超低粘度流体による岩石破砕現象の解明とCO2利用／誘発地震抑制型地熱開発への応用

• Project/Area Number: 21K18200
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡邉 則昭 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (60466539)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂口 清敏 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (50261590)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2026: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2025: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 地熱 / 貯留層 / 二酸化炭素 / フラクチャリング / 誘発地震

Outline of Research at the Start

超臨界地熱資源は大陸地殻の大部分を占める花崗岩質岩石内でも形成されうるが，透水性が不十分な場合に対応するための人工き裂システム形成法が必要である。研究代表者らはこれまでに，花崗岩の超高温水圧破砕実験を実施し，比較的低い水圧で抽熱に有利な網状き裂を形成する超高温水圧破砕現象を発見・解明し，水圧破砕の新学術体系を創出した。その結果，超高温でなくとも超低粘度の流体（CO2等）を用いれば，在来型地熱環境でも網状き裂が形成できる可能性を見出した。本研究では，CO2を用いた岩石破砕実験等を通じて，広範な地熱環境での超低粘度流体による岩石破砕現象と，CO2利用／誘発地震抑制型地熱開発技術の新学術を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

近年の研究により，超臨界地熱資源は大陸地殻の大部分を占める花崗岩質岩石内でも形成されることがわかったが，生産に必要な透水性が十分でない場合に対応するための人工き裂システム形成法が必要とされている。研究代表者らはこれまでに，花崗岩の超高温水圧破砕実験を実施し，従来型の水圧破砕とは全く異なる，抽熱に有利な高透水性網状き裂を形成する超高温水圧破砕（比較的低い水圧でき裂が形成され，誘発地震のリスクが小さい）を解明し，水圧破砕に関する新しい学術体系を創出した。その結果，超高温でなくとも超低粘度の流体（例えば，CO2）を用いた場合，より低温の在来型地熱環境でも網状き裂が形成できる可能性を見出した。本研究では，CO2を用いた岩石破砕実験等を通じて，広範な地熱環境における超低粘度流体による岩石破砕現象と，本現象を利用したCO2利用／誘発地震抑制型・高透水性網状き裂システム形成法に関する新学術を開拓することを目的とする。

本年度は昨年度の実施状況報告書に記載の通り，既存の水を破砕流体としたき裂形成法と比較した場合の， CO2を用いた網状き裂形成法の利点および課題の明確化と，その解決策の提案に取り組んだ。先行研究によれば，比較的低い圧力で広範囲に熱抽出に有利な高密度き裂ネットワークを形成でき，誘発地震発生のリスクが低いという利点があると考えているが，これが真実かどうかは実験データが不足しており不明である。そこで，き裂のせん断滑りによる誘発地震模擬実験を実施した結果，CO2は水と比較して，誘発地震発生のリスクに大きな違いはないが，き裂のせん断すべりと同時に網状き裂が形成できる利点があることがわかった。さらに昨年度明らかになった，比較的低温でのき裂形成の場合，き裂の密度や開口幅が小さくなるという課題を解決しうるキレート剤を用いたき裂開口幅増大法の検討を行い，最適pH条件を明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度得られた研究成果は，当初計画における令和7年度以降の研究成果に相当するため，当初計画以上に研究が進展している。

Strategy for Future Research Activity

キレート剤を用いたき裂開口幅増大法の検討を引き続き実施する。具体的には，これまでよりも大型の岩石サンプルを使用し，実際の貯留層環境に近い条件でのキレート剤流通実験を行い，本手法の適用性や最適実施方法に関しての検討を行う。

