Optimization of Infill Well Placement in Clastic Reservoirs of Toma South Oilfield

地球の地表深くでは、石油が常に、汲み上げられるのを待っている単一で均一なプールとして存在しているわけではありません。むしろ、石油は多くの場合、砂岩の層の中に存在しています。砂岩とは、川や風によって運ばれた古代の砂の粒が、数百万年をかけて固められて形成された岩石の一種です。これらの岩石層は決して完璧ではなく、粒がどれほど密に詰まっているか、あるいは流体がどれほど動きやすいかといった点において、さまざまな変化に満ちています。多くの油田では、初期の掘削およびポンプアップの方法によって、元の井戸では到達できない石油のポケットが、複雑で不均一な層の中に閉じ込められたまま残されてしまいます。これは、1999年から生産が行われている南スーダンのムグラド盆地にあるトマ・サウス油田において特に顕著です。この油田は生産性を維持してきましたが、岩石の自然な変化により、かなりの量の石油が手つかずのまま、浸透性の低い岩石の障壁の後ろや、標準的な垂直井では効果的に触れることのできない薄い層の中に隠れてしまいました。

エンジニアにとっての課題は、失敗したり水を出しすぎたりする可能性のある井戸に無駄な費用をかけることなく、残された石油に到達する方法を見つけることです。トマ・サウスのような成熟した油田では、石油を地表へと押し上げる圧力が自然に低下しており、水が上昇し始めているため、貴重な「黒い黄金」を抽出することが難しくなっています。この問題を解決するために、ヘリオット・ワット大学のJ. ジュニア・リエル・マイエクという研究者は、新しい井戸（インフィルウェル／補完井と呼ばれる）を地中に配置する最善の方法を見つけ出そうとしました。これらは油田に最初に掘られた井戸ではなく、以前に見逃された石油を排出するために、既存の井戸の間に戦略的に配置される追加の井戸です。目標は、単にどこに掘るかだけでなく、どのような種類の井戸（垂直井、水平井、または斜井）を掘るべきか、そしてこれらの高度な技術にかかる追加コストが、それらが生産できる追加の石油に見合う価値があるかどうかを判断することでした。

これらの問いに答えるため、研究者は油田全体の詳細な「デジタルツイン」を構築しました。専門的なコンピュータ・ソフトウェアを使用し、地質図、地中のX線検査のような役割を果たす地震探査データ、そして既存の井戸からの数十年にわたる生産履歴を組み合わせました。この仮想モデルを用いることで、石油と水が時間の経過とともに岩石の中をどのように移動するかをシミュレーションすることができました。モデルを信頼する前に、研究者は過去の実データと照らし合わせてテストを行い、コンピュータによる圧力や水位の予測が、実際に地中で起きたことと一致するかどうかを確認しました。モデルの正確性が証明されると、研究者はいくつかの異なるシナリオを実行しました。何もしなければ、既存の井戸が利益を生めなくなるまで生産を続けた場合にどうなるかをシミュレートしました。また、真下に掘り進む垂直井、岩層の中で曲がって横方向に走る水平井、そして特定のターゲットに向けて角度をつける斜井（ディレクショナルウェル）を掘削した場合のシミュレーションも行いました。

シミュレーションの結果、明確な勝者が明らかになりました。何もしなければ、現存する石油埋蔵量の約50.2%が回収されることになりますが、新しい井戸を追加することで、この数字を大幅に向上させることができます。研究によれば、垂直井を掘削すれば追加で3.5%の石油回収に役立ちますが、これらは厚くて単純な貯留層においてのみ最も効果的でした。斜井は、断層や構造的な端の部分を回り込んで石油に到達することで、4.2%の追加回収を実現するという中間的な選択肢となりました。しかし、最も成功した戦略は水平井を掘削することでした。これらの井戸を薄く複雑な岩層の中を横方向に走らせることで、研究者は合計回収率をほぼ55%にまで引き上げ、追加で4.8%の総石油回収が可能になることを発見しました。このアプローチにより、2028年までに1,730万ストックタンクバレル（STB）の石油がフィールドの生産量に加わると予測されました。

単に石油の量だけでなく、この研究は財務的な現実についても調査しました。水平井を掘削することは、垂直に掘るよりも初期費用がかさみますが、シミュレーションによれば、それらが生産する追加の石油が最も収益性の高い選択肢であることが示されました。分析の結果、この戦略は2億1,546万ドルの正味現在価値（NPV）を生み出し、投資収益率（ROI）は29%、回収期間はわずか2.5年であると算出されました。対照的に、既存の井戸からより多くの石油を引き出すために単に水をより多く汲み上げようとする試みは、追加の水を処理するコストが利益を食いつぶすため、効率が低いことが判明しました。また、研究は、これらの新しい井戸の最適な間隔は約750メートルであり、これにより互いに干渉することなく石油を効果的に排出できることも強調しています。

この研究からの最終的な推奨事項は、これまで見逃されてきた薄く石油が豊富な層を標的として、トマ・サウス油田の最も有望なエリアに6本の水平井を掘削することです。これは、既存の井戸のポンプを最適化し、水をより適切に処理することと併せて行うべきです。この研究は、これらの複雑な井戸を掘削することにはリスクが伴い、地中でドリルビットを誘導するための精密な技術が必要であることを認めていますが、シミュレーションは、その報酬が極めて大きいことを示唆しています。高度なコンピュータ・モデリングを用いてこれらの決定を下すことで、運営会社は油田から回収される石油の量を最大化し、資源を効率的に利用し、南スーダンの経済成長に貢献することができます。この成果は、たとえ老朽化した油田であっても、入念な計画と適切な技術があれば、これまで手の届かなかった大きな価値を解き放つことができることを証明しています。