CN104583730B - 物质的压力、温度、应变分布测量系统、利用该系统的二氧化碳地下储存的监视方法、二氧化碳注入对地层稳定性的影响评估方法、以及结冰监视方法 - Google Patents

物质的压力、温度、应变分布测量系统、利用该系统的二氧化碳地下储存的监视方法、二氧化碳注入对地层稳定性的影响评估方法、以及结冰监视方法 Download PDF

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Abstract

本发明利用入射到在物质中铺设的光纤的脉冲激光的散射波，测量布里渊频移及瑞利频移在光纤内的分布，利用用于将物质的压力、温度及应变与布里渊频移及瑞利频移相关联的、铺设的光纤所特有的系数，解析测量时刻的物质的压力、温度及应变沿光纤的分布。

Description

物质的压力、温度、应变分布测量系统、利用该系统的二氧化碳地下储存的监 视方法、二氧化碳注入对地层稳定性的影响评估方法、以及结冰监视方法
技术领域
本发明涉及利用光纤的布里渊频移和瑞利频移现象来同时测量物质的压力、温度、应变的分布的系统、以及利用该系统来监视、测量地层等较大范围的物质特性的方法。
背景技术
已知有利用光纤的布里渊散射现象的各种测量方法(例如专利文献1)。作为其中一种，可举出利用了通过对光纤施加应变而产生的布里渊频移的分布型压力传感器。布里渊频移依赖于对光纤施加的应变，因此，通过测量在因压力而变形的物质上固定的光纤的频移，能测量所施加的压力。
之前，本发明人提出了在光纤的布里渊频移的基础上利用瑞利频移现象，并主要测量压力和温度的分布的系统(参照专利文献2)。该系统中，目的在于测量压力和温度的分布，由于光纤未固定于被测量物，因此，所测量的应变没有用处。
利用该光纤的压力测量技术可适用于物体的体积变化的测量。例如，多孔砂岩在液体填充前和填充后体积发生变化，因此，成为上述压力测量技术的一个适用领域。近年来，作为地球变暖对策，开发有在地下储存二氧化碳的技术，上述压力测量技术有利于在执行二氧化碳地下储存的情况下监视砂岩中的二氧化碳储存状况的系统、以及监视作为其上层的冠岩层(泥质岩等)的力学稳定性、安全性的系统的构建。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2006/001071号
专利文献2：日本专利特开2010-216877号公报
发明内容
本发明所要解决的问题
但是，还未提出可靠地检测例如存在于地下的地层的状态变化的方法。若利用电气的压力传感器，则能检测点状的压力变化。但是，不明确该压力变化与在地表观测到的形变(deformation)有何种关联性，另外，还不明确在地表发生形变，是否也能保持其力学稳定性。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能同时测量物质的压力、温度及应变的分布，可靠地监视、评估地下等较大范围的物质的状态的系统。
用于解决问题的方法
本发明所涉及的测量系统包括：散射波获取部，该散射波获取部获取入射到光纤的脉冲激光在光纤内散射得到的散射波，该光纤铺设于物质中或沿物质铺设；布里渊频移测量部，该布里渊频移测量部根据散射波，测量布里渊频移在光纤内的分布；瑞利频移测量部，该瑞利频移测量部根据散射波，测量瑞利频移在光纤内的分布；系数存储部，该系数存储部存储用于将物质的压力、温度及应变与布里渊频移及瑞利频移相关联的、铺设的光纤所特有的系数；及解析部，该解析部利用布里渊频移测量部中测量出的布里渊频移的分布、瑞利频移测量部中测量出的瑞利频移的分布、及系数存储部中存储的系数，对测量的时刻的物质的压力、温度及应变沿光纤的分布进行解析。
发明的效果
根据本发明，可得到能同时可靠地测量物质的压力、温度及应变的分布，可靠地监视、评估地下等较大范围的物质的状态的系统。
附图说明
图1是表示利用本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的、二氧化碳地下储存的监视系统的概要的剖视图。
图2是表示利用本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的、二氧化碳地下储存的监视系统的图1的F部分的放大图。
图3是表示本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的传感器电缆的放大剖视图。
