JP6883811B1 - 地殻応力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜坑井を通じて、所定の深さの地盤に作用する三次元応力要素を正確に測定する方法を提供する。【解決手段】地盤を掘削して形成された坑井において、地表面から所定の深さに位置する地盤を坑井の内周面からくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアを採取し、該サイドウォールコアに、長手方向に離間する少なくとも第一、第二及び第三の計測断面を設定し、これら第一、第二及び第三の計測断面の形状を測定して各計測断面の基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ、及び前記基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さを採取し、各計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力と最小応力との差を表す式、及び前記坑井の掘削方向と各計測断面における前記最大応力の作用方向とのなす角を表す式から、三次元応力要素を定める応力テンソルのうち独立した６成分を求める。【選択図】図５

Description

本発明は、地殻を構成する地盤の原位置に作用する三次元応力要素を測定する方法、すなわち地殻応力測定方法に関する。

石油、天然ガス等の地下資源の探鉱にあたっては、まず、リモートセンシングや航空写真解析などで石油地質評価を行い、続いて地質・地化学調査、地震探査などを実施して得られた複数のデータを総合的に解析して地下の地質構造を把握し、石油が多く埋蔵されている可能性が高い場所を選定する。油ガス井の候補地が選定されたら、現地に試掘井を掘削して地層の状況を把握する。試掘井を掘削した地盤に石油が埋まっていると期待される地層が見つかれば、その地層を含む地盤から岩石のコアを採取し、そのコアを観察して岩石の種類や鉱物組織等を把握し、さらに孔隙率や浸透率などその地層に含まれる岩石の性状を詳細に調べる。

圧密、地盤内応力、せん断、土圧など地盤の力学的挙動を解析することも、上記候補地の地盤の状況を把握するうえで重要である。解析結果をもとに油ガス井を掘削した地盤の応力状態を評価し、油ガス井が長期にわたって健全に維持され得ることが確認できれば、その油ガス井から石油を安定的に産出することができる。
地盤の応力環境の評価は、試掘井のみならず、石油の継続的な生産を目的とした油ガス井においても行われる。そのような油ガス井において三方向応力を精度よく測定できれば、地殻地盤を取り巻く力学的環境が正確に把握できるので、地殻地盤に対しフラクチャリングを効果的に行うことができる。その結果、フラクチャを介して石油の採取を効率よく行うことができる。

下記の特許文献１には、地盤に掘削された坑井において地表面から所定の深さに位置する地盤をその坑井の掘削方向にくり抜いて円柱状のボーリングコアを採取すると共に、同じ深さに位置する地盤を坑井の内周面からその掘削方向とは異なる方向にくり抜いて円柱状のサイドウォールコアとを採取し、ボーリングコアの計測断面の形状と、サイドウォールコアの形状とに基づいて、これらコアを採取した深さの地盤に作用する最大水平応力及び最少水平応力を求める地殻応力測定方法が開示されている。

特許第６３３２６５３号公報

ところで上記の特許文献１に開示された地殻応力測定方法は、鉛直方向又は実質的に鉛直と見なせる方向に掘削された坑井を対象としており、鉛直方向に対して明らかに傾斜した方向に掘削された坑井に対して実施すると、測定値の精度が担保されない可能性がある。

本発明は、鉛直方向に掘削された坑井のみならず、鉛直方向に対して傾斜した方向に掘削された坑井にも適用可能であり、地殻を構成する地盤において所定の深さの地盤に作用する三次元応力要素を正確に測定することができる方法を提供する。

本発明に係る地殻応力測定方法は、地盤を掘削して形成された坑井において、地表面から所定の深さに位置する地盤を、前記坑井の内周面から該坑井の掘削方向とは異なる方向にくり抜いて、少なくともひとつの円柱状のサイドウォールコアを採取し、
前記サイドウォールコアに、該サイドウォールコアの長手方向に離間する少なくとも第一、第二及び第三の計測断面を設定し、
前記第一、第二及び第三の計測断面の形状をそれぞれ測定して各計測断面の基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}、Ｄ_{max_2}、Ｄ_{max_3}）の長さ、及び前記基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}、Ｄ_{min_2}、Ｄ_{min_3}）の長さを採取し、
前記第一計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_1}）と最小応力（σ_{min_1}）との差（Δσ_{_1}）を表す下記式（１）と、

前記坑井の掘削方向と、前記第一計測断面における前記最大応力（σ_{max_1}）の作用方向とのなす角（ω_{max_1}）を表す下記式（２）と、

前記第二計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_2}）と最小応力（σ_{min_2}）との差（Δσ_{_2}）を表す下記式（３）と、

前記坑井の掘削方向と、前記第二計測断面における前記最大応力（σ_{max_2}）の作用方向とのなす角（ω_{max_2}）を表す下記式（４）と、

前記第三計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_3}）と最小応力（σ_{min_3}）との差（Δσ_{_3}）を表す下記式（５）と、

