JP6302347B2 - 岩石内部の診断システム、それに用いられる容器、岩石内部の診断方法および地中岩石内への流体注入方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を岩石内に注入したときの、流体の挙動を診断するシステムおよび方法に関する。

二酸化炭素等の温室効果ガスの急激な増加による地球温暖化が、気候変動に大きな影響を与えると考えられている。温室効果ガスの削減は、各国の経済活動やエネルギー政策と密接に関連しており、地球規模での環境問題となっている。その一つの解決方法として、温室効果ガスの中で、大きなウェイトを占める二酸化炭素を発生源から分離・回収し、それを地下に貯留する技術（ＣＣＳ：Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ）があり、有効な温暖化対策として位置づけられている。そこで現在、地下深部の塩水性帯水層に、二酸化炭素を安全に貯留するための技術開発が進められている（特許文献１参照）。塩水性帯水層に圧入された二酸化炭素は、塩水性帯水層中の塩水と置き換えられ、塩水性帯水層へと貯留される。

ＣＣＳでは、地下深部の岩石の隙間に二酸化炭素を注入していくため、注入時の圧力や速度等の注入条件を適切に設定することが、作業の効率化やコストの面で重要である。また、実際に貯留された二酸化炭素の量を知ることは、排出権取引上、非常に重要な点である。さらに、二酸化炭素を貯留した後の漏出の問題や経時変化、環境変動に対する安全性等についても、予測する必要がある。

しかし、実際に、地下深部に存在する塩水性帯水層における圧入された二酸化炭素の挙動や、どれ位の量の二酸化炭素が貯留されたかを知ることは非常に困難である。

国際公開２０１１／０１９０５３号パンフレット

そこで、地表において、地下深部の環境を再現し、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）やＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）などの断層撮影等を行うことにより、地下深部での二酸化炭素の挙動や貯留量を予測する試みがなされている。具体的には、地下深部と同じ温度・圧力の環境を再現するために、高圧に耐えうる耐圧容器を用い、その中に岩石のサンプルを入れる。耐圧容器に圧力と温度とを加えながら、耐圧容器内に二酸化炭素を注入していき、その時の岩石内部の比抵抗値や波動速度を測定し、同時に断層撮影する。断層撮影された画像からは、二酸化炭素が岩石内部に浸透していく様子（二酸化炭素の挙動）が把握できる。これにより、同時に測定された比抵抗値や波動速度と、二酸化炭素の挙動とを関連付けることができる。一方、地下深部においても、岩石の比抵抗値や波動速度を測定することは可能である。そこで、地表での再現データと、地下深部での岩石の比抵抗値や波動速度とを照らし合わせることにより、現場にて、地下深部での二酸化炭素の挙動を予測することが可能となる。

岩石の波動速度や比抵抗値の測定に使用されるセンサーや電極は、金属材料を含んでいる。本発明者らは、これらの金属材料が、断層撮影に大きな影響を与えることを見出し、本発明に至った。このような金属材料は、岩石表面のある位置に局所的に複数装着されており、断層撮影を行うと、金属材料を中心として、放射状の広がりを持つ画像の乱れ（ノイズ）が生じる。この画像の乱れが、岩石表面の複数個所で生じるため、補正等を行うことが困難であり、岩石内部を明瞭に示す画像を得ることが非常に難しい。

さらに、現在、地表の再現実験に使用されている主な容器は、アルミニウムまたはアルミニウムと炭素繊維とで構成されている。アルミニウム等の金属は、ＣＴで使用されるＸ線吸収係数が高いため、アルミニウム製の容器の内部にある岩石を、明瞭にＣＴで断層撮影することは困難である。

近年、環境問題やコストへの意識が高くなり、さらには電力の火力発電への依存も大きくなっており、二酸化炭素の排出を効率的に削減することのできるＣＣＳに関心が集まっている。また、ＥＯＲ（石油増進回収法）の一つである、水や二酸化炭素などの流体を油層に圧入し、石油を採収する方法においても、二酸化炭素の地下での挙動や飽和度を予測することは、非常に重要である。
そのため、地下深部での二酸化炭素の挙動、つまり、岩石の隙間に存在している水等の液体が、どのように、そしてどの程度、二酸化炭素に置き換わっているかを予測することは、益々重要になってきている。しかし、現在の手法では、明瞭な断層撮影画像を得ることが困難であり、二酸化炭素の挙動を的確に把握することが難しい。

本発明の第一の局面は、流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた岩石を、収容するための耐圧容器と、前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、前記岩石内を伝搬する波動の速度を測定する波動測定装置と、を備え、前記波動測定装置が、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断システムに関する。

本発明の第二の局面は、流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた岩石を、収容するための耐圧容器と、前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、前記岩石内の比抵抗値を測定する比抵抗測定装置と、を備え、前記比抵抗測定装置が、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を含み、前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ金属材料を含み、前記第１電極および前記第２電極が、前記検査領域外にある、岩石内部の診断システムに関する。

本発明の第三の局面は、流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた柱状の岩石を、収容するための耐圧容器と、前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、前記岩石内の比抵抗値を測定する比抵抗測定装置と、を備え、前記比抵抗測定装置が、前記岩石の表面に装着された少なくとも１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を含み、前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ炭素材料により構成されており、前記電極により形成される電界の方向と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、０〜９０°である、岩石内部の診断システムに関する。

