平成13年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名 革新的未来型エネルギー生成・変換の方式、材料、システム化
 
研究プロジェクト名 未来型地殻エネルギー抽出の研究
 
(英文名) Investigation on Design Methodology of Supercritical Subsurface Boiler for Next Generation Geothermal Energy Extraction
 
研究期間 平成 9年度 〜 平成13年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 649,388千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
橋田俊之 ・東北大学 ・大学院工学研究科 ・教授 内訳 平成 9年度178,987千円
平成10年度164,779千円
平成11年度119,622千円
平成12年度93,000千円
平成13年度93,000千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
林  一夫 東北大学・流体科学研究所・教授 超臨界貯留層の形成プロセスと地殻応力計測
新妻 弘明 東北大学・大学院工学研究科・教授 地殻構造計測
土屋 範芳 東北大学・大学院工学研究科・助教授 貯留層のダイナミクス
松木 浩二 東北大学・大学院工学研究科・教授 地殻応力計測と超臨界貯留層の形成プロセス
中塚 勝人 東北大学・大学院工学研究科・教授 貯留層のダイナミクス
浅沼 宏 東北大学・大学院工学研究科・助教授 地殻構造計測
新堀 雄一 東北大学・大学院工学研究科・助教授 熱抽出解析

2.研究計画の概要

地殻エネルギーは, 普遍的に存在する地球規模のクリーンエネルギーである。既存の地熱発電所は, 1km〜2km程度の深さに存在する200℃〜300℃クラスの熱水に富む貯留層から抽熱を行っている。その発電規模は1ユニット当たり最大でも65MWである。一般に, 既存地熱貯留層の直下にはさらに超高温で未利用の新規貫入岩体が拡がっていることが知られており, この深部岩体からの抽熱のための技術開発が, 地熱エネルギー開発にブレークスルーを与えるものと強く期待されている。これまでの探査に基づけば, 地温勾配の大きな地熱地帯では, 直下の岩体温度, 圧力条件は2〜3kmの比較的浅部で水の臨界点(374℃, 22MPa) を超えるものであることが示されている。本研究では, このクラスの高温岩体を超臨界岩体と呼ぶ。また, 超臨界岩体中には天然のき裂は乏しいことがわかっており, 人工的に抽熱システムを作成することが要求される。しかしながら, 超臨界水環境下では, 未経験の高温度に加えて超臨界水との化学的要素を含めた相互作用により岩体の破壊特性や人工貯留層の形成プロセスが大きく変化することが予想され, 超臨界岩体からの抽熱は従来の亜臨界貯留層に関する知見に基づいては検討できない未開拓の領域である。
本研究では, 未来型のクリーンエネルギー源である超臨界岩体からの抽熱の可能性を検討し, さらに超臨界水を熱媒体とする人工地下熱交換面すなわち超臨界貯留層の設計法の提案を行う。研究の効率と経済性を考慮に入れて, 抽熱の見通しを与えるために室内シミュレータに基づく研究を核に展開させる。固体力学, 貯留層工学, 地質学, ならびに地下情報計測学の異なる分野の専門家からなる横断的な4つの研究チームを構成し, 外国の当該分野における専門家との共同研究ならびに関連研究プロジェクトとの連携を図りながら研究を推進する。  

3.研究目的
 本研究の主目的は, 超臨界岩体からの抽熱の可能性を検討し, 超臨界水を熱媒体とする地下熱交換面の設計法に関する提案を行うことである。具体的には, 熱交換面の作成, 制御ならびに抽熱設計に関する以下の検討を行うことにより, 新しい未来型地殻エネルギー抽出法の提案を行う。

課題(A) 超臨界貯留層の形成プロセスに関する研究
・超臨界岩体環境を模擬しうる水圧刺激室内シミュレータの開発と貯留層形成プロセスの直接的観察
・形成される人工貯留層の形態に関する検討と貯留層進展の数値シミュレーションコードの開発
課題(B) 貯留層のダイナミクスに関する研究
・ナチュラルアナログを用いた超臨界岩体の実態の解明:天然き裂と水の賦存度に関する知見の取得
・超臨界水条件における岩石の溶解, 沈積の物理化学的データの計測と透水経路の経時変化
課題(C) 地殻情報計測に関する研究
・弾性波計測に基づく超臨界岩体の地質構造ならびに貯留層モニタリング法に関する検討
・掘削の応力解法により発生するき裂情報を用いた大深度地殻応力計測法の開発に関する検討
課題(D) 熱抽出設計に関する研究
・長期抽熱性能予測のための数値シミュレーションコードの開発に関する検討
・岩石の溶解, 沈積による透水経路の経時変化を考慮した抽熱条件の最適化に関する検討

