二酸化炭素地中貯留技術研究組合による取り組み
Research and Development of Safety Management
Technology for Large-Scale CO2 Geological Storage

せつじきゅう薛 自求（xue @ rite.or.jp）
Geological Carbon Dioxide Storage Technology Research Association

二酸化炭素地中貯留技術研究組合

目 次
国内の大規模貯留実用化に向けて
長岡圧入実証試験（陸域）、苫小牧大規模実証試験（海域）、実用化（Up-Scaling）

海外の大規模CO2地中貯留から学ぶ
 QUEST（カナダ）／ICCS（米国）大規模地中貯留の安全管理技術開発
技術研究組合の取り組み及びその役割
2

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、政策3

地中貯留技術開発の現状認識（米国／DOE）
Much Progress on Carbon Storage, But Uncertainties Remain If cost issues lie with capture, risk issues lie with storage• Questions about scale up, liability, performance Current program reflects progress made• Overall reduction from prior years• Emphasis on key areas (e.g., geomechanics)• Emphasis on integration (e.g., NRAP)
ThenCCS Program Initiated(1997)

Now
Progress to DateFuture
CCS Broad Commercial
DeploymentStorage R&D• Little known• Knowledge gained andtools being developedand tested• “Commercial toolbox”
developedInfrastructure/Field Tests• Little known; Sleipner
project initiated• Increased visibility;
Knowledge gained andlessons learned• Potential realized;
Frameworks in place formarket deployment
4Nagaoka Siteから何を学んだか
Well Configuration
at the Reservoir Depth
OB-4 Injec. Well
Obs. Well
60m
40m
OB-3

120m

IW-1

OB-2

• Injec. Period; Jul. 2003~Jan. 2005
• Total amount; 10,400 ton CO2• Rate; 20~40 ton/day
CO2 TankCompressor
PumpLorry• Reservoir; Haizume Formation(Pleistocene Sand)• Injec. Layer; Zone 2, 12m-thick• Porosity; 23%• Permeability; ave. 7mD (Pump-test)• Conditions; 48oC, 11MPa5

Time-lapse Changes at （1116.0m ＠OB-2）
Breakthrough地球物理的手法によるCO2挙動モニタリング
During Injection→→→

Imbibition

Residual Trapping??

6Formation Fluid Sampling at OB-2

Depth@OB-2 (mMD)

1108

Injection

Resistivity
changePost-injection(%)

Without CO2

30
25
20
15

Free CO2

1050-5-10

1112

1116
Dissolved CO21120

0123456
7
Time since injection started (year)

1st fluid sampling8

2nd fluid sampling

地球化学的手法によるCO2挙動モニタリング

7Saturation Index (SI) of Calcite (CaCO3)
Dissolution

Precipitation

1112.0m

1118.0m

1119.5m-2Calcite shows a tendency of re- precipitate at1118.0m.  Mineral trapping of CO2?

-1012SI(Calcite)8

CO2 Trap Mechanisms Confirmed@Nagaoka Site
Mobile CO2(Physical process)Immobile CO2(Physical process)Dissolved CO2(Geochemical process)Mineralized CO2(Geochemical process)Image of trapping processes over time (IPCC 2005)910

苫小牧大規模実証試験サイトから何を学ぶかJCCS(2015) 次世代火力発電協議会資料

CCS2 IW1（鉛直）IW211

Pilot  Demo  Practical
2010-

2000-

2020-

Onshore: 10 kt

offshore: ＞100 kt/yNagaoka Pilot Test

Tomakomai Large-Scale DemoInjection sitePractical Use(1 million t/y)
Site
Reservoir
Formation
Injection
Total CO2

: Nagaoka: Saline Aquifer: Sandstone: 2003.7～
2005.1:10,400 ton

Site
Reservoir
Formation
Injection
Total CO2

: Tomakomai: Saline Aquifer: Sandstone (shallow),
Volcanic Rocks (deep): 2016～2018: >300 kt (planned)12

貯留層規模／CO2圧入規模のUp-scaling
により、貯留層評価＆地質モデル構築、地層水圧増加＆力学的安定性監視、微小振動＆誘発地震観測、CO2挙動モニタリング＆長期挙動予測2020

基盤技術の実適用
基盤技術開発全国貯留量評価

苫小牧大規模実証試験
貯留適地調査基盤技術を苫小牧や貯留適地サイトへの適用によって、不確実性を低減させるととともに運用・検証・普及（実用化）へ、一部の技術は海外機関等との連携が必要2000 基礎研究

