JP2024048816A - Methods for geological storage of carbon dioxide - Google Patents

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孝臣 鳥羽瀬
知武 今岡
則夫 天満
裕介 神
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Abstract

【課題】二酸化炭素ハイドレートを含む二酸化炭素シール層の下方に注入した二酸化炭素を確実に封じ込めることができ、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能な二酸化炭素の地中貯留方法を提供する。【解決手段】海底面Fから所定の深さの範囲で、且つ、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層からなる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層Uを特定する工程(1)と、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する工程(2)と、を備える。【選択図】図1[Problem] To provide a method for underground storage of carbon dioxide that can reliably seal carbon dioxide injected below a carbon dioxide seal layer containing carbon dioxide hydrate and efficiently store large amounts of carbon dioxide. [Solution] The method includes a carbon dioxide hydrate production possible area S2 within a predetermined depth range from the seabed surface F and made up of a geological layer that satisfies pressure and temperature conditions that allow carbon dioxide hydrate to be produced, and includes a step (1) of identifying an unconsolidated sedimentary layer U containing methane hydrate, and a step (2) of injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer U below the methane hydrate production possible area S1. [Selected Figure] Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 発行日 令和3年10月25日 刊行物 『令和3年度国内石油天然ガスに係る地質調査・メタンハイドレートの研究開発等事業(メタンハイドレートの研究開発) 「CO▲2▼貯留適地のさらなる範囲拡大を目指した検討」に係る公募要領』国立研究開発法人産業技術総合研究所 発行(Web公開アドレス:URL:https://www.aist.go.jp/pdf/aist_j/business/itaku/20211025-2_1.pdf) <資 料> 委託研究公募要領Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act filed. Publication date: October 25, 2021 Publication: "FY2021 Domestic Oil and Natural Gas Geological Surveys and Methane Hydrate Research and Development Project (Methane Hydrate Research and Development) Public Offering Guidelines for "Study Aiming to Further Expand the Range of Sites Suitable for CO2 Storage"" issued by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Website public address: URL: https://www.aist.go.jp/pdf/aist_j/business/itaku/20211025-2_1.pdf) <Materials> Public Offering Guidelines for Commissioned Research

本発明は、二酸化炭素の地中貯留方法に関する。 The present invention relates to a method for underground storage of carbon dioxide.

化石燃料を用いて発電しながら二酸化炭素(CO)排出量を抑制できる革新的技術として、二酸化炭素の回収・貯留(Carbon dioxide Capture and Storage:以下、単に「CCS」という)が注目されている。また、CCSの技術を用いて二酸化炭素を地中貯留する方法に関しては、実証試験及び貯留適地調査が積極的に進められている。 Carbon dioxide capture and storage (hereinafter simply referred to as "CCS") has been attracting attention as an innovative technology that can reduce carbon dioxide ( CO2 ) emissions while generating electricity using fossil fuels. In addition, demonstration tests and investigations into suitable storage locations are being actively conducted for a method of storing carbon dioxide underground using CCS technology.

一般的に、二酸化炭素は、圧力及び温度の条件に応じて、気(Gas)・液(Liquid)・固(Solid)・超臨界(Supercritical)の4相のいずれかの状態で存在する。また、二酸化炭素は、常圧で温度194K(-79.15℃)以下の条件で固体のドライアイスになるが、水と混合すると、上記と異なる温度と圧力の条件でハイドレート(固体)化することが知られている。なお、二酸化炭素ハイドレート(CO hydrate)は、液体の二酸化炭素が水と混合し、温度10℃以下で、且つ、圧力4.5MPa以上の条件で生成され、液体の二酸化炭素の領域(液相の領域)の一部と重なる。 Generally, carbon dioxide exists in one of four phases, gas, liquid, solid, and supercritical, depending on the pressure and temperature conditions. Carbon dioxide becomes solid dry ice at normal pressure and at a temperature of 194 K (-79.15°C) or less, but when mixed with water, it is known to become hydrated (solid) under different temperature and pressure conditions. Carbon dioxide hydrate (CO 2 hydrate) is generated when liquid carbon dioxide is mixed with water and is generated under conditions of a temperature of 10°C or less and a pressure of 4.5 MPa or more, and overlaps with a part of the region of liquid carbon dioxide (liquid phase region).

上記のような二酸化炭素ハイドレートは、メタンハイドレートと同様の結晶構造を有する固体であり、水分子が構成する立体格子内にガス分子がトラップされた構造とされている。このような二酸化炭素ハイドレートは、一般にガスハイドレートとも呼ばれ、最初の研究報告として、天然ガスの移送ラインにおいて二酸化炭素がハイドレート化して目詰まりを起こすことが確認されている。また、二酸化炭素ハイドレートは、油ガス処理を行うプラント配管における閉塞物質としても確認されているとともに、地球惑星に係る科学分野でも研究が進んでいる。 Carbon dioxide hydrate as described above is a solid with a crystal structure similar to that of methane hydrate, with gas molecules trapped within a three-dimensional lattice of water molecules. Carbon dioxide hydrate is generally called gas hydrate, and the first research report confirmed that carbon dioxide hydrate causes clogging in natural gas transport lines. Carbon dioxide hydrate has also been confirmed as a blocking substance in plant piping for oil and gas processing, and research into it is also progressing in the field of science related to the Earth and planets.

二酸化炭素の密度は、圧力が上昇すると気液相変化によって変化するが、温度31℃以上で、且つ、圧力7.4MPa以上で超臨界状態となるため、それ以上の圧力上昇による密度変化は比較的緩慢である。そして、液体若しくは超臨界状態における二酸化炭素の密度は海水に比べて小さいため、例えば、海底面下の地層に二酸化炭素を貯留しようとする場合には、密度差によって浮力が生じ、浮上する二酸化炭素を封じ込めるために何らかの遮蔽機能が必要となる。 The density of carbon dioxide changes due to a gas-liquid phase change when pressure increases, but because it goes into a supercritical state at temperatures of 31°C or higher and pressures of 7.4 MPa or higher, density changes due to further pressure increases are relatively slow. And because the density of carbon dioxide in a liquid or supercritical state is lower than that of seawater, for example, when attempting to store carbon dioxide in a geological layer below the seabed, buoyancy occurs due to the density difference, and some sort of shielding function is required to contain the rising carbon dioxide.

ここで、上記のような二酸化炭素ハイドレートからなるシール層(遮蔽層)を利用した方法として、メタンガスを生産する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1には、メタン生成細菌がメタンガスを生成する温度・圧力条件下の地層の間隙に微生物群を添加してメタンガス生産層を形成する工程と、メタンガス生産層よりも浅部で、二酸化炭素がハイドレートとなる温度・圧力条件下の地層に、液体二酸化炭素の微粒子が分散したエマルジョンを注入して二酸化炭素ハイドレートのシール層を形成する工程と、メタンガス生産層とシール層との間の地層にメタンガス生成原料である液体二酸化炭素を注入する工程と、を備える方法が記載されている。 Here, a method for producing methane gas has been proposed that utilizes a sealing layer (shielding layer) made of carbon dioxide hydrate as described above (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 describes a method that includes the steps of forming a methane gas production layer by adding a group of microorganisms to the gaps of a stratum under temperature and pressure conditions in which methanogenic bacteria produce methane gas, forming a carbon dioxide hydrate sealing layer by injecting an emulsion in which fine particles of liquid carbon dioxide are dispersed into a stratum shallower than the methane gas production layer and under temperature and pressure conditions in which carbon dioxide becomes hydrate, and injecting liquid carbon dioxide, which is a raw material for producing methane gas, into the stratum between the methane gas production layer and the sealing layer.

また、メタンハイドレートを採掘するにあたり、まず、二酸化炭素がハイドレートとなる温度・圧力条件下の地層に二酸化炭素ハイドレートを生成させて固定化するために、液体二酸化炭素を地層の間隙よりも小さな微粒子として分散させたエマルジョンを抗井内で製造して地層に注入する方法が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。 In addition, in order to mine methane hydrate, a method has been proposed in which an emulsion of liquid carbon dioxide dispersed as fine particles smaller than the pores in the formation is produced in a well and then injected into the formation, in order to generate and immobilize carbon dioxide hydrate in a formation under temperature and pressure conditions that allow carbon dioxide to become hydrate (see, for example, Patent Document 2).

また、二酸化炭素低排出発電方法及びシステムとして、メタンガスを燃料として発電を行うステップと、発電によって生じた二酸化炭素が吸着した加熱海水を取得するステップと、取得した加熱海水を海底のメタンハイドレート層内に注入し、加熱海水中の二酸化炭素をメタンハイドレート層内に隔離固定するステップと、加熱海水が有する熱をメタンハイドレート層内のメタンハイドレートに伝達させて、この熱を受けてメタンハイドレートから解離したメタンガスを回収するステップと、回収したメタンガスを発電のための設備に供給するステップと、を備えた方法及びシステムが提案されている(例えば、特許文献3を参照)。 Also, as a low carbon dioxide emission power generation method and system, a method and system have been proposed that includes the steps of generating electricity using methane gas as fuel, obtaining heated seawater with adsorbed carbon dioxide produced by power generation, injecting the obtained heated seawater into a methane hydrate layer on the seafloor to isolate and fix the carbon dioxide in the heated seawater in the methane hydrate layer, transferring the heat of the heated seawater to methane hydrate in the methane hydrate layer and recovering methane gas dissociated from the methane hydrate by receiving this heat, and supplying the recovered methane gas to a power generation facility (see, for example, Patent Document 3).

また、海底下の地層中に二酸化炭素を貯留する方法として、海底面から所定の深さまで存在する、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす二酸化炭素ハイドレート生成可能領域よりも下方に二酸化炭素を圧入して二酸化炭素貯留層を形成する方法並びに装置が提案されている(例えば、特許文献4を参照)。特許文献4に記載の方法並びに装置によれば、二酸化炭素を地中に貯留する際の目詰まりを防止し、効率良く大量の二酸化炭素を貯留できる効果が得られる。 As a method for storing carbon dioxide in a geological layer under the seabed, a method and apparatus have been proposed in which carbon dioxide is injected below a carbon dioxide hydrate generation area that exists from the seabed surface to a specified depth and satisfies the pressure and temperature conditions for generating carbon dioxide hydrate to form a carbon dioxide storage layer (see, for example, Patent Document 4). The method and apparatus described in Patent Document 4 can prevent clogging when storing carbon dioxide underground, and can efficiently store large amounts of carbon dioxide.

特開2010-239962号公報JP 2010-239962 A 特開2010-284605号公報JP 2010-284605 A 特開2010-209591号公報JP 2010-209591 A 特開2019-126787号公報JP 2019-126787 A

上記のように、二酸化炭素ハイドレートの生成条件は、温度10℃以下で、且つ、圧力4.5MPa以上というものであるが、日本の周辺海域においては広い範囲で当該条件が満たされている。一方、海底面下の地層において、二酸化炭素ハイドレートを生成させるための地質条件が適合する場所の特定は、大量の二酸化炭素の効率的な地中貯留を実現するうえで、今後の課題となっている。 As mentioned above, the conditions for carbon dioxide hydrate formation are a temperature of 10°C or less and a pressure of 4.5 MPa or more, and these conditions are met over a wide area in the ocean areas surrounding Japan. However, identifying locations in strata below the seafloor that meet the geological conditions for carbon dioxide hydrate formation remains a challenge for the future in achieving efficient underground storage of large amounts of carbon dioxide.