4.研究成果の概要
4−1 研究計画、目的に対する成果
 過去に超臨界状態にあり, 世界で最も新しく地表に露出した花崗岩体(滝谷岩体)をナチュラルアナログとして用い, その熱史, 上昇史およびき裂系の形成過程を解明するための地質学的手法を考案し, 対象とする超臨界岩体には天然き裂ならびに水に乏しいことを明らかにした。超臨界水環境下で模擬水圧刺激試験を実施できる室内シミュレータを開発し, 超臨界岩体における水圧破砕挙動を観察することにはじめて成功した。これにより, 超臨界水と花崗岩鉱物との相互作用に起因して粒子寸法の微視割れが生成される現象を発見し, 水圧刺激の水注入に伴い花崗岩の浸透率が亜臨界水領域に比較して約3〜4オーダ増大し, 10-16〜10-15 m2の浸透率を有する多孔質型の貯留層を形成しうることを示した。さらに, 超臨界水誘起応力腐食割れの現象を発見し, これによりさらに透水特性を向上させうることを見出した。長期抽熱に伴う透水経路の経時変化を予測するために, 超臨界水中における花崗岩の溶解度, 溶解速度等のデータベースを構築するとともに, 超臨界および亜臨界状態にわたる流動式オートクレーブ実験により溶解, 沈積挙動をはじめて再現することに成功した。地質構造ならびに貯留層形成過程を検出するために, 弾性波計測に基づくAE/微小地震ならびに坑井掘削音を音源とする反射計測法を考案し, フィールド実験により大深度岩体への適用性を検証した。さらに, 弾性波伝搬特性の計測システムの作成に成功し, 超臨界岩体計測のための特性評価試験を構築している。また, 熱応力下にある坑井壁面上に発生する掘削誘起割れを利用して地殻応力を推定する方法等, 3つの方法を開発した。
 超臨界水の諸物性ならびに上述の岩石の溶解, 沈積挙動を踏まえた長期抽熱性能を予測するための数値シミュレーションコードを構成した。多孔質型ならびにき裂型の貯留層を想定した抽熱解析を行い, 超臨界水の特性に起因して, 超臨界岩体からの抽熱が亜臨界状態におけるものに比較してより効率的であること, かつ注入流量を制御することにより長期の持続性を有することを示した。さらに, 超臨界状態における沈積挙動を利用することにより循環流体の回収率を大きく向上できる可能性を示した。

4−2 研究計画、目的外の成果
 超臨界水と岩石との反応性に関する研究の一環で, 従来は一様な反応性を示すと考えられていた超臨界領域は大きく, 液相的挙動を示す領域と気相的領域を示す2つの領域に分けられることを実験的に示した。この研究の推進の過程で, 反応溶媒としての水の圧力の影響について検討した結果, これまで注目されていなかった低圧蒸気が有用物質の高い抽出性能を有することを見出している。この知見は,バイオマス等からの有用化学成分の抽出に新しいルートを提供するものと考えられる。さらに, 地熱水に含まれる炭酸ガスの岩石溶解量に及ぼす影響を調査した過程で, 炭酸ガスを地下岩体に固定化できる可能性,さらには鉄酸化物等を触媒として用いることにより有用ガスに変換できる可能性を見出している。これらの知見は, 地球温暖化ガスである炭酸ガスの処理に有用であることが期待される。
 また, 地殻応力計測に関して, 研究結果を踏まえてコアディスキング法に関する研究を新たに進め, 厚さの異なるディスクから地殻応力を推定する方法をほぼ確立した。さらに, 当初計画には含まれていなかった,臨界すべりき裂と温度異常に基づく新規な地殻応力評価法を開発し, 内外から高く注目されている。

