高圧水充填多孔質における超臨界二酸化炭素の浸透・閉塞を伴う移流拡散現象の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450081
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 平井 秀一郎 東京工業大学, 炭素循環エネルギー研究センター, 教授 (10173204)
• 研究分担者: 津島 将司 東京工業大学, 工学部, 助手 (30323794) ; 末包 哲也 東京工業大学, 炭素循環エネルギー研究センター, 助教授 (30262314)
• キーワード: 地中隔離 / 二酸化炭素 / 多孔質 / MRI / LBM

研究概要

膨大なCO_2排出量に対して、量的に意味のある寄与が可能である技術としてCO_2地下貯留が注目されている。地下の高温・高圧条件においてCO_2は超臨界状態となり、水よりもわずかに軽いために浮力を受け移流すると考えられている。よって、隔離技術の長期安定性を評価するためには、これらの条件における岩石(多孔質)内の移流現象の解明が必要不可欠である。
本研究では、核磁気共鳴イメージング(MRI)の手法を用いて、多孔質内の超臨界CO_2と水の移流現象の可視化手法を開発した。地下の岩石を模擬したガラスビーズ充填層に対して、地下1000mの条件である、100気圧、50℃の条件において、CO_2注入時及び浮力による移流の様子を可視化することに成功した。MRIにより充填層内部を可視化することにより、これまでに計測が不可能であった多孔質内部の飽和度をすべての断面において時間変化として得ることができる。これらのデータをもとに、新たな解釈手法を適用し、多孔質流動を記述する透過係数や毛管圧を直接求めることができることを示した。次に、これらの手法を典型的な岩石であるベレア砂岩に適用した。ここでは、岩石に対して地下の高温・高圧条件を再現しながらMRIにより可視化する手法を新たに開発した。一方、多孔質内流動現象を把握するためミクロな視点から数値シミュレーションを行った。格子ボルツマン法をもちいて、浮力、粘性比、界面張力、濡れ性などを考慮した解析コードを開発した。その結果、地下貯留で想定される移流速度が極めて遅い場合、毛管圧の影響が顕著となり、ダルシー則から逸脱することが明らかとなった。従来、相対浸透係数は飽和度のみの関数として扱われてきたが、毛管圧とともに相対浸透係数が小さくなり、貯留したCO_2の長期的な挙動予測には極めて重要な影響を及ぼす。特に、キャップロックからの漏洩には顕著に影響することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Suekane, et al.: "Behavior of supercritical CO_2 injected into porous media containing water"Energy. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] T.Suekane, et al.: "Experimental and Numerical Studies on an Immiscible Flow of Supercritical CO_2 and Water in Porous Media"Addendum to the Proceedings of GHGT6. Addendum. 5-10 (2003)
• [文献書誌] T.Suekane, et al.: "CO_2 Sequestration in Aquifers - Experimental and Numerical Studies on Flow of Supercritical CO_2 in Porous Media"the 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference. (CD-ROM). (2003)
• [文献書誌] 石井稔宏, 末包哲也, 津島将司, 平井秀一郎: "地中隔離における多孔質内の超臨界CO_2-水二相流動計測"第40回日本伝熱シンポジウム講演論文集. III. 785-786 (2003)
• [文献書誌] 塚本佳久, 末包哲也, 平井秀一郎: "格子ボルツマン法による超臨界CO_2-水の二相流数値解析"第40回日本伝熱シンポジウム講演論文集. II. 371-372 (2003)
• [文献書誌] 末包哲也, 石井稔宏, 津島将司, 平井秀一郎: "CO_2地中隔離における多孔質内相流のMRI計測"2003年度熱工学コンファレンス講演論文集. 517-518 (2003)