JP2737367B2

JP2737367B2 - 岩石試料の高温高圧試験装置

Info

Publication number: JP2737367B2
Application number: JP15444690A
Authority: JP
Inventors: 康宏窪田; 寛渡部; 重行森
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH0450636A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、地熱発電用井等から採掘される岩石試料
に、高温高圧下の加熱・冷却繰り返し試験を行う際に使
用される岩石試料の高温高圧試験装置に関するものであ
る。

［従来の技術］地熱発電においては、2000〜3000m程度の坑井を掘削
し、この坑井深部を岩盤の亀裂より滲出する地下水が、
坑井を上昇するに従って加圧水から高圧の蒸気となって
噴出する際のエネルギーを、バルブ、タービン等を介し
て発電に利用する。このような地熱発電用井では、地下
深部において地下水が滲出する岩盤の亀裂が多い程、よ
り多くの地熱エネルギーを得ることができるため、坑井
の掘削終了後に生産井として仕上げるのに際し、意識的
に坑内に冷水を注入して岩盤をこの亀裂内から急冷し、
急激な温度変化によって亀裂を進展させたり、新たな亀
裂を派生させることがある。また、このような地熱開発
において、地下深部からの地熱エネルギーの抽出、利用
するに際し、還元井に水を送り、坑井の地下深部にて高
温の蒸気、また熱水に変換してこれを回収、利用するこ
ともある。

いずれにせよこのような場合、坑井あるいは還元井の
周辺の岩盤は、加熱、冷却を繰り返し受けることにな
る。そして、このような場合の、岩盤を形成する岩石の
破壊、弱化等の物性変化を定量的に評価するためには、
坑井の地下深部と同等な条件下で、岩石の試料を冷却
し、この時の物性値の変化を測定する必要がある。

従来、このような試験に用いられる試験装置として
は、例えば第２図に示すような岩石試料の加熱・冷却試
験装置が知られている。

この試験装置は、岩石試料１を収納するレンガ等の炉
体２と、この岩石試料１を加熱するヒーター３とを備え
た電気炉４と、この電気炉４で加熱された岩石試料１を
冷却する冷却水５を保持する冷却タンク６より構成され
ている。また、電気炉４には温度制御用レギュレター７
が取り付けられている。

このような試験装置を用いて、岩石試料の加熱・冷却
試験を行うには、例えば円柱状に成形された岩石試料１
を熱風乾燥器等により乾燥した後、デシケータ内で徐冷
し、電気炉４の炉体２内に収納して一定の昇温速度で所
定の温度にまで加熱し、この状態で一定時間保持する。
しかる後、加熱された岩石試料１を炉体２内より取り出
し、冷却タンク６に入れた冷却水５中に入れて急冷し、
この時の岩石試料１の物性の変化を測定する。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、このような試験装置では、まず第一
に、高圧の条件下での試験を行うことはできず、坑井の
地下深部の状態を忠実に再現することはできなかった。
このため、圧力条件に起因する岩石試料の物性の変化に
ついて、これを温度条件とともに解析することは不可能
とされていた。

また、このような試験装置においては、加熱された岩
石試料は冷却水中に投入されることにより、その外部か
ら急冷されることになる。しかし、坑井の地下深部で
は、前述のように岩盤に形成された亀裂内に冷却水を侵
入させることにより、岩盤が内部から冷却され、急激な
温度変化によってこの亀裂が進展、派生するものであ
る。このため、従来の試験装置による岩石試料の外部か
らの冷却では、亀裂の進展や派生についての正確な測定
や解析を行うことは極めて困難であった。

さらに、このような試験装置では、試料の冷却の際
に、電気炉から冷却タンクへと岩石試料を移動させなけ
ればならず、この作業は専ら人手を介して行なわれる。
しかし、この時試料は加熱されて高温となっており、ま
た、このような岩石試料の中には組織の結合の比較的脆
いものが含まれる場合がある。このため、加熱された試
料を冷却する際には、試料の取り扱いに細心の注意を払
う必要がある。

［課題を解決するための手段］本発明は、前記の課題を解決するためになされたもの
で、軸方向に貫通孔が設けられた柱状の岩石試料を収容
する本体と、この岩石試料の端面に当接する加圧部材を
介して、この岩石試料の端面に垂直な方向に負荷を与え
る圧縮装置と、本体内に充填された液状加圧材を介し
て、岩石試料の側面に圧力を付加する加圧装置と、岩石
試料を加熱するヒータと、岩石試料の貫通孔に冷却水を
供給する通水装置とを具備してなるものである。