前記坑井の掘削方向と、前記第三計測断面における前記最大応力（σ_{max_3}）の作用方向とのなす角（ω_{max_3}）を表す下記式（６）とから、

地殻を構成する地盤に作用する三次元応力要素を定める応力テンソルのうち独立した６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を求める。ただし、以下の変数の大きさは既知とする。また、（ｒ,θ_SWC）の値の組が同一にならないように、第一から第三の計測断面を設定するものとする。すなわち、異なる計測断面どうしで坑井の中心からの距離（ｒ）及び基準方位とサイドウォールコアの掘削方向とのなす角θ_SWCの値の組が完全に一致しないように、各サイドウォールコアの掘削方向、及び坑井の中心から計測断面までの距離を設定するものとする。
Ｒ：坑井の半径、Ｅ：地盤のヤング率、μ：地盤のポアソン比、
Ｄ_{max_1}：第一計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
Ｄ_{min_1}：第一計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
Ｄ_{max_2}：第二計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
Ｄ_{min_2}：第二計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
Ｄ_{max_3}：第三計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
Ｄ_{min_3}：第三計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
ｒ₁：坑井の中心から第一計測断面までの距離、
ｒ₂：坑井の中心から第二計測断面までの距離、
ｒ₃：坑井の中心から第三計測断面までの距離、
θ_{swc_1}、θ_{swc_2}、θ_{swc_3}：基準方位とサイドウォールコアの掘削方向とのなす角
ω_{max_1}：坑井の掘削方向と、第一計測断面における最大応力の作用方向となす角
ω_{max_2}：坑井の掘削方向と、第二計測断面における最大応力の作用方向となす角
ω_{max_3}：坑井の掘削方向と、第三計測断面における最大応力の作用方向となす角

本発明に係る地殻応力測定方法においては、前記地盤を、前記坑井の内周面から該坑井の掘削方向とは異なる方向にくりぬいて複数のサイドウォールコアを採取し、これら複数のサイドウォールコアにおいて前記第一、第二及び第三の計測断面を設定してもよい。
さらに、前記複数のサイドウォールコアにおいて、各サイドウォールコアを採取した際に前記地盤をくりぬいた方向が前記坑井の基準方位に対してなす角が、相互に異なっていてもよい。すなわち、相互に異なる方向に地盤をくりぬいて複数のサイドウォールコアを採取してもよい。

本発明に係る地殻応力測定方法によれば、鉛直方向に対して傾斜した方向に掘削された坑井においても、三方向応力を精度よく測定することができ、地殻地盤を取り巻く力学的環境を正確に把握することができる。これにより、石油、天然ガス等の地下化石燃料の採取を効率よく行うことが可能となる。さらに、メタンハイドレート採掘や地熱利用等のエネルギー開発分野、火山の噴火や地震の予測、二酸化炭素の地中貯蔵、放射性廃棄物の地層処分など、大深度における岩盤応力を把握することが非常に重要な各種プロジェクトにおいて、本発明を実施することで岩盤応力の測定を精度よく実施することが可能となる。

本発明に係る地殻応力測定方法の第一実施形態を説明するための図であって、地表面からある深度に位置する地殻地盤に作用する三次元応力のうち、最大水平応力（Ｓ_Hmax）と最小水平応力（Ｓ_hmin）とが同地盤に作用する状況を模式的に示した図である。 本発明に係る地殻応力測定方法の第一実施形態を説明するための図であって、深度に位置する地盤から傾斜坑井掘削の過程で採取したボーリングコアの断面が変形する様を模式的に示した図である。 傾斜坑井内において、地表面から所定の深さに位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面から所定の方向にくり抜いてサイドウォールコアを採取する状況を示す図である。 ボーリングコアの径を測定するための測定装置の概略図であって、ボーリングコアを測定装置に装着した状態を示す斜視図である。 ボーリングコアの径を測定するための測定装置の概略図であって、照光部からボーリングコアに照射されたＬＥＤ光が受光部に受光される様を模式的に示した図である。 ボーリングコアの断面径の長さをコアの全周にわたって測定した結果を示したグラフである。 地表面からある深度に位置する地殻地盤から、傾斜坑井を通じて採取すべきサイドウォールコアの位置を示した図である。 サイドウォールコアの地中での向きを把握するための情報を如何に取得すべきかについて説明するための図である。 本発明に係る地殻応力測定方法の第一変形例を説明するための図であって、地表面からある深度に位置する地殻地盤から、傾斜坑井を通じて採取すべき二つのサイドウォールコアの位置を示した図である。 本発明に係る地殻応力測定方法の第二変形例を説明するための図であって、地表面からある深度に位置する地殻地盤から、傾斜坑井から採取すべき三つのサイドウォールコアの位置を示した図である。

