緊密砂岩貯留層の破砕―マトリックスコアにおける自発浸潤と油置換の実験的検討

難儀な岩からより多くの油を取り出す

世界に残る石油の多くは、掘削と破砕を施してもほとんど流動しないほど密な岩に閉じ込められています。本研究は、特別に設計された流体が微小な岩の間隙へ浸透して閉じ込められた油を緩め、井戸へ向けて押し出すことで、こうした難採な緊密砂岩貯留層からより多くの油を取り出せるかを調べています。本作業はその流体の性能を示すだけでなく、プロセスの各段階で岩内部の油に何が起きるかを明らかにします。

緊密砂岩が生産困難な理由

緊密砂岩貯留層は、間隙が非常に小さく連結性も低い点で従来型の油田と異なり、油は複雑な破砕網と岩のマトリックス中に存在することが多いです。従来の水フラッディングはここでは効率が悪く、水は破砕を通って速やかに流れ、周囲の岩に閉じ込められた多くの油を回避してしまいます。回収を改善するために、操業者は水圧破砕で大規模な破砕ネットワークを作り、特別に調合した流体を注入します。こうした流体は岩を開くだけでなく、休止（シャットイン）期間中に浸透して最小の間隙から油を剥がし、後に貯留層圧が下がった際に生産できるようにすることが意図されています。

用途に合わせた補助流体

研究者らは界面活性剤ベースの油置換剤C‑22に注目し、現地の原油と中国西部の緊密油田由来の岩心を用いて試験を行いました。界面活性剤は油と水の境界に集合する石鹸様の分子で、油を岩に貼りつけている“粘着性”を低減する助けになります。まず研究チームは、異なる界面活性剤混合物が油─水界面の張力をどれだけ低下させるか、また高温の貯留層条件下でどれほど安定かを測定しました。C‑22は比較的低濃度で非常に低い界面張力を達成し、68°Cで1週間放置しても透明性や性状に変化がなかったため、現場の作業期間に対して地下で安定に機能する可能性が示されました。

岩内部での油の動きを観察する

破砕を含む岩心内部で油が実際にどう動くかを見るために、著者らは破砕と周囲マトリックスを含む特殊な砂岩コアを用意し、それらを野外の原油で飽和させました。浸潤（自発浸潤）試験ではC‑22溶液がコアを包み、毛管力でゆっくりと浸入していきます。また減圧試験（デプレッション）では生産を模擬して圧力を段階的に低下させました。核磁気共鳴（NMR）システムは水素核からの信号を追跡し、時間経過で異なるサイズの間隙にどれだけの油が残っているかを示しました。データは、浸潤中は大きな間隙や破砕内の油が迅速に動員され、中程度の間隙が続き、最小の間隙の油が最も遅れて動くことを示しました。圧力低下時には中～大サイズの間隙が初期の流出に大きく寄与しますが、後期には小間隙の寄与が増し、長期生産における破砕とマトリックスの二重の役割が浮き彫りになりました。

最良の配合とタイミングの見つけ方

界面活性剤の種類、濃度、浸漬時間を体系的に変化させることで、チームは油回収率を最大化する作業条件を特定しました。界面張力を可能な限り低くすることが必ずしも大きな回収向上につながるわけではなく、ある閾値を越えると同程度の張力を持つ流体は概ね似た性能を示すことが分かりました。C‑22については、重量比で約0.2～0.3％の濃度が最良のバランスを示し、低濃度と比べて回収率を著しく改善しましたが、それ以上の高濃度はほとんど追加効果をもたらしませんでした。同様に、浸漬時間を約12時間まで延ばすと回収が顕著に向上しましたが、さらに長くシャットインしても改善はわずかであり、現場運用上の実用的な上限が示唆されました。

将来の油生産への示唆

本研究は、C‑22のように精査された界面活性剤流体が、最小の間隙での油の挙動を変え、破砕とマトリックスの両方からの流れを整えることで、緊密砂岩からの油回収を大幅に改善できると結論づけています。最適条件で—界面張力が10⁻² mN/m程度、C‑22濃度が約0.3％、浸漬時間が12時間—研究者らは水のみの場合よりも遥かに高い回収を達成し、最終置換試験ではほぼ追加で19％の油を得ました。専門外の方への要点は、適切な化学設計と運用スケジュールの選定により、既に生産用に作られた破砕を有効に活用して、これまで手に負えなかった岩からより多くの閉じ込め油を取り出せるということです。

引用: Chen, W., He, R., Li, L. et al. Spontaneous imbibition and oil displacement experimental investigation in fracture–matrix cores of tight sandstone reservoirs. Sci Rep 16, 14070 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44044-z

キーワード: 緊密砂岩油, 水圧破砕, 界面活性剤フラッディング, 自発浸潤, 核磁気共鳴コア