(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-03
(54)【発明の名称】二酸化炭素貯留を測定する方法
(51)【国際特許分類】
G01V 1/00 20240101AFI20241126BHJP
B01D 53/14 20060101ALI20241126BHJP
G01N 29/04 20060101ALI20241126BHJP
G01N 29/44 20060101ALI20241126BHJP
G01N 33/24 20060101ALI20241126BHJP
E21B 43/00 20060101ALN20241126BHJP
【FI】
G01V1/00 C
B01D53/14 100
G01N29/04
G01N29/44
G01N33/24 D
E21B43/00 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024525681
(86)(22)【出願日】2022-10-31
(85)【翻訳文提出日】2024-06-28
(86)【国際出願番号】 IB2022000639
(87)【国際公開番号】W WO2023073426
(87)【国際公開日】2023-05-04
(32)【優先日】2021-11-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522417845
【氏名又は名称】プロトスター グループ リミティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100108903
【氏名又は名称】中村 和広
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100208225
【氏名又は名称】青木 修二郎
(74)【代理人】
【識別番号】100217179
【氏名又は名称】村上 智史
(72)【発明者】
【氏名】タラル ハサン
(72)【発明者】
【氏名】ユルグ マター
(72)【発明者】
【氏名】イーハブ タスファイ
(72)【発明者】
【氏名】カラン キムジ
【テーマコード(参考)】
2G047
2G105
4D020
【Fターム(参考)】
2G047AA05
2G047AA10
2G047BC02
2G047BC03
2G047BC04
2G047BC14
2G047CA01
2G047CA04
2G047GD01
2G047GD02
2G047GG28
2G047GG30
2G047GG32
2G105AA02
2G105BB01
2G105BB02
2G105CC01
2G105DD02
2G105EE05
2G105GG01
2G105GG06
2G105LL01
2G105LL09
4D020AA03
4D020BA30
4D020BB01
4D020DA02
4D020DB20
(57)【要約】
鉱物化の速度を測定する方法であって、感震センサーおよび/または高調波センサーを岩層と音響的に連通するように位置決めすることと、二酸化炭素を岩層のボアホールに注入することと、二酸化炭素を岩層と反応させて、鉱物化された二酸化炭素を形成することと、反応中に感震センサーおよび/または高調波センサーを用いて岩層で発生した音響活動を測定することと、音響活動に基づいて鉱物化の速度を計算することと、計算された鉱物化の速度に基づいて岩層への二酸化炭素注入速度を調整することと、を含む方法。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鉱物化の速度を測定する方法であって、
感震センサーおよび/または高調波センサーを岩層と音響的に通信するように配置することと、
二酸化炭素を前記岩層のボアホールに注入することと、
前記二酸化炭素を前記岩層と反応させて、鉱物化された二酸化炭素を形成することと、
前記反応中に前記感震センサーおよび/または前記高調波センサーを用いて前記岩層中で発生した音響活動を測定することと、
前記音響活動に基づいて前記鉱物化の速度を計算することと、
前記計算された鉱物化の速度に基づいて、前記岩層への二酸化炭素注入の速度を調整することと
を含む、方法。
【請求項2】
前記二酸化炭素が注入井を介して前記岩層に注入される、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記二酸化炭素が水溶液に溶解される、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記感震センサーおよび/または高調波センサーが前記ボアホールの内部にある、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記感震センサーおよび/または高調波センサーが、分散型音響センシング用の光ファイバーケーブルである、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記分散型音響センシング用の光ファイバーケーブルの長さが、前記二酸化炭素が前記岩層と反応して、前記鉱物化された二酸化炭素を形成している前記岩層の一部に到達するのに十分な長さである、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記感震センサーおよび/または高調波センサーが、前記岩層の外表面に配置される、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記感震センサーおよび/または前記高調波センサーが、ジオフォンおよびハイドロフォンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記反応後に前記岩層を出る流体組成物のpH、アルカリ度および/または溶存無機炭素含有量を測定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
タイムラプス表面重力を測定して、固定重力観測パッドとの反応中および/または反応後の前記岩層の密度の変化を監視することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
