(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を地中貯留すると想定された場所で採掘された岩石が遮断部材に覆われた状態で収納される収納容器と、
前記収納容器に収納された岩石に二酸化炭素溶解溶液を圧送する透水手段と、
前記収納容器に収納された岩石の温度を設定する温度制御手段とを備え、
前記温度制御手段は、前記収納容器に収納された岩石の温度を、二酸化炭素を地中貯留すると想定された場所の温度に設定し、
前記二酸化炭素溶解溶液は、実環境の地下水組成に応じたものであり、
前記収納容器と前記遮断部材との間には一定圧力で流体が封入され、
前記透水手段は、前記遮断部材内の岩石に一定圧力で前記二酸化炭素溶解溶液を供給することを特徴とする岩石の透水反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載の岩石の透水反応装置において、
前記流体は、実環境に応じた圧力に加圧される
ことを特徴とする岩石の透水反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸性溶液を岩石に透水させた際の反応を検証する透水反応装置に関し、特に、二酸化炭素溶解溶液を透水させて岩石との反応により生ずる岩盤の透水特性への影響を特定することが可能で、二酸化炭素地中貯留における実環境の岩盤安定性評価に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を緩和するために様々な取り組みがなされている。例えば省エネルギー化や、二酸化炭素（以下；ＣＯ2）の排出を抑制することなどが行われている。このような取り組みの一つとして、工場や発電所等から排出されるＣＯ2を地中に貯留して（ＣＯ2地中貯留）ＣＯ2の排出量を削減する技術がＣＯ2削減の即効性ある方法として注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、実際にＣＯ2地中貯留を実施するに先立ち、地下に貯留される大量のＣＯ2が地下環境において及ぼす影響を事前に評価・検討する必要がある。地下に貯留されるＣＯ2は、地下の帯水層で酸性のＣＯ2溶解溶液となることから、長期間、地下にＣＯ2溶解溶液が貯留されると、地下資源や地上の人間の生活圏に影響を及ぼす虞がある。このため実際にＣＯ2地中貯留が行われる前に、室内においてＣＯ2が地下水の移動環境に及ぼす影響を調査・予想・評価することが不可欠となっている。
【０００４】
実際には本格的なＣＯ2地中貯留を行う前に試験的にＣＯ2の地中貯留を行い、一定期間後、ＣＯ2溶解溶液により変化した地下の岩石を採取し、採取した岩石の態様を観察することで、地中貯留におけるＣＯ2の影響を実際に近い場の結果に基づいて評価することができる。しかし、事前に数百メートルの地下を掘削し、試験的にＣＯ2を圧入するには大規模な設備と費用が必要となり現実的ではない。
【０００５】
更に、地下の温度・圧力・地下水組成はＣＯ2地中貯留を行う深度によって様々であり、同種の岩石にＣＯ2溶解溶液を反応させるだけでは、地下深部から浅部までの異なる深度を網羅したＣＯ2地中貯留の影響評価を行うことはできない。このため、これまではＣＯ2地中貯留の際に、温度、圧力、地下水組成の条件が異なる種々の実環境に応じて、地下から採取した岩石の物性がどのように変化するかを正確に把握できないのが現状であった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２３７１６７号公報（請求項７等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、実環境の状況（温度、圧力、地下水組成）に則して、これらの条件を変化させながら酸性溶液と岩石を反応させることができる岩石の透水反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の岩石の透水反応装置は、二酸化炭素を地中貯留すると想定された場所で採掘された岩石が遮断部材に覆われた状態で収納される収納容器と、前記収納容器に収納された岩石に二酸化炭素溶解溶液を圧送する透水手段と、前記収納容器に収納された岩石の温度を設定する温度制御手段とを備え、前記温度制御手段は、前記収納容器に収納された岩石の温度を、二酸化炭素を地中貯留すると想定された場所の温度に設定し、前記二酸化炭素溶解溶液は、実環境の地下水組成に応じたものであり、前記収納容器と前記遮断部材との間には一定圧力で流体が封入され、前記透水手段は、前記遮断部材内の岩石に一定圧力で前記二酸化炭素溶解溶液を供給することを特徴とする岩石の透水反応装置にある。
