| 研究課題/領域番号 |
25281036
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
末包 哲也 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (30262314)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 地下貯留 / 多孔質 / 混相流 / 界面不安定性 |
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| 研究概要 |
湿潤相(WP)で満たされている多孔質媒体に非湿潤相(NWP)が浸透する場合，非湿潤相飽和率は粘性，浮力，界面張力の他に界面に発生する不安定現象に強く影響を受ける．本年度の目標として，均質な多孔質媒体を対象として，室内基礎実験を行い，飽和率に影響を与えるパラメーターの抽出を挙げている．多孔質媒体の空隙スロート径の分布によるキャピラリーフィンガリングは流速の増大とともに粘性せん断力により影響がかき消され，キャピラリー数を用いて定式化することができる．また，WPとNWPの粘性比に伴うヴィスカスフィンガリングの影響は粘性比をパラメータとして定式化でき，これらの２つのパラメーターにより，キャピラリーフィンガリングおよびヴィスカスフィンガリングがNWPの飽和率に与える影響をモデル化できることを明らかにした．
このモデルの妥当性を検証するために，地下深度８５０ｍに相当する温度圧力条件で超臨界二酸化炭素および水を用いた系で模擬実験を行った．得られた結果は他の研究者により得られた結果を含めて今回新たに取得した実験式と良好な一致を示すことがわかった．
得られた実験式に浮力の影響を考慮するための拡張を行った．鉛直上向き注入の場合，置換界面はどのような注入速度，すなわちキャピラリー数においても重力的に常に不安定であり，今回取得した実験式が適用できることがわかった．一方，鉛直下向き注入の場合，注入流速が低い場合は重力的に界面が安定であるが，注入速度に臨界値が存在し，この速度を超えると界面に不安定現象が発生し，飽和率が低下することがわかった．この現象を考慮するには，キャピラリー数の他に，臨界重力排水速度を用いて排水現象の区別を行い，適用するモデル式を区別しなければならない．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
本年度研究の大きな目的は，湿潤相(WP)で満たされている多孔質媒体に非湿潤相(NWP)が浸透する場合の非湿潤相飽和率を推定するモデルを構築することである．この目的を達成するために，均質な多孔質媒体を対象として，種々の粘性比，密度差を有するWPとNWPの流体のペアを用いて室内基礎実験を行った．その結果，キャピラリーフィンガリングはキャピラリー数を用いて定式化することができ，同様に，粘性比に伴うヴィスカスフィンガリングの影響は粘性比をパラメータとして定式化できることを明らかにした．さらに，得られた実験式に浮力の影響を考慮するための拡張を行った．NWPの密度がWPの密度より小さい場合かつ鉛直上向き注入の場合，置換界面はどのような注入速度，すなわちキャピラリー数においても重力的に常に不安定であり，導出したモデル式でNPWの飽和率推定を行うことができる．一方，鉛直下向き注入の場合，注入流速が低い場合は重力的に界面が安定であるが，注入速度に臨界値が存在し，この速度を超えると界面に不安定現象が発生し，飽和率が低下することがわかった．界面の安定性を議論するには，キャピラリーフィンガリングおよびヴィスカスフィンガリングに加えて，排水速度に起因する不安定を考慮する必要があることを見いだした．
以上のように，当初の目的である排水過程のNPWの飽和率推定のモデル化をおおむね達成するとともに，排水過程に与える不安定現象の影響が明らかになっている．
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は，まず，研究に用いるマイクロフォーカスX線CT装置に新規X線検出パネルの導入の検討を行う．近年，X線検出パネルは急激に高感度化しており，新規パネルの導入により，撮像時間の短縮化および高解像度化が期待できる．
本年度は溶解トラップ現象に注目する．岩石多孔質内部に毛管圧でトラップされた二酸化炭素は周囲の水に溶解し，溶解飽和平衡に達する．二酸化炭素が溶解した水は未飽和の水に比べて重いために，対流が発生する．この対流は多孔質内部で貯留層の大規模なスケールで出現しする．さらに二酸化炭素の飽和水および未飽和水の二相が対象であるため，混和性の二相流となる．このような，混和性二相流の密度差自然対流については理論的な検証がなされてきているが，多孔質内部の可視化が困難であったために，実験的な検証が十分に行われていない．
さらに，これらの物質輸送現象では物質輸送係数と比表面積を独立したパラメーターとして扱わなければならないが，計測の困難性から，これらの積を包括物質伝達係数をした現象論的な議論になっている．本研究では，これらの２つのパラメーターを独立に評価する手法を提案するとともに，提案手法の妥当性を実証する．
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