CO2圧入時の浅部炭酸塩水層における化学反応と岩石物性変化のダイナミクス
Dynamics of Chemical Reactions and Petrophysical Property Variations in Shallow Carbonate Aquifers During CO2 Injection
炭酸塩岩貯留層はCO2貯留に適しているが、CO2圧入は貯留層の岩石物性を予測不能に変える複雑な地球化学反応を引き起こす可能性がある。本研究では、異なる岩質と細孔構造を持つ5つの炭酸塩岩コアサンプルに対し、CO2飽和ブライン(炭酸塩ブライン)を用いた実験的注入試験を実施した。孔隙率と浸透率の変化を評価し、入口・出口の差圧を監視し、流出液の化学組成(Ca2+, Mg2+, Fe2+)を分析し、マイクロCTスキャンで細孔構造の変化を調べた。方解石リッチな石灰岩は孔隙率と浸透率の増加が最も大きく、方解石の溶解と一致した。一方、ドロマイトリッチなサンプルは比較的小さく、符号が混在した変化を示した。スタック全体の差圧は3段階で進行した。注入初期約17PVでは緩やかな圧力上昇、続く約15PVでは急激な圧力低下、その後はより緩やかな低下が見られた。Darcy則から逆算されたスタック全体の透水率は、初期段階で約0.03 mDから約0.018 mDに減少し、試験終了時(82日、合計57 PV)には約0.09 mDに回復した。流出液分析では、Ca2+濃度は沈殿時に97.2 ppmから20 ppmに低下し、溶解時に415 ppmに上昇した。溶解したMg2+は安定しており、Fe2+は鉄含有鉱物の溶解により一時的に急増した。マイクロCT(25μm解像度)画像は、石灰岩サンプルで細孔拡大と亀裂拡大を確認し、ドロストーンでは解像できる変化は見られなかった。これらの結果は、将来の炭酸塩岩CO2注入実験および貯留戦略の設計に役立つものである。
- 異なる岩質・細孔構造を持つ5つの炭酸塩岩コアサンプルに対し、CO2飽和ブライン(炭酸塩ブライン)を用いた実験的注入試験を実施
- 方解石リッチな石灰岩は孔隙率・浸透率の増加が最も大きく、方解石溶解と一致。ドロマイトリッチなサンプルは変化が比較的小さく、符号が混在
- スタック全体の差圧は3段階で進行:注入初期約17PVは緩やかな圧力上昇、続く約15PVで急激な圧力低下、その後はより緩やかな低下
- Darcy則から逆算したスタック全体の透水率は初期段階で約0.03 mDから約0.018 mDに低下し、試験終了時(82日、合計57PV)に約0.09 mDに回復
- 流出液分析でCa2+濃度は沈殿時に97.2 ppmから20 ppmに低下、溶解時に415 ppmへ上昇。Mg2+は安定、Fe2+は鉄含有鉱物の溶解により一時的に急増
- マイクロCT(25μm解像度)画像で石灰岩サンプルの細孔拡大・亀裂拡大を確認、ドロストーンでは解像できる変化なし
CO2地中貯留(CCS)の実用化を左右する貯留層の地球化学的挙動を、実コア注入試験で定量化した点が注目される。石灰岩では方解石溶解により孔隙率・浸透率が増加し、ドロマイト質岩では変化が混在するという岩質依存性は、貯留サイト選定や圧入レート設計、長期モニタリング計画の前提条件になる。注入開始から約17PVの緩やかな圧力上昇、続く約15PVの急激な圧力低下という3段階の差圧推移と、透水率が0.03→0.018 mDへ低下後に57PV・82日で0.09 mDへ回復したデータは、圧入性(インジェクティビティ)劣化とその後の回復を予測するための実証的根拠であり、CCS事業のコスト・回収率評価に直結する。Ca2+が97.2→20 ppm→415 ppmと変動するなど流出液組成の追跡も、坑井閉塞リスクや操業停止リスクの評価に有用だ。CCS関連の貯留層評価技術・モニタリング技術を提供する企業や、貯留サイト開発を進めるエネルギー企業にとって、こうした実験データの蓄積が商用化の成否を分けるため、研究の進展と事業者への応用を継続的に注視したい。