表層型メタンハイドレートの研究開発

2022年度研究成果報告会

丹後半島沖で3次元探査中の「かいり」

海底での地中温度の測定

地盤強度調査準備中の「ちきゅう」

海底環境調査に向かう「はくよう3000」

開催日時

12/9

金

13:20～16:30

オンライン（無料、要事前申込み）
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
催

開催形式
主

エネルギー・環境領域 エネルギープロセス研究部門・環境創生研究部門
地質調査総合センター 地圏資源環境研究部門・地質情報研究部門

プログラム及び参加登録
https://unit.aist.go.jp/georesenv/topic/SMH/stmh2022.html

表層型メタンハイドレートの研究開発
2022年度 研究成果報告会■主催

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
エネルギー・環境領域 エネルギープロセス研究部門・環境創生研究部門
地質調査総合センター 地圏資源環境研究部門・地質情報研究部門■ 開催日時2022年12月 9日（金） 13:20～16:30（13:00頃からテスト配信開始予定）■ 開催方式オンライン開催（Zoom Webinarを使用）■ 参加費

無 料 （要事前申込）
11月半ば以降、Webで申し込んでください。
https://unit.aist.go.jp/georesenv/topic/SMH/stmh2022.html

プログラム
13:20～13:30

開催準備、事務連絡等

13:30～13:40

ご挨拶

13:40～13:50

表層型メタンハイドレートの研究開発－2022年度の取組－
産業技術総合研究所 エネルギープロセス研究部門 天満 則夫

13:50～14:00

生産技術の開発の概要と進捗
産業技術総合研究所 エネルギープロセス研究部門 天満 則夫

14:00～14:25

14:25～14:35
14:35～14:55

14:55～15:15

15:15～15:40

15:40～16:00

経済産業省 資源エネルギー庁 石油・天然ガス課 井上 加代子

広範囲鉛直掘削法による回収技術開発の進捗
三井海洋開発（株）事業開発部

望月 幸司

海洋調査の概要と進捗

産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門

佐藤 幹夫

物理探査データの再解析および統合処理
産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門

横田 俊之

表層型メタンハイドレート胚胎域での地球熱学観測
産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門

後藤 秀作

地盤強度調査（酒田沖・上越沖）の概要
産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門
佐藤 幹夫
産業技術総合研究所 エネルギープロセス研究部門 鈴木 清史
環境影響評価の概要と進捗
産業技術総合研究所 環境創生研究部門

16:00～16:15

休憩・ビデオ配信（15分）

16:15～16:30

全体総括※上記内容は11月25日現在の予定です。また、都合により講演名などが変更になる場合があります。
■ お問い合わせ 表層型メタンハイドレート 事務局 （M-smh.office-ml@aist.go.jp）

鈴村 昌弘

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2022年度 研究成果報告会
2022年12⽉09⽇

表層型メタンハイドレートの研究開発

⽣産技術の研究開発の概要と進捗
国⽴研究開発法⼈ 産業技術総合研究所
エネルギー・環境領域
エネルギープロセス研究部⾨
天満則夫
本研究は，経済産業省「国内⽯油天然ガスに係る地質調査・メタンハイドレートの研究開発等事業（メタンハイドレートの研究開発）」の⼀環として実施した。関係各位に対し，謝意を表する次第である。
1

生産技術の開発【目標】
 表層型メタンハイドレートの回収技術に関する調査研究成果の取りまとめ、評価を行い、有望な回収・生産技術を特定する。
 表層型メタンハイドレートの回収・生産に係る要素技術等の研究開発を行い、成果の評価や検証等を通じて、生産システムの具現化に向けた検討を行う。
1年延⻑＜実施スケジュール＞

年度

2019

2020

2021

2022

2023

調査研究の評価、技術の特定に向けた検討
回収・生産技術の研究開発
・要素技術開発
・生産システムの検討

2

表層型メタンハイドレートの回収技術に係る要素技術評価•

表層型メタンハイドレートの⽣産技術に係る「要素技術」（採掘技術・分離技術・揚収技術）の評価を踏まえ、各分野ごとの技術開発及び⽣産システムとして最も優れた組み合わせの検討を実施。

要素技術

共通基盤技術⼤⼝径ドリルを⽤いた広範囲鉛直採掘⽅式をベースとして、他の要素技術(分離/揚収)の組み合わせも考慮し、⽣産システムとして最も優れた組み合わせの検討を進める。