さらに本手法に対して，ドイツGFZの研究者が関心を示し，同研究機関の協力のもと地熱貯留層の造成に関する研究を実施しているTU Darmstadtの博士課程学生が，研究生として研究代表者の研究室でドイツの地熱フィールドへの本化学的刺激法の適用に関する研究を実施することになったため，この国際共同研究も推進したいと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UFZ/TU Bergakademie Freiberg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] UFZ/TU Bergakademie Freiberg(ドイツ)
• [Journal Article] Process and optimum pH for permeability enhancement of fractured granite through selective mineral dissolution by chelating agent flooding (2023)
  • Author(s): Takahashi Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
  • Journal Title: Geothermics Volume: 109 Pages: 102646-102646
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2022.102646
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Permeability enhancement and void formation by chelating agent in volcanic rocks (Ahuachapan and Berlin geothermal fields, El Salvador) (2023)
  • Author(s): Salala Luis、Takahashi Ryota、Argueta Jonathan、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki、Tsuchiya Noriyoshi
  • Journal Title: Geothermics Volume: 107 Pages: 102586-102586
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2022.102586
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CO2 Injection-Induced Shearing and Fracturing in Naturally Fractured Conventional and Superhot Geothermal Environments (2022)
  • Author(s): Pramudyo Eko、Goto Ryota、Sakaguchi Kiyotoshi、Nakamura Kengo、Watanabe Noriaki
  • Journal Title: Rock Mechanics and Rock Engineering Volume: 56 Issue: 3 Pages: 1663-1677
  • DOI: 10.1007/s00603-022-03153-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effectiveness and characteristics of atmospheric CO2 removal in croplands via enhanced weathering of industrial Ca-rich silicate byproducts (2022)
  • Author(s): Yoshioka Rina、Nakamura Kengo、Sekiai Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
  • Journal Title: Frontiers in Environmental Science Volume: 10 Pages: 1-11
  • DOI: 10.3389/fenvs.2022.1068656
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Wellbore stability in high-temperature granite under true triaxial stress (2022)
  • Author(s): Goto Ryota、Sakaguchi Kiyotoshi、Parisio Francesco、Yoshioka Keita、Pramudyo Eko、Watanabe Noriaki
  • Journal Title: Geothermics Volume: 100 Pages: 102334-102334
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2021.102334
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Permeability Enhancement by Selective Mineral Dissolution of Rocks in Geothermal Environments (2021)
  • Author(s): Luis Salala, Ryota Takahashi, Noriaki Watanabe, Kengo Nakamura, Noriyoshi Tsuchiya, Takeshi Komai
  • Journal Title: Proceedings of the SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flow-Induced Microfracturing of Granite in Conventional and Superhot Geothermal Environments (2021)
  • Author(s): Ryota Goto, Eko Pramudyo, Noriaki Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Yuqing Chen, Takeshi Komai
  • Journal Title: Proceedings of the SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel chemical stimulation for geothermal reservoirs by chelating agent driven selective mineral dissolution in fractured rocks (2021)
