地熱井における透水性改善技術

令和3年6月

独立行政法人 石油天然ガス・金属鉱物資源機構
地 熱 技 術 開 発 株 式 会 社

透水性改善技術プロジェクトの概要【プロジェクトの目的】
地熱井として掘削したものの十分な透水性が得られなかった坑井を改善するための坑井刺激試験手法および周辺技術を実証し、マニュアルを整備することを目的とする。
【これまでの経緯】
 平成28年度のFSから平成30年度に実証試験の目標および坑井刺激手法を選定した。
 令和元年度、令和2年度に民間事業者の協力のもと、フィールドでの実証試験を実施した。
実施項目

実施内容

情報収集

・文献調査
・国内事業者のニーズ調査
・坑井刺激試験計画検討

坑井刺激試験

・坑井選定、事前設計
・坑井刺激試験

モニタリング・ A Eモ ニ タ リ ン グ
・ 温 泉 モ ニ タリ ン グ

透水性評価

・透水性評価周辺環境影響評価

・温泉、地下水、・有感地震等への影響評価法の検討

H 28F YH 30F YR 1F Y

R 2F Y1

坑井刺激手法の選択
本技術開発では高圧注水による地震を誘発のリスクを避け、低圧・低流量による注水手法（せん断刺激）を選択した。
分類

内容

水圧破砕
(水圧刺激)

坑井内に大量の水を圧入することによって地層にき裂を作り、地層内に浸透性の高い通路を形成することによって、生産性障害からの回復及び低浸透率層の流動性改善を図る方法。

せん断刺激

低流量注水による坑井刺激で、特に注水圧が最小圧縮主応力を超えない圧力での刺激し、透水性の良好な既存き裂と連結することで透水性を改善する方法。

化学刺激

坑井内に酸性流体を注入し、き裂や孔隙を閉塞している鉱物等を溶解することで、透水性の改善を図る方法。

実証試験で得られた成果について一部紹介する。
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（参考）水圧破砕とせん断刺激
水圧破砕 ： き裂内水圧を上昇させてき裂を開かせること（Jacking）
せん断刺激 ： Jacking発生前にき裂の方向と水圧の関係によりせん断破壊（Shearing）を発生させること
下記の図において水圧（Pp）が上昇し、応力円が左に移動すると応力円がモールの破壊線（緑線）に接し、この時に特定方向のき裂（滑りやすいき裂）がせん断破壊（ Shearing ）を起す。もし同き裂内の水圧がさらに上昇することがあれば、モール円がさらに左に移動して臨界線（青線）と交差しJackingを起こす。
【注水圧力の設定例】（条件：例）
・流体流出深度（貯留層深度と仮定）：1,850m
・最大地殻主応力（静岩圧）S1：約45MPa（岩石密度：2.5g/cm3）
・最小地殻主応力（側方応力*）S3：約22.5MPa*実際の応力場は3 次元であり側方からかかる様々な応力正確に推定することが困難なため、ここでは静岩圧の半分と仮定した。

・き裂内水圧Pp：約16.8MPa(水圧1,700m,比重考慮、水位150m)
条件において水圧破砕によりき裂が開口する注水圧力は、5.7MPa（WHP≒4.2MPa*）となり、せん断刺激は、これより低い注水圧力での刺激となる。
＊水位150m考慮

水圧破砕及びせん断破壊の発生メカニズムについての詳細は、下記研究において述べられている。

水圧破砕とせん断破壊(産総研，2004 より)【参考文献】
次世代地熱開発技術の現状と将来－肘折高温岩体プロジェクトの検証－（２００４ 独立行政法人産業技術総合研究所）

3実証試験概要
実施項目

内 容

注水刺激

最小圧縮主応力を超えない圧力で注水（せん断刺激）

圧力モニタリング

注水刺激中の注水圧力の変化を測定し評価に資する。

AE*観測

発生頻度・分布を観測し注水刺激による透水性改善の効果の評価に資する。
*Acoustic Emission：亀裂の進展・拡張に伴い発生する微小な音波

周辺環境モニタリング

近傍の温泉への影響、微小地震の発生状況等をモニタリングする。

現場：リアルタイム測観

AEモニター

流量、圧力監視4実証試験注水スケジュール
当実証試験は、令和元年度、令和2年度に注水条件（注水量＋注水期間：増）を変えて実施した。

•••（1回目注水刺激）
注水期間：14日間（12月2日～12月15日）
注水レート：680～740 L/min
総注水量：約13,000m3•••（2回目注水刺激）
注水期間：１ヵ月（6月10日～7月11日）
注水レート：1,200～1,500 L/min
総注水量：約54,000m3（1回目の約4倍の総注水量（注水レート：約2倍、期間：約2倍）とした。）

透水性改善効果の確認は、注水前、注水直後及び温度回復後に実施した。
令和元年度

令和2年度

注水期間：14日
総注水量13,000㎥

温度回復（約6カ月）

注水期間：1カ月
総注水量54,000㎥

温度回復（約4.5カ月）：透水性評価51回目注水刺激（実績）【注水期間】12月2日～12月15日（14日間）【注水概要】注水レート：680～740L/min 、総注水量：約13,000㎥

