(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる材料からなる少なくとも２種の体積変化が既知の基準部材に、前記少なくとも２種の基準部材に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該基準部材の変形に追従するよう、それぞれ光ファイバを固定するステップと、
前記光ファイバが固定された基準部材に外部から既知の圧力を加えた状態で、前記光ファイバにそれぞれ試験光を入射させて、ブリルアン散乱現象に基づく基準ブリルアン周波数シフト量を求める基準ブリルアン計測、又は、レイリー散乱現象に基づく基準レイリー周波数シフト量を求める基準レイリー計測の少なくとも一方を行うステップと、
前記基準ブリルアン計測又は基準レイリー計測の結果から、それぞれの計測における体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係に基づく、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を求めるステップと、
体積変化が未知の供試部材に、この供試部材に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該供試部材の変形に追従するよう、光ファイバを固定するステップと、
前記光ファイバが固定された供試部材に外部から既知の圧力を加えた状態で、前記光ファイバに試験光を入射させて、ブリルアン散乱現象に基づく供試ブリルアン周波数シフト量を求める供試ブリルアン計測、又は、レイリー散乱現象に基づく供試レイリー周波数シフト量を求める供試レイリー計測の少なくとも一方を行うステップと、
前記供試ブリルアン周波数シフト量又は供試レイリー周波数シフト量と、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数とから、前記供試部材の体積変化を求めるステップと、
を含む物体の体積変化計測方法。
【請求項２】
前記基準ブリルアン計測又は前記基準レイリー計測を行うステップは、
前記基準部材に固定されていない状態の光ファイバに試験光を入射させて、基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量を計測する第１計測と、
異なる材料からなる少なくとも２種の基準部材にそれぞれ固定された光ファイバについて、前記基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量を計測する第２計測と、を含み、
前記ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を求めるステップは、前記第１計測及び第２計測で得られた前記基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量についての単位圧力当たりの周波数シフト量を、体積変化の軸上にプロットして得た一次関数の傾き及び切片を求めるステップである、請求項１に記載の物体の体積変化計測方法。
【請求項３】
前記基準部材に光ファイバを固定するステップは、１本の光ファイバの一部を円筒状の基準部材に巻回すると共に、前記光ファイバの他の一部を前記基準部材から離間させたフリーファイバ部分を形成するステップを含み、
前記基準ブリルアン計測又は前記基準レイリー計測を行うステップは、圧力容器内に、前記光ファイバの基準部材への巻回部分と、前記フリーファイバ部分とを封入するステップを含む、請求項２に記載の物体の体積変化計測方法。
【請求項４】
前記供試部材が、不均質で多孔性の部材であり、
前記供試部材の体積変化を求めるステップが、当該供試部材の体積弾性率及び体積膨張率を求めるステップである、請求項１〜３のいずれかに記載の物体の体積変化計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバのブリルアン周波数シフト又はレイリー周波数シフト現象を利用して、物体の体積変化及びその分布を計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバのブリルアン散乱現象及びレイリー散乱現象を利用した各種の計測手法が知られている（例えば特許文献１）。その一つとして、光ファイバに歪み（圧力）が加えられることにより生じるブリルアン周波数シフト及びレイリー周波数シフトを利用した分布型圧力センサが挙げられる。これら周波数シフトは、光ファイバに加わる歪みに依存するため、その周波数シフト量を計測することで、印加された圧力を計測することができる。
【０００３】
この光ファイバを用いた圧力測定技術は、物体の体積変化の計測に適用し得る。例えば、ポーラスな砂岩は、流体が充填される前と充填された後とでは体積が変化するので、前記圧力測定技術の適用分野の一つとなる。近年、地球温暖化対策として、地中に二酸化炭素を貯留する技術が開発されつつあるが、上掲の圧力測定技術は、二酸化炭素地中貯留が実行される場合における、砂岩に対する二酸化炭素の貯留状況をモニターするシステム、並びにその上位層であるキャップロック層（泥質岩等）の力学的安定性や安全性をモニターするシステムの構築に寄与できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００６／００１０７１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば地中に存在する未知の組成からなる砂岩の体積変化を的確に検知する方法は未だ提案されていない。電気的な圧力センサを用いれば、スポット的な圧力変化を検知することは可能である。しかし、その圧力変化が、砂岩に流体が圧入されたことに伴うものか否か、つまり、砂岩の体積変化に依存するものか否かを特定することはできない。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、体積変化度合いやその分布が未知の物体の体積変化及びその分布を的確に計測することが出来る物体の体積変化計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面に係る物体の体積変化計測方法は、異なる材料からなる少なくとも２種の体積変化が既知の基準部材に、前記少なくとも２種の基準部材に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該基準部材の変形に追従するよう、それぞれ光ファイバを固定するステップと、前記光ファイバが固定された基準部材に外部から既知の圧力を加えた状態で、前記光ファイバにそれぞれ試験光を入射させて、ブリルアン散乱現象に基づく基準ブリルアン周波数シフト量を求める基準ブリルアン計測、又は、レイリー散乱現象に基づく基準レイリー周波数シフト量を求める基準レイリー計測の少なくとも一方を行うステップと、前記基準ブリルアン計測又は基準レイリー計測の結果から、それぞれの計測における体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係に基づく、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を求めるステップと、体積変化が未知の供試部材に、この供試部材に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該供試部材の変形に追従するよう、光ファイバを固定するステップと、前記光ファイバが固定された供試部材に外部から既知の圧力を加えた状態で、前記光ファイバに試験光を入射させて、ブリルアン散乱現象に基づく供試ブリルアン周波数シフト量を求める供試ブリルアン計測、又は、レイリー散乱現象に基づく供試レイリー周波数シフト量を求める供試レイリー計測の少なくとも一方を行うステップと、前記供試ブリルアン周波数シフト量又は供試レイリー周波数シフト量と、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数とから、前記供試部材の体積変化を求めるステップと、を含む（請求項１）。
