[論文レビュー] Fracturing controlled primary migration of hydrocarbon fluids during heating of organic-rich shales

Maya Kobchenko, Hamed Panahi+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2010

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、400°Cに加熱された有機質豊富なグリーンリバー頁岩において、350°C前後で亀裂の核生成が発生し、その後層理面に沿って亀裂の成長と合体が進行することを、イン・サイト 4DシンチロトロンX線断層撮影で観察した。この過程により透水性が向上し、炭化水素の放出が促進される。この現象は侵入パーコレーションに類似しており、キロージェンの分解に伴う炭化水素生成と関連しており、低透水性頁岩における亀裂駆動型一次移行の直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

Time-resolved three-dimensional in situ high resolution synchrotron x-ray tomographic imaging was used to investigate the effects of slowly heating organic-rich Green River Shale from 60° to 400°C, in air without confinement, to better understand primary migration of hydrocarbon fluids in very low permeability source rock. Cracks nucleate in the interior of the sample at a temperature around 350°C. As the temperature increases, they grow and coalesce along lamination planes to form bigger cracks. This process is accompanied by a release of light hydrocarbons generated by decomposition of the initially immature organic matter, as determined by thermogravimetry and gas chromatography. These results provide the first 4D monitoring of an invasion percolation-like fracturing process in organic-rich shales. This process increases the permeability of the sample and provides pathways for fluid expulsion - an effect that might also be relevant for primary migration under natural conditions. We propose a 2D fracture model that reproduces both the observed non-linear crack growth in a lamination plane and the irregular geometry of the crack fronts.

研究の動機と目的

• 低透水性の有機質豊富な頁岩が熱的ストレス下で一次炭化水素移行をどのように行うかのメカニズムを理解すること。
• 加熱に伴う亀裂形成およびその拡大が、液体の放出経路にどのように影響するかを調査すること。
• キロージェン分解の過程での亀裂ネットワークの空間的・時間的進化を同定すること。
• 観察された亀裂動態と、 thermogravimetry およびガスクロマトグラフィーで測定された炭化水素生成を結びつけること。

提案手法

• グリーンリバー頁岩を60°Cから400°Cに制御加熱しながら、時間分解能に優れた三次元イン・サイト高分解能シンチロトロンX線断層撮影を実施した。
• 自然の熱的成熟条件を模倣するため、封じ込めなしで空気中で加熱を行った。
• 亀裂の核生成、成長、合体をリアルタイムでモニタリングし、亀裂ネットワークの進化を捉えた。
• 質量損失と軽い炭化水素の生成を定量するために、 thermogravimetry およびガスクロマトグラフィーを用いた。
• 観察された非線形な亀裂成長および不規則な亀裂フロント形状を再現する2次元亀裂モデルを開発した。
• 画像データにより、頁岩における侵入パーコレーションに類似した4D可視化が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機質豊富な頁岩の熱的成熟過程で、亀裂の核生成はどの温度で開始されるか？
• RQ2 温度上昇およびキロージェン分解に伴い、亀裂はどのように成長し、合体するか？
• RQ3 低透水性頁岩において、炭化水素生成と亀裂ネットワークの発達の間にどのような関係があるか？
• RQ4 亀裂が一次移行中に透水性をどの程度向上させ、液体の放出を可能にするか？
• RQ5 2次元亀裂モデルは、観察された非線形な亀裂成長および不規則な亀裂フロント形状を正確に再現できるか？

主な発見

• グリーンリバー頁岩試料の内部で、加熱中に約350°Cで亀裂の核生成が発生する。
• 350°Cを超えて温度が上昇するにつれ、亀裂の成長と合体が層理面に沿って優先的に進行する。
• 観察された亀裂形成過程は、キロージェン分解から生成された軽い炭化水素の放出を伴っており、 thermogravimetry およびガスクロマトグラフィーで確認された。
• 観察された亀裂形成過程は、不規則な亀裂フロント形状と非線形な成長ダイナミクスを示し、侵入パーコレーションに類似した特徴を有する。
• 2次元亀裂モデルは、3次元断層撮影データで観察された非線形な亀裂成長および不規則な亀裂フロントパターンをうまく再現した。
• 本研究は、低透水性頁岩の源岩において、透水性を向上させ、液体の放出を可能にする亀裂形成プロセスの最初の直接的4D可視化を提供した。