二酸化炭素地下貯留の数値シミュレーションの現状と課題山本

肇1

Challenges in numerical simulation of CO2 geologic storage
Hajime YAMAMOTO1

1. はじめに二酸化炭素地下貯留は，火力発電所や製鉄所などの工場からの排気ガスに含まれる二酸化炭素（CO2 ）を分離 ·回収し，船舶やパイプラインなどを通じて輸送し，ボー浸透性の高い断層や割れ目の存在，（3） 遮蔽層の連続性が途絶えること，（4）注入圧による遮蔽層の破壊，（5）
自然地下水流れによる CO2 の輸送，などが考えられる（Fig. 5）．漏洩が生じると，グローバルな気候変動対策リング等を通じて地層中に貯留（固定化）する技術であり，地球温暖化対策の切り札の一つと考えられている（例えば，地球環境産業技術研究機構，2005）．CO2 の貯留層としては，CO2 が超臨界状態となる深度（約 800 m以深）の，遮蔽層（浸透性の低い泥岩など）で覆われた多孔質で浸透性の高い地層（砂岩層など）が考えられる（Fig. 1）．

2. 地下貯留メカニズムと周辺環境リスク
CO2 は，圧力 7.38 MPa，温度 31 ◦ C 以上の温度 · 圧力で超臨界流体となり，気体と液体の中間的な物理化学的性質（粘性，密度など）を示す（Fig. 2）．気体よりも密度が大きく，液体よりも粘性が小さい超臨界の状態で圧入する方が，貯留効率や安全性の面で有利と考えられている．超臨界状態の CO2 密度は 0.5 ∼ 0.8 g cm−3 であり，地下水中で浮力が働くが，貯留層の上部に泥（岩）層などの遮蔽層が存在すれば，CO2 を貯留層内に長期間留めることが可能と考えられている．

CO2 を地層中にトラップするメカニズムは，構造トラップ，残留ガストラップ，溶解トラップ，鉱物トラッFig. 1 二酸化炭素地下貯留の概念．

プなどがある（Fig. 3）．構造トラップは，CO2 が低浸透性の地層（遮蔽層）の下に物理的にトラップされることである．残留ガストラップは，気泡が貯留層の空隙に取り残されて動けなくなるメカニズムをいい，溶解トラップは CO2 が地下水中に溶解することを意味する．鉱物
トラップは炭酸塩鉱物化による固定化を意味し，十分な量の炭酸塩鉱物が生成するには 1000 年以上の長期を要すると考えられている（Fig. 4）．

IPCC （2005）は，地下貯留サイトでのローカルな漏洩リスクについて，適切にサイトが選択，管理されれば非常に小さいと評価している．一方，漏洩シナリオとしては，（1） 井戸の不完全な閉鎖あるいは腐食，劣化，（2）
1 Taisei Technology Center. 344-1 Nase-cho, Totsuka-ku, Yokohama 245-0051 Japan. Corresponding author: 山本 肇，大成建設（株）技術セン
ター

2010 年 2 月 13 日受稿 2010 年 2 月 15 日受理
土壌の物理性 114 号, 53–58 (2010)

Fig. 2 温度 · 圧力条件による CO2 の相と密度変化（Pruess,2002）．

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土壌の物理性第 114 号

(2010)戸とは異なり漏洩箇所の特定が困難であるため，漏洩した CO2 が長期間未検知のまま蓄積すると，最終的には，窪地などの空気の滞留箇所で CO2 濃度が局所的に上昇する．あるいは地下水/ 海水の水質が変化する可能性も指摘されている．また，圧入箇所周辺の地下水に対する潜在的な影響も考えられる．自然水圧を保持している天然の帯水層（地下水を保持している浸透性の高い地層）に CO2 を連続的かつ大規模に圧入すると，相当量の地下水が帯水層から排除されて，広域的な地下水圧の上昇や地盤隆起が生じる可能性も指摘されている（例えば，Fig. 3 CO2 を地層中にトラップするメカニズム．

Birkholzer et al.，2009）．

3. 数値シミュレーションの現状と課題
数値シミュレーションは，貯留サイトの経済性（貯留可能量等）や安全性（漏洩リスク等）を評価するために重要な方法の一つである．シミュレーションでは，上記の CO2 トラップ機構を考慮するために，温度 · 圧力条件等で変化する超臨界 CO2 の流体物性（密度，粘性，地下水への溶解度）や，地下水との相互作用（水相 – CO2 相間の成分移動や二相流特性：相対浸透率，残留飽和度，毛管圧力等）を正確に考慮できる多成分 · 多相系シミュ
レータを使用する必要がある．加えて，鉱物トラップを考慮するために，地球化学計算との連成解析が必要となる場合もある．

