石油回収の強化

石油増進回収法（略してEOR）は三次回収法とも呼ばれ、他の方法では抽出できない油田からの原油の抽出です。一次回収法と二次回収法は地表と地下の油井間の圧力差を利用するのに対し、石油増進回収法は石油自体の物理的または化学的性質を変えて抽出しやすくします。EORを使用すると、貯留層の石油の30%から60%以上を抽出できます^{[1] 。一方、}一次回収法と二次回収法のみを使用した場合は20%から40%しか抽出できません。^{[2] [3]}

EOR技術には主に4つあります。二酸化炭素（CO2 _）注入、その他のガス注入、熱EOR、化学EORです。より高度な投機的なEOR技術は、四次回収と呼ばれることもあります。^{[4] [5] [6] [7]} _CO2 -EORとして知られる二酸化炭素注入は、最も一般的な方法です。この方法では、CO2が枯渇した油田に注入され、大部分は地中に残されます。

CO ₂ -EOR は通常、天然の地下鉱床からのCO _{2 を使用して実行されます。また、産業施設の}排気ガスから回収されたCO _{2 を使用して実行されることもあります。排気ガスから回収された CO 2 を使用} して EOR を実行すると、プロセスによって排出物の放出をある程度防ぐことができます。ただし、プロセス全体が気候に有益であるかどうかについては議論があります。EOR 操作はエネルギー集約型であるため、排出量が増加し、石油が燃焼するとさらに排出量が発生します。

EOR は石油生産コストを増加させますが、石油価格が高ければ経済的に魅力的です。米国エネルギー省は、回収された 200 億トンの CO2 から 670 億バレルの経済的に回収可能な石油を生産できると見積もっ_ています。国内の石油生産を促進する手段として、米国連邦税法には 1979 年から EOR に対するインセンティブが盛り込まれ始めました。

原油の開発と生産には、一次回収、二次回収、三次回収（または強化回収）という最大 3 つの異なる段階が含まれます。一次回収では、貯留層の自然圧力または重力によって油が井孔に押し出され、人工リフト技術（ポンプなど）と組み合わせて油が地表に引き上げられます。^[1]しかし、一次回収で生産されるのは、貯留層に元々存在していた油の約 10 パーセントにすぎません。^[1]二次回収技術は、一般的に水またはガスを注入して油を移動させ、生産井孔に送り込むことで、油田の生産寿命を延ばし、元々存在していた油の 20 ～ 40 パーセントを回収します。^[1]

生産者は、最終的に貯留層の元々の石油の30〜60％以上をその場で生産できる見込みのある、いくつかの三次回収法、または石油増進回収法（EOR）を試みてきました。^[1]

EOR 技術の主なクラスは次のとおりです。

• CO2EOR ：CO2_を地下に注入する。 [ ₈ ^]
• その他のガス注入EOR：CO2-EORに似ています_が、天然ガスや窒素などの他のガスが注入されます。^[8]
• 熱EOR：蒸気を使って地中の石油を加熱し、粘度を下げて移動しやすくする。これは重質油層で最もよく使われる。^[8]
• 化学的EOR: 水溶性ポリマーや界面活性剤を地下に注入する水に加える。ポリマーを含んだ水は粘度が高く、油層の細孔からより多くの石油を押し出すことができる。界面活性剤は石油の表面張力を低下させ、水による石油の置換能力を向上させる。^[8]
• その他のEOR: このクラスには、微生物を貯留層に注入する微生物EORや、石油の一部をその場で燃焼させて熱とガスを発生させ、残りの石油の移動を容易にする燃焼EORなど、その他のすべての技術が含まれます。^[8]

2017年には世界中で374件のEORプロジェクトがありました。このうち44%がCO2 _- EOR、12%がその他のガス注入EOR、32%が熱EOR、9%が化学EOR、2%がその他のEOR方式でした。^[8]

ガス注入またはミシブルフラッディングは現在、石油回収増進法で最も一般的に使用されている手法です。ミシブルフラッディングは、混和性ガスを貯留層に導入する注入プロセスの総称です。ミシブル置換プロセスは、油とガスの界面張力が低下するため、貯留層圧力を維持し、油の置換を改善します。これは、相互作用する2つの流体の界面を除去することを意味します。これにより、全体的な置換効率が向上します。^[9] 使用されるガスには、CO ₂、天然ガス、窒素などがあります。ミシブル置換に最も一般的に使用される流体は二酸化炭素です。これは、油の粘度を低下させ、液化石油ガスよりも安価であるためです。^[9]二酸化炭素注入による油の置換は、そのガスと原油の混合物の相挙動に依存しており、これは貯留層の温度、圧力、原油の組成に大きく依存します。

