石油業界におけるガスモニタリング

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しょうじいちぞの
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1 石油業界におけるガスモニタリング石油資源開発株式会社技術研究所早稲田周 1. はじめに石油の坑井においてはヘッドスペースガス法とよばれる方法によりカッティングスの吸着ガスを採取, 分析することが多いこの方法で坑井のほぼ全深度にわたってガス組成と炭素同位体組成の連続的なデータを得ることによって, 炭化水素の生成, 移動, 集積に関する情報を得ることができるまた最近は泥水検層のフローラインからガスを採取する方法も行われている本報告では石油資源開発株式会社技術研究所で実施している方法を中心に試料採取法分析項目分析法データの解釈例について概要を報告する 2. 試料採取法 2.1. ヘッドスペースガスヘッドスペースガス法の模式図を図 1 に示す採取容器には従来ブリキ缶 ( ペンキ缶 ) を用いていたが, 現在は米国 Isotech Laboratories Inc.( と Humble Instruments & Services, Inc.( がヘッドスペースガス採取用に共同開発したIsoJar TM と呼ばれるプラスチック製容器 ( 容量 650ml) を使用している坑井元において約 300mlの未洗浄のカッティングスを入れた後, 水を足し容器頭部に約 150mlの空間 ( ヘッドスペース ) を残す容器内での微生物活動によるガスの新たな生成を防ぐため殺菌剤 ( 塩化ベンザルコニウム水溶液 ) を数滴加えた後, 金属キャップで確実にシールし実験室に運搬する実験室では超音波洗浄機を用いてカッティングスに吸着したガスを超音波で抽出し容器のヘッドスペースに移動させる試料の採取間隔は任意であるが通常 50mごとに採取し貯留層部分ではより密なサンプリングを行う場合が多い 2.2. マッドガスマッドガス試料採取法の模式図を図 1 に示すガス採取は既存の泥水検層のフローラインを利用するサンプリングマニフォールドをフローラインの途中に設置し IsoTube TM ( 米国 Isotech Laboratories, Inc.) と呼ばれる内容量 110cm 3 のシリンダー型の容器をマニフォールドにセットする掘削中はIsoTubeにマッドガスが常時流れている状態にするガスの流路をマニフォールドに組み込まれたバイパスラインに切り替えることにより IsoTubeをとりはずす -1-

とその時点で流れていたマッドガスが採取される試料の採取間隔は任意であるが泥水検層のデータをみながら通常は 50m に 1 試料程度貯留層区間や炭化水素濃度の上昇が認められた区間では密に試料を採取する図 1. マッドガスおよびヘッドスペースガス採取法模式図 3.

2 とその時点で流れていたマッドガスが採取される試料の採取間隔は任意であるが泥水検層のデータをみながら通常は 50m に 1 試料程度貯留層区間や炭化水素濃度の上昇が認められた区間では密に試料を採取する図 1. マッドガスおよびヘッドスペースガス採取法模式図 3. 分析項目ガス組成 :O 2, N 2, CO 2, CH 4 ~CH 6 炭素同位体組成 :CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, i-c 4 H 10, n-c 4 H 分析法容器からガスをシリンジで抜き取り, ガスクロマトグラフによりガス組成を測定するガス組成は現場の泥水検層でほぼ連続的にデータが得られるが実験室では高精度の装置で測定するため泥水検層データよりも高い精度のガス組成データが得られるその後, メタンエタン, プロパン, ブタン, 二酸化炭素について, 分析が可能な濃度を含有している場合は, 炭素同位体組成を測定する炭素同位体組成の測定は, ガスクロマトグラフ, 燃焼炉, 質量分析計がオンラインで接続された装置 ( ガスクロマトグラフ燃焼安定同位体質量分析計 ;GC-C-IRMS) を用いるガスクロマトグラフでメタン~ブタンの炭化水素は分離されそれぞれ二酸化炭素に変換されたあと質量分 -2-

