高温岩体フラクタル亀裂ネットワーク内の物質と熱移動の解析

本研究では、高温岩体内に形成された人工亀裂貯留層の挙動と寿命を評価することを目標に、亀裂系における流体、エネルギー及び化学物質移動の連成現象に関する数値モデルを構築するとともに、シリカの溶解・析出による亀裂の開口幅の空間分布の時間的変化を予測し、高温岩体人工亀裂貯留層における長期熱水循環の移動現象について解明するものである。研究成果は以下のようである。本問題を単純化し、数学的に取り扱いやすくするために、以下の仮定をする。高温岩体内の人工亀裂は、数mm以下の薄い開口幅の平板状である。亀裂内には、シリカ溶液が満たされ、液体の流れは擬定常で速度水頭は無視できるほど小さく、流れはダルシーの法則に従う。また流速は厚さ方向に一様に分布する。流れによる物質及び熱の移動は非定常で、移流拡散により支配され、温度及びシリカ濃度は厚さ方向に一様に分布する。岩石マトリクス内では、浸透率と流体貯留容量は無視できるほど小さく、熱移動は非定常で伝導支配である。岩石マトリクスは非圧縮性である。亀裂と岩石マトリクス間では、熱の移動は伝導により支配され、亀裂と岩石マトリクス境界での熱抵抗は無視できる。境界面における水と岩石の相互作用によるシリカの溶解と析出は、温度のみの関数である。また、岩石はシリカ(石英)でのみ構成されるものとする。上記の仮定の基に、亀裂内の流動方程式、熱移動方程式、物質移動方程式、岩石マトリクス内の熱移動方程式を表し、差分法により解いた。限られた条件の下での計算結果ではあるが、次のことが明らかにされた。(1)シリカの溶解に伴う亀裂開口幅は、還元点近傍の流速の速い領域よりも、その外側の流速の遅い領域で顕著に増大する。(2)シリカの溶解に伴う亀裂開口幅の増大による亀裂浸透性への影響は極めて小さい。(3)亀裂内の局所的シリカ溶解量は少ないが、その量が全て生産点へ集中することになるので、生産点でのシリカ累計産出量は無視できないほど多くなり、生産井内及び地上配管内でのシリカの析出による閉塞の障害が懸念される。

本研究では、高温岩体内に形成された人工亀裂貯留層の挙動と寿命を評価することを目標に、亀裂系における流体、エネルギー及び化学物質移動の連成現象に関する数値モデルを構築するとともに、シリカの溶解・析出による亀裂の開口幅の空間分布の時間的変化を予測し、高温岩体人工亀裂貯留層における長期熱水循環の移動現象について解明するものである。研究成果は以下のようである。本問題を単純化し、数学的に取り扱いやすくするために、以下の仮定をする。高温岩体内の人工亀裂は、数mm以下の薄い開口幅の平板状である。亀裂内には、シリカ溶液が満たされ、液体の流れは擬定常で速度水頭は無視できるほど小さく、流れはダルシーの法則に従う。また流速は厚さ方向に一様に分布する。流れによる物質及び熱の移動は非定常で、移流拡散により支配され、温度及びシリカ濃度は厚さ方向に一様に分布する。岩石マトリクス内では、浸透率と流体貯留容量は無視できるほど小さく、熱移動は非定常で伝導支配である。岩石マトリクスは非圧縮性である。亀裂と岩石マトリクス間では、熱の移動は伝導により支配され、亀裂と岩石マトリクス境界での熱抵抗は無視できる。境界面における水と岩石の相互作用によるシリカの溶解と析出は、温度のみの関数である。また、岩石はシリカ(石英)でのみ構成されるものとする。上記の仮定の基に、亀裂内の流動方程式、熱移動方程式、物質移動方程式、岩石マトリクス内の熱移動方程式を表し、差分法により解いた。限られた条件の下での計算結果ではあるが、次のことが明らかにされた。(1)シリカの溶解に伴う亀裂開口幅は、還元点近傍の流速の速い領域よりも、その外側の流速の遅い領域で顕著に増大する。(2)シリカの溶解に伴う亀裂開口幅の増大による亀裂浸透性への影響は極めて小さい。(3)亀裂内の局所的シリカ溶解量は少ないが、その量が全て生産点へ集中することになるので、生産点でのシリカ累計産出量は無視できないほど多くなり、生産井内及び地上配管内でのシリカの析出による閉塞の障害が懸念される。