JP5769676B2 - 物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム、これを用いた二酸化炭素地中貯留の監視方法、二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法、および結氷監視方法 - Google Patents
物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム、これを用いた二酸化炭素地中貯留の監視方法、二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法、および結氷監視方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、光ファイバのブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフト現象を利用して、物質の圧力、温度、ひずみの分布を同時に計測するシステム、およびこのシステムを利用して地層など広範囲の物質特性を監視、計測する方法に関するものである。
光ファイバのブリルアン散乱現象を利用した各種の計測手法が知られている（例えば特許文献１）。その一つとして、光ファイバにひずみが加えられることにより生じるブリルアン周波数シフトを利用した分布型圧力センサが挙げられる。ブリルアン周波数シフトは、光ファイバに加わるひずみに依存するため、圧力により変形する物質に固定した光ファイバの周波数シフトを計測することで、印加された圧力を計測することができる。
本発明者らは、先に、光ファイバのブリルアン周波数シフトに加えてレイリー周波数シフト現象を利用して、主として圧力と温度の分布を測定するシステムを提案している（特許文献２参照）。このシステムでは、圧力と温度の分布を計測するのが目的であり、光ファイバが被測定物に固定されていないために、これで計測されるひずみは使い道がない。
この光ファイバを用いた圧力測定技術は、物体の体積変化の計測に適用し得る。例えば、ポーラスな砂岩は、液体が充填される前と充填された後とでは体積が変化するので、前述の圧力測定技術の適用分野の一つとなる。近年、地球温暖化対策として、地中に二酸化炭素を貯留する技術が開発されつつあるが、前述の圧力測定技術は、二酸化炭素地中貯留が実行される場合における、砂岩における二酸化炭素の貯留状況をモニタするシステム、ならびにその上位層であるキャップロック層（泥質岩等）の力学安定性や安全性をモニタするシステムの構築に寄与できる。
しかし、例えば地中に存在する地層の状態変化を的確に検知する方法は未だ提案されていない。電気的な圧力センサを用いれば、スポット的な圧力変化を検知することは可能である。しかし、その圧力変化が、地表で観測される変状とどのような関連性を有するのか、また、地表に変状が生じても、その力学的安定性を保てるのかは明らかにされていない。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、物質の圧力、温度、およびひずみの分布を同時に計測することができ、地中など広範囲の物質の状態を的確に監視・評価するシステムを提供することを目的とする。
この発明は、物質中または物質に沿って敷設された光ファイバに入射されたパルスレーザ光が光ファイバ内で散乱された散乱波を取得する散乱波取得部と、散乱波からブリルアン周波数シフトの光ファイバ内の分布を計測するブリルアン周波数シフト計測部と、散乱
波からレイリー周波数シフトの光ファイバ内の分布を計測するレイリー周波数シフト計測部と、物質の圧力、温度およびひずみと、ブリルアン周波数シフト、およびレイリー周波数シフトを関係付けるための、敷設された光ファイバ特有の係数を記憶する係数記憶部と、ブリルアン周波数シフト計測部において計測されたブリルアン周波数シフトの分布と、レイリー周波数シフト計測部において計測されたレイリー周波数シフトの分布と、係数記憶部に記憶された係数とを用いて、計測した時点における物質の圧力、温度、およびひずみの、光ファイバに沿った分布を解析する解析部を備えたものである。
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この発明によれば、物質の圧力、温度、およびひずみの分布を同時に的確に計測することができ、地中など広範囲の物質の状態を的確に監視・評価するシステムが得られる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを利用した、二酸化炭素地中貯留の監視システムの概要を示す断面図、図２は図１のＦ部分の拡大図、図３は、図１のセンサケーブルの拡大断面図である。地中に二酸化炭素の貯留層となる砂岩層１００が存在し、その上にシール層として機能するキャップロック層１５０が存在するものとする。地上に設営された貯留サイト４０から地下の砂岩層１００に向けて、圧入井３ａが設置される。圧入井３ａには、内部に二酸化炭素の注入チューブ３２が挿入された円筒状のケーシング３１ａが設置される。ケーシング３１ａは、周囲にセメンチング３４が施されて地中地層に固定化される。圧入井３ａの周辺には、地中の状態を観測する観測井３ｂが設置されることが多い。この観測井３ｂには、通常、圧入井３ａに設置されるのと同様な円筒状のケーシング３１ｂが設置され、ケーシング３１ｂ内に水を満たして各種観測センサが挿入される。
