オイルを長時間供給し続けるにはどうすればいいですか?石油が流れる「ハイウェイ」を作ろう！

「シェール層は非常に密度が高く、石油が存在しても抽出できない。抽出できたとしても、収量は高くない」これは長い間の「結論」でした。この「結論」の理由は、シェール層内の原油がナノスケールの細孔内に貯蔵されており、自然条件下では坑井内に効果的に流入できないためです。したがって、シェールオイルの効果的な採掘を実現するためには、高度な工学技術を使用して、高密度のシェール層を「分解」し、シェールの孔口と坑井の間に原油が流れる「高速チャネル」を構築する必要があります。では、そのようなチャネルを構築するにはどうすればよいでしょうか?水圧破砕技術ならこれが可能です。

貯留層を「破壊」して石油とガスを流出させる

1947年、米国は世界初の水圧破砕による生産量増加実験を実施し、貯留層生産量増加および変換技術への序章を開きました。水圧破砕作業中、石油技術者はポンプ車を使用して、高強度のプロパントを含む破砕液を​​坑井を通して貯留層に注入し、高圧下で地層を破壊して亀裂に広げます。プロパントの支持効果は、破砕後の貯留層内の石油とガスの移動のための「高速チャネル」を構築するために使用されます。

しかし、非在来型の石油・ガス資源が徐々に探査・開発の主戦場となるにつれ、従来の水圧破砕技術では貯留層内に一定の導電性を持つ人工の亀裂を開けることができるものの、貯留層の緻密な特性により、マトリックスの細孔内の石油・ガスが亀裂に流れ込むことが依然として困難であり、効果的な石油・ガス抽出を達成することは不可能となっている。この問題に直面して、容積破砕技術が誕生しました。その概念は、工学的および技術的な手段によって貯留層を「分割」し、複数の主要な亀裂を形成すると同時に、主要な亀裂の側面に複数レベルの二次亀裂を形成し、複雑な亀裂ネットワークを形成することです。従来の水圧破砕法と比較すると、体積破砕法は「幹線道路」を建設しながら「町道」や「村道」といった多層の「高速道路網」を構築することに相当します。石油とガスはナノスケールの「寝室」から流出した後、最短距離で「高速道路網」に入ることができ、交通効率が大幅に向上します。

人工亀裂の高さと長さが十分ではない

一部の国際石油会社は、古龍頁岩油に関する予備調査に基づき、「商業的な石油流出を得るリスクは非常に高く、商業開発価値があると知られている同様の湖沼頁岩ブロックは存在しない」と結論付けている。古龍シェールオイルの採掘はなぜ難しいのでしょうか？主な理由は2つあります。

第一の理由は、大規模開発が行われている他のシェールオイル貯留層の対象層の粘土含有量が一般的に10％未満であるのに対し、古龍シェール層の平均粘土含有量は35％を超えており、貯留層に極めて強い塑性特性（つまり、外力の作用を受けて破壊されることなく任意に形状を変える能力）を与えていることである。それは粘土をこねるとき、粘土の形は変わりますが壊れないようなものです。しかし、ガラスを叩くとガラスが割れます。これは、粘土がガラスよりも可塑性が高いことを示しています。古龍頁岩層で破砕を行う場合、貯留岩は比較的変形しやすいものの、遠くまで伸びる亀裂を生じにくく、亀裂連通の貯留範囲が大きく制限されます。

2 つ目の理由は、古龍頁岩には 1 メートルあたり数百から数千の密度を持つ複雑な層状亀裂が広範囲に発達していることです。硬い、柔らかい、厚い、薄い、凹凸のある段ボールが積み重なったように見えます。石油地質学者は比喩的にこの構造を「千層のパンケーキ」と呼んでいます。 「千層パンケーキ」型の頁岩を垂直に貫通するには、破砕液が間違いなく何層もの障害物に遭遇することになる。水平方向の層状亀裂は、破砕流体の流れにとって比較的有利な経路となります。しかし、粘土鉱物と複雑な地層の亀裂形態の複合効果により、水平方向の亀裂が遠くまで広がることは困難です。石油技術者は現場のモニタリングデータを通じて、古龍シェールオイルによって形成された人工亀裂の有効高さは10メートル未満、有効長さは200メートル未満であり、有効変形量は同じ建設規模のタイトオイル貯留層のわずか40％であることを発見しました。

「近くを制御し、遠くに広げる」ことで複雑な亀裂ネットワークを形成する

古龍シェールオイルの「千層パンケーキ」貯留層の破砕と増産転換問題をどう解決するか？水利プロジェクトでは、技術者がダムを建設して、主要河川のさまざまな支流に散在する水資源を集中管理し、発電などの目的のためにより大きな水流力を形成し、それによって水資源の利用を改善します。石油技術者も同様のアプローチを採用し、「近くを制御し遠くに拡張する」ことを中核とする破砕設計コンセプトを革新的に提案しました。

いわゆる「制御近傍」とは、破砕流体の力を集中させて結合力を形成し、より大規模な破砕の「幹線」を形成することを意味します。蜂蜜は水に比べて粘度が高いため、普通の水の方が蜂蜜よりも簡単に微小亀裂に浸透することがわかりました。破砕作業中、石油技術者は、破砕流体に特定の成分を含む添加剤を加えることで、液体の粘度を大幅に高め、微小亀裂における破砕流体の損失を抑制することもできます。

「さらに遠くまで延びる」とは、破砕流体によって、油井から遠い地域で「幹線道路」の周囲にさらに多くの「田舎道」や「村道」が形成され、より多くの石油とガスが最短距離で「道路網」に入り、最終的に「幹線道路」に収束して油井から生産されるようになることを意味します。この目標を達成するために、石油技術者は高粘度の破砕流体を使用して「幹線道路」を作成し、その後、低粘度の破砕流体を一定の割合で巧みに切り替えて、高い置換率で地層に注入し続けます。これらの破砕流体は、主な亀裂に沿って遠くの井戸領域まで流れ、さらに貯留層に影響を与えます。粘度が低いため、地層の亀裂に容易に浸透し、複雑な亀裂ネットワークを形成します。

シェールオイルの流動力維持に「スリムオイルフローロング」

水圧破砕作業が完了すると、油井は生産の準備が整います。しかし、原油は髪の毛の直径の1000分の1（約70ミクロン）のシェール層の孔から流れ出て、多層の亀裂ネットワークを通過する必要があるため、産出には長期間かかり、時間がかかります。

石油技術者たちは、水圧破砕法の初期設計段階から、原油の流れを良くする方法を研究してきた。破砕流体の量を増やしたり、原油に溶けやすいガスを破砕流体システムに追加したりすると、原油が置き換えられ、地層圧力が上昇し、石油生産量が増加する可能性があります。破砕流体に界面活性剤を加えると、油と水の界面の表面張力が低下し、油の流動性が向上します。

シェールオイルは一定期間採掘されると、圧力と産出量が減少します。圧力が急激に低下すると、亀裂が閉じて高速流路が閉じてしまいます。そのため、「制御された圧力生産と長期的な石油の流動」というシェールオイル開発戦略は、地層エネルギーを秩序正しく放出することができ、駆動エネルギーをより長い期間維持できるだけでなく、流路の早期閉鎖を回避し、安定生産期間を延長し、最終回収率と開発利益を向上させることができます。

著者: 孟思偉、劉一山（中国石油開発研究所）、鄧大偉（大慶油田開発研究所）