(57)【要約】【課題】本発明は、  Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｓ）を用いて海底砂岩地層内に注入された二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。【解決手段】本発明は、二酸化炭素注入対象地層の岩石試料を採取する段階（Ｓ１０）；  上記採取した試料の有効孔隙率を算出する段階（Ｓ２０）；  上記採取した岩石試料を濃度が違う空隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階（Ｓ３０）；  二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階（Ｓ４０）；  二酸化炭素注入の前と注入の後の各段階別  Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を遂行する段階（Ｓ５０）；  Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階  （Ｓ６０）；  を含むことを特徴とする。【選択図】図１１
2015037760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素注入対象地層の岩石試料を採取する段階Ｓ１０と、
上記採取した試料の有效孔隙率を算出する段階Ｓ２０と、
上記採取した岩石試料を濃度が違う空隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階Ｓ３０と、
二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階Ｓ４０と、
二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を遂行する段階Ｓ５０と、
前記Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階Ｓ６０と、
を含むことを特徴とするＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項２】
前記Ｓ３０段階で、電気比抵抗測定をするためのシステムは、
電流を送る送信部（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と、
電位差を測定する信号調整部（Ｓｉｇｎａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）と、
前記電流及び電位差から電気比抵抗を算出する資料処理部（ｄａｔａ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、
測定容器と、
で構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項３】
前記Ｓ４０段階での前記二酸化炭素注入による電気比抵抗変化予測は、岩石試料の電気比抵抗測定結果から以下のあき（Ａｒｃｈｉｅ）経験式を用いて、実験定数ａ、固結係数（ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ；ｍ）が算出されるが、定数ａ及び固結係数ｍ値打ちの獲得は、前記Ｓ３０段階で測定された試料の電気伝導度（電気比抵抗の逆数）と空隙水の電気伝導度の相関関係グラフから回帰曲線（ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｃｕｒｖｅ）一次関数切片と勾配により得られることを特徴とする  請求項１に記載の電気比抵抗トモグラフィー探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
（Ａｒｃｈｉｅ経験式）
【数１】
2015037760.tif 000012
【数２】
2015037760.tif 000013
（Ｒは試料の電気比抵抗、ｆは孔隙率、ｎは定数、Ｓｗは水飽和度）
【請求項４】
前記Ｓ６０段階の二酸化炭素挙動モニタリングは、
対象地層内に二酸化炭素が注入される場合、注入された領域で電場の振幅と位相差が変わることに基づいて、
二酸化炭素投入の前、後における地層電場の振幅と位相差変化を算出して、二酸化炭素注入以後の地層内での二酸化炭素挙動をモニタリングするようになることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｓ）を用いて海底砂岩地層内に注入された二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。より具体的には、海底から採取した砂岩を用いて  Ｎａｃｌ濃度が違うさまざまな溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、Ａｒｃｈｉｅの経験式を誘導し、この経験式から砂岩層内の二酸化炭素注入量による電気比抵抗を算出することができる経験式を定立する。また、二酸化炭素地中貯留に相応しい多孔質砂岩とこれを覆っている不透水層のシェール（ｓｈａｌｅ）で成り立った単純地層モデルを作り、二酸化炭素の注入量による砂岩層の電気比抵抗入力値打ちを経験式から算出する。塩水に飽和されている砂岩地層に二酸化炭素を注入するようになれば、電気比抵抗が上昇するようになり、ＭａｒｉｎｅＣＳＥＭの数値解釈を通じて二酸化炭素注入の前と、その後の地層電場の振幅と位相差の変化から砂岩層内の二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温室ガス減縮のためのＣＯ２地中貯留において、ＣＯ２挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底ＣＯ２地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【０００３】
日本Ｎａｇａｏｋａ地域やドイツＫｅｔｚｉｎ地域のＣＯ２地中貯留パイロットサイトの地層特性及び地質構造を見れば、ＣＯ２注入対象になる砂岩層は孔隙率が２０％以上であり、これを透水性が低い泥岩層が覆っていてＣＯ２の注入後漏出されない地質条件を取り揃えている（Ａｎｄｒｅａ  Ｆｏｒｓｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６；  Ｘｕｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６）。国内にもこれに似ている地層特性及び地質構造を持った大陸棚で物理探査及び試錐調査の資料分析を通じてＣＯ２海洋地中貯留の可能性を示唆している。
【０００４】
ＣＯ２地中貯留技術が実用化されるためには、なによりも地中に注入されたＣＯ２挙動及び保存ポテンシャルを評価しなければならないし、このために室内実験及びパイロットサイトで多様な実験が成り立っている。
【０００５】
室内で行う実験としては砂岩にＣＯ２を注入する前と、その後に電気比抵抗や弾性波速度を測定してＣＯ２注入量による電気比抵抗の増加や弾性波速度の減殺を用いて注入量及び挙動を評価している（Ｏｎｉｓｈｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６；  Ｘｕｅ  ａｎｄ  Ｌｅｉ，  ２００６）。また、パイロットサイトでは弾性波トモグラフィー（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）  探査だけでなく、重力探査、Ｗｅｌｌ  ｌｏｇｇｉｎｇなどのように、多様な探査のモニタリング技法を用いてＣＯ２地中挙動を評価している（Ｘｕｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６；  Ｓａｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６；  Ｓｈｅｒｌｏｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６）。
【０００６】
これら探査方法の中で、弾性波と電気比抵抗を用いたトモグラフィー探査は試錐孔を利用しなければならないと言う困難はあるが、探査結果の分解能が高くてＣＯ２地中挙動を解釈するのに有用な方法で紹介されている。
【０００７】
海洋ＣＯ２地中貯留では電気比抵抗及び弾性波トモグラフィー探査方法の接近が容易くなくて海洋弾性波探査を使った事例が報告されている（Ｃｈａｄｗｉｃｋ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００９）。しかし、弾性波探査の場合、ＣＯ２注入の前と、その後には大きい速度減殺が起きて注入範囲を解釈するには有利であるが、ＣＯ２  注入量が増えることによって、速度減殺が起きなくて注入量を定量的に評価するには難しいと言う短所がある。
【０００８】
一方、電気比抵抗は、ＣＯ２注入の前と後だけではなく、ＣＯ２注入量が増えることによって電気比抵抗がずっと増加するので、ＣＯ２注入範囲だけでなく、注入量を定量的に評価するのに容易いから、Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ  （Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｓ）による適用性を検討する必要がある。
【０００９】
本発明は、Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭの数値解釈を実施して実現性を検証する。このために、海底二酸化炭素注入対象地層から採取した多孔質砂岩試料を使って電気比抵抗を測定し、  これを用いたあき（Ａｒｃｈｉｅ）の経験式からＣＯ２注入量による多孔質砂岩層の電気比抵抗を算出する。また、ＣＯ２注入対象地層を単純化して地層モデルを設定し、ＣＯ２注入量による塩水帯水層の電気比抵抗を入力資料として使ってＣＯ２注入の前と、その後のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭによる数値解釈を遂行し、この結果からＣＯ２注入量による電場の振幅と位相差を計算して砂岩層内でのＣＯ２注入挙動をモニタリングする方法が開示される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ａｎｄｒｅａ  Ｆｏｒｓｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献２】Ｘｕｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献３】Ｏｎｉｓｈｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献４】Ｘｕｅ  ａｎｄ  Ｌｅｉ，  ２００６
【非特許文献５】Ｘｕｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献６】Ｓａｉｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献７】Ｓｈｅｒｌｏｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，  ２００６
【非特許文献８】Ｃｈａｄｗｉｃｋ，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、海底に分布されている砂岩層内で二酸化炭素が注入された後、その挙動をモニタリングする方法を樹立しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
塩水に飽和されている多孔質砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては孔隙率、間隙水の電気比抵抗を持つことができる。これら要因の中で、間隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。
