JP2010512236A - 大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法 - Google Patents
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Abstract
地上の大気中へのたとえば二酸化炭素などの温室ガスの放出を少なくするための方法であって、この方法には、1つまたは複数の温室ガスを含有したガス流を地下注入累層の中に注入するステップが含まれている。地下注入累層は、地層水を含有した含水層を備えており、ガス流中に存在している温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中の地層水中に溶解し、それにより1つまたは複数の温室ガスが地下注入累層中に隔離され、延いては大気中への温室ガスの放出が低減される。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその内容のすべてが本開示に組み込まれている、2006年12月7日に出願した、「Method for Reducing the Emission of Green House Gases into the Atmosphere,」という名称の米国仮特許出願第60/869103号の利益を主張するものである。
本出願は、参照によりその内容のすべてが本開示に組み込まれている、2006年12月7日に出願した、「Method for Reducing the Emission of Green House Gases into the Atmosphere,」という名称の米国仮特許出願第60/869103号の利益を主張するものである。
近年、人間の活動によって生成される特定の温室ガス(GHG)の存在の増加に起因する「温室効果」のため、総体的な気候温暖化が生じていることが明らかになっている。大気中のガス成分のうち、とりわけ温室効果に寄与しているのは二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素およびオゾンである。一方、酸素、窒素および二酸化硫黄は、温室効果には寄与していないようである。
人間の活動によって生成される、ますます増加する温室ガスの効果を抑制するために、大気中への温室ガスの放出を少なくするための様々な提案がなされている。化石燃料燃焼熱発電所、産業工場および資源処理施設などの定置温室ガス源(ならびに他のこのような定置温室ガス源)は、生成される温室ガスの体積のため、環境上の課題を提起している。しかしながら、それらは、また、それらが定置であるという性質と、場合によっては工場を様々な場所に設置する能力が、温室ガスの放出を少なくするための様々な手法を可能にしている点で、それらの害を軽減する機会を提供している。
定置生産源から放出される温室ガスを除去するために従来技術が実践している手法の1つは、生産源によって生成される温室ガスを深い地下累層中に隔離することである。通常、CO
2
などの濃縮ガスが加圧下で地下累層の中に注入される。CO
2
は、深い塩類帯水層中または他のどこかに様々な物理的形態で隔離することができる。温室ガスは、適当な深さの累層中に隔離されると、極めて長い時間に渡って累層中に留まることが期待され、したがってそれらを大気から有効に除去することができる。深い地中隔離は、一般的には、温室ガス問題の有望な解決法と見なされている。しかしながら、従来の方法は、地中への注入に先立って温室ガスを生ガス廃流から分離する必要がある点でコスト的に高くついている。
したがって、大気中への温室ガスの放出を少なくするための新しい方法が必要である。
深い塩類帯水層は、いたるところに存在しており、CO
2
および他の温室ガスを隔離するための魅力的な場所を代表している。また、これらの帯水層は、重大な環境汚染物質を構成している二酸化硫黄などの特定の非温室ガスを隔離することも可能である。それらの深さのため、適切に選択されたこのタイプの塩類帯水層中への隔離は、通常、実質的に永久的であると見なされている。これらの環境(および潜在的には他の環境)では、CO
2
などの温室ガスならびに二酸化硫黄などのいくつかの非温室汚染物質は、窒素などの非汚染性非温室ガスが隔離されないよう、あるいは隔離されるとしても最小限の量が隔離されるよう、別様に隔離することができる。たとえば、水性の環境、とりわけ塩類溶液の環境では、CO
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は溶液中に容易に溶解し(二酸化硫黄の場合のように)、一方、窒素はごく少量が溶解するにすぎない。これらの環境では、温室ガスおよび非温室ガスを含有したガスの混合物を分離することができ、温室ガスの少なくとも一部が累層中に隔離され(二酸化硫黄と共に)、一方、非温室ガスが分離される。本発明者らが知る限りにおいては、この原理は、深い地中温室ガス隔離のコンテキストにおいてはこれまで使用されたことはなく、したがって、温室ガス成分が隔離され、かつ、窒素および他の非温室ガスが大気中に再排気されるよう、地下累層中への生ガス廃流の注入が許容されている。
