岩石物理学

岩石物理学（ギリシャ語のπέτρα, petra「岩」とφύσις, physis 「自然」に由来）は、岩石の物理的・化学的性質と流体との相互作用を研究する学問です。^[1]

岩石物理学の主な応用は、炭化水素産業における貯留層の研究です。岩石物理学者は、貯留層エンジニアや地質学者と協力して、貯留層の多孔質媒体の特性を理解します。特に、地下の孔がどのように相互接続され、炭化水素の蓄積と移動を制御しているかを理解していなければなりません。^[1] 決定されたいくつかの基本的な岩石物理学的特性には、岩相、多孔度、水飽和度、浸透率、毛細管圧などがあります。^[1]

岩石物理学者のワークフローでは、坑井ログの解釈（つまり、その場の貯留層の状態）と実験室でのコア分析を通じて、これらの岩石物理学的特性を測定および評価します。坑井穿孔中は、さまざまな坑井ログツールを使用して、掘削孔での放射能および地震技術を通じて岩石物理学的および鉱物学的特性を測定します。 ^[2]さらに、コアプラグが側壁コアまたはコアサンプル全体として坑井から採取されます。これらの研究は、地質学、地球物理学、および貯留層工学の研究と組み合わせて、貯留層をモデル化し、その経済的実現可能性を判断します。

石油物理学者のほとんどは炭化水素産業で働いていますが、鉱業、水資源、地熱エネルギー、炭素回収・貯留産業で働く人もいます。石油物理学は地球科学の一部であり、その研究は石油工学、地質学、地球化学、探査地球物理学などで使用されています。^[3]

基本的な岩石物理学的特性

以下は貯留層を特徴付けるために使用される基本的な岩石物理学的特性です。

岩相：粒度、組成、組織など、岩石の物理的特性の説明。^{[4]地元の地質学的}露頭とコアサンプルの岩相を研究することにより、地球科学者は、天然ガンマ線、中性子線、密度、抵抗率などのログ測定値を組み合わせて使用し、^[2]井戸の下の岩相を決定することができます。
多孔度：岩石全体の体積に対する空隙容積の割合で、記号は。^[5]通常は中性子やガンマ線の照射に対する岩石の反応を測定する機器のデータを使用して計算されますが、超音波やNMRロギングから導き出すこともできます。^[2]ヘリウムポロシメータは、実験室で粒子の体積と多孔度を測定する主な技術です。^[6] $\phi$
水飽和度：水が占める間隙空間の割合。^[7] これは通常、岩石の抵抗率を測定する機器のデータを使用し、経験的または理論的な水飽和モデルを適用して計算されます。世界で最も使用されているのはArchie（1942）モデルです。^[8]これは記号で知られています。 $S_{w}$
透水性:岩石を流れる流体(水または炭化水素)の量は、時間と圧力の関数として表され、孔の相互接続の程度に関連し、記号で表されます。^[1]地層試験は、井戸を下る岩石層の透水性を直接測定できる唯一のツールです。^[9] ほとんどの場合に一般的ですが、地層試験がない場合、透水性の推定値は、多孔度、 NMR、超音波ロギングなどの他の測定値との経験的関係から導き出すことができます。ダーシーの法則^[10]は、研究室で不活性ガスまたは液体(つまり、岩石と反応しない)を使用してコアプラグの透水性を測定するために適用されます。^[6] $k$
流体を井戸に送り込むのに十分な透水性を持つ岩石の層厚（h）は、しばしば「純貯留岩」と呼ばれます。石油・ガス業界では、別の量「純支払」が計算されます。これは、利益を生む速度で炭化水素を井戸に送り込むことができる岩石の厚さです。^[11]

岩石の機械的性質

岩石の機械的または地質学的特性は、岩石物理学において、貯留層の強度、弾性特性、硬度、超音波挙動、指標特性、および原位置応力を決定するためにも使用されます。^[6]