絶対的にクリアすべき技術か、より良くする技術か

13

目 次
国内の大規模貯留実用化に向けて
長岡圧入実証試験（陸域）、苫小牧大規模実証試験（海域）、実用化（Up-Scaling）

海外の大規模CO2地中貯留から学ぶ
 ICCS（米国）／QUEST（カナダ）大規模地中貯留の安全管理技術開発
技術研究組合の取り組み及びその役割

14

Decatur（米国）： ICCS プロジェクト概要
事業者：エターノル製造会社

15

Decatur ICCS の挑戦: 圧入後監視期間

監視期間：50年から10年に短縮
16Decaturから何が学べるか(Up-Scaling@日米CCS協力)
100万トン／年

約100万トン／３年間（圧入完了）

技術的・法対応・社会的17

QUESTプロジェクトの概要（1/3）
 分離・回収 輸送（pipeline）
 貯留

オイルサンド改質

圧入井：3本（複数坑井）

CO2貯留量：
約100万トン／年 ｘ 25年間
18

QUESTプロジェクトの概要（2/3）
複数坑井ある間隔で掘削された3本の圧入井

CO2回収量＆地質特性
貯留層（多孔質砂岩）
複数の圧入井位置決め＆掘削時期

深 度： 約2,000m
孔隙率： 約17%
浸透率： 約1,000md

19

QUESTプロジェクトの概要（3/3）
MMV: Measurement, Monitoring and Verification Plan

CO2分布予測（地質モデルを用いた流動シミュレーション）

20

目 次
国内の大規模貯留実用化に向けて
長岡圧入実証試験（陸域）、苫小牧大規模実証試験（海域）、実用化（Up-Scaling）

海外の大規模CO2地中貯留から学ぶ
 ICCS（米国）／QUEST（カナダ）大規模地中貯留の安全管理技術開発
技術研究組合の取り組み及びその役割
21

⼆酸化炭素地中貯留技術研究組合の概要••••

設⽴年⽉⽇︓平成28年４⽉１⽇
理事⻑︓⼭地憲治
組合員︓（４企業、1国⽴研究開発法⼈、1公益財団法⼈）
⽯油資源開発（株）、⼤成建設（株）、国際⽯油開発帝⽯（株）、応⽤地質（株）、国⽴研究開発法⼈産業技術総合研究所、公益財団法⼈地球環境産業技術研究機構
所在地︓京都府⽊津川市⽊津川台９－２○組合設⽴の⽬的
CCSは地球温暖化対策の重要な温暖化対策技術として、国内外に認識されているが実⽤化に当っては、安全かつ⼤規模・効率的なCO2貯留技術の実現が必須である。当組合では我が国の貯留層に適した実⽤化規模（100万トン/年）でのCO2貯留技術を開発するとともに、CCSの社会受容性の獲得やCCS技術の海外展開を志向した研究開発を⾏う。
○実⽤化の⽅向性
エネルギー基本計画（H26年4⽉閣議決定）において、「2020年頃のCCS技術の実⽤化を⽬指した研究開発」等を推進することとされており、当組合では、実証規模での研究成果をベースとし、実⽤化規模へのup-scalingに係る(1) CO2圧⼊・貯留の安全管理技術の確⽴、(2)⼤規模貯留層有効圧⼊・利⽤技術の確
⽴、(3)CCS普及環境整備・基準の整備を⾏い、地球温暖化対策としてのCCS促進に寄与する。

①②③④⑤

⾃然地震や微⼩振動観測結果を基に、ATLSによる圧⼊安全管理
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
圧⼊中のCO2挙動モニタリングを基に、圧⼊後の⻑期挙動予測
CO2圧⼊井や圧⼒緩和井の最適配置及び貯留率向上
CO2貯留安全性管理プロトコル（IRP）の構築

22

技術研究組合の活動⽅針
 CCSの実⽤化に当っては、安全かつ⼤規模・効率的なCO2地中貯留技術の実現が必須である。当組合では我が国の貯留層に適した実⽤化規模（100万トン/年）でのCO2地中貯留技術を開発するとともに、CCSの社会受容性の獲得などを志向した研究開発を⾏う。
 「2020年頃のCCS技術の実⽤化を⽬指した研究開発」の推進に当たって、当組合では、実証規模での研究成果をベースとし、実⽤化規模へのup-scalingに係る (1)CO2圧⼊・貯留の安全管理技術の確⽴、(2)⼤規模貯留層有効圧⼊・利⽤技術の確⽴、(3)CCS普及環境整備・基準の整備を⾏う。
23

