第章

4

雄勝高温岩体発電実験

第４章

雄勝高温岩体発電実験 ● 目次

我孫子研究所 地圏環境部 上席研究員 海江田秀志
我孫子研究所

４−１

高レベル廃棄物処分研究プロジェクト

兼地圏環境部 上席研究員 木方 建造

我孫子研究所 OB

堀義直

我孫子研究所 地圏環境部 OB北野 晃一

我孫子研究所 地圏環境部 OB

本島

勲

雄勝高温岩体発電実験の概要 …………………………………………………………………………………………… 33

コラム４：雄勝実験場 ……………………………………………………………………………………………………………… 36

海江田秀志（８ページに掲載）

堀義直（18 ページに掲載）

本島
勲（1956 年入所、1998 年退職）
入所当初、電気探査に従事しシュランベル
ジャ−法による新しい電気探査装置を開発。
その後、定年退職まで電力施設周辺岩盤での地下水問題に対処して水質、同位体による広域地下水調査法、正弦波圧力試験法などの岩盤地下水調査法を開発するとともに高温岩体発電技術の開発に携わり人工破砕帯の透水性の評価法の開発を担当。

32

木方 建造（26 ページに掲載）

北野 晃一（1965 年入所、2001 年退職）
電中研での前半 25 年間は水力発電所や原子力発電所の地質調査に、後半 11 年間は高温岩体発電研究に従事。高温岩体の研究では、安定同位体地熱資源調査や雄勝実験場周辺の地質踏査とともに、研究全体の計画づくりやまとめに従事。現在は、基礎地盤コンサルタンツ。

当所では我が国における高温岩体発電の開発モデルとうことで、発電コストの低減も期待できる。このためのして、我が国の地質構造の特徴（変化が激しく天然の割要素技術の開発を、以下の４つのフェーズに分けて推進れ目に富む）を踏まえ、ユニット方式による開発を提案してきた（図 4-1-1 参照）。

¸

した 。このモデルでは、一つのユニットにおいて一つなお、本研究の推進においては、研究フェーズの節目の注入井の回りに４本の生産井を配置し、注入井に圧入において、国立研究機関、大学、電力会社など外部委員した水を回収率 80 ％以上で回収する。このユニットをによる「専門的研究評価」により、研究成果の評価およ増設することにより大規模な地熱（高温岩体）開発を行び計画に対する助言などを受けた。

４−１¸

雄勝高温岩体発電実験の概要

フェーズ１（昭和 61 〜 63 年度）
いつでいこのフェーズでは、高温岩体地点選定のための探査技

逸泥４は見られず、温度が深さに比例して上昇する熱伝導術、水圧破砕による貯留層造成技術、貯留層となる亀裂型を示し、予想した実験条件を満足することを確認したº。の分布評価技術の開発に関する基礎実験を実施した。昭次に当所で開発した多段貯留層造成法により、OGC-1

和 61 年度から昭和 63 年度にかけて、深さ 400 ｍ級の坑の深さ 990 ｍ〜 1,000 ｍに対し 11 日間で 10,160ton の水の井を用いて、当所で開発した多段貯留層造成法により、圧入による水圧破砕を、また深さ 711 ｍ〜 719 ｍに対し深さの異なる３段の貯留層を造成し、その分布状況を10 日間で 5,440ton の水の圧入による水圧破砕をそれぞ

AE 観測や流電電位法により推定し、貯留層と導通させれ実施し、上下二段の貯留層を造成した。これらの貯留た２本の坑井により水の循環が可能なことを示した。ま

層はＡＥ観測や流電電位法結果などにより、下部貯留層た、探査技術として CSAMT 法（第５章参照）により、は OGC-1 から北北東方向へ約 1,000 ｍ、上部貯留層は東深さ 2,000 ｍ程度までの地下比抵抗構造の推定技術を開方へ約 800 ｍにわたって広がり、上部と下部で異なる方¹

発した 。

向へ広がったものと推定された（第８章参照）。これらの貯留層の評価結果に基づき、両貯留層を貫くよう生産¹

フェーズ２（平成元〜４年度）

井（OGC-2）を深さ 1,100 ｍまで掘削した。OGC-2 はこのフェーズでは、実用に近い深さ 1,000 ｍ級で温度OGC-1 と深さ 1,000 ｍレベルで約 80 ｍ離れるよう傾斜掘200 ℃の岩盤を対象として、貯留層の造成とその分布・削を行い、坑口から深さ 700 ｍまではケーシングを設置

