(57)【要約】【課題】帯水層に注入した炭酸ガスが地中を上昇し海底面に漏出することがないとともに、炭酸ガス溶解水の状態を広域的かつ長期的にモニタリングが可能な炭酸ガスの地中貯留システムを提供する。【解決手段】炭酸ガスを溶媒に溶解させた状態で海底地盤中の帯水層に圧入し、貯留・隔離するための炭酸ガスの地中貯留システムであって、炭酸ガスを溶媒に溶解させるとともに、比重が帯水層の水比重よりも大きい炭酸ガス溶解水を生成する炭酸ガス溶解水製造装置１と、生成された炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入するために海底地盤中の帯水層まで貫通させた注入井５とから構成され、前記炭酸ガス溶解水の貯留領域Ｈを、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層Ｓと重ならない下層領域に形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスを溶媒に溶解させた状態で海底地盤中の帯水層に圧入し、貯留・隔離するための炭酸ガスの地中貯留システムであって、
炭酸ガスを溶媒に溶解させるとともに、比重が帯水層の水比重よりも大きい炭酸ガス溶解水を生成する炭酸ガス溶解水製造装置と、生成された炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入するために海底地盤中の帯水層まで貫通させた注入井とから構成され、
前記炭酸ガス溶解水の貯留領域を、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層と重ならない下層領域に形成するようにしたことを特徴とする炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項２】
前記ハイドレート生成層は、水深４５０ｍ以上かつ水温１０℃未満の海底面から、地温１０℃となる地下深度までの区間の層である請求項１記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項３】
前記ハイドレート生成層の地層厚として、少なくとも１００ｍ確保してある請求項１、２いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項４】
前記炭酸ガスハイドレート生成層の下面から前記注入井からの注入区間の上端までの離隔距離は、少なくとも１００〜２５０ｍ確保するようにしてある請求項１〜３いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項５】
前記注入井は、前記帯水層まで垂直井、傾斜井、水平坑井、大偏距井掘削のいずれかによって掘削されている請求項１〜４いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項６】
海洋上に洋上プラットフォームを構築するとともに、この洋上プラットフォームに前記炭酸ガス溶解水製造装置、注入井及び炭酸ガス圧送装置が設備されている請求項１〜５いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項７】
排出源から回収された炭酸ガスは液化炭酸ガス及び／又は炭酸ガスハイドレートとされ、陸上から前記洋上プラットフォームまで、船舶により及び／又は陸上から前記洋上プラットフォームまで配設されたパイプラインにより輸送される請求項６記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項８】
前記炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入した後の状態をモニタリングするため、炭酸ガスハイドレート層の形成状況を検出可能な炭酸ガス溶解水モニタリング装置が備えられている請求項１〜７いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【請求項９】
前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置は、音波探査によって海底擬似反射面を検出する装置である請求項８記載の炭酸ガスの地中貯留システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地球温暖化の原因とされる温室効果ガスの一つである炭酸ガスの削減に資するため、炭酸ガスの大規模な排出源等から分離・回収した炭酸ガスを、地中に圧入し、長期的かつ安定的に貯留・隔離するための炭酸ガスの地中貯留システムに関する。より詳細には、炭酸ガスの貯留・隔離の信頼性を高めるとともに、貯留後の漏洩が無いことを示しうるモニタリングが可能な炭酸ガスの地中貯留システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭酸ガスの地中貯留技術として、(1)超臨界型貯留方式、(2)ハイドレートによる貯留方式などが知られている。
【０００３】
前記超臨界型貯留方式は、下記非特許文献１，２に記載されるように、排出ガスから分離・回収した炭酸ガスを、地中の枯渇した油田やガス田あるいは帯水層に貯留する際、前記炭酸ガスを液体又は超臨界状態に圧縮し、注入井より地中に圧入する方式である。一般に、この炭酸ガスは深度800ｍ以上の貯留層に圧入することにより、炭酸ガスの超臨界状態（二酸化炭素の場合、温度31℃以上、圧力7.4MPa以上）を維持し、炭酸ガスの密度を大きくして効率的な貯留を図っている。
【０００４】
しかしながら、超臨界状態の炭酸ガスは周辺地下水より比重が軽く、浮力で上方へ移動するため、炭酸ガスを貯留する帯水層として、形状がドーム状とされ、上方中央部に浮上した炭酸ガスがトラップされるようなシール層（キャップロック）が形成されていることが絶対条件であった。ところが、一般的に油田やガス田では、貯留層が前記シール層とドーム形状との組合せによるトラップ構造を有することが確認されているが、自然界において係る条件に適合した帯水層を見つけることが課題となっている。このため適用できる条件を拡げ、炭酸ガスが浮上せず長期的かつ安定的に地中に貯留・隔離させる方法が望まれていた。
