2019年1月22日第11回（12：30－14：00）

メタンハイドレートの探査と生産

・メタンハイドレートの探査・生産手法

・メタンハイドレートの賦存域、資源量

1

メタンハイドレートの探査

石油・天然ガス探査と基本は同じ• 地震探査

• 試掘

メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム http://www.mh21japan.gr.jp/mh/03-2/

地震探査で、メタンハイドレート特有の反射面（BSR）を探す

2

日本周辺海域におけるメタンハイドレート起源BSR分布図

メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム http://www.mh21japan.gr.jp/mh/03-2/ 3

メタンハイドレート濃集帯の探査手法

BSR(海底疑似反射面)

→面積

タービダイト砂泥互層の分布

強振幅反射波

高速度異常

→貯留層の体積

検層・コアリング

→MHの品位

4メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム http://www.mh21japan.gr.jp/mh/03-2/

世界の研究開発プロジェクト

東アジア、南アジア

北米

欧州

5

アメリカ合衆国

DOE, DOI等が中心となり、資源・科学の両面から研究開発を推進

• GOM JIP

• 産官共同プロジェクトとして、メキシコ湾で2度の掘削調査を実施

• Leg I (2005)

• Leg II (2009)

2012 IGNIK SIKUMI GAS HYDRATE FIELD TRIAL

• ConocoPhillipsがJOGMEC, DOE協力のもと、アラスカでガス生産試験を実施

GOM^2

• テキサス大学オースティン校の主導のもとメキシコ湾でハイドレート調査研究を推進

• 2014-2020：$80.9 million (funded by DOE, Industry, etc.)

6

メキシコ湾のハイドレート分布（BOEM Fact Sheet Red-2012-01）

ヨーロッパ

SUGAR Project (Germany)

• Federal Ministry of Economics and Technology、Federal Ministry of Education and Researchが主導(2008-2014)

• 海域でのガス生産とCO2貯留を組み合わせた手法を研究開発

MIGRATE (18カ国)

• COST (European Cooperation in Science and Technology, 欧州科学技術研究協力機構) Actionとして、2015年発足

• ①欧州の資源量評価、②探査・生産・観測技術の評価、③環境リスクアセスメント、 ④欧州水域での産出試験準備(e.g. Black Sea)を推進

• 若手人材の支援にも重点

CAGE (Norway)

• トロムソ大学に設立、2012年COEに指定

• 北極圏のハイドレートを調査、海洋環境・気候システムへの影響を研究

7

MIGRATE HP(https://www.migrate-cost.eu/home)

中国

Guangzhou Marine Geological Survey (GMGS)• 国家中長期科学技術発展規画綱要（2006-2020）が規

定する先端技術として、海洋技術分野において天然ガスハイドレート開発技術を選定

• 南シナ海における3度の掘削調査を実施• GMGS-1（2007年）

• GMGS-2（2013年）

• GMGS-3（2015年）

• 日本に次いで世界2例目の海洋産出試験を実施(2017)

Scientific Drilling Project in the Qilian Mountain permafrost

(チベット高原永久凍土地帯)• China Geological Surveyによる掘削調査(2008-2009)を

実施

8

GMGSの調査海域（Yang et al., Fire in the Ice, 2015）

中国が実施した海洋産出試験

China Geological Survey (中国)• 2017年、南シナ海において、水深1266 m、海底下203-277 mのシルト層のメタンハイドレートを分解・生産

• 減圧法による生産• ガス累計生産量： 309,000 m3 (60 日間)

9

Ministry of Land and Resources People’s Republic of China, 2017 China Mineral Resources Hao, Z., Fei, H., Hao, Q., & Liu, L. (2017). China

Has Successfully Conducted its First Pilot Production of Natural Gas Hydrates. ActaGeologica Sinica (English Edition), 91(3), 1133-1134.

インド

National Gas Hydrate Program (NGHP)• DGH (The Directorate General of Hydrocarbons, インド炭化水素局)が主導

• 2度の掘削調査を実施• NGHP-01（2006年）

• NGHP-02（2015年）

NGHP-02は日・米の協力のもと実施

• NGHP-03で海洋産出試験を計画

10

有望海域(Collett et al., Marine and Petroleum

Geology, 2014)

韓国

Gas Hydrate Drilling Expedition• National Gas Hydrate R&D Program (2005-2015)のもと、対馬海盆における2度の掘削調査を実施

• UBGH-1(2007)

• UBGH-2(2010)

• 海洋産出試験を計画中

（当初予定2015年、現在計画見直し）

11

調査海域（Ryu et al., Marine and Petroleum

Geology, 2013）Fracture-filling in mud (Vein type)

(Ryu et al., Marine and Petroleum Geology, 2013)

