JP5315346B2 - 貯留物質の貯留装置および貯留物質の貯留方法 - Google Patents

Description

本発明は、地下の塩水性帯水層へ二酸化炭素、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きい物質およびメタンの内、少なくとも１種を含む貯留物質を注入し、貯留物質を塩水性帯水層へ貯留するための、貯留物質の貯留装置および貯留物質の貯留方法に関するものである。

現在、温室効果ガスとしての二酸化炭素に対し、大気中への排出量の低減が急務となっている。二酸化炭素の排出量を低減するためには、二酸化炭素自体の発生量を抑える方法の他に、二酸化炭素を地中へ貯留する方法が検討されている。

年間１００万トン規模の大量の二酸化炭素を地中へ貯留する方法としては、地層内へ二酸化炭素を注入する方法がある。図１３は二酸化炭素貯留装置８０を示す図である。管体である注入井８７が二酸化炭素を貯留する貯留層９１まで延伸される。二酸化炭素タンク８１に貯蔵されている二酸化炭素は、圧送装置８３によって注入井８７を介して、貯留層９１へ注入される。

この場合、貯留層９１内へ二酸化炭素を注入した後、二酸化炭素が地上へ浸み出してこないことが望ましい。したがって、図１３に示すように、貯留層９１上方に、背斜構造（上方への凸形状）を有するシール層８９の存在が必要である。シール層８９は、例えば粘土質等の二酸化炭素の通過しにくい地層である。

地下に注入された二酸化炭素は、シール層８９によって地上に浸み出すことはない。しかし、このような上への凸形状のシール層８９を有する地層は限られた場所にしか存在せず、適用可能な場所が限定される。

そこで、シール層８９が背斜構造ではなく単斜構造であるような場所でも適用可能な方法として、地下の塩水性帯水層に存在する地層水に二酸化炭素を溶解させ、地下水中に二酸化炭素を効率良く貯留する方法が検討されている。

たとえば、二酸化炭素をマイクロバブル化し、水または海水中に分散させ、マイクロバブルが分散した水を海中に溶解させることで、二酸化炭素をハイドレートのマイクロ粒子にして海洋地底に投棄する方法がある（特許文献１）。

また、帯水層の地層水を汲み上げ、二酸化炭素を微細気泡化して気液混合流体として帯水層へ注入する方法がある（特許文献２、特許文献３）。

特開２００４−５０１６７号公報 特開２００８−６３６７号公報 特開２００８−１９６４４号公報

しかし、特許文献１に記載されたように、マイクロバブル化した後にハイドレート粒子にして海洋に貯留する方法においては、一般に１０℃をわずかに上回る二酸化炭素をハイドレート化するためには１０ＭＰａを超す高い圧力が必要となることから、その利用は１０℃以下の環境に限られると考えられ、より高温での環境下では効率良く二酸化炭素を貯留することが困難であるという問題がある。

また、従来の旋回流の発生装置等による方法では、装置が複雑であり、地下環境でマイクロバブルを発生させるためには、よりシンプルな構造が要求される。

また、特許文献２、特許文献３に記載された手法は、帯水層にある地層水を一旦汲み上げて気液混合状態にして、再び帯水層へ注入しており、注入井のほかに地層水を汲みあげるための揚水井や、揚水のためのポンプが必要となり、システム全体が大掛かりなものとなり、また、貯留のための動力もかさむといった問題がある。さらに、帯水層への注入圧力は、揚水井での吸い出し圧力とバランスさせる必要があり、揚水量と注入量とを一致させる必要があることから、二酸化炭素を有効に貯留できないという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、二酸化炭素や油田等で発生するフレアガスの成分である硫化水素やメタンなどの貯留物質を直接地下の塩水性帯水層へ注入し、塩水性帯水層に効率良く二酸化炭素等を貯留させることが可能な貯留物質の貯留装置、および貯留物質の貯留方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、地下に貯留物質を貯留する貯留装置であって、塩水性帯水層へ達する注入井と、前記注入井へ二酸化炭素、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きい物質およびメタンの内、少なくとも１種を含む貯留物質を圧送する圧送装置と、前記注入井の先端近傍に設けられた多孔質部材と、を具備し、前記注入井内へ圧送される貯留物質を、前記多孔質部材を介して前記塩水性帯水層へ注入することが可能であり、前記多孔質部材から前記塩水性帯水層へ注入される貯留物質は、超臨界状態であることを特徴とする貯留物質の貯留装置である。

