石油貯蔵庫

石油貯留層または石油・ガス貯留層は、多孔質または断裂した岩石層に含まれる炭化水素の地下集積です。このような貯留層は、地殻内の高熱と高圧により周囲の岩石にケロジェン（古代の植物質）が生成されることで形成されます。

貯留層は、従来型貯留層と非従来型貯留層に大別されます。従来型貯留層では、原油 (石油) や天然ガスなどの天然炭化水素は、浸透性の低い上部の岩層に閉じ込められています。一方、非従来型貯留層では、岩の多孔性が高く浸透性が低いため、炭化水素がその場に閉じ込められ、そのためキャップロックが必要ありません。貯留層は、炭化水素探査法を 使用して発見されます。

油田は、地下の複数の（潜在的につながっている）貯留層に液体石油が蓄積され、不浸透性の岩層に上昇するにつれて閉じ込められる領域です。産業用語では、油田は商業的注目に値する経済的利益があることを意味します。 ^{[1] [2]油田は地表を横切って数百キロメートルに及ぶ場合があり、抽出作業が大規模で、その領域全体に広がる可能性があることを意味します。抽出装置に加えて、より多くの貯留領域を見つけるために縁を探査する探査井、石油を他の場所に輸送するための}パイプライン、およびサポート施設がある場合があります。

油田は、その下にある岩石の地質学的条件が許す限りどこにでも発生する可能性がある。つまり、油田によっては、海上など文明から遠く離れた場所にある場合もある。油田での操業は、抽出や輸送に関連する設備のほか、道路や労働者の住宅などのインフラも必要となるため、ロジスティック的に複雑な事業となる可能性がある。生産は何年も続く可能性があるため、このインフラは油田の寿命を考慮して設計する必要がある。ヒル・インターナショナル、ベクテル、エッソ、ウェザーフォード・インターナショナル、シュルンベルジェ、ベーカー・ヒューズ、ハリバートンなど、いくつかの企業には、油田開発を支援する インフラの大規模な建設を専門とする組織がある。

「油田」という用語は、石油産業全体を指す略語として使用できます。ただし、石油産業を上流（油井からの原油生産と油から水の分離）、中流（パイプラインとタンカーによる原油の輸送）、下流（原油の製品への精製、精製製品の販売、石油ステーションへの輸送）の3つのセクターに分割する方が正確です。

陸上と海上には、65,000以上の油田が世界中に点在しています。^[3]最大のものはサウジアラビアのガワール油田とクウェートのブルガン油田で、それぞれ660億～1040億バレル（9.5×10 ⁹ m ³）以上の埋蔵量があると推定されています。^{[4] [5]}現代では、石油埋蔵量が証明されている油田の位置は、多くの地政学的紛争の根底にある重要な要素となっています。^[6]

天然ガスは、ケロジェンを石油に変えるのと同じ地質学的熱分解プロセスによって生成されます。その結果、石油と天然ガスは一緒に見つかることがよくあります。一般的な用法では、石油が豊富な鉱床は油田と呼ばれ、天然ガスが豊富な鉱床は天然ガス田と呼ばれます。

一般的に、1,000 m から 6,000 m の深さ (60 ° Cから 150 °C の温度) に埋まっている有機堆積物からは石油が生成され、より深く、より高温に埋まっている堆積物からは天然ガスが生成されます。源が深いほど、ガスは「乾燥」します (つまり、ガス中の凝縮物の割合が少なくなります)。石油と天然ガスはどちらも水より軽いため、源から上昇して表面に染み出るか、非浸透性の地層トラップに捕らえられる傾向があります。トラップからは掘削によって抽出できます。

最大の天然ガス田はイランとカタールにまたがるサウスパルス/アサルーイエガス田です。2番目に大きい天然ガス田はウレンゴイガス田、3番目に大きいのはヤンブルグガス田で、いずれもロシアにあります。

石油と同様に、天然ガスは北海、アイルランド沖のコリブガス田、セーブル島付近などの海底ガス田で見つかることが多い。海底天然ガスを抽出し輸送する技術は、陸上のガス田とは異なり、水上での作業にはコストと物流上の困難さがあるため、 少数の非常に大型の海底掘削リグを使用する。

21世紀初頭のガス価格の高騰により、掘削業者は以前は採算が取れないと考えられていた油田を再訪するようになりました。例えば、2008年にマクモラン・エクスプロレーションはメキシコ湾のブラックビアード油田で32,000フィート（9,754メートル）を超える掘削深度（ガス生産史上最も深いテスト井）を達成しました。^[7] エクソンモービルの掘削装置は2006年までに30,000フィートに到達しましたが、ガスを発見できずにその油田を放棄しました。