注水量増加
坑口圧力低下透水性改善傾向

注水レート：680~740L/min

坑口圧：1.75~0.91MPa

 注水刺激期間を通じてAEはほとんど観測されなかった。

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2回目注水刺激（実績）【注水期間】6月10日～7月11日（約1カ月）【注水概要】注水レート：12,00～1,500L/min 、総注水量：約54,000㎥
坑口圧力低下⇒透水性改善傾向＊1＊1：注水中に異物（スケール片）により坑内が狭窄した為、圧力が上昇した。

令和元年度総注水量
約13,000m3

 注水刺激期間中1,000個以上のAEが観測された。

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注水刺激による透水性改善効果
令和2年度

令和元年度

注水期間：14日
総注水量13,000㎥② 温度回復（約6カ月）①

注水期間：1カ月
総注水量54,000㎥③ ④ 温度回復（約4.5カ月）⑤①～⑤において注水試験を実施し透水性を評価

注水刺激

1回目

注水後：冷却（②/①）

注水後：温度回復（③/①）

0.42

1.03（2.5倍）

0.46（1.1倍）

①

注水刺激

2回目

注水前

②③8.5

25.3（3.0倍）

注水前

注水後：冷却（④/③）

注水後：温度回復
（⑤/③）

0.46

未評価＊

5.45（11.8倍）③④8.4

8.4（1.0倍）⑤
未評価＊

46.1（5.5倍）

透水性改善
注水の地層冷却効果
による一時的（可逆的）な透水性改善

透水性改善
注水量の累積後、き裂拡張・進展による不可逆的な透水性改善＊（）内は注水前との透水性の比較＊④については坑内閉塞の影響を考慮し評価しない

低圧で長期間注水する「せん断刺激」で、大幅な透水性改善効果が確認された。

透水量係数（Darcy-m）
還元指数（t/h/MPa）

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（参考）地層冷却効果による透水性改善実証試験において地層冷却による一時的（可逆的）な透水性の改善が確認された。還元温度が還元能力におよぼす影響について検証された事例を紹介する。
【還元流量及び坑口圧力（澄川SD-1）】
低温熱水：還元量増加

高温熱水：還元量減少

 低温熱水(約50℃)と高温熱水(約150℃)を用いて注水テスト（交互に繰り返し還元）を実施
し、岩石の熱収縮に伴う透水性の向上、低温熱水の深部への流下による坑井周辺の圧力の低下、および貯留係数の増大を確認 フィールド実験による推察をシミュレーション
により検証【注水試験結果（澄川SD-1）】

47.2㎏/s/MPa
37.3㎏/s/MPa

澄川地熱発電所における還元能力に及ぼす熱水温度の影響の違いについての検証事例【参考文献】
・澄川地熱発電所（SD-1）における還元熱水温度の違いによる還元能力の違いについて【有木・畠山(1997)】
・地熱井の還元能力に及ぼす熱水温度の影響に関する研究【有木2002】9注水時のAE観測発生頻度（令和2年度）
注水刺激による亀裂の進展・拡張を確認するためAEの観測を行った。

・ 観測期間 ： 令和2年6月3日～8月8日
・ 観測AE ： 1,124イベント
・ 震源決定数 ： 700イベント（P波初動が明瞭なイベント）

AE発生頻度（震源決定イベント）【注水前】6月3日～6月9日：0個【注水中】6月10日～7月11日：691個【注水後】7月12日～8月8日：9個

坑内閉塞による影響

総注水量
坑口圧力
注水量

令和元年度
総注水量
約13,000m3

AEは注水開始直後には観測されなかったが総注水量約13,000m3あたりから顕著に増加した。
令和元年度は、注水期間中（総注水量：約13,000m3 ）のAEはほとんど観測されていない。
注水による明瞭なブレイクはないものの低圧での注水刺激により亀裂が進展（AE発生）したことで透水性が改善した。 10

AE発生分布図
 AEは注水井を中心に東西方向約2km、流体流出深度付近より深部にまとまって分布している。
 地質構造の調査より、東西方向に推定が断層推定されており、AEはこの推定断層に沿って分布している。
 期間的な纏まりを持って、群発的にAE が発生している。

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まとめ①実証試験におけるせん断刺激の効果について

 坑井刺激による透水性改善において、地震発生のリスクが高いとされる高圧での「水圧破砕」ではなく、比較的低圧で長期間注水する「せん断刺激」でも、大幅な透水性改善効果が確認された。
 注水刺激による透水性改善効果は、以下のとおり。
①注水の地層冷却効果による可逆的な透水性改善（AEなし）②注水量の累積後、き裂拡張・進展による不可逆的な透水性改善（AE発生）
 注水による透水性改善状況の把握には、AE発生状況の観測が有効である。

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水圧刺激シミュレータを用いた地下水理構造の評価
実証試験では、水圧刺激シミュレータ「SHIFT」*を用いてモデルを構築し実測データとのマッチングにより地下水理構造について検証した。
 既往知見に基づくモデルパラメータの設定

