平成25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26年6月13日

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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。

報告内容
１．平成25年度調査工程
２．地質調査結果概要
３．涵養井計画
４．まとめ

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１．平成25年度調査工程：室内作業（準備･解析等）
項目

10月

平成25年
11月

12月

1月

平成26年
2月

：現地作業
備 考

3月

（１） 全体計画・設計
GERD（２） 地質調査
電磁探査 （深部）GERD

電磁探査 （浅部）

AIST

重力探査

AIST

（３） 試験設備設計 （涵養井）涵養井仕様検討・設計

OAG･GERD（４） 試験設備設計 （揚水設備）
揚水設備仕様検討・設計

OAG･GERD（５） 坑井試験
モニタリング井坑内調査

GERD（６） 貯留層変動予測
数値シミュレーション検討

GERD（７） モニタリング
計画検討
38P坑井改修，PTモニタリング

GERD･OAG･AIST
坑井改修

トレーサー試験12t坑井改修

PTモニタリングOAG･GERD
GERD

坑井改修

OAG

弾性波モニタリング

AIST

温泉変動調査OAG

微小地震観測OAG

3２．地質調査結果概要
MT法（深部構造探査）
測点配置図

2次元インバージョン解析結果例

現地調査
平成25年11月18日~12月20日
調査結果概要調査測点：40点
・高温部の上部に低比抵抗域が見られ、温度上昇域との関連性が考えられる。
・本断面近傍の生産井については、フィードポイントが浅部の低比抵抗域の下部で見られる。
・北東側深部で高比抵抗の基盤があり、南西に向かって低くなる様子が見られる。地熱流体の流動4を規制する断裂系との関連も考えられる。

AMT法（浅部構造精密探査）
・現地調査：平成25年11月26日～12月11日
・測点：30点（1測線当たり10点、約300m間隔）

西山温泉

AMT法の測点および測線位置図
考察・まとめ・血の池沢や猿倉沢および西山温泉の地下には熱水貯留域に対応すると考えられる低比抵抗層が解析された。
・調査地北西部（Line100の西側）の著しい低比抵抗層については今後の検討が必要である。
・過去のMTの結果と比較すると、低比抵抗層が薄くなっている（熱水の減少・蒸気化、温度の低下？）。
・AMTは1日で品質の高いデータが取得できたので、将来の比抵抗モニタリングの手法として期待される。

Line300に沿った直流比抵抗法(2000年実施）、AMT法(2013年実施)、ＭＴ法(2000年と2001年実施)から求まった比抵抗断面の比較。

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重力探査実施内容： EGSや地熱資源生産に伴う地熱貯留層や温泉帯水層の変動を捉えるために重力測定と密度構造解析を行う。重力調査は，約13年前の貯留層変動探査データと比較した重力変動解析を目的として，当時と同様の測定仕様で行う。測定範囲は13年前測定範囲の中心部（右図）とする。
現地調査： 平成25年11月21日～12月9日
結果概要
発電所周辺地域において顕著な低重力異常が認められた。初期モデルは，発電所周辺は変化が少ない構造とし発電所て設定したが，インバージョン結果では特に中層，下層上面深度において，初期モデルには無い窪みの構造を示
密度境界面深度分布図
すような変化が現 （下層：密度2.36(g/cm3) 上面 インバージョン結果）れた。

発電所

測定点分布（全60地点）

発電所

ブーゲー異常図(仮定密度2.15g/cm3)
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３．涵養井計画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、生産ブロックと同ブロックに隣接しないブロックから計算で与える涵養域を設定。流量は想定される連続注水量（100t/h）の内、全量、50%、30%、15%が系内に留まるケースを想定したシミュレーション。

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)④トレーサ試験から推測される涵養リスクの検討
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)の抽出
上記①～⑤の総合的検討結果による涵養位置(候補)の抽出