前記鉱物化の速度、前記岩層への二酸化炭素注入の前記速度、前記pH、前記アルカリ度、前記溶存無機炭素含有量、および/または前記岩層の前記密度に基づいて、鉱物化の量を定量化することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項12】
前記鉱物化の量に基づいて炭素クレジット相当量を計算することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記音響活動に基づいて、前記反応が起こる前記岩層の領域部分の位置を特定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項14】
前記音響活動が、0.1~10kHzの周波数を有する音響信号を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項15】
前記岩層が、カンラン岩、玄武岩、および斑れい岩からなる群から選択される少なくとも1つの材料から形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項16】
前記岩層が、カンラン岩から形成される、請求項1に記載の方法。
【請求項17】
前記鉱物化された二酸化炭素が、カルサイト、マグネサイト、ドロマイト、ハイドロマグネサイト、およびシデライトからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1に記載の方法。
【請求項18】
地下の岩層における二酸化炭素の鉱物化の速度を測定するためのシステムであって、
二酸化炭素源と、
高調波センサーおよび感震センサーのうちの少なくとも1つと、
前記少なくとも1つのセンサーと通信し、前記鉱物化の速度を計算するための命令を有する回路を含む、少なくとも1つのプロセッサとを備え、
前記少なくとも1つのセンサーは、前記岩層内の音響活動を記録するために、前記岩層内または前記岩層上に配置される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、2021年11月1日に出願された米国仮出願第63/274,020号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、貯留のための岩層への二酸化炭素(CO2)の鉱物化を検出し、測定し、監視し、鉱物化の量および/または速度を決定/計算するための方法およびシステムに関する。より具体的には、本発明は、鉱物化によって生成される高調波信号および/または音響信号を使用して、岩層に貯留されたCO2の速度をリアルタイムで測定し、その量を定量化することに関する。
【背景技術】
【0003】
本明細書に提供される「背景技術」の説明は、本開示の文脈を一般的に提示する目的のためのものである。この「背景技術」セクションに記載されている範囲で、現在名前が挙げられている発明者らの業績、および出願時に別様に従来技術として認められない可能性がある記載の態様は、本発明に対する従来技術として明示的にも黙示的にも認められない。
【0004】
過去100年の間に、産業活動、特に化石燃料の消費が、大気中のCO2濃度を劇的に増加させた。地球規模の炭素循環に及ぼす人為的影響が、過去数十年間にわたって観測された気候変動の主な原因である。地球規模の気候変動は、ハリケーン、干ばつ、洪水、氷河後退、および海面上昇を含む、他の様々な現象とも関連している。地球温暖化に関する最近の国際連合環境プログラムの報告書は、「人間の影響が21世紀を通じて大気組成を変化させ続ける」ことを示しており、二酸化炭素がこれらの人間の活動の中で最も大きく寄与している。CO2は、石炭、石油または天然ガスなどの化石燃料、およびバイオマスのような再生可能燃料の燃焼、例えば、土地開墾中の森林の焼畑、ならびにある特定の産業および資源抽出プロセスによって大気中に放出される。その結果、「化石燃料の燃焼によるCO2の排出が、21世紀中の大気中CO2濃度の動向に支配的な影響を与えることは事実上確実」であり、「地球規模の平均気温および海面水位は上昇すると予測されている」。
【0005】
したがって、CO2を大気から除去する効果的な炭素回収・貯留(CCS)方法の開発に大きな努力が払われてきた。化学的風化作用は、地質学的な時間スケールにわたって大気中CO2濃度を制御する、自然ではあるがゆっくりとしたプロセスである。地球規模の気候変動に対抗するために化学的風化作用を促進することは、過去に提案されてきた。風化作業向上の目的は、ケイ酸塩鉱物の風化作用速度を速め、溶解および/または反応した無機炭素として、および/または炭酸塩鉱物として大気からのCO2の除去を促進することである。比較的速い溶解速度のために、風化作用向上は苦鉄質岩および超苦鉄質岩に集中している。
【0006】
高濃度のMgのために、大部分が鉱物カンラン石((Mg,Fe)SiO4)で構成され、輝石鉱物((Mg,Fe,Ca)Si2O)およびスピネル((Mg,Fe)(Cr,Al)O)、およびその含水変質生成物である蛇紋石(Mg3Si2O5(OH)5)の割合がより少ないカンラン岩(超苦鉄質岩)は、大気中二酸化炭素を固体炭酸塩に変換するための有望な反応物質と考えられてきた。カンラン岩の自然炭酸化は、他の種類の岩石と比べて驚くほど速いことが分かっている。例えば、オマーンのマントルカンラン岩中の炭酸塩鉱脈の平均年代は約26,000年で、これまで信じられていたような3,000万年から9,500万年前のものではない。これらのデータおよび調査マッピングは、オマーンでは年間約104~105トンの大気中の二酸化炭素がカンラン岩風化作用を介して固体の炭酸塩鉱物に変換されている(Kelemen and Matter,2008)。マントルカンラン岩は通常、海底下6km超であり、地表の空気および水との平衡状態から大きく外れているため、これらの岩層は鉱物化を介したCO2貯留を実行可能な場所である。
【0007】