【０００５】
一方、前記ハイドレートによる貯留方式は、下記非特許文献３に記載されるように、地中の炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力及び温度条件を満足する炭酸ガスハイドレート生成域に、炭酸ガスを注入し、炭酸ガスハイドレート層を人工的に形成することにより、この炭酸ガスハイドレートの人工層をキャップロックの代用として、その下に地層水より比重の軽い二酸化炭素（液体あるいは気体）を注入して、浮上する炭酸ガスを貯留する方式である。
【０００６】
しかしながら、この方式では、炭酸ガス貯留層の上部に炭酸ガスハイドレートの人工層をキャップロックの代用として形成することが必須であり、このハイドレートのシール層としての機能が万全である必要がある。しかし、シール機能が万全であるハイドレート層を確実に形成するための工法を確立するのは技術的難易度が高く、実現までに多くの課題が残っている。
【０００７】
このような背景に鑑み、本出願人は、近時、キャップロックを必要としない炭酸ガス貯留方法（以下、溶解型炭酸ガス貯留方式という。）を提案した。これは、下記特許文献１，２において示されるように、炭酸ガスを溶媒に溶解させた状態で地中の帯水層に圧入し、貯留・隔離するための炭酸ガスの地中貯留システムであって、炭酸ガスを液体又は超臨界状態まで圧縮する炭酸ガス圧縮装置と、海水及び／又は水からなる溶媒を圧縮・搬送する圧送ポンプと、前記圧縮された炭酸ガス及び溶媒が注入され、前記溶媒に前記炭酸ガスを溶解させて炭酸ガス溶解水とする１又は複数の溶解槽と、生成された炭酸ガス溶解水を地中の帯水層に圧入する地表面から前記帯水層まで貫通した注入井とから構成され、
前記溶解槽は、密閉された容器の下部に、前記炭酸ガス圧縮装置から送られた炭酸ガスが注入される炭酸ガス注入口と、前記溶媒圧送ポンプから送られた溶媒が注入される溶媒注入口とが形成されるとともに、前記容器の上部に前記炭酸ガス溶解水が吐出される吐出口が形成され、前記容器内に粒状の充填材が充填されて構成されることを特徴とする炭酸ガスの地中貯留システムである。
【０００８】
この溶解型炭酸ガス貯留方式によれば、比重が帯水層の水比重よりも大きい炭酸ガス溶解水を生成することが可能であり、貯留を行う帯水層の直上にキャップロックや背斜構造を必要とせず、注入された炭酸ガス溶解水は地層中をゆっくりと沈降しながら安定的に滞留することが数値解析により確認されている。
【非特許文献１】IPCC、“IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage”、Chapter 5、2005年、Cambridge University Press
【非特許文献２】大関真一、嘉納康二、”「二酸化炭素地中貯留」事業の実現にむけて〜石油・天然ガス上流技術への期待〜”、「石油・天然ガスレビュー」、独立行政法人  石油天然ガス・金属鉱物資源機構、2006.7、vol.40 No.4、p57-70
【非特許文献３】財団法人地球環境産業技術研究機構、“深地下・海底環境利用によるCO2地殻化学固定・ハイドレート固定のため基盤技術の開発”、二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業、プログラム方式二酸化炭素固定化・有効利用技術開発、平成１４年度成果報告書
【特許文献１】特願２００７−８２０７８号
【特許文献２】特願２００７−２９１６３５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１、２記載の溶解型炭酸ガス貯留方式においても、以下の問題点が残っている。
(1)何らかの原因により炭酸ガス溶解水が地層中を上昇し、減圧されて炭酸ガス（液体・気体）が遊離することがないとは完全に言い切れない。すなわち、上記引用文献１、２記載の溶解型炭酸ガス貯留方式は、貯留層となる帯水層の直上にキャップロックや背斜構造を必要としない利点を有するが、地質的な要因（高透水性な水みちの存在等）や貯留層への炭酸ガス溶解水注入による地層内圧力の高まり等によって、海底付近まで炭酸ガス溶解水が上昇し、減圧されることにより溶解していた炭酸ガスが遊離して、液体または気体状態となって海底面まで到達する可能性が完全に払拭できない。
(2)「海洋汚染等および海上災害の防止に関する法律」の改正により、「特定二酸化炭素ガスの海底下廃棄の許可等に関する省令」において、廃棄の実施期間は炭酸ガス漏洩の有無の確認として、事業者に長期的調査（モニタリング）が課される見通しである。この調査は、広域的かつ長期的に亘ると予測できるため、地層内の炭酸ガス溶解水がどのような状態で貯留されているかについて、面的に検知するには技術的難易度が高く、モニタリングシステムの確立が求められている。
【００１０】
一方で、前記モニタリングの負担を軽減したり、省力化するためには、炭酸ガスの地中貯留システムの信頼性をさらに高める技術システムの確立が求められている。
【００１１】
そこで本発明の主たる課題は、まず第１に、帯水層に注入された炭酸ガス溶解水が海底付近まで上昇し、減圧された場合にも、減圧により溶媒から遊離した炭酸ガスが地中を上昇し海底面に漏出することのない信頼性の高い炭酸ガスの地中貯留システムを提供することにある。
【００１２】
また第２に、帯水層に注入した炭酸ガス溶解水の状態を広域的かつ長期的にモニタリングが可能な炭酸ガスの地中貯留システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、炭酸ガスを溶媒に溶解させた状態で海底地盤中の帯水層に圧入し、貯留・隔離するための炭酸ガスの地中貯留システムであって、
炭酸ガスを溶媒に溶解させるとともに、比重が帯水層の水比重よりも大きい炭酸ガス溶解水を生成する炭酸ガス溶解水製造装置と、生成された炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入するために海底地盤中の帯水層まで貫通させた注入井とから構成され、