本発明の一実施形態によれば、大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法が提供される。一態様によれば、この方法には、a)少なくとも1つの温室ガスと窒素の混合物を含有したガス流を定置生産源から選択するステップと、b)1つまたは複数の層がその上に重なっている深い含水層を備えた地下注入累層を選択するステップであって、前記含水層が温室ガスの少なくとも一部を隔離し、かつ、窒素を累層の頂部へ上昇させることができるステップと、c)ガス流を加圧するステップと、d)前記ガス流と連絡している入口、および前記含水層と連絡している出口を有する注入井戸に加圧ガス流を引き渡すステップであって、それによりガス流が加圧下で地下注入累層の含水層の中に注入されるステップと、e)温室ガスの少なくとも一部またはすべてが、i)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解するか、ii)地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるか、あるいはiii)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解し、かつ、地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるまで、ガス流中のガスを地下注入累層中に残留させるステップであって、それにより温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中に隔離され、かつ、累層の頂部へ窒素が上昇するステップと、f)ガス流の窒素成分を含水層から排気するステップが含まれている。含水層中の条件および廃流中に存在している温室ガスならびに非温室ガスの性質が、温室ガスの隔離を可能にし、かつ、窒素の非隔離つまり分離を可能にしている。
含水層は、深い塩類帯水層からなっていることが好ましい。上に重なっている複数の層のうちの少なくとも1つは、実質的に水を通さないことが好ましい。
分離された窒素は、上に重なっている不浸透性の層によって阻止され、そこでガスキャップとして蓄積するまで累層の中を上昇することができる。この非温室ガスは、好ましくは、非温室ガスが蓄積する地下領域の中まで達している井戸を介して地表に排気される。
他の実施形態では、二酸化炭素、ヘキサフルオロエタン、メタン、一酸化二窒素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン(四フッ化炭素)、トリフルオロメタン、1,1,1,2-テトラフルオロエタンおよび1,1-ジフルオロエタンからなるグループから1つまたは複数のタイプの温室ガスが選択される。他の実施形態では、生産源は、人間の産業活動によるものである。一実施形態では、人間の産業活動は、エチレン製造工場、肥料製造工場、メタノール製造工場、採鉱操業、天然ガス製造操業、天然ガス処理工場、石油製造操業および石油精製操業からなるグループから選択される。
他の実施形態では、二酸化炭素、ヘキサフルオロエタン、メタン、一酸化二窒素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン(四フッ化炭素)、トリフルオロメタン、1,1,1,2-テトラフルオロエタンおよび1,1-ジフルオロエタンからなるグループから1つまたは複数のタイプの温室ガスが選択される。他の実施形態では、生産源は、人間の産業活動によるものである。一実施形態では、人間の産業活動は、エチレン製造工場、肥料製造工場、メタノール製造工場、採鉱操業、天然ガス製造操業、天然ガス処理工場、石油製造操業および石油精製操業からなるグループから選択される。
一実施形態では、生産源は熱発電所であり、ガスは、燃焼プロセスからの生煙道ガスからなっている。他の実施形態では、地下注入累層の含水層は、少なくとも10,000ppm(10gm/リットル)の塩分を有している。他の実施形態では、地下注入累層は、4と10の間のpHを有している。他の実施形態では、地下注入累層は、少なくとも地下100メートルである。他の実施形態では、地下注入累層は、地下100メートルと1000メートルの間である。他の実施形態では、地下注入累層は、少なくとも地下500メートルである。他の実施形態では、地下注入累層は、地下500メートルと1000メートルの間である。
一実施形態では、この方法には、さらに、地下注入累層が古代の水のみを含有していること、および地層水がより浅く、かつ、より近代の水源と連絡していないことを検証するために、地下注入累層の含水層中の地層水の地球化学的分析を実行するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流は、生産源から5キロメートル、10キロメートル、50キロメートルおよび100キロメートルからなるグループから選択される距離の範囲内に注入される。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源から地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトの注入ポンプまでガス流を輸送するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、a)圧縮機、復水器、パイプライン、ポンプおよび弁からなるグループから選択される1つまたは複数のデバイスをプロセスに提供するステップ、およびb)生産源から地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトまで温室ガスを輸送するステップが含まれている。他の実施形態では、この方法には、さらに、注入に先立って、あるいは注入中にガス流の1つまたは複数の属性を修正するステップが含まれており、ガス流中に存在している1つまたは複数の温室ガスの地下注入累層の含水層中への溶解を促進するために、pH、圧力、塩分および温度からなるグループからこの1つまたは複数の属性が選択される。このような属性の性質から明らかなように、処理を施すことによって、ガス流自体の上記属性のうちの1つまたは複数を修正するか、あるいは隔離された温室ガスを含有した地下環境を修正することができる。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源から地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトまでガス流を輸送するステップが含まれており、また、この方法には、さらに、ガス流を輸送している間にガス流を圧縮するステップが含まれている。他の実施形態では、地下注入累層の含水層には間隙水圧が含まれており、さらに、破砕圧力が含まれており、また、この方法には、さらに、ガス流を地下注入累層の間隙水圧より大きく、かつ、地下注入累層の破砕圧力より小さい圧力値まで圧縮するステップが含まれている。 