Prof. Takeshi Tsuji, “The methods of selecting and characterising a CO2 geological storage site in Japan” for 15th Study Meeting held by Global CCS Institute Japan Office
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Prof. Takeshi Tsuji, “The methods of selecting and characterising a CO2 geological storage site in Japan” for 15th Study Meeting held by Global CCS Institute Japan Office
- 1. 1 International Institute for Carbon-Neutral Energy Research A World Premier Institute 日本周辺でのCO2地中貯留のポテンシャルと課 題： それに向けたI²CNERの取り組み 辻 健 九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER) 九州大学大学院 工学府 地球資源システム工学専攻 http://i2cner.kyushu-u.ac.jp/~ccs-div/re_takeshi.html
- 2. 2 1. テクトニクス活動が盛んな場所でのCO2貯留 において克服すべき課題 2. CO2貯留層を調べるための手法： 地震探査 3. 環境省のCO2貯留適地調査の結果を紹介 4. テクトニクス活動が盛んな場所でのCO2貯留 に向けたI2CNERの試み 今日の話題
- 3. 3 テクトニクス活動が盛んな場所でのCO2貯留 日本を含め、多くのアジアの国は、地震や火山が多発するテク トニクス活動の盛んな場所（プレート収束帯）にある Several limitations (or roadblocks) preclude the promotion of CCS Plate convergent margin (Wikipedia) 日本では、CCS-EOR（CCUS) は、あまり期待できない 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課題は？ Global CCS Institute, summary report 2014
- 4. 4 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題 反射法地震探査データから推定した断層分布 Tsuji et al., 2012 J. Vol. Geo. Res. １) 不均質な地質構造 断層や地層境界といった不均質性が強い 将来のCO2の挙動を調べるために、貯留層シミュレーションを実施す る。シミュレーションに用いる地質モデルは、不均質性を含んだもの を用いる必要がある。 不均質を推定するための物理探査手法の開発が必要 岩層分布の例（熊本県） 九州地方土木地質図編集委員会 1985
- 5. 5 多くの貯留層はカテ ゴリーBに属する １０００億トン以上の CO2を圧入可能 ２)限られた背斜構造 背斜構造にCO2を圧入すれば、安定的にトラップされるが、日本といった 大陸縁辺部では、CO2貯留に適した背斜構造が限られている 残留トラッピング・溶解トラッピング・鉱物トラッピングを考える必要が ある 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題 Category A: Structural closure Category B: No structural closure RITE http://www.rite.or.jp/Japanese/project/tityu/fuzon.html
- 6. 6 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題 Many wells and 3D seismic data in oil field Wells ３) 限られたCO2貯留層の情報 日本周辺の帯水層にCO2を貯留する場合には、貯留層に関する情報が 少なく、地質モデルの構築が難しい。 限られたデータを使って、地質モデルを構築し、CO2の挙動を予測す る技術の開発が必要となる。 Dynamic Graphics, INC.
- 7. 7 ４) 海底下の貯留層 日本陸上は圧入に適した場所が限られており、海域で行われるのが一般的と なる? 海盆等には厚い貯留層が発達 CO2を沖合の圧入井に輸送するシステムの構築が重要 漁業者への理解 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題
- 8. 8 ５)誘発地震を予測と予防 CO2を地中に圧入すると、流体圧（間隙水圧）が増加し、地震を誘発する危 険性 CCSによる地震誘発の危険性は、米国政府議会で報告されるなど注目を集め た。 日本のような地震多発帯では地震断層への影響を調べる手法の確立が求めら れる。 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題 ２０１２年９月（１ヶ月間） 誘発地震と自然地震を区別する技術開発
