JPS6259792A - Ａｅ／ｍａ法を利用した地熱蒸気採取方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＡＥ／ＭＡ法を利用した地熱蒸気採取方法に関
するものであり、　さらに詳細には、地下の地熱貯留層
に通づる亀裂を制御することによって、地熱貯留層の安
定化を図り、常時安定した地熱蒸気量を確保する方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

地熱蒸気は、マグマ留シの熱によって加熱された地熱流
体であって、該地熱流体は、地下の亀裂が発達し、全体
的に透水性の良い亀裂（これを一般に地熱貯留層という
）に貯留されている。即ち、この地熱貯留層は地下のボ
イラーとみなされるもので、該地熱貯留層の蒸気を採取
し、地熱発電として利用していることは周知の処である
。

而して、地熱発電は長期間安定して蒸気が供給されなげ
ればならないが、地下の地熱貯留層の状態によって蒸気
量が徐々に減衰し、所定量の蒸気を安定して生産できな
くなる場合がある。

か＼る場合には、従来新たに地熱井を掘削して所定量の
蒸気を確保する等の方法が採用されている。

他方、地熱貯留層には地下亀裂中の気相と液相との割合
から蒸気卓越型、蒸気−熱水型及び熱水卓越型等の３種
に大別することができ、その多くは蒸気−熱水型又は熱
水卓越型である。

前記蒸気−熱水型又は熱水卓越型では、蒸気と共に大量
の熱水を噴出しており、地熱発電では、蒸気を熱水と分
離してタービンに供給１．［おジ、また一部熱水をフラ
ッシュさせて低圧蒸気としてタービンに供給しているが
、大部分の熱水は利用できず、廃棄せざるを得ない。

しかし、地下より噴出する熱水中には砒素その他の有害
成分を含むことが多く、従って環境衛生上の見地からこ
れをそのま＼河川へ放流することは困難である。そのた
め、現在地熱発電現場では、蒸気に随伴する熱水を地熱
井とは別箇の還元井を掘削し還元井によって地下へ還元
している。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

前述従来のように掘削された地熱井が所定の蒸気量を採
取できない場合又は蒸気量が漸減して所定の蒸気量が確
保できない場合に、新たに地熱井を掘削することはさら
に莫大な費用を必要とするばかりか、地域によっては新
規の掘削が困難な場合も生じ得る。

また、前述の如き蒸気−熱水型又は熱水卓越型ではつぎ
のよ５な問題点が指摘されている。

即ち、蒸気−熱水型又は熱水卓越型における還元井は、
レイアウトの関係から地熱井に比較的近接してをり、地
熱貯留層から地熱井を通じて蒸気を採取する生産ゾーン
と、地表の熱水を還元井を通じて還元する還元ゾーンと
が互いに独立していて干渉がない場合は問題はないが、
前記の生産ゾーンと還元ゾーンとが連結すると、高温（
２２０’Ｃ以上）の地熱貯留層内に低温（１００〜１６
０℃）の還元熱水が流れ込み冷却される結果１、蒸気生
産量が著るしく減衰し、良質の蒸気を安定して確保する
ことができない。

前述地熱貯留層は、透水性の良好な一種の地下亀裂であ
り、か＼る地熱貯留層には、先夜亀裂が多数存在してい
ると共に、地熱地帯には前記の如き地熱貯留層が複数賦
存しているの力ζ認められている。

しかし乍ら、従来、地熱貯留層の正確な大きさ及び地熱
貯留層を含めた地下亀裂の状態の解明が必らずしも充分
であるとけ云えず、これが地熱蒸気生産の一つのネック
とされていた。

本発明は前述従来の欠点を改善するため研究の結果、Ａ
Ｅ法を利用して地下亀裂を正確に探知すると共に、該地
下亀裂を進展させ又は進展を抑止することによって良質
の地熱蒸気を安定Ｉ−て確保する方法を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はＡＥ／ＭＡ法（アコースティックエミッション
／倣小地震法、以ＴＡＥ法という３によって地熱貯留層
及び地平゛亀裂を探知すると共に、その情作を・）３（
に該地熱１ｔｉ・留層に）ｊｕする１又は２以上の地熱
井の坑ロバルプを操作して、貯留層内圧力又は流量を調
整し、前記地熱貯留層及び地下亀裂の進展又は進展の阻
止を自在に行うことによシ、所定量の良質の蒸気を安定
して確保できるように構成されているＡＥ法を利用した
地熱蒸気採取方法である。

