研究活動概説⃝CO 貯留研究グループ

ＲＩＴＥ

2Ｔｏｄａｙ２０２０

CO2貯留研究グループ

グループリーダー・
主席研究員
薛

自求

サブリーダー・主席研究員
主席研究員		副主席研究員		
副主席研究員		
副主席研究員		
副主席研究員		
主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		主任研究員		

内田 堅二
野村
眞
高須 伸夫
中島 崇裕
名井健
田中 良三
内本 圭亮
三戸彩絵子
張
毅
朴
赫
利岡 徹馬
松村
淳
小牧 博信
渡辺 雄二
樋脇 和俊
橋本
励
指宿 敦志
清水 信寿
高野
修

主任研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
主任主任
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手
研究助手

岡林 泰広
伊藤 拓馬
三善 孝之
孫
艶坤
翟
鴻宇
中村 明寛
永田 丈也
小谷 雅文渕上 聡子
中西公美子
奥道 恵美
佐々井登喜男
佐々木 惠
辻志織
西出 朱美
氷見 悠子
平井 順子
柴谷 聖司
岡田 浩将

安全なCCS実施のためのCO2貯留技術研究開発の取り組み
1. はじめに2019年8月にオーストラリアのGorgonプロジェ
クトにおけるCO2圧入が開始された。天然ガスに随伴安全管理システムの開発、海洋におけるCO2漏出検出のための研究、仮にCO2が海洋に漏出した場合における環境影響の評価にも取り組んでいる。

するCO2を回収し、Barrow島下の帯水層に貯留する

CO2圧入安全管理システムは、CO2圧入サイト周もので、圧入量は年間340〜400万トンを見込んでい辺の自然地震や微小振動を常時観測し、他の観測結果る。また、米国ノースダコタ州では、帯水層貯留やとの総合判断により準リアルタイムで安全管理をする

CO2石油増進回収（EOR）で年間100万トンを超すものである。また観測結果を適切に公開することで社規模のプロジェクトが本格的に動き出したことも注目会受容の獲得につなげることも意図している。

される。米国のプロジェクトでは、CO2の圧入中なら海洋におけるCO2漏出検出の研究に関しては、大阪

びに圧入後の地表や地下の状況をモニタリングし、信湾で変動特性の異なる2地点で年間データを取得し頼性や費用対効果の高い監視システムを開発することた。今後はデータを解析し、炭酸系のモニタリング方も計画されている。そこで、CO2貯留研究グループは法を検討する。このような多面的な技術開発と適切な光ファイバーを用いた地中のひずみ、圧力、温度を測情報公開のしくみづくりにより、安全安心なCO2貯留定する技術を開発して貢献する。CO2地中貯留技術のに貢献していきたい。

実用化に向けて、安全にCO2を貯留するための技術開発がより一層重要になってきている。
CO2貯留研究グループは、二酸化炭素地中貯留技術研究組合の一員として、NEDO事業「安全なCCS実CO2を効率的に圧入するという観点では、これまで、CO2をマイクロバブルにして圧入する技術開発に取り組んでいる。NEDO事業では、現地実証試験も行って有効性を確認している。

施のためのCO2貯留技術の開発研究」に取り組んでいまた、当研究グループは、CCSに関係する国際機る。本事業においては、先述の長尺光ファイバーを用関や国際的な枠組みとの連携を通してCCSの普及にいた地中計測の実証試験のほかに、CO2圧入における貢献している。

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2Ｔｏｄａｙ２０２０2. 主な研究課題と成果期間における坑井周辺の微小振動観測にも用いること

2.1. 光 ファイバーを用いた地層健全性評価モニタリができる。図2は、長期間の連続観測によって検知しングシステムの開発た多数の地震イベントのうち、観測サイト近傍で発生

アルジェリアのIn Salahプロジェクトでは、CO2のした地震記録（震央距離約12km、震源深度1.7km、圧入による圧入井まわりの地表隆起や、サイト周辺でマグニチュード1.3）である。上段の加速度計記録での微小振動（マグニチュード1未満）が多数観測されは、2秒付近にP波が、6秒付近にS波が記録されている。

た。微小振動の発生はCO2プルームの広がりや地層圧

一方、下段のファイバー記録では、地下深く（記録の上昇との関連が指摘されている。そのためCO2地中貯下端）から到来する地震波が地表面（記録の上端）で留では、圧入されたCO2の広がりの監視に加えて、地反射し地下深部へと伝播し、逆V字形を形成している。

