炭酸塩岩の細孔のフラクタル次元と形態的不均質性：隣接井の生産差への示唆

なぜ近接する2本のガス井がこれほど挙動を異にするのか

ごく近接して2本のガス井を掘ってみると、一方は豊富にガスを噴出し、もう一方はほとんど産しない——こうした事態が起こり得る理由を本研究は探る。同一の地層を利用していても、炭酸塩岩中の微小な穴の形状と連結性のわずかな違いが、ガスが地表へ流れる易さに大きな影響を与えうることを、研究者たちは示している。

ガスを供給する地層

研究チームは、四川盆地深部に埋没する古い炭酸塩岩層である沧浪铺層（Canglangpu Formation）に着目した。こうした炭酸塩岩は世界の油・ガスの約半分を保持するが、内部構造が非常に不均一であるため開発が難しいことが多い。同一の地層内でも、ある場所では流体が容易に移動する一方で、数百メートル離れただけで移動が困難になることがある。本フィールドでは井P7とP9が近接し、広観では類似した地質を共有するにもかかわらず、P9は日々のガス流入が強いのに対してP7はほとんど生産がないという対照が見られた。この謎を解くため、微視的スケールで岩石を詳しく調べることが動機となった。

高性能顕微鏡で微小な細孔を観察する

調査のため、研究者らは両井から小片の岩石を採取し、走査型電子顕微鏡（SEM）で観察できるよう研磨した。これらの装置は、髪の毛の幅よりはるかに小さい個々の細孔を含む岩石表面の詳細な画像を作り出す。研究チームは単に目で画像を眺めるだけではなく、ImageJソフトウェアの機械学習ツールを用いて、コンピュータに細孔空間と固体部分を識別させた。画像を白黒のマップに変換した後、ソフトは各細孔の面積、周長、円形度、伸長度などを測定し、複雑な微視構造を多数の数値データに置き換えて両井間で比較可能にした。

各井に見られる異なる細孔形状とパターン

これらの測定に基づき、細孔はほぼ円形、やや歪んだもの、過渡的なもの、細長いもの、高度に不規則なもの、の5つの形状クラスに分類された。両井ともやや歪んだ細孔が全体の大部分を占めたが、他のタイプとの組み合わせは異なっていた。P7では視野ごとのマイクロスケールの変動が大きく、ある領域は細長い細孔が支配し、別の領域は高度に不規則な細孔が多いといった具合で、非常にパッチ状で複雑な内部構造を示した。P9も形状の混在はあるが、解析した多数の画像にわたって細孔パターンはより一貫していた。要するに、P7の細孔系はより混沌として見え、P9のそれはより秩序立って反復性が高いように見えた。

複雑さを一つの数値で測る

視覚的印象を超えて定量化するため、本研究はフラクタル次元と呼ばれる概念を用いて細孔境界の入り組み度合いを要約した。この値は細孔縁がより粗く不規則になるほど大きくなる。画像全体で各細孔の面積と周長の関係をとることで、チームは両井のフラクタル次元値を算出した。P7は典型的に高い値と広い分布を示し、細孔ネットワークがより複雑で変動が大きいことを意味した。P9はやや低い値で分布も狭く、より均一で絡み合いの少ない細孔系を示唆した。コア試料に対する実験室試験は、P9由来の岩石がより高い間隙率と透水性を持つことを確認しており、これらはガスの流動経路が良好であることを合わせて示す。

これらの微小構造がガス生産に意味すること

これらの証拠を総合すると、研究者らはP7に見られる高度に不規則でパッチ状の細孔ネットワークが、ガスの移動を遅らせる長くねじれた経路を生じさせると結論づけている。貯留スペースがあってもガスが効率よく移動しない場合があるのだ。一方でP9のより均質な細孔系は短く良好に連結した経路を提供し、ガスが自然破砕や井へ到達しやすくする。他方で、含ガス層の厚さや破砕の数などの大規模要因も依然として重要だが、本研究は微視的な細孔パターンだけでもどの井が生産性の高いものになるかに強い影響を及ぼし得ることを示している。将来の探鉱に向けては、細孔形状とその複雑さを慎重に測定することで、より好ましい流動経路を持つ地層区間を識別し、難しい炭酸塩岩貯留層の井性能予測を改善できることを示唆している。

引用: Zhang, Y., Long, H., Li, Y. et al. Fractal dimension and morphological heterogeneity of pore in carbonate rocks: implications for production differences between adjacent wells. Sci Rep 16, 15457 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47223-0

キーワード: 炭酸塩岩貯留層, 細孔構造, フラクタル次元, 四川盆地, ガス生産量