平成26年度 地熱部事業成果報告会「人工涵養による地熱 貯留層管理技術の開発と実証に向けて」

平成27年7月10日

1

目的
国内の地熱発電所においては、蒸気生産量と自然涵養量のアンバランスに起因する蒸気不足や、貯留層の過熱化に伴う過熱蒸気ないしは二次的に発生する強酸性流体による地上設備の腐食等の問題が発生している事例が見受けられる。こうした問題は、特定の発電所に固有の事象ではなく、他の地熱発電所や新規開発地点でも発生するリスクを抱えていることから、安定的な地熱発電のため、効果的で費用対効果に優れた一般的な対処法の開発が望まれる。
この対処法の一つとして、EGS技術の一種で、海外で成功事例のある人工涵養が考えられる。日本の地熱貯留層の構造は、海外のそれと比べて規模が小さく複雑であり、周辺温泉など環境保全にも万全を期す必要があることから、モニタリングの結果をみながら適切に人工涵養を行うための技術開発の必要がある。
本委託研究は、実証実験および数値シミュレーションを通じて、地熱貯留層への人工涵養の規模により温泉帯水層や地熱貯留層にどのような影響が及ぶのかを明らかにし、技術マニュアルを作成し、地熱発電所への一般的な適用のガイドラインを示すことを目的とする。

2

実証フィールドの概要
項目

概要

備考

発電所名

柳津西山地熱発電所

所在地：福島県河沼郡柳津町

蒸気供給部門奥会津地熱㈱親会社：三井金属鉱業㈱

発電部門

東北電力㈱

事業者
発電設備容量65,000kW

わが国最大の単機容量

運転開始

H7年5月25日

18年経過（H25年10月現在）

発電方式

シングルフラッシュ

柳津西山地熱発電所

柳津西山地熱発電所の発電量の推移（火原協・地熱発電の現状と動向2012年版より）
JOGMEC 平成25年度 地熱部事業成果報告会より抜粋
3

実施内容およびスケジュール
実施項目

フェーズ１

実施内容

H25

①全体計画・管理・プロジェクト運営、データ管理②地質調査

・MT法電磁探査、AMT法電磁探査、重力探査を実施
・既往データも含めた総合解析のうえ、地質構造モデル・地熱構造モデルを構築（必要に応じ、人工涵養開始後に地表調査を補足実施し、モデルを更新）③試験設備設計・工事

・涵養井（1本）、涵養設備（取水・送水設備）の仕様検討・設計・工事④坑井試験

・人工涵養開始前： モニタリング井および涵養井の坑井試験・坑内検層・人工涵養開始後： 生産井のPTSサンプラ検層⑤人工涵養

・河川水の人工涵養（段階的に増量し、適正レベルに調整）⑥数値シミュレーション・人工涵養開始前： 複数のシナリオに基づく予測計算、適切な涵養条件の検討
・人工涵養開始後： 新規取得データに基づくアップデート、将来予測⑦モニタリング

・坑内温度・圧力モニタリング
・気相・二相マルチトレーサー試験
・弾性波モニタリング（坑内AE観測、微小地震観測）
・流動電位観測（有効性を検討のうえ実施）
・AMT法電磁探査
・温泉変動調査⑧マニュアル作成

