コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発・生産技術

ページ番号1006354 更新日平成30年2月16日

コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発・生産技術

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レポートID	1006354
作成日	2008-11-20 01:00:00 +0900
更新日	2018-02-16 10:50:18 +0900
公開フラグ	1
媒体	石油・天然ガスレビュー 2
分野	技術非在来型
著者
著者直接入力	松原　修小西　祐作
年度	2008
Vol	42
No	6
ページ数
抽出データ	アナリシスJOGMEC 技術調査部開発技術課松原　修JOGMEC 技術調査部探査技術課小西　祐作コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術はじめにひっぱく　近年、油価・ガス価の高止まりや将来的なエネルギー需給の逼迫に対する懸念、石油・ガス開発技術の進歩などに伴い、これまでは回収が難しいと考えられていた「非在来型」の石油・ガス資源にも大きな注目が集まっている。また、環境意識の高まりや、欧州では既にいくつかの国で導入され今後一層の導入拡大が予想される環境税等の影響もあり、環境負荷の低いエネルギーが世界的に求められ、ガス資源の需要や開発への期待感が高まっている。　こうしたなか、石炭層内に存在する非在来型ガス資源であり、豊富な資源量＊1を有するコールベッドメタン（Coalbed Methane：以下、CBM）にも、有望なガス資源として大きな関心が寄せられてきている。　現在のところ、CBMは米国、カナダ、オーストラリアで商業生産が行われており、それらの国々では既にCBMがガス市場のなかで重要な地位を築きつつある。例えば、米国における2006年のCBM生産量は約1.8Tcfで全天然ガス生産量の約10%を占める。また、オーストラリアのなかで特にCBM＊2フィールドが集中しているクイーンズランド州では、現在同州に供給されるガスの50%程度がCBM生産によるものとなっている。さらに同州では、ガスの国際価格の高騰にも後押しされ、内陸部で生産されたCBMをパイプラインで東海岸の港町グラッドストーンまで輸送し、液化するCBM-LNGプロジェクトを削っている（今号同時掲載の31が昨年より相次いで発表され、現在6プロジェクトが実現に向けて鎬ページ「いよいよ実現に向かう豪州クイーンズランド州のCBM-LNG事業」も参照されたい）。世界的に見てもCBMを取り巻く状況はダイナミックに変化しており、今後エネルギー市場においてCBMの存在感が一層増していくことはほぼ確実であろう。　本稿では、平成19年度にJOGMECがカナダのSproule International社に委託して実施した技術動向調査「コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発・生産技術に関する調査」の結果に基づき、CBMの埋蔵量評価手法、開発・生産技術について紹介することにしたい。　なお、CBMは広義には石炭層中に包蔵されるメタンガスと定義されるが、本稿では狭義のCBM、すなわち、炭層の開発を伴わずに坑井を通じて直接石炭層から生産されるメタンガスを扱う。広義のCBMの分類については島田荘平氏執筆の「加速する新資源コールベッドメタン開発」（石油・天然ガスレビュー 2005.9 Vol. 39 No. 5）に詳しく述べられているのでそれを参照されたい。しのぎ1. CBM開発の歴史　石油・天然ガスの探鉱・開発業界では、かねて石炭は原油や天然ガスの根源岩となっていることが広く知られていたが、在来型の石油・天然ガスの試掘井において対象層（砂岩または炭酸塩岩）に向けて掘削している途中で石炭層を掘削してもガス徴が見られないことなどから、石炭層はガスの貯留層とは考えられてこなかった。一方、＊１：数千 Tcf（兆立方フィート）と見積もられる。＊２：オーストラリアではCBMと同義で“Coal Seam Gas（CSG）”という語が用いられるのが一般的である。19石油・天然ガスレビューAナリシスを行い、1978年には同社が米国西部コロラド州のSan Juan堆積盆地において掘削したCahn-1号井から、日産1MMscf（100万立方フィート）の生産に成功した。　これらの成功によってCBMが重要な天然ガスの供給源として認識されるようになり、それ以降の米国における商業開発に結びつき、近年ではオーストラリアおよびカナダにおいて商業生産が開始された。　北米およびオーストラリアでの開発成功と近年のガス価の高止まりなどにより、石炭の埋蔵量が豊富な国々にとってCBMは魅力的なガス資源になりつつあり、これまでに東欧やアジアなど世界40カ国以上でCBMに対するポテンシャル調査が実施されている。あきかっ瀝れん（炭た緯度地域である。　石炭はその熱熟成度により石炭化度（rank）が決定され、一般には石炭化の進行に伴い、褐lignite）、亜（sub-bituminous）、瀝青炭（bituminous）、無煙炭（anthracite）に分類される。石炭化が進行するにつれて石炭中の炭素の量比が高くなり、同時に水素、酸素は減少する。