前記炭酸ガス溶解水の貯留領域を、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層と重ならない下層領域に形成するようにしたことを特徴とする炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００１４】
上記請求項１記載の発明に係る貯留システムにおける炭酸ガス溶解水の貯留原理は以下の通りである。帯水層に圧入された炭酸ガス溶解水は、比重が帯水層の水比重（水又は塩水）よりも大きいため、定常状態では帯水層に滞留しているが、高透水性の水みちの存在等の地質的な要因や帯水層への炭酸ガス溶解水の注入による地盤内圧力の急激な変化等、何らかの原因により帯水層中の炭酸ガス溶解水が地層中を上昇し、減圧されて炭酸ガス（液体・気体）が遊離することがないとは完全に言い切れない。
【００１５】
そこで、本発明では、このような帯水層から浮上して遊離した炭酸ガスをハイドレート化することによって地層の岩石間隙に固定化し、地層中からの漏出を防止するとともに、後続の上昇する炭酸ガスを停止させるため、炭酸ガス溶解水の貯留領域を、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層と重ならない下層領域に形成するようにした。すなわち、炭酸ガス溶解水の注入時及び注入後の状態において、炭酸ガスがハイドレート化しないように、前記ハイドレート生成層と重ならない、これよりも下側の帯水層に炭酸ガス溶解水の貯留領域が形成されるようにした。
【００１６】
前記ハイドレート生成層では、所定の圧力条件及び温度条件を満足することにより炭酸ガスが自然にハイドレート化（氷のような固体状態の存在形態となること）する。従って、基本的には海底下の帯水層に注入された炭酸ガス溶解水は、地層中をゆっくりと沈降していくはずであるが、何らかの原因により炭酸ガス溶解水から二酸化炭素（液体や気体）が遊離して地層中を上昇した場合、前記ハイドレート生成層に達すると、自然にハイドレート化し、地層の岩石間隙に固定化されることにより二酸化炭素の上昇が停止するとともに、後続して上昇する二酸化炭素を停止させるようになるため、二酸化炭素の漏洩が無い信頼性の高い炭酸ガスの地中貯留システムを提供することが可能となる。
【００１７】
また、二酸化炭素がハイドレート化する現象を利用して、地下水と炭酸ガス溶解水の密度差が小さいことから従来は困難と考えられていた炭酸ガス溶解水の貯留状態をモニタリングすることが容易に可能となる。そして、このモニタリングによる炭酸ガス漏洩の可能性が無いことが確認されれば、以後のモニタリングを省力化ないし省略できる可能性がある。
【００１８】
請求項２に係る本発明として、前記ハイドレート生成層は、水深４５０ｍ以上かつ水温１０℃未満の海底面から、地温１０℃となる地下深度までの区間の層である請求項１記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００１９】
上記請求項２記載の発明は、ハイドレート生成層の具体的な圧力条件及び温度条件を規定したものである。すなわち、水深４５０ｍ以上かつ水温１０℃未満の海底面から、地温１０℃となる地下深度までの区間の層において、炭酸ガスがハイドレート化するハイドレート生成層として機能することが、相平衡曲線及び地層の温度−圧力プロファイルより推定できる。
【００２０】
請求項３に係る本発明として、前記ハイドレート生成層の地層厚として、少なくとも１００ｍ確保してある請求項１、２いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００２１】
上記請求項３記載の発明は、ハイドレート生成層の地層厚として好適な寸法を具体的に規定したものである。二酸化炭素が地層内を上昇する際に、ハイドレート生成層を上昇しきる前に、ハイドレート化が発生し間隙を埋める必要があるため、ハイドレート層の層厚として、ある程度の流水距離を確保するようにする。具体的には少なくとも１００ｍ確保するのが望ましい。
【００２２】
請求項４に係る本発明として、前記炭酸ガスハイドレート生成層の下面から前記注入井からの注入区間の上端までの離隔距離は、少なくとも１００〜２５０ｍ確保するようにしてある請求項１〜３いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００２３】
上記請求項４記載の発明では、炭酸ガス溶解水の貯留領域を前記ハイドレート生成層と重ならない下層領域に形成するようにするため、前記炭酸ガスハイドレート生成層の下面から前記注入井からの注入区間の上端までの離隔距離は、少なくとも１００〜２５０ｍ確保するようにしたものである。炭酸ガス溶解水を帯水層に注入した際、基本的には水平方向に注入するが、上下方向にも拡がるため、この拡がりを考慮し、仮に炭酸ガス溶解水の注入期間を１０〜５０年とすると、注入井の注入区間の上端は、前記炭酸ガスハイドレート生成層の下面から少なくとも１００〜２５０ｍの離隔距離を持たせるようにするのが良い。
【００２４】
請求項５に係る本発明として、前記注入井は、前記帯水層まで垂直井、傾斜井、水平坑井、大偏距井掘削のいずれかによって掘削されている請求項１〜４いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００２５】
上記請求項５記載の発明は、前記注入井の好ましい掘削形態を規定したものであり、具体的には、垂直井、傾斜井、水平坑井(Horizontal Drilling,Multilateral Drilling)、大偏距井掘削(ERD:Extended Reach Drilling)のいずれかによって掘削することが好ましい。ここで、前記垂直井は、帯水層までのボーリング距離を短くできる点で有効であるものの、炭酸ガス溶解水の所要処理量を増加するにあたって注入井本数を増量する場合、地中で炭酸ガス溶解水が水平方向に拡大する関係上、追加する注入井をプラットフォームを拡大するか、別途プラットフォームを設置し水平方向に離す必要がある。このため、ボーリングの水平方向部分を有する傾斜井、水平坑井、大偏距井等のコントロールボーリングを採用することが望ましい。このコントロールボーリングにおいて、ボーリングの水平部距離をより大きくしたり、水平部からボーリングを分岐させ、１本のボーリングに複数本分の注入量を負担させることにより、合理的・経済的な注入井とすることができるようになる。