图4是表示本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的DPTSS的结构的一个示例的框图。
图5是表示本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的与二氧化碳的储存状态评估有关的工序的一个示例的流程图。
图6是示意性表示本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的测量结果的图。
图7是示意性表示本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的测量结果中应变的历时变化的图。
图8是表示本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的室内实验的结构概要的框图。
图9是表示本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的室内实验的结果的一个示例的图。
图10是作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、监视来自二氧化碳储存部的泄漏的工序的流程图。
图11是示意性表示作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、来自二氧化碳储存部的泄漏的监视结果的图。
图12是作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、监视地下的二氧化碳的物相变化的工序的流程图。
图13是示意性表示作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、地下的二氧化碳的物相变化的监视结果的图。
图14是作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、评估地表的形状变化的工序的流程图。
图15是示意性表示作为本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例的、地表的形状变化的评估结果的图。
图16是表示利用本发明实施方式4的物质的压力、温度、应变分布测量系统的、监视河川结冰的系统的概要的图。
图17是示意性表示利用本发明实施方式4的物质的压力、温度、应变分布测量系统的、河川结冰的监视结果的图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是表示利用本发明实施方式1的物质的压力、温度、应变分布测量系统的、二氧化碳地下储存的监视系统的概要的剖视图，图2是图1的F部分的放大图，图3是图1的传感器电缆的放大剖视图。地下存在作为二氧化碳的储存层的砂岩层100，在其上存在起到密封层的作用的冠岩层150。从修建于地面的储存站40向地下的砂岩层100设置有压入井3a。在压入井3a中设置有内部插入有二氧化碳的注入管32的圆筒状外壳(casing)31a。外壳31a周围实施固井(cementing)34，从而固定于地下地层。在压入井3a的周边大多设置有观测地下状态的观测井3b。在该观测井3b中通常设置有与设置于压入井3a的外壳同样的圆筒状外壳31b，在外壳31b内注满水，插入各种观测传感器。
沿着压入井3a，在固井34的层内埋设有传感器电缆2a，以测量地下的压力P、温度T、及地层应变ε的分布。或者，也可以沿着观测井3b，在固井的层内埋设传感器电缆2b。之后，将传感器电缆2a、传感器电缆2b作为传感器电缆2进行说明。图3表示传感器电缆2的剖面结构的一个示例。传感器电缆2包含受到压力影响的第1光纤21和不受压力影响的第2光纤22。第2光纤22收纳于金属细管24内，以阻断压力。也可以在第1光纤21的周围设置保护罩23。但是，该保护罩23需要具有承受第1光纤21周围的压力、变形的影响的材质/结构。第1光纤及金属细管24例如与多根金属线25一起作为绞线构成传感器电缆2。此外，为了测量地层的应变ε，第1光纤必须固定于固井34层。固定可以是沿第1光纤的长边方向的整个表面，也可以设置数m左右的间隔。
传感器电缆2埋设于固井34的层内，因此，在周围地层发生体积变化的情况下，受到其影响。例如，在地层因二氧化碳的封入而变形的情况下，传感器电缆2与固井34的层成为一体而受到变形的影响。在此情况下，第1光纤21承受其压力，感测压力，但收纳于金属细管24内的第2光纤22不受影响。