図１は、本発明の実施の形態１による物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを利用した、二酸化炭素地中貯留の監視システムの概要を示す断面図、図２は図１のＦ部分の拡大図、図３は、図１のセンサケーブルの拡大断面図である。地中に二酸化炭素の貯留層となる砂岩層１００が存在し、その上にシール層として機能するキャップロック層１５０が存在するものとする。地上に設営された貯留サイト４０から地下の砂岩層１００に向けて、圧入井３ａが設置される。圧入井３ａには、内部に二酸化炭素の注入チューブ３２が挿入された円筒状のケーシング３１ａが設置される。ケーシング３１ａは、周囲にセメンチング３４が施されて地中地層に固定化される。圧入井３ａの周辺には、地中の状態を観測する観測井３ｂが設置されることが多い。この観測井３ｂには、通常、圧入井３ａに設置されるのと同様な円筒状のケーシング３１ｂが設置され、ケーシング３１ｂ内に水を満たして各種観測センサが挿入される。
圧入井３ａに沿って地中の圧力Ｐ、温度Ｔ、および地層のひずみεの分布を計測するために、セメンチング３４の層内にセンサケーブル２ａが埋設される。あるいは、観測井３ｂに沿って、セメンチングの層内にセンサケーブル２ｂが埋設されても良い。以降、センサケーブル２ａ、センサケーブル２ｂは、センサケーブル２として説明する。図３は、センサケーブル２の断面構造の一例を示している。センサケーブル２は、圧力の影響を受ける第１光ファイバ２１と、圧力の影響から遮断された第２光ファイバ２２とを含む。第２光ファイバ２２は、圧力遮断のため、金属細管２４内に収納されている。第１光ファイバ２１の周囲には保護カバー２３を設けても良い。ただし、この保護カバー２３は第１光ファイバ２１が周囲の圧力や変形の影響を受けるような材質・構造となっている必要がある。第１光ファイバおよび金属細管２４は、例えば複数の金属線２５と共に撚り線としてセンサケーブル２を構成する。また、地層のひずみεを計測するために、第１光ファイバはセメンチング３４層に固定されなければならない。固定は第１光ファイバの長手方向に渡って全面でも良いし、数ｍ程度の間隔を設けても良い。
センサケーブル２は、セメンチング３４の層内に埋設されているので、周囲の地層に体積変化を生じた場合、その影響を受ける。例えば、地層が二酸化炭素の封入により変形した場合、センサケーブル２は、セメンチング３４の層と一体となって変形を受けることになる。この場合、第１光ファイバ２１はその圧力を受け、圧力を感知するが、金属細管２４内に収容されている第２光ファイバ２２は影響を受けない。
このような第１光ファイバ２１および第２光ファイバ２２の各々について、地上に設置された測定装置１によりブリルアン計測およびレイリー計測が行われ、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトの光ファイバに沿った分布が求められる。これら、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトの分布から、センサケーブル２に沿った圧力、温度、ひずみの分布を同時に知ることができる。よって、発明者らは、測定装置１をＤＰＴＳＳ（Distributed Pressure Temperature Strain System）１と名付けた。
ここで、光ファイバを利用した圧力、温度、ひずみ分布測定の、測定原理を説明する。光ファイバに光を入射し、その散乱光を周波数分析すると、入射光とほぼ同じ周波数をもつレイリー散乱光、入射光と大きく周波数が異なるラマン散乱光、および入射光と数〜数十ＧＨｚ程度周波数が異なるブリルアン散乱光が観測される。
ブリルアン散乱現象は、光が光ファイバへ入射された場合に光ファイバの音響フォノンを介してパワーが移動する現象である。入射光とブリルアン散乱光との周波数差はブリルアン周波数と呼ばれ、このブリルアン周波数は、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバのひずみおよび温度に依存する。このため、ブリルアン周波数の変化を測定することによって、光ファイバに加えられるひずみおよび／または温度を測定することができる。また、本発明者らにより、光ファイバに加えられる圧力によっても、ブ
リルアン周波数が変化することが確かめられている。ここでは、ブリルアン周波数の変化を、ブリルアン周波数シフトと呼ぶことにする。
リルアン周波数が変化することが確かめられている。ここでは、ブリルアン周波数の変化を、ブリルアン周波数シフトと呼ぶことにする。
レイリー散乱現象は、光ファイバ中の屈折率のゆらぎによって、光が散乱するために生ずる散乱現象である。入射光とレイリー散乱光との周波数差がレイリー周波数である。このレイリー周波数も、光ファイバに加えられるひずみおよび／または温度により変化する。ここでは、レイリー周波数の変化を、レイリー周波数シフトと呼ぶことにする。
