01
深さ4kmの穴を、海に浮かぶ船から掘る
ここにあるのは海洋掘削リグです。海底に立っているのではありません。半潜水型と呼ばれるタイプで、水中にある巨大な中空の船体で浮かぶプラットフォームです。ここでは海の深さが1,000mあり、リグはドリルフロアから4,500m下で終わる坑井を掘っています。今では世界の石油のおよそ4分の1が、海洋の油田から生産されています。
リグのデリックは高さ約60mの鋼のやぐらで、先端にドリルビットを付けた鋼管の列を回し、海を通して岩の中へ下ろしていきます。鋼管の中に送り込む重い掘削泥水が穴を制御下に保ち、作業員は区間ごとに穴の内側を鋼管とセメントで固めていきます。このようなリグには130〜200人分のベッドがあり、作業は昼も夜も続きます。
ループではビットを下へ追いかけ、タイムラインは掘削の現場と同じように、ドリルフロアから下の深さをメートルで数えます。ドリルフロアは海面から25m上にあるので、海底は1,025mです。海の下では、岩がケーキを切り分けたように断ち割られています。図は実際の縮尺どおりではありません。画面に収まるように海と岩を縦に縮め、パイプは実物の8倍の太さで描いています。断面にある目盛りは正確です。
モデルをドラッグすると視点を回せます。モデルの上でスクロールすると拡大・縮小できます。読み進めるにつれて、表示も本文に合わせて変わります。計測値には、ビットが出会うものが表示されます。海底から何m下か、まわりの泥水圧と温度、そして坑井の作業にかかった日数です。ラベルをオンにすると、各部の名前が表示されます。
02
なぜひっくり返らないのか
カメラは今、喫水線の高さにあります。リグは、ポンツーンと呼ばれる長さ110mの中空の船体2本で浮かんでいます。そこから4本の角柱、コラムが水面を貫いて立ち上がり、差し渡し78mの鋼の箱であるデッキを支えています。デッキにはデリック、クレーン、居住区、ヘリデッキが並びます。中央には、パイプを海へ下ろす開口部、ムーンプールがあります。係留索とスラスターが、リグをその場にとどめます。
リグが浮かぶ理由は船と同じです。押しのけた水の重さが自分の重さと等しくなるまで沈むのです。掘削中のこのリグは、約51,000トンの海水を押しのけています。作業員は、ポンツーンのタンクに海水を入れたりくみ出したりして、浮かぶ深さを決めます。現場から現場へ移動するときは高く浮かび、沈んでいるのは約9.5mだけです。掘削するときは約21mまでバラストを入れて沈め、細いコラムだけが水面を横切るようにします。スライダーを動かしてみてください。
波は水を円を描くように動かし、その円は深くなるほど小さくなります。波長の半分の深さでは、動きは約4%しか残りません。けれどもうねりは波長が長く、ポンツーンのまわりの水は、それでも水面のほぼ半分の大きさで動いています。つまり深さが果たすのは役目の半分だけで、残りは細いコラムが担います。波が通り過ぎても水に沈んでいる部分の量はほとんど変わらないので、リグはほとんど持ち上げられません。大きく離れて立つコラムは、リグを傾きにくくもしています。低い側のコラムが深く沈み、押し戻すからです。
リグは坑井の真上にとどまる必要もあります。チェーンとワイヤーでできた8本の係留索が海底のアンカーへ伸びていて、この方法は水深約1,500mまで使えます。あるいは、人工衛星と海底のビーコンを手がかりに、コンピューターが操るスラスターで位置を保ちます。水深が変われば、使うリグも変わります。ジャッキアップは海底に立ち、水深150mまで働けます。鋼製ジャケットは412m、緊張係留式プラットフォームは1,584m、スパーは約2,400mの水深に達しています。記録を持つのはドリルシップで、水深3,628mで掘削しました。水深のスライダーを動かしてみてください。
03
4km先のビットを回す