以下、図１Ａから図８を参照して本発明に係る地殻応力測定方法の第一実施形態について詳細に説明する。
地殻地盤の三次元応力要素とは、最大水平応力、最小水平応力、鉛直応力、及び最大水平応力が作用する方向の四つを含んでおり、地表より下の地殻地盤には、如何なる場所においてもこれら上記の三次元応力要素で表現される様々な力が作用している。今、地表面からある深度に位置する地殻地盤のある場所について考えると、この場所には図１Ａに示すように、その地盤Ｇの水平面内にはある方向に最大水平応力（Ｓ_Hmax）が作用し、最大水平応力（Ｓ_Hmax）が作用するある方向に対して直交する方向に最小水平応力（Ｓ_hmin）が作用し、さらに鉛直方向には鉛直応力（Ｓ_V）が作用しているとみなすことができる。

この地殻地盤を、地表面から鉛直下向きに掘削して坑井（以下、鉛直坑井という）を形成するとき、この鉛直坑井を掘削する過程においてある深度で地盤Ｇを掘削方向にくり抜いて図１Ｂに示す円柱状のコアを採取したとする。コアを採取すべき地盤Ｇには、上記のとおり最大水平応力（Ｓ_Hmax）、最小水平応力（Ｓ_hmin）、鉛直応力（Ｓ_V）が作用しているため、その地盤Ｇは水平面内において周囲から圧縮され、さらに長手方向に圧縮された状態にある。このような状態にある地盤Ｇから、円柱状のコアをボーリングコアＢＣとして取り出すと、そのボーリングコアＢＣは周囲の地盤から作用する応力から解放されるため、長手方向に伸長すると共に、径を拡大させるように膨張する。ボーリングコアＢＣの長手方向に直交する断面、すなわち地中では水平面内に存在した断面でみると、地中では正円であったものが拘束を解かれて中心から周囲の全ての方向に径を伸すように拡張する。

ここで、鉛直坑井から取り出したボーリングコアＢＣにおいてその長手方向のある位置に、長手方向に直交する方向に計測断面を設定し、その計測断面の形状を観察すると、図１Ｂに示すように、最大水平応力（Ｓ_Hmax）が作用していた方向の膨張量がもっとも大きく、最小水平応力（Ｓ_hmin）が作用していた方向の膨張量がもっとも小さい。言い換えると、最大水平応力（Ｓ_Hmax）が作用していた方向には、計測断面の基準円直径（ボーリングコアＢＣが地中にあって水平応力を受けていたときの直径）に対する歪み量が最も大きく現れ、最小水平応力（Ｓ_hmin）が作用していた方向には、計測断面の基準円直径に対する歪み量が最も小さく現れており、全体としては楕円形に変化する。

上記のようなコアの寸法の変化は、鉛直坑井から採取したボーリングコアＢＣに限らず、図２に示すように、地表面から鉛直方向に対して傾斜したＺ軸方向に掘削された坑井Ｗ（以下、傾斜坑井という）から採取したコアにおいても現れる。すなわち、傾斜坑井Ｗ内において、地表面から所定の深さに位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向（Ｚ軸方向）とは異なる方向（ｒ軸方向）にくり抜いて、円柱状のコア（以下、サイドウォールコアという）ＳＷＣ１を採取すると、このサイドウォールコアＳＷＣ１も、ボーリングコアＢＣと同様に、周囲の地盤から作用する応力から解放されて長手方向に伸長すると共に、径を拡大させるように膨張する。

以下では、傾斜坑井Ｗから取得したサイドウォールコアＳＷＣ１に、その長手方向に離間する三箇所にそれぞれ第一、第二及び第三の計測断面を設定し、各計測断面において、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}，Ｄ_{max_2}，Ｄ_{max_3}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}，Ｄ_{min_2}，Ｄ_{min_3}）の長さを測定する。
図３Ａに示すように、測定装置２に、試料としてサイドウォールコアＳＷＣ１を装着する。測定装置２には、並列に並んだ一対のローラ１１，１２が回動可能に設けられている。一方のローラ１１は駆動装置１３により回転される。両ローラ１１，１２の長手方向のほぼ中央には縮径部１１ａ，１２ａが形成されている。サイドウォールコアＳＷＣ１は、両ローラ１１，１２上に跨がるように置かれ、両ローラ１１，１２を同じ方向に回転させることで両ローラとは逆に回転される。両ローラ１１，１２を中央に置いてその一方の側には、両ローラ１１，１２のほぼ中央に向けてＬＥＤ光を照射する照光部１４が設けられている。照光部１４には指向性の高いＬＥＤ光を放つ複数のＬＥＤ素子１４ａが縦一列に配置されている。照光部１４から照射されるＬＥＤ光は、図３Ｂに示すように、両ローラ１１，１２上に置かれたサイドウォールコアＳＷＣ１をあたかもその断面方向に横切るように照射される。なお、ＬＥＤ光は両ローラ１１，１２の縮径部１１ａ，１２ａを通じて照射されるので、両ローラに遮られることはない。両ローラ１１，１２の他方の側には、照光部１４から照射されたＬＥＤ光を受ける受光部１５が設けられている。照光部１４から照射されるＬＥＤ光の幅はサイドウォールコアＳＷＣ１の直径よりも広いため、受光部１５には、サイドウォールコアＳＷＣ１に遮られなかったＬＥＤ光が上下に分かれて受光される。受光部１５には、サイドウォールコアＳＷＣ１の直径を計測する計測器１６が接続されている。