_CO2を利用した石油回収の強化は1952年に初めて研究され、特許を取得しました。 ^{[10]このプロセスは1977年に}テキサス州スカリー郡で初めて商業的に試みられました。^{[11]それ以来、このプロセスは米国の}パーミアン盆地地域で広く使用されるようになり、最近では多くの異なる州で追求されています。^[12]現在、中国や世界中でより積極的に追求されています。^{[13] [14] [15]}

_{CO2- EOR}プロジェクトで注入される_CO2のほとんどは、天然の地下CO2鉱床から来て_います。^{[16] EORで使用される}_CO2の一部は、炭素回収技術を使用して天然ガス処理プラントなどの産業施設から回収されています。^[16]

CO _{2 は}、2,000 フィートより深い貯留層で特に効果的で、そこでは CO _{2 は}超臨界状態になります。^[17]軽質油の高圧用途では、CO _{2 は}油と混和し、その結果、油が膨張して粘度が低下し、貯留岩との表面張力も低下する可能性があります。低圧貯留層または重質油の場合、CO _{2 は}混和しない流体を形成するか、油と部分的にしか混ざりません。油の膨張が発生する可能性があり、油の粘度を大幅に低下させることができます。^{[18] [19]}

_{これらの用途では、注入されたCO2}の半分から3分の2が生産された石油とともに戻り、通常は運用コストを最小限に抑えるために貯留層に再注入されます。残りはさまざまな方法で石油貯留層に閉じ込められます。溶媒としての二酸化炭素は、プロパンやブタンなどの他の同様に混和性のある流体よりも経済的であるという利点があります。^[20]

水交互ガス（WAG）注入は、EORで使用されるもう1つの技術です。二酸化炭素に加えて水が使用されます。ここでは、油井の炭酸塩層が乱されないように塩水が使用されます。^{[21] [22]}水と二酸化炭素は、通常、油との混和性が低いため、より多くの回収を行うために油井に注入されます。水と二酸化炭素の両方を使用すると、二酸化炭素の移動性も低下し、ガスが油井内の油をより効果的に置き換えるようになります。^[23] Kovscekによる研究によると、二酸化炭素と水の小さなスラグを使用すると、石油を迅速に回収できます。^[23]さらに、2014年にDangが行った研究では、塩分の低い水を使用すると、より多くの石油が除去され、地球化学的相互作用が大きくなります。^[24]

このアプローチでは、さまざまな方法を使用して地層内の原油を加熱し、粘度を下げたり、油の一部を蒸発させて移動率を下げたりします。熱が増加すると表面張力が低下し、油の浸透性が高まります。加熱された油は蒸発してから凝縮して、改良された油を形成することもあります。方法には、サイクリック蒸気注入、蒸気攻法、燃焼などがあります。これらの方法により、スイープ効率と置換効率が向上します。蒸気注入は、1960年代からカリフォルニアの油田で商業的に使用されています。^[25]太陽熱による石油増進回収 では、太陽電池を使用して蒸気を生成します。^[26]

蒸気攻法（スケッチ参照）は、水注入と同様のパターンで蒸気を井戸に注入して貯留層に熱を導入する手段の 1 つです。^[27]最終的に蒸気は凝縮して熱水になります。蒸気ゾーンでは石油が蒸発し、熱水ゾーンでは石油が膨張します。その結果、石油が膨張し、粘度が低下し、浸透性が高まります。成功を確実にするためには、プロセスを循環させる必要があります。これが、現在使用されている主要な石油増進回収プログラムです。

火攻めは、油の飽和度と多孔度が高いときに最も効果的です。燃焼により、貯留層自体に熱が発生します。酸素含有量の高い空気またはその他のガス混合物を継続的に注入すると、炎の前面が維持されます。火が燃えると、貯留層を通って生産井に向かって移動します。火の熱により、油の粘度が低下し、貯留層の水が蒸気に蒸発します。蒸気、温水、燃焼ガス、蒸留溶剤の塊はすべて、火の前にある油を生産井に向かって押し出す働きをします。^[28]

燃焼方法には、乾式前向き燃焼、逆燃焼、湿式燃焼の 3 種類があります。乾式前向き燃焼では、点火装置を使用して石油に火をつけます。火が進むにつれて、石油は火から生産井に向かって押し出されます。逆燃焼では、空気の注入と点火が反対方向から発生します。湿式燃焼では、水が前部のすぐ後ろに注入され、高温の岩石によって蒸気に変換されます。これにより火が消え、熱がより均等に広がります。