本発明の一実施形態によれば、地上の大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法が提供される。この方法には、a)1つまたは複数のタイプの温室ガスを含有したガス流を生産源から選択するステップと、b)生産源からのガス流中の1つまたは複数の温室ガスを隔離するための地中の地下注入累層を選択するステップであって、地下注入累層が地層水を含有した含水層を備えたステップと、c)地下注入累層にアクセスするために、地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトを選択するステップと、d)生産源からの1つまたは複数の温室ガスを含有したガス流を注入地表サイトから地下注入累層の含水層の地層水の中に注入するステップと、e)温室ガスの少なくとも一部またはすべてが、i)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解するか、ii)地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるか、あるいはiii)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解し、かつ、地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるまで、ガス流中の温室ガスを地下注入累層中に残留させるステップであって、それにより温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中に隔離されるステップが含まれている。
一実施形態では、この方法には、さらに、ガス流中に存在している1つまたは複数の温室ガスの地下注入累層の含水層中への溶解を促進するために、1つまたは複数の化学添加剤をガス流に加えるステップが含まれている。他の実施形態では、この方法には、さらに、ガス流の注入に先立って地下注入累層中にハイドロリックフラクチャを誘導するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流は、燃焼ガススタックを備えた熱発電所からの廃流であり、ガス流を注入するステップには、熱発電所の廃流中に存在している温室ガスの進路を熱発電所の燃焼ガススタックから地下注入累層の上方の注入サイトの方へ向けるステップが含まれている。
一実施形態では、生産源からのガス流中の温室ガスの割合は25%以上である。他の実施形態では、生産源からのガス流中の温室ガスの割合は50%以上である。他の実施形態では、生産源からのガス流中の温室ガスの割合は95%以上である。他の実施形態では、ガス流は温室ガスからなっている。他の実施形態では、ガス流は、温室ガスと非温室ガスの両方を含有している。
一実施形態では、ガス流を注入するステップには、地下注入累層の上方の注入地表サイトから地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップが含まれている。他の実施形態では、注入井戸は、垂直井戸、傾斜井戸および水平井戸からなるグループから選択されるタイプの井戸である。他の実施形態では、この方法には、さらに、含水層中への温室ガスの溶解を最適化するための最適注入配置井戸パターン、井戸間隔および井戸構成を決定するために、地質データ解析、ジオメカニカルデータ解析および数値シミュレーション技法のうちの1つまたは複数を実行するステップが含まれている。
他の実施形態では、ガス流には窒素が含まれており、地下注入累層は、地表に向かっている地表側(頂部)を備えており、この方法には、さらに、温室ガスを含水層中に隔離している間、または隔離した後、窒素をその一部またはすべてが比較的水を通さない層に到達するまで、地下注入累層の地表側(頂部)に向かって上昇させ、あるいは地下注入累層と地表との間に向かって上昇させるステップが含まれており、また、この方法には、さらに、窒素を地上の大気ガス中に排気するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、地下注入累層の上方の注入地表サイトから地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップが含まれており、注入井戸は第1の井戸であり、また、排気ステップには、地表から地下注入累層の中へ第2の井戸を提供するステップが含まれている。他の実施形態では、この方法には、さらに、ケーシング貫通孔、ダウンホールまたは表面をベースとする水-ガス分離システム、およびダウンホールまたは表面ポンプのうちの1つまたは複数を備えた第2の井戸を提供するステップが含まれている。
他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源によってガス流が生成されると、該生産源からのガス流を連続的に注入するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、少なくとも一日、少なくとも一週間、少なくとも一ヶ月、少なくとも一年、少なくとも五年および少なくとも十年からなるグループから選択される時間の間、生産源からのガス流を連続的に注入するステップが含まれている。他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源によってガス流が生成されると、該生産源からのガス流を断続的に注入するステップが含まれている。
本発明の一実施形態によれば、地上の大気中へのたとえば二酸化炭素などの温室ガスの放出を少なくするための方法が提供される。この方法には、1つまたは複数の温室ガスを含有したガス流を地下注入累層の中に注入するステップが含まれている。ガス流には、非温室ガスの1つである窒素が含まれている。地下注入累層は、地層水を含有した含水層を備えており、ガス流中に存在している温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中の地層水中に溶解し、それにより1つまたは複数の温室ガスが地下注入累層中に隔離される。CO 2 が累層中に隔離されると、隔離されない窒素成分が累層中に蓄積し、その後、都合の良い任意の方法で窒素を地表に排気することができる。したがって、この方法によれば、大気中への温室ガスの放出が低減される。好ましい実施形態では、この方法には、ガス流を生産源の近傍に注入するステップが含まれている。