CO2 地下貯留用の数値シミュレータは，石油や地熱開発等で実績のある二相流シミュレータをベースに開発さFig. 4 貯留メカニズムの時間変化（IPCC, 2005）．

れている．短期的な貯留層内での CO2 挙動については，EOR（石油増進回収法）や実証試験などでの検証が進められている．例えば，Doughy et al.,（2008）は，米国テキサス州の地下約 1.5 km の塩水帯水層で実施した CO2圧入試験（Frio Brine Pilot Test）において，CO2 の地下挙動シミュレーションを実施し，弾性波トモグラフィーや孔内検層（RST）の結果との比較を試みている（Fig. 6）．
ノルウェーの Sleipner やアルジェリアの In Salah など，すでに数年以上にわたって年間 100 万 t を超える CO2 を圧入している大規模な商業規模プロジェクトでは，圧入の計画や管理において，数値シミュレーションは重要な役割を果たしており，その意味では実用段階にある（例えば，Ringrose et al., 2009）．
一方，長期的な CO2 の安定性や漏洩の予測，周辺環境影響など，プロジェクトの安全性を確保し，社会的受容性を高める上で重要なテーマについては，多くの研究

Fig. 5 二酸化炭素地下貯留の地質リスク（Oldenburg, 2005 に追記）．

としての有効性が低下するだけで無く，ローカルな地域において人体や生物環境に影響を与える可能性がある．
特に，井戸から漏洩する場合には，急激に大量 CO2 を放出する可能性があり，CO2 は低い濃度では人体に対して無害であるが，7 ∼ 10 % に達すると人が即死する可能性もある．その他の漏洩シナリオは，地下水で満たされた地質媒体を通じた緩慢な漏洩と考えられる．しかし，井課題が残されている．例えば，長期的安定性が高いとされる残留ガストラップや鉱物トラップの有効性は，主に数値解析的検討から示されているが（例えば，Juanes etal., 2006; Xu et al., 2007），フィールド試験での実データに基づいた検証が待たれる．残留ガストラップは，相対浸透率のヒステリシスに基づいた概念であり（Land，1968；Doughty，2008），土壌物理学とも関連したテーマと思われる．周辺への環境影響に関しては，断層からの漏洩（例えば，Pruess，2005），地表面の隆起（例えば，Rutqvist et al., 2010），広域的な地下水圧上昇（例えば，

シンポジウム特集

資料：二酸化炭素地下貯留の数値シミュレーションの現状と課題

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井の許認可にあたり，貯留サイトが地下水環境に影響を及ぼしうる区域を，数値シミュレーションなどの手法により特定し（area of review），水圧などをモニタリングして報告することを求める方向で議論が進められている（USEPA，2008）．実際のプロジェクトでの影響評価にあたっては，対象領域が極めて広いこと（数 10 km ∼ 数100 km 以上）や，比較的長期（少なくとも数 10 年以上）の評価が必要になる可能性が高いこと，複数の事業者による複合的な影響を示す必要があることなどから，実用的な評価アプローチの一つとして，数値シミュレーション技術の果たす役割の重要性は増すものと考えられる．

4. 並列計算による大規模数値シミュレーション
著者らは，CO2 地下貯留プロジェクトの長期的 · 広域的な安全性を評価するツールの一つとして，CO2 地下挙動の高速 · 大規模シミュレーション技術の開発に取り組んでいる．ここでは，我が国を代表する超並列スーパーコンピュータである地球シミュレータを用いた二酸化炭素の地下挙動の計算事例（Yamamoto et al., 2009）を紹介する．シミュレーションでは、東京湾での地下貯留を仮想的に想定した．

4.1 大規模並列計算
二酸化炭素の物理化学 · 流動特性をモデル化した代表的な地下流体シミュレータとして TOUGH2 ECO2N（Pruess，2004；Pruess and Spycher，2007）がある．しFig. 6 CO2 圧入前後での孔間トモグラフィー（弾性 P 波速度差）と数値シミュレーション結果の比較（米国，フリオ実証試験；Doughy et al., 2008）．（a） 孔間弾性波トモグラフィー（b）
数値シミュレーション

かし，上述のように，CO2 の地下挙動解析には，超臨界CO2 の流体物性や二相流特性など，多くの非線形要因が含まれており，計算に多くの時間を要する．そこで，本研究では，複数の CPU を同時に用いた高効率の並列計算が可能な TOUGH2-MP （Zhang et al.，2007）を用い

