JPH03161609A - 単孔変動水圧式透水試験装置及び試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業七の利川分野１ 本発明は地盤の透水性を拭験する装置及び方法に関し、
更に詳しくは、調査対象となるＩｌ！！盤巾の単一ポー
リング孔を用い、その際の透水量及び上下方向の伝撞圧
力を測定することによりポーリング孔周辺の地盤の這水
性を調査する装置及び方法に関するものである． ［従来の技術〕 地盤の透水性や地層構造を調査する技術としては、ボー
リング孔内に変動形式の種々異なる水圧水流を供給し、
その際の透水量及び伝播圧力から地盤の透水性並びに構
造についての知見を得ようとするものがある．この調査
では、調査対象領域に複数本のポーリング孔を掘削して
相互の間での透水量及び伝播圧力を求める．他方、石油
工学の分野において油層評価のために油層の浸透率を求
める技術がある．この試験は、石油生産を行う生産井内
をパ７カーによって分断し、その分断位置の上下に圧力
センサを配置し、石油生産を停止あるいは生産区間に流
体を注入することによって分断位置上部に圧力をかけ、
分断区間下部に伝播する圧力を計測する．そして試験結
果から算定した圧力上昇量と圧力上昇の時間的遅れを用
いて、発ｌｓ点一受信点間が均質であるという仮定と、
予め分かっている不透水境界の位置から油層の水平及び
鉛直方向の浸透率を解析的に求める．

【発明が解決しようとする課題】

発信孔と受信孔というように複数のポーリング孔を用い
る方法は、広範囲にわたる透水性や地Ｊｕｌ構造を調査
できるものの、装置や作業が大掛りとなり解析も複雑化
し、費用や時間が多くかかる問題がある． 石油工学の分野では、多くの場合、油層を形成している
のは砂岩等の多孔質の岩石であるため、発信点一受信点
間が均質であるという仮定が可能である．しかしながら
一般土木分野で扱う地盤は複雑な地層構造を示している
場合が多く、上記の仮定が威り立つことは少ない．また
油層評価方法の場合には不透水境界の深度が予め分かっ
ているが、一般的な地盤では不透水境界が存在するとは
限らず且つその深度は試験結果が出るまで不明であるこ
とが多い．更に油層評価の方法は生産井を利用して油層
全体の概雌的な浸透率を求めることを目的とするために
、試Ｍ装置の構造上、発信一受信の深度を固定して行う
のに対し、一般土木分野ではポーリング孔に沿った細か
い透水性の分布を把握することが要求される．従来の方
法は発信点及び受信点を任意に設定できないため、透水
性の分布を連続的に知ることは不可能である．このよう
に油層評価に用いている従来技術は、石油生産を行う地
層と一般土木分野での調査対象となる地層との違いが大
きいため、類似性があるように見えるものの、そのまま
では適用できない．本発明の目的は、このような課題を
解決し、簡便に且つ経済的に地層並びに地下水調査を行
なえる装置及び方法を提供することにある．［課題を解
決するための手段］ 上記の目的を達戒できる本発明は、単一のポーリング孔
での上下方向の透水量及び伝播圧力を測定することによ
りポーリング孔周辺の地盤の透水性及び構造などについ
て調査する装置及び方法である． 基本的な装置は、間隔をおいて一列に配設した３個以上
のニューマチック圧力遮断バッカー部と、隣り合うパッ
カー部によって形成される複数のバッカ一区間にそれぞ
れ設けた圧力センサと、装置軸方向に通水性を有し任意
の一つのパッカー区間でのみ開口する注水路を具備して
いる． 実際に試験を行うには、前記注水路に接続される変動水
圧発生・供給装置と、各圧力センサからのｆ８号を記録
・解析する装置とを地上に設置する． 本発明方法は上記の装置を用い、パ，カ一部を膨張させ
