储存物质的储存装置及储存物质的储存方法

专利名称：储存物质的储存装置及储存物质的储存方法
技术领域：
本发明涉及用于将储存物质注入地下的盐水含水层并将储存物质储存于盐水含 水层的储存物质的储存装置及储存物质的储存方法，所述储存物质含有二氧化碳、在水中 的溶解度大于二氧化碳的物质以及甲烷中的至少一种。
背景技术：
现在，减少作为温室效应气体的二氧化碳向大气中的排放量成为当务之急。为了 减少二氧化碳的排放量，除了抑制二氧化碳自身的产生量的方法之外，还研究将二氧化碳 储存于地下的方法。作为一年将100万吨规模的大量二氧化碳储存于地下的方法，有向地层内注入二 氧化碳的方法。图13是表示二氧化碳储存装置80的图。作为管体的注入井87延伸至储 存二氧化碳的储存层91。储藏于二氧化碳罐81中的二氧化碳被加压输送装置83经注入井 87注入到储存层91。在该情况下，希望将二氧化碳注入到储存层91中后，二氧化碳不会向地上渗出。 因此，如图13所示，需要在储存层91的上方存在具有背斜构造(向上方凸出的形状)的密 封层89。密封层89是例如粘土土质等二氧化碳难以通过的地层。利用密封层89使注入到地下的二氧化碳不会渗出到地上。但是，具有这样向上凸 出的形状的密封层89的地层，只能存在于有限的场所，其可适用的场所受限。因此，作为在单斜构造而不是背斜构造的场所也能适用密封层89的方法，研究了 如下方法，即，使二氧化碳溶解于存在于地下盐水含水层的地层水中，从而高效率地将二氧 化碳储存于地下水中。例如，有如下方法将二氧化碳微泡化，使其分散于水或海水中，并使分散有微泡 的水溶解于海中，从而将二氧化碳形成水合物微粒而投放于海底(专利文献1)。此外，还有汲取含水层的地层水，并将二氧化碳微泡化而形成气液混合流体，进而 注入含水层的方法(专利文献2、专利文献3)。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2004-50167号公报专利文献2 日本特开2008-6367号公报专利文献3 日本特开2008-19644号公报

发明内容
但是，如专利文献1记载的那样，在微泡化后形成水合物粒子而储存于海洋的方 法中存在如下问题，通常为了将稍微高于10°c的二氧化碳形成水合物而需要超过IOMI^a这 样的高压力，因此认为该方法的利用限于10°C以下的环境，在更高温的环境下难以高效率 地储存二氧化碳。
在以往的采用回旋流的发生装置等的方法中，装置复杂，而为了在地下环境下产 生微泡，要求更简单的构造。此外，专利文献2、专利文献3记载的方法存在如下问题，一旦汲取到位于含水层 的地层水后使其成为气液混合状态而再次注入含水层，除了注入井之外，还需要用于汲取 地层水的抽水井、用于抽水的泵，整个系统规模较大，用于储存的动力也增大。而且还存在 以下问题，由于需要使针对含水层的注入压力与抽水井的吸出压力平衡，并且需要使抽水 量与注入量一致，因此无法有效地储存二氧化碳。本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种能够将二氧化碳和油田等 产生的火炬气成分即硫化氢、甲烷等储存物质直接注入地下的盐水含水层，使二氧化碳等 高效率地储存于盐水含水层的储存物质的储存装置以及储存物质的储存方法。为了达到上述目的，第一技术方案是一种储存物质的储存装置，其将储存物质储 存于地下，其特征在于，该储存装置包括注入井，其到达盐水含水层；加压输送装置，其向 上述注入井加压输送储存物质，该储存物质包括二氧化碳、在水中的溶解度大于二氧化碳 的物质及甲烷中的至少一种；多孔部件，其设于上述注入井的前端附近，所述储存装置能够 将加压输送至上述注入井内的储存物质经上述多孔部件注入到上述盐水含水层，从上述多 孔部件向上述盐水含水层注入的储存物质是超临界状态。