本発明の第四の局面は、前記岩石内部の診断システムに用いられる前記耐圧容器であって、筒状の容器本体と、前記入口と連通し、前記流体を前記入口に注入するための注入口を有し、かつ、前記容器本体と嵌合する第１蓋部と、前記出口と連通し、前記流体を前記出口から排出するための排出口を有し、かつ、前記第１蓋部と対向して前記容器本体と嵌合する第２蓋部と、を備え、前記第１蓋部および前記第２蓋部が、前記容器本体と嵌合して、前記耐圧容器内部を密閉状態に保持し、前記容器本体、前記第１蓋部および前記第２蓋部が、カーボンファイバー強化樹脂により構成されている、耐圧容器に関する。

本発明の第五の局面は、岩石を耐圧容器に収容する工程と、前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、前記流体が注入されている前記岩石内を伝搬する波動の速度を、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを用いて測定する工程と、を備え、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断方法に関する。

本発明の第六の局面は、岩石を耐圧容器に収容する工程と、前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、前記流体が注入されている前記岩石内の比抵抗値を、前記岩石の表面に装着された、１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を用いて測定する工程と、を備え、前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ金属材料を含み、前記第１電極および前記第２電極が前記検査領域外にある、岩石内部の診断方法に関する。

本発明の第七の局面は、岩石を耐圧容器に収容する工程と、前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、前記流体が注入されている前記岩石内の比抵抗値を、前記岩石の表面に装着された、１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を用いて測定する工程と、を備え、前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ炭素材料により構成されており、前記電極により形成される電界の方向と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、０〜９０°である、岩石内部の診断方法に関する。

断層撮影の検査領域内に、センサーや電極に含まれる金属材料が含まれないため、断層撮影により得られる画像が明瞭になり、流体の挙動をより的確に把握することが可能となる。

また、本発明の第八の局面は、前記岩石内部の診断方法により得られた前記岩石の断面映像と、前記波動の速度との関係、または、前記岩石の断面映像と、前記比抵抗値との関係に基づき、地中にある岩石に前記流体を注入するための条件を決定する工程、を有する、地中岩石内への流体注入方法に関する。これにより、最適な条件で、地中岩石内に流体を注入することが可能となる。

本発明によれば、岩石内部に注入された流体の挙動を、従来よりも正確に診断することができる。

本発明の診断システムの一実施形態の概要を表わす説明図である。 本発明に係る被覆材により覆われた岩石の一例を表す斜視図である。 本発明に係るセンサーの取り付け位置の一実施形態を表わす説明図である（（ａ）〜（ｃ））。 本発明に係る断層撮影の様子を表わす説明図である（（ａ）〜（ｄ））。 図４（ｂ）を方向Ｌから見た場合を表わす説明図である（（ａ）、（ｂ））。 本発明に係るセンサーの取り付け位置により定まる平面を表す斜視図である。 本発明に係る電極の取り付け位置の一実施形態を表わす説明図である（（ａ）、（ｂ））。 本発明に係る断層撮影の他の様子を表わす説明図である（（ａ）、（ｂ））。 本発明に係る断層撮影の他の様子を表わす説明図である（（ａ）、（ｂ））。 本発明に係る断層撮影の他の様子を表わす説明図である（（ａ）、（ｂ））。 本発明の耐圧容器の一実施形態を表わす斜視図である。 本発明の耐圧容器の他の一実施形態を表わす斜視図である。 本発明の耐圧容器と、押さえ部材とを表す斜視図である。 本発明に係る断層撮影画像を表す図である。 金属製センサーを、検査領域内に含んだ場合の断層撮影画像である。 ＣＴ値から推定された二酸化炭素の飽和度と、測定されたＰ波速度（Ｖｐ）および比抵抗値（ρ）との関係を示すグラフである。 カーボンファイバー強化樹脂製の耐圧容器を使用した場合の断層撮影画像（ａ）、および、金属材料を含む耐圧容器を使用した場合の断層撮影画像（ｂ）である。

［発明の実施形態の説明］
本発明の第一の局面は、流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた岩石を、収容するための耐圧容器と、前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、前記岩石内を伝搬する波動の速度を測定する波動測定装置と、を備え、前記波動測定装置が、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断システムに関する。

また、本発明の第二の局面は、波動測定装置に換えて、比抵抗測定装置を備えた岩石内部の診断システムに関する。比抵抗測定装置は、少なくとも１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を含み、第１電極および第２電極は、それぞれ金属材料を含んでいる。なお、波動測定装置に加えて、比抵抗測定装置を備えてもよい。

本発明の診断システムの一実施形態の概要を、図１に示す。図１では、岩石１を収容する耐圧容器１０に、耐圧容器１０内部の圧力を地下深部の圧力と同じになるように制御する圧力制御装置３０と、耐圧容器１０内部の温度を地下深部の温度と同じになるように制御する温度制御装置４０とが、接続している。また、岩石１には、二酸化炭素等の流体を注入するための流体注入装置２０が接続されている。この状態で、断層撮影装置５０により、耐圧容器１０内部の断層撮影が行われ、波動測定装置６０および／または比抵抗測定装置７０により、それぞれ岩石１について測定が行われる。なお、波動測定装置は、弾性波測定装置と言うこともできる。

