中国鄂尔多斯盆地北部、东胜气田（P2x1）石河子组緻密砂岩のガス充填過程と力学

なぜこの地下の物語が重要か

中国北中部の草原のずっと下には、流体をほとんど通さない岩石の中に閉じ込められた巨大な天然ガス田が眠っています。これらの緻密砂岩は都市にエネルギーを供給できるだけのガスを保持しますが、そのためにはガスがどのように流入し、どこに蓄えられたかを理解する必要があります。本研究は鄂尔多斯盆地の東勝ガス田の隠された履歴を解析し、地中深部の圧力が岩石の微小孔隙の抵抗に抗して一部の区間をガスで満たし、他方をほぼ水で残した過程を明らかにします。この成果は、緻密な貯留層のどの部分が採算に合うか、どの部分が期待外れになるかを予測する新たな手法を示します。

緻密な岩石に閉じ込められたガス

東勝ガス田は中国の主要な緻密ガス資源の一つです。主要なガス貯留層である下二畳紀（Lower Permian）石河子層は地表からおよそ2〜4キロメートルの深さにあります。ここでの砂岩の平均有効孔隙率はわずか8.6％で、流体を輸送する能力は極めて低く、工学的処置なしにはガスは自由に流れません。2000を超えるコアサンプルの解析から、研究者たちはこの地層の大部分が、特に泊尔江海子断裂（Poerjianghaizi Fault）以南で緻密砂岩として分類されることを示しています。浅い北部域だけがやや良好な孔隙や流動性を保持しています。

時間とともに岩石が緻密化した過程

岩石がなぜこれほど緻密になったかを理解するため、チームは盆地の埋没と熱履歴を再構築しました。数億年にわたり堆積物が堆積するにつれて、石河子層の砂粒は互いに押し縮められ、化学作用により石英や粘土鉱物が成長して粒子を固い骨格に溶着させました。薄片写真は、粒子が曲線状の接触で押し合わされ、多くの開存空間が小さな二次孔隙に変換されるか、あるいは固体ビチューメンで部分的に埋められていることを示します。モデリングでは、元々岩石体積の約3分の1だった初期の孔隙率が、最も重要なガス流入が起きる前に多くの領域で10％未満にまで減少したことが示されました。

三回のガス充填の波

研究者らはつづいて、鉱物中に閉じ込められた微小な流体包有体を用いて、油やガスが貯留層に入った時期を特定しました。これを、ソースロックの埋没・加熱・炭化水素生成のコンピュータモデルと組み合わせることで、三つの明瞭な充填期が明らかになりました。約2億3千万〜1億8千万年前の初期段階では、有機に富む炭層が分解を始めた際に油とガスが供給されました。続く約1億8千万〜1億2千万年前と1億2千万〜8千万年前の二つの段階は主にガスが支配し、ソースロックがより成熟したことでガス生成が進みました。これらの最後のガスパルスは最大のガス生成と同時期に起き、今日観測される大規模なガス集積を形成する上で決定的な役割を果たしました。

圧力と孔隙抵抗の対決

本研究の中心的な貢献は、こうした抵抗的な岩石にガスを押し込む駆動力を記述する、単純だが強力な枠組みです。著者らは「正味の力」を、炭層などのガス生成ソースロックに生じる過剰圧と、代表的なガス飽和度における緻密砂岩孔隙の毛管抵抗との差として定義します。盆地モデルを用いて、深部炭層の過圧が最大ガス生成期にどのように蓄積したかを追跡しました。同時に、実際の岩心試料の三次元スキャンに基づくデジタルロックシミュレーションで、ガスがまず水で満たされた孔隙に侵入するため、次に急速に充填するため、そして最終的にほぼ定常的な飽和に達するために必要な圧力量を示しました。これらのシミュレーションから、50％のガス飽和に達するために必要な圧力を抽出し、抵抗の尺度として扱いました。

ガスがどこに集まるかを予測する

モデル化した駆動圧力とシミュレーションで得られた抵抗を比較することで、チームは異なる井や帯域にわたる正味の力の値を算出しました。その結果は実際の試井結果とよく一致する三つの挙動領域を示しました。正味の力が低くまだ突破段階にある場所では、井は枯渇しているか少量のガスしか持たない傾向がありました。正味の力が急速充填域に入り毛管抵抗閾値を超えると、商業的に生産可能なガス層が現れました。その中間には周辺的なガス充填区間がありました。解析はまた、最も重要なガスパルスの時点で泊尔江海子断裂以南の多くの貯留層が既に緻密化しておりガスの侵入が難しかった一方、北部域はやや充填に開かれた状態にあったことを示します。

将来のガス探査への示唆

専門外の読者に向けた主要なメッセージは、緻密ガス資源の規模はかつて盆地にどれだけの有機物があったかだけで決まるわけではない、ということです。ガスをソースロックから押し出す圧力と、周囲の砂岩の微細構造が侵入を妨げる力との綱引きも重要です。本研究は、その綱引きを時間軸で再構築し正味の力として表現することで、地質学者がどの緻密帯域がガス豊富になりやすいか、どこがそうでないかをより良く予測できることを示しています。こうした洞察は、東勝ガス田や世界中の同様の深部緻密貯留層における掘削を有望な部分へ導き、効率を高めつつ不要な井の削減に寄与します。

引用: Cao, Q., He, F., Zhang, W. et al. Process and forces of tight-sandstone gas charging in the Shihezi formation (P₂x¹) Dongsheng gas field, northern Ordos Basin China. Sci Rep 16, 11818 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39614-0

キーワード: 緻密砂岩ガス, 鄂尔多斯盆地, ガス充填史, 貯留層圧力, 毛管力