ナノ技術の石油探査開発分野での応用（その３）

2017年 4月28日

（その２よりつづき）

4 ナノ材料

　ナノ技術の最も直接的な応用は、油田開発の各段階でナノスケールまたはその他のナノ特性を持つ粒子または乳液を加えることで、これらはナノ化学剤と総称される。ナノ化学剤は粒子のサイズが小さく、比表面積が大きいことから、ナノ粒子の表面活性原子数や表面自由エネルギー、界面張力は、粒径の低下にともなって急激に増大し、在来型の化学剤とは異なる流動性や湿潤性、表面効果、微粒移動などの特性を示すこととなる。ここでは、オイル・ガス田開発の過程における化学助剤の実際の需要と結びつけ、以下のいくつかの面から、国内外の近年の石油開発の各分野におけるナノ材料の応用状况と発展方向を論じる。

4.1 スケール・表面効果

　非在来型オイル・ガス資源の開発が進むにつれ、在来型の化学剤では貯留層の注入の要求をますます満たせなくなっている。ナノ材料は、注入性の問題を有効に解決できるだけでなく、独特な浸透能力を示す。とりわけ非在来型オイル・ガス資源に対しては、スモールスケール効果があってはじめて、化学剤の地層における拡散率を大幅に高め、貯留層の指定のエリアにナノ流体を注入し、採掘率を大きく高めるという目的を達成できる［35］。

　ナノ粒子も、とても高い表面効果を備えている。ナノ級粒子の比表面積は大きく、その他の媒質（鉱物質表面、金属塩など）との間の化学結合の強度は高くなる。すべてのナノ材料（ケイ素、バナジウム、モリブデン、タングステン等などの酸化物）の表面はいずれも、末端酸素や架橋酸素などの活性修飾部位が多い。これは、ナノ材料の表面の安定修飾と改質に土台を提供するものとなる。表面の修飾・改質後に形成されたナノ化学剤は、湿潤性の変更、微粒移動の抑制、ナノろ過、せん断増粘などの特殊な性能を備え、油田開発の各段階における実際の需要を満たすことができる。

4.2 湿潤特性

　原油採掘率の向上の過程において、岩石の湿潤性は、油置換効果に影響する重要な要素となり、流体の分層と孔隙中のその分布に重要な役割を果たす。既存の化学剤も、オイルプールの湿潤性をある程度改変する効果を持っており、岩石表面の帯電効果に基づき、さまざまなタイプの陰・陽イオンの表面活性剤を適量吸着し、表面活性剤の親水・親油特性を調節し、岩石の湿潤性の転化を実現する。だが総体的に言って、在来型の表面活性剤の分子サイズの制限を受け、注入は困難で、非在来型のオイル・ガス資源の効率的な開発に用いるのは難しい。地層条件においては、表面活性剤の耐温・耐塩性能は低く、単一の分子には親油・親水基が含まれ、大規模な製造・応用のコストは高い。

　活性ナノ材料は、表面改質を通じて、疎水・親水または二重湿潤性の能力を備えることができる。Wangら［36］は、改質ナノSiO2による岩石湿潤性の改変のメカニズムを研究した。改質ナノSiO2を媒質を通じて地層に注入すると、表面の高エネルギー状態と表面原子の高い不安定性から、改質ナノSiO2は、砂岩の表面に吸着し、岩石の湿潤性を親水から親油へと反転させ、水を注入する際の流動の抵抗を下げ、注入水の浸透能力を大幅に高めることとなる。この特性が最も広く応用されているのは、ナノ分子堆積膜（MD膜）である。MD膜を用いて岩石湿潤性を調節し、岩石表面の性質の改変を通じて、低浸透オイルプールの圧力低下と注入増加を実現する。

4.3 微粒移動抑制特性

　油田開発過程において鉱物微粒にはさまざまな程度の移動が発生し、多孔質体の浸透率を低下させ、貯留層への一定のダメージをもたらす。ナノ材料または乳液を通じて、いくつかの解决方法を探ることができる。ナノ粒子（酸化マグネシウム、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム）を含むナノ流体は、比較的低い油水界面張力と非常に強い吸着傾向を備えており、一方では、ナノ流体はさまざまな孔隙の貯留層ユニットに入ることができる。もう一方では、ナノ流体と岩石鉱物の相互作用によって、大量のナノ粒子は岩石または粘土の表面に吸着し、ナノ粒子と岩石鉱物との間の電気二重層の反発力を利用して微粒の位置を固定し、微粒移動を防止し、粘土の膨脹と分散を有効に抑制できる。

　Habibiら［37］は、ナノ酸化マグネシウム流体を水に敏感な地層に注入し、水が地層に衝撃を与え、流体の通路を損なうことを防止する実験研究を発表している。その結果によると、ナノ酸化マグネシウム粒子は、粘土安定剤とすることができ、異なる鉱化程度の条件の下、粘土の汲水膨脹と粒子移動を抑制し、貯留層の浸透率をほぼ変わらないレベルに保つことができる。この安定剤はさらに、幾らか高い比表面積を持ち、大量の電荷を帯び、粘土粒子の分解を有効に抑制し、細かい粉末粒子の移動によってポアスロートがつまることを防止し、水に敏感な地層を保護するものとなる。Al-Malkiらの研究によると、海泡石のナノ粒子を掘削液に加えると流動の安定性を保ち、掘削液のろ過損失抵抗や粘土膨脹抑制などの性能を高めることができる［38］。