従来、レイリー散乱現象は、ひずみと温度のみに感度があると考えられてきた。本発明者らの、先の提案である特許文献２においては、レイリー散乱現象は、ひずみと温度のみに感度があるとして、システムの提案を行っている。本発明者らのその後の研究の結果，レイリー散乱現象もブリルアン散乱現象と同様、ひずみと温度以外に、圧力にも感度を有することが判明した。すなわち、ブリルアン周波数シフトΔνＢおよびレイリー周波数シフトΔνＲは、それぞれ圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴ、ひずみ変化量Δεにより式（１）および式（２）のように表記できる。
ここで、Ｃｉｊは光ファイバ固有の係数であり、使用する光ファイバについて、予備試験などによりこれらの係数の値を求めておくことにより、下記のように圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴ、ひずみ変化量Δεの分布を求めることができる。このレイリー周波数シフトΔνＲに圧力の項を導入することで、より精度が高い圧力、温度、ひずみ分布測定が可能となったのである。
ΔνＢ、ΔνＲが計測されたとする。計測値において圧力Ｐ、温度Ｔおよびひずみεの影響を分離するためには、３個以上の独立した計測量が必要となる。一つの光ファイバでは、独立した２個の計測値、ΔνＢ、ΔνＲが得られるだけであるから、圧力Ｐ、ひずみεおよび温度Ｔに対する感度が異なる２種類の光ファイバを用いることで、４個の独立した計測値が得られる。すなわち、式（３）の連立方程式が得られる。
ここで、上付きの数字は、光ファイバの種類を示している。圧力および温度は光ファイバが存在する部分の場の圧力および温度であるため、２種類の光ファイバで同一の値を持つ。一方、ひずみの値は光ファイバが周囲の物質に固定されているか否かに依存する。ＤＰＴＳＳではファイバ周囲の物質のひずみを計測する必要があるので、少なくとも一つの光
ファイバは周囲の物質に固定されていなければならない。
上記式（３）の連立方程式を解くことにより、圧力Ｐ、温度Ｔおよびひずみεの影響を分離することができる。よって、ブリルアン周波数シフトの計測（ブリルアン計測と呼ぶ）、およびレイリー周波数シフトの計測（レイリー計測と呼ぶ）のハイブリッド計測を行い、式（３）の連立方程式を解くことにより、圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεの、光ファイバに沿った分布を求めることができる。
式（３）において、上付き数字１のファイバを図１〜３における第１光ファイバ２１、上付き数字２のファイバを第２光ファイバ２２とすると、第２光ファイバ２２は圧力の影響から遮断されているため、式（３）は簡素化され、式（４）のようになる。
式（４）でも、圧力および温度は光ファイバが存在する部分の場の圧力および温度であるため、２種類の光ファイバで同一の値を持つ。一方、ひずみについては、周囲の物質に固定された第１光ファイバが受けるひずみε１と、金属細管に納められた第２光ファイバが受けるひずみε２は異なる。未知数はΔＰ、ΔＴ、Δε１、Δε２の４個となるが、方程式も４個あるため、これら４個の未知数を求めることができる。ただし、ひずみとして有用な値は、周囲の物質のひずみを直接受ける第１光ファイバのひずみε１である。
予め予備試験などにより、第１光ファイバおよび第２光ファイバの式（４）における各係数Ｃｉｊを求めておき、ブリルアン計測およびレイリー計測のハイブリッド計測を行い、上記式（４）の連立方程式を解くことにより、圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεの、光ファイバに沿った分布を求めることができる。ブリルアン計測およびレイリー計測のハイブリッド計測は、ある時点で同時に行うことができるため、光ファイバに沿った１次元の圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεの分布だけではなく、時間軸のデータも得ることができる。
式（４）は増分型の式であることに注意が必要である。すなわち、左辺のブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトを求めるためには、初期の状態における基準となる計測と、状態が変化した後の本計測の２回の計測が必要となる。また、式（４）を解いて得られるのは、初期状態を基準とした圧力、温度、ひずみのそれぞれの変化量となる。圧力、温度、ひずみの絶対量が必要となる場合は、初期計測時における圧力、温度、ひずみのそれぞれの分布の絶対量を何らかの方法により測定しておく。
初期状態は任意に選ぶことができる。二酸化炭素地中貯留の監視について言えば、坑井（圧入井３ａや観測井３ｂ）にケーブルを設置する前に、地上の恒温室において初期計測を行うことができる。この場合、圧力、温度分布が一様一定の状態を初期状態とすることができる。
