JP5769676B2 - 物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム、これを用いた二酸化炭素地中貯留の監視方法、二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法、および結氷監視方法 - Google Patents
物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム、これを用いた二酸化炭素地中貯留の監視方法、二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法、および結氷監視方法 Download PDFInfo
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Description
波からレイリー周波数シフトの光ファイバ内の分布を計測するレイリー周波数シフト計測部と、物質の圧力、温度およびひずみと、ブリルアン周波数シフト、およびレイリー周波数シフトを関係付けるための、敷設された光ファイバ特有の係数を記憶する係数記憶部と、ブリルアン周波数シフト計測部において計測されたブリルアン周波数シフトの分布と、レイリー周波数シフト計測部において計測されたレイリー周波数シフトの分布と、係数記憶部に記憶された係数とを用いて、計測した時点における物質の圧力、温度、およびひずみの、光ファイバに沿った分布を解析する解析部を備えたものである。
図1は、本発明の実施の形態1による物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを利用した、二酸化炭素地中貯留の監視システムの概要を示す断面図、図2は図1のF部分の拡大図、図3は、図1のセンサケーブルの拡大断面図である。地中に二酸化炭素の貯留層となる砂岩層100が存在し、その上にシール層として機能するキャップロック層150が存在するものとする。地上に設営された貯留サイト40から地下の砂岩層100に向けて、圧入井3aが設置される。圧入井3aには、内部に二酸化炭素の注入チューブ32が挿入された円筒状のケーシング31aが設置される。ケーシング31aは、周囲にセメンチング34が施されて地中地層に固定化される。圧入井3aの周辺には、地中の状態を観測する観測井3bが設置されることが多い。この観測井3bには、通常、圧入井3aに設置されるのと同様な円筒状のケーシング31bが設置され、ケーシング31b内に水を満たして各種観測センサが挿入される。
リルアン周波数が変化することが確かめられている。ここでは、ブリルアン周波数の変化を、ブリルアン周波数シフトと呼ぶことにする。
ここで、Cijは光ファイバ固有の係数であり、使用する光ファイバについて、予備試験などによりこれらの係数の値を求めておくことにより、下記のように圧力変化量ΔP、温度変化量ΔT、ひずみ変化量Δεの分布を求めることができる。このレイリー周波数シフトΔνRに圧力の項を導入することで、より精度が高い圧力、温度、ひずみ分布測定が可能となったのである。
ここで、上付きの数字は、光ファイバの種類を示している。圧力および温度は光ファイバが存在する部分の場の圧力および温度であるため、2種類の光ファイバで同一の値を持つ。一方、ひずみの値は光ファイバが周囲の物質に固定されているか否かに依存する。DPTSSではファイバ周囲の物質のひずみを計測する必要があるので、少なくとも一つの光
ファイバは周囲の物質に固定されていなければならない。
実施の形態2では、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより地層など広範囲の物質特性を監視、計測することができることを、室内実験により実証した例を示す。図8は、室内実験の構成の概要を示す図である。多胡砂岩110という、空隙率(浸透率)に偏りがある円柱状のサンプルに光ファイバ200を螺旋状に巻き、DPTSS1により、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトを測定する構成としている。多胡砂岩110は、図8の上部(fine layer)の空隙率が小さい、すなわち図1のキャップロック層150を模擬する部分と、下部(coarse layer)の空隙率が大きい砂岩層100を模擬した部分から成る。
実施の形態3は、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより可能となる応用例を示す。
<応用例1>
実施の形態1および2では、二酸化炭素の地中貯留における注入時の監視について説明した。本システムにより、注入終了後もひずみなどを監視することで、注入終了後の異常を監視することができる。例えば、キャップロック層に亀裂が生じたなどの理由により二酸化炭素が二酸化炭素貯留部101からキャップロック層150を介して漏れ出すことが考えられる。
地中の二酸化炭素は相が変化し、液体や気体、あるいは超臨界の状態になる。地中の温度変化を監視することでこれら相状態の変化をモニタすることができる。この相状態をモニタする工程のフロー図を図12に、温度の状態の概念図を図13に示す。深さ方向の温度分布を経時的に監視しておく(ST20)。温度上昇があれば(ST21 YES)、温度上昇が生じている部分の二酸化炭素は超臨界の状態から液体に変化している可能性がある(ST22)(図13の温度上昇ゾーン)。逆に温度低下が生じていれば(ST23 YES)、温度低下している部分の二酸化炭素は液体から気体に変化している可能性がある(ST24)(図13の温度低下ゾーン)。このように、深さ方向の温度分布の経時的な変化を監視することで、地中の二酸化炭素の状態の変化をモニタすることができる。
地中のひずみ分布から、地層の変状を評価することができる。地層の変状に基づいて地表の形状変化の評価、すなわち二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価を行う工程のフロー図を図14に、ひずみ測定値と、このひずみ測定値から算出した変位量の分布の概念図を図15に示す。ある時点におけるひずみ分布の測定値を取得する(ST30)。このひずみの値を深さ方向に積分することで変位量の分布が得られる(ST31)。変位量の分布から地表の変形量が得られる(ST32)。得られた地表変形量と実際の地表変形量などを比較・解析する(ST33)ことで、地表の形状変化の原因などを評価することができる。
