JP2020076724A - Ｃｔ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＴ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】非磁性材料で製造された中空透明反応管と両端開口をシールするチョックプラグ１２とからなるホルダー１０と、テストサンプルの置換媒体を収容するための供給装置３０と、チョックプラグとを接続するコネクタ４０と、測定装置５０と、ホルダーを走査するＣＴ装置６０と、測定過程におけるデータを取得して測定データをリアルタイムに分析する対応測定結果を出力する制御システム２０とを備える。ホルダーを小型化させ、且つ非磁性材料で反応管を製造することにより、ＣＴ装置に載置して走査できることで、異なる圧力でのサンプルの移動状況の画像を取得し、地層下における天然ガスハイドレートを採掘するためにどのようなパラメータを採用するかに有力なサポートを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、地質分野に関し、特に天然ガスハイドレートを貯留する海域の泥質シルト多孔質媒体微粒が置換媒体により移動する過程をＣＴにより測定できる装置に関する。

天然ガスハイドレートを貯留する海域の泥質シルト貯留層は、固結しておらず、浸透率が低く、ポア・スロート（Ｐｏｒｅ ｔｈｒｏａｔ）の構造空間の迂回率が大きく、配位数が少ないなどの複数の特徴を有する。一般的な天然ガスハイドレート貯留層における海底泥質シルト堆積物はメディアン径が２．６０−２８．９６μｍ、メディアン径平均値が１２μｍであり、主に珪長質（５３％）、炭酸塩鉱物（１６％）及び粘土鉱物（２６％−３０％）の鉱物からなり、モンモリロナイト、イライトを主にする粘土鉱物は含有量が高く、不動水飽和率が６５％より大きい。程度が異なるが、該貯留層には非常に微細な微粒がバラバラした粒子として孔壁又は粒子の内表面に存在して、流体の多孔質媒体における移動に連れて孔隙が狭くなる箇所（スロート）で堆集して、目詰りを引き起こし、貯留層の浸透性を大幅に低下させ、ただし、浸透率の大きさがシングルウェルの１日の産出量レベルを直接決める。

ところが、該泥質シルト貯留層にはフレームワークがないという特性を有するため、業界の実験室で使用されている従来のコアホルダーはそのようなサンプルを充填することができず、そして、該貯留層の多孔質媒体粒子の粒子径が極めて小さいため、従来の実験方法では、泥質シルト微粒の移動後の粒子分布を効果的に観察することができず、多孔質媒体の流速感度に関する実験を効果的に行い、貯留層中の多相流体の浸透特性および浸透率の変化法則を理解して把握することは大きな課題となっている。

従って、泥質シルトの貯留層における移動過程を観察できる測定装置の研究開発により、海域の水和物多孔質媒体の微粒の移動量測定実験を試行して、異なる置換圧力と流体の流量条件下での多孔質媒体微粒の移動法則、微細構造の変化過程、浸透性変化特性の情報を把握することができる。

本発明の目的は、海域の泥質シルト多孔質媒体微粒の置換媒体下での移動過程をＣＴにより測定できる装置を提供することにある。

特に、本発明は、ＣＴ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置を提供し、
非磁性材料で製造される中空透明反応管と、反応管の両端開口をシールするチョックプラグとを含み、チョックプラグに反応管の内部に連通している貫通孔が設置され、前記反応管の体積が少なくともＣＴ装置の検出空間内に収納できるホルダーと、
テストサンプルの置換媒体を収容するための供給装置と、
前記供給装置と一端におけるチョックプラグとを接続して、反応管に入るように置換媒体を制御するコネクタと、
他端におけるチョックプラグに接続されて、反応管から排出された置換媒体量を測定する測定装置と、
前記ホルダーを走査するための検出空間を有し、前記反応管内で置換媒体がサンプルを通過するときのサンプルの変化状態図を取得するＣＴ装置と、
測定過程におけるデータを取得して測定データをリアルタイムに分析すると同時に対応測定結果を出力する制御システムとを備える。

本発明の一実施形態において、前記チョックプラグは中空媒体ジョイントと金属シール管を含み、前記媒体ジョイントは非磁性材料で一体形成された制限部分と導入部分とを含み、前記制限部分の外径が前記反応管の内径以下であり、前記導入部分の直径が前記反応管の外径より大きく、前記制限部分は前記反応管の内部に挿入された後に前記導入部分により遮断され、前記金属シール管は前記反応管と前記導入部分との接続部にシールするように取り付けられ、前記貫通孔は前記導入部分に設置され、２つの前記制限部分の間の間隔距離が測定サンプルを収容する空間となる。

本発明の一実施形態において、前記反応管の両端にそれぞれ雄ネジとシールリングを取り付ける環形凹状リングが設置され、前記金属シール管は、前記制限部分に向いている一端に前記反応管に螺合される雌ネジが設置され、他端が直径が雌ネジ部分の直径より小さい摺動チャンネルであり、前記導入部分の前記制限部分に近い端部に外側に突出した制限リングが設置され、前記媒体ジョイントに套設された前記金属シール管は前記制限リングで制限されて制限部分の方向へ摺動することができず、同時に前記導入部分には前記金属シール管の後退を制限するＣ形リテーナが設置される。
本発明の一実施形態において、前記サンプルを収納する空間内に空間の大きさを調整する非磁性調整管が取り付けられ、前記調整管は、外径が前記反応管の内径以下であり、内部に置換媒体が通過するためのチャンネルが設置され、前記調整管とサンプルとの接触端面に置換媒体を分流するための導流溝が設置される。

