JP2010036154A - 二酸化炭素貯留施設および二酸化炭素の地中貯留方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ安価に地中への二酸化炭素の大量貯留を行うことを可能とした二酸化炭素貯留施設および二酸化炭素の地中貯留方法を提案する。
【解決手段】高透水層内に二酸化炭素を貯留するための二酸化炭素貯留施設１であって、地上から高透水層の上方にまで到達するアクセス坑道１０と、高透水層の上方においてアクセス坑道１０から横方向に延設された枝坑１１と、高透水層に貫入するように枝坑１１から下方向に形成された複数の圧入井１２と、アクセス坑道１０および枝坑１１内に配管されて圧入井１２に接続する二酸化炭素圧送管１３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素貯留施設および二酸化炭素の地中貯留方法に関する。

地球の温暖化対策として、二酸化炭素を地中に貯留する場合がある。例えば特許文献１には、ガス田または油田の地層内に二酸化炭素を水に大量に溶解させた状態で貯蔵する方法が開示されている。

また、特許文献２には、高透水層の地下水を揚水井から汲み上げて、この地下水に二酸化炭素を微細気泡化して混合することで気液混合流体を生成し、この気液混合流体を高透水層に注入する二酸化炭素の処理方法が開示されている。

特開平３−２５８３４０号公報 特開２００８−６３６７号公報

前記従来の地中貯留方法では、地表から削孔された大深度鉛直ボーリング孔、傾斜ボーリング孔、大偏距ボーリング孔を介して行うのが一般的である。このような地中貯留に適した貯留層は、透水性および空隙率が大きな地層で、二酸化炭素の隔離性を確保するために大深度である。そのため、注入孔としてのボーリング孔は大深度である必要がある。

また、各ボーリング孔による圧入速度には限度があるため、大量貯留を行う場合には、複数のボーリング孔を形成する必要がある。大深度ボーリング孔を複数形成すると、手間がかかるだけでなく、費用も嵩む。

本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、簡易かつ安価に地中への二酸化炭素の大量貯留を行うことを可能とした二酸化炭素貯留施設および二酸化炭素の地中貯留方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の二酸化炭素貯留施設は、高透水層内に二酸化炭素を貯留するための施設であって、地上から前記高透水層の上方にまで到達するアクセス坑道と、前記高透水層の上方において前記アクセス坑道から横方向に延設された枝坑と、前記高透水層に貫入するように前記枝坑から下方向に形成された複数の圧入井と、前記アクセス坑道および前記枝坑内に配管されて前記圧入井に接続する二酸化炭素圧送管と、を備えていることを特徴としている。

かかる二酸化炭素貯留施設によれば、複数の圧入井を介して、二酸化炭素の注入を同時に行うことが可能なため、大容量の注入を行うことが可能となる。各圧入井は、１本のアクセス坑道を介して形成されるため、複数の大深度ボーリング孔を形成する従来の方法と比較して経済的であるとともに施工性に優れている。

また、前記圧入井と前記二酸化炭素圧送管とが複数の制御装置を介して接続されていれば、圧入井による二酸化炭素の注入圧を設定圧力以下となるように調整することができるとともに、非常時に二酸化炭素の注入を停止する等の制御が可能となる。

また、前記二酸化炭素貯留施設が、前記アクセス坑道または前記枝坑を遮蔽する隔壁装置を備えていれば、坑口部への高濃度二酸化炭素の移動を抑制することができる。

さらに、前記二酸化炭素貯留施設が、前記アクセス坑道の坑口を遮蔽する坑口遮蔽装置を備えていれば、坑道内から大気に二酸化炭素が流出することを防止することができる。

また、本発明に係る二酸化炭素の地中貯留方法は、前記二酸化炭素貯留施設を利用するものであって、二酸化炭素圧送管を介して輸送された二酸化炭素を、前記複数の圧入井から同時圧入することを特徴としている。

かかる二酸化炭素の地中貯留方法は、高透水層の上方に形成された複数の圧入井から同時圧入を行うため簡易に二酸化炭素の大量貯留を行うことを可能とし、作業性および経済性に優れている。

また、前記アクセス坑道および前記枝坑を水または土砂等により充填した状態で、前記圧入井から二酸化炭素を圧入することで、注入した二酸化炭素が坑道内に流入することを防止してもよい。

