ナノ技術の石油探査開発分野での応用（その１）
2017年 4月28日
劉 合：中国石油天然気股フン有限公司勘探開発研究院
博士。中国石油探査開発研究院教授級高級工程師。低浸透性オイル・ガス貯留の増産改造、機械採掘システムの効率向上、分層注水、シャフト工学制御技術などの研究に主に従事する。
金旭，丁彬：中国石油天然気股フン有限公司勘探開発研究院
概要：
オイル・ガスの探査・開発の実際のニーズと結びつけ、石油探査・開発分野におけるナノ技術の研究の進展と応用の状況を説明し、未来のナノ技術の応用のカギと発展の方向を検討・展望する。ナ ノキャラクタリゼーション技術は、非在来型オイル・ガス貯留層の鉱物組成やミクロ孔隙構造、岩石の物理的性質の分析ですでに重要な役割を果たしている。貯留層ナノセンサーは、実験室での難関突破段階にあり、オ イルプールのナノロボットのキー技術も依然として突破が待たれている状況にある。マイクロ・ナノ多孔質体中のオイル・ガスの移動の数値シミュレーション技術は今後、シェールオイル・ガスとタイトオイル・ガ スの移動集積のメカニズムや分布方式の探求や資源評価のための重要な手段となる。ナノ材料は、スケール効果や表面効果、湿潤特性、微粒子移動抑制特性、せん断増粘特性、ナノ光触媒特性、ナノろ過特性、ナノ防腐・耐 摩耗特性を持ち、採掘率や水処理、プロジェクト防腐の強化などの分野で広大な応用の見通しを持っている。未来のナノ技術の現実の発展は、ナノキャラクタリゼーション・数値シミュレーション、ナノセンシング、ナ ノ材料の3方向にあり、ローグレードのオイル・ガス資源のその場での改良とナノ光合成によるオイル・ガスの合成は潜在的な二つの発展方向と言える。
キーワード：ナノ技術；ナノキャラクタリゼーション；ナノセンシング；マイクロ・ナノ多孔質体数値シミュレーション；ナノ材料；研究進展；発展方向
はじめに
ナノ技術と情報技術、バイオ技術は、21世紀の科学技術の革新発展の3大原動力である。中国科学院の白春礼院士は、「ナノ技術（nanotechnology）は、一 つひとつの原子や分子を用いて物質を製造する科学技術であり、構造のスケールが1～100nmの材料の性質と応用を研究するものである」 ［1］ とナノ技術を定義している。ナノ技術には、ナノ材料の設計・製造やナノ計測などが含まれ、電子・バイオ・医療・航空・軍事・エネルギー分野で幅広く応用されている。ナノ材料は、ス ケール効果が備える独特な光・電・熱・磁性能によって、学術界と工業界の研究の焦点となり、伝統的な化石エネルギーと新エネルギーの研究分野へと入りつつある。21世紀中葉には、一 次エネルギーは依然として主導的な地位を占めるが ［2］ 、オイル・ガス資源開発の進行に伴い、現在の在来型オイル・ガス資源のグレードは徐々に低下し、採掘の難度は日増しに高まるものと予想される。非在来型オイル・ガス資源は、現在の技術の制限を受け、開 発効率は比較的低い。オイル・ガス資源の探査・開発が日増しに困難となる背景の下、ナノ技術の持続的な革新と応用の深化は、伝統的な石油開発技術の急速発展を促進するものとなり、す でに段階的な研究成果も出ている ［3-5］ 。①ナノ精密キャラクタリゼーション技術は、有効な貯留空間評価を実現している[6-9]；②ナノセンシングとナノ造影技術は、オイルプールの特徴のパラメーターの監視水準と記述の精度を高めた ［10-13］ 。③ナノ分子シミュレーション技術は、オイル・ガスの吸着・脱着のメカニズムと非ダルシーモデル下のオイル・ガスの移動法則を正確に掲示した ［5-6］ 。④ナノ新材料は、ドリリングやタイトオイル・ガス貯留層の改造、採掘率の向上などの分野で、有効な技術面での下支えを提供した。
本稿は、石油探査開発分野における現在のナノ技術の研究の現状を幅広く調査し、オイル・ガスの探査・開発の実際のニーズと結びつけ、「ナノキャラクタリゼーション」「ナノセンシング」「マイクロ・ナ ノ多孔質体中の流体移動の数値シミュレーション」「ナノ材料」の4つの面から石油探査開発分野の研究の進展と応用の状況を明らかにし、未来のナノ技術の応用のカギと発展の方向を検討・展望する。
1 ナノキャラクタリゼーション技術
ナノ技術の土台はナノ材料である。ナノ材料の独特な特性は、ナノスケール効果に由来する。このためナノ材料に対する精確なキャラクタリゼーションはナノ研究の根本となる。キ ャラクタリゼーション技術の革新はまた、ナノ新技術の発展を絶えず推進している。貯留層は、異なる鉱物粒子から組成される、一定の構造と極めて強い非均質性を持った多孔材料である。その中には、大 量の天然マイクロ・ナノ級鉱物粒子や孔隙、有機質クラスターなどが存在し、ミクロの角度からは複雑な天然ナノ材料の集合体とみなすことができる。貯留層に対する研究では通常、貯留空間や残留流体の賦存状況、固 体有機質の分布などが注目される。
