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
Application of distributed optical fiber sensors
in geomechanical monitoring

薛 自求（xue@rite.or.jp）

公益財団法人 地球環境産業技術研究機構
1

光ファイバーの構造（迷光をコアに戻し、伝送損失を抑える）

CladdingCore（光はコアを通って伝送される）

Buffer Coating （外部環境や物理的損傷から保護）

www.ni.com

2

光ファイバーセンシング技術
電気センサー（電圧、電流）光ファイバー
電気 光（光波の強さ、位相、周波数）

多点型

分布型

(Dria, SPE/DL 2012)3

光ファイバーの計測原理

変化

Incident
Back Scattering
ラマン散乱光，ブリルアン散乱光，レイリー散乱光（Raman）（Brillouin)（Rayleigh）
Brillouin & RayleighScattering

ひずみ・温度の変化量測定に利用
4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 Sensor5分布型光ファイバー温度センサー（DTS）＠Ketzin

6

坑井における光ファイバー測定技術(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？
7

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？

圧入井(Durucan et al., 2011, Energy Procedia 4)8散乱光によるひずみ計測の原理• 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
計測器

散乱光周波数シフト（f2-f1） ∝ ひずみの大きさ

散乱光

散乱光
強度

f2
f1 周波数f1

f2 光の周波数9室内実験システムの概念図

40℃
10 10

圧力増加に伴う周波数シフト

束取り

試料(ひずみ・圧力)

恒温室内

束取り

束取り

束取り(温度)(ひずみ・圧力)(ひずみ・圧力)圧力容器内
11

静水圧負荷過程のひずみ測定

光ファイバー

圧縮12 12間隙水圧増加過程のひずみ測定

膨張

光ファイバー

13 13

超臨界CO2注入時のひずみ変化
CO2 migrating from BTM to TOPTOPBTM

CO2フロントの移動による変形を検知

TOP⑩⑨⑧⑦⑥⑤④③BTM

CO214 14

静水圧・間隙圧上昇時のひずみ変化
●：粗粒部

封圧上昇

⑭⑬⑫⑪⑩⑨⑧⑦⑥⑤④③②①-100

ひずみ,

-200-300

圧縮-400-500※ひずみ＋ 膨張－ 圧縮-600-700

2468封圧, MPa

101214

粗粒部

間隙圧上昇⑭⑬⑫⑪⑩⑨⑧⑦⑥⑤④③②①400

膨張

300200

10000

境界部

●：細粒部
500

ひずみ,

0

●：境界部

圧入方向

細粒部

024681012

間隙圧, MPa• 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光ファイバーを用いた現場試験
掘削

ｹｰｼﾝｸﾞ挿入
ﾌｧｲﾊﾞｰ設置

CO2の圧入ｾﾒﾝﾁﾝｸﾞ
ﾊﾟｰﾌｫﾚｼｮﾝ

流量計
圧力調整器

7’ｹｰｼﾝｸﾞ

加温器

観測室
CO2ボンベCO2

掘進長300m

ﾉﾝｺｱ(0-250m)
ﾋﾞｯﾄ径
9’5/8

ｵｰﾙｺｱ
(250-300m)

光ﾌｧｲﾊﾞｰ

ｾﾒﾝﾁﾝｸﾞ

坑壁

ﾁｭｰﾋﾞﾝｸﾞ

パッカー

ﾊﾟｰﾌｫ
ﾚｰｼｮﾝ

CO2圧入

16

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）
アーマードケーブルΦ 6mm
光ファイバー坑壁（φ 24.4cm～)

アーマードケーブルΦ 3mm
ファイバー
固定クランプケーシング管内樹脂被覆ファイバー(信号用)ケーシング(φ 17.8cm)

セメント

17光ファイバー設置について
光ファイバーを屈曲・断線なく挿入・設置

経験やノウハウの蓄積→ 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18温度変化(坑口～50m)
1.0
1/26 14:50～1/29 08:15の温度変化（データ間隔：約30分）

温度（℃）

-１.0
19

CO2圧入時の地層ひずみの経時変化
16.0

距離(m)

ひずみ（μ ε ）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）

-24.0
2020

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）
CO2圧入1時間後

3時間後

5時間後

10時間後

15時間後

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

EMI

柱状図

シルト薄層

パーフォレーション区間

21

CO2圧入時の地層変形圧入開始(1/26 15：03)

265.512( コ2275.0
277.4
279.4

295402採取

結

52果5650)

41.5時間36242m4アTime[時間経過]
圧入終了(1/27 18：00)

250050265-27.4

16.0[με]

周波数シフト

4.2-2.5 [GHz]パッカー
227705コ
ア
写
真シル

280ト

薄シルト薄層
ﾊｼ

2

ひずみ換算

ﾟ ｰﾌ ｫ
ｮ ﾝ 区層ﾚ ｰ間

ﾊﾟｰﾌｫﾚｰｼｮﾝ

膨
張
圧
縮

3層ケーブル レイリーのひずみ換算結果（温度分離後）22

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
地表での計測地下での計測温度用ファイバー併用（ひずみフリーファイバー）

温度

ひずみ

圧力

周波数シフト(Hｚ）23Brillouin & Rayleigh Scatteringによる温度、ひずみ測定（小暮ほか，2013）24 24

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

με

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

26

Strain measurements under hydrostatic pressure
Optic fiber vs Strain gage

Aluminum, Cupper,
SUS304, Brass plates
Pressure: 1-12 MPa

27

με

静水圧下では常圧下のひずみ感度係数と異なる！

ひずみ計算値＝ひずみゲージ測定値28圧力条件下における光ファイバーを用いたひずみ測定

径方向のひずみ

線方向のひずみ

Optic fiber29

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線方向のひずみ：ひずみゲージの実測値30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

径方向ひずみの影響も考慮した
Brillouin Scatteringの計算結果（Eq.14）32

径方向ひずみの影響も考慮した
Rayleigh Scatteringの計算結果（Eq.15）

33

34

με

静水圧下の砂岩試料のひずみ測定結果
Optic fiber vs Strain gage

35

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。
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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。

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