ガスハイドレートを利用した海底堆積層への CO2 貯留に関する研究
環境システムコース 地球環境工学分野
36639 乾 正幸

1 緒言

CO2 を一定流量で圧入し、ハイドレートを生地球温暖化は、深刻な地球環境変動を引き起成させた際の CO2 ハイドレートの生成挙動をこす地球環境問題である。気候変動に関する政把握する。また、閉塞が生じる可能性のある

府間パネル(IPCC)の第 3 次評価報告書では、条件を把握し、その要素を考察する。

1990〜2100 年までに地球平均地上気温は 1.4

3.2 実験装置〜5.8℃、平均海面水位は 0.09〜0.8m 上昇する

実験装置図を図 2 に示す。

(1)と予測している 。また、2005 年 2 月 26 日の京都議定書の発効に向け、日本は 2008〜2012
年に温室効果ガスの総排出量を 1990 年比で 6%減少させなければならない。
このことから、CO2 の排出削減が急務となっており、安全かつ即効性のある画期的な CO2 排出削減方法を検討する必要性がある。

2 本研究の目的
本研究では、
図 1 のように海底堆積層に CO2をハイドレートとして、安全かつ長期的にわ

図 2 水飽和した模擬砂層へのたり CO2 を貯留するシステムの実現可能性をCO2 圧入実験の実験装置検討することを目的としている。

3.3 実験手順
実験手順を以下に示す。
① 反応管内部に水飽和模擬砂層を作成する。
② 実験温度・圧力に設定し、CO2 ガスを一定流量で反応管上部から圧入する。
③ 実験中は、ハイドレートの生成熱による砂層温度の変化、圧力変化、砂層両端の差圧変化を測定する。また、排出される水量を 1 分毎に測定する。
④ 模擬砂層ガス通過後、実験を終了し、反図 1 本研究における CO2 貯留の概念図

応管内部の全 CO2 ガス量を測定する。

よって、本研究では海底堆積層に CO2 ガス⑤ 温度と圧力変化から生成フロントの移動、を圧入し、ハイドレートが生成する際の生成

また排出水量から気液界面の移動、そし挙動、層内閉塞の可能性、CO2 の貯留量を明て差圧変化からは層内の浸透性を調べ、らかにし、閉塞が生じない最適な CO2 貯留方

模擬砂層における CO2 ハイドレートの生法を提案し、その妥当性を評価する。

成挙動を考察する。また、測定したガス

3 水飽和模擬砂層への CO2 圧入実験量からは、孔隙を占める水・ハイドレー

3.1 目的

トの飽和率 SW・SH を計算した。

海底堆積層を模擬した水飽和模擬砂層に

3.4 実験結果

3.4.1 生成フロントと気液界面の時間変化

生成フロントが水飽和層へ移動し気液界面と豊浦砂・2℃・3.1MPa において CO2 圧入流量を変化させた場合の CO2 ハイドレートの生成挙動を考察した。図 3 に、気液界面と生成フロント、差圧変化を流量ごとに示す。

特に、流量 150Nml/min では、実験中ほぼ大半2010が水飽和層でハイドレートが生成しているた
め、差圧の増大も著しく大きい。
よって、温度・圧力が等しい条件では、CO2圧入流量が極端に少ないとハイドレートの生0150Nml/min

510152025成は水飽和層で支配的となり、層内に閉塞を30Time from CO 2 injection [min]
気液界面生成フロント招く恐れがある。

差圧

0550

3.4.2 CO2 圧入流量と過飽和度が SW と SH へ及

40

ぼす影響

301020151020

Differential pressure [KPa]0

図 4 に、先ほどの 2℃・3.1MPa の条件における SH と SW の計算結果を CO2 流量に対してプロットした。

00300Nml/min

510Time from CO 2 injection [min]
気液界面生成フロント

0.615

差圧

05040

53010201510Saturation of hydrate and water [-]Distance from injection end [cm]403020Distance from injection end [cm]

大きな流動抵抗が生じることが考察できる。

1015

よって、ハイドレートが水不飽和層から水50
Differential pressure [KPa]5致して増加傾向を示した。
飽和層へ生成の場を移行した時点から層内にDifferential pressure [KPa]