た後、変動水圧発生・供給装置から注水路を通してそれ
が間口していろ送信パッカー区間に／ＲＩＭの経時変化
に伴う変動水圧と、それに対する他の受イ３パソカ一区
間での応答圧力を計測し、発｛３パッカー区間と受｛、
キパッカー区問に分布する地盤の水平及び釦直方向の透
水係数分布を求めるものである． ［作用１ 拭ｕ対象となる地盤のボーリング孔内でバフカ一部によ
って逓断した発イ３パッカー区間に、池上の変動水圧発
生・供給装置から所定流量の水を注入すると、その影響
によって地盤内に圧力上昇が生し、受信パッカー区間で
水圧変化が生しる．発信パッカー区間と受信パ，カー区
間との間隔はバンカーの位置によって調節でき、装置全
体をポーリング孔に沿って上下に移動させることによっ
て試験孔全長にわたって連続且つ詳細な透水性分布を求
めることができる．また不透水境界の有無や深度が予め
分からないという問題、及び発ｆＳ点一受ｆε点間が均
質であるとは限らないという問題は、解析方法として数
値解析的手法を用いることによって解決する．即ち、解
析対象領域を水平面内で同心状に分けると共に軸方向に
スライスして多数の円環要素に分割し、３次元軸対称気
液２相流を対象とした浸ｉ３流シュミレーシツンと、誤
差評価・パラメータ修正を行う逆解析とによって計測結
果を最も的確に再現する水平及び鉛直方向の浸４率を有
する透水性分布モデルを探索する．これによってポーリ
ング孔に沿う地盤の透水性並びに構造の詳細を調査する
． ［実施例］ 第１図は本発明に係る試験装置の一実施例を示す説明図
である．この実施例は４個のニューマチック圧力返断パ
ッカー部を用い、上から２段目のパッカー区間を発信区
間（圧力付加部）とし、その上下のパッカー区間を受信
区間（圧力測定部）としたものである． ４個のニューマチノク圧力遮断パッカー部１０を所定の
間隔をおいて一列に配設する．パッカー部ｌＯは、セン
ターパイプｌ２と、それを取り囲むように同軸状に位置
し気密性を保持する可撓性パフカーチューブ１４とを備
えている．センターパイプ１２間を所定寸法の連結バイ
プｌ６により結合する。ここでは上から２段目のパッカ
ー区間と３段目のパッカー区間との間の連結管として多
孔通水管１８を用い、その内部はそれより上部のセンタ
ーバイブ及び連結パイプと連通して上端から水を供給で
きるようになっており、下端は閉塞してそれより下方に
は水が通らないようになっている．各パッカー区間には
圧力センサ２０が設けられる．圧力センサ２０の信号リ
ード線２２は各パソカ一部を通って上方に至り、また各
パ，カ一部はパッカー部膨張用エアーチューブ２４によ
って直列に接続される．隣り合うバ，カ一部の間隔は、
多孔通水管ｌ８の長さあるいは連結パイプ１６の長さを
変えることによって自由に変更できる．各パッカー部１
０はエアーチューブ２４を用いて地上から加圧空気を供
給することにより同時に膨張させ孔内を各区間で遮断で
きる．透水性試験の概略図を第２図に示す．解析対象領
域の地盤３０内にポーリング孔３２を掘削する．そして
そのポーリング孔３２内に第ｌ図に示すような装置を挿
入する．装置上部から地上に至るような送水路を設け、
それに変動水圧発生・供給装置３４を接続するとともに
、各圧力センサ２０を信号りー＋″ｗＡ２２により記録
・解析装置３６に接続する．そして地上の変動水圧発生
・供給装置３４から流量の経時変化が明確な水を注入す
る．ここでは水量Ｑが矩形波状に変化するように注水し
ている． なおこのような大量の断続的な注水は、渦壱ボンブと、
その吐出圧を一定に保つように吐出側一吸入側間に設け
た流量調整可能な戻り経路と、吐出配管に設けた二一ド
ル開閉弁等を組み合わせ、戻り経路で流量を調整し、ニ
ードル開閉弁で吐出配管の開閉によって行うことができ
