WO2024042851A1 - Method for underground storage of carbon dioxide, and device for underground storage of carbon dioxide - Google Patents

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    • C01B32/50Carbon dioxide

Abstract

Provided are a method for underground storage and a device for underground storage of carbon dioxide, in which, by ensuring strength of a carbon dioxide blocking layer, carbon dioxide that is injected downward can be reliably sealed in, and a large quantity of carbon dioxide can be efficiently stored.

Description

二酸化炭素の地中貯留方法及び二酸化炭素の地中貯留装置Carbon dioxide underground storage method and carbon dioxide underground storage device
 本発明は、二酸化炭素の地中貯留方法及び二酸化炭素の地中貯留装置に関する。
 本願は、2022年8月25日に、日本に出願された特願2022-134227号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
The present invention relates to a carbon dioxide underground storage method and a carbon dioxide underground storage device.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-134227 filed in Japan on August 25, 2022, the contents of which are incorporated herein.
 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") is attracting attention as an innovative technology that can suppress carbon dioxide (CO 2 ) emissions while generating electricity using fossil fuels. . Furthermore, with regard to methods of storing carbon dioxide underground using CCS technology, verification tests and surveys of suitable storage sites are being actively carried out.
 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 pressure and temperature conditions. Also, carbon dioxide becomes solid dry ice under conditions of normal pressure and temperature below 194K (-79.15℃), but when mixed with water, it becomes hydrate (solid) under different temperature and pressure conditions. It is known to do. Note that carbon dioxide hydrate is produced by mixing liquid carbon dioxide with water at a temperature of 10°C or lower and a pressure of 4.5 MPa or higher. overlaps with a part of the 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、下記非特許文献1には、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、最初の研究報告として確認されている。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 having a crystal structure similar to that of methane hydrate, and has a structure in which gas molecules are trapped within a steric lattice made up of water molecules. Such carbon dioxide hydrate is also generally called gas hydrate, and the following non-patent document 1 describes the first research report that carbon dioxide becomes hydrated and causes clogging in natural gas transfer lines. Confirmed. Furthermore, carbon dioxide hydrate has been confirmed as a clogging substance in plant piping for oil and gas processing, and research is progressing in the scientific field related to the earth and planets.
 また、下記非特許文献2には、1990年に、海底から柱状に立ち上がる天然の二酸化炭素ハイドレートが発見されたことが報告されている。 Additionally, Non-Patent Document 2 below reports that in 1990, natural carbon dioxide hydrate was discovered rising up from the sea floor in a columnar shape.
 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シール機能が必要となる。 The density of carbon dioxide changes due to a gas-liquid phase change when the pressure increases, but since it becomes supercritical at a temperature of 31°C or higher and a pressure of 7.4 MPa or higher, the density change due to a further pressure increase is comparatively It's slow. Since the density of carbon dioxide in a liquid or supercritical state is lower than that of seawater, for example, when trying to store carbon dioxide in a geological layer beneath the ocean floor, buoyancy occurs due to the density difference, causing carbon dioxide to float to the surface. Some kind of sealing function is required to contain it.
 一方、日本国内においては、二酸化炭素の地中貯留方法として、帯水層貯留(DSA;Deep Saline Aquifer)が、政府・行政機関の主導で1990年代から適地検討が進められているが、この方法は、商用の貯留地点や貯留容量が未定である。これは、日本が石油や天然ガスの産出量に乏しいことが示唆するように、日本の地層中には、中東や欧米、アジア等で一般的に見られる天然のキャップロック(泥岩などの遮蔽層(キャップロック))の存在量が乏しいことが要因として考えられる。 On the other hand, in Japan, as a method for underground carbon storage, aquifer storage (DSA; Deep Saline Aquifer) has been under consideration since the 1990s under the initiative of the government and administrative agencies. Commercial storage locations and storage capacity have not yet been determined. This is because Japan's lack of oil and natural gas production suggests that Japan's geological formations contain natural caprock (shielding layers such as mudstone) that are commonly found in the Middle East, Europe, America, Asia, etc. (Caprock)) is thought to be a contributing factor.
 このため、二酸化炭素を地中貯留する他の方法として、上記のような、二酸化炭素がハイドレート化して固体となる特性を利用し、ハイドレート化した二酸化炭素を遮蔽層に用いることで、浮上する二酸化炭素を封じ込めるシール機能を持たせた、二酸化炭素ハイドレート貯留の実用化が期待され、積極的な研究が進められている。 For this reason, another method for storing carbon dioxide underground is to take advantage of the above-mentioned property of carbon dioxide becoming hydrated and solid, and to use hydrated carbon dioxide as a shielding layer. The practical application of carbon dioxide hydrate storage, which has a sealing function to contain carbon dioxide, is expected to be put into practical use, and active research is underway.
 上記のようなハイドレート化した二酸化炭素遮蔽層は、泥岩等のキャップロックを必要としないというメリットがある。また、二酸化炭素ハイドレート貯留における地中の貯留対象層は、例えば、陸域の河川から運搬された土砂が、音響基盤上に約400mの層厚で堆積した第四紀堆積層(地質年代は現在~約258万年前)であり、日本の周辺海域に広く分布している。 The hydrated carbon dioxide shielding layer as described above has the advantage of not requiring a cap rock such as mudstone. In addition, the underground storage target layer for carbon dioxide hydrate storage is, for example, a Quaternary sedimentary layer (geological age is (approximately 2.58 million years ago), and is widely distributed in the seas surrounding Japan.
 また、メタンハイドレートは日本の周辺海域に存在することから、その地下深部にメタンガスが存在することが明らかになっている。一方、このメタンガスは、上記のようなキャップロックにトラップされることなく、海底下数百m程の浅部地層において、メタンハイドレートとしてトラップされていることで、日本の周辺海域に多く存在していると考えることができる。 Additionally, since methane hydrate exists in the sea areas surrounding Japan, it has become clear that methane gas exists deep underground. On the other hand, this methane gas is not trapped in the cap rocks mentioned above, but is trapped as methane hydrate in the shallow strata several hundred meters below the seafloor, so it is present in large quantities in the seas surrounding Japan. It can be considered that
 上記のような二酸化炭素ハイドレート貯留の基本的な概念は、例えば、下記非特許文献3,4に示されているが、具体的なメカニズム等の研究は進んでいないのが実情である。一方、英国(スコットランド)においては、下記非特許文献4に示すような、国が主導するプロジェクトとして室内実験による研究結果が報告されている。 The basic concept of carbon dioxide hydrate storage as described above is shown in, for example, the following non-patent documents 3 and 4, but the reality is that research on the specific mechanism has not progressed. On the other hand, in the United Kingdom (Scotland), research results from laboratory experiments have been reported as a government-led project, as shown in Non-Patent Document 4 below.
 ここで、特許文献1には、メタンハイドレート層に依存することなく、二酸化炭素の固定化とメタンガスの生産とを両立して行う方法が提案されている。下記特許文献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、メタン生成細菌を少なくとも含む微生物群を添加してメタンガス生産層4を形成する工程と、メタンガス生産層よりも浅部で、且つ二酸化炭素がハイドレートとなる温度・圧力条件下の地層の間隙に、この間隙よりも小さな液体二酸化炭素の微粒子を水に分散させ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の間隙に、メタンガス生成原料としての液体二酸化炭素を注入する工程と、メタンガス生産層で生成されたメタンガス5を地上に回収する工程と、を含む方法が記載されている。 Here, Patent Document 1 proposes a method that achieves both carbon dioxide fixation and methane gas production without relying on a methane hydrate layer. Patent Document 1 below describes a step of forming a methane gas production layer 4 by adding a group of microorganisms containing at least methane-producing bacteria to the interstices of the stratum under temperature and pressure conditions where the methane-producing bacteria produce methane gas; Carbon dioxide hydrate is produced by injecting an emulsion in which fine particles of liquid carbon dioxide smaller than the gaps are dispersed in water into the gaps in the strata that are shallower than the layers and under temperature and pressure conditions where carbon dioxide becomes hydrate. a step of injecting liquid carbon dioxide as a raw material for methane gas generation into the gap between the methane gas production layer and the seal layer; and a step of injecting methane gas 5 generated in the methane gas production layer above ground. A method is described that includes a step of recovering the material.
 また、二酸化炭素ハイドレート貯留を推進するうえでの懸念事項として、非特許文献1に示されたような二酸化炭素のハイドレート化により、地層孔隙が閉塞して目詰まりを生じ、下方の地層に二酸化炭素を注入することが困難になる可能性が指摘されている。このような問題点を解決するため、下記特許文献2には、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遮蔽層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。特許文献2に記載の技術によれば、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。 In addition, as a concern in promoting carbon dioxide hydrate storage, as shown in Non-Patent Document 1, the formation of carbon dioxide into hydrates causes stratum pores to become clogged and clogged, causing damage to the underlying strata. It has been pointed out that it may become difficult to inject carbon dioxide. In order to solve such problems, Patent Document 2 below discloses that a carbon dioxide shielding layer that exists from the ocean floor to a predetermined depth and that satisfies the pressure and temperature conditions that are capable of producing carbon dioxide hydrate. Methods and devices for forming a carbon dioxide reservoir by injecting carbon dioxide have been proposed. According to the technology described in Patent Document 2, clogging when storing carbon dioxide underground can be prevented, and a large amount of carbon dioxide can be efficiently stored.
日本国特開2010-239962号公報Japanese Patent Application Publication No. 2010-239962 日本国特開2019-126787号公報Japanese Patent Application Publication No. 2019-126787
 一方、二酸化炭素ハイドレートを用いて二酸化炭素を地中貯留するにあたり、二酸化炭素を効率よく確実に地中に貯留するためには、二酸化炭素のハイドレート化によって形成される遮蔽層の破壊等によって注入した二酸化炭素が浮上して漏れ出さないよう、遮蔽層の強度をより高めることが求められる。しかしながら、従来は、遮蔽層の強度を確保するための条件等に関する知見が存在せず、貯留地における試行錯誤に頼らざるを得ないのが実情であった。 On the other hand, when storing carbon dioxide underground using carbon dioxide hydrate, in order to efficiently and reliably store carbon dioxide underground, it is necessary to destroy the shielding layer formed by carbon dioxide hydrate. In order to prevent the injected carbon dioxide from floating to the surface and leaking out, it is necessary to further increase the strength of the shielding layer. However, in the past, there was no knowledge regarding the conditions for ensuring the strength of the shielding layer, and the reality was that one had no choice but to rely on trial and error at the storage site.
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素がハイドレート化されてなる二酸化炭素遮蔽層の強度を確保することで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及び二酸化炭素の地中貯留装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and by ensuring the strength of the carbon dioxide shielding layer made of carbon dioxide hydrate, carbon dioxide injected downward can be reliably contained, and a large amount of carbon dioxide can be contained. An object of the present invention is to provide a carbon dioxide underground storage method and a carbon dioxide underground storage device that can efficiently store carbon dioxide.
 上記課題を解決するために、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ガスが液化した状態で、音響基盤上の堆積物からなる海底下の地層又は陸域の地層中に貯留する方法であって、海底面又は地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地層からなる二酸化炭素シール領域よりも下方に、前記二酸化炭素を圧入して二酸化炭素貯留層を形成し、前記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を前記二酸化炭素シール領域側に前記二酸化炭素の浮力で自然に上昇させて二酸化炭素ハイドレートを生成させることにより、前記二酸化炭素シール領域に二酸化炭素遮蔽層を形成し、前記二酸化炭素を前記海底下の地層又は前記陸域の地層中に圧入するとき、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として前記二酸化炭素シール領域に注入する人工水封により、前記二酸化炭素シール領域の孔隙圧を増加させる、二酸化炭素の地中貯留方法。
[2] 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ガスが液化した状態で、音響基盤上の堆積物からなる海底下の地層又は陸域の地層中に貯留する地中貯留装置であって、海底面又は地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地層からなる二酸化炭素シール領域を貫通するとともに、前記二酸化炭素シール領域よりも下方の二酸化炭素貯留層まで延在された圧入井と、前記混合ガスを前記圧入井に圧送する圧送設備と、前記二酸化炭素シール領域の上面側に配置され、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として前記二酸化炭素シール領域に注入することにより、前記二酸化炭素シール領域の孔隙圧を増加させる人工水封設備と、を備える、二酸化炭素の地中貯留装置。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
[1] A method of storing carbon dioxide alone or in a liquefied state as a mixed gas mainly composed of carbon dioxide in a sub-seafloor stratum made of sediment on an acoustic substrate or in a stratum on land, comprising: A carbon dioxide reservoir is created by injecting the carbon dioxide below the carbon dioxide seal area, which exists from the seabed or ground to a predetermined depth and consists of a stratum that satisfies the pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate. and causing at least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide storage layer to naturally rise to the carbon dioxide sealing area side by the buoyancy of the carbon dioxide to generate carbon dioxide hydrate, A carbon dioxide shielding layer is formed in the carbon dioxide sealing region, and when the carbon dioxide is injected into the sub-seafloor stratum or the land stratum, at least one of seawater and water is used as pore water in the carbon dioxide sealing region. A method for storing carbon dioxide underground, which increases pore pressure in the carbon dioxide sealing region by injecting an artificial water seal.
[2] An underground storage device that stores carbon dioxide alone or in a liquefied state as a mixed gas mainly composed of carbon dioxide in a sub-seafloor stratum made of sediment on an acoustic substrate or in a stratum on land. It penetrates a carbon dioxide seal area consisting of a stratum that exists to a predetermined depth from the seabed or ground and satisfies the pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate, and is located below the carbon dioxide seal area. an injection well extending to a carbon dioxide storage layer; a pumping facility for pumping the mixed gas to the injection well; and a pumping equipment disposed on the upper side of the carbon dioxide sealing area, which uses at least one of seawater and water as pore water. An underground storage device for carbon dioxide, comprising: an artificial water sealing facility that increases the pore pressure of the carbon dioxide sealing area by injecting it into the carbon dioxide sealing area.
 本発明の二酸化炭素の地中貯留方法によれば、上記構成を採用することにより、二酸化炭素シール領域全体の強度が増加することから、二酸化炭素がハイドレート化されてなる二酸化炭素遮蔽層の強度を確実に確保できる。これにより、二酸化炭素遮蔽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。 According to the underground carbon dioxide storage method of the present invention, by adopting the above structure, the strength of the entire carbon dioxide sealing area is increased, so the strength of the carbon dioxide shielding layer formed by hydrated carbon dioxide is increased. can be ensured. This allows the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer to be reliably contained, making it possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide.
 また、本発明の二酸化炭素の地中貯留装置によれば、簡便な構成で上述の二酸化炭素の地中貯留方法に適用でき、且つ、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。 Further, according to the underground carbon dioxide storage device of the present invention, it can be applied to the above-mentioned underground carbon dioxide storage method with a simple configuration, and it is possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide.
図1(a),(b)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及び酸化炭素の地中貯留装置について説明する図であり、海底下の地層中に二酸化炭素を貯留した場合の地中貯留装置の概略構造を示す模式断面図で、図1(a)は、各地層を広域で示すイメージ図であり、図1(b)は、図1(a)中の要部を拡大して示す図である。FIGS. 1(a) and 1(b) are diagrams illustrating a carbon dioxide underground storage method and a carbon oxide underground storage device, which are one embodiment of the present invention. FIG. 1(a) is a schematic cross-sectional view showing the schematic structure of an underground storage device for storing carbon. FIG. 1(a) is an image diagram showing each layer in a wide area, and FIG. FIG. 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、温度-圧力の関係における二酸化炭素密度の等値線と、二酸化炭素ハイドレートの安定領域を示すグラフである。FIG. 2 is a diagram illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention, and shows isolines of carbon dioxide density in the temperature-pressure relationship and stable regions of carbon dioxide hydrate. This is a graph showing. 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、二酸化炭素ハイドレートの温度-圧力相図を示すグラフである。FIG. 3 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method according to an embodiment of the present invention, and is a graph showing a temperature-pressure phase diagram of carbon dioxide hydrate. 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、海底下の地層中に注入した二酸化炭素の浮力によって生じる、二酸化炭素遮蔽層に作用する圧力を示すグラフである。FIG. 4 is a diagram illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention. It is a graph showing pressure. 図5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及び酸化炭素の地中貯留装置について説明する図であり、本発明を実証するための室内実験で用いた圧力セルの概略構造を示す模式図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method and a carbon oxide underground storage device, which are one embodiment of the present invention, and shows a pressure cell used in an indoor experiment to demonstrate the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the schematic structure of 図6(a)~(c)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、それぞれ、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、二酸化炭素ハイドレートからなる膜の強度を示すグラフである。FIGS. 6(a) to 6(c) are diagrams illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention. 2 is a graph showing the strength of a film made of carbon dioxide hydrate. 図7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、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、地層中に二酸化炭素が浸透したときの二酸化炭素ハイドレートの生成熱による温度上昇を示すグラフである。FIG. 7 is a diagram illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention. It is a graph showing the temperature rise due to the heat of formation of carbon dioxide hydrate when it permeates. 図8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、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、差圧が水頭で約2m以下である条件で17日間保持したときの、保持時間と差圧との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method that is an embodiment of the present invention, and the differential pressure obtained in an experiment using the pressure cell shown in FIG. It is a graph showing the relationship between holding time and differential pressure when holding for 17 days under the condition that the pressure is 2 m or less. 図9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、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、差圧が水頭で約2m以下である条件で17日間保持した後に、差圧を1MPaとして24時間維持したときの、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層の強度を示すグラフである。FIG. 9 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method that is an embodiment of the present invention, and the differential pressure obtained in an experiment using the pressure cell shown in FIG. It is a graph showing the strength of a carbon dioxide shielding layer made of a carbon dioxide hydrate film when the pressure difference is maintained at 1 MPa for 24 hours after being maintained for 17 days under the condition that the pressure is 2 m or less. 図10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、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、差圧を段階的に増加させた場合の、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層の強度を示すグラフである。FIG. 10 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method according to an embodiment of the present invention, in which the differential pressure obtained in an experiment using the pressure cell shown in FIG. It is a graph showing the strength of a carbon dioxide shielding layer made of a film of carbon dioxide hydrate as the strength increases. 図11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、図5に示した圧力セルを用いた実験で得られた、逆方向の差圧が作用した場合の、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層の強度を示すグラフである。FIG. 11 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method that is an embodiment of the present invention, and shows the differential pressure in the opposite direction obtained in an experiment using the pressure cell shown in FIG. 2 is a graph showing the strength of a carbon dioxide shielding layer made of a carbon dioxide hydrate film when activated. 図12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、温度-圧力の関係における{二酸化炭素/水}の最適な体積比の等値線を示すグラフである。FIG. 12 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method, which is an embodiment of the present invention, and shows isolines of the optimal volume ratio of {carbon dioxide/water} in the temperature-pressure relationship. This is a graph showing. 図13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、図5に示した圧力セルを用いた実験結果に基づき、二酸化炭素ハイドレートの膜による遮蔽メカニズムを考察した図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention. Based on the experimental results using the pressure cell shown in FIG. It is a diagram considering the shielding mechanism. 図14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、海底下の地層において二酸化炭素の密度と海水の密度とが平衡する深度における温度条件と圧力条件との関係を示すグラフである。FIG. 14 is a diagram illustrating an underground storage method for carbon dioxide, which is an embodiment of the present invention, and shows the temperature conditions at a depth where the density of carbon dioxide and the density of seawater are in equilibrium in the geological layer below the seabed. It is a graph showing the relationship with pressure conditions. 図15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、島しょ、海山及び海台を想定した貯留方法を模式的に示した図で、水平距離と水深との関係を示すグラフである。FIG. 15 is a diagram illustrating a carbon dioxide underground storage method that is an embodiment of the present invention, and is a diagram schematically showing a storage method assuming an island, a seamount, and a sea plateau. It is a graph showing the relationship between water depth and water depth.
