コールベッドメタン増進回収における水平坑井の経済性評価
環境システムコース

エネルギー環境学分野36647

高橋

毅にはシミュレーションが不可欠である。研究室
1. 研究背景と目的環境への意識が高まっている今日において において開発したシミュレータ(ECOMERS−
対処すべき環境問題として温室効果ガスの削 UT) 1の改良を進めた。炭層モデルにはマトリ減およびエネルギー問題がある。その 2 つの問 ックスとフラクチャーからなる二重孔隙モデ
題を同時に対処しうる技術としてコールベッ ルを適用し、マトリックスでの吸着はラングミ
ドメタン増進回収が注目されている。
ュア吸着等温式、マトリックス-フラクチャー
コールベッドメタンとは、石炭層中に存在す 間の拡散はフィックの法則、フラクチャー中のるCH4であり、コールベッドメタンをより多く移流はダルシー則に従うとした。支配方程式は、回収する方法として、石炭層内にガスを注入す水および各ガス成分の連続の式である。解法はるコールベッドメタン増進回収法がある。化石有限体積法、風上差分法、完全陰解法を用いた。
燃料の有限性や地球温暖化防止の観点から、その回収技術の進展が期待されているが、特に、注入ガスにCO2を使用するとCH4とCO2が 1：2 3. 坑井掘削軌跡と生産性
CBM の生産性は、貯留層としての炭層特性の割合で置換し、CO2が石炭に吸着することから、この方法はCO2固定技術の一つであり、温 及び開発計画に依存する。そこで炭層特性と実施した計算シナリオの設定を表 3.1 に示す。ま室効果ガスの削減につながるのである。
しかし、このコールベッドメタン増進回収法 た、坑井掘削軌跡として図 3.1 に示す 3 通りのはまだ確立されていない。その理由として、石 ケースを想定した。
炭層内の流体の貯蔵および輸送のメカニズム
表 3.1 計算シナリオ設定
が極めて複雑で解明されていないこと、実地試
水 平 坑 井 垂直坑井 水 平 ・ 垂直験がほとんど行われていないこと、経済的に採(a)(b)
坑井(c)
算が合わないと考えられていること等が挙げ増進回収○○○
られる。
一次回収○○n/a
そこで本研究は、コールベッドメタン増進回
浸透率0.1〜10md
1md―収システムの経済的成立性に注目し、実用化できるシステムの具体像を提示することを目的注入井とした。特に、浸透率の低い石炭層からのコールベッドメタンの生産量を増加するために、従来使用されている垂直坑井に加え、水平坑井を用いたシステムを想定する。
ガスの注入システム、生産システムの各部に最適なものを選択し、各部のコスト評価式から生産井
(b)
(c)
(a)
得られた総費用を把握した上で、経済的に採算が合うようにするにはどのように工夫すれば図 3.1 坑井の種類よいかを検討した。また、得られた具体像から
コールベッドメタン増進回収技術における課
3.1 水平坑井の生産性題と、あるべき新技術開発の方向性について抽水平坑井における増進回収と一次回収のメ出した。
タン生産速度を計算した(図 3.2)。一次回収と増進回収とでメタン生産性に大きな違いは見2. 水平坑井シミュレータ
られなかった。これは水平坑井の場合は坑井とガス貯留層としての炭層はガス貯留・移動メ炭層との接触面積が大きいため、二酸化炭素吸カニズムが複雑で非線形性が強い為、生産予測

CH4 Production Rate[m3/day]

CH4 ProductionRate[m3/day]