在这种第1光纤21及第2光纤22中，分别利用设置于地面的测量装置1来进行布里渊测量和瑞利测量，求出布里渊频移和瑞利频移沿光纤的分布。根据上述布里渊频移和瑞利频移的分布，可同时得知沿传感器电缆2的压力、温度、应变的分布。因此，发明人将测量装置1命名为DPTSS(DistributedPressure Temperature strain System：分布式压力温度应变系统)1。
此处，对利用光纤测量压力、温度、应变分布的测量原理进行说明。若将光入射到光纤，并对其散射光进行频率分析，则可观测到频率与入射光基本相同的瑞利散射光、频率与入射光大为不同的拉曼散射光、及频率与入射光相差数～数十GHz左右的布里渊散射光。
布里渊散射现象是在光入射到光纤的情况下能量通过光纤的声子移动的现象。入射光与布里渊散射光的频率差被称为布里渊频率，该布里渊频率与光纤中的音速成比例，并且，该音速依赖于光纤的应变及温度。因此，通过测量布里渊频率的变化，能测量施加于光纤的应变和/或温度。此外，本发明人确认，布里渊频率也根据施加于光纤的压力而变化。此处，将布里渊频率的变化称为布里渊频移。
瑞利散射现象是因光纤中的折射率的波动而导致光散射所产生的散射现象。入射光与瑞利散射光的频率差为瑞利频率。该瑞利频率也根据施加于光纤的应变和/或温度而变化。此处，将瑞利频率的变化称为瑞利频移。
以往，考虑瑞利散射现象仅对应变和温度有灵敏度。作为本发明人的之前的提案的专利文献2中，所提出的系统中设瑞利散射现象仅对应变和温度有灵敏度。本发明人之后的研究结果表明，瑞利散射现象也与布里渊散射现象同样，除应变和温度以外，对压力也有灵敏度。即，布里渊频移ΔνB及瑞利频移ΔνR分别根据压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、应变变化量Δε，可表述为式(1)及式(2)。
[数学式1]
数学式1ΔvB＝C13ΔP+C12ΔT+C11Δε (1)
[数学式2]
数学式2ΔvR＝C23ΔP+C22ΔT+C21Δε (2)
此处，Cij为光纤固有系数，在使用的光纤中，利用预备试验等预先求出这些系数的值，从而能如下述那样求出压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、应变变化量Δε的分布。通过对该瑞利频移ΔνR导入压力的项，从而能进行更高精度的压力、温度、应变分布测量。
设已测量了ΔνB、ΔνR。测量值中，为了分离压力P、温度T及应变ε的影响，需要3个以上的独立测量量。在一个光纤中，只能得到独立的2个测量值ΔνB、ΔνR，因此，通过使用对压力P、应变ε及温度T的灵敏度不同的2种光纤，可得到4个独立的测量值。即，可得到式(3)的联立方程式。
[数学式3]
数学式3 Δv B 1 = C 13 1 ΔP + C 12 1 ΔT + C 11 1 Δϵ 1 Δv R 1 = C 23 1 ΔP + C 22 1 ΔT + C 21 1 Δϵ 1 Δv B 2 = C 13 2 ΔP + C 12 2 ΔT + C 11 2 Δϵ 2 Δv R 2 = C 23 2 ΔP + C 22 2 ΔT + C 21 2 Δϵ 2 - - - ( 3 )
此处，上标的数字表示光纤的种类。由于压力及温度是存在光纤的部分的压力及温度，因此，在2种光纤具有同一值。另一方面，应变的值依赖于光纤是否固定于周围的物质。在DPTSS中，需要测量光纤周围的物质的应变，因此，至少一个光纤必须固定于周围的物质。
通过求解上述式(3)的联立方程式，能分离压力P、温度T及应变ε的影响。因此，通过布里渊频移测量(称为布里渊测量)及瑞利频移测量(称为瑞利测量)的混合测量，并求解式(3)的联立方程式，能求出压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、及应变变化量Δε沿光纤的分布。
式(3)中，若设上标数字1的光纤为图1～3中的第1光纤21、上标数字为2的光纤为第2光纤22，则由于第2光纤22不受压力影响，因此，式(3)被简化，得到式(4)。
[数学式4]
数学式4 Δv B 1 = C 13 1 ΔP + C 12 1 ΔT + C 11 1 Δϵ 1 Δv R 1 = C 23 1 ΔP + C 22 1 ΔT + C 21 1 Δϵ 1 Δv B 2 = C 12 2 ΔT + C 11 2 Δϵ 2 Δv R 2 = C 22 2 ΔT + C 21 2 Δϵ 2 - - - ( 4 )