要素技術との組み合わせの検討や⽣産システム
としての検討を⾏う上で必要な技術開発を実施。

採掘技術【膜構造物の利活⽤】
・東京海洋⼤学グループ【貯留層物性・メタンハイドレート分解挙動の検討】
・⿃取⼤学グループ【⼤⼝径ドリルを⽤いた広範囲鉛直採掘⽅式】 ・三井海洋開発グループ
掘削性能に関する陸上試験の結果や技術課題の更なる検討は必要ではあるものの、掘削⾯に対する柔軟な対応が期待でき、操作性や環境負荷の⾯からも⼤⼝径ドリルの検討
を今後は優先すべきである。

分離技術

揚収技術

MH、泥の⽐率が変動するため、現状では海底での分離は困難と考えられる。
⼀⽅で、船上分離⽅式でも分離効率に関する更なる技術検討に加えて泥⽔処理に関する法的整理も進めていくべきである。

どちらの⽅式にも優位性と課題があるため、MH特有の問題を考慮しつつ、他の要素技術(掘削/分離)との組み合わせや全体システムも念頭において技術開発を進めるのが望ましい。

膜構造の利⽤泥層内の分解挙動の把握のための物性測定

要素技術の開発や⽣産システムの検討に必要な調査・研究を実施。
【海洋調査・環境影響評価等】
・産業技術総合研究所 海水サンプリング（CTD-RMS）

ガスリフト⽅式

⽔中ポンプ⽅式（海底熱⽔鉱床パイロット試験の⽔中ポンプ（JOGMEC提供））

精密地下構造探査の⼀例

分子レベルの同位体分析

引き続き、研究開発ステージ毎に評価し、⽣産システムとして最も優れた組み合わせの検討を実施。
【出典】 第38回開発実施検討会 資料5 https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/methane_hydrate/pdf/038_05_00.pdf

3〇表層型MH回収技術（要素技術；掘削技術）の課題について⽀持するライザーの強度

Seafloor

掘削⾯とドリルの接触⾓度

ドリルの回転数、トルク
粒状体の拡散掘削技術の課題
深海底地盤における最適な掘削効率
⼤⼝径ドリル⽅式のための設計基準/機器性能
オペレーション(ガスキック等の対応)

ドリル刃先の形状、
刃先の硬度、刃先の配置

環境影響の低減対策技術(泥・シルトなどの拡散防⽌)4

⼤⼝径ドリルを⽤いた広範囲鉛直採掘⽅式のための陸上試験について【三井海洋開発(株)・⽇本⼤学・北⾒⼯業⼤学・北海学園⼤学】

模擬地盤を⽤いた試験を10⽉20⽇に実施済み。また、⼤型氷を⽤いた掘削性能試験を2023年2⽉に実施する計画。

掘削試験設備図

掘削装置

正⾯図
5

貯留層物性・メタンハイドレート分解挙動の検討 【鳥取大学】
海底⾯下浅層に分布する表層型メタンハイドレートの特徴を踏まえて、メタンハイドレートの分解条件、海底地盤の変形・強度特性を含む地質及び⼟質的な特徴等、要素技術開発及び⽣産システム検討において必要となる共通基盤的な貯留層物性とメタンハイドレート分解挙動を検討。
〇 天然コア試料と市販試料（珪⽯粉末、カオリン及びベントナイト）を使⽤して、MH分解条件などに対する堆積物の影響を検討。スラリー状態では、分解条件に対する影響は⼩さく、粘度に対する影響は鉱物組成により異なる（図(a)、(b)）。
〇 複数のMH胚胎域の調査結果より、深度⽅向の間隙⽐変化は約20mbsfまで減 (a)少し、それ以深の変化は⼩さい傾向は、地点によらずほぼ同様である。酒⽥沖海
底地盤の⼟粒⼦密度と粒度分布は、深度によらずほぼ同じである（図(c)、(d)）。
〇 この他、酒⽥沖海底地盤強度調査により得られたコア試料の炭酸塩鉱物含有量の測定、圧密特性、練返し供試体によ (b)る三軸試験などを実施し、検層結果とのMH分解条件(a)とスラリーの粘度(b)に対する堆積物の影響
対⽐・検討などを⾏った。

(c)

(d)
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表層型メタンハイドレート胚胎域での地球熱学観測産業技術総合研究所
地圏資源環境研究部⾨後藤 秀作