広がりの評価技術の開発を目的とした実験を実施した。

し、それより深部から坑底までは裸坑仕上げとした。

まず、全国各地の地熱地域における資料を基に高温

OGC-2 の坑底の岩盤温度は 240 ℃であった。OGC-2 の掘岩体実験可能性地域を選定した。この中で、すでに坑削中、OGC-1 の水位の変動が認められ、両坑井間に水理井掘削により花崗閃緑岩が確認され、岩盤内の割れ目的導通が達成されていると推定された»。の状況や温度分布も得られており、地元のご協力も得

以上により、CSAMT 法などによる深さ 2,000 ｍ〜られたことから雄勝地点が最も実験に相応しい地点と5,000 ｍまでの地下の探査技術が開発され、また当所で評価した。また、CSAMT 法探査などを実施し、実験開発した貯留層造成技術の実用性を確認し、AE 法や流予定地周辺の地下比抵抗構造を推定し、地下 300 ｍ付近

電電位法による貯留層分布域の推定の妥当性も確認した。

から目的の花崗閃緑岩が分布していると推定した（第そして、OGC-1 と OGC-2 との間で貯留層を通した水の５章参照）。

循環による熱抽出の実証や、造成した２段の貯留層の伸平成２年度に、注入井（OGC-1）を深さ 1,000 ｍまで掘削した。この坑井は深さ約 300 ｍから花崗閃緑岩となり、坑底の温度は約 230 ℃であった。また、坑井掘削中ほとんど展方向が深さ約 300 ｍ異なっただけでほぼ 90 °違った原
４ 地熱井の掘削では泥水を循環させながら掘削するが、注入した泥水が規模の大きな天然の割れ目などを通して逸散し、回収されない状況を逸泥という。

電中研レビュー No.49 ● 33フェ−ズ¿
1986〜1988年
昭和61年〜63年

フェ−ズÀ（1989〜1992）
1990年
平成２年

1989年
平成元年

（多段貯留層造成法の開発）
雄勝地点における実験開始
秋の宮地点基礎実験
CRSP法による３段貯留層の造成
深さ：400ｍ
温度：60℃
岩盤：火山礫凝灰岩

候補地点（鳥取、北海道、雄勝）
CSAMT、TDEM調査（雄勝地点）

導通試験

1991年
平成３年

1992年
平成４年

（貯留層計測技術の開発）
注入井（OGC-1）の掘削
深さ：1,000ｍ
坑底温度：228℃
岩盤：花崗閃緑岩
注入井検層
掘削コア調査・物性試験
計測井（OGC-0）掘削
深さ：945ｍ
TDEM法・CSAMT法探査
HTBS

下部貯留層造成（10,000ｍ3，300気圧）
地化学調査（既存水との混合モデル）
AE・流電電位計測
破砕前後の透水試験
HTBS調査地圧測定（AE法）
FT年代測定（多段貯留層造成法の実証）
上部貯留層造成（5,400ｍ3，300気圧）
サンドプラグ（882ｍ）
リーミング（711-719ｍ）
生産井（OGC-2）掘削
導通試験
AE用発破、地表と注入井内
TDEM探査、地化学調査
AE・流電電位計測

注入井

注入井

生産井

700m

711m
719m
990m
60℃

228℃

431m

1993年
平成５年
（貯留層計測技術の実証）
循環実験（22日間）
回収率 ３％
光ファイバー温度検層
トレーサ試験、地化学調査
比抵抗トモグラフィー
３次元流電電位計測
AE・流電電位計測
第２回国際HDRフォーラム（山形市）

フェ−ズÁ（1993〜1995年）
1994年
平成６年

1998年
平成10年

1,100mフェ−ズÂ（1996〜2001年）
1996年
1997年
平成８年
平成９年

1995年
平成７年

（貯留層評価技術の開発）
循環実験（５ヶ月間）
生産井迎え破砕回収率10〜12％
生産水温度 160℃
３次元流電電位計測
破砕・循環前後透水試験
光ファイバ温度検層
注入井PTS検層
生産井PTS検層（注入点：915、1000、1030、1067ｍ）
AE・流電・自然電位計測

1000m

1,000m（貯留層計測技術の確立）
循環実験（１ヶ月間）
注入井増掘（1,027ｍ）
注入井と生産井の水圧破砕
回収率 20〜25％
破砕・循環前後の透水試験
坑井間正弦波透水試験
比抵抗トモグラフィー
３次元流電電位計測
増掘部のコア調査
光ファイバ温度検層
トレーサ試験、地化学調査
AE・流電・自然電位計測