ガス流は、化石燃料燃焼熱発電所などの産業源からの生ガス流からなっていることが好ましい。この生ガス流には、CO
2
および窒素が含まれている。通常、石炭燃焼工場などの熱発電所から放出される煙道ガスにはCO
2
が含まれており、バランスのほとんどは窒素である。この方法によれば、本明細書においてより詳細に説明されているように、この煙道ガス流を地下累層の中に直接導入することができる。
以下、この方法について詳細に開示する。
本開示の中で使用されているように、「温室ガス」および「複数の温室ガス」という用語は、二酸化炭素、ヘキサフルオロエタン、メタン、一酸化二窒素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン(四フッ化炭素)、トリフルオロメタン、1,1,1,2-テトラフルオロエタンおよび1,1-ジフルオロエタンからなるグループから選択される1つまたは複数のガスとして定義されている。また、温室ガスには、温室効果に寄与するものとして将来的に識別されることになる他のガスが同じく含まれていることを理解されたい。
本開示の中で使用されているように、「備える」という用語およびその用語の変形形態、たとえば「備えている」、単数形の形態の「備える」および「備えた」などの用語は、コンテキストが特に要求していない限り、他の添加剤、成分、完全体またはステップを排他するものではない。
本開示の中で使用されているように、開示され、かつ、示されている方法ステップは、コンテキストが特に要求していない限り、それらに限定されない。また、開示され、かつ、示されている方法ステップは、個々のステップがその方法に不可欠であることを示しているものでも、また、個々のステップが必ずしも開示されている順序で生じなければならないことを示しているものでもない。
本開示の中で使用されているように、「生産源の近傍」という用語は、生産源から100キロメートル以内として定義されている。
本開示の中で使用されているように、「比較的水を通さない」という言い回しは、水の透過率が10ミリダルシー未満であることを意味している。
本開示の中で使用されているように、「水の透過率が比較的小さい」という言い回しは、水の透過率が10ミリダルシーと100ミリダルシーの間であることを意味している。
本開示の中で使用されているように、「水の透過率が比較的大きい」という言い回しは、水の透過率が100ミリダルシーより大きいことを意味している。
本開示の中で使用されているように、「多孔度が大きい」という言い回しは、粒間空隙空間が総岩石累層体積の少なくとも20%である岩石累層を有していることを意味している。
本発明の一実施形態によれば、大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法が提供される。第1に、この方法には、二酸化炭素、ヘキサフルオロエタン、メタン、一酸化二窒素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン(四フッ化炭素)、トリフルオロメタン、1,1,1,2-テトラフルオロエタンおよび1,1-ジフルオロエタンからなるグループから選択される1つまたは複数のタイプの温室ガスを含有したガス流を生産源から選択するステップが含まれている。一実施形態では、生産源は人間の産業活動によるものである。好ましい実施形態では、人間の産業活動は、エチレン製造工場、肥料製造工場、メタノール製造工場、採鉱操業、天然ガス製造操業、天然ガス処理工場、石油製造操業ならびにたとえば重油およびビチューメンアップグレーダなどの石油精製操業からなるグループから選択される。他の好ましい実施形態では、生産源は、石炭、油または天然ガスを燃焼させて発電のための蒸気を生成する熱発電所であり、そこでは、温室ガスは、熱プロセスの間に生成される、燃焼ガススタックによって生じるガス状廃流(「煙道ガス」としても知られている)からのものである。しかしながら、生産源は、本開示を参照する当業者には理解されるように、適切な任意の施設であってもよい。ガス流には、非温室ガスである窒素が含まれている。
次に、この方法には、生産源からのガス流中の1つまたは複数の温室ガスを隔離し、かつ、温室ガスとは別に、ガス流中の窒素を累層中に蓄積させるための地中の地下注入累層を選択するステップが含まれている。一実施形態では、地下注入累層は、比較的水を通さない(10ミリダルシー未満)1つまたは複数の層によって地下注入累層の上方の地面から分離された地層水を含有した含水層を備えている。たとえば、一実施形態では、地下注入累層は、水飽和砂累層の含水層などの多孔度の大きい地層水を含有しており、地層水は、ケツ岩を含有した層または粘土鉱物を含んだ他の岩石タイプを含有した層、あるいはケツ岩を含有し、かつ、粘土鉱物を含んだ他の岩石タイプを含有した層の下方に位置している。他の適切な地下注入累層は、水の透過率が比較的大きい層と水の透過率が比較的小さい/比較的水を通さない層が交互に配置された分厚い、明確に画定された層が存在しない場合であっても、注入されたガスが確実に隔離され、かつ、環境または給水が潜在的な脅威にさらされないことを保証するだけの十分な深さに位置している。本開示を参照する当業者には理解されるように、十分な深さは、浮力による上昇速度と比較した二酸化炭素の溶解速度に関係している。二酸化炭素が水に完全に吸収されると、二酸化炭素-水混合物は、純水より濃密になり、地表に向かって上昇しなくなる傾向を示す。
