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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

Research Project

Project/Area Number 21K18200
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
Research InstitutionTohoku 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 2023)
Budget Amount *help
¥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,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した。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った。き裂ネットワークを有する立方体状花崗岩に設けたボアホールからキレート剤を注入した結果,昨年度の実験とは異なる条件(差応力存在下の大型サンプル内での放射流)であったものの概ね予想通りに浸透性が改善することを確認できた。また,別途実施した実験によりキレート剤による浸透性改善効果に対する差応力の影響はないことを明らかにした。この結果を受けて,CO2をキレート剤水溶液で押して破砕するCO2水押破砕を考案した。この破砕は,CO2で形成したき裂を比較的高粘度の水で開口・進展させるものであり,CO2と水を用いた小型岩石サンプルの破砕実験を通じてこのような破砕により開口幅が大きなき裂が形成されることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
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,高温・真三軸応力下の大型サンプルに対するCO2水押破砕実験を実施し,本手法の有効性や最適実施方法に関しての詳細検討を行う。
さらに本研究の成果に対して,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,本年度,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したが,来年度も継続して実施することとなったため,この国際共同研究も推進したいと考えている。

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Research-status Report
  • Research Products

    (55 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 9 results) Presentation (38 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] GFZ/Technical University of Darmstadt(ドイツ)

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      Pramudyo Eko、Salala Luis、Goto Ryota、Wang Jiajie、Sueyoshi Kazumasa、Muhl Lena、Sakaguchi Kiyotoshi、Watanabe Noriaki
    • Journal Title

      Geoenergy Science and Engineering

      Volume: 234 Pages: 212586-212586

    • DOI

      10.1016/j.geoen.2023.212586

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    • Author(s)
      Wang Jiajie、Yagi Masahiko、Tamagawa Tetsuya、Hirano Hitomi、Watanabe Noriaki
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 9 Issue: 4 Pages: 4429-4438

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c06899

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    • Author(s)
      Salala Luis、Argueta Jonathan、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki、Tsuchiya Noriyoshi
    • Journal Title

      Geothermics

      Volume: 119 Pages: 102949-102949

    • DOI

      10.1016/j.geothermics.2024.102949

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    • Author(s)
      Takahashi Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
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      Geothermics

      Volume: 109 Pages: 102646-102646

    • DOI

      10.1016/j.geothermics.2022.102646

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  • [Journal Article] Permeability enhancement and void formation by chelating agent in volcanic rocks (Ahuachapan and Berlin geothermal fields, El Salvador)2023

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      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

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  • [Journal Article] CO2 Injection-Induced Shearing and Fracturing in Naturally Fractured Conventional and Superhot Geothermal Environments2022

    • 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

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      Yoshioka Rina、Nakamura Kengo、Sekiai Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
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      Frontiers in Environmental Science

      Volume: 10 Pages: 1-11

    • DOI

      10.3389/fenvs.2022.1068656

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    • 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

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  • [Journal Article] Permeability Enhancement by Selective Mineral Dissolution of Rocks in Geothermal Environments2021

    • 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: -

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    • Author(s)
      Ryota Goto, Eko Pramudyo, Noriaki Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Yuqing Chen, Takeshi Komai
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      Proceedings of the SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan

      Volume: -

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      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

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  • [Journal Article] CO2 injection-induced complex cloud-fracture networks in granite at conventional and superhot geothermal conditions2021

    • 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

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    • Author(s)
      詫間 康平, 渡辺 優斗,坂口 清敏,渡邉 則昭,緒方 奨,前田 悠太朗,大里 和己,寺井 周
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      2023(令和5)年度資源・素材学会東北支部春季大会
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  • [Presentation] 地熱貯留層造成のための火山岩のCO2水押破砕2023

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      渡辺 優斗, 詫間 康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
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  • [Presentation] 火山岩地熱貯留層造成のためのCO2水押破砕法2023

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      渡辺 優斗, 詫間 康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
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      資源・素材学会:資源・素材2023(松山)
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  • [Presentation] 生分解性キレート剤を利用した玄武岩層へのCO2貯留・鉱物固定促進法2023

    • Author(s)
      堰合 涼太,Wang Jiajie,岡本 敦,渡邉 則昭
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      4.発表年 日本地熱学会 令和5年岐阜大会 4.発表年 日本地熱学会 令和5年岐阜大会
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      末吉 和公,坂口 清敏,渡邉 則昭,Eko Pramudyo,Otgonbayar Dandar,大里 和己,寺井 周
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      日本地熱学会 令和5年岐阜大会
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  • [Presentation] 地熱貯留層条件下でのCO2 圧入による火山岩の破砕メカニズム2023

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      詫間 康平,渡辺 優斗,坂口 清敏,渡邉 則昭,前田 悠太朗,緒方 奨,大里 和己,寺井 周
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  • [Presentation] 地熱貯留層条件下における火山岩のCO2水押破砕2023