岩石１は、塩水性帯水層から採取した岩石であってもよいし、塩水性帯水層の岩石を再現した組成物であってもよい。また、流体注入装置２０により岩石１に注入される流体は、二酸化炭素以外に、アセチレン、アンモニア、二酸化硫黄、塩化水素、塩素、硫化水素またはメタン等のガスであってもよい。

圧力制御装置３０は、耐圧容器１０内部の圧力を、例えば１〜２００気圧の範囲で制御することが可能である。圧力の制御には、液体（例えば、鉱物油）を媒体とした油圧システムを用いることができる。具体的には、耐圧容器１０に対する鉱物油の注入と排出による封圧と、岩石１内部の間隙圧や背圧との双方を制御して、耐圧容器１０内部の圧力、すなわち、岩石１に加えられる圧力を一定に制御する。この場合、圧力制御装置３０は、封圧制御用ポンプ、間隙圧制御用ポンプおよび背圧制御用ポンプを含むことができる（いずれも図示せず）。

温度制御装置４０は、耐圧容器１０内部の温度を、例えば１５〜１００℃の範囲で制御することが可能である。温度の制御は、例えば、耐圧容器１０の外側をカーボンヒーターで覆うことにより、行うことができる。圧力制御装置３０および温度制御装置４０を用いて、実際に二酸化炭素等の流体を貯留する地下深部の環境を忠実に再現することが、重要である。

断層撮影装置５０は、岩石１の内部を非破壊で撮影することのできる装置であれば、特に限定されない。例えば、ＣＴやＭＲＩなどが挙げられる。

本発明に係る岩石は、流体の入口および出口を有する被覆材により覆われている。一実施態様を図２に示す。図２では、岩石１の平坦部に、エンドキャップ１Ａおよび１Ｂが装着されており、曲面部は樹脂１Ｒで覆われている。エンドキャップ１Ａには、流体の入口１Ｆ_inが設けられており、エンドキャップ１Ｂには、流体の出口１Ｆ_outが設けられている。被覆材は、岩石１内部に保持されている流体が耐圧容器１０の内部に流出したり、耐圧容器１０の内部の流体が岩石１内部に流入したりすることを、抑制するために設けられる。樹脂１Ｒとしては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニリデン等を例示することができる。エンドキャップの材質は特に限定されず、上記のような樹脂製であっても、金属製であってもよい。エンドキャップが金属製であっても、断層撮影への影響は小さい。特に、断層撮影への影響がより小さい点で、樹脂製であることが好ましい。

なお、以下、岩石１の曲面部に波動測定センサー２を装着する場合は、波動測定センサー２を岩石１に装着した後、岩石１の表面を上記被覆材で被覆する。比抵抗測定用の電極３を装着する場合も、同様である。図２では岩石１は円柱状であるが、特に限定されず、角柱であってもよい。以下、図３〜１２において、被覆材を省略して記載する場合がある。また、図３〜１２では、岩石１を円柱で表わすが、これに限定されるものではない。

図３に、波動センサー２が装着された岩石１の一例を示す。図３（ａ）では、第１センサー２ａおよび２ｃを、岩石１の曲面部に装着し、それぞれの第１センサーに対向するように、第２センサー２ｂおよび２ｄを、やはり岩石１の曲面部に装着している。ここでは、波動発信側ケーブル１８ａを通じて、第１センサー２ａへと信号が送られ、第１センサー２ａからＰ波（Ｗ）が発生する。発生したＰ波は、第２センサー２ｂが受信し、信号に変換されて、波動受信側ケーブル１８ｂを通じて、測定器へと送られる。同様に、第１センサー２ｃからのＰ波（Ｗ）が第２センサー２ｄへと伝わることにより、岩石１内部の各部位を伝わるＰ波の速度がそれぞれ測定される。Ｐ波に換えて、Ｓ波を使用してもよい。

なお、波動センサー２は、少なくとも１つずつ第１センサーと第２センサーとを含んでいればよく、図３（ｂ）に示すように、第１センサー２ａから発生したＰ波（Ｗ）を、第２センサー２ｂおよび２ｄがそれぞれ受信するようにしてもよい。第１センサーおよび第２センサーの装着位置は、特に限定されず、図３（ｃ）に示すように、岩石１の平坦部にそれぞれ装着してもよい。波動センサーとしては、例えば、圧電素子を用いたＡＥ（アコースティック エミッション）センサーを用いることができる。

波動センサー２は、金属材料を含んでいるため、明瞭な断層撮影の障害となる。そこで、波動センサー２が、断層撮影の検査領域外にあることを要件とする。図４は、通常、中空円柱状である断層撮影装置５０を縦断するように見た図であり、検査領域Ｒと波動センサー２との位置関係を示している。図４（ａ）は、図３（ａ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが平行になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。図４（ｂ）は、図３（ａ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが垂直になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。図４（ｃ）は、図３（ｃ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが平行になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。図４（ｄ）は、図３（ｃ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが垂直になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。また、それぞれの場合の検査領域をＲとして図示している。

図４（ａ）および（ｄ）においては、検査領域Ｒ内にケーブル１８ａおよび１８ｂが存在する。ケーブル１８ａおよび１８ｂが金属線である場合であっても、波動センサー２の金属部分と比較して、断層撮影への影響は少ない。また、ケーブル１８ａおよび１８ｂとして、導電性を有する非金属線を用いると、その影響をさらに小さくすることができる。