 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及び酸化炭素の地中貯留装置について、図面を用いて詳細に説明する。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。 Hereinafter, a carbon dioxide underground storage method and a carbon oxide underground storage device, which are one embodiment of the present invention, will be described in detail using the drawings. Note that the drawings used in the following explanations may show characteristic parts enlarged for convenience in order to make the characteristics easier to understand, and the dimensional ratio of each component may not be the same as the actual one. do not have.
 図1(a),(b)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及び二酸化炭素の地中貯留装置(以下、単に「貯留装置」又は「貯留装置」と略称することがある)について説明する図であり、海底面(海底)F下の地層U中に二酸化炭素を貯留した場合の貯留装置1の概略構造を示す模式断面図で、図1(a)は、各々の地層を含む地層Uを広域で示す図であり、図1(b)は、図1(a)中の要部を拡大して示す図である。 Figures 1(a) and (b) show a carbon dioxide underground storage method and a carbon dioxide underground storage device (hereinafter simply referred to as "storage device" or "storage device"), which are one embodiment of the present invention. Fig. 1(a) is a schematic cross-sectional view showing the schematic structure of a storage device 1 when carbon dioxide is stored in a geological layer U under a seabed surface (seafloor) F. is a diagram showing a wide area of the stratum U including each stratum, and FIG. 1(b) is an enlarged diagram of the main part in FIG. 1(a).
 本実施形態の貯留方法及び貯留装置1は、二酸化炭素(CO)を単独あるいは該二酸化炭素を主成分とする混合ガスが液化した状態で、音響基盤B上の堆積物からなる海底面F下の地層U又は図示略の陸域の地層中に貯留する方法及び装置である。即ち、本実施形態の貯留方法においては、海底面F又は図示略の陸域の地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地層からなる二酸化炭素シール領域Sよりも下方に、二酸化炭素を圧入して二酸化炭素貯留層Gを形成する。また、本実施形態の貯留方法及び貯留装置では、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を二酸化炭素シール領域S側に二酸化炭素の浮力で自然に上昇させて二酸化炭素ハイドレートを生成させることにより、二酸化炭素シール領域S中に二酸化炭素遮蔽層Cを形成する。 The storage method and storage device 1 of the present embodiment store carbon dioxide (CO 2 ) alone or in a liquefied state as a mixed gas containing carbon dioxide as a main component, under a seafloor surface F consisting of deposits on an acoustic substrate B. This is a method and apparatus for storing water in a geological stratum U or a stratum in a land area (not shown). That is, in the storage method of the present embodiment, carbon dioxide is present at a predetermined depth from the seafloor surface F or the ground of a land area (not shown), and is composed of a geological stratum that satisfies pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate. Carbon dioxide is pressurized below the seal area S to form a carbon dioxide storage layer G. In addition, in the storage method and storage device of the present embodiment, at least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide storage layer G is naturally raised to the carbon dioxide sealing area S side by the buoyancy of carbon dioxide, and carbon dioxide hydrate is formed. A carbon dioxide shielding layer C is formed in the carbon dioxide sealing region S by generating.
 なお、本発明に係る二酸化炭素の地中貯留方法及び二酸化炭素の地中貯留装置は、上述したように、海底面F下の地層U、及び、陸域の地面下の地層の何れかを貯留箇所とする方法であるが、本実施形態においては、海底面F下の地層Uに二酸化炭素を貯留する場合を一例として説明する。一方、本実施形態においては、所定の圧力条件や温度条件を満たせば、陸域の地面下の地層を貯留箇所とすることも可能である。 In addition, as described above, the underground carbon dioxide storage method and carbon dioxide underground storage device according to the present invention can store either the stratum U below the ocean floor F or the stratum under the ground on land. In this embodiment, a case where carbon dioxide is stored in a stratum U under the seabed F will be described as an example. On the other hand, in this embodiment, if predetermined pressure conditions and temperature conditions are satisfied, it is also possible to use a geological formation under the ground in a land area as a storage location.
 また、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物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)等も含むものである。 Further, the carbon dioxide described in this embodiment includes not only pure carbon dioxide (CO 2 ) alone but also a mixture containing carbon dioxide as a main component as described above. That is, the carbon dioxide to be stored in this embodiment may contain water by using existing countermeasure techniques. Furthermore, in addition to carbon dioxide itself, the carbon dioxide to be stored in this embodiment includes other components other than carbon dioxide, such as carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), It also includes water (H 2 O), hydrogen sulfide (H 2 S), and the like.
<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装置について説明する。
 図1(a)中には、本実施形態の二酸化炭素の地中貯留装置(以下、単に「貯留装置」と略称することがある)1を示している(図1(b)の要部拡大図も参照)。
 図示例の貯留装置1は、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ガスが液化した状態で、音響基盤B上の堆積物からなる海底面F下の地層Uに注入、貯留するものである。貯留装置1は、海底(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シール領域Sを貫通して、該二酸化炭素シール領域S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2と、例えば海面M上における図示略の船舶等に積載される二酸化炭素供給源と、該二酸化炭素供給源と同様に船舶等に積載され、二酸化炭素供給源で生成された二酸化炭素を圧入井2に圧送する図示略の圧送設備と、を備える。
 また、貯留装置1は、船舶上に設置された圧送設備から、海底面Fを起点に設けられた圧入井2に二酸化炭素を供給するための、図示略の供給ラインが設けられている。
 そして、本実施形態の貯留装置1には、二酸化炭素を海底面F下の地層U中に圧入するとき、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として二酸化炭素シール領域Sに注入する人工水封により、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させるための人工水封設備6が設けられている。
<Underground carbon dioxide storage device>
First, a carbon dioxide underground storage device, which is an embodiment to which the present invention is applied, will be described.
FIG. 1(a) shows an underground carbon dioxide storage device (hereinafter sometimes simply referred to as “storage device”) 1 of the present embodiment (enlarged main part of FIG. 1(b)). (see also figure).
The illustrated storage device 1 injects and stores carbon dioxide alone or in a liquefied state as a mixed gas containing carbon dioxide as a main component into a geological layer U below a seafloor surface F consisting of sediments on an acoustic substrate B. It is something. The storage device 1 penetrates a carbon dioxide sealing region S that exists from the seabed (seafloor surface) F to a predetermined depth and is made up of a stratum that satisfies pressure and temperature conditions that are capable of producing carbon dioxide hydrate. An injection well 2 extending to a carbon dioxide storage layer G below the seal area S, a carbon dioxide supply source loaded on a ship (not shown), for example on the sea surface M, and a carbon dioxide supply source similar to the carbon dioxide supply source. It is equipped with a pumping facility (not shown) that is loaded on a ship or the like and pumps carbon dioxide generated from a carbon dioxide supply source to the injection well 2 .
Further, the storage device 1 is provided with a supply line (not shown) for supplying carbon dioxide from a pressure feeding facility installed on a ship to an injection well 2 provided starting from the seabed surface F.
In the storage device 1 of this embodiment, when carbon dioxide is injected into the geological formation U below the seabed surface F, an artificial water seal is used to inject at least one of seawater and water into the carbon dioxide seal area S as pore water. , an artificial water sealing facility 6 for increasing the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S is provided.
 図1(a)の模式断面図において、海水Wの下方に位置する海底面F下の地層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Uの任意の深さによって圧力が変化する。図示例の貯留装置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シール領域Sよりも下方の二酸化炭素貯留層Gに、二酸化炭素を圧入して貯留する。 In the schematic cross-sectional view of FIG. 1(a), the stratum U below the seafloor F located below the seawater W is usually at the depth from the sea surface M to the seafloor F, and at any distance from the seafloor F to the stratum U. The pressure changes depending on the depth. The illustrated storage device 1 is located in a carbon dioxide storage layer G below a carbon dioxide sealing area S that exists from a seabed surface F to a predetermined depth and satisfies pressure and temperature conditions capable of generating carbon dioxide hydrate. Carbon dioxide is injected and stored.
 図示略の二酸化炭素供給源は、上記のように、地層U中の二酸化炭素貯留層Gに貯留する二酸化炭素を供給するものである。このような二酸化炭素供給源としては、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しておく装置等が挙げられる。 The carbon dioxide supply source (not shown) supplies carbon dioxide stored in the carbon dioxide storage layer G in the geological layer U, as described above. Such carbon dioxide sources are not particularly limited, and include, for example, carbon dioxide derived from coal and oil emitted from fossil fuel power generation equipment in various facilities such as offshore plants that extract oil and gas. Examples include devices that capture carbon dioxide, and devices that temporarily receive and store the carbon dioxide recovered by these devices from ships and pipelines that transport it.
 また、貯留装置1において、図示略の二酸化炭素供給源は、その装置特性にも依るが、海面Mよりも上に露出した供給源であることが、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、二酸化炭素供給源を海面Mよりも上に露出した構成としては、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を設置したもの等が挙げられる。 In addition, in the storage device 1, the carbon dioxide supply source (not shown) is exposed above the sea level M, depending on the characteristics of the device, but it is recommended that the supply of materials such as fuel and carbon dioxide is improved. This is preferable from the viewpoint of maintainability, device life, etc. In this way, an example of a configuration in which the carbon dioxide supply source is exposed above sea level M is to construct an offshore platform similar to those installed to extract resources such as oil and gas from the seabed. Examples include those with a carbon dioxide supply source installed on top.
 上記の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。
Examples of the above-mentioned marine platforms include fixed types and floating types.
Examples of fixed marine platforms include those constructed by directly fixing structures assembled from high-strength steel materials to the seabed surface F, and the like.
Furthermore, examples of the floating marine platform include those consisting of semi-submersible vessels and the like.
 なお、二酸化炭素供給源は、船舶等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、陸上に設置された二酸化炭素供給源で生成された二酸化炭素を、圧送設備及び配管(パイプライン)を介して圧入井2まで輸送する構成を採用してもよい。 Note that the carbon dioxide supply source is not limited to one installed on an offshore platform such as a ship. For example, a configuration may be adopted in which carbon dioxide generated by a carbon dioxide supply source installed on land is transported to the injection well 2 via pressure feeding equipment and piping (pipeline).
 図示略の圧送設備は、二酸化炭素(CO)を圧入井2に圧送するものであり、上述したように、例えば、船舶等からなる海上プラットフォーム上に設置される。
 また、貯留装置1は、船舶上に設置された圧送設備から、図示略の供給ラインを介して、海底面Fを起点に設けられた圧入井2に二酸化炭素が供給されるように構成することができる。
The pumping equipment (not shown) pumps carbon dioxide (CO 2 ) into the injection well 2, and as described above, is installed on an offshore platform such as a ship, for example.
In addition, the storage device 1 is configured such that carbon dioxide is supplied from pressure feeding equipment installed on a ship to an injection well 2 provided starting from the seabed surface F via a supply line (not shown). I can do it.
 圧送設備としては、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、圧送設備と圧入井2とを接続する図示略の供給ラインとしては、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、圧送設備としては、上記のような、船舶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, any pump or the like for pressure-feeding liquid that has been conventionally used in this field can be employed without any limitations.
Further, as the supply line (not shown) connecting the pressure feeding equipment and the injection well 2, for example, a piping member made of a metal or resin material that can be used in seawater can be used without any restriction.
Note that the pressure feeding equipment is not limited to those installed on a marine platform such as a ship as described above, and it is also possible to install the pressure feeding equipment on land or on the seabed surface F, for example.
 圧入井2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シール領域Sを貫通するとともに、二酸化炭素シール領域S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に二酸化炭素を圧入する。
 圧入井2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、二酸化炭素の注入・圧入孔である。
As described above, the injection well 2 penetrates the carbon dioxide seal region S that exists from the seabed surface F to a predetermined depth, and extends to the carbon dioxide reservoir G below the carbon dioxide seal region S, and Carbon dioxide is injected into the carbon reservoir G.
The injection well 2 is, for example, a carbon dioxide injection/injection hole made of a well drilled by boring or the like.
 図示例の圧入井2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、図示略の二酸化炭素供給源及び圧送設備は陸上に設置されることになる。 The injection well 2 in the illustrated example is provided as a vertical well, but if necessary, it may be an inclined well, or a combination of a vertical well and a horizontal well (for example, an L-shaped cross section), a vertical well, It is also possible to have a structure that combines horizontal wells and inclined wells as appropriate. Moreover, it is also possible to install it as an inclined well directly from land, and in this case, the carbon dioxide supply source and pumping equipment (not shown) will be installed on land.
 上述したように、本実施形態の貯留装置1においては、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させるための人工水封設備6が設けられており、図示例では、人工水封設備6が二酸化炭素シール領域Sの上面に一部が露出するように配置されている。
 また、人工水封設備6は、図1(b)の拡大図に示すように、圧入井2の周囲を取り囲むように円環状に設けられた多重管から構成されている。また、図示例においては、人工水封設備6が、圧入井2側から外側に向かって断面段差形状とされた多重管から構成されている。
As described above, the storage device 1 of this embodiment is provided with the artificial water sealing equipment 6 for increasing the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S, and in the illustrated example, the artificial water sealing equipment 6 increases the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S. It is arranged so that a part thereof is exposed on the upper surface of the carbon seal area S.
Moreover, the artificial water sealing equipment 6 is comprised of multiple pipes provided in an annular shape so as to surround the injection well 2, as shown in the enlarged view of FIG. 1(b). Further, in the illustrated example, the artificial water sealing equipment 6 is composed of multiple pipes having a step-shaped cross section extending outward from the injection well 2 side.
 人工水封設備6は、二酸化炭素を海底面F下の地層U中に圧入するときに、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として二酸化炭素シール領域Sに注入する。これにより、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧が増加するので、二酸化炭素遮蔽層Cを含む二酸化炭素シール領域S全体の強度が高められる作用が得られる。これにより、二酸化炭素がハイドレート化されてなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度も確実に確保できるので、二酸化炭素遮蔽層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、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。 When the artificial water sealing equipment 6 injects carbon dioxide into the stratum U below the seafloor surface F, it injects at least one of seawater and water as pore water into the carbon dioxide sealing region S. As a result, the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S increases, so that the strength of the entire carbon dioxide sealing region S including the carbon dioxide shielding layer C can be increased. As a result, the strength of the carbon dioxide shielding layer C, which is made of hydrated carbon dioxide, can be ensured, so the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C can be reliably contained, and a large amount of carbon dioxide can be can be stored efficiently.
 なお、本実施形態で用いる貯留装置1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の状態、あるいは、二酸化炭素ハイドレートが生成されてなる二酸化炭素遮蔽層Cを含む二酸化炭素シール領域Sの状態等を検出するための、各種の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 used in this embodiment also has a carbon dioxide shielding layer C in which the state of carbon dioxide stored in the carbon dioxide storage layer G or carbon dioxide hydrate is generated. Various monitoring devices may be provided for detecting the state of the carbon dioxide seal area S including the carbon dioxide sealing area S.
<二酸化炭素の地中貯留方法>
 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について、上記の図1(a),(b)に加え、図2~15も適宜参照しながら詳細に説明する。
 本実施形態の貯留方法においては、図1(a),(b)に示した本実施形態の貯留装置1を用いた方法とすることができる。
<Method for storing carbon dioxide underground>
Hereinafter, a carbon dioxide underground storage method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 15 in addition to FIGS. 1(a) and (b) above.
The storage method of this embodiment can be a method using the storage device 1 of this embodiment shown in FIGS. 1(a) and 1(b).