特に、前記多孔質部材から前記塩水性帯水層へ貯留物質が注入される際に、貯留物質のマイクロバブルが発生させることが望ましい。

前記多孔質部材は、セラミックス製の粒子と、前記粒子を結合する結合剤とを混合して焼成したものであり、孔径分布の最頻値が４０μｍ以下であり、孔径分布の半値全幅が１０μｍ以下であってもよく、前記多孔質部材はステンレス製の焼結フィルタであってもよい。また、ガス田、油田またはオイルサンドのいずれかに達する生産井を更に具備し、前記生産井からはガス、石油または重油を採取可能であってもよく、この場合、前記生産井より分離された水を、前記注入井へ圧送される貯留物質と混合し、前記貯留物質と前記水の混合物を前記塩水性帯水層へ注入可能であってもよい。

第１の発明によれば、二酸化炭素等の貯留物質を注入する注入井の先端に多孔質部材が設けられるため、多孔質部材を通過する貯留物質が塩水性帯水層へ効率良く溶解させることができる。

ここで、多孔質部材とは、線状や粒子状などの物質を、焼結その他の方法で結合させた部材、または、発泡などの方法で連通した空間を有する発泡部材などのように、表裏に連通する多数の孔を有する部材である。

また、注入される貯留物質がマイクロバブル化することにより、貯留物質の塩水性帯水層への溶解が促進される。特に、貯留物質が臨界状態であれば、貯留物質を効率良くマイクロバブル化することができる。また、多孔質部材がステンレス製の焼結フィルタであれば、多孔質部材を通過する貯留物質を塩水性帯水層へ効率良く溶解させることができ、または、多孔質部材として、セラミックス製の粒子と、前記粒子を結合する結合剤とを混合して焼成したものであり、孔径分布の最頻値が４０μｍ以下であり、孔径分布の半値全幅が１０μｍ以下のものを用いれば、貯留物質を塩水性帯水層へより効率良く溶解させることができる。このような多孔質部材は、例えば粒子の５０％累積粒径が４０μｍ以下であり、かつ、粒子の５０％累積粒径の誤差が２．５μｍ以下であるセラミックス製の粒子と結合材とを混合焼成することで得ることができる。このような多孔質部材としては、たとえば精密研磨用微粉からなる砥石が使用できる。なお、孔径分布の半値全幅とは、対象物質の孔径の分布として、微分細孔容積分布を縦軸、孔径（孔径の対数）を横軸とした場合に特定される孔径分布曲線において、微分細孔容積分布の最大値に対する半値での孔径分布幅をいう。

なお、マイクロバブルとは１ｍｍ未満の気泡（超臨界状態を含む）または液滴を指す。

また、ガス田等からの生産井を用い、石油等を採取するとともに、石油等と同時に採取された水を貯留物質と混合して塩水性帯水層へ注入すれば、貯留物質を地中に貯留しながら石油等の増進回収ができる。

第２の発明は、塩水性帯水層へ達する注入井の先端近傍に多孔質部材を設け、前記多孔質部材を介して前記塩水性帯水層へ超臨界状態の二酸化炭素、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きい物質およびメタンの内、少なくとも１種を含む貯留物質を注入することを特徴とする塩水性帯水層への貯留物質の貯留方法である。

前記多孔質部材により、前記塩水性帯水層内へ貯留物質のマイクロバブルを生じさせることが望ましい。

第２の発明によれば、二酸化炭素等の貯留物質を注入する注入井の先端に多孔質部材が設けられるため、多孔質部材を通過する貯留物質を塩水性帯水層へ効率良く溶解させることができる。また、貯留物質がマイクロバブル化すれば、貯留物質の塩水性帯水層への溶解が促進される。特に、貯留物質が臨界状態であれば、貯留物質を効率良くマイクロバブル化することができ、このため塩水性帯水層へ効率良く貯留物質を溶解させることができる。

本発明によれば、貯留物質を直接地下の塩水性帯水層へ注入し、塩水性帯水層に効率良く貯留物質を貯留させることが可能な貯留物質の貯留装置、および貯留物質の貯留方法を提供することができる。

