我が国の「インテリジェント掘削ガイド」技術に新たな進歩が！石油とガスの採掘はなぜそれほど難しいのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Jing Bo (地質エンジニア)

プロデューサー: 中国科学博覧会

油を抽出するには何段階の工程がありますか？

それを探し出し、井戸を掘り、そしてそれを採掘します。

液体鉱物である石油の探査と開発は、典型的な統合探査生産モデルです。したがって、石油・ガス開発プロセス全体にわたる中核作業として、掘削技術のレベルが石油・ガス開発のレベルを直接決定します。

（写真提供：Veer Gallery）

石油資源の開発は容易ではありません。固体の鉱床とは異なり、石油やガスの貯留層は地表の深いところに埋まっていることが多く、特定の採掘機器の支援が必要です。さらに、液体鉱物は流動性があり、無理な採掘は回収率の低下につながります。

では、人類はどのようにして石油のような貴重な資源を採掘することに成功したのでしょうか?私たちの科学者たちはどのような試みをしてきたのでしょうか?

初期調査：中国には本当に石油がないのか？

技術的条件が比較的劣悪だった初期の頃は、石油の発見は他の鉱物と同様に自然の露頭に依存していました。 『漢書地理』には「高奴の定陽には燃えやすい渭水がある」と記されている。高奴は、現在の陝西省延昌県付近に位置し、中国初の陸上油井があった場所である。 1935年、中国労農紅軍が延昌製油所を接収し、同製油所で開発された石油製品は抗日戦争と解放戦争を強力に支えた。

1938年、中国共産党中央委員会の承認を得て、延昌油田の掘削装置2台とその設備が玉門に移管され、玉門老君寺で最初の油井が掘削され、中国初の近代的油田であり、中国の石油産業の発祥地である玉門油田の開発が始まりました。中国における重要な「功績ある油田」といえる。

老君廟石油鉱山、玉門油田

（写真出典：中国政府ウェブサイト）

第二次産業革命により、内燃機関の発明により石油採掘産業の発展と石油化学産業の生産が促進されました。元々の石油とガスの資源は、急速に発展する生産と生活のニーズを満たすには程遠いものでした。その結果、各国は石油採掘への注目を急速に高めるようになりました。

日本は中国に対する侵略戦争を開始した後、我が国の北東部地域で大規模な鉱物調査と略奪を実施しました。石油・ガス探査の範囲は、北興安省ハイラル区から熱河省までの地域に及んだ。同社は蒸気エンジンで駆動する長さ2,000メートルの回転式掘削装置を開発し、大慶油田の端に深さ1,000メートルの探査井を掘削した。

それでも、三井松吉大慶油田第一油井の貯留層深度1,357～1,382メートルとはまだ隔たりがある。

大慶油田で発見された油井、宋済三井

（写真提供：新華網）

当時、石油採掘の分野では「海洋石油生成説」が主流でした。 1922年、米国スタンフォード大学の地質学教授ブラックウェルドは「我が国とシベリアの石油資源」と題する論文の中で、「中国には中生代や新生代の堆積物は存在せず、古生代の堆積物のほとんどは石油を産出しない。したがって、中国が大量の石油を産出することは決してないだろう」と指摘した。こうして我が国は石油に乏しい国というレッテルを貼られてしまったのです。

オイルはありますが、取り出すのはまだ少し難しいです

1939年、中国の専門家が甘粛省玉門の大陸盆地にある老君廟油田を発見し、この理論の支配的な立場を揺るがした。これが中国の陸上石油生産理論の始まりとなった。その後の大慶油田の開発と石油地質学的研究は、最終的に陸上石油生産の理論に強固な基盤を築きました。

1960年に1205掘削チームが使用したBeu-40掘削リグの主エンジン

（写真提供：大慶油田歴史展示館）

これに対し、日本は「海洋石油生成論」という石油発見の考え方に縛られ、米国から物理探査技術を導入しているにもかかわらず、依然として電気探査技術を主としている。つまり、まず油田を発見し、その後地質構造調査を行う必要があり、探査効率が低くなります。