[二酸化炭素シール領域における人工水封]
 本実施形態の貯留方法は、上述したように、二酸化炭素(CO)を単独あるいは該二酸化炭素を主成分とする混合ガスが液化した状態で、音響基盤B上の堆積物からなる海底面F下の地層U又は図示略の陸域の地層中に貯留する方法である。本実施形態では、海底(海底面)F又は図示略の陸域の地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地層からなる二酸化炭素シール領域Sよりも下方に、二酸化炭素を圧入して二酸化炭素貯留層Gを形成する。また、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を二酸化炭素シール領域S側に二酸化炭素の浮力で自然に上昇させて二酸化炭素ハイドレートを生成させることにより、二酸化炭素シール領域S中に二酸化炭素遮蔽層Cを形成する。
 そして、本実施形態の貯留方法においては、海水W及び水の少なくとも一方を孔隙水として二酸化炭素シール領域Sに注入する人工水封により、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させる方法を採用している。
[Artificial water seal in the carbon dioxide seal area]
As described above, in the storage method of this embodiment, carbon dioxide (CO 2 ) alone or a mixed gas containing carbon dioxide as a main component is liquefied, and carbon dioxide (CO 2 ) is stored on the seafloor surface F made of sediments on the acoustic substrate B. This is a method of storing it in the underlying stratum U or in a stratum on land (not shown). In the present embodiment, a carbon dioxide seal area S exists at a predetermined depth from the ground of the seabed (seafloor surface) F or a land area (not shown), and is composed of a stratum that satisfies pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate. Carbon dioxide is injected under pressure to form a carbon dioxide storage layer G. In addition, at least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide storage layer G is naturally raised toward the carbon dioxide sealing area S by the buoyancy of the carbon dioxide to generate carbon dioxide hydrate. A carbon dioxide shielding layer C is formed therein.
In the storage method of the present embodiment, a method is adopted in which the pore pressure of the carbon dioxide seal area S is increased by an artificial water seal in which at least one of seawater W and water is injected into the carbon dioxide seal area S as pore water. ing.
 本実施形態の貯留方法においては、図1(a),(b)に示した貯留装置1を用いて、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ガスが液化した状態で、音響基盤B上の堆積物からなる海底面F下の地層U中に貯留することができる。 In the storage method of this embodiment, using the storage device 1 shown in FIGS. It can be stored in the stratum U below the seafloor F, which is made up of sediments on the bedrock B.
 上記のような人工水封を行うための設備としては、貯留装置1に備えられるような人工水封設備6が挙げられる。図示例の人工水封設備6は、二酸化炭素シール領域Sの上面側に配置され、上述したように、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として二酸化炭素シール領域Sに注入することにより、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させることが可能なものである。
 このような人工水封設備6が備えられることで、二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧が増加するので、二酸化炭素遮蔽層Cを含む二酸化炭素シール領域S全体の強度が高められる。
 なお、人工水封設備6の詳細な構成については、既に述べた通りである。
As equipment for performing the above-described artificial water sealing, an artificial water sealing equipment 6 such as that provided in the storage device 1 can be mentioned. The illustrated artificial water sealing equipment 6 is disposed on the upper surface side of the carbon dioxide sealing area S, and as described above, by injecting at least one of seawater and water as pore water into the carbon dioxide sealing area S, carbon dioxide is removed. It is possible to increase the pore pressure in the seal area S.
By providing such artificial water sealing equipment 6, the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S increases, so that the strength of the entire carbon dioxide sealing region S including the carbon dioxide shielding layer C is increased.
Note that the detailed configuration of the artificial water seal equipment 6 is as already described.
 以下に、本実施形態の貯留方法において人工水封を行う場合の詳細について説明する。
 先に説明した図1(a)の模式断面図において、二酸化炭素の注入点の鉛直上方に位置する(b)点の近傍は、二酸化炭素の浮力に基づく最大の圧力が作用する。このとき、貯留する二酸化炭素の圧力が、二酸化炭素遮蔽層Cの時間-強度関係を超える場合には、二酸化炭素が漏洩するリスクがある。二酸化炭素の圧力が二酸化炭素遮蔽層Cの強度を超えるのは、二酸化炭素遮蔽層Cとなる二酸化炭素ハイドレート膜の生成初期(例えば、2週間以内)である可能性が大きい。
Below, details of the case where artificial water sealing is performed in the storage method of this embodiment will be explained.
In the schematic cross-sectional view of FIG. 1(a) described above, the maximum pressure based on the buoyancy of carbon dioxide acts in the vicinity of point (b) located vertically above the carbon dioxide injection point. At this time, if the pressure of the stored carbon dioxide exceeds the time-intensity relationship of the carbon dioxide shielding layer C, there is a risk that the carbon dioxide will leak. It is highly likely that the pressure of carbon dioxide exceeds the strength of the carbon dioxide shielding layer C at the beginning of the production of the carbon dioxide hydrate film that will become the carbon dioxide shielding layer C (for example, within two weeks).
 一方、二酸化炭素遮蔽層Cの上部には海水Wによる静水圧が作用するが、二酸化炭素遮蔽層Cの下部には、二酸化炭素の浮力で生じる圧力が作用する。このような、二酸化炭素遮蔽層Cの上下間に生じる差圧が二酸化炭素遮蔽層Cの強度以下であれば、二酸化炭素が二酸化炭素遮蔽層Cへの浸透を開始することは無い。
 そこで、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が弱めである二酸化炭素ハイドレート膜の生成初期(例えば、生成開始から2週間)は、二酸化炭素遮蔽層Cの上下間の差圧が水頭で2m以上にならないように、圧入井2の切削時に海底面Fに設置する多重管の隙間構造(ケーシングのアニュラス)等を利用した人工水封設備6を設けることが考えられる。このような人工水封設備6を設置することにより、二酸化炭素シール領域Sの上部から海水/水を注入することで、二酸化炭素遮蔽層Cを含む二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧(間隙圧)を上昇させることが可能となる。
On the other hand, hydrostatic pressure due to seawater W acts on the upper part of the carbon dioxide shielding layer C, while pressure generated by the buoyancy of carbon dioxide acts on the lower part of the carbon dioxide shielding layer C. If the pressure difference generated between the upper and lower sides of the carbon dioxide shielding layer C is lower than the strength of the carbon dioxide shielding layer C, carbon dioxide will not start permeating into the carbon dioxide shielding layer C.
Therefore, in the initial stage of formation of the carbon dioxide hydrate film (for example, 2 weeks after the start of production) when the strength of the carbon dioxide shielding layer C is weak, the differential pressure between the upper and lower sides of the carbon dioxide shielding layer C does not exceed 2 m in water head. Thus, it is conceivable to provide an artificial water sealing facility 6 using a gap structure of multiple pipes (casing annulus), etc., which is installed on the seabed surface F when cutting the injection well 2. By installing such artificial water sealing equipment 6, seawater/water is injected from the upper part of the carbon dioxide sealing area S, thereby reducing the pore pressure (pore pressure) of the carbon dioxide sealing area S including the carbon dioxide shielding layer C. It becomes possible to increase the
 二酸化炭素ハイドレート貯留は、上述したような、地質時代で最も新しく未固結の第四紀堆積層を対象層としている。地震等で生じる断層について考えた場合、第四紀堆積層は未固結なので変形が許容され、この変形に伴ってダイレイタンシー(Dilatancy;せん断変形で生じる体積変化)が生じると考えられる。第四紀堆積層は、上記のダイレイタンシーで孔隙率が大きくなり、浸透率が大きくなることが考えられ、二酸化炭素の漏洩リスクにどの程度の影響があるのか検討が必要である。 Carbon dioxide hydrate storage targets the latest unconsolidated Quaternary sedimentary layer in the geological era, as mentioned above. When considering faults caused by earthquakes, etc., the Quaternary sedimentary layers are unconsolidated, so deformation is allowed, and dilatancy (volume change caused by shear deformation) is thought to occur along with this deformation. It is thought that the porosity of the Quaternary sedimentary layer increases due to the above-mentioned dilatancy, which increases the permeability, and it is necessary to consider how much of an impact this has on the risk of carbon dioxide leakage.
 ここで、図5の模式図には、本発明を実証するための室内実験で用いた圧力セル100の概略構造を示している。この圧力セル100内における圧力は最大で70MPaであり、これは、海中における水深7000mの圧力に相当する。
 本実証実験では、図5中に示す圧力セル100の中に7号硅砂(細砂)、あるいは、9 号硅砂(シルト)をセットし、海底下の地層における圧力及び温度を模擬した条件を再現した後、圧力セル100の下部から液体の二酸化炭素を浸透させる実験を行った。この際の計測項目は、下部側から100mmピッチで設置した温度計で測定される温度、並びに、圧力セル100の上端部及び下端部の圧力である。
Here, the schematic diagram of FIG. 5 shows a schematic structure of a pressure cell 100 used in an indoor experiment to demonstrate the present invention. The maximum pressure within this pressure cell 100 is 70 MPa, which corresponds to the pressure at a depth of 7000 m underwater.
In this demonstration experiment, No. 7 silica sand (fine sand) or No. 9 silica sand (silt) was set in the pressure cell 100 shown in Figure 5 to reproduce conditions that simulated the pressure and temperature in the strata beneath the ocean floor. After that, an experiment was conducted in which liquid carbon dioxide was permeated from the bottom of the pressure cell 100. The measurement items at this time are the temperature measured by thermometers installed at a pitch of 100 mm from the bottom side, and the pressure at the upper and lower ends of the pressure cell 100.
 そして、本発明者等は、人工水封を想定した二酸化炭素遮蔽層Cの時間-強度関係について、図5に示した圧力セル100を用いた実証実験を行い、結果を図11のグラフに示した。
 ここで、図11は、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、逆方向の差圧が作用した場合の、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度を示すグラフである。
 なお、本実験における「逆方向の差圧」とは、詳細を後述する二酸化炭素の密度(ρCO2)と孔隙水の密度(ρsw)との関係が、次式{ρCO2<ρsw}で表される関係である場合のことをいう。
The present inventors conducted a demonstration experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. 5 regarding the time-intensity relationship of the carbon dioxide shielding layer C assuming an artificial water seal, and the results are shown in the graph of FIG. Ta.
Here, FIG. 11 shows the strength of the carbon dioxide shielding layer C made of a carbon dioxide hydrate film when a pressure difference in the opposite direction is applied, which was obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. This is a graph showing.
In this experiment, the "reverse pressure differential" means that the relationship between the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of pore water (ρ sw ), which will be described in detail later, is expressed by the following formula: {ρ CO2sw } This refers to the case where the relationship is expressed as
 上記の実験の結果、圧力セル100において、二酸化炭素が浸透した砂の孔隙に水を浸透させる方向で人工水封を行った場合、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する差圧力を低減させる効果が見られるとともに、人工水封による圧力上昇が過大になった場合には、二酸化炭素遮蔽層Cが短時間(本実験では1~2時間)で強度上昇する効果が見られた。 As a result of the above experiment, when artificial water sealing was performed in the pressure cell 100 in such a way that water permeated into the pores of the sand infiltrated with carbon dioxide, the effect of reducing the differential pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C was found. In addition, when the pressure increase due to the artificial water seal became excessive, the strength of the carbon dioxide shielding layer C was increased in a short period of time (1 to 2 hours in this experiment).
 なお、本実施形態で説明する、二酸化炭素ハイドレートからなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度とは、所謂スレッショルド圧力(Threshold pressure)と呼ばれるものであり、二酸化炭素の浸透が開始する圧力である。即ち、上記の二酸化炭素遮蔽層Cの強度は、その圧力以下では二酸化炭素が浸透しない(遮蔽される)スレッショルド圧力以上とする必要がある。本実施形態で説明するスレッショルド圧力は、「海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律」(昭和45年法律第136号)に基づく、前記DSAの実証試験における「特定二酸化炭素ガスの海底下廃棄の許可の申請」(http://www.env.go.jp/press/102082.html)に記載された方法により、二酸化炭素遮蔽層Cに二酸化炭素COが浸透を開始する圧力として、水銀圧入法等で計測される。なお、二酸化炭素遮蔽層Cは、主に地層孔隙に二酸化炭素ハイドレートが充填することで形成されると考えられ、毛管圧に起因する上記のDSAにおけるスレッショルド圧力とは遮蔽のメカニズムが異なると考えられる。 The strength of the carbon dioxide shielding layer C made of carbon dioxide hydrate, which will be explained in this embodiment, is the so-called threshold pressure, which is the pressure at which carbon dioxide starts permeating. That is, the strength of the carbon dioxide shielding layer C needs to be at least a threshold pressure below which carbon dioxide does not permeate (is shielded). The threshold pressure explained in this embodiment is based on the "sub-seafloor disposal of specified carbon dioxide gas" in the DSA demonstration test based on the "Act on the Prevention of Marine Pollution, Etc. and Maritime Disasters" (Act No. 136 of 1971). According to the method described in "Application for Permit" (http://www.env.go.jp/press/102082.html), mercury intrusion is applied as the pressure at which carbon dioxide CO 2 starts permeating into the carbon dioxide shielding layer C. Measured by law etc. It should be noted that the carbon dioxide shielding layer C is thought to be formed mainly by carbon dioxide hydrate filling the pores of the strata, and the shielding mechanism is thought to be different from the threshold pressure in DSA described above, which is caused by capillary pressure. It will be done.
 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、水と混合した場合には、異なる温度と圧力の条件でハイドレート(固体)化する。 As mentioned above, carbon dioxide (CO 2 ) exists in one of four phases: gas, liquid, solid, and supercritical within a predetermined temperature and pressure range. Also, carbon dioxide (CO 2 ) becomes solid (dry ice) under normal pressure and at temperatures below 194K (-79.15℃), but when mixed with water, it becomes solid (dry ice) under different temperature and pressure conditions. Turn into hydrate (solid).
 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、海底下地層U(図1参照)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。 Furthermore, carbon dioxide (CO 2 ) becomes supercritical when the temperature is 31° C. or higher and the pressure is 7.4 MPa or higher, and the density change becomes relatively slow. Carbon dioxide (CO 2 ) has a density lower than that of seawater when the temperature is 35°C or lower and the pressure is 20MPa or lower, and it has a density lower than that of water unless the temperature is around 0°C and the pressure is 14MPa or higher. small. In other words, in a liquid or supercritical state, carbon dioxide (CO 2 ) has a lower density than seawater, so carbon dioxide (CO 2 ) is stored in the seabed substratum U (see Figure 1). This requires a sealing function to contain the carbon dioxide that floats up due to the above 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。
 メタンハイドレートは、大陸縁辺の海底下地層や、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 with highly airtight caprock such as mudstone that acts as a sealing layer.
Analysis of shale gas's DNA has revealed that it is produced from shale, which is considered to be the source rock of petroleum, at the same time as shale oil.
It has been confirmed that methane hydrate exists as a solid in the sub-seafloor layer of the continental margins and in the permafrost layer, and although there is no cap rock like the one mentioned above, it is difficult to prevent methane hydrate from occurring due to the temperature and pressure conditions in which it becomes hydrated. , a sealing layer that performs a so-called sealing function is formed.
 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(帯水層貯留とも呼ばれる)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、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 its natural state, as described above, can be viewed as a natural analogue (natural analogue phenomenon) of carbon dioxide storage. That is, in the underground storage (also called aquifer storage) of conventional natural gas and general carbon dioxide, the above-mentioned cap rock functions as a sealing layer. Furthermore, methane hydrate and carbon dioxide hydrate can be used as a sealing layer by setting the temperature and pressure conditions for hydration.
Furthermore, shale gas exists when methane is adsorbed on shale or coal seams, and it is known that carbon dioxide is also adsorbed.
As mentioned above, naturally occurring natural gas is confined within geological formations with different sealing functions. By utilizing such a sealing function, that is, natural conditions, it becomes possible to store carbon dioxide underground.
 以下に、地層孔隙における二酸化炭素ハイドレートの挙動、並びに、地層中に貯留される二酸化炭素ハイドレートのイメージについて詳述する。
 図1(a)の模式断面図において、海底面F下の二酸化炭素シール領域S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、即ち、二酸化炭素ハイドレートが安定して存在する圧力・温度である領域である。
 また、二酸化炭素シール領域Sの下に位置する二酸化炭素貯留層Gは、二酸化炭素が液体で貯留させる圧力条件及び温度条件の領域である(図3の二酸化炭素ハイドレートの温度-圧力相図も参照)。
 また、二酸化炭素貯留層Gの下の音響基盤Bは、は海底地質図等の解釈に利用される反射法によって規定される基盤であり、例えば、マグマの組成に近い玄武岩等の存在が考えられる基盤である。
 そして、音響基盤B上には数百m程度の堆積層(第四紀堆積層)が存在し、図3のグラフ中に示した二酸化炭素ハイドレートの安定領域に基づき、上述した二酸化炭素シール領域Sと二酸化炭素貯留層Gとに分かれる。
Below, the behavior of carbon dioxide hydrate in geological pores and the image of carbon dioxide hydrate stored in geological formations will be explained in detail.
In the schematic cross-sectional view of FIG. 1(a), the carbon dioxide seal area S below the seafloor surface F is a stratum that satisfies the pressure and temperature conditions that allow carbon dioxide hydrate to be produced, that is, the carbon dioxide hydrate is stable. This is the area where the pressure and temperature exist.
In addition, the carbon dioxide storage layer G located below the carbon dioxide sealing area S is an area with pressure and temperature conditions that allow carbon dioxide to be stored as a liquid (the temperature-pressure phase diagram of carbon dioxide hydrate in Figure 3 is also reference).
In addition, the acoustic base B under the carbon dioxide reservoir G is a base defined by the reflection method used to interpret submarine geological maps, etc., and for example, the existence of basalt, etc., which has a composition similar to that of magma is thought to exist. It is the foundation.
There is a sedimentary layer (Quaternary sedimentary layer) of several hundred meters on acoustic substrate B, and based on the stable area of carbon dioxide hydrate shown in the graph of Figure 3, the carbon dioxide seal area described above is It is divided into S and carbon dioxide reservoir G.
