計測自動制御学会東北支部第232回研究集会（2006．12．18）
資料番号233−12

孔内モードの周波数特性に基づく透水性き裂の計測
Measurementofapermeablefracturebasedonfrequencyresponseofboreholemode○替藤玄敏
HiroyukiSAITO
弘前大学理工学部

FacultyofScienceandTbchnoIogy，HirosakiUniverslty
キーワード：周波数領域音波検層（FDAL），フルウェーブ音波検層（FWAL），孔内ストンリー波（boreholeStoneleywave），不連続面（discontinuity），透水性き裂（permeableftacture）

連絡先：〒036−8561弘前市文京町3番地弘前大学理工学部知能機械工学科啓藤玄敏
rTbl：0172−39−3694，E−mail：Saitoh＠cc．hirosaki−u．aC．Jp

1．はじめに日本国内においては，石油代替エネルギー資源の開発，自然エネルギー資源の利用が推し進められつつあるが，遅々として進まない状況にあるよいってよい．これには原油価格がこれまで比較的安価に推移していたことや，地球温暖化を深刻な問題として実感できなかったことが大きく影響している．しかし，近年，経済活動を急速に伸ばしている国々による石油需要の急激な増大は，化石資源である石油の枯渇に対する懸念を現実のものとしたばかりか，その消費活動にともなう温室効果ガスの排出増加は現在進行中の地球温暖化にさらなる拍車を掛けるものと懸念され，状況は一変している．
まさに，石油代替エネルギー資源，自然エネル
ギー資源の開発・利用は急務となっている．
数ある代替エネルギーの中で，一応利用技術が確立されている地熱エネルギー資源は，エネ

ルギー賦存量，温室効果ガスの排出量の少なさ，純国産などの観点から，そのさらなる開発が要望されている1）．特に，天然の条件に依存することなく能動的に地熱エネルギーの抽出を可能にする次世代型地熱開発は，高温乾燥岩体（HDR）や高温湿潤岩体（HWR）を利用するため適用地域が飛躍的に拡大するとともに抽出可能なエネルギー量が大幅に増大し，また，従来型地熱開発に比べ環境負荷が小さくなるので期待は大きい2）

次世代型地熱抽出システムを実現するための重要なスッテプの一つに固体力学的設計がある．ここでは地下構造と地下き裂が第一支配因子となるが，地下構造が複雑な地熱地帯においても，これらを正確に計測・評価する技術を開発することが重要な課題である．また，システム造成後においても，地熱貯留層の正確な分布やその内部の微細な構造の把握，地熱貯留層を構成する地下き裂の動的挙動の解明を行う

ために不可欠な技術となることは言うまでもトtない．
本研究は，従来の音波検層法では測定が難しい複雑な地下構造下においても，地層境界面や透水性地下き裂の検出を実現する周波数領域
音波検層法について報告する．

2．フィールド実験とデータの特徴
音波検層法は，トランスミッタ（音波発信器）とレシーバ（音波受信器）を内装した検層ツー
ルを地中に掘削された孔井内に入れ，それを移動させながら岩体を透過する弾性波を連続的Fig．1Schematic view ofthe Higashi−Hachimantaiに測定する方法である3）．従来は，測定データ

geothermal fieldの記録はアーミングパルス部からP波やS波の到来部に限定されていたが，記録容量の大型化〕jO

や検層器自体の発展によって，現在では波形全332

体を記録するフルウエーブ音波検層（mL）

3343）6が主流となっている4）．また，これによって，

338

新たに疑似レーリーモード，孔内ストンリーモ

340

﹁︳ノ48

﹁■ノつJ

2 ′0
5
くノつ
▲．
JJ

︵U 455

八幡平フィールドの概略図を示す．本フィール

4Fig．1にフルウエーブ音波検層を実施した東′bっている5￣7）

つJ

構造や動的挙動の評価が試みられるようにな

4

伝搬特性を利用した地下き裂システムの微細

342

4︻且卓dO凸ードが解析の対象として加わり，これらの波のドはHDR地熱抽出システムを模擬した実験フつヽJィールドで，岩手県松尾村赤川山国有林に位置

00
5つJする．また，本フィールドの熱交換システムは，0，51Time［ms］

30一▲U

深度280−380mの存在する石英安山岩質熔結凝灰岩（小和瀬川熔結凝灰岩）中に，（l）F−1井掘
削，（2）水圧破砕法による人工き裂の作成，

Fig．2VariabledensityacousticloglnWellEE−4attheHigashi−Hachimantaineld．TheP−WaVetranSit（3）EE−4井掘削の順に作成された．人工き裂は