原油は、かつて生きていた生物の残骸から地球の地殻に形成されたすべての油層で見つかります。何百万年もの熱と圧力によって、微細な植物や動物の残骸が石油と天然ガスに変化したという証拠があります。

シュルンベルジェ油田サービス会社 の通訳アドバイザー、ロイ・ヌルミ氏は、このプロセスを次のように説明した。

プランクトンや藻類、タンパク質、海に浮かぶ生命体は死ぬと海底に沈みますが、これらの生物が石油やガスの源となります。堆積物とともに埋もれ、50～70℃以上の適切な温度に達すると、加熱が始まります。この変化によって、移動して移動する液体炭化水素に変化し、石油やガスの貯蔵庫となります。^[8]

水生生態系（通常は海ですが、川、湖、サンゴ礁、藻類マットの場合もあります）に加えて、石油やガスの貯留層の形成には、次の4つの段階を経る堆積盆も必要です。 ^[9]

• 砂と泥の下に深く埋もれる
• 圧力調理
• 源泉から貯留岩への炭化水素の移動
• 不浸透性岩石による捕獲

タイミングも重要な考慮事項です。オハイオ川流域にはかつて中東と同じくらいの量の石油があったと考えられていますが、罠がなかったために漏れてしまったと言われています。 ^[9]一方、北海は数百万年にわたる海面変動に耐え、150を超える油田の形成に成功しました。^[10]

プロセスは一般的に同じですが、さまざまな環境要因によって多種多様な貯留層が形成されます。貯留層は地表から地表下30,000フィート（9,000メートル）までどこにでも存在し、形、大きさ、年代はさまざまです。^[11]近年、火成岩貯留層は、特に粗面岩や玄武岩層において、石油探査の重要な新しい分野となっています。これら2種類の貯留層は、油含有量や、亀裂の連結性、細孔の連結性、岩石の多孔性などの物理的特性が異なります。^[12]

トラップは、浸透性岩石中の炭化水素の上方への移動を促す浮力が、封入媒体の毛細管力に打ち勝つことができないときに形成されます。石油の生成と移動に対するトラップ形成のタイミングは、貯留層の形成を確実にするために重要です。^[13]

石油地質学者は、地質学的特徴に基づいて、トラップを構造トラップ、層序トラップ、およびはるかに一般的ではない流体力学的トラップの3つのカテゴリに大まかに分類します。^[14]多くの石油貯留層のトラッピングメカニズムは、いくつかのカテゴリの特徴を備えており、複合トラップとして知られることがあります。トラップは、構造トラップ（褶曲や断層などの変形した地層内）または層序トラップ（不整合、ピンチアウト、岩礁など、岩石の種類が変化する領域内）として説明されます。

構造トラップは、褶曲や断層などのプロセスによる地下構造の変化の結果として形成され、ドーム、背斜、褶曲の形成につながります。 ^[15]この種のトラップの例には、背斜トラップ、^[16]断層トラップ、および岩塩ドームトラップがあります。これらは地層トラップよりも簡単に定義でき、より有望であり、世界の石油埋蔵量の大半は構造トラップで発見されています。

• 構造トラップ | 青:根源岩、黄: 貯留岩、緑:帽岩、赤:炭化水素
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  背斜内の構造的トラップ
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  断層面に沿った構造的トラップ
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  泥岩に覆われた傾斜ブロック内の構造地層学的トラップ

地層トラップは、貯留岩の厚さ、質感、多孔度、岩相の横方向および垂直方向の変化の結果として形成されます。このタイプのトラップの例には、不整合トラップ、レンズトラップ、リーフトラップがあります。^[17]

• 地層トラップ | 青:根源岩、黄: 貯留岩、緑:帽岩、赤:炭化水素
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  不整合下の地層の罠
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  泥岩（緑）で封印された化石化したサンゴ礁（黄色）の地層トラップ
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  蒸発岩（ピンク色）の岩塩ドームの周囲の地層トラップ

流体力学的トラップは、あまり一般的ではないタイプのトラップです。^[18]これらは、水の流れに関連する水圧の差によって引き起こされ、炭化水素と水の接触の傾斜を生み出します。

シール（キャップ​​ロックとも呼ばれる）は、炭化水素がそれ以上上方へ移動するのを防ぐトラップの基本的な部分です。毛細管シールは、細孔スロート全体の毛細管圧が移動する炭化水素の浮力圧以上になると形成されます。毛細管シールは、完全性が損なわれて漏れが発生するまで、流体が毛細管を通過できないようにします。毛細管シールには2つのタイプがあり^[19]、漏れの優先メカニズムに基づいて分類されます。水圧シールと膜シールです。

膜シールは、シールの前後の圧力差が閾値変位圧力を超えると漏れが生じ、シール内の細孔空間を通って流体が移動します。圧力差が変位圧力を下回る程度に漏れが生じ、再びシールされます。^[20]