また、後述のクリート（炭理=石炭の割れ目）の発達、メタンガスの生成量および貯留（吸着）量は石炭化の進行と大きく関連するため、石炭化度はCBM探鉱において非常に重要な指標である。　なお、石炭化度による分類のほか、石炭を構成するマセラル＊3の種類（ビトリナイト、リプチナイト、イナーチナイト）による分類（type）や、石炭の組成（石炭中の灰分やその他の鉱物の含有量）による品位（grade）の分類がある。　石炭の熱熟成度の測定にはビトリナイト反射率（Ro%）＊4が用いられ、メタンガスを多く生成する石炭である瀝青炭のビトリナイト反射率は0.47から2.05を示す。ん炭た青せい石炭業界では、炭層に含まれるメタンガスの存在は認識されてはいたものの、坑道内に爆発限界（約5%）以上に滞留すると爆発事故の原因となるため、メタンは排気によって地上に追い出すべきものとされ、長い間ガス資源としては注目されてこなかった。　1968年に米国の炭鉱で発生したガス爆発事故を契機として、1970年代には石炭層のガスを事前に取り除き安全に石炭を開発する方法が同国で研究された。それらの研究活動の一環として、1971年にアラバマ州Warrior堆積盆地において掘削された坑井で石炭層に対してフラクチャリング（水圧破砕）を実施したところ、日産5万scf（立方フィート）のメタンガスが生産された。この成功の後、Amoco社（現BP）が精力的にCBMの技術開発2. CBMに関する基礎知識（1）石炭の特徴① 石炭の分類　石炭は、植物が主に湖沼で堆積、埋没し、温度・圧力の増加に伴い変質して生じた可燃性の岩石（写1）で、石炭紀（3億6,900万年前）から第三紀（500万年前）までの幅広い地質時代の地層から産出する。石炭が堆積した地域の大部分は、還元的（水中の酸素が少なく植物が分解されない）堆積環境を維持できる低緯度地域もしくは高出所：フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』より写1石炭（瀝青炭）② クリートシステム　石炭中には、その石炭化の過程においてクリート（炭理）と呼ばれる割れ目がさまざまなスケールで形成され＊３：石炭を構成する成分の基本的な最小単位成分。一般の岩石で言えば「鉱物」にあたるもの。＊４：有機物の熟成度の指標として広く用いられており、一般に、埋没深度が深くなって地温が上昇するのに伴い、あるいは地質時代が古くなるほど増加する。2008.11 Vol.42 No.620Rールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術（図1）、主炭理（face cleat）と副炭理（butt cleat）というセット（クリートシステム）で発達することが一般的である。連続的に発達する主炭理に対して、副炭理は主炭理にほぼ直交し主炭理で止まるように発達する。クリートは、石炭化の過程における脱水と脱ガス作用により石炭が収縮することによって形成され、一般に石炭化が進むほどクリートは多く発達する。また、その発達方向はクリート形成時の応力場の影響を受ける。　石炭層中では、クリートシステムが流体（ガスおよび水）の主要な流路となることから、その発達の程度が石炭層の浸透率に影響し、CBM坑井の生産性をも左右する。このため、クリートシステムはCBMの生産において重要な役割を果たす。③ 石炭の賦存状況　世界全体の石炭確認埋蔵量は、BP統計（BP Statistical Review of World Energy, June 2008）によれば、2007年末時点で8,475億トンであり、国別では表のとおりである。表からも分かるとおり、北米、アジア太平洋地域、ヨーロッパ/旧ソ連の3地域の確認埋蔵量が多く、実に確認埋蔵量の92%がこの3地域に分布する。また前述のとおり石炭紀から第三紀まで幅広い地質時代の地層から産出するため、図2に示されるように地理的にも広く地球上に分布する資源である。　北米、アジア、ヨーロッパ/旧ソ連の高品位の石炭（瀝青炭/無煙炭）を産出する地質時代は、古生代の石炭紀～二畳紀が主であり、この他に北米では白亜紀の石炭が、オーストラリアではジュラ紀の石炭が知られている。また低品位の石炭（亜瀝青炭/褐炭）は第三紀の地層から多く産出し、北米、東南アジア、ヨーロッパ、オーストラリアが主要な産地である。（2）CBMの特徴① CBMの生成および貯留メカニズム　CBMのメタンガスは、主に石炭が熱熟成（脱水および脱ガス）する過程において生成され、図3に示されるよThermallly-derivedmethaneVolatile matterdriven offLigniteSub-bituminousBiogenic methaneNitrogenCarbon dioxideBituminousAnthraciteGraphiteIncreasing gas volume出所：SchlumbergerIncreasing coal rankGas Generation as a Function of Coal Rank石炭確認埋蔵量米国242,721ロシア157,010中国114,500オーストラリア76,600インド56,498南アフリカ48,000ウクライナ33,873単位：百万トン石炭確認埋蔵量（瀝青炭、無煙炭のみ）米国112,261中国62,200インド52,240ロシア49,088南アフリカ48,000オーストラリア37,100カザフスタン28,1701234567ButtFace出所：http://outburst.uow.edu.au/html/cleat_joints_pg2.html図1クリート概念図表石炭の可採埋蔵量（国別、2007年末時点）出所：GRICoal Area of Known or Inferred Geologic Extent図2世界の石炭の分布地域世界全体847,488430,896出所：BP Statistical Review of World Energy（June 2008）図3石炭化度（rank）とガス生成量21石油・天然ガスレビューAナリシスまないために、ハンドリングは比較的容易でガス処理設備はシンプルなもので済む。