【００１３】
ＣＯ２の地中貯留において、一番理想的な地層として注目されていることが多孔質砂岩層であり、大部分塩水帯水層で間隙水の電気比抵抗が海水に近い位に低い。
【００１４】
このような地層は孔隙率が大きく、間隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ｏｈｍ−ｍで比較的低いが、超臨界状態のＣＯ２を入れ込むようになれば、間隙水の一部を押し出してその席にＣＯ２が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００１５】
多孔質砂岩を用いた室内ＣＯ２注入実験結果によれば、空隙の５０〜６０％位までＣＯ２が満たされることと知られているが、塩水より超臨界状態や液体状態のＣＯ２が電気伝導度が低いから、ＣＯ２注入量が増加すれば、増加するほど地層の電気比抵抗は高くなる。
【００１６】
本発明は、前記の目的等を果たすために案出されたこととして、より具体的には、ＣＯ２注入対象海底地層から採取した岩石試料を使って電気比抵抗を測定し、これを用いたあき（Ａｒｃｈｉｅ）の経験式からＣＯ２注入量による地層の電気比抵抗変化を算出する。その次に、海底ＣＯ２注入対象地層の海底にＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査のための送信機と受信機を設置し、ＣＯ２注入の前と、その後のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥ探査を繰り返し的に遂行して、ＣＯ２注入量による電場の振幅と位相差の変化比を計算して注入分布範囲を評価することによって、ＣＯ２の挙動を評価する方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
温室ガス減縮のためのＣＯ２地中貯留において、ＣＯ２挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底ＣＯ２地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【００１８】
本発明は、海底ＣＯ２地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果としてＡｒｃｈｉｅ経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値打ちを設定してＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭに対する数値解釈を遂行した。
【００１９】
その結果、砂岩層に対して、ＣＯ２注入前の値打ちに対して３０％と５０％のＣＯ２を注入した時を正規化させた振幅と位相差が変わることを確認した。
【００２０】
また、送信周波数４．２５  Ｈｚを使用し、ＣＯ２が砂岩層に５０％で飽和された時、オフセット（送信機から受信機までの距離）１，６００ｍの場合、正規化させた振幅は１．６位であり、位相差は４２度位に非常に大きく現われることを確認した。
【００２１】
このような結果から本発明が、ＣＯ２注入による電場の振幅と位相差の  変化比を算出することによって、ＣＯ２注入領域をより正確に解釈することができるし、Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭがＣＯ２挙動モニタリング技術で有用に利用されるのが立証された。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示す図面である。
【図２】砂岩試料採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図である。
【図３】電気比抵抗測定機の模式図である。
【図４】砂岩試料に対する空隙水と岩石の電気伝導度関係を示す図面である。
【図５】Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈のための海底の単純な２階地質構造モデル  示す図面である。
【図６】Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査の模式図である。
【図７】砂岩層にＣＯ２注入の前と、ＣＯ２を３０％、５０％で飽和させた時のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈結果を示す図面である。
【図８】図７のような条件で送信周波数だけ４．２５  Ｈｚに変えた場合の結果を示す図面である。
【図９】ＣＯ２注入の前と、３０％と５０％のＣＯ２を注入した時の３種地層モデルに対して送信周波数  ４．２５Ｈｚを使って得た電場の振幅（ａ）と位相（ｂ）をオフセット（送信機から受信機までの距離）８００ｍから２，２００ｍまで表示したことを示す図面である。
【図１０】図９の結果をＣＯ２注入の前の電場振幅と位相に対してＣＯ２を３０％と  ５０％で注入した時の電場振幅と位相を正規化させて表示したしたことを示す図面である。
【図１１】本発明のモニタリング方法の各段階を図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
塩水に飽和されている砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては、孔隙率及び間隙水の電気比抵抗がある。これら要因の中で、間隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。国内外的にＣＯ２の地中貯留として一番理想的な地質及び地層の条件は、背斜構造を成し、孔隙率が大きい砂岩地層の上にシェール層が帽岩（ｃａｐ  ｒｏｃｋ）である場合である。このような塩水帯水層は孔隙率が大きくて間隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ｏｈｍ−ｍとして比較的に低いが、超臨界状態のＣＯ２を注入するようになれば、間隙水の一部を押し出してそこにＣＯ２が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２４】
砂岩を用いた室内のＣＯ２注入実験結果によれば、空隙の５０％位までＣＯ２が満たされるものと知られている。塩水より超臨界状態や液体状態のＣＯ２が電気伝導度が低いから、ＣＯ２の注入量が増加すれば、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２５】
海底ＣＯ２の地中貯留において解決しなければならない課題の中に一つが  ＣＯ２の注入挙動に対するモニタリング技術開発である。
【００２６】
海底の塩水帯水層にＣＯ２が注入されば、注入された領域では電気比抵抗が変わるから、ＣＯ２注入の前と、その後をＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭで繰り返し探査することによって、ＣＯ２の注入範囲及び挙動を評価することができるということに着眼して本発明が完成された。
【００２７】
上記目的を果たすための本発明の望ましい実施段階を要約して説明すれば、下記のようてある。
【００２８】
本発明は、二酸化炭素注入対象地層の砂岩試料の採取段階Ｓ１０；砂岩試料の有效孔隙率の算出段階Ｓ２０；砂岩試料を濃度が違う空隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階Ｓ３０；  二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階Ｓ４０；二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別  Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を遂行する段階Ｓ５０；Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階Ｓ６０；を含むことを特徴とする。
【００２９】
以下、上述した本発明の一番目段階から図面たちを参照して、本発明の望ましい実試例及び本発明の效果確認のための実験方法、数値解釈準備過程及び数値解釈結果分析などに対して詳しく説明する。
【００３０】
砂岩試料の採取段階Ｓ１０
二酸化炭素注入対象地層から採取された砂岩試料を使って電気比抵抗を測定する段階に対して説明する。  
【００３１】
図１は海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示しているし、図２は多孔質砂岩採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図を示す。点線の楕円部分がガス貯留層領域で砂岩試料を採取した位置である。この貯留層の地質時代はＭｉｄ−Ｍｉｏｃｅｎｅであり、シェールを少量含んでいる砂岩層として物理檢層結果による地層の弾性波速度及びポアソン比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ  ｒａｔｉｏ）、密度は表１に示した。
【００３２】
【表１】
2015037760.tif 000003
【００３３】
有效孔隙率の算出段階Ｓ２０
採取した岩石試料は円柱型に成形したし、有效孔隙率ｆは下の式（１）から算出した。
【００３４】
【数１】
2015037760.tif 000004
ここで、ＷａとＷｗは成形された岩石試料である供試体を真空ポンプで７２時間以上強制湿潤させた後、それぞれ空気中と水中での重さ（ｇ）であり、Ｗｄは供試体を乾燥炉で７２時間以上乾燥させた後の重み（ｇ）である。
【００３５】
表２は二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した岩石試料の大きさと有效孔隙率を示している。その有效孔隙率は約１５〜１８％の範囲に属する。
【００３６】
【表２】
2015037760.tif 000005
【００３７】
電気比抵抗の測定段階Ｓ３０
岩石試料の電気比抵抗を測定するために、図３ａのような電気比抵抗測定システムを用いた。
【００３８】
この測定システムは、電流を送る送信部（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と、電位差を測定する信号調整部（Ｓｉｇｎａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）と、電流及び電位差から電気比抵抗を算出する資料処理部（ｄａｔａ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、測定容器とで構成される。
【００３９】
岩石試料の測定容器は、図３ｂのようにアイソレーターのアクリルを使って六面体で作ったし、供試体は両方のスピンドルを用いて固定させることができるようにした。
【００４０】
電気比抵抗を測定する時、供試体両端の電流及び電位電極は８０ｍｅｓｈのあかがね網を使ったし、電極と供試体との間には０．１ＮのＮａＣｌ溶液に飽和させた濾過紙を挿入した。
【００４１】
また、供試体の電気比抵抗測定の中で供試体表面の水気が蒸発されないようにするために、測定容器底に少量の水を注ぎ、蓋を閉じて空気の中に水気が飽和状態を維持するようにした。
【００４２】
岩石試料の両断面に軸方向に一直線に電流が流れた時、電位電極から電位差を測定して下の式２から電気比抵抗を算出した。
【００４３】
【数２】
2015037760.tif 000006
ここで、Ｒは供試体の電気比抵抗（ｏｈｍ−ｍ）であり、Ｓは供試体の断面積（ｃｍ２）であり、Ｌは供試体の長さ（ｃｍ）であり、Ｉは電流（Ａ）であり、Ｖは電位差（Ｖ）を示す。