図４（ｂ）および（ｃ）においては、ケーブル１８ａおよび１８ｄが検査領域Ｒの外にあるため、より好ましい。また、平均的な流体の注入方向Ｄは、岩石１の長さ方向Ｌ１と平行である。よって、断層撮影装置５０としてＣＴを用いた場合、図４（ｂ）および（ｄ）においては、流体の注入方向Ｄと、ＣＴの走査面（後述参照）とが略平行（例えば、０〜２０°）になる。

次に、図４（ｂ）をＬの方向から見た図を、図５（ａ）に示す。つまり、図５（ａ）は、断層撮影装置５０を通して、岩石１を、その平坦部方向から見た図である。断層撮影装置５０として、ＣＴを用いた場合、検査領域Ｒは、複数の走査面Ｐ５０（ここでは、Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇ）から構成される。

ここで、図６に示すように、岩石１上に装着された第１センサー２ａは、ある面積をもって岩石１に装着されている。まず、その接触面の中心点Ｃ_2aを決める。同様に、他の波動センサー２ｂ、２ｃおよび２ｄについても、中心点Ｃ_2b、Ｃ_2c（図示せず）およびＣ_2dを決める。これら４つの中心点から任意の３点（図６では、中心点Ｃ_2a、Ｃ_2bおよびＣ_2d）を選び、それらを結ぶと、一つの平面Ｐ２が定まる。図５（ａ）では、この平面Ｐ２と、各走査面Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇとが垂直に交わっている場合を示している。波動センサー２の位置を、断層撮影の検査領域外とするには、平面Ｐ２と各走査面Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇとの成す鋭角θ_Wは９０°に限定されず、図５（ｂ）に示すように、θ_W＝４５°であってもよい。つまり、θ_Wが、４５〜９０°の範囲となるように、岩石１を断層撮影装置５０にセットすることができる。θ_Wは、８０〜９０°の範囲であることが好ましい。

図７には、電極３が装着された岩石１の一例を示す。図７（ａ）では、第１電極３ａおよび第２電極３ｂを、岩石１の両方の平坦部近傍に装着している。ここでは、電線１９から電流を流し、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間の比抵抗値を測定する。なお、電極３の位置は特に限定されず、図７（ｂ）に示すように、岩石１の曲面部に一対のリング状の第１電極３ａおよび第２電極３ｂを装着してもよい。さらに、電圧端子として、電極３ｃおよび３ｄを装着し、４端子法により比抵抗値を測定してもよい（図7（ａ）参照）。また、針状の電極を用いる４探針法により、比抵抗値を測定してもよい。

電極３が、金属材料を含んでいる場合、明瞭な断層撮影の障害となる。そこで、金属材料を含む電極３が、断層撮影の検査領域外にあることを要件とする。図８は、通常、中空円柱状である断層撮影装置５０を縦断するように見た図であり、検査領域Ｒと電極３との位置関係を示している。図８（ａ）は、図７（ａ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが平行になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。図８（ｂ）は、図７（ｂ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが平行になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を示している。それぞれの場合の検査領域をＲとして図示している。なお、電極３は、非金属の導電体、例えば、カーボンナノチューブやカーボングラファイトなどの炭素材料から構成されることが、好ましい。検査領域Ｒを、岩石１の全体をカバーするように設定できるためである。

断層撮影装置５０として、ＣＴを用いた場合、検査領域Ｒは、複数の走査面Ｐ５０（図９（ａ）では、Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇ）から構成される。検査領域Ｒと電極３との位置関係が、図８（ａ）で示される場合、電極３ａおよび３ｂにより形成される電界の方向Ｅ３と、各走査面Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇとの成す鋭角は９０°である（図９（ａ）参照）。電極３の位置を、断層撮影の検査領域外とするには、Ｅ３と各走査面Ｐ５０ａ〜Ｐ５０ｇとの成す鋭角θ_E1は９０°に限定されず、図９（ｂ）に示すように、θ_E1＝４５°であってもよい。つまり、θ_E1が、４５〜９０°の範囲となるように、岩石１を断層撮影装置５０にセットすることができる。θ_E1は、８０〜９０°の範囲であることが好ましい。

また、図７（ａ）で例示した岩石１を、岩石１の長さ方向Ｌ１と、断層撮影装置５０の長さ方向Ｌ５０とが垂直になるように、断層撮影装置５０にセットした場合を、図１０（ａ）に示す。ここで、第１電極３ａおよび第２電極３ｂは、非金属の導電体、例えば、前記したような炭素材料により構成されていることを要する。この場合、第１電極３ａおよび第２電極３ｂにより形成される電界の方向Ｅ３と、走査面Ｐ５０との成す鋭角θ_E2は０°である。電極３の位置を、断層撮影の検査領域外とするには、Ｅ３と走査面Ｐ５０との成す鋭角θ_E2は０°に限定されず、図１０（ｂ）に示すように、θ_E2＝４５°であってもよいし、９０°であってもよい。電極３が炭素材料により構成されているため、θ_E2は、０〜９０°の範囲の任意の角度に設定することができる。

