光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … ·...
Transcript of 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … ·...
![Page 1: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/1.jpg)
公益財団法人 地球環境産業技術研究機構
光ファイバーによるCO2圧入サイトの
地層安定性観測技術開発について
薛 自求([email protected])
1
Application of distributed optical fiber sensors
in geomechanical monitoring
![Page 2: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/2.jpg)
(外部環境や物理的損傷から保護)
Cladding (迷光をコアに戻し、伝送損失を抑える)
Buffer Coating
Core (光はコアを通って伝送される)
光ファイバーの構造
2 www.ni.com
![Page 3: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/3.jpg)
光ファイバーセンシング技術
多点型
分布型
光ファイバー
(光波の強さ、位相、周波数) 電気 光
電気センサー
(電圧、電流)
3
(Dria, SPE/DL 2012)
![Page 4: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/4.jpg)
光ファイバーの計測原理
ラマン散乱光,ブリルアン散乱光,レイリー散乱光
(Raman) (Brillouin) (Rayleigh)
Incident
Back Scattering
ひずみ・温度 の変化量測定に利用
変化
4
Brillouin & Rayleigh
Scattering
![Page 5: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/5.jpg)
光ファイバー測定技術の現状
既存技術(Commercial & Developed)
• DTS・・・Distributed Temperature Sensor
• DTSS・・・ Distributed Temperature Strain Sensor
• DPTS・・・ Distributed Pressure Temperature Sensor
• DAS・・・Distributed Acoustic Sensor
新しい技術開発 @RITE
• DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure
Strain Sensor 5
![Page 6: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/6.jpg)
分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin
6
![Page 7: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/7.jpg)
坑井における光ファイバー測定技術
7
(Hennings et al., 2005)
坑井管理/生産のため
温度・変形をモニタリング(石油・ガス田開発分野で実用化)
深度方向における連続的データ取得が可能
流体の温度・ケーシングの変形を計測可能
地層変形も計測できる?
![Page 8: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/8.jpg)
貯留層&遮蔽層の力学的安定性評価
• In Salahにおける地表の隆起
→CO2圧入に伴う地層水圧の増加が原因
• 遮蔽層の安定性に影響
• 従来の変位計による計測では計測点が限定
• 深度方向における地層変形を連続的に把握する必要
深度方向の連続的なデータ取
得方法はあるか?
(Durucan et al., 2011, Energy Procedia 4)
圧入井
8
![Page 9: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/9.jpg)
• 光ファイバーにパルス光を入射すると散乱光が発生 • 散乱光は媒質固有の周波数だけシフト(周波数シフト) • ひずみが加わると散乱光の周波数シフトが変化
f2
f1 周波数
散乱光
計測器
散乱光によるひずみ計測の原理
散乱光強度
散乱光周波数シフト(f2-f1) ∝ ひずみの大きさ
光の周波数 f1 f2
9
![Page 10: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/10.jpg)
10
40℃
室内実験システムの概念図
10
![Page 11: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/11.jpg)
圧力増加に伴う周波数シフト
圧力容器内
試料(ひずみ・圧力)
束取り
(ひずみ・圧力)
恒温室内
束取り(温度)
束取り
(ひずみ・圧力)
束取り
11
![Page 12: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/12.jpg)
12
静水圧負荷過程のひずみ測定
圧縮
光ファイバー
12
![Page 13: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/13.jpg)
13
間隙水圧増加過程のひずみ測定
膨張 光ファイバー
13
![Page 14: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/14.jpg)
14
超臨界CO2注入時のひずみ変化
CO2
TOP
BTM
CO2フロントの
移動による変形を検知
CO2 migrating from BTM to TOP
⑩
⑨
⑧
⑦
⑥
⑤
④
③
14
BTM
TOP
![Page 15: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/15.jpg)
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 2 4 6 8 10 12 14
⑭⑬⑫⑪⑩⑨⑧⑦⑥⑤④③②①
ひず
み,
封圧, MPa
0
100
200
300
400
500