③ 流動メカニズム　CBMの大部分は前述のとおり石炭の表面に吸着しており、生産を開始すると以下のプロセスを経てガスは生産井に到達することとなる。a）石炭層の圧力低下（またはメタン分圧の低下）に伴いメタンが石炭層表面から脱着こうばいb）脱着したメタンが濃度勾配により孔隙ネットワーク内を拡散しクリートへと移動c）クリートネットワーク内を圧力差により移動し、坑内に流入　クリート内の圧力差に伴うガス流動は在来型ガス田と同様であり、ダルシーの法則＊6によって表現できるものであるが、その他の石炭層からのガスの脱着および脱着したガスの濃度拡散は在来型ガス田では見られない現象である。したがって、CBMにおいては在来型ガス田に比べて複雑な流動メカニズムを呈すると言える。④ 生産挙動および生産能力　石炭層は「ドライタイプ」と「ウェットタイプ」に分けることができ、ドライタイプの石炭層におけるガス生産挙動は在来型ガス田と大きな違いはないものの、大部分を占めるウェットタイプの石炭層では大きく異なる生産挙動を示す。　ドライタイプでは、石炭層の吸着能力上限までガスが吸着している状態（飽和状態）であり、クリート内も遊離ガスが占有するため、初期状態からクリート内に水は存在しない。生産開始直後から石炭層表面からのガスの脱着も始まり、高レートでガスを生産することができる。カナダ・アルバータ州西カナダ堆積盆地のHorseshoe Canyon層（上部白亜系）の石炭はこのタイプの代表例である。　一方、ウェットタイプは、石炭層のガス吸着量が吸着能力上限にまで達していない状態（不飽和状態）であり、初期状態ではクリート内が水で満たされている。石炭層表面からガスを脱着させるためには、クリート内の水抜き（“dewatering”という）をして飽和状態になるまで圧力を低下させる必要がある。このため、生産初期にピークを示す水生産量が徐々に低下するにつれてガスの生産こうげきうに瀝青炭の段階において最も多くのガスを生成する。また、わずかではあるが石炭化の初期段階には生物起源のメタンも生成される。　石炭は微細な孔隙（空隙）構造を持っているが、生成されたメタンガスの大部分はその孔隙表面に分子レベルのファンデルワールス力＊5により吸着して存在する。その点において、貯留層の孔隙にガスが圧縮されて貯留されている在来型ガス田とは大きく異なる。クリート内にも吸着せずに遊離しているメタンガス（「遊離ガス」と呼ぶ）が存在することもあるが、せいぜい全体の数パーセント程度とごくわずかであり、埋蔵量評価においても通常は吸着ガスのみを扱い遊離ガスは無視されることが多い。　なお、ガス吸着量は図4に示されるように石炭化の進行に従って増加することが知られ、同じ温度・圧力条件下では、無煙炭が最大の吸着量を持つ。CBMではこの吸着量の評価（後述）が埋蔵量計算において重要となる。Methane Sorptive Capacity versus Coal Rank1,2001,00080060040020000AnthraciteMedium-volatile bituminousHigh-volatile bituminous AHigh-volatile bituminous B2004006008001,000Pressure,psiaAbsorbed gas content,scf/ton（dry,ash-free）横軸：圧力、縦軸：吸着ガス量出所：Schlumberger図4石炭化度（rank）とメタンガス吸着能力の関係② ガス組成　CBMの主たる成分はその名のとおりメタン（CH4）であり、一般的には90%以上を占めている。その他、エタン（C2H6）等のメタンより重い炭化水素、二酸化炭素等が数パーセント含まれる。すなわち、CBMは「非在来型」のガス資源に分類されるが、ガスの組成自体は在来型ガス田から生産されるガスと大きな違いはなく、むしろ、二酸化炭素やその他不純物は通常微量しか含＊５：電荷を持たない中性の原子、分子間などで主となって働く凝集力の総称（フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』より抜粋）。＊６：多孔質媒体（表面または内部に数多くの孔隙をもち、その孔隙構造によって決まる固有の浸透率を有する固体）内を通過する流体の流速とその粘性および圧力勾配との関係を表す経験則（『石油生産技術用語集』より抜粋）。2008.11 Vol.42 No.622}5典型的なCBM生産プロファイル（ウェットタイプ）GasWaterTimePeak RateFlow RateDewatering出所：JOGMEC作成量が増加するという特徴的な生産プロファイルを示す（図5）。　