JP2007285728A - Stratum mise-a-la-masse method and its auxiliary equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地下構造等を探査する電気探査のうち、ケーシングパイプやロッド等の線状の金属を線電流源として電圧を負荷し、他の位置の地層の比抵抗の調査測定を行う地層の流電電位法及びこれに用いる装置に関する。さらに詳しくは、流動電位探査方法の実施において、ケーシングパイプ長手方向に沿ってケーシングパイプから流出する電流量の分布を精度良く求めて地層の比抵抗解析の精度を向上する技術に関する。流電電位法の対象とする地層は、主に地熱や石油等の深部の資源探査であるが、一般的な地層や地盤に適用することもできる。 The present invention is an electric exploration method for exploring underground structures and the like, in which a voltage is applied using a linear metal such as a casing pipe or a rod as a line current source, and the resistivity of the formation in other locations is investigated and measured. The present invention relates to an electrogalvanic potential method and an apparatus used therefor. More specifically, the present invention relates to a technique for improving the accuracy of the specific resistance analysis of the formation by accurately obtaining the distribution of the amount of current flowing out of the casing pipe along the longitudinal direction of the casing pipe in the implementation of the streaming potential search method. The strata targeted by the galvanostatic method are mainly deep geothermal exploration and petroleum exploration, but can also be applied to general strata and ground.
地層の流電電位法は高温岩体発電(地熱発電)における流体挙動モニタリング法の一つとして発展してきた探査方法である。高温岩体発電では地下の高温岩体にボーリング孔を掘削し、ボーリング孔に水圧破砕によって亀裂を発生させ、これらの亀裂に水を注入し、高温岩体による熱によって地下に熱水貯留槽を形成し、そこから取り出した水蒸気でタービンを回すことによって発電を行う。注入した水を貯留層に入れて抵抗なく熱水を取り出すためには、地下の水の動きをモニタリングすることが不可欠であり、そのためのツールとして地層の流電電位法が使われてきた。 The geoelectric potential method of the formation is an exploration method that has been developed as one of the fluid behavior monitoring methods in high-temperature rock power generation (geothermal power generation). In hot rock power generation, boreholes are drilled in the underground hot rocks, cracks are generated by hydraulic fracturing in the boreholes, water is injected into these cracks, and hot water storage tanks are installed underground by the heat from the hot rocks. Electricity is generated by rotating the turbine with water vapor formed and taken out from the steam. It is indispensable to monitor the movement of underground water in order to put injected water into the reservoir and take out hot water without resistance, and the geoelectric potential method of the formation has been used as a tool for that purpose.
また、最近では石油分野においても、石油の回収率を向上させるためボーリング孔から水中に水や水蒸気、CO2等を注入して、これによって移動した石油を別の生産井にて回収するEOR(Enhanced Oil Recovery)と呼ばれる石油生産技術がある。この技術においても、流電電位法は石油貯留槽のモニタリング・ツールとして期待されている。 Recently, in the oil field, in order to improve the oil recovery rate, water, water vapor, CO 2 or the like is injected into the water from the borehole, and the moved oil is recovered in another production well. There is an oil production technology called Enhanced Oil Recovery. In this technology as well, the galvanostatic method is expected as a monitoring tool for oil storage tanks.
地熱や石油分野の貯留槽挙動モニタリングでは、流体の移動に起因する流動電位に着目した自然電位法と流電電位法とを組み合わせたハイブリッドな探査法として適用されることが多く、この場合には二つを合わせて流体流動電位探査方法という名称で呼ばれる。 In reservoir behavior monitoring in the geothermal and petroleum fields, it is often applied as a hybrid exploration method combining the natural potential method and the electrodynamic potential method, focusing on the streaming potential caused by fluid movement. Together they are called the fluid streaming potential exploration method.
流電電位法は、地層の比抵抗電気探査の一種として分類される。比抵抗電気探査は、地面に設置した二つの電極間に交替直流電流を通電し、別の二つの電極間で通電に伴って発生した電位差を測定することで、電極間の比抵抗を求める探査方法である。ここで、比抵抗は電気の流れにくさを表す物性値である。比抵抗電気探査では、通電電極を地表に設けることが多く、1次元及び2次元探査が実用化されている。また、これを拡張し精度を高めるため3次元探査実用化のための研究が進められており、効率的な施工方法及び解析方法が考案されている(例えば、特許文献1参照。)。 The galvanostatic method is classified as a kind of resistivity electrical exploration of the formation. Electric resistivity exploration is an exploration in which an alternating DC current is passed between two electrodes placed on the ground, and the electrical resistance between the other two electrodes is measured to determine the specific resistance between the electrodes. Is the method. Here, the specific resistance is a physical property value indicating difficulty in the flow of electricity. In electrical resistivity exploration, current-carrying electrodes are often provided on the ground surface, and one-dimensional and two-dimensional exploration have been put to practical use. Further, in order to extend this and increase the accuracy, research for practical use of three-dimensional exploration has been advanced, and an efficient construction method and analysis method have been devised (for example, see Patent Document 1).
さらに、深部の探査精度を向上するねらいで、地表に設置した電極に加えて地下深部に埋設した電極やボーリング孔中に埋設した電極を使って同様の探査を実施することも行われており、このような測定配置で測定された場合には、特に比抵抗トモグラフィと呼ばれる。 Furthermore, in order to improve the exploration accuracy in the deep part, in addition to the electrode installed on the ground surface, the same exploration is also carried out using the electrode buried in the deep underground and the electrode buried in the borehole, When measured in such a measurement arrangement, it is particularly called specific resistance tomography.
流電電位法はこれら比抵抗電気探査や比抵抗トモグラフィと同じ探査原理に基づくが、通常使われる電極の代わりに、ボーリング孔のケーシングパイプやボーリングロッドのような線状の導電体構造物を電流電極として使うところに大きな特徴がある。 The galvanic potential method is based on the same exploration principle as those of resistivity electrical exploration and resistivity tomography, but instead of the commonly used electrodes, a linear conductor structure such as a casing pipe of a borehole or a boring rod is used. There is a big feature in using as a current electrode.
流体流動電位法の用途としては。石油強制回収法のモニタリング技術への適用が知られている(例えば、非特許文献2参照。)。
流電電位法の解析は、一般の地層の比抵抗電気探査と同様なフローに従って解析される。すなわち、まず探査すべき当該地域の概略の比抵抗を示すモデルを作成する。このモデルは一般に初期モデルと呼ばれる。初期モデルは、例えばボーリングで測定された検層データを使用して水平な地層が形成されていると想定した水平構造モデル、又は見かけ比抵抗データから作成した均質な比抵抗モデルなどを使うことが多い。 The analysis of the galvanopotential method is performed according to the same flow as the electrical resistivity exploration of general geological formations. That is, first, a model indicating the specific resistivity of the area to be explored is created. This model is generally called the initial model. The initial model may be, for example, a horizontal structure model that assumes that a horizontal formation has been formed using logging data measured by boring, or a homogeneous resistivity model created from apparent resistivity data. Many.
このように作成された比抵抗の初期モデルを使って、数値シミュレーションによって測定電位を計算する。 Using the initial model of the specific resistance thus created, the measured potential is calculated by numerical simulation.
初期モデルが実際の地下の比抵抗分布をよく表現しているならば、計算された電位と実際に測定された電位とは一致する。しかし、通常は両者は食い違うため、その食い違いが小さくなるように初期モデルを修正する。修正されたモデルを使ってさらにシミュレーションを行い、同様の修正を繰り返す。このようにして、測定データとシミュレーションデータの食い違いが十分小さくなるまで修正を繰り返し、最終的な比抵抗モデルが求められる。 If the initial model is a good representation of the actual underground resistivity distribution, the calculated potential and the actually measured potential agree. However, since the two usually do not match, the initial model is corrected so that the difference is reduced. The simulation is further performed using the corrected model, and the same correction is repeated. In this way, correction is repeated until the discrepancy between the measurement data and the simulation data becomes sufficiently small, and a final specific resistance model is obtained.
流電電位法の解析では、ケーシングパイプを電極としたときの電位分布の計算をいかに精度よく実施するかが問題となる。一般的には、ケーシングパイプに通電した電流が、ケーシングパイプの長手方向に沿って一様な分布で地中に流れ出るものと仮定して近似的な電位計算が行われている。 In the analysis of the galvanic potential method, the problem is how to accurately calculate the potential distribution when the casing pipe is used as an electrode. Generally, an approximate potential calculation is performed on the assumption that the current supplied to the casing pipe flows into the ground with a uniform distribution along the longitudinal direction of the casing pipe.