ナノキャラクタリゼーション技術は、ナノスケールの分析対象の物質組成や構造、性質に対する分析や試験を指し、計測の道具や方法の研究開発も含まれる。主に次の5つにかかわるものとなる。
1.1 鉱物組成
鉱物組成とは、貯留層の鉱物粒子を構成する結晶構造や成分を指す。これに対応する分析設備としては次のものが挙げられる。鉱物粒子の形状の研究に用いられるものとしては、走査型電子顕微鏡（SEM）、原 子間力顕微鏡（AFM）など。ミクロ結晶構造の分析に用いられるものとしては、X線回折計（XRD）、超高分解能透過電子顕微鏡（TEM）など。元素分析に用いられるものとしては、エネルギー分散型X線分光器（ EDS）、波長分散型X線分光器（WDS）、蛍光X線分析装置（XRF）、X線光電子分光分析装置（XPS）、原子吸光分析装置（AAS）、誘導結合プラズマ発光分析装置（ICP）などがある。こ のうちSEMやEDS、WDS、XRF、ICPなどはすでに、石油地質研究に大量に用いられている。これには、元素分析を通じた鉱物の種類の鑑別、鉱物の続成作用・流 体作用の過程における転化法則の研究などが含まれる。
1.2 ミクロ孔隙構造
近年、ナノキャラクタリゼーション技術は、貯留層のミクロ孔隙構造のキャラクタリゼーションに幅広く応用されてきた。とりわけ非在来型オイル・ガス貯留層の研究においては、マクロからミクロ、平 面から立体、静態から動態への飛躍的な発展を実現している ［10-13］ 。対応する分析設備としては、平面イメージングに用いられるアルゴンイオンポリッシュ・電界放出形走査電子顕微鏡（FESEM）、環境制御型走査電子顕微鏡（ESEM）、立 体イメージングに用いられるマイクロCTやナノCT、集束イオンビーム走査電子顕微鏡（FIB-SEM）などがある。立体構造分析技術は、孔隙と基質の抽出後、マイクロ・ナ ノポアスロート構造の立体空間分布の特徴を取得することができる。このようなデジタルコア技術の発展は、非在来型オイル・ガス流動メカニズムの研究を有効に推進しており ［14-17］ 、今後の発展もオイル・ガス開発の予測に役立つものとなる。
1.3 有機質成分の分析
貯留層中の有機質には主に、固体有機質（ケロゲンなど）と液体可動有機質（アスファルテンや原油など）が含まれる。有機質成分分析設備には主に、有機質の元素組成分析に用いられるガスクロマトグラフィー（ GC）、液体クロマトグラフィー（LC）、質量分析計（MS）、有機質の分子構造分析に用いられる紫外可視分光光度計（UV）、赤外線分光器（IR）、ラマンスペクトル（Raman）、核磁気共鳴装置（NMR）な どがある。このほか顕微微小領域赤外線、走査型トンネル顕微鏡（STM）、超高分解能蛍光顕微鏡、アトムプローブなどの超微小領域分析方法も、石油産業に導入される見通しだ。
1.4 岩石の物理的性質
岩石の物理的性質の研究とは、岩石力学や熱学、光学、電子学、磁気学などの物理・化学性質に対するキャラクタリゼーション分析を指し、さまざまな方法や技術、装備にかかわる。石 油探査開発などの分野はいずれも、貯留層の岩石の物理的性質に対する研究を展開するものである。例えば、岩石の音響学研究はウェル・シューティングに対応し、岩石の電気学研究は電気検層に対応し、熱 学研究は油層内燃焼などの熱力貯留層改造に対応している。採掘対象のスケールの問題から、ナノ技術はまだ大量には応用されていない。だが非在来型オイル・ガス資源の関連研究の深まりに伴い、大 量のミクロスケールの物理的性質の計測研究が日増しに増加している。
1.5 その場キャラクタリゼーション
研究の深まりに伴い、オイル・ガスの貯留層における濃縮と移動の基礎研究はすでに、ミクロの動的キャラクタリゼーションの分野へと拡張し、分子・原子級のメカニズム研究や温度・圧 力の作用の下でのその場シミュレーションの研究も展開されている。例えば流体の貯留層におけるミクロ移動キャラクタリゼーション、流体と鉱物フレームワークのマルチフィジックスにおける流体・構 造連成現象のキャラクタリゼーション、鉱物と有機質孔隙のミクロ変遷のキャラクタリゼーションなどが挙げられる。大型実験室のその場分析設備（in-situ TEMなど）の応用と開発、シ ンクロトロン放射光源の多種のマイクロ・ナノその場キャラクタリゼーションの方法とラインステーションは、ミクロの動的研究の可能性と技術的な下支えを提供した。すでに展開されている研究としては、実 際の地層条件のシミュレーションが可能なコアホールダーを利用し、シンクロトロン放射X線CTラインステーションで、流体・構造連成作用の法則を研究する ［16］ などがある。
（ その２へつづく）
参考文献
[1]. ZHANG Z T, LIN Y H, TANG Z L, et al. Nanometer materials & nanotechnology and their application prospect[J]. Journal of Materials Engineering, 2000(3): 42-48.