層圧の上昇にともなう地層変形や圧力伝播範囲の監視

地震波の伝播速度によって、逆V字形の角度が異なるが必要となる。これらの監視を効果的に実施する技術

ことから、角度が小さいP波と角度が大きいS波の識の一つとして、分布型光ファイバーセンシング技術が別が容易に行えることが特徴である。加えて、地表反挙げられる。

射に伴うPS変換波や、地下深部で発生したSP変換波

分布型光ファイバーセンシング技術は、光ファイなどが記録されており、検知した振動イベントの特徴

バー全体が受信部となるために、空間的に連続した記づけや、次項で紹介する圧入安全管理システムへの入録を取得できる技術として様々な分野での利用が進ん力データとしての利用が期待される。

でいる。また複数のファイバーを一度に設置すること0で、温度・圧力・ひずみ・振動をすべて捉えるマルチセンサーとして利用でき、多数のセンサーを設置する

50

当研究グループでは、この分布型光ファイバーセンシング技術を用いたモニタリングシステムの実用化に向けて現場試験を実施しており、以下では２つの事例について紹介する。
最初の事例は、坑井掘削中の地層の微小なひずみの計測である。図1は、掘削井からそれぞれ3m（左図）と10m（右図）離れた既存坑井に設置された光ファイバーで計測されたひずみ変化である。これらの記録から、坑井掘削によって地層には多孔質弾性変形に伴うひずみが生じること、またそのひずみが周囲へ伝播深さ (m)場合に比べて大幅なコスト低減を図ることができる。

100150掘削坑から3 m離れた光ファイバー

200

135時間 (日)7

10 m離れた光ファイバー

9135時間 (日)79

図1 坑井掘削中の地層のひずみ（ひずみが生じると黄緑から暖色へ変化）すること、伝播距離や方位によってひずみの減衰傾向が異なることを光ファイバーセンシング技術によって明確に捉えられることが示された。深度方向に現れるひずみの局所的な違いは、地層を構成する岩石の剛性や浸透性に起因すると考えられる。
二番目の事例は、坑井に設置された光ファイバーによる自然地震観測である。圧入井や観測井に設置される振動計測用の光ファイバーは、CO2プルームの広がりを把握するためのVSP（Vertical Seismic Profile）
技術の受振器としての利用に加え、VSPを実施しない

図2

自然地震記録35

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2.2. 圧入安全管理システム（ATLS）の開発

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置したOcean Bottom Cable (OBC)による地震観測

様々な流体圧入プロジェクトにおいて、地層圧力のシステムのデータ（図4）を用いて、システムの動作増加に起因する地震の誘発が懸念されている。そのた検証を行った。ATLSは1年以上の長期間の連続観測

め、 鉱 廃 水圧入プロジェクトや高温岩体 地 熱 発 電データに対しても、自動的に信号処理および微小振動（EGS）では、サイト周辺の振動イベント発生状況をイベントの位置決定が行えることを確認した。

基に、操業を管理するトラフィックライトシステム（Traffic Light System）が利用されている。これまで
CO2地中貯留サイトでは、マグニチュード1.1以下の微小振動しか報告されていない。しかしながら一般市民の懸念が強いことからCO2地中貯留においても地震活動に対するリスクマネジメントが必要である。
当研究グループでは、全ての観測システムのデータを利用し、かつ我が国の実状でも適用可能なCO2貯留のための圧入安全管理システム（ATLS: Advanced。我が国に適用可能TLS）の開発を行っている（図3）
なATLSとしては、(1) 自然地震が多く人為的ノイズも大きいデータから微小振動イベントを抽出できること、(2) 微小振動イベント位置の決定が可能なこと、(3) 自 動でリアルタイムのデータ処理が可能なこと、

OBCによる微小振動観測例

2.3. 海域におけるCO2漏出監視が必要となる。
圧入量調整

意思決定モジュール

ATLS

海底下CO2貯留を実施する場合には、CO2が海水中に漏出していないことを確認することが法令により求められている。また、社会的にも特に周辺住民の安圧入データ

全安心を担保する上でCO2漏出監視が重要となる。こ

リスク
評価

観測データ
地震記録

図4

イベント
抽出(SDAR)

