亀裂型貯留層の流体モニタリングを目指した岩石亀裂内の流体挙動と岩石物性の関係解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19J10125
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 澤山 和貴 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• キーワード: デジタル岩石物理 / 岩石亀裂 / 格子ボルツマン法 / 亀裂内流れ / 浸透率 / 比抵抗 / 弾性波速度 / 地熱

研究実績の概要

本研究の目的は，地下の亀裂系岩盤における流体挙動評価を目指して亀裂内流体挙動と岩石物性を関連付けることである。本年度はまず，実岩石亀裂のデジタルモデルに格子ボルツマン法を適用することで，亀裂内の微視的な流体挙動の可視化を試みた。
本年度使用した試料は，粗さの異なる2種の花崗岩及び地熱地域で採取された安山岩である。これらに対して透水試験を実施し，さらに同試料の表面粗さ形状をもとにデジタル岩石シミュレーションを行った。本研究におけるデジタル岩石シミュレーションは，格子ボルツマン法による3次元流体流動計算ならびに有限要素法による電気比抵抗・弾性波速度計算から構成される。
得られた成果として，まず流体流動計算により亀裂内の微視的な流体挙動の可視化に成功した。またこの計算結果と実験値をフィッティングすることで，有効垂直応力の変化による流路の遷移のイメージングに成功した。さらに一連のデジタルモデルの電気比抵抗・弾性波速度解析から，水理特性と岩石物性値の関係が明らかとなった。電気比抵抗と亀裂浸透率の間には粗さに左右されない関係性があることが見いだされ，これは実フィールドでの観測に有用な知見となる。その一方で弾性波速度と亀裂浸透率の関係性は粗さによって変化することが示され，これには空隙率に加え亀裂面の真実接触面積が重要なファクターである可能性が示唆された。
また本年度は予定していなかった地熱地域で採取された実岩石亀裂の解析の結果，上述の試料とは粗さ分布が大きく異なるため，亀裂内の流路分布に大きな差が認められた。さらに同試料の表面粗さスペクトルを用いて，異なる亀裂寸法の数値亀裂を造成し，水理特性と岩石物性値の関係に対するスケール依存性を調べた。その結果，比抵抗・弾性波速度双方において，浸透率との間にスケール依存性がある可能性が示唆された。今後さらなる解析を行い，詳細な検討を行う。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の予定通り，実岩石亀裂を用いて浸透率・比抵抗・弾性波速度を解析するデジタル岩石シミュレーション手法を確立することができた。また粗さの異なる岩石亀裂の解析結果の比較により，水理特性と岩石物性値の関係が粗さによって異なることが明らかとなった。しかしながら，等方的な数値亀裂モデルを採用した予察的な検討では，統計的にモデルの粗さ（表面凹凸の二乗平均平方根）を変化させても弾性波速度と浸透率の関係性に有意な変化が見られなかったことから，実岩石亀裂の異方性が弾性波速度と浸透率の関係性に変化を生じさせていると推察することができる。なお予定していた実験は今年度中に行うことができなかったものの，予定を前倒しにして，地熱地域で採取された実岩石亀裂の解析にも着手することができた。

