RITEは経済産業省の委託事業により、CCSの安全性・信頼性の構築に必要な基盤技術として、帯水層貯留におけるCO₂圧入サイトの貯留性能評価、貯留層内のCO₂挙動解析および貯留層外部へのCO₂移行(漏出)解析に係る技術開発を進めています。また、これらの研究成果および国内外の知見をもとに、CCS実施事業者のための手引書となるCCS技術事例集の作成を行っています。

CO₂地中貯留では、地下深部の塩水性帯水層(貯留層)に超臨界状態のCO₂を圧入します。適切な場所に適切な量のCO₂を適切なレートで圧入し、長期にわたり安全にCO₂を貯留するため、サイト選定などのCCS事業計画の初期段階から、CO₂を圧入する貯留層の地質特性などを把握し、貯留性能評価をすることが必要となります。

CO₂が長期にわたり安定して貯留できることを確認するため、貯留層に圧入したCO₂の挙動予測シミュレーションを行います。圧入したCO₂は、貯留層内の岩石の孔隙に地層水を押しのけながら入っていきます。その入り方は、岩石の孔隙の割合（孔隙率）、流体の流れやすさ（浸透率）、CO₂と水の割合の違いによる流れやすさ（相対浸透率）などによって変化します。それらの各パラメータを定め、数値シミュレーションによって、貯留層内でのCO₂の広がり方や貯留状態を予測します。地質モデルは、孔隙率など各パラメータの空間的分布を数値化したものです。シミュレーションによって圧入したCO₂の正確な挙動予測を行うためには、高精度な地質モデルが求められます。

地質モデルの作成は、石油・天然ガス開発分野で実績があります。しかし、石油・天然ガス分野では、多くの坑井データなどを活用して地質モデルが作成されているのに対し、CO₂地中貯留の分野では、コストとCO₂漏出の懸念から、貯留層に達する試掘調査に厳しい制約があるため、地層のサンプルや物理検層で得られる深度方向の地質情報が少なく、限られた地質情報を基に地質モデルを作成します。

RITEは、2003年7月から2005年1月にかけて、長岡CO₂圧入実証試験サイト（新潟県長岡市岩野原基地：国際石油開発帝石株式会社）において、計10,400トンのCO₂を地下1,100mの塩水性帯水層（貯留層）に圧入しました。このサイトを利用して、砂泥互層や砂礫層のような不均質性が著しい我が国特有の地質構造を反映した地質モデリングの技術開発に取り組んでいます。

長岡CO₂圧入実証試験

下図は、長岡サイトの地質モデルです。左図は、3次元反射法弾性波探査データを基に、既存地質情報、坑井掘削（圧入井および観測井3本）による岩石コアサンプルや各種物理検層データの情報を加えて作成した2km×2kmの地質モデルです。赤い領域がCO₂貯留に適した孔隙率の高い砂層です。右図は、このような空間的な分布を十分に把握した後、10km×10kmの広域地質モデルを確率論的な処理も行いながら作成しています。RITEでは定期的な物理検層を行い、これらの結果や岩石コアサンプルの詳細分析などを行い、地質モデルの更新を行っています。

地下深部の塩水性帯水層（貯留層）に圧入されたCO₂は、貯留層内の地層水を押しのけながら広がっていきます。圧入されたCO₂がどのように分布しているか確認し、またどのように変化していくかを予測することは、CO₂地中貯留における安全性を評価するうえで重要です。RITEは、長岡CO₂圧入実証試験サイトにおいて取得した各種データを総合的に分析することにより貯留のメカニズムを解析しています。また、圧入中の地層変形の監視や誘発地震に備えた微小振動観測などのモニタリングも安全性を確保するには必要となります。これらをまとめてCO₂挙動解析と呼んでいます。