水圧シールは、変位圧力が著しく高い岩石で発生します。そのため、張力破砕に必要な圧力は、実際には流体変位に必要な圧力よりも低くなります。たとえば、蒸発岩や非常に密な頁岩などです。岩石は、間隙水圧が最小応力と引張強度の両方よりも高くなると破砕し、圧力が低下して亀裂が閉じると再びシールされます。

非在来型（石油・ガス）貯留層は、強い毛細管力によって石油とガスの相が岩石組織にしっかりと結合した集積体であり、評価と抽出には特別な手段が必要です。^[21]非在来型貯留層は、在来型貯留層とはまったく異なる方法で形成されますが、主な違いは「トラップ」がないことです。このタイプの貯留層は、浮力がそのような貯留層での石油とガスの集積の原動力ではない可能性があるため、独特の方法で駆動されることもあります。これは、抽出可能な石油が、キャップロックの下に蓄積するのではなく、ソースロック自体の中に形成されると言うことに似ています。オイルサンドは、非在来型石油貯留層の例です。^[22]

非在来型貯留層とそれに関連する非在来型石油には、石油抽出および精製技術の幅広い範囲と、さまざまな供給源が含まれます。^[23]石油は根源岩に含まれているため、非在来型貯留層では、抽出主体は、在来型貯留層のように掘削や汲み上げを行うのではなく、採掘事業体として機能する必要があります。これにはトレードオフがあり、石油の完全かつクリーンな抽出に関連する生産後のコストが高いことは、貯留層の追求に関心のある企業にとって考慮する要素です。尾鉱も残るため、浄化コストが増加します。これらのトレードオフにもかかわらず、世界中の在来型貯留層が不足しているため、非在来型石油の追求はより速いペースで行われています。

貯留層が発見されると、石油技術者は蓄積の全体像をより正確に把握しようとします。均一な貯留層の簡単な教科書的な例では、最初の段階は地震調査を実施してトラップの可能なサイズを決定することです。評価井は、油と水の接触場所と、それに伴う油を含む砂の高さを決定するために使用できます。多くの場合、地震データと組み合わせることで、油を含む貯留層の容積を推定できます。

次のステップは、評価井からの情報を使用して岩石の多孔度を推定することです。油田の多孔度、つまり固体岩石ではなく流体を含む総容積の割合は、20～35% 以下です。これにより、実際の容量に関する情報が得られます。実験室でのテストにより、貯留層流体の特性、特に石油の膨張係数、つまり貯留層の高圧高温から地表の「ストック タンク」に石油が運ばれたときに石油がどれだけ膨張するかを判断できます。

このような情報があれば、貯留層に何バレルの「ストックタンク」の石油があるかを推定することができます。このような石油は、当初の原油ストックタンクと呼ばれます。岩石の浸透性（流体が岩石をど​​れだけ容易に通過できるか）や考えられる駆動メカニズムなどの要因を研究した結果、回収率、つまり原油のどの程度の割合が合理的に生産されると予想されるかを推定することができます。回収率は一般的に30～35％で、回収可能な資源の値を示します。^[24]

問題は、貯留層が均一ではないことです。貯留層は多孔性や浸透性が異なり、亀裂や断層によって分断され、流体の流れが複雑になるため、区画化されている場合があります。このため、経済的に実現可能な貯留層のコンピューター モデリングが頻繁に行われます。地質学者、地球物理学者、貯留層エンジニアが協力して、貯留層内の流体の流れをシミュレーションできるモデルを構築し、回収可能な資源の推定精度を向上させます。

埋蔵量は、特定され承認された開発プロジェクトを通じて開発される回収可能な資源の一部にすぎません。埋蔵量評価は企業または資産価値に直接影響を与えるため、通常は厳格な一連の規則またはガイドラインに従います。

石油貯留層の内容物を得るには、通常、地殻を掘削する必要があるが、カリフォルニアのラ・ブレア・タールピットやトリニダードの多数の油田など、世界のいくつかの地域では地表に油が湧出している。貯留層内の回収可能な炭化水素の量に影響を与える要因には、貯留層内の流体の分布、その場所にある流体の初期量、貯留層圧力、流体と岩石の特性、貯留層の形状、井戸の種類、井戸の数、井戸の配置、開発コンセプト、および運用方針がある。^{[24] [25]}

現代の生産には、石油回収率を高めるために熱、ガス注入、化学抽出法が含まれる。 ^[26]

未開発の貯留層は、炭化水素を地表に押し出すのに十分な圧力を受けている可能性があります。流体が生産されるにつれて、圧力は低下することが多く、生産は停滞します。貯留層は、圧力を維持する傾向がある方法で流体の引き出しに反応する場合があります。人工的な駆動方法が必要になる場合があります。