ここで、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層は、二酸化炭素ハイドレートを生成させて二酸化炭素を地中貯留するための適地としても適合することが知られている。上記のような未固結堆積層のうち、メタンハイドレートが高密度で存在し、メタンガスの生産のための開発対象となるような高いポテンシャルを有する領域である、メタンハイドレートの濃集帯においては、工業生産上、並びに、資源の有効活用上の観点から、メタンガスの生産が実施される。しかしながら、未固結堆積層を有する場所において、メタンハイドレートが存在する密度が元々低い領域であるか、あるいは、メタンハイドレートが既にメタンガスの生産に供された領域である、メタンハイドレートの非濃集層を含むメタンハイドレート非濃集帯は、メタンガスの生産性が低いことから、生産対象地から除外されており、地層中のメタンハイドレートが有効活用されていないのが実情である。 Here, it is known that unconsolidated sedimentary layers containing methane hydrate are also suitable as suitable sites for generating carbon dioxide hydrate and storing carbon dioxide underground. Among the unconsolidated sedimentary layers described above, methane hydrate is present at high density and has high potential as a development target for methane gas production. In the methane hydrate concentrated zone, methane gas is produced from the viewpoints of industrial production and effective utilization of resources. However, in places with unconsolidated sedimentary layers, the density of methane hydrate is originally low, or the methane hydrate has already been used for methane gas production in the methane hydrate non-concentrated zone, which includes a methane hydrate non-concentrated layer, is excluded from the production target areas due to its low productivity of methane gas, and the methane hydrate in the layer is not effectively utilized.

一方、上記の特許文献1~3は、何れも、主としてメタンハイドレートの生産増進を図ることを目的とするものであり、上記の特許文献4は、二酸化炭素のハイドレート化によって地層孔隙が閉塞して目詰まりを生じるのを防止することを目的とするものである。即ち、特許文献1~4の何れも、効率良く大量の二酸化炭素を貯留するための重要な条件とも言える、遮蔽層の低浸透性を顕著に向上させるものではない。
このため、遮蔽性能に優れたハイドレートからなる遮蔽層を用い、大量の二酸化炭素を効率的に地中に貯留できる方法が切に求められている。
On the other hand, the above Patent Documents 1 to 3 are all aimed at mainly promoting the production of methane hydrate, while the above Patent Document 4 is aimed at preventing the pores of the formation from being blocked and clogged due to the hydration of carbon dioxide. In other words, none of Patent Documents 1 to 4 significantly improves the low permeability of the shielding layer, which can be said to be an important condition for efficiently storing a large amount of carbon dioxide.
For this reason, there is a strong demand for a method to efficiently store large amounts of carbon dioxide underground using a shielding layer made of hydrate, which has excellent shielding properties.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素ハイドレートを含む二酸化炭素シール層の下方に注入した二酸化炭素を確実に封じ込めることができ、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能な二酸化炭素の地中貯留方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for underground storage of carbon dioxide that can reliably contain the carbon dioxide injected below a carbon dioxide sealing layer containing carbon dioxide hydrate, and efficiently store large amounts of carbon dioxide.

上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討を重ねた。この結果、まず、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域を特定し、このメタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素を圧入することで、二酸化炭素の一部が、メタンハイドレート生成可能領域における下層側を通過して、メタンハイドレート生成可能領域における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域に二酸化炭素ハイドレートが生成されることを知見した。このように、メタンハイドレート生成可能領域における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域に二酸化炭素ハイドレートからなる層が形成され、メタンハイドレート生成可能領域における下層側と上層側とで2段階のマルチシール機能を有する二酸化炭素シール層を構成することにより、二酸化炭素シール層における二酸化炭素ハイドレートの遮蔽性能がより優れたものとなり、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能となることを見出し、本発明を完成させた。 In order to solve the above problem, the inventors of the present invention have conducted extensive research. As a result, they have first identified a methane hydrate generation possible area that includes a carbon dioxide hydrate generation possible area and is composed of an unconsolidated sedimentary layer in which methane hydrate is present, and have found that by injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer below this methane hydrate generation possible area, a portion of the carbon dioxide passes through the lower layer side of the methane hydrate generation possible area, and carbon dioxide hydrate is generated in the carbon dioxide hydrate generation possible area on the upper layer side of the methane hydrate generation possible area. In this way, a layer made of carbon dioxide hydrate is formed in the carbon dioxide hydrate generation possible area on the upper layer side of the methane hydrate generation possible area, and by forming a carbon dioxide seal layer having a two-stage multi-seal function on the lower layer side and the upper layer side of the methane hydrate generation possible area, the carbon dioxide hydrate shielding performance in the carbon dioxide seal layer is improved, and it is possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide, and thus the present invention has been completed.

即ち、本発明は以下の構成を採用する。
[1] 二酸化炭素を単独あるいは該二酸化炭素を主成分とする混合物の状態で、堆積物からなる海底面下の地層中に貯留する方法であって、海底面から所定の深さの範囲で、且つ、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層からなる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域を特定する工程(1)と、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に前記二酸化炭素を圧入する工程(2)と、を備える、二酸化炭素の地中貯留方法。
[2] 前記工程(2)は、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素貯留層を形成するとともに、該二酸化炭素貯留層に圧入された前記二酸化炭素の少なくとも一部が前記メタンハイドレート生成可能領域側に上昇し、該メタンハイドレート生成可能領域における下層側を通過して、前記メタンハイドレート生成可能領域における上層側の前記二酸化炭素ハイドレート生成可能領域に二酸化炭素ハイドレートが生成されることで二酸化炭素ハイドレート層を形成することにより、前記メタンハイドレート生成可能領域における下層側を一次シール層とするとともに、前記二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層とした二酸化炭素シール層を形成する、上記[1]に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[3] 前記工程(2)は、前記メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層のうち、前記メタンハイドレートの非濃集帯である領域を特定し、該メタンハイドレートの非濃集帯における、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素を圧入する、上記[1]又は[2]に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[4] 前記メタンハイドレートの非濃集帯は、前記地層中に存在するメタン由来のメタンハイドレートを含み、且つ、該メタンハイドレートを用いたメタンガスの生産によってメタンハイドレート飽和率が低下した領域からなる、上記[3]に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[5] 前記メタンハイドレートの非濃集帯が、人工的に生成させたメタンハイドレートを含み、且つ、メタンハイドレート飽和率が低い層からなる、上記[3]に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[6] 前記工程(2)は、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に前記二酸化炭素を圧入する圧力が6MPa以上である、上記[1]~[5]の何れかに記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[7] 前記工程(2)は、前記二酸化炭素を、液体状態又は超臨界状態で、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に圧入する、上記[1]~[6]の何れかに記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[8] 前記二酸化炭素ハイドレート生成可能領域は、地中温度が10℃以下の領域であり、且つ、水深450m以深の海底面から所定の深さまで存在する、上記[1]~[7]の何れかに記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
[9] 前記工程(2)は、海面から600m以深における地中温度が20℃以上であるとき、前記二酸化炭素を当該深さに圧入する、上記[1]~[8]の何れかに記載の二酸化炭素の地中貯留方法。
That is, the present invention employs the following configuration.
[1] A method for storing carbon dioxide, either alone or in the form of a mixture mainly composed of carbon dioxide, in a geological layer below the seabed surface made of sediments, the method comprising the steps of: (1) identifying a methane hydrate production possible area within a predetermined depth range from the seabed surface, the methane hydrate production possible area being made of an unconsolidated sedimentary layer in which methane hydrate is present, the methane hydrate production possible area being made of a geological layer satisfying pressure conditions and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate; and (2) injecting the carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer below the methane hydrate production possible area.
[2] The method for underground storage of carbon dioxide described in [1] above, in which the step (2) comprises forming a carbon dioxide reservoir in an unconsolidated sedimentary layer below the region where methane hydrate can be produced, and forming a carbon dioxide hydrate layer by causing at least a part of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir to rise toward the region where methane hydrate can be produced and pass through a lower layer side of the region where methane hydrate can be produced, and generating carbon dioxide hydrate in the region where methane hydrate can be produced on the upper layer side of the region where methane hydrate can be produced, thereby forming a carbon dioxide hydrate layer, in which the lower layer side of the region where methane hydrate can be produced is a primary sealing layer and the carbon dioxide hydrate layer is a secondary sealing layer.
[3] The method for underground storage of carbon dioxide described in the above [1] or [2], wherein the step (2) includes identifying a region that is a non-concentrated zone of the methane hydrate among the unconsolidated sedimentary layer containing the methane hydrate, and injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer in the non-concentrated zone of the methane hydrate below the region where methane hydrate can form.
[4] The method for underground storage of carbon dioxide according to the above-mentioned [3], wherein the non-concentrated zone of methane hydrate contains methane hydrate derived from methane present in the stratum, and is a region in which the methane hydrate saturation rate has been reduced by the production of methane gas using the methane hydrate.
[5] The method for underground storage of carbon dioxide according to the above-mentioned [3], wherein the methane hydrate non-concentrated zone contains artificially produced methane hydrate and is composed of a layer having a low methane hydrate saturation rate.
[6] The method for underground storage of carbon dioxide according to any one of [1] to [5] above, wherein in the step (2), the carbon dioxide is injected into the unconsolidated sedimentary layer below the methane hydrate production possible area at a pressure of 6 MPa or more.
[7] The method for underground storage of carbon dioxide according to any one of [1] to [6] above, wherein the step (2) comprises injecting the carbon dioxide in a liquid state or a supercritical state into an unconsolidated sedimentary layer below the region where methane hydrate can be produced.
[8] The carbon dioxide hydrate generation possible area is an area where the underground temperature is 10°C or less, and exists from the seabed surface at a depth of 450 m or more to a predetermined depth. The carbon dioxide underground storage method according to any one of [1] to [7].
[9] The method for underground storage of carbon dioxide according to any one of [1] to [8] above, wherein in the step (2), when the underground temperature at a depth of 600 m or more from the sea surface is 20° C. or higher, the carbon dioxide is injected to that depth.

本発明の二酸化炭素の地中貯留方法によれば、上記のように、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域を特定する工程(1)と、メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素を圧入する工程(2)と、を備えた方法を採用している。
このように、メタンハイドレート生成可能領域よりも下方に二酸化炭素を圧入することで、二酸化炭素の一部がメタンハイドレート生成可能領域側に上昇し、メタンハイドレート生成可能領域における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域に二酸化炭素ハイドレートが生成されることによって二酸化炭素ハイドレート層を形成する。これにより、二酸化炭素シール層が、メタンハイドレート生成可能領域における下層側を一次シール層とするとともに、前記二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層とした2段階のマルチシール機能を有するので、下方に貯留した二酸化炭素に対する二酸化炭素シール層の遮蔽性能が高められる。
従って、二酸化炭素シール層の下方に注入した二酸化炭素を確実に封じ込めることができるので、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能となる。
As described above, the carbon dioxide underground storage method of the present invention employs a method including the step (1) of identifying a methane hydrate production potential area that includes a carbon dioxide hydrate production potential area and is composed of an unconsolidated sedimentary layer in which methane hydrate is present, and the step (2) of injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer below the methane hydrate production potential area.
In this way, by injecting carbon dioxide below the region where methane hydrate can be produced, a portion of the carbon dioxide rises toward the region where methane hydrate can be produced, and carbon dioxide hydrate is produced in the region where carbon dioxide hydrate can be produced on the upper side of the region where methane hydrate can be produced, thereby forming a carbon dioxide hydrate layer. As a result, the carbon dioxide seal layer has a two-stage multi-seal function with the lower layer side in the region where methane hydrate can be produced as the primary seal layer and the carbon dioxide hydrate layer as the secondary seal layer, thereby improving the shielding performance of the carbon dioxide seal layer against the carbon dioxide stored below.
Therefore, the carbon dioxide injected below the carbon dioxide sealing layer can be reliably sealed, making it possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide.