CBM坑井のガスの生産能力については、在来型ガス田の生産井と遜色ない坑井（生産レート：日産10MMscf以上）もあるが、在来型ガス井の1/10～1/1000程度と低いのが一般的で、経済性を確保するためには数多くの生産井が必要となる。また、坑井によって生産性に大きなばらつきがあるのもCBMの特徴であり、クリートの発達度合いおよびクリート幅の違いに起因する浸透率の局所的な変化がこの主因であると考えられる。コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術3. 埋蔵量評価手法（1）原始埋蔵量評価手法　CBMの原始埋蔵量はクリートシステム中に含まれる遊離ガスと石炭層に吸着されたガスの合計で表されるが、一般に遊離ガスの量は全体の数パーセント以下である。このため遊離ガスは通常無視され、石炭層への吸着ガスのみがCBMの原始埋蔵量として取り扱われる。層の分布域。数百キロメートル以上にわたり分布していることが分かる）。また、CBMは前述のとおり石炭の表面にガスが吸着されており構造トラップを必要としないため、在来型油ガス田のように地震探鉱による構造範囲の把握はあまり行われない。ただし、断層などによる複雑な地質構造を持つ地域では、石炭層の連続性を把握す① 埋蔵量計算式　CBM（吸着ガス）の原始埋蔵量は以下の式で求められる。OGIP=A×h×ρ×GcOGIP：ガスの原始埋蔵量（scfまたはm3）A ：面積（ac：エーカーまたはha）h　：石炭層の層厚（ftまたはm）ρ ：石炭の密度（ton/ac-ft またはg/cc）Gc：石炭単位質量あたりのガス吸着（含有）量（scf/ tonまたはm3/ton）　すなわち、対象となるエリアの石炭の全質量を算出し、そこに石炭単位質量あたりのガス吸着量を乗じたものが原始埋蔵量となる。　なお、原始埋蔵量は基本的に一枚の石炭層ごとに算出するが、同じ層準で類似した性状の炭層をまとめて算出することも一般的に行われている。② 面積について　石炭は堆積盆地内で広く連続的に分布することが一般的である（図6は西カナダ堆積盆地Horseshoe Canyon23石油・天然ガスレビューエドモントンエドモントンカルガリーカルガリー0（km）200出所：Alberta Geological Survey Websiteにて作成http://www.ags.gov.ab.ca/website/cbm/viewer.htm図6Horseshoe Canyon層分布図008.11 Vol.42 No.624アナリシス④ ガス吸着量（Gas Content）の評価　CBMの埋蔵量評価において最も重要なパラメーターの一つは、石炭へのガス吸着量である。ここでいうガス吸着量は地下状態における吸着量であり、採取された石炭サンプルを用いた脱着テストにより推定される。ガス吸着量は、脱着ガス（desorbed gas）、残留ガス（residual gas）、およびロストガス（lost gas）、それぞれの量の合計で求められる。脱着ガス量は、密閉容器に封入された石炭サンプルを石炭層温度および大気圧の条件下に長期間（20～30日程度）置き、その間に脱着したガス量を測定することで求められる（典型的な脱着曲線は図7）。残留ガスは、上記条件下に長期間置かれてもなお脱着せずに残されたガスを指し、ガス脱着レートが十分に低くなった（5cc/日以下）後にサンプルを粉砕し、放出されたガスを測定することでその量を把握する。またロストガスとは、石炭のサンプルが採取され密閉容器に封入されるまでの間に失われたガスであり、その量の測定は困難であるが、脱着時間と脱着ガス量のデータから経験的に推定することができる。　ガス吸着量を評価するためのサンプルはコア（円柱状の岩石サンプル）であることが望ましいが、カッティングス（掘りクズ）でも評価は可能である。この場合、掘削泥水中などで失われるガス（ロストガス）量が多くなるため、推定されるガス吸着量の精度はコアサンプルを用いた場合に比べて劣る。　なお、これまでCBM商業生産を行っている主要なフィールドの石炭のガス吸着量は30～600 scf/tonとかなりの幅がある。⑤ 埋蔵量定義との関係　コールベッドメタンの埋蔵量や資源量は在来型の油ガス田と同様、SEC基準やSPE/WPC/AAPG/SPEE基準に従って算出されている。石炭層が一様に分布すると考えると、図8のように坑井を中心としてProved Developed（図の赤いエリア）、Proved Undeveloped（図の緑色のエリア、ここまでがSEC基準の埋蔵量：reserves）、Probable Undeveloped（図の水色のエリア）、Possible（図の黄色のエリア、ここまでがSPE/WPC/AAPG/SPEE基準の埋蔵量）となる。坑井1本あたりの排ガスエリアが埋蔵量算定の際の基準面積（図中の正方形一つ）となる。例えばアメリカ/カナダでの典る目的で地震探鉱がなされることが多い。　面積は、想定される生産井の排ガスエリアによって決められ、アメリカ/カナダでは典型的な坑井間隔に基づき160エーカー（約800mの坑井間隔に相当）が用いられることが多い。ただし、炭層の浸透率やガス吸着量によっても左右され、通常は40～640エーカーの範囲の値が用いられる。③ 石炭層の有効層厚および石炭の密度の評価　石炭層の有効層厚＊7を評価する際には、在来型の石油・天然ガス探鉱同様、ガンマ線、密度、中性子等の物理検層が用いられる。これらの検層データを解析して、石炭層の有効層厚と石炭の密度を得る。