【００２６】
請求項６に係る本発明として、海洋上に洋上プラットフォームを構築するとともに、この洋上プラットフォームに前記炭酸ガス溶解水製造装置、注入井及び炭酸ガス圧送装置が設備されている請求項１〜５いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００２７】
上記請求項６記載の発明では、海洋上に洋上プラットフォームを構築し、この洋上プラットフォームに前記炭酸ガス溶解水製造装置、注入井及び炭酸ガス圧送装置を設備する。従って、地上設備が不要となり、設備用敷地の確保や周辺住民への環境影響などが無くなる。また、前記洋上プラットフォームを沿岸より離れた場所に構築することにより、処分量増加による施設の増設も比較的行いやすくなる。
【００２８】
請求項７に係る本発明として、排出源から回収された炭酸ガスは液化炭酸ガス及び／又は炭酸ガスハイドレートとされ、陸上から前記洋上プラットフォームまで、船舶により及び／又は陸上から前記洋上プラットフォームまで配設されたパイプラインにより輸送される請求項６記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００２９】
上記請求項７記載の発明は、陸上の排出源から洋上プラットフォームまでの炭酸ガスの輸送手段について規定したものであり、具体的には、排出源から回収した炭酸ガスは、液化炭酸ガス及び／又は炭酸ガスハイドレートとして、船舶により及び／又は陸上から洋上プラットフォームまで配設されたパイプラインにより輸送するようにする。これにより、至近の炭酸ガス排出源のみならず、周辺の炭酸ガス排出源において分離回収された炭酸ガスを受け入れて処分することも可能となる。
【００３０】
請求項８に係る本発明として、前記炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入した後の状態をモニタリングするため、炭酸ガスハイドレート層の形成状況を検出可能な炭酸ガス溶解水モニタリング装置が備えられている請求項１〜７いずれかに記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００３１】
請求項９に係る本発明として、前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置は、音波探査によって海底擬似反射面を検出する装置である請求項８記載の炭酸ガスの地中貯留システムが提供される。
【００３２】
上記請求項８、９記載の発明は、炭酸ガス溶解水を帯水層に圧入した後の状態をモニタリングするための炭酸ガス溶解水モニタリング装置を備えるようにしたものである。前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置は、音波探査によって海底擬似反射面（ＢＳＲ）を検出する装置である。具体的に、前記海底擬似反射面を検出する手段としては、反射法地震探査方法を用いることができる。モニタリングでは、何らかの原因により炭酸ガスが遊離して地層中を上昇し、地層中に炭酸ガスハイドレート層が形成された場合に、前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置によって検出された海底擬似反射面が経時的に深度を変えなければ、炭酸ガスハイドレート層は安定しており、後続の炭酸ガスの上昇があってもそれを停止させていると判断できる。この結果、帯水層に注入した炭酸ガス溶解水の状態を広域的かつ長期的にモニタリングすることができるようになる。
【発明の効果】
【００３３】
以上詳説のとおり本発明によれば、帯水層に注入された炭酸ガス溶解水が海底付近まで上昇し、減圧された場合にも、減圧により溶媒から遊離した炭酸ガスが地中を上昇し海底面に漏出することのない信頼性の高い炭酸ガスの地中貯留システムが提供できる。
【００３４】
また、帯水層に注入した炭酸ガス溶解水の状態を広域的かつ長期的にモニタリングが可能な炭酸ガスの地中貯留システムが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。図１は、本発明に係る炭酸ガスの地中貯留システムの概略図である。
【００３６】
本発明に係る炭酸ガスの地中貯留システムは、所定の炭酸ガス溶解水製造装置によって炭酸ガスを溶媒に溶解させた炭酸ガス溶解水を海底地盤中の帯水層に圧入し、貯留・隔離するためのものである。
【００３７】
炭酸ガスの地中貯留システムは、具体的には、炭酸ガスを溶媒に溶解させるとともに、比重が帯水層の水比重よりも大きい炭酸ガス溶解水を生成する炭酸ガス溶解水製造装置と、生成された炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入するために海底地盤中の帯水層まで貫通させた注入井と、必要に応じて前記注入井に炭酸ガス溶解水を圧送する炭酸ガス溶解水圧送装置とから構成され、
前記炭酸ガス溶解水の貯留領域を、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層と重ならない下層領域に形成するようにするものである。
【００３８】
なお、前記ガス溶解水圧送装置は、系内圧力のみでは圧送距離が不十分な場合に設けられ、系内圧力のみで圧送距離が十分でかつ帯水層へ炭酸ガス溶解水の圧入が可能な場合は省略が可能である。
【００３９】
〔炭酸ガス地中貯留システムについて〕
本発明に係る炭酸ガスの地中貯留システムでは、後段で詳述する所定の炭酸ガス溶解水製造装置によって、炭酸ガスを溶媒（海水、地層水、河川水、真水等の水のいずれか又はこれら複数の混合水）に溶解させて炭酸ガス溶解水が生成されている。このように生成された炭酸ガス溶解水は、炭酸ガスが溶媒中に飽和状態に近い高濃度で溶解するため、その比重が地層水の比重より大きく設定されるようになる。なお、炭酸ガス溶解水の比重は、炭酸ガスの飽和状態で地層水の比重より５％程度大きなものとなる。