図1は、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法について説明する図であり、二酸化炭素貯留層、及び、メタンハイドレート層からなる一次シール層と、二酸化炭素ハイドレート層からなる二次シール層とからなる二酸化炭素シール層における、それぞれの境界を示すとともに、本発明において使用可能な地中貯留装置の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a method for underground storage of carbon dioxide which is one embodiment of the present invention, and is a schematic diagram showing the boundaries of a carbon dioxide storage layer and a carbon dioxide sealing layer which is composed of a primary sealing layer composed of a methane hydrate layer and a secondary sealing layer composed of a carbon dioxide hydrate layer, as well as showing an example of an underground storage device which can be used in the present invention. 図2は、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法について説明する図であり、メタンハイドレート及び二酸化炭素ハイドレートが生成する温度条件並びに圧力条件を示すグラフである。FIG. 2 is a diagram for explaining a method for underground storage of carbon dioxide according to one embodiment of the present invention, and is a graph showing the temperature and pressure conditions under which methane hydrate and carbon dioxide hydrate are produced. 図3は、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法について説明する図であり、メタンハイドレート生成可能領域と、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域の、それぞれの境界を示すとともに、海底面からの深度と温度との関係を示す模式図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a method for underground storage of carbon dioxide, which is one embodiment of the present invention, and is a schematic diagram showing the boundaries between the area where methane hydrate can be generated and the area where carbon dioxide hydrate can be generated, as well as the relationship between the depth from the seabed and the temperature. 図4は、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法について説明する図であり、メタンハイドレート層からなる一次シール層のハイドレート飽和率と浸透率との関係を表すグラフである。FIG. 4 is a diagram for explaining a method for underground storage of carbon dioxide according to one embodiment of the present invention, and is a graph showing the relationship between the hydrate saturation rate and the permeability of a primary seal layer made of a methane hydrate layer.

以下、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法の構成について、本発明で用いることが可能な二酸化炭素の地中貯留装置の例と併せて、図1~図4を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 The configuration of a method for underground storage of carbon dioxide, which is one embodiment of the present invention, will be described in detail below, along with an example of an underground storage device for carbon dioxide that can be used in the present invention, with appropriate reference to Figures 1 to 4. Note that the drawings used in the following description may show characteristic parts in an enlarged scale for the sake of convenience in order to make the characteristics easier to understand, and the dimensional ratios of each component may not necessarily be the same as in reality.

図1は、二酸化炭素貯留層(二酸化炭素が液体で存在する領域)G、及び、メタンハイドレート層からなる一次シール層C1と、二酸化炭素ハイドレート層からなる二次シール層C2とからなる二酸化炭素シール層Cにおける、それぞれの境界を示す模式図である。なお、図1中には、本発明において使用可能な装置の一例として、地中貯留装置1を示している。また、図1中においては、地層における海底面Fからの各深度の温度を表すグラフも示しており、X軸に温度(℃)、Y軸に深度(m)を配置し、地温勾配を3℃/100℃と仮定した場合の関係を示している。
図2は、メタンハイドレート及び二酸化炭素ハイドレートが生成する温度条件並びに圧力条件を示すグラフであり、X軸に温度(Temperature(℃))を、Y軸に圧力(Pressure(MPa))を配置している。なお、図2に示すグラフは、下記参考文献1における図3より引用したものである(参考文献1:鳥羽瀬孝臣,尾留川剛,池川洋二郎,木村治夫,「第45回岩盤力学に関するシンポジウム講演集;ハイドレートを利用したCO地中貯留の提案」,公益社団法人土木学会,2018年1月,講演番号41)。
図3は、メタンハイドレート生成可能領域S1と、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2の、それぞれの境界を示すとともに、海底面からの深度と温度との関係を示す模式図である。なお、図3中においても、図1と同様、地層における海底面Fからの各深度の温度を表すグラフを示しており、X軸に温度(℃)、Y軸に深度(m)を配置し、地温勾配を3℃/100℃と仮定した場合の関係を示している。
図4は、メタンハイドレート層からなる一次シール層C1のハイドレート飽和率と浸透率との関係を表すグラフであり、X軸に飽和率(Saturation(%))を、Y軸に浸透率(Permeability(md))を配置している。なお、図4に示すグラフは、下記参考文献2のFigure 5より引用したものである(参考文献2:Yoshihiro Konno, Jun Yoneda, Kosuke Egawa, Takuma Ito, Yusuke Jin, Masato Kida, Kiyofumi Suzuki, Tetsuya Fujii, Jiro Nagao, “Permeability of sediment cores from methane hydrate deposit in the Eastern Nankai Trough”, Marine and Petroleum Geology, Volume 66, Part 2, September 2015, Pages 487-495)。
1 is a schematic diagram showing the boundaries of a carbon dioxide storage layer G (a region where carbon dioxide exists in liquid form) and a carbon dioxide sealing layer C consisting of a primary sealing layer C1 consisting of a methane hydrate layer and a secondary sealing layer C2 consisting of a carbon dioxide hydrate layer. FIG. 1 also shows an underground storage device 1 as an example of an apparatus that can be used in the present invention. FIG. 1 also shows a graph showing the temperature at each depth from the seabed surface F in the stratum, with the temperature (°C) on the X-axis and the depth (m) on the Y-axis, showing the relationship when the geothermal gradient is assumed to be 3°C/100°C.
FIG. 2 is a graph showing the temperature and pressure conditions under which methane hydrate and carbon dioxide hydrate are produced, with temperature (°C) on the X-axis and pressure (MPa) on the Y-axis. The graph shown in FIG. 2 is quoted from FIG. 3 in the following reference 1 (Reference 1: Tobase Takaomi, Odomegawa Tsuyoshi, Ikegawa Yojiro, Kimura Haruo, "Proceedings of the 45th Symposium on Rock Mechanics: Proposal for CO2 Underground Storage Using Hydrates", Japan Society of Civil Engineers, January 2018, Lecture No. 41).
Fig. 3 is a schematic diagram showing the boundaries between the region S1 where methane hydrate can be generated and the region S2 where carbon dioxide hydrate can be generated, and showing the relationship between the depth from the seabed surface and temperature. As in Fig. 1, Fig. 3 also shows a graph showing the temperature at each depth from the seabed surface F in the stratum, with temperature (°C) on the X-axis and depth (m) on the Y-axis, showing the relationship when the geothermal gradient is assumed to be 3°C/100°C.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between hydrate saturation and permeability of the primary seal layer C1 consisting of a methane hydrate layer, with the X-axis showing saturation (%) and the Y-axis showing permeability (permeability (md)). The graph shown in FIG. 4 is quoted from Figure 5 in the following reference 2 (Reference 2: Yoshihiro Konno, Jun Yoneda, Kosuke Egawa, Takuma Ito, Yusuke Jin, Masato Kida, Kiyofumi Suzuki, Tetsuya Fujii, Jiro Nagao, “Permeability of sediment cores from methane hydrate deposit in the Eastern Nankai Trough”, Marine and Petroleum Geology, Volume 66, Part 2, September 2015, Pages 487-495).

本実施形態の二酸化炭素の地中貯留方法(以下、単に「貯留方法」と略称することがある)は、二酸化炭素を単独、あるいは、二酸化炭素を主成分とする混合物の状態で、堆積物からなる海底面F下の地層中に貯留する方法である。即ち、本実施形態の貯留方法においては、海底面Fから所定の深さの範囲で、且つ、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層からなる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層Uからなるメタンハイドレート生成可能領域S1を特定する工程(1)を備える。さらに、本実施形態の貯留方法は、上記のメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する工程(2)を備える。 The carbon dioxide underground storage method of this embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as the "storage method") is a method for storing carbon dioxide alone or in the form of a mixture mainly composed of carbon dioxide in a geological layer below the seabed surface F made of sediments. That is, the storage method of this embodiment includes a step (1) of identifying a methane hydrate generation possible area S1 that is within a predetermined depth range from the seabed surface F and includes a carbon dioxide hydrate generation possible area S2 made of a geological layer that satisfies pressure and temperature conditions capable of generating carbon dioxide hydrate, and is made of an unconsolidated sedimentary layer U in which methane hydrate is present. Furthermore, the storage method of this embodiment includes a step (2) of injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer U below the above-mentioned methane hydrate generation possible area S1.

また、本実施形態で説明する例の貯留方法は、上記の工程(2)が、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素貯留層Gを形成するとともに、二酸化炭素貯留層Gに圧入された二酸化炭素の少なくとも一部がメタンハイドレート生成可能領域S1側に上昇し、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を通過する。これにより、メタンハイドレート生成可能領域S1における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2に二酸化炭素ハイドレートが生成されることで二次シール層(二酸化炭素ハイドレート層)C2を形成することで、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を一次シール層C1とするとともに、二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層C2とした二酸化炭素シール層Cを形成する。 In addition, in the storage method of the example described in this embodiment, the above step (2) forms a carbon dioxide reservoir G in the unconsolidated sedimentary layer U below the methane hydrate generation possible region S1, and at least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir G rises to the methane hydrate generation possible region S1 side and passes through the lower layer side of the methane hydrate generation possible region S1. As a result, carbon dioxide hydrate is generated in the carbon dioxide hydrate generation possible region S2 on the upper side of the methane hydrate generation possible region S1, forming a secondary seal layer (carbon dioxide hydrate layer) C2, and the lower layer side of the methane hydrate generation possible region S1 is the primary seal layer C1, and the carbon dioxide hydrate layer is the secondary seal layer C2, forming a carbon dioxide seal layer C.

なお、本実施形態で説明する二酸化炭素とは、純粋な二酸化炭素(CO)単独のみならず、上記のような、二酸化炭素を主成分とする混合ガスの状態も含むものである。即ち、本実施形態の貯留対象である二酸化炭素は、既存の対策技術を併用することで水が含まれていてもよい。さらに、本実施形態の貯留対象である二酸化炭素としては、この二酸化炭素自体に加え、二酸化炭素以外の他成分として、例えば、一酸化炭素(CO)、水素(H)、メタン(CH)、水(HO)、硫化水素(HS)等も含むものも挙げられる。 The carbon dioxide described in this embodiment includes not only pure carbon dioxide (CO 2 ) alone, but also the above-mentioned state of a mixed gas containing carbon dioxide as the main component. That is, the carbon dioxide to be stored in this embodiment may contain water by using existing countermeasures technology in combination. Furthermore, the carbon dioxide to be stored in this embodiment may contain, in addition to carbon dioxide itself, other components other than carbon dioxide, such as carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), water (H 2 O), and hydrogen sulfide (H 2 S).