 図1(a)中に示す二酸化炭素貯留層Gにおいて、圧入井2の先端21の位置で二酸化炭素を圧入すると、二酸化炭素が浮力で上昇し、二酸化炭素シール領域Sの下部の位置まで浸透する。そして、二酸化炭素シール領域Sに浸透した二酸化炭素の温度が低下すると、二酸化炭素ハイドレートが生成され、二酸化炭素シール領域Sの下部の位置に二酸化炭素遮蔽層Cが形成される。この後、二酸化炭素貯留層Gに圧入された二酸化炭素は、二酸化炭素遮蔽層Cによって当該位置から上方向への浮上が阻止されることから、その貯留範囲は水平方向に広がってゆきながら、二酸化炭素貯留層Gの上部に二酸化炭素液体層G1が形成されてゆくと考えられる。 In the carbon dioxide reservoir G shown in FIG. 1(a), when carbon dioxide is injected at the tip 21 of the injection well 2, the carbon dioxide rises due to buoyancy and penetrates to the lower part of the carbon dioxide seal area S . Then, when the temperature of the carbon dioxide that has permeated into the carbon dioxide sealing region S decreases, carbon dioxide hydrate is generated, and a carbon dioxide shielding layer C is formed at a lower position of the carbon dioxide sealing region S. After that, the carbon dioxide injected into the carbon dioxide storage layer G is prevented from floating upward from that position by the carbon dioxide shielding layer C, so the storage area expands horizontally and the carbon dioxide It is considered that a carbon dioxide liquid layer G1 is gradually formed above the carbon reservoir G.
[二酸化炭素ハイドレート生成後の時間と強度との関係]
 本実施形態の二酸化炭素の地中貯留方法においては、上記のような人工水封によって二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させることに加え、さらに、二酸化炭素ハイドレートの生成初期における強度が、二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1の層厚が10m~40mのときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力に相当するように構成する方法を採用することも可能である。
[Relationship between time and intensity after carbon dioxide hydrate formation]
In the carbon dioxide underground storage method of this embodiment, in addition to increasing the pore pressure of the carbon dioxide sealing region S by the artificial water seal as described above, the strength at the initial stage of carbon dioxide hydrate generation is When the thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 formed on the upper part of the carbon dioxide storage layer G is 10 m to 40 m, it is also possible to adopt a method of configuring it so that it corresponds to the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C. It is.
 本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、上記のような二酸化炭素ハイドレートを生成させて二酸化炭素遮蔽層Cを形成させるのにあたり、二酸化炭素ハイドレートの生成初期における強度を、二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1が所定の層厚のときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力に相当するよう最適化することを知見した。即ち、二酸化炭素遮蔽層Cにおける二酸化炭素ハイドレートの生成初期の強度を、二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1の層厚が10m~40mのときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力に基づいて最適化することにより、二酸化炭素遮蔽層Cが十分な強度を有したシール層となることを見出した。 As a result of extensive studies, the inventor of the present invention has determined that, in forming the carbon dioxide shielding layer C by generating carbon dioxide hydrate as described above, the strength at the initial stage of carbon dioxide hydrate formation should be adjusted to It has been found that when the carbon dioxide liquid layer G1 formed on the upper part of G has a predetermined layer thickness, it is optimized so as to correspond to the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C. That is, the initial strength of carbon dioxide hydrate generation in the carbon dioxide shielding layer C is determined by determining the strength of the carbon dioxide shielding layer when the thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 formed on the upper part of the carbon dioxide storage layer G is 10 m to 40 m. It has been found that by optimizing the carbon dioxide shielding layer C based on the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C, the carbon dioxide shielding layer C becomes a sealing layer with sufficient strength.
 さらに、本発明者は、二酸化炭素遮蔽層Cにおける二酸化炭素ハイドレートの生成後の時間と強度との関係を最適化することにより、二酸化炭素遮蔽層Cが、より十分な強度を有したシール層となり、大量の二酸化炭素をより効率的に貯留することが可能になることを見出した。 Furthermore, by optimizing the relationship between the time after carbon dioxide hydrate generation and strength in the carbon dioxide shielding layer C, the carbon dioxide shielding layer C becomes a sealing layer with sufficient strength. It was discovered that this makes it possible to store large amounts of carbon dioxide more efficiently.
 即ち、本発明者は、上記のように、二酸化炭素遮蔽層Cにおける二酸化炭素ハイドレートの生成からの時間と強度との関係を最適化することにより、十分な強度で二酸化炭素遮蔽層Cを形成させることで、二酸化炭素貯留層Gに圧入した二酸化炭素が漏洩するのを防止でき、キャップロックを必要とすることなく、大量の二酸化炭素を効率的に貯留することが可能になることを見出した。 That is, as described above, the present inventors formed the carbon dioxide shielding layer C with sufficient strength by optimizing the relationship between the time from the generation of carbon dioxide hydrate in the carbon dioxide shielding layer C and the strength. It was discovered that by doing so, the carbon dioxide injected into the carbon dioxide reservoir G can be prevented from leaking, and it becomes possible to efficiently store large amounts of carbon dioxide without the need for a cap lock. .
 なお、本発明で規定する、二酸化炭素遮蔽層における二酸化炭素ハイドレートの生成初期の強度とは、例えば、二酸化炭素ハイドレートの生成開始から0~40hrの時点における強度である。 Note that the strength at the initial stage of carbon dioxide hydrate production in the carbon dioxide shielding layer as defined in the present invention is, for example, the strength at a time of 0 to 40 hours from the start of carbon dioxide hydrate production.
 以下に、二酸化炭素液体層G1の上昇圧力によって二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力の試算について詳述する。
 本発明者は、詳細を後述する室内実験と平行して、図1(a)中に示した二酸化炭素ハイドレートからなる二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力を試算した。この圧力は、水中(海水中)における液体二酸化炭素の浮力に基づくもので、水又は海水の密度と、二酸化炭素の密度との差分を積分することで、図4のグラフに示すような結果で計算される。
Below, a trial calculation of the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C due to the rising pressure of the carbon dioxide liquid layer G1 will be described in detail.
In parallel with a laboratory experiment whose details will be described later, the inventor calculated the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C made of carbon dioxide hydrate shown in FIG. 1(a). This pressure is based on the buoyancy of liquid carbon dioxide in water (seawater), and by integrating the difference between the density of water or seawater and the density of carbon dioxide, the result shown in the graph of Figure 4 is obtained. Calculated.
 ここで、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力の試算に用いた二酸化炭素の密度の等値線を、図2の二酸化炭素ハイドレートの温度-圧力相図のグラフ中に示す。図2のグラフ中においてR1で示した領域は、二酸化炭素ハイドレートが安定して存在する圧力条件・温度条件を示す領域である。 Here, the carbon dioxide density contour line used for the trial calculation of the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C is shown in the graph of the temperature-pressure phase diagram of carbon dioxide hydrate in FIG. 2. The region indicated by R1 in the graph of FIG. 2 is a region indicating pressure and temperature conditions under which carbon dioxide hydrate exists stably.
 また、図3の二酸化炭素ハイドレートの温度-圧力相図のグラフ中に、二酸化炭素ハイドレートの安定領域を、温度軸を拡大して示す。図3中には、上述した二酸化炭素の密度の等値線、海水密度の等値線、並びに密度差の等値線も重ね合わせて示し、二酸化炭素の浮力の読み取りが可能なグラフとしている。なお、図3中には、太平洋及び日本海の海水温-圧力(水深)の関係をプロットした曲線を示している。また、図3中には、Span&Wagner の状態方程式(参考文献1:Span, R. and Wagner, W.“A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple-Point Temperature to 1100 K at Pressures up to 800 MPa”, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 25, 1996, p1509-1596)を用いて計算した二酸化炭素の等密度線も示している。また、図3中には、EOS80(参考文献2:Millero, F.J., Poisson, A. “International one-atmosphere equation of state of seawater, Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers”, Vol.28, Issue 6, 1981, p625-629; 参考文献3:Millero, F.J., Poisson, A. “Density of seawater and the new International Equation of State of Seawater 1980”, IMS Newsletter, Number 30, Wright (Ed), Spe-cial Issue 1981-1982, UNESCO, Paris, France, 1981, p.3)を用いて計算した35‰海水の当密度線も示している。また、図3中には、密度の差分Δ(二酸化炭素密度-海水密度)の等値線も示している。さらに、図3中には、図1(a)の模式断面図中に示した地層の温度・圧力{二酸化炭素シール領域S(1)-二酸化炭素貯留層G(2)-音響基盤B(3)}も示している。 Furthermore, in the graph of the temperature-pressure phase diagram of carbon dioxide hydrate in FIG. 3, the stable region of carbon dioxide hydrate is shown with the temperature axis enlarged. In FIG. 3, the above-mentioned isolines of density of carbon dioxide, isolines of seawater density, and isovalues of density difference are also shown superimposed to form a graph from which the buoyancy of carbon dioxide can be read. Note that FIG. 3 shows a curve plotting the relationship between seawater temperature and pressure (water depth) in the Pacific Ocean and the Sea of Japan. Figure 3 also shows the Span & Wagner equation of state (Reference 1: Span, R. and Wagner, W. “A New Equation of State for Carbon Dioxide Covering the Fluid Region from the Triple-Point Temperature to 1100 K at Pressures Also shown are carbon dioxide isopycnal lines calculated using “up to 800 MPa”, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 25, 1996, p1509-1596). Also, in Figure 3, EOS80 (Reference 2: Millero, F.J., Poisson, A. “International one-atmosphere equation of state of seawater, Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers”, Vol. 28, Issue 6 , 1981, p625-629; Reference 3: Millero, F.J., Poisson, A. “Density of seawater and the new International Equation of State of Seawater 1980”, IMS Newsletter, Number 30, Wright (Ed), Special Issue The equidensity line for 35‰ seawater calculated using 1981-1982, UNESCO, Paris, France, 1981, p.3) is also shown. FIG. 3 also shows isovalue lines of the density difference Δ (carbon dioxide density−seawater density). Furthermore, in FIG. 3, the temperature and pressure of the stratum shown in the schematic cross-sectional view of FIG. )} is also shown.
 ここで、図3のグラフ中においてR2で示した領域は、上述した、二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1の層厚が10m~40mのときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力を読み取り可能な領域である。図3中に示す領域R2は、二酸化炭素貯留層Gに貯留される二酸化炭素の圧力・温度を示す領域である。ここで、図3中に示す二酸化炭素の当密度線L1の値を読み取ると、二酸化炭素の密度は850~970kg/mであり、海水の当密度線L2の値を読み取ると、海水の密度は1029~1035kg/mである。これらの密度は、二酸化炭素の浮力の計算に必要であり、上記の二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1の層厚が10m~40mのときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力は、上記の各密度の値に基づいて求めることができる。 Here, the region indicated by R2 in the graph of FIG. 3 is the carbon dioxide shielding layer when the thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 formed above the carbon dioxide storage layer G is 10 m to 40 m. This is the area where the pressure acting on C can be read. A region R2 shown in FIG. 3 is a region indicating the pressure and temperature of carbon dioxide stored in the carbon dioxide storage layer G. Here, when reading the value of the carbon dioxide density line L1 shown in Figure 3, the density of carbon dioxide is 850 to 970 kg/ m3 , and when reading the value of the seawater density line L2, the density of seawater is is 1029 to 1035 kg/m 3 . These densities are necessary for calculating the buoyancy of carbon dioxide, and when the thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 formed above the carbon dioxide storage layer G is 10 m to 40 m, the carbon dioxide shielding layer C The pressure acting on can be determined based on the values of each density mentioned above.
 図3のグラフ中においてR3で示した領域は、二酸化炭素ハイドレート貯留によって貯留される二酸化炭素の密度の範囲(二酸化炭素液体層G1の層厚が50mである場合)を示している。この領域R3を見ると、貯留される二酸化炭素の密度は900から950kg/m程であり、海水の密度の90~95%に相当する密度である。これにより、二酸化炭素貯留層G(二酸化炭素液体層G1)に貯留される二酸化炭素の密度が海水の密度に近づくと、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する浮力によって生じる圧力が小さくなることがわかる。 The region indicated by R3 in the graph of FIG. 3 indicates the range of the density of carbon dioxide stored by carbon dioxide hydrate storage (when the thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 is 50 m). Looking at this region R3, the density of the stored carbon dioxide is about 900 to 950 kg/m 3 , which is equivalent to 90 to 95% of the density of seawater. This shows that when the density of carbon dioxide stored in the carbon dioxide storage layer G (carbon dioxide liquid layer G1) approaches the density of seawater, the pressure generated by the buoyancy acting on the carbon dioxide shielding layer C becomes smaller.
 図3のグラフ中に示した線分(a)-(b)-(c)は、それぞれ、海底面Fの温度・圧力(a)、二酸化炭素遮蔽層Cの下端の温度・圧力(b)、及び、二酸化炭素の注入点の温度・圧力(c)を示すプロット位置を各々繋ぐ線分であり、海底面Fの温度が5℃・1000m(約1,000decibar)、海底下の地層Uの地温勾配が30℃/km、二酸化炭素の注入点の温度が15℃である場合を示す。この温度・圧力は、貯留地点の水深や地温勾配によって変化するため、線分(a)-(b)-(c)は地点毎に異なる。 Line segments (a) - (b) - (c) shown in the graph of Fig. 3 represent the temperature and pressure at the bottom of the ocean floor F (a) and the temperature and pressure at the lower end of the carbon dioxide shielding layer C (b), respectively. , and a line segment connecting the plot positions showing the temperature and pressure (c) of the carbon dioxide injection point, respectively, where the temperature of the seafloor surface F is 5°C, 1000m (approximately 1,000 decibar), and the temperature and pressure (c) of the sub-seafloor stratum U. The case where the geothermal gradient is 30°C/km and the temperature at the carbon dioxide injection point is 15°C is shown. Since this temperature and pressure change depending on the water depth and geothermal gradient at the storage point, the line segment (a)-(b)-(c) differs from point to point.
 一方、海底面Fの温度・圧力については、太平洋と日本海における海水温-圧力(水深)の関係が確認・報告されている(参考文献4:池川 洋二郎,「COハイドレート貯留に関する日本周辺の深海における海水温の定式化」土木学会論文集,2022.01.14)。参考文献4で報告されているような、太平洋と日本海における海水温-圧力(水深)の関係は、図3においては、グラフ中のX軸方向で左側に、鉛直に近い2本の曲線でプロットされており、温度が低い側に位置するものが日本海における関係で、他方が太平洋の関係を示す。これら2本の曲線は、ともに、標準偏差が0.5℃以下である水深に曲線としてプロットされたものであり、日本海は水深が500~2000mの範囲、太平洋は水深が1000~4000mの範囲にプロットされている。ここで、太平洋は、黒潮の影響と考えられる温度変化が大きいことから、図3のグラフ中においては、最大・最小値の包絡線を破線で示している。また、図3中に示した上記2本の曲線は、参考文献4において対象とされているデータベース内で確認された水深の範囲に関する結果である。また、地温勾配(GG)については、陸域における平均値30℃/kmの地温勾配を、海域でも同様であると想定しているが、地温勾配は、地点毎に0~200℃/km程度の範囲で変化する。 On the other hand, regarding the temperature and pressure of the seafloor surface F, the relationship between seawater temperature and pressure (water depth) in the Pacific Ocean and the Sea of Japan has been confirmed and reported (Reference 4: Yojiro Ikegawa, "About Japan regarding CO2 hydrate storage"). “Formulation of seawater temperature in the deep sea” Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers, 2022.01.14). The relationship between seawater temperature and pressure (water depth) in the Pacific Ocean and the Sea of Japan, as reported in Reference 4, is shown in Figure 3 by two nearly vertical curves on the left side in the X-axis direction of the graph. The one on the lower temperature side shows the relationship in the Sea of Japan, and the other side shows the relationship in the Pacific Ocean. These two curves are both plotted as curves at water depths with a standard deviation of 0.5°C or less; the Sea of Japan has a water depth in the range of 500 to 2000 m, and the Pacific Ocean has a water depth in a range of 1000 to 4000 m. is plotted. Here, in the graph of FIG. 3, the envelopes of the maximum and minimum values are shown as broken lines because the temperature change in the Pacific Ocean is large, which is considered to be the influence of the Kuroshio Current. Furthermore, the above two curves shown in FIG. 3 are the results regarding the range of water depths confirmed in the database covered in Reference Document 4. Regarding the geothermal gradient (GG), it is assumed that the average value of the geothermal gradient in the land area is 30℃/km, and that it is the same in the ocean area, but the geothermal gradient is about 0 to 200℃/km at each point. Varies within the range of .
 上記のような、海水温-水深の関係と、参考文献4で示されているCOハイドレートの安定領域の境界(三相線)の定式に基づき、二酸化炭素遮蔽層Cの下端の温度・圧力(T,P)は、Tsf、Psf、GGを既知入力とする下記一般式(1)で計算できる。 Based on the relationship between seawater temperature and water depth as described above and the formula for the boundary (three-phase line) of the stable region of CO 2 hydrate shown in Reference 4, the temperature at the lower end of the carbon dioxide shielding layer C, The pressure (T, P) can be calculated using the following general formula (1) using Tsf, Psf, and GG as known inputs.
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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 他方、二酸化炭素遮蔽層Cの上端は、COハイドレートの過冷却の現象があること、COハイドレートの生成が可能なCOと水のモル比率(1:5.5~6)の条件があること、海底下の地層U中の孔隙水が海水と同様に塩分を含む場合に凝固点降下が生じること、等の留意点があることから、精度よく計算で求めるにためにはデータ不足となる可能性もある。ここで、上述した過冷却(SUPER-COOL)とは、固体に相変化する温度・圧力においても液体に留まっている現象であり、振動等のきっかけで微小な一部が固体に変化を開始すると、全体が一挙に固体に変化する現象として知られている。また、凝固点降下は、濃度3%程の食塩水に氷を浮かべると、この氷の融点が-5℃程まで低下することで知られ、塩分の濃度がより高くなると、融点がさらに低下することも知られている。 On the other hand, at the upper end of the carbon dioxide shielding layer C, there is a phenomenon of supercooling of CO 2 hydrate, and the molar ratio of CO 2 and water (1:5.5 to 6) that allows generation of CO 2 hydrate. There is insufficient data to accurately calculate this, as there are certain conditions, and there are points to keep in mind, such as freezing point depression occurring when pore water in stratum U beneath the ocean floor contains salt like seawater. There is a possibility that Here, the above-mentioned supercooling (SUPER-COOL) is a phenomenon in which the liquid remains in the liquid state even at a temperature and pressure that would cause the phase to change to a solid. , is known as a phenomenon in which the whole turns into a solid at once. Furthermore, freezing point depression is known as the fact that when ice is floated in salt water with a concentration of about 3%, the melting point of this ice drops to about -5°C, and as the concentration of salt increases, the melting point drops even further. is also known.