本研究は経済産業省の「国内⽯油天然ガスに係る地質調査・メタンハイドレートの研究開発等事業（メタンハイドレートの研究開発）」の⼀部として実施しました。関係者の皆様に感謝いたします。

1

海底下のメタンハイドレートが存在可能な領域
温度
ガス・⽔領域

海⽔温度

メタンハイドレート相平衡曲線

圧⼒海底
メタンハイドレート
安定領域

地温

BGHS

ガス・⽔領域（フリーガス）
メタンハイドレート安定領域

ガス（メタン）ハイドレート安定領域下限（BGHS）は地温（海底下温度）に強く依存
海底下温度を推定するには「地殻熱流量」データが必要
2

地殻熱流量（熱流量）温度

熱流量

岩⽯・堆積物の熱伝導率

単位︓mW m–2

単位︓W m–1 K–1

単位︓mK m–1

ミリワット

•
•

深さ

地温勾配

ミリケルビン

地下深部から地表に向かって単位時間に単位⾯積を通過する熱エネルギー
地下温度を推定するために必要な情報

3

⽇本周辺海域の熱流量

⽇本周辺海域• 海底⽔温が安定している⼤深度で熱流量計測が多い• 沿岸域では熱流量データが少ない→ 海底⽔温変動のため信頼性のある熱流量計測が困難
酒⽥沖

丹後半島北⽅上越沖

表層型メタンハイドレート研究開発の調査対象域（３海域）• 堆積物は海底⽔温変動の影響を受けてる• 信頼性のある熱流量データが少ない• 熱流量データが存在する場合、海底⽔温変動の影響を受けているか評価が必要
沿岸域で信頼性のある熱流量を計測するには・・・• 海底⽔温変動の影響が⼗分に減衰した海底下深度で堆積物温度を計測

熱流量（mW m–2）

• 堆積物温度から海底⽔温変動の影響を除去

⽥中ほか（2019、⽇本列島及びその周辺域の熱データベース）
を修正・加筆https://www.gsj.jp/data/G01M/GSJ_MAP_TDCJ_2019.zip

4⽬的（1）上越沖海域※• ⻑尺温度プローブを使⽤して海底⽔温変動の影響がない熱流量を計測• 上越沖海域のバックグラウンド熱流量を推定• メタンハイドレート安定領域下限を推定（2）酒⽥沖海域（暫定結果）• ⻑期温度モニタリングにより海底⽔温変動の影響がない熱流量を計測※公表論⽂●堆積物の熱物性計測
Goto, S., M. Yamano, S. Morita, T. Kanamatsu, A. Hachikubo, S. Kataoka, M. Tanahashi, R. Matsumoto
Physical and thermal properties of mud-dominant sediment from the Joetsu Basin in the eastern margin of theJapan Sea, Marine Geophysical Research, 38, 393–407, 2017. https://doi.org/10.1007/s11001-017-9302-y●熱流量計測Goto, S., M. Yamano, M. Tanahashi, O. Matsubayashi, M. Kinoshita, H. Machiyama, S. Morita, T. Kanamatsu, A.
Hachikubo, S. Kataoka, R. MatsumotoSurface heat flow measurements in the eastern margin of the Japan Sea using a 15-m-long geothermal probe
to overcome large bottom-water temperature fluctuations, accepted for publication in Marine GeophysicalResearch.
5

上越沖海域
⻑尺温度プローブを使⽤した熱流量計測（既存データ解析）

6熱流量調査（上越沖海域）
傾斜ロガー◆ 堆積物温度計測▲ 熱伝導率計測● 海底⽔温モニタリング

⽔温R/V Marion Dufresne

2m
温度ロガー
（7個）

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HF6
HF5

数値モデリング

15 m
HF4
HF3
HF2
HF1

町⼭ほか（2009、地学雑誌）
海底⽔温変動の影響がない熱流量データ
7

海底⽔温変動に対する堆積物の熱応答評価

海底⽔温データ
を使⽤して計算【堆積物温度計算の仮定】• 地温勾配︓100 mK m–1• 熱拡散率︓2.39 × 10–7 m2 s–1＜堆積物温度の熱応答＞
海底⾯からの深さが増加すると
 振幅は指数関数的に減衰 位相は遅れる

海底⽔温変動の影響が⼗分に減衰した深さで堆積物温度を計測

2 m 以深の温度を使⽤した地温勾配の誤差は ±2% 以内
8堆積物の温度・熱伝導率
熱伝導率 (W m–1 K–1)