【０００８】
この計測方法によれば、基準ブリルアン計測又は基準レイリー計測によって、基準部材についての体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係が把握される。この結果から、キャリブレーションデータとなるブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数が求められる。そして、供試部材に対して同様な供試ブリルアン計測又は供試レイリー計測を実行して周波数シフト量を求め、これにブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を適用することで、供試部材の体積変化を求めることができる。
【０００９】
上記構成において、前記基準ブリルアン計測又は前記基準レイリー計測を行うステップは、前記基準部材に固定されていない状態の光ファイバに試験光を入射させて、基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量を計測する第１計測と、異なる材料からなる少なくとも２種の基準部材にそれぞれ固定された光ファイバについて、前記基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量を計測する第２計測と、を含み、前記ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を求めるステップは、前記第１計測及び第２計測で得られた前記基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量についての単位圧力当たりの周波数シフト量を、体積変化の軸上にプロットして得た一次関数の傾き及び切片を求めるステップであることが望ましい（請求項２）。
【００１０】
この構成によれば、基準部材に固定されていない状態の光ファイバと、少なくとも２種の異なる基準部材に固定された光ファイバとから、少なくとも３種の基準ブリルアン周波数シフト量又は基準レイリー周波数シフト量が求められる。従って、体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係を一次関数化することが可能となり、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を前記一次関数の傾き及び切片として求めることができる。これにより、係数の導出を容易且つ確実に行うことができる。
【００１１】
上記構成において、前記基準部材に光ファイバを固定するステップは、１本の光ファイバの一部を円筒状の基準部材に巻回すると共に、前記光ファイバの他の一部を前記基準部材から離間させたフリーファイバ部分を形成するステップを含み、前記基準ブリルアン計測又は前記基準レイリー計測を行うステップは、圧力容器内に、前記光ファイバの基準部材への巻回部分と、前記フリーファイバ部分とを封入するステップを含むことが望ましい（請求項３）。
【００１２】
この構成によれば、上記第１計測及び第２計測を一度の計測で実行することが可能となり、計測効率を向上させることができる。
【００１３】
上記構成において、前記供試部材が、不均質で多孔性の部材であり、前記供試部材の体積変化を求めるステップが、当該供試部材の体積弾性率及び体積膨張率を求めるステップであることが望ましい（請求項４）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、体積変化度合いやその分布が未知の物体の体積変化及びその分布を的確に計測することが出来る物体の体積変化計測方法を提供することができる。従って、例えばポーラスな砂岩等に対する流体の充填率やその分布を求めることが可能となり、二酸化炭素地中貯留が実行される場合における、砂岩に対する二酸化炭素の貯留状況をモニターするシステムの構築に寄与することができ、さらには、シール層として機能するキャップロック層の体積変化分布も測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る体積変化計測方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図２】キャリブレーション工程において実行される、基準部材についての計測システムを示す模式図である。
【図３】図２の計測システムにおける圧力印加パターンを示す図である。
【図４】基準ブリルアン計測の結果を示すグラフである。
【図５】基準レイリー計測の結果を示すグラフである。
【図６】基準ブリルアン計測により求められるブリルアン計測用係数を説明するためのグラフである。
【図７】基準レイリー計測により求められるレイリー計測用係数を説明するためのグラフである。
【図８】実測工程において実行される、供試部材についての計測システムを示す模式図である。
【図９】供試部材への光ファイバの固定状況を示す模式図である。
【図１０】図８の計測システムにおける圧力印加パターンを示す図である。
【図１１】供試ブリルアン計測における、圧力と周波数シフトとの関係を示すグラフである。
【図１２】供試レイリー計測における、圧力と周波数シフトとの関係を示すグラフである。
【図１３】供試ブリルアン計測における、圧力と体積歪みとの関係を示すグラフである。
【図１４】供試レイリー計測における、圧力と体積歪みとの関係を示すグラフである。
【図１５】供試ブリルアン計測における、圧力と体積弾性率との関係を示すグラフである。
【図１６】供試レイリー計測における、圧力と体積弾性率との関係を示すグラフである。
【図１７】砂岩試料に、超臨界状態の二酸化炭素を注入する試験装置を示す模式的な図である。
【図１８】体積変化の測定点を示す砂岩試料の周面展開図である。
【図１９】各測定点の体積変化を示すグラフである。
【図２０】超臨界二酸化炭素と純水との界面の進展速度を評価したグラフである。
【図２１】二酸化炭素地中貯留及び貯留状況のモニターシステムの概要図である。
【図２２】図２１の矢印Ｆ部の拡大図である。