 上記のように、海底下の地層Uに含まれる孔隙水は、海水と同様に塩分を含むと考えられることから、以下に、COハイドレートの生成における凝固点降下についで説明する。
 COハイドレートが生成するときは、氷の生成と同様に、塩分を排出するように生成する。このため、残された水の塩分が高くなるという現象が生じる。また、凝固点降下は局所的な塩分で変化することから均一にはならず、±2℃程のバラツキが生じる。また、純度が高い水の凝固点付近で熱量変化を計測すると、0℃に明瞭な発熱ピークが生じることで凝固点を決めることができる。しかしながら、塩分を含む水の凝固点付近で熱量変化を計測すると、明瞭なピークが現れず、凝固点に1~2℃の幅が生じ、明瞭な決定が難しい。
As mentioned above, since the pore water contained in the underground stratum U is considered to contain salt like seawater, freezing point depression in the production of CO 2 hydrate will be explained below.
When CO 2 hydrate is produced, it is produced in a way that removes salt, similar to the production of ice. As a result, a phenomenon occurs in which the salinity of the remaining water increases. Furthermore, since the freezing point depression varies depending on local salinity, it is not uniform and varies by about ±2°C. Furthermore, when measuring the change in calorific value near the freezing point of highly purified water, the freezing point can be determined by the occurrence of a clear exothermic peak at 0°C. However, when measuring the change in calorific value near the freezing point of salt-containing water, no clear peak appears, and the freezing point varies by 1 to 2 degrees Celsius, making it difficult to determine clearly.
 上述したように、二酸化炭素遮蔽層Cの上端における温度・圧力を求めるためには、過冷却、凝固点降下、並びにCOと水のモル比率の条件の観点から不確実性が存在するが、その範囲は一定程度の幅に収まる。例えば、平均的な35‰の海水の場合の凝固点降下は平均値で2℃であり、さらに±2℃程度の幅がある。図3のグラフ中には、この凝固点降下について、温度軸(X軸)に並行な複数の線分L3~L8で示している。図3のグラフにおいては、線分L9で示したCOハイドレートの安定領域の境界(三相線)に対して、上記の線分L3~L8が低温側に位置していることで凝固点降下が現れている。このデータは、本出願人が実施した室内実験の結果を示しており、線分L3~L8は、最大値と最小値を結ぶように表記している。 As mentioned above, in order to determine the temperature and pressure at the upper end of the carbon dioxide shielding layer C, there are uncertainties from the viewpoints of supercooling, freezing point depression, and the molar ratio of CO2 and water. The range is within a certain width. For example, in the case of average seawater having a temperature of 35‰, the freezing point depression is 2°C on average, and the range is about ±2°C. In the graph of FIG. 3, this freezing point depression is shown by a plurality of line segments L3 to L8 parallel to the temperature axis (X axis). In the graph of Figure 3, with respect to the boundary (three-phase line) of the stable region of CO 2 hydrate shown by line segment L9, the above-mentioned line segments L3 to L8 are located on the low temperature side, which lowers the freezing point. is appearing. This data shows the results of a laboratory experiment conducted by the applicant, and line segments L3 to L8 are drawn to connect the maximum and minimum values.
 以上の知見から、二酸化炭素遮蔽層Cにおける上端の温度は、下端の温度よりも平均値で2℃低く、且つ、±2℃程度の幅を有する。また、地温勾配が30℃/kmである場合、2℃の温度変化は、層厚にすると66.7mであり、±66.7mの幅を有するが、この層厚及び±範囲は平均値付近である確率が高い。従って、二酸化炭素遮蔽層Cは、二酸化炭素シール領域Sの下端側、即ち、二酸化炭素貯留層Gとの境界から0~133mの間に生じると考えられる。なお、この知見は、地温勾配が30℃/km、塩分が35‰の場合の知見であるため、これらが変化した場合には、上記の層厚も変化する。 From the above findings, the temperature at the upper end of the carbon dioxide shielding layer C is 2° C. lower on average than the temperature at the lower end, and has a width of approximately ±2° C. Furthermore, when the geothermal gradient is 30°C/km, a temperature change of 2°C is equivalent to a layer thickness of 66.7 m, which has a width of ±66.7 m, but this layer thickness and ± range are close to the average value. There is a high probability that Therefore, it is considered that the carbon dioxide shielding layer C is formed on the lower end side of the carbon dioxide sealing area S, that is, between 0 and 133 m from the boundary with the carbon dioxide storage layer G. Note that this finding is based on a geothermal gradient of 30° C./km and a salinity of 35‰, so if these change, the above-mentioned layer thickness will also change.
 なお、図4のグラフ中において、Case1-3の線分の右端には、貯留層厚=0m(貯槽の上端)の場合の水深(m)を示し、貯留層厚が200mの場合の圧力値を下向き正として示している。また、図4中において、貯留層厚が20mの場合の圧力は、貯留層厚200mの場合の1/10程度である。また、図4中において、Case1,2は二酸化炭素ハイドレート貯留、Case3は帯水層貯留であり、帯水層貯留では二酸化炭素は超臨界となって二酸化炭素密度が小さく、浮力が大きくなるために圧力が高くなることがわかる。 In the graph of Figure 4, the right end of the line segment for Case 1-3 shows the water depth (m) when the reservoir thickness is 0 m (top of the storage tank), and the pressure value when the reservoir thickness is 200 m. is shown as positive downward. Moreover, in FIG. 4, the pressure when the reservoir layer thickness is 20 m is about 1/10 of the pressure when the reservoir layer thickness is 200 m. In addition, in Figure 4, Cases 1 and 2 are carbon dioxide hydrate storage, and Case 3 is aquifer storage. In aquifer storage, carbon dioxide becomes supercritical, the carbon dioxide density is small, and the buoyancy is large. It can be seen that the pressure increases.
 図6(a)~(c)の各グラフには、それぞれ、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、二酸化炭素ハイドレートからなる膜の強度を示している。
 図6(a)~(c)の各グラフにおいては、それぞれの下段側のグラフに実線で示した二酸化炭素の流速を、図6(a):0.006mL/min、図6(b):0.003mL/min、図6(c):0.0015mL/minの順で遅くすることで、二酸化炭素ハイドレートの膜が破れる時間間隔が長くなるように設定している。この時間間隔が短いと、二酸化炭素ハイドレート膜の強度が十分に得られる前に破れていると考えることができる。図6(a)~(c)においては、上記の時間間隔が長くなることで、115時間経過後には0.2MPa程の差圧(=強度)が計測され、二酸化炭素ハイドレート膜の強度が増加する傾向が現れている。
Each of the graphs in FIGS. 6(a) to (c) shows the strength of a film made of carbon dioxide hydrate obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. 5.
In each of the graphs in FIGS. 6(a) to (c), the flow rate of carbon dioxide indicated by a solid line in the lower graph is 0.006 mL/min in FIG. 6(a), 0.006 mL/min in FIG. 6(b): By slowing down in the order of 0.003 mL/min and 0.0015 mL/min (FIG. 6(c)), the time interval at which the carbon dioxide hydrate film breaks is set to become longer. If this time interval is short, it can be considered that the carbon dioxide hydrate film is broken before it gains sufficient strength. In Figures 6(a) to (c), as the above time interval becomes longer, a pressure difference (=strength) of about 0.2 MPa is measured after 115 hours, and the strength of the carbon dioxide hydrate membrane increases. An increasing trend is emerging.
 上記の差圧は、二酸化炭素ハイドレート膜に作用している圧力である。この差圧が二酸化炭素ハイドレート膜の強度よりも高くなると、膜の一部が破れて二酸化炭素が浸透して圧力差が「0」に低下し、その後、二酸化炭素の浸透が停止することで、二酸化炭素ハイドレート膜が繰り返し生成される。 The above differential pressure is the pressure acting on the carbon dioxide hydrate membrane. When this pressure difference becomes higher than the strength of the carbon dioxide hydrate membrane, part of the membrane ruptures and carbon dioxide permeates, reducing the pressure difference to 0. After that, the permeation of carbon dioxide stops. , a carbon dioxide hydrate film is repeatedly produced.
 図6(a)~(c)の各グラフに示した結果から、二酸化炭素ハイドレート膜の初期強度を0.02MPaと仮定し、以下の実験においては、二酸化炭素ハイドレート膜の初期強度に作用する差圧が0.02MPaとなるように、図示略のポンプを制御している。 From the results shown in the graphs of Figures 6(a) to (c), it is assumed that the initial strength of the carbon dioxide hydrate film is 0.02 MPa, and in the following experiments, the effect on the initial strength of the carbon dioxide hydrate film is A pump (not shown) is controlled so that the differential pressure is 0.02 MPa.
 図7のグラフには、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、地層中に二酸化炭素が浸透したときの二酸化炭素ハイドレートの生成熱による温度上昇を示している。この実験においては、海水で飽和させた試料(7号硅砂)への液体二酸化炭素の浸透先端位置を温度変化で確認している。 The graph in FIG. 7 shows the temperature rise due to the heat of formation of carbon dioxide hydrate when carbon dioxide permeates into the geological formation, which was obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. In this experiment, the position of the penetration tip of liquid carbon dioxide into a sample (No. 7 silica sand) saturated with seawater was confirmed by temperature changes.
 図8のグラフには、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、差圧が水頭で約2m以下である条件で17日間保持したときの、保持時間と差圧との関係を示している。また、本実験においては、40‰海水で飽和させた試料(9号硅砂)を用いている。
 図8のグラフに結果を示した実験における初期条件は、海水で飽和させた砂の孔隙に、下方から400~500mmに設置した温度計の位置まで二酸化炭素を浸透させた条件とした。
 図8において上から3つ目(下から3つ目)のグラフに実線で示した時間-差圧の関係は、二酸化炭素が浸透した先端位置に生成していると仮定した初期の二酸化炭素ハイドレート膜に関し、差圧が0.02MPaとなるように400時間(約17日間)維持したものである。
The graph in FIG. 8 shows the relationship between the holding time and the differential pressure when the differential pressure was held for 17 days under the condition that the pressure cell 100 shown in FIG. It shows a relationship. Furthermore, in this experiment, a sample (No. 9 silica sand) saturated with 40‰ seawater was used.
The initial conditions for the experiment whose results are shown in the graph of FIG. 8 were that carbon dioxide was infiltrated into the pores of the sand saturated with seawater to the position of the thermometer installed 400 to 500 mm from below.
In Figure 8, the relationship between time and differential pressure shown by the solid line in the third graph from the top (third graph from the bottom) is the initial carbon dioxide hydride, which is assumed to be generated at the tip position where carbon dioxide has permeated. Regarding the rate membrane, the differential pressure was maintained at 0.02 MPa for 400 hours (about 17 days).
 図9のグラフには、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、差圧が水頭で約2m以下である条件で17日間保持した後に、差圧を1MPaとして24時間維持したときの、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度を示している。 The graph in FIG. 9 shows the result obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. 5, which was maintained for 17 days under the condition that the differential pressure was approximately 2 m or less in water head, and then maintained for 24 hours at a differential pressure of 1 MPa. It shows the strength of the carbon dioxide shielding layer C made of a carbon dioxide hydrate film when
 本実験においては、上記の実験で410時間後に強度が上がったと考えられた二酸化炭素ハイドレートからなる二酸化炭素遮蔽層Cに差圧0.08MPaを強制的に作用させ、この状態で24時間維持した。この維持状態で24時間が経過した後、差圧を1MPaに上げて4時間維持した。この結果、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が、二酸化炭素ハイドレート膜の初期強度である0.02MPaから1MPaに増加していることが確認できた。 In this experiment, a differential pressure of 0.08 MPa was forcibly applied to the carbon dioxide shielding layer C made of carbon dioxide hydrate, which was thought to have increased in strength after 410 hours in the above experiment, and this state was maintained for 24 hours. . After 24 hours in this maintained state, the differential pressure was raised to 1 MPa and maintained for 4 hours. As a result, it was confirmed that the strength of the carbon dioxide shielding layer C increased from 0.02 MPa, which is the initial strength of the carbon dioxide hydrate film, to 1 MPa.
 ここで、上記の0.02MPaという差圧は、二酸化炭素ハイドレート貯留において、二酸化炭素貯留層Gの層厚が20m程になるように二酸化炭素を貯留した場合に生じる差圧である。実際の二酸化炭素の貯留においては、年間500万トンの二酸化炭素を、20~30年にわたって連続して注入することが想定されることから、二酸化炭素貯留層Gの層厚は徐々に増加すると考えられる。例えば、二酸化炭素貯留層Gの層厚が0~20mに達するのに要する時間が2週間以上であれば、強度が1MPa以上である二酸化炭素遮蔽層Cによる効果的な遮蔽機能を用いた貯留量が期待できる。 Here, the differential pressure of 0.02 MPa mentioned above is the differential pressure that occurs when carbon dioxide is stored in carbon dioxide hydrate storage so that the thickness of the carbon dioxide storage layer G is about 20 m. In actual carbon dioxide storage, it is assumed that 5 million tons of carbon dioxide per year will be continuously injected over 20 to 30 years, so the thickness of the carbon dioxide reservoir G will gradually increase. It will be done. For example, if the time required for the carbon dioxide storage layer G to reach a thickness of 0 to 20 m is two weeks or more, the amount of storage can be achieved using the effective shielding function of the carbon dioxide shielding layer C with a strength of 1 MPa or more. can be expected.
 なお、本実験においては、まず、図8のグラフを参照して説明したような、温度2℃、圧力7MPa、差圧を水頭で2m以下に維持した条件で17日間保持した実験の後に、二酸化炭素の圧力を上げて差圧1MPaとして24時間程度で維持する実験を行った。これにより、上記のように、二酸化炭素遮蔽層Cにおける強度(二酸化炭素の浸透が開始する圧力)が1MPa以上であることを確認した。 In this experiment, first, as explained with reference to the graph in Figure 8, the temperature was 2°C, the pressure was 7 MPa, and the differential pressure was maintained at a water head of 2 m or less for 17 days. An experiment was conducted in which the pressure of carbon was increased to a differential pressure of 1 MPa and maintained for about 24 hours. As a result, as mentioned above, it was confirmed that the strength (pressure at which carbon dioxide starts permeating) in the carbon dioxide shielding layer C was 1 MPa or more.
 図10のグラフには、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、差圧を段階的に増加させた場合の、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層の強度を示している。ここで、図10のグラフ中に示した強度は、二酸化炭素ハイドレート膜の強度(二酸化炭素の浸透が開始する圧力)である。 The graph in FIG. 10 shows the strength of the carbon dioxide shielding layer made of a carbon dioxide hydrate film when the differential pressure is increased stepwise, which was obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. It shows. Here, the strength shown in the graph of FIG. 10 is the strength of the carbon dioxide hydrate membrane (pressure at which permeation of carbon dioxide starts).
 図10中に示したデータは、約2週間の期間で、1MPa以上の強度を有する二酸化炭素遮蔽層Cのデータを3回連続で取得した後の結果である。
 この実験を実施した理由としては、これまでの知見に基づき、約2週間の期間で、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が徐々に増加することが予測されたことから、このことを確認する必要があったことが上げられる。
 本実験では、まず、初期条件として、水深800m相当の水圧(8MPa)において、海水で飽和した砂を4℃程度の温度に維持した。
 そして、以下の(1)~(6)に示す各々の時間のタイミングで、各種処理を実施するとともに、経過観察を行った。
The data shown in FIG. 10 is the result after data on the carbon dioxide shielding layer C having a strength of 1 MPa or more was acquired three times in a row over a period of about two weeks.
The reason for conducting this experiment was that based on previous knowledge, it was predicted that the strength of the carbon dioxide shielding layer C would gradually increase over a period of about two weeks, and it was necessary to confirm this. What happened will be mentioned.
In this experiment, first, as an initial condition, sand saturated with seawater was maintained at a temperature of about 4° C. under water pressure (8 MPa) equivalent to a depth of 800 m.
Then, various treatments were performed and progress observations were made at each of the timings shown in (1) to (6) below.
(1)0~7時間
 上記の差圧が約0.02MPaになるように流量を調整しながら、二酸化炭素を浸透させた(図10のグラフ中における下から2つ目のグラフを参照)。
 この間、二酸化炭素は、最大0.04mL/minで浸透し、圧力セル100の上部側からは二酸化炭素が浸透した量の海水が排出された(図10のグラフ中における下から2つ目のグラフを参照)。
(1) 0 to 7 hours Carbon dioxide was permeated while adjusting the flow rate so that the above differential pressure was about 0.02 MPa (see the second graph from the bottom in the graph of FIG. 10).
During this time, carbon dioxide permeated at a maximum rate of 0.04 mL/min, and the amount of seawater permeated by carbon dioxide was discharged from the upper side of the pressure cell 100 (as shown in the second graph from the bottom in the graph of Figure 10). ).
 また、この際の差圧として、圧力のスケールが0~3MPaのグラフを図10中における上から3つ目のグラフに示すとともに、圧力のスケールが0~0.25MPaのグラフを図10中における上から4つ目のグラフに示した。即ち、図10においては、差圧が0.2MPa以下と小さいケースについては、上から4つ目のグラフで圧力を読み取ることが可能となるように示している。 In addition, as for the differential pressure at this time, a graph with a pressure scale of 0 to 3 MPa is shown in the third graph from the top in Figure 10, and a graph with a pressure scale of 0 to 0.25 MPa is shown in Figure 10. This is shown in the fourth graph from the top. That is, in FIG. 10, a case where the differential pressure is as small as 0.2 MPa or less is shown so that the pressure can be read in the fourth graph from the top.