このように、断層撮影装置５０の検査領域Ｒに金属材料が入らないようにして、断層撮影が行われる。図４〜１０では図示されていないが、岩石１を覆う被覆材の一方の平坦部には、流体の入口１Ｆ_inが設けられており、他方の平坦部には流体の出口１Ｆ_outが設けられている。この入口と出口とは、液体注入装置２０に接続されている。入口１Ｆ_inから岩石１内部に流体（例えば、二酸化炭素）を注入しながら、断層撮影が行われる。流体の注入により、岩石１内部に保持されていた他の流体（例えば、水。以下、間隙水と称す）が押し出され、出口１Ｆ_outから排出される。このようにして、液体注入装置２０から注入される流体が、岩石１の内部に浸透していく。

断層撮影装置５０としてＣＴを使用した場合、岩石１と、水と、二酸化炭素とのＸ線吸収係数の違いは、断層撮影画像に白と黒とのコントラストとして表現される。検査領域Ｒに金属材料が含まれないため、非常に鮮明なコントラストをもつ画像が得ることができる。そのため、断層撮影画像により、岩石１内部に、どれくらいの流体が浸透したか（飽和度）、またどのように浸透しているか（二酸化炭素の挙動）を、より正確に算出あるいは判断することができる。ここで、飽和度とは、二酸化炭素注入前の状態を０とし、岩石の内部に蓄えられている間隙水のすべてが二酸化炭素に置き換わった状態を１として、間隙水が二酸化炭素に置き換わった程度を示す。

以下、ＣＴを使用した場合について、二酸化炭素の飽和度の推定方法を説明する。
ＣＴ値は、空気を−１０００ＨＵ（ハンスフィールド ユニット）、水を０ＨＵとして、物質のＸ線吸収値を２０００分割したものであり、ＣＴ値が高いほど、白く表示される。

二酸化炭素（ＣＯ₂）の飽和度（岩石内部の水の何割が、二酸化炭素に置き換わったか）は、このＣＴ値を使用して、断層撮影された画像データにヒストグラム等の処理を施すことにより、推定される。具体的には、ＣＯ₂圧入前後の画像による差分演算処理を行い、差分画像の作成を実施する。水およびＣＯ₂のＣＴ値は、所定の値が決まっているため、それぞれ閾値を設定して、水部分およびＣＯ₂部分の抽出を行う。抽出作業を行った画像をもとに、水部分とＣＯ₂部分の占める領域面積を計算し、それらに基づいて、ＣＯ₂の飽和度を計算する。ＣＯ₂の飽和度の計算は、ＣＯ₂の注入前に水が占めていた領域と、ＣＯ₂の圧入後、ＣＯ₂が占めた領域との比で行う。すなわち、ＣＯ₂飽和度が０．３とは、ＣＯ₂の注入前に水が占めていた領域１に対して、ＣＯ₂の注入により、０．３の領域がＣＯ₂に置き換わったことを意味する。

図１４（ａ）〜（ｃ）に、二酸化炭素を注入した場合の、岩石内部の断層撮影画像を示す。図１４（ａ）は、二酸化酸素と間隙水との割合が１：９（飽和度０．１）の場合、図１４（ｂ）は、割合が５：５（飽和度０．５）の場合、図１４（ｃ）は、割合が９：１（飽和度０．９）の場合を示している。中程度の濃さのグレーで示される部分が間隙水を示しており、その他の部分は、主に二酸化炭素を示している。図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、間隙水を示す中程度の濃さのグレーの割合が少なくなり、二酸化炭素の割合が多くなっていることがわかる。

また、ＣＴ値を使用して、下記式により、岩石の間隙率を推定することができる。間隙率とは、どの程度、岩石の内部に隙間があるかの指標であり、間隙率が小さいと、浸透する二酸化炭素の量も少なくなる。

間隙率＝（ＣＴ_{sat water}−ＣＴ_dry）／（ＣＴ_water−ＣＴ_air）
ここで、ＣＴ_{sat water}は二酸化炭素を注入する前（間隙部がすべて水で満たされている状態）の岩石のＣＴ値、ＣＴ_dryは乾燥させた岩石のＣＴ値、ＣＴ_waterは水のＣＴ値、ＣＴ_airは空気のＣＴ値である。

検査領域内に金属材料からなるセンサーを含む岩石の断層撮影画像を、図１５に示す。図１５は、岩石のほぼ平坦部方向から撮影した複数の断層撮影画像を、合成処理している。岩石は、その曲面部に５つの第１センサー（２ａ等）と、第１センサーに対向するように５つの第２センサー（２ｂ等）とを有している。図１５からわかるように、第１センサー２ａと第２センサー２ｂとを繋ぐような虚像Ｖが現れ、また、第１センサー２ａを中心とする円錐状のノイズＮが写っている。このように、検査領域内に金属材料からなるセンサーが含まれる場合、岩石と、水と、二酸化炭素とのコントラストが不明瞭になり、飽和度を推定することは困難である。

上記断層撮影とともに、波動速度の測定や比抵抗値の測定が行われる。これにより、流体（二酸化炭素）の飽和度等と、波動速度および／または比抵抗値とを関連付けることができる。さらに、後述するように、岩石１にかける圧力や温度は任意に設定できる。そのため、様々な環境における、流体の飽和度等と、波動速度および／または比抵抗値との関連付けが可能である。