本発明の一実施形態において、前記反応管、媒体ジョイント及び調整管は、非磁性ポリイミド材料で製造される。

本発明の一実施形態において、前記制限部分の収納されたサンプルに近い一端の外円周に、直径方向シールリングが設置される。

本発明の一実施形態において、２つの前記制限部分のサンプルに近い一端にそれぞれサンプルの通過を抑制する金属網とろ紙が設置され、前記金属網とろ紙のメッシュが少なくともサンプルの粒度より小さい。

本発明の一実施形態において、前記測定装置は、電子天秤、及び排出された置換媒体を収納する容器を含み、前記チョックプラグはパイピングを介して前記容器に接続される。

本発明の一実施形態において、前記供給装置は気体又は液体を提供する材料貯蔵タンクと、前記材料貯蔵タンクの供給圧力を調整する調整器と、置換媒体を収納する液体タンクとを含み、液体タンクは供給端が調整器に接続されて、吐出端が前記コネクタに接続され、前記調整器は測定要求圧力に基づいて前記供給装置が吐出した気体又は液体を前記液体タンクに入るように調整して、前記液体タンク内の置換媒体が前記コネクタを経た後に前記反応管に入るように促進し、前記コネクタにはそれぞれ気体源と液体源に接続される２つの供給インターフェース、１つの共用吐出インターフェースが設置され、同時に回路を介して前記制御システムに現在の置換媒体の供給量と圧力値を出力する。

本発明の一実施形態において、前記媒体ジョイントの導入部分の制限部分から離れた一端に固定ベースが取り付けられ、前記固定ベースの底面に前記ＣＴ装置の載置シートを収納する収納溝が設置され、前記固定ベースの径方向周辺に軸心線方向へ捩じられる調節ネジが設置されて、前記固定ベースと前記載置シートを固定する。

本発明の一実施形態において、テストの要件に応じて対応量のサンプルを選択し、次に非磁性材料で製造された小型反応管に投入し、両端のチョックプラグでサンプルの載置位置を調整して制限し、次に各テスト装置を接続して、反応管がＣＴ装置の検出空間に位置するようにするステップ１００と、
まず、制御システムで測定前の各初期データを取得して、テスト圧力とテスト流量を選択し、次に液体タンクを開いて設定圧力下で反応管に所定流量で蒸留水を注入し、測定装置においてサンプルが通過した後に排出された蒸留水の量を記録し、単位時間あたり排出された蒸留水の量に基づいて、蒸留水のサンプルを通過したときの浸透率を算出するステップ２００と、
測定装置が受信した蒸留水の流速が安定したとき、実験を一次的に停止して反応管内の現在状態を静止に保持し、次に、ＣＴ装置によって放射線源を利用して反応管におけるサンプルを３６０度で走査し、今回走査したサンプルの画像を取得して保存し、次に実験を続けるステップ３００と、
実験を続けるとき、現在のテスト圧力を変えて、ステップ２００とステップ３００を、所定の実験回数になるまで繰り返し、次に走査ごとに取得した画像に対してデータ要約を行い、現在サンプルの異なる圧力と流量での微細な微粒の移動状況を取得し、それにより対応地層で実際に天然ガスハイドレートを採掘するときに満たすべき条件を提供するステップ４００とを含む海域泥質シルト貯留層の構造変化を測定する装置の測定方法を提供する。

本発明の一実施形態において、前記現在のテスト圧力を変更する基準は、圧力勾配の変化に基づいて変化し、具体的には、初期テスト圧力は１０ｋｐａ、以降の毎回の実験のテスト圧力は順次３０ｋＰａ、５０ｋＰａ、７５ｋＰａ、１００ｋＰａである。

本発明の一実施形態において、実験を行うときに蒸留水が両方の接触部位を流れることを避けるように、反応管の内側壁面と密着させるように前記サンプルを反応管内に充填する。

本発明の一実施形態において、前記現在サンプルの異なる圧力と流量での微細な微粒の移動状況としては、泥質シルトから構成される岩貯留層サンプルは、置換時間の増加に伴い、浸透率の劣化が置換時点ごとに発生し、最終的に、ウェル周囲の浸透抵抗を増大するケーキが形成され、低圧区間での産量安定化に必要な時間が長くなり、且つ地層エネルギーが高圧区間では著しく低減する傾向を有するという特性を有する。

本発明の一実施形態において、浸透率を計算するときに、まず現在流速を測定して、次に下式により浸透率を取得する。

（式中、ΔＰは圧力差、Ｑは流速、μは注入液の粘度、ｌはコアの長さ、Aはコアの横断面積、Ｋは浸透率である。）

本発明は、ホルダーを小型化させ、且つ非磁性材料で反応管を製造することにより、実験時の観察要求を満たすとともに、ＣＴ装置に載置して走査できることで、異なる圧力でのサンプルの移動状況の画像を取得し、地層下における天然ガスハイドレートを採掘するためにどのようなパラメータを採用するかに有力なサポートを提供し、理論だけに基づいて採掘結果を推定する従来技術の方式よりも明瞭且つ確実である。

本発明の一実施形態による測定装置の接続模式図である。 図１におけるホルダーの具体的な構造模式図である。 本発明の一実施形態によるサンプルの実験過程における異なる圧力でのＣＴ画像模式図である。 本発明の一実施形態による測定方法のプロセスの模式図である。 本発明の一実施形態によるサンプルの実験時の流速分析図である。 本発明の一実施形態によるサンプルの実験時の浸透率分析図である。 非Ｄａｒｃｙ浸透曲線模式図である。 南海北部の水和物泥質シルト貯留層の浸透曲線の模式図である。