着に伴う増進効果がなくともメタン生産があ 3.2 坑井掘削軌跡
水平坑井と垂直坑井および水平・垂直坑井のる程度可能であると考えられる生産性の比較を行うため、それぞれのメタン生産速度を計算した(図 3.4)。生産井が水平坑井100000
一次回収の場合のメタン生産速度は垂直坑井の場合に増進回収80000比して大幅に大きい結果となった。これは水平60000
坑井の場合、炭層との接触面積が垂直坑井に比べて大きくなることが要因と考えられる。一方
40000
で注入井が水平坑井の場合もメタン生産速度
20000
は垂直坑井の場合に比して大きい結果となっ0ている。これは、水平坑井の場合、掃功率が高01000 2000 3000 4000 5000
くなることが要因であると考えられる。しかし、Time[day}注入井を水平にした場合、垂直の場合に比して図 3.2 一次回収と増進回収のメタン生産速度 低圧力でガスを注入することが可能となり、その結果、注入井と生産井との圧力差が低くなり、次に絶対浸透率を 0.1,1,3.65,10mdとしてメ メタン生産にマイナスのインパクトを与えてタン生産速度を計算した(図 3.3)。また、ブレ いる。
イクスルー([CH4]<0.9)までの生産を想定した100000場合の増進効果を表 3.2 に示す。浸透率が高い
水平・垂直坑井
垂直坑井
80000
ほど初期の生産性に優れていた。しかし、浸透水平坑井率が低い場合は生産性が低いが、一次回収と比60000
較した増進効果がある。ただし、低浸透性の場
40000
合は炭層圧力が上昇するため、リークが懸念さ20000れる。
0CH4 Production Rate[m3/day]

10000008000060000

図 3.420000
02000

4000

6000

4000

6000

8000

8000

Time[day]

図 3.3メタン生産速度(絶対浸透率)

表 3.2

絶対浸透率別の生産増進効果

坑井掘削軌跡ごとのメタン生産速度

次に水平坑井と垂直坑井における一次回収でのメタン生産速度を計算し、その結果を図3.5 に示す。また、増進回収効果を表 3.3 に示す。水平坑井の場合は坑井と炭層との接触面積が大きいため、二酸化炭素吸着に伴う増進効果がなくともメタン生産がある程度可能であると考えられ、増進効果は垂直の場合に比べ小さい。
表 3.3 坑井掘削軌跡ごとの生産増進効果

40000

02000

Time[day]

10md
3.65md
1md
0.1md

浸透率

Time

A:増進回収

B:一次回収

[md]

[day]

[m3]

[m3]

102682

5.74E+07

4.96E+07

1.16

3.653620

5.59E+07

4.58E+07

1.22

1.04789

5.35E+07

3.71E+07

1.44

0.110941

4.12E+07

2.01E+072.05

A/B
Time

A:増進回

B:一次回

[day]

収[m3]

収[m3]

水平坑井

3620

5.59E+07

4.58E+07

1.22

垂直坑井

5521

5.46E+07

3.20E+07

1.71

坑井軌跡

A/B

CH4 Production Rate[m3/day]

100000
垂直坑井
水平坑井

80000
60000
40000
20000
00

2000

4000

6000

Time[day]

図 3.5

坑井掘削軌跡と一次回収

8000

4.1 経済性評価プロセス
そこで 6.4km2の炭層を想定し、20 年間で開発する場合の経済性を評価した。システムの経済性評価を行うにあたっては全体を 1)火力発電所からのCO2の分離・回収プラント、2)圧縮プラント、3)注入ガス輸送パイプライン、4)炭層へのガス注入と炭層からのガス生産、5)CH4の分離・回収プラント、6)生産CH4の輸送パイ
プラインの 6 段階に分ける。注入ガスは20000sm3/day/wellで注入するとした。二酸化炭素固定量は、注入した二酸化炭素分から生産分およびスチームやエネルギー利用に伴う排出量を差引いて算出した。メタン販売価格はUS$4.44/MMBTU、二酸化炭素クレジットはUS$30/t-CO2とした。なお、排ガス購入費用は算入していない。