本開示を参照する当業者には理解されるように、含水層の圧力が高いほど、また、含水層の温度が低いほど、含水層中に隔離される二酸化炭素などの温室ガスの溶解度が大きくなる。一実施形態では、地下注入累層の含水層は、20Cと200Cの間の平均(中間)温度を有している。他の実施形態では、地下注入累層の含水層は、8キロパスカル(kPa)/メートルの深さと12キロパスカル/メートルの深さの間の平均(中間)圧力勾配(深さの単位当たりの圧力つまりメートル当たりのキロパスカル)を有している。
一実施形態では、地下注入累層の含水層は、少なくとも10,000ppm(10gm/リットル)の塩分を有しており、したがって、本開示の中で開示されている大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法以外には、人間による消費にも、あるいは産業用の使用にも適していない。他の実施形態では、地下注入累層の含水層は4と10間のpHを有しており、温室ガスを含水層中に容易に溶解させることができる。とりわけ好ましい実施形態では、地下注入累層は、人間が使用するために除去することができるあらゆる地下水より深い位置に存在している。他の好ましい実施形態では、地下注入累層は、水の透過率が比較的小さい(つまり比較的不浸透性の)少なくとも1つの層に隣接する水の透過率が比較的大きい少なくとも1つの層によって、地表により近い、飲料に適した地下水または産業用の使用に適した地下水のあらゆるゾーンから分離されている。
他の好ましい実施形態では、地下注入累層は、少なくとも地下100 メートルである。この100メートルの深さは、水の透過率が比較的小さい(つまり比較的不浸透性の)少なくとも1つの層に隣接する水の透過率が比較的大きい少なくとも1つの層が存在しない場合であっても、注入された温室ガスが確実に隔離されるだけの十分な深さであり、また、この100メートルの深さは、注入されたガスによって環境または給水が潜在的な脅威にさらされないことを保証するだけの十分な深さである。好ましい実施形態では、地下注入累層は、地下100メートルと1000メートルの間に存在しており、この深さは、費用有効性の高い方法でガスを注入することができる地表に十分に近い深さの範囲である。とりわけ好ましい実施形態では、地下注入累層は少なくとも地下500メートルである。とりわけ好ましい他の実施形態では、地下注入累層は、地下500メートルと1000メートルの間である。
一実施形態では、この方法には、地下注入累層にアクセスするために、地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトを選択するステップが含まれている。好ましい実施形態では、ガス流注入地表サイトならびに地下注入累層は、たとえば地下注入累層と地表との間の累層が露出しないように、あるいはこれらの累層と相互作用しないように地下注入累層を選択することにより、地面および海水が追加保護されるように選択される。一実施形態では、この方法には、さらに、地下注入累層が古代の水のみを含有していること、および地層水が非古代の水源と連絡していないことを検証するために、地下注入累層の含水層中の地層水の地球化学的分析を実行するステップが含まれている。「古代の水」という用語は、少なくとも100万年前より以前に地中に堆積し、地面を介した浸透によって地表から雨水によってリチャージすることができない水を意味しており、一方、「非古代の水」は、100万年前より以降に地中に堆積し、地表からリチャージ可能な水を意味しており、当業者には良く理解されよう。
次に、この方法には、1つまたは複数の温室ガスを含有した生産源からのガス流を、地下注入累層の上方の注入地表サイトから地下注入累層の含水層の中に注入するステップが含まれている。一実施形態では、ガス流は生産源の近傍に注入される。一実施形態では、ガス流は、生産源から100キロメートル以内に注入される。他の実施形態では、ガス流は、生産源から50キロメートル以内に注入される。他の実施形態では、ガス流は、生産源から10キロメートル以内に注入される。他の実施形態では、ガス流は、生産源から5キロメートル以内に注入される。
一実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源から地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトの注入ポンプまでガス流を輸送するステップが含まれている。一実施形態では、ガス流を輸送するステップには、圧縮機、復水器、パイプライン、ポンプおよび弁からなるグループから選択される1つまたは複数のデバイスをプロセスに提供し、かつ、生産源から地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトまで温室ガスを移動させるステップが含まれている。
一実施形態では、この方法には、さらに、注入に先立って、あるいは注入中にガス流の1つまたは複数の属性を修正するステップが含まれており、ガス流中に存在している1つまたは複数の温室ガスの地下注入累層の含水層中への溶解を促進するために、pH、圧力、塩分および温度からなるグループからこの1つまたは複数の属性が選択される。たとえば、一実施形態では、注入されるガス流の圧力が地下注入累層の含水層の圧力に近くなるかあるいは等しくなるように修正される。他の実施形態では、注入されるガス流の温度が地下注入累層の含水層の温度に近くなるかあるいは等しくなるように修正される。他の実施形態では、注入されるガス流のpHが地下注入累層の含水層のpHに近くなるかあるいは等しくなるように修正される。他の実施形態では、注入されるガス流の塩分が地下注入累層の含水層の塩分に近くなるかあるいは等しくなるように修正される。一実施形態では、ガス流の1つまたは複数の属性を修正するステップには、ガス流を輸送している間に、注入に先立ってガス流の温度を低くするための熱交換器を提供するステップが含まれている。一実施形態では、ガス流の1つまたは複数の属性を修正するステップには、ガス流を輸送している間にガス流を圧縮するステップが含まれている。一実施形態では、1つまたは複数の属性を修正するステップには、1つまたは複数の化学添加剤をガス流に加えるステップが含まれている。