または、坑井にケーブルを設置した後、二酸化炭素を注入する前を初期状態とすることもできる。この場合は、式（４）を解くことで、二酸化炭素の注入による圧力、温度、ひずみの変化量を直接得ることができる。圧力、温度、ひずみの絶対量が必要となる場合は、二酸化炭素注入前の坑井静止時に電気センサ等で計測された圧力、温度の絶対量分布を用いればよい。地上の恒温室における初期計測データがあれば、二酸化炭素注入前の計測から、圧力、温度の絶対量分布を得ることもできる。
圧力Ｐ、温度Ｔおよびひずみεの分布の絶対量の変化あるいは、変化量のデータを収集することで、砂岩層１００への二酸化炭素の封入に伴う変化および分布をモニタリングでき、例えば二酸化炭素の封入の状況や、キャップロック層１５０からの漏れなどを監視することができる。
図４は、ＤＰＴＳＳ１の一例の概要を示すブロック図である。散乱波取得部１１において、光ファイバで散乱された散乱波を取得する。取得された散乱波はブリルアン周波数シフト計測部１２において解析され、ブリルアン周波数シフトが計測される。このとき、ブリルアン周波数シフトは光ファイバの長さ方向に沿った分布として計測される。同様に、レイリー周波数シフト計測部１３においてレイリー周波数シフトが計測される。レイリー周波数シフトも、光ファイバの長さ方向に沿った分布として計測される。
係数記憶部１４には、予備試験などにより求めた式（４）の係数Ｃｉｊが予め記憶されている。計測されたブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフト、および係数記憶部１４に記憶されている係数を用いて、解析部１５において式（４）により、圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεが解析され、分布データ記憶部１６に記憶される。以上の計測、解析は所定の時間間隔で実行され、時間毎の圧力・温度・ひずみの変化量の分布データとして分布データ記憶部１６に記憶される。初期計測において、圧力・温度・ひずみの初期分布の絶対量が計測されている場合は、この値を分布データ記憶部１６に記憶しておけば、変化量の分布データと合わせて各時点の絶対量の分布データが得られる。評価演算部１７では、圧力、温度、ひずみの時間変化量などにより砂岩層１００における状態を評価し、例えば二酸化炭素の貯留状況などを監視する。
図１のシステムにおける、二酸化炭素の貯留状態の評価に関する工程の一例を図５のフロー図に示す。まず、第１光ファイバ２１および第２光ファイバ２２として設置される２種類の光ファイバを準備し、室内試験などにより、各光ファイバの特性を測定し、式（４）の各係数Ｃｉｊを決定しておく（ＳＴ１）。決定した各係数は、例えばＤＰＴＳＳ１の係数記憶部１４に記憶させておく。各係数が決定できた２種類の光ファイバをセンサケーブル２の第１光ファイバ２１、第２光ファイバ２２として、まず恒温室において、圧力、温度一様一定の条件下で初期計測１を行い、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトの基準となるブリルアン基準スペクトルおよびレイリー基準スペクトルを測定する（ＳＴ２）。次に、図１〜図３に示すような構成で、二酸化炭素貯留層となる砂岩層１００の地中まで、圧入井３ａ、あるいは観測井３ｂに設置する（ＳＴ３）。
センサケーブル２の設置の完了後、初期計測２として、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトの基準となるブリルアン基準スペクトルおよびレイリー基準スペクトルを測定する（ＳＴ４）。圧力・温度の絶対量が必要となる場合は、初期計測１と初期計測２の計測データから、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトを求め、連立方程式（４）を用いて圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴの分布を算出する。続いて、初期計測１時の恒温室の圧力、温度を用いて、初期計測２時の圧力、温度の絶対量分布を求める。
二酸化炭素の注入が開始されたら、ブリルアンスペクトルおよびレイリースペクトルの計測を行い、初期計測２の計測データとの差分を取ることにより、ブリルアン周波数シフトΔν１ Ｂ、Δν２ Ｂ（ＳＴ５）およびレイリー周波数シフトΔν１ Ｒ、Δν２ Ｒ（ＳＴ６）を求め、連立方程式（４）を用いて圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεの分布を算出する（ＳＴ７）。ＳＴ５、ＳＴ６、ＳＴ７は、上述のようにＤＰＴＳＳ１において、所定の時間間隔で実行され（ＳＴ８ ＮＯ）、時間毎のデータとして分布データ記憶部１６に記憶される。ここで算出される圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴおよびひずみ変化量Δεは、前述の初期計測２時からの各変化量である。必要な時間分布が取得できたら（ＳＴ８ ＹＥＳ）、空隙率、二酸化炭素の浸入速度等の岩石性状のデータベースを参照して（ＳＴ１０）、後述のように、二酸化炭素貯留状態の評価を行うことができる（ＳＴ９）。
