環境プロジェクトとしてのコールベットメタン増進回収の実現可能性評価
環境システムコース

エネルギー環境学分野
36783

舟橋悠紀にはシミュレーションが不可欠である。研究室
1. 緒言
温暖化やエネルギー供給の切迫が懸念され において開発したシミュレータ(ECOMERS−
る中で、天然ガスへの燃料転換や短期的な二酸 UT) 1の改良を進めた。炭層モデルにはマトリ化炭素削減ポテンシャルを持った地中貯留技 ックスとフラクチャーからなる二重孔隙モデ術の開発が進められている。コールベットメタ ルを適用し、マトリックスでの吸着はラングミン（以下 CBM）は炭層中に存在するメタンを ュア吸着等温式、マトリックス-フラクチャー主成分としており、主に石炭表面に吸着した状 間の拡散はフィックの法則、フラクチャー中の態で存在している。非在来型天然ガスであるが、移流はダルシー則に従うとした。支配方程式は、アメリカでは天然ガス生産の 8％を占めている。水および各ガス成分の連続の式である。解法はコールベットメタン増進回収（以下 ECBMR） 有限体積法、風上差分法、完全陰解法を用いた。
は、二酸化炭素を注入して生産を増進する手法
で、原油の二次回収に類似しているが、吸着力 結果の検証を利用する点が特徴的である。即ち、メタン生計算結果を検証するため、既存の 6 シミュレ産により二酸化炭素固定費用の一部を補いつ ータと比較した2。5 点法の坑井配置で坑井間隔つ、長期的に安定な固定が実現できる可能性が 50.294ｍとした（図 1）。生産速度パターンがある。世界の採炭不可能な炭層における貯留容 一致し、基本性能が確認された（図 2）。微小量は 20Gt-CO2 程度と見積もられている。
な誤差の要因は、差分法、収束条件、状態方程天然ガス開発や二酸化炭素固定を効率的に 式にあると考えられる。
実施するには、メカニズムを解明して貯留層モ11 x 11 Grid Systemデルを構築し、生産シミュレーション、FS 調査を経て計画される。CBM の生産性や固定容量は、吸着特性や浸透性といった炭層毎に異なる特性に依存する。しかし、既往の経済性評価は米国やカナダにおける実地試験を基にしており、炭層条件が限定されている。また、二酸化炭素注入に伴う浸透性の低下や従来の吸着
I: Injection well50.294 mモデルで説明できない現象が報告されている。 P: Production well
さらに、二酸化炭素地中固定技術は一般にガス
図 1 炭層モデルのリークや環境影響が懸念されている。EORや帯水層への固定については研究例があるが、炭層固定の場合は定性的な議論に限られる。
そこで本研究はシミュレーションを行い、
ECBMR に特徴的なメカニズムによる生産性
ECOMERS-UTへの影響、経済的な開発計画のための固定排出源の選定、炭層のシール性能およびこれらの炭層特性依存性について検討した。

2. シミュレーション
ガス貯留層としての炭層はガス貯留・移動メカニズムが複雑で非線形性が強い為、生産予測

図 2

生産速度比較

CH4 production rate [m3/day]

入が不可能なほどに坑井付近の浸透性が低下
3. 貯留層特性と生産性
CBM の生産性は、貯留層としての炭層特性 し、一次回収と同様の生産速度となった。膨張及び開発計画による。CBM 生産において最も の程度により ECBMR に適さない場合がある。
重要な炭層特性である絶対浸透率であり、増進
18000
回収においてはさらに二酸化炭素吸着に伴うPrimary recovery
16000
No swelling
膨張が鍵となると考えられる。ここでは現実的
14000
Sm: CH4:CO2=1:1
Sm: CH4:CO2=1:2
な開発規模として坑井間隔 400m とした。
12000
10000

CH4 production rate [sm3/day]