〔作用、効果〕

本発明は以上の如き構成のものであって、芸にＡＥ（Ａ
ｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）法とは、物質が変
形又は破壊する直前に発生する音声帯域の周波数からな
る弾性波（Ａ、Ｅ）を検知するものである。

ＡＥ法は、金属材料の分野又はプラント構造物、圧力容
器等の非破壊試験等に用いられており、近年になって岩
石の破壊に伴な５ＡＥが計測され、室内試験ではＡＥエ
ネルギーの急増点から巨視亀裂発生開始点を推定する方
法が提案されている（日本鉱業会語用１．　Ｏ０巻。

第１１５１号、１９８１年１月発行）。

また、野外におけるＡＥ計測の例としては、地熱発電に
利用している地熱井の水圧破砕における圧力の上昇と、
ＡＥ発生との関係についての報告がある（日本鉱業会誌
第９８巻、第１１２９号、１９８２年３月発行）。

地殻内におけるＡＥの検出は、前記報告のほか各種の報
告が発表されており、その概要は地下にＡＥゾンデを埋
設し、ＡＥゾンデで検知したＡＥをメインアンプで増巾
し、この波形をデーターレコーダーに記録し、さらにこ
の波形をＡ−Ｄ変換してコンピューターに入カシ、コン
ピューター内でＰ波とＳ波の時間差よりＡＥゾンデとＡ
ＥＥ生源までの距離を決定できる。前記Ａ、Ｅゾンデに
は三軸ＡＥゾンデと単軸ＡＥゾンデとがあるが、単一の
観測井で検知できるという点からは三軸ＡＥ　ゾンデが
望ましい。

また、前記検知したＡＥ波ジノ形、振巾の大小又はリン
グダウンカウントからＡＥエネルギーを算出できる。

前記報告書、特に前者には、亀裂が進展する際に、ＡＥ
エネルギーが急増すること及びこのＡＥの急増点におけ
る応力拡大係数をもって破壊靭性値と定義している。

他方、第６回「岩の力学国内／ンボジウム講演論文集Ｊ
（１９８４年１２月発行）によれば、破壊力学に基づく
亀裂の進展する条件は、地下亀裂を半径Ｒの円盤状とみ
なした場合、理論的に下記式によって与えられる。

Ｋ１５Ｆ−２（Ｐ　−Ｓ　）　５匹　＋１１前記式は、
亀裂先端部の応力拡大係数が、岩石の破壊靭性値に等し
いかそれ以上の場合に亀裂が進展することを示しており
、地殻応力（Ｓ）は水圧破砕から求められ、また亀裂が
進展したときの水圧（Ｐ）は、対象とする地熱貯留層の
内圧から求めることができる。

従って、亀裂を進展させるためには、亀裂先端部の応力
拡大係数が岩石の破壊靭性値（ＫｉｓＦ）を越えるよ５
に地熱井の坑口バルブを密閉して水圧（Ｐ）を大きくす
れば良い。

他方、地熱井は点検、修理の関係から、密閉する必要が
ある。しかし、地熱井を完全に密閉する場合には、前記
のように亀裂が進展するおそれがある。か＼る進展を阻
止するには亀裂先端部の応力拡大係数が岩石の破壊靭性
値を越えないようにすれば良い。

亀裂先端部の応力拡大係数は、水圧を直接計測すること
によって求められるが、そのためには地熱貯留層に直結
する観測井を別箇に掘削すること及び圧力測定装置を常
時観測井の坑底に設置しなければならず、かなｐの設備
と費用とを必要とするほかに、圧力測定装置を定期的に
取替える等その保守管理上にも問題がある。

そのため、本発明者等は研究の結果地熱貯留層内の地熱
流体の流量を求め、これを相対的な地熱貯留層の亀裂先
端部の応力拡大係数の代替値として用いることができる
こと及びＡＥ計測を行ってＡＥの急増するときの流量を
亀裂が進展する限界値として、これを地下亀裂進展のし
きい値とできることを新規に知見した。

第１図は地熱井の坑口バルブを徐々に絞った場合におけ
る時間と総流量との関係を示したものである。第１図は
地熱貯留層に連結している地熱井がＮｏ、　１とＮａ　
２とからなり、ＮＩＬＩの地熱井から生産される流量と
Ｎ１２で生産される流量との合計量（Ｉｏ）が生産され
ており、また、該地熱貯留層はある一定の容積をもって
いるものとし、これに地熱流体■。＋αが常時流れ込ん
でいるものとする。