【００４０】
かかる炭酸ガス溶解水は、海底地盤中の帯水層に圧入されると、定常状態では帯水層中を沈降して安定的に貯留・隔離される。このため、従来の溶解型貯留方式による炭酸ガスの地中貯留技術と比較すると、帯水層の直上にキャップロックや背斜構造を必要としないため貯留サイトの選定が容易になるなどの利点を有する。
【００４１】
しかしながら、このような炭酸ガス溶解水であっても、高透水性の水みちの存在等の地質的な要因や帯水層への炭酸ガス溶解水注入による地層内圧力の急激な変化等、何らかの原因により帯水層中の炭酸ガス溶解水が地層中を上昇し、減圧されて炭酸ガス（液体・気体）が遊離することがないとは完全に言い切れない。
【００４２】
そこで、本願発明では、図１に示されるように、前記炭酸ガス溶解水の貯留領域Ｈを、炭酸ガスハイドレートを生成し得る圧力条件及び温度条件を満足するとともに、海底面より所定深さで存在しているハイドレート生成層Ｓと重ならない下層領域に形成するようにした。これにより、帯水層に圧入した炭酸ガス溶解水が、何らかの原因により地層中を上昇して減圧され、炭酸ガス溶解水から炭酸ガス（液体や気体）が遊離して上昇しても、その上層にハイドレート生成層Ｓが存在するため、遊離した炭酸ガスがハイドレート化し、地層の岩石間隙に固定化され、炭酸ガスの上昇が停止し、また後続の上昇する炭酸ガスを停止させる働きも発現するようになる。
【００４３】
ここで、炭酸ガスのハイドレートとは、ガスハイドレートの一つであり、水包接化合物とも呼ばれ、水素結合による水分子の籠状構造の中にガスの分子が入り込み結合したものである。存在形態は、氷のような固体状態である。
【００４４】
このような炭酸ガスハイドレートの生成条件は、図２の圧力・温度の相平衡図に示されるように、圧力及び温度に依存している。図２において、曲線ＡＢＣの左側は炭酸ガスハイドレートの生成領域であり、右側は炭酸ガス溶解水の領域である。前記炭酸ガスハイドレートの生成領域は、さらに曲線ＤＢによって、その上側のハイドレート−気体の共存領域（CO2(H)＋CO2(G)）と、下側のハイドレート−液体の共存領域（CO2(H)＋CO2(L)）とに分割されている。ここで、図２に示される一般的な地温勾配（地層の温度−圧力プロファイル（曲線ＥＦ））から、ハイドレート生成層の厚みについて検討する。海底面Ｅ（温度Ｔ０、深度Ｄ０）から深部に向かう一般的な温度−圧力プロファイルは、図２の曲線ＥＦに示される通りである。すなわち、海底面Ｅ（深度Ｄ０）から地温勾配が前記相平衡曲線ＢＣと交差する点Ｆ（深度Ｄｂ）までの範囲が炭酸ガスのハイドレート生成層となる。かかる圧力及び温度条件を満足するハイドレート生成層Ｓは、水深４５０ｍ以上かつ水温１０℃未満の海底面から、地温１０℃となる地下深度までの区間となる。
【００４５】
このハイドレート生成層Ｓの地層厚としては、少なくとも１００ｍ確保するのが望ましい。炭酸ガスが地層内を上昇する際に、ハイドレート生成層Ｓを上昇しきる前に、ハイドレート化が発生し間隙を埋める必要があるため、ハイドレート生成層Ｓの層厚として、ある程度の流水距離を確保するようにする。ハイドレート生成層Ｓの層厚の設定は、海底面から深度方向に地温上昇勾配を２〜４℃／１００ｍ（平均：３℃／１００ｍ）として、地温が１０℃となるまでの地層領域として設定することができる。
【００４６】
一方、同図１に示されるように、炭酸ガス溶解水の注入時及び注入後の状態において、炭酸ガスがハイドレート化しないように、前記ハイドレート生成層Ｓと炭酸ガス溶解水の貯留領域Ｈとの間に離隔を有するようにするためには、注入した炭酸ガス溶解水の拡がりを十分に考慮して注入井５の深さ位置を設定する必要がある。後述する理由により、図３に示されるように、前記注入井５の先端部分に設けた注入区間の上端は、前記炭酸ガスハイドレート生成層Ｓの下面から少なくとも１００〜２５０ｍの離隔距離Ｌを持たせるように設置する。
【００４７】
地下水流による物質（微粒子・イオン等）の輸送は、移流・分散・拡散によりなされる。移流は基底となる地下水の流動により引き起こされるものであり、輸送の方向および速度は地下水流の方向及び速度と一致する。分散は、流体の混合プロセスにより発生するものであり、地下水流が存在する場合、地下水流の方向のみならず、それと直交方向にも発生する。拡散は、化学的物質流束が物質濃度勾配に比例して生じる（Fickの法則）ことによる輸送現象である。
【００４８】
今回の帯水層への炭酸ガス溶解水注入において、基本的に帯水層は概ね水平な成層構造を想定している。また、既往の調査事例により、水平な成層構造にある帯水層の透水性（水の通りやすさ）は、水平方向の方が卓越し、それに直交（鉛直）方向の透水性に対して１オーダー以上大きい場合も多く見られる。
【００４９】
また、図３に示されるように、炭酸ガス溶解水を圧入する注入井からの注入区間は、基本的に鉛直とし、帯水層構造を直交して貫く方向にあることを想定し、帯水層の構造と注入井の方向から、注入される炭酸ガス溶解水が形成する流れの形状は水平放射流になると想定すると、注入される炭酸ガス溶解水中の炭酸ガス成分（HCO3-イオン）が上方にある炭酸ガスハイドレート生成層Ｓ側に輸送されるモードとしては、上記３つの輸送形態（移流・分散・拡散）の内、分散と拡散によるものが支配的となると考えられる。
【００５０】
この分散や拡散による輸送の大きさは、それぞれ分散係数、拡散係数により評価される。分散係数は注入時のダルシー流速、拡散係数は水中の化学的拡散係数より推定することができる。これらの推定値は、分散係数については０．１〜０．０１（cm2/s）のオーダー、拡散係数については10-6（cm2/s）のオーダーとなり、分散が卓越することが推定される。よって、本発明では、図４に示されるように、拡散の効果は無視して分散のみ取り扱うこととする。
【００５１】
