石油掘削におけるトップ 5 のイノベーション

重要なポイント

石油掘削は 1 世紀以上にわたって行われてきました。しかし、テクノロジーの数多くの発展により、その間にテクノロジーは飛躍的に成長しました。そして、この石油生産の増加は、文明の様相を変えるためにも不可欠でした。

1859 年、エドウィン ドレイクはペンシルベニア州タイタスビルで最初と考えられる油井を掘りました。この時代、石油は主に照明用の灯油を製造するために使用されていました。しかし、自動車産業の発展はすぐに石油の新しい市場を呼び起こし、生産量の増加に拍車をかけました。1900 年の全世界での生産量は 1 億 5,000 万バレルから、1925 年には 10 億バレル以上になりました。

石油掘削を改善するための最も初期の技術革新の 1 つは、1880 年代に初めて使用された回転ドリルでした。これは、回転するドリルビットを使用して地面を掘削しました（ドリルビットを持ち上げて井戸に落とすドレイクのケーブルツール掘削方法とは対照的です）。回転ドリルの詳細と石油掘削プロセスの概要については、「石油掘削の仕組み」を参照してください。

しかし、回転ドリルは、20 世紀に発展する長い劇的な進歩の始まりにすぎませんでした。これから説明する最も注目すべきもののいくつかは、石油の発見を容易にすると同時に石油生産の効率を向上させるのに役立ちました。

5: 海洋掘削とROV

石油掘削業者は、海岸近くの井戸で最も多くの石油が生産されることが多いことにすぐに気づきました。海底下から石油を抽出する方法を発見すれば、有益な将来があることは明らかでした。 1880 年代には、掘削業者が埠頭にリグを設置していました。しかし、石油会社が陸地から離れた最初の真の油井を建設したのは 1947 年のことでした。

それ以来、掘削目的で海洋地域をリースする権利を誰が持つのかについての米国での長い政治論争を経て、海洋石油掘削産業が軌道に乗った。海洋掘削の開発を促進した技術の 1 つは遠隔操作車両( ROV)で、軍はすでに水中で紛失した機器を回収するために使用していました。深海での潜水は危険であるため、石油業界は 1970 年代に掘削に ROVS を採用しました。

ROV は、水面上のリグから制御され、オペレーターが水中を観察できるようにするロボット デバイスです。一部のタイプでは、オペレーターは ROV のロボット アームに海中接続や深さ 10,000 フィート (3,048 メートル) の深海設置など、さまざまな機能を実行させることができます。

4: 水圧破砕

1940 年代に開発された水圧破砕プロセスは、 石油掘削においてますます重要になっています。これは、油を含む岩石に大きな孔がない「タイトな」貯留層で便利です。これは、岩石からの石油の流れが弱く、岩石に単純な井戸を掘削しても、石油はあまり取り出されないことを意味します。

坑井を刺激して閉じ込められた油を追い出すために、掘削業者は水圧破砕法を採用しています。このプロセスでは、岩石層に亀裂、つまり長さ数百フィートに及ぶ亀裂を作り出すのに十分な圧力で、化学薬品と組み合わせた水を井戸に注入します。亀裂が再び閉じるのを防ぐために、ドリラーは液体、砂、ペレットの混合物であるプロパントを送り込みます。これらの亀裂により、石油が岩石からより自由に流れることができます。

アメリカ石油協会によると、米国だけでも、水圧破砕によりさらに 70 億バレルの石油が地中から汲み上げられるようになりました。

3: 地震画像処理

当初、石油を掘るのに適した場所を探すのは、単に石油が表面に泡立っている場所を見つけることにかかっていた。しかし、石油貯留層は地中深くに埋もれている可能性があるため、表面からは必ずしも明らかではありません。また、リグの設置や深い井戸の掘削には費用がかかるため、企業は非生産的な場所で時間とお金を無駄にすることを好みません。最終的に、地質学者が呼び出され、表面の岩石層、磁場、さらには重力のわずかな変化を研究することで、石油が存在する可能性のある場所を突き止めました。

石油探査における最も重要な技術革新の 1 つは、3D 地震画像処理でした。これは、音が反射し、異なる素材をわずかに異なる方法で伝わるという考えに基づいています。このプロセスでは、バイブレータートラックなどのエネルギー源が音波を地中深くに送り込みます。受振器と呼ばれる特別な装置が表面に配置されており、反射してくる音を受信して​​情報を録音トラックに送信します。

エンジニアや地球物理学者は、記録された音波（波線の形）を研究して、その場所にどのような種類の岩層が存在するかを解釈します。このようにして、地表の下にあるものの 3D 画像を構築できます (4D 画像化では時間の経過も考慮されます)。この高度な技術は、掘削する穴の数を減らし、井戸の生産性を高めるのに役立ちますが、絶対確実というわけではありません。石油貯留層の位置を半分の確率で正確に予測できれば、エンジニアは幸運です。

2: 穴あけ測定システム

先ほど見たように、今日の高度な地震画像技術があっても、掘削オペレーターが油井を掘削するときに何が起こるかを正確に知ることは困難です。また、1980 年代までは、穴を掘っているときにドリルの刃で何が起こっているかを詳細に知ることも困難でした。この課題は、穴あけ測定( MWD ) テクノロジーによって克服されました。

MWD を使用すると、オペレーターは掘削状況に関するリアルタイムの情報を受け取ることができるほか、坑井を別の方向に操縦することもできます。これは、ガンマ線、温度、圧力、岩石層の密度や磁気共鳴などの情報に関連します。これは無数の機能を果たします。これにより、オペレーターがより効率的に穴あけを行うことができ、吹き出しや工具の故障を防ぐことができます。また、オペレーターが許可されていない領域に掘削を行っていないことを示すのにも役立ちます。

おそらく最も驚くべきことは、この情報がどのようにして地上に伝達されるかということです。坑井の表面からドリルビットまでワイヤーやケーブルを張るのは現実的ではないため、MWD は代わりに泥パルス遠隔測定に依存しています。瓦礫を（井戸の外柱を通して）上に運ぶために井戸に送り込まれる泥スラリーは、表面で解読されるバイナリコードで泥パルスを送信するための便利な音響チャネルを提供します。

1: 水平穴あけ

前述した MWD の利点の 1 つは、オペレーターがドリルをさまざまな方向に操縦するのに役立つことです。ドリルを直下以外の方向に操縦できることは、 石油掘削の歴史の中で最も重要な進歩の 1 つです。

多くの石油貯留層は水平に広がっているため、垂直井戸ではそこから十分な量の石油を効率的に抽出できない可能性があります。水平井戸は、最初は垂直に深く掘削されますが、その後、貯留層 (入口点) に遭遇する前に (いわゆるキックオフ点) 方向を変え、貯留層を通って水平に延びます。しかし、水平掘削の利点は坑井の生産性の向上にとどまりません。また、環境に配慮し保護された土地でも安全に井戸を掘ることができます。

最初の水平坑井は 1929 年に掘削されましたが、高価であったため、水圧破砕法の開発によりすぐに垂直坑井の生産性が向上しました。しかし、MWD や操向可能なモーター アセンブリなどの進歩により、1980 年代までに水平掘削がより現実的な選択肢になりました。