式(4)中，由于压力及温度是存在光纤的部分的压力及温度，因此，在2种光纤具有同一值。另一方面，关于应变，固定于周围的物质的第1光纤所承受的应变ε1与收纳于金属细管的第2光纤所承受的应变ε2不同。未知数为ΔP、ΔT、Δε1、Δε2这4个，方程式也有4个，因此，能求出这4个未知数。但是，作为应变而有用的值是直接承受周围的物质的应变的第1光纤的应变ε1。
预先利用预备试验等，求出第1光纤及第2光纤的式(4)中的各系数Cij，进行布里渊测量及瑞利测量的混合测量，求解上述式(4)的联立方程式，从而能求出压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、及应变变化量Δε沿光纤的分布。布里渊测量及瑞利测量的混合测量可在某一时刻同时进行，因此，除了沿光纤的一维的压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、及应变变化量Δε的分布之外，还能得到时间轴的数据。
需要注意式(4)是增量型的公式。即，为了求出左边的布里渊频移及瑞利频移，需要作为初始状态下的基准的测量、和状态变化后的正式测量这两次测量。此外，求解式(4)得到的是以初始状态为基准的压力、温度、应变各自的变化量。在需要压力、温度、应变的绝对量的情况下，利用某种方法预先测量在初始测量时的压力、温度、应变各自的分布的绝对量。
初始状态可任意选择。对于二氧化碳地下储存的监视而言，在坑井(压入井3a、观测井3b)中设置电缆之前，在地面的恒温室中能进行初始测量。在此情况下，可将压力、温度分布均匀恒定的状态设为初始状态。
或者，也可以将在坑井中设置电缆之后、注入二氧化碳之前设为初始状态。在此情况下，通过求解式(4)，可直接得到因二氧化碳的注入而引起的压力、温度、应变的变化量。在需要压力、温度、应变的绝对量的情况下，利用在二氧化碳注入前的坑井静止时利用电气传感器等测量得到的压力、温度的绝对量分布即可。若有地面的恒温室的初始测量数据，则利用二氧化碳注入前的测量，也可得到压力、温度的绝对量分布。
通过收集压力P、温度T及应变ε的分布的绝对量的变化、或变化量的数据，可监视随二氧化碳封入砂岩层100而产生的变化及分布，例如可监视二氧化碳封入状况、来自冠岩层150的泄漏等。
图4是表示DPTSS1的一个示例的概要的框图。在散射波获取部11中，获取在光纤中散射的散射波。在布里渊频移测量部12中对所获取的散射波进行解析，测量布里渊频移。此时，将布里渊频移作为沿光纤的长度方向的分布进行测量。同样，在瑞利频移测量部13中对瑞利频移进行测量。将瑞利频移也作为沿光纤的长度方向的分布进行测量。
系数存储部14中，预先存储利用预备试验等求出的式(4)的系数Cij。利用测量得到的布里渊频移及瑞利频移、以及系数存储部14中存储的系数，在解析部15中，通过式(4)，解析出压力变化量ΔP、温度变化量ΔT及应变变化量Δε，并存储于分布数据存储部16。以上的测量、解析以规定的时间间隔执行，作为每一时间的压力、温度、应变的变化量的分布数据存储于分布数据存储部16。在初始测量中，测量压力、温度、应变的初始分布的绝对量的情况下，若将其值存储于分布数据存储部16，则可与变化量的分布数据一起得到各时刻的绝对量的分布数据。评估运算部17中，利用压力、温度、应变的时间变化量等，评估砂岩层100中的状态，例如监视二氧化碳的储存状况等。
在图5的流程图中示出图1的系统中的、与二氧化碳的储存状态的评估有关的工序的一个示例。首先，准备作为第1光纤21及第2光纤22而设置的2种光纤，利用室内试验等，测量各光纤的特性，预先决定式(4)的各系数Cij(步骤1)。决定的各系数预先存储于例如DPTSS1的系数存储部14。将能决定各系数的2种光纤作为传感器电缆2的第1光纤21、第2光纤22，首先，在恒温室中，在压力、温度均匀恒定的条件下进行初始测量1，测量作为布里渊频移及瑞利频移的基准的布里渊基准频谱及瑞利基准频谱(步骤2)。接下来，以图1～图3所示的结构，将传感器电缆2在压入井3a或观测井3b中设置到作为二氧化碳储存层的砂岩层100的地下为止(步骤3)。
在传感器电缆2设置完成后，作为初始测量2，测量作为布里渊频移及瑞利频移的基准的布里渊基准频谱及瑞利基准频谱(步骤4)。在需要压力、温度的绝对量的情况下，根据初始测量1和初始测量2的测量数据，求出布里渊频移及瑞利频移，利用联立方程式(4)计算压力变化量ΔP、温度变化量ΔT的分布。接着，利用初始测量1中的恒温室的压力、温度，求出初始测量2中的压力、温度的绝对量分布。