二酸化炭素貯留装置１を示す図。 フィルタ１３近傍の拡大図。 二酸化炭素貯留装置２０を示す図。 二酸化炭素貯留装置３０を示す図。 二酸化炭素貯留試験装置４０を示す図。 孔径分布曲線を示す模式図。 ビトリファイド砥石フィルタ表面の走査電子顕微鏡写真を示す図。 ステンレスフィルタ表面の走査電子顕微鏡写真を示す図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す模式図。 マイクロバブル化せず気泡７９が発生した状態を示す図。 マイクロバブル化せず気泡７９が発生した状態を示す模式図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す模式図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す模式図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す図。 マイクロバブル７５の発生状態を示す模式図。 二酸化炭素貯留装置８０を示す図。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る二酸化炭素貯留装置１を示す図である。二酸化炭素貯留装置１は、主に二酸化炭素タンク３、圧送装置５、注入井９、フィルタ１３等から構成される。なお、以下の実施形態では、貯留物質として二酸化炭素の例を示すが、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きいアセチレン、アンモニア、二酸化硫黄、塩化水素、塩素、硫化水素等やメタンであっても同様である。

工場等で排出された二酸化炭素は回収され、二酸化炭素タンク３に貯留される。なお、二酸化炭素発生源が隣接する場合には、二酸化炭素タンク３へ直接配管等を接続して貯留を行ってもよい。

二酸化炭素タンク３は圧送装置５と接続される。圧送装置５は、図示を省略したポンプ、圧力調整弁、バルブ、温度調整器等から構成される。圧送装置５には管体である注入井９が接合されている。注入井９は、地面７下に向けて延伸され、塩水性帯水層１１まで達するように設けられる。塩水性帯水層１１は、砂や砂利等とともに地下に存在する地層である。なお、塩水性帯水層１１の上部には図示を省略したシール層（いわゆるキャップロック）が存在する。

注入井９の先端には、多孔質部材であるフィルタ１３が設けられる。フィルタ１３としては、たとえばセラミックス製の粒子と、前記粒子を結合する結合剤とを混合して焼成した部材や、ステンレス製の焼結フィルタが使用できる。なお、フィルタ１３の孔径は、細かければよりマイクロバブルを発生させやすいが、流体の通過抵抗が大きくなるため、二酸化炭素の流量を大きくするための圧送装置５が大型化する。また、フィルタ１３の孔径を大きくすれば、流体の通過抵抗は小さくなるが、マイクロバブル化の効率が劣る。フィルタ１３の孔径としては、例えば２０〜４０μｍ程度のものが使用できる。

ここで、特に好ましいフィルタ１３としては、多孔質部材の孔径分布の最頻値が４０μｍ以下であり、そのばらつき（半値全幅）は１０μｍ以下であることが望ましい。このような多孔質部材としては、多孔質部材を構成するセラミックス製の粒子の５０％累積粒径が４０μｍ以下であり、かつ、粒子の５０％累積粒径の誤差が２．５μｍ以下である部材であり、たとえば、前記した粒子と結合剤とを混合・焼成して形成されたビトリファイド研削砥石（以下のＪＩＳで規定された＃３２０以上の砥石）である。

なお、粒子の累積粒度および粒径の誤差は日本工業規格ＪＩＳ Ｒ６００１：１９９８の「４．粒径分布」およびＪＩＳ Ｒ６００２：１９９８の「８．電気抵抗試験方法」（ＩＳＯ ８４８６−１：１９９６、ＩＳＯ ８４８６−２：１９９６）によるものである。また、フィルタ１３の孔径の測定は、ＪＩＳ Ｒ１６５５：２００３に規定される水銀ポロシメータによるものである。

二酸化炭素タンク３内に貯留される二酸化炭素は、圧送装置５によって圧送される。圧送装置５は、二酸化炭素タンク３内の二酸化炭素をポンプで注入井９へ送り込む。この際、圧送装置５は、圧力調整弁、温度調整器等により、所定圧力、所定温度の状態で二酸化炭素を圧送することができる。例えば、二酸化炭素を超臨界状態で圧送することもできる。なお、二酸化炭素を超臨界状態とするためには、二酸化炭素の温度を３１℃以上かつ圧力を７．４ＭＰａ以上とすればよい。