分散係数には、地下水流の方向（縦方向分散係数）とその直交方向（横方向分散係数）とが設定され、一般に横方向分散係数は縦方向分散係数に比して通常１／１０程度であると認識されている。
【００５２】
図４に示されるように、分散による濃度分布は一般に正規分布と仮定され、ある経過時刻の濃度分布の標準偏差（σT）は横方向分散係数より見積もられる。すなわち、流れの方向に直交する方向の横方向分散係数は、ＤＴ＝αＴ・ｖである。ここで、αＴは横方向分散率(≒0.1cm)、ｖはダルシー流速(≒0.4cm/s)。ある時刻ｔの濃度分布に関する標準偏差は、σＴ＝（2t・ＤＴ)1/2で表される。濃度分布の有意な広がりを相対濃度の正規分布において累積確率９５％の位置（１．９６σT）と想定し、炭酸ガス溶解水の注入期間を１０〜５０年間と想定すれば、前記炭酸ガスハイドレート生成層の下面から注入区間の上端までの離隔距離Ｌは、図５から１００〜２５０ｍであると評価される。
【００５３】
〔炭酸ガス溶解水製造装置について〕
次に、本発明で用いられる炭酸ガス溶解水製造装置１について図３〜図９に基づいて詳述する。
【００５４】
本発明に係る炭酸ガスの地中貯留システムの装置構成は、炭酸ガスを溶媒に溶解させて炭酸ガス溶解水を生成する炭酸ガス溶解水製造装置１と、生成された炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入するために海底面から前記帯水層まで貫通させた注入井５と、この注入井５に炭酸ガス溶解水を圧送する炭酸ガス溶解水圧送装置６とから主に構成されている。
《第１形態に係る炭酸ガス溶解水製造装置１》
前記炭酸ガス溶解水製造装置１は、炭酸ガスを飽和濃度レベル付近の高い濃度で溶媒に溶解させるためのものである。具体的に炭酸ガスの溶解量は、所定圧力下での飽和溶解度の８０％好ましくは９０％以上を目標とする。
【００５５】
系内の圧力は、炭酸ガスが液体又は超臨界状態を維持した状態で溶解が行われるようにするとともに、配管系の圧力損失とを考慮して、６ＭＰａ以上の高圧状態を維持するようにする。
【００５６】
炭酸ガス溶解水製造装置１は、図６に示されるように、炭酸ガスを液体又は超臨界状態まで圧縮する炭酸ガス圧縮装置２と、溶媒を圧縮・搬送する圧送ポンプ３と、前記圧縮された炭酸ガス及び溶媒が注入され、前記溶媒に前記炭酸ガスを溶解させて炭酸ガス溶解水とする複数の溶解槽４、４…とから主に構成される。前記溶解槽４は、炭酸ガスの溶解を促進するため複数設置したが、必要に応じて１基としてもよい。
【００５７】
前記溶解槽４は、図７に示されるように、密閉された容器１０の下部に、前記炭酸ガス圧縮装置２から送られた炭酸ガスが注入される炭酸ガス注入口１１と、前記溶媒圧送ポンプ３から送られた溶媒が注入される溶媒注入口１２とが形成されるとともに、前記容器１０の上部に前記炭酸ガス溶解水が吐出される吐出口１３が形成され、前記容器１０内の下方及び上方に夫々、前記容器１０内を上下方向に仕切る多孔板１４、１４がそれぞれ配設され、前記多孔板１４、１４間に粒状の充填材１６が充填されて構成されている。
【００５８】
前記充填材１６は、溶媒と炭酸ガスとの撹拌を促し、炭酸ガスの溶解を効率化するためのものであり、例えば、砂、砕石、ラシヒリング、サドルの内のいずれか又は組み合わせとすることができる。前記ラシヒリングとは、セラミック、プラスチック、メタル、カーボンなどからなる円筒形状をした、充填塔で使用される充填物で、一般に広く用いられているものを使用することができる。前記サドルとは、セラミックなどからなる馬鞍形状をした、充填塔で使用される充填物で、一般に前記ラシヒリングより圧力損失が小さくなるように形成されている。
【００５９】
また、前記充填材１６は、充填材の種類ごとに、炭酸ガス及び溶媒の流量及び前記溶解槽の形状に基づいて定められる炭酸ガス溶解量と前記溶解槽における圧力損失とから決定する最適な平均粒径とすることが好ましい。具体的には、充填材の種類ごとに、充填材の平均粒径に対する次の２つの関係を実験的に得た上で、溶解槽において許容される圧力損失（溶解槽の注入口と吐出口の間の圧力差）に対して、最も溶解量が多くなる平均粒径のものを最適な平均粒径として選定する。
(1)所定の炭酸ガス及び溶媒の流量及び溶解槽の形状において、充填材の平均粒径に対する炭酸ガス溶解量の関係。
(2)充填材の平均粒径に対する溶解槽の圧力損失の関係。
【００６０】
一般に、前記充填材の平均粒径に対する特性は、(1)炭酸ガス及び溶媒の流量と溶解槽の形状とが与えられれば、充填材の平均粒径を細かくするほど、炭酸ガスの溶解量は増加する。(2)一方、充填材の平均粒径を細かくするほど、溶解槽内の炭酸ガス及び溶媒の流れによる圧力損失が大きくなり、一定の流量を確保するために使用するエネルギーが増加する、という傾向がある。したがって、上記炭酸ガス及び溶媒の流量と溶解槽の形状とを総合的に勘案した上で、充填材の平均粒径を選定する。なお、所要の炭酸ガス溶解量が決定できない場合には、溶解槽の大型化などの対策を採ることも考慮する。
【００６１】
上記の最適な平均粒径の充填材１６を用いることにより、炭酸ガスの溶解効率に優れるようになる。
【００６２】
前記容器１０は、図７に示されるように、密閉された縦長の管型とすることが好ましい。これにより、溶解槽４における炭酸ガスと溶媒の滞留時間を確保することが可能になる。滞留時間は、流量にもよるが、流量を１０ml/分〜２０ml/分とした場合、２０〜４０分程度とするのがよい。また、系内の前記設定圧力に対して耐圧性を有する構造とすることができるとともに、短時間で連続的かつ安定的な炭酸ガス溶解水の生成が可能となる。
【００６３】
ここで、溶解槽４内の流れについて図７に基づいて説明すると、前記炭酸ガス注入口１１及び溶媒注入口１２から容器１０内に圧送された炭酸ガス及び溶媒は、下方ホッパー部１７で混合されるとともに、下方側多孔板１４から均等に充填材１６の充填領域に浸入する。前記充填材１６の充填領域においては、充填材１６間での流動と相まって溶媒と炭酸ガスとが充分に撹拌されて溶媒に炭酸ガスが溶解されるとともに、上方に流動していく。この作用により、上方側多孔板１４に到達したときには、溶媒に炭酸ガスがほぼ溶解された炭酸ガス溶解水が生成され、溶媒の飽和溶解レベルにまで達するようになる。その後、上方側多孔板１４から上方ホッパー部１８に浸入した炭酸ガス溶解水は、吐出口１３から吐出される。