【００４４】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩を濃度が違う３種のＮａＣｌ溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果は表３のようである。
【００４５】
【表３】
2015037760.tif 000007
【００４６】
空隙水の電気比抵抗が高いほど岩石試料の電気比抵抗も高くなれ、等しい空隙水の電気比抵抗でも有效孔隙率が大きい岩石試料であればあるほど体積含水量が多くて電気比抵抗は低く現われる。
【００４７】
電気比抵抗変化の予測段階Ｓ４０
多孔質砂岩の電気比抵抗は、空隙率、飽和度、空隙水の電気比抵抗などによって大きく左右され、あき（Ａｒｃｈｉｅ）（１９４２）による経験式が広く利用されている。この経験式は、多孔質砂岩の貯留能力を評価するために、地層の電気比抵抗Ｒ、空隙水の電気比抵抗Ｒｗ及び飽和度Ｓｗ間の関係を下の式３で示す。
【００４８】
【数３】
2015037760.tif 000008
ここで、Ｆは地層比抵抗係数（Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）と呼ばれ、下の式４のようである。
【００４９】
【数４】
2015037760.tif 000009
ここで、ａは実験定数として経験的に０．６〜３．５間の値打ちを持ち、ｆは地層の孔隙率である。ｍは固結係数（ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）として空隙の幾何学的な形態及び固結の程度によって違うが、一般的に１．４〜２．２の値打ちを持つ。
【００５０】
あき（Ａｒｃｈｉｅ）の経験式は、間隙水の電気比抵抗が分かれば、地層の孔隙率を評価することができるから、石油貯留量の算出にたくさん使われて来た。
【００５１】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩試料を濃度が違う３種のＮａＣｌ溶液に飽和させて測定した電気比抵抗を利用すれば、あき（Ａｒｃｈｉｅ）の経験式での固結係数ｍを求めることができる。式３と４で岩石の電気比抵抗を逆数で取れば、岩石の電気伝導度になり、岩石試料がＮａＣｌ溶液に飽和された状態であるので、Ｓｗが１になる。
【００５２】
したがって、岩石試料の電気伝導度ｓと空隙水の電気伝導度ｓｗとの関係は下の式５のようである。
【００５３】
【数５】
2015037760.tif 000010
ここで、ＸとＹは空隙の幾何学的な形態と、粘土の含有量と、イオンの活動度等に左右される変数である。
【００５４】
図４（ａ）ないし（ｃ）は、多孔質砂岩を濃度が違う３種の溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果から空隙水（ｐｏｒｅ  ｆｌｕｉｄ）の電気伝導度（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）と岩石電気伝導度（ｒｏｃｋ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）との関係を示したグラフである。このグラフから飽和状態の多孔質砂岩の場合、岩石試料の電気伝導度は空隙水の電気伝導度によって大きく左右されることを分かる。
【００５５】
これらの相関関係から１次回帰式を求め、その切片からあき（Ａｒｃｈｉｅ）の経験式の固結係数ｍを算出した。岩石試料Ｂ２−１、Ｂ２−２−ＣとＢ４−３−Ｃの固結係数ｍはそれぞれ１．５６３、１．６１２、１．４６４であった。
【００５６】
表４は注入対象地層の砂岩試料に対してＣＯ２飽和度０％、３０％、５０％に対する地層の電気比抵抗を示している。注入対象地層の岩石試料を室内で濃度が違う溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、注入対象地層の電気比抵抗変化を予測することができる。
【００５７】
【表４】
2015037760.tif 000011
【００５８】
ＭａｒｉｎｅＣＳＥＭ探査を遂行する段階Ｓ５０
海底ＣＯ２注入対象地層に対してＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を実施することで、ＣＯ２  注入領域を中央に置いて、海底にＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査のための送信機と受信機を設置してＣＯ２注入の前と後に等しい測定条件で繰り返してＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を遂行する。これを実現するための数値解釈過程及び結果は下のようである。
【００５９】
Ｍａｒｉｎ  ＣＳＥＭ数値解釈のための地層モデルは、図２の二酸化炭素地中貯留対象地域の現場弾性波探査と物理検層結果を土台で２階地質構造で単純化して砂岩層上に不透水層のシェールが帽岩（ｃａｐ  ｒｏｃｋ）で存在するものとして、図５のように設定した。この地層モデルで砂岩層がＣＯ２注入対象になり、注入領域を一定するように決めてＣＯ２注入量によって砂岩層の電気比抵抗変化をＡｒｃｈｉｅの経験式で計算した。
【００６０】
上記表４は二酸化炭素の地中貯留地層から採取した砂岩試料の中で代表性を持ったＢ２−１の電気比抵抗の測定結果を土台でＡｒｃｈｉｅの経験式を用いて算出した砂岩層のＣＯ２飽和度による電気比抵抗の入力値打ちを示している。
【００６１】
Ｐｈａｓｅ１は砂岩層にＣＯ２を入れ込む前の段階として地層の空隙は塩水で飽和されている状態なので、室内電気比抵抗測定値を土台で帽岩（ｃａｐ  ｒｏｃｋ）であるシェールは１ｏｈｍ−ｍであり、砂岩層は４．２６  ｏｈｍ−ｍで設定した。
【００６２】
Ｐｈａｓｅ２と３は砂岩層の空隙にＣＯ２がそれぞれ３０％と５０％に注入された時を仮定し、この時、注入領域の電気比抵抗はＡｒｃｈｉｅの経験式で計算した８．６８ｏｈｍ−ｍと１７．０２ｏｈｍ−ｍを入力資料で設定した。
【００６３】
単純な２階地質構造モデルに対してＣＯ２を注入の前と、その後の各段階別Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈を遂行した。
【００６４】
数値解釈上の探査目標はＣＯ２が注入される砂岩層の上側部分で決定し、海底面の傾斜によって水深も７００〜１，３００ｍに変化する。Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈において送受信機はインラインモード（ｉｎｌｉｎｅ  ｍｏｄｅ）で配し、送信源はｘ方向の電子双極ソース（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｉｐｏｌｅ  ｓｏｕｒｃｅ（Ｊｘ））を使用し、インラインモード（ｉｎｌｉｎｅ  ｍｏｄｅ）によって受信機もｘ方向に展開させた。
【００６５】
また、受信機は、図６のように、海底面に１００ｍの間隔で総３７個を設置し、送信機を海底面から１００ｍ浮かべて連れて行きながら探査を遂行した。送信機はｘ方向に距離５０ｍから始めて２００ｍの間隔に移動しながら資料を獲得したし、すべて移動数は１９回である。
【００６６】
Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈のために、３Ｄ  ｓｔａｇｇｅｒｅｄ−ｇｒｉｄ  ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  （Ｓａｓａｋｉ  ａｎｄ  Ｍｅｊｕ，２００９）を使った。数値解釈全体領域はｘ、ｙ及びｚ方向に総１０６ｘ５８ｘ６個の格子で形成した。
【００６７】
ここで、海底面の辺りには格子一つを５０Ｘ１００ｘ２５ｍの大きさで小さく設定し、境界部には格子一つを３，２００ｘ３，２００ｘ３，２００ｍの大きさで大きく設定した。
【００６８】
二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階Ｓ６０
図７は地層モデルに対して送信周波数が１．２５Ｈｚであり、送信機がｘ方向に１，２５０ｍに位する時、ＣＯ２注入の前と砂岩層にＣＯ２を３０％、５０％で飽和させた時のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥ数値解釈結果を示している。
【００６９】
図７のａ）とｂ）はＣＯ２注入の前と、その後の３種の地層モデルに対して振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）と位相（ｐｈａｓｅ）を示している。
【００７０】
図７のｃ）とｄ）は、それぞれ砂岩層に対してＣＯ注入の前の値打ちに対して３０％と５０％でＣＯ２を注入した時を正規化させた振幅と位相差を示している。
【００７１】
この図によれば、砂岩層に３０％と５０％でＣＯ２を注入した時、正規化された振幅は１．１〜１．２であり、位相差は８〜１５度位である。
【００７２】
図８は、図７と等しい条件で送信周波数だけ４．２５  Ｈｚに変えた場合である。図８ｃ）とｄ）の正規化させた振幅と位相差を見れば、図７の送信周波数１．２５Ｈｚに比べて振幅と位相差はほとんど２倍位に大きく現われることを分かる。
【００７３】
図９はＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ数値解釈結果を可視化するために、ＣＯ２注入の前と、３０％と５０％のＣＯ２を注入した時の３種モデルに対して送信周波数４．２５  Ｈｚを使って得た振幅（ａ）と位相（ｂ）をオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）（送信機から受信機までの距離）８００ｍから２，２００ｍまで表示した。
【００７４】
この時、横軸上の振幅と位相資料は、送／受信機中間支店を取って図示したし、細い点線はＣＯ２注入の前を示し、太い点線と実線はそれぞれ３０％と  ５０％のＣＯ２を注入した時を示す。この結果は、陸上で使われている電気探査に現われる資料と類似し、ＣＯ２保存による振幅と位相反応はオフセットが大きいほど大きく現われることを分かる。
【００７５】
図１０は、図９のような結果をＣＯ２注入による電気比抵抗の変化をより明確に示すために、ＣＯ２注入の前に対してＣＯ２を３０％と５０％で注入した時の振幅と位相を正規化させて表示した。
【００７６】
図１０ａ）とｂ）は、ＣＯ２を３０％注入した時、正規化させた振幅と位相差を示しているし、図１０ｃ）とｄ）はＣＯ２を５０％注入した時、正規化させた振幅と位相差を示している。
【００７７】
本発明の具体的な実試例として、海底ＣＯ２地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底二酸化炭素地中貯留地層から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果からＡｒｃｈｉｅ  経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値打ちを設定してＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭに対する数値解釈を遂行した。
【００７８】
その結果、砂岩層に対してＣＯ２注入前の値打ちに対して３０％と５０％でＣＯ２を注入した時を正規化させた振幅と位相差は大きく示したし、送信周波数４．２５  Ｈｚを使用し、ＣＯ２が砂岩層に５０％飽和された時のオフセット１，６００ｍの場合、正規化させた振幅は１．６位、位相差は４２度位に非常に大きく現われた。
【００７９】
このような結果から海底塩水帯水層の二酸化炭素挙動に関するモニタリング方法の実效性が立証されたと言える。
【００８０】
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
【図１】
2015037760.tif 000014
【図２】
2015037760.tif 000015
【図３】
2015037760.tif 000016
【図４】
