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民國115年 高考三級 採礦工程 石油探採學與採礦學收錄考選部官方試題，共 6 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請詳細說明石油生產工程的初級採收（Primary Recovery），包含其原理、
主要驅動機制及各驅動機制的可能採收率。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、定義與範疇：初級採收（Primary Recovery）係指油藏投入生產後，僅依靠地層天然能量與人工舉升（artificial lift）將原油推至井底並舉升至地表之生產階段，期間不注入水、氣或化學劑。其採收率（recovery factor）通常僅佔原始蘊藏量（OOIP）之5%至30%，為後續二次、三次採收之基礎；初級採收之終點一般以經濟極限產量，或氣油比、水油比過高判定。 二、驅動機制分類：主要驅動機制（drive mechanism）包括溶解氣驅（solution gas drive）、氣頂驅（gas cap drive）、水驅（water drive）、重力排驅（gravity drainage）及岩石與流體膨脹驅（rock and fluid expansion drive），實務上多呈複合驅（combination drive）。其能量來源分別為溶解氣釋放膨脹、氣頂膨脹、邊水與底水侵入、重力位能及流體與岩石壓縮性。 三、各機制採收率：溶解氣驅約5%至30%（常取15%至25%）；氣頂驅約20%至40%；水驅約20%至50%，水驅強勁者可達50%至70%；重力排驅在厚層、高傾角且滲透率佳之油藏可達50%至80%；岩石與流體膨脹驅僅約2%至5%。複合驅之採收率則介於各單一機制之間，須以驅動指數（drive index）加權評估。 四、影響因素：採收率高低受岩性、潤濕性（wettability）、原油黏度、相對滲透率、層間非均質性、斷層與裂縫發育、井網密度、生產速率、完井層段及經濟條件影響。例如高黏度重油之溶解氣驅效率極低；水濕性砂岩在水驅下殘油飽和度較低，採收率相對較高。 五、限制與建議：初級採收之限制在於天然能量有限且遞減快，地層壓力降至飽和壓力以下後氣油比驟升、產量快速衰減。建議於開發初期即以物質平衡法（material balance）與油藏模擬評估驅動指數，及早規劃注水、注氣時機，並以人工舉升與壓力維持延長初級採收期，銜接二次與三次採收。
天然氣生產到地表之後，所進行的主要處理工作（Primary Treatments）
有那些？請詳述。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、分離與計量：天然氣由井口產出後，須先經初級處理（primary treatments）去除固體、液體與雜質，方符合管輸與銷售規範。首要為分離（separation），利用高壓分離器、低壓分離器與三相分離器（three-phase separator），依重力沉降與停留時間將氣、凝結油與水分離，並排除砂粒與水合物固體。 二、脫水與水合物抑制：為避免管線形成水合物（hydrate）與腐蝕，須進行脫水（dehydration）。常用方法包括三甘醇吸收法（TEG absorption）、固體乾燥劑吸附法（solid desiccant，如分子篩）、低溫膨脹冷凍法（expansion refrigeration，含渦輪膨脹機）及膜分離法（membrane）；處理後水露點（water dew point）須降至管輸規範以下，必要時注入甲醇或乙二醇抑制水合物。 三、脫硫與脫碳：酸性氣體須以醇胺法（amine sweetening，如MDEA）吸收H2S與CO2，再以克勞斯法（Claus process）將H2S轉製元素硫，並輔以尾氣處理（tail gas treating）符合排放標準；含汞氣田另須設置脫汞單元（mercury removal），以保護低溫鋁製換熱器免於汞齊化腐蝕。 四、烴露點控制與外輸：最後進行烴露點控制與天然氣液（NGL）回收（低溫分離、turbo-expander）、脫氮（nitrogen rejection）、壓縮（compression）、計量（metering），並添加臭味劑與腐蝕抑制劑。整體流程須依氣體組成、產量、外輸壓力與環保法規最佳化，兼顧回收率與能耗。