timesare between O．25−0．35ms on the plot．The

arrivalswithlargeamplitudebetweenO・7−1・3ms
areboreholeStoneleywaves．

F−1井と深度369m（測深），EE−4井と深度358．2m（測深）で交差していることが確認されており，
EE−4井の掘削時に採取された定方位コア，及び各々N610E，NW460であることが確認されて掘削後に行われたインプレッションパッカー

いる8・9）

による方位測定から，人工き裂の走行と傾斜は

フルウェーブ音波検層は EE−4井の深度
2330−360mで行われ，0．1mごとにデータを取得

330352した10）．用いた検層器はで送信機の中心周波数

3き4が15kHz，送一受信器間の距離が3ftのシング

336℡0ルレシーバタイプである．受信信号はサンプリ

0﹁4′D

ング周波数500kHzで，極性符合付11bitのデ

8241︶
4444．q5記録した．

∩リ﹇旦蔓dり凸ィジタル信号に変換し，データ長1kワードで55↓ユFig．2に測定データを示す．図は振幅の大きさ▲■JヽJIJ
つノを濃淡表示したもので，約0．25−0．35msにP波﹁J︐︐つJ■Jの到来，約0．7−1．3msに孔内ストンリー波の到来が見られる．

Fig．3は各波形からP波の到来時刻を読み取
2000

り，P波速度を求めた結果である．図は岩盤の2500

3000

3500

4000

P−WaVeVelocity［m／s］

熔結度と岩相を併せて示している．検層区間のFig．3P−WaVe Velocltylog corresponding to the

岩相はデサイト質熔結凝灰岩とデサイト質礫

VariabledensityloginFigure2，andlogsofdegree

質凝灰岩から構成されており，深度35lmに岩Of welding andlithology，in wellEE−4 at theHigashi−Hachimantaifield．

相が変化する境界が存在する．また，熔結度は，強熔結，中熔結，弱熔結の3段階で表される岩b．5kHz

12kHヱ

盤堅さの指標であり，検層区間には深度343m，346．5m，347．5mに境界がある．図より，P波速度の変化は岩相と熔結度の変化に良く対応していることはわかるが，P波速度のみから境界や透水性き裂の位置を特定することは難しい．

3．周波数領域音波検層法
孔内ストンリー波は固一液境界である孔壁近傍を伝搬する表面波で，振幅が大きいため識別が容易である．また，透水性き裂が存在する位置で大きく減衰するため，透水性き裂の検出に効果を発揮している孔内モードである1ト13）
O

本研究では，検層波形中で観測された孔内ス

5101520Frequency［kHz］

トンリー波の周波数領域における特性を使っ

Fig・4Frequency−domainStoneleywaveloglnWell
EE−4attheHigashi−Hachimantaineld・Thedepth
rangeis330−360m・Notablepeaksarerecognizedて，境界面と透水性き裂の位置を求める方法を以下で検討する．

atthefrequenciesof6．5，8．8，12，and13．3kHz．

3．1境界面の検出一波の波束の範囲を求め，次にその範囲を窓関

孔内ストンリー波の周波数領域検層図は，時数で切り出しフーリエ変換する．最後に得られ系列の検層波形の二乗振幅から孔内ストンリた振幅スペクトルを深度順に並べることで作33d2当﹄