8000
絶対浸透率
6000
絶対浸透率を 1,3.65,10md として生産速度
4000を計算し(図 3)、増進効果や固定容量を比較し2000た。ブレイクスルー([CH4]<0.9)までの生産を想0定した場合、浸透率が低い場合は生産性が低い
0
2000
4000
6000
8000 10000 12000
Time [day]が、二酸化炭素注入量あたりのメタン生産量が多く、一次回収と比較した増進効果もある（表図 4 生産速度(マトリックス膨張)1）。ただし、低浸透性の場合は炭層圧力が上昇するため、リークが懸念される。
吸着モデル
40000
メタン及び二酸化炭素の混合ガスの吸着に10md
35000
ついて、多くの研究はラングミュア等温式を拡3.65md
300001md張させたモデルを適用している。しかし、混合25000
ガスの吸着実験においてこのモデルと合わな20000
い結果が報告されている。ここでは、単一ガス
15000の吸着実験においてフィッティングの良かっ10000
た LRC (Loading Ratio Correlation) モデルを5000適用し、拡張型ラングミュア式を適用した場合0。LRC モデルは、
02000 4000 6000 8000 10000 12000 と生産速度を比較した（図 5）Time [day]
一つの分子が複数の吸着サイトの吸着するというモデルである。実際の吸着メカニズムがこ
図 3 生産速度(絶対浸透率)れに従うとすれば、拡張型ラングミュア式を用
表 1 絶対浸透率別の固定/生産増進効果
いた計算では、生産速度を過剰に評価してしまう可能性がある。吸着メカニズムの解明、モデPermeability Time A: Produced B:Seqed C: Primary A/B A/Cルの改良が求められる。
333[day]6676

CH4 [m ]5.08E+07

CO2 [m ] recovery [m ] [-][-]1.36E+08 1.88E+07 2.70 2.68

3.654091

5.33E+07

1.15E+08

2.88E+07

1.85 2.16

103297

5.51E+07

9.31E+07

3.82E+07

1.44 1.69

吸着に伴う膨張
二酸化炭素を注入した場合に注入性が著しく低下する現象は、吸着に伴うマトリックス膨張（孔隙収縮）で説明されている。提案された
孔隙率モデル3を適用し、生産速度への影響を比較した。膨張の影響は吸着体積、ガス種および炭種による。二酸化炭素の影響はメタンの1-2 倍であると設定し、生産速度を比較した(図4)。二酸化炭素による膨張が大きい場合は、注

14000

CH4 production rate [sm3/day][md]
1EL model
LRC model

12000
10000
8000
6000
4000
200000

図 52000

4000

6000 8000
Time [day]10000 12000

生産速度(吸着モデル)

100

5.0E+0750

3.0E+07100959030
15

2.0E+07
1.0E+07
0.0E+00

図 6CH4 fraction [-]0100-50

1.0E+07

2000

4000

6000 8000 10000 12000
Time [day]

注入ガス成分と累積生産量

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

100
95
9030
15

2000

4000 6000 8000 10000 12000
Time [day]

注入ガス成分と生産ガスのメタン濃度

95

9030

15

6.0E+06
4.0E+06
2.0E+06-100

0.0E+00-1500

図 7

1.2E+078.0E+06

4.0E+070NPV
Seqed CO2

Sequestrated CO2 [sm3]6.0E+07

NPV [MMUSD]

Cumulative CH4 production [sm3]注入ガス成分と経済性
4. 開発計画と経済性
3.2km2 の炭層を 16 年で開発する場合の経済資源開発では経済性は主要な指標であり、二酸化炭素固定では費用対効果の最適化が求め 性を評価した。注入ガスはプラント排ガスからられる。ガス包蔵量が多く浸透性の高い炭層が アミン法で分離し、20000sm3/day/well で注入当然望ましいが、特定の炭層条件下では坑井配 するとした。生産期間におけるメタン濃度低下
置、注入ガスの選択により経済性が変化する。 の具合から、100％二酸化炭素を注入する場合は生産ガスの精製を行わず、排ガスを直接注入する場合は深冷分離法で窒素を分離するとし注入ガス成分開発計画において、CBM 開発に有望なサイ た。二酸化炭素固定量は、注入した二酸化炭素
トと二酸化炭素固定排出源とのマッチングが 分から生産分およびスチームやエネルギー利重要である。浸透率 3.65md の炭層、想定され 用に伴う排出量を差引いて算出した。メタン販る注入ガス成分（[CO2]=100, 95, 90, 30, 15％、 売価格は US$4.44/MMBTU、二酸化炭素クレ残りは N2。それぞれ分離回収、酸素燃焼１、 ジットは US$30/t-CO2 とした。排ガス購入費
酸素燃焼２、製鉄、火力発電に相当）を設定し、 用は算入していない。
累積生産量及び生産ガス中のメタン濃度を比注入ガス成分と経済性および実質的な二酸較した（図 6、図 7）。窒素は二酸化炭素より 化炭素固定量を図 8 に示した。二酸化炭素濃も吸着力が弱く、メタン脱着を促進して生産を 度が低いガスを注入した場合、早期のブレイク増進する効果がある一方で、メタン濃度が早期 スルーで生産ガスの分離コストがかさみ、電力に低下した。
使用により二酸化炭素固定量が見込めない結果となった。
7.0E+07-2.0E+06-200-4.0E+06