【図２３】センサケーブルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る体積変化計測方法の手順全体を概略的に示すフローチャートである。本実施形態の体積変化計測方法は、大略的に、体積変化が既知の基準部材に光ファイバを固定してブリルアン計測及びレイリー計測を行い、計測用係数を求める「キャリブレーション工程」と、上記計測用係数を用いて体積変化が未知の供試部材に光ファイバを固定してブリルアン計測及びレイリー計測を行い、供試部材の体積変化を導出する「供試部材の実測工程」とを備えている。
【００１７】
上記キャリブレーション工程は、基準部材へ光ファイバを固定するステップ（ステップＳ１）、基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測を実行するステップ（ステップＳ２）、基準ブリルアン周波数シフト量及び基準レイリー周波数シフト量を求めるステップ（ステップＳ３）、及び、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数を求めるステップ（ステップＳ４）を含む。また、供試部材の実測工程は、供試部材へ光ファイバを固定するステップ（ステップＳ５）、供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測を実行するステップ（ステップＳ６）、供試ブリルアン周波数シフト量及び供試レイリー周波数シフト量を求めるステップ（ステップＳ７）、及び、供試部材の体積変化を導出すステップ（ステップＳ８）を含む。以下、本実施形態の体積変化計測方法の測定原理、並びに、上掲の各ステップについて詳細に説明する。
【００１８】
＜測定原理＞
光ファイバに光を入射し、その散乱光を周波数分析すると、入射光とほぼ同じ周波数をもつレイリー散乱光、入射光と大きく周波数が異なるラマン散乱光、及び、入射光と数〜数十ＧＨｚ程度周波数が異なるブリルアン散乱光が観測される。ブリルアン散乱現象は、光が光ファイバへ入射された場合に光ファイバ中の音響フォノンを介してパワーが移動する現象である。入射光とブリルアン散乱光との周波数の差はブリルアン周波数シフトと呼ばれ、このブリルアン周波数シフトは、光ファイバ中の音速に比例し、そして、この音速が光ファイバの歪み及び温度に依存する。このため、ブリルアン周波数シフトを測定することによって、光ファイバに加えられる歪み及び／又は温度を測定することができる。
【００１９】
レイリー散乱現象は、光ファイバ中の屈折率のゆらぎによって、光が散乱するために生ずる散乱現象である。入射光とレイリー散乱光との周波数の差がレイリー周波数シフトである。このレイリー周波数シフトも、光ファイバに加えられる歪み及び／又は温度により変化する。
【００２０】
（キャリブレーション工程）
温度が一定の条件下で、圧力変化ΔＰを受ける光ファイバのブリルアン周波数シフト量ΔνＢ、及び、レイリー周波数シフト量ΔνＲは、次の（１）式、（２）式で与えられる。
【００２１】
【数１】
0005747408.tif 000002
【００２２】
上記（１）式、（２）式において、添え字「Ｂ」、「Ｒ」は、それぞれブリルアン計測、レイリー計測を示している。Δｅは体積歪み（体積膨張率）の増分を示す。また、αＢはブリルアン計測用係数、αＲはレイリー計測用係数、β′はブリルアン計測及びレイリー計測の双方で共通に適用される係数であって、体積弾性率が既知の材料に対するキャリブレーション試験により決定される係数である。さらに、Ｃ１１はブリルアン計測の歪み感度係数（＝０．０５０７ＭＨｚ／με）、Ｃ２１はレイリー計測の歪み感度係数（＝−０．１５５ＧＨｚ／με）である。
【００２３】
圧力変化ΔＰに対して体積弾性率Ｋが一定に保たれる線形な材料に対しては、次の（３）式が成立する。
【００２４】
【数２】
0005747408.tif 000003
【００２５】
この場合、上記（１）式及び（２）式で示したブリルアン周波数シフト量ΔνＢ、及び、レイリー周波数シフト量ΔνＲは、次の（４）式及び（５）式の通りに変形することができる。
【００２６】
【数３】
0005747408.tif 000004
【００２７】
そこで、上記キャリブレーション試験として、体積弾性率Ｋが既知の複数の材料に対して圧力負荷試験を行う。そして、体積弾性率の逆数１／Ｋに対し、ΔνＢ／ΔＰ及びΔνＲ／ΔＰの値をプロットする。それらの結果を線形近似し、該近似線の傾きと切片とから、ブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ、及び共通係数β′を決定する。
【００２８】
ここで、体積歪みの増分Δｅ及び体積弾性率Ｋは、光ファイバが固定される基材（後述する基準部材または供試部材）の物性である。光ファイバに圧力が加えられる前提として、光ファイバは前記基材に追従変動可能に固定され、基材が圧力変動環境に置かれて当該基材が収縮又は膨張変形したときに、その変形に伴い光ファイバも追従変形することを想定している。
【００２９】
（供試部材の実測工程）
上記のキャリブレーション試験によってブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ、及び共通係数β′を予め求めておけば、体積弾性率が未知の基材（供試部材）の体積変化、すなわち体積歪みの増分Δｅ及び体積弾性率Ｋを、ブリルアン計測及び／又はレイリー計測を行うことで求めることができる。なお、体積弾性率Ｋが未知の材料については、圧力変化ΔＰに対して体積弾性率Ｋが一定に保たれるとは限らないので、以下の通り導出される式を用いる。
【００３０】
上記（１）式〜（５）式より、体積歪みの増分Δｅは、次の（６）式で表すことができる。
【００３１】
【数４】
0005747408.tif 000005
【００３２】
基準状態の圧力をＰ０とし、このＰ０から、ある圧力Ｐまで変化することを想定する。上記（６）式を圧力Ｐ０から圧力Ｐまで積分すると、次の（７）式の通りとなる。
【００３３】
【数５】
0005747408.tif 000006
【００３４】
体積歪みの定義は、Ｋ＝−（ｄＰ／ｄｅ）であるので、体積弾性率Ｋは次の（８）式で与えられる。
【００３５】
【数６】
0005747408.tif 000007
【００３６】
上記（７）式において、ｄνＢ／ｄＰ及びｄνＲ／ｄＰの計算は、供試部材へ加える圧力とレイリー及びブリルアン周波数シフトの計測結果とを関数フィッティング（例えば３次多項式）し、その関数を微分することにより求めることができる。
【００３７】
例えばポーラスな砂岩等は、その砂岩内に流体が充填されている場合と、されていない場合とで体積弾性率が変化する。また、一般に砂岩は不均質な材料であるので、実際の二酸化炭素の貯留状況にはムラが生じると考えられる。このムラは、砂岩の体積弾性率の空間的な分布として現れる。従って、二酸化炭素の貯留地層に光ファイバを配設し、その光ファイバについてブリルアン計測及び／又はレイリー計測を行うことで、前記貯留地層における、二酸化炭素の貯留状況をモニターすることが可能となる。
【００３８】
＜ステップＳ１＞