上記のように構成された測定装置２は、駆動装置１３によりサイドウォールコアＳＷＣ１を一定速度で回転させながら、受光部１５からサイドウォールコアＳＷＣ１の計測断面に向けてＬＥＤ光を照射する。サイドウォールコアＳＷＣ１に照射されたＬＥＤ光は、一部はコアに遮られるものの、上下に分かれて受光部１５に受光される。計測器１６は、受光部１５に上下に分かれて受光されたＬＥＤ光の間隔を特定してサイドウォールコアＳＷＣ１の計測断面の直径を計測する。つまり、サイドウォールコアＳＷＣ１にＬＥＤ光を照射しつつサイドウォールコアＳＷＣ１を一回転させ、その回転角毎にサイドウォールコアＳＷＣ１の直径を対応付けて記録することで、サイドウォールコアＳＷＣ１の計測断面の直径をコアの全周にわたって測定することができる。

上記測定装置２によるサイドウォールコアＳＷＣ１の断面形状の測定結果をプロットすると、図４のグラフに示すことができる。このグラフは、基準方位に交わる外周の一点を始点として、基準方位からの角度に応じて変化するサイドウォールコアＳＷＣ１の直径を示している。プロットされた点は誤差を含んでいるので、最小二乗法等により近似曲線を求める（グラフ中の正弦曲線）。この近似曲線上に現れる最大値が計測断面の最大径の長さであり、その方向に最大応力が作用していたとみなすことができる。また、近似曲線上に現れる最小値が計測断面の最小径の長さであり、その方向に最小応力が作用していたとみなすことができる。

サイドウォールコアＳＷＣ１に、長手方向の互いに異なる部分に三つの計測断面を設定し、サイドウォールコアＳＷＣ１の外周面においてそれぞれの計測断面に対応する位置に、三度に分けてＬＥＤ光を照射する。まず、最初のＬＥＤ光照射にて、第一計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}）の長さを測定する。次に、二度目のＬＥＤ光照射にて、第二計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_2}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_2}）の長さを測定する。さらに、三度目のＬＥＤ光照射にて、第三計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_3}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_3}）の長さを計測する。

ところで、サイドウォールコアＳＷＣ１を取得した地殻地盤の基準方位はどちらを向いているかは、例えば以下のような手法により知得することができる。すなわち、サイドウォールコアＳＷＣ１を採取した深度において、傾斜坑井Ｗの全周にわたって内周面を撮影したイメージデータを採取する。その際、内周面のイメージデータには、基準方位がどちらを向いているかを示す特徴（縞模様の傾斜、岩礫など）が現れるので、傾斜坑井Ｗの内周面のイメージデータとサイドウォールコアＳＷＣ１の外周の状態とを比較すれば、サイドウォールコアＳＷＣ１を取得した地殻地盤の基準方位がどちらを向いていたかが判明する。もしくは、サイドウォールコアＳＷＣ１を採取するために傾斜坑井Ｗに挿入する掘削装置に、サイドウォールコアＳＷＣ１を取得した地殻地盤の基準方位がどちらを向いているかを記録しておくことができる機能を追加しておいてもよい。

第一計測断面に沿ってサイドウォールコアＳＷＣ１に作用する最大応力（σ_{max_1}）と最小応力（σ_{min_1}）との差、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第一計測断面における差応力（σ_{max_1}−σ_{min_1}）は、下記式（１）によって表すことができる。

傾斜坑井Ｗの掘削方向と、サイドウォールコアＳＷＣ１の第一計測断面における最大応力（σ_{max_1}）の作用方向とのなす角、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第一計測断面における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心軸線（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_1}）は、下記式（２）によって表すことができる。

第二計測断面に沿ってサイドウォールコアＳＷＣ１に作用する最大応力（σ_{max_2}）と最小応力（σ_{min_2}）との差、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第二計測断面における差応力（σ_{max_2}−σ_{min_2}）は、下記式（３）によって表すことができる。

傾斜坑井Ｗの掘削方向と、サイドウォールコアＳＷＣ１の第二計測断面における前記最大応力（σ_{max_2}）の作用方向とのなす角、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第二計測断面における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心軸線（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_2}）は、下記式（４）によって表すことができる。

第三計測断面に沿ってサイドウォールコアＳＷＣ１に作用する最大応力（σ_{max_3}）と最小応力（σ_{min_3}）との差、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第三計測断面における差応力（σ_{max_3}−σ_{min_3}）は、下記式（５）によって表すことができる。

傾斜坑井Ｗの掘削方向と、サイドウォールコアＳＷＣ１の第三計測断面における前記最大応力（σ_{max_3}）の作用方向とのなす角、すなわちサイドウォールコアＳＷＣ１の第三計測断面における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心軸線（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_3}）は、下記式（６）によって表すことができる。

