2019 Fiscal Year Annual Research Report
空隙スケール計測を核とした安定型CO2地下貯留の学理の構築
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17H00790
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
末包 哲也 東京工業大学, 工学院, 教授 (30262314)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素地下貯留 / 多孔質 / 混相流 / 空隙スケール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素地下貯留において貯留層の温度圧力条件で二酸化炭素は圧縮され密度が高いが，水よりもわずかに軽いために浮力による漏洩が懸念される．二酸化炭素が水に溶解するとこの漏洩リスクが低減するため安定性が著しく向上する．このような溶解トラップ状態に移行するメカニズムを正確に把握することは地下貯留技術の安定性を評価するうえで重要になる．従来，多孔質内部の溶解などの物質輸送プロセスは空隙スケールでの可視化が極めて困難であったために，物質輸送に重要な影響を与える面積と物質輸送係数を独立に評価することができず，これらの積を現象論的に記述するにとどまってきていた．本年度は多孔質内部にトラップされる各相を多孔質の空隙スケールで可視化し，モデル化を行った．トラップ気泡はサイズにより空隙スケール以下では３次元的なふるまいをするが，空隙をまたがるような大きなスケールでは２次元的な挙動に転移することを見出し，表面積を記述するモデルを提示した．これらの研究を通じて溶解現象に伴う溶解フィンガリングが発生していることを発見し，フィンガリングが発生する場合，物質輸送係数が１桁程度低下することを見出した．このために，飽和率に対して物質輸送係数が依存し，段階的な溶解プロセスが表れることが分かった．また，この研究を通じて多孔質のポアとスロートを高精度で検出する空隙解析アルゴリズムを開発した．この手法を多孔質内二相流の浸透過程に適用し，キャピラリー数によりヴィスカスフィンガリングからキャピラリーフィンガリングに転移する過程で浸透されるスロート径分布に明確な相違が表れることを発見した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度に導入した新規X線装置を本格的に稼働することにより研究の進捗が向上するとともに，より高精度画像を高スキャン速度で行えるようになった．物質輸送特性に関する研究については飛躍的に進めることができた．併せてデジタルロック技術に関連する基礎データとなる画像取得が可能となり，数値シミュレーション手法を具体的に開発することが可能となり開発の推進に着手している．当面のターゲットとして多孔質内分散現象を実験的および数値的に解明することを目指して研究開発を進めている．以上のことから研究はほぼ当初の予定通りに進捗していると判断することができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
多孔質内流動現象のモデル化には，多孔質空隙構造の複雑さや計測の困難性に伴い，従来は体積平均化されたダルシーモデルによる記述が行われてきた．このモデルは現象論的な記述であり，流体の透過性や表面張力の影響などは岩石コアを採取することにより実験的に求められてきた．一方，原油生産や二酸化炭素地下貯留においては坑井を掘削する際に岩石破片が大量に取得できる．本研究ではこの岩石片からX線CT技術により岩石の空隙構造を取得し，数値シミュレーションにより流動特性パラメーターを取得する，いわゆるデジタルロックフィジックスの開発を行う．２つのアプローチを採用し，一つ目は格子ボルツマン法による直接数値シミュレーションを行う．代表的な岩石多孔質やモデル実験に用いる充填層を対象として数値シミュレーションを行い，流動特性や毛管現象の把握を行う．また，分散現象を対象として多孔質の複雑さや境界層の発展による分散に与える影響を解明する．さらに，ハイネスジャンプなどの瞬間的な高速流動が熱力学的な不可逆性を産む出す様子を明らかにする．もう一つのアプローチとしてインベージョンパーコレーションモデルを用いる．格子ボルツマン法に比べて簡略モデルを用いるために計算コストが比較的小さいが，近年，オープンウェアとしてさらなる高速演算法が急速に開発されてきており，数年前には予想できなかった大規模スケールでの演算が可能になってきている．モデルの妥当性の検証を２次元実験と比較しながら確立する．次に，実多孔質媒体を対象にして検証を行い，特にキャリラリーフィンガリングと浮力，粘性の関係について現象の解明を行う．
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Research Products
(10 results)