0 2 4 6 8 10 12
⑭⑬⑫⑪⑩⑨⑧⑦⑥⑤④③②①
ひず
み,
間隙圧, MPa
静水圧・間隙圧上昇時の ひずみ変化
圧入
方向
細粒部
境界部
粗粒部
• ひずみは粗粒部で大きく、細粒部で小さい
• 粗粒部と細粒部のひずみの違いが判別できる 15
●:粗粒部 ●:境界部 ●:細粒部
膨張
圧縮
封圧上昇 間隙圧上昇
※ひずみ
+ 膨張
- 圧縮
![Page 16: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/16.jpg)
光ファイバーを用いた現場試験
CO2の圧入
観測室
CO2
チュービング
パッカー
CO2圧入
パーフォ
レーション
流量計 圧力調整器
加温器
CO2ボンベ
掘 削 ケーシング挿入 ファイバー設置
セメンチング パーフォレション
ビット径 9’5/8
掘進長
300m
オールコア (250-300m)
ノンコア (0-250m)
7’ケーシング
光ファイバー セメンチング
坑壁
16
![Page 17: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/17.jpg)
アーマードケーブルΦ 6mm
アーマードケーブルΦ 3mm
樹脂被覆ファイバー(信号用)
既存ファイバーの現場実験 埋設型ファイバーの仕様検討
(光ファイバー試作へ)
ケーシング管内
光ファイバー
セメント
坑壁 (φ 24.4cm~)
ケーシング (φ 17.8cm)
ファイバー 固定クランプ
17
![Page 18: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/18.jpg)
光ファイバー設置について
18
光ファイバーを屈曲・断線なく挿入・設置
→ プロテクターとクランプを自作・改良(肉薄化、信号ロス軽減)
→ セントラライザを通常より多めに利用
カップリングプロテクター(10m@30個)
ファイバー固定用クランプ(10m@30個)
セントラライザを利用した
ファイバー最下部の固定
経験やノウハウの蓄積
![Page 19: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/19.jpg)
-1.0
1.0 温
度(℃
)
1/26 14:50~1/29 08:15の温度変化 (データ間隔:約30分)
温度変化(坑口~50m)
19
![Page 20: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/20.jpg)
20
-24.0
16.0 ひ
ずみ
(με
)
距離(m)
CO2圧入開始1/26 15:03 CO2圧入終了1/27 18:00 (圧入中断1/27 10:10~13:10)
CO2圧入時の地層ひずみの経時変化
20
![Page 21: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/21.jpg)
CO2圧入時の計測結果 1層PTSファイバ(Rayleigh)による地層変形の計測状況(温度・圧力情報含む)
Ref :パッカーの位置 Δ 3 :Siltの位置 Δ 1~Δ 2 :パーフォレーション区間
パーフォレーション区間
EMI 柱状図
CO2圧入1時間後 3時間後 5時間後 10時間後 15時間後
シルト薄層
21
![Page 22: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/22.jpg)
CO2圧入時の地層変形
22
ひずみ換算 -27.4 16.0[με]
周波数シフト 4.2 -2.5 [GHz]
( コ ア 採 取 結 果 )
2 4 0 m
2 4 5
2 5 0
2 5 5
2 6 0
2 6 5
2 7 0
2 7 5
2 8 0
ハ ゚ ー フ ォ レ ーシ ョ ン 区 間
シ ル ト 薄 層コア写真
膨張
圧縮
パッカー
295
0250 圧
入終
了(1
/27 1
8:00)
圧入
開始
(1/26 1
5:03)
Time[時間経過]41.5
265.5
シルト薄層275.0
パーフォレーション277.4279.4
パッカー
295
0250 圧
入終
了(1
/27 1
8:00)
圧入
開始
(1/26 1
5:03)
Time[時間経過]41.5
265.5
シルト薄層275.0
パーフォレーション277.4279.4
24 12 36 時間
3層ケーブル レイリーのひずみ換算結果 (温度分離後)
![Page 23: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/23.jpg)
地下深部におけるひずみ計測について
光ファイバーは、温度・圧力・ひずみに反応 →坑井(ケーシング外側)に設置した場合、ひずみ、圧力の分離が課題
周波
数シ
フト
(Hz)
温度 ひずみ 圧力
温度用ファイバー併用 (ひずみフリーファイバー)
地表での計測
地下での計測
23
![Page 24: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Brillouin & Rayleigh Scattering による温度、ひずみ測定
24 (小暮ほか,2013)
![Page 25: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/25.jpg)
室温の条件下における片持ち梁のひずみ測定
Aluminum plate
線方向のひずみの感度係数 25
![Page 26: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/26.jpg)
Strains: Brillouin & Rayleigh Scattering, Strain gage
大気圧下(温度一定)
では、光ファイバーが
ひずみゲージと同精度
でひずみ測定ができた。
光ファイバー:ひずみ分布
ひずみゲージ:計測点のみ
με
26
![Page 27: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/27.jpg)
Strain measurements under hydrostatic pressure
Optic fiber vs Strain gage
Aluminum, Cupper,
SUS304, Brass plates
Pressure: 1-12 MPa
27
![Page 28: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/28.jpg)
静水圧下では
常圧下のひず
み感度係数と
異なる!
