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海上プラットフォーム

CO2 大規模排出源

大偏距

パイプ

タンカー輸送ライン

掘削輸送-800m

海底孔口

緩く傾斜した地層からなる帯水層への貯留（残留ガストラップに期待）

背斜構造を示す帯水層への貯留（構造トラップに期待）

大排出源近傍に多く本研究の主たる研究対象

大規模排出源近傍におけるCO2地中貯留・圧入の概念図 「CCS2020 経済産業省 2006年5月」を基に作成

CO2 を地中に埋める

─深部帯水層への貯留に向けて─■ どれくらいどこに埋めることができるかを評価する■ CO2 の移動と地下水への影響を評価する■ 地上から CO2 を監視する● ひとこと地球工学研究所

地圏科学領域

主任研究員

田中 姿郎

どれくらいどこに埋めることができるかを評価する
わが国では、世界的に埋蔵量が豊富な石炭を、製鉄、発電等の目的で年約 1 億 9 千万トン輸入（07年実績）しており、この内、火力発電用としては約 9,000 万トンを使用しています。石炭火力発電は、温室効果ガスの一つである CO2 を多く発生するため、火力発電所の発電効率の改善が図られるとともに、排出される CO2 を捕捉しこれを地中に埋める CCS（Carbon dioxide Capture and Storage；二酸化炭素回収貯留）技術の開発が進められています。地中貯留では一般に、油田、ガス田に見られる背斜構造（地層が凸型に褶曲した地質構造）のように、CO2 の浮力による上昇を物理的にトラップ（捕捉）する構造の帯水層を利用すれば、信頼性の高い貯留が可能となります。しかし、わが国の CO2 の大排出源が立地する沿岸部には、このような帯水層の存在は限られています。CO2 の輸送費や貯留容積の潜在量を総合的に検討した結果、明瞭なトラップ構造を示さない帯水層への貯留が現実的な方法として認識され、実現に向けての開発研究が進められています。

■ CO2 をトラップする考え方■貯留可能量を評価する

CO2 は 31℃以上、7.4MPa 以上で超臨界状態と地中貯留では、圧入された超臨界状態の CO2なり、液体のような高い密度を持ち、気体のようなは、岩石中の微小な間隙に貯留されます。その拡散性を示します。CO2 の地中貯留ではこのようなため貯留可能量は、貯留層中の間隙の体積を基面下 800m 以深に広がる帯水層中に貯留する方略の貯留可能量評価フローを示します。

性質を踏まえて、CO2 が超臨界状態となる地下水に計算されます。図 2 には、当所が提案した概貯留可能量の評価では、貯留可能範囲（貯留法が一般的な考え方となっています。
CO2 を地下にトラップするメカニズムには、①背斜層の分布・形状）の推定、貯留層・遮蔽層の性構造や断層構造といった地質や地層の構造による能（物性）の推定、関連データの修正・整理をトラップ、② CO2 相および地下水相が存在する岩行い、貯留可能量算定因子を設定しなければな濡れ性によりある分量の CO2 が間隙内に捕捉され調査、ボーリング調査、反射法地震探査、重力石中の間隙から CO2 が排出される際に、毛管力とりません。これらの情報は文献調査、地表地質

る残留ガストラップ、③地中水への溶解トラップ、④探査などの結果に基づいて設定され、総合的なCO2 が炭酸水素イオン化して捕捉されるイオン化ト地質構造・水理地質構造が評価されます。

ラップ、⑤炭酸塩として沈着する鉱物化トラップ等

排出源近傍での貯留事業を想定する時には、があります（図 1）。わが国では背斜構造・断層構

上記の評価に基づく貯留適地であること、経造等、明確なトラップ構造を示す帯水層が殆ど存在済的に CO2 の輸送が出来ること等を考慮して、しないことが想定されているので、層位トラップ、残候補地を決定する必要があります。

留ガストラップ、イオン化トラップへの期待が大きい。

貯留可能範囲の推定100

地質分布の概略把握
・更新世〜古第三紀・堆積岩

隔離への寄与度（％）
0構造トラップ
1）背斜構造によるトラップ

層位・構造トラップ2）断層構造によるトラップ

残留ガストラップ
断層溶解トラップ 層位トラップ
鉱物化トラップ
イオン化トラップ
0101001,000圧入停止からの時間（年）

図1

CO2

砂岩層（貯留層）

貯留・遮蔽層の設定
・岩相分布
貯留・遮蔽層の分布状況の把握
・地質構造・堆積相・分布深度
・断層との関係 etc.