- 9. 9 ６)長期のモニタリングとモデリング 長期間、貯留層内のCO2をモニタリングする技術を開発する必要がある。 圧入CO2の漏洩に迅速に対応するため、連続的にモニタリングする技術の 開発が求められる。 モデリングでは、長期間のCO2挙動を予測する必要があるため、地層水へ の溶解や、鉱物化を考慮する必要がある。 日本周辺でCO2貯留を実施する場合に克服すべき課 題 Time variance of trapping mechanism (IPCC, 2005)
- 10. 10 日本周辺の貯留層 日本周辺でCO2を貯留する場合には様々な課題を 検討する必要があるが、1000億トン以上のCO2を 圧入する地層があると推定されている（Ogawa et al., 2011） 日本のCO2排出量の100年分に相当 （大きなポテンシャル） この後、具体的に適地調査結果を紹介 RITEの調査 (2005-2008)
- 11. 11 貯留層を調べ、地質モデルを作成する方法 〜反射法地震探査〜 地表の近くで人工的に発生させた振動が、 地層境界面で反射して、再び地 表へ戻ってきた反射波を地震計で受振して、地下構造を解明する手法 原理は医療のエコー診断とほぼ同じ
- 13. 13 Subduction direction Landward Seaward Philippine Sea plate Tsuji et al. 2009, GRL ３次元反射法地震探査 （長岡・苫小牧でも取得） 断層の角度の評価は三次元地震探査データでなければ難しい
- 14. 14 海底下の断層を抽出 Depth[m] Tsuji et al. 2014 EPSL 黄色線：断層
- 15. 15 誘発地震の予測と予防 間隙水圧と応力 Tsuji et al. 2014 EPS; Tsuji et al. 2008 JGR 断層にかかるせん断応力(τ)が、摩擦抵抗に打ち勝 つ時に、地震が発生 摩擦抵抗＝μ(σn-pf) 間隙水圧の高い場所には圧入できない 圧入井における圧力コントロールに加え、圧入前 の間隙水圧と応力を推定することが重要 弾性波速度を正確に推定して得られた間隙水圧 Pf の分布
- 16. 16 VSPなどから応力を推定 Tsuji et al. 2011, G-cubed Tsuji et al. 2011, Geophysics VSPという地震探査を実施することで、応力の方向や大きさを推定可能 せん断応力の大きい場所には圧入すべきでない
- 17. 17 CO2貯留適地調査 H25経産省委員会 • RITEの報告書（2005-2008）が前提 • 主として200m以浅の沿岸域を対象 （一部２００m以深を含む） （選定基準） • 貯留可能量が大きいこと（１億トン以 上） • 生産中油ガス田ではないこと • 特別に保護すべき海洋生物がいないこと • 近年、近傍で大地震が発生していないこ と • 近い将来、近傍で大地震が発生する確率 が低いこと H25環境省検討会 • NEDO/AISTの報告書(2012)と、 GCCSIの報告書が前提 • 主として200m以深の沖合域が対 象 （選定基準） • １エリア25km四方程度の範囲、地質 断面の連続性が良いこと、１億トン 以上 • 近傍油ガス田への影響がないこと • 生物多様性保全上重要度の高い海域 ではないこと • 断層を回避すること • 海溝型地震震源断層が分布しないこ と ここでは環境省の報告書を紹介
- 19. 19 地域をブロック分け （石油天然ガス・金属鉱物資源機構, 平 成15 年度財務資料を基に加工） （出典） 石油公団（2003） 環境省（２０１４）
- 20. 20 CO2貯留可能量（A-1） 2012 年AIST 報告書および2012 年GCCSI 報告書から引用 Vresv/Vsurface 環境省（２０１４）
- 21. 21 間隙率 （A-2） 2005 年RITE 報告書から引用 CO2貯留量の算定にも用いられているが、個別に評 価 Injectivityに関係するためと思われる 環境省（２０１４）
- 22. 22 探鉱活動の有無(D-1) 基礎試錐： 国内石油・天然ガ ス資源探鉱促進のため、国の 事業として、長期計画に基づき 実施 どれくらい既に貯留層について 分かっているか？ 環境省（２０１４）
- 24. 24 総合評価： ブロックの選 抜 選抜された３地域： ① 天草・五島沖 ② 北陸・隠岐沖 ③ 山陰沖 環境省（２０１４）
- 25. 25 ① ブロック8 北陸―隠岐沖 環境省（２０１４） • 貯留層：海面下800～2000m 付近に分布する砂岩・泥岩・ 礫岩の互層 （下部には火山 岩や火山噴出物を含む） 間隙率 • 香住沖17% • 金沢沖：45% • 遮蔽層： 半深海で堆積した と考えられるシルト質粘土岩 や軟質シルト岩 （シルト：砂〜泥岩の中 間） • 海岸から30～40kmにある水 深200～1000m の領域
- 26. 26 ② ブロック9 山陰沖 • 貯留層： 海面下1000 ～2000m 付近の海成砂 泥互層． 間隙率：17%程度？ • 遮蔽層： 陸成～沿岸 成の砂泥互層 • 基礎試錐なし • 海岸から40～100km沖 に水深200m～1000m の海域が東西に帯状に 分布 環境省（２０１４）
- 27. 27 ③ ブロック14 天草－五島沖 • 貯留層：海面下1000～ 2000mに分布する海成堆積 物に含まれる細粒砂岩や凝 灰質砂岩部． 間隙率：15%以上 • 遮蔽層： 海成の軟質シル ト層 • 基礎試錐が1 点 • 海岸から50km より沖合は水 深200m～1000m 環境省（２０１４）
