面图。从此以后，石油勘探的效率变得高多了。以后地震学家又学会了如何将这些剖面图拼合成能够揭示多孔岩石地层中的石油蕴藏状况的3维模型。尽管这种称为“3维地震分析法(3D seismic analysis)的技术方法花了10多年的时间才变成一种标准的方法，但如今人们普遍认为，它能将石油发现率和石油收获率提高20%。

最近几年来，笔者在哥伦比亚大学的实验室的以及其它地方的科学家们创造了更加有效的能在钻井抽干地下地层的过程中勘测出石油、水和气体的流动的方法，即包括新增加的时问这一维的“4维”(4 D)法。然后，上述资料就能用来时对油田进行“各种可能性的”分析，从而设计出能尽快、成本尽量低廉地多采回20%的石油的方法。

与前一种方法柑比，4维法似乎能够迅速流行起来——在过去4年的每一年里，得益于4维法的油田的数量都翻了一番，现在达到了约60个。这种勘测法能使收获率提高10~15个百分点。遗憾的是，这种方法只能在世界大油田的一半左右起作用，能在蕴藏着石油和天然气的岩质相当软的油田起作用。

注气抽油

当地质学家们开始研究新的时间经历勘测法时，他们惊奇地发现，关于石油流动的最基本的观念之一——石油天然地处于上面较轻的气体和下而较重的地下水之间——过于简化了真正的油田的行为。事实上，大多数油井所产生的是复杂的分形流动模式，这种模式使得石油同气体和水混合起来。结果，专家们如今知道，传统的对油井进行抽油直到油流渐渐枯竭的方法时常使得60%甚至更多的油采不出来。

一种更为有效的方法是将天然气、蒸汽或液态二氧化碳注入枯井。然后，注入物使通过岩石上的微孔向下扩散，若是计划周密，注入物还会将否则便会被遗弃的石油推向相邻的油井。另一个办法是时常将水注到石油的下面以增大其压力，从而帮助其向上流到地表。

实践证明，注入蒸汽和二氧化碳能使收获率提高10~15个百分点。遗憾的是，这种方法也会使石油生产成本上升50～100%，从而使得4维地震勘测法的附加费用增加10~25%。因此，除非二氧化碳的成本大大下降(或许是由于全球变暖条约限制氧化碳的排放)，这类方法或许仍然只能作为不得已时的最后一招。

指向失掉的石油

称为“定向钻探”(directional drilling)的第3大技术进展可以开发被忽视的储油层，而成本却比注入法要低。石油工程技术人员可以利用各种新设备来使油井在地下数千米处的储油层内从垂直走向变为完全水平走向。

在传统上，钻探工要转动长长的钻杆，即“钻具组”(string)，钻具组将地表的钻机同油井底部的钻头连为一体。当钻杆必须转弯(弯曲会使旋转的钻具组断裂)时，这种方法就失效了。因此，可转向钻具组并不转动，插在靠近钻头处的泥浆驱动的电机只转动起挖掘作用的金刚石尖端的钻齿，安装在泥浆电机与钻头之间的弯管接头控制着钻探的方向。

钻一个建过数千米岩层直至典型的30米(约合100英尺)厚的含油地带的钻孔是一项精确的工作Schlumberger公司、Halliburton公司以及其它一些国际公司已研制出能大大提高钻探精确度的先进的传感器。上述传感器的工作深度达6000米，工作温度高达200摄氏度(合400华氏度)，在刚好在泥浆电机之上或之下处装在钻杆上。一些传感器负责测定钻井周围岩石的电阻，其它一些传感器则发射出中子和γ射线，然后对被岩石和孔隙流体散射回来的中子和射线进行计数。上述测量结果以及钻头当前所在位置(由惯性引导系统计算出来)通过用来驱动电机和润滑井筒的泥浆流中的脉冲被发送回地表。工程技术人员于是就能调整钻探的路径，从而使钻头迂回前进到构造带中最富油的部分。

一旦钻井得以完成，钻探工人一般都要在井口上竖立起开采设备。然而，几家公司现在正在研制能在井下深处接近其进入点处探测油、气和水的混合物的传感器，带有上述传感器的“灵巧的”油井将能把水从井流分离出来，使之永远不能到达地表。相反，由钻杆上的一台计算机控制的泵将把废水注到油位以下的地方。

在深水中跋涉

或许石油工业最后一大新领域在于深水油田，即海面以下10米或更深的油田。如此深处的油田向来是人类能力所不及的，然而如今这一局面已经改观。遥控水下机器人现己能在海底安装复杂的设备，它们是防止井喷、将油流调节到盛行的高压下以及防止天然气冻结堵塞管道所必需的。海底成套设备将把一群水平式油井(horizontal well)联为一体。然后，采得的石油既可以直接集中到海面的油库中，也可以通过长长的水下管道输送到浅水地带原有的平台上。在今后三年内，预计将在墨西哥湾以及挪威、巴西和西非的海岸外修建这类海底设施。

妨碍开发海上油田和气田的并非只是深水，巨大的水平走向的盐层和玄武岩(一种火成岩)层有时就隐伏在大陆边缘深水中的海底下。采用传统的地震勘探法时，这类岩层几乎把所有的声能都消散了，使得下面有油田也发现不了。然而，新近解密的美国海军的探测重力的大小和方向的微小变化的技术以及超级计算机日益增强的能力现己使得地球物理学家能够看见盐层或玄武岩层下面隐藏的东西.

开采深海下的石油仍然耗资极大，然而，新发明和必要性已给该领域带来了新的探索高潮。致力于深水石油开采的10大石油公司已发现了一些新的油田，它们将使其综合石油储量(combined oil reserves)增加5%，这一增量尚未反映在世界石油储量估计数上。

21世纪时，石油勘探开来技术将继续取得长足进展，尽管上述技术未必能够完全消除石油供应即将来临的缺口，但它们将会赢得平稳过渡到由其它能源支撑的世界所需要的时间。