しかし、石油分野のように地下の比抵抗値が小さなフィールドで適用する場合には、ケーシングパイプ自身の電気抵抗を無視することができず、深部まで十分に電流が到達しないため深度とともに電流密度は減衰する。このため、電流密度を一定と仮定した近似計算は解析精度の低下をもたらすことが予想され、シミュレーション実験によっても確認されている。このような解析精度の低下は、ケーシングパイプの電気抵抗及び電流密度分布を別途測定しこれを評価することで防ぐことができる。 However, when applied in a field where the specific resistance value of the underground is small as in the oil field, the electrical resistance of the casing pipe itself cannot be ignored, and the current does not reach the depth sufficiently, so the current density along with the depth is Attenuates. For this reason, it is expected that the approximate calculation assuming that the current density is constant will cause a decrease in analysis accuracy, and it has been confirmed by a simulation experiment. Such a decrease in analysis accuracy can be prevented by separately measuring and evaluating the electrical resistance and current density distribution of the casing pipe.
本発明は上記問題点に着目し、ケーシングパイプの長手方向に沿って流出する電流密度分布を求め、これに基いてシミュレーションを行う改善された技術を提供することを目的とするものである。 The present invention focuses on the above-described problems, and an object thereof is to provide an improved technique for obtaining a current density distribution flowing out along the longitudinal direction of a casing pipe and performing a simulation based thereon.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする地層の流電電位法である。すなわち、本発明は、地下地層の比抵抗分布を計測する流電電位法において、地中に沈設した1本の鉛直なケーシングパイプに電圧を負荷すると共に、該ケーシングパイプ内にゾンデを吊下して該ケーシングパイプに接触させ、ケーシングパイプ長手方向に沿う電位分布を測定し、該測定電位分布に基いて地層の比抵抗解析に修正を加えることを特徴とする地層の流電電位法である。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is a geoelectric potential method for the formation, characterized by taking the following technical means. That is, the present invention relates to an electrodynamic potential method for measuring the resistivity distribution of an underground formation, in which a voltage is applied to one vertical casing pipe set in the ground and a sonde is suspended in the casing pipe. Then, a potential distribution along the longitudinal direction of the casing pipe is measured, a potential distribution along the longitudinal direction of the casing pipe is measured, and a specific resistance analysis of the formation is modified based on the measured potential distribution.
上記地層の流電電位法において、前記ゾンデとして連接した複数個のゾンデを用いることとすれば測定が容易となり、好適である。 In the above-described stratoelectric potential method, it is preferable to use a plurality of connected sondes as the sondes because measurement is easy.
また、前記電位分布から流出電流密度を求める手段としては電位と電流の関係式を直接積分によって求めることとしてもよく、抵抗回路網により求めることとしてもよい。 As a means for obtaining the outflow current density from the potential distribution, the relational expression between the potential and the current may be obtained by direct integration, or may be obtained by a resistance network.
上記本発明方法の実施に用いる装置は、ケーシングパイプ内を昇降しケーシングパイプ内面に接触する1又は複数のゾンデと、該ゾンデを昇降させる昇降装置と、データ収録装置とを備えたことを特徴とする地層の流電電位法の補助装置である。 The apparatus used for carrying out the method of the present invention comprises one or more sondes that move up and down in the casing pipe and come into contact with the inner surface of the casing pipe, an elevating device that raises and lowers the sonde, and a data recording device. It is an auxiliary device for the galvanic potential method of the formation.
本発明によれば、地下地層の比抵抗分布を計測する流電電位法において、地中に沈設した1本の鉛直なケーシングパイプに電圧を負荷すると共に、該ケーシングパイプ内にゾンデを吊下して該ケーシングパイプに接触させ、ケーシングパイプ長手方向に沿う電位分布を測定し、該測定値に基いて地層の比抵抗解析に修正を加えるため、流電電位法の精度を向上させることができ、この方法の信頼性が著しく高まるという優れた効果を奏する。 According to the present invention, in the electrokinetic potential method for measuring the resistivity distribution of the underground formation, a voltage is applied to one vertical casing pipe set in the ground, and a sonde is suspended in the casing pipe. To measure the potential distribution along the longitudinal direction of the casing pipe, and to modify the resistivity analysis of the formation based on the measured value, the accuracy of the galvanostatic potential method can be improved, There is an excellent effect that the reliability of this method is remarkably increased.
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、流電電位法探査方法を概念的に示す説明図であって、本発明を実施する対象の地層内を透視した模型図と、本発明の解析装置の配置とを示したものである。図2は本発明方法の概略を示すフローチャートである。 FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing a method for exploring a galvanoelectric potential method, and shows a model view in which a geological formation as a target for carrying out the present invention is seen through, and an arrangement of an analysis apparatus according to the present invention. is there. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of the method of the present invention.
図1に示すように、地層の比抵抗解析対象地区100に地表からケーシングパイプ10が沈設され、その頭部にトランスミッタ11が配設されている。トランスミッタ11はケーシングパイプ10に電圧を負荷すると共に、後述のようにケーシングパイプ10の鉛直方向の電位分布を解析する。
As shown in FIG. 1, a
地表101に、所望の配列で配設された多数の各測点102で、測点の2点間のそれぞれの電位差、又は遠電極P2と各測点との間の電位差の測定を行う。この2点間の電位差測定値はレコーダ20に記録される。この記録はコンピュータ21に送られ、コンピュータ21はこのデータを解析して地層の比抵抗を算出する。この算出にはシミュレーション手法が用いられる。
At each of a large number of
図2は流電電位法探査方法の解析の概略を示すフローチャートである。予め解析モデルの作成31を行っておく。解析モデルとしては有限要素法メッシュ又は差分格子などを用いることができる。 FIG. 2 is a flowchart showing an outline of the analysis of the electrokinetic potential method exploration method. An analysis model is created 31 in advance. As the analysis model, a finite element mesh or a difference grid can be used.
上記レコーダ20に記録された測定データ32はデータの品質チェック33の工程を経てコンピュータ21に送られる。そして上記解析モデル31に合わせてコンピュータ21に入力される。
The
次に、初期比抵抗モデルの作成及び設定34を行う。初期比抵抗モデルとしては、均一比抵抗モデル、水平多層構造モデル等を用いることができる。 Next, an initial specific resistance model is created and set 34. As the initial specific resistance model, a uniform specific resistance model, a horizontal multilayer structure model, or the like can be used.
次に理論電位計算35を行う。ここでは予め設定した上記解析モデル31に従って、有限要素法又は差分法などを用いる。
Next, theoretical
残差(測定された抵抗値と計算値との差)36を計算し、収束判定37を行う。残差が収束しなければ比抵抗モデルの修正38を行い、再度理論電位計算35に戻り再計算を行う。比抵抗モデルの修正38には制約付き最小自乗法やCG法(共役勾配法)などを導入するとよい。
A residual (difference between the measured resistance value and the calculated value) 36 is calculated, and a
収束判定37において収束が認められれば、これを採用し、比抵抗分布の出力39を行う。
If convergence is recognized in the
図1に示すように、ケーシングパイプ10を電流源とした流電電位法の解析では、一般に、ケーシングパイプ10から流出する電流12の密度がケーシングパイプ10の長手方向に沿って一定であるものとして近似計算が行われていた。
As shown in FIG. 1, in the analysis of the galvanic potential method using the
しかし、ケーシングパイプ10から流出する電極上の実際の電流12の密度分布はケーシングパイプと地山との間の接地抵抗及びケーシングパイプ10自身の電気抵抗によって変化する。従って、必ずしも全てのケースにおいて電流密度一定の仮定が満足されているわけではない。
However, the actual density distribution of the current 12 on the electrode flowing out of the
このことは、流電電位法の精度を考える場合に、解析における近似の影響を評価することが重要な課題であり、このためには、何らかの手段によってケーシングパイプ10の長手方向に沿って流出する電流密度分布を測定することが必要である。
This is an important issue to evaluate the influence of approximation in the analysis when considering the accuracy of the galvanostatic potential method. For this purpose, it flows out along the longitudinal direction of the
また、計測された電流密度分布を使って流電電位法の解析を行うことができれば、解析の精度はこれまでより向上することが期待できる。 In addition, if analysis of the galvanostatic potential method can be performed using the measured current density distribution, the accuracy of the analysis can be expected to be improved.