【０００９】
また、請求項１に係る本発明では、収納容器に収納された岩石は温度制御手段により、二酸化炭素を地中貯留すると想定された場所の温度に維持される。これにより、収納容器に収納された岩石は、二酸化炭素が地中貯留される実環境の温度と同等の複雑な条件の下で酸性溶液を透水させて反応を起こさせることができ、このため、当該実環境に即した状況を透水反応装置内で再現することができ、大掛かりな設備や多大なる費用の必要がなくなる。また、二酸化炭素を地中貯留する場合における二酸化炭素溶解溶液による岩石の反応が実環境に則して再現される。また、温度制御手段は、収納容器に収納された岩石の温度を、実験途中においてもプログラムで変更可能であるので、より一層実環境に則して実験することが可能となっている。
【００１２】
また、請求項２に係る本発明の岩石の透水反応装置は、請求項１に記載の岩石の透水反応装置において、前記流体は、実環境に応じた圧力に加圧されることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る本発明では、流体により収納容器内の岩石に圧力が掛けられるので、実環境の圧力をより精密に再現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の岩石の透水反応装置は、酸性溶液と岩石とを実環境の状況に則して反応させることができる岩石の透水反応装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
〈実施形態１〉
以下本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る岩石の透水反応装置の全体構成、図２には反応セルの断面、図３には二酸化炭素が地下に貯留された状態の概略断面を示してある。なお、図示の実施形態例は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００２０】
図１、図２に基づいて透水反応装置の全体構成を説明する。
図１に示すように、筐体１の内部には複数本の支柱２が鉛直に設けられ、支柱２には台座３及び天板４が水平に固定されている。台座３の上には収納容器としての反応セル１０が載置され、反応セル１０は台座３と天板４とに亘って固定されている。
【００２１】
図１、図２に示すように、反応セル１０は内部に岩石２０が収納されるように形成された円筒形状の容器であり、岩石２０は切削されて円柱状に形成されている。岩石２０の周囲は流体を遮断する遮断部材２５に覆われ、遮断部材２５に覆われた岩石２０は反応セル１０の中央部に収納されている。
【００２２】
反応セル１０の下部には配管３１を介してＣＯ2溶解溶液タンク３０が接続され、ＣＯ2溶解溶液タンク３０にはＣＯ2溶解溶液が充填されている。ＣＯ2溶解溶液タンク３０には所定圧のヘリウム（Ｈｅ）ガスが供給され、ＣＯ2溶解溶液タンク３０に充填されたＣＯ2溶解溶液が配管３１を通って反応セル１０の内部に圧送される。一方、反応セル１０の上部には配管３３を介してピストンシリンダ３２が接続され、反応セル１０の内部のＣＯ2溶解溶液（岩石２０を透水したＣＯ2溶解溶液）がピストンシリンダ３２によって吸引されて排出される。これにより、ＣＯ2溶解溶液がＣＯ2溶解溶液タンク３０から反応セル１０に圧送されることで、岩石２０の下側から上側に向かってＣＯ2溶解溶液が透水するようになっている。
【００２３】
この岩石２０の上側から排出されたＣＯ2溶解溶液はピストンシリンダ３２に吸引されて排出される。なお、ピストンシリンダ３２は、反応セル１０からのＣＯ2溶解溶液を一定圧力で排出するように構成されている。
【００２４】