Distance from injecion end [cm]0

フロントの位置差が生じ始めた時点とほぼ一0.50.40.30.20.1
0100

150200250300

ハイドレート飽和率
20350

400

450500CO2 flow rate [Nml/min]
水飽和率00450Nml/min

4812Time from CO 2 injection [min]
気液界面生成フロント

図 4 CO2 圧入流量が SW と SH に及ぼす影響

差圧

図 3 CO2 流量変化が生成挙動に及ぼす影響

図 4 から、温度・圧力条件が等しい場合、CO2 流量に大きく影響されるのは SW であるこ

図 3 において、左 X 軸は砂層中心部垂直方とがわかる。温度・圧力が等しい場合、過飽向を示している。○はハイドレートの生成地和度は等しいのでハイドレートの生成速度は点、矢印は差圧が増大し始めた時点を示して等しい。しかし、流量を増加させることで、いる。図 3 において、気液界面の移動曲線のハイドレートの生成速度に対して気液界面の上方は水不飽和層、下方は水飽和層であるこ

移動速度が大きくなり、気液界面付近においとを示す。流量 300Nml/min と 450Nml/min にてハイドレートの生成よりも水押し出しが優おいて、生成フロントは水不飽和層から出発先され、層内の SW が減少したと考えられる。

し、気液界面に向かって一気に降下する。そ次に、この考察に基づいて、図 5 には、豊の後、気液界面を追い越し、水飽和層へと移浦砂・CO2 圧入流量 300Nml/min が同じ条件に動する挙動を示した。また、差圧変化では、

おける 5℃・3.1MPa、2℃・2.1MPa、2℃・3.1MPa

の条件で得られた SW と SH の計算結果を各条

CO2 流量が極端に少ない場合において、気液件の過飽和度に対してプロットした。

界面でのハイドレート生成が支配的となり、層内に閉塞が生じる可能性が考えられた。よって、本実験では気液界面でのハイドレート0.50.4の生成が引き起こす閉塞に対して対処策を考0.3える。本実験では、生成阻害剤として知られ0.2ている N2 ガスを混入し、気液界面におけるハ0.1

イドレートの生成を制御し、閉塞問題の解決

000.2

0.4

0.6

0.8

11.2

Initial supersaturation ( P ex p / P eq -1) [-]ハイドレート飽和率を試みた。125Nml/min で N2＋CO2 混合ガスを水飽和模擬砂層へ圧入した。

水飽和率

図 5 過飽和度の違いが SW と SH に及ぼす影響図 5 から、過飽和度が小さい場合と大きい

4.2 実験結果
図 6 に 、 N2 ＋ CO2 混 合 ガ ス を 流 量
125Nml/min で圧入した際の生成フロントと気液界面の位置と差圧変化を示す。

場合を比べ、過飽和度が小さい場合に SW が低5002い値となった。これは、過飽和度が小さいと40のような場合では、気液界面の降下速度は生成速度に対して速くなることが考えられる。
よって、ハイドレートの生成よりも水の押し出しが優先され SW が減少すると考えられる。
3.4 本研究の CO2 貯留実現可能性
このように、本実験では、気液界面とハイDistance from injection end [cm]4

ハイドレートの生成速度が遅くなるため、こ630810201214

Differential presuure [KPa]

Saturation of hydrate and water [-]0.6101618020051015202530354045505560Time from N2 +CO2 injection [min]125ml/min

気液界面生成フロント

差圧ドレートの生成速度の関係から層内の閉塞の

図 6 N2＋CO2 混合ガス圧入実験におけ可能性と SW の変化を考察した。

る実験結果

つまり、気液界面の移動速度が極端に遅い

図 6 から、気液界面と生成フロントの位置と気液界面の移動速度に対してハイドレート

関 係 は 、 3 章 の 2 ℃ ・ 3.1MPa ・ CO2 流 量の生成速度が速くなり、水押し出しよりもハ150Nml/min で得られた結果と同様の傾向をイドレートの生成が優先され、気液界面で大示している。しかしながら、差圧が大きく増量のハイドレートが生成し大きな流動抵抗が加していないことから、気液界面におけるハ生じると考えられる。