- 28. 28 断層の評価 • CO2 の漏洩経路？ • 地震動を発生させる可能 性？ ブロック8 北陸―隠岐沖： 断層が少ない ブロック9 山陰沖： 断層が少ない ブロック14 天草－五島沖： 断層が多い 精査の段階で新たに断層が発見 される可能性も 環境省（２０１４） 断層分布などの情報を使って、圧入地点を評価
- 32. 32 CO2貯留部門の研究トピック 1. 多孔質岩石中のCO2の挙動の解明 残留トラッピング・溶解トラッピング・鉱物トラッピングのメカニズ ムの解明 これらのトラッピングを促進するための研究 2. 貯留層特性を推定する手法の開発 弾性波速度を精度良く推定するための手法 間隙水圧や応力を推定するための手法 局所的なCO2漏洩経路の検出 誘発地震の研究 3. 圧入CO2のモニタリング手法の開発 微動ノイズを用いた連続モニタリング手法の開発 4. 漏洩CO2のモニタリング手法の開発
- 33. 33 マイクロフォーカスX-CTを用いて抽出した実際の間隙に対して、格子ボル ツマン法（LBM）を適用し、間隙内部のCO2の挙動をシミュレーション 相対浸透率といった水理特性を、貯留層の条件を変えて調べることに成功 貯留層の条件が残留トラッピング量に与える影響を明らかにした LBM CO2-fluid simulation for Berea sandstone parameterized by interfacial tension Inject CO2 into water-saturated rock Pore space of sandstone extracted using Micro-X CT (resolution: 2 μｍ) Red parts: Injected CO2 Rock Low interfacial tension High interfacial tension Topic 1: 多孔質岩石中のCO2の挙動の解明 Jiang, Tsuji, Hu (2014) Trans. Porous Media Jiang and Tsuji, (2015) Water Resource Res.
- 34. 34 どのような貯留層条件で、 残留トラッピングが効果的 に働くか？ CO2 injection Water injection High IFT Low IFT 残留トラップされたCO2 ↓ Jiang and Tsuji, 2015 Water Resources Research
- 35. 35 世界最高サイズの岩石モデルに対して LBM流体シミュレーションを適用することに成功 Only 3 companies/institute have done simulations of 5003 (Imperial College, Numerical Rocks, Ingrain) • ONLY our group have done >10003 simulation Molecular scale (nm) Pore scale (μm) Core scale(cm) Field scale (km) (Molecular Dynamic) (Lattice Boltzmann Method) (Darcy’s flow) (Reservoir simulator) 1000x1000x1000 CO2 GPUクラスター（並列計算）の利用 研究室のGPU並列クラスター Tsubame Super Computer (東工大) スケールの壁を超える ・ ラボのデータと比較が可能になった（結果のValidation）
- 36. 36 鉱物化モデル 流体挙動を考慮した鉱物化モデルの確立と、 鉱物化が相対浸透率に与える影響の解明 • Solve CO2 concentration level using Convection-diffusion equation RccD t c u eq eq T c cc M A kR • The carbonate precipitation Model Validation using Lab. Expt. Mimic beads pack experiment Flow rate evolution during mineralization Jiang and Tsuji, 2014, Physical Review E Water Mineralization 0.5mm Pore Mineral CO2 (non-wettable) 貯留層シミュレーションへの導入
- 37. 37 Topic 2: 貯留層特性を推定する手法の開発 High resolution seismic velocity & pore pressure estimation 地震探査データに波形インバージョンを適用して、弾性 波速度を正確に決定し、間隙水圧分布を推定 Tsuji et al. 2014 EPSL; Tsuji et al. 2014 EPS 日本のような不均質な地層の評価や、誘発地震の評価に利用
- 38. 38 表面波探査から推定した高解像度 のS波速度 Ikeda et al. 2013 Geophysics 表面波探査から推定した減衰定数 Ikeda and Tsuji, in revision, EPS 表面波解析 地層の強度（ポアソン比）と関係するS波速度を推定する手法 の開発 漏洩経路となる微細なフラクチャー検出のための新しい手法の 開発 日本のような不均質な地層の評価や、誘発地震の評価に利用 Topic 2: 貯留層特性を推定する手法の開発