地下の苦鉄質岩層および超苦鉄質岩層へのCO2注入に続いて、CO2は岩石中の鉱物と反応して、炭酸塩(主に炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウム)を岩層の細孔空間に析出させる。このプロセスは実質的に、地質学的な時間スケールで大気からCO2を永久的に除去する。現在のところ、どれだけのCO2が現場で地質貯留層に鉱物化されたかを測定することは非常に困難である。測定には、化学トレーサーを使用したり、液体および岩石サンプルを物理的に調べたりする粗雑な方法しか展開されていない。したがって、鉱物化されたCO2の速度および量をリアルタイムで測定する必要がある。定量化することで、貯留されたCO2について政府機関へのより良い報告が可能になり、組織が炭素貯留を炭素クレジットと交換することを可能にし得る。
【0008】
CO2が鉱物と反応して炭酸塩を形成すると、流体成分が消費され、それによって岩石の固体体積が増加する。固体体積の増加に伴う炭酸塩の同時析出が、それによって岩石を破砕し得る。破砕プロセスでは、センサーで測定可能な音響信号が発生する。したがって、本開示の1つの目的は、感震センサーおよび/または高調波センサーで測定された音響活動に基づいてCO2の鉱物化の速度を測定する方法を提供することである。別の目的は、CO2の鉱物化の量を定量化することである。
【発明の概要】
【0009】
例示的な実施形態では、鉱物化の速度を測定する方法が開示される。本方法は、感震センサーおよび/または高調波センサーを岩層と音響的に通信するように配置することを含む。本方法は、二酸化炭素を岩層のボアホールに注入することをさらに含む。本方法は、二酸化炭素を岩層と反応させて鉱物化された二酸化炭素を形成することをさらに含む。本方法は、反応中に感震センサーおよび/または高調波センサーを用いて岩層中で発生した音響活動を測定することをさらに含む。本方法は、音響活動に基づいて鉱物化速度を計算することをさらに含む。本方法は、計算された鉱物化の速度に基づいて、岩層への二酸化炭素注入の速度を調整することをさらに含む。
【0010】
一実施形態では、二酸化炭素は注入井を介して岩層に注入される。
【0011】
一実施形態では、二酸化炭素は水溶液に溶解される。
【0012】
一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、ボアホールの内部にある。
【0013】
一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、分散型音響センシング用の光ファイバーケーブルである。
【0014】
一実施形態では、分散型音響センシング用の光ファイバーケーブルの長さは、二酸化炭素が岩層と反応して、鉱物化された二酸化炭素を形成している岩層の一部に到達するのに十分な長さである。
【0015】
一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、岩層の外表面に配置される。
【0016】
一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、ジオフォンおよびハイドロフォンからなる群から選択される少なくとも1つである。
【0017】
一実施形態では、本方法は、反応後に岩層を出る流体組成物のpH、アルカリ度および/または溶存無機炭素含有量を測定することをさらに含む。
【0018】
一実施形態では、本方法は、タイムラプス表面重力を測定して、固定重力観測パッドとの反応中および/または反応後の岩層の密度の変化を監視することをさらに含む。
【0019】
一実施形態では、本方法は、鉱物化の速度、岩層への二酸化炭素注入の速度、pH、アルカリ度、溶存無機炭素含有量、および/または岩層の密度に基づいて、鉱物化の量を定量化することをさらに含む。
【0020】
一実施形態では、本方法は、鉱物化の量に基づいて炭素クレジット相当量を計算することをさらに含む。
【0021】
一実施形態では、本方法は、音響活動に基づいて、反応が起こる岩層の領域部分の位置を特定することをさらに含む。
【0022】
一実施形態では、音響活動は、0.1~10kHzの周波数を有する音響信号を含む。
【0023】
一実施形態では、岩層は、カンラン岩、玄武岩、および斑れい岩からなる群から選択される少なくとも1つの材料から形成される。
【0024】
一実施形態では、岩層は、カンラン岩から形成される。
【0025】
一実施形態では、鉱物化された二酸化炭素は、カルサイト、マグネサイト、ドロマイト、ハイドロマグネサイト、およびシデライトからなる群から選択される少なくとも1つである。
【0026】
また、地下の岩層における二酸化炭素の鉱物化の速度を測定するシステムも開示されている。本システムは、二酸化炭素源と、高調波センサーおよび感震センサーのうちの少なくとも1つと、少なくとも1つのプロセッサとを含み、プロセッサは、少なくとも1つのセンサーと通信し、鉱物化の速度を計算するための命令を有する回路を含み、少なくとも1つのセンサーは、岩層中の音響活動を記録するために岩層中に配置される。
【0027】
例示的な実施形態の前述の概要の説明および以下の詳細な説明は、本開示の教示の単なる例示的な態様であり、限定的ではない。
【0028】
本開示およびその付随する利点の多くのより完全な理解が、添付の図面と関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによって、本開示およびその付随する利点がより良く理解されることで、容易に得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【
図1】本開示のある特定の実施形態による、鉱物化の速度を測定する方法100のフローチャートである。
【
図2】本開示のある特定の実施形態による、方法100の更なるステップのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0030】
図面において、同様の参照番号は、いくつかの図を通して同一または対応する部分を指定する。さらに、本明細書で使用される場合、「a」、「an」などの単語は、別様に示されない限り、概して、「1つ以上」の意味を有する。
【0031】
さらに、「約」、「近似」、「おおよそ」、および類似の用語は、概して、20%、10%、または好ましくは5%のマージン内の識別された値、およびそれらの間の任意の値を含む範囲を指す。
