重質油生産

重油生産は、工業的な量の重油を抽出するための開発中の技術です。重油の推定埋蔵量は6兆バレルを超え、従来の石油とガスの3倍に相当します。

埋蔵量の生産難易度に影響を与える要因には、浸透率、多孔性、深度、圧力などがある。石油の密度と粘度が決定要因となる。 [ 1 ] 密度と粘度は抽出方法を決定する。[ 2 ]

油の粘度は温度によって変化し、抽出の容易さを左右します。温度を制御することで、追加の技術を用いることなく油を移動させることができます。[ 3 ]蒸留後の収率を表す密度は、精製業者にとってより重要です。しかし、両者の間には相関関係はありません。[ 2 ]

油層は様々な深さと温度に存在します。粘度は温度によって大きく変化しますが、油田の分類では密度が基準となります。原油の密度は通常、比重と関連するアメリカ石油協会（API）比重で表されます。API比重が低いほど、油の密度は高くなります。液体原油のAPI比重は、ビチューメンを多く含むタール分の多い4度から、API比重70度のコンデンセートまで様々です。重質油は超重質油と軽質油に分類され、API比重は10度から20度の範囲です。[ 4 ]

石油根源岩から生成される原油のAPI比重は30度から40度です。原油は、かなりの劣化、閉じ込め、そして揮発分除去によって重質化します。劣化は、油層が地下水を介して細菌に汚染されると、化学的および生物学的プロセスによって進行します。 [ 5 ]細菌は原油の一部を重質成分に分解し、粘度を高めます。低分子量の炭化水素は溶解しやすいため、水に溶けて運び去られます。原油が低品質のシールで密封されている場合、軽い分子が分離して逃げ出し、揮発分除去によって重い成分が残されます。[ 6 ]

重質油は、地質学的に若い層でよく見られます。これは、浅く、シールの効率が悪いため、重質油が形成される条件が整っているからです。

用語

注入パターン

注入パターンとは、生産井と注入井を貯留層の位置、大きさ、流れの方向に合わせて配置することを指します。[ 7 ]注入パターンは、最大の接触量を達成できる領域に 注入井を移動することによって、井戸の寿命にわたって変化させることができます。

地理的異質性

地質学的不均一性とは、貯留岩における多孔性と浸透性の空間分布のことです。

透過性

透水性は、岩石を形成した堆積粒子の大きさと、それらがどのように詰まっているかによって決まります。透水性とは、空隙の数であり、岩石中の空隙の相互連結性、そして岩石中に異なる透水性を持つ層が存在することは、地質学的不均一性の表れです。蒸気圧入が行われると、水は透水性が高い層を通過し、油分が多く透水性が低い層を迂回します。これにより、スウィープ効率が低下し、水と接触する油量が多いため、早期に造水が行われます。[ 8 ]

掃引効率

スイープ効率は、EOR法の有効性を示す指標であり、注入流体が接触する貯留層の総容積に依存します。スイープ効率は、移動度比、浸透性、累積注入水量、洪水パターン、地質学的不均一性、そして注入層と生産層間の圧力分布といった複数の要因の影響を受けます。

変位効率

置換効率とは、蒸気注入やその他の置換法によって掃引された領域から回収される石油の割合です。これは、貯留層に注入された注入流体または置換要素によって置換された石油の体積に対する割合です。これは、置換開始前の貯留層体積と置換終了後の貯留層体積の差です。[ 9 ]

振幅とオフセット

振幅対オフセット（AVO）は、地震探査における逆解析技術の一つであり、貯留層の存在、多孔性、そして場合によっては炭化水素の存在を含む流体の種類を予測するために用いられます。文献レビューや研究では、石油探査や岩石物理学の研究において、AVOと地震探査逆解析の分析が取り入れられています。[ 10 ]

