◆CCS Technical Workshop 2020◆

二酸化炭素地中貯留技術研究組合における安全な地中貯留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)

2019年度事業内容
研①大規模CO2圧入・貯留の安全管理技
術の開発

究課

題

①-1.圧入安全管理システムの開発

RITE、JAPEX、INPEX①-2.CO2長期モニタリング技術の確立

AIST①-3.大規模貯留層を対象とした地質モデルの確立①-4.大規模貯留層に適したCO2挙動シミュレーション、長期挙動予測手法の確立①-5.光ファイバーを利用した地層安定性や廃坑井の健全性監視システムの開発①-6.CO2漏出検出・環境影響評価総合システムの構築①-7.リスクマネジメントツール（ＮＲＡＰ）をはじめとする日米ＣＣＳ協力や海外機関とのＣＣＵＳ技術開発の連携②大規模貯留層の有効圧入利用技
術の 開発③CCS普及条件の整備、基準の整備

実施組合員②-1.CO2圧入井や圧力緩和井の最適配置技術の確立②-2.マイクロバブルＣO2圧入技術の適用による貯留率の向上

JAPEX、RITE
応用地質
RITE、大成建設、
応用地質
RITE、INPEX、
AIST
RITE
RITE
大成建設、RITE
RITE、JAPEX③-1.CO2貯留安全性管理プロトコル（IRP）の整備

RITE③-2.苫小牧実証試験サイトや海外プロジェクトの成果や情報を用いた、ＣＣＳ技術事例集の作成、国際標準化（ＩＳＯ ＴＣ２６５）との連携

RITE③-3.ＣＣＳの広報活動を通した社会受容性向上方策の検討

RITE、AIST

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、まだ取り組むべき技術課題がある
現在の商業規模のCCS事業サイトは、既存油ガス田或いはその近傍に立地し、豊富な地下データに恵まれている 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
Research &Development

技術や知見の提供
技術開発ニーズのフィードバック

Demonstration,Deployment
3１．大規模CO2地中貯留の実現に向けて （現状・課題）

Carbon Capture and Storage (CCS): The Way Forward4

5

Scope of US-Norway CCUS Collaboration

6地中貯留技術開発の現状認識（米国／DOE）
Much Progress on Carbon Storage, But Uncertainties Remain
Then
CCS Program Initiated(1997)

Now
Progress to Date

FutureCCS Broad Commercial
Deployment

Storage R&D• Little known• Knowledge gained andtools being developedand tested• “Commercial toolbox”
developed

Infrastructure/Field Tests• Little known; Sleipner
project initiated• Increased visibility;
Knowledge gained andlessons learned• Potential realized;
Frameworks in place formarket deployment

 If cost issues lie with capture, risk issues lie with storage• Questions about scale up, liability, performance
・R&D focused on: Cost (Capture) and Confidence (Storage),・Demonstrations: Integration and Learning7

約100万ton／年、2015.11～25年間継続

CO2分布予測シミュレーション結果

8

約340万ton／年
2019.8~9 永久的・経済的・安全に（permanently, economically and safely）

 貯留効率向上（Improve Reservoir Storage Efficiency）
 貯留量評価（predict storage capacity within ±30%） 安全に・永久的・費用対効果（Safe, Permanent and Cost-effective）
 陸域＆海域貯留（Onshore and Offshore）
 費用対効果に優れた貯留・モニタリング技術（Cost-effective Integrated Tech）
 CO2-EOR＆貯留層圧力制御技術（Reservoir Pressure Management）
 効果的なPA/PO（Effective Public Outreach）
10

２．CO2地中貯留研究開発・実証プロジェクトの役割

Research, Development and Deployment of CO2 Storage(Up-Scaling Injection and Down-Sizing Costs)
11

MMV plan throughout the project life @QUEST

MMV: Measurement, Monitoring and Verification

12 Advanced Monitoring by US/DOE・Monitoring at a carbon storage site is necessary to track the movement ofCO2 and assure permanence for geologic storage.
・Advanced monitoring technologies are needed to decrease the cost anduncertainty in measurements and satisfy regulations.
・Giving site operators the ability to: (1) measure critical subsurface
parameters associated with the injected CO2, (2) provide measurementsof down-hole and reservoir conditions for real-time decision making andprocess optimization, and (3) provide long-term post-injection monitoringof the fate of injected CO2.
・Transformational sensor to support demonstration and deployment ofadvanced coal power with CCS beginning in 2025.
Fiber Optic Sensing: temperature, pressure, strain, acoustic, fluid chemistry
13Uplift at In Salah CO2 Injection Site
Pressure buildup depending
onreservoir porosity & permeability,
CO2 injection rate & volume.
Uplift at ground surface
How tointerpret?