涵養位置(候補)の抽出フロー

7①涵養域条件
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
平成26年1月の平均

528628312410℃（生産停止直前の酸性領域の合計蒸気量：約40t/h）＝＞過熱化解消で期待される生産量？

過熱化している断層（３次元涵養モデル）
新たにモデル化して断層内の過熱化を再現した上で、涵養効果を計算する

柳津西山地域の地熱貯留層過熱化域

22℃
37℃
45℃
34℃

過熱化が進んでいるが現在も生産が継続されている領域
過熱化および過熱化に伴う酸性化が進み生産が中断している領域

貯留層の過熱化域の検討

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貯留層の過熱化域の検討

9涵養位置の考え方
平面図

W
東西断面図

E
図中の数字は現在検討中の涵養箇所⇒10T基地

シミュレーションモデル上の涵養箇所の条件①涵養井の坑口位置は現在の計画地点とする②掘進長は, 最大２，５００ｍ③傾斜掘削の条件は、KOP＝200m, 最大傾斜45°④既存の生産井の近傍（同一ブロック）には涵養しない⑤上記の範囲で、血の池沢下盤断層および血の池沢断層南東部に到達可能な場所について涵養箇所▲を設定する⑥涵養位置は、血の池沢下盤断層・血の池沢断層南東部の断層モデルブロック（図中の破線内）
・ 涵養井（灰色）計画の位置、およびその直上（深部～浅部）
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の直上
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の直下
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の側方・ 血の池沢下盤断層と血の池沢断層南東部の境界部⑦適正な涵養位置候補のうち、現状の地下情報において断裂の存在可能性が低い領域や掘削が困難な領域を除く

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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
過熱化シミュレーションの経緯
内容
減 •衰
予測 •モデ•ル()

3次
元

2 •次
元
涵 •養
モデル
3 •次
元
涵 •養
モデル

成果

既存モデルは柳津西山の地熱貯留層の •将来的な減衰予測と、追加生産井掘削効果の検討のために構築した。
自然状態シミュレーションを行い開発前地下温度分布と整合するようにモデルを最適化した。
ヒストリーマッチングシミュレーションでは運転開始以降の生産・還元ヒストリーをモデル上に再現し、各生産井の生産エンタルピーの観測値と計算値が整合するようにモデルを最適化した。
血の池沢下盤断層を対象とした2次元モ •デルを作成し、蒸気生産に伴う貯留層の過熱化域が発達する条件を検討した。
•人工涵養効果を得るにはどう言う条件が必要かを検討し、効果的な方法をモデル上で再現した。

柳津西山地域の既存 •数値モデル（３次元）をベー スと し た モデ ルを作成し、対策を行わない場合の将来的な減衰量を推定した。
•生産域全域を対象とした3次元モデルを作 •成し、蒸気生産に伴う過熱化域をに再現した。
注水条件を設定し、涵養ブロックを9ヶ所設定し、人工涵養の効果をシミュレーショ •ンで求めた。

断層構造や貯留層構 •造等を再検討し，ヒストリーを反映した3次元涵 •養モデルを完成した。
複数のモデルを作成し、 •過熱化域を適切に再現できた。
涵養効果を確認できた。

•蒸気生産に伴う過熱化 •域を表現出来た。
過熱化域への注水により人工涵養の効果が得られる様子を再現できた。

問題点と方針貯留層内の二相状態や高エンタルピー流体の再現は出来ているが、貯留層の過熱化は適切に再現されず、人工涵養の効果を表現出来ない。
過熱化域の再現および涵養効果については、まずは血の池沢下盤断層（過熱化が進み、かつ、現在も生産が継続している領域）を対象とする2次元モデルを構築し、検討を進める事とした。
検討結果を、過熱化域の適切に再現出来る３次元モデルの構築と、同モデルを用いた効果的な人工涵養を検討に参照した。

マトリックス分割数を多くした場合の応答の確認を行う。
グリッドを細分化した場合の応答の確認を行う。
相対浸透率の残留水飽和度（Slr)が0.6と0.3で応答を比較する。