2015037760.tif 000017
【図５】
2015037760.tif 000018
【図６】
2015037760.tif 000019
【図７】
2015037760.tif 000020
【図８】
2015037760.tif 000021
【図９】
2015037760.tif 000022
【図１０】
2015037760.tif 000023
【図１１】
2015037760.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月28日(2010.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Marine CSEM(Controlled-Sources Electromagnetic)を用いて海底砂岩地層内に注入された二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。より具体的には、海底から採取した砂岩を用いて Nacl濃度が違うさまざまな溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、Archieの経験式を誘導し、この経験式から砂岩層内の二酸化炭素注入量による電気比抵抗を算出することができる経験式を定立する。また、二酸化炭素地中貯留に相応しい多孔質砂岩とこれを覆っている不透水層のシェール(shale)で成り立った単純地層モデルを作り、二酸化炭素の注入量による砂岩層の電気比抵抗入力値を経験式から算出する。塩水に飽和されている砂岩地層に二酸化炭素を注入すると、電気比抵抗が増加するようになり、Marine  CSEMの数値解析を通じて二酸化炭素注入の前と、その後の地層電磁場の振幅と位相差の変化から砂岩層内の二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温室ガス減縮のためのCO2地中貯留において、CO2挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【０００３】
日本Nagaoka地域やドイツKetzin地域のCO2地中貯留パイロットサイトの地層特性及び地質構造を見れば、CO2注入対象となる砂岩層は孔隙率が20%以上であり、これを透水性が低い泥岩層が覆っていてCO2の注入後漏出されない地質条件を取り揃えている(Andrea Forster et al., 2006; Xue, et al., 2006)。国内にもこれに似ている地層特性及び地質構造を持った大陸棚で物理探査及び試錐調査の資料分析を通じてCO2海洋地中貯留の可能性を示唆している。
【０００４】
CO2地中貯留技術が実用化されるためには、なによりも地中に注入されたCO2挙動及び保存ポテンシャルを評価しなければならないし、このために室内実験及びパイロットサイトで多様な実験が成り立っている。
【０００５】
室内で行う実験としては砂岩にCO2を注入する前と、その後に電気比抵抗や弾性波速度を測定してCO2注入量による電気比抵抗の増加や弾性波速度の減衰を用いて注入量及び挙動を評価している(Onishi, et al., 2006; Xue and Lei, 2006)。また、パイロットサイトでは弾性波トモグラフィー(tomography) 探査だけでなく、重力探査、Well loggingなどのように、多様な探査のモニタリング技法を用いてCO2地中挙動を評価している(Xue, et al., 2006; Saito et al., 2006; Sherlock et al., 2006)。
【０００６】
これら探査方法の中で、弾性波と電気比抵抗を用いたトモグラフィー探査は試錐孔を利用しなければならないと言う困難はあるが、探査結果の分解能が高くてCO2地中挙動を解釈するのに有用な方法で紹介されている。
【０００７】
海洋CO2地中貯留では電気比抵抗及び弾性波トモグラフィー探査方法の接近が容易ではないため海洋弾性波探査を使った事例が報告されている(Chadwick, et al., 2009)。しかし、弾性波探査の場合、CO2注入の前と、その後には大きい速度減衰が起きて注入範囲を解釈するには有利であるが、CO2 注入量が増えることによって、速度が減衰されないので注入量を定量的に評価するには難しいと言う短所がある。
【０００８】
一方、電気比抵抗は、CO2注入の前と後だけではなく、CO2注入量が増えることによって電気比抵抗がずっと増加するので、CO2注入範囲だけでなく、注入量を定量的に評価しやすいことから、Marine CSEM (Controlled-Sources Electromagnetic)によるその適用性を検討する必要がある。
【０００９】
本発明は、Marine CSEMの数値解析を実施して実現性を検証する。このために、海底二酸化炭素注入対象地層から採取した多孔質砂岩試料を使って電気比抵抗を測定し、これを用いたアーチ(Archie)の経験式からCO2注入量による多孔質砂岩層の電気比抵抗を算出する。また、CO2注入対象地層を単純化して地層モデルを設定し、CO2注入量による塩水帯水層の電気比抵抗を入力データとして用い、CO2注入の前と、その後のMarine CSEMによる数値解析を行い、この結果からCO2注入量による電磁場の振幅と位相差を計算して砂岩層内でのCO2注入挙動をモニタリングする方法が開示される。
【００１０】
（先行技術文献）
（非特許文献）
Andrea Forster et al., 2006; Xue, et al., 2006
Onishi, et al., 2006; Xue and Lei, 2006
Xue, et al., 2006; Saito et al., 2006; Sherlock et al., 2006
Chadwick, et al., 2009
Chadwick, et al., 2009
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、海底に分布されている砂岩層内で二酸化炭素が注入された後、その挙動をモニタリングする方法を樹立しようとする。
【００１２】
塩水に飽和されている多孔質砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては孔隙率、間隙水の電気比抵抗を持つことができる。これら要因の中で、間隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。
【００１３】
CO2の地中貯留において、一番理想的な地層として注目されていることが多孔質砂岩層であり、大部分塩水帯水層で間隙水の電気比抵抗が海水とほぼ同じで低い。
【００１４】
このような地層は孔隙率が大きく、間隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ohm-mで比較的低いが、超臨界状態のCO2を入れ込むようになれば、間隙水の一部を押し出してその席にCO2が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００１５】
多孔質砂岩を用いた室内CO2注入実験結果によれば、孔隙の50〜60%位までCO2が満たされることと知られているが、塩水より超臨界状態や液体状態のCO2が電気伝導度が低いから、CO2注入量が増加すれば、増加するほど地層の電気比抵抗は高くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記の目的等を果たすために案出されたこととして、より具体的には、CO2注入対象海底地層から採取した岩石試料を使って電気比抵抗を測定し、これを用いたアーチ(Archie)の経験式からCO2注入量による地層の電気比抵抗変化を算出する。その次に、海底CO2注入対象地層の海底にMarine CSEM探査のための送信機と受信機を設置し、CO2注入の前と、その後のMarine CSEM探査を繰り返し行い、CO2注入量による電磁場の振幅と位相差の変化比を計算して注入分布範囲を評価することによって、CO2の挙動を評価する方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
温室ガス減縮のためのCO2地中貯留において、CO2挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【００１８】
本発明は、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果としてArchie経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値を設定してMarine CSEMに対する数値解析を遂行した。
【００１９】
その結果、砂岩層に対して、CO2注入前の電磁場の振幅と位相差に対して30%と50%のCO2を注入した時を正規化させた電磁場の振幅と位相差が変わることを確認した。
【００２０】
また、送信周波数4.25 Hzを使用し、CO2が砂岩層に50%で飽和された時、オフセット(送信機から受信機までの距離)1,600mの場合、正規化させた振幅は1.6位であり、位相差は42度位に非常に大きく現われることを確認した。
【００２１】
このような結果から本発明が、CO2注入による電磁場の振幅と位相差の 変化比を算出することによって、CO2注入範囲をより正確に解釈することができるし、Marine CSEMがCO2挙動モニタリング技術で有効に利用されることが検証された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
塩水に飽和されている砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては、孔隙率及び間隙水の電気比抵抗がある。これら要因の中で、間隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。国内外的にCO2の地中貯留として一番理想的な地質及び地層の条件は、背斜構造を成し、孔隙率が大きい砂岩地層の上にシェール層が帽岩(cap rock)である場合である。このような塩水帯水層は孔隙率が大きくて間隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ohm-mとして比較的に低いが、超臨界状態のCO2を注入するようになれば、間隙水の一部を押し出してそこにCO2が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２３】
砂岩を用いた室内のCO2注入実験結果によれば、空隙の50%位までCO2が満たされるものと知られている。塩水より超臨界状態や液体状態のCO2が電気伝導度が低いから、CO2の注入量が増加すれば、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２４】
海底CO2の地中貯留において解決しなければならない課題の中に一つが CO2の注入挙動に対するモニタリング技術開発である。
【００２５】
海底の塩水帯水層にCO2が注入されば、注入された領域では電気比抵抗が変わるから、CO2注入の前と、その後をMarine CSEMで繰り返し探査することによって、CO2の注入範囲及び挙動を評価することができるということに着眼して本発明が完成された。
【００２６】
上記目的を果たすための本発明の望ましい実施段階を要約して説明すれば、下記のようである。
【００２７】
本発明は、二酸化炭素注入対象地層の砂岩試料の採取段階S10;砂岩試料の有効孔隙率の算出段階S20；砂岩試料を濃度が違う空隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階S30; 二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階S40;二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別 Marine CSEM探査を遂行する段階S50;Marine CSEM探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階S60;を含むことを特徴とする。