岩石物理学者は、岩石の音響と密度の測定を使用して、その機械的特性と強度を計算します。岩石を通過する音の圧縮（P）波速度と剪断（S）波速度を測定し、これらを岩石の密度と組み合わせて、岩石の圧縮強度（岩石の破壊を引き起こす圧縮応力）と岩石の柔軟性（岩石の応力と変形の関係）を計算します。^[12] 変換波分析は、地下の岩相と多孔度も決定します。^[13]

地質力学測定は、掘削可能性の評価、坑井および開孔安定性設計、ログ強度と応力の相関、地層および強度の特性評価に役立ちます。^[6]これらの測定は、ダム、道路、建物の基礎、その他多くの大規模建設プロジェクトの設計にも使用されます。^[14]また、人工地震信号または地震からの地球からの地震信号を解釈するのにも役立ちます。^[15]

岩石物理学的分析の方法

コア分析

コアサンプルは貯留層の形成岩石構造の唯一の証拠であるため、コア分析は、その場の貯留層の主要な岩石物理学的特徴を理解するために実験室で測定された「グラウンドトゥルース」データです。石油業界では、岩石サンプルは地下から採取され、石油会社またはサービス会社のコア研究所で測定されます。このプロセスは時間がかかり、費用もかかるため、現場で掘削された井戸の一部にしか適用できません。また、適切な設計、計画、監督により、データの冗長性と不確実性が減少します。クライアントと研究所のチームは、コア分析プロセスを最適化するために連携して作業する必要があります。^[6]

井戸の検層

坑井検層は坑井内の岩石物理的特性を調べる比較的安価な方法です。測定ツールはワイヤーライン法またはLWD法のいずれかを使用して坑井内に運ばれます。^[2]

ワイヤーラインログの例を図1に示します。最初の「トラック」は、岩石の自然なガンマ放射線レベルを示しています。ガンマ放射線レベルの「ログ」は、右側に行くほど放射線が増加し、左側に行くほど放射線が減少していることを示しています。放射線を放出する量が少ない岩石は、黄色に濃くなっています。検出器は非常に感度が高く、放射線量は非常に低いです。砕屑岩層では、放射線量が少ない岩石は粒子が粗く、空隙が多い傾向があり、放射線量が多い岩石は粒子が細かく、空隙が少ない傾向にあります。^[16]

プロットの 2 番目のトラックには、参照点 (通常はケリーブッシュまたは回転テーブル) の下の深さがフィートで記録されます。つまり、これらの岩層は地球の表面から 11,900 フィート下にあります。

3番目のトラックでは、岩石の電気抵抗率を示しています。この岩石の水は塩分を含んでいます。水中の空隙空間を流れる電解質は電気を伝導し、その結果、岩石の抵抗率が低下します。これは、水飽和度の増加と炭化水素飽和度の減少も示しています。^[17]

4 番目のトラックには、計算された水飽和度が表示されます。マゼンタ色の「総」水 (岩石に結合した水を含む) と黒色の「有効水」または自由に流れる水の両方が表示されます。両方の量は、総空隙空間の割合として示されます。

5 番目のトラックは、岩石全体のうち、流体で満たされた細孔空間の割合 (つまり、多孔度) を示します。細孔空間の表示は、油を表す緑色と、移動可能な水を表す青色に分かれています。黒い線は、移動または「生成」可能な水または油を含む細孔空間の割合 (つまり、有効多孔度) を示します。一方、マゼンタの線は、岩石に永久に結合している水を含むことを意味する、全体多孔度を示します。

最後のトラックは、砂岩と頁岩の部分に分けられた岩石の岩相を表しています。黄色のパターンは、粗粒の砂岩で構成された岩石の割合 (流体を除く) を表しています。灰色のパターンは、細粒、つまり「頁岩」で構成された岩石の割合を表しています。砂岩は、生成可能な炭化水素と水を含む岩石の部分です。