例えば超臨界状態となった二酸化炭素は、注入井９を矢印Ａ方向に送られ、注入井９の端部に設けられたフィルタ１３を通過して塩水性帯水層１１へ注入される。

図２は、注入井９の先端近傍を示す断面図である。注入井９の下端近傍の側面にはリング状のフィルタ１３が設けられる。なお、注入井９の下端（底面）は閉じられており、内部を流れる二酸化炭素はフィルタ１３から塩水性帯水層１１へ噴射される。注入井９内を通過した二酸化炭素は、フィルタ１３を通過して周囲の塩水性帯水層１１へ噴射される際、フィルタ１３によってマイクロバブル化する。特に、二酸化炭素が超臨界状態であると、マイクロバブル化が促進される。

塩水性帯水層１１内へマイクロバブルとして注入された二酸化炭素は、噴射の際（図中矢印Ｂ）またはその後の浮上の際（図中矢印Ｃ）に塩水性帯水層１１内へ溶解する。二酸化炭素がマイクロバブル化することで、二酸化炭素の塩水性帯水層１１内への滞留時間が長くなり（マイクロバブル１５の塩水性帯水層１１内での浮上速度が極めて遅くなるため）、また、単位量当たりの塩水性帯水層１１との接触面積を大きくできるため、二酸化炭素の塩水性帯水層１１への溶解を極めて効率良く進行させることができる。

また、塩水性帯水層１１内をゆっくりと移動しながら塩水性帯水層１１へ溶解する二酸化炭素は、塩水性帯水層１１の周囲に存在する岩石鉱物等との化学反応によって、炭酸塩などの化合物を形成する。したがって、二酸化炭素は塩水性帯水層のみならず地下や海底下に炭酸化合物として固定することができる。

次に、本発明にかかる二酸化炭素の貯留方法の他の実施形態について説明する。図３は、二酸化炭素貯留装置２０を示す図である。なお、以下の実施の形態において、図１に示す二酸化炭素貯留装置１と同一の機能を果たす構成要素には、図１と同一番号を付し重複した説明を省略する。

二酸化炭素貯留装置２０は、二酸化炭素貯留装置１に対して、注入井９ａ、９ｂが複数設けられる点で異なる。地下に、浸透性の低い泥岩層と浸透性の高い砂岩層とが交互に存在するような砂泥互層が形成される場合には、塩水性帯水層１１ａ、１１ｂが存在するそれぞれの複数の砂岩層へ達するように、注入井９ａ、９ｂがそれぞれ設けられる。二酸化炭素貯留装置２０は、それぞれの注入井９ａ、９ｂによって、塩水性帯水層１１ａ、１１ｂへ二酸化炭素を同時に、または個別に注入することができる。したがって、効率良く二酸化炭素を塩水性帯水層１１ａ、１１ｂへ注入することができる。

図４は、二酸化炭素貯留装置３０を示す図である。二酸化炭素貯留装置３０は、二酸化炭素貯留装置１に対して、海面３１上へ設置される点で異なる。海底３３下方に存在する塩水性帯水層１１へ効率良く二酸化炭素を貯留するために、二酸化炭素貯留装置３０は海面３１へ設けられる。二酸化炭素貯留装置３０は、海底３３下の塩水性帯水層１１へ効率良く二酸化炭素を貯留することができる。また、二酸化炭素を二酸化炭素タンク３へ運搬する手段として船舶を用い、船舶から直接二酸化炭素を二酸化炭素タンク３へ補充することができる。

本発明にかかる二酸化炭素の貯留方法について、マイクロバブルの発生状況の確認を行った。図５は二酸化炭素貯留試験装置４０を示す図である。

二酸化炭素貯留試験装置４０は、二酸化炭素タンク４１、圧力調整弁４５、５５、水タンク５１、シリンジポンプ４３、５３、圧力容器６３等から構成される。

二酸化炭素タンク４１には二酸化炭素が貯留される。二酸化炭素タンク４１にはシリンジポンプ４３、圧力調整弁４５、バルブ４７が配管４９によって接続される。シリンジポンプ４３は、二酸化炭素を圧力容器６３へ圧送する。なお、二酸化炭素は圧力調整弁４５により任意の圧力に調整が可能であり、また図示を省略した温度調整器によって、圧力容器６３へ圧送される二酸化炭素を任意の温度に調整することができる。