【００２８】
以下、上述した本発明の一番目段階から図面たちを参照して、本発明の望ましい実試例及び本発明の效果確認のための実験方法、数値解釈準備過程及び数値解釈結果分析などに対して詳しく説明する。
【００２９】
砂岩試料の採取段階S10
二酸化炭素注入対象地層から採取された砂岩試料を使って電気比抵抗を測定する段階に対して説明する。 
【００３０】
図1は海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示しているし、図２は多孔質砂岩採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図を示す。点線の楕円部分がガス貯留層領域で砂岩試料を採取した位置である。この貯留層の地質時代はMid-Mioceneであり、シェールを少量含んでいる砂岩層として物理検層結果による地層の弾性波速度及びポアソン比(Poisson's ratio)、密度は表1に示した。
【００３１】
【表１】
2015037760.tif 000025
【００３２】
有効孔隙率の算出段階S20
採取した岩石試料は円柱型に成形したし、有効孔隙率φは下の式(1)から算出した。
【００３３】
【数１】
2015037760.tif 000026
ここで、WaとWwは成形された岩石試料である供試体を真空ポンプで72時間以上強制湿潤させた後、それぞれ空気中と水中での重さ(g)であり、Wdは供試体を乾燥炉で72時間以上乾燥させた後の重み(g)である。
【００３４】
表2は二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した岩石試料の大きさと有効孔隙率を示している。その有効孔隙率は約15~18%の範囲に属する。
【表２】
2015037760.tif 000027
【００３５】
電気比抵抗の測定段階S30
岩石試料の電気比抵抗を測定するために、図3aのような電気比抵抗測定システムを用いた。
【００３６】
この測定システムは、電流を送る送信部(function generator)と、電位差を測定する信号調整部(Signal conditioner)と、電流及び電位差から電気比抵抗を算出する資料処理部(data processor)と、測定容器とで構成される。
【００３７】
岩石試料の測定容器は、図3bのようにアイソレーターのアクリルを使って六面体で作ったし、供試体は両方のスピンドルを用いて固定させることができるようにした。
【００３８】
電気比抵抗を測定する時、供試体両端の電流及び電位電極は80meshのあかがね網を使ったし、電極と供試体との間には0.1NのNaCl溶液に飽和させた濾過紙を挿入した。
【００３９】
また、供試体の電気比抵抗測定の中で供試体表面の水気が蒸発されないようにするために、測定容器底に少量の水を注ぎ、蓋を閉じて空気の中に水気が飽和状態を維持するようにした。
【００４０】
岩石試料の両断面に軸方向に一直線に電流が流れた時、電位電極から電位差を測定して下の式2から電気比抵抗を算出した。
【００４１】
【数２】
2015037760.tif 000028
ここで、Rは供試体の電気比抵抗(ohm-m)であり、Sは供試体の断面積(cm2)であり、Lは供試体の長さ(cm)であり、Iは電流(A)であり、Vは電位差(V)を示す。
【００４２】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩を濃度が違う3種のNaCl溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果は表3のようである。
【００４３】
【表３】
2015037760.tif 000029
【００４４】
空隙水の電気比抵抗が高いほど岩石試料の電気比抵抗も高くなれ、等しい空隙水の電気比抵抗でも有効孔隙率が大きい岩石試料であればあるほど体積含水量が多くて電気比抵抗は低く現われる。
【００４５】
電気比抵抗変化の予測段階S40
多孔質砂岩の電気比抵抗は、空隙率、飽和度、空隙水の電気比抵抗などによって大きく左右され、アーチ(Archie)(1942)による経験式が広く利用されている。この経験式は、多孔質砂岩の貯留能力を評価するために、地層の電気比抵抗R、空隙水の電気比抵抗Rw及び飽和度Sw間の関係を下の式3で示す。
【００４６】
【数３】
2015037760.tif 000030
ここで、Fは地層比抵抗係数(Formation factor)と呼ばれ、下の式4のようである。
【００４７】
【数４】
2015037760.tif 000031
ここで、aは実験定数として経験的に0.6~3.5間の値打ちを持ち、Φは地層の孔隙率である。mは固結係数(cementation factor)として空隙の幾何学的な形態及び固結の程度によって違うが、一般的に1.4~2.2の値打ちを持つ。
【００４８】
アーチ(Archie)の経験式は、間隙水の電気比抵抗が分かれば、地層の孔隙率を評価することができるから、石油貯留量の算出にたくさん使われて来た。
【００４９】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩試料を濃度が違う3種のNaCl溶液に飽和させて測定した電気比抵抗を利用すれば、アーチ(Archie)の経験式での固結係数mを求めることができる。式3と4で岩石の電気比抵抗を逆数で取れば、岩石の電気伝導度になり、岩石試料がNaCl溶液に飽和された状態であるので、Swが1になる。
【００５０】
したがって、岩石試料の電気伝導度σと空隙水の電気伝導度σwとの関係は下の式5のようである。
【００５１】
【数５】
2015037760.tif 000032
ここで、XとYは空隙の幾何学的な形態と、粘土の含有量と、イオンの活動度等に左右される変数である。
【００５２】
図4(a)ないし(c)は、多孔質砂岩を濃度が違う3種の溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果から空隙水(pore fluid)の電気伝導度(conductivity)と岩石電気伝導度(rock conductivity)との関係を示したグラフである。このグラフから飽和状態の多孔質砂岩の場合、岩石試料の電気伝導度は空隙水の電気伝導度によって大きく左右されることを分かる。
【００５３】
これらの相関関係から１次回帰式を求め、その切片からアーチ(Archie)の経験式の固結係数mを算出した。岩石試料B2-1、B2-2-CとB4-3-Cの固結係数mはそれぞれ1.563、1.612、1.464であった。
【００５４】
表4は注入対象地層の砂岩試料に対してCO2飽和度0%、30%、50%に対する地層の電気比抵抗を示している。注入対象地層の岩石試料を室内で濃度が違う溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、注入対象地層の電気比抵抗変化を予測することができる。
【００５５】
【表４】
2015037760.tif 000033
【００５６】
Marine CSEM探査を遂行する段階S50
海底CO2注入対象地層に対してMarine CSEM探査を実施することで、CO2 注入領域を中央に置いて、海底にMarine CSEM探査のための送信機と受信機を設置してCO2注入の前と後に等しい測定条件で繰り返してMarine CSEM探査を遂行する。これを実現するための数値解釈過程及び結果は下のようである。
【００５７】
Marin CSEM数値解釈のための地層モデルは、図２の二酸化炭素地中貯留対象地域の現場弾性波探査と物理検層結果を土台で2階地質構造で単純化して砂岩層上に不透水層のシェールが帽岩(cap rock)で存在するものとして、図5のように設定した。この地層モデルで砂岩層がCO2注入対象になり、注入領域を一定するように決めてCO2注入量によって砂岩層の電気比抵抗変化をArchieの経験式で計算した。
【００５８】
上記表4は二酸化炭素の地中貯留地層から採取した砂岩試料の中で代表性を持ったB2-1の電気比抵抗の測定結果を土台でArchieの経験式を用いて算出した砂岩層の CO2飽和度による電気比抵抗の入力値打ちを示している。
【００５９】
Phase1は砂岩層にCO2を入れ込む前の段階として地層の空隙は塩水で飽和されている状態なので、室内電気比抵抗測定値を土台で帽岩(cap rock)であるシェールは1ohm-mであり、砂岩層は4.26 ohm-mで設定した。
【００６０】
Phase2と3は砂岩層の空隙にCO2がそれぞれ30%と50%に注入された時を仮定し、この時、注入領域の電気比抵抗はArchieの経験式で計算した8.68ohm-mと17.02 ohm-mを入力資料で設定した。
【００６１】
単純な2階地質構造モデルに対してCO2を注入の前と、その後の各段階別Marine CSEM数値解釈を遂行した。
【００６２】
数値解釈上の探査目標はCO2が注入される砂岩層の上側部分で決定し、海底面の傾斜によって水深も700~1,300 mに変化する。Marine CSEM数値解釈において送受信機はインラインモード(inline mode)で配し、送信源は x方向の電子双極ソース(Electric dipole source(Jx))を使用し、インラインモード(inline mode)によって受信機も x方向に展開させた。
【００６３】
また、受信機は、図6のように、海底面に100mの間隔で総37個を設置し、送信機を海底面から100m 浮かべて連れて行きながら探査を遂行した。送信機はx方向に距離50mから始めて200mの間隔に移動しながら資料を獲得したし、すべて移動数は19回である。
【００６４】
Marine CSEM数値解釈のために、3D staggered-grid finite-difference algorithm (Sasaki and Meju, 2009)を使った。数値解釈全体領域はx、y及びz方向に総106 x 58 x 6個の格子で形成した。
【００６５】
ここで、海底面の辺りには格子一つを 50 X 100 x 25 mの大きさで小さく設定し、境界部には格子一つを 3,200 x 3,200 x 3,200mの大きさで大きく設定した。
【００６６】
二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階S60
図7は地層モデルに対して送信周波数が1.25Hzであり、送信機がx方向に1,250 mに位する時、CO2注入の前と砂岩層にCO2を30%、50%で飽和させた時のMarine CSE 数値解釈結果を示している。
【００６７】
図7のa)とb)はCO2注入の前と、その後の3種の地層モデルに対して振幅(amplitude)と位相(phase)を示している。
【００６８】
図7のc)とd)は、それぞれ砂岩層に対してCO注入の前の値打ちに対して30%と50%でCO2を注入した時を正規化させた振幅と位相差を示している。
【００６９】
この図によれば、砂岩層に30%と50%でCO2を注入した時、正規化された振幅は1.1~1.2であり、位相差は8~15度位である。
【００７０】
図8は、図7と等しい条件で送信周波数だけ4.25 Hzに変えた場合である。図8c)とd)の正規化させた振幅と位相差を見れば、図7の送信周波数1.25Hzに比べて振幅と位相差はほとんど2倍位に大きく現われることを分かる。
【００７１】
図9はMarine CSEM数値解釈結果を可視化するために、CO2注入の前と、30%と50%のCO2を注入した時の3種モデルに対して送信周波数4.25 Hzを使って得た振幅(a)と位相(b)をオフセット(offset)(送信機から受信機までの距離)800mから2,200mまで表示した。
