岩相—地層圧カップリング下における深部頁岩の孔微細割れ構造、空隙率および含ガス特性

深部の“微小空間”が重要な理由

中国南西部の地中深く、緻密な黒色頁岩に閉じ込められたガスが住宅や産業に燃料を供給している。その頁岩が利用可能なガスを多く蓄えているかほとんどないかは、静かに作用する二つの要因――岩石の種類とそれを押しつぶす圧力――に左右される。本研究では四川盆地の龍馬溪層にある深部頁岩を内部から調べ、岩石の成分と地下圧力がどのように協働して、頁岩ガスを貯える微視的な空間を形成あるいは破壊するかを明らかにする。結果は、同じ層に掘られた井戸の中でも、生産性に大きな差が出る理由を説明する手がかりになる。

異なる頁岩、異なる基盤

研究者らはまず龍馬溪層の頁岩を三つの主要な岩相（リソファシーズ）に分類した。珪質頁岩は石英などの硬い鉱物に富み、混在頁岩は石英と粘土が混ざり合い、粘土質頁岩は薄片状の粘土鉱物が優勢である。次に、盆地内の4本の井戸から採取した約100個のコア試料を分析した。深度は3,500メートル超に及び、地層圧は正常から強い過圧まで幅がある。各試料について有機炭素量（ガス生成の燃料源）、鉱物組成、空隙率（岩石が持つ空間の割合）を測定し、現地脱着試験で実際の含ガス量も評価した。

圧力は孔を守るか壊すか

顕微鏡画像とガス吸着実験は、頁岩ガスの有用な貯留空間の多くが数ナノメートル級の孔と非常に細い割れ目にあることを示す。多量の有機物を含む珪質頁岩では、これらの孔が有機物内部および堅固な鉱物粒子間に蜂の巣状のネットワークを形成する。高い地層圧は内部の支えのように働き、地表からの重みを抵抗させてこの微細構造を埋没深度4,000メートルを超えても保全する。一方、混在・粘土質頁岩は変形しやすい。地質時代を通じた圧力の変化、特に隆起に伴う過圧の消失時には、これらの孔は崩壊し、大きな孔が小さくなり、かつて自由ガスを保持していた多くの空間が消失する。

孔の進化とガスの挙動

これらの頁岩中のガスは主に二つの形で存在する：開いている孔や割れ目を占める自由ガスと、有機物や粘土の孔壁に薄い層として付着する吸着ガスである。研究は、空隙率が低下すると自由ガス量が急速に減少すること、特に粘土質や混在頁岩で顕著であることを示す。吸着ガスも減少するがより緩やかだ。最も好ましい珪質で有機物に富む間隙では、強い過圧下で総ガス量がほぼ岩石1トン当たり19立方メートルに達することがある。そこで石英の硬い粒子と高い有機含有量が協働する：石英は孔構造を保護し、有機物はガスを生成すると同時に微視的な貯蔵部位を多数提供する。これに比べて粘土質頁岩は有機物が少なく、圧密に対する抵抗性が低く、孔ネットワークも脆弱であるため、近接する層のガスを封じる働きはできても良好な貯留層にはなりにくい。

深度・圧力・岩相の相互作用

多くの試料を深度と圧力にわたって比較した結果、単一の要因――深度だけ、圧力だけ、有機物の豊富さだけ――で深部頁岩がどれほどガスを蓄えるかを説明することはできないことが示された。およそ3,000メートルより深い領域では、強い圧密が空隙を徐々に減少させるが、過圧があればこの圧縮を部分的に相殺できる。過圧が維持され、かつ岩石が石英豊富で有機物豊かな場合、孔や割れはよりよく保存され、ガスが保持される。岩相が粘土質であったり有機物が少ない場合は、同じ圧力履歴でも孔喪失がはるかに深刻になる。盆地史の中で圧力が低下すると、大きな孔の寄与は減り、小さな孔や粗い孔面が相対的に重要になるが、総合的な貯蔵能力は依然として縮小する。

将来の頁岩ガスにとっての含意

非専門家向けの要点は、深部頁岩ガスの可能性は単により深く掘ることや高い圧力を見つけることだけで決まらない、ということだ。龍馬溪層で最良の深部貯留層とは、強固な鉱物骨格と豊富な微視的孔・割れ目を兼ね備え、長い地史の大部分で過圧が維持されてきた珪質かつ有機物豊富な層である。混在・粘土質頁岩は一般に圧密とその後の減圧により孔空間とガスを失う。岩相と圧力履歴のこの微妙な相互作用を理解することは、ガスを産出しやすい層を探す際に有用であり、深度や年代が似ていても微視的な貯蔵空間を保持できない岩石に無駄な井戸を掘ることを避ける手助けとなる。

引用: Zhang, Y., Zhang, H., Zhang, L. et al. Pore-micro fracture structure, porosity and gas- bearing property of deep shale under lithofacies-formation pressure coupling. Sci Rep 16, 7303 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38352-7

キーワード: 頁岩ガス, 孔構造, 地層圧, 四川盆地, 龍馬溪層（Longmaxi層）