蒸気注入中の石油貯留層に投射された地震波は、高い波動減衰を示すデータを与える。この減衰は通常、速度分散に基づく。研究によると、弾性被覆と等価媒体との間の地震波反射は、周波数によって反射係数が変化する。この変化は、界面におけるAVOの挙動に依存する。理想モデルの合成地震計の計算は、速度と減衰が周波数に依存する材料に対する反射率法を用いて行われる。これは通常、速度と減衰の変動の影響がスタックデータで検出可能であるため用いられる。[ 11 ]

スペクトル分解技術の改良により、周波数依存パラメータがより明確に示されるようになりました。例えば、飽和岩石は、炭化水素飽和岩石と同様に、地震波の低周波効果を示します。さらに、炭化水素飽和帯は、直接的な品質係数（Q）測定から、極めて高い減衰値を示します。[ 10 ]オフセットに対する基準振幅がAVOであるオフセットを伴う周波数の系統的変動は、減衰を無視し、結果として純反射モデルを使用することになります。主な目的は、表土における減衰の影響を補正しながら、近くのスタックと遠くのスタックの周波数成分のバランスをとることです。[ 12 ]

AVOは、油層の存在を検出するために使用されます。これは、油分に富む堆積層においてAVO上昇が顕著な油層に見られる異常性に基づくものです。しかし、スイープ効率を向上させるための岩石層や透水性特性の特定には、AVOはそれほど有用ではありません。さらに、炭化水素系油層に関連する異常は、ガス柱の破損に伴う残留炭化水素によって引き起こされる場合があるため、すべての油層が炭化水素系油層に関連する同じ異常を示すわけではありません。

地震解析

地震探査は、地球の地殻を測量する標準的な方法です。これらの調査データは、岩石の種類と特性に関する詳細な情報を得るために用いられます。地表下の岩石層に音波を反射させることで、反射波を分析することができます。入射波と反射波の間の時間差、そして受信波の特性から、岩石の種類や石油・ガス鉱床の埋蔵量に関する情報が得られます。

貯留層の地質学的不均一性が既知であれば、油を含む岩石の透水性の低い層に注入するように注入パターンを設計することができます。課題は、不均一性が地域によって異なるため、貯留層の透水性分布を特定することが難しいことです。したがって、石油回収率（スイープ効率）を最大化するには、地震探査によって透水性層の方向を監視し、マッピングする必要があります。[ 13 ]地震波を岩石層に送り込み、地震波の時間経過と歪みを解析することで透水性の方向をマッピングし、注入パターンの効率的な設置を向上させます。[ 14 ]

石油生産技術

石油回収には、一次抽出、二次抽出、三次抽出の3段階があります。流動性は有効浸透率と相粘度の比であるため、油井の生産性は貯留岩の層厚と流動性の積に正比例します。[ 15 ] [ 16 ]

一次回復

一次回収は、貯留層内のガスの圧力上昇、重力排出、あるいはその両方を利用します。これらの方法は冷間生産と呼ばれ、一般的に「自然揚水」と呼ばれます。従来型石油の場合、冷間生産による回収率は30%以上ですが、重質油の場合は5～10%程度向上します。[ 2 ]

冷間生産法の一つに、砂を用いた冷間重質油生産（CHOPS）があります。CHOPS法は、ワームホールまたは空隙を作り出し、そこに周囲の岩石から油が坑井に向かって引き込まれます。これらの方法は、貯留層常温で使用されるため、冷間生産と呼ばれます。自然の揚水圧力では十分な地下圧力が生成されない場合、または圧力が低下して坑井を通って油を移動させるのに十分でなくなった場合、一次生産は抽出限界に達し、二次回収に引き継がれます。

二次回復

二次回収法も冷間生産法を用いるが、貯留層温度を維持したまま必要な内部圧力を発生させるために外部圧力源を用いる。[ 17 ]二次回収法では、圧力発生のための要素を注入することで人工圧力を発生させる。水、天然ガス、二酸化炭素が主な注入源となる。この圧力によって原油が生産井に押し上げられる。[ 18 ]時間の経過とともに、残留する（重質）原油は粘度が高すぎて流動できず、貯留層内の砂岩に保持されるため、人工圧力は効力を失う。2つの冷間生産回収法を合わせた回収率は、原油の特性と岩石の種類に応じて10～20％となる。[ 17 ]

