石油はナノスケールの「寝室」に住んでいる？百万倍に拡大したシェールの「クローズアップ」を見てみましょう

大慶油田コアライブラリには、整然と並べられた灰黒色の円筒形の石が詰まっています。特殊な道具を使って井戸から掘り出された円筒形の岩石です。これらは、地下の状況や鉱物の状況を理解し、研究するための重要な物理的資料であり、また、古龍シェールオイルの地下の「故郷」でもあります。片面は鉄板のように表面にほとんど気孔のない黒い芯があります。反対側には淡黄色の透明なオイルがあります。それらの間のつながりは何ですか?

古龍頁岩の謎を解明するために、石油科学者たちは高精度の機器と装置を使用して、私たちにとって素晴らしい微視的世界への扉を開きました。鉄板のように見えるこの黒い頁岩には、肉眼では見えない無数の小さな孔があり、そこに石油が存在する場所を提供していることが判明しました。

古龍シェールオイルはナノスケールの「寝室」に生息している

岩石にあるさまざまな大きさの孔や亀裂は、石油やガスの分子の住処となります。古龍頁岩も例外ではないが、従来の石油・ガス貯留層と比較すると、古龍頁岩の貯蔵スペースは極めて小さく、石油のほとんどは地下のナノスケールの「寝室」（細孔）とミクロン・ナノスケールの「回廊」（亀裂）に「生息」している。

これらの毛穴がどれほど小さいかご存知ですか?従来の顕微鏡では観察できなくなりました。画像を数十万倍、あるいは数百万倍に拡大し、1ナノメートルの解像度に達することができる高解像度走査型電子顕微鏡の助けを借りてのみ、毛穴の本当の外観を見ることができます。これにより、微視的世界を詳細に「クローズアップ」観察し、頁岩内の細孔がどのように分布しているかを確認することができます。

古龍頁岩の孔の直径は基本的に100ナノメートル未満です。人間の髪の毛の直径は通常 70 ミクロンですが、古代の竜頁岩の孔の大きさは人間の髪の毛のわずか 700 分の 1、あるいは 1000 分の 1 です。人間の髪の毛をサッカー場の大きさに例えると、古龍頁岩の有効孔径はサッカー場のサッカーボールに相当します。

シェールオイルの移動には「チャネル」がある

「寝室」がとても狭いので、どうやって地面から石油を抽出できるのでしょうか?シェールを大きな家に例えると、内部の孔は独立した「寝室」であり、喉部は寝室をつなぐ「通路」です。石油は地下を流れる際に、無数の「寝室」から「通路」へと流れ込む必要がある。 「寝室」は石油をどれだけ貯蔵できるかに決定的な役割を果たし、「通路」は石油が流れて輸送できるかどうかに重要な役割を果たします。

研究によると、古龍頁岩の個々の気孔の容積は非常に小さいものの、累積した総気孔容積は比較的大きく、十分な数の「寝室」があり、総空間が大きいことを意味している。唯一の欠点は、「通路」の数が少ないため、連続した流路を形成するのが難しいことです。これは石油開発にとって非常に不利な要因です。

では、古龍シェールオイルはこの問題をどのように解決するのでしょうか?古龍頁岩には層状断裂、構造断裂、過圧断裂が発達しており、その中でも層状断裂が最も発達している。層状断裂が存在するため、岩石は層状断裂に沿って簡単に剥がれ、「千層パンケーキ」を形成する可能性があります。メートルからミリメートル規模の地層の亀裂は肉眼で確認できますが、マイクロおよびナノ規模の地層の亀裂を識別するには走査型電子顕微鏡の助けが必要です。これらのマイクロスケールおよびナノスケールの地層の亀裂の密度は非常に高く、1 メートルあたり数十万に達します。

マイクロナノスケールの地層の亀裂は、密集した田舎道のようです。幅は狭いですが、本数が多く、広く分布しており、田舎道から地方道まで石油を輸送することができます。小規模および大規模の地層の亀裂は、地方または国道のようなものです。数は比較的少ないですが、道路幅が広く、距離も長く、通行車両の輸送力も強いです。それらは貯留層間の浸透性を改善し、石油分子の流れを促進します。

構造的亀裂と過剰圧力亀裂について言えば、それらはさらに頁岩の異なるチャネル間に橋を架け、頁岩内の「道路」をより相互接続したものにします。このようにして、「石油の赤ちゃん」は「堂々と歩き回り」、シェール層内を自由に流れることができるのです。

ナノ閉じ込め効果により、「オイルドール」は簡単に顔を変えることができます

マイクロナノスケールの毛穴に棲みつく「油人形」はとても厄介で、取り除くのは容易ではありません。ここで議論すべきもう一つの効果は、ナノ閉じ込め効果です。簡単に言えば、ナノ閉じ込め効果とは、ナノスケールの空間では、狭い空間の制限により、物質の特性が変化したり、物理的または化学的な反応が起こったりするという事実を指します。

大規模な細孔では、流体分子と細孔壁との相互作用は、流体分子間の相互作用力と比較して無視できます。しかし、ナノスケールでは、細孔壁上の固体分子と流体分子との間の相互作用力は比較的大きくなります。流体分子と細孔壁との衝突の平均経路長が細孔サイズと同程度になると、流体分子の自由な熱運動は大きく影響を受けます。

これは、休み時間に学校の校庭で遊んでいる「石油の赤ちゃん」のようなものです。スペースが十分広いので、ぶつかることなく楽しく追いかけっこができます。授業のベルが鳴ると、「油っぽい子供たち」は狭い廊下に駆け込んできた。彼らが互いに押し合いへし合いしているうちに、突然抵抗が増し、しばらくの間、廊下を通れなくなってしまった。

この閉じ込め効果は流体の相変化にも影響を及ぼし、石油の開発と採掘に困難をもたらします。この閉じ込め効果により、古龍シェールオイル流体の相状態は「揮発性油」と「凝縮ガス」の2つの状態の間を「行き来」します。それはまるで「油人形」が「孫悟空」に変身したようなものです。彼らが狭い気孔の中にいると、「部屋」は混雑していて息苦しいので、彼らは「シューッ」と一筋の煙の中に飛び込みます。別の細孔に入ると、温度と圧力の変化により、油滴に「シューッ」と戻ります。いたずら好きな「石油人形」がもたらす課題はそれ以上であり、石油地質学者やエンジニアの知恵が一歩一歩試されている。

著者: 呉松涛 (中国石油開発研究所)、江小華 (中国石油開発研究所)、高波 (大慶油田有限公司)