CSAMT探査（周辺構造調査）
環境モニタリング（微小地震、坑井内水位、河川水分析など）計測GEOTH3Dシミュレーション
コードの改良

研究評価

研究評価

1027m
フェ−ズÂ（1996〜2001年）
1999年
2000年
平成11年
平成12年

地下構造・貯留層精査
新坑井（OGC-3）掘削
地震探査反射法による地下構造・AE
深さ 1,303ｍ
速度構造調査坑径 21.59cm
生産井BHTVによる割れ目・地圧評価 坑井調査
生産井坑内発破によるAE震源補正
坑内検層（温度、電気、音波、コラプシング法等によるAE震源分布
FMI、UBI、ARI等）
補正
定方位コア ３深度導通確認試験
坑井間導通試験（注入井と新坑井）
光ファイバ温度計測による新坑井の導通箇所特定
導通箇所とAE震源分布の対比

研究評価

2001年
平成13年
（貯留層評価技術の実証）
新坑井透水試験
新坑井透水試験と小規模水圧破砕
深部自然割れ目の貯留層との関連評価
地圧評価
高温岩体発電技術マニュアルの原案
作成
研究評価

新坑井

図4-1-134

個別貯留層評価
サンドプラグによる上部貯留層注水実験
上下部貯留層導通試験
シミュレーションによる事前予測
AE・微小地震観測

雄勝高温岩体発電実験の経過と計画

因の解明が課題として残された。

精度良く評価する技術を開発し、貯留層評価技術の高度化を図ることを目的として、新たな坑井の掘削などによºフェーズ３（平成５〜７年度）
このフェーズでは、２段貯留層とこれらと導通した２本の坑井間での水の循環により、岩盤からの熱抽出が可能なことを実証することを目的とした。

り、これまでの推定結果の検証や、高精度の坑井調査および複数坑井間の透水試験による透水モデルの高精度化を図ることとした。
まず、実験場の地下構造をより詳細に把握するため、平成５年度に最初の循環実験「1993 循環実験」として実験場を中心として CSAMT 法による測点を平面的にOGC-1 に平均毎分 200kg の水を 22 日間連続で圧入した。

配置し、地下の３次元比抵抗構造を求めた。また、実験

その結果、OGC-2 から熱水が回収され、最終的に回収さ場近傍を東西に横切る道路を利用した地震探査反射法やれた熱水の温度は 120 ℃に達した。一つの坑井から造成重力探査を実施し、これらの解析断面と比抵抗構造とのした多段貯留層による熱水の生産に成功したのは世界で比較検討から、実験地周辺の地質構造、特に花崗閃緑岩も初めてであった。しかし、この実験における OGC-1の上面深度分布を３次元的に推定した。これにより、実に注入した水の OGC-2 からの回収割合（回収率）は験場近傍半径 500 ｍ以内には、地下に圧入した水が流出３％程度で、実用化の目標とした１生産井あたり 25 ％するような断層などは存在しないと想定された（第５章に比べ非常に少なかった。この回収率の低い原因として参照）。これらの結果を用いて、貯留層内外の熱水流動は、OGC-2 周辺の透水性が悪いためと考えられた。

状況を評価する数値シミュレーションコードの開発と、そこで、OGC-2 周辺の透水性を高め、回収率の改善をAE 震源分布を基にした透水モデルの構築を図った。

図るため、OGC-2 に毎分 2ton の水を圧入する水圧破砕

そして、これまでの調査に基づく地下構造の評価結果（迎え破砕）を実施した。その後実施した５ヶ月間循環を検証するため、新たな坑井（OGC-3）を掘削した。この実験「1994 循環実験」では、回収率が約 10 ％となり、坑井は、深さ 1,303 ｍで、深さ 700 ｍまでケーシングを設

生産熱水の温度は地表で 160 ℃を越えた。これにより生置し、そこから坑底までは裸坑仕上げとした。また、裸産井側からの水圧破砕が効果的であることが確認された。

坑部の坑径は、最新の耐熱検層器が適用できるようにそして、さらなる回収率の向上のため、OGC-2 への圧入216mm とした。この結果、耐熱ボアホールテレビュアー

流量を増大（前年の約２倍）させた水圧破砕を行い、まなどによる坑壁の鮮明な画像が得られ、光ファイバ温度

た OGC-1 への注入圧力の低減を図るため、OGC-1 を 27計測による OGC-1 との導通箇所の特定結果（第 7 章参照）ｍ増掘し、加圧試験を実施した。その後の１ヶ月間の循と併せて、坑井内外の水の流動と割れ目の状況が精度良環試験「1995 循環実験」を実施した結果、回収率は約く把握された。さらに、OGC-3 の深さ 1,137 ｍには規模の25 ％となりほぼ目標を達成することができた。

大きな天然の割れ目が認められ¼、この割れ目より深部に以上により、２段の貯留層を通して OGC-1 と OGC-2 のはＡＥ震源がほとんど無いことから、この割れ目により間で水の循環を行った結果、当初は注入した水の回収率が深部への亀裂の伸展が抑制されているものと想定された。