[2]. DU Xiangwan. Energy revolution for sustainable future[J]. China Population, Resources and Environment, 2014, 24(7): 1-4.
[3]. MATTEO C, CANDIDO P, VERA R, et al. Current and future nanotech applications in the oil industry[J]. American Journal of Applied Sciences, 2012, 9(6): 784-793.
[4]. KONG Xiangling, MICHAEL M O. Applications of micro and nano technologies in the oil and gas industry: An overview of the recent progress[R]. SPE 138241, 2010.
[5]. EI-DIASTY A I, ADEL M S R. Applications of nanotechnology in the oil & gas industry: Latest trends worldwide & future challenges in Egypt[R]. SPE 164716, 2013.
[6]. TURKENBURG D H, CHIN P T K, FISCHER H R. Use of modified nanoparticles in oil and gas reservoir management[R]. SPE 157120, 2012.
[7]. SUNJAY. Nano-science & technology in upstream[R]. Hyderabad: The 8th Biennial International Conference & Exposition on Petroleum Geophysics, 2010.
[8]. AGENET N, PERRIAT P, BRICHART T, et al. Fluorescent nanobeads: A first step toward intelligent water tracers[R]. SPE 157019, 2012.
[9]. LAI E P C. Recent advances of liquefied petroleum gas sensors: From environmental to biotechnology applications[J]. Petroleum & Environmental Biotechnology, 2013, 4(1): 1356.
[10]. ZOU Caineng, ZHU Rukai, BAI Bin, et al. First discovery of nano-pore throat in oil and gas reservoir in China and its scientific value[J]. Acta Petrologica Sinica, 2011, 27(6): 1857-1864.
[11]. JARVIE D M, HILL R J, RUBLE T E, et al. Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model[J]. AAPG Buletin, 2007, 91(4): 475-499.
[12]. LOUCKS R G, REED R M, RUPPEL S C, et al. Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classification for matrix-related mudrock pores[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(6): 1071-1098.
[13]. SLATT R M, O’BRIEN N R. Pore types in the Barnett and Woodford gas shales: Contribution to understanding gas storage and migration pathways in fine-grained rocks[J]. AAPG Bulletin, 2011, 95(12): 2017-2030.
[14]. HU D, BLUNT M J. Pore-network extraction from micro-computerized-tomography images[J]. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2009, 80(3): 1957-1974.
[15]. IGLAUER S, PALUSZNY A, PENTLAND C H, et al. Residual CO2 imaged with X-ray micro-tomography[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38(21): 1440-1441.
[16]. BLUNT M J, BIJELJIC B, HU D, et al. Pore-scale imaging and modeling[J]. Advances in Water Resources, 2013, 51: 197-216.
[17]. LIU Jie, PEREIRA G G, REGENAUER-LIEB K. From characterization of pore-structures to simulations of pore-scale fluid flow and the upscaling of permeability using microtomography: A case study of heterogeneous carbonates[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2014, 144(5): 84-96.
※本稿は劉合，金旭，丁彬「納米技術在石油勘探開発領域的応用」（『石油勘探与開発』第43卷第6期（2016年12月）、pp.1014-1021）を『石油勘探与開発』編集部の許可を得て日本語訳・転 載したものである。記事提供：同方知網（北京）技術有限公司