石油在生油岩中形成之後，主要透過那些移棲機制作用讓石油最終聚集
到儲集層的封閉構造中？（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、移棲的定義與階段：生油岩（source rock）中生成之烴類須經移棲（migration）方能聚集於儲集層（reservoir）之封閉構造（trap）。一般分為初次移棲（primary migration，由生油岩排至儲集層或輸導層）與二次移棲（secondary migration，沿輸導層運移至封閉構造），部分文獻另稱聚集後之再移棲為三次移棲。 二、初次移棲機制：包括壓實作用（compaction）排出孔隙水並攜帶烴類；烴類生成造成體積膨脹與異常高壓（overpressure），促使微裂縫（microfracture）發育而排烴；烴類溶於氣相或水相隨流體排出；以及毛細管排驅（capillary expulsion）與擴散作用（diffusion）。黏土礦物脫水與有機質轉化亦助於排烴。 三、二次移棲機制：主要為浮力（buoyancy）與毛細管力之平衡，烴類在親水（water-wet）載層（carrier bed）中呈連續相向上傾方向運移；水動力（hydrodynamic flow）可改變運移方向與聚集位置；斷層、裂縫、不整合面（unconformity）與礫岩層可作為輸導通道或遮擋單元，運移路徑受區域傾斜與構造形貌控制。 四、聚集條件與影響因素：當浮力不足以克服蓋層（cap rock）之進入壓力（entry pressure）時，烴類即被截留於封閉構造中形成油氣藏。影響移棲效率之因素包括生油岩成熟度與排烴效率、載層滲透率與連續性、構造發育與烴類生成之時間匹配（timing），以及後期抬升、剝蝕或斷層破壞導致油氣散失。
有一地下礦場以房柱法（Room and Pillar）來開採煤礦，其礦柱強度（Pillar
Strength）與礦柱應力（Pillar Stress）之評估非常重要，請詳細說明評估
流程。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、流程總覽與資料收集：房柱法（Room and Pillar）礦柱評估可概括為資料收集、礦柱應力計算、礦柱強度計算、安全係數判定、設計調整與監測回饋五個步驟。首先須調查地層柱狀、覆岩厚度與平均重度、煤層厚度與傾角、煤岩單軸抗壓強度（UCS）、岩體評分（RQD、RMR）、節理位態，以及開採配置（房寬、柱寬、柱高、採收率）。 二、礦柱應力計算：常以影響面積法（tributary area theory）估算：σp = σv × (A_total / A_pillar) = γH × (W_o + W_p) / W_p，其中γ為覆岩平均重度、H為深度、W_o為房寬、W_p為柱寬。此法假設覆岩荷重均勻分配、各柱均勻承載且盤區外圍無支撐，適用於規則配置之大面積盤區；鄰近盤區邊界、斷層帶或淺部者須以數值分析修正。 三、礦柱強度計算：礦柱強度（pillar strength）多以經驗公式配合寬高比（W/h）修正：Obert-Duvall式 Sp = Sc(0.778 + 0.222 W/h)；Bieniawski式 Sp = Sc(0.64 + 0.36 W/h)；Salamon-Munro煤柱式 Sp = 7.18 W^0.46 / h^0.66（MPa，W、h以公尺計）。Sc為現地尺度岩體強度，須由岩心試驗值配合尺寸效應與節理折減係數修正。 四、安全係數與穩定性判定：安全係數 FS = Sp / σp，煤礦一般要求FS ≥ 1.5，重要結構或人員密集區宜 ≥ 2.0。