JP2005091229A - メタンハイドレートの弾性波測定装置およびメタンハイドレートの弾性波測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間での測定が可能な、メタンハイドレートの弾性波測定装置を提供すること。
【解決手段】 地中から採取したメタンハイドレートを含む供試体Ｓを、地中内条件に設定して測定を行うメタンハイドレートの弾性波測定装置１であって、供試体Ｓの収容空間を有する密閉構造の耐圧容器２と、供試体Ｓの上面側または下面側に配置する供試体Ｓと略同径の上蓋３１または受台３２と、供試体Ｓの外周を被覆するメンブレン４と、供試体Ｓと上蓋３１又は受台３２との間に介在させ、弾性波の発振機能又は受振機能を有する発振器５１又は受振器５２と、から構成しており、耐圧容器２内部に充填した液圧の調整を行う周圧調整孔６と、受台３２に設けた貫通孔２４に連通する間隙水圧調整孔８とが設けてあることを特徴とする、メタンハイドレートの弾性波測定装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタンハイドレートの弾性波測定装置およびメタンハイドレートの弾性波測定方法に関するものである。

メタンハイドレートは、日本を取り巻く海底の大陸縁辺部などに堆積層として天然に存在することが確認されており、ＬＮＧに代替するエネルギーとして近年注目されている。
低温高圧の条件の下、安定な状態で存在するメタンハイドレートは、高密度でメタン包蔵性を有するなどの点から、天然ガスの貯蔵、輸送および供給技術などへの利用が考えられている。

従来より、地中に賦在するメタンハイドレートの量を調査する方法として、試錐調査が行われている。この調査では、試錐孔を利用した種々の検層が実施され、試錐壁に沿って連続的なデータ収集を行う。
調査方法には、たとえば研究用に開発された特殊な三軸圧縮試験機を用いて、低温、高圧、外圧力、間隙水圧などの条件を独立に高精度で計測、制御し、メタンハイドレート或いはこれを含有する試料の物理的、力学的特性を測定する方法がある。

前記した従来のメタンハイドレートの弾性波測定装置およびメタンハイドレートの弾性波測定方法にあっては、以下のような問題があった。
＜１＞従来の測定装置は、多機能でかつ精密性を追求する構成であるため、短時間での測定や、数多くの試料測定を行うには不向きであった。
＜２＞メタンハイドレートが存在する海洋地域の地質は、一般にルーズな状態であることが多く、得られた供試体では検層できないことがあった。

上記のような課題を解決するために、本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置は、地中から採取したメタンハイドレートを含む供試体を、地中内条件に設定して測定を行うメタンハイドレートの弾性波測定装置であって、前記供試体の収容空間を有する密閉構造の耐圧容器と、前記供試体の上面側に配置する供試体と略同径の上蓋と、前記供試体の下面側に配置する供試体と略同径の受台と、前記供試体の外周を被覆するメンブレンと、前記供試体と前記上蓋又は受台との間に介在させ、弾性波の発振機能又は受振機能を有する発振器又は受振器と、から構成しており、前記耐圧容器には、内部に充填した液圧の調整を行う周圧調整孔と、前記供試体の間隙水を調整する間隙水圧調整孔とが設けてあることを特徴とする。

また、本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置は、前記したメタンハイドレートの弾性波測定装置において、前記上蓋の上部に、耐圧容器を貫通する変位計測棒を鉛直方向に配置したことを特徴とする。

また、本発明のメタンハイドレートの弾性波測定方法は、前記したメタンハイドレートの弾性波測定装置を使用して、地中から採取したメタンハイドレートを含む供試体の測定を行う、メタンハイドレートの弾性波測定方法において、供試体の両側に発振器又は受振器と、上蓋又は受台を配置し、その外周をメンブレンで被覆して耐圧容器内に収容し、前記周圧調整孔を通じて耐圧容器内に液剤を充填、加圧すると共に、前記液剤を所定の温度に調整し、前記間隙水圧調整孔を通じて前記供試体の間隙水圧を調整して、供試体を地中内条件に設定した後、前記発振器より前記供試体に弾性波を発振して、供試体の弾性波速度を測定することを特徴とする。