このメカニズム (枯渇駆動とも呼ばれる) は、石油の付随ガスに依存します。バージン貯留層は完全に半液体である可能性がありますが、圧力によりガス状炭化水素が溶解していることが予想されます。貯留層が枯渇すると、圧力が泡立ち点以下に下がり、ガスが溶解から抜け出して上部にガスキャップが形成されます。このガスキャップは液体を押し下げ、圧力を維持するのに役立ちます。

これは、天然ガスが石油の下のキャップ内にある場合に発生します。油井を掘削すると、上部の圧力が低下するため、石油が膨張します。圧力が低下すると、泡立ち点に達し、続いてガスの泡が石油を表面に押し上げます。次に、泡は臨界飽和に達し、単一のガス相として一緒に流れます。この点を超えてこの圧力以下になると、粘性が低下するため、ガス相は石油よりも速く流れ出します。より多くの自由ガスが生成され、最終的にエネルギー源が枯渇します。場合によっては、地質に応じて、ガスが石油の上部に移動して、二次ガスキャップを形成することがあります。エネルギーの一部は、水、水中のガス、または圧縮された岩石によって供給される場合があります。これらは通常、炭化水素の膨張に対するわずかな寄与です。

生産速度を適切に管理することで、溶解ガス駆動からより大きな利益を得ることができます。二次回収では、ガスまたは水を注入して貯留層圧力を維持します。ガス/オイル比と石油生産速度は、貯留層圧力が臨界ガス飽和に達して泡立ち点以下に下がるまでは安定しています。ガスが枯渇すると、ガス/オイル比と石油速度が低下し、貯留層圧力が低下し、貯留層エネルギーが枯渇します。

すでにガスキャップがある貯留層（バージン圧力がすでに泡立ち点以下）では、貯留層の枯渇とともにガスキャップが膨張し、液体部分を押し下げて余分な圧力をかけます。貯留層に溶解できる量よりも多くのガスがある場合、この現象が貯留層に発生します。ガスは構造の頂上まで移動することがよくあります。ガスは石油埋蔵量の上で圧縮され、石油が生産されるとキャップが石油を押し出すのを助けます。時間が経つにつれてガスキャップが下がって石油に浸透し、油井はますます多くのガスを生産し、最終的にはガスのみを生産するようになります。

ガスキャップを効果的に管理することが最善です。つまり、最大量の石油が生産されるまでガスキャップが油井に到達しないように油井を配置します。また、生産率が高いと、ガスが生産間隔の下方に移動することがあります。この場合、時間の経過とともに、貯留層圧力の減少は、溶液ベースのガス駆動の場合ほど急激ではありません。この場合、石油率はそれほど急激に低下しませんが、ガスキャップに対する油井の配置にも依存します。他の駆動メカニズムと同様に、水またはガスの注入を使用して貯留層圧力を維持できます。ガスキャップを水の流入と組み合わせると、回復メカニズムは非常に効率的になります。

炭化水素の下には水（通常は塩分を含む）が存在する可能性があります。水は、他の液体と同様に、わずかに圧縮可能です。炭化水素が枯渇すると、貯留層内の圧力が低下し、水がわずかに膨張します。この単位膨張はわずかですが、帯水層が十分に大きい場合は、体積が大幅に増加し、炭化水素を押し上げて圧力を維持します。

水駆動式貯留層では、貯留層圧力の低下は非常にわずかで、貯留層圧力が変わらない場合もあります。ガス/石油比率も安定しています。油率は、水が井戸に到達するまでかなり安定しています。時間が経つと、水カットが増加し、井戸は水で満たされます。^[27]

水は帯水層に存在する可能性があります(ただし、地表水で補充されることはまれです)。生産率が帯水層の活動と同等であれば、この水は井戸から生産される石油とガスの量を徐々に補充します。つまり、帯水層は自然の水の流入によって補充されています。石油とともに水が生産され始めると、揚水コストと水処理コストが高くなるため、回収率が不経済になる可能性があります。

自然の駆動力が不十分な場合は（よくあることですが）、帯水層に水を注入したり、ガスキャップにガスを注入したりすることで、圧力を人工的に維持することができます。

重力の力により、石油はガスの下方、水の上方に移動します。垂直浸透性があれば、回収率はさらに高くなる可能性があります。

これらは、貯留層の状態により炭化水素がガスとして存在できる場合に発生します。回収はガスの膨張の問題です。密閉された貯留層 (つまり、水駆動なし) からの回収は、特に底部穴の圧力が最小限に抑えられている場合 (通常は坑口のコンプレッサーで行います) は非常に良好です。生産される液体は淡色から無色で、比重は 45 API を超えます。ガス サイクリングは、乾燥ガスを注入して凝縮液体とともに生産するプロセスです。