岩石として、べレア砂岩（直径３５ｍｍ、長さ７０ｍｍの円筒形）を用い、封圧１２，０００ｋＰａ、間隙圧１０，０００ｋＰａの条件下で、ＣＴ値から推定された二酸化炭素の飽和度と、測定されたＰ波速度（Ｖｐ）および比抵抗値（ρ）との関係を、図１６に示す。Ｐ波速度（Ｖｐ）は、二酸化炭素の飽和度が低い段階では変化が大きく、ある一定量を超えるとあまり変化がなくなる。一方、比抵抗値（ρ）は、二酸化炭素の飽和度が低い段階では、緩やかに上昇し、一定量を超えると、直線的に上昇することがわかる。つまり、図１６においては、Ｐ波速度（Ｖｐ）と飽和度との関係および比抵抗値（ρ）と飽和度とが、互いに補完的な関係である。ただし、使用する岩石や、圧力、温度等の条件によって、これらの関係は変化するため、飽和度を的確に把握することが重要となる。すなわち、断層撮影で得られる情報が重要である。

また、飽和度と、Ｐ波速度およびＳ波速度との関係を利用することもできる。Ｓ波速度は、二酸化炭素の飽和度が低い段階では変化が小さく、ある一定量を超えると変化が大きくなる。そのため、飽和度が高い段階で、Ｐ波速度に換えてＳ波速度を用いて、二酸化炭素の飽和度との関連付けを行うことができる。

図４〜１０では図示されていないが、岩石１は、耐圧容器１０に収容されている（図１１および１２参照）。耐圧容器１０は、２つの蓋部（１２、１３）と筒状の容器本体１１とを主な構成要素とする。これら主な構成要素の材質は、高圧に耐えられる限り特に限定されず、金属材料やカーボンファイバー強化樹脂などを例示できる。なかでも、カーボンファイバー強化樹脂により構成されていることが好ましい。岩石内部の断層撮影画像が、より明瞭になるためである。母材である樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド等を例示することができる。

ここで、図１７（ａ）に、カーボンファイバー強化樹脂製の耐圧容器を使用し、ベレア砂岩（直径３５ｍｍ、長さ７０ｍｍの円筒形）を断層撮影した画像を示す。図１７（ａ）では、ベレア砂岩の層構造が鮮明に捉えられている。なお、上下に白く写っているのは、ベレア砂岩に装着された金属製のエンドキャップである。図１７（ｂ）には、金属材料を含む耐圧容器を使用し、ベレア砂岩にエンドキャップを装着しなかったこと以外は、図１７（ａ）と同じ条件で断層撮影した画像を示す。図１７（ｂ）では、ベレア砂岩の輪郭は確認できるものの、図１７（ａ）と比較して全体的に画像が不鮮明であり、ベレア砂岩の層構造を確認することは困難である。

図１１に、耐圧容器１０の一実施形態を示す。図１１では、岩石１の表面に第１第１センサー２ａ、２ｃ、および、第２センサー２ｂ、２ｄが装着されている場合を示す。耐圧容器１０は、筒状の容器本体１１と、第１蓋部１２と、第２蓋部１３とを、主な構成要素とし、岩石１を内部に収容することができる。第１蓋部および第２蓋部は、それぞれ容器本体１１と嵌合して、耐圧容器１０の内部を密閉状態に保持する。

第１蓋部１２は、岩石１に設けられた入口１Ａと連通し、流体を注入するための注入口１６Ａが設けられており、容器本体１１と嵌合する部分に、Ｏ−リング１４を有している。さらに、圧力制御装置３０からの圧力媒体を注入するための貫通口１６Ｂや、波動ケーブル１８（１８ａまたは１８ｂ）等を通すための貫通口１６Ｃおよび１６Ｄなどが設けられている。Ｏ−リング１４は、耐圧容器１０内部の圧力を保つ点で、重要である。すなわち、Ｏ−リング１４は、耐圧容器１０の内部が高圧になった場合にも、耐圧容器１０の内部を密閉状態に保持し、大気圧空間から隔離するために配される。なお、耐圧容器１０内の圧力が比較的低い場合には、Ｏ−リング１４および後述するＯ−リング１５を配さずに、容器本体１１と、第１蓋部１２および第２蓋部１３とを、強化したねじ構造により嵌合し、圧力を維持することも可能である。

第２蓋部１３は、第１蓋部１２と同様の構造を有しており、岩石１に設けられた出口１Ｂと連通し、流体を排出するための排出口１７Ａが設けられており、容器本体１１と嵌合する部分に、Ｏ−リング１５を有している。さらに、圧力制御装置３０からの圧力媒体を排出するための貫通口１７Ｂや、波動ケーブル１８（１８ａまたは１８ｂ）等を通すための貫通口１７Ｃおよび１７Ｄなどが設けられている。Ｏ−リング１５も、耐圧容器１０内部を密閉状態に保持し、耐圧容器１０内部の圧力を保つ点で、重要である。

図１２に、岩石１の表面に第１電極３ａおよび第２電極３ｂが装着されている場合を示す。ここでは、貫通口１６Ｄおよび１７Ｄに、波動ケーブル１８ａ、１８ｂに換えて電線１９が通されている。

