低い透過率低下で化学的砂固結により高粘土含有砂岩貯留層の圧縮強度を高める

砂をその場に留めることが重要な理由

地中深くには、世界の石油やガスの多くが固い岩というよりも緩い砂浜に近い堆積物に貯留しています。企業がこれらの流体を地上へ汲み上げるとき、砂粒がはがれて井戸とともに上がってくることがあります。この「砂生産」は配管を摩耗させ、装置を目詰まりさせ、場合によっては井戸を破壊します。本稿でまとめた研究は、特殊な樹脂を用いて岩石内部で砂粒を接着させつつ、油やガスの流れは確保する方法を探ったものです。これは微妙なバランスですが、現場コストの削減、安全性の向上、廃棄物の低減につながる可能性があります。

弱くて粘土を多く含む岩の問題点

多くの石油・ガス貯留層は、生成時の粒子間結合が生産時の応力に耐えられない柔らかい砂岩でできています。貯留層の圧力が低下し流速が上がると、砂粒がはがれて井戸に向かって移動し、通過する機器に損傷を与えます。一般的な対策として金属スクリーンやグラベルパックで物理的に砂をろ過しますが、これらは高価で設置が複雑なうえ、岩石自体を強化するわけではありません。より洗練された選択肢が化学的砂固結で、液体を岩に注入して後で硬化させ、粒子間に接着剤を形成します。しかし、微小で板状の鉱物である粘土が多い砂岩ではこの方法は難しくなります。粘土は膨潤して孔隙を塞ぎ、樹脂の重要成分を奪い、砂粒を被覆して接着を阻害することがあります。

現実に近い条件で5種類の「岩内接着剤」を試験

研究者らは、イランのアフヴァーズ油田の困難な貯留層に似た、粘土含有率15％の砂岩を確実に強化できる樹脂の種類を調べました。評価したのは市販の5システム：フラン、エポキシ、メラミンホルムアルデヒド、尿素ホルムアルデヒド、ビニルエステルです。まず大気圧下のラボでスクリーニングを行い、各樹脂が注入可能なくらいの粘度で適切に硬化するよう、樹脂・硬化剤・溶剤の配合を調整しました。次により現実的な「動的」セットアップへ移行しました：円筒状の岩心試料を現地の塩水と油で飽和させ、洗浄した後、流れ下で樹脂溶液を注入しました。試料はその後90℃、120 barの貯留層を想定した条件で保持して樹脂を硬化させ、最終的に岩石の強度と処理後の流体透過能力を測定しました。

強度と流動性の最適なトレードオフの発見

研究は2つの単純な指標で評価されました。1つは圧縮強度—岩心が破壊するまで耐えられる圧力で、砂粒がはがれるのを防ぐのに十分である必要があります。もう1つは「回復透過率」—処理後に残る岩の元の流体透過能力の割合です。一般に強度を上げると透過率は下がります。孔隙により多くの接着剤が入るほど、油やガスが通る空間が減るためです。本研究ではフランとエポキシが際立ちました。最適化されたフラン配合は岩の強度を約1668 psiまで高めつつ、元の透過率の79％を保持しました。エポキシも同様の強度（約1579 psi）を示しましたが透過率は約62％に低下しました。他の3種の樹脂は、粘土の存在下では岩を十分に強化できなかったり、流れを著しく損なったりしました。

樹脂が砂と粘土とどのように相互作用するか

なぜある樹脂がより良好に機能したのかを理解するために、研究チームは医療や材料科学で使われるようなイメージング手法を利用しました。高分解能の電子顕微鏡は硬化した樹脂がどのように粒子を被覆し間隙を埋めるかを示し、CTスキャンは処理された岩心の三次元像を提供しました。フランは砂粒の接触点に橋を形成する傾向があり、粒子間の多くの通路を開放したままにします。これが強度と流れのバランスの良さを説明します。対照的にエポキシは砂や粘土粒子の周りを包むより密で連続した網状構造を作り、より強い“セメント”を形成しますが、流体が通る通路もより多く埋めます。水系のメラミンホルムアルデヒドは粘土に被覆された粒子にほとんど付着せず、孔隙を大きく塞がない一方で岩は比較的弱いままでした。

将来の石油生産への示唆

専門外の方への結論は、特に粘土が関係する場合、地下用の接着剤が一様ではないということです。この厳密に管理された比較で、フラン樹脂は砂粒をしっかり固定しつつ大部分の油やガスを通す点で最も優れていることが示されました。エポキシは最大限の機械的安定性が必要で、ある程度の流量低下を許容できる場合に適しています。本研究は、困難で粘土の多い地層で、試行錯誤に頼るのではなく樹脂を選び配合するための実証的かつ機構的な根拠をエンジニアに提供します。現場で適用されれば、井戸の寿命を延ばし、高価な機器故障を減らし、既存埋蔵量の回収をより効率的かつ信頼性の高いものにする可能性があります。

引用: Banashooshtari, H., Khamehchi, E. & Rashidi, F. Increasing the compressive strength of a high clay content sandstone reservoir by chemical sand consolidation with minimal permeability reduction. Sci Rep 16, 6489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36880-w

キーワード: 砂生産, 化学的砂固結, 粘土含有砂岩, フランおよびエポキシ樹脂, 石油・ガス貯留層