【００７２】
この時、横軸上の振幅と位相資料は、送/受信機中間支店を取って図示したし、細い点線はCO2注入の前を示し、太い点線と実線はそれぞれ30%と 50%のCO2を注入した時を示す。この結果は、陸上で使われている電気探査に現われる資料と類似し、CO2保存による振幅と位相反応はオフセットが大きいほど大きく現われることを分かる。
【００７３】
図10は、図9のような結果をCO2注入による電気比抵抗の変化をより明確に示すために、CO2注入の前に対してCO2を30%と50%で注入した時の振幅と位相を正規化させて表示した。
【００７４】
図10a)とb)は、CO2を30%注入した時、正規化させた振幅と位相差を示しているし、図１０c)とd)はCO2を50%注入した時、正規化させた振幅と位相差を示している。
【００７５】
本発明の具体的な実試例として、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底二酸化炭素地中貯留地層から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果からArchie 経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値打ちを設定してMarine CSEMに対する数値解釈を遂行した。
【００７６】
その結果、砂岩層に対してCO2注入前の値打ちに対して30%と50%でCO2を注入した時を正規化させた振幅と位相差は大きく示したし、送信周波数4.25 Hzを使用し、CO2が砂岩層に50%飽和された時のオフセット1,600mの場合、正規化させた振幅は1.6位、位相差は42度位に非常に大きく現われた。
【００７７】
このような結果から海底塩水帯水層の二酸化炭素挙動に関するモニタリング方法の実效性が立証されたと言える。
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示す図面である。
【図２】砂岩試料採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図である。
【図３】電気比抵抗測定機の模式図である。
【図４】砂岩試料に対する空隙水と岩石の電気伝導度関係を示す図面である。
【図５】Marine CSEM 数値解釈のための海底の単純な2階地質構造モデル 示す図面である。
【図６】Marine CSEM探査の模式図である。
【図７】砂岩層にCO2注入の前と、CO2を30%、50%で飽和させた時のMarine CSEM数値解釈結果を示す図面である。
【図８】図7のような条件で送信周波数だけ4.25 Hzに変えた場合の結果を示す図面である。
【図９】CO2注入の前と、30%と50%のCO2を注入した時の3種地層モデルに対して送信周波数 4.25Hzを使って得た電場の振幅(a)と位相(b)をオフセット(送信機から受信機までの距離)800mから2,200mまで表示したことを示す図面である。
【図１０】図9の結果をCO2注入の前の電場振幅と位相に対してCO2を30%と 50%で注入した時の電場振幅と位相を正規化させて表示したしたことを示す図面である。
【図１１】本発明のモニタリング方法の各段階を図示した図面である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素注入対象地層の岩石試料を採取する段階Ｓ１０と、
上記採取した試料の有効孔隙率を算出する段階Ｓ２０と、
上記採取した岩石試料をＮａＣｌの濃度が異なる空隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階Ｓ３０と、
二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階Ｓ４０と、
二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を行う段階Ｓ５０と、
前記Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階Ｓ６０と、
を含むことを特徴とするＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項２】
前記Ｓ３０段階で、電気比抵抗測定をするためのシステムは、
電流を送る送信部（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と、
電位差を測定する信号調整部（Ｓｉｇｎａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）と、
前記電流及び電位差から電気比抵抗を算出するデータ処理部（ｄａｔａ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、
測定容器と、
で構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項３】
前記Ｓ４０段階での前記二酸化炭素注入による電気比抵抗変化予測において、岩石試料の電気比抵抗測定結果から以下のアーチ（Ａｒｃｈｉｅ）経験式を用いて、前記Ｓ３０段階で測定された試料の電気伝導度(電気比抵抗の逆数)を横軸に、空隙水の電気伝導度を縦軸にプロットし、最小二乗法で回帰直線を求めることにより、直線の傾きと切片から実験定数ａ及び固結係数（ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）ｍを得ることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
（Ａｒｃｈｉｅ経験式）
2015037760.tif 000034
（Ｒは試料の電気比抵抗、Φは孔隙率、ｎは定数、Ｓｗは水飽和度）
【請求項４】
前記Ｓ６０段階の二酸化炭素挙動モニタリングは、
対象地層内に二酸化炭素が注入される場合、注入された領域で電磁場の振幅と位相差が変わることに基づいて、
二酸化炭素注入前と後における地層の電磁場の振幅と位相差の変化を用いて、二酸化炭素注入範囲と挙動をモニタリングすることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月27日(2011.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Marine CSEM(Controlled-Sources Electromagnetic)を用いて海底砂岩地層内に注入された二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。より具体的には、海底から採取した砂岩を用いて Nacl濃度が違うさまざまな溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、Archieの経験式を誘導し、この経験式から砂岩層内の二酸化炭素注入量による電気比抵抗を算出することができる経験式を定立する。また、二酸化炭素地中貯留に相応しい多孔質砂岩とこれを覆っている不透水層のシェール(shale)で成り立った単純地層モデルを作り、二酸化炭素の注入量による砂岩層の電気比抵抗入力値を経験式から算出する。塩水に飽和されている砂岩地層に二酸化炭素を注入すると、電気比抵抗が増加するようになり、Marine  CSEMの数値解析を通じて二酸化炭素注入の前と、その後の地層電磁場の振幅と位相差の変化から砂岩層内の二酸化炭素の挙動をモニタリングする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温室ガス減縮のためのCO2地中貯留において、CO2挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【０００３】
日本Nagaoka地域やドイツKetzin地域のCO2地中貯留パイロットサイトの地層特性及び地質構造を見れば、CO2注入対象となる砂岩層は孔隙率が20%以上であり、これを透水性が低い泥岩層が覆っていてCO2の注入後漏出されない地質条件を取り揃えている(Andrea Forster et al., 2006; Xue, et al., 2006)。国内にもこれに似ている地層特性及び地質構造を持った大陸棚で物理探査及び試錐調査の資料分析を通じてCO2海洋地中貯留の可能性を示唆している。
【０００４】
CO2地中貯留技術が実用化されるためには、なによりも地中に注入されたCO2挙動及び保存ポテンシャルを評価しなければならないし、このために室内実験及びパイロットサイトで多様な実験が成り立っている。
【０００５】
室内で行う実験としては砂岩にCO2を注入する前と、その後に電気比抵抗や弾性波速度を測定してCO2注入量による電気比抵抗の増加や弾性波速度の減衰を用いて注入量及び挙動を評価している(Onishi, et al., 2006; Xue and Lei, 2006)。また、パイロットサイトでは弾性波トモグラフィー(tomography) 探査だけでなく、重力探査、Well loggingなどのように、多様な探査のモニタリング技法を用いてCO2地中挙動を評価している(Xue, et al., 2006; Saito et al., 2006; Sherlock et al., 2006)。
【０００６】
これら探査方法の中で、弾性波と電気比抵抗を用いたトモグラフィー探査は試錐孔を利用しなければならないと言う困難はあるが、探査結果の分解能が高くてCO2地中挙動を解釈するのに有用な方法で紹介されている。
【０００７】
海洋CO2地中貯留では電気比抵抗及び弾性波トモグラフィー探査方法の接近が容易ではないため海洋弾性波探査を使った事例が報告されている(Chadwick, et al., 2009)。しかし、弾性波探査の場合、CO2注入の前と、その後には大きい速度減衰が起きて注入範囲を解釈するには有利であるが、CO2 注入量が増えることによって、速度が減衰されないので注入量を定量的に評価するには難しいと言う短所がある。
【０００８】
一方、電気比抵抗は、CO2注入の前と後だけではなく、CO2注入量が増えることによって電気比抵抗がずっと増加するので、CO2注入範囲だけでなく、注入量を定量的に評価しやすいことから、Marine CSEM (Controlled-Sources Electromagnetic)によるその適用性を検討する必要がある。
【０００９】
本発明は、Marine CSEMの数値解析を実施して実現性を検証する。このために、海底二酸化炭素注入対象地層から採取した多孔質砂岩試料を使って電気比抵抗を測定し、これを用いたアーチ(Archie)の経験式からCO2注入量による多孔質砂岩層の電気比抵抗を算出する。また、CO2注入対象地層を単純化して地層モデルを設定し、CO2注入量による塩水帯水層の電気比抵抗を入力データとして用い、CO2注入の前と、その後のMarine CSEMによる数値解析を行い、この結果からCO2注入量による電磁場の振幅と位相差を計算して砂岩層内でのCO2注入挙動をモニタリングする方法が開示される。
【００１０】
（先行技術文献）
（非特許文献）
Andrea Forster et al., 2006; Xue, et al., 2006
Onishi, et al., 2006; Xue and Lei, 2006
Xue, et al., 2006; Saito et al., 2006; Sherlock et al., 2006
Chadwick, et al., 2009
Chadwick, et al., 2009
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、海底に分布されている砂岩層内で二酸化炭素が注入された後、その挙動をモニタリングする方法を樹立しようとする。
【００１２】