ただし、上記式（１）、（３）、（５）に含まれる地盤のヤング率（Ｅ）の大きさ、及び地盤のポアソン比（μ）の大きさは、サイドウォールコアＳＷＣ１を観察して得られた情報によらず既知である。また、第一計測断面の最大径（Ｄ_{max_1}）及び最小径（Ｄ_{min_1}）の長さ、第二計測断面の最大径（Ｄ_{max_2}）及び最小径（Ｄ_{min_2}）の長さ、並びに第三計測断面の最大径（Ｄ_{max_3}）及び最小径（Ｄ_{min_3}）の長さは、測定装置２を使用してサイドウォールコアＳＷＣ１の各計測断面の形状を測定することにより知得することができる。

また、上記式（２）、（４）、（６）に含まれる変数のうち、傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）は実際に坑井の形状を測定することにより知得することができる。
サイドウォールコアＳＷＣ１が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離（ｒ₁）は、図５に示すように、サイドウォールコアＳＷＣ１の内側端面から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。同様に、サイドウォールコアＳＷＣ１が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心から第二計測断面ＭＣＳ２までの距離（ｒ₂）は、サイドウォールコアＳＷＣ１の内側端面から第二計測断面ＭＣＳ２までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しく、傾斜坑井Ｗの中心から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離（ｒ₃）は、サイドウォールコアＳＷＣ１の内側端面から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。

サイドウォールコアＳＷＣ１の内側端面とは、サイドウォールコアＳＷＣ１が地中に存在した状態において傾斜坑井Ｗの内周面の一部をなしていた面を指す。サイドウォールコアＳＷＣ１のどちらの端面が内側端面にあたるのかは、サイドウォールコアＳＷＣ１の両方の端面を観察すれば明らかである。すなわち、図６に示すように、サイドウォールコアＳＷＣ１の一方の端面は、円筒形に掘削された傾斜坑井Ｗの内周面の一部であることからその形状は、円筒形の一部を切り取ったように曲率が円弧を描くように一様である。一方、サイドウォールコアＳＷＣ１は、地盤をくり抜いた後、傾斜坑井Ｗの掘削方向に沿って曲げ力を作用させて地盤から破断することによって採取されるので、他方の端面は、一方の端面のように整った形状ではなく、傾斜坑井Ｗの掘削方向に沿う方向に突き出すように突起が形成された不規則な破断面となる。このように、サイドウォールコアＳＷＣ１の両方の端面の形状の違いから、サイドウォールコアＳＷＣ１のどちらの端面が内側端面にあたるのかを特定することができる。さらに、他方の端面に形成された突起を確認できれば、サイドウォールコアＳＷＣ１が地中に存在した状態においてどの部分を上下に向けていたか特定することもできる。傾斜坑井Ｗの中心から各計測断面までの距離（ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃）は、傾斜坑井Ｗの半径Ｒと、サイドウォールコアＳＷＣ１の一方の端面（内側端面）から計測断面までの距離との和として知得することができる。

傾斜坑井Ｗ内におけるサイドウォールコアＳＷＣ１の掘削方向、すなわち基準方位とサイドウォールコアの掘削方向とのなす角（θ_{swc_1}、θ_{swc_2}、θ_{swc_3}）は、検層ツールに内蔵されたジャイロスコープを使用することにより知得することができる。検層ツールとは、傾斜坑井Ｗを掘削したことによって生じた坑壁の崩落（Borehole Breakout）、引張亀裂（Drilling-Induced Tensile Fracture）など、傾斜坑井Ｗの内周面の状態を分析する機器であり、ダイポール音波による岩盤のＳ波速度異方性評価を行うこともできる。なお、本実施形態では、サイドウォールコアＳＷＣ１をひとつ採取しそのサイドウォールコアＳＷＣ１に三つの計測断面を設定するので、サイドウォールコアＳＷＣ１の掘削方向はいずれの計測断面においても同じである（θ_{swc_1}＝θ_{swc_2}＝θ_{swc_3}）。一方、基準方位は、例えば北の方角をそれとして考えれば分かり易い。

傾斜坑井Ｗの中心と、第一計測断面ＭＣＳ１において最大応力（σ_{max_1}）の作用する方向とはねじれの位置にあるが、図２を参照すれば、傾斜坑井Ｗの中心軸線と基準方位とがなす角と、第一計測断面ＭＣＳ１において最大応力（σ_{max_1}）の作用する方向と基準方位とがなす角とはそれぞれ明らかである。したがって、両者の関係から、サイドウォールコアＳＷＣ１の第一計測断面ＭＣＳ１における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_1}）を知得することができる。

同様に、サイドウォールコアＳＷＣ１の第二計測断面ＭＣＳ２における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_2}）、及び第二計測断面ＭＣＳ２における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_3}）も、傾斜坑井Ｗの中心軸線と基準方位とがなす角と、第二、第三の計測断面ＭＣＳ２、ＭＣＳ３において最大応力（σ_{max_2}、σ_{max_3}）の作用する方向と基準方位とがなす角との関係から知得することができる。