【0032】
本明細書で開示されるすべての範囲は、終点を包含し、終点は独立して互いに組み合わせ可能であり、範囲のすべての中間値を包含する。したがって、本開示内で明示される範囲、例えば、数値/値は、範囲内の個々の点、サブ範囲、およびそれらの組み合わせの保有目的および請求目的のための開示を含むものとする。
【0033】
本明細書で使用される場合、「地層」または「岩層」は、隣接する岩石体と区別する一貫した一連の物理的特性を有し、地理的地域で露出している岩の層の中で特定の位置を占める岩石体である。例えば、本明細書で言及する地層は、全体を通して一貫して苦鉄質岩または超苦鉄質岩である。地層は、全体的または部分的に地下にあってもよく、主に苦鉄質鉱物または超苦鉄質鉱物、好ましくは少なくとも75質量%、85質量%もしくは95質量%の苦鉄質岩または超苦鉄質岩である組成を有する。
【0034】
本明細書で使用される場合、「ボアホール」とは、水、石油、もしくは天然ガスの採掘、または鉱物探査および他の環境調査などの目的のために、地層に掘削される立て坑を指す。全体を通して言及されるボアホールは、先に説明した目的の1つのために予め掘削されたボアホールであってもよいし、主にCO2貯留のために掘削されたボアホールであってもよい。ボアホールの平均深さは、100~5,000m、好ましくは500~4,500m、1,000~4,000m、1,500~3,500m、または2,000~3,000mである。ボアホールは、地層が適切な厚さの苦鉄質岩または超苦鉄質岩を有する任意の適切な場所に掘削される。例えば、深さ400mのボアホールを掘削する場合、その場所には少なくとも深さ400mの苦鉄質岩または超苦鉄質岩があるはずである。ボアホールは空であってもよく、例えば、周囲の大気中の空気のみを含んでいてもよく、あるいは他の流体、例えば気体および/または液体の炭化水素および/または淡水、塩水、海水もしくは地層水などの水性組成物を含んでいてもよい。
【0035】
本明細書で使用される場合、「注入井」は、流体を地中深くの岩層に据える装置である。注入井をボアホールに設置して液体を注入することができる。例えば、本開示の液体は、水に溶解したCO2である。注入井は、主にボアホールの外側の表面に存在してもよいし、ボアホールの内部に全体的または部分的に配置されていてもよい。例えば、ボアホールへの注入のために1つ以上の流体を加圧するために使用される加圧機器は、坑井の外側に位置してもよく、好ましくは、主にボアホールの外側にある坑井ヘッドに接続される。ボアチューブなどの注入井の他の要素は、好ましくは、主にボアホール内に配置され、例えば、ボアホール内に一定の距離だけ下方に延在し、ボアホールの内部にシールを形成するためのパッカーなどの装置を含むことができる。
【0036】
本明細書で使用される場合、「鉱物化」、「炭酸塩形成」、およびそれらの変形は、例えば、CO2と岩層中の鉱物との反応後の炭酸塩鉱物(例えば、炭酸イオンCO3
2-を有する鉱物)の析出を指す。
【0037】
本明細書で使用される場合、感震センサーとは、地中の振動を感知する装置、好ましくは岩層を介して伝わる振動を感知する加速度計を指す。ここで、検出された地震振動は、鉱物化の結果として生じる全体的な音響活動の一部である。感震センサーは、通常、500Hz~0.00118Hz(例えば、1サイクルあたり0.002秒~1サイクルあたり850秒)の周波数の上下運動を検出および測定するために使用される。
【0038】
本明細書で使用される場合、高調波センサーとは、地中の音波を感知する装置を指す。ここで、検出された音波は、全体的な音響活動の部分である。高調波は、典型的には、信号の振動の全周波数の一部、例えば振動の基本周波数の部分を表す音響信号のサブセットである。
【0039】
本明細書で使用される場合、「音響活動」とは、感震センサーおよび高調波センサーによって検出された音響信号の量を指す。音響信号は、鉱物化のプロセス中に岩層から放出される音である。音響信号は、20Hz~20,000Hzの周波数帯域で生じ得る。より高い周波数、例えば5Hz超、好ましくは100Hz超の周波数が、鉱物化によって発生する音響信号に特に関連している。
【0040】
本発明の態様は、岩層へのCO2の鉱物化および貯留の速度を測定することに関する。本方法は、感震センサーおよび/または高調波センサーを使用して、岩層中のCO2の反応によって生成される音響活動を測定することを含む。本明細書の説明はCO2の貯留について言及するが、本開示の態様は他の温室効果ガスの貯留にも向けられ得ることが当業者には理解され得る。本発明は、実際の岩石サンプルの粗雑な監視またはサンプル試験を実施する必要なく、鉱物化の量および速度の自律的な検証を可能にする。
【0041】
本開示の岩層は、苦鉄質岩および超苦鉄質岩でできた岩層を含むがこれに限定されない、CO2貯留に適した任意の岩層であってもよい。苦鉄質岩はマグネシウムおよび鉄を豊富に含むケイ酸塩岩または火成岩で、玄武岩、輝緑岩、斑れい岩を含むが、これらに限定されない。苦鉄質岩の鉱物には、カンラン石、輝石、角閃石、および黒雲母が含まれるが、これらに限定されない。超苦鉄質岩は、シリカが45%未満で、多量のマグネシウムおよびカリウムを含む火成岩およびメタ火成岩であり、カンラン岩(periodite)およびジュナイトを含むが、これらに限定されない。超苦鉄質岩の鉱物には、カンラン石、輝石、蛇紋石および水滑石が含まれるが、これらに限定されない。
【0042】
カンラン石、輝石、水滑石、および蛇紋石は、可溶化されたCO2の存在下で活性化し、様々な炭酸塩岩を生成し、したがってCO2貯留におけるそれらの使用が知られている。本発明のいくつかの実施形態では、可溶化された二酸化炭素(水-CO2混合物)が、カンラン石、蛇紋石、水滑石、輝石を含む苦鉄質岩層および超苦鉄質岩層に注入される。一実施形態では、岩層は、好ましくはカンラン岩の岩層である。結果として、CO2は、マグネサイト(MgCO3)、カルサイト(CaCO3)、およびドロマイト(CaMg(CO3)2)に変換され、鉱物の形態で岩層に永久的に貯蔵される。形成される他の炭酸塩には、ハイドロマグネサイト(Mg5(CO3)4(OH)2・4H2O)、およびシデライト(FeCO3)が含まれるが、これらに限定されない。