以下に、図1中に示した地層中における各層の定義について説明する。
まず、本実施形態において説明する未固結堆積層Uとは、海底下地層のうち、比較的浅い領域に存在する固結度の低い堆積層のことをいう。
また、メタンハイドレート生成可能領域S1とは、メタンハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層のことをいう。但し、本実施形態においては、実際に、メタンハイドレート生成可能領域S1においてメタンハイドレートが生成されているか否かは問わない。
また、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2とは、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層のことをいう。但し、本実施形態においては、実際に、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2において二酸化炭素ハイドレートが生成されているか否かは問わない。
The definition of each layer in the stratum shown in FIG. 1 will be explained below.
First, the unconsolidated sedimentary layer U described in this embodiment refers to a low-consolidated sedimentary layer that exists in a relatively shallow region of the seabed substratum.
The methane hydrate production possible region S1 refers to a stratum that satisfies pressure and temperature conditions that allow methane hydrate to be produced. However, in this embodiment, it does not matter whether methane hydrate is actually produced in the methane hydrate production possible region S1.
The carbon dioxide hydrate formable region S2 refers to a geological layer that satisfies pressure and temperature conditions that allow carbon dioxide hydrate to be formed. However, in this embodiment, it does not matter whether carbon dioxide hydrate is actually formed in the carbon dioxide hydrate formable region S2.

なお、海面Mからの深さと海中の温度との関係、及び、海底面Fからの深さと地中の温度との関係等を考慮すると、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2よりも深い地層では、二酸化炭素はハイドレート化しないと考えられる。また、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも深い地層では、メタンはハイドレート化しないと考えられる。そして、図1に示すように、メタンハイドレート生成可能領域S1の下限は、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2の下限よりも深い。 In addition, taking into consideration the relationship between the depth from the sea surface M and the temperature in the sea, and the relationship between the depth from the seabed surface F and the temperature underground, it is believed that carbon dioxide does not hydrate in strata deeper than the carbon dioxide hydrate generation possible region S2. Also, it is believed that methane does not hydrate in strata deeper than the methane hydrate generation possible region S1. And, as shown in FIG. 1, the lower limit of the methane hydrate generation possible region S1 is deeper than the lower limit of the carbon dioxide hydrate generation possible region S2.

また、一次シール層(メタンハイドレート層)C1は、メタンハイドレートが実際に生成され、下方の二酸化炭素貯留層Gに貯留された二酸化炭素に対する遮蔽(シール)作用を有する層である。
二次シール層(二酸化炭素ハイドレート層)C2は、二酸化炭素ハイドレートが実際に生成され、下方の二酸化炭素貯留層Gに貯留された二酸化炭素に対する遮蔽(シール)作用を有する層である。
Further, the primary sealing layer (methane hydrate layer) C1 is a layer in which methane hydrate is actually produced and has a sealing effect against the carbon dioxide stored in the carbon dioxide reservoir G below.
The secondary sealing layer (carbon dioxide hydrate layer) C2 is a layer in which carbon dioxide hydrate is actually produced and has a sealing effect against the carbon dioxide stored in the carbon dioxide reservoir layer G below.

<二酸化炭素の地中貯留装置>
先ず、本発明を適用した一実施形態である二酸化炭素の地中貯留方法に用いることが可能な地中貯留装置の一例について、図1を参照しながら説明する(以下、単に「貯留装置」と略称することがある)。
<Carbon dioxide underground storage device>
First, an example of a geological storage device that can be used in a method for underground storage of carbon dioxide, which is one embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG. 1 (hereinafter, sometimes simply referred to as a "storage device").

図1に示すように、本実施形態の貯留方法で用いることが可能な貯留装置1は、二酸化炭素(CO)を地層中の二酸化炭素貯留層(二酸化炭素貯留領域)Gに貯留する装置である。貯留装置1は、海底面(海底)Fから所定の深さまで存在する、詳細を後述する二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含むメタンハイドレート生成可能領域S1を貫通して該メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の二酸化炭素貯留層Gまで延在された圧入井4と、二酸化炭素(CO)を生成する二酸化炭素供給源2と、該二酸化炭素供給源2で生成された二酸化炭素(CO)を圧入井4に圧送する圧送設備3と、を備えて概略構成される。 As shown in Fig. 1, a storage device 1 that can be used in the storage method of this embodiment is a device that stores carbon dioxide (CO 2 ) in a carbon dioxide reservoir (carbon dioxide storage region) G in a geological stratum. The storage device 1 is generally configured to include an injection well 4 that extends through a methane hydrate formable region S1, including a carbon dioxide hydrate formable region S2 (details of which will be described later) that exists from the seabed surface (seabed) F to a predetermined depth, and to a carbon dioxide reservoir G below the methane hydrate formable region S1, a carbon dioxide supply source 2 that generates carbon dioxide (CO 2 ), and a pumping facility 3 that pumps the carbon dioxide (CO 2 ) generated in the carbon dioxide supply source 2 to the injection well 4.

図1の模式図において、海水Wの下方に位置する海底面F下の地層(未固結堆積層U)は、通常、海面Mから海底面Fまでの深さ、及び、海底面Fから地層の任意の深さによって圧力が変化する。本実施形態の貯留装置1は、海底面Fから所定の深さまで存在する、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の二酸化炭素貯留層Gに、二酸化炭素(CO)を単独、あるいは、二酸化炭素を主成分とする混合物の状態で圧入して貯留するものである。 In the schematic diagram of Fig. 1, the pressure of a stratum (unconsolidated sedimentary layer U) below the seabed surface F located below seawater W usually changes depending on the depth from the sea surface M to the seabed surface F and on any depth of the stratum from the seabed surface F. The storage device 1 of this embodiment includes a carbon dioxide hydrate formable region S2 that exists from the seabed surface F to a predetermined depth and satisfies pressure and temperature conditions capable of forming carbon dioxide hydrate, and stores carbon dioxide (CO 2 ) alone or in the form of a mixture mainly composed of carbon dioxide in a carbon dioxide reservoir G below the methane hydrate formable region S1 consisting of an unconsolidated sedimentary layer in which methane hydrate is present.

二酸化炭素供給源2は、上記のように、未固結堆積層U中の二酸化炭素貯留層Gに貯留する二酸化炭素(CO)を供給するものである。このような二酸化炭素供給源2としては、特に限定されず、例えば、石油やガスを採掘する海上プラント等の各種施設において、化石燃料を用いた発電設備等から排出される石炭や石油等に由来の二酸化炭素を回収する装置や、これらの装置によって回収された二酸化炭素を輸送する船舶やパイプラインから一時的に受け入れて貯蔵する装置等が挙げられる。 As described above, the carbon dioxide supply source 2 supplies carbon dioxide (CO 2 ) to be stored in the carbon dioxide reservoir G in the unconsolidated sedimentary layer U. Such carbon dioxide supply source 2 is not particularly limited, and examples thereof include devices for recovering carbon dioxide derived from coal, oil, etc. discharged from power generation facilities using fossil fuels in various facilities such as offshore plants for extracting oil and gas, and devices for temporarily receiving and storing the carbon dioxide recovered by these devices from ships or pipelines transporting them.

また、貯留装置1において、二酸化炭素供給源2は、その装置特性にも依るが、海面Mよりも上に露出していることが、燃料や二酸化炭素等の材料の供給性やメンテナンス性、装置寿命等の観点から好ましい。このように、二酸化炭素供給源2を海面Mよりも上に露出させる方法としては、例えば、海底から石油やガス等の資源を採掘するために設置されるものと同様の海上プラットフォームを構築し、その上に二酸化炭素供給源2を設置する方法が挙げられる。
海上プラットフォームとしては、例えば、固定式又は浮遊式等のものが挙げられる。
固定式の海上プラットフォームとしては、例えば、高強度の鋼材等から組み立てられた構造物を、海底面Fに直接固定して構築されたもの等が挙げられる。
また、浮遊式の海上プラットフォームとしては、例えば、半潜水式の船舶等からなるものが挙げられる。
図1に示す例の貯留装置1においては、海水W(海面M)上に船舶5が浮かべられ、この船舶5上に二酸化炭素供給源2が設置されている。
Furthermore, in the storage device 1, it is preferable that the carbon dioxide supply source 2 is exposed above the sea level M, from the viewpoints of supplyability and maintainability of materials such as fuel and carbon dioxide, device life, etc., although this depends on the characteristics of the device. As such, an example of a method for exposing the carbon dioxide supply source 2 above the sea level M is to construct an offshore platform similar to those installed for extracting resources such as oil and gas from the seabed, and install the carbon dioxide supply source 2 on the platform.
Offshore platforms may be, for example, fixed or floating.
An example of a fixed offshore platform is one constructed by directly fixing a structure assembled from high-strength steel or the like to the seabed F.
Furthermore, examples of floating offshore platforms include semi-submersible vessels.
In the storage device 1 of the example shown in FIG. 1, a ship 5 is floated on seawater W (ocean surface M), and a carbon dioxide supply source 2 is installed on the ship 5.

なお、二酸化炭素供給源2は、船舶5のような海上プラットフォーム上に設置された構成のものには限定されない。例えば、図示を省略するが、陸上に設置された二酸化炭素供給源2で生成された二酸化炭素を、後述の圧送設備3及び配管(パイプライン)を介して圧入井4まで輸送する構成を採用してもよい。 The carbon dioxide supply source 2 is not limited to being installed on an offshore platform such as a ship 5. For example, although not shown, a configuration may be adopted in which carbon dioxide generated in the carbon dioxide supply source 2 installed on land is transported to the injection well 4 via a pumping facility 3 and piping (pipeline) described below.

圧送設備3は、二酸化炭素(CO)を圧入井4に圧送するものであり、図1に示す例においては、船舶5からなる海上プラットフォーム上に設置されている。
また、図示例においては、船舶5上に設置された圧送設備3から、供給ラインLを介して、海底面Fを起点に設けられた圧入井4に二酸化炭素(CO)が供給されるように構成されている。
The pumping facility 3 pumps carbon dioxide (CO 2 ) to an injection well 4 , and in the example shown in FIG. 1 , is installed on an offshore platform consisting of a ship 5 .
In addition, in the illustrated example, carbon dioxide (CO 2 ) is supplied from a pressure pumping facility 3 installed on a ship 5 via a supply line L to an injection well 4 provided with its origin at the seabed surface F.

圧送設備3としては、この分野で従来から用いられている、液圧送用のポンプ等を何ら制限無く採用することができる。
また、圧送設備3と圧入井4とを接続する供給ラインLとしては、例えば、海水中で使用可能な金属又は樹脂材料からなる配管部材を何ら制限無く採用することができる。
なお、圧送設備3としては、上記のような、船舶5等の海上プラットフォーム上に設置されたものには限定されず、例えば、陸上や海底面Fに圧送設備を設置することも可能である。
As the pressure-feeding equipment 3, a pump for pressure-feeding liquid, which has been conventionally used in this field, can be used without any restrictions.
Furthermore, as the supply line L connecting the pumping facility 3 and the injection well 4, for example, piping members made of metal or resin materials that can be used in seawater can be used without any restrictions.
In addition, the pumping equipment 3 is not limited to being installed on an offshore platform such as a ship 5 as described above, and it is also possible to install the pumping equipment on land or on the seabed F, for example.