以上のように、上記式（１）〜（６）に含まれる変数のうち、応力テンソルの独立した６成分をさす６つの変数（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を除くすべての変数の値は、現地の地盤、傾斜坑井Ｗ及び傾斜坑井Ｗを通じて現地の地盤から採取したサイドウォールコアを分析することによって知得することができるので、上記式（１）〜（６）の各変数にそれらの値を代入すれば、上記式（１）〜（６）は応力テンソルの６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を未知数とする六元連立方程式をなす。これら六元連立方程式の解として６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）の値を求めれば、現地の地盤の三次元応力要素を知得することができる。

本発明に係る地殻応力測定方法の上記実施形態によれば、鉛直方向に対して傾斜した方向に掘削された坑井においても、三方向応力を精度よく測定することができ、地殻地盤を取り巻く力学的環境を正確に把握することができる。これにより、石油、天然ガス等の地下化石燃料の採取を効率よく行うことが可能となる。さらに、メタンハイドレート採掘や地熱利用等のエネルギー開発分野、火山の噴火や地震の予測、二酸化炭素の地中貯蔵、放射性廃棄物の地層処分など、大深度における岩盤応力を把握することが非常に重要な各種プロジェクトにおいて、本発明を実施することで岩盤応力の測定を精度よく実施することが可能となる。

上記実施形態においては、ひとつのサイドウォールコアＳＷＣ１に三つの計測断面を設定したが、複数のサイドウォールコアを取得し、それらに三つ又はそれ以上の計測断面を設定し、上記の要領で応力テンソルの独立した６成分をさす６つの変数（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を求めてもよい。以下にふたつの変形例を説明する。

（第一変形例）
次に、本発明に係る地殻応力測定方法の第一の変形例について、図７を参照して説明する。なお、上記実施形態において説明した事項については、本変形例では簡略な説明に留める。
本変形例では、地表からある深度に存在する地殻地盤から取得した二つのサイドウォールコアＳＷＣ２、ＳＷＣ３を観察して得られた情報をもとに、これら二つのコアを取得した地殻地盤に作用する三次元応力要素を求める。

まず、地表面から所定の深度に位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向とは異なる方向にくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアＳＷＣ２を取得する。さらに、サイドウォールコアＳＷＣ２を取得したのと同じ地表から所定の深度に位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向に直交する方向であって、かつサイドウォールコアＳＷＣ２の掘削方向とは異なる方向に地盤をくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアＳＷＣ３を取得する。

サイドウォールコアＳＷＣ２に第一計測断面ＭＣＳ１及び第二計測断面ＭＣＳ２を設定し、測定装置２を使用して、第一計測断面ＭＣＳ１の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}）の長さを測定すると共に、第二計測断面ＭＣＳ２の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_2}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_2}）の長さを測定する。また、サイドウォールコアＳＷＣ３に第三計測断面ＭＣＳ３を設定し、測定装置２を使用して、第三計測断面ＭＣＳ３の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_3}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_3}）の長さを計測する。

傾斜坑井Ｗ及びサイドウォールコアＳＷＣ２、ＳＷＣ３の形状を測定し、傾斜坑井Ｗの中心からサイドウォールコアＳＷＣ２の第一、第二の計測断面ＭＣＳ１、ＭＣＳ２までの距離（ｒ₁、ｒ₂）、及び傾斜坑井Ｗの中心からサイドウォールコアＳＷＣ３の第三の計測断面ＭＣＳ３までの距離（ｒ₃）を、上記の要領により知得する。

サイドウォールコアＳＷＣ２が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離（ｒ₁）は、サイドウォールコアＳＷＣ１の内側端面から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しく、傾斜坑井Ｗの中心から第二計測断面ＭＣＳ２までの距離（ｒ₂）は、サイドウォールコアＳＷＣ２の内側端面から第二計測断面までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。同様に、サイドウォールコアＳＷＣ３が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離（ｒ₃）は、サイドウォールコアＳＷＣ３の内側端面から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。

傾斜坑井Ｗ内におけるサイドウォールコアＳＷＣ２の掘削方向（θ_{swc_1}、θ_{swc_2}）、及びサイドウォールコアＳＷＣ３の掘削方向（θ_{swc_3}）を、検層ツールのジャイロスコープを使用して上記の要領により知得する。なお、本変形例では、サイドウォールコアＳＷＣ２に二つの計測断面を設定するので、サイドウォールコアＳＷＣ２の掘削方向はいずれの計測断面においても同じである（θ_{swc_1}＝θ_{swc_2}）。

サイドウォールコアＳＷＣ２の第一計測断面ＭＣＳ１における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_1}）、及び第二計測断面ＭＣＳ２における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_2}）を知得する。さらに、サイドウォールコアＳＷＣ３の第三計測断面ＭＣＳ３における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_3}）を、上記の要領により知得する。

