JP2017032309A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液二相状態における多孔質物体の浸透試験において気体と液体の流量を高精度に測定できる流量測定装置を提供する。【解決手段】流量測定装置１００は、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２に設置されたエンドキャップ３と、エンドキャップ３の内部に設けられ、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２に連通する気液分離器４とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、流量測定装置に関する。

二酸化炭素の地中貯留（CCS＝Carbon dioxide Capture and Storage）や石油生産や天然ガス生産等を行う際には、地層流体の挙動を評価（予測）する必要がある。このような挙動評価においては、岩石等の多孔質物体中を流れる気体と液体の相対浸透率が重要な評価指標となる。

相対浸透率の算出方法としては、岩石試料を備えた試験装置を用意し、液体で飽和した岩石試料に気体を圧入することで岩石試料中から気体と液体を流出させ、流出した気体と液体の各流量を測定し、この測定流量に基づいて相対浸透率を算出する方法が一般的である（例えば特許文献１参照）。

また、近年では、地下深部と同じ環境条件（例えば圧力条件、温度条件等）を岩石試料に与えて、岩石試料中から流出する気体と液体の各流量を測定できる試験装置が開発されている。

この種の試験装置としては、例えば図４に示すものがある。図４に示す従来の流量測定装置２００は、岩石試料２００Ａに封圧を加える圧力容器２１０と、岩石試料２００Ａの外周面を覆う被覆材２２０と、岩石試料２００Ａの上流端および下流端を覆うエンドキャップ２３０，２３０と、圧力容器２１０の外部に設置された気液分離器２４０と、岩石試料２００Ａの下流端と気液分離器２４０とを接続する配管２５０とを備えている。また、流量測定装置２００は、気液分離器２４０内の気体を外部へ排出するための配管２８０ａと、気液分離器２４０内の液体を外部へ排出するための配管２８０ｂと、配管２８０ａの途中に設置され気液分離器２４０内から排出される気体の流量を測定する気体流量計２６０と、気液分離器２４０の上端（配管２８０ａ内）と下端（配管２８０ｂ内）の圧力差を測定する差圧計２７０と、配管２８０ｂの下流端に設置されたバルブ２９０とを備えている。

この流量測定装置２００においては、二酸化炭素等の気体と水や油等（液体）の組み合わせが測定用流体として使用される。以下の説明では、二酸化炭素と水の組み合わせを測定用流体とする場合を例示する。

流量測定装置２００を使用した試験では、まず水で飽和した岩石試料２００Ａに二酸化炭素を圧入する。このとき、バルブ２９０を閉鎖し、系から水が流出しないようにしておく。また、二酸化炭素を圧入する前の気液分離器２４０内の液位は、配管２８０ｂよりも高い位置に設定しておく。二酸化炭素を圧入すると、岩石試料２００Ａの間隙内の水が押し出される。その後、圧入した二酸化炭素が岩石試料２００Ａの下流端に到達すると、二酸化炭素と水の混合流体が配管２５０内へ流入する。流入した混合流体は、配管２５０を通じて気液分離器２４０に到達する。

気液分離器２４０に到達した二酸化炭素は、配管２８０ａを通じて外部へ排出された後、気体流量計２６０内へと流入する。そして、気体流量計２６０により二酸化炭素の流量が測定される。

一方、水は、バルブ２９０が閉鎖されているため、気液分離器２４０内に溜まっていく。そして、気液分離器２４０の上端（配管２８０ａ内）と下端（配管２８０ｂ内）の圧力差を差圧計２７０により測定し、この測定値を水の密度と重力加速度で除することにより気液分離器２４０内の水面高さを求め、気液分離器２４０内の水の容積を計測する。これにより、水の流量が測定される。

特開２００９−２９４１６６号公報

従来の流量測定装置２００では、岩石試料２００Ａと気液分離器２４０との間に配管２５０が設置されるため、岩石試料２００Ａから流出した混合流体が気液分離器２４０に到達するまでに時間差が生じる。

また、従来の流量測定装置２００では、混合流体が配管２５０内で気体と液体とに分離し易いため、液体が気体（気泡）を間に挟んで管軸方向に沿って不連続に流れ、液体が気液分離器２４０内へと間欠的に流入していた。このため、気体と液体の流量の測定精度が低下し、気体と液体の相対浸透率を高精度に算出できなかった。

本発明は、このような観点から創案されたものであり、気液二相状態における多孔質物体の浸透試験において気体と液体の流量を高精度に測定できる流量測定装置を提供することを課題とする。