ケーシングパイプ10から流出する電流密度に影響を与える第1の要因であるケーシングパイプ10と地山との間の接地抵抗は、ケーシングパイプ10と地山とのクリアランス、ケーシングパイプ10の周囲の腐食、ケーシングパイプ10の周りに充填したセメントの影響、ケーシングパイプ10の径、あるいは周辺地山の比抵抗というような様々な要因と関連している。
The grounding resistance between the
また、第2の要因であるケーシングパイプ10自身の電気抵抗は、地山の比抵抗が1Ωm以下の極端に低い領域において、特に大きな影響を与えることがシミュレーションによって明らかになっている。
Further, it has been clarified by simulation that the electrical resistance of the
FEMによる解析プログラムではケーシングパイプ10と地山との間の接地抵抗及びケーシングパイプ10自身の電気抵抗を線要素とジョイント要素で近似することによって、これらの影響をある程度考慮した電位シミュレーションを行うことができる。しかし、そのためにはケーシングパイプ10と地山との間の接地抵抗及びケーシングパイプ10自身の電気抵抗を予め精度良く求めておく必要がある。
In the FEM analysis program, the grounding resistance between the
図3にケーシングパイプ10から流出する電流の測定概念図を示した。
FIG. 3 shows a conceptual diagram of measurement of current flowing out from the
ケーシングパイプ10の単位長さ当たりの電気抵抗をRとし、通電時におけるケーシングパイプ10の長手方向に沿った電位をφとすると、ケーシングパイプ10の長手方向(z方向)に沿って流れる電流jは次のように書くことができる。
When the electrical resistance per unit length of the
電流量の保存則から、ケーシングパイプ10内の電流jは、流出する電流iに見合った量だけ深度とともに減少する。このことから次式が成立する。
From the conservation law of the amount of current, the current j in the
式(2)は、流電電位法の測定時にケーシングパイプ10内の最低3点で電位φ1、φ2、φ3を測定すれば、その3点間でケーシングパイプ10から流出する電流量を推定することができることを示している。
Equation (2) indicates that if the potentials φ 1 , φ 2 , and φ 3 are measured at least at three points in the
電気検層を目的とした測定システムを作成する場合には、電極間隔(上記3点の間隔)を少なくとも数10cm以下に設定する必要がある。しかし、電気抵抗の小さなケーシングパイプ10内の小区間で電位を測定すると、測定される電位差が非常に小さな値となり、ノイズの影響を受けやすい。
When creating a measurement system for the purpose of electrologging, it is necessary to set the electrode interval (the above-mentioned three points interval) to at least several tens of cm or less. However, if the potential is measured in a small section in the
一方、流電電位法では上記電気検層ほどの高分解能で電流密度を測定する必要はないので、電極間隔を大きめにとって、分解能を犠牲にする代わりにノイズの影響を最小限に押さえることを可能にするのがよい。 On the other hand, there is no need to measure current density with the same resolution as the above-mentioned electric logging in the galvanic potential method, so it is possible to minimize the influence of noise instead of sacrificing resolution by increasing the electrode spacing. It is good to make it.
以下、比較的大きな電極間隔で電位又は電位差を測定し,そのデータを逆解析することによって流出電流密度を求める方法について説明する。この方法としては、
(a)電位分布と流出電流密度との関係を電気的な関係式を直接積分によって求める方法(直接積分法)
(b)抵抗回路網により求める方法
(c)FEMを使った流電位電位探査方法の解析において、地表で測定したデータと共にケーシングパイプ内で測定した電位データを合わせて解析する方法。
の3つがある。
Hereinafter, a method of measuring the outflow current density by measuring a potential or a potential difference at a relatively large electrode interval and performing inverse analysis on the data will be described. As this method,
(A) A method for obtaining the relationship between the potential distribution and the outflow current density by directly integrating an electrical relational expression (direct integration method)
(B) Method of obtaining by resistance network (c) Method of analyzing potential potential measured in casing pipe together with data measured on ground surface in analysis of streaming potential search method using FEM.
There are three.
まず直接積分法について説明する。 First, the direct integration method will be described.
ケーシングパイプ上の電流密度と電位qとの関係は次のように書くことができる。 The relationship between the current density on the casing pipe and the potential q can be written as follows.
但し、R:ケーシングパイプの電気抵抗率(単位長さ当りの電気抵抗)
q:ケーシングパイプ上の電位
図4にケーシングパイプの深度と流出電流密度との関係を示すグラフを示した。ケーシングパイプの電気抵抗Rを一定と仮定し、電流密度についても図4に示すようにケーシングパイプの長手方向を多数個の小区間Dに区分して、それぞれの区間毎に電流密度q1,q2,q3,……,qmを与えると、式(3)は次のように積分することができる。
Where R: casing pipe electrical resistivity (electrical resistance per unit length)
q: Potential on casing pipe FIG. 4 is a graph showing the relationship between the depth of the casing pipe and the outflow current density. Assuming that the electrical resistance R of the casing pipe is constant, the current density is also divided into a plurality of small sections D as shown in FIG. 4, and the current density q 1 , q is divided into each section. Given 2 , q 3 ,..., Q m , equation (3) can be integrated as follows.
ここで、式(4)の右辺の第2項RIは坑井口でケーシングパイプ中を鉛直方向に流れる電流量にケーシングパイプの抵抗率をかけた値によって評価することができる。結局、積分された関数Q(z)+RIは、式(4)に示す形の関数となる。 Here, the second term RI on the right side of Equation (4) can be evaluated by a value obtained by multiplying the amount of current flowing in the casing pipe in the vertical direction at the well opening by the resistivity of the casing pipe. Eventually, the integrated function Q (z) + RI becomes a function of the form shown in equation (4).
式(4)の両辺をさらに積分すると、測定値であるケーシングパイプ上での電位φが求められる。ちなみにケーシングパイプの長手方向に沿う長さ(深度)zでの電位φ(z)は、図5の斜線を施して示した領域の面積(dφ/dz曲線に囲まれた深度0からZまでの面積)に、坑井口での電位φ0を加えた値となる。
When both sides of the equation (4) are further integrated, the potential φ on the casing pipe, which is a measured value, is obtained. Incidentally, the potential φ (z) at the length (depth) z along the longitudinal direction of the casing pipe is the area of the region shown by hatching in FIG. 5 (from the
式(4)はqj(j=1〜m)の1次関数として表すことができるので、最終的には次式のような形式で電位の評価式が導かれる。 Since the expression (4) can be expressed as a linear function of q j (j = 1 to m), the potential evaluation expression is finally derived in the form of the following expression.
式(5)の右辺の第2項および第3項を左辺に移項すると、次の1次方程式が得られる。 When the second and third terms on the right side of Equation (5) are moved to the left side, the following linear equation is obtained.
ここで、f(z)=φ(z)−RIz一φ0である。 Here, it is f (z) = φ (z ) -RIz one phi 0.
式(6)は電気探査における2極法に相当する測定を想定している。 Equation (6) assumes a measurement corresponding to the bipolar method in electrical exploration.
図6〜図8に電位電極を1極、2極又は3極使ったケーシングパイプの電位測定の模式図を示した。図6はケーシングパイプ10内に測定電極ゾンデ40を1個挿入し、この1個のゾンデ40に電圧Vを負荷し、ケーシングパイプ10内を下降させながら、式(6)によりケーシングパイプ10の頂部(杭井口43)で電流Aを測定し、ケーシングパイプ10の長手方向の流出電流密度分布を求めるものである。図中、41は電圧計、42は電流計である。
FIGS. 6 to 8 show schematic diagrams of the potential measurement of the casing pipe using one, two or three potential electrodes. In FIG. 6, one measuring
図7は2個の測定電極ゾンデ40a,40bを一定間隔を保ってケーシングパイプ10内に吊下し、電圧を負荷して、ケーシングパイプ10からの流出電流を坑井口43で測定する。2個の測定電極ゾンデ40a,40b間の電圧差はΔVである。このとき、上記式(7)を用いて計算する。
In FIG. 7, two
図8は3個の測定電極ゾンデ40a,40b,40cを、それぞれ間隔をあけてケーシングパイプ10内に吊下し、それぞれケーシングパイプ10の内面に接触させたものである。ゾンデ40a,40b,40c間の電圧差はΔV1及びΔV2である。このときの計算式は式(8)となる。
FIG. 8 shows three
図6、図7、図8の場合は、式(6)、式(7)あるいは式(8)を使って流出電流密度を推定することができる。 In the case of FIGS. 6, 7, and 8, the outflow current density can be estimated using Equation (6), Equation (7), or Equation (8).