【００６４】
前記溶解槽４においては、前記充填材１６の充填領域内に、流路を仕切るように多数の開孔が形成された整流板１９を１又は複数設けるようにするのが望ましい。前記整流板１９を設けることにより、充填材１６による炭酸ガスと溶媒との流れが均一に整えられ、両者の接触機会の増大により、前記溶解槽４における炭酸ガスの溶解が向上するようになる。前記溶解槽４における滞留時間と炭酸ガス溶解量とは、飽和濃度レベルまでは概ね比例的関係にあるため、所定の操業条件の下で、目標溶解量に応じた滞留時間となるように装置規模を設定するのが望ましい。
【００６５】
溶解槽１基当たりの溶媒及び炭酸ガスの各流量は、溶解槽４の容積と炭酸ガス及び溶媒の溶解槽４内の滞留時間によって定めた全体流量に対して、注入する炭酸ガス及び溶媒の重量比（炭酸ガス重量／溶媒重量）から求めることができる。この際、炭酸ガス及び溶媒の重量比は、所望の炭酸ガスの溶解量に基づいて定められる。この炭酸ガス及び溶媒の重量比と炭酸ガスの溶解量との関係については、予め行われる通水試験によって求めておく。
【００６６】
また、溶解槽４での溶解濃度は、注入される炭酸ガス及び溶媒の重量比（炭酸ガス重量／溶媒重量）に影響する。具体的には、注入される前記重量比が大きくなると、溶解槽４での溶解濃度が大きくなる傾向にあるため、炭酸ガスの溶解を促進させる目的で、炭酸ガス及び溶媒の注入重量比は、前記炭酸ガス溶解濃度の目標値より大きく設定することが好ましい。
【００６７】
《第２形態に係る炭酸ガス溶解水製造装置１Ａ》
次いで、図８に示される第２形態例に係る炭酸ガス溶解水製造装置１Ａは、上記第１形態例と対比すると、前記溶解槽４Ａの前段に高圧用炭酸ガス細泡化装置７（以下、単に細泡化装置という。）を設置したものである。
【００６８】
図９に示される細泡化装置７Ａは、溶媒を所定の高流速で流した主流管路３０に対して、これを外嵌する炭酸ガス供給管路３１を配設し、前記溶媒と炭酸ガスとを仕切る管路壁面、図示例の場合は主流管路３０の管路壁面に細孔３０ａ、３０ａ…を形成し、前記主流管路３０を流れる溶媒のせん断力によって、液体又は超臨界状態まで圧縮した炭酸ガスを細泡化しながら混入させるものである。
【００６９】
前記細孔３０ａは、複数配置する場合は、図示されるように、主流管路３０の管路壁面に、周方向に均等配置としかつ軸方向に間隔を空けて多段配置で複数設けるのが望ましい。
【００７０】
前記溶媒の流速、前記細孔３０ａの孔径は、下式(1)によって求められるウェーバー数(Ｗｅ)が１０以上となるように設定するのが望ましい。但し、細孔からの炭酸ガスの流速は、８×１０−２m/s以上であることを条件とする。
【数１】
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なお、前記細泡化された炭酸ガスの径は、概ね０．０５〜０．２mm程度で十分であり、特にマイクロレベル（１０〜数十μｍ）までは細泡化する必要はない。
【００７１】
また、図１０及び図１１に示される細泡化装置７Ｂ、７Ｃは、溶媒を所定の高流速で流した主流管路３０の内部に、炭酸ガス供給管路３１を配設し、前記溶媒と炭酸ガスとを仕切る管路壁面、図示例の場合は炭酸ガス供給管路３１の管路壁面に細孔３１ａ、３１ａ…を形成し、前記主流管路３０を流れる溶媒のせん断力によって液体又は超臨界状態まで圧縮した炭酸ガスを細泡化しながら混入させるものである。
【００７２】
炭酸ガス溶解水製造装置１Ａは、図８に示されるように、炭酸ガスを液体又は超臨界状態まで圧縮する炭酸ガス圧縮装置２と、溶媒を圧縮・搬送する圧送ポンプ３と、前記液体又は超臨界状態まで圧縮された炭酸ガスを細泡化して溶媒中に混入させる細泡化装置７，７…と、該細泡化装置７、７…によって細泡化された炭酸ガスが混入された溶媒が注入され、前記溶媒に前記炭酸ガスを溶解させて炭酸ガス溶解水とする複数の溶解槽４Ａ、４Ａ…とから主に構成される。
【００７３】
前記細泡化装置７は、図１２に示されるように、各溶解槽４の下部に設置され、溶媒を所定の高流速で流した主流管路３０の内部に、炭酸ガス供給管路３１を配設し、前記溶媒と炭酸ガスとを仕切る炭酸ガス供給管路３１の管路壁面に細孔３１ａ、３１ａ…を形成し、前記主流管路３０を流れる溶媒のせん断力によって液体又は超臨界状態まで圧縮した炭酸ガスを細泡化しながら混入させる細泡化装置７が用いられている。
【００７４】
前記溶解槽４Ａは、同図１２に示されるように、密閉された容器１０の下部に、前記細泡化装置７によって細泡化された炭酸ガスが混入された溶媒が注入される注入口９とが形成されるとともに、前記容器１０の上部に前記炭酸ガス溶解水が吐出される吐出口１３が形成され、前記容器１０内の下方及び上方に夫々、前記容器１０内を上下方向に仕切る多孔板１４、１４がそれぞれ配設され、前記多孔板１４、１４間に粒状の充填材１６が充填されて構成されている。また、前記注入口９にはメッシュ板１５が設置されている。
【００７５】
ここで、溶解槽４内の流れについて説明すると、前記注入口９から容器１０内に圧送された炭酸ガス及び溶媒は、メッシュ板１５から均等に充填材１６の充填領域に浸入する。前記充填材１６の充填領域においては、充填材１６間での流動と相まって溶媒と炭酸ガスとが充分に撹拌されて溶媒に炭酸ガスが溶解されるとともに、上方に流動していく。この作用により、上方側多孔板１４に到達したときには、溶媒に炭酸ガスがほぼ溶解された炭酸ガス溶解水が生成され、溶媒の飽和溶解レベルにまで達するようになる。その後、上方側多孔板１４から上方ホッパー部１８に浸入した炭酸ガス溶解水は、吐出口１３から吐出される。
【００７６】
前記溶解槽４においては、前記充填材１６の充填領域内に、流路を仕切るように多数の開孔が形成された整流板１９を１又は複数設けるようにするのが望ましい。前記整流板１９を設けることにより、充填材１６による炭酸ガスと溶媒との流れが均一に整えられ、両者の接触機会の増大により、前記溶解槽４における炭酸ガスの溶解が向上するようになる。前記溶解槽４における滞留時間と炭酸ガス溶解量とは、飽和濃度レベルまでは概ね比例的関係にあるため、所定の操業条件の下で、目標溶解量に応じた滞留時間となるように装置規模を設定するのが望ましい。