(2)7~18時間
 7時間が経過した時点で、二酸化炭素の浸透量が低下したことから、上記の差圧を0.025MPaに増加させた。この際、圧力セル100の上部側からは二酸化炭素が浸透した量の海水が排出され、遮蔽されていないことが確認された。
(2) 7 to 18 hours After 7 hours had passed, the amount of carbon dioxide permeation decreased, so the above differential pressure was increased to 0.025 MPa. At this time, seawater in an amount that had permeated carbon dioxide was discharged from the upper side of the pressure cell 100, and it was confirmed that the pressure cell 100 was not shielded.
(3)18~42時間
 上記の差圧を0.05MPaまで強制的に増加させたところ、二酸化炭素ハイドレート膜の一部が破れたと見られ、二酸化炭素の浸透量が0.05mL/min以上に急増した。しかしながら、さらに4時間が経過した22時間後には、二酸化炭素の浸透量が低下し、圧力セル100の上部側から排出されていた海水(排水はマイナスの流量)が、徐々に排出から注入(注入は正の流量)に変化し、二酸化炭素遮蔽層Cが徐々に出来上がりつつあることが示されている。
 この理由としては、二酸化炭素ハイドレートの生成によって10%程度の体積収縮が生じるため、この生成過程においては、二酸化炭素及び海水の両方が流入するためと考えられる。
(3) For 18 to 42 hours When the above differential pressure was forcibly increased to 0.05 MPa, it appeared that a part of the carbon dioxide hydrate membrane was ruptured, and the permeation amount of carbon dioxide was 0.05 mL/min or more. There was a sudden increase in However, after another 4 hours (22 hours), the amount of carbon dioxide permeation decreased, and the seawater that had been discharged from the upper side of the pressure cell 100 (drainage has a negative flow rate) gradually became injected from the discharge (injection). is a positive flow rate), indicating that the carbon dioxide shielding layer C is gradually being formed.
The reason for this is thought to be that since the production of carbon dioxide hydrate causes a volumetric contraction of about 10%, both carbon dioxide and seawater flow in during this production process.
(4)42~50時間
 段階的に差圧を0.2MPaまで増加させたところ、二酸化炭素遮蔽層Cを通過するような浸透は見られないことから、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が0.2MPa以上になっていることが確認できる。
(4) When the differential pressure was gradually increased to 0.2 MPa for 42 to 50 hours, no penetration through the carbon dioxide shielding layer C was observed, indicating that the strength of the carbon dioxide shielding layer C was 0.2 MPa. It can be confirmed that the pressure is 2 MPa or more.
(5)50~67時間
 上記の差圧を0.5MPaで17時間維持したところ、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が0.5MPa以上になっていることが確認できた。
(5) 50 to 67 hours When the above differential pressure was maintained at 0.5 MPa for 17 hours, it was confirmed that the strength of the carbon dioxide shielding layer C was 0.5 MPa or more.
(6)67~72時間
 段階的に差圧を増加させ、二酸化炭素遮蔽層Cの強度が3MPa以上になっていることを確認して本実験を終了した。
(6) 67 to 72 hours The differential pressure was increased stepwise, and the experiment was completed after confirming that the strength of the carbon dioxide shielding layer C was 3 MPa or more.
 上記の結果より、本実験では、50時間、並びに、65~72時間における二酸化炭素の流量(図10中における下から3つ目のグラフ)には、急激な増加が見られるものの、これは、二酸化炭素が圧縮されるために生じる見かけ上の流量である。即ち、同時間帯においては、圧力セル100の上部からは海水は排出されず、何れも注入状態であることから、二酸化炭素遮蔽層Cを透過するような二酸化炭素の浸透は生じていないことが確認できた。 From the above results, in this experiment, although there was a rapid increase in the flow rate of carbon dioxide at 50 hours and from 65 to 72 hours (the third graph from the bottom in Figure 10), this This is the apparent flow rate that occurs due to the compression of carbon dioxide. That is, during the same time period, seawater is not discharged from the upper part of the pressure cell 100, and since both are in an injected state, it is clear that no carbon dioxide permeates through the carbon dioxide shielding layer C. It could be confirmed.
 上記の結果は、二酸化炭素遮蔽層Cの時間-強度の関係を示していると考えられ、時間の経過とともに強度が上がることが分かる。また、18~22時間の時間帯に二酸化炭素ハイドレート膜が破れたと考えられるが、この程度の差圧によって生じる破れに対しては、二酸化炭素遮蔽層C自体の修復機能が作用し、1MPa以上の強度になるまでの時間が約67時間(3日間弱)に短縮されていると考えられる。 The above results are considered to indicate the time-strength relationship of the carbon dioxide shielding layer C, and it can be seen that the strength increases as time passes. In addition, it is thought that the carbon dioxide hydrate membrane was broken during the 18 to 22 hour period, but the repair function of the carbon dioxide shielding layer C itself acts on the breakage caused by this level of pressure difference, and the pressure of 1 MPa or more It is thought that the time it takes to reach this strength has been shortened to about 67 hours (just under 3 days).
 先に説明した図11のグラフには、図5に示した圧力セル100を用いた実験で得られた、逆方向の差圧が作用した場合の、二酸化炭素ハイドレートの膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度を示している。 The graph of FIG. 11 described above shows the carbon dioxide shielding made of a carbon dioxide hydrate membrane when a pressure difference in the opposite direction is applied, which was obtained in an experiment using the pressure cell 100 shown in FIG. The strength of layer C is shown.
 本実験においては、まず、初期条件として、海水で飽和した砂に、圧力セル100の下側から400~500mmの範囲において二酸化炭素の浸透の先端が位置するように、二酸化炭素を浸透させた後、差圧が0~0.02MPaの範囲で15時間程度維持した。
 この初期段階における二酸化炭素の浸透の先端の位置では、二酸化炭素ハイドレートの生成熱による温度上昇が見られる。この温度上昇は、圧力セル100の下側から100mm、200mm、300mmの各位置の順に、等しい時間間隔で温度上昇が見られることで、二酸化炭素の浸透の先端の位置が確認できる。
In this experiment, first, as an initial condition, carbon dioxide is infiltrated into sand saturated with seawater so that the tip of the carbon dioxide infiltration is located in a range of 400 to 500 mm from the bottom of the pressure cell 100. The differential pressure was maintained in the range of 0 to 0.02 MPa for about 15 hours.
At the tip of carbon dioxide permeation in this initial stage, a temperature increase is observed due to the heat of formation of carbon dioxide hydrate. This temperature rise can be confirmed by observing the temperature rise at equal time intervals in the order of 100 mm, 200 mm, and 300 mm from the bottom of the pressure cell 100, thereby confirming the position of the tip of carbon dioxide permeation.
 図11のグラフ中には、15時間後に二酸化炭素の圧力を急減させたときの結果を示している。
 この二酸化炭素の圧力の急減により、圧力セル100の下側から400mmの箇所で二酸化炭素ハイドレートの生成熱による温度上昇が顕著に見られることから、この位置に二酸化炭素遮蔽層Cが形成されたと考えられる。
 また、このタイミングは、二酸化炭素の圧力が20MPaから17.5MPa程度に低下した後、20MPaに再上昇するタイミングと一致している。
The graph in FIG. 11 shows the results when the pressure of carbon dioxide was suddenly reduced after 15 hours.
Due to this rapid decrease in the pressure of carbon dioxide, a remarkable temperature rise due to the heat of formation of carbon dioxide hydrate was observed at a location 400 mm from the bottom of the pressure cell 100, which indicates that a carbon dioxide shielding layer C was formed at this location. Conceivable.
Moreover, this timing coincides with the timing when the pressure of carbon dioxide decreases from 20 MPa to about 17.5 MPa and then rises again to 20 MPa.
 また、二酸化炭素の圧力が20MPaから17.5MPaまで低下する間は、二酸化炭素遮蔽層Cは十分な強度が確保されていて破れていないので、差圧が生じている。しかしながら、二酸化炭素の圧力が17.5MPaに低下したとき、二酸化炭素遮蔽層Cが一度破れている。
 この、二酸化炭素遮蔽層Cが一度破れたタイミングで、二酸化炭素遮蔽層Cの近傍に向けて水が浸透を開始し、この浸透によって二酸化炭素側の圧力が20MPaに上昇する。また、二酸化炭素ハイドレートの生成熱が発生することに伴う温度上昇が、圧力セル100の下側から400mmの位置で顕著なので、この位置に、さらに強固な二酸化炭素ハイドレート膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cが再生成したと考えられる。
Moreover, while the pressure of carbon dioxide is decreasing from 20 MPa to 17.5 MPa, the carbon dioxide shielding layer C has sufficient strength and is not torn, so a pressure difference is generated. However, when the pressure of carbon dioxide decreased to 17.5 MPa, the carbon dioxide shielding layer C was once broken.
At the timing when the carbon dioxide shielding layer C is once broken, water starts permeating into the vicinity of the carbon dioxide shielding layer C, and this permeation increases the pressure on the carbon dioxide side to 20 MPa. In addition, since the temperature rise due to the generation of heat of carbon dioxide hydrate generation is noticeable at a position 400 mm from the bottom of the pressure cell 100, a carbon dioxide shield made of a stronger carbon dioxide hydrate film is installed at this position. It is thought that layer C has been regenerated.
 また、二酸化炭素の流量を見ると、15時間の時点では0.04mL/mで、15時間の後に0mL/mに停止している。また、上記のように二酸化炭素遮蔽層Cが一度破れた後の再生成の後は、二酸化炭素側の圧力が徐々に低下し、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する差圧が逆方向(マイナス)となる。この差圧が、二酸化炭素遮蔽層Cが10MPa(水頭で1000m)相当の強度を有していることを示している。 Also, looking at the flow rate of carbon dioxide, it was 0.04 mL/m at 15 hours, and stopped at 0 mL/m after 15 hours. In addition, as mentioned above, after the carbon dioxide shielding layer C is once ruptured and regenerated, the pressure on the carbon dioxide side gradually decreases, and the differential pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C moves in the opposite direction (minus). becomes. This pressure difference shows that the carbon dioxide shielding layer C has a strength equivalent to 10 MPa (1000 m in water head).
 ここで、図5に示した圧力セル100において、二酸化炭素が浸透した砂の孔隙に水を浸透させる方向で、詳細を後述する人工水封を行った場合(図1中の人工水封設備6を参照)、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する差圧力を低減させる効果が期待される。これとともに、人工水封による圧力上昇が過大になった場合には、二酸化炭素遮蔽層Cが短時間(本実験では1~2時間)で強度上昇する効果が期待される結果となっている。 Here, in the pressure cell 100 shown in FIG. 5, when an artificial water seal, which will be described in detail later, is performed in a direction in which water permeates into the pores of the sand into which carbon dioxide has permeated (artificial water seal equipment 6 in FIG. ), the effect of reducing the differential pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C is expected. In addition, if the pressure increase due to the artificial water seal becomes excessive, the carbon dioxide shielding layer C is expected to have an effect of increasing its strength in a short period of time (1 to 2 hours in this experiment).
 図12のグラフには、温度-圧力の関係における{二酸化炭素/水}の最適な体積比の等値線を示している。
 図12中に示すように、二酸化炭素ハイドレートの結晶の分子式(5.75HO・CO)を考慮した体積比を計算した結果、水の容積は二酸化炭素の容積の2.3倍必要となる。従って、二酸化炭素が浸透した孔隙が閉塞するためには、水/海水が足りない構成が高いと考えられる。つまり、水が利用尽くされてしまい(Dry up)、二酸化炭素が余剰となった状態であると考えられる。
The graph in FIG. 12 shows contour lines of the optimal volume ratio of {carbon dioxide/water} in the temperature-pressure relationship.
As shown in Figure 12, as a result of calculating the volume ratio considering the molecular formula of carbon dioxide hydrate crystals (5.75H 2 O.CO 2 ), the volume of water is required to be 2.3 times the volume of carbon dioxide. becomes. Therefore, in order for the pores into which carbon dioxide has permeated to become clogged, it is considered that a configuration in which there is insufficient water/seawater is likely to occur. In other words, it is considered that water has been used up (dry up) and carbon dioxide is in surplus.
 一方、図13には、図5に示した圧力セル100を用いた実験結果に基づき、二酸化炭素ハイドレートの膜による遮蔽メカニズムを考察した模式図を示している。即ち、図13は、図5に示した円筒状の圧力セル100の部分断面を示す図である。
 図13の模式図に示すように、砂の孔隙における液体二酸化炭素と水/海水の界面付近は、水の飽和度が100%から徐々に低下しており、界面は決して平面ではないことがわかる。
 また、図13に示すように、二酸化炭素の浸透の先端付近では、上述した分子式による容積比率に近い領域が存在する。
On the other hand, FIG. 13 shows a schematic diagram in which the shielding mechanism of carbon dioxide hydrate by a film is considered based on the experimental results using the pressure cell 100 shown in FIG. That is, FIG. 13 is a diagram showing a partial cross section of the cylindrical pressure cell 100 shown in FIG. 5. As shown in FIG.
As shown in the schematic diagram of Figure 13, near the interface between liquid carbon dioxide and water/seawater in the sand pores, the saturation level of water gradually decreases from 100%, indicating that the interface is never flat. .
Further, as shown in FIG. 13, near the tip of carbon dioxide permeation, there is a region close to the volume ratio according to the above-mentioned molecular formula.
 なお、砂の表面には、水の濡れ性によって水膜が存在することが考えられ、砂の孔隙に複雑に入り込んだ界面に二酸化炭素ハイドレート膜が生成した構造となっていると考えられる。従って、二酸化炭素遮蔽層Cは、水平状の一面的な膜ではなく、一定以上の厚さを有した領域である可能性が高い。 It is thought that a water film exists on the surface of the sand due to the wettability of water, and the structure is thought to be that a carbon dioxide hydrate film is formed at the interface that intricately penetrates the pores of the sand. Therefore, it is highly likely that the carbon dioxide shielding layer C is not a horizontal one-sided film but a region having a thickness of a certain value or more.
 さらに、砂の孔隙において厚さが20μm程度(参考文献5:箭内健彦, 阿部豊, 金子暁子, 山根健次,「COハイドレート膜厚に及ぼす流れ場の影響」,日本機械学会論文集B編,Vol.78,No.787,2012)の二酸化炭素ハイドレートがストロー状に生成していると仮定し、さらに、平均的な孔隙径を60μmと仮定すると、ストロー形状の中心部に残される20μmの領域に液体二酸化炭素が存在すると考えられる。この液体二酸化炭素が残った部分が二酸化炭素ハイドレートになるのには2週間程の時間を要し、この部分が1MPa以上の強度を有するようになると考えられる。
 なお、上記の液体二酸化炭素が残った部分には、濃度勾配に基づく拡散によって二酸化炭素分子や水分子が供給されると考えられ、この拡散による供給が、二酸化炭素遮蔽層Cの生成に時間がかかる要因と考えられる。
Furthermore, the thickness is about 20 μm in the pores of the sand (Reference 5: Takehiko Yauchi, Yutaka Abe, Akiko Kaneko, Kenji Yamane, "Effect of flow field on CO 2 hydrate film thickness", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, B ed. , Vol. 78, No. 787, 2012) is generated in the shape of a straw, and further assumes that the average pore diameter is 60 μm, the 20 μm remaining in the center of the straw shape It is thought that liquid carbon dioxide exists in the region of . It takes about two weeks for the portion where this liquid carbon dioxide remains to turn into carbon dioxide hydrate, and it is thought that this portion will have a strength of 1 MPa or more.
It is thought that carbon dioxide molecules and water molecules are supplied to the remaining portion of the liquid carbon dioxide by diffusion based on the concentration gradient, and this supply by diffusion takes time for the formation of the carbon dioxide shielding layer C. This is considered to be a factor.
 上述した本発明の実証実験により、二酸化炭素遮蔽層Cは、この二酸化炭素遮蔽層Cの孔隙における、二酸化炭素ハイドレートの生成初期の強度が、0.01~0.04MPaであることが好ましく、平均値で概ね0.02MPa程度であることがより好ましい。二酸化炭素遮蔽層Cをなす二酸化炭素ハイドレートの生成初期の強度が上記範囲で確保されていることで、二酸化炭素遮蔽層Cの下方に注入した二酸化炭素をより確実に封じ込めることができ、大量の二酸化炭素をより高効率で貯留することが可能となる。
 なお、0.02MPaという二酸化炭素ハイドレートの生成初期における強度は、上述した9号硅砂~7号硅砂の粒径における平均的な値である。
According to the above-mentioned demonstration experiment of the present invention, it is preferable that the carbon dioxide shielding layer C has a strength of 0.01 to 0.04 MPa in the pores of the carbon dioxide shielding layer C at the initial stage of carbon dioxide hydrate generation. More preferably, the average value is about 0.02 MPa. By ensuring the initial strength of the carbon dioxide hydrate forming the carbon dioxide shielding layer C within the above range, the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C can be more reliably contained, and a large amount of carbon dioxide can be contained. It becomes possible to store carbon dioxide with higher efficiency.
Note that the strength of 0.02 MPa at the initial stage of carbon dioxide hydrate formation is an average value for the particle sizes of the above-mentioned No. 9 silica sand to No. 7 silica sand.