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生産ヒストリ蒸気+熱水

対策しない場合の減衰予測

現在から約15年後の減衰（蒸気量約300t/h=>約200t/h）

蒸気+熱水

蒸気
蒸気

既存の貯留層モデル(減衰予測モデル)をベースにした減衰予測シミュレーション(3次元)12

貯留層モデル3D 涵養モデル

血の池沢下盤断層モデル

既存3Dモデル血の池沢南東部断層モデル

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⑥④，⑤⑧①，1.5，②，③⑦

3次元涵養モデルを用いた涵養位置・注水流量の検討における計算条件• ベースケースとして，涵養せずに生産を継続した場合を計算した。
• これに対し，涵養ブロックを9箇所設定し(予定では20箇所)、それぞれ注水した場合の生産予測計算を実施し，ベースケースと生産挙動を比較した。
• 涵養ブロックは血の池沢下盤断層に8ヶ所，血の池沢南東部断層に１ヶ所それぞれ設定した。
• その際，注水流量は15t/h，30t/h，50t/h，100t/hとした（注水温度は15℃を仮定）。

3次元涵養モデルにおけるソースブロックの配置(左)と涵養ブロック配置(右)

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NWNW

SE⑤SE③-⑥②⑧⑦1.5④①-

血の池沢下盤断層モデル

血の池沢南東部断層モデル-

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モデルに与えた主要なパラメータ

MINCモデル二重空隙モデルの一種で、フラクチャーを含む岩体の連続体を記述する方法として利用される。
モデルはフラクチャーとマトリックスの別々のブロックから成る。
このMINCモデルを用いることにより，断裂系の抽熱効果を適切にモデルに表現することが可能であり，マトリックス分割数を増やすことでその効果は大きくなる。

フラクチャ
断裂を模擬
浸透率が良いマトリックス
岩石を模擬
浸透率が悪い16

MINCモデルのマトリックス分割数の違いが計算に及ぼす影響
既存グリットモデル(XY=100m, Z=200m)、涵養ブロック1.50/th

Cummulative
steam

0/th

Matrix subdivision 10/th

Cummulative
steam

Cummulative
steam

Matrix subdivision 4

計算条件• ベースケースとして，涵養せず(0t/h)に生産を継続した場合を計算した。
• 注水は涵養ブロック1.5を使用した。流量は15t/h，30t/h，50t/h，100t/hとした（注水温度は15℃を仮定）。

Mtrix subdivision 817

MINCモデルのマトリックス分割数の違いが計算に及ぼす影響
Z方向細分化モデル(XY=100m, Z=50m)、涵養ブロック1.5
マトリックス分割数10/th

マトリックス分割数4

Cummulative
steam

Matrix subdivision 10/th

Cummulative
steam

Matrix subdivision 4

グリッドを細分化すると、マトリックス分割数をより細かく設定しないと涵養レスポンスを精度良く計算できない。
Z方向細分化モデルの計算結果と既存グリットの計算結果の傾向は変わらないことが確認され，現時点では既存グリッドモデルのマトリックス分割数が４ないし８を選定する事が涵養位置を決定する考察において最も適切であると考えられる。
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③最適モデルによる涵養効果の評価例(既存グリットモデル，マトリックス分割8)

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④トレーサ試験から推測される涵養リスクの検討

Well 12Well 1
Well 2
Well 3Well 4
Well 5Well 6

Well 7
Well 8Well 9Well 10Well 1120

生産井毎の トレーサ回帰

PFC（気相トレーサ）回帰

TFEA トレーサ（二相トレーサ）回帰21

PFC（気相）トレーサの再湧出のフロントと推定経路
平面図

東西断面図
E

W

I-Well122
I-well121

I-Well121

経路

注入点

①

②

③P1I-Well121(0)Well1(1)well9(12)Well10(50)P2I-Well121(0)Well2(1)well4(1)

Well7(5)P3

I-Well121(0)

Well8(2)__P4

I-Well121(0)

Well5(1)

Well6(1)_P5I-Well122(0)

Well11(8)__P6I-Well122(0)

well7(5)__P7

I-Well121(0)

well3(1)__( )は再湧出後のフロント（日）、■1日以内、■5日未満～2日以上、■10日未満～5日以上、■10日以上（検出）I-Well122

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TFEA（二相）トレーサの再湧出ピーク時間と推定経路
平面図

東西断面図
EW

流体流入割合PTS検層に基づく深度毎の流体流入割合(%)とし、データがない場合は逸水記録から求めた
I-Well122
I-Well121

I-Well 121

経路

注入点①②③P1I-Well 121(0)

Well1T(4)Well9(-)

Well10(-)

P2

I-Well 121(0)

Well2(4)Well4(12?)