図１に示されるように、本発明の一実施形態によるＣＴ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置は、一般的に、ホルダー１０、供給装置３０、コネクタ４０、測定装置５０、ＣＴ装置６０及び制御システム２０を備える。

該ホルダー１０は、非磁性材料で製造される中空透明反応管１１と、反応管１１の両端開口をシールするチョックプラグ１２とを含み、チョックプラグ１２には反応管１１の内部に連通している貫通孔が設置される。反応管１１の透明性により内部のサンプルの載置位置及び調整走査点の観察が容易になり、非磁性材料を用いることによりＣＴ装置６０の検出放射線を通過させて、最終的に明瞭な画像を形成できる。本方案の１つの目的は、サンプルの移動状況を観察することであり、このような目的を達成させるために、低解像度ＣＴマシンではなく、高精度ＣＴマシン（例えば、０．５μｍ精度を満たす解像度）が必要であり、従来の高精度ＣＴマシンにはサンプルを収納するための検出空間を有し、該空間により反応管１１の体積が制限されてしまい、従って、本形態では、反応管１１の体積が少なくともＣＴ装置の検出空間による要求を満たす。具体的には、非磁性材料としてポリイミドが使用可能である。

供給装置３０はテストサンプルの置換媒体を収容するためのものであり、たとえば気体を収容する気体タンク３１及び／又は液体を収容する液体タンク３２であり、実験を行うとき、具体的な実験要求に対応して対応する気体タンク３１又は液体タンク３２を使用できる。

コネクタ４０はアダプタであり、供給圧力と供給デジタル情報を調整する役割を果たし、対応した接続ジョイントによりそれぞれ供給装置３０の気体タンク３１と液体タンク３２に接続されると同時に吐出ジョイントにより反応管１１において置換媒体が入る一端におけるチョックプラグ１２に接続される。置換媒体として気体か液体かを使用することを決定した後、切替スイッチによりその接続ジョイントを吐出ジョイントに連通するように切り替える。

測定装置５０は、反応管１１におけるサンプルを経た後に排出された置換媒体量を測定することに用いられ、現在圧力での置換媒体の流速を計算する。測定装置５０は、単位時間の通過量を計算する計量器であってもよく、排出量の重量を測る重量計量器であってもよい。本実施形態における測定装置として電子天秤５１が使用され、電子天秤５１に、排出された置換媒体を収納できる容器５２と、一端が反応管１１の排出された置換媒体に連通して他端が容器５２内に延びる接続管とを置く。

ＣＴ装置６０は、実験過程に関与しなく、実験過程においてのステップで独立して操作し、内部に放射線が設置されてホルダー１０を収納する検出空間を備え、置かれたホルダー１０を３６０度で走査することにより反応管１１内の置換媒体がサンプルを通過するときの状態図を生成できる。具体的には、ＣＴ装置６０として従来の高精度ＣＴ、たとえばＳａｎｙｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ−ＣＴが使用され得る。

該制御システム２０は実験コアとなり、測定前の実験データと実験過程中の各データを受信する機能を有するとともに、データを取得した基礎にリアルタイムに分析して、対応した分析フォーム、曲線図などの結果を提供できる。産業用コンピュータ又はＰＣコンピュータを使用できる。

本実施形態では、実験を行うときに、まずホルダー１０、チョックプラグ１２及び各管路システムのシール性を検出し、次に
一、ホルダー１０を取り付ける。すなわち、まず反応管１１の一端のチョックプラグ１２を取り付け、次に、サンプルが反応管１１における所定長さのサンプル収容領域を完全に充填するまで泥質シルト地層サンプルを複数回に分けて１回ずつ少量で連続的に充填して、同時に後続の置換媒体が接触面を介して流れてサンプルでの通過効果に影響を与えることを避けるようにサンプルと反応管１１の内側壁面とを密着させ、最後に、反応管１１の他端におけるチョックプラグ１２を取り付ける。

二、本実施形態では蒸留水を置換媒体として使用するため、液体タンク３２とコネクタ４０、コネクタ４０と反応管１１、反応管１１と測定装置５０を順次接続し、同時に各装置情報を収集するデータ回線と制御システム２０を接続する。

三、コネクタ４０を閉じて、液体ポンプ３２を開いて、液体ポンプ３２の供給圧力を調整して実験に求められる圧力まで安定化させる。

四、制御システム２０により電子天秤５１における容器５２の初期重量を記録して、システムのサンプリング間隔を設定し、コネクタ４０の吐出ジョイントのスイッチを開いて、蒸留水がチョックプラグ１２を経て反応管１１に入り、蒸留水がサンプルを経て他端におけるチョックプラグ１２から測定装置５０の容器５２に排出されるようにする。該過程において、制御システム２０で容器５２における増加した流体の体積を記録して、サンプリング間隔時間で容器における増加した流量の体積を計算して、該間隔時間でサンプルを通過した蒸留水の流率を取得する。

五、ＣＴは２種の走査方式がある。１．接続後の反応管がＣＴ装置６０の検出空間に直接位置し、次に正常に実験を行い、且つ実験過程において走査しようとするときに直接走査を行う。２．反応管がＣＴ装置６０の検出空間に位置しないため、走査しようとするときに、反応管の両端におけるパイピングを密閉させて取り外し、反応管の基本的な状態を保持したまま、ＣＴ装置６０の検出空間に入れて走査を行い、走査終了後、反応管にパイピングを再び接続して、実験を行い続ける。