以上のように、現地の地盤、傾斜坑井Ｗ及び二つのサイドウォールコアＳＷＣ２、ＳＷＣ３を分析することによって、上記式（１）〜（６）に含まれる変数のうち、６つの変数（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を除くすべての変数の値を知得し、上記式（１）〜（６）の各変数にそれらの値を代入して６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）の値を求める。

（第二変形例）
次に、本発明に係る地殻応力測定方法の第二の変形例について、図８を参照して説明する。なお、上記実施形態において詳述した事項については、本変形例では簡略な説明に留める。
本変形例では、地表からある深度に存在する地殻地盤から取得した三つのサイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５及びＳＷＣ６を観察して得られた情報をもとに、同コアを取得した地殻地盤に作用する三次元応力要素を求める。

まず、地表面から所定の深度に位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向とは異なる方向にくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアＳＷＣ４を取得する。また、サイドウォールコアＳＷＣ４を取得したのと同じ地表から所定の深度に位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向に直交する方向であって、かつサイドウォールコアＳＷＣ４の掘削方向とは異なる方向に地盤をくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアＳＷＣ５を取得する。さらに、サイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５を取得したのと同じ地表から所定の深度に位置する地盤を、傾斜坑井Ｗの内周面からその傾斜坑井Ｗの掘削方向に直交する方向であって、かつサイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５のいずれの掘削方向とも異なる方向に地盤をくり抜いて、円柱状のサイドウォールコアＳＷＣ６を取得する。

サイドウォールコアＳＷＣ４に第一計測断面ＭＣＳ１を設定し、測定装置２を使用して、第一計測断面ＭＣＳ１の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}）の長さを測定する。また、サイドウォールコアＳＷＣ５に第二計測断面ＭＣＳ２を設定し、測定装置２を使用して、第二計測断面ＭＣＳ２の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_2}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_2}）の長さを測定する。さらに、サイドウォールコアＳＷＣ６に第三計測断面ＭＣＳ３を設定し、測定装置２を使用して、第三計測断面ＭＣＳ３の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_3}）の長さ、及び基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_3}）の長さを計測する。

傾斜坑井Ｗ及びサイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５及びＳＷＣ６の形状を測定し、傾斜坑井Ｗの中心からサイドウォールコアＳＷＣ４の第一の計測断面ＭＣＳ１までの距離（ｒ₁）、傾斜坑井Ｗの中心からサイドウォールコアＳＷＣ５の第二の計測断面ＭＣＳ２までの距離（ｒ₂）、及び傾斜坑井Ｗの中心からサイドウォールコアＳＷＣ６の第三の計測断面ＭＣＳ３までの距離（ｒ₃）を、上記の要領により知得する。

サイドウォールコアＳＷＣ４が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離（ｒ₁）は、サイドウォールコアＳＷＣ４の内側端面から第一計測断面ＭＣＳ１までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。同様に、サイドウォールコアＳＷＣ５が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心から第二計測断面ＭＣＳ２までの距離（ｒ₂）は、サイドウォールコアＳＷＣ５の内側端面から第二計測断面ＭＣＳ２までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。サイドウォールコアＳＷＣ６が地中に存在した状態において、傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離（ｒ₃）は、サイドウォールコアＳＷＣ６の内側端面から第三計測断面ＭＣＳ３までの距離に傾斜坑井Ｗの半径（Ｒ）を加えた長さに等しい。

傾斜坑井Ｗ内におけるサイドウォールコアＳＷＣ４の掘削方向（θ_{swc_1}）、サイドウォールコアＳＷＣ５の掘削方向（θ_{swc_2}）、及びサイドウォールコアＳＷＣ６の掘削方向（θ_{swc_3}）を、検層ツールのジャイロスコープを使用して上記の要領により知得する。なお、本変形例では、サイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５、ＳＷＣ６にそれぞれひとつずつ計測断面を設定するので、サイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５、ＳＷＣ６の掘削方向（θ_{swc_1}、θ_{swc_2}、θ_{swc_3}）はすべて異なる。

サイドウォールコアＳＷＣ４の第一計測断面ＭＣＳ１における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_1}）、サイドウォールコアＳＷＣ５の第二計測断面ＭＣＳ２における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_2}）、サイドウォールコアＳＷＣ６の第三計測断面ＭＣＳ３における最大主応力軸方位と傾斜坑井Ｗの中心（Ｚ軸）とのずれ角（ω_{max_3}）を、上記の要領により知得する。

以上のように、現地の地盤、傾斜坑井Ｗ及び三つのサイドウォールコアＳＷＣ４、ＳＷＣ５及びＳＷＣ６を分析することによって、上記式（１）〜（６）に含まれる変数のうち、６つの変数（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を除くすべての変数の値を知得し、上記式（１）〜（６）の各変数にそれらの値を代入して６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）の値を求める。