本発明の型枠構造によれば、埋め込み部材を精度よく設置するとともに、その型枠の着脱作業を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る二酸化炭素貯留施設１は、貯留対象層２（図５参照）内に二酸化炭素を貯留するためのものであって、図１に示すように、地上から貯留対象層２の上方にまで到達するアクセス坑道１０と、貯留対象層２の上方においてアクセス坑道１０から横方向に延設された枝坑１１と、貯留対象層２に貫入するように枝坑１１から下方向に形成された複数の圧入井１２，１２，…と、アクセス坑道１０および枝坑１１内に配管されて圧入井１２に接続する二酸化炭素圧送管１３と、を備えている。

貯留対象層２は、二酸化炭素の貯留効率がよい、密度の低い高透水層であることが望ましい。また、貯留対象層２の深度は、地表面への漏洩防止の視点から、地表面から１０００ｍ以深であることが好ましい。

アクセス坑道１０は、地上から貯留対象層２の天端から数１０〜１００ｍ上方にまで到達するように、斜め下方向に形成された坑道（斜坑）である。なお、アクセス坑道１０の到達箇所は、低透水層乃至難透水層内（本実施形態では難透水層３）に到達しているのが望ましい（図５参照）。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、アクセス坑道１０を断面馬蹄形状に形成するものとするが、アクセス坑道１０の断面形状は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。また、アクセス坑道１０は斜坑に限定されるものではなく、立坑であってもよい。

アクセス坑道１０の坑口（地上側端部）には、坑口の遮蔽を可能とする坑口遮蔽装置１４が構築されている。また、アクセス坑道１０の中間部には、隔壁１５が形成されている。なお、本実施形態では、アクセス坑道１０に隔壁１５を１箇所形成するものとしたが、アクセス坑道１０の数や配置は限定されるものではなく、アクセス坑道１０の延長距離等に応じて適宜設定することが可能である。

坑口遮蔽装置１４は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、アクセス坑道１０内の遡上水を遮水する耐圧式坑門であって、坑門コンクリート１４ａ、ハッチ１４ｂ、二酸化炭素圧送管路１４ｃ、通水管路１４ｄ、およびケーブル孔１４ｅを備えている。

坑門コンクリート１４ａは、耐圧性を持たせるために地山との密着性を高め、また、十分な延長長さが必要である。なお、坑門コンクリート１４ａの厚みや長さは限定されるものではなく、地山状況等に応じて適宜設定することが可能である。

ハッチ１４ｂは、取付ボルト１４ｆを介して着脱可能に坑門コンクリート１４ａに固定されている。ハッチ１４ｂが二酸化炭素貯留施設１の点検時に開放されることで、作業員が二酸化炭素貯留施設１の内部に入り込んで作業を行うことが可能となる。

二酸化炭素圧送管路１４ｃは、二酸化炭素圧送管１３に接続される管路であって、坑門コンクリート１４ａ内に埋設されている。

また、通水管路１４ｄは、アクセス坑道１０および枝坑１１への水の充填および水の排出を行う際に使用する水路であって、坑門コンクリート１４ａに埋設されている。
また、通水管路１４ｄは、アクセス坑道１０に充填された水が流出することがないように、遮蔽することが可能に構成されている。

ケーブル孔１４ｅは、計測ケーブルなどを挿通するために、坑門コンクリート１４ａに形成された貫通孔である。なお、ケーブル孔１４ｅは、坑口遮蔽装置１４の前面および後面で、止水処理が施されている。

枝坑１１は、図１に示すように、貯留対象層２の上方において、アクセス坑道１０の先端部から横方向に延設された坑道である。枝坑１１は、貯留対象層２の天端から数１０〜１００ｍ上方の位置であって、好ましくは、低透水層乃至難透水層内（本実施形態では難透水層３）に形成されている。なお、貯留対象層２の天端から数１０ｍ〜１００ｍ程度上方が、枝坑１１の掘削が困難な地山の場合は、枝坑１１を形成する深度を浅い位置とし、圧入井１２の延長を長くしてもよい。

本実施形態に係る枝坑１１は、図２（ａ）に示すように、断面馬蹄形状に形成するものとするが、枝坑１１の断面形状は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。また、本実施形態では、枝坑１１を略水平に形成するが、例えば貯留対象層２の天端と平行に形成してもよく、枝坑１１の縦断線形は限定されるものではない。

本実施形態では、枝坑１１にも隔壁１５を形成するものとし、枝坑１１とアクセス坑道１０との接続部を挟んだ２箇所に、隔壁１５，１５を形成する。なお、隔壁１５の配置や設置数は限定されるものではなく、枝坑１１の延長距離等に応じて適宜形成すればよい。