三次回収

三次回収は、一般的に石油増進回収法（EOR）として知られています。これは、一次回収と二次回収で埋蔵量の大半を抽出した後に、さらに石油を生産する方法です。具体的には、多孔質岩石に閉じ込められた油や、粘度が高すぎて流動できない重質油を回収するために用いられます。三次回収には、化学増進回収法、熱増進回収法、混和性増進回収法の3つの方法があります。[ 12 ]

これには熱処理法と非熱処理法の両方が含まれます。[ 17 ]非熱処理法には、化学物質や微生物を用いて、閉じ込められた重質油と二酸化炭素を圧力下で緩める方法が含まれます。しかし、粘度を下げ、重質油を流動化させる最も効率的な方法は、主に蒸気注入による熱処理法です。

蒸気注入

蒸気圧入法には主に3つの種類があり、例えば蒸気攻法では、加圧蒸気を圧入井に注入し、そこで蒸気を加熱することで流動性の高い原油を押し出します。EOR技術は、必要なエネルギーと資材のコストが高いため、高価です。[ 3 ]そのため、貯留層から回収できる重質油の量は経済性に左右されます。そのため、EORは貯留層、岩石層、透水性、間隙形状、粘度の分析から始まります。貯留層の不均一性も含め、これらの要因はあらゆる回収方法の成功に影響を与えます。

総合効率は掃引効率と変位効率の積です。

周期的蒸気刺激

サイクリック・スチーム・スティミュレーション（CSS）は、一定期間単一の井戸に蒸気を注入し、蒸気を加熱して粘度を下げ、その後、注入と抽出を交互に繰り返しながら同じ井戸から石油を抽出します。

蒸気補助重力排水

蒸気補助重力排ガス処理（SAGD）は、積み重ねられた水平井を使用します。上部の水平井から蒸気を注入し、周囲の重質油を加熱して下部の水平生産井に流入させます。[ 19 ]

蒸気注入は、循環蒸気注入と蒸気攻法という 2 つの主要な方法で構成されます。

循環蒸気噴射

循環蒸気循環（CSC）では、蒸気が油層に注入され、そこで発生する高圧によって油層岩が破壊され、油が加熱されて粘度が低下します。油の抽出は、注入、浸漬、生産の3段階で行われます。高温高圧の蒸気は、油層に数日から数週間留まり、熱が油に吸収されます。その後、生産が開始されます。当初は生産量は多くなりますが、熱が失われるにつれて減少します。このプロセスは、採算が取れなくなるまで繰り返されます。循環蒸気注入では、全油量の約10～20%が回収されます。この方法が採算が取れなくなると、蒸気注入が採用されます。[ 20 ]

蒸気注入は、通常、水平井および垂直井において、粘度が-100,000cPに達する貯留層に用いられます。循環蒸気注入井では、油は粘性があり固体の状態になることがあります。主なメカニズムは「固体」を溶解することです。[ 20 ]理想的な浸漬時間についてはコンセンサスが得られておらず、数日から数週間まで変動する可能性があります。しかし、操業上および機械的な考慮から、より短い浸漬時間が好まれます。最初の処理後、初期の貯留層エネルギーにより、自然揚水によって石油生産が行われます。しかし、その後のサイクルでは、ポンプによる生産補助が必要になる場合があります。循環注入は、サイクル数が増えるにつれて、石油生産における効率が低下します。[ 19 ]貯留層の特性に応じて、最大9サイクルまで使用できます。

連続蒸気注入（蒸気攻法）

この方法は、循環蒸気圧入法よりも多くの原油を回収します。CSC法よりも熱効率が低く、より大きな表面積が必要です。[ 21 ]少なくとも2つの油井を使用し、1つは蒸気圧入用、もう1つは石油生産用です。蒸気攻法では、全原油の約50%を回収できます。蒸気は、インジェクターを通して高温高圧で注入されます。蒸気圧入技術は、より実現可能かつ効率的になりました。いくつかのバリエーションが開発されています。[ 12 ]しかし、コストが高いため、慎重な評価、油層に関する詳細な調査、適切な設計が不可欠です。[ 22 ]