資源としてのメタンハイドレート

浸透性を有した地層に濃集していることが条件• 永久凍土・海域の砂層

12

The gas hydrate resource pyramid.(Boswell, Science 2009)

Permeability vs. gas hydrate saturation(Boswell and Collett, Fire in the Ice, 2016)

メタンハイドレートの賦存量と回収可能な資源量

技術的に回収可能な量は全体の1/10

13Boswell and Collett, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 1206–1215

メタンハイドレートの生産手法

減圧法• 坑井内の水を汲み上げることで、坑井と導通したハイドレート層を減圧し、分解させる手法

加熱法• 坑井内に温水を循環させるなどの方法でハイドレート層を加熱し、分解させる手法

インヒビター圧入法• 坑井からメタノール等の化学物質をハイドレート層に圧入し、平衡条件を低温高圧側にシフトさせ分解させる手法

stable

unstable

Initial condition

Equilibrium curve

生産手法と平衡条件の関係

14

エネルギー収支

経済的・環境的観点から減圧法が有望

15(メタンハイドレートフォーラム 2016)

投入可能なエネルギーは限られている

エネルギー資源単位体積当たりの熱量比較

減圧法の原理

メタンハイドレート貯留層に導通する坑井を掘削

坑井内の水頭を下げることで減圧しハイドレートを分解

ハイドレートを含む砂層の顕熱と周囲地層からの伝熱により分解熱を供給

減圧法によるメタンハイドレート層からのガス生産

温度圧力の経路

16

生産手法の研究開発コア実験

（cm スケール）

大型室内産出試験（m スケール）

数値シミュレーション（室内スケール）

数値シミュレーション（フィールドスケール）

貯留層評価で得たインプットデータ

産出試験の計画・立案挙動解析

要素モデルの検証パラメータの導出

相互比較

29(メタンハイドレートフォーラム 2016)

インプットデータの取得：検層

• 坑井内にツールを降下させ、貯留層特性を推定

• 岩相• 堆積物の種類

• 孔隙率• 空間の割合

• 飽和率• 空間中のハイドレートの割合

• 浸透率• 流体の流れやすさ

コア解析と相互比較

18(メタンハイドレートフォーラム 2016)

• Proton nuclear magnetic resonance (NMR)

• 水が飽和している孔隙を把握する手法

• 経験式から浸透率を推定

• Pressure and mobility measurements

• 地層の圧力を直接測定する手法

19

検層による浸透率の推定

PressureXpress, Schlumberger

Kleinberg et al., JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 108, NO. B3, 2137

インプットデータの取得：圧力コア解析

コア(堆積物試料)から貯留層特性を計測

• 岩相

• 孔隙率

• 飽和率

• 浸透率

• 力学特性

• 化学分析• ガス組成等

20

(メタンハイドレートフォーラム 2016)

圧力コアリング

コア収納部をバルブで閉じ、保圧機構を作動させることで、原位置に近い圧力を保持したままコアを採取する技術

21

多少の温度上昇は許しても、

圧力は保持

⇒ハイドレート安定領域内に維持

(JAMSTEC HP: http://www.jamstec.go.jp/cdex/e/developtec/coring/category03/)

(Inada and Yamamoto, Marine and Petroleum Geology 2015)

PNATs-X

X線による非破壊観察• 運用温度：4 ℃

• 運用圧力：10 MPa

• 計測最大コア長：1.2 m

ピクセル当量長：60-70μm(最小で約29μm/画素)

① ② ③① ② ③

(Jin et al., Energy and Fuels 2016)

PNATs-TACTT

アクリル製3軸試験装置Geo-mechanical property

Permeability

P&S wave velocities

(Yoneda et al., Rev. Sci. Instrum. 2013)

(Yoneda et al., MPG 2015)

PNATs-AIST-IPTC

プローブタイプ原位置特性計測装置P-wave velocity

S-wave velocity

Electric resistivity

Cone penetration

ATR-IR (Hydrate saturation) etc.

オリジナル版IPTCを開発したジョージア工科大・USGSとの共同研究のもと、産総研が製作・改良

(Santamarina et al., Scientific Drilling, 2012) (Jin et al., Energy and Fuels 2016)

解析例

ハイドレート飽和率：最大約80%

ハイドレート胚胎砂層の浸透率：1-100 md• 既往研究より2～3桁大きな値

原位置の貯留層特性を推定

25

(メタンハイドレートフォーラム 2016)

Konno et al., Mar Pet Geol., 2015, 66, 487-495.