・人工涵養技術の体系化、技術マニュアルの整備

H26

フェーズ２
H27

H28

H29

JOGMEC 平成25年度 地熱部事業成果報告会より抜粋
4平成26年度調査工程(当初計画)：室内作業（準備･解析等）

項目

4月

5月

6月

7月

平成26年
8月

9月

10月

11月

12月

1月

平成27年
2月

：現地作業

3月

備 考

（１） 全体計画・設計
プロジェクトの管理・運営

GERD（２） 試験設備設計（涵養井）涵養井掘削工事

OAG･GERD（３） 試験設備設計（揚水設備）
涵養施設の設置工事

OAG･GERD（４） 坑井試験
涵養井及びモニタリング井坑内調査

GERD
GERD

生産井坑井試験（５） 涵養試験
涵養井及び涵養設備の機能確認

GERD（６） 貯留層変動予測
数値シミュレーション更新

GERD

補足調査

GERD・OAG・AIST（重力デ ー タ変動解析、A MT法補足調査他）（７） モニタリング
PTモニタリング

GERD

トレーサ試験

GERD

弾性波モニタリング

AIST

温泉変動調査OAG

微小地震観測OAG（８） その他
地元説明
温泉部会書類提出
福島県温泉部会
取水権取得

GERD・OAG・AIST

◎◎
OAG

5

報告内容
１．涵養井位置の決定

２．涵養井掘削結果
３．モニタリング計画

４．まとめ
6

１．涵養井位置の決定

7涵養位置の検討プロセス①涵養域条件（涵養位置の考え方）
掘削条件の設定・注水設備設置基地・掘削深度

人工涵養対象域の設定
・貯留層の過熱化域の検討

3D 涵養モデル
既存3Dモデル②シミュレーションによる涵養効果の検討と最適モデルの抽出①を満たす領域（計算ブロック）で、生産ブロック・同ブロックに隣接するブロックを除き、計算で与える涵養域を設定。流量は100t/h、50t/h、30t/h、15t/hを涵養ブロックから注水し、系内に留まるケースを想定したシミュレーションとした。

③最適モデルによる涵養効果の評価
シミュレーション結果の評価（涵養効果の評価）
血の池沢下盤断層モデル

血の池沢南東部断層モデル④トレーサ試験から推測される涵養リスクの検討

貯留層モデル

トレーサ試験結果からショートサーキットが発生し、生産井に悪影響を及ぼす可能性の検討⑤現地注水試験等情報からの涵養リスクの検討
現地注水試験等の結果から、短絡的に導通したケースによる涵養位置の検討⑥涵養位置（候補）の選定
上記①～⑤の総合的検討結果による涵養位置（候補）の選定

8

血の池沢下盤断層モデル
ＮＷ

ＳＥ

３次元涵養モデル
標高(m)

血の池沢下盤断層モデル

２つのモデルで検討①血の池沢下盤断層基本モデル
二相域で液相が動きにくいモデル。

距離(m)②血の池沢下盤断層追加検討モデル
ブロックサイズや相対浸透率を見直し、二相域で液相が動きやすいモデル。
9

追加検討モデル（二相域で液相が動きやすい）

基本モデル（二相域で液相が動きにくい）涵養ブロック3

血の池沢下盤断層モデル
による涵養効果の検討
基本モデルでは、涵養ブロック1.5、2、3への注水で涵養効果が得られた。
涵養ブロックが浅い方が効果が大きい。

涵養ブロック2

追加検討モデルでは、全ての涵養ブロックで涵養効果が得られているが、大容量注水（100t/hr）を行うと、注入水が生産側まで流れてしまい、生産量が低下する様子が計算された。

涵養ブロック1.5

涵養ブロック110

Confidential
North-East（B）（m）

South-West（A）
-300
500

0300

600

◆：Feed point and/or lost circulation point◆：流入点（生産井毎に色別）＊：Well-16 feed point＊：Well16流出点←：Interference（Red：Steam increase,←：干渉実績（赤：増量、青：減量、紫：両方）
Blue：Steam decrease,Purple：Both）

シミュレーション，現地注水試
験情報等からの検討(浅部涵養リスクに関する検討)に基づく涵養ターゲット候補の坑跡

0涵養ブロック3の坑跡

凡例◆：流入点または逸水位置＊：Well16流出点←：干渉実績（赤：増量、青：減量、紫：両方）

涵養ブロック2の坑跡-500

涵養効果と蒸気減衰リスクのバランスが良いケース

Well-5

涵養ブロック1.5の坑跡 Chinoikezawa
Elevation（m）

Footwall fault涵養ブロック3

検討項目
血の池沢下盤断層基本モデル
血の池沢下盤断層モデル

この深度への注水は生産側に悪影響を与えない。

-1,000

本地域における注水試験等の経験
Well-10Well-9Well-6

涵養ブロック2

血の池沢下盤断層追加検討モデル
血の池沢下盤断層追加検討モデル
Well-19

Well-3Well-1

Well-15
Well-8Well-14

Well-2

Well-17
Well-12Chinoikezawa

涵養ブロック1Fault

Well-7

Planned recharge well◎◎◎○○○△△△▲▲▲

Chinoikezawa
Hanging wall fault

Well-18-2,000涵養効果
大量注水による蒸気量減衰リスク
ショートサーキットリスク

涵養ブロック
1.5
2
3○○
◎
△○
◎
◎
▲
▲
◎◎
◎
△
▲
▲

大＜ 効果 ＞小小＜ リスク ＞大指標

Well-4-1,500涵養ブロック1.5

1▲
▲
◎◎
△

Well-13

Well-1611涵養井計画坑跡
生産ゾーン

蒸気量(t/h)