図２は、キャリブレーション工程において実行される、基準部材１についての計測システムＭ１を示す模式図である。ステップＳ１では、体積変化が既知の基準部材１に、測定用光ファイバ２を固定する。基準部材１としては、円筒状の金属部材を用いることができる。本実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）円管とステンレス（ＳＵＳ）円管とを用いる。光ファイバ２としては、コアとクラッドを備えた石英ファイバ素線上にＵＶコート層を備えたファイバ心線が用いられる。
【００３９】
測定用光ファイバ２の一部は、基準部材１の周上に螺旋状に巻回され、他の一部は、基準部材１から圧力の影響を受けないよう基準部材１から離間させた状態とされる。これにより、測定用光ファイバ２には、巻回部２１と、基準部材１に拘束されていないフリーファイバ部２２とが形成される。測定用光ファイバ２の第１端部２３には第１リード光ファイバ２５が、第２端部２４には第２リード光ファイバ２６が、それぞれ融着部２Ａにおいて融着されている。
【００４０】
巻回部２１において測定用光ファイバ２は、基準部材１に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該基準部材１の変形に追従するよう、基準部材１の周面に所定の張力をもって巻回されると共に、エポキシ系接着剤等を用いて強固に接着される。また、基準部材１の外径は、測定用光ファイバ２の外径に対して十分大きいものとされる。これにより、基準部材１が高圧力下に置かれての外径が収縮した場合、巻回部２１も同様に収縮し、巻回内径が収縮後の基準部材１の外径に等しくなる。このような巻回部２１を形成することで、基準部材１の体積変化に伴う圧力が的確に測定用光ファイバ２に作用するようになり、正確に圧力変化がブリルアン計測及びレイリー計測に反映されるようになる。一方で、フリーファイバ部２２は、純粋に測定用光ファイバ２に作用する外部圧力に伴うブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフトを計測できるよう、張力が与えられない状態とされる。
【００４１】
基準部材１及び測定用光ファイバ２は、円筒状の圧力容器３の内部に封入される。圧力容器３は、例えば１〜５０ＭＰａの範囲で圧力環境を形成できるチャンバーであり、そのチャンバーの圧力を制御する圧力制御装置３Ｐが付設されている。また、圧力容器３の開口部には圧力隔壁３１が備えられている。この圧力隔壁３１には、第１、第２リード光ファイバ２５、２６を保持するフィードスルー３２が貫通されている。
【００４２】
＜ステップＳ２＞
圧力容器３内に、基準部材１及びこれに一部（巻回部２１）が固定された測定用光ファイバ２を密封し、これらに既知の圧力を加えた状態で、測定用光ファイバ２に試験光を入射させて、ブリルアン散乱現象に基づく基準ブリルアン周波数シフト量を求める基準ブリルアン計測、及び、レイリー散乱現象に基づく基準レイリー周波数シフト量を求める基準レイリー計測を実行する。温度は３０℃で一定とする。
【００４３】
図２に示すように、基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測のために、第１リード光ファイバ２５の端部に、サーキュレータ２５１を介してポンプ光源２７及び検出器２９が接続され、第２リード光ファイバ２６の端部に、プローブ光源２８が接続される。測定用光ファイバ２は、基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測の双方に共用される。
【００４４】
ポンプ光源２７は、半導体レーザ等を光源とし、パルス光からなるポンプ光を発生する。このポンプ光は、第１リード光ファイバ２５を介して測定用光ファイバ２の第１端部２３に入射される。プローブ光源２８は、同様に半導体レーザ等を光源とし、連続光からなるプローブ光を発生する。このポンプ光は、第２リード光ファイバ２６を介して測定用光ファイバ２の第２端部２４に入射される。
【００４５】
検出器２９は、受光素子を備え、測定用光ファイバ２内において誘導ブリルアン散乱現象の作用を受けた光（誘導ブリルアン散乱光）、若しくはレイリー散乱現象の作用を受けた光（レイリー後方散乱光）を受光する。また、検出器２９は、演算処理装置を備え、誘導ブリルアン散乱光及びレイリー後方散乱光のスペクトルを分析することで、基準ブリルアン周波数シフト量を求める演算、及び基準レイリー周波数シフト量を求める演算を行う。なお、サーキュレータ２５１は、測定用光ファイバ２側から第１リード光ファイバ２５への戻り光を分離して検出器２９に入射させる。
【００４６】
計測システムＭ１によって基準ブリルアン計測を行う場合、ポンプ光源２７は、メイン光パルス及びサブ光パルスを発生し、これら光パルスをポンプ光として測定用光ファイバ２の第１端部２３に入射させる。また、プローブ光源２８は連続光からなるプローブ光を、測定用光ファイバ２の第２端部２４に入射させる。なお、前記メイン光パルスは、測定用光ファイバ２において音響フォノンで散乱されたエネルギーをプローブ光に渡すように機能し、サブ光パルスは、メイン光パルスのために、音響フォノンを励起するように機能する。この場合、検出器２９は、誘導ブリルアン散乱光を検出する。
【００４７】
一方、計測システムＭ１によって基準レイリー計測を行う場合、ポンプ光源２７は１種類のパルス光を発生し、測定用光ファイバ２の第１端部２３に入射させる。なお、プローブ光源２８は使用されない。この場合、検出器２９は、レイリー後方散乱光を検出する。
【００４８】
基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測が行われる際、圧力制御装置３Ｐによって、圧力容器３の内部圧力が操作される。図３は、圧力操作の一例を示しており、図３（Ａ）は圧力変化パターンを、図３（Ｂ）は各期間において印加される圧力を示している。図３（Ａ）に示すように、好ましい圧力操作の一例は、低圧力期間Ａ、中圧力期間Ｂ及び高圧力期間Ｃを定め、各単位期間を９０分とし、順次、低圧力期間Ａ→中圧力期間Ｂ→高圧力期間Ｃ→中圧力期間Ｂ→低圧力期間Ａと変化させるパターンである。そして、図３（Ｂ）に示すように、低圧力期間Ａの圧力は１ＭＰａとし、中圧力期間Ｂ及び高圧力期間Ｃは、１日目、２日目及び３日目で各々異なる圧力水準とする。これにより、１ＭＰａ〜３０ＭＰａの間において、５ＭＰａ刻みで基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測を行うことができる。なお、各単位期間において９０分の維持時間を取るのは、光ファイバ２の圧力応答を安定させるためである。
【００４９】
以上の基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測は、基準部材１として、異なる素材のものを用いて複数回実施することが望ましい。本実施形態では、アルミニウム円管及びステンレス円管の２種類を用いて、上記の基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測を行った。