水タンク５１内には、水が充填される。水タンク５１には、シリンジポンプ５３、圧力調整弁５５、バルブ５７が配管５９によって接続される。シリンジポンプ５３は、水を圧力容器６３へ圧送する。なお、二酸化炭素と同様に、水は圧力調整弁５５により任意の圧力に調整が可能であり、また図示を省略した温度調整器によって、圧力容器６３へ圧送される水を任意の温度に調整することができる。

配管５９は配管４９と接合される。したがって、バルブ４７、５７を調整することで、二酸化炭素単体または二酸化炭素と水の混合物を圧力容器６３へ圧送することができる（図中矢印Ｄ方向）。

圧力容器６３と配管４９との接合部には、フィルタ６１が設けられる。フィルタ６１は直径５０ｍｍで５ｍｍ厚さの円板状の形状である。フィルタ６１は交換が可能であり、たとえば孔径を変更して試験を行うことができる。

圧力容器６３には互いに対向する側面に照明窓６７および撮影窓７１が設けられる。照明窓６７および撮影窓７１は透明な窓であり、内部の様子を確認することができる。照明窓６７からは、外部に設置された照明６９によって内部が照射される。対向する位置に設けられた撮影窓７１の外部にはカメラ７３が設置される。カメラ７３は、照明６９によって照らされた圧力容器６３内の様子を撮影することができる。なお、カメラ７３はハイスピードカメラであり、フィルタ６１を通過して圧力容器６３内へ注入された二酸化炭素の状態を知ることができる。

圧力容器６３内には、所定の圧力の水が充填されている。また、圧力容器６３には、排出弁６５が設けられる。排出弁６５は、圧力容器６３内へ二酸化炭素等が注入されても、圧力容器６３内が一定の圧力に保持されるように機能する。すなわち、注入された二酸化炭素等によって圧力が上昇すると、上昇した圧力が定常な状態となるように内部の水等を排出する。なお、圧力容器６３内の水が、模擬的な塩水性帯水層に該当する。

二酸化炭素貯留試験装置４０を使用して、圧力容器６３内へ種々の状態で注入した二酸化炭素の状態を観察した。圧力容器６３へ注入する二酸化炭素としては、液体状態、気体状態、および超臨界状態とした。フィルタ６１としては、孔径（規格）２０μｍおよび４０μｍのステンレス焼結フィルタと、孔径（規格）２８μｍおよび４０μｍのビトリファイド砥石を使用した。なお、孔径４０μｍ（規格）のステンレス焼結フィルタと、孔径２８μｍおよび４０μｍ（規格）のビトリファイド砥石を全自動細孔径分布測定装置（ＱＵＡＮＴＡ Ｃｒｏｍｅ社製 Ｐｏｒｅ Ｍａｓｔｅｒ ６０−ＧＴ）にて測定した。結果を表１に示す。

表１に示すように、ビトリファイド砥石は、呼び径に対してやや孔径が小さく、特に、半値全幅がステンレス焼結フィルタと比較して極めて小さい。すなわち、ビトリファイド砥石は孔径のばらつきが小さく、孔径のサイズがステンレス焼結フィルタに対して揃っていることが分かる。ここで、孔径分布の半値全幅とは、対象物質の孔径の分布として、微分細孔容積分布を縦軸、孔径（孔径の対数）を横軸とした場合に特定される孔径分布曲線において、微分細孔容積分布の最大値に対する半値での孔径分布幅をいう。図６は、孔径分布を示す模式図である。図６に示すように、孔径分布は、縦軸を微分細孔容積分布（−ｄＶ／ｄ（ｌｏｇＤ））とし、横軸に孔径をとることで得ることができる。微分細孔容積分布は、測定ポイントのばらつきおよび孔径の対数プロットを考慮して、孔径毎の細孔容積である差分細孔容積ｄＶを、孔径の対数扱いでの差分値ｄ（ｌｏｇＤ）で割った値である。半値全幅とは、図６に示す例では、分布曲線の最大微分細孔容積分布Ｆの半分の値Ｇにおける曲線の分布幅Ｈである。ビトリファイド砥石を用いれば、孔径分布のばらつき（半値全幅）は概ね１０μｍ以下とすることができる。このような孔径ばらつきとなるように、セラミックス製（アルミナおよびチタン酸化物）の粒子として、５０％累積粒径が４０μｍ以下であり、かつ、粒子の５０％累積粒径の誤差が２．５μｍ以下のものを用いた。なお、用いたビトリファイド砥石は、松永砥石株式会社製のアルミナ研削砥石である。