本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置およびメタンハイドレートの弾性波測定方法は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置は、密閉構造の耐圧容器と、供試体の上下にそれぞれ配置する上蓋、受台と、供試体の外周を被覆するメンブレンと、からなり、耐圧容器に設けた周圧調整孔および間隙水圧調整孔を通じて、供試体の外圧と間隙水圧の調整が行える簡易な構成であるため、短時間での測定、また数多くの試料測定を行うのに適している。また簡単な構成により、製作コストを安く抑えることができる。
＜２＞本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置は、メタンハイドレートを地中内とほぼ同じ圧力、温度条件に設定できるため、メタンハイドレートの物性により影響を受けることなく測定することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞全体構成
図１に本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置１の一部を切り欠いた斜視図を示す。
本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置１は、メタンハイドレートの供試体Ｓを収容する密閉構造の耐圧容器２と、供試体Ｓの上面側に配置する上蓋３１と、供試体Ｓの下面側に配置する受台３２と、供試体Ｓの外周を被覆するメンブレン４と、供試体Ｓの両側に配置する弾性波の発振器５１又は受振器５２とより構成している。
耐圧容器２には、内部に充填した液圧の調整が行える周圧調整孔と、外部から供試体Ｓに連通する供試体Ｓ間隙の水圧調整が行える間隙水圧調整孔８とが設けられている。
上蓋３１の上部には、耐圧容器２を貫通する変位計測棒９が鉛直方向に配置されており、変位計測棒９の変位によって上蓋３１の変位量を測定することができるようになっている。
なお、本形態では供試体Ｓと、上蓋３１又は受台３２の間に、高透水性のポーラスメタル７、７を配置して、この内部に弾性波の発振器５１（上部側）と、受振器５２（下部側）を配置する。
また、本形態では耐圧容器２の外周に、図外の熱媒体を接触させて配置し、耐圧容器２を通じて供試体Ｓの温度制御が行える構成とする。
液剤には水やグリセリン液などを使用することができる。
以下、本発明を構成する各部について詳述する。

＜２＞耐圧容器
耐圧容器２は、供試体Ｓを内部に収容して、供試体Ｓ周面を加圧し、供試体Ｓの有効応力を調整できる密閉構造の容器である（図１）。
耐圧容器２は、たとえば円形で厚みを有する底板２２と、その上部に被せ、内部に供試体Ｓの収容空間を有する断面ハット型の外筒２１と、から構成することができる。かかる形態では、外筒２１の鍔部２１１と底板２２の対峙する箇所にボルト溝２１２をそれぞれ形成して、ボルト２３で両者を一体化する構造が採用できる。

耐圧容器２には、内部に充填した液圧の調整時に使用する周圧調整孔と、供試体Ｓ中の試料密度の調整時に使用する間隙水圧調整孔８とが設けられており、これらを介して供試体Ｓを加圧し、供試体Ｓの有効応力の調整を行うことができる。
耐圧容器２には圧力計を設けておき、容器２内部の液圧を測定できるようにしておく。

外筒２１の天井面には変位計測棒９の貫通孔が設けてあり、変位計測棒９が軸方向に移動できるようになっている。貫通孔には、圧力を漏洩させないシールなどの処理を施しておく。

底板２２の後述する受台３２との接面には、受台３２の一部を収容する凹部を形成することができ、ここに受台３２を配置して横方向の移動を拘束しても良い。
なお、耐圧容器２の形状は必ずしも上記形態に限定されるものではなく、所要の圧力に耐え得る容器を用いることができる。

＜３＞周圧調整孔
周圧調整孔は、供試体Ｓの加圧時に使用する孔である（図１）。
周圧調整孔は、たとえば液剤を注入する注入孔６１と、内部空気を排気する排気孔６２とから構成でき、注入孔６１は外筒２１の周面に、排気孔６２は外筒２１の天井面に設けることができる。
排気孔６２には必要に応じてバルブを設けても良い。
注入孔６１や排気孔６２は、液剤の排水時に使用することもできる。
周圧調整孔６には、供試体Ｓに、少なくとも供試体Ｓを採取した地中内条件の圧力を付与できる耐力を備えさせる。