イドレート生成が抑制され、層内に大きな流この考察から、実際に CO2 を貯留する際、動抵抗が生じなかったことがわかる。これは、気液界面でのハイドレート生成が支配的になハイドレートの生成で N2 が取り込まれずにらずに、水不飽和層でのハイドレート生成がガス相に残存したために気液界面付近で、濃支配的となるような条件を選定すれば、閉塞縮された高濃度の N2 ガス相が形成したための危険性を回避できることが示唆された。と考えられる。よって、気液界面ではハイド4 水飽和模擬砂層への N2＋CO2 混合ガスレートの生成が阻害され、大きな流動抵抗が圧入実験生じなかったと考察できる。

4.1 目的
水飽和模擬砂層への CO2 ガス圧入実験では、実際に、圧入ガス、砂層通過直後のガス、砂層内のガス相、ハイドレート相における N2

と CO2 の組成比を測定したところ、砂層通過直後のガスには、高濃度の N2 ガスが含まれて図 7 に、豊浦砂と 8 号珪砂における SH と Kの関係をプロットした。

いた。また、ハイドレート相に約 9 割もの CO2存した N2 ガスにより気液界面でのハイドレート生成が抑制されたことが確認できた。
本実験では、N2 ガスを混入することで、層内における閉塞の危険性を回避することに成9000
Absolute Permeability [mDarcy]が取り込まれていたことからも、ガス相に残10000

8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
10000

功した。

00.10.2

豊浦砂KW

0.30.40.5SH [-]豊浦砂KCO20.60.78号珪砂KW

0.80.918号珪砂KCO2

表 1 CO2 と N2 の組成比
図 7 SH と K の関係

N2CO2

圧入ガス [%]

0.130.86

本実験において、ハイドレート飽和率 SH が 0〜砂層通過直後のガス [%]0.72

0.230.5 までの豊浦砂及び 8 号珪砂の模擬砂層では、砂層内のガス相 [%]0.560.40200〜9000mDarcy の絶対浸透率を持つことが確

ハイドレート相 [%]0.050.93

認 で き た 。 既 往 の 研 究 に お い て 、 Levorsen（1967）(2)によると、孔隙率 20〜25％で、K100〜

5 水不飽和模擬砂層におけるハイドレー
ト飽和率と絶対浸透率の評価実験
5.1 目的
水不飽和層でのハイドレート生成が支配的な条件で CO2 貯留を行うことを想定し、水不飽和層でハイドレートが生成した場合の層内1000mDarcy の層では、石油貯留において十分な浸透性を有すると報告している。このことから、海底堆積層に CO2 をハイドレートとして貯留する
際、水不飽和層でのハイドレート生成が支配的な条件で CO2 を圧入しハイドレートを生成させれ
ば、水不飽和層でハイドレートが生成しても、その浸透性を評価し、水不飽和層でのハイドレの層内では CO2 ガスと水の流動性が十分確保さート生成が支配的な貯留条件であれば、砂層れることがわかる。よって、CO2 貯留層において内に十分にガス供給が行え、また、貯留可能長い距離にわたり、CO2 ガスを供給できることが領域を拡大することができることを実証する。
5.2 実験手順
実験手順を以下に示す。
① 水不飽和模擬砂層を作成する。
② 水不飽和模擬砂層内にハイドレートを生成させ、SH の異なる試料を作成する。
③ その砂層に CO2 ガスと水を流し、その際生じる砂層両端の差圧を測定する。

実証された。

6 結言
本実験結果から、CO2 貯留における閉塞問題に対する解決策を見出し、その策が実際に妥当性を有することが確認できた。また、CO2貯留の際に、水不飽和層でのハイドレート生成が支配的な条件を選ぶことにより、閉塞の危険性を回避できることが示唆された。

④ Darcy 則より、差圧から絶対浸透利率 K を求める。
⑤ ハイドレートを分解し各試料の SH の値を計算し、SH に対する K の関係を調べる。
5.3 実験結果【参考文献】(1) http://www.ipcc.ch/(2) Levorsen, A. I. (1967) Geology of Petroleum(Freeman, SanFrancisco), 2nd Ed.