圧入井4は、上記のように、海底面Fから所定の深さまで存在する、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含むメタンハイドレート生成可能領域S1を貫通するとともに、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の二酸化炭素貯留層Gまで延在し、二酸化炭素貯留層Gに二酸化炭素(CO)を圧入する。
圧入井4は、例えば、ボーリング等によって掘削された孔井からなる、二酸化炭素(CO)の注入・圧入孔である。
As described above, the injection well 4 penetrates the methane hydrate production potential area S1, which exists from the seabed surface F to a predetermined depth, including the carbon dioxide hydrate production potential area S2, and extends to the carbon dioxide reservoir G below the methane hydrate production potential area S1, and injects carbon dioxide (CO 2 ) into the carbon dioxide reservoir G.
The injection well 4 is, for example, a hole formed by drilling or the like, into which carbon dioxide (CO 2 ) is injected and injected.

図示例の圧入井4は、垂直井として設けられているが、必要に応じて傾斜井とするか、あるいは、垂直井と水平井との組み合わせ(例:断面L字状)や、垂直井、水平井及び傾斜井を適宜組み合わせた構造とすることも可能である。また、陸上から直接、傾斜井として設置することも可能であり、この場合、二酸化炭素供給源2及び圧送設備3は陸上に設置されることになる。 In the illustrated example, the injection well 4 is provided as a vertical well, but it can be an inclined well if necessary, or a combination of a vertical well and a horizontal well (e.g., L-shaped cross section), or a structure in which a vertical well, horizontal well, and inclined well are appropriately combined. It can also be installed as an inclined well directly from land, in which case the carbon dioxide supply source 2 and pumping equipment 3 will be installed on land.

なお、本実施形態の貯留装置1においては、上記各構成に加え、さらに、二酸化炭素貯留層Gに貯留された二酸化炭素(CO)の状態、あるいは、詳細を後述する一次シール層C1及び二次シール層C2からなる二酸化炭素シール層Cを含むメタンハイドレート生成可能領域S1全体の状態等を検出するための、各種モニタリング装置が備えられていてもよい。 In addition to the above-mentioned configurations, the storage device 1 of this embodiment may further be provided with various monitoring devices for detecting the state of carbon dioxide (CO 2 ) stored in the carbon dioxide storage layer G, or the state of the entire methane hydrate production possible region S1 including the carbon dioxide sealing layer C consisting of the primary sealing layer C1 and the secondary sealing layer C2, details of which will be described later.

<二酸化炭素の地中貯留方法>
以下、本実施形態の二酸化炭素の地中貯留方法について、図1~図4を適宜参照しながら詳細に説明する。
<Method of underground storage of carbon dioxide>
Hereinafter, the method for underground storage of carbon dioxide according to this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4 as appropriate.

本実施形態の貯留方法は、上述したように、二酸化炭素(CO)を、海底面F下の地層中に貯留する方法である。この貯留方法は、海底面Fから所定の深さまで存在する、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層からなる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方に、二酸化炭素(CO)を圧入することで二酸化炭素貯留層Gを形成する方法である。 As described above, the storage method of this embodiment is a method for storing carbon dioxide (CO 2 ) in a geological layer below the seabed surface F. This storage method is a method for forming a carbon dioxide reservoir G by injecting carbon dioxide (CO 2 ) below a methane hydrate production possible region S1 consisting of an unconsolidated sedimentary layer containing methane hydrate, the region including a carbon dioxide hydrate production possible region S2 consisting of a geological layer that exists from the seabed surface F to a predetermined depth and satisfies pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate.

即ち、本実施形態の貯留方法は、上述したように、まず、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層Uからなるメタンハイドレート生成可能領域S1を特定する工程(1)を有する。さらに、本実施形態の貯留方法は、上記のメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する工程(2)を備える。 That is, as described above, the storage method of this embodiment includes a step (1) of identifying a methane hydrate generation potential area S1 that includes a carbon dioxide hydrate generation potential area S2 and is composed of an unconsolidated sedimentary layer U in which methane hydrate is present. Furthermore, the storage method of this embodiment includes a step (2) of injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer U below the above-mentioned methane hydrate generation potential area S1.

上述したように、本実施形態で説明する例の貯留方法では、工程(2)において、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素貯留層Gを形成する。さらに、二酸化炭素貯留層Gに圧入された二酸化炭素の少なくとも一部がメタンハイドレート生成可能領域S1側に上昇し、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を通過する。そして、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を通過した二酸化炭素により、メタンハイドレート生成可能領域S1における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2に二酸化炭素ハイドレートが生成されることで二次シール層(二酸化炭素ハイドレート層)C2を形成する。これにより、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を一次シール層C1とするとともに、二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層C2とした二酸化炭素シール層Cを形成する。図1中に例示する二酸化炭素シール層Cは、メタンハイドレート生成可能領域S1において、海底面Fよりも若干深めの深度の位置が上端側となるように形成されている。 As described above, in the storage method of the example described in this embodiment, in step (2), a carbon dioxide reservoir G is formed in the unconsolidated sediment layer U below the methane hydrate generation possible region S1. Furthermore, at least a part of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir G rises to the methane hydrate generation possible region S1 side and passes through the lower layer side of the methane hydrate generation possible region S1. Then, the carbon dioxide that has passed through the lower layer side of the methane hydrate generation possible region S1 generates carbon dioxide hydrate in the carbon dioxide hydrate generation possible region S2 on the upper side of the methane hydrate generation possible region S1, forming a secondary seal layer (carbon dioxide hydrate layer) C2. As a result, the lower layer side of the methane hydrate generation possible region S1 is the primary seal layer C1, and the carbon dioxide hydrate layer is the secondary seal layer C2 to form a carbon dioxide seal layer C. The carbon dioxide seal layer C illustrated in FIG. 1 is formed so that the upper end side is at a depth slightly deeper than the seabed surface F in the methane hydrate generation possible region S1.

さらに、本実施形態の貯留方法においては、工程(2)において、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層Uのうち、メタンハイドレートの非濃集帯である領域を特定し、このメタンハイドレートの非濃集帯における、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する方法を採用できる。 Furthermore, in the storage method of this embodiment, in step (2), a method can be adopted in which an area of the unconsolidated sedimentary layer U containing methane hydrate is identified as a non-concentrated zone of methane hydrate, and carbon dioxide is injected into the unconsolidated sedimentary layer U below the area S1 where methane hydrate can be generated in the non-concentrated zone of methane hydrate.

本実施形態の貯留方法においては、図1中に例示した貯留装置1を用いて、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含むメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方に二酸化炭素(CO)を圧入することで、海底面F下の地層中における二酸化炭素貯留層Gに二酸化炭素(CO)を貯留することができる。 In the storage method of this embodiment, the storage device 1 illustrated in FIG. 1 is used to inject carbon dioxide (CO 2 ) below the methane hydrate production potential area S1, which includes the carbon dioxide hydrate production potential area S2, thereby allowing the carbon dioxide (CO 2 ) to be stored in a carbon dioxide reservoir G in a stratum below the seabed surface F.

上述したように、二酸化炭素(CO)は、所定の温度及び圧力の範囲において、気体、液体、固体あるいは超臨界の4相の何れかの状態で存在する。また、二酸化炭素(CO)は、常圧下で温度194K(-79.15℃)以下の条件で固体(ドライアイス)になるが、水と混じった場合には、異なる温度と圧力の条件でハイドレート(固体)化する。図2に示すように、例えば、二酸化炭素の状態を温度-圧力勾配曲線からなるグラフで表すと、温度-圧力勾配曲線を境界として、グラフ上の領域が、二酸化炭素ハイドレートの安定領域(CO hydrate Stable zone)と、二酸化炭素が液体(Liquid zone)状態で存在する領域とに分けられる。上記の安定領域は、二酸化炭素(CO)が水と混じってハイドレート化した状態で安定して存在する、温度及び圧力の範囲である。また、二酸化炭素ハイドレートの安定領域は、液体の二酸化炭素の領域(液相の領域)の一部と重なる。 As described above, carbon dioxide (CO 2 ) exists in any one of four phases, gas, liquid, solid, or supercritical, in a given temperature and pressure range. Carbon dioxide (CO 2 ) becomes solid (dry ice) at a temperature of 194 K (−79.15° C.) or less under normal pressure, but when mixed with water, it becomes hydrated (solidified) under different temperature and pressure conditions. As shown in FIG. 2, for example, when the state of carbon dioxide is represented by a graph consisting of a temperature-pressure gradient curve, the region on the graph is divided into a stable region of carbon dioxide hydrate (CO 2 hydrate stable zone) and a region where carbon dioxide exists in a liquid state (liquid zone) with the temperature-pressure gradient curve as a boundary. The above-mentioned stable region is a temperature and pressure range in which carbon dioxide (CO 2 ) exists stably in a hydrated state when mixed with water. In addition, the stable region of carbon dioxide hydrate overlaps with a part of the region of liquid carbon dioxide (liquid phase region).

また、二酸化炭素(CO)は、温度が31℃以上で、且つ、圧力が7.4MPa以上の場合に超臨界状態となり、密度変化は比較的緩慢になる。また、二酸化炭素(CO)は、温度が35℃以下、圧力が20MPa以下のときは、密度が海水よりも小さく、温度0℃付近で圧力が14MPa以上である場合を除き、水の密度よりも小さい。即ち、二酸化炭素(CO)は、液体又は超臨界状態においては、その密度は海水に比べて小さいことから、海底面F下の地層中に二酸化炭素(CO)を貯留するためには、上記の密度差によって浮上する二酸化炭素を封じ込めるためのシール機能が必要となる。 Carbon dioxide (CO 2 ) also becomes supercritical when the temperature is 31° C. or higher and the pressure is 7.4 MPa or higher, and the density change is relatively slow. Carbon dioxide (CO 2 ) also has a smaller density than seawater when the temperature is 35° C. or lower and the pressure is 20 MPa or lower, and a smaller density than water except when the temperature is around 0° C. and the pressure is 14 MPa or higher. That is, since carbon dioxide (CO 2 ) has a smaller density than seawater when in a liquid or supercritical state, in order to store carbon dioxide (CO 2 ) in a stratum below the seabed surface F, a sealing function is required to contain the carbon dioxide that floats up due to the density difference.

ところで、天然ガスは、一般に、在来型天然ガス、シェール・ガス、又はメタンハイドレート等の状態で地層中に存在している。
在来型天然ガスは、気密性が高い泥岩等のキャップロックがシール層として機能することで、地層中に貯まっている。
シェール・ガスは、そのDNAの分析から、石油根源岩とされる頁岩(shale)から石油(shale oil)と同時に生産されることが明らかになっている。
これに対し、メタンハイドレートは、大陸縁辺の海底面下の地層や、永久凍土層で固体として存在することが確認されており、上記のようなキャップロックは存在しないものの、ハイドレート化する温度と圧力との条件により、所謂シール機能を果たすシール層が形成される。
Incidentally, natural gas generally exists in geological formations in the form of conventional natural gas, shale gas, methane hydrate, or the like.
Conventional natural gas is stored in geological formations due to the cap rock, such as highly airtight mudstone, acting as a sealing layer.
DNA analysis has revealed that shale gas is produced simultaneously with shale oil from shale, which is considered to be the source rock of petroleum.
In contrast, methane hydrate has been confirmed to exist as a solid in strata beneath the seafloor of continental margins and in permafrost. Although there is no cap rock as described above, a seal layer that performs a so-called sealing function is formed depending on the temperature and pressure conditions for hydration.

