計算化学とナノスケール実験による超臨界CO2-鉱物―油・水システムの挙動解明

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本研究は、ナノスケールでの実験と計算化学的手法を利用し、両者から得られる知見を統合することで、超臨界CO2-岩石鉱物-油・水システムの熱力学的・運動学的・動力学的挙動を明らかにし、複数の要素が構成する界面現象の物理化学モデルを構築し、石油生産技術に利用することを目的とする。石油生産プロセスや石油増進回収法(Enhanced Oil Recovery, EOR)プロセスにおいて、原油、地層水、ガス、CO2等の流体挙動は、鉱物を含む系での分子レベルでの物理化学的相互作用で規定されている。そのため、各プロセスにおける定量評価や高効率化には、ナノスケールから岩石孔隙スケール(数μm以下)での挙動解明が重要となる。本研究の対象は、CO2圧入による回収率増進技術であるCO2-EORや、CO2地中貯留技術(CCS)を含む。本年度は、油-水-気体三相界面平衡系を対象として、分子動力学(MD)法を用いた解析手法の確立・適用を行い、さらに実験結果との比較・検討し、詳細な界面構造・物性の評価を行った。まず、簡易モデルによる三相界面システムのMD計算手法の確立を図った。次に、油の複雑性に起因する影響を評価するため、炭化水素混合モデルによる三相界面システムの計算を行った。その結果、昨年度までの成果から予想される通り、炭化水素混合系においては軽アルカンが油表面に弱く集積し、芳香族炭化水素が油-水界面に強く集積する現象が得られた。また、炭化水素混合系の三相界面システム特有である三相接触線における集積現象を観察した。これは貯留層内の油や地層水の流動に大きく影響を与えていると考えられる。さらに、実験による水面上の油の拡張現象の評価を行い、前述の計算結果と整合的である結果が得られた。以上の成果は、国内外の学会や、論文として発表されている。