石炭の密度は一般に堆積岩より低い1.3～1.8g/ccであるため、密度検層により石炭層の層厚を決定することができる。また石炭層で低い値を示すガンマ線検層も広く用いられている。密度検層で石炭層の有効層厚を決定する際によく用いられるカットオフ値＊8は1.75g/cc（または1,800ton/ac-ft）で、これは亜瀝青炭において石炭中の有機物が50%（重量ベース）を占める密度に相当する。　石炭層の有効層厚に関しては、垂直井で複数の層から同時に生産する場合は、1枚の厚さが数十センチであっても生産される炭層はすべて埋蔵量に算定される。一方、水平坑井で生産する場合には、ある程度の厚さがある炭層を対象とするため、1枚の炭層の厚さの下限値は80cm～1ｍとなる。　また、埋蔵量計算に用いる石炭密度としては、通常はカットオフ後の有効層厚区間の平均値を用いる。0100200300400500600Desorption Time（hours）012345678Cumulative Desorbed Gas Content（scf / ton）横軸：圧力、縦軸：累計脱着ガス量出所：CBM Solutions図7典型的なCBM脱着曲線＊７：CBMでは良好な性状の石炭層の厚さを指す。一般に原油･天然ガス貯留層の貯留層区間の総層厚（gross thickness）から孔隙率が小さい、水飽和率が高い、あるいは浸透率が低いなど性状の悪い部分を除いた（カットオフした）良好な貯留層の厚さをいい、原始埋蔵量の計算基礎となる。＊８：ここでいうカットオフ値とは、密度検層のデータを用いて灰分（Ash）を多く含む性状の悪い石炭の区間を除く際の閾値。roved Developed Reserves（確認開発埋蔵量）Proved Undeveloped Reserves（確認未開発埋蔵量）Probable Undeveloped Reserves（想定未開発埋蔵量）Possible Reserves（予想埋蔵量）出所：Sproule International Ltd. 平成19年度技術動向調査報告書図8CBMの埋蔵量定義エリア Critical Desorption PressureWater ProductionInitial ConditionsP=1,200 psiaCgl=308 scf/tonCga=119Abandonment PressureVL=475 scf/tonPL=150 psia02004006008001,0001,2001,4001,6001,8002,000450400350300250200150100500Gas Storage Capacity,scf/ton出所：West Virginia Univ.Pressure,psia図9典型的なラングミュア吸着等温曲線ることができる。また、開発初期段階においては、貯留層パラメーターが生産パフォーマンスおよび究極的な可採埋蔵量に及ぼす影響を評価するために数値シミュレーションがよく用いられるが、この段階においては各パラメーターは大きな不確実性を含むこととなる。生産の進展に伴って得られる生産量データ、圧力データ等を用いてヒストリー・マッチング＊11を実施することで不確実型的な基準面積は160エーカーである。この基準面積は石炭層の産出能力に基づいて決定されており、ガス吸着量が多く生産性の高い石炭層ではこの面積が大きくなり、逆に生産性の低い石炭層ではこの面積は小さくなる。（2）回収率の推定　CBMの回収率を推定する手法は、①容積法（Volumetric analysis）、②数値シミュレーション（Numerical simulation）、③減退曲線法（Decline analysis）の三つに大別される。① 容積法（Volumetric analysis）　石炭層のガス吸着能力と圧力の関係は、一般的にラングミュア（Langmuir）の吸着等温式＊9で表され、図9のような曲線として描かれる。　対象となる石炭層に関してコアサンプルが採取され、吸着テストあるいは脱着テスト等のデータからラングミュア吸着等温曲線が推定されている場合、あるいは石炭性状が類似の層のラングミュア吸着等温曲線が存在する場合は、それらから回収率を推定することが可能である。　回収率（RF）は以下の式により推定される。　すなわち、ラングミュア圧力定数（PL：ガス吸着量が圧力無限大時のガス吸着量＊10の1/2になるときの圧力）、初期レザーバー圧力（Pi）、想定される廃坑圧力（Pa）を用いて、RF=1-Pa（Pi+PL）/Pi（Pa+PL）　あるいは、初期圧力でのガス含有量をVpi、廃坑圧力Paにおけるガス吸着能力をVpaとすれば、RF=（Vpi-Vpa）/Vpi　となる。なお、類似の石炭層データを使用する際には、熱熟成度、埋没深度、厚さ、ガス吸着量、灰分含有量（ash content）、浸透率、および石炭層圧力を考慮の上、類似層を選択しなければならない。② 数値シミュレーション（Numerical simulation）　在来型油ガス田のシミュレーションと同様に、貯留層（CBMの場合は石炭層）モデルを作成し、石炭層および流体性状のデータ、開発井データ、生産条件等に基づきシミュレーションを実施することにより回収率を推定すコールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術＊９：気体がある一定温度下で固体に吸着される際の圧力と吸着量の相関関係を表した式。