前記の課題を解決するために、本発明に係る流量測定装置は、気液二相状態における多孔質物体の浸透試験において気体と液体の流量を測定する装置であり、前記多孔質物体の下流端に設置されたエンドキャップと、前記エンドキャップの内部に設けられ、前記多孔質物体の下流端に連通する気液分離器と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、多孔質物体と気液分離器との間に配管がないため、多孔質物体から流出した流体が気液分離器に到達するまでの時間を従来よりも短縮できる。また、本発明によれば、多孔質物体から流出した流体が気液分離器内へ直に流入するため、液体が気体を間に挟んで流れることなく気液分離器内へ連続的に流入できる。これにより、気体と液体の流量を高精度に測定できる。

本発明に係る流量測定装置によれば、気液二相状態における多孔質物体の浸透試験において気体と液体の流量を高精度に測定できる。

本発明の実施形態に係る流量測定装置を示す概略構成図である。 実施形態に係る流量測定装置を使用した試験方法を示す模式図である。 二酸化炭素等の圧入気体と水の各流量の経時変化を表すグラフである。 従来の流量測定装置を示す概略構成図である。

本発明の実施形態に係る流量測定装置について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本実施形態では、二酸化炭素（気体）と二酸化炭素で飽和した水（液体）を測定用流体とする場合を例示する。

図１に示すように、本実施形態に係る流量測定装置１００は、気液二相状態における岩石試料（多孔質物体）１００Ａの浸透試験において二酸化炭素と水の各流量を測定する試験装置である。
流量測定装置１００は、圧力容器１と、被覆材２と、エンドキャップ３，３と、気液分離器４と、ポーラスストーン５，５とを備えている。また、流量測定装置１００は、岩石試料１００Ａの上流側に配置された気液供給配管６、気体用上流ポンプ７および液体用上流ポンプ８を備えている。さらに、流量測定装置１００は、岩石試料１００Ａの下流側に配置された気体排出配管９、気体流量計１１、レギュレータ１０、加圧装置２０、液体排出配管１２、差圧計１３、液体貯蔵タンク１４および液体用下流ポンプ１５を備えている。

なお、本実施形態では、岩石試料１００Ａとして、地表に露出した岩石、または、ボーリングにより採取した岩石等を円柱状に加工したものを使用するが、岩石試料１００Ａの形状を限定する趣旨ではない。

＜圧力容器＞
圧力容器１は、岩石試料１００Ａに封圧を加えるものである。この圧力容器１により、地下深部と同じ高圧環境を岩石試料１００Ａに与えることができる。圧力容器１の内部には、例えばオイルや水等の封圧媒体が供給される。図示は省略するが、圧力容器１には、封圧媒体を供給する封圧媒体供給装置、封圧を測定する圧力センサ、圧力容器１内の温度を調節する温度調節装置、温度を測定する温度センサ等が付設されている。

＜被覆材＞
被覆材２は、岩石試料１００Ａの外周面（測定用流体の流れ方向と平行に延在する面）を覆って、封圧媒体が岩石試料１００Ａ内へ流入するのを防ぐものである。本実施形態の被覆材２は、円筒状を呈する。被覆材２は、例えばシリコンゴム等から成る。被覆材２は、その他のゴムでもよい。

＜エンドキャップ＞
エンドキャップ３，３は、岩石試料１００Ａの上流端１００Ａ１および下流端１００Ａ２（測定用流体の流れ方向と直交する面）を覆って、封圧媒体が岩石試料１００Ａ内へ流入するのを防ぐものである。上流側のエンドキャップ３は、岩石試料１００Ａの上流端１００Ａ１に設置されている。下流側のエンドキャップ３は、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２に設置されている。エンドキャップ３と岩石試料１００Ａとの間には、ポーラスストーン５が介設されている。エンドキャップ３は、例えば金属等から成る。

上流側のエンドキャップ３は、円筒状を呈する。上流側のエンドキャップ３には、二酸化炭素または水を岩石試料１００Ａへ供給するための気液供給孔３ａが形成されている。気液供給孔３ａは、エンドキャップ３の軸方向一端面（下端面）から軸方向他端面（上端面）に亘って形成されている。

下流側のエンドキャップ３は、岩石試料１００Ａ側に開口する有底円筒状を呈する。下流側のエンドキャップ３の内部には、空間３ｂが形成されている。空間３ｂは、エンドキャップ３の軸方向一端面（下端面）から軸方向の中間部付近に亘って形成されている。