Pressure buildup at subsurface

Need continual strain data along depth?
14

A Field Test of Fiber Optic Sensing
at a shallow well (depth: 300m)
7’ CasingHouse
CO2 Bottle

Fiber Cable

cement

9’5/8

ϕ：6mm
ϕ：3mm

packer

CO2 injection

Oriented Perforation15

Geo-mechanical Response during CO2 Injection
16.0
Strain （με）

-24.01616

Daily Change of Temperature（0-50m）
1.0Temp （℃）

Depth

-１.0
Temperature sensing enables us to monitor ground water level changes!

17Temperature Sensing Results (short term)when injecting CO2 in the shallow well
(Xue et al, in preparation)
Packer position
A thin mud layer
Perforated zone

Response due to residual water (cold water in tubing) Above the thin mud layer T-fiber (behind casing) also showed temp
reduction, but No change appeared during CO2 injection.
 Under the thin mud layer and perforated zone temp changes observed
simultaneously when cold water and warm CO2 reached.

18

Tracking and mapping injected CO2with temperature sensing
Small hole appeared after perforationnear wellbore

Because of the high permeability (clean sand) andlow CO2 injection rate, the injected CO2 mainly
migrated at top part of the reservoir.

(Xue et al, in preparation)

Temperature change estimated from Rayleigh frequency shift observedby T-fiber (FIMT: Fiber in Metal Tube) in short-term during CO2 injection.

19

CO2 injection stop

CO2 injection start

Temperature Sensing Results (long term)when injecting CO2 in the shallow wellPacker position

A thin mud layer
Perforated zone(Xue et al, in preparation)

 Temperature change disappeared gradually in post- CO2 injection period Due to sand trouble under the thin mud layer and perforated zone connected
well. The CO2 injection rate/volume was unable to fill the whole zone.

20

Application for well integrity monitoring, combined withAZMI (Above-Zone Monitoring Interval) pressure monitoring

Fiber cables
behind casing

Hovorka et al, 201821

光ファイバーによる音響測定技術開発
DAS/VSP, Natural Earthquake Monitoring

国内初の現場実験＠新潟

Coiled Tubing

Optical Fiber Carrier (iFC)

Single Mode Fiber (for DAS)

1.8 mm3.81 cm (1.5”)

Kobayashi et al., 2018; 201922

DAS/VSP, Earthquake Monitoringat the Deep Well

(Xue et al, in preparation)

Well depth: 880m

Strains estimated at different depths in N2 injection
23

DAS/VSP result comparison at the deep wellGeophone (1-2 stacking)iDAS (35 stacking)24Natural Earthquakes around the test site (March 11-26, 2019)

Typical events recorded by fiber

Observation well with fibers

25

Magnitude
26

Epicenter distance kmEvent 1

Event 2

Event 327

Optic Fiber Sensing in CO2 Storage Caprock and Well Integrity Monitoring Pressure and Plume Fronts Monitoring DAS/VSP CO2 Monitoring Microseismic /Earthquake Monitoring28

International Collaboration on Fiber Optic Sensing
http://global.jaxa.jp/projects/sat/adeos/index.html

Satellite measurements+ GPSand geodesy for onshore sites

http://www.pnas.org/content/111/24/8747/tab-figures-data

Demonstration of concept andmethods: onshore surface heave (e.g.
In Salah)Onshore: North Dakota Univ. /US
http://www.drillingcontractor.org/high-cost-subsea-sector-faces-test-of-economics-35798

Offshore: NGI /Norway

http://www.npd.no/no/Nyheter/Nyheter/2017/Oppstart-av-Gina-Krog/

Application to offshore: Seabed monitoring withseafloor geodesy, ROV/AUV, tiltmeter, waterpressure, etc.
Simulating deformation of reservoir & overburden, inversion history matching overburden management & containment assurance  success ofinjection/production

29

３．CO2地中貯留技術の実用化への取り組み

Can We Achieve Gigatonne CO2 Storage?