る． 各バンカー区間で圧力が検出される．その信号は受｛ε
圧力Ｐの時間的変化を表し、計測結果は記録・解析ｖｔ
置３６に送られて解析が行われる． これらの実施例では４個のパッカー部を使用しパ，カー
区間を、圧力付加部を含めて３個所設定しているが、よ
り多くのパッカー部を用いることによって測定に要する
時間を低減することが可能である．必要最小限としては
３個のパッカー部を用い、バンカー区間を圧力付加部を
含めて２個所にすることである．いずれにしてもポーリ
ング孔の深度方向で挿入位置をずらせて試験を行うこと
によりポーリング孔全体にわたって透水性試験を行うこ
とができる．測定は特定の発信バンカー区間から注入し
た矩形波状に変化する水量（即ち一定水量の水を一定時
間注入し、次いで注入を遣断ずるサイクルを複数回繰り
返して行った場合）による発信バンカー区間での圧力と
、受信パッカー区間での圧力を一定時間毎に計測しプロ
ットする．発信パン力一区間での圧力はその深度での水
圧の影響によりあるレベルを持つ．また受信パッカー区
間での応答圧力は、それぞれ深度によりレベルが異なる
ため静水圧を差し引いた増減値として求める．これらの
測定結果から圧力伝達の遅れ時間と応答圧力が求まる． 解析は単一のポーリング孔周辺の状態を求めるため第３
図に示すような軸対称の円筒座標系モデルを横築するこ
とにより行う．つまりポーリング孔の周りの解析対象領
域を同心状に且つ軸に直角にスライスして多数の円環要
素に分割し、各円環要素で水平方向及び鉛直方向の浸透
率をパラメータとする透水系分布モデルを構築する．そ
して各円環要素での３次元軸対称気液２相浸透流の流入
・流出を境界条件とする物質収支式を立て、前記各受信
パッカー区間での応答圧力を数値解析する．この基本方
程式は、２相それぞれの物質収支式をダルシー則及び連
続の式に基づいて立てる．結果的に物質収支式は、単位
体積当たりでは以下のように表せる．Ｓｓ　＋Ｓｗた１ Ｐ．−Ｐ，冨Ｐｃ （Ｓ，） ここで　ｋ，．：水平方向への浸透率　　　ｋ．：鉛直
方向への浸透率ｋ２．：空気の相対浸透率　　　　ｋ　
ｒ＠　：水の相対浸透率μ，：空気の粘性係数　　　　
　μ．：水の粘性係数Ｂ．：空気の容積係数　　　　　
Ｂｗ　：水の容積係数Ｐ．：空気の圧力　　　　　　　
Ｐエ　：水の圧力Ｓ．：空気の飽和度　　　　　　Ｓｗ
：水の飽和度Ｐｃ　：毛管圧　　　　　　　　　Ｔ　：
流体の密度　．ｈ　：深度　　　　　　　　　　　φ　
：地盤の間隙率ｔｌｌ式は気相に関する物質収支式、（
２）式は液相に関する物質収支式である．以上の式を空
間及び時間で離散化し解析する．ここではポーリング孔
全長にわたって発信点一受信点間隔が一定のため、一定
厚さの円環要素で計算を行っている．また半径方向に関
しては数重の分割を行い、十分遠い位置にある最も外側
の円環要素は境界条件設定のために圧力が常に一定とな
るように操作している． 上記順解析中の水平方向への浸透率及び鉛直方向への浸
透率を未知として、非線形最小２乗法により解析を繰り
返し、それらの値が収束するまで実行する．但し可能な
限り簡素化するため同一深度の円環要素は同一の水平及
び鉛直方向の浸店率を持つというモデルで計算している
．活水性分布モデルを修正し、再び各円環要素での３次
元軸対称ス液２相浸透疏の流入・流出を境界条件とする
物質収支式に基づき各受信区間での応答圧力を数値解析
によって求める．このような操作を収束するまで行い最
適モデルを求める．実際の測定結果の一例を第４図に示
す．また以１二の手順をフローチャートで表したのが第
５図である． 以上本発明の好ましい一実施例について詳述したが、本
発明はこのような構成のみに限定されるものではない．
発信パッカー区問から注大ずる水は、その水量の経時変