貯留層・遮蔽層の性能の推定

CO2 のトラップメカニズムの模式図

物性値の把握・孔隙率・浸透率 etc.
性能の推定
・圧入性
・強度 etc.

貯留可能量算定式
貯留可能量の算定

図2

文献調査
地表地質調査物理探査
・反射法地震探査
・重力探査 etc.

貯留層評価因子の設定

泥岩層（遮蔽層）データの収集・整理

孔井調査
その他
現地確認調査（サイト特性）
物理探査・反射法地震探査
孔井調査
・孔内試験
・孔井試料試験
その他

貯留可能量評価法のフロー図

CO2の移動と地下水への影響を評価する■ CO2 の地中の移動を評価する■ CO2 の化学的影響を評価する

安全、確実に CO2 を地中に貯留するには、安全性の確保や社会的受容性の観点から、貯貯留層の容量・性状の事前評価、長期にわたる貯留に伴う岩盤・地下水への影響の予測を行うことが必要です。このため、岩盤内に CO2 を注入した時に想定される物理現象を把握し、これ留した CO2 が万一漏洩した場合の影響を評価しておくことは重要です。CO2 漏洩の際に環境に影響を与える要因には、①地下水への影
響、②排ガスから回収される CO2 と一緒に貯を数式に表して数値解析手法を開発しました。

留層に送り込まれる可能性のある NOx、SOx

考慮した物理現象は、①多孔質である地盤中等の影響の 2 つがあります。この内、CO2 中のの地下水による移動現象と分散現象、②岩盤内NOx、SOx 等は、一般的な排ガス処理システにおいて、超臨界 CO2、液体 CO2、気体 CO2 はムを用いることにより、排ガス中に殆ど残留し水と混じった状態で存在すること、③温度、圧ないことが試験により既に確認されています。

力に依存して CO2 が水へ溶解すること等です。

①について、CO2 が溶解した地下水が岩石と接開発した解析手法により、長崎県長崎市の触する場合に、重金属等の有害物質を溶出・移行

池島炭坑を利用した原位置の岩盤における CO2させる影響を室内試験により評価しました。この結注入実験の結果を評価しました。この結果、

果、pH を緩衝する能力の大きいけつ岩や石灰岩

CO2 注入時のボーリング孔間の圧力の変化、

では、CO2 の溶解による地下水の pH 低下が抑えCO2 の移行時間（図 3）を概ね再現することがられ、重金属を中心とする微量元素の溶出は抑制でき、解析手法の妥当性を検証できました。

