光ファイバーセンシング（DAS）技術活用の最前線～最新の技術動向と新たな応用分野への期待～【2024年11月20日 講演サマリー 笠原氏】

©2024 Junzo Kasahara | Engineering Advancement Association of Japan （ENAA）
（本コンテンツの著作権は、笠原 順三様に帰属いたします。）

DAS (Distributed Acoustic Sensor)の原理とその応用と地熱探査への適用

講師：一般財団法人 エンジニアリング協会　首席研究員、静岡大学　客員教授
笠原 順三 氏

ファイバー中の光の散乱スペクトルとインテロゲーター

　光ファイバ中に光を入れると、ファイバーにかかる温度や振動による歪の個所で散乱し入射点も戻る（Backscattering）。その散乱光の位相、振幅と戻ってくる時間を計測することにより各位置の温度や振動、ひずみが計測できる。

ファイバー中の光の散乱スペクトル

DASのインテロゲーターシステム

DAS（Distributed Acoustic Sensor)とは

  • 光ファイバーを分布型音響センサー(1m～15mなど）として使用
  • 光ファイバー中での入射レーザー光が地震波により後方散乱したものの計測
  • 戻ってくる時間で場所がきまる(例えば1ms）
  • 光のレーリー散乱強度を測定することによりファイバーにかかる歪(あるいは歪速度）がわかる
  • 地震計として利用可能(歪速度と地動速度の変換可能）
  • シングルモードの光ファイバーを使用(マルチモードも利用可能）
  • 通信用光ファイバーも使用可能
  • 500℃までの高温下での使用が可能
  • DTS（Distributed Temperature Sensor）による温度測定

　＜ 応用分野 ＞
　・石油・天然ガスパイプラインの監視
　・地震波の観測：地震の観測、地下構造探査、地熱探査、
　・シェルガス開発、CO2地中貯留モニター（CCUS）、石油開発
　・道路通行状況の監視（通信用光ファイバーの利用）
　・国境警備
　・トンネル、ダムの監視など

地下構造のイメジング手法

  • 地震波の到達時刻を用いた地下地震波の縦波、横波速度分布の決定（走時インバージョン）
  • 地震波の反射を用いたイメジング（マイグレーション、Reverse time migration）
  • 全地震波形インバージョン(FWI)
    ・過去石油・天然ガスにおけるEOR、Time Lapseにおいてはグリーン関数の相反定理に基づき変化分の残差波形を逆伝搬した（Kasahara and Hasada, 2016)
    ・波形インバージョンにより物性も推定する
    ・Adjoint法は残差波形と震源波形の相互相関から対象物の物性に関するsensitivity kernelをつくる（Tromp et al, 2005)
    ・Tromp らに従い計算プログラムを作成し、シミュレーションを行った

DASによる断裂系捕捉の概念

DASによる調査8地点の坑井水平偏移と温度分布結果

最高計測温度は288℃であった。
温度分布は地質、地下構造によって変化するので一様な地熱温度勾配を示さない。

光ファイバーDTSとDASを用いて得られた結果：地熱坑井内の温度とVp分布の結果

光ファイバーDTSとDASを用いて得られた結果：地震波の反射強度の3Dイメジング

色の赤いほど地震波の反射強度が大きく、地熱貯留層の存在を示唆する。

地熱地帯の地震波反射強度

結論と謝辞

  • 光ファイバーを用いた温度計測と地震動の計測の評価を行った。
  • その結果、十分な感度とダイナミックレンジ、極め低いノイズレベルであることが分かった。
  • 阪神高速道路で通信用光ファイバーによる交通状態のモニターを行った。
  • 地熱探査に応用し８か所で調査を実施した。
  • 地熱探査に有効性があることを示した。
  • 室内実験装置により高温（500℃）、高圧（25MPa）の超臨界水の環境下で光ファイバーの評価試験を行い、使用可能であるとの結果を得た。
  • 今後高温、高圧下での温度、地震動、歪の分布型センサー(1m～15ｍ間隔で）として遠距離(～200km)までの広範囲な計測への応用ができるであろう。
  • 本研究は機械システム振興協会及びNEDOのプロジェクトとして実施できたことに謝意を表する。
  • 本調査において、電力中央研究所、メデイポリス地熱発電所、三菱マテリアル、北海道電力、出光興産、九州電力、東北自然エネルギー各社のフィールドおよび保持地熱関連データを使用した。

講師プロフィール

一般財団法人 エンジニアリング協会　首席研究員、静岡大学　客員教授
笠原 順三 氏

略歴：名古屋大学理学研究科 地球物理専攻修了、理学博士東京大学地震研究所助手・助教授、教授を経て東京大学名誉教授
ハワイ大学地球物理研究所客員准教授、客員研究員、日本シュルベルジェ部長、日本原子力研究開発機構研究員、日本大陸棚調査（株）常任顧問、（株）地球科学総合研究所・NTTデータCCS（株）・川崎地質（株）技術顧問、東京海洋大学客員教授などを経て、現在　静岡大客員教授、エンジニアリング協会首席研究員

著者物：「地震発生と水」東大出版会、笠原ほか、編著、2003.等　東大出版会　計３冊
-Kasahara, J. et al., ed., “Active geophysical Monitoring”, Elsevier Pub., Netherland, 600 pp., 2019.-Kasahara, J., and Hasada, Y., Time lapse approach to monitoring oil, gas and CO2 storage by seismic methods, Elsevier Pub., Netherland, 199pp., 2016.　等計4冊。
研究分野：応用地震学

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