血の池沢下盤断層
血の池沢断層血の池沢上盤断層
血の池沢南東部断層
猿倉沢断層

528628312422℃

37℃
45℃

過熱域

過熱域
（酸性化）

34℃

凡例
地下温度分布（℃）
生産井(数字は過熱度）
還元井（注入井）涵養井(計画坑跡)

Well19サイト

断層(標高-1000m)
フィードポイント
過熱域
過熱域（酸性化）12２．涵養井掘削結果（涵養井14JN-R1掘削結果)

13涵養井掘削基地

涵養井14JN-R1実坑跡(平面図)1414涵養井14JN-R1掘削工程(ドリリングチャート)15

涵養井を掘削し、ほぼ想定した深度に２箇所のき裂を捕捉した。

16

涵養井14JN-R1検層
12-1/4”坑掘削終了時，8-1/2”坑掘削終了時
 温度検層 電気検層 音波検層 BHTV検層
掘削完了後

 注水中PTS検層
 温度回復17涵養井14JN-R1 総合柱状図188-1/2”坑：BHTV検層(2090-2098m)(1930-1940m)(1980-1990m)(2030-2040m)

8-1/2”裸坑時BHTV検層結果(掘削中L/C部，ドリリングブレーク部等)

19

300

血の池沢
上盤断層

Well-1014T

well-7
33P

200

血の池沢
断層

B

Well-96T

100

0Well-17
35P

血の池沢
下盤断層

Well-423P
Well-1238P

Well-115T

Well-2
21T-100

well-1910T

南北(m）Well-632P
Well-536P-200

Well-1630P
Well-14
27P-300

Well-15
28P-400

Well-834P

Well-18
39P

Well-331P
Well-11-500

A-600◆：流入点（生産井毎に色別）＊：Well-16流出点←：干渉実績（赤：増量、青：減量、紫：両方）-700-300-200-1000100

血の池沢
南東断層

14JN-R1

Well-1337P

Planned recharge well200300
400
東西（m）

500

600

700

掘削中の逸水・ドリリングブレーク(★)とBHTV解析結果(走向，傾斜)800

90020注水中PTS検層およびフォールオフ測定
00-30

510PRESSURE [MPaG]
1520253050

TEMPERATURE [Deg.C]
100150200250300-25SPINNER [RPS]-20-15-10-50Casing Program

0

Well Dogleg(Deg./30m)
24680

Well Inclination(Deg.)
10203040

14JN-R1 フォールオフ

10200

50

12.5

250

160

12.0200

120

11.5

15080

11.0100

40

10.5

50

10.00

Pressure at 2035m
Temperature at 2035m
Flow rate↓シャットイン

1760

1780

Injection rate (t/h)

1840

7"CSG(top)1840.48m

1860

1880
12-1/4"
1890.00m

9-5/8"CSG
1880.54m

Pressure (MPaG)

5-1/2"TBG(end)1814.00m

1820

Temperature (deg.C)

1800

DEPTH [m]

1900

0

1920
1930m, 8%

2015/03/24 18:00

2015/03/24 20:00

2015/03/25 00:00

Date Time1940

フォールオフ測定結果

1960

1980

2015/03/24 22:00

1980m, 9%

2000

WellTESTTM による解析結果

2020

坑井名

2040m, 76%2040

浸透率(k)
2060
2080m-, 7%

2080

2100

8-1/2"
2100.26m

12-1/4"裸坑時 注水中(66t/h)温度検層(2014.11.18)
8-1/2"裸坑時 注水中(90t/h)温度検層(2014.12.5)
注水中(50t/h)PTS検層(2015.3.24)
注水中(100t/h)PTS検層(2015.3.24)
注水時流出深度割合

7"CSG(slotted)
2100.26m

逸泥掘削
MWD掘進
ﾄﾞﾘﾘﾝｸﾞﾌﾞﾚｰｸ
全量逸泥
部分逸泥

14JN-R1
2.39 mDarcy(2.36E-15m2)