【0043】
カンラン石は、多くの場合、マグネシウム、酸素、およびケイ素を含有する。カンラン石は、深さ700kmまでの地球のマントルに最も多く含まれる鉱物である。組成は、通常、SiO4とMg2+との組み合わせである。典型的には、ケイ素が4個の酸素分子と結合し、カチオンおよびアニオンの電荷が平衡になるようにピラミッド構造を形成し、Mg2+がSiO4構造の間の空の空間を占める。これらの結合は、炭酸と反応するように容易に引き起こされ得る。カンラン石とCO2との反応は、以下の反応経路によって達成され得る:
MgSiO4+2CO2→2MgCO3+SiO2 [1]
【0044】
また、水を導入することによって、反応速度が大幅に上昇することが証明されている。水は、CO2が可溶化し炭酸を形成するのを助け、したがって、鉱物化およびイオン交換プロセスをはるかにより簡便かつより効率的にする。以下は、水の存在下での反応経路である:
CO2+H2O→H2CO3→H++HCO3
- [2]
Mg2SiO4+4H+→Mg2
++SiO2+2H2O [3]
Mg2++HCO3
-→MgCO3+H+ [4]
【0045】
輝石は、イノケイ酸塩鉱物における群のうちの1つであり、苦鉄質および超苦鉄質岩においても豊富に見出される。輝石の一般的な化学式はABSi2O6であり、式中、AおよびBは、カルシウム、マグネシウム、アルミニウムなどのイオンであり得る。最も一般的には、輝石はCaMgSiO6・として見出され得る。自然に、輝石は、以下の式に従ってCO2と反応する:
CaMgSi2O6+2CO2->CaMg(CaCO3)2(ドロマイト)+2SiO2 [5]
【0046】
しかしながら、カンラン石と同様に、水は反応の速度を増加させ、以下は水の存在下での反応経路である:
CaMgSi2O6+CO2+H2O->Ca2Mg5Si8O22(OH)2+CaCO3+SiO2 [6]
【0047】
輝石およびカンラン石はまた、可溶化されたCO2と同時に反応して炭酸塩を形成し得る。水およびCO2の存在下では、以下の反応が起こる:
Mg2SiO4(カンラン)+CaMgSi2O6(輝石)+2CO2+2H2O->Mg3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+CaCO3(カルサイト)+MgCO3(マグネサイト) [7]
【0048】
蛇紋石はCO2と次のように反応する:
Mg3Si2O5(OH)4+3CO2->3MgCO3+2SiO2+2H2O [8]
【0049】
水滑石はCO2と次のように反応する:
Mg(OH)2+CO2->MgCO3+H2O [9]
【0050】
本発明は、炭酸塩の形成の速度を測定し、炭酸塩の形態で鉱物化されたCO2の量を測定する方法を開示する。[1]~[9]の反応の結果、CO2が反応性の岩石表面と直接物理的に接触する岩層の細孔空間で、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムが形成される。これらの反応により、液体の水および溶存または気体のCO2を含む流体成分が消費され、それによって、岩石の固体体積が、最初の固体岩石体積に対して5~50%、好ましくは10~40%または20~30%増加することになる。この反応により炭酸塩鉱物が形成され、これは岩石の表面に析出するか、または白華を生ずる。このようにして、苦鉄質岩および超苦鉄質岩の細孔空間に炭酸塩鉱物が析出し、同時に体積が増加すると、岩石が破砕する可能性がある。このプロセスは「反応駆動型亀裂形成(reaction-driven cracking)」と呼ばれ、岩層の原位置で発生する。鉱物化による亀裂形成は、検出可能な音響信号および感震信号を発生させ、この信号が、岩層中の鉱物化の速度、場所、および/または量を決定するために、本発明によって利用される。
【0051】
図1および
図2を参照すると、方法100のフローチャートが示されている。方法100が説明される順序は、限定として解釈されることを意図しておらず、説明される方法ステップの任意の数を他の順序で組み合わせて方法100を実施することができる。さらに、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、方法100から個々のステップを削除または省略することができる。
【0052】
一実施形態では、方法100はステップ102で、感震センサーおよび/または音響/高調波センサーを、センサーが岩層と音響的に通信するような地点(複数可)に配置することを含む。感震センサーおよび/または音響/高調波センサーは、地下地層における反応駆動型亀裂形成の間に生成される音響信号を測定するのに適している。一実施形態では、「音響通信」とは、感震センサーおよび/または高調波センサーが、地下地層における反応駆動型亀裂形成の間に生成される音響信号を検出できる範囲にあることを意味する。一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、CO2が注入されるボアホールの内部に配置される。一実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、CO2が注入されるボアホールの近くの岩層の外面に配置され、すなわち、センサーはボアホールの内側にはないが、外側表面からの信号を依然として検出することができる。センサーは、鉱物化が起こっている地点から離れた場所に配置してもよいが、好ましくは、センサーは岩層と直接物理的に接触している。CO2組成物の岩層への注入によって生成される感震信号および音響信号との干渉を避けるため、センサーは、好ましくは、水またはCO2の注入に使用されない岩層中のボアホールに配置される。
【0053】
いくつかの実施形態では、感震センサーおよび/または高調波センサーは、分散型音響センシング用の光ファイバーケーブル、ジオフォンおよびハイドロフォンからなる群から選択される。一実施形態では、ハイドロフォンは、好ましくは地表で、注入井を通してボアホールに注入されるCO2含有流体と音響通信している。ハイドロフォンは、水中で使用するために設計されたマイクロフォンで、水中で音を録音したり聴いたりするためのものである。