判定尚須檢核礦柱表面剝落（spalling）、頂板容許跨度、柱基承載（punch）與底鼓（heave）、盤區整體穩定性（panel stability），以及採收率是否滿足經濟要求。 五、設計調整與監測回饋：若FS不足，可採增大柱寬、縮小房寬、降低採高、調整盤區配置、施作岩栓與噴漿，或以充填（backfill）與人工支柱補強。開採期間應以收斂計（convergence）、微震監測（microseismic）、聲射（AE）與地表沉陷觀測回饋，並以有限元素或有限差分數值模擬複核，形成閉環設計。
探礦（Prospecting）為採礦工程之首要工作，如以地球物理探勘方式進行
探礦，請詳細說明其方法及適用礦種。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、探礦流程與地球物理之角色：探礦（prospecting）係於區域地質調查與地質圖測製基礎上，圈定具經濟潛力之礦化區。地球物理探勘利用岩礦物性差異（密度、磁性、導電性、彈性波速、放射性）於地表、井下或空中量測物理場異常，具快速、大面積、非破壞之優點，惟結果屬間接證據，須以鑽探與化驗驗證。 二、位場法：重力法（gravity survey）量測密度差造成之重力異常，適用於鹽丘、硫磺礦、鉻鐵礦、重晶石及塊狀硫化物礦體；磁力法（magnetic survey）量測磁化率差異，適用於磁鐵礦、鈦鐵礦、鎳鉻礦及含磁性礦物之金銅礦，航空磁測適合大區域快速掃描。 三、電法與電磁法：電阻法（resistivity）與激發極化法（IP）量測導電性與極化率，對硫化物礦體、含硫化物金礦、銅鉬礦、石墨及地下水敏感；電磁法（EM、TDEM、MT）適用於高導電之塊狀硫化物、石墨、鹹水與地熱構造；自然電位法（SP）可測硫化物氧化還原電位；穿地雷達（GPR）適合淺層砂礫與石材礦。 四、震測法與放射性法：震測反射法（seismic reflection）利用彈性波阻抗差，適用於煤層、油氣構造、鹽丘與地層界面探測，為油氣探勘主力；折射法可測基岩深度與風化層厚度。放射性法（radiometric、gamma-ray spectrometry）測鉀、鈾、釷含量，適用於鈾礦、鉀鹽與稀土礦；地熱法測熱流異常，適用於地熱資源。 五、方法選用與限制：選用須考量目標礦種之物性對比、探測深度、地形與人為干擾、成本與解析度，通常採多方法整合（如磁法＋重力＋IP）以降低多解性（ambiguity）。限制包括解析度隨深度下降、地形與電磁干擾、反演之多解性，故須配合地質製圖、地球化學探勘與鑽孔驗證，並遵循礦業法與環境影響評估相關規定。
露天礦場常以直井（Shaft）來運搬礦石，而碎礦機（Crusher）可設置於
直井之上方或底部，請詳述此兩種設置處之優缺點。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、設於直井上方（地表）之優缺點：優點為設備維護、檢修與更換方便；通風、除塵與噪音處理較易；不受井下空間與湧水限制；井筒斷面僅需容納箕斗（skip），可採較小斷面；故障排除迅速、停產損失較小。缺點為須將大塊礦石提升至地表，箕斗與井壁磨損較大、提升能耗與鋼索負荷較高，地表須設破碎廠與轉運皮帶，佔地及粉塵噪音影響環境。 二、設於井底之優缺點：優點為可於井下先將礦石破碎至皮帶可運輸粒度，改以連續皮帶或箕斗提升，提升效率高、單位能耗低；井筒斷面與提升設備噸位可縮小；減少大塊礦石對井壁之衝擊磨損；並可結合井下儲礦倉（ore pass）調節產量。缺點為需開挖大斷面破碎硐室，通風、除塵與排水困難，潮濕環境加速設備腐蝕，檢修須吊運重型零件、安裝工期長，火災與粉塵爆炸風險較高。 三、選址考量與建議：應綜合評估礦石硬度與最大塊度、設計產量與服務年限、井深與提升方式、井下岩體品質與支護成本、通風排水條件、初期投資與營運成本、安全法規與環境要求。一般而言，大產量、深井、採皮帶連續運輸者宜採井底設置；產量較小、地質條件較差或礦石塊度大者，宜採地表設置。