今、地熱井風１の坑口バルブを徐々に絞って行くと、貯
留層内は常時流れ込む地熱流体に１って地熱貯留層内圧
力が高まり、地熱貯留層内に滞留する流体（これを停止
流量という）は時間の経過と共に第１図中実線（Ｂｌの
よ’）　ｉ？：増加し、バルブが完全に閉鎖されると、
停止流量は変化なくその１Ｎ推移する。そしてさらに地
熱井魚２の坑口バルブを徐々に絞れば停止流量は時間の
経過と共に再び増加するものと考えられる。

しかるに、現実には地熱井虱１の坑口・くルブを徐々に
絞ると、第１図中実線（ａ）のように推移し、坑口バル
ブが完全に閉鎖されると、実線（ａ）から漸減ｌ−て実
線（ｂ）のよ５に推移し、さらに地熱井ＮＬ　２の坑口
バルブを徐々に絞ると前記実線（ａｌと同様に実線（Ｃ
）に従って推移しているのが認められる。

前記、第１図から、実線（ａ）　−（ｂ）　−ｆＣ）と
実線（Ｂ）との間の斜線の部分（■１）は、バルブの閉
鎖と伴なう内圧の増加から地熱貯留層から丁、に相当す
る流量の漏れが存在することが判断される。

本発明者等の研究によると実線（ａ）及び（ｂ）は、指
数函数的に増加、減少し、もれを差し引いた地熱貯留層
内流ｔ　（Ｉ□　）は、停止流量と時定数を知ることに
より求められる。

そこで、ＡＥエネルギーの急増点における流量（［０）
を求めれば、これが亀裂進展のしきい値として決定でき
る〇 第２図は、地熱蒸気生産現場のモデルを示したものであ
るが、地熱井１，２が夫々地熱貯留層３．４に連結して
おシ、また還元井５，５が設置されている。尚、第３図
では説明の便宜上地熱貯留層３，４は拡大して示されて
おり、該地熱貯留層３及び４は夫々独立しておジ、互い
に干渉がないものとする。また、前記現場には観測井６
（深度３０〜５０ｍ程度）を掘削し、これに三軸Ａ、Ｅ
ゾンデが設置されている。

今、地熱井１の採取蒸気量が減衰を生じたものとする。

この場合地熱貯留層３の流量が小で、地熱貯留層４の流
量が犬である場合、従来は地熱りキ２カ、連結している
地熱貯留層４に新たに地熱井を掘削するか又は地熱井１
をマルチレグ方式と１−で地熱貯留層４へ掘削する方法
、：て、Ｙつで行われている〇 しかし、本発明では地熱貯留層３の先住亀裂７をＡＥ法
によって探知し、地熱井１の坑口・ζルブを絞ることに
よって、該亀裂７を進展させて地熱貯留層４と連結させ
ることができる。

この場合、亀裂７の位置、大きさは観測井６内のＡＥゾ
ンデて探知でき、また地熱貯留層３の総流量のしきい値
から地熱井１の坑口・くルブの絞り程度が決定できる。

また、該亀裂７先端部の進展方向及びその際のＡＥエネ
ルギー強度も、ＡＥ　ノ゛ンデによって同時に計測でき
る。

従って前記亀裂７の先端部が進展して地熱貯留層４に連
結することが確認されれば、地熱井１の坑口バルブを閉
鎖し、該亀裂７を進展させて地熱貯留層４とを連結する
ことによって、地熱井１は地熱貯留層４の蒸気を地熱貯
留層３を介（、て採取することができる。

即ち、本発明では、地熱井１が減衰し、所定の蒸気量の
確保ができない場合、新たに地熱井を掘削したり又は地
熱井１をマルチレグ方式として掘削せず、僅かに坑口バ
ルブによる圧力の調整によって所定の蒸気量を確保でき
、コストを大巾に低減することができる。１ 同様に還元井が熱水の所定量を還元できない場合、ＡＥ
法によって還元井の坑底附近の亀裂の状態を把握するこ
とによって、還元ゾーンが生産ゾーンと干渉を生じない
方向を探知して還元井を掘進することによって所定の還
元熱水量を還元することもできる。