図７Ａは、孔径４０μｍのビトリファイド砥石、図７Ｂは孔径４０μｍのステンレス焼結フィルタのフィルタ表面の写真である。前述の通り、ビトリファイド砥石は、ステンレス焼結フィルタと比較して、同一孔径（規格）であっても孔径ばらつきが小さい。これは、ビトリファイド砥石の粒度ばらつき（２．５μｍ以下）が小さいためである。

なお、二酸化炭素単体の場合のほか、二酸化炭素と水との混合物を圧力容器６３へ注入した際の状態を確認した。なお、圧力容器６３に注入された二酸化炭素の状態としては、マイクロバブルがどの程度発生したかを観察した。

表２は各試験の条件および結果を示す。表２において、「流量」、「温度」、「圧力」は、それぞれ圧力容器へ注入する二酸化炭素の流量、温度、圧力を示し、この際の二酸化炭素の状態がＣＯ_２状態である。「ＣＯ_２状態」における「超臨界」とは、超臨界状態の二酸化炭素であることを示す。また、「フィルタ種類」において「ＳＵＳ焼結」はステンレス焼結フィルタであり、「砥石」はビトリファイド砥石であり、また、「フィルタ」はフィルタの孔径（規格）を示し、「水の混入」が「あり」とは、水タンク５１からの水を二酸化炭素と混合して圧力容器６３へ注入する場合を示す。

マイクロバブルの発生状況としては、１ｍｍ以上の気泡（超臨界状態を含む）または液滴（以下、気体、液体もしくは超臨界状態を問わず単に「気泡」と称する）が確認されても、１ｍｍ未満のマイクロバブルが多数発生すれば「Ａ」とした。また、発生した気泡のほとんどが１ｍｍ以上であっても、わずかながらにマイクロバブルが確認された場合には「Ｂ」とした。すべてが１ｍｍ以上の気泡である場合には「Ｃ」とした。また、Ａと比較しても特に均一かつ大量のマイクロバブルが観察されたものを「Ｓ」とした。

表２において、試験Ｎｏ．１〜３を比較すると分かるように、フィルタ孔径を２０μｍとして、同一の流量（２ｍｌ／ｍｉｎ）とした場合、超臨界状態の二酸化炭素を注入した場合に（試験Ｎｏ．３）、マイクロバブルがよく発生した。一方、気体状態の二酸化炭素（試験Ｎｏ．１）および液体状態の二酸化炭素（試験Ｎｏ．２）ではマイクロバブルは発生しなかった。また、超臨界状態の二酸化炭素は、流量を１０ｍｌ〜４０ｍｌと増してもマイクロバブル化した（試験Ｎｏ．４〜６）。

図８Ａ、図８Ｂは試験Ｎｏ．５におけるマイクロバブルの発生状況を示す例である。図８Ａはカメラ７３により撮影された映像であり、図８Ｂは図８Ａの模式図である。なお、図中右側が圧力容器６３の下側であり、図中左側が圧力容器６３の上側である。

図８Ｂに示すように、圧力容器６３の下方（図面向かって右側）より二酸化炭素を注入すると、二酸化炭素は圧力容器６３内の水中を矢印Ｅ方向へ噴射される。この際、多少の気泡７９が生じるものの、非常に細かなマイクロバブル７５が確認された。マイクロバブル７５は、図面向かって左側（圧力容器６３の上方）へ行くにつれて消滅した。これは、マイクロバブルとなった二酸化炭素が水７７中に溶解したためである。

同様に、図９Ａ、図９Ｂは試験Ｎｏ．２における二酸化炭素の状況を示す例である。図９Ａはカメラ７３により撮影された映像であり、図９Ｂは図９Ａの模式図である。図中矢印Ｅは、二酸化炭素の注入方向である。

液体状態で注入された二酸化炭素は、マイクロバブル化することなく、大きな気泡７９として水７７内へ注入された。気泡７７は、フィルタ６１から離脱すると即座に上方へ浮上した。したがって二酸化炭素はほとんど水７７へ溶解することはなかった。