- 39. 39 繰り返し地震探査を実施し、そのデータの差を取る ー =CO2圧入に伴う 弾性特性の変化 問題点 高額 長い探査間隔 地震波干渉法を応用して微動ノイズを利用してモニタ リング 音波震源を使う必要がない （安価） 連続的に貯留層で生じた変 化を検出できる 水の圧入試験を実施し、微動を 用いて、圧入した水のモニタリ ングすることに成功 Topic 3: 圧入CO2のモニタリング手法の開発 Minato et al. 2011 GRL 辻、2015 資源素材学会 断層が多い日本では、連続的なモニタリングが有
- 40. 40 分解能: ±0.003pH 応答時間(水深3000m, 1.8℃): 1秒以下@pH, 60秒以下@pCO2 pH sensor pCO2 sensor ・ガス透過膜：アモルファステフロン (Teflon® AF, DuPont) ・内部液：約3mlの1.5%NaCl溶液 4 cm Teflon® AF ISFET Cl-ISE 内部液 3 cm ISFET Cl-ISE pH sensor pCO2 sensor Li-ion battery Pressure vessel (ø80, 200L) Electric circuit board of pH and pCO2 ・pH電極：イオン感応性電界効果型トランジスタ (ISFET) ・参照電極：塩素イオン選択性電極(Cl-ISE) 下島と許, 1998 Shitashima, et al., 2002 ー現場型pH/pCO2センサの開発ー Topic 4: 漏洩CO2のモニタリング手法の開発
- 41. 41 a) : 長期モニタリング用センサ b) : リアルタイムモニタリング用センサ c) : 堆積物中モニタリング用センサ pH/pCO2センサによる漏洩CO2のモニタリング/マッピング技術 ◇測定項目 ・pH ・pCO2 ・ORP ・水温 ・塩分 ・DO ・流速 ・クロロフィル ・濁度 ・海底地形 pH pCO2 ORP d) : センサ搭載AUV/ROV 小型AUV (REMUS 100) Micro-ROV (VideoRay） pH/pCO2/ORP Sensor Blackford et al. 2014 Nature Climate Change Shitashima et al. 2015 Int J Greenhouse Gas Control
- 42. 42 Our group uses multidisciplinary approach to reveal dynamic CO2 behavior from the nano-scale to the km-scale. マルチスケールのCO2挙動の解 明 （スケールの壁を打ち破る） Develop high resolution survey
- 43. 43 テクトニックな活動が盛んな場所でのCCS: Gundih pilot CCS project, Indonesia The CO2 content within the produced gas is more than 20% CO2 injection near the gas production well could be effective way to avoid abundant CO2 emission インドネシアもテクトニクスの活 動の盛んな場所 基礎研究だけではなく、実際にプロジェクトを実施し、テク トニックな活動の盛んな場所でのCCSに向けたモニタリン グ・モデリングの手順書を作成する
- 44. 44 Comparison between Japanese Island and Java Island • One of the reasons why we are interested in the CCS in Indonesia Similar tectonic setting N N Plate subduction Nagaoka Tomakomai Gundih Japan Indonesia
- 45. 45 断層が近くにある 地質構造の不均質性が 強く、正確な地質モデ ルの構築と、貯留層シ ミュレーションによっ て、圧入井を決定する 必要がある Gundih CCSプロジェクトで候補となっている孔井 Tsuji et al. 2014 Energy Procedia
- 46. 46 Synthetic Composite Log AI Vs. Inverted AI 正確に地質モデルを構築 音響インピーダンス (=Vp x ρ ) を波形インバージョンによっ て推定 高解像度の地質モデルを作 成 AI from logging AIfrominversionTime(ms) Time(ms) Tsuji et al. 2014 Energy Procedia
- 47. 47 Example of CO2 Saturation (10kt/y; 60C; 2 year) 地質モデルに対して、貯留層シミュレーシ ョンの実施 背斜構造の軸に沿ってCO2が移動 断層の場所での間隙水圧の上昇も調査 Tsuji et al. 2014 Energy Procedia
- 48. 48 まとめ テクトニックな活動の活発な場所でのCO2貯留において、 克服すべき点を整理 CO2貯留層の推定に重要となる地震探査の概要を説明 環境省のCO2貯留適地調査の結果を紹介 テクトニックな活動の盛んな場所（日本など）で、CO2貯 留を実施するためのI2CNERの研究を紹介 Gundih CCSプロジェクト： テクトニックな活動の盛んな 場所でのCCSに向けたモニタリング・モデリングの手順書を 作成