坑井検層：炭層メタンの探査と開発における「賢い目」

炭層メタンの探査と開発には、主に地質調査、物理探査、掘削、伐採、坑井伐採、セメント固化、仕上げ、穿孔、排水、地表採取と輸送などが含まれます。各リンクの緊密な接続と調整を通じて、地下の探査と発見から地表生産までの炭層メタンのプロセスが実現されます。その中で、坑井検層（物理検層とも呼ばれる）は、炭層や炭層メタン資源を発見するために必要な手段の 1 つです。地質学者の「目」と呼ばれることもあります。地質学者は、この「賢い目」を使って炭層メタン貯留層のさまざまな岩石物理パラメータを取得し、炭層の特徴と状態を明らかにして、炭層メタンの生成と蓄積に有利なゾーンと分布パターンを見つけるための技術的サポートを提供し、炭層メタン貯留層を特定するという目的を達成します。

炭層メタン貯留層の特徴

石炭層は、複雑な生化学的および地質学的プロセスを通じて植物の残骸から形成された固体の可燃性鉱物です。私の国は多様な地質的特徴を持っており、石炭貯留層や炭層メタン蓄積環境も異なります。厚さは1メートル未満の薄い炭層から130メートルに達する極厚の炭層まであります。全体的に、埋没深度が浅く、硬度が低く、破砕や採掘が容易であることが特徴です。石炭貯留層は通常、2 つの細孔構造特性（マトリックス細孔、微細細孔、およびクリートとマイクロクラックで構成される天然の亀裂ネットワーク）を備えています（図 1）。脆く、多孔性と浸透性が低く、不均一性が強く、膨張しやすいため、炭層ガス含有量に対する検層応答特性が不明瞭になり、検層の解釈と評価に大きな困難と課題が生じます。

他の種類の石油やガスと比較して、炭層メタンには独自の特徴があります。石炭の副産物であり、石炭層の細孔内に存在します。シェールガスと発生状況は似ており、自己生成・自己貯蔵の特徴を持っています。炭化水素ガスは、石炭マトリックス粒子の表面に吸着されたもの、石炭層の分離や細孔に遊離したもの、水に溶解したもの（含有量はごくわずか）の 3 つの形態で存在します。これら 3 つのガスは、発生状態が異なり、動的平衡状態にあります。炭層メタンの生成は、脱着、拡散、浸透の動的平衡プロセスです。炭層内の流体圧力が低下すると、石炭マトリックス粒子の表面に吸着された炭層メタンが脱着により遊離炭層メタンに変換されます。自由炭層メタンは、石炭マトリックスの拡散または浸透を通じて地層の亀裂に入ります。最終的に、亀裂内の自由炭層メタンが浸透によって坑井に到達し、生成されます。炭層メタンの量は、主に地質構造、石炭化度、炭層の発生状況、天盤と床面を囲む岩石の特性によって影響を受けます。坑井検層とは、地質学、岩石力学、数学、人工知能、ビッグデータなどの「十八の武術」を活用して、炭層をミクロのナノ細孔構造からマクロのミクロ細孔構造まで細かく特徴付け、炭層のメタンの「脈を測り」、「診断する」ことです。

「知恵の目」の起源と発展

坑井検層は、音、電気、原子力、磁場などの物理的プロセスの研究に基づいて高精度の機器を開発するプロセスです。これらの機器は地下数百メートルから数千メートルに設置され、測定を通じて岩石層や岩石層内の流体を反映するさまざまなパラメータ信号が得られます。解釈および評価担当者は、これらのパラメータ信号を使用して、地下の炭層メタンの宝の秘密を明らかにし、石炭とガスの正確な位置を特定します。これが、井戸掘りが「賢い目」と呼ばれるようになった由来です。

1920 年代以降、坑井検層の発展は、アナログ検層、デジタル検層、CNC 検層、イメージング検層の 4 つの段階を経てきました。アナログロギング段階でのデータ収集方法は単一で、アナログ記録を使用してデータを手動で図面に描画し、主な機能は油層とガス層を定性的に識別することです。デジタルログ段階では、デジタル記録が使用され、コンピュータ処理によって得られたデータが使用されます。検層方法と取得プロジェクトが改善され始め、検層の解釈と評価方法が大幅に開発され、石油とガスの定量評価と総合分析を実現し、複雑な火成岩、埋没丘陵などの石油とガスの貯留層の貯留層評価に役割を果たしています。さらに、伐採技術は地質学や石油貯留層などの分野にも発展し始めています。 CNC ロギング段階では、サポートするロギング機器と取得プロジェクトがより成熟し、データの取得と処理の技術が飛躍的に発展しています。コンピュータとマイクロエレクトロニクス技術の急速な発展により、さまざまな補助検層データが、破砕性貯留層や薄い層間層などの複雑な岩相の要件を満たすようになりました。現在私たちが行っているのは、イメージング ロギングの段階です。その優れた特徴は、画像取得により地層の全方位測定が実現され、データ取得能力が飛躍的に向上し、データ処理により坑井周囲の3次元画像化が実現され、従来よりも正確で直感的なことです。最新世代の伐採機器は、あらゆる場所で現代技術の高度で精密かつ先進的な技術を反映しています。 2021年の国家「第13次5カ年計画」科学技術イノベーション成果展では、時速600キロの高速リニアモーターカーと並んで展示された。現代の検層解釈と評価方法は「一孔ビュー」を打ち破り、地質構造、試験、破砕変換、工学評価などの分野に継続的に拡張され、今日のより複雑で隠れた石油とガスの貯留層の探査と開発において重要な役割を果たしています。