Well7(11)P3

I-Well121(0)

Well8(11)__P4

I-Well121(0)

Well5(4)

Well6

_P5

I-Well122(0)

Well11(-)__P6

I-Well122(0)

Well7(11)__P7

I-Well121(0)

Well3(19)__(8)( )は再湧出後のピーク（日）、回帰率 ■10%以上、■10%未満～1%以上、■1%未満（検出）I-Well 12223

マルチトレーサ試験の総括
タイプ 種類特徴予想される現象

気相PFC

気相（蒸気・非凝縮性ガス）内を流れる蒸気化した貯留層内では速やかに移流拡散する

二相TFEA

気相（蒸気・非凝縮性ガス）内を流れる液相（熱水）内を流れる

蒸気化した貯留層内では速やかに移流拡散する
液相があるとそこに溶け込んだ部分は徐々に蒸発しながら移流拡散する※別の二相トレーサであるアルコールトレーサ（IPA)は２坑井しか検出されておらず、今回の議論からは除いた。

• 試験結果の総括– 注入井(Well12)の浅部注入箇所（海抜-718m)から投入された気相・二相トレーサは、近傍の血の池沢下盤断層・血の池沢断層・血の池沢上盤断層の生産井から1日以下～数日で検出された。（断層のつながりを示唆）– 遠方の生産井・深部に流体流入点を持つ生産井では、回帰までの時間がかかる。
– トレーサ濃度が高く、回帰率の大きい生産井は、Well1・Well2・Well3である。(Well12との直接経路の存在）– 過熱化が進んでいない周辺（北側）の生産井、すなわち、北側の滝谷川断層に近づくほど、気相トレーサの到達に時間が掛かり、二相トレーサは検出されなかった。（滝谷川断層に近づくほど、圧力が高くなり液相の割合が増えてくることを示唆）– 注入井(Well12)の深部注入箇所（海抜-1,516m)から投入された気相トレーサは、血の池沢南東部断層の生産井(Well11)で8日後に検出されているが、二相トレーサは検出されなかった。（深部に気相（液相も？）が存在することを示唆）– Well3（Well5/Well8の高い過熱度を持つ生産井に挟まれているが過熱化していない）は、気相・二相トレーサともフロントは1日以下で早いが、二相トレーサのピークがWell5/Well8が4日であるのに比べて19日と遅れており、注水した水の蒸発に時間が掛かっている。（局所的な二相領域を示唆）– 血の池沢下盤断層内の流路に一部の生産井に素早く到達する経路が存在しており、浅部に涵養した
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水によって局所的に生産井に影響がある可能性がある。（例えばWell5)

⑤現地注水試験等情報からの涵養リスクの検討
107917412126516141518
3◆：流入点または逸水位置（28Pは元穴の流入点、逸水位置）＊：30P流出点←：干渉実績（赤：増量、青：減量、紫：両方）

138

元々涵養井として独自に計画されていた坑跡

25

涵養ターゲット候補の検討

凡例涵養ブロック3の坑跡

5

涵養ブロック2の坑跡

浅部涵養位置からの
Well8およびWell5への考えられる悪影響のフロー涵養ブロック1.5の坑跡◆：流入点または逸水位置（28Pは元穴の流入点、逸水位置）＊：30P流出点←：干渉実績（赤：増量、青：減量、紫：両方）

涵養ブロック3のレベル(標高-750m)付近および以浅では標高-750m Well15注水によるWell13への悪影響やWell8(Well5)浅部注水による悪影響がWell5(Well8)に出ている。特にWell8は涵
養井に近いため，同等な挙動が考えられ，浅部注水による悪影響が想定される。

涵養ブロック3610

涵養ブロック2

よるWell19への悪影響やWell5注水による悪影響がWell8に出ている。

198
浅部涵養による悪影響が全くない領域

標高-1250m 涵養ブロック2のレベル(標高-1250m)付近ではWell10注水に

9

3
涵養ブロック1.5

1541714

涵養ブロック2(標高-1250m)より深いところではフィールドでの注水試験の結果，悪影響は発生していない。

2

涵養ブロック1

現地では長期的にWell16深部注水が継続されているが，標高1500m以深の注水では特に悪影響は観測されていない。

18
元々涵養井として独自に計画されていた坑跡

71316

したがって，涵養ブロック2より深い深度での注水涵養が考えられる。涵養ブロック1はシミュレーションの結果，それほど大きな涵養効果が確認されなかった。涵養による悪影響と涵養効果を鑑みて総合的に涵養位置を決める必要がある。
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①涵養域条件
掘削条件の設定・注水設備設置基地 10T基地
・掘削深度最大2500mの傾斜井