［作用］本発明では、例えば円柱状に成形された岩石試料の中
心軸に貫通孔が設けられており、この岩石試料の端面に
は、圧縮装置に連結した加圧部材が当接している。ま
た、この岩石試料の側方には、加圧装置によって圧力付
加される液状の加圧材が充填されている。そして、これ
ら圧縮装置および加圧装置を操作することによって、岩
石試料には端面に垂直な方向と、側面に垂直な方向とか
ら同時に圧力が与えられる。

また、この試験装置には、岩石試料を加熱するヒータ
が設置されているとともに、岩石試料の貫通孔に冷却水
を供給する通水装置が設けられており、これらの圧縮装
置、加圧装置、ヒータ、および通水装置によって、高温
高圧の坑井深部において亀裂を有する岩盤が急冷された
場合と略同等な状況が、試験装置内の岩石試料に再現さ
れる。

［実施例］第１図は、本発明の一実施例を示す断面図である。

本実施例では、岩石試料11は円柱状に成形されるとと
もに、中心軸に沿って両端面に開口する貫通孔12が設け
られており、この岩石試料11の外径より大きい内径を有
する筒状の耐圧シリンダ13内に垂直に配置されている。
この耐圧シリンダ13内の岩石試料11の上下には、岩石試
料11の両端面に当接する岩石試料11と同径の端部と、耐
圧シリンダ13の内径と同径の基部とを有する多段円筒状
の上部加圧盤14および下部加圧盤15が、それぞれシール
スペーサ16を介して摺動可能に配置されている。また、
岩石試料11の側面は、例えばふっ素ゴム等の耐熱性のス
リーブ17によって被覆されている。

そして、これら岩石試料11、耐圧シリンダ13内周面、
上部加圧盤14、および下部加圧盤15によって、耐圧シリ
ンダ13内には岩石試料11を中心に円筒形の空間が形成さ
れていて、この空間には水等の液状加圧材18が充填され
ているとともに、耐圧シリンダ13内周面と上部加圧盤14
および下部加圧盤15の基部外周面とが摺接することによ
り保持されている。さらに、この空間に臨んで下部加圧
盤15の基部上面には、下部加圧盤15を貫通して形成され
た加圧管路19の一端が開口しており、この加圧管路19の
他端には、液状加圧材18を加圧するとともに、この加圧
状態を保持する加圧装置20が接続されている。

一方、上部加圧盤14の基部には耐圧シリンダ13の内径
と同径のピストン21を介してロードセル22が取り付けら
れており、また、下部加圧盤15の基部には、サーボバル
ブ23によって駆動される圧縮装置24の油圧ラムピストン
25の押圧面が当接している。なお、ピストン21と耐圧シ
リンダ13との間には、Ｏリング26およびキャップ27が設
けられており、また下部加圧盤15と耐圧シリンダ13との
間にも、Ｏリング26が設けられていて、これらによって
耐圧シリンダ13内の空間の液密性はより高いものとなっ
ている。

また、シールスペーサ16,16、上部加圧盤14、下部加
圧盤15、およびピストン21には、これらの部材を貫通し
て岩石試料11の貫通孔12に接続される通水管路28が形成
されており、この通水管路28の一端は岩石試料11の貫通
孔12に冷却水を供給する通水装置29に接続されている。

さらに、耐圧シリンダ13の外周面には、岩石試料11を
取り囲むようにヒータ30…が配置され、このヒータ30…
の上下には、耐圧シリンダ13の両端部の過熱を防ぐ冷却
水が循環する水冷ジャケット31,31が設けられている。
なおピストン21には変位計32が設置されている。

以下、このような構成の岩石試料は高温高圧試験装置
を用いて、岩石試料の高温高圧下での加熱冷却繰り返し
試験を行う場合の例を説明する。

まず、岩石試料11の作成に当たっては、測定結果のバ
ラツキをできるだけ少なくするため、同一岩石ブロック
で岩目に直交する方向からコアを抜き取り、これより所
定の寸法の円柱状の試料を形成し、この試料の中心軸に
沿って貫通孔12を設けた後、熱風乾燥器等で乾燥し、デ
シケータ内で徐冷して、試験に供する。