図６に、ある時点での測定データの概念的な一例を示す。図６では、深さ１０００ｍまで光ファイバを設置した場合を示している。図６のように、ある時点においてブリルアン計測およびレイリー計測のハイブリッド計測により、深さ方向の、圧力Ｐ、温度Ｔ、地層のひずみεの変化量、あるいは絶対量としての分布データが得られる。
所定時間間隔で図６のようなデータを取得することにより、各位置での、圧力Ｐ、温度Ｔ、ひずみεの時間変化のデータが得られる。図７に、二酸化炭素を注入しながら取得した、砂岩層の、ある深さにおけるひずみεの時間変化の概念的データを示す。図７において時間０が二酸化炭素注入開始時点である。図７に示すように、注入開始後ある程度時間が経過した後、徐々にひずみが増加し、次第にひずみが平衡状態になる。ひずみが平衡状態になった時点で、その位置の砂岩層の二酸化炭素量が飽和したことがわかる。さらに注入を続けることで、図１に示す二酸化炭素貯留部１０１が拡大してゆく。このようにしてひずみ分布の変化を監視することで、二酸化炭素の注入および貯留の状態を評価・監視することができる。
実施の形態２．
実施の形態２では、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより地層など広範囲の物質特性を監視、計測することができることを、室内実験により実証した例を示す。図８は、室内実験の構成の概要を示す図である。多胡砂岩１１０という、空隙率（浸透率）に偏りがある円柱状のサンプルに光ファイバ２００を螺旋状に巻き、ＤＰＴＳＳ１により、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトを測定する構成としている。多胡砂岩１１０は、図８の上部（fine layer）の空隙率が小さい、すなわち図１のキャップロック層１５０を模擬する部分と、下部（coarse layer）の空隙率が大きい砂岩層１００を模擬した部分から成る。
実施の形態２では、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより地層など広範囲の物質特性を監視、計測することができることを、室内実験により実証した例を示す。図８は、室内実験の構成の概要を示す図である。多胡砂岩１１０という、空隙率（浸透率）に偏りがある円柱状のサンプルに光ファイバ２００を螺旋状に巻き、ＤＰＴＳＳ１により、ブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトを測定する構成としている。多胡砂岩１１０は、図８の上部（fine layer）の空隙率が小さい、すなわち図１のキャップロック層１５０を模擬する部分と、下部（coarse layer）の空隙率が大きい砂岩層１００を模擬した部分から成る。
このサンプルを圧力容器内に収納し、１２ＭＰａの封圧を印可した後、水や二酸化炭素をサンプルに注入して、サンプルの状態の変化を評価した。圧力や温度は一様であり分布を有しないため、主にひずみの分布を求めて、サンプルの状態の変化を評価した。また、室内実験の場合、圧力と温度は一様一定であるので他の点センサでモニタを行う。よって未知量はひずみだけとなり、式（４）の４個の式全てを用いる必要が無く、光ファイバは第１光ファイバ１本で計測できる。
まず、サンプルに水を注入し水が浸透する過程を観察した。水が十分に浸透した後、次に二酸化炭素をサンプルに注入し、二酸化炭素が水と置換する過程を観察した。図９は、サンプルの多胡砂岩１１０内に浸透した水が二酸化炭素に置き換わる様子を観察した結果の一例を示す図である。多胡砂岩１１０の外周に螺旋状に巻いた光ファイバ２００に沿ったひずみの分布データを所定時間間隔で取得する。各時点において、図６のひずみの分布データと同様のデータが取得できる。このデータを、時間を横軸にして並べ、ひずみの大きさを色の濃淡で表わした図が図９である。色の濃い部分が、ひずみが大きい部分を示している。
図９において、二酸化炭素を注入し始めた時間が０であり、ほぼ１００時間後から空隙率が大きいcoarse layer１１２の部分のひずみが増加してゆくのが観測されている。また、色の濃さが二酸化炭素の量を示している。色が濃い部分は二酸化炭素が良く浸透している部分であり、また色の濃さの変化が、二酸化炭素が多胡砂岩１１０に浸透する様子を示している。
このように、本実施の形態２に示した室内実験により、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いてサンプルである多胡砂岩１１０のひずみ分布の変化を測定することが可能であることがわかった。また、この測定結果を評価することにより、例えば二酸化炭素の地中貯留の状況を監視することができる。室内実験では、圧力や温度は分布がほとんどなく、またその変化も他の方法で監視できる。しかし、二酸化炭素の地中貯留のような地中においては、圧力や温度の分布も知る必要がある。第１光ファイバ２１および第２光ファイバ２２を用いた本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより、式（４）を用いて、圧力および温度の分布も同時に測定することで、地中のひずみ分布のデータを得ることができ、二酸化炭素の地中貯留の状態を監視することができるのである。