10000
α=100%

Amdahl ’s lawnSn
Speedup

α=99.97%

1S =

1000

1−α +

α=99.99%

α=99.93%αnている．一般に並列化可能な部分と並列化不可能な部分（逐次実行部分）がある．並列化可能な部分の割合を並列化率 α とすれば，計算の速度向上率は，アムダールの法則（Fig. 7 中の式）で表される．この法則に従えば，プロ

100

α=99.90%10α=99.00%
Measured(on the Earth Simulator)

グラム全体の 90 % が並列実行可能なプログラムを 1000CPU で動かしたとしても，10 倍以上速くならない（同図）． TOUGH2-MP の地球シミュレータ上での並列化率
α は 99.93 % であり，1000 個以上の CPU の総合性能を生かした計算が可能である．

11

10100

1000

Number of Processors

n10000Fig. 7 地球シミュレータにおける TOUGH2-MP の並列化による性能向上率；α ：並列化率，n：CPU 数．

4.2 解析モデル
関東平野南部地域の 60 km × 70 km 領域を対象に，地形面と地層面形状を反映した 3 次元高解像度の地質構造モデルを構築した．地形面形状と地層面形状（下総層群

Birkholzer et al., ，2009；Yamamoto et al., 2009），貯留層と上総層群）には，佐々木ら（2006）による 3 次元地層形状データ（平面格子間隔 200 m）を用いた．深度 800内の昇圧に伴う深部塩水の浅部侵入による水質変化（例m 以深の上総層群中部の梅ヶ瀬層と東日笠層を貯留層とえば，Nicot，2008），地下水の pH 低下による重金属溶し，その上部を被覆する上総層上部と下総層を遮蔽層と出などの地球化学変化（例えば，Xu et al., 2009）などのすることを想定した．水理物性値など，他のモデル設定

幅広いトピックについて，数値解析的な検討がなされてについては Yamamoto et al.（2009）を参照されたい．解いる．周辺環境影響の法的な規制に関しては，米国の環析グリッドを Fig. 8 に示す．このボロノイ分割によるグ境保護局（USEPA）では，今後の CO2 地下貯留の圧入

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土壌の物理性第 114 号(2010)

酸化炭素は，初期には大部分が超臨界流体として存在するが，プリュームの拡大とともに，地下水中に溶解する
Injection Wells

割合が増加する．

4.3.2 広域地下水流動系への影響
二酸化炭素の圧入後の地下水圧（全水頭換算）の分布を Fig. 10 に示す．図中には，貯留層（storage），深部遮Tokyo Bay蔽層（primary seal），浅部遮蔽層（shallow seal）の分布
YZX

Fig. 8 解析グリッド．

Injection Zone

Fig. 10 CO2 圧入開始から 100 年後の地下水圧（全水頭換算）の分布．

Fig. 9 CO2 プリュームの変化．

リッド総数は約 1000 万である．特に圧力やガス飽和度が急激に変化する圧入井近傍は，解析の精度を向上させるため，最小 5 m からのグリッドの詳細化を施した．
圧入井は，Fig. 8 に示すように，東京湾の東側（上総層群の分布深度が深い房総半島寄り）に，10 本を 2 列に分けて想定した．圧入レート（質量流量）は圧入井 1本当たり 100 万 t /年とした（計 10 本トータルの圧入速度は 1,000 万 t /年）．圧入は 100 年間継続した後中止し，Fig. 11 貯留層内の圧力上昇域（dP = 1 bar）．

シミュレーションは圧入開始から 1,000 年後まで実施した．地盤表面（地表面 · 海底面）と側方境界は，圧力固定（完全水飽和）とし，底面を不透水境界とした．圧力は，地表面及び海水面で大気圧（1 atm）とし，側方境界面には静水圧分布を与えた．

4.3 解析結果
4.3.1 二酸化炭素の地中挙動
圧入開始から 100 年後における超臨界 CO2 プリュー
ムを Fig. 9 に示す．ある鉛直断面上での超臨界 CO2 プ
リュームの形状を CO2 飽和度（間隙体積中で占める超臨界 CO2 体積の割合）のコンターで表示したものである．
図を見ると，浮力によるプリュームの鉛直方向への上昇は，貯留層（砂層）を覆う遮蔽層（泥層）により抑えられているが，遮蔽層に沿った斜め上方への移動が生じているのが分かる．図には示していないが，圧入された二Fig. 12 G 地点の深度 300 m における地下水圧上昇量．

シンポジウム特集57

資料：二酸化炭素地下貯留の数値シミュレーションの現状と課題をあわせて示した．Fig. 11 に貯留層内における 1 bar 以上の圧力上昇域を示すが，圧入開始から 50 年後には，圧力上昇域が湾北部全域にわたって広がる計算結果となっ

Loos and Leo Meyer (Eds.), pp. 431, Cambridge UniversityPress, UK.
Juanes, R., Spiteri, E.J., Orr Jr., F.M. and Blunt, M.J. (2006):ている．地下水圧が上昇すると，地盤隆起や地下構造物

Impact of relative permeability hysteresis on geologicalの浮力増加に加えて，深部に存在する塩水系の地下水がCO2 storage. Water Resources Research, 42:

移動することで浅部地下水の水質などに影響を与える可W12418,

doi:10.1029/2005WR004806.