いずれの取り付け方式でも走査前に以下を満たす必要がある。設定圧力を一定に保持する場合に蒸留水の流速が変わらなくなるときにしか走査できない。反応管を取り外して独立して走査を行う場合を例にすれば、まず、反応管１１の両端におけるチョックプラグ１２を密閉させて接続管路を取り外し、反応管１１の内部状態を保持したままで反応管１１を取り外してＣＴ装置６０における三次元運動検出プラットフォームに移し、放射線源を調整して、データ収集ソフトウェアを起動させ、各走査パラメータを調整して、反応管１１におけるサンプル構造の定常状態が変化しなくなると、反応管に対する３６０度の走査を開始させる。

六、走査完了後、反応管１１をＣＴ装置の内部から取り出して測定システムに再び接続し、テスト圧力及び／又は流量を調整して、所定の異なるテスト圧力での実験過程を完成するまで、ステップ４、ステップ５を繰り返して実験を行う。

七、各テスト圧力ごとにＣＴ走査を行い、実験開始前のコアの原始状態も走査し、毎回の走査データごとに再構成を行って、それぞれ毎回のサンプルの三次元再構成画像を取得する。すべての三次元再構成画像を整理して、実験データに基づいて分析図、テーブル、レポートを作成して、最終的に、現在サンプルが所在する地層を実際に採掘するときに異なる採掘条件で取得できる採掘結果データを取得する。

図３は、選択されたサンプルの異なるテスト圧力での内部貯留層構造の原始状態から一連の圧力を経るまでのそれぞれの過程におけるＣＴ走査画像の比較模式図であり、一行目は実際に実験を行うときの３Ｄ状態模式図、二行目は一行目が対応した貯留層構造の同一位置の直径方向断面模式図であり、三行目は一行目が対応した貯留層構造の同一位置の軸方向断面模式図である。

本実施形態では、上記装置を用いて実験を行った結果、泥質シルト貯留層のサンプルそのものにフレームワークがないため、フレームワークのあるコアに比べて変形が激しく、置換時間の増加に伴って、各置換時点にサンプル浸透率が悪くなり、最終的にケーキとなり、且つケーキが厚くなりつつあり、内部の隙間構造が徐々になくなり、ケーキの形成によりウェル周囲の浸透抵抗が大きくなり、低圧区間での産量安定化に必要な時間が長くなり、好ましくない場合は、流量を向上させるために生産圧力差を連続的に増加するしかなく、圧力差を向上させるごとに生産高が急激に低下するリスクを招く。貯留層の変形が激しく、地層エネルギーが高圧領域で著しく減少する傾向があるため、圧力を増加しても産量を増加できないという場合がある。

前記のとおり、天然ガスハイドレートの海底泥質シルト貯留層では、水和物を開発するための圧力勾配が３−５ＭＰａ／ｍより大きいと（対応した実験パラメータは３０−５０ｋｐａ／ｃｍである）、泥質シルト貯留層の多孔質媒体の隙間構造が大きく変形して、貯留層の速度感度現象が深刻になり、この結果、貯留層の浸透率が急激に低下し、ガスの産出量に悪影響を与えるとともに、貯留層微粒の移動によりウェル領域においてガスの生産に悪影響を与える「ケーキ」構造が形成される。

本実施形態では、ホルダーを小型化させ、且つ非磁性材料で反応管を製造することにより、実験時の観察要求を満たすとともに、ＣＴ装置に載置して走査できることで、異なる圧力でのサンプルの移動状況の画像を取得し、地層下における天然ガスハイドレートを採掘するためにどのようなパラメータを使用するかに有力なサポートを提供し、理論だけに基づいて採掘結果を推定する従来技術の方式よりも明瞭且つ確実である。

図２に示されるように、本発明の一実施形態において、該チョックプラグ１２は、套設された中空媒体ジョイント１２２と金属シール管１２１とを含み、媒体ジョイント１２２は、密閉反応管１１のポートをシールするものであり、反応管１１の内部に挿入された制限部分１２２２と、置換媒体に接続して導入するための導入部分１２２１とを含み、該制限部分１２２２の外径が反応管１１の内径以下であり、導入部分１２２１の直径が反応管１１の外径より大きく、制限部分１２２２は反応管１１の内部に挿入された後に導入部分１２２１により遮断される。金属シール管１２１は、反応管１１と導入部分１２２２の接続部に套設され、反応管１１と媒体ジョイント１２２の接続強度を高めて、高圧下で両方の離脱又は漏れを避ける。金属シール管１２１と媒体ジョイント１２２との間には対応したシールリングが設置できる。制限部分１２２２が反応管１１の内部に挿入された後に両方の接触面での漏れをさらに防止するために、制限部分１２２２の外円周にも同様に対応したシールリング１２５が設置できる。

置換媒体の供給管路に接続された貫通孔１２４は、導入部分１２２１に設置され、導入部分１２２１の円周に設置されてもよく、導入部分１２２１の端部に設置されてもよく、導入部分に安定的に螺合されるために供給管路のジョイントは雄ネジジョイントであってもよい。２つのチョックプラグ１２における限制部分１２２２の長さがサンプルの収納量に応じて決定でき、すなわち２つの制限部分１２２２の間の間隔距離が測定サンプルを収納する空間１５となり、従って、制限部分１２２２の長さを調整することによりサンプルの収納量を調整できる。

反応管１１の内部に挿入された制限部分１２２２によるＣＴ走査効果への影響を防止するために、該制限部分１２２２は導入部分１２２１と一体構造になり且つ同様に非磁性材料で製造され、具体的には、非磁性材料はポリイミドであってもよい。