震源解析
/振幅

気象庁
カタログ
図3

微小振動
ベースライン
カタログのため、当研究グループでは海洋中に漏出したCO2を静的
解析

ATLSの概要図検出するための技術開発も行っている。
CO2の海水中への漏出形態は、気泡と海水に溶解した溶存態の2種類が考えられる。気泡については、漏出したCO2気泡を音響により検出する手法を開発しATLSの機能として、自然地震との区別を行うためた。溶存態については、溶存態CO2の指標の一つであに、気象庁の一元化震源情報を自動的に収集し、自然る海水中のCO2分圧（pCO2）を用いた判定手法の研地震と観測振動を比較して判別するようにした。また、究開発を行っている。これまで、長期間の四季調査デーノイズの大きなデータから振動イベントを抽出する方タが整備されている大阪湾を対象として、pCO2を推法 と し て、SDAR（Sequentially Discounting AR定し、異常値の検出手法を研究してきた。その結果、model learning：忘却型学習アルゴリズム）を利用四季の採水調査で適切なバックグラウンドデータを得した手法を開発した。微小振動イベント位置決定機能るためには少なくとも4〜6年の調査が必要であるこについては、我が国の震源位置決定に利用されているとがわかってきた。このように数年の調査が必要とな

hypomhを 適 用 す る こ と と し た。 そ れ ら の 機 能 をる理由は、海水の水質が気象や海象などの要因によりATLSのコードに実装し、苫小牧実証試験サイトに設季節変動や経年変動を示すためである。

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そこで、季節変動や季節内の短期変動を評価するた

DO%に対してpCO2をプロットすると、両者にはめに、大阪湾を対象としてpCO2と水質の連続観測を逆相関の関係がみられる（図7）。これは主に生物活2018年7月から1年以上にわたり実施した。大阪湾海動の作用によるものである。植物プランクトンによる域は東部と西部で海洋構造が異なる。水深が浅い東部

光合成でCO2の吸収とO2の放出が生じ、好気的な呼は河川の流入により成層しやすい。一方で、水深が深吸 で はO2の 消 費 とCO2の 放 出 が 生 じ る。 つ ま り、い西部は流れが強いために、混合型を示す。東部の代pCO2が低くなるとDO%は高くなり、逆にpCO2が高表点として神戸沖（A点）、西部の代表点として関空くなるとDO%は低くなる。もし、圧入したCO2が漏沖（B点）を調査点とした（図5）。

出すると、DO%は変化せずCO2のみが増加するため、自然変動で示された逆相関関係からpCO2が大きく超神戸沖えることになり、CO2漏出を判定することができる。

A

このため、pCO2–DO%の自然変動の状態を知ること大阪湾Bが重要となる。
関空沖

神戸沖
関空沖図5連続観測の実施点

観測したpCO2と酸素飽和度（DO%）の変化を図6に示す。いずれの海域でも、pCO2は夏季に高く、冬季に最も低い。神戸沖は、冬季に200〜300μatmまで低下するが、夏季には1000μatm以上になる。また、夏季の変動が非常に大きく、数百μatmの変動幅

図7DO%とpCO2の散布図をもつ。一方、関空沖は神戸沖に比べて季節変動が小自然状態のpCO2とDO%の関係は、水温や塩分のさい。冬季は約300μatmと神戸沖と同様だが、夏季変化、荒天による物理的な攪乱、大気と海水間のCO2は約600μatmまでしか上昇しない。DO%はpCO2やO2のガス交換や海水中のイオン濃度の変化などにとは逆に、冬季に高く夏季に低くなるが、変動幅はより影響を受ける。その結果、pCO2とDO%の逆相

pCO2と同様に夏季に大きく冬季に小さい。また、神関の関係には図7に見られるような変動幅が生じるこ

戸沖と関空沖のDO%を比較すると、どちらも冬季はとになる。今後、得られたデータについて変動をもたほぼ飽和状態にあるが、夏季は関空沖が80％程度ならす要因の解析を進めることにより、CO2漏出の適切のに対し、神戸沖は冬季に比べて大きく低下し、貧酸な判断基準を得るための手法開発を、ひいては海底下素状態になることがある。