隔壁１５は、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、隔壁コンクリート１５ａ、ハッチ１５ｂ、二酸化炭素圧送管路１５ｃ、通水孔１５ｄ，１５ｅ、およびケーブル孔１５ｆを備えている。

隔壁１５は、坑口側に高濃度二酸化炭素（炭酸）が移動することを抑制するために設置するものである。つまり、二酸化炭素の注入時には、濃度上昇が起こりやすい枝坑１１内の水の濃度拡散に起因して、高濃度二酸化炭素が移動するおそれがあるが、隔壁１５により枝坑１１を遮蔽することによりこれを抑制する。
なお、隔壁１５には、厳密な止水性は必要とされておらず、隔壁１５の前後で差圧が発生した場合は、通水が可能となるように構成されている。

隔壁コンクリート１５ａは、少なくとも隔壁１５の前後で生じる差圧に対する耐圧性を有するように構成されている。なお、隔壁コンクリート１５ａの厚みや延長は限定されるものではなく、地山状況等に応じて適宜設定することが可能である。

ハッチ１５ｂは、取付ボルト１５ｇを介して着脱可能に隔壁コンクリート１５ａに固定されている。ハッチ１５ｂが二酸化炭素貯留施設１の点検時に開放されることで、作業員による二酸化炭素貯留施設１内での作業が可能となる。

二酸化炭素圧送管路１５ｃは、二酸化炭素圧送管１３に接続される管路であって、隔壁コンクリート１５ａ内に埋設されている。

通水孔１５ｄ，１５ｅは、隔壁１５の前後で圧力差が所定値以上となったときに、圧力差が一定となるように、通水するものである。本実施形態では、通水孔１５ｄ，１５ｅとして、ポペット式の通水孔を採用する。

通水孔１５ｄは坑口側から坑道（アクセス坑道１０または枝坑１１）の先端側方向に通水を行う流出孔であって、通水孔１５ｅは坑道の先端側から坑口側に通水を行う流入孔である。

ポペット式の通水孔１５ｄ，１５ｅは、鋼管等により構成された通水路１５１と、通水路１５１の水の流出側先端を囲うように形成された箱型のコンクリート枠１５２と、コンクリート枠１５２内において通水路１５１の先端を遮蔽するウェイト部材１５３とを備えて構成されている。

通水孔１５ｄ，１５ｅは、隔壁１５を挟んだ両側に差圧で０．３〜０．５気圧程度以上となった場合に、気圧が低い側に配置されたウェイト部材１５３が水圧で押し上げられて、水が気圧の高い側から低い側に通水される。なお、設定差圧は０．３〜０．５気圧程度に限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

ケーブル孔１５ｆは、計測ケーブルなどを挿通するために、隔壁コンクリート１５ａに形成された貫通孔である。

なお、アクセス坑道１０や枝坑１１の平面的な配置や延長距離等は限定されるものではなく貯留総量、単位時間当たりの圧入量、地質条件等に応じて適宜設定すればよい。

図１および図２（ｂ）に示すように、枝坑１１からは、貯留対象層２に向けて複数の圧入井１２，１２，…が形成されている。本実施形態では、圧入井１２を８本形成するものとするが、注水井１２の本数や設置間隔等は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

圧入井１２は、枝坑１１の坑内において、ボーリングを行うことにより貯留対象層２に到達するように形成されたボーリング孔である。圧入井１２は、坑口から配管された二酸化炭素圧送管１３に接続されており、坑口から搬送された二酸化炭素は、圧入井１２を介して貯留対象層２に注入される。

貯留対象層２への二酸化炭素の注入は、圧入井１２を構成するケーシングに形成された注入孔１２ａを介して行う。

二酸化炭素圧送管１３は、アクセス坑道１０および枝坑１１内に配管された管路であって、貯留対象層２に注入する二酸化炭素を地上から輸送する管路である。本実施形態では、二酸化炭素圧送管１３を鋼管により構成するが、二酸化炭素圧送管１３を構成する管材は限定されるものではなく、適宜公知のものが採用可能である。

また、二酸化炭素圧送管１３には、図４に示すように、坑口側に坑口制御装置１６を備えており、全ての圧入井１２に輸送する二酸化炭素の流量の制御を行う。

坑口制御装置１６は、絞り弁１６ａ、流量計１６ｂ、圧力計１６ｃ、温度計１６ｄを備えており、すべての圧入井１２における注入圧を設定圧力以下となるように、流量計１６ｂ、圧力計１６ｃ、温度計１６ｄによる測定結果に基づいて、絞り弁１６ａを操作することにより行う。また、非常時には、絞り弁１６ａにより圧送遮断を行う。
なお、坑口制御装置１６の構成は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

