従来のパッカーシステムを用いた注入試験による断層帯亀裂の潜在的最大透水量係数の検証と水理力学応答の解析

Verification of the highest potential transmissivity of a fault-zone fracture by injection tests using a conventional packer system and analysis of hydromechanical responses

石井 英一   

Ishii, Eiichi

孔内検層でフローアノマリとして検出されるような高透水性の断層帯亀裂は過去のせん断誘発膨張により形成された水みちのネットワークが亀裂内に既に存在するため、そのような亀裂の透水量係数はたとえ亀裂内に新たなせん断破壊が生じてもそれ以上有意に上昇しないことが推定される。本研究はこの推定の妥当性を検証するために、幌延地域の鉛直ボーリング孔内でフローアノマリとして検出された泥岩中の断層帯亀裂を対象に高圧注入試験を実施した。試験は注入中に生じる断層帯亀裂のせん断変位を従来のスライド式ダブルパッカーの圧力を計測することによりモニタリングする新たな手法を適用した。注入試験により、同亀裂に対して、(1)ゆっくりすべり(0.001mm/s以上)に後続する急速なすべり(0.04-0.05mm/s以上)、(2)これらのすべり後のせん断強度と亀裂の垂直剛性の低下、および(3)注入後の0.40-0.47mm以上の不可逆的なせん断変位を与えることができた。これらのせん断すべりの前後で通常の低注入圧のもと透水試験を行った結果、同亀裂の透水量係数に有意な違いは認められなかった。これらの結果は、フローアノマリーとして検出されるような高透水性の断層帯亀裂はたとえ再活動しても透水性がそれ以上有意に上昇しないことを示唆し、岩石強度と応力状態から断層帯亀裂の潜在的最大透水量係数を推定する既報の経験則を支持する。

Major conductive fault-zone fractures already involve the network of flow paths developed by past shear-induced dilation, and therefore the transmissivities are inferred to no longer increase significantly even if shear failure newly occurs within those fractures. This study verifies this inference by injection tests for a fault-zone fracture in mudstone which was detected as a flow anomaly by flowing-fluids electric conductivity logging in a borehole at the Horonobe area, Japan. The tests applied a new method where shear displacement along the fault-zone fracture during injection is monitored by measuring pressures of conventional straddle-sliding-packers. For the fracture, the tests yielded a fast slip ( 0.04-0.05 mm/s) following a slow slip ( 0.001 mm/s), reduction of shear strength and fracture normal stiffness after those slips, and irreversible shear displacement of 0.40-0.47 mm after injection. Comparing the transmissivities of the fracture before and after these shear slips shows no significant difference. These results suggest that the transmissivities of fully conductive fault-zone fractures are unlikely to significantly increase further even if the fractures reactivate, which supports the previous empirical model to estimate the highest potential transmissivities of fault-zone fractures from the rock strength and stress condition.