ここで、Δdは電極間隔である。 Here, Δd is an electrode interval.
式(6)〜式(8)は、いずれもqj(j=1〜m)の1次式であり、左辺は測定値φ(z)から求められる既知値、qj(j=1〜m)の係数は前述の積分によって算出される量である。従って、多数の深度でデータを取得すれば、式(6)〜式(8)はいずれもqj(j=1〜m)を未知数とする多元連立1次方程式となり、これを解くことによって各区間の流出電流密度qj(j=1〜m)を算出することができる。 Equation (6) to (8) are both first-order equation of q j (j = 1 to m), the known value left side obtained from the measured value φ (z), q j ( j = 1~ The coefficient of m) is an amount calculated by the aforementioned integration. Therefore, if data is acquired at a large number of depths, equations (6) to (8) are all multi-dimensional simultaneous equations with q j (j = 1 to m) as unknowns. The outflow current density q j (j = 1 to m) of the section can be calculated.
以上説明した直接積分法では、孔口通電を前提として定式化したため、通電点をケーシングパイプの上端とし、孔口から孔底までの全区間で電位や電位差を測定する必要がある。ケーシングパイプの深度が大きな場合には、電流源を深部に降ろさないと深部の電位データを十分な精度で取得することができない。 Since the direct integration method described above is formulated on the assumption that the hole opening is energized, it is necessary to measure the potential and the potential difference in the entire section from the hole opening to the hole bottom with the energization point as the upper end of the casing pipe. When the depth of the casing pipe is large, the potential data of the deep part cannot be acquired with sufficient accuracy unless the current source is lowered to the deep part.
次に抵抗回路網による方法について説明する。 Next, a method using a resistance network will be described.
抵抗回路網による方法は、図9に示すように、ケーシングおよび周囲の地盤を等価な抵抗回路ネットワークによって近似する。図9において、ρ1〜ρmはケーシングパイプ自身の電気抵抗、R1〜Rm+1は、ケーシングパイプと地層との接地抵抗である。電源13からケーシングパイプに通電した時の、ケーシングパイプ内の電位又は電位差分布から、等価回路の抵抗値を逆解析によって求める。次いで、任意の通電点に対する電位を計算し、接地抵抗R1〜Rm+1の両端の電位差を使ってケーシングパイプから流出する電流を求める。
As shown in FIG. 9, the method using the resistance network approximates the casing and the surrounding ground by an equivalent resistance network. In FIG. 9, ρ 1 to ρ m are electrical resistances of the casing pipe itself, and R 1 to R m + 1 are ground resistances of the casing pipe and the formation. The resistance value of the equivalent circuit is obtained by inverse analysis from the potential in the casing pipe or the potential difference distribution when the
ケーシングパイプ自身の電気抵抗ρ1〜ρmは、ウェンナー法又はそれに類する電極配置によって事前に測定しておく。この場合、抵抗回路網の解析におけるケーシングパイプ自身の電気抵抗の扱い方は2通り考えられる。1つは、事前に求めた電気抵抗の値を既知パラメータとして扱い、逆解析の際に固定する方法である。もう一つは、ウェンナー法配置のデータを逆解析データに加えて、ケーシングパイプ自身の電気抵抗ρ1〜ρmも未知パラメータとして同時に解析する方法である。 The electrical resistances ρ 1 to ρ m of the casing pipe itself are measured in advance by the Wenner method or similar electrode arrangement. In this case, there are two ways to handle the electrical resistance of the casing pipe itself in the analysis of the resistance network. One is a method in which the electrical resistance value obtained in advance is treated as a known parameter and fixed in the inverse analysis. The other is a method of simultaneously analyzing the electrical resistances ρ 1 to ρ m of the casing pipe itself as unknown parameters by adding the data of the Wenner method arrangement to the inverse analysis data.
図9に示す抵抗回路網を使う方法では、孔口(ケーシングパイプの上端)で通電したデータばかりでなく、孔内(ケーシングパイプ内)で通電したデータも合わせて解析することができるので、孔内通電による測定の場合にも容易に対応することができる。 The method using the resistance network shown in FIG. 9 can analyze not only the data energized in the hole (the upper end of the casing pipe) but also the data energized in the hole (in the casing pipe). It is possible to easily cope with measurement by internal energization.
次に、図10に示すフローに従って、シミュレーションの検討を行った。シミュレーションモデルとして図11に示す計算モデルを作成した。ケーシングパイプ10の長さLは500m及び1000mの2種とした。またケーシングパイプ10のバックグラウンド比抵抗が1,10,100,1000Ωmの場合について検討した。ケーシングパイプ10の内径は20cm、肉厚は6mm、導電率は104S/m(104Ωm)である。また、長さ50mのケーシングパイプが水平層構造内にあるモデルについても検討を行った。
Next, the simulation was examined according to the flow shown in FIG. A calculation model shown in FIG. 11 was created as a simulation model. The length L of the
図10に示すフローについて説明する。まずFEMによる電位シミュレーション51により、電位データ52及び電流密度分布53を求める。電位データ52から、電流密度計算のためのデータ作成54を行う。この電流密度計算には電極間隔の設定、1〜3極データの作成、現場条件を想定したノイズの付加を行う。次いで逆解析55を行う。逆解析55により、電流密度分布の推定値56を得る。この電流密度の推定値56と予め求めた電流密度分布データ53との比較検討57を行い、シミュレーションの評価を行う。
The flow shown in FIG. 10 will be described. First,
図11に示す計算モデルは、長さLのケーシングパイプ10を対象区域100内で鉛直方向(深度z方向)に沈下し、ケーシングパイプ10に直交する面を地表101とし、この地表101面に距離pをとって多数の測定点を設定する。
In the calculation model shown in FIG. 11, a
以上の電流密度分布測定法が有効であることを示す目的でシミュレーションを行った。 A simulation was performed for the purpose of showing that the above current density distribution measurement method is effective.
電位シミュレーションは2.5次元FEMによって実施することとし、図12に示すような2次元FEMモデルを作成した。なお、2.5次元FEMは、2次元比抵抗構造(断面と直交する方向に構造が変化しないもでる)における3次元場を計算する手法である。3次元FEMに比べると、メモリー容量が少ない場合でも細かくメッシュを分割することができ、分割の粗さによる離散化誤差を小さくすることができる。また、水平多層構造などの構造を容易に与えることができる。 The potential simulation was performed by 2.5D FEM, and a 2D FEM model as shown in FIG. 12 was created. The 2.5-dimensional FEM is a method for calculating a three-dimensional field in a two-dimensional resistivity structure (the structure does not change in a direction orthogonal to the cross section). Compared to the three-dimensional FEM, the mesh can be finely divided even when the memory capacity is small, and the discretization error due to the roughness of the division can be reduced. Further, a structure such as a horizontal multilayer structure can be easily provided.
図12は横軸にケーシングパイプ10からの水平離隔距離(−10,000m〜10,000m)をとり、縦軸に深度(0m〜12,000m)をとって示した。図13は、そのうちの深度600m、水平離隔距離±500mまでの対象領域の部分を示したもので、ケーシングパイプ長(深度)が500mの場合のFEMモデルを示している。ケーシングパイプ10についてはFEMの長さ5mの線要素を使ってモデル化し、これを、深度0m〜500mの区間に挿入した。また、線要素に隣接する2.5次元要素は一辺5mの正方形要素とした。
In FIG. 12, the horizontal axis indicates the horizontal separation distance (−10,000 m to 10,000 m) from the
ケーシングパイプ長が1000mの場合は、図12、図13と同じモデルに深度0m〜1000mの区間に線要素を与えた。
この場合に、図11に示したケーシングパイプ10の径、肉厚および比抵抗から線要素の抵抗(単位長さあたりの抵抗)を0.000273469Ω/mと算出し、これをシミュレーション計算のための物性値とした。
When the casing pipe length was 1000 m, a line element was given to a section having a depth of 0 m to 1000 m in the same model as FIGS. 12 and 13.
In this case, the resistance of the line element (resistance per unit length) is calculated as 0.000273469 Ω / m from the diameter, thickness and specific resistance of the
次に、このアイデアが有効であることを示すための電位シミュレーション結果について説明する。まず、ケーシングパイプ長500mの場合について検討した。 Next, potential simulation results for showing that this idea is effective will be described. First, the case of a casing pipe length of 500 m was examined.
