[H-SC07] 地球温暖化防⽌と地学（CO2地中貯留・有効利⽤、地球⼯学）

[HSC07-05] 高温CO₂溶解水流通に伴う地化学反応と浸透率の関係：多孔質玄武岩の例

*西山 直毅¹、徂徠 正夫¹、増岡 健太郎² (1.産業技術総合研究所、2.大成建設株式会社)

キーワード：浸透率、玄武岩、CO２地熱発電、CO2-水-岩石反応

著者らは、地熱貯留層に対してCO₂を熱媒体として圧入して発電を行うCO₂-EGSプロジェクトの一環として、地化学反応に伴う水理特性変化の検証を進めている。CO₂-EGSでは、圧入井近傍ではCO₂溶解に伴って酸性化した熱水が鉱物溶解を促進する一方，遠方では炭酸塩鉱物等の沈殿が起こる。これらの反応は貯留層の浸透率や毛管圧の変化を引き起こし、CO₂循環や熱採取効率に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、CO2-EGSにおける反応と水理特性の関係はあまり良く分かっていない。そこで本研究は、反応に伴う浸透率変化が流速（差圧）によってどのように変化するかを評価するために、様々な差圧で高温CO₂溶解水の流通試験を行った。
本CO₂-EGSプロジェクトでは貯留層の一つとして玄武岩が想定されることから、多孔質玄武岩をモデル試料として選定した。試料は直径30 mm、長さ200 mmの円柱形に整形した。試料の空隙率は33−34 %で、主に斜長石，単斜輝石，ガラス，橄欖石から構成される。流通試験には，新規作製した高温超臨界CO₂流通試験装置を用いた。本装置は，温度≤300℃、間隙圧≤22 MPa、封圧≤22 MPaの条件で超臨界CO₂やCO₂溶解水を岩石コアへ流通できる。流通試験ではまず、200℃、CO₂分圧10−14 MPaの条件下でCO₂飽和溶解水を作成した後に、200℃、間隙圧10 MPa、一定差圧下でCO₂溶解水を10−19日間流通させた。差圧は0.08, 0.6, 0.7, 4.2 MPaとした。
いずれの差圧でも、CO₂溶解水の流通は浸透率の継続的な減少を引き起こし、最大で約2桁の減少が認められた。浸透率の減少率は、差圧が最大のときに最小であった。流通後のコアには、斜長石、ガラス、橄欖石の溶解に伴うサブミクロン～ミクロンサイズの空隙が形成され、特に上流で顕著であった。一方で、上流から20 mm下流側では、空隙表面に針状の二次鉱物の沈殿が認められた。空隙率の流通前後での変化は1 %以下であった。火山岩の浸透率はk=0.00078ϕrch2の関係式で記述できる（k：浸透率、φ：空隙率、r_chは特徴的な空隙半径；Yokoyama and Takeuchi, 2009）。この関係式によれば、浸透率は主に空隙率と空隙半径に支配される。CO₂溶解水流通に伴う空隙率の変化が小さいことを踏まえると、浸透率減少の主な原因は、二次鉱物沈殿に伴う空隙径の減少が引き起こしたと考えられる。