4−3 研究成果の展望
 超臨界水と岩体の相互作用に関する未解明の研究領域において, 超臨界水誘起微視割れの現象の発見およびこれに伴い透水特性が顕著に増大することを見出した点,ならびに超臨界水助長応力腐食割れの現象を発見した点に学問的, 学術的なインパクトならびに新しい研究領域形成の可能性がある。超高温岩体中の流体移動に関する知見は, 地熱分野のみならず, 火山噴火や地震など地球物理ならびに鉱床形成などの地質学分野でも極めて重要であり, 従来の予想とは全く異なる新しい知見を提供した本研究は, 大深度地殻のダイナミクスに関する新規領域の形成を促すことが考えられる。特に, 超臨界水誘起微視割れのメカニズムの解明ならびの超臨界水助長応力腐食割れ速度の定量的評価などは将来の重要な研究分野を形成することが期待される。
 地表に露出したナチュラルアナログを利用し, 流体包有物の詳細な解析を基礎として, 対象岩体の熱史, 上昇史等を推定する本地質学的手法は, 大深度超高温岩体の特性を解明するための普遍的な方法論を提供している。また, 従来は単結晶に関する知見のみであったのに対して, 超臨界水中における岩石を対象とした溶解度, 溶解速度等のデータベースを構築できたことは, 今度多成分系の非平衡状態の解明に大きく貢献できることが期待される。さらに, 従来は単一相であると考えられてきた超臨界水領域は, 温度・圧力線図上で液体的挙動と示す領域と気体的挙動を示す領域の2つに区分できることを見出したことは学術的なインパクトが大きい。
 AE反射法および坑井掘削音反射法の地殻情報計測法は, 本研究メンバーの独自の手法であり, 本プロジェクトを通じて, 実用レベルまで性能を向上させることができている。本手法は超臨界貯留層の計測のみならず, 石油/天然ガス貯留層のモニタリング, トンネルの前方監視, 核廃棄物の地下保管, 活断層の監視等に応用することができ, 今後, 各分野におけるさらなる発展が期待できる。また, 従来看過されていたデータ, すなわち掘削誘起割れ(DTF)データ, コアディスキングおよび臨界すべりき裂を用いて, 地殻応力が得られるようになることは, 工学の新たな対象としての地殻深部の利用をさらに展開させる。また, DSCAでは必ずしも正しい地殻応力が得られないことを明らかにしたことは, 大きな学術的インパクトである。

4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
 既存地熱貯留層の直下に拡がる超臨界岩体からの抽熱の可能性を示し, 超臨界貯留層設計のための学術的基礎を与えた点にある。我国の葛根田地熱発電所における調査で例示されるように, 超臨界岩体中には抽熱の大前提である天然の流体通路ならびに抽熱媒体が乏しく, 抽熱の可能性については未解明の課題であった。我国のみならず, 米国, イタリア, アイスランド等においてはクリーン地殻エネルギー抽熱量の増大を目的とした地熱貯留層の深部掘削が進行あるいは予定されており, 超臨界岩体からの抽熱は地熱先進国における共通の課題でもある。本研究では, 超臨界水と岩石との相互作用を利用することにより微視き裂からなる人工透水システムを創成でき, その浸透率は10-16〜10-15 m2にまで達することを示している。このオーダの浸透率は, 数ヶ国でこれまで実施されている高温岩体(HDR)プロジェクトにおいて水圧破砕により形成した断裂型貯留層におけるものとほぼ同等であり, 実用性のある透水性を有している。この研究成果は, 亜臨界貯留層である既存の地熱貯留層とその直下の超臨界貯留層を融合した高性能な抽熱システムの創成の可能性を提示するものであり, 将来の地熱分野において先導的知見を与えている。本研究は, これまで世界的に賦存するにも拘わらず未利用であった超臨界岩体を地熱資源として活用する上で, ブレークスルーを与えることができたと言える。
 また, 本研究の公開シンポジウム等において, 地球物理等の専門家から指摘を受けたように, 超臨界岩体の実態解明のために考案された地質学的手法や超臨界水環境下における岩石の溶解・沈積などによる地殻のダイナミクスに関する知見は, 地熱抽出工学のみならず地震や火山噴火等の理学分野ならびに防災工学にも貢献する知的資産である。
 地殻構造や地殻応力計測技術は, インナースペース利用の成否を左右する極めて重要な基盤技術である。本研究により, 大深度かつ超高温の岩体を対象として開発された弾性反射波の計測に基づく地殻構造を計測する方法や新しい原理に基づく地殻応力計測法は, 第4のフロンティアと言われるインナースペースのさらなる展開に資するものである。

5.キーワード

(1)地熱、(2)超臨界水、(3)新規貫入岩体
(4)水圧刺激、(5)貯留層、(6)岩石-熱水相互作用
(7)弾性波計測、(8)地殻応力計測、(9)熱抽出解析

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
Toshiyuki Hashida, Greg Bignall, Noriyoshi Tsuchiya, Toru Takahashi, and Koji Tanifuji Fracture generation and water-rock interaction processes in supercritical deep-seated geothermal reservoirs
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermal Resources Council Trans. 25 ??? 225-229 2001

全著者名 論文名
Kotaro Sekine, Greg Bignall, Noriyoshi Tsuchiya, and Katsuto Nakatsuka Evidence for fluid flow in non-brittle Takidani Granite -Implications for utilization of DSGRs
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermal Resources Council Trans. 25 ??? 243 - 248 2001

全著者名 論文名
Zhenzi Jing, J.Willis-Richards, Kimio Watanabe and Toshiyuki Hashida A Three-dimensional stochastic rock mechanics model of engineered geothermal systems in fractured crystalline rock
学術雑誌名 ページ 発行年
Journal of Geophysical Research 105 B10 23663-23679 2000