さまざまな化学物質を、通常は希薄溶液として注入することで、流動性を高め、表面張力を低下させてきた。^[29]有機酸が天然に存在する油層にアルカリ性または苛性溶液を注入すると、石鹸が生成され、界面張力が十分に低下して生産量が増加する可能性がある。^{[30] [31]}水溶性ポリマーの希薄溶液を注入して注入水の粘度を高めると、一部の地層では回収される油の量を増やすことができる。石油スルホン酸塩などの界面活性剤やラムノリピッドなどのバイオ界面活性剤の希薄溶液を注入すると、油滴が油層を通過するのを妨げる界面張力または毛細管圧を低下させることができる。これは、毛細管力を重力の力に関連付ける結合数で分析される。油、水、界面活性剤の特別な配合であるマイクロエマルジョンは、界面張力の低下に特に効果的である。これらの方法の適用は、通常、化学物質のコストと、石油含有層の岩石への化学物質の吸着と損失によって制限されます。これらの方法のすべてにおいて、化学物質は複数の井戸に注入され、生産は近くの他の井戸で行われます。

ポリマーフラッディングは、長鎖ポリマー分子を注入水と混合して水の粘度を高める方法です。この方法は、水/油の移動度比を向上させることで、垂直方向および面方向の掃引効率を向上させます。

界面活性剤はポリマーや超分岐ポリグリセロールと組み合わせて使用​​することができ、油と水の間の界面張力を低下させます。^{[29] [32]}これにより残留油の飽和度が低下し、プロセスのマクロ的な効率が向上します。

主な界面活性剤には通常、配合物の安定性を向上させるために共界面活性剤、活性促進剤、共溶媒が添加されています。

苛性ソーダ注入法は、注入水に水酸化ナトリウムを加える方法です。これにより、表面張力が下がり、岩石の濡れ性が逆転し、油が 乳化して流動化し、岩石から油を引き出すのに役立ちます。

EORプロセスは、ナノ粒子を用いて、ナノ触媒、ナノ流体、ナノエマルジョンの3つの方法で強化することができます。ナノ流体は、コロイド懸濁液中にナノ粒子を含む基本流体です。ナノ流体は、油田のEORにおいて、細孔分離圧、チャネル閉塞、界面張力の低下、移動度比、濡れ性の変化、アスファルテン沈殿防止など、多くの機能を果たします。ナノ流体は、界面での凝集を介して、分離圧を促進し、堆積物に閉じ込められた油を取り除きます。あるいは、濡れ性の変化と界面表面張力の低下は、EORの他の代替メカニズムです。^{[33] [34]}

微生物注入は微生物による石油増進回収法の一部であり、コストが高く、開発が広く受け入れられていないことから、めったに使用されない。これらの微生物は、長い炭化水素分子を部分的に消化するか、バイオサーファクタントを生成するか、二酸化炭素を放出するか（その後、上記のガス注入で説明したように機能する）のいずれかによって機能する。^[35]

微生物注入を実現するために、3 つの方法が用いられてきた。最初の方法では、細菌培養物を食物源 (糖蜜などの炭水化物が一般的に使用される) と混合し、油田に注入する。1985 年から使用されている 2 番目の方法では、^[36]栄養素を地中に注入して既存の微生物群を養う。これらの栄養素により、細菌は地下で原油を代謝するために通常使用する天然界面活性剤の生産を増加させる。^{[37] [より適切な情報源が必要]}注入された栄養素が消費されると、微生物はほぼシャットダウン モードになり、外部が親水性になり、油水界面領域に移動して、より大きな油塊から油滴を形成し、油滴が油井の元へ移動しやすくなる。この方法は、フォー コーナーズ付近の油田や、カリフォルニア州ビバリーヒルズのビバリーヒルズ油田で使用されている。

3 番目のアプローチは、原油のパラフィン ワックス成分の問題に対処するために使用されます。この成分は、地球の表面が石油鉱床よりもかなり低温であるため (通常、深さ 1,000 フィートごとに 9 ～ 10 ～ 14 °C の温度低下が見られます)、原油が表面に流れ出ると沈殿する傾向があります。

2013年に、プラズマパルス技術と呼ばれる技術がロシアから米国に導入されました。この技術により、既存の油井の生産量がさらに50％向上する可能性があります。^[38]

_{石油回収方法を追加すると、石油のコストが増加します。CO2}の場合、通常は1トンのCO2あたり0.5～8.0米ドルです_。一方、石油の抽出量が増えると、収益は現在の石油価格に応じて経済的利益になります。^{[39]陸上EORは、石油価格が1}バレルあたり15～20米ドルの場合、注入された_CO21トンあたり正味10～16米ドルの範囲で支払われています。現在の価格は多くの要因によって異なりますが、手順の経済的適合性を決定し、手順が多く、手順がより高価であれば、価格が高ければ経済的に実行可能です。^{[40]例：石油価格が1バレルあたり約90米ドルの場合、経済的利益は1トンの}_CO2あたり約70米ドルです。米国エネルギー省は、回収された200億トンの_CO2から670億バレルの経済的に回収可能な石油を生産できると見積もっています。^[41]