実施の形態３．
実施の形態３は、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより可能となる応用例を示す。
＜応用例１＞
実施の形態１および２では、二酸化炭素の地中貯留における注入時の監視について説明した。本システムにより、注入終了後もひずみなどを監視することで、注入終了後の異常を監視することができる。例えば、キャップロック層に亀裂が生じたなどの理由により二酸化炭素が二酸化炭素貯留部１０１からキャップロック層１５０を介して漏れ出すことが考えられる。
実施の形態３は、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムにより可能となる応用例を示す。
＜応用例１＞
実施の形態１および２では、二酸化炭素の地中貯留における注入時の監視について説明した。本システムにより、注入終了後もひずみなどを監視することで、注入終了後の異常を監視することができる。例えば、キャップロック層に亀裂が生じたなどの理由により二酸化炭素が二酸化炭素貯留部１０１からキャップロック層１５０を介して漏れ出すことが考えられる。
二酸化炭素貯留部１０１からの漏れを監視するときのフロー図を図１０に示す。注入終了後のひずみを、図１１のように時間と深さ方向の２次元で監視しておく（ＳＴ１０）。ひずみに変化がなければ（ＳＴ１１ ＮＯ）監視を続ける。図１１の例のように、ある時点からひずみが変化（ＳＴ１１ ＹＥＳ）すれば、貯留している二酸化炭素が漏れ出した可能性があることがモニタでき、修復が必要かどうか判断する（ＳＴ１３）。修復が必要と判断され（ＳＴ１３ ＹＥＳ）、漏れ出した場所が特定できれば、その部分の修復（ＳＴ１４）を行うことで、図１１に示すように、ひずみが元に戻り、修復できたこともモニタ（ＳＴ１０）できる。
＜応用例２＞
地中の二酸化炭素は相が変化し、液体や気体、あるいは超臨界の状態になる。地中の温度変化を監視することでこれら相状態の変化をモニタすることができる。この相状態をモニタする工程のフロー図を図１２に、温度の状態の概念図を図１３に示す。深さ方向の温度分布を経時的に監視しておく（ＳＴ２０）。温度上昇があれば（ＳＴ２１ ＹＥＳ）、温度上昇が生じている部分の二酸化炭素は超臨界の状態から液体に変化している可能性がある（ＳＴ２２）（図１３の温度上昇ゾーン）。逆に温度低下が生じていれば（ＳＴ２３ ＹＥＳ）、温度低下している部分の二酸化炭素は液体から気体に変化している可能性がある（ＳＴ２４）（図１３の温度低下ゾーン）。このように、深さ方向の温度分布の経時的な変化を監視することで、地中の二酸化炭素の状態の変化をモニタすることができる。
地中の二酸化炭素は相が変化し、液体や気体、あるいは超臨界の状態になる。地中の温度変化を監視することでこれら相状態の変化をモニタすることができる。この相状態をモニタする工程のフロー図を図１２に、温度の状態の概念図を図１３に示す。深さ方向の温度分布を経時的に監視しておく（ＳＴ２０）。温度上昇があれば（ＳＴ２１ ＹＥＳ）、温度上昇が生じている部分の二酸化炭素は超臨界の状態から液体に変化している可能性がある（ＳＴ２２）（図１３の温度上昇ゾーン）。逆に温度低下が生じていれば（ＳＴ２３ ＹＥＳ）、温度低下している部分の二酸化炭素は液体から気体に変化している可能性がある（ＳＴ２４）（図１３の温度低下ゾーン）。このように、深さ方向の温度分布の経時的な変化を監視することで、地中の二酸化炭素の状態の変化をモニタすることができる。
この変化は、特にキャップロック層より浅い部分で生じる可能性があるため、キャップロック層より上の部分を監視する必要がある。本発明のシステムによれば、地表から砂岩層１００までの温度分布を常時計測できるため、このような監視も可能である。
＜応用例３＞
地中のひずみ分布から、地層の変状を評価することができる。地層の変状に基づいて地表の形状変化の評価、すなわち二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価を行う工程のフロー図を図１４に、ひずみ測定値と、このひずみ測定値から算出した変位量の分布の概念図を図１５に示す。ある時点におけるひずみ分布の測定値を取得する（ＳＴ３０）。このひずみの値を深さ方向に積分することで変位量の分布が得られる（ＳＴ３１）。変位量の分布から地表の変形量が得られる（ＳＴ３２）。得られた地表変形量と実際の地表変形量などを比較・解析する（ＳＴ３３）ことで、地表の形状変化の原因などを評価することができる。