代表的なものにヘンリーの吸着等温式、ラングミュアの吸着等温式などがある（フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』より抜粋）。＊10：このガス吸着量のことを「ラングミュア体積定数（VLで表される）」という。＊11：貯留層モデル（シミュレーションモデル）の信頼性を向上させるために、シミュレーションによる生産予測が生産実績データ（生産量、貯留層圧力など）を再現するように各種入力データを調整する作業をいう。25石油・天然ガスレビューｫの少ないモデルに改善され、シミュレーション結果はより信頼に足るものとなる。③ 減退曲線法（Decline analysis）　生産井からのガス生産量が減退を開始し、減退トレンドが確立された後であれば、通常のガス田評価に用いられるような減退曲線法によって最終的な回収率を推定することができる。4. CBMの開発（1）開発対象となる石炭層　CBMの開発対象となる石炭層として理想的な条件としては、ガス吸着量の大きい石炭が広く厚く分布していて、かつ、浸透率が高くガスが流動しやすいことが挙げられる。前者の条件については、石炭のメタンガス生成量は瀝青炭において最大となり、また吸着能力は石炭化の進行に伴い増加するため、石炭化の進んだ石炭（瀝青炭～無煙炭）の方が有利になる。また、石炭化が進むにつれてクリートも発達し良好なクリートネットワークが形成されていくが、一方で、石炭化は埋没深度の増加、すなわち地層圧力の上昇につれて進行するため、クリート幅の減少による浸透率低下を伴う。つまるところ、定性的に表現すれば、石炭化が適度に進んだ（ガス吸着量の大きい）空間的広がりを持つ石炭層で、かつ、良好な浸透性が保持されているものがCBMの開発対象として適していると言えるだろう。　実際、これまでにCBMの開発対象となっている石炭層の深度はせいぜい1,000m程度であり、それ以深の石炭層では低浸透率が開発のボトルネックの一つになっているものと考えられる。（2）掘削、仕上げ方法　CBMの掘削には在来型のガス田と同様の手法も用いられるが、掘削流体のダメージを受けやすく、かつ壊れやすい石炭の特性と、CBM開発対象層の深度が比較的浅く圧力が低いことを考慮した、改良型の技術も適用されている。掘削流体としては、泥水の他に地層水や空気も使われている。また、CBM開発対象層は深度が浅く掘削期間が短いために、移動が容易なトラック搭載式の掘削リグ（写2）も採用されている。アナリシス（3）可採埋蔵量評価　可採埋蔵量は、前述の手法により算出、あるいは推定される原始埋蔵量と回収率の積により算出される。また、通常のガス田評価と同様、貯留層モデルを作成し数値シミュレーションを実施することによって可採埋蔵量を得ることもできる。　生産井には、在来型ガス田と同様に垂直井および傾斜/水平井のいずれも採用されるが、薄い石炭層が砂岩や泥岩を挟在して何層も重なっている場合には、垂直井（多層仕上げ）が適しており、掘削費も安価である。一方、深度が大きく、厚く連続的な石炭層は、傾斜井あるいは水平井を適用するのに理想的な条件となる。また、傾斜/水平井では、地上の一地点から複数の坑井を掘削することが可能となるため、地上施設の設置に環境上の制約、規制等がある場合に有効な手段となる。ただし、水平井の場合には、坑壁の安定性を保持することが最大の課題となる。　生産井の仕上げ方法としては、在来型ガス田と同様のケーシング仕上げ、裸坑仕上げなどが用いられている。また、石炭の浸透率は一般的に低く（数ミリ～数十ミリ出所：JOGMEC写2トラック搭載式掘削リグ2008.11 Vol.42 No.626Rールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術ダルシー程度）、浸透性を高めるためにフラクチャリングが適用されることも多い。この手法は、石炭層中に流体を圧入することによってフラクチャーを発達させ、浸透率の向上を促すもので、作業自体は通常1日～数日程度で終了する。本作業においては、石炭層にダメージを与えないように細心の注意が必要となる。　CBMの開発対象層となる石炭層の深度は、一般的には200～1,000m程度と非常に浅いため、開発井の掘削は短期間で終了することができる。オーストラリア・クイーンズランド州の例では、500m程度の垂直井であれば1坑3～5日程度で掘削することができ、掘削費も1坑あたり50万～100万豪ドルと非常に安価である。在来型ガス田においては、通常数千メートルの掘削が要求され、1坑の掘削に数カ月の時間と数千万ドルの費用を要するのも珍しくないことを考えると、その差がお分かりいただけるだろう。CBM開発では、生産性の低さから多くの生産井が必要となるため、掘削費を低く抑えることがプロジェクトを成功に導く上で極めて重要な要素となる。（3）生産手法　大部分の石炭層はウェットタイプであり、本格的なガス生産を達成するまでに石炭層の水抜きが必要となる。経済性の観点からも効率的に水抜きすることが求められるため、特に水の生産量が多い坑井では在来型の油田でもよく見られるサッカーロッドポンプ、あるいはプログレッシブ・キャビティ・ポンプ（PCP：Progressive Cavity Pump）（写3）が設置されることが多い。ポンプを設置する場合には、傾斜井であると困難なため垂直井が採用される。　