H28年度事業計画
研（１）大規模CO2圧入・貯留の安全管理技術の開発

究課

題①圧入安全管理システムの開発

RITE、JAPEX、INPEX②CO2長期モニタリング技術の確立

AIST③大規模貯留層を対象とした地質モデル構築、貯留層評価

RITE、JAPEX、応用地質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（２）大規模貯留層の有効圧入・利用技術の開発（３）CCS普及
条件の整備、基準の整備

実施組合員

RITE、AIST、大成建設、応用地質

開発

RITE、AIST、JAPEX、INPEX⑥CO2漏出検出・環境影響評価総合システムの構築

RITE① CO2圧入井や圧力緩和井の最適配置技術の確立

RITE、大成建設② CO2溶解促進技術の適用による貯留効率向上

RITE、JAPEX① CO2貯留安全性管理プロトコル（IRP）の整備

RITE② 苫小牧実証データの提供による技術事例集の作成、海外機関との連携

RITE③ 社会受容性の向上、国際標準化との整合

RITE24

⼆酸化炭素地中貯留技術研究組合
技術部⻑ 薛 ⾃求（RITE）（１）⼤規模CO2圧⼊・貯留の安全管理技術開発

成果・課題の共有技術研究グループ①
GL︓薛 ⾃求 （RITE）
場所︓RITE京都本部• ATLS安全管理技術開発︓RITE、JAPEX、INPEX• 地質モデル構築等︓RITE、JAPEX、応⽤• ⻑期挙動予測技術確⽴︓RITE、AIST、⼤成、応⽤• 地層安定性監視技術の開発等︓
RITE、AIST、JAPEX、INPEX
技術研究グループ②
GL︓徂徠 正夫（AIST）
場所︓AISTつくば本部• CO2⻑期モニタリング技術確⽴
技術研究グループ③（実⽤化研究）
GL:渡邉 貴⼤(INPEX)
場所︓INPEX技術本部• 地層安定性監視技術の実⽤化に向けた評価､検討

技術研究グループ④（実⽤化研究）
GL:⼭本 肇（⼤成建設）
場所︓⼤成建設技術センター
・⼤規模貯留層に適したCO2挙動シミュレーション技術の実⽤化研究(３) CCS普及環境整備・基準の整備(２) ⼤規模貯留層の有効圧⼊・利⽤技術の開発

技術研究グループ①
GL︓薛 ⾃求 （RITE）
場所︓RITE京都本部• ⼤規模貯留層を対象とした複数坑井最適配置技術の確⽴︓RITE、⼤成• CO2溶解促進技術適⽤による貯留率
向上︓RITE、JAPEX
技術研究グループ⑤(実⽤化研究）
GL︓中野 正則（JAPEX）
場所︓JAPEX技術本部• ⼤規模貯留層の有効圧⼊・利⽤技術の実⽤化に向けた評価､検討︓JAPEX

成果
反映

技術研究グループ①
GL︓薛 ⾃求 （RITE）
場所︓RITE京都本部• 社会受容性向上、CO2貯留安全性管理プロトコル（IRP）の構築︓
RITE• 技術事例集完備、海外連携、国際標準化との整合︓RITE• 実規模貯留プロジェクト管理システ
ムの構築、苫⼩牧や適地調査サイ
トへの適⽤︓RITE

連携

⼆酸化炭素削減技術実証試験事業（苫⼩牧実証試験）及び⼆酸化炭素貯留適地調査事業︓⽇本CCS調査（株）
25

圧入安全管理システム（ATLS）の開発
Decatur との日米CCS協力関係構築（圧入量増加によって、微小振動に違いはあるか）
苫小牧大規模実証事業 との緊密な連携（日米の大規模圧入サイトから知見獲得）

Onshoreseismometer

Finley, 2013

Working area of
3D seismicsurvey
Tanase, 2015

ATLS： Advanced Traffic Light System

26

流体圧入、誘発地震及びリスクマネジメント
 It is of critical importance that fluid injection-induced seismicity be better
understood so that any potential hazards can be mitigated.
(1) the site-specific factors which can lead to induced seismicity,e.g., why some wells trigger earthquakes and the vast majority do not;(2) how to predict the maximum magnitudes and rates of potential inducedseismicity;(3) how can fluid injection-induced earthquakes be controlled;(4) how to estimate the hazards posed by induced earthquakes;(5) how to mitigate the impacts of induced earthquakes.