从二氧化碳的注入开始后，测量布里渊频谱及瑞利频谱，通过求取与初始测量2的测量数据的差分，求出布里渊频移Δν1 B、Δν2 B(步骤5)及瑞利频移Δν1 R、Δν2 R(步骤6)，利用联立方程式(4)计算压力变化量ΔP、温度变化量ΔT及应变变化量Δε的分布(步骤7)。如上所述，步骤5、步骤6、步骤7在DPTSS1中以规定的时间间隔执行(步骤8否)，作为每一时间的数据存储于分布数据存储部16。此处计算的压力变化量ΔP、温度变化量ΔT及应变变化量Δε是自上述初始测量2起的各变化量。在能获取到必要的时间分布后(步骤8是)，以孔隙率、二氧化碳的浸入速度等岩石性状的数据库作为参照(步骤10)，如后所述，可进行二氧化碳储存状态的评估(步骤9)。
图6中示出在某一时刻的测量数据的示意性的一个示例。图6中示出将光纤设置到深度1000m为止的情况。如图6所示，在某一时刻，利用布里渊测量及瑞利测量的混合测量，可得到深度方向的压力P、温度T、地层的应变ε的变化量、或者作为绝对量的分布数据。
通过以规定时间间隔获取图6那样的数据，可得到在各位置的、压力P、温度T、应变ε的时间变化的数据。图7中示出一边注入二氧化碳一边获取的砂岩层在某一深度的应变ε的时间变化的示意性数据。图7中，时间0为二氧化碳注入开始时刻。如图7所示，在注入开始后经过一定程度的时间后，应变缓缓增加，之后立刻达到平衡状态。在应变达到平衡状态的时刻，可知该位置的砂岩层的二氧化碳量已饱和。通过进一步继续注入，图1所示的二氧化碳储存部101逐渐扩大。这样，通过监视应变分布的变化，能评估、监视二氧化碳的注入及储存的状态。
实施方式2.
实施方式2中，示出利用室内实验来证实利用本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统可监视、测量地层等较大范围的物质特性的示例。图8是表示室内实验的结构的概要的图。将光纤200以螺旋状卷绕于多胡砂岩110(Tako sandstone)这一孔隙率(渗透率)有偏差的圆柱状样品，利用DPTSS1，测量布里渊频移及瑞利频移。多胡砂岩110包括图8的上部(finelayer：细密层)的孔隙率较小的、即模拟图1的冠岩层150的部分和下部(coarse layer：粗糙层)的孔隙率较大的模拟砂岩层100的部分。
将该样品收纳于压力容器内，施加12MPa的围压(confining pressure)之后，将水、二氧化碳注入样品，评估样品状态的变化。由于压力、温度不具有相同的分布，因此，主要求出应变的分布，评估样品状态的变化。此外，在室内实验的情况下，压力、温度是均匀恒定的，因此，利用其它的点传感器进行监视。因此，未知量仅有应变，无需利用式(4)的所有4个公式，光纤可利用一根第1光纤来进行测量。
首先，对样品注入水，观察水渗透的过程。在水充分渗透之后，接下来将二氧化碳注入样品，观察二氧化碳与水置换的过程。图9是表示对渗透到样品的多胡砂岩110内的水与二氧化碳置换的状况进行观察得到的结果的一个示例的图。以规定时间间隔获取沿着以螺旋状卷绕于多胡砂岩110的外周的光纤200的应变的分布数据。在各时刻，可获取与图6的应变的分布数据相同的数据。以时间为横轴来排列该数据，用颜色的浓淡来表示应变的大小，得到的图为图9。颜色较浓的部分表示应变较大的部分。
图9中，开始注入二氧化碳的时间为0，观测到大概100小时后孔隙率较大的粗糙层112的部分的应变逐渐增加。此外，颜色的浓度表示二氧化碳的量。颜色较浓的部分是二氧化碳渗透较好的部分，此外，颜色浓度的变化表示二氧化碳渗透多胡砂岩110的状况。
这样，通过本实施方式2所示的室内实验可知，利用本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统，能测量作为样品的多胡砂岩110的应变分布的变化。此外，通过评估该测量结果，能监视例如二氧化碳的地下储存的状况。在室内实验中，压力、温度基本没有分布，此外，其变化也可用其它方法来监视。但是，对于地下储存有二氧化碳的地下，也需要知道压力、温度的分布。通过利用了第1光纤21及第2光纤22的本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统，利用式(4)，同时也测量压力及温度的分布，从而能得到地下的应变分布的数据，可监视二氧化碳的地下储存的状态。
实施方式3.