また、別の溶液が入ったピストンシリンダを、配管３３から分岐した配管に接続させ、このピストンシリンダから、ＣＯ2溶解溶液が移動中に接触するであろう地下水を模擬した組成の溶液を岩石２０に透水させる構成を設けてもよい。この構成により、岩石２０に透水されるＣＯ2溶解溶液の組成を可変にできるので、実環境で起こりえる複雑な現象を再現できる。
【００２５】
反応セル１０の筒部には配管４１を介して圧力調整手段としての圧縮シリンダ４０が接続されている。反応セル１０の内面と遮断部材２５との間には流体としてのイオン交換水２６が封入され、イオン交換水２６は圧縮シリンダ４０により所定圧力で反応セル１０の内面と遮断部材２５との間に封入される。これにより、遮断部材２５により囲まれた岩石２０はイオン交換水２６の圧力によって所定圧力が掛けられた状態にされている。
【００２６】
ここで、圧縮シリンダ４０により設定される圧力としては、例えば、岩石２０を採掘した場所における採掘前の岩石２０に掛かる推定された圧力を用いることができる。
【００２７】
筒状の反応セル１０の上面及び下面にはボルト２８がナット２９により取付けられ、ボルト２８の頂部（上側のボルト２８の下端、下側のボルト２８の上端）にはナット部材２７がそれぞれ固定されている。ナット部材２７の対向面にはフィルタ２１がそれぞれ配され、フィルタ２１の間に円柱状の岩石２０の端面が挟持される。ナット２９の調整により、ボルト２８を介してナット部材２７同士の間隔が調整され、フィルタ２１の間に岩石２０が挟持されて固定される。
【００２８】
上側及び下側のボルト２８には貫通流路６１が形成されている。下側のボルト２８の貫通流路６１には配管３１が接続され、上側のボルト２８の貫通流路６１には配管３３が接続されている。なお、フィルタ２１、ナット部材２７、ボルト２８及びナット２９は耐熱・耐食の合金、例えばニッケルを主成分とするハステロイＣ（登録商標）で形成されている。
【００２９】
遮断部材２５は、テフロン（登録商標）製のシールテープ２２、バイトンゴム（登録商標）（フッ素ゴム）製のスリーブ２３及び熱収縮チューブ２４から構成される。即ち、岩石２０及びフィルタ２１の周囲にシールテープ２２が巻き付けられ、岩石２０の端面にフィルタ２１が固定された状態になる。シールテープ２２の周囲には筒状のスリーブ２３が嵌合され、筒状のスリーブ２３の外周側に熱収縮チューブ２４が被せられている。スリーブ２３の上端開口及び下端開口はフィルタ２１を覆った状態でナット部材２７に弾性接着剤で接着され、岩石２０の上面及び下面が外部と遮断される。
【００３０】
遮断部材２５が岩石２０を取り囲み、遮断部材２５の熱収縮チューブ２４と反応セル１０の内面との間にイオン交換水２６が充填される。岩石２０は熱収縮チューブ２４、スリーブ２３及びシールテープ２２を介して所定の圧力が掛けられる。そして、遮断部材２５により岩石２０が完全に覆われるので、岩石２０に透水されるＣＯ2溶解溶液と封圧媒体であるイオン交換水２６とは混合しない。
【００３１】
筐体１には内部に収容された岩石２０の温度を実環境に応じた温度に設定する温度制御手段が備えられている。即ち、筐体１の外周には複数のヒータ５０が上下方向に間隔を空けて取付けられている。ヒータ５０は、温度制御装置５１からの制御信号に基づいて任意の温度に設定され、反応セル１０の岩石２０の温度を所定温度に設定する。温度制御装置５１が設定する岩石２０の所定温度は、実環境に応じた温度が用いられる。実環境に応じた温度としては、例えば、岩石２０を採取した場所における採取前の岩石２０の実測温度を用いる。
【００３２】
上記構成の岩石の透水反応装置では、温度制御装置５１の制御によりヒータ５０が所望の温度にプログラム調整され、反応セル１０に収納された岩石２０の温度は実環境の温度変化に応じた温度に変更、維持できる。例えば、ＣＯ2地中貯留を想定し、想定される所定の深度の温度環境に応じた温度に岩石２０の温度が維持される。これにより、ＣＯ2地中貯留が実施される深度における温度環境、およびＣＯ2地中貯留後に移動する地点の温度に対応させて岩石２０のＣＯ2による侵食（溶解）状況等の化学反応状況を反応セル１０の中で再現する。
【００３３】