一方、ドライタイプの場合には、水の生産を伴わずに生産初期から高レートでのガス生産が可能であるので、在来型ガス田と同様に自噴（写4）により生産が行われている。　また、石炭層はもろく壊れやすいために生産に伴って石炭の微粉（coal fines）が産出されることも多いが、石炭の微粉は坑底のポンプや地上設備の磨耗、閉塞の原因にもなり得るため、以下のような対策が施される。・低ドローダウン＊12での生産・坑底ポンプ吸込口へのフィルター設置・地上設備へのフィルター設置（4）地上設備　CBMの生産流体はメタンが大部分のガスおよび水である。そのため、地上設備としては在来型ガス田に見られないような特殊なものはなく、水の分離装置（セパレーター、デハイドレーター）、計量設備、分離した水の処理・廃棄のための設備、二酸化炭素等の除去装置、昇圧装置などが主要なものとなる。また、大部分を占めるウェットタイプの石炭層においては、生産初期には水を多量に出所：JOGMEC写3CBM生産井（PCP設置）出所：JOGMEC写4CBM生産井（自噴井）＊12：生産井における流動坑底圧（生産中の坑底圧力）と密閉坑底圧（生産を停止し貯留層が安定状態になった時の坑底圧力）の差圧。27石油・天然ガスレビューｽ産出するため、その処理がCBMプロジェクトにおいて大きな課題となっている。現在では、地下への再圧入や蒸発池（Evaporation Pond：写5）に溜めての蒸発処理、農業用（家畜の飲料水、穀物栽培等）に供給するなどの方法が採用されている。　CBM生産井では坑口圧が数十psia（1気圧=14.7psia）程度と低いために、坑井元のセパレーターで水と分離されたガスはギャザリング（集ガス）ラインでコンプレッサー・ステーション（写6）に集められ、コンプレッサーで昇圧して販売されている。低い坑口圧に伴いギャザリング・システムの運転圧力も低いため、ラインパアナリシスイプとして安価で腐食対策も不要なポリエチレン製パイプ（写７）が使われることも珍しくない。（5）CBM増進回収法（ECBM）　石炭層に種々のガスを圧入しCBMの増産を行う技術はECBM（Enhanced Coalbed Methane）と呼ばれ、現時点で商業プロジェクトはまだないものの、米国、カナダ、ポーランド、日本＊13でパイロットテストが実施されるなど広く研究が行われている。ECBMは基本的に圧入するガスとメタンガスとの石炭への吸着特性の違い（図10）を利用したもので、圧入ガスとしては、二酸化炭素（CO2）、窒素（N2）、および二酸化炭素と窒素の混合ガス等が検討されている。出所：JOGMEC写5蒸発池（Evaporation Pond）出所：JOGMEC写7ポリエチレン製パイプInitial Pressure=1295.9 kPaCO2（Adsorption）CH4（Desorption）N2（Adsorption）02,000Anthracite Sample（#1）:α＝9.94%;wα=7%4,0006,000Pressure（kPa)8,00010,0000.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.000Sorbed Gas Content（m3/kg）DAF出所：JOGMEC横軸：圧力、縦軸：ガス吸着量出所：Ye, J.P. et al（2004）写6コンプレッサー・ステーション図10石炭への吸着性＊13：経済産業省の「二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業」の一環として、平成14年8月から「二酸化炭素炭層固定化技術開発プロジェクト」が実施されており（補助事業者：株式会社環境総合テクノス）、平成16年度からは北海道・夕張においてCO2圧入予備実験が実施された。2008.11 Vol.42 No.628ﾊが急激に上昇し高いピーク生産量を達成することができるが（図12）、一方で窒素のブレークスルー（生産井への到達）が早期に起こり、生産ガス中の窒素濃度が急速に上昇していく。そのため、販売前に生産ガスから窒素を除去する必要があり、そのための設備が不可欠となる。② CO2 ECBM　二酸化炭素は窒素とは逆にメタンよりも石炭に対する吸着性が高く、石炭層に圧入すると吸着しているメタンと置換し優先的に石炭層表面に吸着する。脱着したメタンはクリートへと押し出され、生産井へと流れ込む（図13）。この手法では急激な生産量の増加と高いピーク生産量は期待できないが、圧入された二酸化炭素は優先的に石炭に吸着するため、ブレークスルーまでには時間がかかり、ピーク生産量を長期間維持することができる。ただし、二酸化炭素の吸着により石炭そのものが膨張し、クリート幅を狭めて浸透率を低下させる現象がこれまでの研究から分かってきており、その克服が大きな課題の一つである。　この手法では、CBMの増進回収と同時に二酸化炭素の石炭層中への固定も達成できるため、二酸化炭素地中貯留（CO2 Capture and Storage、略して「CCS」と言われる）技術の一つとしても注目されている。本技術を実用化するためには、増進回収メカニズムのさらなる解明とともに、排ガス等からの二酸化炭素の効率的な回収技術や輸送技術、地中に固定した二酸化炭素のモニタリング技術など、多くの要素技術を開発、発展させる必要があろう。③ N2/CO2 ECBM　窒素と二酸化炭素それぞれの特性を生かして両者の混合ガスを圧入ガスとして使う研究も行われている。