モデリング

貯留層モデルは、貯留層工学の専門ソフトウェアで、岩石物理学者によって作成された岩石物理学データセットを使用して構築され、貯留層内に存在する炭化水素の量、その炭化水素が坑井を通じて地表に生産される速度、岩石内の流体の流れを推定します。^{[3]水資源産業における同様のモデルは、}帯水層を枯渇させることなく、長期間にわたって地表にどれだけの水が生産できるかを計算します。^[18]

頁岩砂層の岩石体積モデル

頁岩砂は、頁岩または粘土と砂岩の混合物を指す用語です。したがって、粘土鉱物とシルトサイズの粒子のかなりの部分が、より高密度で岩石の複雑さを伴う細粒の砂岩になります。^[19]

頁岩/粘土の体積は、岩石の体積に寄与するため、推定すべき重要な岩石物理学的パラメータであり、正確な多孔度と水分飽和度を得るには、評価を正しく定義する必要があります。図 2 に示すように、砕屑岩の形成をモデル化するには、岩石マトリックス (粒子)、粒子を取り囲む粘土部分、水、炭化水素という、頁岩または粘土質砂に典型的な定義を持つ 4 つのコンポーネントがあります。これら 2 つの流体は、岩石マトリックスの細孔空間にのみ保存されます。

水に濡れた岩石の場合、微細構造が複雑なため、以下の項が砕屑性貯留層を構成します。

V _ma = マトリックス粒子の体積。

V _dcl = 乾燥粘土の体積。

V _cbw = 粘土結合水の体積。

V _cl = 湿った粘土の体積（V _dcl + V _cbw）。

V _cap = 毛細管結合水の体積。

V _fw = 自由水の体積。

V _hyd = 炭化水素の体積。

Φ _T = 総空隙率 (PHIT)。これには、接続された細孔スロートと接続されていない細孔スロートが含まれます。

Φ _e = 相互接続された細孔スロートのみを含む有効多孔率。

V _b = 岩石の体積。

重要な方程式:

V _ma + V _cl + V _fw + V _hyd = 1

岩石マトリックス体積 + 湿潤粘土体積 + 自由水体積 + 炭化水素体積 = 岩石体積^[20]

学術団体

石油物理学者および坑井検層分析者協会（SPWLA）は、石油・ガス産業および科学界全体における石油物理学、地層評価、坑井検層のベストプラクティスの認知度を高めることを使命とする組織です。 ^[21]

参照

参考文献

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さらに読む

ゲギュエン、イヴ、パルシアウスカス、ビクター（1994）、岩石物理学入門、プリンストン大学出版、ISBN 978-0-691-03452-2
マヴコ、ゲイリー、ムケルジ、タパン、ドヴォルキン、ジャック（2003）、岩石物理学ハンドブック、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-54344-6
サンタマリナ、J. カルロス; クライン、キャサリン A.; ファム、モヘブ A. (2001)、土壌と波: 粒子状物質の挙動、特性評価、プロセス監視、John Wiley & Sons、Ltd.、ISBN 978-0-471-49058-6
Tiab, Djebbar; Donaldson, Erle C. (2012)。貯留層岩石および流体輸送特性の測定に関する岩石物理学の理論と実践（第 3 版）。オックスフォード: Gulf Professional Pub. ISBN 978-0-12-383848-3。
ラケル、S.ベニテス、G.モリーナ、L.ペドロサ、C. (2016)。「まばらに計測された媒体における岩石特性の空間変動を定義するためのニューラルネットワーク」(PDF)。ボレティン・デ・ラ・ソシエダ・ゲオロジカ・メキシカーナ。 Vol. 553 . 2018 年10 月 12 日に取得。

外部リンク

岩石物理学フォーラム
クレインズ石油物理ハンドブック
ロック物理学者
石油物理学者および坑井検層分析者協会 (SPWLA)

[Tiabb-1] Tiabb、D. & Donaldson、EC (2004)。岩石物理学。オックスフォード：エルゼビア。 p. 1.ISBN 0-7506-7711-2。

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