浸透率・層厚積(kh)502.43 mDarcy-m(4.96E-13 m3)

スキンファクタ(S)

-4.15

坑井傾斜
ﾄﾞｯｸﾞﾚｸﾞ

21

３．モニタリング計画

22涵養井掘削基地
流量計測，地化学モニタリング
および検層流量計測，地化学モニタリ
ング

流量計測，地化学モニタリング
および検層流量計測，地化学モニタリ
ング

流量計測，地化学モニタリ
ング

PTモニタリング

モニタリング計画(微小地震観測除く)

23PTSサンプラー検層および涵養井PTモニタリング
ガス分析結果

PTSサンプラー検層結果(Well5)
PRESSURE [MPaG]

0.40.50.60.7

0.80.9240250

TEMPERATURE [Deg.C]

200210220230Flow Distribution[%]0

INCL[deg]

0100

800

1000

SPINNER [RPS]

0200

950

400

600

9-5/8" CSG

0 20 40 60

Degree of Superheat[Deg.C]

100

BC

凝縮水分析結果
1000

Sampler (350deg.C)

FP1:1026m(9.7%)

Sample Volume 500mL
Sample fluid
Steam/2phase/Water
1050

Strain Gauge(5000psi)
Platinum RTD sensor
2 reed switches

Size
Outer diameter 59.4mm
WeightAppox.100kg(2 centralizers)
LengthApprox. 7m(2 centralizers)

トレーサ分析結果(Perfluorocarbon)
採取深度
1050m
1125m
1180m
採取日
2014/11/15 2014/11/14 2014/11/13
採取時間
11:42
13:48
12:01
PFCmg/kg<3.58E-03<1.39E-03<1.5E-03

13000

305.8℃(4/8, 8:42)

12000
11000

8000

Downhole Pressure
Downhole Temperature
Saturation Temperature(calculated from measured pressure))150

涵養井PTモニタリング

500

2015/03/28 00:00

2015/03/31 00:00

2015/04/03 00:00

2015/04/06 00:00

1150

FP3:1170m(16.9%)

1185m以深(72.1%)

1200
INDEX

[検層条件]
PTSサンプラー検層（下げ計測）
スピンナーストップチェック
坑口圧力：0.62MPaG
圧力
流体流入深度蒸気流量：13t/h
温度
坑内流体サンプル深度
熱水流量：0t/h
スピンナー
過熱度(=測定温度-飽和温度)[坑内サンプル取得]
1回目検層：深度1,180m(174.4g)
2回目検層：深度1,125m(111.0g)
3回目検層：深度1,050m(102.0g)

2015/04/09 00:00

40Temp

300

250

100

7000
2015/03/25 00:00

300
200

9494kPaG(4/8, 8:42)

10000
9000

1100

350

Temperature (deg.C)

Pressure (kPaG)

14000

FP2:1088m(1.3%)

7" CSG(slit)

Pressure
Temperature
Spinner

DEPTH [m]PTS(300deg.C 8hours)24弾性波モニタリング

涵養井(14JN-R1)坑底追加の坑内地震計

微小地震観測網(全体)25坑内地震計の仕様
微小地震観測井
ケーシングプログラム概略

ケーブルヘッド

地震計の主な仕様
3軸ジオフォン
固有周波数：15Hz

アームロック機構

耐熱：150℃
耐圧：69MPa
高傾斜（最大90°）対応
感度：1.32V/in/sec

地震計

設置ケース

非磁性ケーシング(6m)

1950mmφ88mm

ロック機構（アーム部分）

キースロット(2m pup-joint内)

重錘（キー付）非磁性ケーシング(6m)

スロット/キー機構により地震計方位を固定、アームロック機構により地震計を坑内に固定する（坑壁に押し付ける）。

キー26

観測・通信機器運用状況
電力供給： 供給電力低下による観測中断は無し （冬季メンテナンスを一度実施）

通信状況： 大きなトラブルは無し。３G回線の通信品質低下が発生する場合がある（データ送信の遅れ，サーバー負荷の増大）
現状： 6観測点で1日あたり2.2GB （26,000ファイル）生成
NTTドコモ網3G