カメラは今、ビットのすぐ横に付いて動いています。ビットより上にあるものは、すべてデリックから吊り下がっています。デリックでは、フックに吊られた強力なモーターの集まり、トップドライブがパイプをつかみ、ドリルストリング全体を回します。パイプは長さ約9.4mのジョイントで届き、3本ずつねじでつないで約28mのスタンドにします。1スタンド分を掘り下げると、トップドライブはパイプを放し、上へ戻って次をつかみます。ズームアウトすると、28mごとに上へ戻る様子が見られます。
坑井は望遠鏡のように、前の区間より細い区間を順に掘っていきます。最初の穴は直径36インチ（914mm）で、海底からわずか75mしか掘り込みません。そこへ直径30インチの鋼管、コンダクターパイプをセメントで固定します。続いて26インチ、17½インチ、12¼インチの穴を掘り、それぞれを鋼製ケーシングとセメントで内張りします。ケーシングは穴を支え、外側の岩を遮断します。各ケーシングは前のケーシングの中を通らなければならないので、最後の8½インチの穴は直径わずか216mmです。区間のチップを押してみてください。
リグはパイプを押し下げません。長さ数km、直径わずか140mmのパイプは、押せば曲がってしまうからです。ドリルストリングはフックから吊り下がり、自分の重さでまっすぐに引っ張られています。重いドリルカラーの重さの一部、約3〜20トンだけがビットにかかり、トップドライブがストリングを毎分約80〜140回転で回します。ローラーコーンビットは、歯付きのコーンで岩を砕きます。固定刃ビットには動く部品がなく、人工ダイヤモンドの円板が岩を削ります。2015年ごろから、世界で掘られる距離の90%以上を固定刃ビットが掘っています。
掘削は時間がかかります。柔らかい岩なら1時間に数十m進みますが、硬い岩では数mしか進みません。ビットがすり減ると、ストリング全体をスタンドごとに引き上げ、新しいビットを付けてまた下ろします。深さ3,000mからだと、この往復に約半日かかります。モデルでは、ケーシングを1段下ろしてセメントで固めるたびに約2日かかり、坑井はおよそ30日目に最終深度に達します。このくらいの水深の実際の坑井では、ふつう1〜3か月かかります。日数カウンターを見ながら、ビットを切り替えて比べてみてください。
04
泥水の3つの主な役割
カメラは今、水深1,000mの海底にあります。そこは暗く、水温は約4°Cです。坑口装置の上には噴出防止装置が載っています。高さ約17mのバルブの積み重ねです。その上からは、直径533mmの鋼管、ライザーがドリルパイプを包んでリグまで伸びています。動いている点が掘削泥水です。泥水はパイプの中を下り、ビットから出て、パイプのまわりのすき間を上ってきます。このすき間をアニュラスと呼びます。
泥水は、重い鉱物であるバライトの粉で重くした、どろりとした液体です。第1の役割は、岩の孔隙に高い圧力で閉じ込められた水や石油やガスを押し返すことです。第2の役割は、ビットが削った岩のかけら、カッティングスをリグまで運ぶことです。リグでは振動するふるいでカッティングスをこし取ります。第3の役割は、ビットを冷やしてきれいにすることです。最初は、泥水は掘削計画どおりです。スライダーで軽くしたり重くしたりして、キックやひび割れを起こしてみてください。
泥水の圧力（bar）は、密度（g/cm³）×0.0981×深さ（m）で求められ、ある範囲の中に収まっていなければなりません。孔隙圧より低いと、ガスや石油や水が流れ込みます。これがキックです。破壊圧、つまり岩が割れる圧力より高いと、岩が泥水を飲み込みます。海水の重さは岩の半分にも満たないので、水深1,000mの海の下では、この範囲は狭くなります。これが、最初の2区間をライザーを使わず、海底へこぼれ出る海水か軽い泥水で掘る理由のひとつです。
キックが入っても、噴出防止装置で坑井を閉じられます。そのラムは1分以内に閉じ、1,034barまで耐えます。ただし、これは最後の防御線であって、保証ではありません。切断用のラムでも、パイプとパイプの間の太い継ぎ目は切れないからです。モデルでは、貯留層での範囲は約1.24〜1.57g/cm³で、計画では1.40を使います。スライダーを動かして、状態とグラフを見てください。軽すぎるとアニュラスをガスの泡が上り、重すぎると穴からひび割れが広がります。