また、表２に示すように、試験Ｎｏ．１０〜１２のようにフィルタ孔径を４０μｍとした場合であっても、超臨界状態の二酸化炭素ではマイクロバブル化した。一方、気体および液体の状態ではマイクロバブルは発生しなかった。また、超臨界状態の二酸化炭素は、流量を５ｍｌ〜１０ｍｌと増してもマイクロバブル化した（試験Ｎｏ．１３〜１４）。

図１０Ａ、図１０Ｂは試験Ｎｏ．１４におけるマイクロバブルの発生状況を示す例である。図１０Ａはカメラ７３により撮影された映像であり、図１０Ｂは図１０Ａの模式図である。

図１０Ｂに示すように、図中矢印Ｅ方向へ二酸化炭素を注入すると、多少の気泡７９が生じるものの、非常に細かなマイクロバブル７５が確認された。マイクロバブル７５は、図面向かって左側へ行くにつれて消滅した。これは、マイクロバブル７５となった二酸化炭素が水７７中に溶解したためである。

さらに、試験Ｎｏ．７〜９のように水を混入させた場合であっても、超臨界状態の二酸化炭素ではマイクロバブル化した。水を混入することによってマイクロバブルの発生はやや抑えられるが、流量２０ｍｌ／ｍｉｎでは十分にマイクロバブルが発生した。また、流量１０ｍｌ／ｍｉｎ、４０ｍｌ／ｍｉｎの場合では、例えば試験Ｎｏ．４．６とそれぞれ比較して、マイクロバブルの発生量は減ったものの、一部はマイクロバブルとなった。

図１１Ａ、図１１Ｂは試験Ｎｏ．２０におけるマイクロバブルの発生状況を示す例である。図１１Ａはカメラ７３により撮影された映像であり、図１１Ｂは図１１Ａの模式図である。

フィルタとして砥石を用いたものは、前述のステンレス焼結フィルタを用いたものよりもさらに均一かつ大量のマイクロバブルの発生が確認された。これは、砥石フィルタの粒度のばらつきが小さく、均一な孔径を有していることによる。砥石を用いることで、ステンレスフィルタよりも均一な孔径分布となるため、よりマイクロバブルの発生が促進される。

図１２Ａ、図１２Ｂは、砥石フィルタ上に砂岩層を設置して、４０℃、１０ＭＰａ、７ｍｌ／ｍｉｎの条件で二酸化炭素をマイクロバブル化を行った際のマイクロバブルの発生状況を示す例である。図１２Ａはカメラ７３により撮影された映像であり、図１２Ｂは図１２Ａの模式図である。

実際に二酸化炭素を貯留層に貯留するためには、フィルタより噴射された二酸化炭素について、砂岩層を通過した後の帯水層でのバブル発生状況が問題となる。そこで、フィルタ６１上に砂岩層として多胡砂岩を設置して、砂岩層からでるバブルの発生状況を調査した。その結果、図１２Ａ、Ｂに示すようにフィルタ６１上に多胡砂岩を設け、フィルタ６１および多胡砂岩を通過してもマイクロバブルが発生することが確認された。なお、同様に多胡砂岩に代えてベイリア砂岩を用いても同様にマイクロバブルの発生が確認された。

このように、フィルタ６１を介して、特に超臨界状態の二酸化炭素を水７７中へ注入すると、二酸化炭素のマイクロバブル７５を容易に発生させることができる。二酸化炭素をマイクロバブル化することで、二酸化炭素が水７７へ効率良く溶解される。また、水と混合した場合であっても、超臨界状態の二酸化炭素を、フィルタ６１を介して水７７中へ注入すると、マイクロバブル化することが分かる。なお、本実施例においては、二酸化炭素の例を示したが、他の物質であっても、超臨界状態でフィルタを介して水中に噴射させれば同様にマイクロバブルを発生させることができる。特にアセチレン、アンモニア、二酸化硫黄、塩化水素、塩素、硫化水素においては、同じ温度圧力条件における水への溶解度が二酸化炭素よりも高く、相当な溶解促進効果が期待できる。

