資源戦略学講座

Resources Strategies

地球開発環境学分野

地殻環境・エネルギー技術の新展開

先進社会環境学専攻

Earth Exploitation Environmental Studies(Takahashi & Sakaguchi Lab.)准教授 坂口 清敏

Toward Advanced Environmental Geomechanics and Energy Technology

Associate Professor

Kiyotoshi Sakaguchi

1）高温環境下における岩石き裂の間隙水圧誘起すべり特性（Fig.1）
2）新発想の真三軸試験システムによる 400℃での稲田花崗岩の水圧破砕時の AE モニタリング（Fig. 2 ～ Fig.5）
3）超臨界地熱環境下における水圧破砕き裂生成に及ぼす岩石の異方性の影響（Fig.6）

新発想の真三軸試験システムによる 400℃での稲田花崗岩の水圧破砕時の AE モニタリング
超臨界地熱開発に関連し、稲田花崗岩の水圧破砕実験を 400℃の温4）超臨界地熱環境下における水圧破砕き裂生成に及ぼす鉱物粒径と注水流量の影響（Fig.6）

度下で行なった。使用した実験システムは、Watanabe et al.（2017）

In 2018, our research activities included the following topics:
1) The injection-induced slip characteristics of a rock fracture under high temperatures (Fig.1)
2) Acoustic-emissions measurements during hydraulic fracturing of Inada granite at 400 °C via the novel true triaxial system (Figs.2-5)
3) The influence of rock anisotropy on hydro-fracturing crack formation in a supercritical geothermal environment4) The influence of grain size and injection rate on hydro-fracturing crack formation in a supercritical geothermal environmentの概念に基づいて設計した新発想の真三軸試 験システム（Fig.2 ～Fig.4）である。本実験システムでは、シール媒体として高粘度のプラスチック樹脂（ポリエーテルエーテルケトン（PEEK））を使用することにより、一辺 100 mm の立方体供試体 (Fig.5) に対して、500℃までの温度環境下で水圧破砕実験を行うことができる。載荷応力は三軸全方向で最大 150 MPa、間隙圧は最大 100 MPa まで加えることができる。さらに、この真三軸システムには、3 次元 P 波速度測定シ

高温環境下における岩石き裂の間隙水圧誘起すべり特性

Injection-induced slip characteristics of arock fracture under high temperatures

350 ～ 400°C 以上の深部地殻における断裂型貯留層を用いた地熱エネルギー抽出が提案されている。断裂型貯留層を利用する場合、地震性すべりよりもむしろ非地震性すべりの発生（誘発）の可能性がある。しかし、非地震性すべりのすべり特性や貯留層の透水性への影響は不明である。本研究では、非地震性すべりの発生条件、すべり特性および透水性への影響を明らかにするために、200 ～ 500℃の条件で、45° の傾斜を持つ引張き裂を有する円柱供試体（Fig.1）を用いて、き裂面に間隙水を注入するすべり実験を行った。その結果、以下のことが明らかになった。1）すべり開始とそれに続くすべりの間に特性に差があること、2）すべり開始時のすべり速度が破面の表面形状に影響されること、3）それに続く安定したすべりのすべり速度は温度が上昇するにつれて低下した。350 〜 500℃の温度下では、温度が上昇するにつれてすべり開始時の間隙水圧は低下した。したがって、温度が上昇するにつれて、より小さい間隙水圧でより遅いすべり、すなわち，より安定したすべりが起こり得ることが示唆された。すべり実験前後の浸透率の変化は 200、250、300℃で増加し、350℃では変化

The suggested method of geothermal energy extraction involves using afracture-type reservoir in deep crust more than 350 °C. When using afracture-type reservoir, there is a possibility of aseismic (rather thanseismic) slip. However, the characteristic of aseismic slip, and its influenceon permeability, are unknown. Therefore, in this study, to clarify aseismicslip’s occurrence conditions, characteristics, and influence on permeability,
we conducted an injection-induced slip experiment using a cylindrical
specimen with a 45° tilted tensile fracture (Fig.1) at temperatures of 200500 °C. As a result, we clarified the following: (1) There was a differencein characteristics between the start of the slip and the subsequent parts ofthe slip; (2) the surface shape of the fracture affected the slip velocity at thebeginning of the slip; and (3) the velocity of the subsequent steady slip
tended to decrease as the temperature increased. In addition, at temperatures
under 350 °C, the pore pressure at the beginning of slip decreased as thetemperature increased. Therefore, a slower, more stable slip with a smaller
pore pressure may occur as the temperature increases. The permeability
difference from before to after the slip increased as the temperature
increased from 200 to 300 °C, remained steady through 350°C, and thendecreased by half through 500°C.