浸透率とハイドレート飽和率の関係

ハイドレート飽和率 (%)

浸透

率(m

d)

凍結圧力コア（流動試験、Konno et al., 2015）

凍結圧力コア（圧力緩和試験、Yoneda et al., 2015）

圧力コア（流動試験、Priest et al., 2014）

圧力コア（流動試験、Santamarina et al., 2015）

検層（圧力緩和試験、Fujii et al., 2015）

生産挙動予測シミュレータ

MH21-HYDRES：MH21のもと、東大・日本オイルエンジニアリング株式会社・産総研が共同開発

• 多成分・多相を扱うレザバーシミュレータ

• コアスケールからフィールドスケールまで対応

• ガス・水の生産挙動、貯留層内のハイドレート分解挙動、圧力・温度・飽和率分布を予測

26

(メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアムHP)

室内実験との比較検証に基づく理論構築

国内外実フィールドへの適用実績

世界トップレベルの精度・機能・安定性

ハイドレートの分解・生成モデル

平衡条件とのフガシティー差を駆動力とする速度論モデル

27

Kim-Bishnoi Equation (1987)

( ) ][4, gePBCHdissoc fTfAKn −=

∆−=

RTEkK dB exp0

( )egPFgp ffAKn −=

Mahendra B. et al., (1997)

浸透率モデル

ハイドレート・氷飽和率の増加に浸透率の低下を表すモデル

28

NIHdd SSkk )1(0 −−=

浸透率:dk絶対浸透率:0dk

飽和率MHSH :氷飽和率:IS浸透率の低下次数:N

N値は経験値浸透率の低下割合とハイドレート・氷飽和率の関係

コア実験

実際の堆積物を模擬し作成した人工コアやフィールドから採取した天然コアを用いて、各種要素試験を実施

試料サイズ：直径:5 cm, 長さ:10 cm程度

29

流動挙動・分解挙動等を評価

X線CT装置による分解過程の観察(メタンハイドレートフォーラム 2016)

大型室内産出試験

フィールド挙動を室内で再現するため、メタンハイドレート用室内試験設備を開発

High-pressure Giant Unit for Methane-hydrate Analyses (HiGUMA)

内容積：1710 L （世界最大）

試料収納部：内径1 m、高さ1.1 m

30

律速因子*解析に基づき、設計・開発

フィールドを模擬した生産挙動を取得し総合的な解釈を実施

*通常の小さなコア実験と実フィールドでは、スケールの違いにより、ガス生産の律速因子が異なる

大型室内産出試験装置：HiGUMA

(メタンハイドレートフォーラム 2016)

コア実験との相互比較例

ガス・水の生産量、圧力・温度の変化などを再現

31(今野義浩、博士論文、東京大学、2008)

グリッドシステム

フィールド試験の解析：第1回産出試験

世界で初めて海洋で実施された産出試験の生産挙動をMH21-HYDRESを用いて数値解析

貯留層評価に基づき構築したモデルを用いることで、分解範囲・主要な生産層等を推定

32

ガス生産レート 水生産レート

実測値実測値

シミュレーション シミュレーション

(メタンハイドレートフォーラム 2016)

第1回産出試験の坑井地質モデル

33

(Konno et al., Energy & Fuels, 2017, 31, 2607-2616.)

貯留層内の圧力・温度・ハイドレート飽和率・ガス飽和率の分布（計算結果）

34

(Konno et al., Energy & Fuels, 2017, 31, 2607-2616.)

中長期挙動予測

時間の経過とともに生産レートが増加すると予測

第2回海洋産出試験では

この傾向を確認できず

原因の究明

より長期の産出試験

35(Konno et al., Energy & Fuels, 2017, 31, 2607-2616.)

増進回収法の開発

加熱• 熱水圧入

• 坑井加熱

• 強減圧

ケミカル圧入

水圧破砕（Hydraulic fracturing）

36

Schematic of hydraulic fracturing

これまでの課題

減圧法の回収率は40%前後

（分解できないハイドレート有）

目標

天然ガス並の回収率60～80%

（すべてのハイドレートを分解）

0.51.0

1.52.0 2.5

2.5

3.0

3.5

4.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80Effective Permeability (mD)

9

10

11

12

13

14

Initi

al T

empe

ratu

re (

C)

Y. Konno et al., Energy & Fuels, 24(12), 6353-6358 (2010).

High permeability

High tem

perature

2.04.06.08.0

10.0

PF (billion yen)

Productivity contour map

Productivity

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

271 272 273 274 275 276 277

Pres

sure

(MPa

)

Temperature (K)

CSMGem (Sloan and Koh, 2008)