＜４＞間隙水圧調整孔
間隙水圧調整孔８は、供試体Ｓ中の間隙水圧や試料構成粒子間の有効応力の調整時に使用する孔である（図１）。
間隙水圧調整孔８は外部から供試体Ｓまで通じており、たとえば供試体Ｓの下方側に配置する受台３２と底板２２に連通させて形成することができる。
間隙水圧調整孔８は、たとえば間隙水の給水を行う給水孔８１と、間隙水の排水および制御を行う排水孔８２とから構成することができる。間隙水圧の調整は、相互の給排水孔８１、８２を制御、計測しつつ行う。この調整により、供試体Ｓに等方有効応力を付与することができる。
間隙水圧調整孔８には、供試体Ｓに、少なくとも供試体Ｓを採取した地中内と同一条件の有効応力を付与できる耐力を備えさせる。

なお、間隙水圧調整孔８の先端は、必ずしも供試体Ｓにまで到達している必要はなく、たとえばその手前に配置したポーラスメタル７などに先端を配置し、これを介して間隙水の給排水を行う形態としても良い。

＜５＞上蓋
上蓋３１は供試体Ｓの上面側に配置して、液圧により供試体Ｓ上部に押圧力を伝播、付与する部材である（図１）。
上蓋３１は、供試体Ｓと略同径に形成しており、供試体Ｓの縦方向の変形に伴い変位する。
この上蓋３１には、たとえば公知の三軸圧縮試験機に用いられるキャップなどを使用することができる。

＜６＞受台
受台３２は、供試体Ｓの下面側に配置する供試体Ｓを載せる台であって、供試体Ｓと略同型に形成している（図１）。
この受台３２には、たとえば公知の三軸圧縮試験機に用いられる受台などを使用することができる。
受台３２は、必ずしも独立している必要はなく、耐圧容器２の底板２２と一体に形成しても良い。
なお、受台３２の形状は、その一部が供試体Ｓと略同型であればよく、全体が同型である必要はない。

＜７＞メンブレン
メンブレン４は、供試体Ｓの外周を被覆する部材であって、たとえば円筒状の遮水性、可撓性を有する部材を用いることができる（図１）。
メンブレン４には、たとえば公知の三軸圧縮試験機に用いられるゴムスリーブを用いることができる。
メンブレン４は、供試体Ｓの全長より長く形成し、内部に供試体Ｓを収容してメンブレン４の両端を上蓋３１または受台３２に堅結して、被覆できる構成とする。

＜８＞発振器、受振器
発振器５１と受振器５２は、それぞれ弾性波の発振機能又は受振機能を有しており、両者を所定の間隔に離間させて配置し、弾性波速度の測定を行う装置である（図１）。
発振器５１と受振器５２は、たとえば公知の弾性波測定装置に使用するものを使用することができる。
発振器５１と受振器５２には、それぞれ耐圧容器２の外部に通じる図外のリード線が設けられており、外部より操作、測定が行えるようになっている。

＜９＞変位計測棒
変位計測棒９は、上蓋３１の上部に鉛直方向に配置された棒体であり、変位計測棒９の変位によって上蓋３１の変位量を計測することができる（図１）。
変位計測棒９の周面には、たとえば目盛りを刻んでも良い。

＜１＞準備
地中から採取した供試体Ｓを、所定の円筒形状に成形する。
成形した供試体Ｓにメンブレン４を被せて、これを受台３２のポーラスメタル７上に載せ、上部にポーラスメタル７、上蓋３１を順に配置する。上部側のポーラスメタル７には発振器５１を、下部側のポーラスメタル７には受振器５２をそれぞれ埋め込む。
Ｏリング４１、４１をメンブレン４の両端に配置し、メンブレン４を上蓋３１または受台３２に堅結する（図２（ａ））。

＜２＞設定
供試体Ｓを底板３２にセットした後、外筒２１を被せてボルト２３、２３・・を螺着し、耐圧容器２を組立てる。
組立てが完了した後、注入孔６１に液剤の注入ホースを接続して、加圧ポンプを用いて耐圧容器２内に液剤を注入する。液剤の注入時には、排気孔６２を開放させておき、液剤の注入に伴い空気が排気孔６２から抜けるようにしておく（図２（ｂ））。

液剤を排気孔６２からオーバーフローするまで注入して、容器２内を液剤で飽和状態にする。
その後、耐圧容器２に設けた圧力計で確認しながら、液圧を供試体Ｓを採取した地中内の設定条件になるまで調整する。この際、供試体Ｓ中の間隙水圧も設定条件まで液圧と同期させて加圧、調整する。

