「未来社会を支える温暖化対策技術シンポジウム in 関西 2019」

CO2地中貯留技術実用化に向けての安全管理技術開発の取り組み
二酸化炭素地中貯留技術研究組合・技術部長(公財)地球環境産業技術研究機構（RITE）
CO2貯留研究グループリーダー
せつじきゅう薛 自求
Ziqiu Xue (xue@rite.or.jp)

地中貯留技術の実用化・事業化へ
投資

環境Cathcart et al., 2013
安全性政策

社会的受容性法規

技術開発や知見の提供

Research & Development

Demonstration, Deployment

実用化には、技術開発以外の要素（安全性、経済性、社会的受容性、法整備）

2大規模CO2地中貯留の実用化に向けて
油ガス田開発技術・経験・ノウハウを活用しても、取り組むべき技術課題がある
 安全性（リスクマネジメント）、経済性（コスト削減）、社会的受容性の向上
社会実装

3

Safety/Risk Assessment in CO2 Storage
・Potential Risks（不確実性による）
Risk profile ＠CO2 injection site（site-specific）

Losses of Injectivity, Capacity and Containment,
Induced Seismicity, Environmental Impacts4

地下への流体圧入（地熱開発、水圧破砕、非在来型資源開発）

地層の間隙水圧力（pore pressure）増加、有効応力（effective stress）減少

Injection-Induced Seismicity
地下資源開発、CO2地中貯留
5

人類の産業活動に係わる minor earthquakes and tremors6地熱、非在来型油ガス、CO2地中貯留における流体圧入

0.001 milidarcy

1 darcy

100 milidarcy

10 milidarcy

National Academy of Sciences, 20137

米国の非在来型油ガス田サイトの例
水圧破砕によって、低浸透性貯留層から油ガスを生産する

8

Induced and Triggered Events in Fluid Injection9圧入レート

1 BPM=158.99 L/M圧入圧力

1,000 PSI=6.89 MPa

マグニチュード10

Microseismic Monitoring in Hydraulic Fracturing @Oklahoma

11米国内のエネルギー開発分野における有感地震の報告

National Academy of Sciences, 201312

M-1.2 to M0.8

M4.4, M3+M-3 to M-1

M-2 to M1
M-1 to M1

圧力増加域内、あるいは域外  イベントの位置評定（location）が重要！ 13（微小地震： Micro-seismicity; 微小振動: Tremors?）
14

CO2圧入サイトの安全管理技術開発
ATLS: Advanced Traffic Light System

CO2地中貯留サイトの観測事例
ATLSの実用化に向けて
15

Microseismic Monitoring at Nagaoka Site

長岡実証試験サイトにおける微小地震観測（CO2圧入：2003.7 – 2005.1、約1万トン）
16

A Dense Microseismic Monitoring Network @Tomakomai
Onshoreseismometer

Observation well OB-2 for
Moebetsu Formation(vertical)

2 Injection wells(Deviated)

Observation well OB-1 forTakinoue Formation
converted from survey wellObservation well OB-3
for Takinoue Formation(vertical)(Deviated)

OBS
Working area of 3D seismic survey
OBS

OBC: Ocean Bottom Cable
OBS

OBS

OBS: Ocean Bottom Seismometer

Tanase, 201517

Microseismicity (M<1) detected by OBC andConventional seismometer @ Tomakomai
自然地震記録の一例

Hi-net（白老）の観測波形
2014/07/07 03:00-04:00
Conventional Seismometer
RecordOBC Record“Two birds (2D/3D Seismic,Microseismic) with one stone (OBC)”