【００５０】
＜ステップＳ３＞
検出器２９は、各々の既知の圧力下の基準ブリルアン計測において、前記誘導ブリルアン散乱光を検出することによって、測定用光ファイバ２の長手方向における各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。そして、各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて、各領域部分のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。また、検出器２９は、各圧力下の基準レイリー計測において、前記レイリー後方散乱光に基づき、測定用光ファイバ２の長手方向における各領域部分のレイリースペクトルをそれぞれ求める。そして、各領域部分のレイリースペクトルに基づいて、各領域部分のレイリー周波数シフト量をそれぞれ求める。
【００５１】
図４は、基準ブリルアン計測において得られた、１ＭＰａ〜３０ＭＰａの間のブリルアン周波数シフト量を示している。図４において、「Ａｌ」のプロットは、基準部材１としてアルミニウム円管を用いた場合の、測定用光ファイバ２の巻回部２１におけるブリルアン周波数シフト量である。また、「ＳＵＳ」のプロットは、基準部材１としてステンレス円管を用いた場合の、測定用光ファイバ２の巻回部２１におけるブリルアン周波数シフト量である。さらに、「ｆｒｅｅ」のプロットは、測定用光ファイバ２のフリーファイバ部２２のブリルアン周波数シフト量である。図４から明らかな通り、アルミニウム円管への巻回部２１、ステンレス円管への巻回部２１及びフリーファイバ部２２共、ブリルアン周波数シフト量の圧力に対する反応は「負」の線形に変化する。また、フリーファイバ部２２が圧力に対する反応が最も大きいことが分かる。
【００５２】
図５は、基準レイリー計測において得られた、１ＭＰａ〜３０ＭＰａの間のレイリー周波数シフト量を示している。図５において、「Ａｌ」、「ＳＵＳ」及び「ｆｒｅｅ」のプロットは、図４の場合と同じである。図５から明らかな通り、フリーファイバ部２２及びアルミニウム円管への巻回部２１は、レイリー周波数シフト量の圧力に対する反応は「正」の線形に変化する一方で、ステンレス円管への巻回部２１は、レイリー周波数シフト量の圧力に対する反応は「負」の線形に変化している。この基準レイリー計測においても、フリーファイバ部２２が圧力に対する反応が最も大きいことが分かる。基準部材１の材料によって、圧力とレイリー周波数シフトとの関係が「正」に変化する挙動を示す場合と、「負」に変化する挙動を示す場合とが存在することは、ブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量の双方を検出することにより、様々な物体の体積変化が特定可能であることを示唆している。
【００５３】
＜ステップＳ４＞
上記ステップ３の基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測の結果から、それぞれの計測における体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係に基づく、ブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数が求められる。本実施形態では、アルミニウム円管への巻回部２１、ステンレス円管への巻回部２１及びフリーファイバ部２２の、３種の圧力とブリルアン及びレイリー周波数シフトとの関係を利用して係数を求める。
【００５４】
図６は、基準ブリルアン計測の結果から得られた、ブリルアン計測用係数を求めるためのグラフである。図６のグラフの横軸は体積弾性率Ｋの逆数、縦軸は、図４のグラフから導かれる単位圧力当たりの周波数シフト量である。ちなみに、アルミニウムの体積弾性率は、７５．５［ＧＰａ］、ステンレスは１６０［ＧＰａ］、測定用光ファイバ２の構成材料である石英は３６．９［ＧＰａ］である。従って、図６のプロットＰ１１はステンレス円管への巻回部２１、Ｐ１２はアルミニウム円管への巻回部２１、Ｐ１３はフリーファイバ部２２に各々対応するプロットである。
【００５５】
図７は、基準レイリー計測の結果から得られた、レイリー計測用係数を求めるためのグラフである。図７のグラフの横軸は体積弾性率の逆数、縦軸は、図５のグラフから導かれる単位圧力当たりの周波数シフト量である。図６と同様に、図７のプロットＰ２１はステンレス円管への巻回部２１、Ｐ２２はアルミニウム円管への巻回部２１、Ｐ２３はフリーファイバ部２２に各々対応するプロットである。
【００５６】
図６及び図７の結果から、ブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ、及び共通係数β′が導出される。図６に示す単位圧力当たりの基準ブリルアン周波数シフト量と体積弾性率Ｋの逆数との相関を示す近似線Ｒ１は、次の（９）式で、図７に示す単位圧力当たりの基準レイリー周波数シフト量と体積弾性率Ｋの逆数との相関を示す近似線Ｒ２は、次の（１０）式で、一次関数として表すことができる。
【００５７】
ｙ＝−９．７１９ｘ−０．４７５  ・・・（９）
ｙ＝３１．６０６ｘ−０．２０５  ・・・（１０）
ブリルアン計測用係数αＢは、上記（９）式の切片＝−０．４７５、また、レイリー計測用係数αＲは、上記（９）式の切片＝−０．２０５となる。共通係数β′は、それぞれ、上記（１０）式の傾き＝−９．７１９をブリルアン計測の歪み感度係数Ｃ１１（＝０．０５０７ＭＨｚ／με）で除して、上記（１０）式の傾き＝３１．６０６をレイリー計測の歪み感度係数Ｃ２１（＝０．１５５ＧＨｚ／με）で除して求めることができる。算出すると、
ブリルアン計測の共通係数β′＝０．１９２×１０６、
レイリー計測の共通係数β′＝０．２０４×１０６、
となる。なお上記共通係数β′の「１０６」は、単位合わせのための乗数で、近似的には両者共「０．２」と扱うことができる。
【００５８】
共通係数β′は、測定用光ファイバ２が基準部材１から感受する歪みの比率である。上記算出例によれば、基準部材１の体積歪みの２０％を、測定用光ファイバ２は感受しているということになる。体積歪みｅは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３軸の歪みの和（ｅ＝εｘ＋εｙ＋εｚ）で表される。一方、石英ガラス系光ファイバは、その長手方向に沿う方向の歪みにしか反応しない。従って、基準部材１が等方性材料であり、測定用光ファイバ２も等方的に変形するのであれば、理論的には基準部材１の体積歪みｅの１／３を測定用光ファイバ２が感受するはずである（β′＝０．３３３）。しかし、本発明者らの実験に依れば、感受する歪みの比率は１／３ではなく１／５であり、また、ブリルアン計測及びレイリー計測の双方でほぼ同じ値となることが判明した。これらの要因については、現在のところは確定できていない。
【００５９】
以上より、上記（８）式の定数は全て求められたことになる。すなわち、
ブリルアン計測用係数αＢ＝−０．４７５［ＭＨｚ／ＭＰａ］