かかる作業は間隙水の排水量を計測し、液圧の加圧過程を記録しながら行うと良い。
こうして、供試体Ｓ中の間隙水圧および周圧条件を、供試体Ｓが地中内に存在していた条件に調整する。

また、これらの作業に並行して温度調整も行う。かかる方法としては、耐圧容器２に熱媒体を接触させ、この温度調整により温度制御を行う。
温度は、地中内と同一条件に調整する。
弾性波測定装置１を所定の設定条件に調整した後、上蓋３１の変位を変位計測棒９で計測し、変位が安定状態になった後、弾性波による計測を行う（図２（ｃ））。

＜３＞測定
発振器５１により発振された弾性波を、受振器５２にて受振し、弾性波速度を計測する。
測定終了後、排気孔６２または注入孔６１から液剤を排水して、また排水孔８２から間隙水を排水することにより供試体Ｓの拘束を解放し、次の供試体Ｓの測定を行う。

以上の工程を所要の回数だけ繰り返して、計測データを得る。
このように、本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置１は、短時間かつ簡単な手順で測定が行えるため、メタンハイドレートの気化防止にも繋がり、また熟練者による測定も必要としない。

以上説明した耐圧容器２は、温度変化の手段として、容器２の外部に熱媒体を接触させ温度制御を行う形態であったが、この方法に限定されるものではなく、たとえば弾性波測定装置１の設置した室内（計測室）の温度を変化させて、耐圧容器２に温度変化を付与する形態としても良い。かかる方法では、測定を開始するまでにメタンハイドレートが気化する危険を回避できるメリットがある。

また、その他の方法として、耐圧容器２自体に温度調整機能を備えさせても良い。

また、上蓋３１や受台３２を所要の材料や形状に変更して、供試体Ｓの電気電導度や熱伝導度を併せて測定しても良い。

本発明のメタンハイドレートの弾性波測定装置の実施例の説明図。 供試体を耐圧容器にセットした図。 耐圧容器に液剤を注入する図。 周圧と間隙水圧を調整する図。

符号の説明

１・・・弾性波測定装置
２・・・耐圧容器
３１・・上蓋
３２・・受台
４・・・メンブレン
５１・・発振器
５２・・受振器
６１・・注入孔
６２・・排気孔
７・・・ポーラスメタル
８・・・間隙水圧調整孔
９・・・変位計測棒

Claims (3)

1. 地中から採取したメタンハイドレートを含む供試体を、地中内条件に設定して測定を行うメタンハイドレートの弾性波測定装置であって、
   前記供試体の収容空間を有する密閉構造の耐圧容器と、
   前記供試体の上面側に配置する供試体と略同径の上蓋と、
   前記供試体の下面側に配置する供試体と略同径の受台と、
   前記供試体の外周を被覆するメンブレンと、
   前記供試体と前記上蓋又は受台との間に介在させ、弾性波の発振機能又は受振機能を有する発振器又は受振器と、から構成しており、
   前記耐圧容器には、内部に充填した液圧の調整を行う周圧調整孔と、前記供試体の間隙水圧を調整する間隙水圧調整孔とが設けてあることを特徴とする、
   メタンハイドレートの弾性波測定装置。
   
2. 請求項１に記載のメタンハイドレートの弾性波測定装置において、
   前記上蓋の上部には、耐圧容器を貫通する変位計測棒が鉛直方向に配置されていることを特徴とする、
   メタンハイドレートの弾性波測定装置。
   
3. 請求項１または請求項２に記載のメタンハイドレートの弾性波測定装置を使用して、地中から採取したメタンハイドレートを含む供試体の測定を行う、メタンハイドレートの弾性波測定方法において、
   供試体の両側に発振器又は受振器と上蓋又は受台を配置し、その外周をメンブレンで被覆して耐圧容器内に収容し、
   前記周圧調整孔を通じて耐圧容器内に液剤を充填、加圧すると共に、前記液剤を所定の温度に調整し、
   前記間隙水圧調整孔を通じて前記供試体の間隙水圧を調整して、供試体を地中内条件に設定した後、
   前記発振器より弾性波を発振して、前記供試体の弾性波速度を測定することを特徴とする、
   メタンハイドレートの弾性波測定方法。

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