さらに、反応管１１と金属シール管１２との間の接続強度を向上させるために、該反応管１１の両端にそれぞれ雄ネジ１１１とシールリングを取り付ける環形凹状リングとが設置される。金属シール管１２１の制限部分１２２２に向いている一端に反応管１１に螺合される雌ネジ部分が設置され、金属シール管１２１の他端は直径が雌ネジ部分の直径より小さい摺動チャンネルであり、媒体ジョイント１２２の導入部分１２２１の制限部分１２２２に近い端部に外側に突出した制限リング１２２３が設置され、金属シール管１２１は、媒体ジョイント１２２に套設されると、雌ネジ部分を用いて反応管１１の端部に螺合され、制限リング１２２３は金属シール管１２１の制限部分１２２２の方向への摺動が不能になるように制限し、それにより、金属シール管１２１は反応管１１により大きな螺合力を印加できる。差し込まれた金属シール管１２１の套設方向における離脱を防止するために、導入部分１２２には金属シール管の後退を制限するＣ形リテーナを取り付けてもよい。

さらに、反応管１１のサンプルを収納する空間１５内に調整管を設置することによりサンプルの収納空間の大きさを調整してもよく、調整管（未図示）は、軸心線にチャンネルが設置された管状構造を有し、外径が反応管１１の内径以下であり、内部に置換媒体が通過するためのチャンネルが設置され、必要なサンプル量が２つの制限領域１２２２の間の空間１５より小さい場合、空間１５の一端又は両端に対応した長さの調整管を置いて、空間１５の体積を減少させることができる。置換媒体が空間１５内に流れるとき、調整管内のチャンネルを介してサンプルに入る。調整管は、空間１５の大きさを調整できるだけでなく、そのチャンネルの直径を調整することで流量を制御できる。

さらに、置換媒体が調整管から排出された後に直接サンプルとの接触点に入ることを防止するために、調整管のサンプルに接触する一端の端面に置換媒体を分流する導流溝が設置されてもよい。置換媒体は、調整管のチャンネルから排出されたとき、まず導流溝に沿って流れて、次に接触したサンプルに入り、このような構造によれば、サンプルに入った置換媒体をより均一にして、それによりさらに正確な移動結果は得られる。具体的には、導流溝は、チャンネルを中心とした環形凹溝であってもよく、各環形凹溝同士は直径方向チャンネルを介して連通しており、このようにして、置換媒体は迅速且つ均一に端面全体へ流れることができる。

同様に、調整管もポリイミド非磁性材料で製造される。

本発明の一実施形態において、サンプルが媒体ジョイント１２２に入ることを防止するために、２つの制限部分１２２２のサンプルに近い一端にそれぞれサンプルの通過を遮断するためのろ紙（未図示）が設置されてもよく、該ろ紙のメッシュが少なくともサンプルの粒度より小さいが、置換媒体の通過に影響しない。配置するときに、一端がまず挿入された制限部分１２２２の端面にろ紙を置き、次にサンプルを充填し、サンプル充填が終了した後、再びこの一端のろ紙を置き、次にこの一端の制限部分１２２２を取り付ける。また、調整管を取り付ける時にも、同様に調整管とサンプルとの間に対応したろ紙を置く。

本発明の一実施形態において、供給装置３０はさらにそれぞれ、気体と液体の駆動動力を提供する貯蔵タンク３１、３２と、２つの貯蔵タンク３１、３２を接続して貯蔵タンク３１、３２の供給圧力を調整する調整器３４と、置換媒体を収容した媒体タンク３３とを設置してもよく、媒体タンク３３は、供給端が調整器３４に接続されて吐出端がコネクタ４０に接続される。

本形態においては、貯蔵タンク３１、３２における媒体を置換媒体を駆動する動力源とし、すなわち、置換媒体自体の圧力を駆動源とするのではなく、専用駆動源を用いて置換媒体を駆動する。貯蔵タンク３１、３２は、開くと圧力を出力し、媒体タンク３３自体にはいかなる供給圧力も有しないため、貯蔵タンク３１、３２の印加圧力の大きさが媒体タンク３３の供給圧力の大きさに相当する。調整器３４は、測定圧力に応じて、調整貯蔵タンク３１、３２について、媒体タンク３３に指定圧力での気体又は液体を供給するように要求でき、更に媒体タンク３３における置換媒体がコネクタ４０を経て反応管１１に入ることを促進する。

該過程では、調整器３４は、供給圧力を視認可能に制御でき、コネクタ４０は供給圧力を更に正確に調整でき、同時に現在アナログ圧力信号を電子信号に変換して制御システム２０に出力して、制御システム２０に直接処理を行わせる。

本発明の一実施形態において、ホルダー１０をＣＴ装置６０の内部に容易に取り付けるために、媒体ジョイント１２２の導入部分の制限部分１２２２から離れた一端に固定ベース１４が取り付けられ、該固定ベース１４の底面にＣＴ装置６０の載置シートを収納する収納溝が設置され、同時に固定ベース１４の径方向周辺に軸心線方向へ捩じられる調節ネジが設置されてもよい。ホルダー１１をＣＴ装置６０の収納空間に収納すると、固定ベース１４を収納空間の載置シートに係止でき、次に調節ネジにより固定ベース１４を安定的に載置シートに固定し、このように、ホルダー１１全体は載置シートとともに３６０度で回転して、ＣＴ走査による完全な走査画像の取得を支援する。