【0054】
一実施形態では、ジオフォンはボアホールの外表面に配置され、地面の動き(地震振動)を電圧に変換する装置である。ハイドロフォンおよび/またはジオフォンは、CO2の鉱物化中に生成される音(音響信号)および/または地震信号を測定することができる。
【0055】
分散型音響センシングシステムは、光ファイバーを使用して音響エネルギーを観測することで振動を検出する。ボアホールに沿った光ファイバーネットワークが利用され、分散型音響センサーとなり、リアルタイムの音響データおよび地震データを取得する。インタロゲーターが、光ファイバー(センサーケーブル)に沿ってコヒーレントレーザーパルスを送信する。ファイバー内の散乱部位により、ファイバーはパルス長と同じゲージ長(例えば10メートル)の分散型干渉計として機能する。ファイバー上の音響擾乱は、ファイバーの微視的な伸長または圧縮(微小歪み)を発生させ、位相関係および/または振幅の変化を引き起こす。次のレーザーパルスが伝送され得る前に、前のパルスがファイバーの全長を移動し、その反射が戻ってくる時間がなければならない。したがって、最大パルスレートはファイバーの長さによって決定される。したがって、典型的にはパルスレートの半分であるナイキスト周波数までの周波数で変化する音響信号を測定することができる。いくつかの実施形態では、分散型音響センシング用の光ファイバーケーブルの長さは、二酸化炭素が岩層と反応して、鉱物化された二酸化炭素を形成している岩層の一部に到達するのに十分な長さである。いくつかの実施形態では、光ファイバーケーブルは、ボアホールの長さ全体にわたってボアホールの壁面に分配されている。
【0056】
他の音響測定センサー(周囲の雑音を測定するため)、加速度計、圧力変換器、マイクロフォン、または同様のセンサーを、温度補正および校正を提供するための温度などの、他のパラメーターを測定するため、またはすべてのセンサーのデータ一貫性チェックのために採用することもできる。マイクロフォン、ジオフォン、加速度計または同様のセンサーを使用して、近くの周囲の表面ノイズを測定することは、周知の測定された表面ノイズを排除することによって、信号対ノイズを改善するのに役立ち得る。ポンプ供給される流体の化学組成および密度を測定するセンサーを、分析を改善するために使用することができ、したがって、後述するように、いくつかの実施形態で実装される。
【0057】
一実施形態では、方法100はステップ104において、二酸化炭素を岩層中のボアホールに注入することを含む。一実施形態では、注入される二酸化炭素は、水溶液またはCO2に富む水性混合物に溶解される。いくつかの実施形態では、CO2は注入井を介して岩層に注入される。いくつかの実施形態では、注入される二酸化炭素は気体形態である。
【0058】
本発明の好ましい実施形態では、水溶液に溶解した二酸化炭素は、好ましくは25~185℃±15℃、好ましくは50~150℃、75~125℃または約100℃の温度で、注入井を介して地層のボアホールに注入される。当業者が認識するように、低温の方がより多量のCO2を溶解することができるが、鉱物化反応は高温の方が速く起こり、最大反応速度は185℃±15においてであることも認識されている。一実施形態では、水溶液中の二酸化炭素の量は、500~10,000ppm、好ましくは1,000~9,000ppm、2,000~8,000ppm、3,000~7,000ppm、4,000~6,000ppm、または約5,000ppmである。一実施形態では、水溶液は、淡水、塩水、汽水および/または海水である。好ましい実施形態では、CO2と水の超臨界(例えば、5MPaを超える圧力)混合物が、ボアホールを通して岩層に注入される。超臨界CO2水混合物は、超臨界CO2水混合物の全重量を基準として、10MPaで5重量%を上回るCO2を含有し得る。
【0059】
好ましくは、CO2に富む流体混合物は、地層を機械的に破壊するために必要な圧力よりも実質的に低い圧力、例えば、周囲のボアホールまたはダウンホール圧力から一般に1MPa未満の範囲の圧力、好ましくは100~1,000psi、200~900psi、300~800psi、400~700psi、または500~600psiの範囲の圧力で地層に注入される。加圧された水流のガス圧は、目標注入深さの静水圧より低いか、それに近い圧力に設定される。次いで、CO2に富む流体混合物は、ボアホールの入口にある注入井を含む坑井ヘッドを通して注入される。注入坑井ヘッドは、好ましくは、非腐食性のパイプ(例えば、チューブ)を介して、目標注入ゾーンの真上に設置されたパッカーシステムに接続される。パッカーシステムは、カンラン岩層にCO2に富む流体混合物を注入するためのカラムを液圧的に貯留する。注入されたCO2に富む流体混合物は、ボアホール内のアニュラスを通してカンラン岩層内に分散され、そこで溶存CO2がカンラン岩とその場で反応する。注入中、CO2に富む流体混合物は、CO2がボアホールと岩層との界面以外の地点で岩層と接触するように、岩層を通って移動する。CO2に富む流体混合物が岩層を通って移動し、CO2が岩層と反応するにつれて、CO2に富む流体混合物中のCO2の濃度が減少する。
【0060】
方法100のステップ106において、本方法は、二酸化炭素を岩層と反応させて、鉱物化された二酸化炭素を形成することを含む。鉱物化された二酸化炭素を形成する反応は、式[1]~[9]に記載されているように、カルサイト、マグネサイトおよび/またはドロマイトを形成することができる。この反応はまた、他の適切な炭酸塩を形成し得る。一実施形態では、反応は、1時間~100日、好ましくは90日未満、80日未満、70日未満、60日未満、50日未満、40日未満、30日未満、20日未満、10日未満、1日未満、または12時間未満で起こる。反応により、元の岩層に比べて体積が増加した炭酸塩が生成され、その結果、岩石が破砕され、破砕により音響信号が生成される。
【0061】