  • Author(s): Watanabe Noriaki、Takahashi Kaori、Takahashi Ryota、Nakamura Kengo、Kumano Yusuke、Akaku Kohei、Tamagawa Tetsuya、Komai Takeshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-99511-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CO2 injection-induced complex cloud-fracture networks in granite at conventional and superhot geothermal conditions (2021)
  • Author(s): Pramudyo Eko、Goto Ryota、Watanabe Noriaki、Sakaguchi Kiyotoshi、Nakamura Kengo、Komai Takeshi
  • Journal Title: Geothermics Volume: 97 Pages: 102265-102265
  • DOI: 10.1016/j.geothermics.2021.102265
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高温地熱環境における花崗岩の孔壁破壊実験 (2022)
  • Author(s): 後藤 遼太, PRAMUDYO Eko, 坂口 清敏，渡邉 則昭，吉岡 慶太，PARISIO Francesco
  • Organizer: 2022（令和4）年度 資源・素材学会東北支部春季大会
• [Presentation] 環境調和型キレート剤による選択的鉱物溶解を利用した地熱貯留層の新化学的刺激 法における透水性増加のプロセスと最適pH (2022)
  • Author(s): 高橋 亮太, 王 佳しょう，中村 謙吾，渡邉 則昭
  • Organizer: 2022（令和4）年度 資源・素材学会東北支部春季大会
• [Presentation] 低浸透性火山岩地熱貯留層のCO2フラクチャリング (2022)
  • Author(s): 詫間 康平，坂口 清敏，渡邉 則昭，大里 和己，寺井 周
  • Organizer: 2022（令和4）年度 資源・素材学会東北支部春季大会
• [Presentation] 火山岩地熱貯留層のCO2フラクチャリング (2022)
  • Author(s): 詫間康平，坂口 清敏，渡邉 則昭，大里 和己，寺井 周
  • Organizer: 日本地熱学会 令和４年東京大会
• [Presentation] 超高温花崗岩中の微小き裂ネットワークの注水冷却にともなう透水性の向上 (2022)
  • Author(s): 後藤 遼太，中山 大輔，Pramudyo Eko，高橋 亮太， 詫間 康平，渡邉 則昭
  • Organizer: 日本地熱学会 令和４年東京大会
• [Presentation] 酸性およびアルカリ性GLDA 溶液を使用した流通実験における安山岩中の鉱物の溶解速 度の決定 (2022)
  • Author(s): サララルイス，渡邉則昭，土屋範芳
  • Organizer: 日本地熱学会 令和４年東京大会
• [Presentation] 地熱環境におけるキレート剤による選択的鉱物溶解にともなう花崗岩の透水性増加のプロセスと最適pH (2022)
  • Author(s): 髙橋亮太，渡邉則昭，中村謙吾，駒井武
  • Organizer: 2022（令和4）年度資源・素材学会東北支部若手の会
• [Presentation] 超高温地熱環境における花崗岩の微小き裂ネットワークの冷却にともなう透水性の向上 (2022)
  • Author(s): 中山大輔，後藤遼太，髙橋亮太，詫間康平，Eko Pramudyo，渡邉則昭
  • Organizer: 2022（令和4）年度資源・素材学会東北支部若手の会
• [Presentation] Permeability Enhancement by Selective Mineral Dissolution of Rocks in Geothermal Environments (2021)
  • Author(s): Luis Salala, Ryota Takahashi, Noriaki Watanabe, Kengo Nakamura, Noriyoshi Tsuchiya, Takeshi Komai
  • Organizer: The SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flow-Induced Microfracturing of Granite in Conventional and Superhot Geothermal Environments (2021)
  • Author(s): Ryota Goto, Eko Pramudyo, Noriaki Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Yuqing Chen, Takeshi Komai
  • Organizer: The SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超臨界地熱環境における花崗岩の孔壁破壊実験 (2021)
  • Author(s): 後藤 遼太，Pramudyo, Eko， 坂口 清敏， 渡邉 則昭， 吉岡 慶太，Parisio, Francesco
  • Organizer: 日本地熱学会令和３年学術講演会
• [Presentation] キレート剤による選択的鉱物溶解にともなう花崗岩の透水性増加のプロセスと最適pH (2021)
  • Author(s): 高橋 亮太，渡邉 則昭，中村 謙吾，駒井 武
  • Organizer: 日本地熱学会令和３年学術講演会
• [Presentation] 弱酸性キレート剤溶液による高温火山岩の選択的鉱物溶解 (2021)
  • Author(s): サララ ルイス，渡邉 則昭，土屋 範芳
  • Organizer: 日本地熱学会令和３年学術講演会
• [Presentation] 地熱条件下の安山岩におけるキレート剤による選択的鉱物溶解に対する pHの影響 (2021)
  • Author(s): ジョナサン アルゲタ，ルイス サララ，渡邉 則昭，土屋 範芳
  • Organizer: 日本地熱学会令和３年学術講演会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 岩石中の金属成分溶解法，地中への二酸化炭素貯留法，および二酸化炭素固定法 (2023)
  • Inventor(s): 渡邉 則昭，ワン ジャジェ，岡本 敦，堰合 涼太
  • Industrial Property Rights Holder: 東北大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2023