塩水に飽和されている多孔質砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては孔隙率、孔隙水の電気比抵抗を持つことができる。これら要因の中で、孔隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。
【００１３】
CO2の地中貯留において、一番理想的な地層として注目されていることが多孔質砂岩層であり、大部分塩水帯水層で孔隙水の電気比抵抗が海水とほぼ同じで低い。
【００１４】
このような地層は孔隙率が大きく、孔隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ohm-mで比較的低いが、超臨界状態のCO2を入れ込むようになれば、孔隙水の一部を押し出してその席にCO2が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００１５】
多孔質砂岩を用いた室内CO2注入実験結果によれば、孔隙の50〜60%位までCO2が満たされることと知られているが、塩水より超臨界状態や液体状態のCO2が電気伝導度が低いから、CO2注入量が増加すれば、増加するほど地層の電気比抵抗は高くなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記の目的等を果たすために案出されたこととして、より具体的には、CO2注入対象海底地層から採取した岩石試料を使って電気比抵抗を測定し、これを用いたアーチ(Archie)の経験式からCO2注入量による地層の電気比抵抗変化を算出する。その次に、海底CO2注入対象地層の海底にMarine CSEM探査のための送信機と受信機を設置し、CO2注入の前と、その後のMarine CSEM探査を繰り返し行い、CO2注入量による電磁場の振幅と位相差の変化比を計算して注入分布範囲を評価することによって、CO2の挙動を評価する方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
温室ガス減縮のためのCO2地中貯留において、CO2挙動モニタリング技術開発が重要であり、室内及びパイロットサイトで電気比抵抗及び弾性波速度を用いているが、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発が弾性波探査以外は全くない状態である。
【００１８】
本発明は、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果としてArchie経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値を設定してMarine CSEMに対する数値解析を遂行した。
【００１９】
その結果、砂岩層に対して、CO2注入前の電磁場の振幅と位相差に対して３0%と50%のCO2を注入した時を正規化させた電磁場の振幅と位相差が変わることを確認した。
【００２０】
また、送信周波数4.25 Hzを使用し、CO2が砂岩層に50%で飽和された時、オフセット(送信機から受信機までの距離)1,600mの場合、正規化させた振幅は1.6位であり、位相差は42度位に非常に大きく現われることを確認した。
【００２１】
このような結果から本発明が、CO2注入による電磁場の振幅と位相差の 変化比を算出することによって、CO2注入範囲をより正確に解釈することができるし、Marine CSEMがCO2挙動モニタリング技術で有効に利用されることが検証された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
塩水に飽和されている砂岩層の場合、電気比抵抗に影響を及ぼす主要因としては、孔隙率及び孔隙水の電気比抵抗がある。これら要因の中で、孔隙水の電気比抵抗が変われば、地層の電気比抵抗も変わる。国内外的にCO2の地中貯留として一番理想的な地質及び地層の条件は、背斜構造を成し、孔隙率が大きい砂岩地層の上にシェール層が帽岩(cap rock)である場合である。このような塩水帯水層は孔隙率が大きくて孔隙水の電気伝導度が高くて地層の電気比抵抗が数ohm-mとして比較的に低いが、超臨界状態のCO2を注入するようになれば、孔隙水の一部を押し出してそこにCO2が満たされるから、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２３】
砂岩を用いた室内のCO2注入実験結果によれば、孔隙の50%位までCO2が満たされるものと知られている。塩水より超臨界状態や液体状態のCO2が電気伝導度が低いから、CO2の注入量が増加すれば、地層の電気比抵抗は高くなる。
【００２４】
海底CO2の地中貯留において解決しなければならない課題の中に一つが CO2の注入挙動に対するモニタリング技術開発である。
【００２５】
海底の塩水帯水層にCO2が注入されば、注入された領域では電気比抵抗が変わるから、CO2注入の前と、その後をMarine CSEMで繰り返し探査することによって、CO2の注入範囲及び挙動を評価することができるということに着眼して本発明が完成された。
【００２６】
上記目的を果たすための本発明の望ましい実施段階を要約して説明すれば、下記のようである。
【００２７】
本発明は、二酸化炭素注入対象地層の砂岩試料の採取段階S10;砂岩試料の有効孔隙率の算出段階S20；砂岩試料を濃度が違う孔隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階S３0; 二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階S40;二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別 Marine CSEM探査を遂行する段階S50;Marine CSEM探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階S60;を含むことを特徴とする。
【００２８】
以下、上述した本発明の一番目段階から図面たちを参照して、本発明の望ましい実試例及び本発明の效果確認のための実験方法、数値解釈準備過程及び数値解釈結果分析などに対して詳しく説明する。
【００２９】
砂岩試料の採取段階S10
二酸化炭素注入対象地層から採取された砂岩試料を使って電気比抵抗を測定する段階に対して説明する。 
【００３０】
図1は海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示しているし、図２は多孔質砂岩採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図を示す。点線の楕円部分がガス貯留層領域で砂岩試料を採取した位置である。この貯留層の地質時代はMid-Mioceneであり、シェールを少量含んでいる砂岩層として物理検層結果による地層の弾性波速度及びポアソン比(Poisson's ratio)、密度は表1に示した。
【００３１】
【表１】
2015037760.tif 000035
【００３２】
有効孔隙率の算出段階S20
採取した岩石試料は円柱型に成形したし、有効孔隙率φは下の式(1)から算出した。
【数学式１】
【００３３】
2015037760.tif 000036
ここで、WaとWwは成形された岩石試料である供試体を真空ポンプで72時間以上強制湿潤させた後、それぞれ空気中と水中での重さ(g)であり、Wdは供試体を乾燥炉で72時間以上乾燥させた後の重み(g)である。
表2は二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した岩石試料の大きさと有効孔隙率を示している。その有効孔隙率は約15~18%の範囲に属する。
【００３４】
【表２】
2015037760.tif 000037
【００３５】
電気比抵抗の測定段階S３0
岩石試料の電気比抵抗を測定するために、図３aのような電気比抵抗測定システムを用いた。
【００３６】
この測定システムは、電流を送る送信部(function generator)と、電位差を測定する信号調整部(Signal conditioner)と、電流及び電位差から電気比抵抗を算出する資料処理部(data processor)と、測定容器とで構成される。
【００３７】
岩石試料の測定容器は、図３bのようにアイソレーターのアクリルを使って六面体で作ったし、供試体は両方のスピンドルを用いて固定させることができるようにした。
【００３８】
電気比抵抗を測定する時、供試体両端の電流及び電位電極は80meshのあかがね網を使ったし、電極と供試体との間には0.1NのNaCl溶液に飽和させた濾過紙を挿入した。
【００３９】
また、供試体の電気比抵抗測定の中で供試体表面の水気が蒸発されないようにするために、測定容器底に少量の水を注ぎ、蓋を閉じて空気の中に水気が飽和状態を維持するようにした。
【００４０】
岩石試料の両断面に軸方向に一直線に電流が流れた時、電位電極から電位差を測定して下の式2から電気比抵抗を算出した。
【数学式２】
【００４１】
2015037760.tif 000038
ここで、Rは供試体の電気比抵抗(ohm-m)であり、Sは供試体の断面積(cm2)であり、Lは供試体の長さ(cm)であり、Iは電流(A)であり、Vは電位差(V)を示す。
【００４２】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩を濃度が違う３種のNaCl溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果は表３のようである。
【００４３】
【表３】
2015037760.tif 000039
【００４４】
孔隙水の電気比抵抗が高いほど岩石試料の電気比抵抗も高くなれ、等しい孔隙水の電気比抵抗でも有効孔隙率が大きい岩石試料であればあるほど体積含水量が多くて電気比抵抗は低く現われる。
【００４５】
電気比抵抗変化の予測段階S40
多孔質砂岩の電気比抵抗は、孔隙率、飽和度、孔隙水の電気比抵抗などによって大きく左右され、アーチ(Archie、1942)による経験式が広く利用されている。この経験式は、多孔質砂岩の貯留能力を評価するために、地層の電気比抵抗R、孔隙水の電気比抵抗Rw及び飽和度Sw間の関係を下の式３で示す。
【数学式３】
【００４６】
2015037760.tif 000040
ここで、Fは地層比抵抗係数(Formation factor)と呼ばれ、下の式4のようである。
【数学式４】
【００４７】
2015037760.tif 000041
ここで、aは実験定数として経験的に0.6〜３.5間の値を持ち、φは地層の孔隙率である。mは固結係数(cementation factor)として孔隙の幾何学的な形態及び固結の程度によって異なるが、一般的に1.4〜2.2の値を持つ。
【００４８】
アーチ(Archie)の経験式において、孔隙水の電気比抵抗が分かれば、地層の孔隙率を評価することができるので、地層の石油貯留量の評価に広く用いられてきた。
【００４９】
二酸化炭素の地中貯留対象地層から採取した多孔質砂岩試料をNaCl濃度が異なる３種の溶液に飽和させて測定した電気比抵抗を用いて、アーチ(Archie)の経験式の固結係数mを求めることができる。式３と4において岩石の電気比抵抗Rと孔隙水の電気比抵抗Rwをそれぞれ逆数で取れば、岩石の電気伝導度σと孔隙水の電気伝導度σwになり、岩石試料がNaCl溶液に飽和された状態であれば飽和度Swが1となる。
【００５０】
したがって、式３と式4から、水で飽和された岩石試料の電気伝導度σと孔隙水の電気伝導度σwとの関係は下の式5のようである。
【数学式５】
【００５１】
2015037760.tif 000042
ここで、aとmは孔隙の幾何学的な形態と、粘土の含有量と、イオンの活動度等に左右される変数である。
【００５２】
