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2022 年度 実施状況報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 21K18200
研究機関東北大学

研究代表者

渡邉 則昭  東北大学, 環境科学研究科, 教授 (60466539)

研究分担者 坂口 清敏  東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (50261590)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2027-03-31
キーワード地熱 / 貯留層 / 二酸化炭素 / フラクチャリング / 誘発地震
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していたよりも円滑に研究が進展し,予定していた実験回数よりも少ない回数で本年度の目標を達成できたことや,新型コロナウィルスにより旅行が出来なかったことにより,次年度使用額が生じた。研究が進展したことで,詳細に検討すべき現象が明らかになったため,次年度使用額分は主にこの当初よりも詳細に検討する必要が生じた現象に関する実験を実施するために使用する計画である。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] UFZ/TU Bergakademie Freiberg(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      UFZ/TU Bergakademie Freiberg
  • [雑誌論文] Process and optimum pH for permeability enhancement of fractured granite through selective mineral dissolution by chelating agent flooding2023

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
    • 雑誌名

      Geothermics

      巻: 109 ページ: 102646~102646

    • DOI

      10.1016/j.geothermics.2022.102646

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Permeability enhancement and void formation by chelating agent in volcanic rocks (Ahuachapan and Berlin geothermal fields, El Salvador)2023

    • 著者名/発表者名
      Salala Luis、Takahashi Ryota、Argueta Jonathan、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki、Tsuchiya Noriyoshi
    • 雑誌名

      Geothermics

      巻: 107 ページ: 102586~102586

    • DOI

      10.1016/j.geothermics.2022.102586

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] CO2 Injection-Induced Shearing and Fracturing in Naturally Fractured Conventional and Superhot Geothermal Environments2022

    • 著者名/発表者名
      Pramudyo Eko、Goto Ryota、Sakaguchi Kiyotoshi、Nakamura Kengo、Watanabe Noriaki
    • 雑誌名

      Rock Mechanics and Rock Engineering

      巻: 56 ページ: 1663~1677

    • DOI

      10.1007/s00603-022-03153-7

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effectiveness and characteristics of atmospheric CO2 removal in croplands via enhanced weathering of industrial Ca-rich silicate byproducts2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshioka Rina、Nakamura Kengo、Sekiai Ryota、Wang Jiajie、Watanabe Noriaki
    • 雑誌名

      Frontiers in Environmental Science

      巻: 10 ページ: 1-11

    • DOI

      10.3389/fenvs.2022.1068656

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 超高温地熱環境における花崗岩の孔壁破壊実験2022

    • 著者名/発表者名
      後藤 遼太, PRAMUDYO Eko, 坂口 清敏,渡邉 則昭,吉岡 慶太,PARISIO Francesco
    • 学会等名
      2022(令和4)年度 資源・素材学会東北支部春季大会
  • [学会発表] 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pH2022

    • 著者名/発表者名
      高橋 亮太, 王 佳しょう,中村 謙吾,渡邉 則昭
    • 学会等名
      2022(令和4)年度 資源・素材学会東北支部春季大会
  • [学会発表] 低浸透性火山岩地熱貯留層のCO2フラクチャリング2022

    • 著者名/発表者名
      詫間 康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
    • 学会等名
      2022(令和4)年度 資源・素材学会東北支部春季大会
  • [学会発表] 火山岩地熱貯留層のCO2フラクチャリング2022

    • 著者名/発表者名
      詫間康平,坂口 清敏,渡邉 則昭,大里 和己,寺井 周
    • 学会等名
      日本地熱学会 令和4年東京大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      後藤 遼太,中山 大輔,Pramudyo Eko,高橋 亮太, 詫間 康平,渡邉 則昭
    • 学会等名
      日本地熱学会 令和4年東京大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      サララルイス,渡邉則昭,土屋範芳
    • 学会等名
      日本地熱学会 令和4年東京大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      髙橋亮太,渡邉則昭,中村謙吾,駒井武
    • 学会等名
      2022(令和4)年度資源・素材学会東北支部若手の会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      中山大輔,後藤遼太,髙橋亮太,詫間康平,Eko Pramudyo,渡邉則昭
    • 学会等名
      2022(令和4)年度資源・素材学会東北支部若手の会
  • [産業財産権] 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

    • 発明者名
      渡邉 則昭,ワン ジャジェ,岡本 敦,堰合 涼太
    • 権利者名
      東北大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2023‐51335

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公開日: 2023-12-25  

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