成した．

省ニV

Fig．4に検層区間の周波数領域検層図を示す．
図より，この検層区間の孔内ストンリー波は主むuに4つの周波数成分（6．5，8．8，12，13．3kHz）で構

F−成されていることがわかる．また，孔内ストン

一九plh【m】
（C）

−−

∈賀一山

リー波の振幅を観察すると，柔らかい岩盤では

葛コ

低周波が卓越し，堅い岩盤では高周波が卓越す

三dVむ⊂する傾向が見られ，岩盤の性質（岩種，熔結度，，P波速度）の深度分布と非常に相関が高いことがわかる．このことから，孔内ストンリー波のD￠plhl呵
（b）周波数検層図は境界面の検出に有効であるこ（d）Fig・5 Stoneley wave amplitudelogs at fburとがわかる．

frequencies：（a）6．5kHz，（b）8．8kfIz，（C）12kHz，and（d）13．3kHz．

3．2 透水性き裂の検出
Fig．5に4つの周波数成分各々の孔内ストンリー波振幅の深度分布を示す．岩盤の構造が複00′00︵≡﹂﹂いる．そのため，いずれの図からもき裂の位置∩︶雑なため，振幅が深度に対して大きく変化して4を特定することはできないが，低周波数の振幅0

つ一（図（a）と（b））は固い岩盤で小さく，柔らかい岩0〇
3：10

盤では大きくなる．それに対して，高周波の振335

340345二150355360

Depth［m］

幅（図（C）と（d））は逆の関係になることわかる．
Fig．6EFFD with equalweights fbr allwiin

この性質から，4つの振幅の深度分布を荷重平Equation（1）．

均すると振幅分布は一定になり，透水性き裂の位置は下に凸になると予想される．

〃′b砧mat；onbouれd町

4OⅣ＝∑wf，（∫＝1，2，…，Ⅳ）

8O凸﹂﹄山即叫）＝帖（硯・・・，〃）（1）ハU

荷重平均は次式で表される．

（2）

河浦cia

Oつ▲

た1

ここに，仲fは重み，∫fは孔内ストンリー波の振330335340345〕50：事55

二事60

Depth［m］

幅分布，∫は振幅分布数である．重みの決定に

Fig．7EFFDwith the optlmum Weights wiaS
determinedbyageneticalgorithm．

は遺伝的アルゴリズムを用いた．評価関数は式（1）の分散を用い，透水性き裂が存在しない330−350mの区間の分散が最小になるときの重することは難しい．Fig．7は重みを1：0．6：0．5：みを最適値とした．

0．1とした場合で，359m付近における振幅分布

Fig．6とFig．7に透水性き裂の位置検出を試みた結果を示す．Fig．6は重みが等しい場合で，が下に凸となっており，透水性き裂の位置が容個々の境界面の影響が強く，透水性き裂を識別易に識別できる．
4

費補助金事業の助成（基盤研究（C），No．
18560778）を受けて実施したことを付記すると

4．検討

ともに，関係者各位に感謝の意を表します．

Fig．4とFig．7の周波数領域検層により境界面と透水性き裂の位置は，Fig．3の岩相と熔結度の分布と1m程度ずれている．これは検層器の送参考文献
1）日本地熱調査会：GeothermalPowerinJapan（20Ol）．

一受信器間距離（珊）に起因している．送一受

信器間距離が大きい検層器を使用すると境界

2）NEDO：地熱エネルギーの技術開発を担う（2002）．

面と透水性き裂の検出能の低下を招くが，デコ

3）物理探査学会：物理探査ハンドブック（1998）．

ンポリューション処理などを行うことで，この4）Paillet，F．L．，and Cheng，C．H．，1991，Acoustic wavesin
borellOles，Cノ？CPJで∫．！．

間題はある程度回避できる．

5）Cheng，C．H．andlbks6z，M．N．，1983，Determinationofshear

東八幡平フィールドの人工き裂の透水率はwave velociliesin stow formation；77tLnS．SPWL424E／L Ann．
LpggingSytlq）リCalgary，Canada，PaperV・

0．05cm／sと評価されている15）．き裂面を滑らか6）Stevens，J．，andDay．S．M．，1986，Shearvelocitylogginginslow