耐圧容器１０には、高い圧力が加えられる場合がある。容器本体１１と、第１蓋部１２および第２蓋部１３とは、ねじ構造および／またはＯ−リングとにより嵌合しているが、さらに高圧に耐えられるよう、第１蓋部１２および第２蓋部１３とを押さえ部材により押さえることが好ましい。例えば、図１３に示すように、棒状の４本の押さえ部材８０（８０Ａ、８０Ｂ）を井桁に組んで、第１蓋部１２および第２蓋部１３のそれぞれに固定してもよい。このとき、第１蓋部１２および第２蓋部１３に近い方の押さえ部材（図１３では、押さえ部材８０Ｂおよび８０Ｄ）は、金属材料以外の材料により構成されていることが好ましく、例えば、耐圧容器１０と同様に、カーボンファイバー強化樹脂により構成されていることが好ましい。外側の押さえ部材８０Ａおよび８０Ｃの材料は、特に限定されないが、強度等の点で、金属材料であることが好ましい。

また、本発明の他の局面は、岩石を耐圧容器に収容する工程と、前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、前記流体が注入されている前記岩石内を伝搬する波動の速度を、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを用いて測定する工程と、を備え、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断方法に関する。また、波動速度を測定する工程に換えて、比抵抗値を測定する工程を備えた岩石内部の診断方法に関する。なお、波動速度を測定する工程に加えて、比抵抗値を測定する工程を備えていてもよい。

岩石内部の診断方法において、岩石１を耐圧容器１０に収容するのに先立って、岩石１の表面に、センサー２および／または電極３を装着し（図３または図７参照）、岩石１の全体を被覆材によって被覆する（図２参照）。なお、被覆材には、流体の入口１Ｆ_inおよび出口１Ｆ_outが設けられている。次いで、この岩石１を耐圧容器１０に収容する（図１１または図１２参照）。

耐圧容器１０には、貫通口１６Ｂおよび１７Ｂが設けられており、ここから圧力媒体を注入または排出することにより、耐圧容器１０内の圧力、つまり岩石１にかかる圧力が制御される。また、耐圧容器１０の外側をカーボンヒーターで覆うこと等により、耐圧容器１０内の温度を制御する。このようにして、岩石１にかかる圧力および温度が、地下深部と同じになるように制御される。その後、岩石１に流体（例えば、二酸化炭素）が入口１Ｆ_inから注入されるとともに、岩石１内に保持されていた流体（例えば、水）が出口１Ｆ_outから排出される。流体が注入される様子は、断層撮影される。さらに、岩石１内部の波動速度の測定および／または比抵抗値の測定が、同時になされる。

断層撮影された画像から、流体（二酸化炭素）の飽和度を算出し、このデータと、波動速度および／または比抵抗値とを関連付ける。その結果、岩石１内部の波動速度および／または比抵抗値を測定することにより、流体（二酸化炭素）の飽和度を予測することができるようになる。また、断層撮影された画像からは、流体（二酸化炭素）の挙動が観察できる。これにより、ある圧力および温度の下で、特定の組成をもつ岩石内に、流体（二酸化炭素）が、蓄えられている間隙水等に換わって、どのように浸透していくかを把握することができる。

以上のように、本発明に係る診断方法は、地下深部の環境を地表で再現して、岩石内部の正確な診断を行うものである。そして、この診断方法により得られた情報に基づいて、地中にある岩石に流体を注入するための条件を決定することにより、最適の条件で、岩石内に蓄えられている間隙水等を押し出し、効率的に、二酸化炭素をはじめとする流体を、塩水性帯水層に貯留することができる。したがって、本発明は、地中岩石内への流体注入方法を提供することができる。さらに、本発明に係る診断方法によれば、貯留後の流体の挙動も、地表での実験から予測することが可能であるため、漏出や経時的変化への対応策を立てることもできる。

以上、本発明に係る診断システムおよび診断方法について、主にＣＣＳの関連技術として述べたが、以下の場合にも、応用することができる。
例えば、ＥＯＲの関連技術として使用することができる。この場合、上記で述べた間隙水に代わり、地中に埋蔵されている石油やメタンガスを、効率よく大量に地表へ押し出す目的で、二酸化炭素を注入する。そのため、注入されるのは二酸化炭素に限定されず、他のガス（例えば、空気）であってもよい。

また、一旦、採収されたシェールガスやメタンハイドレート等の天然ガスを、貯蔵する技術としても使用することができる。採収された天然ガスを、地上で大量に貯蔵する方法としては、極低温状態のＬＮＧにする方法があるが、施設や冷却などにコストがかかる。このため、多くの国では、一度地上に取り出した天然ガスを、別の地下ガス層へと再び圧入し、貯蔵する方法を採用している。本発明に係る診断システムおよび診断方法を用いれば、天然ガスを岩石に注入した時の挙動に関する情報を得ることができる。

さらに、本発明の適用はこれらに限定されず、地中深くに埋蔵されている貴重な資源を地中から産出するために、使用することができる。地中内部の状況を地表から把握することは非常に困難であるが、本発明の方法等によれば、地表において、採収するための条件等を決定することが可能となる。