図４に示されるように、本発明の一実施形態において、前述した測定装置を用いてサンプルの測定を行う測定方法が提供されており、具体的には、かかる部材については前に説明した同じ部材及び符号を参照すればよいため、ここで構造についての詳細な説明を省略し、各部材による対応する効果だけを説明する。また、本実施形態に使用される置換媒体は、液体、具体的には、蒸留水である。気体を置換媒体として用いる場合、実験装置は同じであるが、実験を行うときに収集すべきデータはそれに対応して調整する必要がある。

具体的なステップは、以下のとおりである。
ステップ１００については、テストの要件に応じて対応量のサンプルを選択し、次に非磁性材料で製造された小型反応管に投入し、両端のチョックプラグでサンプルの載置位置を調整して制限し、次に各テスト装置を接続する。

ここで、サンプルとして、対応地層から直接取る実際の泥質シルト原料に対して、対応した加熱除湿処理を行ったものを使用することができる。サンプル量は蒸留水の通過時間と通過量を左右するものであり、通常の場合では、サンプルの厚み（すなわち蒸留水が通過する距離）が大きいほど、実験での浸透時間が長くなり、従って、実験時間に応じて対応したサンプル量を決定できる。

サンプルを載置するとき、ロット式で充填して且つ充填するごとに圧密させ、同時に、蒸留水が側壁を直接通過するのを防ぐために、反応管の内側壁と全面的に接触させる必要がある。

具体的なサンプル量は、チョックプラグにおける限制領域の長さにより限定でき、必要なサンプル量が２つの制限領域の間隔距離より少ないと、調整管を配置することによって取り付け空間を減少させることができる。
チョックプラグと反応管の接続、及び各装置同士の接続の後には接続部での漏れ及び圧力下での離脱を避ける必要があるので、できるだけねじ接続構造を使用することができる。
ステップ２００については、まず、制御システムで測定前の各初期データを取得して、テスト圧力とテスト流量を選択し、次に液体タンクを開いて設定圧力下で反応管に所定流量で蒸留水を注入し、測定装置においてサンプルが通過した後に排出された蒸留水の量を記録し、単位時間あたり排出された蒸留水の量に基づいて、蒸留水のサンプルを通過した後の流速を算出する。

実験前、管路における水分を完全に取り除く必要があり、同時に各基本的なデータを記録し、通常の採掘経験に基づいて初期テスト圧力と対応したテスト流量を選択する。実験開始後、蒸留水がテスト圧力下でサンプルに入り、サンプルにおける隙間を介してサンプルを貫通した後、測定天秤における容器に注入される。
該期間の蒸留水の平均流速は時間の長さと蒸留水の総量から算出してもよい。

ステップ３００については、測定装置が受信した蒸留水の流速が安定したとき、反応管の両端のチョックプラグをシールして、反応管内の現在状態を維持したままで、反応管をＣＴ装置の検出空間に移し、サンプルの構造が変化しなくなるまで静置すると、放射線源を利用して反応管におけるサンプルを３６０度で走査し、今回走査したサンプル画像を取得して保存し、次に反応管を取り出して、再び接続する。
蒸留水がサンプルを通過するときに、対応したサンプルの微細な微粒を駆動して移動させ、それにより既存の隙間を変化させるが、所定時間経過した後、新しい隙間の状態が一時的に固定され、このことについては排出された安定した蒸留水の流量から確認できる。
取り外したホルダーは、チョックプラグ又はチョックプラグに対応して接続された管路に独立したスイッチバルブが設置され、ＣＴ走査を必要とするときに、両端のスイッチバルブを直接閉じることによって、内部状態が安定的に保持されてもよい。

ＣＴ走査を行うときに、ホルダーだけに走査を行えばよい。また、ＣＴ走査は静的走査であるため、取り外したばかりのホルダーをしばらく静置して、内部の流動現象が安定になった後、ＣＴ走査を行う必要がある。

ＣＴ走査過程は、完全にＣＴ装置自体のシステムで行われ、挟持管を制御して径方向において３６０度で回動させること、角度ごとの画像を記憶すること、及び走査画像の後期合成を含む。本実施形態では、ミクロンスケールの微細な微粒の移動及び対応して形成される隙間を観察できる高精度ＣＴ装置が使用される。

ステップ４００については、現在のテスト圧力を変えて、ステップ２００とステップ３００を、所定の実験回数になるまで繰り返し、次に走査ごとに取得した画像に対してデータ要約を行い、現在サンプルの異なる圧力と流量での微細な微粒の移動状況を取得し、それにより対応地層で実際に天然ガスハイドレートを採掘するときに満たすべき条件を提供する。

１つのテスト圧力では安定的な流動過程が得られるが、異なるテスト圧力では、微細な微粒の移動への影響が異なるため、本方法では、通常採掘するときの複数の圧力を選択的にテストすることになる。テスト圧力は、具体的には、圧力勾配の変化に基づいて選択でき、本実施形態では、初期テスト圧力は１０ｋｐａ、以降の毎回の実験のテスト圧力は順次３０ｋＰａ、５０ｋＰａ、７５ｋＰａ、１００ｋＰａであり、あらゆるテスト圧力でのテストが終了すると、テスト過程全体は終わる。

分析をするときに、テスト圧力ごとに取得したサンプルＣＴ三次元画像に基づいて統合的な分析を行い、最終的に視認しやすいテーブル、グラフで表示する。

本方法では、段階的増圧法によって貯留層の多孔質媒体の流速感度実験を行った結果、泥質シルト岩貯留層のサンプルそのものにフレームワークがないため、フレームワークのあるコアに比べて変形が激しく、置換時間の増加に従って、各置換時点に浸透率が悪くなり、最終的にケーキとなり、且つケーキが厚くなりつつあり、ケーキの形成によりウェル周囲の浸透抵抗が大きくなり、低圧区間での産量安定化に必要な時間が長くなり、このような状態では、生産高を向上させるために生産圧力差を連続的に増加するしかないが、圧力差を向上させるごとに生産高が急激に低下するリスクを招き、また、貯留層の変形が激しいため、地層エネルギーが高圧領域で著しく減少する傾向があり、圧力を増加しても産量を増加できないという場合があるという結論に至った。