4.4 せん断増粘特性

　止水・断面調整材料はいずれもゲルや膨潤性粒子、重合体ミクロスフェアが主で、材料自身は変形できず、材料の物理・化学性能も外界の条件に従って変化できない。ナノ材料のせん断増粘特性はこれに、選択可能な技術手段を提供している。せん断増粘流体（Shear thickening fluid，STF）には、せん断増粘液やせん断増粘ゲルなどが含まれる。Benderら［39］は、こうしたナノ材料のせん断増粘のメカニズムを報告している。Raghavanら［40］は、せん断増粘過程の歪み増加の状況と変動特性が産出される条件とエリアについて論じた。Hoffman［41］は、せん断増粘現象の原因とミクロ構造の変化過程を研究し、安定せん断流と振動流、重合流中の粒子間の相互の影響を検討した。同時に、二酸化ケイ素の含有量が高いほど、液体体系の初期粘度は高くなり、せん断増粘段階の増粘効果もより強くなり、初期のせん断減粘効果も際立つと指摘した。

4.5 ナノ光触媒特性

　ナノ光触媒技術は、ナノ光触媒剤が紫外線照潜在力射下で持つ酸化還元能力に基づき、汚染物を浄化する技術である。この技術は、有機物の浄化にとりわけ適しており、油田の汚水の高度の浄化の面で、巨大な潜在力を示している［42］。ナノ光触媒剤は通常TiO2で、紫外光（波長が385nmより小さい）の刺激の下でだけ、光触媒反応を起こす［43］。可視光触媒の効率を高める方法としては現在、イオンドーピングと半導体複合、表面光増感触媒分解、TiO2表面アモルフォス化がある。Wangら［44］は、グラフェン状炭窒化物は、光触媒による水分解という性能を持ち、TiO2を固定化し、マイクロ/ナノ分級構造と固定磁性物質などを作り、触媒剤の分離回収の難題を解決できることを発見した［45］。TiO2光触媒技術は、水中の微量の有機物の除去に適している。このためこの技術とその他の処理技術との併用は、その応用分野を大きく拡大することになると考えられる。例えば、▽光触媒と電気化学を併用した新型高度酸化技術は、汚水処理の程度を高めることができる、▽光触媒技術とFeton試剤との結合は、光触媒の反応速度を加速できる、▽逆浸透技術と光触媒技術との結合は、浄化効率を改良できる――などがある［46］。ナノ光触媒技術は日増しに高まっており、油田の汚水中の重合体と表面活性剤体系の処理への活用が期待されている。

4.6 ナノろ過特性

　ナノろ過特性（Nano filtration）は差圧を推進力とするもので、逆浸透と超ろ過の間の水中の粒子物を遮断する一種の膜分離技術である。ナノろ過過程のカギはナノろ過膜であり、石油工業排水処理に二つの優位性を持っている。①2回または3回のオイル採掘に用いられた注入水を浄化・淡水化し、ナノろ過膜を利用して、採掘液の廃水を富油水相と無油低砿化度水相に分離し、富油水相は直接解乳脱水し、無油低砿化度水相は直接調合・リサイクルする［47-49］。②ナノろ過膜は、採掘液の水中油または油中水の構造を完全に破壊し、油水分離を実現し、解乳脱水の難度を下げることができると同時に、採掘液中の活性物質（重合体、表面活性剤、アルカリなど）を分離回収して利用し、採掘率を高めるコストを引き下げることができる。

4.7 ナノ防腐・耐摩耗特性

　石油採掘プロセスの分野では、地面または井下の道具は、摩損や腐食、高温高圧、H2SとCO2の含有率が高いなどの複雑な環境に直面しており、道具の損壊、腐食、コスト増加、産出量低下などの問題がもたらされるだけでなく、作業リスクや環境汚染を高めるといったマイナス影響もある。例えばよく見られる損失しやすい主要部品としては、穂先や拡張コーン、プランジャー、回転子、ポリッシュロッドなどがあり、高性能のナノコーティングは、これらの難題を解決する望みがある。新型高硬度耐摩耗ナノコーティングは、伝統的な単相ナノ結晶などの耐摩耗コーティング技術とは異なり、これは主に、二相セラミックを利用してマイクロ構造において周期的な調整を行うもので、コヒーレント・エピタキシャル成長を形成し、ナノ多層膜構造は、高硬度性と耐摩耗性能を獲得している。または二種のナノ結晶セラミック材料を利用して複合し、ナノの超硬複合膜構造を形成して高い硬度と耐摩耗性能を獲得し、超高耐摩耗・耐熱酸化性能に対する石油ドリル表面の必要を満たす。