3 析計に導入され炭素同位体比 ( 13 C/ 12 C) が測定される測定結果は国際標準試料 (PDB;Peedee Belemnite) からの偏差を示すδ 値 (δ 13 C) で表す単位は千分率 ( パーミル ) である炭素同位体組成が測定可能な下限濃度は石油資源開発 ( 株 ) 技術研究所の装置 (GVI 社 IsoPrime) の場合メタンと二酸化炭素が 50ppm エタンが 30ppm プロパンが 20ppm ブタンが 15ppm 程度である 5. データの解釈 5.1. 炭素同位体組成から得られる情報天然ガスの炭素同位対組成は同一試料でも炭素数ごとに異なるメタン (C 1 ), エタン (C 2 ), プロパン (C 3 ) の炭素同位体組成はそれぞれδ 13 C 1,δ 13 C 2,δ 13 C 3 で示されるガスの炭素同位体組成からは以下のような情報が得られることがこれまでのデータの蓄積解釈によりわかってきた ( 早稲田ほか, 2002) 括弧内には解釈に使う主な指標を示す (1) 起源 ( 微生物起源, 熱分解起源 )(δ 13 C 1 ) (2) 移動による組成変化 (δ 13 C 1, C 1 /(C 2 +C 3 )) (3) 熱分解ガス成分の熟成度 (δ 13 C 2, δ 13 C 3 ) (4) 微生物分解作用 (δ 13 C 3, i-c 4 /n-c 4, C 2 /C 3 ) (5) 微生物起源と熱分解ガスの混合 (δ 13 C 1, δ 13 C 2 ) (6) 異なる熟成度で生成したガスの混合 (δ 13 C 2, δ 13 C 3 ) 図 2 に日本の天然ガスにおけるメタンの炭素同位体組成と炭化水素組成の関係を示す生物起源ガスは微生物起源ガスとケロジェンの熱分解起源ガスに分かれるこれら二つの起源のガスは, 炭化水素の組成比もメタン炭素同位体組成も異なる C 1 /(C 2 +C 3 ) 比が高く ( 通常 1,000 以上 ), メタン炭素同位体組成が軽い ( 通常 -60 以下 ) ガスは, 一般に微生物による有機物の分解で生成したガスとみなされる一方,C 1 /(C 2 +C 3 ) 比が低く ( 通常 100 以下 ), メタン炭素同位体組成が重い ( 通常 -50 以上 ) ガスは, 一般にケロジェンの熱分解起源ガスとみなされる地表ガス徴試料の多くはメタン炭素同位体組成が-50 以上で熱分解起源ガスを示すにもかかわらず C 1 /(C 2 +C 3 ) 比は通常の油ガス田のガスよりも高く微生物起源ガスに近い値を示すこれらの試料は深部で生成した熱分解起源ガスが地層中を地表まで移動する間に, ガス組成のみが分別したものと解釈できる細粒堆積物を長距離長時間ガスが移動した場合, 通常, 炭素同位体組成は一定のまま,C 1 /(C 2 +C 3 ) 比が上昇する -3-

4 図 2. 炭化水素組成とメタン炭素同位体組成による天然ガスの起源分類 (Waseda & Iwano, 2008) 5.2. シール評価油ガス層の検知組成の層準変化から, 炭化水素の移動シール貯留状況などに関しての推定が可能である例として, 秋田県本庄市南東に位置する鮎川由利原油ガス田の周辺で掘削された坑井の分析結果を図 3 に示す ( 早稲田岩野, 2007) ガスの起源は下部天徳寺層における微生物起源主体のガスから深度とともに熱分解ガスの割合が高くなり, 女川層以深では, 熱分解起源ガス主体になっている女川層 On-1 層のガスはi-C 4 /n-c 4 比が高いこと, プロパン炭素同位体組成が重いことから, 微生物分解作用を受けていると判断される炭素同位体組成の深度化からオパールCT/ 石英の続成境界をシールとして女川層 On-1 層が貯留層を形成していることや, 西黒沢層の玄武岩貯留層 BI 層とBIII 層が組成的に異なっており, 別の貯留層を形成し -4-

ている (BIII 層の熟成度が BI 層よりも高い ) ことがわかる図 3. へッドスペースガス, テストガス分析結果 5.3. 高密度マッドガス同位体検層ガスの炭素同位体を深度に対して高密度で分析することによって炭化水素のシールや油ガス胚胎層準を高精度で検知することが可能になる Ellis et al.