好ましい実施形態では、地下注入累層の含水層には間隙水圧(地下注入累層の孔隙量内の水の圧力)が含まれており、さらに、破砕圧力(地下注入累層中に注入される物質であって、地下注入累層岩石の強度を超越し、それにより地下注入累層中にフラクチャ/クラックを生成するために必要な物質の圧力)が含まれており、また、この方法には、ガス流を地下注入累層の間隙水圧より大きく(注入を容易にするために)、かつ、地下注入累層の破砕圧力より小さい(地下注入累層の破砕を回避し、かつ、ガスの隔離損失の危険を回避するために)圧力値まで圧縮するステップが含まれている。たとえば、深さ500メートルにおける地下注入累層の間隙水圧が5MPaであり、また、深さ500メートルにおける地下注入累層の破砕圧力が10MPaである場合、ガス流は少なくとも5MPaで、かつ、10MPa未満の圧力まで圧縮されて地下注入累層中に注入されることになる。
他の実施形態では、この方法には、さらに、ガス流の注入に先立って地下注入累層中にハイドロリックフラクチャを誘導するステップが含まれている。地下注入累層中にハイドロリックフラクチャを誘導することにより、含水層中の地層水と接触する表面積が広くなり、それによりガス流に含まれている1つまたは複数の温室ガスの地下注入累層の含水層中への溶解が促進される。さらに、地下注入累層中にハイドロリックフラクチャを誘導することにより、ガス流の注入に対する地下注入累層内の抵抗が小さくなる。
一実施形態では、熱発電所の燃焼ガススタック中の廃ガス流などの生産源からのガス流中の温室ガスの割合は25%以上である。他の実施形態では、熱発電所の燃焼ガススタック中の廃ガス流などの生産源からのガス流中の温室ガスの割合は50%以上である。他の実施形態では、熱発電所の燃焼ガススタック中の廃ガス流などの生産源からのガス流中の温室ガスの割合は95%以上である。
他の実施形態では、ガス流を注入するステップには、地下注入累層の上方の注入地表サイトから地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップが含まれている。一実施形態では、注入井戸は、垂直井戸、傾斜井戸および水平井戸からなるグループから選択されるタイプの井戸である。好ましい実施形態では、井戸は水平井戸である。
一実施形態では、この方法には、さらに、含水層中への温室ガスの溶解を最適化するための最適注入配置井戸パターン、井戸間隔および井戸構成を決定するために、地質データ解析、ジオメカニカルデータ解析および数値シミュレーション技法のうちの1つまたは複数を実行するステップが含まれている。
次に、この方法には、さらに、温室ガスの少なくとも一部またはすべてが、i)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解するか、ii)地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるか、あるいはiii)地下注入累層の含水層中の地層水中に溶解し、かつ、地下注入累層の含水層中の地層水に取って代わるまで、ガス流中の温室ガス(および存在している場合は非温室ガス)を地下注入累層中に残留させるステップであって、それにより温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中に隔離されるステップが含まれている。
一実施形態では、ガス流を注入するステップには、生産源によってガス流が生成されると、該生産源からのガス流を連続的に注入するステップが含まれており、たとえば、少なくとも一日、少なくとも一週間、少なくとも一ヶ月、少なくとも一年、少なくとも五年および少なくとも十年からなるグループから選択される時間の間、ガス流を連続的に注入するステップが含まれている。他の実施形態では、この方法には、生産源によってガス流が生成されると、該生産源からのガス流を断続的に注入するステップが含まれており、たとえば、一日当たり8時間、毎週六日間の間、ガス流を注入するステップが含まれている。
図1は、実施例1で説明されている方法を示したものである。地上の大気中への温室ガス放出の低減は、単なる例にすぎないが、以下のようにして達成される。最初に、熱発電所によって生成される廃ガス流(煙道ガス)としてガス流が選択される。一例として、1000メガワットの石炭燃焼熱発電所は、通常、1時間当たり約340万m3の煙道ガスを生成している。煙道ガスには約12%の二酸化炭素が含まれており、したがって1時間当たり約410,000m3の二酸化炭素、つまり1日当たり約10,000,000m3の二酸化炭素が生成される。煙道ガス中の非CO 2 成分のほとんどは窒素からなっている。
次に、廃ガス流中の1つまたは複数の温室ガスを隔離するのに適した地下注入累層が選択される。この地下注入累層は、地下注入累層の上方の注入地表サイトの少なくとも地下900メートルに位置しており、また、この地下注入累層は、比較的水を通さないケツ岩の層の下方の、水の透過率が比較的大きい含水砂層を備えている。この例では、地下注入累層は、幅が約20km、長さが約20km、厚さが約100メートルの含水砂層を備えており、その平均多孔度は25%である。
次に、熱発電所の燃焼ガススタックから生煙道ガスからなる廃ガス流が除去され、パイプラインによって地下注入累層の上方の注入地表サイトへ輸送される。
次に、廃ガス流が加圧され、約1×104kPaの圧力で地下注入累層の中に注入される。二酸化炭素は、約1×104kPaおよび55℃の水1立方メートル当たり約27立方メートル(m3)の二酸化炭素溶解度を有している。したがって、地下注入累層の蓄積容量は、約100億立方メートルの水に対して約2,670億立方メートルの二酸化炭素蓄積容量である。廃ガス流が12%の二酸化炭素および88%の窒素であると仮定し、また、窒素が大気中に再排気されると仮定すると、地下注入累層の二酸化炭素蓄積容量は、産出される二酸化炭素の約73年分(2,670億m3÷1,000万m3/日÷365日/年)に相当する。
