超低浸透度タイト砂岩層における多スケール微細孔構造の特徴付けと貯蔵–流動連成メカニズム

なぜ岩石内の極小空間がエネルギーの未来で重要なのか

容易に生産できる油・ガス田が衰退するにつれ、エネルギー企業は流体の移動をほとんど許さない「タイト」な岩石にますます頼るようになっています。本研究は中国の鄂爾多斯盆地のこうした岩石内部を深く調べ、砂粒の何千分の一という極小の孔が岩石の貯蔵量と生産のしやすさの両方をどのように支配しているかを示します。これらの隠れた空間を多スケールでマッピングすることで、タイト貯留層のどの部分を開発する価値があるか、その理由についてより明確な指針を提供します。

タイト砂岩盆地を詳しく見る

研究チームは鄂爾多斯盆地に堆積する塩城層の長4+5層として知られる一連の地層に着目しました。これらの層は主に細粒砂岩と泥質砂岩で、間隙率が低く浸透度は極めて小さいため、含まれる流体は少なく、流体の移動も困難です。5本の井戸から採取したコア試料を用いて、著者らは複雑な鉱物組成を記録しており、石英と長石が優勢で、岩石片や粘土も多く含まれます。この混合物と、堆積時の静穏な湖沼や河口三角州の環境が相まって、砂体は場所によって大きく変化し、近接する層であっても貯留特性が大きく異なることがあります。

マイクロメートルからナノメートルまで孔をのぞく

これらの岩石が流体をどのように貯え伝えるかを解きほぐすために、研究者らはそれぞれ異なるスケールの孔を可視化する7つの実験室技術を組み合わせました。標準薄片観察と走査型電子顕微鏡は、粒子間の残存間隙、鉱物溶解でできた微小窪み、粘土結晶間の孔、微小断裂など6つの主要な孔タイプを明らかにしました。高圧水銀強制注入試験や窒素吸着は、数十マイクロメートルから数ナノメートルに至る各サイズ帯にどれだけの孔空間があるかを定量し、マイクロCTはそれらの孔が三次元的にどのように連結しているかを示します。最後に、核磁気共鳴（NMR）データをガス吸着と水銀注入の測定値に慎重に較正して、5桁以上にわたる連続的な孔径マップを構築しました。

何が貯蔵を支配し何が流動を支配するか

統一された像は、長4+5層ではナノ孔と小さな喉部が支配的であり、孔径に特徴的な二峰性パターンが存在することを示します：一方の集団は粒子間の比較的大きな空隙を表し、もう一方ははるかに狭い連結喉部を示します。研究では、全体の孔体積は多数存在する小さな空間によって主に決まり、これらが流体の大半を保持することが分かりました。しかし流体の流れは、比較的稀で大きくかつ良好に連結した喉部に大きく依存します。水銀の進入・逸走測定やコアフラッド実験での油水共流の結果は、孔ネットワークのごく一部が大部分の流れを担い、貯蔵された流体の多くはほとんど流動に寄与しない領域にとどまっていることを示しています。

岩石の履歴が微小空間をどのように変えるか

これらの孔が形成・変化した過程は、元の堆積物と後の化学的変化の両方に結びついています。粗粒で選別良好なチャネル砂岩は、より大きく単純な孔系を保ちやすく、細粒で泥の多いマウスバーデポジットより良好な貯留特性を示す傾向があります。数百万年にわたる埋没過程で、圧密により粒子は密に寄せられ、石英や方解石などのセメント鉱物が残存開口部の多くを埋め、貯蔵量と流動性の両方を低下させました。同時に、長石や岩石片の溶解は二次孔を刻み、時に連結性を改善することもありました。粘土鉱物、特にクロライトやイライトは、孔を裏打ちして遮断しない場合は役立ちますが、膨潤して流路を狭めると害になるなど、成長した場所と様式に応じて効果が異なります。

微視的構造からフィールド開発へ

孔径スケールの測定を間隙率、浸透度、油–水流動曲線などのバルク特性に結びつけることで、著者らは単純な経験則を抽出しました：孔は貯蔵を支配し、孔喉部は流動を支配する。間隙率が似ている岩でも、喉部のサイズ、量、連結性が異なれば生産挙動は大きく変わります。この洞察は、多スケールイメージングと綿密な実験室試験に裏付けられており、タイトな貯留層内の「スイートスポット」を特定し、岩石の隠れた構造が定める限界を踏まえた開発戦略を設計するための実用的な枠組みを提供します。

引用: Li, CL., Su, DR., Chen, PP. et al. Multiscale microscopic pore structure characterization and storage–flow coupling mechanisms in ultra-low permeability tight sandstone reservoirs. Sci Rep 16, 14811 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42495-y

キーワード: タイト砂岩, 孔隙構造, 超低浸透度, 鄂爾多斯盆地, 油層流動