5 総括と展望

　ナノ技術を核心とする革新的な研究は、オイル・ガス探査開発の多くの分野に幅広く出現し、オイル・ガス開発技術の難題を突破するものとなる可能性がある。オイル・ガス田の探査・開発需要とナノ技術研究の現状を考慮すると、比較的現実的な応用・発展の方向には主に次の3つが含まれると考えられる。

①ナノキャラクタリゼーションと数値シミュレーションは明らかな技術的優位性を持っている。シェールオイル・ガスとタイトオイル・ガスの資源の有効な探査と合理的な利用に伴い、ナノキャラクタリゼーション・分析手段は、貯留層の精密な記述や岩石の物性分析、流体移動法則の研究、オイル・ガス情報の捕捉などの面で、意思決定の参考と技術の支えを提供するものとなる。

②ナノセンシング技術はオイルプールという「ブラックボックス」を解読するものとなる。ナノロボットはすでに、オイルプールの解釈や残存オイル・ガスの分布・評価に技術的な道筋を与えている。ナノ・マイクロエレクトロニクス、ナノセンシング、ナノ識別などの技術は、オイルプールの属性をリアルタイムで計測し、オイル・ガス資源を探す最終的な手段となると期待されている。

③ナノ材料の応用は石油・天然ガスの採掘効率を大幅に高めるものとなる。未来の油田開発技術は「目標志向」と「複合機能」を備えるものでなければならず、ナノ材料はこれに技術的な実行可能性を与えるものとなる。例えば、▽ナノ分子堆積膜は低浸透オイルプールの減圧・注入増加に使える、▽ナノスマート流体は、止水・断面調節に使える。▽ナノ粒子は、掘削液の性能を高めるのに使え、ナノ触媒剤とナノろ膜は、オイルプールのその場改質と後期の水処理に使うことができる、▽ナノコーティングは、工学分野の防腐などに使える――。

　このほかナノ材料は、化学修飾に大量に使える活性部位を備えていることから、将来の油田開発においては、ナノ材料を土台とし、化学改質を手段とし、同一のナノ材料上にさまざまな種類の機能を統合し、ナノ材料に「目標性」と「スマート性」を真に付与し、「一剤多機能」「一剤多用途」を現実とするものとなる。ナノ材料の化学修飾の方法を通じて、普通の油置換剤の「波及体積の拡大」と「油洗浄能力の向上」という二大特性を同一のナノ材料にいかに与え、「スマート置換」を真に実現し、油田の採掘率を大幅に高めていくか。

　ナノ技術の急速な発展に伴い、将来的には、破壊的な新技術が続々と現れることになるだろう。利用の難しい原油のナノ触媒剤によるその場改質技術は、有機質のその場での転化と採掘を実現し、高エネルギー消費・高汚染の「地上製油工場」のモデルを、高品質でクリーンな「地下その場製油工場」のモデルへと発展させるものとなる。この技術は、未成熟な有機質を高品質な軽質原油に、または低品質の原油を高品質の軽質原油に不可逆的に転化する。実現できれば、▽原油採掘の難度を大幅に低め、油製品の品質を高め、原油の付加価値を引き上げる、▽環境保護と省エネを実現し、大型の水力圧力破壊は必要なくなり、用水量は減少し、地層と地面の環境保護圧力は軽減する、▽太陽エネルギーや風力エネルギーなどのクリーンエネルギーを利用した不連続加熱可能を可能とする、▽コストを引き下げ、二酸化炭素の排出量を減らす――ものとなる。このほかナノ光合成人工シミュレーション技術も次第に存在感を現し、一連の革命的な「太陽エネルギー・化学エネルギー転換と人工光合成」の研究成果も形成されつつある［50-51］。この技術は、ナノ光触媒が太陽光下で水を水素と酸素に分解することを利用し、水素は自動車燃料として直接使うか、発電用に貯蔵し、さらに新型ナノ触媒材料または微生物を利用して、水素と二酸化炭素を結合してメタンなどのクリーンエネルギーを形成することができる。人類は将来、「人工ナノ光合成系統」を利用して、再生可能なクリーン燃料を簡単に産出し、化石類エネルギー資源の潜在力をより発掘するという難題を解消すると同時に、二酸化炭素の処理という難題を有効に緩和し、伝統的な化石エネルギーを根本から覆すことになるだろう。

　このようにナノ技術はすでに、油田探査開発の各分野に応用され、巨大な潜在力を示している。近年急速な進歩を遂げているものの、ナノ技術は多学科の交わる分野であり、メカニズムの解釈や物性の評価、製品の開発などの面でまだ改善が求められる。このほかナノ材料のコスト削減と効率向上の任務はまだ大きく、既存のナノ材料の高コストは、多数の新材料が実験室内の研究段階にとどまるという状況を招いており、ナノ材料の製造と修飾のプロセスのコストをいかに有効に引き下げるかが、ナノ技術の応用効果を最終的に決定するものとなるだろう。

（おわり）

※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