能性も考えられる．Fig. 10 の地点 G の深度 300 m でのLand, C.S. (1968): Calculation of imbibition relative permeability

圧力上昇量の経時変化を Fig. 12 に示した．浅部遮蔽層

for two and three-phase flow from rock properties. Soc. Pet.の浸透率 kh を変えると（同図中の破線）結果が大きく異Eng. J., 8(2): 149–156.

なるが，図中の太線で示した基本ケースでは最大 1.5 bar

Nicot, J-P. (2008): Evaluation of large-scale CO2 storage on fresh-

程度の水圧上昇が予測されており，浅部に連続性の良い

water sections of aquifers: an example from the Texas Gulf

遮蔽層（泥層）が存在すると，既存の深井戸などで顕著な水圧上昇が生じる可能性を示唆している．

Coast Basin. Int. J. Greenhouse Gas Control, 2: 582–593.
Oldenburg (2005): Health, safety, and environmental screening
and ranking framework for geologic CO2 storage site selec-

5. おわりにtion, LBNL-58873. Lawrence Berkeley National Laboratory,

CO2 地下貯留の数値シミュレーションの概要を説明す

Pruess, K., Garcia, J. (2002): Multiphase flow dynamics during

California.

るとともに，その現状と課題に関して最近の研究事例を簡単に紹介した．また，著者らが行っている並列計算に

CO2 disposal into saline aquifers. Environmental Geology, 42:
282–295.

よる大規模数値解析技術に関連して，仮想的な商業規模

Pruess, K. (2004): The TOUGH Codes—A family of simulationの CO2 地下貯留（帯水層貯留）を対象とした周辺地下

tools for multiphase flow and transport processes in permeable

水影響のシミュレーション事例を紹介した．地球シミュmedia. Vadose Zone J., 3: 738–746.

レータのような大規模並列計算機による数値解析は，二Pruess, K. (2005): Numerical studies of fluid leakage from a

酸化炭素の局所的な地中挙動と広域的な周辺環境影響

geologic disposal reservoir for CO2 show self-limiting feed-を総合的に検討する上で有効である．数値解析の高速化

back between fluid flow and heat transfer. Geophys. Res. Lett.,

は，単なる数値解析の精度や解像度の向上だけでなく，

32(14): L14404, doi:10.1029/2005GL023250.

空隙スケールからフィールドスケールまで同時に解析す

Pruess, K. and Spycher, N. (2007): ECO2N—A fluid property

るマルチスケール解析や，特に環境影響評価で重要な温module for the TOUGH2 code for studies of CO2 storage in

度 – 水理 – 力学 – 化学の多連成モデルなど，数値解析のsaline aquifers. Energy Conversion and Management, 48(6):統合化 · 高度化に向けた重要な技術であり，引き続き取1761–1767.

り組んでいきたいと考えている．

謝辞
本研究の一部は，文部科学省平成 19 年度 ∼ 平成 20
年度地球シミュレータ産業戦略利用プログラム「二酸化炭素地下貯留に関する大規模シミュレーション技術の開発」の一環として行われた．ここに記して謝意を表する．

引用文献

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土壌の物理性

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ficient parallel simulation of CO2 geologic sequestration in要旨

二酸化炭素地下貯留は，火力発電所や製鉄所などの工場からの排気ガスに含まれる二酸化炭素（CO2 ）を分離 · 回収し，船舶やパイプラインなどを通じて輸送し，ボーリングを通じて地層中に貯留する技術であり，地球温暖化対策の切り札の一つと考えられている．地下貯留の経済性や安全性を評価する上では，数値シミュレーションが重要な方法となる．シミュレーションには，石油開発分野等で実績のある二相流シミュレータが用いられており，実証試験を通じた適用性の検証が進められている．しかし，長期的な CO2 の安定性や漏洩の予測，広域的な地下水環境への影響などは今後の研究課題である．
キーワード:地球温暖化，二酸化炭素，地下貯留，数値シミュレーション