圧入井１２と二酸化炭素圧送管１３とは、制御装置１７を介して接続されている。
圧入井１２の上端部には、制御装置１７が接続されており、この制御装置１７には、二酸化炭素圧送管１３から分岐された圧送枝管１３ａが接続している。

複数の制御装置１７，１７，…は、貯留対象層２の全域に均等に二酸化炭素が貯留されるように、二酸化炭素の流量を圧入井１２毎に調整するものである。
図４に示すように、制御装置１７は、絞り弁１７ａ、流量計１７ｂ、圧力計１７ｃ、温度計１７ｄ、逆止弁１７ｅにより構成されている。
なお、坑口制御装置１７の構成は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

絞り弁１７ａは、開閉することにより圧入井１２への二酸化炭素の供給を制御する。貯留対象層２は、地質の不均質性、断層の存在によって、場所毎に貯留容量が異なってくるため、場所毎の貯留容量の大きさに応じて絞り弁１７ａによる流量の調整が行われる。なお、絞り弁１７ａの調整は、流量計１７ｂ、圧力計１７ｃ、温度計１７ｄによる圧入井１２毎の測定結果に応じて行う。

逆止弁１７ｅは、二酸化炭素圧送管１３に破損が生じるなどして、減圧が生じた場合において、圧入井１２から二酸化炭素が逆流することを防止するものである。

なお、流量計１７ｂ、圧力計１７ｃ、温度計１７ｄによる測定結果は、地表面等に設けられた管理施設等に送られ、絞り弁１７ａの操作は、坑口から延設されたケーブルを介して、遠隔操作により行うことが可能である。

次に、本実施形態に係る二酸化炭素貯留施設の構築方法とこの二酸化炭素貯留施設を利用した二酸化炭素の地中貯留方法について説明する。

二酸化炭素貯留施設の構築方法は、アクセス坑道形成工程と、枝坑形成工程と、圧入井形成工程と、を備えている。

アクセス坑道形成工程は、地上部から斜坑を形成することにより、貯留対象層２の上方に位置する難透水層３（図５参照）に到達するアクセス坑道１０を形成する工程である。アクセス坑道の掘削方法は限定されるものではなく、適宜公知の掘削技術を利用して行うことが可能である。

なお、アクセス坑道１０の施工に伴い、例えば、掘削時の地質、地化学調査、岩石や地下水試料による諸物性分析、初期地圧などの原位置計測、などの地質情報の収集を行う。

枝坑形成工程は、アクセス坑道１０の先端部から横方向に掘削することで貯留対象層２の上方に枝坑１１を形成する工程である。
本実施形態では、図５に示すように、貯留対象層２の上方に積層された難透水層３に枝坑１１を形成するものとする。

枝坑１１の掘削方法は限定されるものではなく適宜公知の掘削技術を利用して行えばよい。
なお、枝坑１１の施工に伴い、掘削時の地質、地化学調査、岩石および地下水資料による諸物性分析、初期地圧などの原位置計測を行い、地質情報の収集を行う。

枝坑１１の施工に伴い、断層破砕帯４が発見された場合は、枝坑１１の内空側から、グラウト等４ａの注入を行うことで、止水処理を行う。なお、図５において符号５は、粘土帯からなる難透水性の断層帯である。

圧入井形成工程は、枝坑１１内から下方向にボーリングを行うことで貯留対象層２に貫入する複数の圧入井１２，１２，…を形成する工程である。
ボーリングに伴い、透水係数、注入限界圧などのデータを確保する。

二酸化炭素の地中貯留方法は、アクセス坑道１０および枝坑１１内に配管された二酸化炭素圧送管を介して輸送された二酸化炭素を、複数の圧入井１２，１２，…から同時圧入することにより行う。
二酸化炭素の圧入（注入）は、坑口に配設された坑口制御装置１６および各圧入井に設置された制御装置１７により、流量や圧力を調整しながら行う。

このとき、アクセス坑道１０および枝坑１１は、水により充填された状態で行うものとし、二酸化炭素がアクセス坑道１０および枝坑１１を介して地上へ流出することを防止する。
なお、本実施形態では、二酸化炭素の注入を、アクセス坑道１０および枝坑１１を水没させた状態で行うものとしたが、土砂等により埋め戻した状態で行ってもよい。

本実施形態では、図６に示すように、アクセス坑道１０や枝坑１１の壁面から横ボーリングを行い、この横ボーリングにより形成されたボーリング孔１８に間隙水圧、比抵抗、温度、弾性波速度等の測定センサを配設する。また、必要に応じて岩盤変位計を配置してもよい。