レイリー計測用係数αＲ＝−０．２０５［ＧＨｚ／ＭＰａ］
共通係数β′＝０．２×１０６
ブリルアン計測の歪み感度係数Ｃ１１＝０．０５０７［ＭＨｚ／με］
レイリー計測の歪み感度係数Ｃ２１＝−０．１５５［ＧＨｚ／με］
となる。従って、既知の圧力Ｐを印加して、ブリルアン周波数シフト量ΔνＢ、及び、レイリー周波数シフト量ΔνＲを求めれば、体積変化が未知の供試部材についての体積歪みｅ及び体積弾性率Ｋを求めることができる。
【００６０】
＜ステップＳ５＞
続いて、供試部材の実測工程に移行する。図８は、実測工程において実行される、供試部材１０についての計測システムＭ２を示す模式図である。ここでは、体積変化が未知の供試部材１０に、この供試部材１０に対して外部から圧力が加えられたことに伴う当該供試部材１０の変形に追従するよう、測定用光ファイバ４が固定される。用いられる光ファイバ４は、上記のキャリブレーション工程で用いた測定用光ファイバ２と同じものである。本実施形態では供試部材１０は、円柱状に切り出された、内部にボイドを有する砂岩試料を用いた。
【００６１】
測定用光ファイバ４の一部は、供試部材１０の周上に螺旋状に巻回され、これにより巻回部４１が形成されている。図９は、供試部材１０への測定用光ファイバ４の固定状況を示す模式図であり、円柱状の供試部材１０を平面状に展開して図示している。本実施形態では、光ファイバ４のターンピッチは２５ｍｍ、ターンエッジと供試部材１０の軸方向端縁との距離は１０ｍｍとした。巻回部４１において測定用光ファイバ４は、供試部材１０の周面にエポキシ系接着剤等を用いて強固に固定される。固定の態様は、供試部材１０が高圧力下に置かれての外径が収縮した場合、巻回部４１も同様に収縮し、巻回内径が収縮後の供試部材１０の外径に等しくなるような態様である。
【００６２】
測定用光ファイバ４の他の一部は、供試部材１０から圧力の影響を受けない位置において束取りされ、第１束取部４２が形成されている。この第１束取部４２は、図２で示したフリーファイバ部２２と同様に、純粋に測定用光ファイバ４に作用する外部圧力に伴うブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフトを計測できるよう、張力が与えられない状態とされる。測定用光ファイバ４の第１端部４３には第１スルー光ファイバ４５１が、第２端部４４には第２スルー光ファイバ４５２が、それぞれ融着部４Ａにおいて融着されている。
【００６３】
供試部材１０及び測定用光ファイバ４は、圧力試験器５の内部に収容される。圧力試験器５は、油圧を利用して例えば１〜５０ＭＰａの範囲で圧力環境を形成できるチャンバーであり、チャンバー内にはオイルが充填されている。圧力試験器５内の圧力は、圧力制御装置５Ｐによって制御される。圧力試験器５の開口部には圧力隔壁５１が備えられている。この圧力隔壁５１には、第１、第２スルー光ファイバ４５１、４５２を保持するフィードスルー５２が貫通されている。
【００６４】
第１、第２スルー光ファイバ４５１、４５２の他端部には、それぞれ第１、第２参照光ファイバ４６１、４６２の一端部が、それぞれ融着部４Ｂにおいて融着されている。第１参照光ファイバ４６１の中間部には、光ファイバを束取りすることにより形成された第２束取部４７が備えられている。さらに、第１、第２参照光ファイバ４６１、４６２の他端部には、第１、第２リード光ファイバ４８１、４８２の一端部が、それぞれ融着部４Ｃにおいて融着されている。なお、第１束取部４２及び第２束取部４７は、供試部材１０の体積変化の測定には直接的に関与せず、温度計測等の目的で設けられるものであるため、これら束取部については形成を省いても良い。
【００６５】
第１、第２リード光ファイバ４８１、４８２の他端部は、測定装置６に接続されている。測定装置６は、先に図２で示した、ポンプ光源２７、プローブ光源２８及び検出器２９の機能を備えた測定装置である。測定装置６は、第１リード光ファイバ４８１の側から測定用光ファイバ４の第１端部４３にポンプ光を入射する。また、第２リード光ファイバ４８２の側から、ブリルアン計測のために測定用光ファイバ４の第２端部４４にプローブ光を入射する。
【００６６】
＜ステップＳ６＞
図８に示した計測システムＭ２を用い、測定用光ファイバ４に既知の圧力を加えた状態で、測定用光ファイバ４に試験光を入射させて、供試部材１０について、ブリルアン散乱現象に基づく供試ブリルアン周波数シフト量を求める供試ブリルアン計測、及び、レイリー散乱現象に基づく供試レイリー周波数シフト量を求める供試レイリー計測を実行する。温度は４０℃で一定とする。供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測の測定手法自体は、上述の基準ブリルアン計測及び基準レイリー計測の場合と同じである。
【００６７】
供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測が行われる際、圧力制御装置５Ｐによって、圧力試験器５の内部圧力が操作される。図１０は、本実施形態で実行した圧力変化パターン（圧力プロファイル）を示している。ここでは、０．５ＭＰａを基準データとして、２ＭＰａ〜１２ＭＰａまで、２ＭＰａ刻みで圧力を変化させた。各圧力水準において維持時間を確保し、測定用光ファイバ４の圧力応答が安定したことを確認してから、供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測を実行した。
【００６８】
＜ステップＳ７＞
測定装置６は、各々の圧力水準の供試ブリルアン計測において、誘導ブリルアン散乱光を検出することによって、測定用光ファイバ４の長手方向における各領域部分のブリルアンスペクトルをそれぞれ求める。そして、各領域部分のブリルアンスペクトルに基づいて、各領域部分（特に巻回部４１）のブリルアン周波数シフト量をそれぞれ求める。また、測定装置６は、各圧力下の供試レイリー計測において、レイリー後方散乱光に基づき、測定用光ファイバ４の長手方向における各領域部分のレイリースペクトルをそれぞれ求める。そして、各領域部分のレイリースペクトルに基づいて、各領域部分のレイリー周波数シフト量をそれぞれ求める。
【００６９】
図１１は、供試部材１０に対する測定用光ファイバ４の巻回部４１について観測された、供試ブリルアン計測における圧力とブリルアン周波数シフト量との相関を示すグラフ、図１２は、供試レイリー計測における圧力とレイリー周波数シフト量との相関を示すグラフである。供試部材１０がボイドを有する砂岩試料のためか、供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測の双方とも、圧力と周波数シフトとの関係は非線形なものとなっている。なお、図示は省いているが、第１束取部４２について観測されたブリルアン周波数シフト量及びレイリー周波数シフト量は、いずれも線形のものであった。
【００７０】
＜ステップＳ８＞
