流体で満たされた地下人工き裂の動的応答解析に基づく地下き裂評価に関する研究

流体で満たされた地下人工き裂の動的応答解析に基

づく地下き裂評価に関する研究

著者

林 一夫

流体で満たされた地下人工き裂の動的応答解析に基づく

地下き裂評価に関する研究

はしがき マグマからの直接エネルギー抽出､高温乾燥岩体(HDR)ェネルギ-の抽出､ 核廃棄物の地下保管などの地下空間利用に係わる巨大プロジェクトが世界的規模で 提案ないし展開されつつある｡/これらの技術の飛躍的発展の鍵となる基本的学術的 課題の一つとして､地下岩体中のき裂の幾何学的･物理的性状の把握が極めて困盛 とされ､特に､先進的地熱抽出においては地下人工き裂の性状の評価法の体系的確 立が急務である｡ 地下人工き裂の評価に有力な方法としていわゆる受動的AE (アコースティッ ク･エミッション)法がある｡これは､地下き裂の進展により生じる弾性波を受動 的に測定し評価するものであるが､放射される弾性波エネルギーが極めて微弱の場 合が多々存在し､従って∴受動的AE法では必ずしも万全ではない｡研究代表者ら は､この問題を解決するために､エアガン等によりき裂内の流体に直接人工的な圧 力変動を局所的にを加え､これに対するき裂の動的応答を利用するという能動的手 法を提案して､このための基本的検討を加えてきた｡本研究は､この基本的検討を 踏まえて､能動的手法における､諸因子の影響､すなわち､流体の浸透及び粘性の 影響､き裂上下面の部分接触の影響､き裂内流体の圧力等の諸因子のき裂とき裂内 流体の達成運動によって生じる弾性波-の影響を解明し､逆に､この弾性波から地 下き裂性状を評価する方法を開発するものである｡従来ボトルネックであった地下 人工き裂の幾何学的･物理的性状評価が可能となり､特に能動的地熱抽出技術開発 -の波及効果は大きい｡ 上述の各種技術分野で地下き裂評価の重要性が認識されるにいたり､岩体内のき 裂に関心が集中し､ AE法による地下き裂評価がクローズアップしてきている｡そ れに伴い､数多くの国際研究集会が催されまた計画されている｡ AE/MS (微小 地震波)によるき裂評価の研究は日本では､主として東北大学､電力中央研究所を 中心として､欧米では､米､英､独で活発になされており､特に､受動的AE法の 信号処理解析技術においては近年格段の進展がみられる｡今後､地下き裂評価の飛 躍的進展を図るためには､本研究の目的である能動的手法における弾性波の特性解 明とそれに基づくき裂評価法の確立が望まれる｡ 00010174054

｢二

研究組織 研究代表者: 林 一夫 (東北大学流体科学研究所教授) 研究分担者: 新妻弘明 (東北大学大学院工学研究科教授) 研究分担者: 永野宏治(室蘭工業大学工学部助手) 研究経費 平成8年度    900千円 平成9年度 1, 000千円 計    1, 900千円 2

研究発表

(1)学会誌等

K Hayashi and S･ Ito, Radiation patem of elastic waves induced by the motion

offlud in a two･dinensionalreservoir crack, Proc. 6th Cons. AEMS Act. Geol.

Stmc. Mat., 1998, 521-532.

KHayashiand S. Ito, Dynamic responses of afluid一点皿ed geothermalreservoir

crack I - effect of the aspect ratio of the reservoir crack-I, Progress in Acoustic

Emision VⅡⅠ, 1996, 104･109.

K Hayashiand H･ Seki, Dynamic Response offluid inside a penny shaped

crack, GeothernalResourdes Council Transction, 2 1, 1997, 577-584.

(2)口頭発表

R. Hayashi and H. Seki, I)ynamic Response offluidwithin a reservoir crack in

a rock nasa connected to a wellbore, Abs. Wrksp. Induced Seis., 1996, 27･28.

伊藤伸､林 一天､地下き裂の振動特性に及ぼす流体の粘性と岩体に透水性の影

響､日本非破壊検査協会第1 1回アコーステイク･エミッション総合コンファレン

ス論文集､ 1997, 131･136.

研究成果 本研究は､地下人工き裂内の流体に局所的圧力変動を負荷したときの動的応答を 解明し､これを利用したき裂評価法を開発することを目的とする｡成果を要約する と次のようになる｡すなわち､一流体の粘性が水と同程度に小さく且つ岩体の透水率 が健全な花尚岩程度に小さい場合､き裂上下面が接触していない場合には無次元匝′ 有角振動数はき裂のアスペクト比によりほぼ決まり､一方､き裂上下面が互いに接 触し従ってき裂面接触剛性が零でない場合には､無次元固有角振動数は接触剛性に ょりほぼ決まる｡岩体の透水率が地熱地帯程度の大きさであると､接触剛性が零で ない場合､固有角振動数は岩体の透水率の影響を強く受け､その影響の強さは､き 裂開口幅が小さいほど顕著になる｡流体の粘性の影響も顕著に現れる｡しかしなが ら､き裂上下面が互いに接触していない場合には､流体の粘性､岩体の透水率とも に固有角振動数に大きな影響を与えることはなく､き裂のアスペクト比によってほ ぼ決まる｡ 流体の粘性と岩体の透水性の影響をより詳しく検討するために､岩体を剛体とし た場合の動的応答の解析を実施した｡その結果､き裂内流体の動的応答を最大にす る粘性の値が存在する｡この値は､岩体の透水率のみに依存する｡従って､岩体の 透水率に応じて最適な粘性を有するよう水圧破砕流体を選定すれば､最大の圧力応 答を得ることが出来る｡ 以上の解析を踏まえて､基準振動モードの固有角振動数に対する各振動モードの 固有角振動数の比とフィールドで計測された比との差の二乗和とき裂長さに関する 負荷項とにより構成される評価関数を最適化することにより､き裂長さ､き裂初期 開口幅､及びき裂面の接触剛性とを推定できることを明らかにした｡ 4

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