地中のひずみ分布から、地層の変状を評価することができる。地層の変状に基づいて地表の形状変化の評価、すなわち二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価を行う工程のフロー図を図１４に、ひずみ測定値と、このひずみ測定値から算出した変位量の分布の概念図を図１５に示す。ある時点におけるひずみ分布の測定値を取得する（ＳＴ３０）。このひずみの値を深さ方向に積分することで変位量の分布が得られる（ＳＴ３１）。変位量の分布から地表の変形量が得られる（ＳＴ３２）。得られた地表変形量と実際の地表変形量などを比較・解析する（ＳＴ３３）ことで、地表の形状変化の原因などを評価することができる。
以上のように、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムによる計測に基づけば、この一つの計測システムのみで、二酸化炭素地中貯留における、地中、地表の様々な状態を監視、評価することができる。
さらに、二酸化炭素地中貯留のみならず、例えば石油井戸、その他地中の深度深くまで掘削して地下資源を採掘するシステムや、それらが廃坑になった後の地中の地層の状態の監視などにも、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを適用することができる。
実施の形態４．
これまでの実施の形態は、二酸化炭素地中貯留など地中の地層の状態監視に関する実施の形態であった。本実施の形態４は、地層の状態監視以外の実施の形態として、河川などの結氷を監視するシステムについての実施の形態である。図１６に、河川に架かる橋梁の結氷を監視するシステムの模式図を示す。橋桁および橋脚に沿ってセンサケーブル２を設置する。センサケーブル２は例えば断面構造が図３と同様のものを用いる。センサケーブル２は特に結氷を監視したい位置、例えば橋脚の部分が水面以下となるように設置しておく。
これまでの実施の形態は、二酸化炭素地中貯留など地中の地層の状態監視に関する実施の形態であった。本実施の形態４は、地層の状態監視以外の実施の形態として、河川などの結氷を監視するシステムについての実施の形態である。図１６に、河川に架かる橋梁の結氷を監視するシステムの模式図を示す。橋桁および橋脚に沿ってセンサケーブル２を設置する。センサケーブル２は例えば断面構造が図３と同様のものを用いる。センサケーブル２は特に結氷を監視したい位置、例えば橋脚の部分が水面以下となるように設置しておく。
このセンサケーブル２の光ファイバについて、ＤＰＴＳＳ１によりブリルアン周波数シフト計測およびレイリー周波数シフト計測を行い、センサケーブル２に沿った圧力、温度、ひずみの分布を同時に求める。これらの分布の経時変化を監視することで、結氷の状態を知ることができる。図１７に、センサケーブル２の水面下にある部分の、結氷が生じるときの、温度とひずみの時間変化、およびひずみから求めた体積弾性率の変化の様子の概念的な図を示す。図１７のように、温度変化とともに、ひずみおよび体積弾性率の変化の様子を監視することで、河川が結氷する様子を監視することができる。河川の水は、塩分、泥、その他の混入物があり、氷結温度は必ずしも０℃ではない。このため、温度以外にひずみを観測することで結氷そのものを監視できる本システムが有効となる。
以上のように、本発明の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムによれば、一つの計測システムのみで、同時に物質の圧力、温度、ひずみの光ファイバに沿った分布が測定でき、その分布の経時変化も測定できるため、広範囲の物質の状態の監視などが的確に行える。特に、光ファイバの長さが１００ｍ以上といった長い、すなわち広範囲の物質の状態の監視において本発明の効果が大きい。
１、１ａ、１ｂ：ＤＴＰＳＳ ２、２ａ、２ｂ：センサケーブル
３ａ：圧入井 ３ｂ：観測井
１１：散乱波取得部 １２：ブリルアン周波数シフト計測部
１３：レイリー周波数シフト計測部 １４：係数記憶部
１５：解析部 １６：分布データ記憶部
１７：評価演算部 ２１：第１光ファイバ
２２：第２光ファイバ ２３：保護カバー
２４：金属細管 ２５：金属線
３１：ケーシング ３２：注入チューブ
３４：セメンチング ４０：貯留サイト
１００：砂岩層 １０１：二酸化炭素貯留部
１１０：多胡砂岩サンプル １１１：サンプル上部（fine layer）
１１２：サンプル下部（coarse layer） １５０：キャップロック層
２００：光ファイバ
３ａ：圧入井 ３ｂ：観測井
１１：散乱波取得部 １２：ブリルアン周波数シフト計測部
１３：レイリー周波数シフト計測部 １４：係数記憶部
１５：解析部 １６：分布データ記憶部
１７：評価演算部 ２１：第１光ファイバ
２２：第２光ファイバ ２３：保護カバー
２４：金属細管 ２５：金属線
３１：ケーシング ３２：注入チューブ
３４：セメンチング ４０：貯留サイト
１００：砂岩層 １０１：二酸化炭素貯留部
１１０：多胡砂岩サンプル １１１：サンプル上部（fine layer）
１１２：サンプル下部（coarse layer） １５０：キャップロック層
２００：光ファイバ
Claims (11)
- 物質中または物質に沿って当該物質と共に変形するように敷設された光ファイバに入射されたパルスレーザ光が前記光ファイバ内で散乱された散乱波を取得する散乱波取得部と、