他方、生産ゾーンと還元ゾーンとが連結されるおそれが
ある場合には、つぎのよ５にして亀裂の進展を抑止する
ことができる。

地熱井１又は２及び還元井５のＡＥを計測して地熱貯留
層３及び４を探知し、地熱井１又は２の坑口バルブを密
閉した密閉圧減衰曲線から時定数を求め、また坑口パル
プの閉鎖時の漏れを差引いた貯留層内総流量と時間との
曲線を求める。

つぎに、地熱貯留層３又は４毎の前記総流量と、ＡＥエ
ネルギーから亀裂が進展する際の総流量のしきい値を決
定する。尚、この場合、ＡＥの発生源及びＡＥエネルギ
ーの大小から、進展する可能性のある亀裂をはソ特定す
ることができる。

このようにして総流量のしきい値が決定された後、地熱
貯留層３又は４の総流量がしきい値を超えないように坑
口バルブの密閉時間を定めてパルプを調整すれば、地熱
貯留層３又は４及びこれらに連結する先夜亀裂の進展を
抑止することができる。

従って、従来生産ゾーンと還元ゾーンとが互いに干渉す
るおそれがある場合、何等これに対処することができな
かったが、本発明はか＼る干渉を未然に防止することが
でき、従って還元熱水による地熱貯留層の冷却が避けら
れ、所定量の良質な地熱蒸気を安定して確保することが
できる。

尚、地熱発電の如く大量の地熱蒸気を必要とする処では
、数本乃至十数本の地熱井ならびに還元井が設置されて
おり、また大きな地熱貯留層では１つの地熱貯留層に複
数の地熱井が連結されている。

従って、複数の地熱井が設置されている場合には、その
目的とする亀裂の存在位置、大きさ及びその進展する方
向等をＡＥ法によって探知し、その対象とする亀裂を進
展させるか又はその進展を阻止させるか等の目的に応じ
て適宜地熱井全選択して坑口圧力を調整するか又は複数
本の地熱井の坑口圧力を調整する場合の順序及び密閉す
るまでの時間を適宜選択することによって本発明の目的
を達成することができる。

そればかりでなく、ＡＥ法はＡＢ発生源の水平、垂直分
布から、亀裂の幾何学的な形状を精度よく決定すること
ができると共に、亀裂（地熱貯留層）と地熱井との距離
を推定することもでき、また地熱井が複数ある場合に、
地熱井毎のＡＥエネルギーの活性度を検知し、複数の地
熱井が何れの地熱貯留層と連結しているかが把握でき、
従って地下の地熱貯留層毎に地熱井をグループ分け、ラ
ンク付けができ、地熱地帯の地下の状況を極めて明確に
把握することができるＯ 以上の如く、本発明はＡＥ法によって地熱貯留層及びこ
れに続く先夜亀裂を探知すると共に、地熱井が減衰した
場合の原因を適確に把握でき、地熱貯留層の状況に応じ
て地熱井の坑口・くルブを操作し、地熱貯留層内圧力及
び流量を調整して地下亀裂を進展させ又はその進展を阻
止することによって良質の地熱蒸気を安定して確保する
ことができる。

〔実施例〕

以下本発明の具体的構成を実施例によって説明する。

実施例１ 流量３８２ｔ／時を生産している地熱井の坑口バルブを
１分間の停止流量を２．４　ｔ／時　として徐々に坑口
バルブを絞シ、約１５０分間で密閉した。

第３図に、その時の地熱井の坑ロノ（ルプを密閉するま
での時間に対する流量、坑口圧及びＡＥクリングウンカ
ウントを示した。

第３図では坑口圧が最大（８ｋｑ／　ｃｍ２）となって
も、　ＡＥ　　リングダウンカウントの急増は認められ
ない。また、この場合には、坑ロバ７．プを完全に密閉
した場合であっても、ＡＥ　ＩＪ　ｙ！タウンカウント
の急増点は認められない。

即ち、地熱井の坑口バルブを長時間に徐々に絞って行く
場合には、　ＡＥ　　リングダウンカウントの急増点は
認められない。これは地熱井全密閉した場合における急
激な密閉圧が地熱貯留層にか＼らず、従って目視亀裂の
進展に対応するＡＥは発生しない。換言すれば地熱貯留
層の亀裂進展が阻止できることを示している。

実施例２ 実施例１と同一流量を生産している他の地熱井について
、１分間の停止流量を６２ｔ／時とし、約８０分で坑口
パルプを完全に密閉した。その結果第４図に示したよう
に、坑口バルブを閉め始めてから約２０分経過後にＡＥ
が発生し始め、約５０分後にＡＥが活性化し、さらに密
閉後坑口圧の最大値でＡＥＩＪングダウンカウントの急
増点（３）が現われている。