通電電流量を1Aとして、X=0,Z=0の節点にポイントソースとして電流を与えて、図10のフローの電位シミュレーション51に相当するシミュレーションを実施した。ケーシングパイプの深度が500mで、バックグラウンド抵抗がそれぞれ1,10,100,1000Ωの場合の電位シミュレーションにより得られたケーシングパイプの長手方向に沿う流出電流密度53(図10参照)の分布を図14(a)〜図14(d)にそれぞれ示した。図14(a)〜図14(d)はそれぞれ図15(a)〜図15(d)に示す電位分布図に対応している。
A simulation corresponding to the
流出電流密度は、図14(c)、(d)に示すように、バックグランド比抵抗が大きい場合には深度に関係なく概ね一定値を示している。一方、図14(a)、図14(b)に示すように、バックグランド比抵抗が小さくなると、流出電流密度は深度とともに急激に減衰して電流が深部まで到達しなくなることを示している。図15(a)〜図15(d)に示すように、電位分布もバックグランド比抵抗が小さくなるにつれて点電流源に対する電位分布に近づくことが分かる。 As shown in FIGS. 14C and 14D, the outflow current density has a substantially constant value regardless of the depth when the background specific resistance is large. On the other hand, as shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), when the background specific resistance is reduced, the outflow current density is abruptly attenuated with the depth and the current does not reach the deep part. As shown in FIGS. 15A to 15D, it can be seen that the potential distribution approaches the potential distribution for the point current source as the background specific resistance decreases.
次に、同様にケーシングパイプ長が1000mの場合の電流密度分布と電位分布を図16(a)〜図16(d)と図17(a)〜図17(d)に示した。電流密度分布の傾向は図15、図16に示したケーシングパイプ長が500mの場合と同様であるが、ケーシングパイプ長が長くなっただけ減衰の影響を強く受け、坑井底付近の流出電流密度は500mの場合よりもさらに小さくなる。 Next, similarly, the current density distribution and the potential distribution when the casing pipe length is 1000 m are shown in FIGS. 16 (a) to 16 (d) and FIGS. 17 (a) to 17 (d). The trend of the current density distribution is the same as that in the case where the casing pipe length shown in FIGS. 15 and 16 is 500 m. However, as the casing pipe length becomes longer, it is strongly affected by the attenuation, and the outflow current density near the well bottom Is even smaller than 500 m.
次に、検討モデルとして、水平多層構造モデルを用いた場合の電位シミュレーション結果について説明する。 Next, potential simulation results when a horizontal multilayer structure model is used as a study model will be described.
電位シミュレーションのための水平多層構造モデルを図18に示した。図18は、地層の比抵抗分布が一定の水平層が重層していると見做した例で、例えば地表から−500mまでの地層が深度方向に100、10、1、10、1、10Ωmの一定の比抵抗を有する水平層であると想定したものである。これらの比抵抗値は例えばケーシングパイプ10の沈下工程で得られた値を使用する。
A horizontal multilayer structure model for potential simulation is shown in FIG. FIG. 18 is an example in which it is assumed that horizontal layers with a constant specific resistance distribution are layered. For example, the layers from the surface to −500 m are 100, 10, 1, 10, 1, 10 Ωm in the depth direction. This is assumed to be a horizontal layer having a certain specific resistance. As these specific resistance values, for example, values obtained in the sinking process of the
シミュレーションによって求められた電位分布およびケーシングパイプ上の流出電流密度分布を図19に示した。ケーシングパイプの抵抗が無限小の場合、水平多層構造における各層の流出電流の大きさは地層比抵抗と反比例することが知られている。図18、図19の場合、ケーシングパイプの比抵抗が無限小ではないため、流出電流密度分布は地層比抵抗と概ね反比例しているものであり、さらに、これに加えて、ケーシングパイプの比抵抗の影響によって深度とともに流出電流量が減衰する傾向も認められた。 FIG. 19 shows the potential distribution obtained by the simulation and the outflow current density distribution on the casing pipe. When the resistance of the casing pipe is infinitely small, it is known that the magnitude of the outflow current of each layer in the horizontal multilayer structure is inversely proportional to the formation resistivity. 18 and 19, since the specific resistance of the casing pipe is not infinitely small, the outflow current density distribution is almost inversely proportional to the formation specific resistance. In addition, the specific resistance of the casing pipe is also added. There was also a tendency for the amount of outflow current to decay with depth due to the effect of.
また、現場測定を想定して、取得データに混入するノイズの影響を検討する目的で、シミュレーション結果から作成したデータセットに標準偏差が0.01mVおよび0.1mVの正規ノイズを与えたデータセットも併せてデータ作成54を行った(図10参照)。
In addition, for the purpose of examining the influence of noise mixed in the acquired data assuming on-site measurement, there is also a data set in which normal noises with standard deviations of 0.01 mV and 0.1 mV are given to the data set created from the simulation results. In addition,
図20に、バックグランド比抵抗が一様に1Ωmであるとし、ケーシングパイプ長500mの場合について、また、図21にはバックグランド比抵抗が一様に1Ωmであるとし、ケーシングパイプ長1000mの場合について、それぞれ、ノイズがない場合の電位シミュレーションによって作成された7つの電位データを示した。図20、図21は縦軸に深度(m)をとり、横軸に電位差(mV)(対数目盛)をとって、深度による電位差の分布を示した。ゾンデ1個を用いた1極測定、ゾンデ2個を用いた2極測定(それぞれ電極間隔5、25、50mのもの)、及びゾンデ3個を用いた3極測定(それぞれ電極間隔5、25、50mのもの)を示す7本の曲線が示されている。
FIG. 20 shows a case where the background specific resistance is uniformly 1 Ωm and the casing pipe length is 500 m. FIG. 21 shows a case where the background specific resistance is uniformly 1 Ωm and the casing pipe length is 1000 m. 7 shows the seven potential data created by the potential simulation when there is no noise. 20 and 21, the vertical axis represents the depth (m), and the horizontal axis represents the potential difference (mV) (logarithmic scale). 1 pole measurement with 1 sonde, 2 pole measurement with 2 sondes (each with
図20及び図21から、深度が深くなると電位が小さくなることが理解され、また、1極測定の方が電位が大きく、2、3極測定の順に電位が小さい。2、3極測定では電極間隔が小さいほど電位が小さい。また、ケーシングパイプ長1000mの方が測定電位レベルが小さくなり、500mの場合に比べて坑井底付近の精度低下が著しい。 From FIG. 20 and FIG. 21, it is understood that the potential decreases as the depth increases, and the potential is larger in the unipolar measurement, and the potential is smaller in the order of the second and third pole measurements. In the 2- and 3-pole measurement, the smaller the electrode interval, the smaller the potential. Further, the casing pipe length of 1000 m has a lower measurement potential level, and the accuracy near the bottom of the well is markedly lower than that of 500 m.
図22には水平多層構造モデルの場合のケーシングパイプ長を500mとしたときのデータを示す。水平多層構造モデルの場合、最小電極間隔5mにおける3極測定の測定データは実際の流出電流密分布と相似形となっており、このデータを見ただけで流出電流密度の相対的分布を把握することができる。しかし、電極間隔を大きく設定するにつれてローパスフィルターをかけたような滑らかな曲線形状となり高周波成分が欠如している。さらに、2極測定データは流出電流密度分布を1回積分した形になり、1極測定データは流出電流密度分布を2回積分した形となるため、積分回数に伴って高周波成分が消滅していくことも分かる。これらのことから、ノイズがない理想的な場合には、電極間隔を小さくして実施した3極測定のデータに最も多く高周波成分が含まれており、高分解能測定に向いていることが確認された。 FIG. 22 shows data when the casing pipe length is 500 m in the case of the horizontal multilayer structure model. In the case of the horizontal multilayer structure model, the measurement data of the three-pole measurement at the minimum electrode interval of 5 m is similar to the actual outflow current density distribution, and the relative distribution of outflow current density can be grasped only by looking at this data. be able to. However, as the electrode spacing is set larger, the curve becomes smoother as if a low-pass filter was applied, and high-frequency components are lacking. Furthermore, since the bipolar measurement data has a form in which the outflow current density distribution is integrated once, and the single pole measurement data has a form in which the outflow current density distribution is integrated twice, the high frequency component disappears with the number of integrations. I can see it going. From these facts, in the ideal case where there is no noise, it was confirmed that the data of the tripolar measurement carried out with a small electrode interval contained the highest amount of high frequency components and is suitable for high resolution measurement. It was.
