重質油生産

重油生産は、工業的な量の重油を抽出するための開発中の技術です。重油の推定埋蔵量は 6 兆バレルを超え、従来の石油とガスの 3 倍に相当します。

埋蔵量を生産に移す難しさに影響を与える要因には、浸透性、多孔性、深度、圧力などがある。決定要因は石油の密度と粘度である。 ^[1] 密度と粘度によって抽出方法が決まります。^[2]

油の粘度は温度によって変化し、抽出のしやすさを決定します。温度を制御すれば、追加の技術を使わずに油を移動させることができます。^[3]密度は蒸留後の収量を表すため、精製業者にとってはより重要です。しかし、この2つを結びつける関係はありません。^[2]

油層はさまざまな深さと温度に存在します。粘度は温度によって大きく異なりますが、油田の分類では密度が標準です。原油の密度は、通常、比重に関連するアメリカ石油協会(API) の比重で表されます。API比重が低いほど、油の密度が高くなります。液体原油の API 比重は、ビチューメンを多く含むタール分4º から、API 比重 70º の凝縮油まであります。重油は超重質油と軽質油に分類されます。API 比重は 10º から 20º の範囲です。^[4]

石油源岩から生成される原油のAPI比重は30度から40度です。原油は、かなりの劣化、閉じ込め、脱揮中に重くなります。劣化は、油層が地下水を介して細菌に汚染されると、化学的および生物学的プロセスによって発生します。 ^[5]細菌は原油の一部の成分を重い成分に分解し、粘度を高めます。水は、より溶解しやすいため、溶液の形で低分子量の炭化水素を運び去ります。原油が低品質のシールで封入されている場合、より軽い分子が分離して逃げ出し、脱揮によって重い成分が残ります。^[6]

重質油は、地質学的に若い層でよく見られます。これは、浅く、シールの効率が悪いため、重質油が形成される条件が整っているからです。

注入パターンとは、生産井と注入井を貯留層の位置、大きさ、流れの方向に合わせて配置することを指します。^[7]注入パターンは、最大の接触量を達成できる領域に注入井を移動することにより、井戸の寿命にわたって変化させることができます。

地質学的不均一性とは、貯留岩における多孔性と浸透性の空間分布のことです。

透水性は、岩石を形成した堆積粒子のサイズと、それらが詰まった方法によって異なります。透水性は孔の数であり、岩石内の孔の相互接続性と、異なる透水性を持つ岩石内の異なる層の存在は、地質学的不均一性の現れです。蒸気注入が行われると、水はより透水性の層を通過し、油分が多く浸透性の低い層を迂回します。これにより、スウィープ効率が低下し、水と接触する油の量により早期に水が生成されます。^[8]

スイープ効率は、注入された流体が接触する貯留層の総容積に依存する、EOR 方法の有効性の尺度です。スイープ効率は、移動度比、方向浸透性、注入された累積水量、洪水パターン、地質学的不均一性、注入装置と生産装置間の圧力分布など、複数の要因によって影響を受けます。

置換効率とは、蒸気注入やその他の置換方法によって掃引されたゾーンから回収された石油の割合です。これは、貯留層に注入された注入流体または置換要素による置換を通じて回収された石油の体積の割合です。これは、置換が始まる前の貯留層の体積と、置換が終了した後の体積の差です。^[9]

振幅対オフセット（AVO）は、地震探査の逆解析で貯留層の存在とその周囲の岩石の種類を予測するために使用される技術です。文献レビューと研究では、石油探査と岩石物理学の研究におけるAVOと地震探査の分析が組み込まれています。^[10]

蒸気注入中の石油貯留層に投射された地震波は、高い波減衰値の存在を示すデータを提供します。この減衰は通常、速度分散に基づいています。研究によると、弾性被覆と同等の媒体間の地震波反射は、周波数によって変化する反射係数を持っています。この変化は、界面における AVO の挙動に依存します。理想モデルの合成地震計の計算は、速度と減衰が周波数に依存する材料の反射率技術を使用して実行されます。これは通常、速度と減衰の変化の影響がスタックされたデータで検出できるため使用されます。^[11]

スペクトル分解技術の改良により、周波数依存パラメータがより明確に示されました。たとえば、飽和岩石は、炭化水素飽和岩石に関する低周波地震効果を持っています。さらに、炭化水素飽和帯は、直接的な品質係数 (Q) 測定から、非常に高い減衰値を持っています。^[10]オフセットに対する標準振幅が AVO であるオフセットによる周波数の系統的変化は、減衰を無視し、純粋に反射的なモデルを使用することになります。主な目的は、表土の減衰の影響を修正しながら、近くのスタックと遠いスタックの周波数コンテンツのバランスをとることです。^[12]

AVO は、油層の存在を検出するために使用されます。これは、油層で AVO の上昇が顕著な油層で見られる異常性によるものです。スイープ効率を向上させるために岩石層と浸透特性を定義するのには、AVO はあまり役に立ちません。さらに、炭化水素油層に関連する異常性は、ガス柱の破裂による残留炭化水素によって引き起こされることもあるため、すべての油層で同じ異常性が現れるわけではありません。