全著者名 論文名
Noriyoshi Tsuchiya, Toshifumi Suzuki, Katsuto Nakatsuka Thermoluminescence as a new research tool for evaluation of geothermal activity of the Kakkonda geothermal system, Northeast Japan
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermics 29 1 27-50 2000

全著者名 論文名
Hiroshi Asanuma, Hakusei Liu, Hiroaki Niitsuma, and Roy Baria Comparison of reflection image by the traixial drill-bit VSP at Soultz HDR field with geological information
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermal Resources Council Trans. 24 ??? 121-124 2000

全著者名 論文名
Nobukazu Soma, Kei Sato and Hiroaki Niitsuma An estimation of deep geothermal reservoir structure by use of the acoustic emission (AE) reflection method in Kakkonda Geothermal Field, Japan
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermal Resources Council Trans. 23 ??? 301 - 306 1999

全著者名 論文名
Masayuki Tateno, Masaki Takahashi, Iwao Suzuki, Hiroaki Niitsuma, Hiroshi Asanuma and Toshihiro Uchida Estimation of deep reflectors using tri-axial drill-bit VSP in NEDO "Deep-seated geothermal reservoir survey" in Kakkonda, Japan
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermics 27 ??? 647-661 1999

全著者名 論文名
Takatoshi Ito and Kazuo Hayashi A study on stress controlling pathways in HDR/HWR geothermal reservoirs
学術雑誌名 ページ 発行年
Geothermal Resources Council Trans. 23 ??? 259-264 1999

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
Yasushi Fujii, Koji Tanifuji, Catherine Stafford, Toru Takahashi, Toshiyuki Hashida Crack healing and micro-crack formation in granite under the presence of high temperature and pressurized water
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Int. Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics '01 Sendai ??? 1041-1046 2001

全著者名 論文名
Toru Takahashi, Koji Tanifuji, Catherine Stafford and Toshiyuki Hashida Fracture generation in artificial geothermal reservoirs under supercritical water conditions
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The 23rd New Zealand Geothermal Workshop Auckland ??? 63-67 2001

全著者名 論文名
Toshiyuki Hashida, Ayumu Shimizu, Toru Takahashi, and Koji Tanifuji Development of design methodology for deep-seated geothermal energy extraction systems (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Int. Symposium of Young Scholars on Mechanics and Material Engineering for Science and Experiments Changsha, Hunan ??? 453-456 2001

全著者名 論文名
Noriyoshi Tsuchiya, Nobuo Hirano, Greg Bignall and Katsuto Nakatsuka Supercritical water-rock interaction for development of deep-seated geothermal reservoirs
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
The Tenth Int. Symposium on Water-Rock Interaction (WRI-10) Villasimius, Italy ??? 209 - 212 2001

全著者名 論文名
Kiyotoshi Sakaguchi , Wataru Iino, Koji Matsuki Damage of rock core due to tensile stresses during boring under in-situ stresses and its relation to DSCA
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
2001 ISRM Int. Symposium -2nd ARMS Beijing ??? 643-647 2001

全著者名 論文名
Kazushi Sato and Toshiyuki Hashida Development of numerical simulation code for hydraulic fracturing using embedded crack element
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
World Geothermal Congress 2000 Morioka ??? 3865-3870 2000

全著者名 論文名
Kimio Watanabe, Yuichi Niibori and Toshiyuki Hashida Numerical study on heat extraction from supercritical geothermal reservoir
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
World Geothermal Congress 2000 Morioka ??? 3957-3961 2000

全著者名 論文名
Toshiyuki Hashida and Katsuto Nakatsuka Review of progress toward the development of geothermal reactor (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Joint Sixth Int. Symposium on Hydrothermal Reactions and Fourth International Conference on Solvo-Thermal Reactions Kochi ??? 268-273 2000

全著者名 論文名
Masatoshi Bando, Noriyoshi Tsuchiya Petrogic Characterization of the quaternary vocano-plutonic system: the Takidani Pluton and associated volcanic rocks in the Japan Alps, Japan
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
World Geothermal Congress 2000 Morioka ??? 3637-3641 2000

全著者名 論文名
Noriyoshi Tsuchiya, Keisuke Fujino Evaluation of cooling history of the quaternary Takidani Pluton using thermoluminescence technique
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
World Geothermal Congress 2000 Morioka ??? 3939 - 3944 2000

全著者名 論文名
Greg Bignall, Nakamichi Yamasaki, Toshiyuki Hashida Laboratory simulation of granite -Fluid interactions up to supercritical conditions
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
World Geothermal Congress 2000 Beppu ??? 3671-3676 2000


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