更に、圧縮シリンダ４０で圧送されたイオン交換水２６により、遮断部材２５を介して岩石に所望の圧力が掛けられ、実環境に応じた圧力環境に岩石２０が維持される。これにより、ＣＯ2地中貯留を想定した深度における温度環境・圧力環境での岩石２０のＣＯ2による侵食（溶解）状況、すなわち将来にわたる岩盤溶解による透水性変化の様子を予想することができるようになる。なお、イオン交換水２６の封入圧力を一定の値に固定し、実環境に応じた温度環境だけを再現することも可能である。
【００３４】
図３に基づいてＣＯ2地中貯留の状況を説明する。
図３に示すように、地表から不透水層１０２を貫通して帯水層１００に達する縦穴１０１（ボーリング孔）が掘削され、地上には、二酸化炭素を縦穴１０１に圧送する圧送装置１０３が設置されている。帯水層１００は地下水が存在する地層であり、圧送装置１０３によりＣＯ2が帯水層１００に圧送されて貯留され、不透水層１０２により地上への流出が阻止されている。
【００３５】
例えば、工場や発電所から排出されるＣＯ2が圧送装置１０３により縦穴１０１から帯水層１００に圧送されると、ＣＯ2が地下水に溶けて酸性溶液であるＣＯ2溶解溶液が生成される。ＣＯ2溶解溶液により帯水層１００の縦穴１０１近傍の岩石１０４は化学反応が生じる。具体的には、岩石１０４を構成する鉱物である雲母などのスメクタイト化、方解石の溶解、斜長石の溶解等が生じる。
【００３６】
ＣＯ2を地中に貯留する場所によっては、岩石１０４の温度は様々であり、また、帯水層１００の深度によっては、岩石１０４に掛かる圧力も様々である。上述した透水反応装置は、このように実環境によって異なる温度・圧力を再現して岩石２０（図１、図２参照）にＣＯ2溶解溶液を透水するので、地下の実環境が岩石１０４で生じる化学反応を反応セル１０の岩石２０により精度よく再現できる。
【００３７】
本実施形態に係る岩石の透水反応装置を用いることにより、岩石２０に一定期間ＣＯ2溶解溶液を透水した後、反応セル１０から取り出した岩石２０は、様々な分析方法で化学反応による変化が測定される。例えば、所定の温度・圧力条件でＣＯ2溶解溶液を透水した後の岩石２０をＸ線解析し、岩石２０の組成の変化を分析する。また、岩石２０の色・間隙率・密度・間隙径分布等の物性変化を測定し、分析する。組成変化や物性変化を検証することで、例えば、ＣＯ2により酸性化した地下水が岩石に影響を及ぼし、健康、環境に有害な物質が溶出するか否かを判断することができる。この結果、例えば、岩石２０が存在する場所がＣＯ2地中貯留に適切か不適切かを事前に調査、評価する判断材料を提供することができる。
【００３８】
上記構成の岩石の透水反応装置は酸性溶液としてＣＯ2溶解溶液を想定した例を挙げて説明したが、ＣＯ2を溶解させる溶液は実際の地層に含まれる地下水と同じ水質の地下水とすることができる。すなわち本岩石の透水反応装置は海底下の地中など塩水溶液に満たされた地層にＣＯ2を貯留する実環境に応じた環境を再現することも可能である。さらに、酸性溶液として酸性雨を想定し、酸性雨により岩石が変化する地表付近の物理的風化、侵食、岩盤劣化、崩壊などの実天然現象を対象とすることも可能である。この場合においても、実環境に合わせて、反応セル１０に収納された岩石２０の温度や岩石２０に掛かる圧力、透水させる溶液の組成を設定することができるので、地表で激しく変わる温度やＣＯ2濃度の影響を想定した岩石の変化を実環境に則して精度よく再現することができる。これは温度制御装置５１が温度を常に一定に保たせることなく、任意にプログラム制御で増減させる機構を有しており、ＣＯ2溶解溶液を透水している期間に応じて温度を変動させることが可能となっていることによる。例えば、温度を下げて国内の冬季の温度を再現し、温度を上げて国内の夏季の温度を再現すること、昼に太陽光により熱せられ、夜に温度低下する繰り返しの温度変化を模擬することで地表における通年の地下環境を再現することができる。多様な地域において、より一層現実の地下環境に則した岩石２０の反応を検証することができることが特徴となっている。
【００３９】
更に、ＣＯ2溶解溶液タンク３０は、貯留しているＣＯ2溶解溶液の温度が、地下環境に存在するＣＯ2溶解溶液の温度に事前に設定されるように単独で加熱してもよい。この場合においても、現実の地下環境に則して岩石２０の反応の検証を行うことができる。