方法100のステップ108において、本方法は、反応中に感震センサーおよび/または高調波センサーを用いて音響活動を測定することを含む。前述したように、岩層の外側表面またはボアホール内部のセンサーは、岩の破砕中に生成される音響信号(音響活動とラベル付けされる)を測定することができる。一実施形態では、音響活動は、好ましくは0.1~10kHz、より好ましくは0.2~9kHz、0.3~8kHz、0.4~8kHz、0.5~7kHz、0.6~6kHz、0.7~5kHz、0.8~4kHz、0.9~3kHz、または1~2kHzの周波数を有する音響信号を含む。
【0062】
ステップ122において、本方法は、音響活動に基づいて、反応が起こる岩層の領域部分の位置を特定することをさらに含む。岩層中の音響信号の起点の位置は、複数のセンサーまたは感震アレイで音響信号を検出することによって決定することができ、そのデータはまた、基点の位置、ならびに破砕の方向および長さなどの他の情報の計算を可能にする。生成された信号の位置に基づいて、岩石のどこで反応が起こっているかを特定することができる。この情報により、岩石の中で他の部分よりも反応性が高い領域、および/またはより多くのCO2を貯蔵する能力を有する領域を知ることができる。一実施形態では、CO2の注入は、より反応性の高い領域にシフトすることができる。この情報はまた、ある場所がいつCO2と反応することができなくなり、それによってCO2がその領域にもはや注入されるべきでなくなるかを知る手がかりを提供することができる。
【0063】
一実施形態では、方法100はステップ110において、音響活動に基づいて鉱物化の速度を計算することを含む。センサーからの信号は、増幅され、フィルタリングされ、捕捉(記録および記憶)され、デジタル化され、処理のためにコンピュータまたは同様の装置に転送される。一実施形態では、信号は、処理のためにハードワイヤードシステムを通してコンピュータに転送される。一実施形態では、信号は、処理のためにネットワークを通してコンピュータに転送される。限定されないが、地層に注入されたCO2の量、経過時間、および音響活動などの変数に基づいて、鉱物化の速度を計算することができる。一実施形態では、分散型音響センシングのための光ファイバーケーブルで測定された音響活動に基づいて、速度がリアルタイムで計算される。
【0064】
好ましくは、受信した音響信号を、別途測定された標準線または傾向線と相関させることによって、岩層で生じる鉱物化の速度および/または量が決定される。例えば、岩層の岩石サンプルを実験室条件下で試験して、岩石サンプルがCO2に富む混合流体と接触する際の音響信号の放出を検出、測定および監視する。信号周波数、信号強度、信号位置および信号速度を含む、鉱物化の速度および/または量を計算するための基礎として、音響信号のいくつかの態様を監視および記録することができる。さらに、例えば、分光学的または分析的に測定された、CO2に富む流体混合物が岩石サンプルと接触している間のCO2の濃度の変化などの条件も、CO2鉱物化と音響信号活動とを相関させるための基礎として使用することができる。これらのデータは、岩層で生じる鉱物化の量および/または速度を決定するための基礎として、単独で、または組み合わせて使用することができる。鉱物化の速度および/または量を計算するための標準、傾向線または予測ツールを確立するための別の技術では、岩層を通してCO2に富む流体混合物の移動の生成物を表す第2のボアホールから採取されたCO2枯渇流体混合物が、時間の関数としてCO2濃度について分光学的および/または分析的に試験される。これらのデータは、第1のボアホールで注入されたCO2に富む注入流体と、第2のボアホールで回収された「使用済み」(CO2枯渇流体混合物)流体との間のCO2の量の差を決定するために使用される。差分CO2濃度、岩層を通るCO2に富む流体混合物の移動時間、および測定された音響信号(例えば、強度、周波数、速度または位置)を、リアルタイムで生じるCO2鉱物化の量を計算するのに有用な傾向線を確立するための基礎として使用することができる。更なる実施形態では、音響信号の周波数および/または強度は、反応中に生じる岩層の体積変化を決定するための基礎として使用することができる。鉱物学的な変化および岩層の体積の変化は、CO2が岩層中で鉱物化する際に生じる密度の変化と相関している。これも同様に、CO2鉱物化をリアルタイムで測定するための基礎を提供する。
【0065】
一実施形態では、方法100はステップ112において、計算された鉱物化の速度に基づいて、岩層への二酸化炭素注入速度を調整することを含む。例えば、鉱物化の速度が高ければ、より多くのCO2を岩層に貯留することができ、鉱物化の速度が低いか、鉱物化が起こっていなければ、CO2の注入を別の位置に移す必要があり得る。
【0066】
ステップ114において、方法100はさらに任意選択で、反応後に岩層を出る流体組成物のpH、アルカリ度、および/または溶存無機炭素含有量を測定することを含む。CO2注入およびその後の鉱物化のために、溶存二酸化炭素濃度、pHおよびアルカリ度が変化する。鉱物化によりCO2がシステムから除去されると、CO2が水中で炭酸を形成するので、流体のpHが増加する。次いで、pH、アルカリ度、および溶存無機炭素のデータは、高調波センサー、感震センサーおよび/または音響センサーから提供される音響活動データの制約または指標を提供して、鉱物化されたCO2の総質量を計算することができる。pH、アルカリ度、および/または溶存無機炭素センサーは、組み合わせセンサー、差動センサー、実験室センサー、プロセスセンサーを含むがこれらに限定されない、水溶液用の任意の適切なセンサーである。これらの特性のうちの1つ、2つ、または3つすべてを同時に測定することができる。
【0067】
ステップ116において、方法100は、タイムラプス表面重力を測定して、固定重力観測パッドとの反応中および/または反応後の岩層の密度の変化を監視することをさらに含む。岩層内部で二酸化炭素が鉱物化されると、岩石密度が0.2から0.6g/cm3に変化し、その結果、0.1から0.5mGalの重力異常が生じ、これはタイムラプス重力調査によって検出される。重力の変化は、CO2が反応して、岩層中に鉱物化された二酸化炭素を形成したことを示している。次いで、アルゴリズムにより、重力の変化を表面下の細孔空間に析出した炭酸塩の質量に変換することができる。これは、pHデータおよび音響活動データとともに、岩層に鉱物化/貯留されたCO2の量に関する情報を提供することができる。
