CO2地中貯留における地化学反応を考慮した長期的なCO2流動特性に関する研究

Research Project

Project/Area Number	22K14325
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	本田博之九州大学, 工学研究院, 助教 (40894001)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	CO2地中貯留 / 砂岩 / 玄武岩 / 弾性波トモグラフィ / 長期間の注入実験 / 3Dモデル / 地化学反応 / 長期挙動 / 浸透率
Outline of Research at the Start	CO2地中貯留サイトでは、圧入されたCO2と貯留層を構成する岩石の基質、基質以外の空隙を満たす地層水との間で、長い時間をかけて複雑なインタラクションが生じる。本研究は、様々な空隙分布（透水係数）や鉱物構成を有する岩石に対し、長期間のCO2注入実験を行い、CO2地中貯留サイトにおけるCO2－岩石の基質―地層水の地化学反応により生じる、間隙流体の化学的性質や空隙構造の変化に伴う浸透率の経時変化を解明する。
Outline of Annual Research Achievements	CO2地中貯留における，貯留層の安全性や圧入性（経済性）を評価するうえで，長期間に渡るCO2の流動特性の把握が不可欠である。貯留層では，地層水－岩石―CO2が互いに地化学反応を起こし，空隙構造へ影響を与えていると予想されるが，詳しいメカニズムは明らかになっていない。そこで，本研究は空隙構造や鉱物組成の異なる複数の岩石に対し，連続フローを導入した長時間のCO2注入実験において，地化学反応が貯留層へ与えるCO2流動特性への影響を明らかにする。2023年度は，①前年度開発したCO2注入実験システムの改良，並びに②ミクロスケールの2Dシミュレータの開発，③μ-X線CTで撮影した画像を用いた空隙構造の３次元モデルの作成を実施した。具体的には，①は，前年度取得した弾性波のデータからトモグラフィを取得するためにセンサーの配置の検討を行うとともに機器の整備や計測システムの開発を行った。また，前年度選定・入手した玄武岩の物性の把握，μ-X線CTでの画像取得は完了している。②は，nano-CT画像から空隙のモデル化を行い，インベージョンパーコレーション（IP）シミュレーションを実施し，CNNを用いて試験体スケールでのシミュレーションも実現した。現状では，CO2の流動のみを対象としている。③は，CO2注入実験前後の空隙構造の変化を分析するための３次元モデルの作成を可能とする環境を構築した。今後実施する玄武岩へのCO2注入実験に生じる空隙構造の分析に適用する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では，CO2注入実験において，地化学反応が貯留層へ与えるCO2流動特性への影響を明らかにすることを目的としている。地化学反応は数時間で生じることはないため，長時間のCO2注入実験を厳密な温度・圧力条件下で実施する必要がある。また，実験中の弾性波データを取得することで，試験体内の水・CO2の状況把握が可能となる。以上のことを踏まえ，2023年度は，弾性波計測システムの改良を実施したが，機器の不調により計画より多くの時間を要した。一方で，2024年度に実施予定の3次元モデルの構築を前倒しで実施できたことから，本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
Strategy for Future Research Activity	2024年度は，CO2との反応性が良い玄武岩への注入を実施し，地化学反応が貯留層へ与える浸透率の変化や流動に与える影響の把握を行う。実験システムの改良並びに玄武岩の整形，CT実施済みであり，2024年度早々にCO2注入実験を開始予定である。実験終了後には，再度CT撮影を行うことで，CO2注入による空隙構造へ与える影響の把握とそのメカニズムの解明を行う。また，成果を学会・雑誌投稿を行い，本研究課題のまとめとする。