一方、測定データにノイズが含まれている場合にはノイズレベル以下の測定値は意味を持たなくなるため、測定電位レベルの程度が解析結果の精度を支配する大きなファクターとなる。その観点から図20〜図22を見ると、電位および測定電位差の大きさは1極測定よりも2極測定の方が小さく、2極測定よりも3極測定の方が小さい。電極間隔が小さくなると電位差も小さくなる傾向にあり、高分解能を優先した上記の測定配置は、最もノイズの影響を受けやすい測定配置であるとも言える。 On the other hand, when the measurement data contains noise, the measurement value below the noise level has no meaning, and the level of the measurement potential level is a large factor that governs the accuracy of the analysis result. From FIG. 20 to FIG. 22 from this point of view, the magnitude of the potential and the measured potential difference is smaller in the 2-pole measurement than in the 1-pole measurement, and smaller in the 3-pole measurement than in the 2-pole measurement. As the electrode spacing decreases, the potential difference tends to decrease, and the above measurement arrangement giving priority to high resolution can be said to be the measurement arrangement most susceptible to noise.
実際の探査では、精度と分解能の両方の条件を満たす最適な配置を見極める必要がある。従って、ノイズレベルの異なるいくつかの測定ケースについて逆解析を実施して、実際の測定器を設計するための最適測定仕様に関する検討を行った。 In actual exploration, it is necessary to find an optimal arrangement that satisfies both accuracy and resolution requirements. Therefore, we conducted reverse analysis for several measurement cases with different noise levels, and examined the optimum measurement specifications for designing an actual measuring instrument.
上記のようにして作成したデータセットから、式(6)〜式(8)を解いて流出密度分布を推定した(図10の55)。 From the data set created as described above, the outflow density distribution was estimated by solving Equations (6) to (8) (55 in FIG. 10).
非適切性の問題やノイズの影響等によって上記式(6)〜式(8)は不安定であり、そのままでは有意な解が求められない。これらの問題を回避するため以下の(a)〜(d)の処理を施した。
(a)解の安定化のためアプリオリな先験条件として平坦化制約条件を与えた。
(b)電流密度は場所により2桁以上変化することが考えられことや、負の値をとらないことが予めわかっているため、未知数gj(j=1〜m)を対数変換してから逆解析を行った。
(c)上記式(6)〜式(8)は線形な方程式であるが、未知数の対数変換に伴って非線形となる。従って、均一な電流密度を初期モデルとしてスタートしてイタレーションによって逐次修正する方法によって解を求めた。
(d)電流量の総計は既知であるから、これを制約条件として加えた。
The above formulas (6) to (8) are unstable due to the problem of improperness or the influence of noise, and a significant solution cannot be obtained as they are. In order to avoid these problems, the following treatments (a) to (d) were performed.
(A) A flattening constraint was given as an a priori a priori condition for solution stabilization.
(B) Since it is known in advance that the current density may change by two digits or more depending on the location and does not take a negative value, the unknown g j (j = 1 to m) is log-transformed. Inverse analysis was performed.
(C) Although the above equations (6) to (8) are linear equations, they become non-linear with the logarithmic transformation of unknowns. Therefore, a solution was obtained by a method in which a uniform current density was started as an initial model and was sequentially corrected by iteration.
(D) Since the total amount of current is known, this was added as a constraint.
以上のように逆解析して求めた流出電流密度分布の推定値56(図10参照)を、電位シミュレーションで直接求められた真の流出電流密度分布と重ね合わせて図23〜図31に示した。 The estimated value 56 (see FIG. 10) of the outflow current density distribution obtained by the inverse analysis as described above is superimposed on the true outflow current density distribution directly obtained by the potential simulation and shown in FIGS. .
図23はケーシングパイプ長(深度)500m、バックグランド比抵抗1Ωm、ノイズのない場合の電流密度分布の解析結果を示すものである。図中黒丸は真の電流密度分布を示し、実線は解析結果を示すものである。両者はよく一致している。なお、図中(a)〜(g)は図20と同様に1極測定、2極測定(Δ5m、Δ25m、Δ50m)及び3曲測定(Δ5m、Δ25m、Δ50m)を示している。 FIG. 23 shows the analysis result of the current density distribution when the casing pipe length (depth) is 500 m, the background specific resistance is 1 Ωm, and there is no noise. In the figure, black circles indicate the true current density distribution, and solid lines indicate the analysis results. Both agree well. In addition, (a)-(g) in the figure has shown 1 pole measurement, 2 pole measurement ((DELTA) 5m, (DELTA) 25m, (DELTA) 50m), and 3 music measurement ((DELTA) 5m, (DELTA) 25m, (DELTA) 50m) similarly to FIG.
図24,図25は図23と同様でそれぞれノイズ0.01mV及び0.1mVとした点だけが異なっている。図24,図25では真の電流密度分布(図中の黒丸)と解析結果(図中の実線)と少し偏倚がある。 24 and 25 are the same as FIG. 23, except that the noise is 0.01 mV and 0.1 mV, respectively. 24 and 25, there is a slight deviation between the true current density distribution (black circle in the figure) and the analysis result (solid line in the figure).
図26〜図28はケーシングパイプ長(深度)1000m、バックグランド比抵抗1Ωm、ノイズはそれぞれなし、0.01mV、0.1mVとした場合の電流密度分布の解析結果を示したものである。その他の表示は図23〜図25と同様である。 26 to 28 show the analysis results of the current density distribution when the casing pipe length (depth) is 1000 m, the background specific resistance is 1 Ωm, there is no noise, and 0.01 mV and 0.1 mV, respectively. Other displays are the same as those shown in FIGS.
図29〜図31はケーシングパイプ長(深度)500m、水平多層構造モデルで、それぞれノイズなし、ノイズ0.01mV及びノイズ0.1mVとした場合の電流密度分布の解析結果を示したものである。その他の表示は図23〜図25と同様である。図24〜図25、図27〜図28、図30〜図31中には、ノイズレベル以下の領域となる部分を矢印を付した折れ線で示した。 FIGS. 29 to 31 show analysis results of the current density distribution when the casing pipe length (depth) is 500 m and the horizontal multilayer structure model is set to have no noise, noise of 0.01 mV, and noise of 0.1 mV, respectively. Other displays are the same as those shown in FIGS. In FIGS. 24 to 25, FIGS. 27 to 28, and FIGS. 30 to 31, portions that become regions below the noise level are indicated by broken lines with arrows.
以上の結果に加えて、バックグランド比抵抗が1Ωm、10Ωm、100Ωm、1000Ωmのケースについて同様の解析を行った。それらの解析から、ケーシングパイプ長、測定方法、ノイズ条件による解析誤差の違いについて、図32〜図40に示した。 In addition to the above results, the same analysis was performed for cases where the background specific resistance was 1Ωm, 10Ωm, 100Ωm, and 1000Ωm. From these analyses, differences in analysis error due to casing pipe length, measurement method, and noise conditions are shown in FIGS.
図32〜図35は、均一な比抵抗モデルで、バックグランド比抵抗が1Ωm、10Ωm、100Ωm、1000Ωmのケースについて、ケーシングパイプ長500mの場合の解析誤差について、それぞれ、1極測定、2極測定(電極間隔Δ5m、Δ25m、Δ50m)及び3極測定(電極間隔Δ5m、Δ25m、Δ50m)ごとに、それぞれ、ノイズなし(ノイズフリー)の場合、ノイズが0.01mVの場合、ノイズが0.1mVの場合について示したものである。 FIGS. 32 to 35 are uniform resistivity models, for cases where the background resistivity is 1 Ωm, 10 Ωm, 100 Ωm, and 1000 Ωm, and for analysis errors in the case of a casing pipe length of 500 m, one pole measurement and two pole measurement, respectively. For each of (electrode spacing Δ5m, Δ25m, Δ50m) and tripolar measurement (electrode spacing Δ5m, Δ25m, Δ50m), no noise (noise free), noise is 0.01 mV, noise is 0.1 mV The case is shown.