16 Coexistence Activity Report 2018

ラスチック樹脂用の新しい圧入装置を装備しているので、真三軸システムの使い易さが大幅に向上している。本研究では、本実験システム
を用いて、真三軸応力状態で花崗岩の脆性－延性遷移温度にほぼ相当する 400℃で水圧破砕実験を行った。初期応力条件は、σ1、σ2、σ3 をそれぞれ 40 MPa、15 MPa、5 MPa とした。実験中は、AEの特性の変化もモニタリングした。
得られた主な結果は以下のようである。
1）新発想の真三軸試験システムを用いて 400℃における花崗岩の水圧破砕実験に成功した。
2）ブレークダウン圧力は初期応力状態に制約され、400°C の温度環境下の真三軸応力状態では、σ2 とσ3 の間の値をとった。このような低いブレークダウン圧力は、温度と共に注入流体（水）の粘度が減少するためである。粘性の低い流体は既存の微小割れ目に浸透することがあるので、水圧破砕によって花崗岩中に密な微小割れ目ネットワークが形成されている可能性がある。
3） 花 崗 岩 の 水 圧 破 砕 時 に AE が 発 生 する可 能 性 が あることが、

We conducted a hydraulic fracturing experiment involving Inada granite
at 400 °C via the novel true triaxial system (Figs.2-4). This novel true
triaxial system is based on the concepts introduced by Watanabe et al.
(2017). Through the use of high-viscosity melted plastic (e.g., polyetherether ketone) as the sealing medium, we were able to conduct hydraulicfracturing experiments at temperatures of up to 500°C for a cubic specimen
with a side length of 100 mm (Fig.5). We applied loading stresses up to 150
MPa in all directions and pore pressures up to 100 MPa. In addition, thistrue triaxial system includes a three-dimensional P-wave velocity measurement
system and an acoustic-emissions measurement system. When we added anovel injector for the high-viscosity fluid (Figure 1a), the usability of thetrue triaxial system improved significantly. Through the use of this novelsystem, we were able to conduct hydraulic fracturing experiments at 400 °C,
which approximately corresponds to the brittle-ductile transition temperatureof granite in its true triaxial stress state. We set the stress states σ1, σ2 , andσ3 to be 40, 15, and 5 MPa, respectively. During the experiment, we also
monitored the changes in the acoustic emissions’ properties.
The main results are summarized as follows:
1) We successfully conducted a hydraulic fracturing experiment on
granitic rocks at 400 °C via the novel true triaxial system.
2) The initial stress state constrains the breakdown pressure, which is in
the range of σ2 to σ3 for the true triaxial stress state at 400 °C. This
breakdown pressure is so low because the viscosity of the injecting fluid(water) decreases with the temperature increase. Because fluids with low
viscosity can infiltrate preexisting microfractures, a densely microfracture
network can be formed in the granite as a result of hydraulic fracturing.
3) The occurrence of acoustic emissions during the fracturing of thegranite could be detected, even at 400 °C.
4) These preliminary findings are essential to the design and monitoring ofsupercritical geothermal reservoirs.

400℃の温度環境下でも検出／捕捉されていることがわかった。
4）これらの予備的知見は、超臨界地熱貯留層の設計／管理に有用である。

せず、500℃では半減した。

Fig.1 Granite specimen having a tensile fracture (a)and X-ray CT image of the specimen (b).

ステムと AE 測定システムを組み込むことができる。また、高粘度プ

AE measurement during the hydraulicfracturing of Inada granite at 400 °C via thenovel true triaxial systemDepartment of Environmental Studies for Advanced Society

2018 年に当研究室で行った主な研究は以下の通りである。なお、詳細説明は 2 つの研究に絞る。

Fig.2 The novel true triaxial system

Fig.3 Closeup photo of the true triaxial cell

Fig.4 Internal structure of the true triaxial cell

Fig.5 100 mm cubic granite specimen

Fig.6 X-ray CT image of the specimen after the experiment

Coexistence Activity Report 201817