18

自然地震が多い！

自動処理・省力化
圧入サイト周辺の地震カタログ整備2017.４以降
地震月報が未公開

観測・解析結果を効果的に公開及び有効活用

圧入サイト周辺では震源決定精度向上が欠かせない

安全管理、不安や疑念の解消へ

圧入サイト周辺：どこまでの範囲？

19

OBCの観測データからイベントを効果的に検出

圧入前の自然地震の観測データ： 2015.02.01 -- 2015.02.28

従来のSTA/LTA法と新しいSDAR法の有効性の検証
20

震源距離

マグニチュード21

他の観測結果も含めて、総合的に判定する！
22

ATLSの主なシステム構成（動作確認中）ATLS状態変更（人間による判断）※圧入再開、圧入レート低下で再開

制御信号：圧入レート低下、圧入停止
圧入装置

圧入計画/実績

ATLS制御(3) 微小振動ATLS判定機能
地震発生位置評価

統合
地震カタログ(1) データ受信・処理機能

圧入後
地震活動モデル評価

振幅評価

圧入中観測

ベースライン観測SEGD

微小振動検知

微小振動
震源決定

SEGD

ベースライン
観測時の微小振動検知

地震カタログとの関連付け

常設型OBC
OBS
坑内型地震計

微小振動
地震カタロ
グ

地震カタログ

地震活動変化評価

ベースライン
地震活動モデル評価

CO2挙動解析
リスク判定(2) データ評価機能／ 観測結果等の表示方法の検討

23

ATLSシステムの完成に向けて
気象庁の地震観測情報（データベース）を活用して、解析対象イベントの絞り込み
信号機の色（判断基準）や圧入再開条件等の検討（他分野の事例や知見を参照）

圧入サイトにおいて、どの範囲（Area of Review）まで重点的に監視するか
圧入時の観測データを有する海外機関との協力
Science-basedのリスクコミュニケーション（社会的受容性向上の手法論からの転換）

24

米国イリノイのDecaturサイトの観測事例（1/2）

震源決定精度向上の必要性：貯留層か、遮蔽層か、基盤岩かMicroseismic Events at Decatur, Illinois

25

米国イリノイのDecaturサイトの観測事例（2/2）

McDonald (2015)

貯留層底面～2100m

・微小振動が多発する時期がある
・クラスター状に震源域が分布する・下位の基盤と圧入対象層で発生

AoRは12.8km>M2.0かつ地表で被害: 圧入中止
>M2.0で有感：圧入レート低減>M2.0で無感：関係機関報告、関連調査>M1.5が1月以内に5回：関係機関に報告<M1.5： 継続2626

QUESTサイトの微小振動観測結果>M4.0: 圧入中止
>M2.0: 関係機関に報告<M2.0: 継続• 貯留層内のM-2程度の地震まで検知• Area of Review（AoR）は10km• 2018年（圧入開始後１年5月後）から年回100回程度微小振動が発生• これまでの最大M=0.1

O’Brien (2018)

貯留層下部
27

フランスの警報・警告の運用事例（閾値設定）

Billiot (2011)28

圧入サイト周辺の地震観測： どこまでの範囲？

断層
CO2分布範囲
圧力フロントCO2圧入井29

地質モデルを用いた数値解析結果

米国EPAの観測範囲決定概念図30

100 psi＝0.69 MPa

約100万トン圧入終了後の予測結果

予測精度は地質モデルの完成度に大きく依存！

1,524 mPlume and Pressure Fronts at Decatur, Illinois

31

米国Decaturサイトの観測事例

Greenberg, 201532

事例：地熱開発における微小地震eventとpressure frontの関係
Shapiro & Dinske 2009
Shapiro et al. 2002

Pressure front

33

CO2 Plume Front and Pressure Front-- Insights from a lab experiment --Zhang et al., 2018
Doi：10.1029/2018WR023415
34不均質砂岩試料を用いた流動と変形の同時測定実験
巻き付けた光ファイバー

貯留層（粗粒）遮蔽層（細粒）X-CT画像Zhang et al., 2018

遮蔽層の安定性監視、圧力フロントの観測35

粗粒部（貯留層）内のCO2分布状況（X-CTイメージ）①③②④

Zhang et al., 201836

Time (hours)

Time (hours)

粗粒部（貯留層）におけるCO2飽和度とひずみの対応関係

Zhang et al., 201837

Zhang et al., 2018

CO2飽和度：ほぼゼロ

Time (hours)

ひずみが観測された！

Time (hours)

粗粒部のCO2飽和度が増える過程で、細粒部のひずみ発生状況

38粗粒部から細粒部にCO2浸入した後のひずみ発生状況

Time (hours)

遮蔽層にCO2浸入！

Zhang et al., 201839 砂岩試料の測定実験結果より、CO2 plume front と pressure
front が区別できた。
• Geomechanical simulationより、pressure front と貯留層物性の関連性に関するヒストリーマッチング• 光ファイバーによる断層安定性モニタリング（海外機関と協力も）

caprockfault
CO2 Injectionreservoir

CO2 plume frontpressure front
40謝辞
この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務の結果得られたものです。

41