極めて低かったが、迎え破砕による OGC-2 周辺の透水性

さらに、実験場内の３本の坑井を用いて、それぞれ個を改善するなどにより、回収率は 25 ％程度まで高めるこ

別に注水しながら他の２坑井の水位および坑口の締め切とができ、注入した河川水を 165 ℃の蒸気混じりの熱水とり圧力を計測し、各坑井周辺と各坑井間の透水係数の分して回収できることが実証された。しかし、貯留層内の水布を測定し、数値シミュレーションで用いた貯留層内外の流れが上部に比べ下部が４倍程度多く、流れが不均等での透水係数分布の妥当性を確認した（第８章参照）。

あることや、生産井の追加により、実用化に必要とされる以上により、OGC-3 掘削前までの地下構造および熱水４本の生産井で回収率 80 ％以上が確保される見通しを得流動状況の推定結果が検証され、当所で開発した透水モるため、より高精度の貯留層評価が必要となった。

デル構築法の有効性、および数値シミュレーションによる貯留層評価技術の高度化が図れた。これにより、地点»フェーズ４（平成８〜 13 年度）
このフェーズでは、貯留層内の熱水の流動状況をより探査、貯留層造成、貯留層評価に関する要素技術はほぼ確立したものと思われる。

電中研レビュー No.49 ● 35

コラム４：雄勝実験場
当所では、高温岩体発電の要素技術の中で最もされておらず、雨が降ると道路が川となり雨水が重要な貯留層造成と評価に関し、まず秋ノ宮地点

流れる状況で、四輪駆動の車でも国道から実験場

ぎょうかいがんにおいて凝灰岩 を対象として貯留層造成に関するまでの４ km の道のりに 30 分も要した。しかし、基礎的な実験を行った。この結果、深さ 300 ｍの坑

現在ではこの道路も舗装が施され、秋ノ宮温泉郷

井で、深さの異なる３つの貯留層が造成されたこから川原毛地獄、泥湯温泉、上の岱 地熱発電所をとから、本手法の有効性を確認し、本格的な実験通って小安 温泉郷へ抜ける観光道路となっている。

を実施することとした。

雄勝実験場からは、遠く鳥海山が望めるほか、周

うえのたい
おやす

実験地の選定においては、国や新エネルギー・辺は一部の杉の植林を除けばブナの木の原生林で、産業技術総合開発機構（NEDO）等の調査結果を春や秋は山菜やキノコが豊富で、冬には積雪が３参考にし、文献調査結果として鳥取県鹿野、秋田ｍを越えるなど年間を通して自然の勢いが感じら県雄勝、北海道熊石の３地域を抽出した。そして、れるところである。また、近くの沢では天然のイ実際に現地を訪問し、地元の受け入れ状況や実験ワナが捕れるほか、野生のカモシカや狐などが出実施に関する必要事項などを調査した結果、最も没し、ある年の晩秋には熊と道路で出会ったこと

地温勾配が高く、実験予定地のすぐそばで NEDOもあった。さらに、マムシも多く、当所の実験場の調査による高温岩体の存在が確認されているこの一角には長年マムシとヤマカガシの一家が住んとなどから雄勝を最終的に選定した。深さ 1,000 ｍでいるようである。

で岩盤の温度が 230 ℃にもなる地域は我が国においしたがって、実験の実施においても自然環境のても珍しく、諸外国の高温岩体発電実験場が岩盤保護には注意を払い、実験場の設備以外の設備等温度 200 ℃を得るために、深さ 4,000 ｍ〜 5,000 ｍも（例えば AE 観測点やケーブルの設置箇所）は、一の坑井掘削を必要とすることから考えれば非常に般の方にはほとんど目立たないよう工夫したほか、温度条件に恵まれた地点である。しかし、地下浅毎年実験の前後で河川水・地下水の分析調査や地所で温度が高いため、高温用の検層機器の開発や震観測を継続して行い、実験による影響がないこ適用に多額の費用を要したり、高温岩体と見なしとを確認している。ている岩盤に自然の割れ目が多く、貯留層の造成

また、実験の実施に関しては地元の方の多大なや水の循環による熱抽出において自然割れ目の影ご協力を頂いていることから、実験実施中は見学響が大きく及んでいることが判った。ただし、こ会を開催し、地元の方はじめ一般の方々にも実験のような条件は今後我が国において、高温岩体発の状況を見学して頂いた。この見学会の様子は地電開発を行う上では、一般的に見られる状況と思

元テレビはじめ新聞などマスコミにも多く取り上われる。

げられている。

実験開始当時は、実験場の脇を通る道路も舗装

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