尤其优选在从上述多孔部件向上述盐水含水层注入储存物质时，储存物质产生微 泡。上述多孔部件可以是将陶瓷制粒子和用于结合上述粒子的结合剂混合烧结而成 的部件，孔径分布的最频值是40 μ m以下，孔径分布的半峰全宽可以是10 μ m以下，上述多 孔部件可以是不锈钢制烧结过滤器。还可以具有到达气田、油田或油砂中任一者的生产井， 并且能够从上述生产井采集气体、石油或重油。此时，可以将自上述生产井分离的水与向上 述注入井加压输送的储存物质混合，并将上述储存物质和上述水的混合物注入到上述盐水 含水层。根据第一技术方案，在注入二氧化碳等储存物质的注入井的前端设置多孔部件， 因此能够使通过多孔部件的储存物质高效率地溶解于盐水含水层。在此，多孔部件是具有多个里外连通的孔的部件，例如通过烧结或其他方法使线 状或粒状等的物质结合而成的部件，或者是具有通过发泡等方法连通的空间的发泡部件寸。通过将所注入的储存物质微泡化，来促进储存物质向盐水含水层溶解。尤其是若 储存物质是临界状态，则能够高效率地使储存物质微泡化。此外，若多孔部件是不锈钢制烧 结过滤器，则能够使通过多孔部件的储存物质高效率地溶解于盐水含水层，或者作为多孔 部件，若使用将陶瓷制粒子和用于结合上述粒子的结合剂混合烧结而成的部件、且孔径分 布的最频值是40 μ m以下、孔径分布的半峰全宽是10 μ m以下，则能够更高效率地使储存物 质溶解于盐水含水层。这样的多孔部件可通过将例如粒子50%累积粒径是40 μ m以下且粒 子的50%累积粒径的误差是2. 5 μ m以下的陶瓷制粒子和结合材料混合烧制而得到。作为 这样的多孔部件，例如可使用由精密研磨用微粉末构成的砂轮。需要说明的是，孔径分布的 半峰全宽是指，在作为对象物质的孔径分布的以微分细孔容积分布为纵轴、孔径(孔径的 对数)为横轴时所定义的孔径分布曲线上，与微分细孔容积分布的最大值相对应的半峰值处的孔径分布宽度。需要说明的是，微泡是指小于Imm的气泡(包括超临界状态)或液滴。若使用气田等的生产井采集石油等，并将与石油等同时采集的水与储存物质混 合，然后向盐水含水层注入，则可将储存物质储存于地中，同时能够增加石油等的回收。第二技术方案是一种储存物质的储存方法，其特征在于在达到盐水含水层的注 入井的前端附近设置多孔部件，经上述多孔部件向上述盐水含水层注入超临界状态的储存 物质。优选利用上述多孔部件使注入到上述盐水含水层内的储存物质产生微泡。根据第二技术方案，在注入二氧化碳等储存物质的注入井的前端设置多孔部件， 因此能够高效率地使通过多孔部件的储存物质溶解于盐水含水层。另外，若将储存物质微 泡化，能够促进储存物质向盐水含水层溶解。尤其是若储存物质是临界状态，则能够高效率 地使储存物质微泡化。因此能够使储存物质高效率地溶解于盐水含水层。根据本发明，能够提供一种可将储存物质直接注入地下的盐水含水层，并使储存 物质高效率地储存于盐水含水层的储存物质的储存装置以及储存物质的储存方法。