図 8

注入ガス成分と経済性

5. 炭層固定における二酸化炭素のリーク
二酸化炭素固定プロジェクトにおいて、二酸化炭素のリークは安全性と経済性の両面において重要である。リークした場合、地下水や植生への影響、ガス突出や大気への再放出などが懸念される。大気に再放出された場合、固定量（もしくは二酸化炭素クレジット）を過大評価してしまう。枯渇油田においてはキャップロッ
クのシール性が保障されており超長期的な固定タイムスケールが期待できるが、炭層の場合はその限りではない。炭層の上盤における二酸化炭素挙動を計算し、地層条件とリーク量との関係を示した。

4.0E+07

表 2

地層モデル

CO2 leakage [sm3]地層モデル
炭層の上盤に夾炭層を有する頁岩層を、炭層の直ぐ上部には低浸透性の泥岩 1ｍを設定した。
下盤は粘土質が多いことから不透性とした。地層モデルを表 2 に示した。計算グリッドは泥岩層において細分し、5x5x13 とした。

Coalseam in overburden
No coalseam in overburden

3.5E+073.0E+072.5E+072.0E+07
1.5E+07
1.0E+07
5.0E+06
0.0E+00

層厚[m]
20320
320
19頁岩
炭層
頁岩
炭層
頁岩
泥岩
炭層

浸透率 [md]
水平
垂直
0.5
0.05
3.65
1.0
0.5
0.05
3.65
1.0
0.5
0.05
0.01
0.001
3.65
1.0

孔隙率
[‑]
0.05
0.001
0.05
0.001
0.05
0.01
0.001

二酸化炭素リーク体積
注入開始後 16 年における孔隙中の二酸化炭素濃度を図 9 に示した。上下が深度方向、左右が水平後方で、注入井は左下、生産井は右下に位置する。上盤夾炭層において二酸化炭素のフロントが停止している様子を確認した。泥岩
浸透率及び夾炭層の有無とリーク体積との関係を図 10 に示した。1x10-3md の場合は期間中の二酸化炭素注入量（1.1x108sm3）の 7.9％、-4
1x10 md の場合は 0.1％リークした。リークによる環境影響次第であるが、1x10-4md、1ｍの泥岩層に十分なシール性能があり、帽岩として機能すると考えられる。逆に、断層や坑井刺激により泥岩層のシール性が低下した場合は、大量のリークが懸念される。また、夾炭層が存在することで、リークしたガスの一部が炭層に吸着され、フリーで存在する量が軽減された。
20320320
19Thickness[m]Shale

図 9MudCoal

孔隙中の二酸化炭素濃度

No caprock

図 100.010.001
Permeability [md]0.0001

夾炭層と二酸化炭素リーク体積6. 結論
コールベットメタン増進回収シミュレーシ
ョンを行い、炭層特性が生産性に与える影響を示した。一次回収と同様に、ECBMR においても浸透率が高いほど生産性が高く、重要な炭層特性であることを示した。二酸化炭素吸着に伴う膨張が著しい炭層は増進回収に不適であり、また正確な生産予測の為に吸着メカニズムの解明が重要である事を示した。
注入ガス成分別に生産速度や経済性を示し、開発計画における固定排出源と二酸化炭素固定サイトとのマッチングに関数する知見を得た。二酸化炭素濃度の低い排ガスを用いた場合は、生産ガスのメタン濃度が低下し、精製プロセスでのエネルギー消費により実質的な二酸化炭素固定が見込めない可能性がある。
炭層固定の環境影響の一指標として、炭層からリークする二酸化炭素量を計算した。上盤に浸透性の低い泥岩層などが存在する場合は、十分なシール性能があることを示した。また、夾
炭層が存在する場合はリーク量が軽減されることを示した。以上から、事前の地質調査が重要である事を示した。
1 児玉裕幸、東京大学大学院修士論文、2004
2 David H.-S. law, et al, Numerical Simulator
Comparison Study for Enhanced Coalbed
Methane Recovery Processes, part 1:CO2Injection, SPE75669, 2002
3 Laxminarayama Chikatamarla, et al,
Implications of volumetric swelling/shrinkage ofcoal in sequestration of acid gases, Proc.
International Coalbed Methane Symposium, 2004