成果報告書詳細
管理番号20170000000037
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム CO2レーザ照射による超臨界水雰囲気高温岩体の掘削システム開発
公開日2017/1/31
報告書年度2015 - 2016
委託先名日本海洋掘削株式会社 株式会社超臨界技術研究所 株式会社テルナイト 国立大学法人東北大学 国立大学法人大阪大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約水の吸収率が異なる2波長(1.07μm、1.94μm)のレーザを使用して、大気圧下と超臨界水中で花崗岩加工性能を検証した。地熱掘削流体は、超臨界状態における泥水に関する情報(データ)はない。超臨界水雰囲気という苛酷な環境下では、掘削用泥水の劣化及び、金属腐食の進行程度を検証する実験を行なった。
波長1.07μmの水への吸収率0.61 cm-1、波長1.94μmの水への吸収率60 cm-1であり、後者が前者の98.3倍となっている。波長1.07μmについては、SiO2含有岩石(花崗岩)加工性能は、水への吸収率が低い為、大気圧水中条件下では、レーザ誘起気泡の生成がなく、超臨界水条件下では、レーザ誘起チャンネルの生成がない。 大気圧水中条件下、超臨界条件下とも溶融物を除去する機械力は発生しない。その為、岩石溶融部がそのまま残置固化し穿孔を生成する事ができない。固化状態の違いについては、常温常圧水中では、照射中心部から比較的狭い範囲に溶融物が集まっているのに対し、超臨界条件下では溶融物は比較的広い範囲に広がっている。常温常圧水では、岩石に吸収されたレーザエネルギーが水の蒸発潜熱と加熱に費消される。これに対して、超臨界水中では、岩石に吸収されたレーザエネルギーが超臨界水(400℃)の加熱にのみ費消される。この為、超臨界水中の溶融岩石は、固化までの熱量保持時間が長くなる為、溶融状態を保って広がり固化する。
波長1.94μmは、その水への吸収率により、超臨界水中へのレーザ照射でレーザ誘起チャンネルが生成される。レーザ誘起チャンネルが岩石に到達するとレーザ誘起チャンネルを経由してレーザエネルギーの約93%の熱量が岩石に入る。この為、入熱量の増加に伴い岩石溶融部が膨張し、溶融物は、その形状を保持できなくなる時点で噴出しただちに収縮する。レーザ照射エネルギーを供給し続けるとこのプロセスを繰り返して、溶融物が超臨界水中に飛散し空洞が生成されると推定される。
波長1.94μmはSiO2を透過する。この為、波長1.94μmはSiO2下部に存する成分を溶融させる事が可能な場合でも、溶融物が超臨界水と接触していないと、その溶融物を飛散させる事ができない。このため空洞生成が出来ず加工が停止する。 この点CO2レーザは、水への吸収率(波長1.94μmの14倍)、 SiO2への吸収(約90%)、アモルファスへの吸収(約90%)がある為、連続的に花崗岩加工が可能と推定された。
超臨界水雰囲気前後の泥水性状確認試験では、調泥剤類のガス化に至る完全分解を確認し、泥水性状は、ほぼ喪失する事を検証した。可視化試験では、超臨界水雰囲気に至るまでの状態、つまり気‐液相界面の消失、その後の冷却過程で、泥水が分離し、固ー液相に至る迄の状態変化を画像データとして取得した。泥水の超臨界水条件下処理後、使用圧力容器内部、配管、バルブ等に変色が見られ、併せて、シール面等に繰り返し使用による変形が起こっており、内筒にクラックはないものの変色および固形物の固着があった。
波長1.94μm レーザ照射実験から、花崗岩供試体への入熱効率は大気圧下沸騰水では3.1%、超臨界雰囲気(30MPa,400℃)では93.3%と算定され、超臨界雰囲気での入熱効率が格段に大きい。花崗岩加工が可能であるCO2レーザでも、超臨界水中では大気圧下水中に比べて花崗岩中への入熱効率が格段に大きいと想定され、その分CO2レーザの所要動力は可成り小さくて済むと見積られ、CO2レーザ発振器の小型化・実用化の可能性がある。掘削流体の視点からは、現状の地熱用掘削流体では、超臨界水雰囲気中に晒された場合、泥水性状を維持が困難な為、新たな工法が必要であるとの結論を得た。
英文要約Title: Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies / Development of a laser drilling system employing CO2 laser for deep hot dry rock in supercritical water (FY2015-FY2016) Final Report

Abstract
Hot dry rock reservoir is said to have a great potential for producing geothermal energy. Targeted hot dry rock reservoir is normally covered with rocks containing SiO2, and appears to be immersed in supercritical water. Irradiation of CO2 laser drills water-submerged stone containing SiO2, which is converted into particles in water at the atmospheric pressure. In contrast, in supercritical water, a mechanism of conversion by such irradiation of CO2 laser has not been revealed.

Experiments were conducted to clarify the behaviours of molten material by irradiating lasers both in water at atmospheric pressure and in supercritical water. A 1.07 μm laser and a 1.94 μm laser are different in their water absorption rates; the former is 0.61 cm-1 and the latter is 60 cm-1.
When SiO2 containing rock-specimens were irradiated with the 1.07μm laser both in water at atmospheric pressure and in supercritical water, no induced bubbles were found in a passage of the laser beam in the water, generating no holes in the rock specimen. In water at atmospheric pressure, molten material was quenched and solidified in a small area around the center of a laser-irradiated area, whereas molten material was spread, because of its relative slow quenching, and it solidified in a larger area in the supercritical water.

In water at atmospheric pressure, the laser energy absorbed in the rock dissipates for heating the water that requires latent heat to evaporate, whereas the laser energy absorbed in the rock, in the supercritical water, dissipates for heating the supercritical water (400 centigrade) that requires no latent heat of evaporation. As such, molten material, in the supercritical water, holds heat for a longer time than in water at atmospheric pressure, resulting in spreading in a larger area to solidify.

In supercritical water, a low-density channel is induced by irradiating with a 1.94 μm laser. When the induced channel reaches the rock, the rock absorbs about 93% of the laser energy irradiated through the channel, and enables it to form a lump of molten material of the rock in the laser-irradiated area. As the abosorbed energy increases, the lump of molten material swells larger. Thus an increase of the laser absorbed energy in supercritical water swells molten pool sufficient to reach a threshold of holding its molten pool`s shape, leading to a dispersion of the molten pool into particles. This dispersion is immediately followed by contraction of the molten materials. As such, a hole in the specimen appears to be generated in supercritical water by continuous irradiation of the specimen with 1.94 μm laser.
A 1.94 μm laser transmits SiO2. When a SiO2-covered rock is irradiated with the 1.94 μm laser in supercritical water, the rock is fused, but SiO2 remains intact. Since SiO2 hinders molten rock in contact with supercritical water, the molten rock cannot continue its explosive dispersion into the supercritical water. This is the reason to stop the process of hole-formation in the rock. In contrast, irradiation of CO2 laser (10.6μm) in supercritical water appears to generate a hole in the rock containing SiO2; Since CO2 laser (10.6μm) has a water absorption rate of 860 cm-1, and both of solid and amorphous SiO2 absorb about 90% of 10.6μm laser energy, and melt to disperse.

The mud chemicals have been confirmed to decompose completely with gas generation in near supercritical water condition, and verified that the treated mud chemicals had almost lost the mud properties by our confirmatory test.
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