＜気液分離器＞
気液分離器４は、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２から流出した混合流体を二酸化炭素と水とに分離するものである。気液分離器４は、岩石試料１００Ａ側に開口する有底円筒状を呈する。気液分離器４は、例えば金属製の容器等から成る。気液分離器４は、下流側のエンドキャップ３の空間３ｂ内に設けられている。なお、気液分離器４は、下流側のエンドキャップ３と一体に構成されてもよい。この場合には、エンドキャップ３の空間３ｂが特許請求の範囲の気液分離器として機能する。

気液分離器４には、二酸化炭素と水が流入する流入穴４ａが形成されている。流入穴４ａは、気液分離器４の軸方向一端面（下端面）から軸方向他端面（上端面）付近に亘って形成されている。

下流側のエンドキャップ３と気液分離器４には、気液分離器４内（流入穴４ａ内）から外部へ二酸化炭素を排出するための気体排出孔３ｃと、気液分離器４内から外部へ水を排出するための液体排出孔３ｄとが形成されている。気体排出孔３ｃと液体排出孔３ｄは、下流側のエンドキャップ３の側壁と気液分離器４の側壁とを貫通する貫通孔である。２つの側壁は、いずれも測定用流体の流れ方向と平行に延在する部位である。気体排出孔３ｃと液体排出孔３ｄは、エンドキャップ３および気液分離器４の軸線（中心線）に対して直交するように（９０度だけ傾斜するように）形成されている。気体排出孔３ｃは、液体排出孔３ｄよりも上方に位置している。これにより、流入穴４ａ内へ流入した二酸化炭素と水は、気体排出孔３ｃと液体排出孔３ｄ内から外部へ別々に排出される。なお、気体排出孔３ｃと液体排出孔３ｄの傾斜角度は適宜変更してよい。

＜ポーラスストーン＞
ポーラスストーン５，５は、岩石試料１００Ａの上流端１００Ａ１と上流側のエンドキャップ３との間、および、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２と下流側のエンドキャップ３（気液分離器４）との間に設置されている。上流側のポーラスストーン５は、岩石試料１００Ａの上流端１００Ａ１における通水を良くするためのものである。下流側のポーラスストーン５は、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２における通水を良くするためのものである。

＜気液供給配管＞
気液供給配管６は、二酸化炭素または水を岩石試料１００Ａへ供給するための配管である。気液供給配管６の下流端は、上流側のエンドキャップ３の気液供給孔３ａに接続されている。

＜気体用上流ポンプ＞
気体用上流ポンプ７は、二酸化炭素を岩石試料１００Ａへ定流量で供給（圧入）するものである。気体用上流ポンプ７は、気液供給配管６の途中に設置されている。気体用上流ポンプ７は、例えばシリンジポンプ等から成る。

＜液体用上流ポンプ＞
液体用上流ポンプ８は、岩石試料１００Ａへ水を定流量で供給（圧入）するものである。液体用上流ポンプ８は、バルブ１６および配管１７を介して、気液供給配管６に接続されている。液体用上流ポンプ８は、例えばシリンジポンプ等から成る。水を供給するときには、バルブ１６を操作して配管１７と気液供給配管６とを連通し、液体用上流ポンプ８を作動させればよい。水の供給を停止するときには、液体用上流ポンプ８を停止させ、バルブ１６を操作して配管１７と気液供給配管６とを遮断すればよい。

＜気体排出配管＞
気体排出配管９は、気液分離器４（エンドキャップ３）内の二酸化炭素を圧力容器１の外部へ排出するための配管である。気体排出配管９の上流端は、上流側のエンドキャップ３の気体排出孔３ｃに接続されている。

＜気体流量計＞
気体流量計１１は、気液分離器４内から排出される二酸化炭素の流量を測定するものである。気体流量計１１は、レギュレータ１０の上流側において、気体排出配管９の途中に設置されている。

＜レギュレータ＞
レギュレータ１０は、二酸化炭素が排出される以前も含めた試験開始時から試験終了時に亘って、加圧装置２０から供給されるガスや岩石試料１００Ａから排出される二酸化炭素をレギュレータ１０から排出することにより、背圧を一定に保持するものである。レギュレータ１０は、気体流量計１１の下流側において、気体排出配管９の途中に設置されている。

＜加圧装置＞
加圧装置２０は、背圧の制御に必要な圧力源として機能する装置である。加圧装置２０は、配管２１を介して、レギュレータ１０に接続されている。加圧装置２０は、例えばコンプレッサやポンプ等から成る。なお、レギュレータ１０を背圧弁に替え、加圧装置２０および配管２１を省略してもよい。