ステップＳ７で求めた供試ブリルアン周波数シフト量及び供試レイリー周波数シフト量と、ステップＳ４で求めたブリルアン計測用係数又はレイリー計測用係数とから、供試部材１０の体積変化を求める。図１１及び図１２に示した通り、供試ブリルアン計測及び供試レイリー計測によって、供試部材１０について、圧力Ｐとブリルアン周波数シフト量ΔνＢとの関係、圧力Ｐとレイリー周波数シフト量ΔνＲとの関係が求められている。これらの値を、上記（７）式に、先のキャリブレーション工程で求めたブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ、共通係数β′、ブリルアン計測の歪み感度係数Ｃ１１、及びレイリー計測の歪み感度係数Ｃ２１と共に代入することによって、供試部材１０の体積歪みｅを求めることができる。
【００７１】
図１３は、供試ブリルアン計測の結果に基づいて算出された、圧力（横軸）と体積歪み（縦軸）との関係を示すグラフである。また、図１４は、供試レイリー計測の結果に基づいて算出された、圧力と体積歪みとの関係を示すグラフである。供試部材１０は、内部にボイドを有する砂岩試料であるので、圧力の上昇と共に体積は減少する。砂岩中のボイドが十分に存在している間は体積歪みの減少率は大きいが、ボイドが減少すると体積歪みの減少も低下すると推定される。その傾向を、図１３及び図１４の結果は良く表している。
【００７２】
また、圧力Ｐとブリルアン周波数シフト量ΔνＢ、又は圧力Ｐとレイリー周波数シフト量ΔνＲの値を、上記（８）式に、先のキャリブレーション工程で求めたブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ、共通係数β′、ブリルアン計測の歪み感度係数Ｃ１１、及びレイリー計測の歪み感度係数Ｃ２１と共に代入することによって、供試部材１０の体積弾性率Ｋを求めることができる。
【００７３】
図１５は、供試ブリルアン計測の結果に基づいて算出された、圧力（横軸）と体積弾性率（縦軸）との関係を示すグラフである。また、図１６は、供試レイリー計測の結果に基づいて算出された、圧力と体積弾性率との関係を示すグラフである。供試部材１０は、内部にボイドを有する砂岩試料であるので、圧力の上昇と共に砂岩中のボイドが圧潰され、次第に剛性が高くなる、つまり体積弾性率が大きくなると推定される。その傾向を、図１５及び図１６の結果は良く表している。
【００７４】
以上の通り、本実施形態に係る体積変化計測方法によれば、基準ブリルアン計測又は基準レイリー計測によって、基準部材１についての体積変化と単位圧力当たりの周波数シフト量との関係が把握される。この結果から、キャリブレーションデータとなるブリルアン計測用係数αＢ、レイリー計測用係数αＲ及び共通係数β′が求められる。そして、供試部材１０に対して同様な供試ブリルアン計測又は供試レイリー計測を実行してブリルアン周波数シフト量ΔνＢ及び圧力Ｐとレイリー周波数シフト量ΔνＲを求め、この実測値と上記係数αＢ、αＲ及びβ′を上記（７）式、（８）式に代入することで、供試部材１０の体積歪みｅ及び体積弾性率Ｋ（体積変化）を求めることができる。
【００７５】
＜体積変化の分布の計測例＞
続いて、上記で説明した体積変化計測方法を、砂岩試料への二酸化炭素の封入に伴う当該砂岩試料の体積変化の分布計測に適用した例を示す。図１７は、円柱状に切り出されたボイドを有する砂岩試料１０Ａに、地中を模擬した状態において、超臨界状態の二酸化炭素を注入する試験装置を示す模式的な図である。
【００７６】
円柱状砂岩試料１０Ａの外周面には、測定用光ファイバ６１が螺旋状に巻回されている。図示は省いているが、この測定用光ファイバ６１には、レイリー計測及びブリルアン計測が可能な測定装置が接続されている。測定用光ファイバ６１が巻回された砂岩試料１０Ａは、封圧オイル６２１が満たされた圧力容器６２内に収容されている。なお、砂岩試料１０Ａの外周面には、封圧オイル６２１が砂岩試料１０Ａ内に侵入することを防止するためにシリコンコート層６２２が設けられている。また、圧力容器６２の外面には、圧力容器６２の温度を一定に保つためのヒータ６３が取り付けられている。
【００７７】
圧力容器６２には、封圧（静水圧）負荷用の第１シリンジポンプ６４、純水注入用の第２シリンジポンプ６５及び二酸化炭素注入用の第３シリンジポンプ６６が接続されている。第１シリンジポンプ６４は、砂岩試料１０Ａの外部から圧力を与えるために、圧力容器６２内に封圧オイルを注入するためのポンプである。第２シリンジポンプ６５は、ポーラスな砂岩試料１０Ａの内部に純水を注入するためのポンプである。第３シリンジポンプ６６は、純水が貯留された状態の砂岩試料１０Ａの内部に二酸化炭素を注入し、前記純水の一部を二酸化炭素に置換させるためのポンプである。
【００７８】
上記試験装置を用いた試験条件の一例を示す。圧力容器６２内の温度は、ヒータ６３により４０℃の一定に維持する。先ず、第１シリンジポンプ６４を稼働させ、圧力容器６２内の砂岩試料１０Ａに１２ＭＰａの静水圧を加える。次に、第２シリンジポンプ６５を稼働させ、注水圧１０ＭＰａで砂岩試料１０Ａのボイド内に純水を注入する。これにより、高圧力下で砂岩試料１０Ａのボイドが純水で満たされた状態となり、あたかも、地中において二酸化炭素の貯留が予定される砂岩層が模擬されることになる。
【００７９】
上記１２ＭＰａの静水圧、及び純水の注水圧１０ＭＰａを維持したまま、第３シリンジポンプ６６を稼働させ、１０．０５ＭＰａの圧力で砂岩試料１０Ａ内へ超臨界二酸化炭素を注入する。この注入により、砂岩試料１０Ａ内の上記純水の一部が、超臨界状態の二酸化炭素に置換されることになる。この状態は、前記砂岩層に二酸化炭素が注入された状態を模擬した状態である。
【００８０】
上記のような注入動作の傍ら、測定用光ファイバ６１及びその測定装置により、砂岩試料１０Ａの体積変化分布を測定する。図１８は測定点を示す砂岩試料１０Ａの周面展開図、図１９は各測定点の体積変化を示すグラフである。図１８において、丸数字の１〜８は、測定点を示している。これら測定点１〜８は、周方向に９０度のピッチで設定されている。測定用光ファイバ６１は砂岩試料１０Ａの周面に螺旋状に巻回されているので、測定点１〜８を砂岩試料１０Ａの軸方向で見ると、測定点１が最も超臨界二酸化炭素の注入方向の上流側であり、測定点８が最も下流側となる。
【００８１】
図１９に示すように、超臨界二酸化炭素の注入前の時間帯Ｔ０においては、砂岩試料１０Ａに約−０．１２％の体積歪み（圧縮）が生じていることが、測定点１〜８で等しく検出されている。時間帯Ｔ０以降は、二酸化炭素の注入によって体積歪みは増加する。すなわち、砂岩試料１０Ａは膨張する（圧縮状態が緩和される）。体積歪みが増加を開始する時刻は、測定点１〜８によって異なっていることが判る。つまり、二酸化炭素の注入方向の最上流の測定点１の体積歪み増加の立ち上がりが最も早く、以下、下流の測定点ほど立ち上がりが遅くなっている。このことから、超臨界二酸化炭素と純水との界面が、砂岩試料１０Ａ中を下流側に向けて移動している様子が判る。
【００８２】
図２０は、超臨界二酸化炭素と純水との界面の進展速度を評価したグラフである。図２０の縦軸は、二酸化炭素の注入端から各測定点までの距離ｚを示し、横軸は体積歪みが増加を開始する時刻を示している。測定点ごとに、３種の閾値を設定してプロットしている。このプロットから近似直線Ｌが導出できる。この近似直線Ｌの傾きから、前記界面の進展速度を求めることができる（約４１mm／hour）。