最後に、温室ガスの少なくとも一部またはすべてが、i)地下注入累層の含水層中の水中に溶解するか、ii)地下注入累層の含水層中の水に取って代わるか、あるいはiii)地下注入累層の含水層中の水中に溶解し、かつ、地下注入累層の含水層中の水に取って代わるまで廃ガス流中の温室ガスを地下注入累層中に残留させ、それにより温室ガスの一部またはすべてが地下注入累層中に隔離される。
地下注入累層は、地表に向かっている地表側(頂部)を備えている。上で説明したように、この方法には、さらに、温室ガスを含水層中に隔離している間、または隔離した後、窒素をその一部またはすべてが比較的水を通さない層に到達するまで、地下注入累層の地表側(頂部)に向かって上昇させ、あるいは地下注入累層と地表との間に向かって上昇させるステップが含まれており、また、この方法には、さらに、窒素を地上の大気ガス中に排気するステップが含まれている。一実施形態では、ガス流を注入するステップには、地下注入累層の上方の注入地表サイトから地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップが含まれており、注入井戸は第1の井戸であり、また、排気ステップには、地表から地下注入累層の中へ第2の井戸を提供するステップが含まれている。一実施形態では、第2の井戸は、垂直井戸、傾斜井戸および水平井戸からなるグループから選択される。好ましい実施形態では、本開示を参照する当業者には理解されるように、この方法には、さらに、ケーシング貫通孔、ダウンホールまたは表面をベースとする水-ガス分離システム、およびダウンホールまたは表面ポンプのうちの1つまたは複数を備えた第2の井戸を提供するステップが含まれている。
以上、本発明について、特定の好ましい実施形態を参照してかなり詳細に説明したが、他の実施形態も可能である。したがって、特許請求の範囲の請求項は、その範囲を本開示の中に含まれている好ましい実施形態についての説明に限定してはならない。本明細書に記載されている参考文献は、すべて、参照によりそれらのすべてが本明細書に組み込まれている。
3 ケツ岩の層
Claims (37)
- 地上の大気中への温室ガスの放出を少なくするための方法であって、
a)1つまたは複数のタイプの温室ガスを含有したガス流を生産源から選択するステップと、
b)前記生産源からの前記ガス流中の前記1つまたは複数の温室ガスを隔離するための地中の地下注入累層を選択するステップであって、前記地下注入累層が地層水を含有した含水層を備えたステップと、
c)前記地下注入累層にアクセスするために、前記地下注入累層の上方のガス流注入地表サイトを選択するステップと、
d)前記生産源からの前記1つまたは複数の温室ガスを含有した前記ガス流を前記注入地表サイトから前記地下注入累層の前記含水層の前記地層水の中に注入するステップと、
e)前記温室ガスの少なくとも一部またはすべてが、i)前記地下注入累層の前記含水層中の前記地層水中に溶解するか、ii)前記地下注入累層の前記含水層中の地層水に取って代わるか、あるいはiii)前記地下注入累層の前記含水層中の前記地層水中に溶解し、かつ、前記地下注入累層の前記含水層中の地層水に取って代わるまで、前記ガス流中の前記温室ガスを前記地下注入累層中に残留させるステップであって、それにより前記温室ガスの一部またはすべてが前記地下注入累層中に隔離されるステップと
を含む方法。 - 前記地下注入累層が、比較的水を通さない1つまたは複数の層によって前記地下注入累層の上方の地面から分離される、請求項1に記載の方法。
- 前記1つまたは複数のタイプの温室ガスが、二酸化炭素、ヘキサフルオロエタン、メタン、一酸化二窒素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン(四フッ化炭素)、トリフルオロメタン、1,1,1,2-テトラフルオロエタンおよび1,1-ジフルオロエタンからなるグループから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記生産源が人間の産業活動によるものである、請求項1に記載の方法。
- 前記人間の産業活動が、エチレン製造工場、肥料製造工場、メタノール製造工場、採鉱操業、天然ガス製造操業、天然ガス処理工場、石油製造操業および石油精製操業からなるグループから選択される、請求項4に記載の方法。
- 前記生産源が熱発電所である、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層の前記含水層が少なくとも10,000ppm(10gm/リットル)の塩分を有している、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が4と10の間のpHを有している、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が少なくとも地下100メートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が地下100メートルと1000メートルの間である、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が少なくとも地下500メートルである、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が地下500メートルと1000メートルの間である、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層が古代の水のみを含有していること、および前記地層水がより浅く、かつ、より近代の水源と連絡していないことを検証するために、前記地下注入累層の前記含水層中の前記地層水の地球化学的分析を実行するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流が、前記生産源から5キロメートル、10キロメートル、50キロメートルおよび100キロメートルからなるグループから選択される距離の範囲内に注入される、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、前記生産源から前記地下注入累層の上方の前記ガス流注入地表サイトの注入ポンプまで前記ガス流を輸送するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、