＜液体排出配管＞
液体排出配管１２は、気液分離器４（エンドキャップ３）内の水を圧力容器１の外部へ排出するための配管である。液体排出配管１２の上流端は、下流側のエンドキャップ３の液体排出孔３ｄに接続されている。

＜差圧計＞
差圧計１３は、気体排出配管９内と液体排出配管１２内の圧力差を測定するものである。差圧計１３は、圧力容器１の外部において、気体排出配管９と液体排出配管１２とに接続されている。差圧計１３の内部空間は、上下方向に沿って一定の水平断面積に形成されている。

差圧計１３により測定された圧力差は、気液分離器４内における水の流量計測および液位確認に用いられる。すなわち、水の流量計測を行う際には、気液分離器４の上端（気体排出配管９内）と下端（液体排出配管１２内）の圧力差を差圧計１３により測定し、この測定値を水の密度と重力加速度で除することにより気液分離器４内の水面高さを求め、気液分離器４内の水の容積を計測する。なお、差圧計１３により圧力差を測定する際には、液体排出配管１２の下流側に設置されているバルブ１８を閉鎖し、系から水が流出しないようにする。

一方、液位確認を行う際には、圧力差と気液分離器４内の液位（水位）との関係を予め調べておき、この関係を用いて差圧計１３により測定した圧力差から気液分離器４内の液位を算出する。

＜液体貯蔵タンク＞
液体貯蔵タンク１４は、気液分離器４内から排出される水を貯蔵するための容器である。液体貯蔵タンク１４は、差圧計１３の下流側において、バルブ１８および配管１９を介して液体排出配管１２に接続されている。

＜液体用下流ポンプ＞
液体用下流ポンプ１５は、気液分離器４内の水を外部へ定圧で排出するものである。液体用下流ポンプ１５は、液体排出配管１２の下流端に接続されている。液体用下流ポンプ１５は、例えばシリンジポンプ等から成る。二酸化炭素の圧入開始前に水を排出するときには、バルブ１８を操作して液体用下流ポンプ１５側と連通し（配管１９と液体排出配管１２とを遮断し）、液体用下流ポンプ１５を作動させればよい。水の排出を停止するときには、液体用下流ポンプ１５を停止させればよい。なお、バルブ１８を操作して配管１９と液体排出配管１２とを連通し（液体用下流ポンプ１５側と遮断し）、液体貯蔵タンク１４に水を排出するようにしてもよい。または、気体排出配管９から上流側へガスを圧入し、岩石試料１００Ａの上流端１００Ａ１から液体用上流ポンプ８を通じて水を排出するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る流量測定装置１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、図１および図２を参照して、流量測定装置１００を使用した試験方法（測定方法）について説明する。

図２（ａ）に示すように、まず二酸化炭素が飽和した状態の水で岩石試料１００Ａを飽和する。詳しくは、図１に示す液体用上流ポンプ８を作動させ、岩石試料１００Ａへ水を圧入（供給）する。

水を圧入すると、岩石試料１００Ａ中のエア等が押し出され、岩石試料１００Ａが水で飽和される。また、水の一部が岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２から流出して、ポーラスストーン５を通じて気液分離器４内へ流入する。このとき、バルブ１８を開放しておき、気液分離器４内の液位を液体排出孔３ｄの高さまで上げるとともに液体排出配管１２内に水を溜めた後、バルブ１８を閉鎖する。バルブ１８が閉鎖された後、流入した水は気液分離器４内に溜まっていく。

差圧計１３により測定した気液分離器４の上端（気体排出配管９内）と下端（液体排出配管１２内）の圧力差と、予め調べておいた圧力差と気液分離器４内の液位との関係に基づいて気液分離器４内に水が充填されていることを把握したら、液体用上流ポンプ８を停止する。これにより、水の供給が停止される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、気液分離器４内の水を所定量だけ外部へ排出し、気液分離器４内の液位を液体排出孔３ｄより少し高い位置まで下げる。詳しくは、図１に示すバルブ１８を開放操作して液体用下流ポンプ１５側と連通し、液体用下流ポンプ１５を作動させ、気液分離器４内の水を排出する。所定量の水を排出した後は、液体用下流ポンプ１５を停止させるとともに、バルブ１８を閉鎖する。