インターネット

光ファイバ

遠隔PC

＠産総研

・発電
・データ記録 24ビット
ハイサンプルF（1kHz）
・通信
連続記録

西山事業所
奥会津地熱
微小地震データ

OMS1～5

奥会津地熱

サンプリングF（100Hz）
27従来のOAG干渉監視強化フロー(一部加筆)*1：DCS … 遠隔操作・監視システム 。事務所のモニターで状況が常時監視と，電動バルブの遠隔操作をする機器の総称。
*2：LCV … Level Control Valve の略。セパレータ下流の熱水ラ イン に流量調整用のバッファタンク（”ヘッダータンク” H/T）の水位をコントロールするためのバルブ。
*3：BDV … Blow Down Valveの略。ヘッダータンクの熱水をピットに放出するためのバルブで一種の安全弁。

注水開始
監視強化

過熱度or熱水のpH・EC・濁度
1日1回確認

蒸気流量/
坑口圧力トレンド
朝夕確認

モニタリングによる監視○熱水/蒸気化学性状等• CL・NCG濃度変化・pH・EC・濁度等に注目• 涵養井近傍地化学モニタリング：Well-3，5，6，8，11• トレーサ試験結果も参考○涵養井PTモ ニタリング• トレンドや特異なイベント等に注目
N

トレンドに異常あるか?

○温泉モ ニタリング• トレンドや特異なイベント等に注目

Y

当該生産井の挙動をDCS* 1 で頻繁に確認【停止検討条件】
a) 坑口圧0.7MPa以上 or0.58MPa以下b) 二相圧力0.68MPa以上
or 0.59MPa以下c) 総熱水流量の脈動が頻発○弾性波モニタリング• 震源位置およびマグニチュ ードに注目• 生産井側への近接に注目等停止検討条件a)～c)発生?

有感地震か?
YYN

DCSで熱水LCV* 2 開度とH/T液位を頻繁に確認

停止検討条件①～④発生?
Y

注水量削減や注水一時停止

原因調査
対策検討

協議

生産井個別の問題か?

原因調査
対策検討

Y

当該生産井
停止操作

注水量削減や注水一時停止等の検討【停止検討条件】① 熱水LCV開度：Hアラーム(75%)
発報② H/T液位：Hアラーム(75%)
or Lアラーム(35%)発報③ 熱水BDV* 3 ：開動作
④ 発電所行き蒸気流量が急速に減衰

気象庁データで震源(震央)，感震計※1で震度チェック(並行してEGSネットワーク観測結果解析)

トレンド等異常あるか?

NY

震源位置および震度に震源および深度に応じて注水応じて注水量削減または量削減および注水一時停止
注水一時停止生産井蒸気流量減少や坑口温度低下等の現象?
Y

注水量削減や注水一時停止等の検討

N

弾性波モニタリング
結果も含め，原因詳
細調査対策検討

協議

注水停止

涵養オペレーション(生産および注水停止・注水量削減)基本フロー 28

涵養停止領域：
この範囲内で震度4以上発生の場合は涵養停止

2009年10月12日の有感地震（M4.9）
涵養量削減域：
涵養井坑底から半径500mの円内で震度3発生の場合は涵養量削減

涵養オペレーションと過去の有感地震のマグニチュード分布状況 29

４．まとめ数値シミュレーション，トレーサー試験および現地注水試験結果等の情報から涵養井の位置を決定した。
涵養井を掘削し、ほぼ想定した深度に２箇所のき裂を捕捉した。
注水中のPTS検層の結果、捕捉した２箇所の深度付近では温度やスピンナーに明瞭な変化が観測された。また、BHTV検層からは、明瞭な開口性のき裂が確認された。それらの走向は血の池沢下盤断層のそれと整合的である。
坑内地震計を増設し、観測網を充実させ、涵養に伴う圧力伝搬や涵養水の流動経路の把握等地熱貯留層の挙動を詳細に検討できるようにした。蒸気流量，坑口圧力，地化学観測，PTSサンプラ検層および涵養井PTモニタリングなど涵養
前および涵養中のモニタリング項目について検討・準備した。

取水・送水設備を設置し、涵養オペレーション基本フローを検討・作成するとともに、6月4日から涵養試験を開始した。
30

ご清聴ありがとうございました。

31