 本実施形態の貯留方法では、二酸化炭素遮蔽層Cにおける、二酸化炭素ハイドレートの生成初期の強度、及び、二酸化炭素貯留層Gの上部に形成される二酸化炭素液体層G1の層厚が10m~40mのときに、二酸化炭素遮蔽層Cに作用する圧力を計算し、各々の計算値に基づき、二酸化炭素の、海底面F下の地層Uへの圧入流量、圧入井2の使用数、及び、注入深度のうちの少なくとも何れかを制御する方法を採用できる。上記のような各計算については、例えば、コンピュータ、タブレット端末等の計算プログラムを用いて行うことができ、この計算結果に基づいて、二酸化炭素の圧入流量や、圧入井2の使用数や深さを制御すればよい。この場合、例えば、圧入井2を、内径や注入深度を変更して複数で設置することで、その流量や使用数を適宜変更することが容易になる。 In the storage method of this embodiment, the initial strength of carbon dioxide hydrate generation in the carbon dioxide shielding layer C and the layer thickness of the carbon dioxide liquid layer G1 formed on the upper part of the carbon dioxide storage layer G are 10 m to 40 m. Calculate the pressure acting on the carbon dioxide shielding layer C when A method of controlling at least one of the depths can be adopted. Each of the above calculations can be performed using a calculation program on a computer, tablet terminal, etc., and based on the calculation results, the injection flow rate of carbon dioxide, the number of injection wells 2 used, and the depth. All you have to do is control. In this case, for example, by installing a plurality of injection wells 2 with different inner diameters and injection depths, it becomes easy to appropriately change the flow rate and the number of injection wells 2 used.
 本実施形態の貯留方法によれば、上記のような制御方法を採用することにより、二酸化炭素貯留層Gにおける二酸化炭素の貯留状況や、二酸化炭素遮蔽層Cの強度等を逐一把握しながら、二酸化炭素の圧入流量や圧入位置等を調整できるので、二酸化炭素の貯留施設の効率的な運用が可能になる。また、上記同様、二酸化炭素遮蔽層Cの下方に注入した二酸化炭素を確実且つ効果的に封じ込めることが可能となるので、大量の二酸化炭素を高効率で貯留することが可能となる。 According to the storage method of this embodiment, by employing the control method as described above, the carbon dioxide is Since the injection flow rate and injection position of carbon can be adjusted, efficient operation of the carbon dioxide storage facility becomes possible. Further, as described above, it becomes possible to reliably and effectively contain the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C, and therefore it becomes possible to store a large amount of carbon dioxide with high efficiency.
 また、二酸化炭素遮蔽層Cは、二酸化炭素ハイドレートの生成開始から10~20日が経過した後の強度が1MPa以上であることが好ましい。二酸化炭素遮蔽層Cをなす二酸化炭素ハイドレートの生成開始から10~20日が経過した後の強度が上記範囲であることにより、二酸化炭素遮蔽層Cの強度をさらに確実に確保できる。これにより、二酸化炭素遮蔽層Cの下方に注入した二酸化炭素をさらに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さらに高効率で貯留することが可能となる。 Furthermore, it is preferable that the carbon dioxide shielding layer C has a strength of 1 MPa or more after 10 to 20 days have passed from the start of carbon dioxide hydrate production. By having the strength within the above range after 10 to 20 days have elapsed from the start of production of carbon dioxide hydrate forming the carbon dioxide shielding layer C, the strength of the carbon dioxide shielding layer C can be ensured more reliably. Thereby, the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C can be more reliably contained, so that a large amount of carbon dioxide can be stored even more efficiently.
 また、本実施形態の貯留方法では、二酸化炭素遮蔽層Cにおける、二酸化炭素ハイドレートの生成開始から10~20日が経過した後の強度を計算し、当該計算値に基づき、二酸化炭素の、海底面F下の地層Uへの圧入流量、圧入井2の使用数、及び、注入深度のうちの少なくとも何れかを制御する方法を採用できる。上記計算値は、コンピュータ、タブレット端末等の計算プログラムを用いて求めることが可能であり、上記同様、この計算結果に基づいて、二酸化炭素の圧入流量や、圧入井2の使用数や深さを制御することが可能である。
 これにより、上記同様、二酸化炭素貯留層Gにおける二酸化炭素の貯留状況や、二酸化炭素遮蔽層Cの強度等を逐一把握しながら、二酸化炭素の圧入流量や圧入位置等を調整できるので、二酸化炭素の貯留施設のさらなる効率的な運用が可能になる。また、上記同様、二酸化炭素遮蔽層Cの下方に注入した二酸化炭素を確実且つ効果的に封じ込めることが可能となるので、大量の二酸化炭素をさらに高効率で貯留することが可能となる。
In addition, in the storage method of this embodiment, the strength of the carbon dioxide shielding layer C after 10 to 20 days have passed from the start of carbon dioxide hydrate generation is calculated, and based on the calculated value, the carbon dioxide A method of controlling at least any one of the injection flow rate into the stratum U below the surface F, the number of injection wells 2 used, and the injection depth can be adopted. The above calculated value can be obtained using a calculation program on a computer, tablet terminal, etc., and similarly to the above, based on this calculation result, the injection flow rate of carbon dioxide, the number of injection wells 2 used, and the depth can be determined. It is possible to control.
As a result, as described above, the injection flow rate and injection position of carbon dioxide can be adjusted while monitoring the storage status of carbon dioxide in the carbon dioxide storage layer G and the strength of the carbon dioxide shielding layer C, etc. This will enable even more efficient operation of storage facilities. Further, as described above, it is possible to reliably and effectively contain the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C, and therefore it is possible to store a large amount of carbon dioxide with even higher efficiency.
 なお、本実施形態においては、二酸化炭素シール領域S全体の地層厚については特に限定されない。しかしながら、二酸化炭素シール領域S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、二酸化炭素シール領域Sの地層厚を、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、二酸化炭素シール領域S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Uの温度と圧力の状況を十分に把握した上で、圧入井2の深さを、二酸化炭素シール領域Sの地層厚が所定の寸法となるように設定し、二酸化炭素の圧入深さ(圧入深さ)を最適化することが好ましい。 In addition, in this embodiment, the stratum thickness of the entire carbon dioxide seal area S is not particularly limited. However, in order to improve the sealing performance of the carbon dioxide seal area S, that is, to reliably prevent carbon dioxide (CO 2 ) stored in the carbon dioxide reservoir G from leaking into the seawater W, the carbon dioxide seal It is preferable to ensure that the stratum thickness of the region S is at least 100 m or more. In this way, the method of ensuring the desired thickness of the stratum in the carbon dioxide seal area S is, for example, by thoroughly understanding the temperature and pressure situation of the stratum U below the seafloor surface F through a preliminary survey. It is preferable to set the depth of the injection well 2 so that the stratum thickness of the carbon dioxide sealing region S has a predetermined dimension, and to optimize the injection depth of carbon dioxide (injection depth).
[二酸化炭素の密度と孔隙水の密度とが平衡する地層中の深度領域]
 本実施形態の二酸化炭素の地中貯留方法においては、上記のような、人工水封によって二酸化炭素シール領域Sの孔隙圧を増加させることや、二酸化炭素遮蔽層Cをなす二酸化炭素ハイドレートの生成時の、時間と強度との関係の最適化に加え、さらに、海底面F下の地層U又は陸域の地層中における、二酸化炭素の密度(ρCO2)と孔隙水の密度(ρsw)とが平衡する圧力条件及び温度条件を満たす地層中の深度領域に二酸化炭素を貯留する方法を採用することも可能である。
[Depth region in the stratum where the density of carbon dioxide and the density of pore water are in equilibrium]
In the underground carbon storage method of the present embodiment, increasing the pore pressure of the carbon dioxide sealing area S by artificial water sealing, as described above, and generating carbon dioxide hydrate forming the carbon dioxide shielding layer C. In addition to optimizing the relationship between time and intensity, we also optimize the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of pore water (ρ sw ) in the stratum U below the seafloor F or in the strata on land. It is also possible to adopt a method in which carbon dioxide is stored in a deep region in the geological formations that satisfies the pressure and temperature conditions in which the carbon dioxide is in equilibrium.
 即ち、本実施形態においては、予め、実験や実地調査を実施することにより、例えば、海底面F下の地層U中において、二酸化炭素の密度(ρCO2)と孔隙水の密度(ρsw)とが平衡する圧力条件及び温度条件を満たす地層を特定したうえで、当該深度領域に二酸化炭素を貯留する方法とすることができる。 That is, in this embodiment, by conducting experiments and field surveys in advance, for example, the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of pore water (ρ sw ) in the stratum U below the ocean floor F are determined. After identifying a geological formation that satisfies the pressure and temperature conditions in which the carbon dioxide is in equilibrium, carbon dioxide can be stored in the depth region.
 また、本実施形態では、海底面F下の地層U又は陸域の地層中における、二酸化炭素の密度ρCO2と孔隙水の密度ρswとが平衡する圧力条件及び温度条件を満たす地層の深度を計算し、当該計算値に基づき、二酸化炭素の、海底面F下の地層U又は陸域の地層への圧入位置を制御する方法を採用することも可能である。 In addition, in this embodiment, the depth of the stratum that satisfies the pressure and temperature conditions in which the density of carbon dioxide ρ CO2 and the density of pore water ρ sw are in equilibrium in the stratum U below the seafloor F or in the strata on land is determined. It is also possible to adopt a method of calculating and controlling the injection position of carbon dioxide into the stratum U under the ocean floor F or the strata on land based on the calculated value.
 海底面F下の地層Uにおける地温勾配を考慮すると、液体二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水等の孔隙水の密度(ρsw)とが一致(ρCO2=ρsw)する深度が存在すると考えられる。即ち、当該深度の地層中においては、液体で圧入された二酸化炭素は、沈降も上昇もすることなく停留することを利用して二酸化炭素を貯留できると考えられる。 Considering the geothermal gradient in the stratum U below the ocean floor F, there exists a depth at which the density of liquid carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of pore water such as seawater (ρ sw ) match (ρ CO2 = ρ sw ). Conceivable. In other words, it is thought that carbon dioxide can be stored in the stratum at this depth by taking advantage of the fact that carbon dioxide injected as a liquid remains without sinking or rising.
 図14のグラフには、海底面F下の地層Uにおいて二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが平衡する深度における温度条件と圧力条件との関係の計算結果を示している。
 図14のグラフに示す結果の計算は、海水の塩分:35‰psu、地温勾配:30℃/kmの条件で行い、また、海水温は、太平洋におけるArgoデータの一例を用いた。
The graph in Figure 14 shows the calculation results of the relationship between temperature and pressure conditions at the depth where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) are in equilibrium in the stratum U below the seafloor F. ing.
The calculation of the results shown in the graph of FIG. 14 was performed under the conditions of seawater salinity: 35‰ psu and geothermal gradient: 30° C./km, and for the seawater temperature, an example of Argo data in the Pacific Ocean was used.
 図14のグラフ中における(1)は、二酸化炭素ハイドレートの生成(安定)領域で、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが次式{ρCO2<ρsw}で表される関係となる領域であり、この位置よりも深部では二酸化炭素が液化する温度領域となる。
 また、図14のグラフ中における(2)は、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが次式{ρCO2=ρsw}で表される関係を満たす領域であり、これら二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが平衡する圧力条件及び温度条件を満たす水深/領域である。
 また、図14のグラフ中における(3)は、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが次式{ρCO2>ρsw}で表される関係となる領域であり、音響基盤:地質調査に利用される反射法で現れる領域である。
In the graph of FIG. 14, (1) is the generation (stable) region of carbon dioxide hydrate, where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) are expressed by the following formula: {ρ CO2sw } This is the region where the relationship is expressed as , and the temperature region deeper than this position is where carbon dioxide liquefies.
In addition, (2) in the graph of FIG. 14 is a region where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) satisfy the relationship expressed by the following formula {ρ CO2 = ρ sw }. , the water depth/region where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) satisfy pressure and temperature conditions in equilibrium.
In addition, (3) in the graph of FIG. 14 is a region where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) have a relationship expressed by the following formula {ρ CO2 > ρ sw }. , Acoustic base: This is the area that appears in the reflection method used in geological surveys.
 そして、海底面F下の地層Uで次式{ρCO2>ρsw}で表される関係となる水深を計算した結果、水深=3964.645m、海底面F面の水深=3600.000m、海底面F面からの深度=364.645mbsfが算出された。 Then, as a result of calculating the water depth that has the relationship expressed by the following formula {ρ CO2 > ρ sw } in the stratum U below the seafloor F, the water depth = 3964.645 m, the water depth on the seabed F = 3600.000 m, and the seafloor The depth from the plane F = 364.645 mbsf was calculated.
 なお、上記計算の適用条件は、海域における海水温-圧力(水深)の関係おいて、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが次式{ρCO2>ρsw}で表される関係となる、水深2700m以深の海底面F下の地層Uである(日本海を除く太平洋)。 Note that the conditions for applying the above calculation are such that the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) are expressed by the following formula {ρ CO2sw } in the relationship between seawater temperature and pressure (water depth) in the ocean area. This is the stratum U below the seafloor F at a depth of 2,700 m or deeper (Pacific Ocean excluding the Sea of Japan), which has the relationship expressed by .
 先に示した図3のグラフにおいて、X軸及びY軸の基点側にハッチングにて示した領域は、二酸化炭素の密度(ρCO2)が海水の密度(ρsw)よりも大きくなる温度条件・圧力条件を示している。
 このような、次式{ρCO2>ρsw}で表される関係となる環境を利用し、海底における凹状地形の領域に二酸化炭素を貯留する方法も提案されていたが(上記の参考文献5を参照)、現実には、国際法に基づく「海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律」(海洋汚染防止法)により、実現不可能となっている。一方、海底面F下の地層Uは、上記の海洋汚染防止法の適用範囲ではない。そこで、水深3000m以深の海底面F下の地層Uに貯留する検討結果も報告されているが(参考文献6:Yihua Teng and Dongxiao Zhang., “Long-term viability of carbon sequestration in deep-sea sediments”, Science Advances, Vol.4, No.7, 04 Jul 2018)、これまで、地温勾配は考慮されていない。
In the graph of FIG. 3 shown above, the hatched areas on the base points of the X and Y axes correspond to temperature conditions where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) is greater than the density of seawater (ρ sw ). Shows pressure conditions.
A method has also been proposed in which carbon dioxide is stored in areas of concave topography on the ocean floor by utilizing the environment where the relationship is expressed by the following equation {ρ CO2 > ρ sw } (see reference 5 above). ), but in reality, this is not possible due to the ``Act on the Prevention of Marine Pollution, Etc. and Maritime Disasters'' (Marine Pollution Prevention Act) based on international law. On the other hand, the stratum U below the ocean floor F is not within the scope of the above Marine Pollution Prevention Law. Therefore, the study results of storing carbon in the stratum U below the seafloor F at a depth of more than 3000 m have been reported (Reference 6: Yihua Teng and Dongxiao Zhang., “Long-term viability of carbon sequestration in deep-sea sediments”) , Science Advances, Vol.4, No.7, 04 Jul 2018), geothermal gradients have not been considered so far.
 そこで、図14における温度-圧力の関係を示すグラフにおいて、海底面F下の地層Uの地温勾配を考慮した計算を実施した結果、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが次式{ρCO2=ρsw}で表される関係を満たして一致(平衡)する水深/深度(Density-Matched Depth)が現れることを知見した。
 図14のグラフ中の実線において、水深0~3500mは海水温を示しており、3500m以深では、海底面Fの下の地層Uの地温の影響で温度が上昇している。
 また、図14のグラフ中の鎖線には、既存の海水の状態方程式を用いて計算した、温度(海水/地層)、圧力、塩分35‰を考慮した海水の密度(ρsw)を示している。
 また、図14のグラフ中の一点鎖線には、既存の二酸化炭素の状態方程式を用い、温度(海水/地層)及び圧力を考慮して計算した二酸化炭素の密度(ρCO2)を示している。
Therefore, in the graph showing the temperature-pressure relationship in Figure 14, as a result of calculations that took into account the geothermal gradient of the stratum U below the seafloor F, we found that the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) It has been found that a Density-Matched Depth (Density-Matched Depth) appears where the following equation (ρ CO2sw } is satisfied and there is an equilibrium).
The solid line in the graph of FIG. 14 indicates the seawater temperature at a depth of 0 to 3500m, and at a depth of 3500m or deeper, the temperature increases due to the influence of the soil temperature of the stratum U below the seafloor F.
In addition, the chain line in the graph of Figure 14 shows the density of seawater (ρ sw ) calculated using the existing seawater equation of state, taking into account temperature (seawater/geological formation), pressure, and salinity of 35‰. .
Furthermore, the dashed-dotted line in the graph of FIG. 14 indicates the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) calculated using the existing equation of state for carbon dioxide and taking into account temperature (seawater/geological formation) and pressure.
 図14のグラフ中に示すように、水深2700m付近で二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが一致(平衡)している。一方、水深2700~3500m付近では、海水の密度(ρsw)よりも二酸化炭素の密度(ρCO2)が大きくなっている。また、水深3500m以深では、海底面F下の地層Uに入って温度が上昇することで、二酸化炭素の密度(ρCO2)が小さくなる一方、水深4000m付近で、再度、二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが一致している。さらに、水深4000m以深では、海水の密度(ρsw)が二酸化炭素の密度(ρCO2)よりも大きくなっている。 As shown in the graph of FIG. 14, the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) match (equilibrium) at around 2,700 m depth. On the other hand, at a depth of about 2,700 to 3,500 m, the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) is greater than the density of seawater (ρ sw ). In addition, at a depth of 3,500 m or deeper, the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) decreases as the temperature rises as it enters the stratum U below the ocean floor F, while at a depth of 4,000 m, the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) decreases again. CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) match. Further, at a depth of 4000 m or deeper, the density of seawater (ρ sw ) is greater than the density of carbon dioxide (ρ CO2 ).
 上記のような、二酸化炭素の密度(ρCO2)及び海水の密度(ρsw)の変化から、上記計算条件の場合、水深4000m付近の海底面F下の地層Uに二酸化炭素を注入することで、この二酸化炭素は浮上も沈降もすることなく当該位置に停留し、水平方向に広がると考えられる。従って、海底面F下の地層U中における上記位置に、二酸化炭素の地中貯留が可能と考えられる。 Based on the changes in the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) as described above, in the case of the above calculation conditions, by injecting carbon dioxide into the stratum U below the seafloor F near the depth of 4000 m, It is thought that this carbon dioxide stays at the relevant location without floating or settling, and spreads horizontally. Therefore, it is considered that carbon dioxide can be stored underground at the above-mentioned position in the stratum U below the seafloor surface F.