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      渡辺 優斗, 詫間 康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
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      日本地熱学会 令和5年岐阜大会
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    • Author(s)
      Luis Salala, Jonathan Argueta, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
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      EGU General Assembly 2023
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  • [Presentation] Carbon dioxide (CO 2 ) fracturing of volcanic rocks under geothermal conditions2023

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      Kohei Takuma, Yuto Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Noriaki Watanabe, Kazumi Osato, Amane Terai
    • Organizer
      15th ISRM Congress 2023 & 72nd Geomechanics Colloquium
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    • Author(s)
      Kohei Takuma, Yuto Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Jiajie Wang, Kazumi Osato, Amane Terai, Noriaki Watanabe
    • Organizer
      The 28th Formation Evaluation Symposium of Japan
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  • [Presentation] DISSOLUTION BEHAVIORS OF NATURALLY ALTERED BASALTS IN A BRINE AT 100 °C FOR IN-SITU CO2 MINERALIZATION2023

    • Author(s)
      Jiajie Wang, Noriaki Watanabe, Masahiko Yagi, Tetsuya Tamagawa, Hitomi Hirano
    • Organizer
      The 28th Formation Evaluation Symposium of Japan
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    • Int'l Joint Research
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    • Author(s)
      Luis Salala, Noriaki Watanabe, Jiajie Wang, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      The 28th Formation Evaluation Symposium of Japan
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 地熱貯留層の新化学的刺激法:環境調和型キレート剤による選択的鉱物溶解2023

    • Author(s)
      渡邉 則昭,髙橋 亮太,Salala Luis,Wang Jiajie
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
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    • Invited
  • [Presentation] Evaluation of aperture structure and fluid flow using numerical modeling in volcanic rocks stimulated by a chelating agent under geothermal conditions2023

    • Author(s)
      Luis Salala, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
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  • [Presentation] Altered/unaltered basalt-brine-CO2 gas interactions and dissolution mechanisms at moderate temperatures2023

    • Author(s)
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    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
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  • [Presentation] Improving reactivity, porosity, and permeability of basalt with biodegradable chelating agents to facilitate geological CO2 storage and mineralization2023

    • Author(s)
      Ryota Sekiai, Jiajie Wang, Atsushi Okamoto, Noriaki Watanabe
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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    • Author(s)
      Luis Salala, Noriaki Watanabe, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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    • Author(s)
      Masahiko Yagi, Tetsuya Tamagawa, Jiajie Wang, Noriaki Watanabe
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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  • [Presentation] Flooding experiment for revealing selective mineral dissolution as a function of pH using GLDA in andesite for enhanced geothermal systemsFlooding experiment for revealing selective mineral dissolution as a function of pH using GLDA in andesite for enhanced geothermal systems2023

    • Author(s)
      Jonathan Mauricio Argueta, Luis Salala, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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  • [Presentation] Enhanced water-rock interaction by congruent dissolution of silicate minerals with chelating ligands under ambient conditions2023

    • Author(s)
      Jiajie Wang, Astin Nurdiana, Yoshinori Sato, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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    • Author(s)
      Lena Muhl, Luis Salala, Jiajie Wang, Eko Pramudyo, Noriaki Watanabe, Guido Blocher, Ingo Sass
    • Organizer
      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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  • [Presentation] Numerical model of permeability enhancement of volcanic rocks by the application of chelating agents under geothermal conditions2023

    • Author(s)
      Luis Salala, Noriaki Watanabe, Noriyoshi Tsuchiya
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      The 17th International Symposium on Water-Rock Interaction and the 14th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry
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      後藤 遼太, PRAMUDYO Eko, 坂口 清敏,渡邉 則昭,吉岡 慶太,PARISIO Francesco
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      2022(令和4)年度 資源・素材学会東北支部春季大会
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      2022(令和4)年度 資源・素材学会東北支部春季大会
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      詫間康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
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      後藤 遼太,中山 大輔,Pramudyo Eko,高橋 亮太, 詫間 康平,渡邉 則昭
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      日本地熱学会 令和4年東京大会
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      日本地熱学会 令和4年東京大会
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      2022 Research-status Report
  • [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pH2022

    • 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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Permeability Enhancement by Selective Mineral Dissolution of Rocks in Geothermal Environments2021

    • Author(s)
      Luis Salala, Ryota Takahashi, Noriaki Watanabe, Kengo Nakamura, Noriyoshi Tsuchiya, Takeshi Komai
    • Organizer
      The SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flow-Induced Microfracturing of Granite in Conventional and Superhot Geothermal Environments2021

    • Author(s)
      Ryota Goto, Eko Pramudyo, Noriaki Watanabe, Kiyotoshi Sakaguchi, Yuqing Chen, Takeshi Komai
    • Organizer
      The SPWLA 26th Formation Evaluation Symposium of Japan
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • 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
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      2021 Research-status Report
  • [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pH2021

    • 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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Overseas
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2021-07-13   Modified: 2024-12-25  

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