化さえ正確に把握できれば矩形波状に限らず任意の波形
であってもよい．前述したようにパッカー部の設置個数
は拭験条件等に応して適宜変更してよい．Ｅ発四の効果
１ 本発明は上記のように３個以上のニューマチック圧力逓
断パソ力一部と、それによって形成される複数のパ，カ
ー区間に設けた圧力センサと、任意の一つのパン力一区
間で開口する注水路を具備した透水試験装置であるから
、それにより単一のポーリング孔を使用してそのポーリ
ング孔に沿った這水係数分布を細かく連続的に且つ簡便
に求めることができる．本発明では、計測データの解析
は透水性分布モデルを横築して数値解析的に行うため、
不透水境界の有無や位置、発信点一受信点間で地層が均
質であるか否かといったことが問題にならず、このため
一般土木分野での各種地盤の透水性並びに地Ｍ構造の調
査に通用可能となる． 更に解析上必要となる境界条件として流量の経時変化を
正確に記録しておけばよいため変動水圧発生・供給ｖｔ
置のＩＩｌ構も簡素化でき、小型化できる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る試験装置の一実施例を示す説明図
、第２図はそれによる透水性試験の概念図、第３図は解
析に用いる透水性分布モデルの説明図、第４図は試験結
果の一例を示す説明図、第５図は試験方法の一例を示す
フローチャートである．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、間隔をおいて一列に配設した３個以上のニューマチ
   ック圧力遮断パッカー部と、隣り合うパッカー部によっ
   て形成される複数のパッカー区間にそれぞれ設けた圧力
   センサと、装置軸方向に通水性を有し任意の一つのパッ
   カー区間でのみ開口する注水路を具備している単孔変動
   水圧式透水試験装置。 ２、ボーリング孔内に間隔をおいて一列に配設した３個
   以上のニューマチック圧力遮断パッカー部と、隣り合う
   パッカー部によって形成される複数のパッカー区間にそ
   れぞれ設けた圧力センサと、装置軸方向に通水性を有し
   任意の一つのパッカー区間でのみ開口する注水路と、地
   上に設置され前記注水路に接続される変動水圧発生・供
   給装置と、各圧力センサからの信号を記録・解析する装
   置とを具備している単孔変動水圧式透水試験装置。 ３、請求項２記載の装置を用い、パッカー部を膨張させ
   た後、変動水圧発生・供給装置から注水路を通してそれ
   が開口している送信パッカー区間に流量の経時変化を把
   握しうる変動水圧を付加し、それに対する他の受信パッ
   カー区間での応答圧力を計測し、発信パッカー区間と受
   信パッカー区間の間の水平及び鉛直方向の透水係数分布
   を求めることを特徴とする単孔変動水圧式透水試験方法
   。 ４、ボーリング孔の周りの解析対象領域を軸対称の多数
   の円環要素に分割して各円環要素で浸透性をパラメータ
   とする円筒座標系モデルを構築し、各円環要素での３次
   元軸対称気液２相浸透流の流入・流出を境界条件とする
   物質収支式に基づき受信パッカー区間での応答圧力を数
   値解析により求め、その計算値と計測値とを比較して誤
   差評価し、浸透性を示すパラメータを変更して透水性分
   布モデルを修正し、上記の数値解析−モデル修正の操作
   を繰り返して最適モデルを求める請求項３記載の方法。 ５、発信パッカー区間と受信パッカー区間の間の地盤の
   水平方向及び鉛直方向の透水係数分布を求める作業を試
   験装置のボーリング孔内深度を変えて実施し、ボーリン
   グ孔全長にわたる地盤の透水係数分布を求める請求項４
   記載の方法。