【００４０】
〈他の実施形態〉
実施形態１では、ＣＯ2溶液を岩石に透水させるべく一つの反応セル１０を筐体１に配設しているが、本発明ではこのような形態に限定されない。図４は、他の実施形態に係る岩石の透水反応装置の全体構成図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
図４に示すように、反応セル１０の下方に、反応セル１０Ａが配設されている。反応セル１０Ａの構成は反応セル１０と同一である。反応セル１０Ａには、蒸留水タンク３０Ａが接続されており、蒸留水タンク３０Ａに貯留された蒸留水が、反応セル１０Ａの下部から上部へ透水するようになっている。
【００４２】
かかる構成の透水反応装置では、反応セル１０・１０Ａは共に温度制御装置５１により同一の温度に制御されるようになっており、また、圧縮シリンダ４０により同一の圧力が掛かるようになっている。したがって、反応セル１０に収納された岩石２０は、ＣＯ2溶液に透水され、反応セル１０Ａに収納された岩石２０Ａは蒸留水に透水される。すなわち、ＣＯ2を含む溶液による変化と、ＣＯ2を含まない溶液とを比較することができ、ＣＯ2溶液が岩石に与える影響を評価することができる。
【００４３】
このように、本発明の岩石の透水反応装置は、複数の反応セルを具備し、そのうち一方の反応セルには岩石を収納して二酸化炭素を含む溶液を流し、他方の反応セルには岩石を収納して二酸化炭素を含まない溶液を別途流すことで、岩石への二酸化炭素の影響をより詳しく調査することもできる。例えば、ＣＯ2溶解溶液により溶解しやすい岩石、溶出し易い元素であるか否かをより詳細に判断することができる。この結果、例えば、図４に示した岩石１０４の近傍のように、岩石２０が存在する場所がＣＯ2地中貯留に適切か不適切かを評価する判断材料を得ることができる。
【００４４】
また、図４に示したように、複数の反応セルを筐体１に取り付け、ひとつの反応セルを透水したＣＯ2溶液を、他の反応セルに再度透水させるように連結してもよい。また、各反応セルに異なる温度を設定してもよい。例えば一つの反応セルを相対的に低温に、他の反応セルを相対的に高温に設定することができる。これにより、地中の多様な温度環境をより柔軟に模擬することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、酸性溶液を岩石に透水させた際の反応を検証する透水反応装置の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態例に係る岩石の透水反応装置の全体構成図である。
【図２】反応セルの断面図である。
【図３】二酸化炭素が地下に貯留された状態の概略断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態例に係る岩石の透水反応装置の全体構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１            筐体
２            支柱
３            台座
４            天板
１０、１０Ａ        反応セル
２０、２０Ａ        岩石
２１            フィルタ
２２            シールテープ
２３            スリーブ
２４            熱収縮チューブ
２５            遮断部材
２６            イオン交換水
２７            ナット部材
２８            ボルト
２９            ナット
３０            二酸化炭素（ＣＯ2）溶液タンク
３１、３３、４１      配管
３２            ピストンシリンダ
４０            圧縮シリンダ
５０            ヒータ
５１            温度制御装置
６１            貫通流路
【図１】
0004993197.tif 000002
【図２】
0004993197.tif 000003
【図３】
0004993197.tif 000004
【図４】
0004993197.tif 000005