30

長岡サイト  苫小牧サイト

実用化規模へ2020

基盤技術の実適用
基盤技術開発苫小牧大規模実証試験
貯留適地調査全国貯留量評価

2000 基礎研究

実用化：圧入レート、貯留量、経済性、法整備
31

Tackling Challenges in CO2 Geological Storage• Gravity Override of the Injected CO2( Density difference between the injected CO2 andresidual fluids in the reservoir)• Viscous Fingering Caused by the Injected CO2(typically 0.05-0.1 cp, much lower than oil and brine)• Reservoir Geology and Heterogeneity(high permeable streaks and fractures, reservoirs withlow permeability on the order of several milidarcy)32

33

 Recommended Technologies for34

Microbubble CO2 Injection for Improving
Storage Efficiency
CO2 distribution(left: grooved disc; right: special filter)

東京ガス（株）／RITEの共同研究(Patent: PCT/JP2O09/064249)

35

CO2 Saturation: NB vs MB Injection

MB CO2 Injection

NB CO2 Injection
Enhanced CO2Dissolution36

Microbubble CO2 Injection Pilot Testat the Japex field site37

37

Liquid CO2 Tank
CO2 Injection Well(#SK 77)

Steam Heater

CO2 Pump
38

Bubbling test at lab

Downhole Tool for
Microbubble CO2 Generation

39

CO2

Steam Heater

CO2Flow Meter

Brine
Pump

CO2tank

CO2 pump （7～11MPa）

CO2＋Brine : Co-injection（8MPa, 50℃）
（CO2 : Brine = 9：1）

40

Summary of MB CO2 Injection Test in May 2019
Injection
BrineInjection Index  MB：0.39t/D/MPa
Injected CO2：22.2 ton; Produced CO2：5.26 ton 16.94 ton CO2 Stored！

Production
Brine

Pre-CO2 injection: 140 L/D; 140L/D x 10D = 1.4 KL
Oil

Pre-CO2 injection: 10 L/D;

10L/D x 10D = 0.1 KL41

内圧
累計ブライン圧入量
外圧
累計NB CO2圧入量
NB CO2圧入レート
MB CO2圧入レート
ブライン圧入レート
累計MB CO2圧入量

2019/10/21 12:00

1

2019/10/21 8:00

2019/10/21 4:00

2019/10/21 0:00

2019/10/20 20:00

2

2019/10/20 16:00

2019/10/20 12:00

2019/10/20 8:00

10NB CO2圧入坑口圧力：8.2MPa

8167146NB CO2 injection rate：0.3 ton/D
125MB CO2 injection rate：2.2 ton/D
10Injection index  NB：0.09 t/D/MPa
8362.2 ton/D
40.3 ton/D
20
累計CO2圧入量（t）, 累計ブライン圧入量（kL）

9

2019/10/20 4:00

2019/10/20 0:00

4

2019/10/19 20:00

2019/10/19 16:00

2019/10/19 12:00

2019/10/19 8:00

2019/10/19 4:00

2019/10/19 0:00

内圧、外圧（MPaG）, CO2圧入レート（t/d）, ブライン圧入レート（kL/d）,
坑井元・坑底 温度(×10℃)

Preliminary Result from Normal CO2 injection(withoutmicrobubblefilter)
CO2圧入作業（申川NB
CO2圧入実証試験）
20180坑井元 温度

42

秋田県申川油田実証試験結果（速報） Normal Bubble CO2圧入試験実績
ケースNo.

圧入量
水CO2NB実証

産出量
CO2（t）（m3）

CO2貯留量
水

油（L）

（L）

量
（t）

率（t）

（m3）

（L）

（m3）

（%）

予想

22.0

12,000

4,000

9.0

4,900

510

20

13.0

7,100

59.1

実績

5.8

3,211

1,150

2.1

1,203

351

0

3.7

2,008

62.5

 Microbubble CO2圧入試験実績
ケースNo.

圧入量
CO2MB実証

実績

産出量
水（t）

（m3）

（L）

20.1

11,0334,000

CO2貯留量
水油（L）

（L）

（t）

2,189

1,200

600

16.3

試験前生産実績

980

70

CO2（t）
3.9（m3）量率（m3）
8,844（%）
80.2

43実用化・事業化に向けての課題◎Technical Gap (技術的課題）

 Up-scaling（大規模化）技術の確立（実証試験  事業化へ）
 IntegrationとDown-scaling（技術の統合と絞り込み）による実用化技術の確立（実証試験から得た知見を基に）
 漏出検出・環境影響評価総合システム構築等（海防法への対応）◎Non Technical Gap (技術以外の課題）

 社会受容性の獲得 →PO/PA手法の構築

 CCS実施の仕組み作り → 法体系の検討、政策的支援
 社会的認知度の向上＆人材育成 → 温暖化のリスク認識、長期的視点＆グローバル戦略・対応44

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。ご協力いただいた関東天然瓦斯（株）、（株）物理計測コンサルタント、サンコーコンサルタント（株）、東京ガス（株）、ニューブレクス（株）にも感謝申し上げます。

This talk is based on results obtained from a project commissioned by
the New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO) and the Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) of Japan.

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