One approach for direct mitigation of induced seismicity isa calibrated control system, dubbed the “traffic light” system.
27

大規模貯留層の評価＆地質モデリング
JCCS(2015) 次世代火力発電協議会資料

CCS2 IW1（鉛直）IW2

坑井の検層データ（OB-1,-2; IW2）＆弾性波探査  萌別層の物性・連続性

28

QUEST プロジェクトにおける貯留層評価（地質的不確実性）

貯留層の浸透率（圧入性）：坑井掘削後に判明
貯留層の連結性：遠くほどよりリスクに現れる29

光ファイバーを利用した地層安定性評価
480 l/min∼2.5
地層産状30揚水試験時、光ファイバーによって測定された地層変形の一例(Xue and Hashimoto, 2016)31

観測データ（水位・線歪）とシミュレーション結果との対比

揚水試験時の地層変形を対象とする
ジオメカニクス解析

数値モデル
Table 1. Major hydraulic and mechanical properties

Property

L-1

L-2e

L-2w

L3L4

Bulk modulus, (GPa)

0.4

0.6

0.6

0.7

0.6

Shear modulus, (GPa)

0.23

0.35

0.35

0.4

0.3

Pore compressibility (βpv), x10-9Pa-12.5

3.9122.5

2.5

Biot's coefficientIni. Perm.(k0), (mD)β, K K 1 β∆εPorosity

1.0
0.02
1000.151.0
3601000.431.0
1200
1000.151.0101000.15

1.011000.15(Lei, Xue and Hashimoto, 投稿予定)

32

光ファイバーによるDAS/VSP測定
時間(ms)

光ファイバ- (スタック36回)
信号処理改良後

光ファイバ- (スタック36回)
昨年度

ジオフォン (スタック1回)
800ms

時間(ms)

800ms
・Band pass filter(10/20-100/125Hz)
・ダイバーシティスタック

800ms
・Band pass filter(10/20-100/125Hz)
・ダイバーシティスタック

深度(m)・Band pass filter(10/20-100/125Hz)

時間(ms)

P波初動

840m-840m-(Xue and Hashimoto, 投稿予定)

3333

マイクロバブルCO2圧入による溶解促進＆貯留効率の向上
CO2 distribution(left: grooved disc; right: special filter)

坑内ツールの開発(Thru-Tubing Systems HP:
http://www.thrutubingsystems.com/)34

CO2地中貯留にけるリスク評価

US（NRAP）

UK（CCS Competition等）

Alberta, CANADA（QUEST）
35

Canada（Shell, QUEST）

操業に関わるリスクを網羅的に評価
貯留容量リスク、漏洩リスク・・・

36

National Risk Assessment Partnership
Leveraging DOE’s competency in science-based prediction for engineered–natural systems to build confidence in the business case for CO2 storage.

Building toolsets and the calibration & validation data to quantify …
• Potential impacts related to release of CO2 or brine from the storage reservoir• Potential geomechanical impacts due to injection of CO2Technical Team

Stakeholder GroupWade, LLC

37

NRAP tools の評価＆わが国への適⽤検討

38

万一のCO2漏出に対する環境影響評価• CO2拡散シミュレーション手法の開発– 数値モデルの開発 ⇒ 季節変動スケール以上の期間、CO2拡散範囲が数10kmスケールまでの計算可能なモデル• 生物影響評価手法の開発– CO2の生物への影響調査：生物影響データベース構築、微生物CO2曝露実験 ⇒ 生物影響閾値の提案（ΔpCO2=200μatm）– 英国実海域CO2放出実験（QICS）への参加 ⇒ 実海域での生物影響研
究• CO2漏出検知手法の開発– 気泡検知手法 ⇒ 音響探査機器による検知– 溶存態CO2検知手法 ⇒ 溶存態CO2濃度と溶存酸素濃度による異常値（漏出の恐れ）の判定基準

39

CO2圧入実証試験より、不確実性への理解を深め、リスクマネジメントを学ぶ
Risk＝Consequence Severity x Probability
Scientific Knowledge & Evidence-based Risk Communication

Risk＝Hazard + Outrage

Reducing Uncertainty／Mitigating Risks
to the Manageable Levels !

40

CCS技術事例集の作成

長岡実証試験＋海外事例に基づき、Vol.１を完成
付録
操業

・CCS技術事例のデータ
・CCSとは・長岡実証試験事例・用語集/略語集
・CCS技術の解説
・参考資料
・引用文献
・CCS事例データベース
・DB掲載資料の概要シート

苫小牧大規模実証試験や海外の新規事例を加え、平成32年度末までにVol.2を完成
41