下図は、長期的なCO₂トラップメカニズムを示したものです。構造トラップ、残留ガストラップ、溶解トラップ、鉱物固定の4つのメカニズムがあり、圧入後の経過時間とともに各メカニズムの寄与の度合いが変わっていきます。また漏出に対する安全性も構造、残留ガス、溶解、鉱物固定の順で高くなります。構造トラップはキャップロックなど地質構造によるトラップです。残留ガストラップは小さな孔隙では一度CO₂が取り込まれたら毛管圧のために動くことができないというメカニズムです。溶解トラップは地層水にCO₂が溶解することによってトラップされるというメカニズムです。鉱物固定は溶解したCO₂が周りの鉱物と化学反応を起こし沈殿することでトラップされるメカニズムです。

最後は鉱物固定です。長岡サイトでは地層水を圧入前、圧入開始後2年5か月、8年2か月経過したときの3回採水し、分析しています。下図左をみると地層水中の全炭酸は増えていますが、Caイオンは減少しています。このことはCaイオンが溶解CO₂と反応してCaCO₃（カルサイト）となって沈殿したためではないかと考えらます。下図右はカルサイトの飽和指数です。飽和指数は飽和度によって沈殿するか溶解するかを示します。深度1118ｍでは小さいですが、飽和指数が沈殿を示しています。これは鉱物固定の兆候を示していると考えられます。

X線CTを使用することにより、貯留層を形成する岩石試料の内部へCO₂を圧入した場合のCO₂の挙動およびCO₂の地層水との置換状況などを非破壊で観測できます。地下のCO₂は通常、超臨界状態にあるため、同じようにCO₂が超臨界状態になる温度圧力条件下でCO₂圧入実験を行います。
RITEでは、X線CTイメージデータの解析によって、孔隙率や流体飽和度と岩石物性との関係を定量化する技術の開発に取り組んでいます。これらの物性値は、弾性波探査データや比抵抗データなどのモニタリングデータの解釈に用いることができます。

左図は、岩石コア試料内のCO₂分布状況の可視化画像です。CO₂を圧入することにより、CO₂が水に置換し、孔隙中に入っていく様子が確認できます。圧入されたCO₂は岩石中に一様に分布するのではなく、CO₂濃度の高い部分と低い部分が岩石中に形成された状態でトラップされます。このようなトラップメカニズムを解析することにより、実際の貯留可能量の評価や挙動予測などに活用します。

海外でのCO₂地中貯留プロジェクト(In Salahプロジェクト)において、CO₂圧入に伴い貯留層内の間隙水圧が上昇することにより、圧入井周辺の地表面が隆起していることが観測されました。地層の変形量が大きくなると安全性に影響を与える恐れがあります。
地中変位計の埋設により地層の変形を観測することは出来ますが、変位計の埋設深度を事前に決める必要があるほか、作業の点から多数の変位計を埋設できません。
RITEでは、深度方向に連続的に測定できる分布型光ファイバーを用いて圧入中の地層の変形を監視する技術開発を行っています。光ファイバーのコアに入射されたパルス状のレーザー光の散乱光を計測し解析することにより地層変形（ひずみ）を計測します。また、光ファイバーセンサーは温度、圧力も連続的に測定できるため、圧入後の貯留層からの漏出監視など幅広く監視システムとして使用できる可能性もあり、技術開発を進めています。

CO₂地中貯留におけるモニタリングでは反射法弾性波探査が最も多く使用実績があります。
弾性波を発振し、反射波を受振することにより、地下構造や貯留層内のCO₂分布状況が把握できます。
海底下の貯留の探査では、通常、ストリーマケーブルと呼ばれるセンサーを海面に浮かべて船で曳航しながら探査を行います。これに対して、常設型OBC(Ocean Bottom Cable)は海底にセンサーを常設します。常設型のセンサーのため、繰り返し測定の精度が良いという利点があります。また、ストリーマケーブルによる探査は、多連の受振センサーを曳航する関係から大型の船が必要になるとともに、海上での大きなスペースを必要とします。これに対し、常設型OBCを用いる探査では発振のための小型船で対応できます。
さらに、常設型OBCにより自然地震や微小振動をリアルタイムで測定することができるという利点もあります。

RITEは、2011年から2012年度に神奈川県平塚沖で常設型OBCの実海域試験を行い、反射法弾性波探査を実施するとともに、システムの長期安定性や耐久性などを検証しました。