日本は中国東北部で丸30年かけて探査した結果、粘性が高く硫黄分の多い重油しか得られず、その流出量も非常に少なかった。当時の日本の精製技術では、この油を使って軍隊に必要なガソリンを精製するのは困難でした。アメリカから新しい技術や設備を輸入する必要がありました。それが無事に製作された時には戦争は終わっていた。

石油資源の供給不足というジレンマに直面している日本は、技術革新を実現するために他の方法を模索するしかない。石油支出不足の問題を解決するために、日本は石炭を人工石油に液化させ、一次液化軽油と二次水素化液化石油を生産するプロジェクトを開発するために多額の費用を費やさなければなりませんでした。しかし、条件が限られていたため石油の生産量は多くなく、人工の石油工場が数多く建設されました。結局、資金と設備の不足により、プロジェクトは失敗しました。これらすべての原因は、掘削設備の後退に起因します。

石油掘削パイプとドリルビット

（写真提供：Veer Gallery）

液化石油だけでは量的にも質的にも日本の石油需要を満たすことはできない。石油不足により、日本は中国北東部で石油の探索を続ける計画を断念せざるを得なくなり、数基の小規模なコア掘削装置のみが残された。日本も中国東北部での石油採掘事業を完全に断念し、北部のサハリン島と南部のインドシナ半島・マレー諸島に目を向けた。

北進派が意思決定レベルから排除され、ヨーロッパの戦場でイギリスとフランスが敗北したことで、日本は、深刻な石油不足の問題を解決するために東南アジアの豊富な資源を獲得するチャンスが来たことを認識しました。東インド会社などの企業にとって重要な生産地域であるインドネシアのスマトラ島やダラカン島も容易にアクセス可能となるだろう。

日本の南侵の第一歩はハノイであり、続いてドイツ、イタリアとの軍事同盟が締結されたが、これも米国、英国、その他の国々からの強い反発を引き起こした。 1940年、米国国務省は日本に対して道徳的禁輸措置を発令し、オクタン価87以上の航空ガソリンを禁止した。英国とオランダもこれに追随し、英国はボルネオから日本への石油供給を遮断した。アメリカはオランダ東インド会社を説得して横浜と長崎への石油輸送を停止させた。この措置は経済的に日本に宣戦布告するに等しいものであったが、日本を封じ込める役には立たなかった。むしろ、日本がリスクを冒して真珠湾攻撃計画を策定・遂行するきっかけとなり、最終的にはアメリカが中立を放棄して連合国側に加わることを余儀なくされ、それが太平洋戦争勃発の導火線となった。

オランダ東インド会社の紋章

（写真提供：Veer Gallery）

もちろん、これは石油とガスの探査と開発の必要性と緊急性を示す一例にすぎません。エネルギー消費構造が変化しても、石油やガスの需要がある限り、探査・開発作業は継続されるでしょう。

石油の探査と生産における困難は何ですか?

探査が進むにつれて、開発作業のコストが増加します。陸上の石油・ガス貯留層の開発に適した大規模・中規模盆地のほとんどが探査されたため、石油・ガス探査の焦点は中層・浅層から深層・超深層へと移行しています。

この傾向は我が国で特に顕著です。一方、中国の石油・ガス消費量と対外依存度は増加している。一方、中国における浅層・中層の石油・天然ガス貯留層の形成に関する地質条件は確かに良好とは言えません。対照的に、中部盆地と西部盆地では、塔河、普光、安月、静辺、順北など、数多くの大規模な油田とガス田が発見されている。これは、中国の実証済みの深層および超深層炭酸塩石油・ガス貯留層の特徴が世界のものと大きく異なっており、探査の見通しが広いことを示しています。

タリム盆地の順北油ガス田：順北42Xテストで高収量の工業用石油・ガス生産

（写真提供：The Paper）

中国の石油・ガス探査では、深層および超深層での突破口の発見がますます急務となっている。その結果、圧力は新たな貯留層形成理論から掘削装置へと移った。

初期の石油掘削設備は衝撃掘削を採用しており、その原理は大きな鉄の円錐を繰り返し持ち上げて衝撃を与え、大きなノミのように底を砕いて作業するというものでした。

この方法は、中国南西部で塩を採取するための小径井戸を掘るのに最初に使用されました。数百メートルの掘削能力があり、1キロメートルの深さの塩井を掘削することができます。 1000年以上の歴史があります。