図５は、あるパラメータのサンプルの、増加していく圧力勾配での浸透率変化模式図である。

図６は、あるパラメータのサンプルの、増加していく圧力勾配での浸透率変化模式図である。

図５と図６に示される実験において、サンプル量は６．６ｇ、ホルダーに挿入する長さは１０ｍｍ、サンプル直径は８ｍｍ、孔隙率は１８．６％、実験温度は２５℃である。

クラシックなＤａｒｃｙ法則によれば、浸透速度と圧力勾配とは原点を通った直線の関係を有し、図７に示されるようにこのようなリニア関係からずれた浸透過程である限り、「非Ｄａｒｃｙ浸透」と呼ばれる。本方法の段階的増圧法により流速感度実験を行って明らかなように、図８に示されるように、南海北部の水和物泥質シルト貯留層は上記クラシックな「非Ｄａｒｃｙ」型浸透曲線と異なり、原点から逸脱して開始圧力を有するとともに、且つ浸透速度が顕著に低すぎる下限「非Ｄａｒｃｙ」浸透の傾向がある。

本実施形態では、計算流速は置換圧力差の式により得られ、置換圧力差の式は以下のとおりである。

通過後、以下を得る。

（式中、ΔＰは圧力差、Ｑは流速、μは注入液の粘度（１・ｍＰａ・ｓ）、ｌはコアの長さ、Ａはコアの横断面積、Ｋは浸透率である。）
流体の相が「固体−気体＋液体」のように連続的に変化すると同時に、泥質シルト貯留層の多孔質媒体自体も塑性変形を行い、その結果として、孔隙構造全体は再構成する傾向を有する。多孔質媒体の孔隙圧力の低下により、気体と岩石の弾性膨張、孔隙率が低下して、気体が膨張エネルギーの作用で孔隙から排出されてウェルの底部に入り、多孔質媒体の孔隙率や浸透率などは以下のような圧力の関数となる。

（式中、φは孔隙率、Ｐは圧力、ｋは浸透率である。）。従来の非定常流動理論には「弱圧縮性仮説」が適用されており、多孔質媒体について下記条件が求められる。

（式中、φは孔隙率、Ｐは圧力、ｋは浸透率、Ｃφは孔隙圧縮係数である。）。泥質シルト貯留層は、上記のものと異なり、地下岩石の弾性エネルギーと気体の膨張エネルギーが大きいため、浸透過程で果たした役割が無視できず、「弱圧縮性仮説」はこのような貯留層の石油・ガス開発用途に適用できず、且つ多孔質媒体の塑性変形が深刻であるため、貯留層の浸透率を求めることがより困難になる。

目的層の浸透率感度と流速及び圧力勾配との間の関係の２つの方面の情報を理解し把握した上、目的層を試掘するための多孔質媒体には開始圧力勾配が存在するだけではなく、深刻な下限「非Ｄｒａｃｙ」浸透現象−すなわち流量（流速）と圧力勾配がリニア関係ではないことが存在することが見出された。

機械的分析によれば、圧力勾配および時間の変化に伴って多孔質媒体の孔隙構造が変形して、貯留層の流速感度がより深刻になり、貯留層の浸透率が急激に低下し、流量が明らかに減少する傾向を有することが確認されており、それは「非典型」な「非Ｄｒａｃｙ非定常流動」に属する。

これまで、当業者であれば、本明細書には本発明の複数の例示的な実施例が詳細に記載されたが、本発明の精神と範囲を逸脱しない限り、本発明に開示されている内容に基づいて、本発明の原理と合致する複数の変形又は修正を直接想到又は推定し得る。従って、本発明の範囲は、そのような他の全ての変形または修正を包含するものと理解し認定されるべきである。

Claims (15)