05
なぜそこに石油があるのか
岩の断面を見てください。上の地層は平らですが、深いところでは2つの地層がリグの下でアーチ状に盛り上がっています。アーチの頂部は帽岩で、ほとんど何も通さない厚い頁岩です。その下は貯留層で、上部にガス、中ほどに石油、下に水を含んだ砂岩です。ブロックの底には、石油のもとになった黒っぽい頁岩があります。
物語は、何百万年も前に海を漂っていた小さな生き物、プランクトンから始まります。その一部は酸素がとても少ない泥の中に沈み、腐らずに残りました。泥はどんどん深く埋もれ、遺骸をたっぷり含む黒っぽい頁岩、根源岩になりました。約60〜120°Cで何百万年もかけて、熱が遺骸を石油に変えました。石油は水より軽いので、上にある岩の、水で満たされた孔隙を通ってじわじわと上り、やがて通さない層に止められました。チップを押して、各地層へ移動してみてください。
トラップとは、帽岩の下にある多孔質の岩のアーチで、お椀を逆さにしたような形です。石油とガスはその頂部に集まり、重さの順に並びます。上がガス、次が石油、その下が水です。石油は、ドリルフロアから4,220m下の油水界面で終わります。石油は洞窟の中ではなく、砂粒のあいだの小さなすき間を満たしていて、そのすき間はこの砂岩の約22%を占めます。岩の温度は約95〜100°Cです。孔隙の圧力は約500barと普通より高く、これは頁岩に閉じ込められた水が、岩の重さの一部を支えているためです。
これほど深いところは、だれにも見えません。調査船は海底に音を送り込みます。その反射から地層の形がわかり、トラップがありそうな場所が見えてきますが、孔隙を何が満たしているかまでは証明できません。それができるのは坑井だけです。2024年には、大型の探鉱井のうち、生産する価値のある石油やガスを見つけたのは約4本に1本でした。チップを押して、粒の拡大図を見てください。砂岩ではガスも石油も水も同じすき間を満たしますが、帽岩にはすき間がほとんどありません。
06
初出油
ビットは最終深度に達し、画面には完成した坑井が表示されています。ドリルストリングはもうなく、穴の底まで鋼製ケーシングが入ってセメントで固められています。その中には、石油をリグまで運ぶ、より細いパイプ、生産チュービングが吊られています。石油の層では、穿孔ガンが装薬を撃ってケーシングとセメントを貫き、岩まで穴を開けました。この穴、つまり穿孔から石油が入ってきます。
石油はなぜひとりでに上がってくるのでしょうか。貯留層の流体には圧力がかかっていて、ここでは約504barです。これは、地表まで届く塩水の柱の重さより大きな値です。石油は水より軽く、約0.85g/cm³なので、貯留層からリグまでの石油の柱の重さはさらに小さく、約345barです。その差の分だけ、石油は圧力に余裕を持って坑口から押し出されます。スライダーを動かして、油田が古くなるにつれてこれがどう変わるか見てみましょう。
まず坑井のテストをします。石油とガスがリグまで流れてきて、作業員がその量を測ります。掘削リグには送り出すパイプラインがないので、それらはフレアブームで燃やします。ブームの先の炎がテスト中であることを示しています。生産する価値がある坑井なら、のちに海底にバルブの集まり（ツリー）を取り付け、パイプラインで生産プラットフォームにつなぐことができます。あるいは、タンカーが運び出すまで石油をためておく船につなぐこともできます。
石油を取り出すにつれて、貯留層の圧力は下がります。この単純なモデルでは、毎年、最初の圧力の1.4%ずつ下がります。実際の油田では、下がり方は大きく異なります。坑口に残る圧力が小さくなりすぎると、石油はひとりでには流れなくなります。そうなったら、坑内のポンプか、チュービングにガスを送り込んで柱を軽くするガスリフトで生産を続けます。それでも、油田から取り出せる石油は平均して約3分の1にすぎません。スライダーを動かして、坑口に残る圧力が小さくなる様子を見てください。