なお、この常設型OBCシステムは、現在、北海道苫小牧市において、日本CCS㈱が行っているCCS実証プロジェクトのサイトへ設置されています。

海外のCO₂圧入サイトによる事例によれば、CO₂圧入に伴う振動はマグニチュードM-3～1（体に感じない程度のイベント）であり、ごく微小な振動と想定されます。ただし、大規模なCO₂圧入サイトでの観測事例はまだ少なく、我が国のような地震多発国では特に社会受容性獲得の観点から重要な研究であるため、RITEでは安全な圧入活動を行うための微小振動評価手法の開発を行っています。

具体的には、微小な地震を高精度に計測する手法の開発、自然地震と圧入による微小振動を区分する手法、微小振動の大きさ、様相により、CO₂圧入を制御する手法の検討などを行っています。

RITEは、実CO₂圧入サイトにおける微小振動を観測するため、米国ローレンス・バークレー国立研究所およびテキサス大学地質研究所の協力を得て、米国炭素隔離地域パートナーシップのCO₂圧入サイト（ミシシッピー州クランフィールド油田）に微小振動計を地中に6台設置し、2011年12月から観測を行っています。得られたデータを解析することにより、微小振動とCO₂圧入との関連性について検討しています。

RITEでは安全性評価の観点にたって、万が一、海域にCO₂が漏出した時のことを想定した研究を行っています。海底から漏出したCO₂は海水中に拡散します。どのように拡散するかは海水の流れや温度の影響を受けます。RITEでは海洋の状況を数値モデル化し、シミュレーションによって拡散を予測する研究を行っています。

拡散したCO₂が海洋生物などの海洋環境に与える影響を評価するために、RITEではどれくらいの濃度のCO₂であれば、どのような海洋生物に影響があるかをまとめ、データベース化しています。毎年発表される最新の研究をもとにデータベースを毎年更新しています。

また、海域に漏出したCO₂を検知する技術開発を行っています。海水に溶解したCO₂について、それが自然現象の変動の範囲内にあるものか、あるいはCO₂の漏出に起因するものであるか見極める手法の検討を行っています。
さらにCO₂気泡の検出のためにサイドスキャンソナー(SSS)などの音響探査手法の適用性について検討を行っています。

CO₂が海洋環境に及ぼす影響について理解を深めるために、英国の研究機関とともにCO₂を海底から人為的に漏出させるフィールド実験（英国QICSプロジェクト：Quantifying and Monitoring Potential Ecosystem Impacts of Geological Carbon Storage）を行っています。ここでは、RITEは大型底生生物の行動変化と、泥の中の微生物への影響などを調査しています。

1996年にノルウェーのSleipnerプロジェクトにおいて世界で最初のCO₂帯水層貯留が開始された後、世界で多くのCO₂地中貯留実証試験が開始され、2008年頃からそれらの知見がBPM(Best Practice Manual)などの形で集約されました。さらに汎用的な解説書やガイドラインなどが作成されています。
例えば、欧州では欧州委員会がCCS指令を作成し、加盟国に対してCCS実施に関する規則を示すとともに、EU加盟国が国内法を整備する上での参考資料として4種類のガイダンス・ドキュメントを作成しています。また、米国環境保護庁(EPA)はCO₂貯留用坑井のガイダンスの作成を進め、米国エネルギー省(DOE)はRCSP(地域炭素隔離パートナーシップ)のCCS事業の知見を基にBPMの作成を進めています。このように、海外ではCCS事業の実証試験の経験・知見を整理し、本格的な地中および海底下地層へのCO₂貯留の実施に向けた準備が進められています。

CCS技術事例集の作成に向けた検討スキームを下図に示します。主な流れとしては、国内外の情報の収集・整理・分析を行い、国内事例である長岡実証試験事例を整理します。次にRITEの研究開発成果に基づきRITE版CCS技術事例集を作成し、最終的には国内の大規模実証試験の事例を踏まえた日本版CCS技術事例集を作成する計画です。