このように地熱井の坑口バルブを短時間に密閉した場合
には、ＡＥの活性化及びＡＥの急増点が現われ、従って
亀裂の進展が発生するのが認められた。

実施例３ ８基の地熱井を有するに地熱地域における地熱井（ＮＬ
　１〜１ｋＢ）の坑口バルブを順次密閉した。その時に
おける地熱井の密閉条件及び停止流量は第１表の通りで
ある。

第５図はＮＩＬＩ〜丸８の地熱井の停止流量に対するＡ
Ｅ　リングダウンカウントを示したものであるが、地熱
井胤４を停止した時点、即ち６０７ｔ／時でＡＥが活性
化しており、さらに流量８００ｔ／時を越えるとＡＥが
急増しているのが認められる。従ってこの地熱貯留層で
は流量６００ｔ／時のしきい値を越えた段階で地下亀裂
を進展させることができる。

第６図はＡＥ法によって探知した前記に地熱地域の地熱
貯留層（第６図中実線）を示したものであり、地熱貯留
層８に近接して地熱貯留層９とがあり、地熱貯留層８に
は断層１０が連結しており、また、地熱貯留層８と９と
は断層１１によって僅かにつながれている。尚、第６図
における地熱貯留層のモデル図は、地質調査及び物理探
査の結果と、良く一致している。また、第６図中のはＡ
Ｅゾンデの設置位置を示す。

芸で、前記第１表のように地熱井（Ｎ＆１〜Ｎｏ、８）
を全て密閉すれば、地熱貯留層８及び９は亀裂の進展に
よって徐々に拡大し、３〜７日後には第６図中点線に示
すように、地熱貯留層８と９とが一体となって大きな地
熱貯留層１２を形成し、その結果地熱蒸気量の減衰もな
く長期間安定して生産することができる。

第７図は第６図の地熱貯留層の垂直方向の断面図を示し
たものであるが、地下亀裂の進展は上部方向にも及び、
その一部は約６００ｍ上方に向って進展しているのが認
められる。

前記のように上部に向って進展する亀裂が存在するとき
は、地熱貯留層が還元ゾーンと連結する可能性が犬であ
り好ましくない。

他方、地熱井は点検、改修のために密閉する必要がある
。か＼る場合には、次の実施例４のようにして亀裂の進
展を阻止することができる。

実施例４ 前記に地熱地域における地熱井のうち、上方に進展する
可能性のある亀裂に影響すると思われる地熱井を選択し
て密閉する。その時の条件及び停止流量は第２表の通り
である。

第８図は第２表における地熱井の停止流量に対するＡＥ
　リングダウンカウントを示したものであるが、密閉に
至るまでの時間を長くしてバルブを閉鎖するときは、丸
１〜ＮＬ５までの地熱井を全て密閉ｌ−だ場合でもＡＥ
Ｉ、ｌンググウンカウントは活性化していない。

即ち、このよ５に密閉するまでの時間を長時間かげて徐
々にバルブを絞るときは、この地熱貯留層の流量のしき
い値である６００ｔ／時を越えることがなく、従って亀
裂の進展を確実に阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は密閉時間に対する停止流量の関係を示すグラフ
、第２図は地熱地域の一例のモデル図、第３図及び第４
図は夫々生産井を密閉するまでの時間と流量及び坑口圧
との関係を示すグラフ、第５図は流量累積値に対するＡ
、Ｅｌ、Ｉングダウンカウントとの関係を示すグラフ、
第６図は実施例における地熱貯留層の平面図、第７図は
第６図中■■−■線断面図、第８図は流量累積値に対す
るＡＥ　リングダウンカウントとの関係を示すグラフで
ある。 １．２：地熱井、３，４，８．９：地熱貯留層、５：還
元井、６：観測井、７：亀裂。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＡＥ／ＭＡ法によつて地熱貯留層及び地下亀裂を探知す
   ると共に、その情報を基に該地熱貯留層に通づる１又は
   ２以上の地熱井の坑口バルブを操作して、貯留層内圧力
   又は流量を調整し、前記地熱貯留層及び地下亀裂の進展
   又は進展の阻止を自在に行うことにより、所定量の良質
   の蒸気を安定して確保することを特徴とするＡＥ／ＭＡ
   法を利用した地熱蒸気採取方法。