この散乱波取得部において取得した散乱波からブリルアン周波数シフトの、前記光ファイバ内の分布を計測するブリルアン周波数シフト計測部と、
前記散乱波取得部において取得した散乱波からレイリー周波数シフトの、前記光ファイバ内の分布を計測するレイリー周波数シフト計測部と、
前記物質の圧力、温度、およびひずみと、前記ブリルアン周波数シフト、および前記レイリー周波数シフトを関係付けるための、前記敷設された光ファイバ特有の係数を記憶する係数記憶部と、
前記ブリルアン周波数シフト計測部において計測されたブリルアン周波数シフトの分布と、前記レイリー周波数シフト計測部において計測されたレイリー周波数シフトの分布と、前記係数記憶部に記憶された係数とを用いて、前記計測した時点における前記物質の圧力、温度、およびひずみの、前記光ファイバに沿った分布を解析により求める解析部を備えたことを特徴とする物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。 - 前記敷設された光ファイバの長さは１００ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 前記光ファイバは、圧力の影響を受けるように保持された第１光ファイバと、圧力の影響から遮断されるように保持された第２光ファイバとにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 前記解析部は、
前記係数記憶部に記憶された、前記第１光ファイバと圧力、前記第１光ファイバと温度、前記第１光ファイバとひずみ、前記第２光ファイバと温度、前記第２光ファイバとひずみ、のそれぞれとブリルアン周波数シフトを関係づけるための係数である、Ｃ１ １３、Ｃ１ １２、Ｃ１ １１、Ｃ２ １２、Ｃ２ １１と、
前記第１光ファイバと圧力、前記第１光ファイバと温度、前記第１光ファイバとひずみ、前記第２光ファイバと温度、前記第２光ファイバとひずみ、のそれぞれとレイリー周波数シフトを関係づけるための係数である、Ｃ１ ２３、Ｃ１ ２２、Ｃ１ ２１、Ｃ２ ２２、Ｃ２ ２１と、
前記第１光ファイバにおいて計測された、初期計測時からのブリルアン周波数シフトΔν１ Ｂおよびレイリー周波数シフトΔν１ Ｒと、
前記第２光ファイバにおいて計測された、ブリルアン周波数シフトΔν２ Ｂおよびレイリー周波数シフトΔν２ Ｒと、による連立方程式
Δν１ Ｂ＝Ｃ１ １３ΔＰ＋Ｃ１ １２ΔＴ＋Ｃ１ １１Δε１
Δν１ Ｒ＝Ｃ１ ２３ΔＰ＋Ｃ１ ２２ΔＴ＋Ｃ１ ２１Δε１
Δν２ Ｂ＝ Ｃ２ １２ΔＴ＋Ｃ２ １１Δε２
Δν２ Ｒ＝ Ｃ２ ２２ΔＴ＋Ｃ２ ２１Δε２
により、前記初期計測時からの圧力変化量ΔＰ、温度変化量ΔＴ、第１光ファイバのひずみ変化量Δε１、および第２光ファイバのひずみ変化量Δε２を求めることを特徴とする請求項３に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。 - 前記光ファイバは二酸化炭素地中貯留のための圧入井、または観測井に沿って、地表から二酸化炭素貯留部となる砂岩層まで敷設されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 請求項５に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみ分布の経時変化を観測することにより、前記砂岩層に注入される二酸化炭素の状態を監視することを特徴とする二酸化炭素貯留の監視方法。
- 請求項５に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみ分布の経時変化を観測することにより、前記砂岩層に貯留された二酸化炭素の漏えいを監視することを特徴とする二酸化炭素地中貯留の監視方法。
- 請求項５に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくとも温度分布の経時変化を観測することにより、地中の二酸化炭素の相変化を監視することを特徴とする二酸化炭素地中貯留の監視方法。
- 請求項５に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、測定されたひずみ分布から、当該ひずみを深さ方向に積分することで地中および地表の変位量を求め、この求めた変位量から地表の形状変化を評価することを特徴とする二酸化炭素注入による地層安定性への影響評価方法。
- 前記光ファイバは少なくとも水中に設置された橋脚に沿って敷設されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システム。
- 請求項１０に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定システムを用いて、少なくともひずみと温度の経時変化を観測することにより、前記橋脚周辺の水の結氷を監視することを特徴とする結氷監視方法。
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