1. ＣＴ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置であって、
   非磁性材料で製造される中空透明反応管と、反応管の両端開口をシールするチョックプラグとを含み、チョックプラグに反応管の内部に連通している貫通孔が設置され、前記反応管の体積が少なくともＣＴ装置の検出空間内に収納できるホルダーと、
   テストサンプルの置換媒体を収容するための供給装置と、
   前記供給装置と一端におけるチョックプラグとを接続して、反応管に入るように置換媒体を制御するコネクタと、
   他端におけるチョックプラグに接続されて、反応管から排出された置換媒体量を測定する測定装置と、
   前記ホルダーを走査するための検出空間を有し、前記反応管内で置換媒体がサンプルを通過するときのサンプルの変化状態図を取得するＣＴ装置と、
   測定過程におけるデータを取得して測定データをリアルタイムに分析すると同時に対応測定結果を出力する制御システムとを備える、ことを特徴とするＣＴ技術による海域の泥質シルト貯留層構造変化の測定装置。
2. 前記チョックプラグは中空媒体ジョイントと金属シール管を含み、前記媒体ジョイントは非磁性材料で一体形成された制限部分と導入部分とを含み、前記制限部分の外径が前記反応管の内径以下であり、前記導入部分の直径が前記反応管の外径より大きく、前記制限部分は前記反応管の内部に挿入された後に前記導入部分により遮断され、前記金属シール管は前記反応管と前記導入部分との接続部にシールするように取り付けられ、前記貫通孔は前記導入部分に設置され、２つの前記制限部分の間の間隔距離が測定サンプルを収容する空間となる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記反応管の両端にそれぞれ雄ネジとシールリングを取り付ける環形凹状リングが設置され、前記金属シール管は、前記制限部分に向いている一端に前記反応管に螺合される雌ネジが設置され、他端が直径が雌ネジ部分の直径より小さい摺動チャンネルであり、前記導入部分の前記制限部分に近い端部に外側に突出した制限リングが設置され、前記媒体ジョイントに套設された前記金属シール管は前記制限リングで制限されて制限部分の方向へ摺動することができず、同時に前記導入部分には前記金属シール管の後退を制限するＣ形リテーナが設置される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記サンプルを収納する空間内に空間の大きさを調整する非磁性調整管が取り付けられ、前記調整管は、外径が前記反応管の内径以下であり、内部に置換媒体が通過するためのチャンネルが設けられ、前記調整管とサンプルとの接触端面に置換媒体を分流するための導流溝が設置される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記反応管、媒体ジョイント及び調整管は非磁性ポリイミド材料で製造されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記制限部分の収納サンプルに近い一端の外円周に、直径方向シールリングが設置される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
7. ２つの前記制限部分のサンプルに近い一端にそれぞれサンプルの通過を抑制する金属網とろ紙が設置され、前記金属網とろ紙のメッシュが少なくともサンプルの粒度より小さい、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
8. 前記測定装置は、電子天秤、及び排出された置換媒体を収容する容器を含み、前記チョックプラグはパイピングを介して前記容器に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記供給装置は気体又は液体を提供する材料貯蔵タンクと、前記材料貯蔵タンクの供給圧力を調整する調整器と、置換媒体を収納する液体タンクとを含み、液体タンクは供給端が調整器に接続されて、吐出端が前記コネクタに接続され、前記調整器は測定要求圧力に基づいて前記供給装置が吐出した気体又は液体を前記液体タンクに入るように調整して、前記液体タンク内の置換媒体が前記コネクタを経た後に前記反応管に入るように促進し、前記コネクタにはそれぞれ気体源と液体源に接続される２つの供給インターフェース、１つの共用吐出インターフェースが設置され、同時に回路を介して前記制御システムに現在の置換媒体の供給量と圧力値を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記媒体ジョイントの導入部分の制限部分から離れた一端に固定ベースが取り付けられ、前記固定ベースの底面に前記ＣＴ装置の載置シートを収納する収納溝が設置され、前記固定ベースの径方向周辺に軸心線方向へ捩じられる調節ネジが設置されて、前記固定ベースと前記載置シートを固定する、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
11. 請求項１−１０のいずれか一項に記載の装置を用いた測定方法であって、
    テストの要件に応じて対応量のサンプルを選択し、次に非磁性材料で製造された小型反応管に投入し、両端のチョックプラグでサンプルの載置位置を調整して制限し、次に各テスト装置を接続して、反応管がＣＴ装置の検出空間に位置するようにするステップ１００と、
    まず、制御システムで測定前の各初期データを取得して、テスト圧力とテスト流量を選択し、次に液体タンクを開いて設定圧力下で反応管に所定流量で蒸留水を注入し、測定装置においてサンプルが通過した後に排出された蒸留水の量を記録し、単位時間あたり排出された蒸留水の量に基づいて、蒸留水のサンプルを通過したときの浸透率を算出するステップ２００と、
    測定装置が受信した蒸留水の流速が安定したとき、実験を一次的に停止して反応管内の現在状態を静止に保持し、次に、ＣＴ装置によって放射線源を利用して反応管におけるサンプルを３６０度で走査し、今回走査したサンプルの画像を取得して保存し、次に実験を続けるステップ３００と、
    実験を続けるとき、現在のテスト圧力を変えて、ステップ２００とステップ３００を、所定の実験回数になるまで繰り返し、次に走査ごとに取得した画像に対してデータ要約を行い、現在サンプルの異なる圧力と流量での微細な微粒の移動状況を取得し、それにより対応地層で実際に天然ガスハイドレートを採掘するときに満たすべき条件を提供するステップ４００とを含む、ことを特徴とする請求項１−１０に記載の装置を用いた測定方法。
12. 前記現在のテスト圧力を変更する基準は、圧力勾配の変化に基づいて変化し、具体的には、初期テスト圧力は１０ｋｐａ、以降の毎回の実験のテスト圧力は順次３０ｋＰａ、５０ｋＰａ、７５ｋＰａ、１００ｋＰａである、ことを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
13. 実験を行うときに蒸留水が両方の接触部位を流れることを避けるように、前記サンプルを反応管の内側壁面と密着させて反応管に充填する、ことを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
14. 前記現在サンプルの異なる圧力と流量での微細な微粒の移動状況としては、泥質シルトから構成される岩貯留層サンプルは、置換時間の増加に伴い、浸透率の劣化が置換時点ごとに発生し、最終的に、ウェル周囲の浸透抵抗を増大するケーキが形成され、低圧区間での産量安定化に必要な時間が長くなり、且つ地層エネルギーが高圧区間では著しく低減する傾向を有するという特性を有する、ことを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
15. 浸透率を計算するときに、まず現在流速を測定して、次に下式により浸透率を取得できることを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
    （式中、ΔＰは圧力差、Ｑは流速、μは注入液の粘度、ｌはコアの長さ、Ａはコアの横断面積、Ｋは浸透率である。）