图1是表示二氧化碳储存装置1的图。图2是过滤器13附近的放大图。图3是表示二氧化碳储存装置20的图。图4是表示二氧化碳储存装置30的图。图5是表示二氧化碳储存试验装置40的图。图6是表示孔径分布曲线的示意图。图7A是表示陶瓷结合剂砂轮过滤器表面的电子扫描显微镜照片的图。图7B是表示不锈钢过滤器表面的电子扫描显微镜照片的图。图8A是表示微泡75的产生状态的图。图8B是表示微泡75的产生状态的示意图。图9A是表示不进行微泡化而产生了气泡79的状态的图。图9B是表示不进行微泡化而产生了气泡79的状态的示意图。图IOA是表示微泡75的产生状态的图。图IOB是表示微泡75的产生状态的示意图。图IlA是表示微泡75的产生状态的图。图IlB是表示微泡75的产生状态的示意图。图12A是表示微泡75的产生状态的图。图12B是表示微泡75的产生状态的示意图。图13是表示二氧化碳储存装置80的图。
具体实施例方式
以下，详细说明本发明的实施方式。图1是表示本实施方式的二氧化碳储存装置 1的图。二氧化碳储存装置1主要由二氧化碳罐3、加压输送装置5、注入井9、过滤器13等构成。需要说明的是，在以下的实施方式中，列举二氧化碳作为储存物质，但在水中的溶解 度大于二氧化碳的乙炔、氨、二氧化硫、氯化氢、氯气、硫化氢等或甲烷也同样可以作为储存 物质。工厂等排除的二氧化碳被回收而储存于二氧化碳罐3中。另外，在与二氧化碳产 生源相邻的情况下，可以将配管等直接连接到二氧化碳罐3来进行储存。二氧化碳罐3与加压输送装置5连接。加压输送装置5由省略图示的泵、压力调 节阀、阀门、温度调节器等构成。作为管体的注入井9与加压输送装置5接合。注入井9被 设置成向地面7的下方延伸而达到盐水含水层11。盐水含水层11是与沙子、碎石等一起存 在于地下的地层。另外，在盐水含水层11的上部存在省略图示的密封层(所谓的盖层(cap lock)) ο在注入井9的前端设有多孔部件过滤器13。作为过滤器13，例如可使用将陶瓷制 粒子和用于结合上述粒子的结合剂混合后烧结而得到的部件或不锈钢制烧结过滤器。另 外，过滤器13的孔径细小时更容易产生微泡，但流体的通过阻力变大，用于增大二氧化碳 流量的加压输送装置5变得大型化。若增大过滤器13的孔径，则流体的通过阻力变小，但 微泡化的效率变差。过滤器13的孔径例如可使用20 40 μ m左右的孔径。在此，作为特别优选的过滤器13，优选多孔部件的孔径分布的最频值为40μπι以 下，并且其偏差(半峰全宽)为10 μ m以下。作为这样的多孔部件，是构成多孔部件的陶瓷 制粒子的50%累积粒径为40 μ m以下且粒子的50%累积粒径的误差为2. 5μπι以下的部 件，例如是将上述的粒子和结合剂混合并烧结而形成的陶瓷结合剂砂轮(在以下的JIS中 规定的#320以上的砂轮)。另外，粒子的累积粒度以及粒径的误差是根据日本工业标准JISR6001 :1998的 “4.粒径分布”以及 JIS R6002 1998 的“8.电阻试验方法”(IS08486-1 :1996、IS0 8486-2 1996)进行测定。过滤器13的孔径是由JISR1655 :2003规定的水银测孔计进行测定。储存于二氧化碳罐3内的二氧化碳被加压输送装置5加压输送。加压输送装置5 利用泵将二氧化碳罐3内的二氧化碳送入注入井9。此时，加压输送装置5可以利用压力调 节阀、温度调节器等在规定压力、规定温度的状态下加压输送二氧化碳。例如也可以以超临 界状态加压输送二氧化碳。另外，为了使二氧化碳为超临界状态，只要使二氧化碳的温度为 31°C以上且压力位7. 4MPa以上即可。例如成为超临界状态的二氧化碳沿箭头A方向被送入注入井9，通过设置于注入 井9端部的过滤器13而被注入盐水含水层11。图2是表示注入井9前端附近的剖视图。注入井9的下端附近的侧面设有环状的 过滤器13。另外，注入井9的下端(底面)被封闭，在其内部流动的二氧化碳从过滤器13 向盐水含水层11喷射。流过注入井9内的二氧化碳通过过滤器13向周围的盐水含水层11 喷射时，由过滤器13将二氧化碳微泡化。尤其是二氧化碳为超临界状态时，促进微泡化。作为微泡被注入到盐水含水层11内的二氧化碳在喷射时(图中箭头B)或喷射后 上浮时(图中箭头C)溶解于盐水含水层11中。通过将二氧化碳微泡化，使二氧化碳在盐 水含水层11内的滞留时间变长(因为微泡15在盐水含水层11内的上浮速度极慢)，并且 可增大每单位量的二氧化碳与盐水含水层11的接触面积，因此，能够极其高效率地促进二 氧化碳溶解于盐水含水层11。