20世紀初頭に登場したばかりのロータリー掘削は、主に回転と圧力を利用して電動ドリルのように作動し、掘削装置の作業効率を数倍に高めるとともに、掘削限界も数倍に増加し、最深部では10,000メートルを超えます。

夜空の下、1万メートル掘削リグ「クラスト1号」の全貌

（写真提供：新華社、撮影：徐昌）

固体鉱物の生産には、数千メートルの掘削能力を持つ従来の油圧回転ドリルで十分です。固体鉱物の掘削能力は地下トンネル採掘能力を上回っているが、統合的な探査と採掘を必要とする石油とガスについては、その能力がまだ不十分である。これは、石油とガスの資源開発の困難さが2つの側面に反映されているためである。

固形鉱物石炭の採掘作業

（写真提供：Veer Gallery）

一方で、探索するのは困難です。探索が難しい理由は3つあります。まず、深い掘削が必要です。理論がいかに完璧であっても、地上の地質物理調査がいかに豊富で詳細であっても、最終的には深部掘削による検証が必要になります。第二に、探査深度が増すにつれて、探査資金の消耗が早くなります。建物を建てる場合と同様に、階が上がるにつれて、基礎と構造の両方が十分な冗長性を持って設計および構築される必要があります。第三に、探索のレベルが上がるにつれて、探索は常に調整されます。掘削作業は高温、高圧、高塩分の環境下で行われ、探査のリスクと困難さは増大し続けています。

弾性波探査技術

（写真提供：中国石油ニュースセンター）

困難な井戸では、間隙水圧、亀裂勾配、複雑な形状が組み合わさって、狭い作業範囲が形成されます。実際の操作は、深い地層に刺繍を施すのと似ています。効果的な掘削パラメータをフィードバックできない、サイドカット能力が低い、ドリルビットの回転が難しい、掘削操作能力の範囲が狭いなどの理由で、コストと時間のかかる事象が発生します。

一方で、収集するのは困難です。石油・ガスの集積要素のうち、貯留層カバーは一般に地層内で平坦な状態にある。皆さんが食べる半熟卵と同じように、私たちが得たいのは柔らかい部分（石油やガス）ですが、その微細構造はそれほど単純ではありません。それは、無数の水分遮断層を持つスポンジのようなものです。石油やガスを抽出したい場合は、適切な場所まで掘削する必要があり、そうすると地層の圧力によってスポンジから水（石油とガス）が直接絞り出されます。

しかし問題は、防水層（カバー層）の存在により、間にたった 1 層しかないにもかかわらず、無力になってしまうことです。したがって、私たちが最もやりたいことは、できるだけ多くの貯水池を接続することです。もちろん、キャップロックを中断する（フラッキング法）という選択もできます。

水圧破砕掘削装置

（写真提供：Veer Gallery）

これが、鉱業において私たちが直面するジレンマです。まず、地質探査だけでは、地下深部の微細な地質構造を明確かつ正確に研究することは困難です。第二に、微細構造が得られたとしても、期待する層に直接到達するには、十分に柔軟な掘削技術が必要です。

石油を探し続けてください！問題よりも解決策の方が常に多い

石油をうまく抽出するために、人々は最も直接的な解決策、つまり水平井戸を見つけました。水平井は地層と平行なので、垂直井よりも多くの石油とガスを生産できます。密な地層の浸透性は非常に低く、石油やガスが坑井まで移動するのは困難です。水圧破砕とプロパントの重量増加による浸透性の向上により、横方向の長さが増加することで、単一の井戸内の石油およびガス貯留層の露出面積が増加し、タイトな石油およびガス層の経済的な開発が達成できます。 2010年以降、水平井はシェールガスとタイトオイルの主な生産方法となっている。

それだけでなく、油田開発の中期および後期段階は特に困難であり、掘削誘導技術のさらなる発展も大きく促進されました。長年にわたる水注入開発の結果、古い油田のほとんどの油井は高水分段階に入っています。地下の油層が浸水した後、水面に薄い油層だけが浮かぶ状態を「水浮上」といいます。このとき、水平井戸掘削技術が役立ちます。油層に直接到達する可能性が大幅に高まり、掘削誘導技術の発展の大きな原動力にもなります。