CO2貯留における適正な海洋モニタリングの確立を神戸沖目指している。

関空沖

2.4. マイクロバブルCO2の圧入試験
マイクロバブルCO2圧入とは、特殊フィルターにCO2を通過させ、マイクロバブル（微細気泡）化し、岩石の孔隙中に浸透させる技術である。これまで東京ガス㈱と共同でマイクロバブルによるCO2圧入効率の向上に取り組んできており、「貯留物質の貯留装置
図6 pCO2とDO%の季節変化（線の上下は最大最小値を、箱は四分位範囲を示す）および貯留方法」として特許を取得している（特許第5399436号）。本技術の特徴より、

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ＲＩＴＥ2Ｔｏｄａｙ

２０２０(1) CO2地中貯留における孔隙の利用効率の最大化は、CO2を2トン/日で10日間安定して圧入すること(2) 従来、貯留層として対象としていなかった浸透性ができ、20トンのCO2を圧入できた。CO2の回収量の低い地層の活用は3.9トンであり、貯留率は80%であった。更に、原(3) 石油回収率の向上

油の回収量は試験前の10倍に向上した。このように、が期待できる。

マイクロバブルCO2圧入技術は、従来法に比べ、圧入室内試験では、円盤型の多孔質フィルターによりマイクロバブルCO2を発生させ、円柱型の岩石試料に注入することによってその性能を評価していた。一方、現場でマイクロバブルCO2を発生させるには、地表か効率の向上、CO2の地下貯留率の向上、原油の回収量の向上が見込まれる。
地下約800m
パッカー 

大気圧下での気泡発生テスト

ら地下にCO2を送り込む必要があるため、圧入井の坑内に吊り下げられ、10～数10mのある圧入区間にマ64mイクロバブルを圧入する工夫が必要であった。そこで、
当研究グループでは、マイクロバブルCO2坑内発生装置を開発した（図8）。図では一本のマイクロバブル発生ツールを示している。およそ1.5m長のこのツールはジョイントにより連結でき、圧入区間に対応した長さに調節して坑内に設置できる。

873mMD

圧入層MBツールス
18m

889mMD図9 マ
 イクロバブルCO2坑内発生装置の現場設置イメージと大気圧下での気泡発生テスト

CO2

本技術は、国内での研究開発に留まらず、海外からも注目されている。マイクロバブル特許技術の使用許諾 契 約 を2018年 に 締 結 し た 中 国 君 倫 石 油 へ、 本
2019年には坑内マイクロバブルCO2発生ツールスを販売した。低浸透性油田へのCO2-石油増進回収（EOR）

図8

マイクロバブル発生ツール

適用に関して、事業展開の第一歩を踏み出だした。ま開発したツールについて、貯留率向上効果の検証のた、米国においても本技術の検証が計画され、2019ための現場実証試験を石油資源開発株式会社と協力し年、ノースダコタ大学とCO2地中貯留やEORに関すて、秋田県男鹿市申川鉱場で行った（図9）。試験にる共同研究の覚書を締結した。今後、様々な地層での選んだ地層は、地下約900mにある油を含む砂層であ実証試験を積み重ね、マイクロバブルCO2圧入技術のる。地下にある原油はほとんど自噴しない状態で砂層適用範囲や有用性を示すデータを蓄積し、経済性等をに留まっている。ここに、CO2と水を9:1の割合で圧評価する予定である。

入し、その後、地下流体を汲み上げるHuff and Puffを実施した。

2.5．国際連携および海外動向調査

マイクロバブルツールを設置せず、従来通りのCO2

当研究グループでは、CCSに関係する国際機関や圧入を実施したところ、およそ0.6トン/日で10日間、国際的な枠組みとの連携を通してCCSの普及に貢献

合計5.8トンのCO2を圧入できた。圧入終了後、2日

す る と と も に、CCSの 海 外 動 向 を 調 査 し て い る。

間CO2を地層に浸透させ、その後、5日間連続して地2019年の国際機関と国際的な枠組みの動向を以下に下流体の回収を行った。CO2は2.1トン回収されたもまとめる。のの、油は回収されなかった。回収されずに地下に留(1) CCSに係る海外動向

まっているCO2の貯留率は62%であった。一方、同CCSの普及にはCO2の輸送および貯留用の共用イ様の工程でマイクロバブルツールを設置した試験でンフラを核とし、将来の拡張が容易な“クラスター”に38

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2Ｔｏｄａｙ２０２０

よる推進が有効であるとして、これまで諸外国、特に、Chevron社を中心とする民間主導のプロジェクトで欧州で幅広く議論されてきた。英国では、気候変動委あり、大阪ガス、東京ガス、JERAも出資している。