人工涵養対象域の設定
・貯留層の過熱化が進み、かつ、現在生産が行われてる領域（涵養効果が期待され、試験でこれを確認（観測）できると考えられる領域）

10T基地から掘削長最大2500mで掘削可能な領域

該当するのは血の池沢下盤断層および血の池沢南東部断層の逢着可能性のある領域②シミュレーションによる涵養効果の検討(追加数値シミュレーション)と最適モデルの抽出

1.5①を満たす領域（計算ブロック）で、生産ブロックと同ブロックに隣接しないブロックから計算で与える涵養域を設定。流量は想定される連続注水量（100t/h）の内、全量、50%、30%、15%が系内に留まるケースを想定。

③最適モデルによる涵養効果の評価
シミュレーションの結果，涵養ブロック１．５，２および３で涵養効果が認められた。涵養ブ
ロック１についても比較的小さいが，涵養効果が認められた。涵養ブロック１，１．５および２は注水量によりその涵養効果が逆転する現象が認められた。

④トレーサ試験から推測される涵養リスクの検討
Well12のトレーサ試験では二相トレーサでも1日で検出されている坑井があり，血の池沢下盤断層内の流路に一部の生産井に素早く到達する経路が存在しており、浅部に涵養した水によって局所的に生産井に影響がある可能性がある（例えばWell5)。

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，浅部注水により短絡的に導通し，噴気停止に至っている坑井があり，浅部注水にはリスクがある。

⑥涵養位置(候補)の抽出
上記①～⑤の総合的検討結果による涵養位置(候補)の抽出

シミュレーションモデル上の涵養箇所の条件①涵養井の坑口位置は現在の計画地点とする②掘進長は, 最大２，５００ｍ③傾斜掘削の条件は、KOP＝200m, 最大傾斜45°④既存の生産井の近傍（同一ブロック）には涵養しない⑤上記の範囲で、血の池沢下盤断層および血の池沢断層南東部に到達可能な場所について涵養箇所▲を設定する⑥涵養位置は、血の池沢下盤断層・血の池沢断層南東部の断層モデルブロック（図中の破線内）
・ 涵養井（灰色）計画の位置、およびその直上（深部～浅部）
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の直上
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の直下
・ 血の池沢下盤断層の過熱化した坑井群の側方・ 血の池沢下盤断層と血の池沢断層南東部の境界部⑦適正な涵養位置候補のうち、現状の地下情報において断裂の存在可能性が低い領域や掘削が困難な領域を除く⑥涵養位置(候補)の抽出27

４．まとめ数値シミュレーションにおいてグリットサイズ，マトリックス分割数，ならびに残留水飽和度の検討を行い，現状での最適モデルの抽出を行った。最適モデルを用いた涵養シミュ
レーションの結果，浅部ブロック(涵養ブロック２や３等)の涵養効果が深部ブロック(涵養ブ
ロック１および１．５等)の涵養効果よりも大きいことが確認された。
しかしながら，トレーサー試験ならびに現地注水試験等情報からの検討の結果，涵養ブ
ロック２および３は注水により短絡的に生産井に導通し，噴気停止に至る可能性があり，リスクがあることが判明した。したがって，涵養シミュレーションとこれらの結果を総合的に検討した上で涵養位置を考える場合，現時点で涵養位置は涵養ブロック２より深いところが望ましい。

初期段階として安全サイドで進めていく方針とし，その後，状況の確認およびシミュレータのキャブレーションを実施しつつ，現地試験の進捗と並行して涵養方法についても状況に合わせて再検討を要する場合が考えられる。
今後，涵養位置については，グリッドサイズとマトリックス分割について検討するとともに，残りの涵養シミュレーションを実施し，涵養域条件の詳細検討も含めて総合的に評価する予定である。
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