中国石油化工江漢油田の涪陵シェールガス田の膠野18-S12HF井が無事に完成しました。水平区間の長さは4,286メートル、水平区間の「一回掘削」距離は4,225メートルとなり、我が国におけるシェールガスの超長水平井掘削において大きな進歩となった。

（写真提供：光明オンライン）

掘削誘導技術だけでは決して十分ではありません。掘削プロセスでは、地質学的ターゲットの検出手段が単一であり、坑井の軌道を制御するのが難しいため、ターゲットの油層をタイムリーかつ正確に追跡することが難しく、その結果、埋蔵量の掘削率が低くなり、複雑な石油およびガス貯留層を効率的に開発することができません。

油田の形成タイプと傾向が複雑で、貯留層の位置が不確かな場合、潜在的な開発方向は薄くて貧弱な層とオイルサンド体になり、掘削しながらの伐採技術に対する要求が高まります。

現在の主流の技術は、単純な掘削ガイダンスだけでは満足できません。また、複雑な物理探査機器と組み合わせることで、成熟した掘削同時検層機器セットへと発展します。数学的解析手法を使用して地震特性と検層曲線をリンクし、インテリジェント掘削のための掘削前地質ガイダンス モデルを確立します。統計モデルの助けを借りて、サンプルを自動的に検出し、貯留層の状態を自動的に予測し、坑井の軌道を正確に制御し、掘削速度を向上させることができます。

掘削しながら伐採する技術「Xuanji」システムはその役割を終え、地下から地表に戻されました。

（写真提供：新華網）

石油・ガス資源掘削にはインテリジェントナビゲーションが採用されている

最近、中国国産のインテリジェント掘削ガイドは、タリム盆地西部のTP259-2H生産井での実際の掘削応用において重要な進歩を遂げ、高収量の工業用石油・ガス生産を実現した。この応用の進展は、中国が超深層石油・ガス探査開発技術のハイエンド分野に参入し、重要な中核技術を習得し、掘削、検層、泥水検層、油田試験、地質物理探査など、産業チェーン全体の中核技術の発展を達成したことを証明している。

同時に、この国産の「重油ツール」の登場により、技術と設備の面で画期的な進歩が達成され、設備は自由かつ自主的に開発され、中国の地質学的蓄積の背景に合致する石油・ガス探査理論の検証と革新を強力にサポートしました。

インテリジェント掘削ガイドが井戸に入る際に方位電磁波抵抗率画像ロギングツールを掘削している写真

（画像提供：中国科学院）

わが国の上流事業の慣行では、超深層盆地は高温、高圧、石油・ガスの成熟度が高く、源泉に近い場所に蓄積されているため、天然ガスや軽質油の生成に適しており、資源が豊富で探査レベルが低い。石油とガスの発見における主要な戦略的進歩は、基本的に深層と超深層に集中しています。例えば、タリム盆地の麓、四川盆地、ジュンガル盆地の南端、ツァイダム盆地における埋蔵量と生産量の増加はすべてこれにかかっています。

さらに、我が国には、長い間効果的に水を注入できず、さまざまな対策が失敗したために閉鎖された古い井戸がまだ数多く残っています。 「インテリジェント掘削ガイド」を使用して油層内の定点と定方向でコアサンプルを採取し、残留油を抽出することが、将来的に古い油田の生産を安定させ、増加させ、資源の利用率を向上させる唯一の方法です。これは、低コストで低浸透性貯留層の潜在能力を引き出す強力な手段となっています。古い油田に残っている石油の潜在力を活用するための推進余地は非常に大きく、中国自身の油田の戦略的保証能力をさらに高めることになる。

高速坑井から地表への伝送システム（HST）のテストが成功しました

（画像提供：中国科学院）

結論

油を抽出するには何段階の工程がありますか？今、この問題を改めて見てみると、私たちが一歩ずつ前進し、今も前進し続けていることがわかるでしょう。

わが国にとって、当初は各国から「石油資源は全くない」と言われたのが、今では「インテリジェント掘削」で石油を容易に採掘できるようになるまで、実験を重ねてきた努力と汗は計り知れません。

石油という戦略資源がしっかりと守られ、国の経済、社会の発展と国防の安全に絶大な信頼を与えてきたのは、科学者と鉱山労働者の努力のおかげです。