上記のような、自然状態で天然ガスが存在することを、二酸化炭素貯留のナチュラルアナログ(自然類似現象)として捉えることができる。即ち、在来型天然ガス、及び、一般的な二酸化炭素の地中への貯留は、上記のキャップロックがシール層として機能する。また、メタンハイドレート、及び、二酸化炭素ハイドレートは、ハイドレート化する温度と圧力の条件を設定することにより、二酸化炭素を貯留するためのシール層として利用可能である。
また、シェール・ガスは、頁岩あるいは石炭層にメタンが吸着することで存在し、二酸化炭素も吸着することが知られている。
上記のように、自然に存在する天然ガスは、それぞれ異なるシール機能で地層内に封じ込められている。このようなシール機能、即ち、自然の条件を利用することで、二酸化炭素についても地中貯留が可能となる。
The existence of natural gas in a natural state as described above can be considered as a natural analogue of carbon dioxide storage. That is, in the underground storage of conventional natural gas and general carbon dioxide, the above-mentioned cap rock functions as a sealing layer. In addition, methane hydrate and carbon dioxide hydrate can be used as a sealing layer for storing carbon dioxide by setting the temperature and pressure conditions for hydration.
Shale gas exists when methane is adsorbed into shale or coal layers, and is known to also adsorb carbon dioxide.
As mentioned above, naturally occurring natural gas is trapped in the earth's layers by different sealing mechanisms. By utilizing these sealing mechanisms, i.e., natural conditions, carbon dioxide can also be stored underground.

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、上述したように、まず、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域S1を特定したうえで、このメタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する方法を採用した。これにより、以下に詳述するように、地層中に自然に存在するメタン由来のメタンハイドレート層を一次シール層C1とし、さらに、その上に、二酸化炭素ハイドレートからなる二次シール層C2を形成することで、二酸化炭素シール層Cを2段階のマルチシール構造とすることを見出した。即ち、低浸透性を有するメタンハイドレートからなる一次シール層C1と、二酸化炭素貯留層Gに圧入した二酸化炭素の少なくとも一部が上昇して一次シール層C1上に形成された二次シール層C2とで、従来に無い非常に強固な遮蔽性能が得られることを突き止めた。 As a result of intensive research, the inventors adopted a method of first identifying the methane hydrate generation possible area S1, which includes the carbon dioxide hydrate generation possible area S2 and is made of an unconsolidated sedimentary layer containing methane hydrate, as described above, and then injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer U below the methane hydrate generation possible area S1. As a result, as described in detail below, the inventors discovered that the methane hydrate layer derived from methane naturally present in the stratum is used as the primary seal layer C1, and further, a secondary seal layer C2 made of carbon dioxide hydrate is formed on top of the primary seal layer C1, thereby forming the carbon dioxide seal layer C into a two-stage multi-seal structure. In other words, the inventors discovered that an unprecedentedly strong shielding performance can be obtained by the primary seal layer C1 made of methane hydrate having low permeability and the secondary seal layer C2 formed on the primary seal layer C1 by the rise of at least a part of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir G.

図2のグラフ中に示すように、二酸化炭素ハイドレートとメタンハイドレートとでは、生成する温度条件や圧力条件がやや異なる。一方、二酸化炭素ハイドレート及びメタンハイドレートは、生成する地質条件は同様と考えられ、メタンハイドレートが賦存する地質条件(未固結堆積層)は、二酸化炭素ハイドレートの生成にも適合する。上述した未固結堆積層の浸透率は、一般に1000(md)程度であるが、図4のグラフに示すように、メタンハイドレートからなる層(一次シール層C1)の浸透率は、メタンハイドレートの飽和率に関わらず、1~100md程度であり、優れた低浸透性を有している。 As shown in the graph in Figure 2, the temperature and pressure conditions under which carbon dioxide hydrate and methane hydrate form are slightly different. On the other hand, the geological conditions under which carbon dioxide hydrate and methane hydrate form are thought to be similar, and the geological conditions under which methane hydrate exists (unconsolidated sedimentary layers) are also suitable for the formation of carbon dioxide hydrate. The permeability of the unconsolidated sedimentary layers described above is generally about 1000 (md), but as shown in the graph in Figure 4, the permeability of the layer consisting of methane hydrate (primary seal layer C1) is about 1 to 100 md regardless of the saturation rate of methane hydrate, and has excellent low permeability.

なお、図4のグラフの意味するところは以下のとおりである。
元々の地層の浸透率が大きい場所は、地層の空隙が大きくハイドレートを生成しやすい場所であり、ハイドレート飽和率が高く、且つ、浸透率の低下率が大きい。一方、元々の地層の浸透率が小さい場所は、地層の空隙が小さくハイドレートを生成し難い場所であり、ハイドレート飽和率が低く、且つ、浸透率の低下率が小さい。従って、ハイドレート飽和率に関わらず、浸透率は一定の範囲に収まる。
また、浸透率が1md以下の領域で、ハイドレート飽和率が0%付近になっているのは、元々の地層の空隙が極めて小さいため、ハイドレートを生成できないことを示している。
The graph in FIG. 4 has the following meaning.
In places where the original stratum permeability is high, the pores of the stratum are large and hydrate is easily generated, and the hydrate saturation rate is high and the rate of decrease in permeability is large. On the other hand, in places where the original stratum permeability is low, the pores of the stratum are small and hydrate is difficult to generate, and the hydrate saturation rate is low and the rate of decrease in permeability is small. Therefore, regardless of the hydrate saturation rate, the permeability falls within a certain range.
In addition, the hydrate saturation rate is close to 0% in regions where the permeability is 1 md or less, which indicates that hydrate cannot be generated because the pores in the original strata are extremely small.

上記の知見により、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層は、二酸化炭素ハイドレートを生成させて二酸化炭素を地中貯留するための適地として適合している。
そして、本発明者等がさらに検討を進めた結果、図4のグラフに示すように、詳細を後述するメタンハイドレートの非濃集帯は顕著な低浸透率を有していると考えられることを明らかにした。そして、図1中に示すような、地層中の未固結堆積層Uで自然に存在するメタンハイドレート層からなる一次シール層C1と、地層中の未固結堆積層Uに圧入された二酸化炭素の少なくとも一部がハイドレート化してなる二次シール層C2とによる、2段階のシールメカニズムが期待できることを見出した。このような、一次シール層C1と二次シール層C2とからなる2段階のマルチシール構造は、二酸化炭素ハイドレートからなるシール層のみの単一シール構造に比べて、下方に貯留された二酸化炭素に対するより強固な遮蔽性能が期待できる。
Based on the above findings, unconsolidated sedimentary layers containing methane hydrate are suitable sites for producing carbon dioxide hydrate and storing carbon dioxide underground.
As a result of further investigations, the inventors have clarified that, as shown in the graph of Fig. 4, the non-concentrated zone of methane hydrate, the details of which will be described later, is considered to have a significantly low permeability. As shown in Fig. 1, the inventors have found that a two-stage sealing mechanism can be expected, consisting of a primary seal layer C1 made of a methane hydrate layer naturally existing in an unconsolidated sedimentary layer U in the stratum, and a secondary seal layer C2 made of at least a part of the carbon dioxide injected into the unconsolidated sedimentary layer U in the stratum. Such a two-stage multi-seal structure made of the primary seal layer C1 and the secondary seal layer C2 can be expected to have stronger shielding performance against the carbon dioxide stored below, compared to a single seal structure made of only a seal layer made of carbon dioxide hydrate.

なお、メタンハイドレートの濃集帯とは、例えば、経済性の観点から、原始資源量(存在するメタンの総量)100億m以上の規模を有し、一坑井あたり日産50000m以上のガス生産が可能な領域のことをいう(参考文献3:山本晃司,天満則夫,「メタンハイドレート開発-商業生産に向けての課題と現在の研究開発」,日本マリンエンジニアリング学会誌,第56巻,第2号(2021))。一方、本明細書において説明する「メタンハイドレートの非濃集帯」とは、上記のメタンガスの生産条件を満たさない領域である。図4のグラフに示すとおり、ハイドレートの飽和率に関わらず、メタンハイドレート層の浸透率は1~100mdの範囲にあり、メタンハイドレートの濃集帯及び非濃集帯は、何れも一次シール層としての機能を有している。 In addition, the methane hydrate concentrated zone refers to an area that has an original resource amount (total amount of methane present) of 10 billion m3 or more from the viewpoint of economic efficiency, and can produce gas at a rate of 50,000 m3 or more per well per day (Reference 3: Koji Yamamoto, Norio Tenma, "Methane Hydrate Development - Issues and Current Research and Development for Commercial Production", Journal of the Japan Society of Marine Engineering, Vol. 56, No. 2 (2021)). On the other hand, the "non-concentrated zone of methane hydrate" described in this specification is an area that does not meet the above-mentioned methane gas production conditions. As shown in the graph in FIG. 4, regardless of the saturation rate of the hydrate, the permeability of the methane hydrate layer is in the range of 1 to 100 md, and both the concentrated zone and non-concentrated zone of methane hydrate function as a primary seal layer.

ここで、本実施形態におけるメタンハイドレートの非濃集帯としては、例えば、地層中に自然に存在するメタン由来のメタンハイドレートを含み、且つ、このメタンハイドレートを用いたメタンガスの生産によってメタンハイドレート飽和率が低下した層が挙げられる。また、メタンハイドレートの非濃集帯としては、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層Uのうち、メタンハイドレートの存在密度が元々低い領域の層が挙げられる。 Here, the non-concentrated zone of methane hydrate in this embodiment may be, for example, a layer that contains methane hydrate derived from methane naturally present in the strata, and in which the methane hydrate saturation rate has been reduced by the production of methane gas using this methane hydrate. In addition, the non-concentrated zone of methane hydrate may be a layer in an area where the density of methane hydrate is originally low, among the unconsolidated sedimentary layer U in which methane hydrate exists.

また、メタンハイドレートの非濃集帯は、上述したように、メタンガスの生産性が低いことために生産対象地から除外されていることから、メタンハイドレートを生産する側に対する不都合は生じない。また、メタンハイドレートの非濃集帯を二酸化炭素の地中貯留に利用することで、メタンハイドレートの生産に適さない場所の有効活用にも繋がる。 As mentioned above, non-concentrated zones of methane hydrate are excluded from production areas due to their low productivity of methane gas, so no inconvenience is caused to those producing methane hydrate. Furthermore, using non-concentrated zones of methane hydrate for underground storage of carbon dioxide can lead to effective use of areas that are not suitable for methane hydrate production.

上記のような本実施形態の貯留方法によれば、まず、一次シール層C1として、地層中におけるメタンハイドレートを生産した後の残留メタンハイドレート、又は、メタンハイドレートの非濃集帯を、低浸透性ゾーンとして有効活用している。そのうえで、一次シール層C1上に二酸化炭素ハイドレートが生成されることに伴い、孔隙が目詰まりしてなる二次シール層C2を形成させ、その遮蔽効果を利用することで、これら一次シール層C1及び二次シール層C2からなる二酸化炭素シール層Cの遮蔽性能が強化される。これにより、二酸化炭素シール層Cの下方に液体の二酸化炭素を効率よく貯留することができる。 According to the storage method of this embodiment as described above, first, the residual methane hydrate after methane hydrate production in the stratum or the non-concentrated zone of methane hydrate is effectively utilized as a low-permeability zone as the primary seal layer C1. Then, as carbon dioxide hydrate is produced on the primary seal layer C1, the secondary seal layer C2 is formed by clogging the pores, and by utilizing the shielding effect, the shielding performance of the carbon dioxide seal layer C consisting of the primary seal layer C1 and the secondary seal layer C2 is enhanced. This allows liquid carbon dioxide to be efficiently stored below the carbon dioxide seal layer C.