現在調査・開発中の炭層メタン垂直井では、主に石油・ガスの検層技術から採取した検層データと手法が利用されています。数十年にわたる開発と応用を通じて、電気検層、音響検層、放射性検層を含む一連の炭層メタン検層の技術と方法が形成され、石炭とガスを見つけるための明るい「目」を提供してきました。

「知恵の目」の役割

従来の検層では、炭層メタン貯留層の検層応答特性は、自然ガンマ、自然電位、音波、密度、中性子、横方向または誘導抵抗率を使用して決定できます。これは、「2つの低と3つの高」、つまり低密度、低自然ガンマ、高中性子、高音響時間差、および高抵抗率として要約できます。坑井検層研究を通じて、現在の炭層メタン検層解釈方法とプロセスが基本的に形成され、「炭層メタンシステム」の概念が革新的に提案されました。炭層、天板、底板、上層、下層を全体として体系的に研究します。中浅層炭層メタンに関する研究では、「炭層メタンシステム坑井検層総合評価技術システム」が構築されており、5つの分類と16の専用炭層メタン坑井検層評価技術が含まれています。目的は、炭層メタンの 4 つの特性、「貯留層特性、ガス含有量、水分含有量、圧縮率」を評価する問題を解決することです。

実際の評価アプリケーションでは、より正確なロギング貯留層パラメータを取得し、さまざまな地質条件やさまざまな段階での探査・開発目的に応じて炭層メタンの正確なロギング評価の目的を達成するために、さまざまな種類のロギング技術を組み合わせる必要があります。たとえば、炭層メタン貯留層の検層評価の基礎は岩石の物理的体積モデルです。炭層メタン貯留層と石油・ガス貯留層の成分には違いがあるため、石炭地質学を利用して、有機成分を考慮した炭層岩の物理的体積モデルを構築します。石炭層の工業的成分は、固定炭素、揮発性物質、灰、水に分けられます。炭層の産業構成要素ごとに、検層時のガンマ、密度、音波などの情報を通じて構成要素ごとの検層解釈モデルを確立し、炭層構成要素の定量計算を実現します。炭層メタン貯留層の特性は複数の要因の重なりによって影響を受けるため、検層情報の応答は非線形法則を示し、従来の石油・ガスの解釈・評価方法は炭層メタン貯留層には適用できないことに留意する必要があります。

炭層メタン産業の急速な発展に伴い、新世代の検層機器と評価方法も大きく進歩しました。電気画像検層法を使用すると、坑井の特徴を明確に反映し、石炭層の層間を正確に分割し、石炭層の天板と底板および亀裂の発達を分析・評価し、石炭体構造の定量的な識別を実現できます。核磁気共鳴ロギングは、石炭層の多孔度を正確に計算し、流体成分とマルチスケールの細孔構造特性を分析するために使用できます。アレイ音響ロギングは、石炭層の特定、石炭層の岩石の機械的特性と音響異方性の評価、および破砕構造設計のための参照データの提供に使用できます。これらの新しい伐採技術は、独自の利点を備えており、石炭層の詳細な伐採評価を実現し、従来の伐採技術の欠点を補っています。

石油・ガス産業技術の急速な発展に伴い、炭層メタンの探査・開発が加速しており、炭層メタンの探査・開発における伐採技術の応用にも限界がある。炭層メタン掘削および地盤情報収集の過程で、炭層の脆弱な性質により坑井が崩壊して落下し、その結果、検層取得信号が歪み、検層曲線値が炭層の実際の状況を正確に反映できなくなります。例えば、坑井の拡張により、従来の検層における密度および中性子曲線が異常に減少および増加し、核磁気イメージング検層データが坑井掘削流体の影響を受け、測定データが歪んでしまいます。ひどい場合には、ログの取得すら完了できません。検層機器の垂直解像度に関して言えば、従来の検層におけるガンマと密度の垂直解像度は低く、薄い炭層の厚さを正確に分割し、その中の炭層を識別するには不十分です。ガス含有量の計算では、石炭層内の異なる石炭ランク間の複雑な電気的差異のため、従来の石油およびガスの抵抗率を使用して飽和度を計算するための古典的な Archie 式は使用できません。石炭層などの軟らかい地層では、アレイ音波のせん断波とストーンリー波の振幅は急速に減衰します。波列情報をいかに正確かつ効果的に抽出するかは、研究者が直面している実際的な問題です。

現在、炭層メタンの伐採評価技術と方法は、現代の炭層メタン産業の急速な発展と深部石炭・岩石の探査・開発の技術ニーズに十分に応えられていない。炭層メタンの徹底的な開発に伴い、探査と開発は深部石炭岩石ガスへと移行しています。炭層の多孔度、透水性、ガス含有量、天板と底板、亀裂の発達などを知る必要があるだけでなく、炭層メタンの現場での水生産、ガス含有量が不明、スイートスポットが不明、有利な地域が不明などの問題を解決するために、炭層井の開発をさらに理解する必要があります。これらの制限と評価の難しさを考慮すると、伐採技術にはさらなる研究開発が必要です。

著者: Zeng Jingbo、Zhang Fengsheng、He Yufei、Chang Jinyu (中国石油天然気集団地質研究所、Well Logging Co., Ltd.)