岩石物理学

伝統的に、地表下の岩石や鉱物の特性は、地震探査と地震学によって明らかにされてきました。地震探査中に生成される地震波の伝播時間、位相、振幅の変化は、地下における岩石や流体の特性を示します。以前は、探査地震学は炭化水素を含む可能性のある岩石層についてのみ地震データを調査していました。しかし、技術の進歩により、地震データは間隙水、飽和度、多孔度、岩相を決定するのに有用となりました。[ 23 ]

貯留層特性と地震データは、近年の岩石物理学と呼ばれる研究の発展によって結び付けられるようになりました。岩石物理学は、貯留層地震モニタリング、炭化水素の直接検出、角度依存反射率を用いた地震岩相識別といった重要な技術の開発に活用されています。岩石物理学の応用は、地震波に影響を与える様々な特性を理解することに基づいています。これらの特性は、地震波の伝播挙動や、それらの特性の変化がどのように異なる地震データを生み出すかに影響を与えます。温度、流体の種類、圧力、間隙の種類、多孔度、飽和度などの要因は相互に関連しており、ある要素が変化すると他の要素も変化します。[ 24 ]

ガスマン方程式

岩石物理学における間隙流体特性と流体置換は、ガスマンの式を用いて計算される。この式は、フレーム特性を用いて流体変化が地震特性に及ぼす影響を計算する。この式は、間隙流体、固体マトリックス、フレームモジュールの既知の体積弾性係数を用いて、液体で飽和した媒体の体積弾性係数を計算する。岩石形成鉱物は固体マトリックス、フレームは岩石の骨格サンプルであり、間隙流体はガス、水、油、またはこれらの組み合わせである。この式を用いるにあたっては、1) マトリックスとフレームはいずれも巨視的に均質であること、2) 岩石内の間隙はすべて相互に連結していること、3) 間隙内の流体は摩擦がない、4) 岩石内の流体系は閉鎖系であり、排水されない、5) 岩石内の流体は固体と相互作用してフレームを柔らかくしたり硬くしたりしない、という仮定が前提となっている。[ 20 ]

最初の仮定は、波の波長が岩石の細孔や粒径よりも長いことを保証する。この仮定は、実験室から地震範囲までの波の波長と周波数の一般的な範囲を満たす。仮定2）は、岩石の細孔の透水性が均一であり、通過する波が波の半周期にわたって細孔の流体の流れの完全な平衡を誘発するような孤立した細孔が岩石内に存在しないことを示唆している。細孔の透水性は波長と周波数に比例するため、ほとんどの岩石がこの仮定を満たす。[ 19 ]しかし、地震波の場合、高い透水性と多孔性を持つ未固結砂のみがこの仮定を満たす。一方、検層や実験室周波数などの高周波数の場合、ほとんどの岩石はこの仮定を満たすことができる。結果として、ガスマンの式を使用して計算された速度は、検層や実験室周波数を使用して測定された速度よりも低くなる。仮定3)は流体に粘性がないことを示唆しているが、現実にはすべての流体に粘性があるため、ガスマン方程式はこの仮定に反する。仮定4)は、実験室の岩石サンプルでは岩石と流体の流動が境界で密閉されていることを示唆しており、通過する波によって引き起こされる応力の変化が岩石サンプルからの大きな流体流出を引き起こさないことを意味する。仮定5)は、岩石マトリックスと間隙流体の化学的または物理的性質との間の阻害的な相互作用を防止する。この仮定は必ずしも満たされるわけではない。なぜなら、相互作用は避けられず、通常はその結果表面エネルギーが変化するからである。例えば、砂が重油と相互作用すると、せん断応力と体積弾性係数の高い混合物が生じる。[ 13 ]

出典

参考文献

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