員会（Climate Change Committee）が発表した報CO2回収を含むガス処理プラントの設計・建設には日告書「Net Zero-The UK’s contribution to stopping揮が参画している。

global warming」で、2050年までに同国の温室効(2) CCSに係る国際枠組みの動向

果ガス排出量を実質ゼロすることの重要性、CCSのCCSの国際コミュニティは、大規模実証のフェー必要性を強調し、2026年頃までに少なくとも1つのズから普及のフェーズに移行するために様々な取り組クラスターの運転を開始し、その後早急に4つ以上のみを行っている。2019年の最大の成果として、前述クラスターの追加運転が必要と提言している。また、のロンドン議定書におけるCO2輸出の暫定的な解禁

英国会は6月に、2050年までにCO2ネット排出量をが挙げられる。

ゼロにすることを法定の政策目標とするため、2008年気候変動法改正法案を可決している。

CCUSが、 当 機 構 等 に よ る 提 言 を 反 映 し た 形 で、2019年6月に軽井沢で開催されたG20エネルギー・ノルウェーでも現在クラスタープロジェクトが検討環境大臣会合で取り上げられたことも特筆に値する。

されている。フルスケール産業CCSプロジェクトは、閣僚声明やアクションプランにおいて、CCUSの可能

Heidelberg Norcem社 の セ メ ン ト 工 場 とFortum性や投資等の必要性への認識が示され、既存枠組みでOslo Varme社の廃棄物焼却施設という2つ排出源かの国際協力の強化や研究開発および普及の奨励等が謳らのCO2回収、船舶輸送と共用インフラによるCO2われた（詳細はトピックスをご覧ください）。

海底下貯留（総回収量80万トン/年）を目指している。

クリーンエネルギー大臣会合の枠組みのもとで2018年から基本設計（FEED）が実施されており、2018年に設置されたCCUSイニシアティブは、引きプロジェクトの最終投資判断は2020年度に予定され続き、金融セクターとの連携とウェビナー（webinar）ている。また、10月に開催されたロンドン条約・議等を通じたCCUSの認知度向上に取り組んでいる。

定書の締約国会議では、海域貯留を目的とするCO2の2019年は、気候変動対策を推進するために10数社の国境を越えた輸送・輸出を可能にする決議が採択され石油大手が立ち上げたOGCII（Oil and Gas Climateた。これにより、今後多国間での海域CO2貯留プロInitiative）とのCCUSの普及に向けた協力に合意し、ジェクトの実施が可能となる。将来的に、地域的なハ今後の活動の活性化が期待される。

ブやクラスターによる複数国との輸送ネットワークのCCSに 係 る 国 際 枠 組 み で あ る 炭 素 隔 離 リ ー ダ ー

共有、コストの低減、CCSの導入・普及、新たなビシップフォーラム（CSLF）の技術グループでは、こジネスモデルの機会へと繋がることが期待できる。

れまでの取り組みの成果の有効活用を念頭に、活動のまた、中国では5月に中央政府（科学技術部）があり方が見直されつつある。2017年に策定したCSLF「CCUSロードマップ2019」を公表した。同ロード技術ロードマップについては、2025年のCCSによるマップは、2050年までに国内のCCUSの大規模普及CO2削減目標（4億トン/年、累計18億トン）やそのとクラスターの実現（8億トン/年以上）を目指し、実現に向けた技術関連の4つの提言：① CCSインフ

商用化のための制度設計、インフラ整備、技術革新なラの構築、② 大規模実証の知見の共有、③ コスト低ど積極的に動き始めている。

減、④ ビジネスモデルの構築、に⑤ CO2利用、を加そのほかに、豪州では8月に西オーストラリア州北えた5分野での進展を評価していくことになった。本

西部に位置するGorgonプロジェクトの回収プラント年の評価では、2025年の目標達成は不可能ではあるが稼働となった。同プロジェクトは、天然ガス処理が、官民の共同出資によりCO2インフラが大規模に整（LNGプ ラ ン ト は2016年 に 稼 働 ） に 伴 うCO2を備されれば、後年に遅延を取り戻すことができるとさ

Barrow島下の帯水層に貯留することを目的としていれた。

る。圧入量は340〜400万トン/年と想定されている。

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