今後の研究の推進方策

水理特性と岩石物性値の関係性について，亀裂形状特性の観点からその定量的評価を行う。これに関して，実岩石亀裂のスペクトルを用いた数値亀裂モデルを新たに取り入れてより詳細な検討を行う。また確立したデジタル岩石シミュレーション手法を二相流条件下に応用することを試みる。二相流体流動シミュレーションは，既に開発を進めている二相系格子ボルツマン法（Shan Chen法）を用いて行う。また本手法の妥当性評価として，既に作成済みの二相流透水試験システムを用いた実験を行い，同時に浸透率・流体飽和度・比抵抗ならびに地震波速度のマルチチャンネル計測を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Relating Hydraulic-Electrical-Elastic Properties of Natural Rock Fractures at Elevated Stress and Associated Transient Changes of Fracture Flow (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawayama Kazuki、Ishibashi Takuya、Jiang Fei、Tsuji Takeshi、Fujimitsu Yasuhiro
  • 雑誌名: ESSOAr 巻: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1002/essoar.10502423.1
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Estimation of Permeability and Water Saturation from the Resistivity and Elastic Wave Velocity: Insight from Laboratory Experiment and Digital Fracture Simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Jiang, F., Ikeda, T., Ishibashi, T., Tsuji, T., Fujimitsu, Y., and Asanuma, H.
  • 雑誌名: Proceedings of World Geothermal Congress 2020 巻: 2020 ページ: 1-10
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Changes in Hydraulic, Electric and Mechanical Properties with Aperture Closure: Insight from Experimental and Numerical Approaches (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Ishibashi, T., Jiang, F., Tsuji, T, and Fujimitsu, Y.
  • 雑誌名: Proceedings of the YSRM2019 & REIF2019 巻: 3-2-2 ページ: 1-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] “Leave the Carbon in the Ground”: in-situ combustion by injecting air into abandoned shale reservoirs (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Li, K., and Horne, R.
  • 雑誌名: Proceedings of International Symposium on Earth Science and Technology 巻: 2019 ページ: 103-108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coupling Approach of Lattice Boltzmann Fluid Simulation and Finite Element Analysis of Geophysical Properties: Application to Natural Rock Fracture in Geothermal Area (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Tsuji, T, and Fujimitsu, Y.
  • 雑誌名: Proceedings of international exchange and innovation conference on engineering & sciences 巻: 5 ページ: 73-76
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of water saturation, fracture and salinity on electric and elastic properties of fractured geothermal rocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Kitamura, K. and Fujimitsu, Y.
  • 雑誌名: Journal of the Geothermal Research Society of Japan 巻: 41 ページ: 53-59
  • DOI: 10.11367/grsj.41.53
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Creation of geothermal reservoirs by in-situ combustion of shale reservoirs: Feasibility study of "Leave the Carbon in the Ground" (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Li, K., and Horne, R.
  • 学会等名: Energy Week 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] "Leave the Carbon in the Ground": in-situ combustion by injecting air into abandoned shale reservoirs (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Li, K., and Horne, R.
  • 学会等名: International Symposium on Earth Science and Technology 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Changes in Hydraulic, Electric and Mechanical Properties with Aperture Closure: Insight from Experimental and Numerical Approaches (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Ishibashi, T., Jiang, F., Tsuji, T., and Fujimitsu, Y.
  • 学会等名: The 5th ISRM Young Scholars' Symposium on Rock Mechanics and International Symposium on Rock Engineering for Innovative Future
  • 国際学会
• [学会発表] デジタル岩石亀裂を用いた比抵抗及び弾性波速度による浸透率推定手法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤山和貴，石橋琢也，蒋 飛，辻 健，藤光康宏
  • 学会等名: 日本地熱学会令和元年学術講演会
• [学会発表] 坑井試験解析の教材としての熱伝導率計の活用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松本光央，澤山和貴
  • 学会等名: 日本地熱学会令和元年学術講演会
• [学会発表] Coupling Approach of Lattice Boltzmann Fluid Simulation and Finite Element Analysis of Geophysical Properties: Application to Natural Rock Fracture in Geothermal Area (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawayama, K., Tsuji, T. and Fujimitsu, Y.
  • 学会等名: International Exchange and Innovation Conference on Engineering & Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] デジタル岩石亀裂を用いた亀裂内流体流動・比抵抗・弾性波速度シミュレーションと実験値との比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤山和貴，蒋 飛，石橋琢也，辻 健，藤光康宏
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] サーマルクラックの入った花崗岩における間隙水圧の弾性波減衰への影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田恵也，澤山和貴, 片山郁夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [備考] Digitalized natural rock fracture of Inada Granite
  • URL: https://www.digitalrocksportal.org/projects/273
• [備考] Datasets of digitalized natural rock fractures
  • URL: http://geothermics.mine.kyushu-u.ac.jp/sawayama/grl2020/