【００７７】
〔注入井５について〕
前記注入井５は、図１３に示されるように、前記帯水層までの垂直井（同図(A)）又はＳ字状又はＪ字状の傾斜井（同図(B)）、大偏距井掘削(ERD:Extended Reach Drilling)（同図(C)）、水平坑井(Horizontal Drilling,Multilateral Drilling)（同図(D)）等のコントロールボーリングにより掘削することができる。前記水平坑井は、ボーリングの水平部距離をより大きくしたり、水平部からボーリングを分岐させ、１本のボーリングに複数本分の注入量を負担させることにより、合理的・経済的な注入井とすることができる。
【００７８】
これらのボーリング技術の内、注入井５の注入区間は、鉛直方向に配置した方が注入時における注入井の安定性が良好になることや、炭酸ガス溶解水の注入領域の拡大過程の関係等を考慮した場合、図１３(B)に示されるＳ字状やＪ字状等の傾斜井が好適に採用される。
【００７９】
また、炭酸ガス溶解水の処理量の増加を考慮した場合には、ボーリングの水平部距離を調整したり、水平部においてボーリングを分岐さたりすることが容易な大偏距井掘削（図１３(C)）や水平坑井（図１３(D)）とすることが好ましい。
【００８０】
〔洋上プラットフォームについて〕
本発明では、前記帯水層に炭酸ガス溶解水を圧入するにあたり、炭酸ガス溶解水を生成し、地中に圧入する設備を配置するための洋上プラットフォームを構築することが望ましい。この洋上プラットフォームとしては、石油・ガス資源開発に利用されている固定式又は浮遊式などの各種プラットフォームを使用することができる。水深６００ｍ程度の条件では、鋼管で組み立てられたジャケットを海底面に固定する固定式のものが好適に使用できる。固定式の洋上プラットフォームは、洋上設備の大規模化にも比較的容易に対応可能である。
【００８１】
一方、陸上の炭酸ガス排出源から前記洋上プラットフォームまでの輸送には、排出源から回収された炭酸ガスを液化炭酸ガス及び／又は炭酸ガスハイドレートとして、図１に示されるように、船舶により及び／又は陸上から前記洋上プラットフォームまで配設されたパイプライン（図示せず）を使用することができる。
【００８２】
〔炭酸ガス溶解水モニタリング装置について〕
本発明では、前記炭酸ガス溶解水を前記帯水層に圧入した後の状態をモニタリングするため、炭酸ガスハイドレート層の形成状況を検出可能な炭酸ガス溶解水モニタリング装置を備えるようにする。前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置は、音波探査によって海底擬似反射面（ＢＳＲ）を検出する装置である。
【００８３】
詳細には、前記海底擬似反射面を検出する手段として、反射法地震探査方法を用いることができる。この反射法地震探査方法は、図１４に示されるように、海面付近、海中又は海底において、エアガンと呼ばれる音波発振器から圧縮した空気を海中又は海底に放出して音波を発生させ、海底面や海底下の地層や炭酸ガスハイドレート層等の境界面（ＢＳＲ）で反射した反射波をストリーマーケーブルと呼ばれる受振器で受振し、この反射波の音響インピーダンス（ρ×Ｖ）を解析することによって地層境界と炭酸ガスハイドレート層境界とを判別可能としたものである。このようにして計測された海底擬似反射面は、炭酸ガスハイドレート層の最下面を示すものとされている。
【００８４】
前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置によるモニタリングでは、何らかの原因により遊離した炭酸ガスが地層中を上昇し、地層中に炭酸ガスハイドレート層が形成された場合に、前記炭酸ガス溶解水モニタリング装置によって検出された海底擬似反射面が経時的に深度を変えなければ、炭酸ガスハイドレート層は安定しており、後続の炭酸ガスの上昇があってもそれを停止させていると判断できる。
【００８５】
上述の通り、本発明では、炭酸ガス溶解水モニタリング装置を備えることにより、炭酸ガスの漏洩に関し、地層中の状態を直接的にモニタリングすることが可能となるため、漏洩の有無の評価に関する信頼性が高まり、炭酸ガス漏洩の可能性が否定されるデータが収集できた時点から、上記モニタリングを省力化あるいは省略することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明に係る炭酸ガス地中貯留システムの概略図である。
【図２】炭酸ガスの相平衡曲線及び地層の温度−圧力プロファイルを示すグラフである。
【図３】炭酸ガス溶解水の注入状態を示す地層の断面図である。
【図４】注入区間からの距離に対する相対濃度の関係を示すグラフである。
【図５】注入期間と分散による広がりとの関係を示すグラフである。
【図６】炭酸ガス溶解水製造装置１を示す概略図である。
【図７】溶解槽４を示す縦断面図である。
【図８】炭酸ガス溶解水製造装置１Ａを示す概略図である。
【図９】細泡化装置７Ａの縦断面図である。
【図１０】細泡化装置７Ｂの縦断面図である。
【図１１】細泡化装置７Ｃの縦断面図である。
【図１２】溶解槽４Ａの縦断面図である。
【図１３】(A)〜(B)は注入井５の掘削形態を示す縦断面図である。
【図１４】海底擬似反射面の計測原理を示す地層の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…地中貯留システム、２…炭酸ガス圧縮装置、３…溶媒圧送ポンプ、４…溶解槽、５…注入井、６…分離槽、７…細泡化装置、１０…容器、１１…炭酸ガス注入口、１２…溶媒注入口、１３…吐出口、１４、１５…多孔板、１６…充填材、１９…整流板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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