温度

深さ (m)

深さ (m)

2m• 堆積物温度︓海底⾯から 2 m 以上の深さで計測• 地温勾配︓線形• 熱伝導率︓深さの増加にともなって増加• 熱流量

︓熱伝導率の深さ⽅向の変化を考慮した⽅法（Bullard, 1939,
Proc. Royal Soc. London Series A）を適⽤して計算

9

熱流量分布
NW

SE
HF7

HF6

HF5

HF4

HF3

上越海丘

HF2

海鷹海脚 北部〜北東部

熱流量︓上越海丘・海鷹海脚北部〜北東部で 81.1 〜 88.0 mW m–2
特徴︓熱流量は地形的⾼まりで低く、斜⾯下部で⾼い←

地形変化による影響

10地形変化が海底⾯での熱流量に与える影響
斜⾯の下で極⼤

斜⾯の上で極⼩

⼆次元モデル（熱の移動は熱伝導のみ）

⼤きな地形変化がある海域で計測した熱流量 →地形変化の影響を考慮する必要あり
11

熱流量計算モデル
⼆次元有限要素法
モデル上⾯（海底⾯）温度︓0℃
海底⾯

断熱

断熱
2 km
熱伝導率︓1.37 W m–1 K–1
熱の移動︓熱伝導のみ

2 km

モデル下⾯︓⼀定熱流量

海底⾯で計測した熱流量分布を説明することができる
モデル下⾯熱流量（バックグラウンド熱流量）を捜索

12上越沖海域のバックグラウンド熱流量

HF7

HF6

HF5

HF4

HF3

モデル下⾯熱流量

HF2

の設定値

91 mW m–2
85 mW m–2
79 mW m–2

上越海丘

海鷹海脚 北部〜北東部

上越沖海域のバックグラウンド熱流量︓85 ± 6 mW m–2

13

メタンハイドレート安定領域下限
上越海丘

海鷹海脚

メタンハイドレート
相平衡曲線※

0.260°C※Sloan (1998)のソフトウェアを使⽤して計算

メタンハイドレート
相平衡曲線※
海底

0.260°C
海底

メタンハイドレート
安定領域下限の範囲

熱流量
85 ± 6 mW m–2

メタンハイドレート安定領域下限の範囲
海⾯下 1091.4 〜 1113.7 m（海底下 131.4 〜 153.7 m）

メタンハイドレート
安定領域下限の範囲

熱流量
85 ± 6 mW m–2

メタンハイドレート安定領域下限の範囲
海⾯下 1025.5 〜 1047.0 m（海底下 125.5 〜 147.0 m）

14

酒⽥沖海域
⻑期温度モニタリングによる熱流量計測（暫定結果）

15

⻑期温度モニタリング（酒⽥沖海域）

酒⽥海丘（仮称）

地中温度計

海底⽔温計測装置

16

海底⽔温・堆積物温度（酒⽥海丘）

深さの増加とともに振幅は減衰し、位相は遅れる

17

堆積物温度から海底⽔温変動の影響を除去【仮定】• 熱の移動は「熱伝導」のみ• 堆積物はセンサーの深さを境界とする層構造• 各層の物性は⼀定
上位の温度センサーの温度変化（温度変動源）【逆解析】• 上位と下位の温度の時系列データを⽐較• 海底⽔温変動に起因する温度変動成分を除去した堆積物
温度及び堆積物の熱物性を同時に推定

海底⾯

深さ

z5
z4
z3

「熱伝導」で伝播
・振幅の減衰・位相の遅れz2
z1

下位の温度センサーの温度変化

熱流量（暫定）︓69.4 ± 1.1 mW m–2

18

まとめ
（1）上越沖海域• ⻑尺温度プローブを⽤いて海底⽔温変動の影響がない熱流量を決定• 上越沖海域のバックグラウンド熱流量︓85 ± 6 mW m–2• メタンハイドレート安定領域下限の範囲︓
 上越海丘︓海底⾯から 131.4 〜 153.7 m
 海鷹海脚︓海底⾯から 125.5 〜 147.0 m（2）酒⽥沖海域• ⻑期温度モニタリングにより海底⽔温変動の影響がない熱流量を推定• 熱流量（暫定結果）︓酒⽥海丘から離れた地点で 69.4 ± 1.1 mW m–2• 今後、バックグラウンド熱流量とメタンハイドレート安定領域下限を推
定する予定

19

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