また、アクセス坑道１０や枝坑１１の孔壁に高感度地震計１９を設置することで、二酸化炭素の圧入時の地盤破壊を常時モニタリングするとともに、地表部からの発信振動を受信することで二酸化炭素の移流状況をモニタリングすることができる。
なお、地上において発信器２０を装着した車輌等２０ａを移動させながら測定を行えば、高感度地震計１９と発信器２０との間で多量の伝達信号を取得して、トモグラフィーが可能となる。この方法によれば、一般的に行われている反射法による地震探査と異なり、地表部での受信器の展開・設置の必要がなく簡易かつ安価に計測を行うことができる。

以上、本実施形態に係る二酸化炭素貯留施設および二酸化炭素の地中貯留方法によれば、枝坑１１から形成された複数の圧入井１２，１２，…を介して、同時に二酸化炭素を注入することが可能なため、時間当たりの注入量が大きい。そのため、二酸化炭素の注入量に余裕が生じ、低圧圧入により注入を行っても、二酸化炭素の処理を行うことが可能となる。低圧圧入により処理を行えば、二酸化炭素の圧入に伴う地盤破壊の防止、二酸化炭素の地盤内への滞留率の向上、圧入量の負荷変動への対応性能も向上する。

また、アクセス坑道１０および枝坑１１を利用して複数の圧入井１２，１２，…を形成することで、多数の大深度ボーリングを行うことなく、貯留対象層２に二酸化炭素を貯留することが可能となる。そのため、施工性に優れているとともに施工費の削減も可能である。

また、アクセス坑道１０および枝坑１１の掘削時や、圧入井１２の掘削時に、多量の地盤情報の収集が可能となる。故に圧入井の適正配置、二酸化炭素の漏洩危険箇所の改良、貯留対象層の貯留性の予測精度の向上を図ることが可能となる。

また、センサを多数配置することで、低コストで高密度観測を行うことができる。
また、高感度地震計１９と発振器２０を利用した測定により、簡易かつ安価にトモグラフィーによる観測を行うことが可能となる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、本発明に係る、二酸化炭素貯留施設の形成箇所は限定されるものではなく、海底に形成してもよい。

また、各種計測装置の配置や使用する装置の選定は、適宜行えばよく、前記実施形態で示したものに限定されるものではない。

本発明の好適な実施形態に係る二酸化炭素貯留施設の概要を示す模式図である。 （ａ）はアクセス坑道および枝坑の断面図、（ｂ）は枝坑の圧入井設置箇所の断面図である。 （ａ）は坑口遮蔽装置の正面図、（ｂ）同縦断面図、（ｃ）は隔壁の正面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ縦断面図である。 二酸化炭素圧送管の系統を示す模式図である。 枝坑の概要を示す縦断面図である。 二酸化炭素貯留施設におけるモニター配置の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 二酸化炭素貯留施設
１０ アクセス坑道
１１ 枝坑
１２ 圧入井
１３ 二酸化炭素圧送管
１４ 坑口遮蔽装置
１５ 隔壁
１６ 坑口制御装置
１７ 制御装置
２ 貯留対象層（高透水層）

Claims (6)

1. 高透水層内に二酸化炭素を貯留するための二酸化炭素貯留施設であって、
   地上から前記高透水層の上方にまで到達するアクセス坑道と、
   前記高透水層の上方において前記アクセス坑道から横方向に延設された枝坑と、
   前記高透水層に貫入するように前記枝坑から下方向に形成された複数の圧入井と、
   前記アクセス坑道および前記枝坑内に配管されて前記圧入井に接続する二酸化炭素圧送管と、を備えていることを特徴とする、二酸化炭素貯留施設。
2. 前記圧入井と前記二酸化炭素圧送管とが複数の制御装置を介して接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の二酸化炭素貯留施設。
3. 前記アクセス坑道または前記枝坑を遮蔽する隔壁装置を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素貯留施設。
4. 前記アクセス坑道の坑口を遮蔽する坑口遮蔽装置を備えることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の二酸化炭素貯留施設。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二酸化炭素貯留施設を利用した二酸化炭素の地中貯留方法であって、
   二酸化炭素圧送管を介して輸送された二酸化炭素を、前記複数の圧入井から同時圧入することを特徴とする、二酸化炭素の地中貯留方法。
6. 前記アクセス坑道および前記枝坑を水または土砂等により充填した状態で、前記圧入井から二酸化炭素を圧入することを特徴とする、請求項５に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
   

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