このようにして作成された岩石試料11をシールスペー
サ16,16、ゴムスリーブ17によって被覆し、上部加圧盤1
4と下部加圧盤15の間に狭装された状態に、耐圧シリン
ダ13内にセットする。そして、加圧装置20により、岩石
試料11の周囲に配置された液状加圧材18を加圧して岩石
試料11に側圧をかけるとともに、サーボバルブ23によっ
て圧縮装置24を駆動して油圧ラムピストン25を下部加圧
盤15に押圧し、岩石試料11を軸方向に圧縮する。さら
に、ヒータ30…を稼動して、一定の昇温速度で岩石試料
11を加熱し、所定の温度に達したところで、この状態の
まま一定時間保持する。

しかる後、通水装置29を作動して、通水管路28を通し
て岩石試料11の貫通孔12に冷却水を一定時間、繰り返し
送り込むことにより、高温高圧下において、岩石がその
亀裂内部より加熱、冷却を繰り返し受けた場合の弱化、
破壊等の物性の変化が測定される。

このように本発明では、岩石試料の端面に垂直な方向
に圧力を加える圧縮装置と、側圧を付加する加圧装置に
より、岩石試料は等方向に高圧を付与され、また、ヒー
タによって高温状態に保持されるとともに、通水装置に
よって急冷される。これらの条件は、坑井内の岩盤に冷
水を注入した場合と略同等な条件であり、坑井の地下深
部の状況を、試験装置内にて忠実に再現することができ
る。そして、このような状況で岩石試料の物性変化を測
定することにより、実際の坑井内での岩盤の弱化、破壊
等の状態により近い試験結果を得ることが可能である。

また本発明では、岩石試料は、その内部に形成された
貫通孔に通水されて急冷されるものであり、これは坑井
内の注水して、亀裂を有する岩盤が冷却される状態と酷
似するものである。すなわち、本発明によれば、岩盤を
急冷した際の亀裂の進展、派生についても、実際の坑井
内で起こりうる状況により等しい状態を再現することが
できる。これにより、坑井に注水して亀裂を進展、派生
させ、多くの地下水を滲出させて、発生する地熱エネル
ギーの増大を図る際、この亀裂の進展、派生を予測する
のに要する、より精密なシュミレーションデータを得る
ことが可能となる。

さらに本発明では、試験装置内にセットされた岩石試
料は、外部からの操作によって圧縮、昇温、そして冷却
されるものであり、この間、直接人手を介して試料を取
り扱う必要はない。このように、試料の取り扱いが簡単
であり、試験を容易に行うことができるということも、
本発明が有する利点の一つである。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、高温高圧下の坑
井深部の状況に略等しい条件を、試験装置内にて容易に
再現することが可能である。そして、このような条件下
におかれた岩石試料の貫通孔に冷却水を通水して、岩石
試料を冷却することにより、坑井内の岩盤に形成される
亀裂を進展、派生させるための、より詳しい、正確なシ
ュミレーションデータを得ることができる。

また本発明では、試験中の操作は、すべて外部から行
なわれるものであり、試料の取り扱いが容易で、簡単に
試験を行うことができるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す断面図であり、第２
図は岩石試料の加熱・冷却試験に用いられる試験装置の
一例を示すものである。 11……岩石試料、12……貫通孔、 13……耐圧シリンダ、14……上部加圧盤、 15……下部加圧盤、16……シールスペーサ、 17……スリーブ、18……液状加圧材、 19……加圧管路、20……加圧装置、 21……ピストン、22……ロードセル、 23……サーボバルブ、24……圧縮装置、 25……油圧ラムピストン、28……通水管路、 29……通水装置、30……ヒータ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向に貫通孔が設けられた柱状の岩石試
料を収容する本体と、前記岩石試料の端面に当接する加
圧部材を介して前記岩石試料の端面に垂直な方向に負荷
を与える圧縮装置と、前記本体内に充填された液状加圧
材を介して前記岩石試料に側圧を付加する加圧装置と、
前記岩石試料を加熱するヒータと、前記岩石試料の貫通
孔に冷却水を供給する通水装置とを具備してなる岩石試
料の高温高圧試験装置。