【0068】
ステップ118において、方法100は、鉱物化の速度、岩層への二酸化炭素注入の速度、pH、溶存無機炭素含有量、アルカリ度、および/または岩層の密度に基づいて、鉱物化の量を定量化することをさらに含む。これらの特性の任意の組み合わせを使用して、鉱物化の量を定量化することができる。一実施形態では、上記のすべての特性を使用して鉱物化の量を定量化する。いくつかの実施形態では、上記の特性のうちの2つ、3つ、4つ、5つ、または6つを使用して、鉱物化の量を定量化する。鉱物化反応の音響活動に関する高調波センサーおよび/または感震センサーからのデータは、岩層中で鉱物化/貯留されたCO2の全体量を計算するための主要なデータセットを提供するが、岩層への二酸化炭素注入速度、pH、アルカリ度、溶存無機炭素含有量、および岩層の密度は、データセットに制約を与える。
【0069】
一態様では、鉱物化の速度を測定するシステムは、二酸化炭素源と、高調波センサーおよび感震センサーのうちの少なくとも1つと、少なくとも1つのプロセッサとを備える。二酸化炭素源は、発電所またはCO2パイプラインを含むがこれらに限定されない、任意の既知の二酸化炭素排出源からのものであり得る。CO2を岩層に注入した後、高調波センサーおよび感震センサーのうちの少なくとも1つが、岩層中のCO2の鉱物化によって生成される音響信号を測定する。プロセッサは、少なくとも1つのセンサーと通信し、鉱物化の速度を計算するための命令を有する回路を含む。一実施形態では、信号は、ハードワイヤードシステムを通してプロセッサに伝達される。一実施形態では、信号は、ネットワークを通してプロセッサに伝達される。一実施形態では、信号は、プロセッサに伝達され、鉱物化の速度がリアルタイムで計算される。一実施形態では、センサーは、センサー測定値を検出し、測定値を分析し、操作を最適化し、最終処理のために多数のデータストリームを相関させるための可能なフィードバック制御ループを提供するために、貯留操作全体の制御システムに取り付けられている。
【0070】
本開示の別の態様は、地層との化学反応または吸収などの熱力学的プロセスのいずれかによって、地層中のCO2の鉱物化などによって炭素(例えば、CO2)が貯留されるプロセスに関連するデジタル化またはリアルタイムのマネタイズに関する。温室効果ガス(GHG)の排出を削減するため、国および国際機関は、GHGの排出者に炭素クレジットを課している。炭素クレジットは、1トンの二酸化炭素または1トンの二酸化炭素に相当するGHGを排出する権利を表す許可証である。炭素クレジットを取引する市場はすでに存在し、取引コミュニティが形成されつつある。まだ初期段階ではあるが、炭素クレジット市場は、例えば、炭素貯留能力の取引プラットフォームにおいて、買い手と売り手とが炭素クレジットを価値と交換することで具体化される、経済的なクリアランスメカニズムを提供するという目的を果たす。
【0071】
各国政府は、炭素貯留を奨励するために税制の枠組みを設けている。例えば、米国内国歳入法第45Q条は、貯留された炭素に対する税額控除を、適格な二酸化炭素のメートルトン単位で規定している。この税額控除は、企業が納税義務を相殺することによって炭素貯留活動に投資するインセンティブを与えるものである。これは、炭素貯留能力を見つけて、生産に結びつける産業の確立を支援するものである。苦鉄質岩および超苦鉄質岩への注入による二酸化炭素の鉱物化は、そのような炭素貯留能力の供給源の1つである。
【0072】
炭素貯留に経済的インセンティブを与えようとする以前の試みが直面した大きな困難の1つは、貯留された二酸化炭素の量を測定、定量化、検証、監査することに関連する難しさから生じた。同様に、貯留の「質」、例えば、炭素捕捉の予想される期間(寿命)についても、確実に特徴付けられなかった。土壌もしくは生きた有機物に二酸化炭素が取り込まれる、森林の成長または他の光合成ベースのプロセスなどの炭素貯留のための生物学的プロセスは、現場で検証されなければならない推定値に大きく依存している。土壌または生物学的物質における炭素貯留の測定は、資源集約的であり、費用がかかり、複雑である。生物学的に貯留された炭素の正確な測定は、莫大な費用がかかり、リアルタイムでは測定することができない。炭素貯留プロセスを客観的に説明する上でのこのような弱点は、炭素クレジット経済の更なる導入および普及にとって大きな障害となる。
【0073】
本明細書に記載されるプロセスおよびシステムは、従来の炭素貯留会計の欠点に対する解決策を提供する。本開示の一態様では、炭素貯留率がリアルタイムで決定され、例えば、即座に市場化され、および/またはインベントリー/資産としてカウントすることができる。客観的かつ正確なリアルタイムのデータは、鉱物化された二酸化炭素の形態で実際に貯留された炭素の量に対応する経済的定量化、ひいては鉱物化された二酸化炭素のリアルタイム(即時)のマネタイズ、例えば、取引所プラットフォームで活発に取引できる炭素クレジットを可能にする。
【0074】
さらに、生物学的な炭素貯留プロセスとは対照的に、二酸化炭素の鉱物化は地質学的な時間スケールでは本質的に永続的である。生物系に取り込まれた炭素は、貯留(捕捉)された状態での寿命が比較的限られており、火災、森林伐採、浸食および干ばつなどの気候変動または環境変化を通じて容易に大気中に流出してしまう。したがって、二酸化炭素の鉱物化は相対的に価値が高く、そのためより容易に市場に出回り、および/または炭素クレジット市場もしくは炭素貯留市場でプレミアつきで市場に出回る。
【0075】
本明細書で記載されるプロセスは、炭素クレジットを直ちに検証し、認証する手段を提供する。したがって、得られた炭素クレジットは、ISO14064に準拠し得る。即座の検証、実証および/または認定は、税務および会計目的のための正確な監査も可能にする。従来のカーボン・クレジットの実証または検証とは異なり、本明細書で記載されるプロセスは、過去の情報または推定に依存する必要はない。このプロセスでは、生物学的に貯留された二酸化炭素の検証または実証に必要な集中的な現地調査が不要になる。一実施形態では、方法100はステップ120において、鉱物化量に基づいて炭素クレジット相当量を計算することを含む。
【国際調査報告】