図36〜図39は、均一な比抵抗モデルで、バックグランド比抵抗が1Ωm、10Ωm、100Ωm、1000Ωmのケースについて、ケーシングパイプ長1000mの場合の解析誤差について、上記図32〜図35と同様な測定方法、ノイズ条件の場合について示したものである。 FIGS. 36 to 39 are uniform resistivity models, and analysis errors in the case where the background resistivity is 1Ωm, 10Ωm, 100Ωm, and 1000Ωm and the casing pipe length is 1000 m are the same as those in FIGS. The measurement method and noise conditions are shown.
図40は、水平多層構造モデルで、ケーシングパイプ長500mの場合の解析誤差について、上記図32〜図35と同様な測定方法、ノイズ条件の場合について示したものである。 FIG. 40 shows the analysis error when the casing pipe length is 500 m in the horizontal multilayer structure model, in the case of the measurement method and noise conditions similar to those of FIGS.
以上の図32〜図40に示した逆解析の結果をまとめると以下の(A)(B)のとおりである。 The results of the inverse analysis shown in FIGS. 32 to 40 are summarized as follows (A) and (B).
(A)均一比抵抗モデルの場合
ノイズがない場合には、いずれの場合でも流出電流密度分布は精度よく再現されている。ノイズが大きくなるに従って再現性は悪くなり、逆解析の精度が次第に低下する傾向が認められる。電位又は電位差の測定データの大きさがノイズレベルよりも大きな区間では真の流出電流密度分布は概ね再現されるが、測定データの大きさがノイズレベルを下まわる深部の区間においては再現性の低下が認められる。
(A) Uniform resistivity model In the absence of noise, the outflow current density distribution is accurately reproduced in any case. As the noise increases, the reproducibility becomes worse and the accuracy of the inverse analysis gradually decreases. True outflow current density distribution is generally reproduced in the section where the measurement data of potential or potential difference is larger than the noise level, but the reproducibility decreases in the deep section where the measurement data is below the noise level. Is recognized.
測定電位レベルが小さくなるケーシングパイプ長(深度)1000mの場合の方がケーシングパイプ長(深度)500mの場合に比べて坑井底付近の精度低下が著しい。 In the case of the casing pipe length (depth) of 1000 m where the measured potential level is small, the accuracy drop near the bottom of the well is remarkable compared to the case of the casing pipe length (depth) of 500 m.
バックグランド比抵抗が小さくなるほどノイズの影響は強くなる。これも、測定電位が小さくなるためと考えられる。 The influence of noise increases as the background specific resistance decreases. This is also considered to be because the measurement potential becomes small.
ケーシングパイプ長手方向に沿う電位を測定するに当って、1極測定、2極測定、3極測定においては極数が多い程、ノイズによる精度低下の影響が強く認められる。これは、極数が多い程、電位差の測定値が小さいためと考えられる。また、2極測定および3極測定では電極間隔が小さくなるほどノイズの影響による精度低下が強く認められる。これも電極間隔を小さくとることによって測定される電位差が小さくなるためと考えられる。 In measuring the potential along the longitudinal direction of the casing pipe, the influence of noise deterioration due to noise is strongly recognized as the number of poles increases in one-pole measurement, two-pole measurement, and three-pole measurement. This is presumably because the measured value of the potential difference is smaller as the number of poles is larger. Further, in the two-pole measurement and the three-pole measurement, a decrease in accuracy due to the influence of noise is strongly recognized as the electrode interval decreases. This is also because the potential difference measured by reducing the electrode spacing is reduced.
(B)水平多層構造モデルの場合
水平多層構造モデルでは、均一比抵抗モデルに比べてケーシングパイプ長手方向に沿う流出電流密度分布の再現性が悪い。これは、流出電流密度が急激に変化する部分においては、逆解析では精度良く再現できず、実際の流出電流密度分布がなだらかな変化をする分布として表現されているためである。この傾向はノイズレベルが高くなるほど著しい。これは、データが足りないことやノイズの影響によって高周波成分が精度よく求められないためと考えられる。
(B) In the case of the horizontal multilayer structure model The horizontal multilayer structure model has poor reproducibility of the outflow current density distribution along the longitudinal direction of the casing pipe as compared with the uniform specific resistance model. This is because the portion where the outflow current density changes abruptly cannot be accurately reproduced by the inverse analysis, and the actual outflow current density distribution is expressed as a gentle change distribution. This tendency becomes more prominent as the noise level becomes higher. This is presumably because high-frequency components cannot be accurately obtained due to lack of data or the influence of noise.
ノイズがない場合には、1極測定、2極測定、3極測定において、極数の多い方が、分解能が高い解析結果が得られ再現性も優れている。また、同じ電極配量であれば、電極間隔が小さくなるほど分解能が高い解析結果が得られ、再現性も優れている。 When there is no noise, in one-pole measurement, two-pole measurement, and three-pole measurement, an analysis result with higher resolution is obtained and the reproducibility is superior when the number of poles is large. Moreover, if the electrode distribution is the same, an analysis result with higher resolution can be obtained as the electrode interval is reduced, and the reproducibility is excellent.
−方、ノイズがある場合は、電極間隔が小さくなるほどノイズの影響による精度低下が強く認められる。これは電極間隔を小さくとることによって、測定される電位差が小さくなり、ノイズの影響を受けやすくなるためと考えられる。 -On the other hand, when there is noise, a decrease in accuracy due to the influence of noise is strongly recognized as the electrode interval is reduced. This is considered to be due to the fact that the measured potential difference becomes smaller and is more susceptible to noise by reducing the electrode spacing.
3極測定(電極間隔5m)でノイズ0.1mVのケースでは、初期モデルとして与えた均一な流出電流密度分布が全く改善されず、そのまま解析結果として出力された。これは、測定された電位差データが全区間でノイズレベルを下回っており、漏電電流密庚を決定するための有意な情報が欠如していたためと考えられる。
In the case of tripolar measurement (
同じく3極測定(電極間隔5m)でノイズレベルが0.01mVのケースでも、1極測定や2極測定、あるいは電極間隔を大きくとった3極測定に比べて再現性が劣っていた。これは測定データの電位レベルが約半分の区間でノイズレベル以下であったためと考えられる。
Similarly, even in the case of tripolar measurement (
以上のシミュレーション検討の結果をまとめると、以下の(イ)〜(ホ)のとおりである。
(イ)測定データに含まれる高周波成分は3極測定、2極測定、1極測定の順に減少することが確認された。従って、分解能の高い解析結果を得るためには、電極数が多い方が有利である。
(ロ)測定電位(電位差)のレベルがノイズレベル以下の区間では、逆解析精度が著しく低下する。従って、ノイズの影響を押さえるためには、測定データの値が大きくなる配置を選定する必要がある。
(ハ)1極測定は測定電位レベルが高いものの、遠電極ケーブルに混入するノイズを拾うことによりノイズレベルも高くなることが想定される。2極測定あるいは3極測定において電極間隔を極力大きく設定する方が、精度が向上する。
(ニ)検討したモデルの中で最も条件の悪い、ケーシングパイプ長が1000m、バックグランド比抵抗が1Ωmの場合、ノイズレベルが0.01mV(10nV)以下であれば、測定電極配置や電極間隔の選択を適切に行うことによって、概略の流出電流密度分布を決めることが可能である。この場合、電極間隔が50mで、測定配置が2極測定の場合が有効であった。
(ホ)ケーシングパイプ内で通電したデータ使うことで精度が向上することが示された。
The results of the above simulation studies are summarized as follows (a) to (e).
(A) It was confirmed that the high frequency component contained in the measurement data decreased in the order of tripolar measurement, bipolar measurement, and monopolar measurement. Therefore, in order to obtain an analysis result with high resolution, it is advantageous that the number of electrodes is large.
(B) In the interval where the level of the measured potential (potential difference) is less than or equal to the noise level, the accuracy of reverse analysis is significantly reduced. Therefore, in order to suppress the influence of noise, it is necessary to select an arrangement that increases the value of the measurement data.
(C) Although the one-pole measurement has a high measurement potential level, it is assumed that the noise level also increases by picking up noise mixed in the far electrode cable. The accuracy is improved by setting the electrode interval as large as possible in the two-pole measurement or the three-pole measurement.
(D) If the casing pipe length is 1000 m and the background specific resistance is 1 Ωm, and the noise level is 0.01 mV (10 nV) or less, the measurement electrode arrangement and electrode spacing By making an appropriate selection, it is possible to determine an approximate outflow current density distribution. In this case, the case where the electrode interval was 50 m and the measurement arrangement was bipolar measurement was effective.