モデル構築

 流体特性 （密度、粘性）

ガス・石油開発分野の坑井刺激試

 岩石力学特性 （ヤング率、ポアソン比）

験設計で実績のあるシミュレータ（石 DFNモデル （フラクチャーの規模、位置、力学特性）

油資源開発㈱が開発）。

 応力場 （最小、最大応力値等）

複雑なフラクチャー群に流れが支 二重孔隙モデルパラメータ

配される貯留層での流体流動およ（母岩浸透率、フラクチャー浸透率等）

事前検討
シミュレーション*水圧刺激シミュレータ「SHIFT」

びフラクチャー挙動を解析するもの

 過去の注水実績へのマッチングによるパラメータの調整であり、個別フラクチャーモデルを扱

 注水計画案に沿った注水シミュレーションの実施うことができる。

 モデルパラメータの不確実性への対処
 感度解析による不確実性の影響評価
 複数シナリオでの刺激効果を相対的に評価

 注水時の圧力挙動・AE観測結果の再現シミュレーション⇒ パラメータの最終調整⇒ 透水性改善の領域・程度を表すモデル提示

事後評価
シミュレーション

 坑井刺激後の噴気シミュレーション等の将来予測への利用

13（参考）水圧刺激シミュレータのパラメータ（例：SHIFT)
パラメータ

圧力挙動大きいほど圧力が低下（特に注水時）開口幅係数

AE分布の広がり
影響は小さいDFN影響は小さいフラクチャー密度(m /m )大きいほど全体的に圧力が低下 大きいほど分布は広がる

基本的には大きくなる
例外的に大規模フラクチャーのせん
断すべりにより圧力低下し、AE分布の密度が低下する場合もある

90%閉塞応力（せん断すべり前）[MPa]大きいほど圧力が低下（特に注水時）影響は小さい大きいほど、せん断すべり前の圧力が低下し、AE分布の密度は低くなる

90%閉塞応力（せん断すべり後）[MPa]大きいほど圧力が低下（特に注水時）影響は小さい影響は小さい

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き裂の力
学
特性

AE分布の密度3

応
最大主応力の力
応力勾配[MPa/m]
場

二重 フラクチャー孔隙率割合[-]孔隙
モデ
ル
フラクチャー浸透率[m2]大きいほどせん断滑りの発生数 大きいほど（特に深部へ）分布は大きいほどAE分布の密度は高くなるが増え、圧力が低下
広がる
大きいほど、圧力が低下（特に注水中）
過渡的な挙動に影響（レートアップでの圧力の立ち上小さいほど分布は広がるがりや、シャットインでの圧力の立下り等）
小さいほど注水に対する感度が良くなる

影響は小さい大きいほど全体的に圧力が小さ小さいほど分布は小さくなる
くなる

小さいほどAE分布の密度は高くなる

 圧力挙動にはモデルを構築する際のフラクチャー密度、AE分布には最大主応力の情報とフラクチャー孔隙率の影響が大きく作用し、フラクチャー浸透率は圧力挙動、AE分布の広がりおよび密度に影響が大きい。
 モデル構築には、パラメータの情報の精度が高いほどシミュレーションの精度も高く、事前設計によって透水性改善効果を精度よく評価する重要な要素と言える。
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地下水理構造の推定における応力場解析（AE発震機構）
地下水理構造モデルの検証を行うため、実証試験により取得したAE観測デー
タを用いAE発震機構解析*を行い、応力場を明らかにした。
*AE発震機構解析：AEが発生したとき震源にどの様な力が働いていたかを地震波形の初動から推定するもの。
本検討では、マグニチュードの大きな3イベントについて解析を実施。

主圧縮軸
東北東－西南西方向

P(press)：圧縮軸、T(tension,tensional)引張軸
値：走行、傾斜を示す【解析結果】
 主圧縮軸が東北東－西南西 走向の横ずれ断層型の結果が示された。
 AE分布傾向が主に東西方向であることから、西北西－東南東走向の断層の可能性が考えられる。
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地下水理構造モデルの検証
せん断破壊によるき裂造成に伴う浸透率の改善
坑口圧力実測値とシミュレーション結果（水色：実測、青色：シミュレーション）

AE発生頻度・分布の観測結果とシミュレーション結果（水色：実測、青色：シミュレーション）

注水後

注水前

浸透率改善範囲

差分
 観測データ、解析結果等から下記パラメータを見直し、注水試験状況（AEの発生分布、浸透率の改善範囲）の再現精度が向上した。
①モデル領域②DFNモデル（確率フラクチャー）③応力場④孔隙率割合、浸透率
 地下水理構造モデルの精度を高めることでシミュレーションによる適正な注水計画の事前検討が可能となる。

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まとめ②地下構造の推定について

 注水に伴うAE観測結果から、水圧刺激シミュレーションを活用し、地熱構造（流体流路など）の検証等も期待できる。
 各種地下情報（応力場、き裂分布）が把握されている地点においては、シミュレーションにより適正な注水計画を事前検討できる。
 今後、「透水性改善技術マニュアル」を公開予定

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