この手法では、純粋な窒素の圧入（N2 ECBM）に比べて生産ガスに含まれる窒素割合が少なくなる上、純粋な二酸化炭素の圧入（CO2 ECBM）よりも高いメタン生産量を達成できるという特徴がある。両者の混合割合によってCBMの生産挙動は異なってくるため、圧入ガスの入手条件（供給源からの距離、供給能力、コスト）やガス処理施設能力に応じた混合割合の最適化が鍵となるであろう。① N2 ECBM　窒素はメタンに比べて石炭に対する吸着性が低く、石炭層への圧入を開始しても石炭への顕著な吸着は起こらないが、クリート内のメタン分圧を低下させる。それによりメタンの石炭層表面からの脱着が促され、脱着したメタンは窒素とともにクリートネットワーク内を流動し生産井へと排出される（図11）。その結果、メタン生産量は大きく増加する。　この手法では、窒素圧入開始後早い段階でメタン生産Gas BreakthroughN2 InjectionCO2 InjectionPrimaryTime（years）10321CH4 Production Rate00出所：Alberta Research Council図12ECBMによる増産効果（シミュレーションによる予測）出所：Alberta Research Council図11N2-ECBMによる増進回収プロセス概念図出所：Alberta Research Council図13CO2-ECBMによる増進回収プロセス概念図29石油・天然ガスレビューコールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発･生産技術Aナリシスおわりに　本稿は、平成19年度に実施した技術動向調査「コールベッドメタンの埋蔵量評価手法および開発・生産技術に関する調査」の結果を中心に取りまとめたものであり、CBMの埋蔵量評価手法、開発関連技術を包括的、網羅的に紹介した。このため各要素の記述が概略的なものとなった点はご了承いただきたい。　膨大な資源量と高いガス価を背景に、CBMの開発プロジェクトは今後ますます増えていき、中国、インド等の国においても近い将来商業生産が開始されると予想される。また、オーストラリアにおいて複数のCBM-LNGプロジェクトが発表されたことを受けて、CBMはLNGの原料としてもにわかに注目を集めており、単なるローカル消費を中心とした資源から、グローバルな資源へと変貌を遂げようとしている。CBMはわが国にとっても重要なエネルギーとなる可能性を秘めていると言え、今勢と、CBM開発関連技術の後もCBMに関する世界の趨動向に注視していくことが必要であろう。すうせい【参考文献】１. Sproule International Ltd.： Survey of Evaluation Methodologies and Development/Production Technologies of Coalbed Methane（平成19年度 JOGMEC技術動向調査報告書）２. 島田荘平：加速する新資源コールベッドメタン開発, 石油・天然ガスレビュー　2005.9 Vol.39 No.5３. 三宅裕隆, レイニー・ケリー：豪州における炭層ガス（CBM）LNGプロジェクトの概要, 石油・天然ガスレビュー2008.3 Vol.42 No.2４. Creties D. Jenkins, Charles M. Boyer II： Coalbed- and Shale-Gas Reservoirs, JPT Feb 2008５. John Anderson, Mike Simpson et al.： Producing Natural Gas From Coal, Oilfield Review （Autumn 2003）６. Gas Research Institute： A Guide To Determining Coalbed Gas Content, 1995執筆者紹介松原　修（まつばら　おさむ）愛知県岡崎市出身。1999年、東京大学大学院工学系研究科（地球システム工学）修士課程修了。同年、石油公団（当時）入団。2004年4月より現職。趣味はテニス（ただし、学生時代から長く続けているわりに実力は…）。家族は妻。9月下旬に遅めの夏休みを取り、南太平洋にあるバヌアツ共和国のとある島を訪れました。そこでは、電気・ガス・水道は通じておらず、調理には薪（まき）を使うなど昔ながらの生活が営まれていましたが、住民は隣近所と支え合いながら生き生きと暮らしており、便利な生活と個人主義に慣れてしまったわれわれの忘れかけているものを思い出させられました。小西　祐作（こにし　ゆうさく）長野市出身。静岡大学大学院理工学研究科博士前期（修士）課程修了。2000年、石油公団（当時）入団。地質調査部およびJOGMEC技術調査部において6年間海外地質構造調査事業に従事（カザフスタン/メキシコ/広域地質評価等を担当）。2007年4月より現職。探鉱出資事業などの技術評価・プロジェクト管理業務を実施中。専門は構造地質学。趣味はオーケストラでのコントラバス演奏。2008.11 Vol.42 No.630
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2008/11/20 [ 2008年11月号 ] 松原　修小西　祐作

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