【００８３】
＜ブリルアン計測とレイリー計測とを併用する意義＞
上記実施形態では、ブリルアン計測とレイリー計測とを併用する形態を例示した。ここに示したように、実験室レベルでは圧力が既知で温度も一定に保つことが容易であるから、本発明の体積変化計測方法においては、基準ブリルアン計測及び供試ブリルアン計測、若しくは基準レイリー計測及び供試レイリー計測の少なくとも一方を実行すれば、供試部材１０の体積変化を導出することが可能である。
【００８４】
しかしながら、例えば地中内で組成が未知の砂岩について体積変化を計測するような場合、上記で例示した圧力制御装置５Ｐのような試験機器を用いた理想環境での計測は期待できない。すなわち、圧力発生要因が一義的で環境温度が一定というような環境は期待できない。そこで、ブリルアン計測とレイリー計測とを併用し、各々の計測方式で体積変化に関するデータを取得しておけば、測定対象砂岩に作用する膨張収縮以外の圧力要因や、温度変化の要因を除外できる可能性が高くなる。この点で、ブリルアン計測とレイリー計測とを併用しておくことが望ましい。以下、この併用の利点について具体的に説明する。
【００８５】
計測値において圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔの影響を分離するためには、３個以上の独立した計測量が必要となる。この場合、圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔに対する感度が異なる２種類のファイバ系が用意できれば良い。かかる要請は、ブリルアン計測とレイリー計測とを併用することで満足できる。ブリルアン計測及びレイリー計測によって得られる４つの周波数シフトと、圧力Ｐ・歪みε・温度Ｔの変化量との間には、次の（１１）式の関係が成り立つ。
【００８６】
【数７】
0005747408.tif 000008
【００８７】
上記（１１）式の連立方程式を解くことにより、圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔの影響を分離することができる。室内実験では、温度Ｔを一定に保つことが可能であり、しかも圧力Ｐは圧力容器内において自在に設定することができる。このため、上記（１１）式を解くまでもない。しかしながら、実際に地中での計測を行う場合、圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔの全てが未知である。従って、ブリルアン計測及びレイリー計測のハイブリッド計測を行い、上記の連立方程式を解く手法に基づかないと、体積変化を求めることができない。
【００８８】
図２１は、二酸化炭素地中貯留及び貯留状況のモニターシステムの概要図、図２２は、図２１の矢印Ｆ部の拡大図である。ここでは、地中に二酸化炭素の貯留層となる砂岩層が存在し、その上にシール層として機能するキャップロック層が存在するものとする。地上に設営された貯留サイト７０から地下の砂岩層に向けて、圧入井７１が垂直に設置される。圧入井７１は、円筒状のケーシング７１１と、その内部に配置された二酸化炭素の注入チューブ７１２とを含む。圧入井７１は、予め掘削されたボーリング孔７３に挿入され、その周囲にセメンチング７１３が施されて地中地層に固定化される。
【００８９】
圧入井７１に沿って地中の圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔ分布を計測するために、上記のセメンチング７１３の層内にセンサケーブル７２が埋設される。図２３は、センサケーブル７２の断面構造を示している。センサケーブル７２は、圧力の影響を受ける第１光ファイバ７２１と、圧力の影響から遮断された第２光ファイバ７２２とを含む。第２光ファイバ７２２は、前記圧力遮断のため、金属細管７２３内にルーズに収容されている。第１光ファイバ７２１及び金属細管７２３は、センサケーブル７２の最外層に位置するケーブルシース７２４で覆われており、その内部には介在層７２５が装填されている。
【００９０】
センサケーブル７２はセメンチング７１３の層内に埋設されているので、周囲の地層が体積変化を生じた場合、その影響を受ける。例えば、砂岩層が二酸化炭素の封入により膨張した場合、センサケーブル７２はセメンチング７１３の層を介して圧力を受けることになる。この場合、第１光ファイバ７２１はその圧力の影響を受けるが、金属細管７２３内に収容されている第２光ファイバ７２２は影響を受けない。
【００９１】
このような第１光ファイバ７２１及び第２光ファイバ７２２の各々について、地上に設置された測定装置７４によりブリルアン計測及びレイリー計測が行われ、ブリルアン周波数シフト及びレイリー周波数シフトが求められる。当該センサケーブル７２を使用する場合において、圧力Ｐ、歪みε及び温度Ｔの影響を分離するための連立方程式は、次の（１２）式となる。第２光ファイバ７２２が圧力の影響から遮断されているので、上記の（１１）式より簡素化される。
【００９２】
【数８】
0005747408.tif 000009
【００９３】
上記（１２）式の連立方程式を解くことにより、地層の体積変化以外の要因を除外することが可能となり、砂岩層の二酸化炭素の封入に伴う体積変化及びその分布、キャップロック層の健全性のモニタリングを行うことができる。
【符号の説明】
【００９４】
１  基準部材
２  測定用光ファイバ
２１  巻回部
２２  フリーファイバ部
３  圧力容器
３Ｐ  圧力制御装置
４  測定用光ファイバ
４１  巻回部
５  圧力試験器
５Ｐ  圧力制御装置
６  測定装置
【図１】
0005747408.tif 000010
【図２】
0005747408.tif 000011
【図３】
0005747408.tif 000012
【図４】
0005747408.tif 000013
【図５】
0005747408.tif 000014
【図６】
0005747408.tif 000015
【図７】
0005747408.tif 000016
【図８】
0005747408.tif 000017
【図９】
0005747408.tif 000018
【図１０】
0005747408.tif 000019
【図１１】
0005747408.tif 000020
【図１２】
0005747408.tif 000021
【図１３】
0005747408.tif 000022
【図１４】
0005747408.tif 000023
【図１５】
0005747408.tif 000024
【図１６】
0005747408.tif 000025
【図１７】
0005747408.tif 000026
【図１８】
0005747408.tif 000027
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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