地震探査は、地球の地殻を地図化するために使用される標準的な方法です。これらの調査から得られるデータは、岩石の種類と特性に関する詳細な情報を投影するために使用されます。地表下の岩層に音波を反射させることで、反射波を分析することができます。入射波と反射波の間の時間経過と受信波の特性から、岩石の種類と石油およびガス鉱床の埋蔵量に関する情報が得られます。

貯留層の地質学的不均一性が分かっている場合、注入パターンは、石油を含む岩石の透水性の低い層に注入するように設計できます。課題は、不均一性が地域ごとに異なるため、貯留層の透水性分布を特定するのが難しいことです。したがって、石油回収率（スイープ効率）を最大化するには、地震探査によって透水性層の方向を監視し、マッピングする必要があります。^[13]地震波を岩層に送信し、地震波の時間経過と歪みを分析して透水性の方向をマッピングし、注入パターンの効率的な設置を強化します。^[14]

石油の回収には、一次、二次、三次の3段階の抽出段階がある。流動性は有効浸透率と相粘度の比率であるため、油井の生産性は貯留岩の層厚と流動性の積に正比例する。^{[15] [16]}

一次回収では、貯留層内のガスの圧力上昇、重力排水、またはその両方の組み合わせを使用します。これらの方法は冷間生産を構成し、一般に「自然揚水」の使用と呼ばれます。従来の石油の場合、冷間生産の回収率は30％を超えますが、重質油の場合は5〜10％上昇します。^[2]

冷間生産法の 1 つのバリエーションは、砂による冷間重質油生産 (CHOPS) と呼ばれます。CHOPS は、ワームホールまたは空隙を作成し、そこで周囲の岩石から油が油井に向かって引き出されます。これらの方法は、貯留層の周囲温度で使用されるため、冷間生産と呼ばれます。自然の揚水圧力で十分な地下圧力が生成されない場合、または圧力が低下して油を油井から移動させるのに十分でなくなった場合、一次生産は抽出限界に達し、二次回収に引き継がれます。

二次回収法も冷間生産法を用いるが、貯留層温度のまま必要な内部圧力を生成するために外部圧力源を用いる。^[17]二次回収法では、人工圧力を生成する要素を注入して人工圧力を生成する。水、天然ガス、二酸化炭素が主な注入物である。圧力により石油が生産井に押し上げられる。^[18]時間の経過とともに人工圧力は効力を失う。これは、残留（重質）石油が流動するには粘性が高すぎるためであり、貯留層内の砂岩に保持されるためである。2つの冷間生産回収法の組み合わせ回収率は、石油の特性と岩石の種類に応じて10～20％である。^[17]

三次回収は、一般的に石油増進回収法（EOR）として知られています。これは、一次および二次段階で埋蔵量のほとんどの石油を抽出した後に石油を生産する方法です。具体的には、石油増進回収法は、多孔質岩石に閉じ込められた石油や、粘度が高すぎて流れない重質油を回収するために使用されます。三次回収法には、化学的増進回収法、熱的増進回収法、および混和性増進回収法の3つの方法があります。^[12]

これには熱処理と非熱処理の両方の方法が含まれます。^[17]非熱処理の方法には、化学物質と微生物を使用して、閉じ込められた重質油と二酸化炭素を圧力下で緩める方法が含まれます。しかし、粘度を下げて重質油を流動化させる最も効率的な方法は、熱処理（主に蒸気注入）です。

蒸気注入の3つの主なタイプのうち、たとえば蒸気攻法では、加圧蒸気を注入井に注入し、そこで蒸気を加熱して流動性の高い石油を押し出します。EOR技術は、必要なエネルギーと材料のために高価です。^[3]したがって、貯留層から回収される重質油の量は経済性に依存します。このため、EROは貯留層、岩石層、浸透性、間隙形状、粘度の分析から始まります。貯留層の不均一性を含め、これらの要因は回収方法の成功に影響を与えます。

総合効率はスイープ効率と変位効率の積です。

周期的蒸気刺激(CSS) は、一定期間単一の井戸に蒸気を注入し、加熱して粘度を下げ、その後、注入と抽出のサイクルを交互に繰り返して同じ井戸から石油を抽出します。

蒸気補助重力排水（SAGD）では、積み重ねられた水平井が使用されます。上部の水平井から蒸気を注入して周囲の重質油を加熱し、下部の水平生産井に流し込みます。^[19]

蒸気注入は、周期的蒸気注入と蒸気攻法という 2 つの主要な方法で構成されます。

循環蒸気循環（CSC）では、蒸気が油層に注入され、その結果生じる高圧によって油層岩が破裂し、油が加熱されて粘度が低下します。油は、注入、浸漬、生産の3段階で除去されます。高温高圧の蒸気は、油に熱が吸収されるように、数日から数週間、油層に残されます。その後、生産が開始されます。最初は生産量が多いですが、熱が失われるにつれて減少します。このプロセスは、経済的に不可能になるまで繰り返されます。循環蒸気注入では、全油量の約10〜20％が回収されます。この方法が経済的に不可能になると、蒸気注入が使用されます。^[20]