上記実施形態及び変形例１、２では、サイドウォールコアに三つの計測断面を設定し、それぞれの計測断面において所望の変数の値を取得し、上記式（１）〜（６）の各変数にそれらの値を代入して６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）の値を求めたが、計測断面を四つ以上設定し、それぞれの計測断面において所望の変数の値を取得し、上記式（１）〜（６）及び計測断面の数に応じて新たに設けた数式の各変数にそれらの値を代入し、非線形最小二乗法により６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）の値を求めてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態とその変形例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態又は変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変更が可能である。

本発明は、地殻を構成する地盤の原位置に作用する三次元応力要素を測定する方法、すなわち地殻応力測定方法に関する。本発明によれば、鉛直方向に対して傾斜した方向に掘削された坑井においても、三方向応力を精度よく測定することができ、地殻地盤を取り巻く力学的環境を正確に把握することができる。

Ｇ 地殻地盤
Ｗ 傾斜坑井
ＳＷＣ１〜ＳＷＣ６ サイドウォールコア
ＭＣＳ１〜ＭＣＳ３ 計測断面

Claims (3)

1. 地殻を構成する地盤に作用する三次元応力要素を測定する地殻応力測定方法であって、
   地盤を掘削して形成された坑井において、地表面から所定の深さに位置する地盤を、前記坑井の内周面から該坑井の掘削方向とは異なる方向にくり抜いて、少なくともひとつの円柱状のサイドウォールコアを採取し、
   前記サイドウォールコアに、該サイドウォールコアの長手方向に離間する少なくとも第一、第二及び第三の計測断面を設定し、
   前記第一、第二及び第三の計測断面の形状をそれぞれ測定して各計測断面の基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径（Ｄ_{max_1}、Ｄ_{max_2}、Ｄ_{max_3}）の長さ、及び前記基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径（Ｄ_{min_1}、Ｄ_{min_2}、Ｄ_{min_3}）の長さを採取し、
   前記第一計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_1}）と最小応力（σ_{min_1}）との差（Δσ_{_1}）を表す下記式（１）と、
   

   

   前記坑井の掘削方向と、前記第一計測断面における前記最大応力（σ_{max_1}）の作用方向とのなす角（ω_{max_1}）を表す下記式（２）と、
   

   

   前記第二計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_2}）と最小応力（σ_{min_2}）との差（Δσ_{_2}）を表す下記式（３）と、
   

   

   前記坑井の掘削方向と、前記第二計測断面における前記最大応力（σ_{max_2}）の作用方向とのなす角（ω_{max_2}）を表す下記式（４）と、
   

   

   前記第三計測断面に沿って前記サイドウォールコアに作用する最大応力（σ_{max_3}）と最小応力（σ_{min_3}）との差（Δσ_{_3}）を表す下記式（５）と、
   

   

   前記坑井の掘削方向と、前記第三計測断面における前記最大応力（σ_{max_3}）の作用方向とのなす角（ω_{max_3}）を表す下記式（６）とから、
   

   

   前記三次元応力要素を定める応力テンソルのうち独立した６成分（σ_xx、σ_yy、σ_zz、τ_xy、τ_yz、τ_zx）を求める地殻応力測定方法。
   ただし、以下の変数の大きさは既知とする。また、（ｒ,θ_SWC）の値の組が同一にならないように、第一から第三の計測断面を設定するものとする。
   Ｒ：坑井の半径、Ｅ：地盤のヤング率、μ：地盤のポアソン比、
   Ｄ_{max_1}：第一計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
   Ｄ_{min_1}：第一計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
   Ｄ_{max_2}：第二計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
   Ｄ_{min_2}：第二計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
   Ｄ_{max_3}：第三計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も大きい最大径の長さ
   Ｄ_{min_3}：第三計測断面の、基準円直径に対する歪み量が最も小さい最小径の長さ
   ｒ₁：坑井の中心から第一計測断面までの距離、
   ｒ₂：坑井の中心から第二計測断面までの距離、
   ｒ₃：坑井の中心から第三計測断面までの距離、
   θ_{swc_1}、θ_{swc_2}、θ_{swc_3}：基準方位とサイドウォールコアの掘削方向とのなす角
   ω_{max_1}：坑井の掘削方向と、第一計測断面における最大応力の作用方向となす角
   ω_{max_2}：坑井の掘削方向と、第二計測断面における最大応力の作用方向となす角
   ω_{max_3}：坑井の掘削方向と、第三計測断面における最大応力の作用方向となす角
2. 前記地盤を、前記坑井の内周面から該坑井の掘削方向とは異なる方向にくりぬいて複数のサイドウォールコアを採取し、これら複数のサイドウォールコアにおいて前記第一、第二及び第三の計測断面を設定する、請求項１に記載の地殻応力測定方法。
3. 前記複数のサイドウォールコアにおいて、各サイドウォールコアを採取した際に前記地盤をくりぬいた方向が前記坑井の基準方位に対してなす角が、相互に異なる、請求項２に記載の地殻応力測定方法。

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