これまでの実施の形態は、二酸化炭素地中貯留など地中の地層の状態監視に関する実施の形態であった。本実施の形態4は、地層の状態監視以外の実施の形態として、河川などの結氷を監視するシステムについての実施の形態である。図16に、河川に架かる橋梁の結氷を監視するシステムの模式図を示す。橋桁および橋脚に沿ってセンサケーブル2を設置する。センサケーブル2は例えば断面構造が図3と同様のものを用いる。センサケーブル2は特に結氷を監視したい位置、例えば橋脚の部分が水面以下となるように設置しておく。
3a:圧入井 3b:観測井
11:散乱波取得部 12:ブリルアン周波数シフト計測部
13:レイリー周波数シフト計測部 14:係数記憶部
15:解析部 16:分布データ記憶部
17:評価演算部 21:第1光ファイバ
22:第2光ファイバ 23:保護カバー
24:金属細管 25:金属線
31:ケーシング 32:注入チューブ
34:セメンチング 40:貯留サイト
100:砂岩層 101:二酸化炭素貯留部
110:多胡砂岩サンプル 111:サンプル上部(fine layer)
112:サンプル下部(coarse layer) 150:キャップロック層
200:光ファイバ
Claims (11)
- 物質中または物質に沿って当該物質と共に変形するように敷設された光ファイバに入射されたパルスレーザ光が前記光ファイバ内で散乱された散乱波を取得する散乱波取得部と、
この散乱波取得部において取得した散乱波からブリルアン周波数シフトの、前記光ファイバ内の分布を計測するブリルアン周波数シフト計測部と、
前記散乱波取得部において取得した散乱波からレイリー周波数シフトの、前記光ファイバ内の分布を計測するレイリー周波数シフト計測部と、
前記物質の圧力、温度、およびひずみと、前記ブリルアン周波数シフト、および前記レイリー周波数シフトを関係付けるための、前記敷設された光ファイバ特有の係数を記憶する係数記憶部と、
前記ブリルアン周波数シフト計測部において計測されたブリルアン周波数シフトの分布と、前記レイリー周波数シフト計測部において計測されたレイリー周波数シフトの分布と、前記係数記憶部に記憶された係数とを用いて、前記計測した時点における前記物質の圧力、温度、およびひずみの、前記光ファイバに沿った分布を解析により求める解析部を備えたことを特徴とする物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。 - 前記敷設された光ファイバの長さは100m以上であることを特徴とする請求項1に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 前記光ファイバは、圧力の影響を受けるように保持された第1光ファイバと、圧力の影響から遮断されるように保持された第2光ファイバとにより構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 前記解析部は、
前記係数記憶部に記憶された、前記第1光ファイバと圧力、前記第1光ファイバと温度、前記第1光ファイバとひずみ、前記第2光ファイバと温度、前記第2光ファイバとひずみ、のそれぞれとブリルアン周波数シフトを関係づけるための係数である、C1 13、C1 12、C1 11、C2 12、C2 11と、
前記第1光ファイバと圧力、前記第1光ファイバと温度、前記第1光ファイバとひずみ、前記第2光ファイバと温度、前記第2光ファイバとひずみ、のそれぞれとレイリー周波数シフトを関係づけるための係数である、C1 23、C1 22、C1 21、C2 22、C2 21と、
前記第1光ファイバにおいて計測された、初期計測時からのブリルアン周波数シフトΔν1 Bおよびレイリー周波数シフトΔν1 Rと、
前記第2光ファイバにおいて計測された、ブリルアン周波数シフトΔν2 Bおよびレイリー周波数シフトΔν2 Rと、による連立方程式
Δν1 B=C1 13ΔP+C1 12ΔT+C1 11Δε1
Δν1 R=C1 23ΔP+C1 22ΔT+C1 21Δε1
Δν2 B= C2 12ΔT+C2 11Δε2
Δν2 R= C2 22ΔT+C2 21Δε2
により、前記初期計測時からの圧力変化量ΔP、温度変化量ΔT、第1光ファイバのひずみ変化量Δε1、および第2光ファイバのひずみ変化量Δε2を求めることを特徴とする請求項3に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。 - 前記光ファイバは二酸化炭素地中貯留のための圧入井、または観測井に沿って、地表から二酸化炭素貯留部となる砂岩層まで敷設されたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 請求項5に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみ分布の経時変化を観測することにより、前記砂岩層に注入される二酸化炭素の状態を監視することを特徴とする二酸化炭素貯留の監視方法。
- 請求項5に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみ分布の経時変化を観測することにより、前記砂岩層に貯留された二酸化炭素の漏えいを監視することを特徴とする二酸化炭素地中貯留の監視方法。
- 請求項5に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくとも温度分布の経時変化を観測することにより、地中の二酸化炭素の相変化を監視することを特徴とする二酸化炭素地中貯留の監視方法。
- 請求項5に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、測定されたひずみ分布から、当該ひずみを深さ方向に積分することで地中および地表の変位量を求め、この求めた変位量から地表の形状変化を評価することを特徴とする二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法。
- 前記光ファイバは少なくとも水中に設置された橋脚に沿って敷設されたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 請求項10に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみと温度の経時変化を観測することにより、前記橋脚周辺の水の結氷を監視することを特徴とする結氷監視方法。
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