ここで、詳細な図示は省略するが、海面Mからの深さと海中の温度との関係、及び、海底面Fからの深さと地中の温度との関係をグラフ化すると、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含むメタンハイドレート生成可能領域S1よりも深い地層では、二酸化炭素はハイドレート化しないことがわかる。このため、二酸化炭素(CO)を、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方に圧入することで、目詰まりさせることなく、この圧入領域を二酸化炭素貯留層(Liquid CO injection/storage layer)として扱うことが可能になる。また、例えば、二酸化炭素(CO)を液体又は超臨界状態で地中に圧入する場合には、二酸化炭素(CO)の溶解水を生成するための装置等が不要になるので、上述したような貯留装置1を簡便な構成にすることが可能になる。 Here, although detailed illustration is omitted, when the relationship between the depth from the sea surface M and the temperature in the sea and the relationship between the depth from the seabed surface F and the temperature in the ground are graphed, it can be seen that carbon dioxide does not hydrate in a geological layer deeper than the methane hydrate generation possible region S1 including the carbon dioxide hydrate generation possible region S2. Therefore, by injecting carbon dioxide (CO 2 ) below the methane hydrate generation possible region S1, it becomes possible to treat this injection region as a carbon dioxide storage layer (Liquid CO 2 injection/storage layer) without clogging. In addition, for example, when carbon dioxide (CO 2 ) is injected into the ground in a liquid or supercritical state, a device for generating dissolved water of carbon dioxide (CO 2 ) is not required, so that the storage device 1 as described above can be configured simply.

そして、二酸化炭素貯留層Gに圧入・貯留された液体又は超臨界状態の二酸化炭素(CO)は、海水Wとの密度差による浮力で上昇するが、メタンハイドレート生成可能領域S1の下層側(下端側)に存在する一次シール層C1に到達し、さらに、この一次シール層C1を透過したところで、二酸化炭素(CO)が自己ハイドレート化して安定する。これにより、一次シール層C1の上に、二酸化炭素ハイドレートからなる二次シール層C2が形成され、これら一次シール層C1及び二次シール層C2からなる二酸化炭素シール層Cの遮蔽作用によって、二酸化炭素(CO)が海水W中に漏洩するのを確実に防止できる。 The carbon dioxide (CO 2 ) in a liquid or supercritical state injected and stored in the carbon dioxide reservoir G rises due to buoyancy caused by the density difference with the seawater W, and reaches the primary seal layer C1 present at the lower layer (lower end side) of the methane hydrate production possible region S1, and when it permeates this primary seal layer C1, the carbon dioxide (CO 2 ) self-hydrates and stabilizes. As a result, a secondary seal layer C2 made of carbon dioxide hydrate is formed on top of the primary seal layer C1, and the shielding effect of the carbon dioxide seal layer C made of the primary seal layer C1 and secondary seal layer C2 reliably prevents carbon dioxide (CO 2 ) from leaking into the seawater W.

本実施形態の貯留方法においては、二酸化炭素(CO)を、液体状態又は超臨界状態の何れかで、二酸化炭素貯留層Gに向けて圧入することが好ましい。ここで、例えば、二酸化炭素(CO)を気体状態で供給した場合でも、二酸化炭素貯留層Gにおける圧力及び温度の条件下では、二酸化炭素(CO)は液体又は超臨界状態となる。一方、圧入井4を介して二酸化炭素貯留層Gに二酸化炭素(CO)を圧入するにあたっては、気体状態よりも、液体又は超臨界状態で供給する方が、輸送効率に優れるというメリットがある。 In the storage method of this embodiment, it is preferable to inject carbon dioxide (CO 2 ) in either a liquid state or a supercritical state into the carbon dioxide reservoir G. Here, for example, even if carbon dioxide (CO 2 ) is supplied in a gaseous state, carbon dioxide (CO 2 ) will be in a liquid or supercritical state under the pressure and temperature conditions in the carbon dioxide reservoir G. On the other hand, when injecting carbon dioxide (CO 2 ) into the carbon dioxide reservoir G through the injection well 4, there is an advantage in that the transport efficiency is superior to that of supplying carbon dioxide (CO 2 ) in a liquid or supercritical state rather than in a gaseous state.

上述したように、二酸化炭素がハイドレート化する温度は10℃以下であり、且つ、圧力は4.5MPa以上である。このため、本実施形態の貯留方法では、二次シール層C2を形成させる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2が、地中温度が10℃以下の領域であって、且つ、水深450m以深の海底面Fから所定の深さまで存在するように、二酸化炭素(CO)を圧入する深さを調整することが好ましい。例えば、図3の模式図に示すように、太平洋の日本近海において、水深が1000mで、その海底面F付近の水温が5℃であると仮定すると、海底面F下の地層内の地中温度は深くなるにつれて上昇するため、地中温度が10℃以下の範囲で二酸化炭素がハイドレート化し、安定した二酸化炭素ハイドレートからなる二次シール層C2が確保される。 As described above, the temperature at which carbon dioxide hydrates is 10° C. or lower, and the pressure is 4.5 MPa or higher. For this reason, in the storage method of this embodiment, it is preferable to adjust the depth at which carbon dioxide (CO 2 ) is injected so that the carbon dioxide hydrate generation possible region S2 in which the secondary seal layer C2 is formed is a region in which the underground temperature is 10° C. or lower, and exists to a predetermined depth from the seabed surface F at a depth of 450 m or deeper. For example, as shown in the schematic diagram of FIG. 3, assuming that the water depth is 1000 m in the Pacific Ocean off the coast of Japan and the water temperature near the seabed surface F is 5° C., the underground temperature in the stratum below the seabed surface F increases with depth, so that carbon dioxide hydrates when the underground temperature is in the range of 10° C. or lower, and the secondary seal layer C2 made of stable carbon dioxide hydrate is secured.

さらに、本実施形態の貯留方法では、海面Mから600m以深における地中温度が20℃以上であるとき、二酸化炭素(CO)を、当該深さに圧入することが好ましい。このように、二酸化炭素(CO)を、海面Mから600m以深の深さで地層中におけるメタンハイドレート生成可能領域S1の下方に圧入すること、つまり、圧入位置の温度及び圧力の条件が、二酸化炭素が液相状態となるような条件の深さで二酸化炭素(CO)を圧入することで、二酸化炭素がハイドレート化することがなく、圧入井4の出口が目詰まりするのを防止できる効果が得られる。 Furthermore, in the storage method of this embodiment, when the underground temperature at a depth of 600 m or more from the sea level M is 20° C. or higher, it is preferable to inject carbon dioxide (CO 2 ) to that depth. In this manner, by injecting carbon dioxide (CO 2 ) below the methane hydrate production possible region S1 in the stratum at a depth of 600 m or more from the sea level M, that is, by injecting carbon dioxide (CO 2 ) at a depth where the temperature and pressure conditions at the injection position are such that carbon dioxide is in a liquid phase state, it is possible to obtain an effect of preventing carbon dioxide from hydrating and preventing clogging of the outlet of the injection well 4.

上記の工程(2)における、二酸化炭素シール層C(一次シール層C1)の下方への二酸化炭素(CO)の圧入条件としては、特に限定されないが、例えば、地中の温度が20℃のときには、二酸化炭素貯留層Gにおける圧力が6MPa以上となるように、二酸化炭素(CO)を注入・圧入することが好ましい。 The conditions for injecting carbon dioxide (CO 2 ) below the carbon dioxide sealing layer C (primary sealing layer C1) in the above step (2) are not particularly limited. For example, when the underground temperature is 20° C., it is preferable to inject/pressure carbon dioxide (CO 2 ) so that the pressure in the carbon dioxide reservoir G is 6 MPa or more.

また、二酸化炭素(CO)の圧入に関して、地中の温度に基づいて二酸化炭素(CO)を圧入する深さを調整することで、二酸化炭素(CO)を、例えば、液体又は超臨界状態で安定させた状態で圧入することが可能になる。 In addition, regarding the injection of carbon dioxide (CO 2 ), by adjusting the depth at which carbon dioxide (CO 2 ) is injected based on the underground temperature, it becomes possible to inject carbon dioxide (CO 2 ) in a stable state, for example, in a liquid or supercritical state.

なお、本実施形態においては、一次シール層C1及び二次シール層C2からなる二酸化炭素シール層Cを含むメタンハイドレート生成可能領域S1の全地層厚については特に限定されない。しかしながら、二酸化炭素シール層Cを含むメタンハイドレート生成可能領域S1全体のシール性を向上させるため、即ち、二酸化炭素貯留層Gに貯留された二酸化炭素(CO)が海水W中に漏洩するのを確実に防止するため、メタンハイドレート生成可能領域S1を、少なくとも100m以上で確保することが好ましい。このように、メタンハイドレート生成可能領域S1の地層厚を所望の厚さで確保する方法としては、例えば、事前調査により、海底面F下の地層中の温度と圧力の状況や、メタンハイドレートの位置等を十分に把握した上で、圧入井4による二酸化炭素(CO)の圧入深さ(圧入深さ)を最適化すること等が挙げられる。 In this embodiment, the total layer thickness of the methane hydrate formable region S1 including the carbon dioxide seal layer C consisting of the primary seal layer C1 and the secondary seal layer C2 is not particularly limited. However, in order to improve the sealing property of the entire methane hydrate formable region S1 including the carbon dioxide seal layer C, that is, in order to reliably prevent the carbon dioxide (CO 2 ) stored in the carbon dioxide reservoir G from leaking into the seawater W, it is preferable to secure the methane hydrate formable region S1 at least 100 m. In this way, as a method for securing the layer thickness of the methane hydrate formable region S1 at a desired thickness, for example, the injection depth of carbon dioxide (CO 2 ) by the injection well 4 can be optimized after fully understanding the temperature and pressure conditions in the layer below the seabed surface F and the position of methane hydrate by a preliminary survey.

なお、二酸化炭素ハイドレートからなる二次シール層C2を形成する二酸化炭素は、上記のように、二酸化炭素貯留層Gに圧入された後に上昇して一次シール層C1を透過した二酸化炭素である。一方、二次シール層C2は、例えば、一次シール層C1に注入された二酸化炭素により、一次シール層C1を構成するメタンハイドレートの一部が二酸化炭素ハイドレートに置換されたものに由来する層であってもよい。 The carbon dioxide that forms the secondary sealing layer C2 made of carbon dioxide hydrate is carbon dioxide that rises after being injected into the carbon dioxide reservoir G and permeates the primary sealing layer C1, as described above. On the other hand, the secondary sealing layer C2 may be a layer that is derived from, for example, the carbon dioxide injected into the primary sealing layer C1 replacing part of the methane hydrate that constitutes the primary sealing layer C1 with carbon dioxide hydrate.