με
ひずみ計算値=ひずみゲージ測定値
28
![Page 29: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/29.jpg)
Optic fiber
径方向のひずみ
線方向のひずみ
圧力条件下における光ファイバーを用いたひずみ測定
29
![Page 30: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/30.jpg)
線方向のひずみ:ひずみゲージの実測値
静水圧下における光ファイバーの線方向&径方向のひずみ
表ー1
30
![Page 31: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/31.jpg)
線方向&径方向のひずみと周波数シフト関係式
表ー1のひずみデータと周波数シフトの実測値を基に、回帰分析により線方向
&径方向ひずみの感度係数(Ai, Bi)を最適値を求めた。
31
![Page 32: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/32.jpg)
径方向ひずみの影響も考慮した
Brillouin Scatteringの計算結果(Eq.14)
32
![Page 33: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/33.jpg)
径方向ひずみの影響も考慮した
Rayleigh Scatteringの計算結果(Eq.15)
33
![Page 34: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/34.jpg)
34
![Page 35: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/35.jpg)
με
静水圧下の砂岩試料のひずみ測定結果
Optic fiber vs Strain gage
35
![Page 36: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/36.jpg)
まとめ
光ファイバーによるひずみ測定手法を確立し、大気圧下だけでなく、
地下深部の圧力条件下でもひずみゲージと同等精度で測定できるこ
とを金属材料と岩石試料を用いて確認した。
粗粒部と細粒部を有する砂岩試料を用いた静水圧下の圧縮実験で
は、光ファイバーで測定されたひずみが粗粒部と細粒部の圧縮特性
を適切に反映できた。
光ファイバーを地中に埋設した場合は、埋設深度方向の地層特性を
反映したひずみ測定結果が連続的に得られるため、深部貯留層圧力
の増加が地表の変状との関連性を明らかにできるようになった。
光ファイバー測定技術は、CO2圧入サイトの地層の力学的安定性の
モニタリングだけでなく、CO2漏洩の早期検出にも役立つ。
温度・圧力・ひずみの測定結果を基に、CO2地中貯留の安全性だけ
でなく、地上&地中構造物の安全管理にも活用できる。
36
![Page 37: 光ファイバーによるCO2圧入サイトの 地層安定性観測技術開発に … · •DTPSS・・・Distributed Temperature Pressure Strain Sensor 5 分布型光ファイバー温度センサー(DTS)@Ketzin](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022050519/5fa2cb0e73dafd584d564e63/html5/thumbnails/37.jpg)
謝 辞
本研究は経済産業省の「二酸化炭素回収・貯蔵安全性評価技術開発」委託業務
の成果の一部であり、記して謝意を表します。また、光ファイバー測定技術開発に
ご協力いただいた(株)ニューブレクス、(株)フジクラ、(株)関東建設、物理計測
コンサルタント(株)、RITE貯留研究グループの関係者には厚く御礼を申し上げます。
37