１：岩石、１Ａ、１Ｂ：エンドキャップ、１Ｒ：樹脂、１Ｆ_in：流体入口、１Ｆ_out：流体出口、２：波動センサー、２ａ、２ｃ：第１センサー２ｂ、２ｄ：第２センサー、３、３ｃ、３ｄ：電極、３ａ：第１電極、３ｂ：第２電極、１０：耐圧容器、１１：容器本体、１２：第１蓋部、１３：第２蓋部、１４、１５：Ｏ−リング１６Ａ：注入口、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ：貫通口、１７Ａ：排出口、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ：貫通口、１８ａ：波動発信側ケーブル、１８ｂ：波動受信側ケーブル、１９：電線、２０：流体注入装置、３０：圧力制御装置、４０：温度制御装置、５０：断層撮影装置、６０：波動測定装置、７０：比抵抗測定装置、８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄ：押さえ部材

Claims (12)

1. 流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた岩石を、収容するための耐圧容器と、
   前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、
   前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、
   前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、
   前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、
   前記岩石内を伝搬する波動の速度を測定する波動測定装置と、を備え、
   前記波動測定装置が、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを含み、
   前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、
   前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断システム。
2. 前記少なくとも１つの第１センサーと前記少なくとも１つの第２センサーとの合計数が３以上であり、
   前記各センサーと前記岩石との接触面の中心点のうち、任意の３点を結んでできる平面と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、４５〜９０°である、請求項１に記載の岩石内部の診断システム。
3. 流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた岩石を、収容するための耐圧容器と、
   前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、
   前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、
   前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、
   前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、
   前記岩石内の比抵抗値を測定する比抵抗測定装置と、を備え、
   前記比抵抗測定装置が、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を含み、
   前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ金属材料を含み、
   前記第１電極および前記第２電極が、前記検査領域外にある、岩石内部の診断システム。
4. 前記電極により形成される電界の方向と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、４５〜９０°である、請求項３に記載の岩石内部の診断システム。
5. 流体の入口および出口を有する被覆材により覆われた柱状の岩石を、収容するための耐圧容器と、
   前記耐圧容器に収容された前記岩石に、前記入口から前記流体を注入する注入装置と、
   前記耐圧容器内の圧力を制御する圧力制御装置と、
   前記耐圧容器内の温度を制御する温度制御装置と、
   前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を撮影する断層撮影装置と、
   前記岩石内の比抵抗値を測定する比抵抗測定装置と、を備え、
   前記比抵抗測定装置が、前記岩石の表面に装着された少なくとも１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を含み、
   前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ炭素材料により構成されており、
   前記電極により形成される電界の方向と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、０〜９０°である、岩石内部の診断システム。
6. 前記耐圧容器が、少なくとも前記検査領域内において、カーボンファイバー強化樹脂により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の岩石内部の診断システム。
7. 前記温度制御装置が、カーボンヒーターを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の岩石内部の診断システム。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の岩石内部の診断システムに用いられる前記耐圧容器であって、
   筒状の容器本体と、
   前記入口と連通し、前記流体を前記入口に注入するための注入口を有し、かつ、前記容器本体と嵌合する第１蓋部と、
   前記出口と連通し、前記流体を前記出口から排出するための排出口を有し、かつ、前記第１蓋部と対向して前記容器本体と嵌合する第２蓋部と、を備え、
   前記第１蓋部および前記第２蓋部は、前記容器本体と嵌合して、前記耐圧容器内部を密閉状態に保持し、
   前記容器本体、前記第１蓋部および前記第２蓋部が、カーボンファイバー強化樹脂により構成されている、耐圧容器。
9. 岩石を耐圧容器に収容する工程と、
   前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、
   前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、
   前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、
   前記流体が注入されている前記岩石内を伝搬する波動の速度を、前記岩石の表面に装着された、少なくとも１つの第１センサーおよび少なくとも１つの第２センサーを用いて測定する工程と、を備え、
   前記第１センサーおよび前記第２センサーが、それぞれ金属材料を含み、
   前記第１センサーおよび前記第２センサーが、前記検査領域外にある、岩石内部の診断方法。
10. 岩石を耐圧容器に収容する工程と、
    前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、
    前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、
    前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、
    前記流体が注入されている前記岩石内の比抵抗値を、前記岩石の表面に装着された、１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を用いて測定する工程と、を備え、
    前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ金属材料を含み、
    前記第１電極および前記第２電極が前記検査領域外にある、岩石内部の診断方法。
11. 岩石を耐圧容器に収容する工程と、
    前記耐圧容器内の圧力および温度を制御する工程と、
    前記耐圧容器内の前記岩石に流体を注入する工程と、
    前記流体が注入されている前記岩石の少なくとも一部を含む検査領域を、断層撮影する工程と、
    前記流体が注入されている前記岩石内の比抵抗値を、前記岩石の表面に装着された、１つの第１電極および少なくとも１つの第２電極を用いて測定する工程と、を備え、
    前記第１電極および前記第２電極が、それぞれ炭素材料により構成されており、
    前記電極により形成される電界の方向と、前記検査領域における走査面との成す鋭角が、０〜９０°である、岩石内部の診断方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の岩石内部の診断方法により得られた前記岩石の断面映像と、前記波動の速度との関係、または、前記岩石の断面映像と、前記比抵抗値との関係に基づき、地中にある岩石に前記流体を注入するための条件を決定する工程、を有する、地中岩石内への流体注入方法。