極低温環境下での非圧密非排水三軸圧縮試験による飽和含水岩石の強度特性の解明

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04302
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 鴨志田 直人 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00400177)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 凍結岩石 / 三軸圧縮試験 / 極低温下 / 破壊包絡線 / 強度定数 / 液化天然ガス(LNG) / 岩盤内貯蔵

Outline of Annual Research Achievements

液化天然ガス（-162℃）の貯蔵に岩盤内貯蔵方式を用いる場合、貯蔵槽周辺岩盤内の間隙水は凍結することが想定されるため、その設計には水や氷が内在する岩盤の強度定数(粘着力・内部摩擦角)が必要となる。しかしながら、既存の三軸圧縮試験装置では、液体圧力媒体が温度の低下にともない固化するため供試体を冷却保持することが極めて難しく、極低温状態の岩石の強度定数は国内外問わず報告された例はない。本研究は、極低温状態にある岩石の強度定数の測定と間隙水が強度定数に与える影響を明らかにすることを目的としている。昨年度（令和3年度）は、研究代表者が開発した岩石用極低温三軸圧力室およびセル圧発生装置の改良を行ったが、開発した圧力媒体変換装置は、常温（10℃）及び-50℃までは側圧を加えることができたものの、-80℃では側圧を載荷することができなかった。
そこで、令和4年度は-80℃以下においても側圧を載荷、維持できるようにするべく圧力液体媒体を変更し、それに合わせて圧力媒体変換装置を新たに開発した。具体的には、粘性がこれまでの媒体油と比較して1/10（-80℃で比較）を用いた。さらに媒体油の価格も1/10と安価になることから圧力媒体変換装置の容量を拡大した。
岩石供試体の替わりに同サイズのステンレス製円柱を用いた性能試験の結果より、常温では圧力媒体変換装置を正常に作動させることができた。しかし、圧力媒体変換装置と三軸圧力室の間の配管において圧力の損失が生じたことにより、加圧可能な側圧の上限が7.3MPaとなった。低温試験では-80℃で常温時と同様に圧力媒体変換装置の作動に成功し、-80℃、5MPaの条件での試験は可能であることを確認した。しかし、-85℃以下になると媒体油の粘性が急増しはじめ、側圧の載荷が難しくなる現象が確認された。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

令和5年度は超高圧媒体油の変更および圧力媒体変換装置の改良により、温度-80℃、側圧5MPaの条件での三軸圧縮試験は可能であることを確認した。この温度より低い温度で実施された三軸圧縮試験の報告は国内外を問わず見当たらず、これは令和5年度の研究実績と考える。しかしながら、実際に岩石供試体を用いた試験は実施できてなく、さらに、本研究課題の当初目標である-170℃での三軸圧縮試験の実現の目処は立っていない。
以上より、本研究課題の達成度は遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、引き続きセル圧発生装置の改良を行う。性能試験の結果より、-85℃以下になると側圧の載荷が難しくなる現象が確認された。これは、超高圧媒体油の粘性が温度の低下とともに増加したこと、三軸圧縮室と圧力変換チャンバーをつなぐ配管（ステンレスパイプ）の内径が細すぎることが原因として考えている。したがって、内径の大きい配管に取り替える計画である。
また、今年度の研究より、現在国内で市販されている超高圧媒体油では、当初計画していた-170℃での三軸圧縮試験は難しいことが明らかになった。同じ超高圧媒体油を用いた高静水圧極低温下における機能性材料の分野での実験では、最大4GBの静水圧環境下での実績があるが、岩石の三軸圧縮試験は側圧、軸圧ともにMPaのオーダーであり、超高圧媒体油を流動させるには、荷重が小さすぎることが原因である。したがって、次年度は当初計画していた乾燥砂岩、湿潤砂岩の非圧密非排水三軸試験のうち、-170℃での実験を取りやめ、温度条件を室温(10℃)、-10℃、-50℃、-100℃の4段階、拘束圧条件を0、5、10、20MPaの4段階、計16条件で実施する計画である。

Causes of Carryover

当初購入を計画していた超高圧媒体油を当初の97,000円/30mlの製品から、より安価な9,700円/30mlの製品に変更し購入したことで、次年度使用額が生じた。また、圧力変換チャンバーの製作費（依頼料金）が、当初の計画よりも安く収まったことも次年度使用額が生じた理由である。さらに、進捗状況が遅れていることから、今年度購入計画をしていた測定データ解析用パソコンを購入していない。
次年度使用額は、今年度試しに購入した超高圧媒体油（9,700円/30ml）の方が昨年度用いた媒体油よりも岩石の三軸圧縮試験に適しているとの研究結果より、この媒体油の追加購入に充てる計画である。また、三軸圧縮室と圧力変換チャンバーをつなぐ配管の設計変更が生じたので、この製作費（依頼料金）と、今年度導入予定だった測定データ解析用パソコンの購入にも充てる計画である。