一边在盐水含水层11内缓慢地移动一边溶解于盐水含水层11的二氧化碳，由于 与存在于盐水含水层11周围的岩石矿物质等发生化学反应而形成碳酸盐等化合物。因此， 二氧化碳不仅可储存于盐水含水层，还可形成碳酸化合物而固定于地下或海底。接着，说明本发明的二氧化碳的储存方法的另一实施方式。图3是表示二氧化碳 储存装置20的图。需要说明的是，在以下的实施方式中，对发挥与图1所示的二氧化碳储 存装置1同样功能的构成要素标注与图1相同的标号，并省略重复说明。二氧化碳储存装置20与二氧化碳储存装置1的不同点在于设有多个注入井9a、 9b。在地下形成渗透性低的泥岩层与渗透性高的砂岩层交替存在的砂泥互层的情况下，为 了使二氧化碳到达盐水含水层IlaUlb所存在的多个砂岩层的各砂岩层而分别设置注入 井9a、9b。二氧化碳储存装置20能够利用各注入井9a、9b将二氧化碳同时或个别地注入到 盐水含水层11a、lib。因此，能够高效率地将二氧化碳注入到盐水含水层11a、lib。图4是表示二氧化碳储存装置30的图。二氧化碳储存装置30与二氧化碳储存装 置1的不同点在于被设置在海面31上。为了将二氧化碳高效率地储存在存在于海底33下 方的盐水含水层11，二氧化碳储存装置30设置在海面31上。二氧化碳储存装置30能够将 二氧化碳高效率地储存于海底33下方的盐水含水层11。可以使用船舶作为向二氧化碳罐 3运送二氧化碳的机构，并从船舶直接向二氧化碳罐3补充二氧化碳。实施例对于本发明的二氧化碳的储存方法，确认了微泡的产生状况。图5是表示二氧化 碳储存试验装置40的图。二氧化碳储存试验装置40由二氧化碳罐41、压力调节阀45、55、水罐51、注射泵 43、53、压力容器63等构成。二氧化碳储存于二氧化碳罐41中。注射泵43、压力调节阀45、阀门47借助配管 49与二氧化碳罐41连接。注射泵43向压力容器63加压输送二氧化碳。需要说明的是，可 由压力调节阀45将二氧化碳调节为任意压力，还可利用省略图示的温度调节器将被加压 输送至压力容器63的二氧化碳调节为任意温度。在水罐51内填充有水。注射泵53、压力调节阀55、阀门57借助配管59与水罐51 连接。注射泵53向压力容器63加压输送水。需要说明的是，与二氧化碳的情形相同，可由 压力调节阀阳将水调节为任意压力，还可利用省略图示的温度调节器将被加压输送至压 力容器63的水调节为任意温度。配管59与配管49接合。因此，通过调节阀门47、57，能够将二氧化碳单体或二氧 化碳与水的混合物加压输送到压力容器63 (图中箭头D方向)。压力容器63与配管49的接合部设有过滤器61。过滤器61是直径50mm、厚度5mm 的圆板状过滤器。过滤器61可更换，例如可改变孔径来进行试验。在压力容器63的相互相对的侧面上设有照明窗67和拍摄窗71。照明窗67和拍 摄窗71是透明的窗户，可确认内部的情况。由设置于外部的照明69从照明窗67照射内部。 在设置于与照明窗67相对的位置的拍摄窗71的外部设置照相机73。照相机73能够拍摄 由照明69照射的压力容器63的内部情况。另外，照相机73是高速摄像机，能够了解通过 过滤器61注入到压力容器63内的二氧化碳的状态。