5 ている (BIII 層の熟成度が BI 層よりも高い ) ことがわかる図 3. へッドスペースガス, テストガス分析結果 5.3. 高密度マッドガス同位体検層ガスの炭素同位体を深度に対して高密度で分析することによって炭化水素のシールや油ガス胚胎層準を高精度で検知することが可能になる Ellis et al. (2003) はこの方法をマッドガス同位体検層 (Mud gas isotope logging) と呼んでいる図 4 はカナダアルバータ堆積盆における高密度マッドガス同位体検層の例である炭素同位体組成の変化は本堆積盆の主要なシール層準が有効かどうかを判別するデータとして使われている通常の泥水検層によるガス徴の検知は泥水比重変化の影響を受ける一方炭素同位体組成は泥水比重変化の影響を受けない図 5 にマッドガス炭素同位体組成による油ガス層検知の概念を示す通常の泥水検層では泥水比重との関係から油ガス徴が検知できない場合や検知されても微生物起源のガスで少量のガスの貯留しか期待できない場合があるこのような場合に炭素同位体データは油ガス層の判定に有効なデータを提供する -5-

図 4. マッドガス同位体による油ガス胚胎層検知の概念 (http://www.terranovatech.net/mgil.shtml を改変 ) 図 5.

6 図 4. マッドガス同位体による油ガス胚胎層検知の概念 ( を改変 ) 図 5. マッドガス同位体組成の深度変化からみた西カナダ堆積盆における主要シールの有効性推定 (Tilley et al., 2002) 2 坑井間の距離は約 150km -6-

7 6. 文献 Ellis, L., Brown, A., Schoell, M. and Uchytil, S. (2003) Mud gas isotope logging (MGIL) assists in oil and gas drilling operations. Oil & Gas Journal, 101, Issue 21 (May 26), Igari, S. and Sakata, S. (1989) Origin of natural gas of dissolved-in-water type in Japan inferred from chemical and isotopic compositions: Occurrence of dissolved gas of thermogenic origin. Geochemical Journal, 23, Tilley, B, Miller, R. and Muehlenbachs, K. (2002) Evaluation of the effectiveness of regional seals using carbon isotope mud gas depth profiles, west-central Alberta, Canada. AAPG Hedberg Research Conference: December 1-5, 2002, Barossa Valley, South Australia Abstract p. 82. 早稲田周岩野裕継 (2007) ガス炭素同位体組成による貯留層評価. 石技誌, 72, Waseda, A. and Iwano, H. (2008) Characterization of natural gases in Japan based on molecular and carbon isotope compositions. Geofluids (submitted) Waseda, A. and Uchida, T. (2004) The geochemical context of gas hydrate in the Eastern Nankai Trough. Resource Geology., 54, 早稲田周岩野裕継武田信從 (2002) 地球化学からみた天然ガスの成因と熟成度. 石技誌, 67,

共同研究せいかほう

共同研究せいかほう 2018 年 10 月 23 日第 2 回 (12:30-14:00) 海底資源の成因石油システムメタンハイドレートの成因海底鉱物資源の成因 2 海底資源の成因有用物質がいかに生成したか生成した有用物質がいかに移動し集積したか海底資源の成因がわかれば存在場所形態がわかる探査手法生産手法を考える上で大きな手がかりとなる石油天然ガスの成因 : 石油システムメタンハイドレートの成因