1986年から2008年にかけて、石油需要の増加と石油供給の減少により、EORによる原油生産量は0.3％から5％に増加しました。^[42]

石油増進回収井は通常、大量の産出水を地表に汲み上げます。この水には塩水が含まれており、有毒な重金属や放射性物質も含まれている可能性があります。^{[43]これは適切に管理されていない場合、}飲料水源や環境に非常に大きなダメージを与える可能性があります。廃棄井は、産出水を地中深くに注入することで、土壌や水の表面汚染を防ぐために使用されます。^{[44] [45]}

二酸化炭素は、天然ガス処理プラントや石炭火力発電所などの産業施設の排気ガスから回収できます。回収した CO2 を EOR に使用する場合、そのプロセスは炭素回収 EOR (CC-EOR) と呼ばれ、炭素回収および貯留の一形態です。

EORで使用されるCO2が地下のCO2堆積層から供給される場合_（通常はそうである）は、EORは気候上の利点をもたらさない。^[16]

米国では、規制により、炭素回収・利用や一般的な石油生産に使用するためのEORの開発が促進されることも、遅延されることもあります。

国内の石油生産を促進する手段として、原油が連邦価格統制下にあった1979年に、米国連邦税法にEORに対する優遇措置が盛り込まれ始めた。1986年に米国連邦EOR税優遇措置で15%の税額控除が制定され、その後、CO2を使用したEORによる石油生産が急速に増加した。_[ ^48]

米国では、2021年のインフラ投資・雇用法で、さまざまなCCS実証プロジェクトに30億ドル以上が割り当てられています。同様の金額が、より広範なCO2の回収、輸送、および回収されたCO2の貯蔵または使用に焦点を当てた地域CCSハブに提供されています。さらに、_CO2輸送インフラを支援する融資保証に毎年数億ドルが充てられています。 ^[49]

2022年インフレ削減法（IRA）は、炭素回収・貯留の利用を促進するために税額控除法を改正する。この法律に基づく税制優遇措置では、塩性地層でのCO2回収・貯留に対して1トンあたり最大85ドル、石油増進回収に使用されるCO2に対して1トンあたり最大60ドルが支給さ_れる 。_[ ^50]内国歳入庁は、_CO2がどれだけ隔離されているかという主張を裏付けるために企業からの文書に依存しており、独立した調査は行っていない。^[51] 2020年の連邦調査では、45Q税額控除の申請者が、申請した10億ドルのうち約9億ドルについて、地中貯留の成功を文書化できなかったことが判明した。^[52]

EORを規制する主要な規制の1つは、 1974年の安全飲料水法（SDWA）であり、EORや同様の石油回収作業に対する規制権限のほとんどをEPAに与えている。^[53] EPAは次に、この権限の一部を独自の地下注入管理プログラムに委任し、^[53]この規制権限の残りの大部分を州政府と部族政府に委任し、EOR規制の大部分をSDWAの最低要件の下での地域的な問題とした。^{[53] [54]}次に、EPAはこれらの地方政府と個々の井戸から情報を収集し、二酸化炭素隔離作業の報告ガイドラインを規定する大気浄化法などの全体的な連邦規制に従っていることを確認します。^{[53] [55]}大気への懸念を超えて、これらの連邦ガイドラインのほとんどは、二酸化炭素の注入がアメリカの水路に大きな損害を与えないようにするためのものです。^[56]全体的に、EOR規制の地域性はEORプロジェクトをより困難にする可能性があります。地域によって基準が異なると建設が遅れ、同じ技術を利用するために別々のアプローチを余儀なくされる可能性があるからです。^[57]

EPAは飲料水源を保護するために地下注入制御（UIC）規制を発行しました。^[58]石油増進回収井はEPAによって「クラスII」井戸として規制されています。規制では、井戸の運営者に回収に使用した塩水をクラスII廃棄井戸の地下深くに再注入することを義務付けています。^[44]

• 炭素回収・貯留プロジェクトのリスト
• ガス再注入
• 蒸気を利用した重力排水
• 水注入（石油生産）
• Wikiversity:石油増進回収

• 石油増進回収研究所 – ワイオミング大学
• ライセンス可能な技術: 石油回収および抽出プロセスを強化するための二酸化炭素と水の粒子安定化エマルジョン – マサチューセッツ技術ポータル
• 油田用語集: 石油増進回収法(Wayback Machineに 2012-05-31 にアーカイブ) – Schlumberger, Ltd.
• 石油・地質システム工学センター – テキサス大学オースティン校
• [1] ポリマーフラッディング、貯水池掃討改善、ニューメキシコ工科大学