(E) It was shown that the accuracy is improved by using data energized in the casing pipe.
以上のことから、測定機器は次の(i)〜(iii)の要件を充足する必要がある。
(i)測定電位レベルを0.01mV以上とした場合、ノイズレベルについては0.01mV以下に抑える必要がある。
(ii)測定電位レベルが地質条件に左右されることを考慮すると、測定電位レベルを現場で簡単に変更できるような設計とすることが望ましく、2極測定と3極測定を両方並行して測定できるタイプとし、電極間隔を簡単に変更できるように電極ゾンデ間に電極間隔調整のための延長ケーブルが挿入できるようにするとよい。
(iii)実測データによる測定電位レベルやノイズレベルの検討に基いて詳細な仕様を決定することが必要である。
From the above, the measuring device needs to satisfy the following requirements (i) to (iii).
(I) When the measured potential level is 0.01 mV or higher, the noise level must be suppressed to 0.01 mV or lower.
(Ii) Considering that the measurement potential level depends on geological conditions, it is desirable to design the measurement potential level so that it can be easily changed in the field. Both 2-pole measurement and 3-pole measurement are measured in parallel. It is preferable that an extension cable for adjusting the electrode interval can be inserted between the electrode probes so that the electrode interval can be easily changed.
(Iii) It is necessary to determine detailed specifications based on the examination of the measured potential level and noise level based on the actual measurement data.
次に、坑井内通電によるケーシングパイプ流出電流測定に当って、深度が1000mを超える場合、あるいはバックグランド比抵抗が1Ωmを下回る場合には、坑井口通電によって深部の電流密度分布を求めることが難しいことから、これを補うためには、坑井内で電流を流す手段を併用する必要がある。 Next, when measuring the outflow current of the casing pipe by energization in the well, when the depth exceeds 1000 m or the background specific resistance is less than 1 Ωm, it is difficult to obtain the current density distribution in the deep part by energizing the well opening. Therefore, in order to compensate for this, it is necessary to use a means for flowing current in the well.
ケーシングパイプ長(深度)が、1000mを超える場合、又はバックグランド比抵抗が小さい場合は、図8に示すようなケーシングパイプ10の最上端(坑井口)43から電流計42により流出電流を測定するシステムに代えて、図41に示すように、ケーシングパイプ10内に検出端44を挿入して測定する。図41は実施例の補助装置を示す模式図であって、ケーシングパイプ10内に挿入した3個のゾンデ40a,40b,40cに電圧を負荷して電位差ΔV1,ΔV2を発生させ、検出端44で流出電流を測定する装置を示している。
When the casing pipe length (depth) exceeds 1000 m, or when the background specific resistance is small, the outflow current is measured by the
坑井内通電で得られたデータから坑井口通電時の流出電流密度分布を求めるためには、ケーシングパイプ10の電気抵抗およびケーシングパイプ10と周辺地山の間の接地抵抗からなる抵抗回路網モデルを作成してモデルパラメータ(抵抗値)を決定した後、電流密度分布を計算する必要がある。線要素を使った3次元比抵抗逆解析の際に、これらの坑井口測定データを比抵抗データと共に一緒に解析する方法が考えられる。
In order to obtain the outflow current density distribution at the time of energization of the well opening from the data obtained by energization in the well, a resistance network model comprising the electrical resistance of the
ここでは、抵抗回路網を使った解析方法についてシミュレーション検討した結果を示す。検討は図10のフローに示した手順に従い、図10の逆解析55の方法として抵抗回路網を使った方法を使って回路網の抵抗値を求めた後、電流密度分布の推定値56を求めた。
Here, the results of a simulation study on an analysis method using a resistor network are shown. The examination follows the procedure shown in the flow of FIG. 10, and after obtaining the resistance value of the network using the method using the resistance network as the method of the
シミュレーション・データを作成するにあたっては、次のような測定を想定した。すなわち、図42示すように、ケーシングパイプ10の中に測定ゾンデを降下させ、電流電極C1において通電を行いながら2つの電極P1とP2の間で電位差を測定する。これが終了したら、ゾンデを5m移動して同様の測定を繰り返し、ケーシングパイプ内の各深度で同様のデータを取得するものとした。電流電極C1と電極P1との間隔は5mとし、P1とP2の間隔については5mおよび25m、50mの3種類のシミュレーション・データを作成した。なお、電位シミュレーションは前述のシミュレーションと同様に2.5次元FEMを用いた。
In creating simulation data, the following measurements were assumed. That is, as shown in FIG. 42, the measurement sonde is lowered into the
抵抗回路網を使って解析された電流密度分布(深度0の地点で通電した時の分布)と、元々のFEMシミュレーションによる電流密度分布53(図10参照)との比較を図43に示した。図43の(a)は電極P1とP2の間隔が5mのデータを使って解析した結果、図43の(b)は電極P1とP2の間隔が5mおよび25mのデータを両方使って解析した結果、図43の(c)は電極P1とP2の間隔が5mおよび25m、50mの3種類のデータを全て使って解析した結果である。孔口通電のデータから解析した図29および図30、図31に比べると精度は高く、また使ったデータの種類が増えると共に精度がよくなることが確認された。 FIG. 43 shows a comparison between the current density distribution analyzed using the resistance network (distribution when energized at a point of depth 0) and the current density distribution 53 (see FIG. 10) based on the original FEM simulation. 43 (a) shows the result of analysis using data with an interval between the electrodes P1 and P2 of 5 m, and FIG. 43 (b) shows the result of analysis using data with an interval between the electrodes P1 and P2 of 5 m and 25 m. FIG. 43 (c) shows the result of analysis using all three types of data in which the distance between the electrodes P1 and P2 is 5 m, 25 m, and 50 m. It was confirmed that the accuracy was higher than that of FIGS. 29, 30, and 31 analyzed from the data of energization of the hole opening, and the accuracy improved as the types of data used increased.
本発明における測定物理対象は、ケーシングパイプ坑井内の微小電圧(最小入力換算電圧分解能10μv)および電流である。それによって、以下の2つの測定を実施する。
(1)規定ケーシングパイプ区間のケーシングパイプの電気抵抗
(2)規定ケーシングパイプ区間の地層への流出電流
ケーシングパイプ10の電気抵抗を算出する場合には、坑井内のゾンデ電極から閉回路でケーシングパイプ10ヘ電流を流すため、1本のツールのパッドに電流通電用と電圧測定用の電極を取り付け、坑井内ツール間でケーシングパイプに電流を流すこととする。坑井内電流駆動用ユニットツールを別途坑井内に挿入してもよいが、現実的な操作、安全性、コストなどの点で推奨できない。また、電流注入量やその他物理関係からの妥当性を考慮する必要がある。
The measurement physical object in the present invention is a minute voltage (minimum input
(1) Electrical resistance of the casing pipe in the specified casing pipe section (2) Outflow current to the formation in the specified casing pipe section When calculating the electrical resistance of the
なお、電極間隔は中継接続ケーブルの長さを変更することによって任意に定めることができる。この場合、測定システムとしては微小電圧を安定に測定できるようにする。 The electrode spacing can be arbitrarily determined by changing the length of the relay connection cable. In this case, the measurement system can measure a minute voltage stably.
坑井内システムは、基本ツールユニットの組み合わせとなり、上下ツールの電極パッドの最上端と最下端の電極は、電流電極としての役目を持つものとする。この場合、電流のパスを変える場合にも対応できるように、システムに汎用性を持たせるため、この電極を電流電極としてだけではなくその他にも使用できるようにしておくと好ましい。 The borehole system is a combination of basic tool units, and the uppermost electrode and the lowermost electrode of the upper and lower tool electrode pads serve as current electrodes. In this case, it is preferable that this electrode can be used not only as a current electrode but also in other cases so that the system can have general versatility so that the current path can be changed.
10 ケーシングパイプ
11 トランスミッタ
12 電流
13 電源
20 レコーダ
21 コンピュータ
31 解析モデル
32 測定データ
33 品質チェック
34 初期比抵抗モデルの作成及び設定
35 理論電位計算
36 残差
37 収束判定
38 比抵抗モデルの修正
39 比抵抗分布の出力
40,40a,40b,40c ゾンデ
41 電圧計
42 電流計
43 坑井口
44 検出端
45 電圧計
51 電位シミュレーション
52 電位データ
53 電流密度分布
54 データ作成
55 逆解析
56 電流密度分布の推定値
57 比較検討
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