また、本実施形態の貯留方法においては、一次シール層C1は、基本的には、地層中に存在するメタン由来のメタンハイドレートからなる層であり、元々、地層中に存在するメタンハイドレートを利用するものであるが、これに限定されるものではない。例えば、メタンハイドレートからなる一次シール層C1が、人工的に生成させたメタンハイドレートを含み、且つ、メタンハイドレート飽和率が低い層であってもよい。即ち、二次シール層C2を構成する二酸化炭素ハイドレートと同様の低浸透性を有する、人工的に生成させたハイドレート、具体的には、人工のメタンハイドレートや窒素ハイドレート、あるいは、人工のTBAB(テトラブチルアンモニウムブロミド)系セミクラスレートハイドレート等、各種の様々な人工ハイドレートを一次シール層C1に利用することも可能である。 In addition, in the storage method of this embodiment, the primary seal layer C1 is basically a layer consisting of methane hydrate derived from methane present in the stratum, and uses methane hydrate originally present in the stratum, but is not limited to this. For example, the primary seal layer C1 consisting of methane hydrate may be a layer containing artificially generated methane hydrate and having a low methane hydrate saturation rate. In other words, it is also possible to use various artificial hydrates, such as artificially generated hydrates having low permeability similar to that of the carbon dioxide hydrate constituting the secondary seal layer C2, specifically artificial methane hydrate or nitrogen hydrate, or artificial TBAB (tetrabutylammonium bromide)-based semiclathrate hydrate, in the primary seal layer C1.

<作用効果>
以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素の地中貯留方法によれば、上記のように、二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域S1を特定する工程(1)と、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方の未固結堆積層Uに二酸化炭素を圧入する工程(2)と、を備えた方法を採用している。
このように、メタンハイドレート生成可能領域S1よりも下方に二酸化炭素を圧入することで、二酸化炭素の一部がメタンハイドレート生成可能領域S1側に上昇しても、メタンハイドレート生成可能領域S1は浸透率が低いので、一次シール層C1として機能して二酸化炭素を閉じ込める。上記の一次シール層C1は低浸透率ではあるものの、わずかな割合での浸透は生じるため、二酸化炭素の一部が一次シール層C1を通過してしまう可能性がある。一方、一次シール層C1を通過した二酸化炭素は、メタンハイドレート生成可能領域S1における上層側の二酸化炭素ハイドレート生成可能領域S2に到達すると、二酸化炭素ハイドレートが生成されることによって二酸化炭素ハイドレート層を形成する。これにより、二酸化炭素シール層Cが、メタンハイドレート生成可能領域S1における下層側を一次シール層C1とするとともに、二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層C2とした2段階のマルチシール機能を有するものとなるので、下方に貯留した二酸化炭素に対する二酸化炭素シール層の遮蔽性能が高められる。
従って、二酸化炭素シール層Cの下方に注入した二酸化炭素を確実に封じ込めることができるので、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能となる。
<Action and effect>
As described above, the method for underground storage of carbon dioxide in this embodiment employs a method including the step (1) of identifying a methane hydrate production potential region S1 that includes a carbon dioxide hydrate production potential region S2 and is made up of an unconsolidated sedimentary layer in which methane hydrate is present, and the step (2) of injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer U below the methane hydrate production potential region S1.
In this way, by injecting carbon dioxide below the methane hydrate generation possible region S1, even if a part of the carbon dioxide rises to the methane hydrate generation possible region S1 side, the methane hydrate generation possible region S1 has a low permeability, so it functions as a primary seal layer C1 and traps the carbon dioxide. Although the above-mentioned primary seal layer C1 has a low permeability, a small percentage of permeation occurs, so there is a possibility that a part of the carbon dioxide passes through the primary seal layer C1. On the other hand, when the carbon dioxide that has passed through the primary seal layer C1 reaches the carbon dioxide hydrate generation possible region S2 on the upper side of the methane hydrate generation possible region S1, carbon dioxide hydrate is generated to form a carbon dioxide hydrate layer. As a result, the carbon dioxide seal layer C has a two-stage multi-seal function in which the lower layer side in the methane hydrate generation possible region S1 is the primary seal layer C1 and the carbon dioxide hydrate layer is the secondary seal layer C2, so that the shielding performance of the carbon dioxide seal layer against the carbon dioxide stored below is improved.
Therefore, the carbon dioxide injected below the carbon dioxide sealing layer C can be reliably sealed, making it possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide.

<その他の形態>
なお、本発明の技術的範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
<Other forms>
The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の二酸化炭素の地中貯留方法は、二酸化炭素ハイドレートを含む二酸化炭素シール層の下方に注入した二酸化炭素を確実に封じ込めることができ、大量の二酸化炭素を効率良く貯留することが可能なものである。従って、本発明の地中貯留方法は、例えば、各種プラントにおいて、化石燃料を用いて発電しながら二酸化炭素を回収し、この二酸化炭素を地中に貯留することで排出量を削減する用途等において非常に好適である。 The underground carbon dioxide storage method of the present invention can reliably seal the carbon dioxide injected below the carbon dioxide sealing layer containing carbon dioxide hydrate, and can efficiently store large amounts of carbon dioxide. Therefore, the underground storage method of the present invention is highly suitable for applications such as capturing carbon dioxide while generating power using fossil fuels in various plants and storing this carbon dioxide underground to reduce emissions.

1…地中貯留装置(貯留装置)
2…二酸化炭素供給源
3…圧送設備
4…圧入井
5…船舶
L…供給ライン
W…海水
M…海面
F…海底面(海底)
U…未固結堆積層
S1…メタンハイドレート生成可能領域
S2…二酸化炭素ハイドレート生成可能領域
C…二酸化炭素シール層
C1…一次シール層(メタンハイドレート層)
C2…二次シール層(二酸化炭素ハイドレート層)
G…二酸化炭素貯留層
1... Underground storage device (storage device)
2... Carbon dioxide supply source 3... Pressure pumping equipment 4... Injection well 5... Ship L... Supply line W... Seawater M... Sea surface F... Seabed (ocean floor)
U: Unconsolidated sedimentary layer S1: Possible methane hydrate generation area S2: Possible carbon dioxide hydrate generation area C: Carbon dioxide sealed layer C1: Primary sealed layer (methane hydrate layer)
C2: Secondary sealing layer (carbon dioxide hydrate layer)
G: Carbon dioxide reservoir

Claims (9)

二酸化炭素を単独あるいは該二酸化炭素を主成分とする混合物の状態で、堆積物からなる海底面下の地層中に貯留する方法であって、
海底面から所定の深さの範囲で、且つ、二酸化炭素ハイドレートを生成可能な圧力条件及び温度条件を満たす地層からなる二酸化炭素ハイドレート生成可能領域を含み、且つ、メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層からなるメタンハイドレート生成可能領域を特定する工程(1)と、
前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に前記二酸化炭素を圧入する工程(2)と、を備える、二酸化炭素の地中貯留方法。
A method for storing carbon dioxide alone or in a state of a mixture mainly composed of carbon dioxide in a sub-sea bottom layer made of sediments, comprising the steps of:
A step (1) of identifying a methane hydrate production possible region, the methane hydrate production possible region including a carbon dioxide hydrate production possible region made of a geological layer satisfying pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate within a range of a predetermined depth from the seabed surface and made of an unconsolidated sedimentary layer containing methane hydrate;
and (2) injecting the carbon dioxide into an unconsolidated sediment layer below the area where methane hydrate can be produced.
前記工程(2)は、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素貯留層を形成するとともに、該二酸化炭素貯留層に圧入された前記二酸化炭素の少なくとも一部が前記メタンハイドレート生成可能領域側に上昇し、該メタンハイドレート生成可能領域における下層側を通過して、前記メタンハイドレート生成可能領域における上層側の前記二酸化炭素ハイドレート生成可能領域に二酸化炭素ハイドレートが生成されることで二酸化炭素ハイドレート層を形成することにより、前記メタンハイドレート生成可能領域における下層側を一次シール層とするとともに、前記二酸化炭素ハイドレート層を二次シール層とした二酸化炭素シール層を形成する、請求項1に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The carbon dioxide underground storage method according to claim 1, wherein the step (2) forms a carbon dioxide reservoir in an unconsolidated sedimentary layer below the region where methane hydrate can be produced, and at least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir rises toward the region where methane hydrate can be produced and passes through the lower layer of the region where methane hydrate can be produced, thereby forming a carbon dioxide hydrate layer in the region where carbon dioxide hydrate can be produced on the upper side of the region where methane hydrate can be produced, thereby forming a carbon dioxide hydrate layer, with the lower layer of the region where methane hydrate can be produced being a primary seal layer and the carbon dioxide hydrate layer being a secondary seal layer. 前記工程(2)は、前記メタンハイドレートが賦存する未固結堆積層のうち、前記メタンハイドレートの非濃集帯である領域を特定し、該メタンハイドレートの非濃集帯における、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に二酸化炭素を圧入する、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The carbon dioxide underground storage method according to claim 1 or 2, wherein the step (2) involves identifying an area of the unconsolidated sedimentary layer containing the methane hydrate that is a non-concentrated zone of the methane hydrate, and injecting carbon dioxide into the unconsolidated sedimentary layer in the non-concentrated zone of the methane hydrate that is below the area where methane hydrate can form. 前記メタンハイドレートの非濃集帯は、前記地層中に存在するメタン由来のメタンハイドレートを含み、且つ、該メタンハイドレートを用いたメタンガスの生産によってメタンハイドレート飽和率が低下した領域からなる、請求項3に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 3, wherein the non-concentrated zone of methane hydrate comprises a region that contains methane hydrate derived from methane present in the stratum and in which the methane hydrate saturation rate has decreased due to the production of methane gas using the methane hydrate. 前記メタンハイドレートの非濃集帯が、人工的に生成させたメタンハイドレートを含み、且つ、メタンハイドレート飽和率が低い層からなる、請求項3に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 3, wherein the non-concentrated zone of methane hydrate contains artificially produced methane hydrate and is composed of a layer with a low methane hydrate saturation rate. 前記工程(2)は、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に前記二酸化炭素を圧入する圧力が6MPa以上である、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 1 or 2, wherein in step (2), the pressure at which the carbon dioxide is injected into the unconsolidated sediment layer below the area where methane hydrate can form is 6 MPa or more. 前記工程(2)は、前記二酸化炭素を、液体状態又は超臨界状態で、前記メタンハイドレート生成可能領域よりも下方の未固結堆積層に圧入する、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 1 or 2, wherein the step (2) comprises injecting the carbon dioxide in a liquid state or a supercritical state into an unconsolidated sediment layer below the area where methane hydrate can be generated. 前記二酸化炭素ハイドレート生成可能領域は、地中温度が10℃以下の領域であり、且つ、水深450m以深の海底面から所定の深さまで存在する、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 1 or 2, wherein the region where carbon dioxide hydrate can be generated is a region where the underground temperature is 10°C or less, and exists from the seabed surface to a predetermined depth at a depth of 450 m or more. 前記工程(2)は、海面から600m以深における地中温度が20℃以上であるとき、前記二酸化炭素を当該深さに圧入する、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素の地中貯留方法。 The method for underground storage of carbon dioxide according to claim 1 or 2, wherein in step (2), the carbon dioxide is injected to a depth of 600 m or more below sea level when the underground temperature at that depth is 20°C or higher.
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