図4(a)ないし(c)は、多孔質砂岩を濃度が異なる３種の溶液に飽和させて電気比抵抗を測定した結果から孔隙水(pore fluid)の電気伝導度(conductivity)と岩石電気伝導度(rock conductivity)との関係を示したグラフである。横軸に孔隙水の電気伝導度σw、縦軸に岩石試料の電気比抵抗σをとって濃度が異なる３種の溶液とそれに飽和させた岩石試料の電気比抵抗測定値をプロットしたものである。このグラフから飽和状態の多孔質砂岩の場合、岩石試料に飽和させた孔隙水の電気伝導度が大きくなるほど岩石試料の電気伝導度が大きくなるということが分り、両者は正比例関係にある。
【００５３】
これらの相関関係から１次回帰式を求めると、Ｙ＝ＡＸ＋Ｂのように１次関数となる。この回帰式の傾きからＡを、切片からＢを求めることができるが、Ｂは岩石構成物質の比抵抗なので、粘土などの導電性物質を含まない砂岩試料の場合は０となる。したがって、１次関数の傾きＡからaとmを求めることができる。ここでは、多くの砂岩実験データを参考し、aは0.97にして各試料の固結係数mを算出した。岩石試料B2-1、B2-2-CとB4-３-Cの固結係数mはそれぞれ1.56３、1.612、1.464であった。
【００５４】
表4は注入対象地層の砂岩試料(B2-1)に対してCO2飽和度0%、３0%、50%に対する地層の電気比抵抗を示している。注入対象地層の岩石試料を室内で濃度が違う溶液に飽和させて電気比抵抗を測定することによって、注入対象地層の電気比抵抗変化を予測することができる。
【００５５】
【表４】
2015037760.tif 000043
【００５６】
Marine CSEM探査を遂行する段階S50
海底CO2注入対象地層に対してMarine CSEM探査を実施することで、CO2 注入領域を中央に置いて、海底にMarine CSEM探査のための送信機と受信機を設置してCO2注入の前と後に等しい測定条件で繰り返してMarine CSEM探査を遂行する。これを実現するための数値解釈過程及び結果は下のようである。
【００５７】
Marin CSEM数値解釈のための地層モデルは、図２の二酸化炭素地中貯留対象地域の現場弾性波探査と物理検層結果を土台で2階地質構造で単純化して砂岩層上に不透水層のシェールが帽岩(cap rock)で存在するものとして、図5のように設定した。この地層モデルで砂岩層がCO2注入対象になり、注入領域を一定するように決めてCO2注入量によって砂岩層の電気比抵抗変化をArchieの経験式で計算した。
【００５８】
上記表4は二酸化炭素の地中貯留地層から採取した砂岩試料の中で代表性を持ったB2-1の電気比抵抗の測定結果を土台でArchieの経験式を用いて算出した砂岩層の CO2飽和度による電気比抵抗の入力値を示している。
【００５９】
Phase1は砂岩層にCO2を入れ込む前の段階として地層の孔隙は塩水で飽和されている状態なので、室内電気比抵抗測定値を土台で帽岩(cap rock)であるシェールは1ohm-mであり、砂岩層は4.26 ohm-mで設定した。
【００６０】
Phase2と３は砂岩層の孔隙にCO2がそれぞれ３0%と50%に注入された時を仮定し、この時、注入領域の電気比抵抗はArchieの経験式で計算した8.68ohm-mと17.02 ohm-mを入力資料で設定した。
【００６１】
単純な2階地質構造モデルに対してCO2を注入の前と、その後の各段階別Marine CSEM数値解釈を遂行した。
【００６２】
数値解釈上の探査目標はCO2が注入される砂岩層の上側部分で決定し、海底面の傾斜によって水深も700~1,３00 mに変化する。Marine CSEM数値解釈において送受信機はインラインモード(inline mode)で配し、送信源は x方向の電子双極ソース(Electric dipole source(Jx))を使用し、インラインモード(inline mode)によって受信機も x方向に展開させた。
【００６３】
また、受信機は、図6のように、海底面に100mの間隔で総３7個を設置し、送信機を海底面から100m 浮かべて連れて行きながら探査を遂行した。送信機はx方向に距離50mから始めて200mの間隔に移動しながら資料を獲得したし、すべて移動数は19回である。
【００６４】
Marine CSEM数値解釈のために、３D staggered-grid finite-difference algorithm (Sasaki and Meju, 2009)を使った。数値解釈全体領域はx、y及びz方向に総106 x 58 x 6個の格子で形成した。
【００６５】
ここで、海底面の辺りには格子一つを 50 X 100 x 25 mの大きさで小さく設定し、境界部には格子一つを ３,200 x ３,200 x ３,200mの大きさで大きく設定した。
【００６６】
二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階S60
図7は地層モデルに対して送信周波数が1.25Hzであり、送信機がx方向に1,250 mに位する時、CO2注入の前と砂岩層にCO2を３0%、50%で飽和させた時のMarine CSE 数値解釈結果を示している。
【００６７】
図7のa)とb)はCO2注入の前と、その後の３種の地層モデルに対して振幅(amplitude)と位相(phase)を示している。
【００６８】
図7のc)とd)は、それぞれ砂岩層に対してCO注入の前の値に対して３0%と50%でCO2を注入した時を正規化させた振幅と位相差を示している。
【００６９】
この図によれば、砂岩層に３0%と50%でCO2を注入した時、正規化された振幅は1.1~1.2であり、位相差は8~15度位である。
【００７０】
図8は、図7と等しい条件で送信周波数だけ4.25 Hzに変えた場合である。図8c)とd)の正規化させた振幅と位相差を見れば、図7の送信周波数1.25Hzに比べて振幅と位相差はほとんど2倍位に大きく現われることを分かる。
【００７１】
図9はMarine CSEM数値解釈結果を可視化するために、CO2注入の前と、３0%と50%のCO2を注入した時の３種モデルに対して送信周波数4.25 Hzを使って得た振幅(a)と位相(b)をオフセット(offset)(送信機から受信機までの距離)800mから2,200mまで表示した。
【００７２】
この時、横軸上の振幅と位相資料は、送/受信機中間支店を取って図示したし、細い点線はCO2注入の前を示し、太い点線と実線はそれぞれ３0%と 50%のCO2を注入した時を示す。この結果は、陸上で使われている電気探査に現われる資料と類似し、CO2保存による振幅と位相反応はオフセットが大きいほど大きく現われることを分かる。
【００７３】
図10は、図9のような結果をCO2注入による電気比抵抗の変化をより明確に示すために、CO2注入の前に対してCO2を３0%と50%で注入した時の振幅と位相を正規化させて表示した。
【００７４】
図10a)とb)は、CO2を３0%注入した時、正規化させた振幅と位相差を示しているし、図１０c)とd)はCO2を50%注入した時、正規化させた振幅と位相差を示している。
【００７５】
本発明の具体的な実試例として、海底CO2地中貯留に対するモニタリング技術開発のために、海底二酸化炭素地中貯留地層から採取した砂岩試料を用いて室内電気比抵抗測定結果からArchie 経験式を算出し、これを土台で単純海底地層モデルに対する入力値を設定してMarine CSEMに対する数値解釈を遂行した。
【００７６】
その結果、砂岩層に対してCO2注入前の値に対して３0%と50%でCO2を注入した時を正規化させた振幅と位相差は大きく示したし、送信周波数4.25 Hzを使用し、CO2が砂岩層に50%飽和された時のオフセット1,600mの場合、正規化させた振幅は1.6位、位相差は42度位に非常に大きく現われた。
【００７７】
このような結果から海底塩水帯水層の二酸化炭素挙動に関するモニタリング方法の実效性が立証されたと言える。
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】海底多孔質砂岩試料を採取した位置を示す図面である。
【図２】砂岩試料採取地域の現場弾性波探査資料を用いた最終重合断面図である。
【図３】電気比抵抗測定機の模式図である。
【図４】砂岩試料に対する孔隙水と岩石の電気伝導度関係を示す図面である。
【図５】Marine CSEM 数値解釈のための海底の単純な2階地質構造モデル 示す図面である。
【図６】Marine CSEM探査の模式図である。
【図７】砂岩層にCO2注入の前と、CO2を３0%、50%で飽和させた時のMarine CSEM数値解釈結果を示す図面である。
【図８】図7のような条件で送信周波数だけ4.25 Hzに変えた場合の結果を示す図面である。
【図９】CO2注入の前と、３0%と50%のCO2を注入した時の３種地層モデルに対して送信周波数 4.25Hzを使って得た電場の振幅(a)と位相(b)をオフセット(送信機から受信機までの距離)800mから2,200mまで表示したことを示す図面である。
【図１０】図9の結果をCO2注入の前の電場振幅と位相に対してCO2を３0%と 50%で注入した時の電場振幅と位相を正規化させて表示したしたことを示す図面である。
【図１１】本発明のモニタリング方法の各段階を図示した図面である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素注入対象地層の岩石試料を採取する段階Ｓ１０と、
上記採取した試料の有効孔隙率を算出する段階Ｓ２０と、
上記採取した岩石試料をＮａＣｌの濃度が異なる孔隙水に飽和させて電気比抵抗を測定する段階Ｓ３０と、
二酸化炭素注入による地層の電気比抵抗変化の予測段階Ｓ４０と、
二酸化炭素注入の前と、注入の後の各段階別Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査を行う段階Ｓ５０と、
前記Ｍａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動をモニタリングする段階Ｓ６０と、
を含むことを特徴とするＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項２】
前記Ｓ３０段階で、電気比抵抗測定をするためのシステムは、
電流を送る送信部（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と、
電位差を測定する信号調整部（Ｓｉｇｎａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）と、
前記電流及び電位差から電気比抵抗を算出するデータ処理部（ｄａｔａ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、
測定容器と、
で構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
【請求項３】
前記Ｓ４０段階での前記二酸化炭素注入による電気比抵抗変化予測において、岩石試料の電気比抵抗測定結果から以下のアーチ（Ａｒｃｈｉｅ）経験式を用いて、前記Ｓ３０段階で測定された試料の電気伝導度(電気比抵抗の逆数)を横軸に、孔隙水の電気伝導度を縦軸にプロットし、最小二乗法で回帰直線を求めることにより、直線の傾きと切片から実験定数ａ及び固結係数（ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）ｍを得ることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。
［Ａｒｃｈｉｅ経験式］
2015037760.tif 000044
（Ｒは試料の電気比抵抗、φは孔隙率、ｎは定数、Ｓｗは水飽和度）
【請求項４】
前記Ｓ６０段階の二酸化炭素挙動モニタリングは、
対象地層内に二酸化炭素が注入される場合、注入された領域で電磁場の振幅と位相差が変わることに基づいて、
二酸化炭素注入前と後における地層の電磁場の振幅と位相差の変化を用いて、二酸化炭素注入範囲と挙動をモニタリングすることを特徴とする請求項１に記載のＭａｒｉｎｅ  ＣＳＥＭ探査による地層内の二酸化炭素注入挙動の評価方法。