在压力容器63内填充有规定压力的水。在压力容器63上设有排出阀65。排出阀65的功能是即使向压力容器63内注入二氧化碳等也能将压力容器63内保持恒定压力。 即，当由于所注入的二氧化碳等使得压力上升时，将内部的水等排出，以使得上升的压力变 成通常的状态。另外，压力容器63内的水相当于模拟的盐水含水层。使用二氧化碳储存试验装置40，观察以各种状态注入到压力容器63内的二氧化 碳的状态。作为注入到压力容器63的二氧化碳为液体状态、气体状态以及超临界状态。作 为过滤器61，使用孔径(规格)20 μ m及40 μ m的不锈钢烧结过滤器以及孔径(规格)观μ m 及40μπι的陶瓷结合剂砂轮。另外，用全自动细孔径分布测定装置(QUANTA Crome社制Pore Master 60-GT)测定孔径40 μ m (规格)的不锈钢烧结过滤器和孔径观μ m及40 μ m (规格) 的陶瓷结合剂砂轮。结果示于表1。表 1(μ m)
权利要求
1.一种储存物质的储存装置，其将储存物质储存于地下，其特征在于，该储存装置包括注入井，其到达盐水含水层；加压输送装置，其向所述注入井加压输送储存物质，该储存物质包括二氧化碳、在水中 的溶解度大于二氧化碳的物质及甲烷中的至少一种；多孔部件，其设置于所述注入井的前端附近，所述储存装置能够将加压输送到所述注入井内的储存物质经所述多孔部件注入到所 述盐水含水层，从所述多孔部件注入到所述盐水含水层的储存物质是超临界状态。
2.根据权利要求1所述的储存物质的储存装置，其特征在于，在从所述多孔部件向所 述盐水含水层注入储存物质时，储存物质产生微泡。
3.根据权利要求1所述的储存物质的储存装置，其特征在于，所述多孔部件是将陶瓷 制粒子和结合所述粒子的结合剂混合后烧结而成的部件，孔径分布的最频值是40 μ m以 下，孔径分布的半峰全宽是10 μ m以下。
4.根据权利要求1所述的储存物质的储存装置，其特征在于，所述多孔部件是不锈钢 制烧结过滤器。
5.根据权利要求1所述的储存物质的储存装置，其特征在于，还具有到达气田、油田或 油砂中任一者的生产井，并且能够从所述生产井采集气体、石油或重油。
6.根据权利要求5所述的储存物质的储存装置，其特征在于，能够将自所述生产井分 离的水与加压输送到所述注入井的储存物质混合，并将所述储存物质和所述水的混合物注 入到所述盐水含水层。
7.一种将储存物质储存于盐水含水层的方法，其特征在于，在达到盐水含水层的注入 井的前端附近设置多孔部件，经所述多孔部件向所述盐水含水层注入超临界状态的储存物 质。
8.根据权利要求7所述的将储存物质储存于盐水含水层的方法，其特征在于，利用所 述多孔部件使储存到所述盐水含水层内的储存物质产生微泡。
全文摘要
在注入井(9)的前端设有过滤器(13)。储存于二氧化碳罐(3)内的二氧化碳被加压输送装置(5)加压输送。加压输送装置(5)用泵将二氧化碳罐(3)内的二氧化碳送入注入井(9)。此时，在加压输送装置内利用压力调节阀、温度调节器等将二氧化碳保持为规定压力以上且为规定温度以上，成为超临界状态。成为超临界状态的二氧化碳被向箭头(A)方向送入注入井(9)，通过设于注入井(9)端部的过滤器(13)而注入到盐水含水层(11)。注入到盐水含水层(11)的二氧化碳被微泡化。
文档编号B01J19/00GK102119053SQ20098013128
公开日2011年7月6日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年8月14日
发明者松冈俊文, 薛自求, 西尾晋, 龟山宽达 申请人:东京瓦斯株式会社