強減圧法の原理と課題

H-Lw-V

H-I-Vquadruple-point

H-Lw-I-V

MHの3相平衡曲線MHの4重点：272.9 K, 2.56 MPa

これまでの課題

1. 氷の生成経路・生成速度

Q. MHは氷とガスに分解するのか？

水とガスに分解した後、氷になるのか？

Q. 氷の生成速度は？

2. 氷生成とガス生産速度

Q. 氷生成はガス生産にとって有利なのか？不利なのか？

プラス面：生成潜熱の供給

マイナス面：流路の閉塞，包晶

MH分解潜熱（氷生成なし）：51.9 kJ/mol @273 K氷生成過程のMH分解潜熱：13.6 kJ/mol @273 K

4重点下まで強減し、氷生成潜熱をハイドレートの分解に利用する手法

室内実験による検証

人工MHコア（φ5cm, L15cm）を用いた減圧分解実験を実施• ガス・水生産レート

• コア内部の温度・圧力を計測

Konno et al., Energy Fuels 2012, 26, 4310−4320.

Rubber sleeve

Movable end plug

(for axial pressure)

Pressure cell

Surrounding jacket

Production

Spacer

Hydrate core

Sensor taps

Brine for confining pressure

Brine circulation for cooling

541

mm

130 mm

250 mm

80 mm

377

mm

Confining pressure

Rubber sleeve

Movable end plug

(for axial pressure)

Pressure cell

Surrounding jacket

Production

Spacer

Hydrate core

Sensor taps

Brine for confining pressure

Brine circulation for cooling

541

mm

130 mm

250 mm

80 mm

377

mm

Confining pressure

実験結果

分解過程で氷が生成することを確認通常減圧に比べ、強減圧では約2倍のガス生産を確認

Konno et al., Energy Fuels 2012, 26, 4310−4320.

2.1MPa (強減圧)

2.9MPa(通常減圧)

ガス累計生産量の比較

分解過程の圧力・温度履歴

実験とシミュレーションの相互比較

水を経て分解することを確認

氷生成速度を実験的に導出

氷生成による潜熱供給が生産に寄与していることを確認

室内実験・シミュレーション相方から強減圧法の効果を確認

-1

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250 300 350 400Time (min)

Tem

pera

ture

( ℃)

T1(Exp.) T2(Exp.) T3(Exp.)T1(Sim.) T2(Sim.) T3(Sim.)

-1

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250 300 350 400Time (min)

Tem

pera

ture

( ℃)

T1(Exp.) T2(Exp.) T3(Exp.)T1(Sim.) T2(Sim.) T3(Sim.)

コア内部温度の比較

氷とガスに直接分解するモデル 必ず水を経て分解するモデル

Konno et al., Energy Fuels 2012, 26, 4310−4320.

コア内のMH・氷飽和率分布

水

ガス

ポンプ

泥質層

坑井

氷生成・

発熱

メタンハイドレートを含む砂層

大型装置による強減圧法の検証

氷の生成熱を利用した、新たな熱供給手法を開発• 通常の減圧法に比べ、約2倍の回収率（65%）を達成

既往研究

氷による地層流路閉塞の懸念

（減圧が継続できなくなる）

結果

熱供給のメリットが上回る

（減圧が継続できる）

強減圧法

約2倍

室内産出試験装置による回収率の検証

温度

圧力

低圧まで減圧

氷生

成領

域

(Konno et al., RSC Adv., 2014)

通常の減圧法

4.0 MPa

3.1 MPa

2.5 MPa

2.1 MPa

初期地層温度と分解温度の差 (K)

回収

率(%

)

メタンハイドレート堆積物の水圧破砕実験

人工的に作成したメタンハイドレートコア• Ф: 50 mm, L: 70 mm

• 豊浦砂 (孔隙率: 38%)

• ハイドレート飽和率：72%

コアホルダー（圧力容器）• 3軸応力付加型

X線 CT装置• Voxel size: 250 μm

42

Konno et al., RSC Adv. 2016

5.1

MPa

6.1 MPa

5 ml/min

水圧入時の破砕挙動

圧入圧が 8.0 MPa超に増加した後、 急速に水平方向の拘束圧の5.1 MPaまで低下フラクチャーの発生

圧入レートは 5 mL/mで一定

浸透率の増加を確認

43

Konno et al., RSC Adv. 2016

Injection pressure

Injection rate(Max: 5ml/min)

5.1

MPa

6.1 MPa

5 ml/min

Lateral confining pressurefracture

Tensile failure

Water

まとめ

メタンハイドレートを資源としてとらえた研究開発が各国で実施され、その賦存量や技術的/経済的に回収可能な量が推定されてきている

生産（回収）手法は、室内実験、数値シミュレーション、現場実験を通じて研究開発が進められ、減圧法が有望と考えられている

技術的に回収可能であることを証明するため、より長期にわたり安定的に生産できる技術を開発する必要がある

経済的に回収するためには、生産増進技術の開発が必要である

44