 ここで、図14では、海底面F下の地層Uにおいて、2005年のIPCCレポート(15,p280,Fig.6,9/p286)に記載されている海水中の移行帯(transitional zone, 水深2500~3000m)の表記を踏襲している。また、図14においては、海水温の変化によって次式{ρCO2=ρsw}で表される関係となる水深が変化することから、移行帯として水深に幅を持たせている。同様に、海底面F下の地層Uでは、地点毎に地温勾配が異なることから、次式{ρCO2=ρsw}で表される関係となる海底面Fからの深度が変化する。 Here, in Fig. 14, in the stratum U below the seafloor F, the seawater transitional zone, water depth 2500, described in the 2005 IPCC report (15, p. 280, Fig. 6, 9/p. 286) is shown. ~3000m). In addition, in FIG. 14, the water depth has a width as a transition zone because the water depth, which has the relationship expressed by the following equation {ρ CO2sw }, changes due to changes in seawater temperature. Similarly, in the stratum U below the ocean floor F, the geothermal gradient differs from point to point, so the depth from the ocean floor F changes, with the relationship expressed by the following equation {ρ CO2sw }.
 上記のような、二酸化炭素の密度(ρCO2)及び海水の密度(ρsw)の変化からも、上記計算条件の場合、水深4000m付近の海底面F下の地層Uに二酸化炭素を注入することで、この二酸化炭素は浮上も沈降もすることなく当該位置に停留し、水平方向に広がると考えられる。従って、海底面F下の地層U中における上記位置に、二酸化炭素の地中貯留が可能と考えられる。 From the changes in the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) and the density of seawater (ρ sw ) as described above, in the case of the above calculation conditions, it is possible to inject carbon dioxide into the stratum U below the seafloor F at a depth of about 4000 m. Therefore, this carbon dioxide is thought to remain at the relevant location without floating or settling, and spread horizontally. Therefore, it is considered that carbon dioxide can be stored underground at the above-mentioned position in the stratum U below the seafloor surface F.
 上記のように、海底面F下の地層U中における二酸化炭素の密度(ρCO2)と海水の密度(ρsw)とが一致する深度に貯留した液体二酸化炭素は、浮上も沈降もすることなく当該位置に停留する。従来は、3000m以深に二酸化炭素を貯留した場合、二酸化炭素は沈降すると考えられていたが、地層中におけるどの深度まで沈降するのかは不明であったが、本発明者等の知見によれば、上記の深度に二酸化炭素を貯留すれば、二酸化炭素の沈降や浮上は生じない。 As mentioned above, liquid carbon dioxide stored at a depth where the density of carbon dioxide (ρ CO2 ) in the stratum U below the ocean floor F matches the density of seawater (ρ sw ) does not float or sink. It stays at that position. Previously, it was thought that carbon dioxide would settle if it was stored at a depth of 3,000 m or deeper, but it was unclear to what depth in the geological formations it would settle, but according to the findings of the present inventors. If carbon dioxide is stored at the above depth, no sedimentation or surfacing of carbon dioxide will occur.
 なお、二酸化炭素が溶解した孔隙水の密度(二酸化炭素溶解水)は、孔隙水の密度よりも大きくなるために沈降し、下方の音響基盤Bに存在する玄武岩のような、カルシウム(Ca)等のアルカリ金属に富んだ岩盤に接触すると、炭酸カルシウム(CaCO)等の炭酸塩となり、最終的な二酸化炭素(CO)の隔離状態となる。 Note that the density of pore water in which carbon dioxide is dissolved (carbon dioxide dissolved water) is greater than the density of pore water, so it settles, and calcium (Ca), etc. When it comes into contact with a bedrock rich in alkali metals, it becomes carbonates such as calcium carbonate (CaCO 3 ), and becomes the final sequestration state of carbon dioxide (CO 2 ).
 密度が平衡する地層、即ち、次式{ρCO2=ρsw}で表される関係となる地層を利用すると、地震等によって高透水の断層等が発生した場合であっても、浮力に基づく二酸化炭素の漏洩リスクが低減される可能性が高まるとともに、上述したキャップロックは不要とある。 By using a stratum with balanced density, that is, a stratum with the relationship expressed by the following formula {ρ CO2 = ρ sw }, even if a fault with high permeability occurs due to an earthquake, etc., the carbon dioxide based on buoyancy will be reduced. The risk of carbon leakage is likely to be reduced, and the cap lock described above is not required.
 ここで、地震等によって地層が変形した場合には、一般に孔隙容積が大きくなる(ダイレイタンシー)。このように、孔隙容積が大きくなった領域の圧力は低下するため、圧力勾配により、周辺から二酸化炭素が流れ込むが、慣性によって静水圧以上の圧力になる可能性がある。この場合、二酸化炭素の上昇流が生じて海洋に漏洩するリスクがあるが、この深度より浅い地層では二酸化炭素ハイドレート膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cが生成するため、上記の漏洩リスクに対して二重の防御が機能する。この二重の防御とは、上述した次式{ρCO2=ρsw}で表される関係となる地層の利用と、二酸化炭素ハイドレート膜からなる二酸化炭素遮蔽層Cが生成することを指す。 Here, when a stratum is deformed due to an earthquake or the like, the pore volume generally increases (dilatancy). In this way, the pressure in the area where the pore volume has increased decreases, and carbon dioxide flows in from the surrounding area due to the pressure gradient, but there is a possibility that the pressure will exceed the hydrostatic pressure due to inertia. In this case, there is a risk that an upward flow of carbon dioxide will occur and leak into the ocean, but since a carbon dioxide shielding layer C consisting of a carbon dioxide hydrate film is formed in strata shallower than this depth, the above leakage risk can be reduced. Double defense works. This double protection refers to the use of a geological formation that has the relationship expressed by the above-mentioned following formula {ρ CO2sw }, and the generation of a carbon dioxide shielding layer C made of a carbon dioxide hydrate film.
 ここで、水深3000m以深では、海底面Fの温度は一般に2℃未満である。また、地中における地温勾配を考慮すると、海底面F面と並行するように等温線を引くことができる。
 この等温線を、島しょ、海山、海台の周辺において考慮すると、図15中に示すように、次式{ρCO2=ρsw}で表される関係を満たす等密度線が、海底面F面に平衡するように傾斜していると考えられる。ここで、図15のグラフには、島しょ、海山及び海台を想定した貯留方法を示しており、水平距離と水深との関係を、縦横比で1:10として示している。
 上記の等密度線よりも浅部では、図14中に示したように、次式{ρCO2>ρsw}で表される関係となり、逆に深部は、次式{ρCO2<ρsw}で表される関係となる領域なので、二酸化炭素は、次式{ρCO2=ρsw}で表される関係を満たす等密度線の近傍に水平状に広がり、上記の等密度線に沿って滞留する。
Here, at a depth of 3000 m or deeper, the temperature of the seabed surface F is generally less than 2°C. Furthermore, considering the geothermal gradient underground, it is possible to draw an isothermal line parallel to the F plane of the ocean floor.
When these isotherms are taken into account around islands, seamounts, and ocean plateaus, as shown in Figure 15, isopycnic lines that satisfy the relationship expressed by the following equation {ρ CO2 = ρ sw } are found on the seafloor surface F. It is thought that it is tilted so as to be in equilibrium with. Here, the graph of FIG. 15 shows a storage method assuming an island, a seamount, and a sea plateau, and shows the relationship between horizontal distance and water depth with an aspect ratio of 1:10.
In areas shallower than the above isopycnal lines, the relationship is expressed by the following equation {ρ CO2 > ρ sw }, as shown in FIG. Since the area has the relationship expressed by do.
 上記のように、水深3000m以深の海底面F下の地層Uにおいて、次式{ρCO2=ρsw}で表される関係を満たす等密度線の分布を考慮して、この等密度線の深度近傍に二酸化炭素を貯留するためには、深さが3000mを超える深さとなるように、海底面F下に抗井を掘削する必要がある。このように、3000m以深の海底面F下に抗井を掘削するためには、最新の掘削技術を用いることが必須となり、工費の大幅な増大が想定される。そこで、図15中に示すように、海底面F面と並行するように分布すると考えられる等値線(ρCO2=ρsw)について考慮すると、水深3000m以浅の海底面F面から抗井を掘削できる場所が存在する可能性がある。このような場所に、より汎用的で低コストである掘削技術を用いて圧入井を設けることで、水深3000m以深にも広がる領域で二酸化炭素の貯留が可能となり、より大きな貯留容量が実現できる。 As mentioned above, considering the distribution of isopycnal lines that satisfy the relationship expressed by the following formula {ρ CO2 = ρ sw } in the stratum U below the seafloor F at a depth of 3000 m or more, the depth of this isopycnal line can be determined by In order to store carbon dioxide nearby, it is necessary to drill a well below the ocean floor F to a depth of more than 3000 m. As described above, in order to drill a well below the seabed F at a depth of 3000 m or more, it is essential to use the latest drilling technology, and a significant increase in construction costs is expected. Therefore, as shown in Fig. 15, if we consider the isopleth line (ρ CO2 = ρ sw ) that is considered to be distributed parallel to the F plane of the seabed, it is possible to drill a well from the F plane of the seabed at a depth of less than 3000 m. There may be a place where you can. By installing injection wells in such locations using more general-purpose, low-cost drilling techniques, it is possible to store carbon dioxide in an area extending to a depth of 3,000 meters or more, and a larger storage capacity can be achieved.
 特に、火山岩から構成される島しょ、海山、及び海台等は、海底面F面に噴出した溶岩から出される火山ガスの気道の形状が海水で急冷されることで残ったものである。また、富士山等の火山岩には、溶岩の通り道(火道)と連続する空洞(孔隙)や、微細な連続孔隙(火山ガスの気密)等が存在しており、これらの空洞に二酸化炭素が貯留される。 In particular, islands, seamounts, and sea platforms made of volcanic rock are the result of the shape of the airways of volcanic gas emitted from lava spewed out on the ocean floor surface F being rapidly cooled by seawater. In addition, volcanic rocks such as Mt. Fuji have cavities (pores) that are continuous with lava paths (vents) and fine continuous pores (airtight for volcanic gas), and carbon dioxide is stored in these cavities. be done.
 なお、上記の「島しょ」とは、四方を海洋や湖等の水域に囲まれた陸地のことをいう。
 また、上記の「海山(Sea mount)」とは、海底地形の一種であり、海底から1000m以上の比高を有する比較的孤立した高所部であって、頂上の径が大きくないもののことをいう。
 また、上記の「海台」とは、大洋底にある、頂部が比較的平坦な台地状の地形であって、広さが100km以上であり、周囲の海底から200m以上隆起しているもののことをいう。
 また、「火山ガス」は、水蒸気、CO、硫化水素、及び一酸化炭素等の混合ガスである。
The term "island" mentioned above refers to a land area surrounded on all sides by water bodies such as oceans and lakes.
In addition, the above-mentioned "sea mount" is a type of submarine topography, and refers to a relatively isolated high place with a relative height of 1000 m or more above the sea floor, and whose peak diameter is not large. say.
Furthermore, the above-mentioned "sea plateau" is a plateau-like terrain with a relatively flat top on the ocean floor, which is 100 km2 or more in area, and is raised by 200 m or more from the surrounding sea floor. Say something.
Moreover, "volcanic gas" is a mixed gas such as water vapor, CO 2 , hydrogen sulfide, and carbon monoxide.
<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、上記構成を採用することにより、二酸化炭素シール領域全体の強度が増加することから、二酸化炭素がハイドレート化されてなる二酸化炭素遮蔽層Cの強度を確実に確保できる。これにより、二酸化炭素遮蔽層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。
<Effect>
As explained above, according to the carbon dioxide underground storage method of the present embodiment, by adopting the above configuration, the strength of the entire carbon dioxide sealing area is increased, so that carbon dioxide is hydrated. The strength of the carbon dioxide shielding layer C can be ensured. This allows the carbon dioxide injected below the carbon dioxide shielding layer C to be reliably contained, making it possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide.
 また、本実施形態の二酸化炭素の地中貯留装置によれば、簡便な構成で上述した本実施形態の地中貯留方法に適用でき、且つ、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。 Moreover, according to the underground carbon dioxide storage device of this embodiment, it can be applied to the underground storage method of this embodiment described above with a simple configuration, and it is possible to efficiently store a large amount of carbon dioxide. Become.
<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。
 例えば、上記の実施形態においては、海底下の地層に二酸化炭素を貯留する例を挙げて説明したが、本発明に係る二酸化炭素の地中貯留方法及び地中貯留装置は、これには限定されず、上述したように、陸域の地層中への二酸化炭素の貯留にも適用可能なものである。
<Other forms>
Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, an example is described in which carbon dioxide is stored in a geological layer under the seabed, but the method and underground storage device for carbon dioxide according to the present invention are not limited to this. First, as mentioned above, it can also be applied to the storage of carbon dioxide in geological formations on land.
 本発明の二酸化炭素の地中貯留方法及び二酸化炭素の地中貯留装置は、二酸化炭素がハイドレート化されてなる二酸化炭素遮蔽層の強度を確保することで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方法及び装置である。従って、本発明は、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 and the underground carbon dioxide storage device of the present invention reliably confine carbon dioxide injected downward by ensuring the strength of the carbon dioxide shielding layer formed by hydrated carbon dioxide. This is a method and device that can efficiently store a large amount of carbon dioxide. Therefore, the present invention is very suitable for use in various plants, for example, in which carbon dioxide is recovered while generating electricity using fossil fuels, and this carbon dioxide is stored underground to reduce emissions. .
1…二酸化炭素の地中貯留装置(貯留装置)
 2…圧入井
  21…先端
 6…人工水封設備
100…圧力セル
M…海面
W…海水
F…海底面(海底)
U…地層
 S…二酸化炭素シール領域
 C…二酸化炭素遮蔽層
 G…二酸化炭素貯留層
  G1…二酸化炭素液体層
 B…音響基盤
1... Carbon dioxide underground storage device (storage device)
2...Injection well 21...Tip 6...Artificial water seal equipment 100...Pressure cell M...Sea surface W...Seawater F...Seafloor surface (seafloor)
U... Geological layer S... Carbon dioxide sealing area C... Carbon dioxide shielding layer G... Carbon dioxide storage layer G1... Carbon dioxide liquid layer B... Acoustic base

Claims (2)

  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ガスが液化した状態で、音響基盤上の堆積物からなる海底下の地層又は陸域の地層中に貯留する方法であって、
     海底面又は地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地層からなる二酸化炭素シール領域よりも下方に、前記二酸化炭素を圧入して二酸化炭素貯留層を形成し、
     前記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を前記二酸化炭素シール領域側に前記二酸化炭素の浮力で自然に上昇させて二酸化炭素ハイドレートを生成させることにより、前記二酸化炭素シール領域に二酸化炭素遮蔽層を形成し、
     前記二酸化炭素を前記海底下の地層又は前記陸域の地層中に圧入するとき、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として前記二酸化炭素シール領域に注入する人工水封により、前記二酸化炭素シール領域の孔隙圧を増加させる、二酸化炭素の地中貯留方法。
    A method of storing carbon dioxide alone or in a liquefied state as a mixed gas mainly composed of carbon dioxide in a sub-seafloor stratum made of sediment on an acoustic substrate or in a stratum on land, comprising:
    A carbon dioxide reservoir is created by injecting the carbon dioxide below the carbon dioxide seal area, which exists from the seabed or ground to a predetermined depth and consists of a stratum that satisfies the pressure and temperature conditions capable of producing carbon dioxide hydrate. form,
    At least a portion of the carbon dioxide injected into the carbon dioxide storage layer is naturally raised toward the carbon dioxide sealing area by the buoyancy of the carbon dioxide to generate carbon dioxide hydrate, thereby forming the carbon dioxide sealing area. Forms a carbon dioxide shielding layer on
    When the carbon dioxide is injected into the sub-seafloor stratum or the land stratum, an artificial water seal injects at least one of seawater and water as pore water into the carbon dioxide seal area. A method of storing carbon dioxide underground that increases pore pressure.
  2.  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ガスが液化した状態で、音響基盤上の堆積物からなる海底下の地層又は陸域の地層中に貯留する地中貯留装置であって、
     海底面又は地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地層からなる二酸化炭素シール領域を貫通するとともに、前記二酸化炭素シール領域よりも下方の二酸化炭素貯留層まで延在された圧入井と、
     前記混合ガスを前記圧入井に圧送する圧送設備と、
     前記二酸化炭素シール領域の上面側に配置され、海水及び水の少なくとも一方を孔隙水として前記二酸化炭素シール領域に注入することにより、前記二酸化炭素シール領域の孔隙圧を増加させる人工水封設備と、を備える、二酸化炭素の地中貯留装置。
    An underground storage device that stores carbon dioxide alone or in a liquefied state of a mixed gas mainly composed of carbon dioxide in a sub-seafloor stratum made of sediment on an acoustic substrate or in a stratum on land,
    Carbon dioxide that penetrates a carbon dioxide seal region that exists to a predetermined depth from the ocean floor or the ground and is composed of a stratum that satisfies pressure and temperature conditions that are capable of producing carbon dioxide hydrate, and that is located below the carbon dioxide seal region. an injection well extending into the reservoir;
    a pressurizing equipment for pressurizing the mixed gas to the injection well;
    an artificial water sealing facility that is disposed on the upper surface side of the carbon dioxide sealing area and increases the pore pressure of the carbon dioxide sealing area by injecting at least one of seawater and water as pore water into the carbon dioxide sealing area; An underground storage device for carbon dioxide.
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