a)圧縮機、復水器、パイプライン、ポンプおよび弁からなるグループから選択される1つまたは複数のデバイスをプロセスに提供するステップと、
b)前記生産源から前記地下注入累層の上方の前記ガス流注入地表サイトまで前記温室ガスを輸送するステップと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 注入に先立って、あるいは注入中に前記ガス流の1つまたは複数の属性を修正するステップをさらに含み、前記ガス流中に存在している前記1つまたは複数の温室ガスの前記地下注入累層の前記含水層中への溶解を促進するために、pH、圧力、塩分および温度からなるグループから前記1つまたは複数の属性が選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を圧縮するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流の温度を低くするための熱交換器を提供するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記地下注入累層の前記含水層が間隙水圧を含み、また、破砕圧力をさらに含む方法であって、前記地下注入累層中への注入に先立って、前記ガス流を前記地下注入累層の前記間隙水圧より大きく、かつ、前記地下注入累層の前記破砕圧力より小さい圧力値まで圧縮するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流中に存在している前記1つまたは複数の温室ガスの前記地下注入累層の前記含水層中への溶解を促進するために、1つまたは複数の化学添加剤を前記ガス流に加えるステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流の注入に先立って前記地下注入累層中にハイドロリックフラクチャを誘導するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流が熱発電所からの廃流であり、
前記熱発電所が燃焼ガススタックを備え、
前記ガス流を注入するステップが、前記熱発電所の廃流中に存在している温室ガスの進路を前記熱発電所の前記燃焼ガススタックから前記地下注入累層の上方の前記注入サイトの方へ向けるステップを含む、請求項1に記載の方法。 - 生産源からの前記ガス流中の温室ガスの割合が25%以上である、請求項1に記載の方法。
- 生産源からの前記ガス流中の温室ガスの割合が50%以上である、請求項1に記載の方法。
- 生産源からの前記ガス流中の温室ガスの割合が95%以上である、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流が温室ガスからなる、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流が温室ガスと非温室ガスの両方を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、前記地下注入累層の上方の前記注入地表サイトから前記地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記注入井戸が、垂直井戸、傾斜井戸および水平井戸からなるグループから選択されるタイプの井戸である、請求項29に記載の方法。
- 前記含水層中への前記温室ガスの溶解を最適化するための最適注入配置井戸パターン、井戸間隔および井戸構成を決定するために、地質データ解析、ジオメカニカルデータ解析および数値シミュレーション技法のうちの1つまたは複数を実行するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流が窒素を含有し、
前記地下注入累層が地表に向かっている地表側(頂部)を備える方法であって、
前記温室ガスを前記含水層中に隔離している間、または隔離した後、前記窒素をその一部またはすべてが比較的水を通さない層に到達するまで、前記地下注入累層の前記地表側(頂部)に向かって上昇させ、あるいは前記地下注入累層と地表との間に向かって上昇させるステップをさらに含み、かつ、
前記窒素を地上の大気ガス中に排気するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記ガス流を注入するステップが、前記地下注入累層の上方の前記注入地表サイトから前記地下注入累層の中に注入井戸を設置するステップを含み、
前記注入井戸が第1の井戸であり、
排気するステップが、地表から前記地下注入累層の中へ第2の井戸を提供するステップを含む、請求項32に記載の方法。 - ケーシング貫通孔、ダウンホールまたは表面をベースとする水-ガス分離システム、およびダウンホールまたは表面ポンプのうちの1つまたは複数を備えた前記第2の井戸を提供するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、前記生産源によって前記ガス流が生成されると、前記生産源からの前記ガス流を連続的に注入するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、少なくとも一日、少なくとも一週間、少なくとも一ヶ月、少なくとも一年、少なくとも五年および少なくとも十年からなるグループから選択される時間の間、前記生産源からの前記ガス流を連続的に注入するステップを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記ガス流を注入するステップが、前記生産源によって前記ガス流が生成されると、前記生産源からの前記ガス流を断続的に注入するステップを含む、請求項1に記載の方法。
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