累積CO2隔離量[m3]CH4回収率

最後に低浸透率でのメタン回収率を坑井掘削軌跡ごとに計算した(図 3.6)。水平坑井の場
合、低浸透率炭層であってもメタン生産が可能であり、垂直坑井の場合に比べメタン回収率に優れている。また、垂直坑井の場合、1mdの炭層では注入圧力の制限から二酸化炭素の注入量が少なくなった(図 3.7)。
4.2 水平坑井の経済性水平坑井の経済性を示すため、注入ガス成分1.2ごとに純現在価値を算定した(図 4.1)。注入ガ
1
ス成分に窒素を含む場合は、排ガスからの分離0.8
回収が無い代わりに生産ガスの精製を行う設0.6定になっており、これが経済性へ影響する。た
垂直坑井0.4水平坑井
だし、二酸化炭素分離回収コストとメタン分離
0.2
回収コストはプロジェクト規模が同規模なら002000
4000
6000
8000
10000
ば差が見られない。また、二酸化炭素濃度が低Time[day]い場合は、注入した二酸化炭素よりもプロセス
図 3.6 低浸透率炭層におけるメタン回収率で使用したエネルギーによる二酸化炭素発生量が多いため、実質的な固定量がマイナスとな
1.8E+08
った。この場合、二酸化炭素クレジットが得ら
1.6E+08
1.4E+08
れないため、経済性は大きく低下した。
1.2E+08
二酸化炭素分離回収を行わない限り、注入ガ
1.0E+08
ス中の二酸化炭素濃度が高いほど経済性が高
8.0E+07
6.0E+07
いのは当然である。ここで、排ガスの購入価格
垂直坑井
4.0E+07
水平坑井を考慮していないことに注意しなければなら
2.0E+07
0.0E+00ない。即ち、二酸化炭素濃度の高い排ガスを得
02000
4000
6000
8000
るには、酸素燃焼などの燃焼技術を使う必要が
time[day]ある。燃焼効率の向上などでコストを賄える場合は問題ないが、コストが上昇した場合は、そ図 3.7 二酸化炭素固定量れが排ガス購入価格として反映しなければならない。
4. 坑井掘削軌跡と経済性
なお、ガスを注入しない場合は、注入井掘削
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 コストが発生しないため、最も経済的となった。
られる。

200
100%

90%

30%

15%

primary

-40

20-60

0-80-20
NPV(MMUS$)NPV(MMUS$)-20

平坑井の方がメタン生産量および二酸化炭素隔離量ともに大きくなり経済的に優位になると考えられる。

-100-120-140

1md

3.65md-60-80
-100

水平坑井
垂直坑井

-120

図 4.1

注入ガス成分と純現在価値

10md-40-140-160

坑井間隔が 800ｍの場合、ブレイクスルーが
図 4.3 水平坑井と垂直坑井の純現在価値
10 年程度で起こってしまい、プロジェクトとして適切ではない。そこで坑井間隔を 800m と 5. 中国におけるケーススタディ
中国の炭層からサンプルで 3 件抽出し、その1600m に設定した場合の経済性を算定した(図4.2)。坑井間隔を 1600m に広くした場合、メ 炭層特性のもと2、水平坑井と垂直坑井のどちタン生産に関しては 800ｍの場合に比して回 らが経済性の点で優れているか結論を導いた
収が遅くなるが、坑井掘削コストが少ないため、(図 5.1)。中国では低浸透率炭層が多いため、水平坑井を坑井掘削軌跡として採用すべきで純現在価値は大きくなっている。
ある。
250

30150

100800m-101600m-20

NPV(MMUS$)NPV(MMUS$)

水平坑井
垂直坑井

200

20100
50
0-50-30

峰峰

陽泉

ホウ東-100-40-150

図 4.2

坑井間隔と純現在価値

4.3 坑井掘削軌跡と経済性
水平坑井と垂直坑井の経済性を比較するため、純現在価値を算定した(図 4.3)。絶対浸透率が 3.65md、10md の場合は、水平坑井より垂直坑井の純現在価値が大きくなっているが、0.1md の場合は、垂直坑井より水平坑井の純現在価値が大きくなった。これは低浸透率炭層における水平坑井の優位性を示している。浸透率が中程度以上の場合、垂直坑井であってもある程度のメタン生産が可能であるため、メタン価
格 4.44US$/MMBTU のもとでは、水平坑井より垂直坑井のほうが優れている。しかし、低浸透率の場合、垂直坑井ではガスが流れにくいが、水平坑井では井戸と炭層の接触面積が大きいため、低浸透率であってもある程度のガスが流れる。その結果、低浸透率の炭層においては、水図 5.1

中国の炭層における純現在価値

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、炭層特性および坑井掘削軌跡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。
水平坑井と垂直坑井を比較した場合、炭層条件およびメタン価格等によってその優位性は変化することが示された。低浸透率炭層、または、メタン価格が 6US$/MMBTU 程度まで上昇すれば水平坑井が経済的に優れた坑井掘削軌跡であるといえる。
1 舟橋悠紀、東京大学大学院修士論文、2005
2 China National Administration of Coal Geology,“Coalbed Methane Resources of China”, China
University of Mining & Technology Press、1998