以上本発明の実施の形態によれば、多孔質部材であるフィルタを介し、特に超臨界状態の二酸化炭素を塩水性帯水層へ注入することで、塩水性帯水層内で二酸化炭素が効率良くマイクロバブル化し、このため、二酸化炭素は塩水性帯水層へ効率良く溶解するとともに、岩石等の成分であるＣａ、Ｍｇ等との化学反応によって炭酸化合物として地下に固定することができる。

二酸化炭素の超臨界状態はハイドレートに比べて適用できる条件が広いため、圧入サイトの選定に制限が少ない。さらに、地下の塩水性帯水層へ直接注入することが可能であるため、地下より塩水性帯水層の地層水を汲みあげる必要がなく、このため装置も小型化することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、ガス田、油田、オイルサンドなどに達する生産井を設け、注入井によって、二酸化炭素等を当該地下に注入することで、生産井によってガス、石油、重油等の増進回収を行うことができる。また、この際に、生産井によって採取された油等と水の混合物から油等を回収した後、残りの水を二酸化炭素に混合して地下へ注入することで、過剰に採取した水を地下へ戻すことができ、このため地盤沈下等を抑制するとともに、塩水性帯水層へ効率良く二酸化炭素を注入することができる。

１、２０、３０………二酸化炭素貯留装置
３………二酸化炭素タンク
５………圧送装置
７………地面
９………注入井
１１………塩水性帯水層
１３………フィルタ
１５………マイクロバブル
３１………海面
３３………海底
４０………二酸化炭素貯留試験装置
４１………二酸化炭素タンク
４３………シリンジポンプ
４５………圧力調整弁
４７………バルブ
４９………配管
５１………水タンク
５３………シリンジポンプ
５５………圧力調整弁
５７………バルブ
５９………配管
６１………フィルタ
６３………圧力容器
６５………排出弁
６７………照明窓
６９………照明
７１………撮影窓
７３………カメラ
７５………マクロバブル
７７………水
７９………気泡
８０………二酸化炭素貯留装置
８１………二酸化炭素タンク
８３………圧送装置
８５………地面
８７………注入井
８９………シール層
９１………貯留層

Claims (8)

1. 地下に貯留物質を貯留する貯留装置であって、
   塩水性帯水層へ達する注入井と、
   前記注入井へ二酸化炭素、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きい物質およびメタンの内、少なくとも１種を含む貯留物質を圧送する圧送装置と、
   前記注入井の先端近傍に設けられた多孔質部材と、
   を具備し、
   前記注入井内へ圧送される貯留物質を、前記多孔質部材を介して前記塩水性帯水層へ注入することが可能であり、
   前記多孔質部材から前記塩水性帯水層へ注入される貯留物質は、超臨界状態であることを特徴とする貯留物質の貯留装置。
2. 前記多孔質部材から前記塩水性帯水層へ貯留物質が注入される際に、貯留物質のマイクロバブルが発生することを特徴とする請求項１に記載の貯留物質の貯留装置。
3. 前記多孔質部材は、セラミックス製の粒子と、前記粒子を結合する結合剤とを混合して焼成したものであり、孔径分布の最頻値が４０μｍ以下であり、孔径分布の半値全幅が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の貯留物質の貯留装置。
4. 前記多孔質部材はステンレス製の焼結フィルタであることを特徴とする請求項１記載の貯留物質の貯留装置。
5. ガス田、油田またはオイルサンドのいずれかに達する生産井を更に具備し、
   前記生産井からはガス、石油または重油を採取可能であることを特徴とする請求項１記載の貯留物質の貯留装置。
6. 前記生産井より分離された水を、前記注入井へ圧送される貯留物質と混合し、前記貯留物質と前記水の混合物を前記塩水性帯水層へ注入可能であることを特徴とする請求項５記載の貯留物質の貯留装置。
7. 塩水性帯水層へ達する注入井の先端近傍に多孔質部材を設け、前記多孔質部材を介して前記塩水性帯水層へ超臨界状態の二酸化炭素、二酸化炭素よりも水への溶解度が大きい物質およびメタンの内、少なくとも１種を含む貯留物質を注入することを特徴とする塩水性帯水層への貯留物質の貯留方法。
8. 前記多孔質部材により、前記塩水性帯水層内へ貯留物質のマイクロバブルを生じさせることを特徴とする請求項７に記載の塩水性帯水層への貯留物質の貯留方法。

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