蒸気注入は通常、粘度が -100,000cP にも達する貯留層の水平および垂直油井で使用されます。周期的蒸気注入井では、油は粘性と固体の両方になることができます。主なメカニズムは、「固体」を溶解することです。^[20]理想的な浸漬時間を確立するコンセンサスはなく、数日から数週間まで異なる場合があります。ただし、操作上および機械的な考慮から、より短い浸漬時間が好まれます。最初の処理の後、初期の貯留層エネルギーにより、自然な揚水によって石油生産が行われます。ただし、後続のサイクルでは、生産をポンプで補助する必要がある場合があります。周期的注入は、サイクル数が増えるにつれて石油生産の効率が低下します。^[19]貯留層の特性に応じて、最大 9 サイクルを使用できます。

この方法は、循環蒸気注入法よりも多くの石油を回収します。CSCよりも熱効率が低く、より大きな表面積が必要です。^[21]この方法では、少なくとも2つの井戸を使用し、1つは蒸気注入用、もう1つは石油生産用です。蒸気圧入法では、全石油の約50％が回収されます。蒸気は、インジェクターを介して高温高圧で注入されます。蒸気注入技術は、より実現可能で効率的になりました。いくつかのバリエーションが開発されています。^[12]ただし、コストが高いため、慎重な評価、油層に関する詳細な調査、適切な設計が必要です。^[22]

伝統的に、地表下の岩石や鉱物の特性は、地震探査と地震学によって定義されてきた。地震探査中に生成される地震波の移動時間、位相と振幅の変化は、地下レベルの岩石と流体の特性を示す。以前は、探査地震学は炭化水素を含む可能性のある岩層の地震データのみを調査していた。しかし、技術の進歩により、地震データは間隙流体、飽和度、多孔度、岩相を決定するのに役立つようになった。^[23]

貯留層の特性と地震データは、岩石物理学と呼ばれる最近の開発によって結び付けられています。岩石物理学は、貯留層地震モニタリング、炭化水素の直接検出、角度依存反射率を使用した地震岩相識別などの重要な技術の開発に利用されています。岩石物理学の応用は、地震波に影響を与えるさまざまな特性を理解することに基づいています。これらの特性は、波が伝播する際の挙動や、それらの特性の 1 つが変化すると異なる地震データがどのように生成されるかに影響します。温度、流体の種類、圧力、孔隙の種類、多孔度、飽和度などの要因は相互に関連しており、1 つの要素が変化すると他の要素も変化します。^[24]

岩石物理学における間隙流体特性と流体置換は、ガスマン方程式を使用して計算されます。これは、フレーム特性を使用して、流体の変化が地震特性にどのように影響するかを計算します。この方程式は、間隙流体、固体マトリックス、およびフレームモジュールの既知の体積弾性係数を使用して、液体で飽和した媒体の体積弾性係数を計算します。岩石を形成する鉱物は固体マトリックス、フレームはスケルトン岩石サンプルであり、間隙流体はガス、水、油、またはそれらの組み合わせです。使用する方程式では、1) マトリックスとフレームの両方が巨視的に均質であること、2) 岩石内の細孔がすべて相互に接続されていること、3) 細孔内の流体に摩擦がない、4) 岩石内の流体システムが閉鎖系であり、排水されていない、5) 岩石内の流体が固体と相互作用してフレームを柔らかくしたり硬くしたりしないことが前提となっています。^[20]

最初の仮定は、波の波長が岩石の細孔や粒径よりも長いことを保証する。この仮定は、実験室から地震の範囲の波の波長と周波数の一般的な範囲を満たしている。仮定2）は、岩石の細孔の浸透性が均一であり、通過する波が波の半周期にわたって細孔の流体の流れの完全な平衡を引き起こすような孤立した細孔が岩石に存在しないことを示唆している。細孔の浸透性は波長と周波数に比例するため、ほとんどの岩石がこの仮定を満たしている。^[19]しかし、地震波の場合、浸透性と多孔性が高いため、未固結の砂だけがこの仮定を満たしている。一方、検層や実験室の周波数などの高周波数の場合、ほとんどの岩石がこの仮定を満たすことができる。その結果、ガスマンの式を使用して計算された速度は、検層や実験室の周波数を使用して測定された速度よりも低くなる。仮定 3) は、流体に粘性がないことを示唆しているが、現実にはすべての流体に粘性があるため、この仮定はガスマン方程式によって違反される。仮定 4) は、実験室の岩石サンプルでは岩石流体の流れが境界で密閉されていることを示唆しており、通過する波によって引き起こされる応力の変化によって岩石サンプルから流体が著しく流出することはない。仮定 5) は、岩石マトリックスと間隙流体の化学的または物理的特性の間の相互作用を妨げるものを防止している。この仮定は、相互作用は避けられず、通常は相互作用によって表面エネルギーが変化するため、常に満たされるわけではない。たとえば、砂が重油と相互作用すると、せん断力と体積弾性率の高い混合物となる。^[13]

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