な平行平板と仮定して3乗則を用いると，き裂formationsuslngtheS（OneLeywave：Geq，hysics，51，137−147．の開口幅は約0．1mmになる．したがって，提示7）Johnson，D．L・，Koplik，J．，and Dashen，R．，1987，Theory ofdynarnic permeability and tortuosltyin fluid−Salurated porous

した方法は現段階で開口幅0．1mm以上の透水

mediaニュFJ〃Jd〟ピCれ17后，379−400．

性き裂の検出に対して有効であるといえる．
8）Hayashi，K．，Ito，T．，aJldAbe，H．，1987，Anew method forthe

透水性き裂の検出では，周波数振幅の深度分

determina（ionofinsituhydraulicpropertiesbypressurepulsetests
and application to the HigashiHachimantalgeOtherma】neld：］．

布を荷重平均すると一定値になることと，孔内Ge叩hys．Res．，92，9168−9174．Stevens，］．，and Day，S．M．，1986，
Shearvelocitylogglng］nSlowformationsusingtheStoneleywave：

ストンリー波は透水性き裂によって全周波数Ge叩／7γ∫JC∫，51，137−147．

帯域で減衰することの2つを仮定している．前9） Niitsuma，Hり and Saito，H．，1991，Evaluation of the者はエネルギー保存から成立しそうであるがthree−dimensionalconfigurationofasubsurfaceartificialfractul・eby
thetriaxialshearshadowmethodニGeqphysics，56，2118−2128，

詳細な検討が必要である．後者はビオ・ローゼ
ンパー10）Saito，H．，and Hayashi，K．，2000，Soniclogin a nuid−nlled
boreholewithafrac−ureresul【ingfromhydraulicfractunng：PTVC・
吋●J力g肋r／dGe〃JわgrCoJlg．2000，2833−2838

ムの簡略化モデルで確認されているので問題にならない．

11）Endo，T．，Tbzuka，K．，Fukushima，T．，Brie，A．，Mikada，H．，

Miyairi，M・，1998，FractureevaluationfrominversionofStoneleytransmissionandrenections：PIT，C・Fbur（hSEGJln（ernat・Symp・・FmcJ〃作血〟g〃1g−，∫ ノC．且甲J〃rGe甲わ・∫．ノ叩〟〃，389−394．

5．まとめ
本研究では，フルウェーブ音波検層データを

12）Hornby，E．D．，Johnson．D．LVnnk】er．K．W．，andPlumb．R．A．，

時間領域から周波数領域に変換することで得

1989，Fracture evaluation uslng reflected StoneleyTWaVe arrivals：
Gg叩カブ∫Jc∫，54，1274−1288．

られる周波数領域音波検層図に現れる特徴を13）Thng，X．M．，andCheng，C．Hり1989，AdynamicmodeIforfluid

利用して，境界面と透水性き裂の位置を求める

nowinopenboreholefractures：］．Ge叩hys．Res．，94，7567−7576．

新しい手法を示した．今後は，他のフィールド

14）GoIdberg，D．E．，1989，Gene（ic alg〃Tl（hmsin seutrh
qptimiza（iunandmac／血eLeurning：AddisonWesley．

における解析例を増やし，本手法を確かなもの

15）Hayashi，K．，and Abe，Hリ1989，Evaluation of hydraulicにしていくとともに，透水性き裂の開口変位をpropertleSOftheartincialsubsurfacesysteminHigashihachimantai求める方法の開発に取り組む予定である．

geothermalmodelneld：J・Geo（hemzalReseaTtthSociety（ゾJ（JZ）an，謝辞：本研究を行うに当たり，貴重なデータをDynamicpermeabili（yandborehole Stoneleywaves：Asirnplified

11，203−215．

16）lbng，X，M・，and Cheng，C．H．，and Tbks6z，M．Nり199l，Biot−Rosenbaummodel：）．Acous（．SocAm．，90，1632−1646．

提供して頂いた，東北大学工学部の地熱開発工学研究グループ（GEEE）の皆様に深く感謝いたします．また，本研究は文部科学省科学研究5