实施方式3表示可利用本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统的应用例。
<应用例1>
实施方式1及实施方式2中，对监视注入时的二氧化碳的地下储存进行了说明。通过利用本系统，在注入结束后也监视应变等，能监视注入结束后的异常。例如，可考虑因冠岩层中产生龟裂等理由，而导致二氧化碳从二氧化碳储存部101经由冠岩层150泄漏的情况。
在图10中示出监视来自二氧化碳储存部101的泄漏时的流程图。如图11那样，以时间和深度方向这二维来监视注入结束后的应变(步骤10)。若应变没有变化(步骤11否)，则继续监视。若如图11的示例那样，从某一时刻开始，应变发生变化(步骤11是)，则可监视到所储存的二氧化碳有可能会泄漏，判断是否需要修复(步骤13)。若判断为需要修复(步骤13是)，并能确定泄漏的部位，则通过进行该部分的修复(步骤14)，如图11所示，应变复原，可监视到完成修复这一情况(步骤10)。
<应用例2>
地下的二氧化碳的物相发生变化，成为液体、气体或者超临界状态。通过监视地下的温度变化，能监视上述物相状态的变化。在图12中示出监视该物相状态的工序的流程图，在图13中示出温度状态的示意图。随时间的推移而监视深度方向的温度分布(步骤20)。若温度上升(步骤21是)，则温度上升的部分的二氧化碳有可能从超临界状态变化为液体(步骤22)(图13的温度上升区域)。反之，若温度下降(步骤23是)，则温度下降的部分的二氧化碳有可能从液体变化为气体(步骤24)(图13的温度下降区域)。这样，通过监视深度方向的温度分布的历时变化，能监视地下的二氧化碳的状态变化。
该变化特别有可能在比冠岩层更浅的部分产生，因此，需要监视比冠岩层更上面的部分。根据本发明的系统，能始终测量从地表到砂岩层100为止的温度分布，因此，这样的监视也是可能的。
<应用例3>
根据地下的应变分布，可评估地层的形变。在图14中示出基于地层的形变来评估地表的形状变化、即评估二氧化碳注入对地层稳定性的影响的工序的流程图，在图15中示出应变测量值、根据该应变测量值计算出的位移量的分布的示意图。获取某一时刻的应变分布的测量值(步骤30)。通过将该应变值在深度方向进行积分，可得到位移量的分布(步骤31)。根据位移量的分布，可得到地表的变形量(步骤32)。通过将得到的地表变形量和实际的地表变形量等进行比较、解析(步骤33)，可评估地表的形状变化的原因等。
如上所述，若基于利用本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统来进行的测量，则仅靠该一个测量系统，就能监视、评估储存在地下、地表的二氧化碳的各种状态。
此外，不仅是二氧化碳地下储存，在例如油井、其它的挖掘到地下的较深深度以开采地下资源的系统、或上述被废弃后地下的地层状态的监视等中，也能适用本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统。
实施方式4.
至此为止的实施方式是与监视二氧化碳地下储存等地下的地层状态有关的实施方式。本实施方式4是作为监视地层状态以外的实施方式、监视河川等的结冰的系统的实施方式。图16中示出监视架设于河川上的桥梁的结冰的系统的示意图。沿桥横梁及桥墩设置传感器电缆2。传感器电缆2例如利用剖面结构与图3同样的传感器电缆。传感器电缆2设置在特别想监视结冰的位置，例如设置成桥墩的部分在水面以下。
对于该传感器电缆2的光纤，利用DPTSS1进行布里渊频移测量和瑞利频移测量，同时求出沿传感器电缆2的压力、温度、应变的分布。通过监视上述分布的历时变化，可得知结冰的状态。图17中示出传感器电缆2的位于水面下的部分的、产生结冰时的温度和应变的时间变化、以及根据应变求出的体积弹性模量的变化状况的示意图。如图17所示，通过监视温度变化、以及应变和体积弹性模量的变化状况，能监视河川结冰的状况。河川的水有盐、泥、其它混入物，结冰温度未必是0℃。因此，通过观测除温度以外，还观测应变，从而能监视结冰本身的本系统是有效的。
如上所述，根据本发明的物质的压力、温度、应变分布测量系统，仅靠一个测量系统，就能同时测量物质的压力、温度、应变沿光纤的分布，还能测量该分布的历时变化，因此，能可靠地进行较大范围的物质状态的监视等。特别是，在监视光纤的长度为100m以上较长、即较大范围的物质状态时，本发明的效果较好。
标号说明
1、1a、1b：DTPSS
2、2a、2b：传感器电缆
3a：压入井
3b：观测井
11：散射波获取部
12：布里渊频移测量部
13：瑞利频移测量部
14：系数存储部
15：解析部
16：分布数据存储部
17：评估运算部
21：第1光纤
22：第2光纤
23保护罩
24：金属细管
25：金属线
31：外壳
32：注入管
34：固井
40：储存站
100：砂岩层
101：二氧化碳储存部