されました。一方、pH を緩衝する能力の小さい砂B2 孔岩では、酸性領域で溶解しやすい金属が多く溶出することが分かりました。

高角度割れ目帯（高透水）
B5 孔
B4 孔

気相 CO2（0.61MPa以上で注入）

CO2 流量測定

溶解 CO2 質量割合

9：30
1.E-04

排水量測定

9：40

9：50 10：00 10：10 10：20 10：30
1.E-04⒜1.E-06

1.E-05

1.E-07

B1 孔 - 計算値
B1 孔 - 実測値

1.E-08

溶解 CO2 質量割合

1.E-01
1.E-02B2 孔ガス観測⒝1.E-04B2 孔湧出水
1.E-04 白濁
1.E-05
1.E-06

1.E-08

図3る手法（図 4）を提案しました。

B2 孔 - 計算値
B2 孔 - 実測値

採水用バルブ

圧力ゲージ

圧力計
CO2圧入用バルブ
高圧反応容器熱電対

採水

CO2 移行の計算結
果は、計算値（溶解 CO2 質 量 割 合 ）と測定値（湧出ガス量）の時間変化が、経時的によく対応していることを示している。

実験と解析の比較 - CO2 移行時間

マントルヒーター<実験条件>
常温状態で、
８０℃、1MPaにおける飽和濃度相当のCO2を圧入

10010Core1Core8Core3Core6Core910.10.01
ヒ素

図4攪拌子
高粘度用マグネ
ティックスターラー（ppb）

1.E-05

岩塩粉末
試料

超純水

シリンジ

1.E-06

1.E-03

1.E-07

重金属などの微量元素の溶出を実験的に評価す：試験区間：CO2 の流れ：パッカー

B1 孔ガス観測

1.E-05

このように、CO2 溶存下において、岩石から池島炭坑の現位置実験
サイト

湧出ガス量（㎥ /s）

B3 孔湧出ガス量（㎥ /s）

B1 孔

ホウ素

セレン

Core10地表面
地下100m
地下水水質・水道水
水質基準

CO2- 水 - 岩石加速実験装置と事例実験結果

地上から CO2 を監視する■モニタリング技術の適用性■地中貯留の事業化に向けて地下に CO2 を圧入している間、想定した帯水層構造トラップを示す帯水層への貯留であれ内に CO2 が貯留されていることを確認することと、ば、海外では技術的に実用のレベルに到達して貯留した CO2 の地中における挙動を把握することいます。しかしわが国のように、排出源近傍には、地中貯留システムを維持する上で重要な事項広く分布している構造トラップを示さない帯水です。このための地上からのモニタリング技術とし層への貯留を想定した場合には、CO2 が貯留層て、測定の簡便さと検知感度の高さを考慮して電内を長期的に移行して地表付近へ到達すること気探査法と自然電位探査法を選択し、採取した円や、断層、割れ目を経由して貯留層から漏洩柱試験体を用いた室内実験と実際に地下約 1,000することを想定した CO2 の環境への影響評価、ｍに CO2 を溶存する水 5 ㎥を注入する現場実験に稼働時のモニタリングが、特に重要となります。

室内実験では、岩石の円柱試験体への CO2 の様々な岩種、CO2 注入量でのモニタリング技術

抵抗の増大とほぼ同時に増加することを確認しまし

影響の予測技術の開発などを進めて行かなくてた（図 5）。また、現場実験からは、30トン／日程はなりません。

度の CO2 の注入を行えば、有意な自然電位の変● ひとことより、適用性を検討しました。

注入に伴い比抵抗が増大すること、自然電位は比化を検知できることを、数値シミュレーションとの組み合せにより明らかにしました。
比抵抗の変化
（％）

300250200150100500−50−100L-P1
P1-P2P2-P3P3-P4P4-H020406080 100 120 140 160 180 200 220

自然電位の変化（V）

経過時間（分）⒜比抵抗の経時変化（縦軸はCO2注入前の比抵抗値に対する変化率（%））
0.20.1

P1-P20.0

P2-P3

−0.1
−0.20P3-P4204060

80 100 120 140 160 180 200 220

経過時間（分）⒝自然電位の経時変化（縦軸はCO2注入前の自然電位値に対する変化量（V））

図5

このため、残留ガストラップ機能の定量評価、の適用性評価、および地下水や地盤への化学的CO2 地中貯留は、CO2 の大気への排出量削減法の一つとして国内外で注目されており、既に外国では地下へのCO2 の圧入が大規模に行われています。しかし、
構造トラッ
プに乏しいわが国の地質条
地球工学研究所件を考慮すると、事業化に向地圏科学領域
けてはまだ多くの課題が残さ主任研究員れています。そこで私たちは、
田中 姿郎
地中貯留可能性を評価するために、地中貯留の安全性や技術的・社会的信頼性、そして経済性を確保するために必要な技術開発に取り組んでいます。

CO2 注入に伴う比抵抗 ･ 自然電位の経時変化

関 連

報告書

●「大規模排出源近傍における CO2 地中貯留可能性評価法－深部帯水層貯留に向けた研究開発－」
電力中央研究所総合報告：N07●「CO2 地中挙動モニタリングのための物理探査手法の適用性評価」電力中央研究所研究報告：N06010
2010 年 2 月 18 日発行〒 100-8126（財）電力中央研究所 広報グループ
東京都千代田区大手町 1-6-1（大手町ビル 7 階） TEL.
（03）
3201-6601 FAX.
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