続いて、図２（ｃ）に示すように、水で飽和した岩石試料１００Ａに二酸化炭素を圧入する。詳しくは、図１に示す気体用上流ポンプ７を作動させ、二酸化炭素を岩石試料１００Ａへ圧入（供給）する。

二酸化炭素を圧入すると、岩石試料１００Ａ中の水がポーラスストーン５を通じて気液分離器４内へ押し出される。その後、圧入した二酸化炭素が岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２に到達すると（ブレークスルーすると）、二酸化炭素と水の混合流体が岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２から流出してポーラスストーン５を通じて気液分離器４内へ流入する。

気液分離器４内へ流入した二酸化炭素は、気体排出孔３ｃおよび気体排出配管９を通じて外部へ排出された後、気体流量計１１内へと流入する。そして、気体流量計１１により二酸化炭素の流量が測定される。

なお、岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２からレギュレータ１０までの間に存在する二酸化炭素の圧力（背圧）は、レギュレータ１０により一定に保持されている。

一方、気液分離器４内へ流入した水は、バルブ１８が閉鎖されているとともに、気液分離器４内の液位が液体排出孔３ｄより少し高い位置にあるため、気液分離器４内に溜まっていく。

続いて、気液分離器４の上端（気体排出配管９内）と下端（液体排出配管１２内）の圧力差を差圧計１３により測定し、この測定値を水の密度と重力加速度で除することにより気液分離器４内の水面高さを求め、気液分離器４内の水の容積を計測する。これにより、水の流量が測定される。

なお、試験終了後は、バルブ１８を開放操作して液体用下流ポンプ１５側と連通し、液体用下流ポンプ１５側に気液分離器４内の水を排出してもよいし、バルブ１８を開放操作して配管１９と液体排出配管１２とを連通し、液体貯蔵タンク１４に気液分離器４内の水を排出してもよい。

次に、図３を参照して、上記試験方法により測定された二酸化炭素と水の各流量の経時変化について説明する。

二酸化炭素の圧入を開始すると、岩石試料１００Ａ中の水がポーラスストーン５を通じて気液分離器４内へ押し出されるため、水が岩石試料１００Ａから流出し、水の流量が増加することとなる。

その後、圧入した二酸化炭素が岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２に到達すると（ブレークスルーすると）、二酸化炭素と水の混合流体が岩石試料１００Ａの下流端１００Ａ２から流出してポーラスストーン５を通じて気液分離器４内へ流入するため、二酸化炭素の流量が増加する一方、水の流量が減少することとなる。

二酸化炭素の圧入を続けていくと、最終的には、二酸化炭素の流量が多量かつ定量となり、水の流量が零となる定常状態に達することとなる。

以上説明した本実施形態によれば、岩石試料１００Ａと気液分離器４との間に配管がないため、岩石試料１００Ａから流出した二酸化炭素と水が気液分離器４に到達するまでの時間を従来よりも短縮できる。

また、本実施形態によれば、岩石試料１００Ａから流出した二酸化炭素と水が配管を通ることなく気液分離器４内へ流入するため、水が二酸化炭素を間に挟んで流れることなく気液分離器４内へ連続的に流入できる。これにより、二酸化炭素と水の流量を高精度に測定できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できるのはいうまでもない。
本実施形態では、二酸化炭素と水の組み合わせを測定用流体とした場合を例示したが、測定用流体の組み合わせを限定する趣旨ではない。測定用流体として、二酸化炭素以外のガス（例えば窒素等）と水の組み合わせ、ガスと油の組み合わせ、油と水の組み合わせを使用した場合にも本発明を適用することができる。また、超臨界状態の二酸化炭素を使用した場合にも本発明を適用することができる。

本実施形態では、岩石試料１００Ａの浸透試験において気体と液体の流量を測定する場合を例示したが、本発明の流量測定装置の用途を限定する趣旨ではない。例えば、フィルター材等の浸透試験において気体と液体の各流量を測定する場合にも本発明を適用することができる。

１００ 流量測定装置
１００Ａ 岩石試料（多孔質物体）
１００Ａ２ 下流端
３ エンドキャップ
４ 気液分離器
５ ポーラスストーン
１１ 気体流量計
１３ 差圧計

Claims (1)

1. 気液二相状態における多孔質物体の浸透試験において気体と液体の流量を測定する流量測定装置であって、
   前記多孔質物体の下流端に設置されたエンドキャップと、
   前記エンドキャップの内部に設けられ、前記多孔質物体の下流端に連通する気液分離器と、
   を備えていることを特徴とする流量測定装置。

Images