110：多胡砂岩样品
111：样品上部(fine layer：细密层)
112：样品下部(coarse layer：粗糙层)
150：冠岩层
200：光纤

Claims (11)

1.一种物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，包括：
散射波获取部，该散射波获取部获取入射到光纤的脉冲激光在所述光纤内散射得到的散射波，该光纤铺设于物质中或沿物质铺设，以与该物质一起变形；
布里渊频移测量部，该布里渊频移测量部根据该散射波获取部中获取的散射波，测量布里渊频移在所述光纤内的分布；
瑞利频移测量部，该瑞利频移测量部根据所述散射波获取部中获取的散射波，测量瑞利频移在所述光纤内的分布；
系数存储部，该系数存储部存储用于将所述物质的压力、温度及应变与所述布里渊频移及所述瑞利频移相关联的、铺设的所述光纤所特有的系数；及
解析部，该解析部利用所述布里渊频移测量部中测量出的布里渊频移的分布、所述瑞利频移测量部中测量出的瑞利频移的分布、及所述系数存储部中存储的系数，通过解析求出在所述测量的时刻的所述物质的压力、温度及应变沿所述光纤的分布。
2.如权利要求1所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，
铺设的所述光纤的长度为100米以上。
3.如权利要求1所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，
所述光纤由以受到压力影响的方式保持的第1光纤、和以不受压力影响的方式保持的第2光纤构成。
4.如权利要求3所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，
所述解析部通过由下述参数构成的下述联立方程式求出从初始测量时起的压力变化量ΔP、温度变化量ΔT、第1光纤的应变变化量Δε1及第2光纤的应变变化量Δε2，
所述参数为：
所述系数存储部中存储的、用于将所述第1光纤的压力、所述第1光纤的温度、所述第1光纤的应变、所述第2光纤的温度、所述第2光纤的应变分别与布里渊频移相关联的系数C1 13、C1 12、C1 11、C2 12、C2 11、
用于将所述第1光纤的压力、所述第1光纤的温度、所述第1光纤的应变、所述第2光纤的温度、所述第2光纤的应变分别与瑞利频移相关联的系数C1 23、C1 22、C1 21、C2 22、C2 21、
所述第1光纤中测量出的、从所述初始测量时起的布里渊频移Δν1 B及瑞利频移Δν1 R、
所述第2光纤中测量出的布里渊频移Δν2 B及瑞利频移Δν2 R，
所述联立方程式为：
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。
5.如权利要求1至4中任一项所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，
所述光纤沿着用于地下储存二氧化碳的压入井或观测井，从地表铺设至作为二氧化碳储存部的砂岩层为止。
6.一种二氧化碳地下储存的监视方法，其特征在于，
利用权利要求5所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，至少观测应变分布的历时变化，从而监视注入到所述砂岩层的二氧化碳的状态。
7.一种二氧化碳地下储存的监视方法，其特征在于，
利用权利要求5所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，至少观测应变分布的历时变化，从而监视储存在所述砂岩层中的二氧化碳的泄漏。
8.一种二氧化碳地下储存的监视方法，其特征在于，
利用权利要求5所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，至少观测温度分布的历时变化，从而监视地下的二氧化碳的物相变化。
9.一种二氧化碳注入对地层稳定性的影响评估方法，其特征在于，
利用权利要求5所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，根据测量出的应变分布，将该应变在深度方向上进行积分，从而求出地下及地表的位移量，根据求出的该位移量，评估地表的形状变化。
10.如权利要求1至4中任一项所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，其特征在于，
所述光纤至少沿着设置在水中的桥墩铺设。
11.一种结冰监视方法，其特征在于，
利用权利要求10所述的物质的压力、温度、应变分布测量系统，至少观测应变和温度的历时变化，从而监视所述桥墩周边的水的结冰。
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