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砂層型メタンハイドレートフォーラム 2019

生産挙動予測圧力コアリング～天然サンプルを採取し分析する技術～
MH21-S研究開発コンソーシアム（MH21-S）
貯留層評価チーム 米田純 (AIST)
2019年12月3日（火）東京大学 伊藤国際学術研究センター 伊藤謝恩ホール

2目次• 研究背景：なぜ圧力コアリングか？
• 圧力コアリングの歴史• 分析装置の紹介• 主な研究成果• まとめと今後の予定

研究背景: コア分析とは？ 科学的・工学的問いへ答えるためのエビデンス
天然の地層サンプルを採取して、水理・力学・化学的特性等を把握すること
メタンハイドレートの量は？
⇒原始資源量、生産量

隙間はどれくらいあるの？
⇒浸透率・力学強度

いつ頃堆積したの？
⇒MHシステム

5cm

硬いの？脆いの？
⇒強度・変形・圧密

水やガスの流れ易さは？
⇒浸透率、生産予測

間隙水の成分は？
⇒環境対策、水処理

粒子の大きさは？
⇒出砂対策

メタンハイドレートを含むコア：海底面深度約1000m、海底下約300mで採取

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4

研究背景: コア分析結果の利活用方法とは。
• 地層の状態を理解する←採取方法の検討• 直接的にハイドレートの量を推定できる。←原始資源量の把握へ• 各種シミュレーションの入力パラメータにする。←信頼性の向上（MH飽和率、水和数、浸透率、熱伝導率、力学強度・剛性、密度 等々）“Direct measurement of in situ methane quantities
in a large gas-hydrate reservoir”(Ocean Drilling Program Leg 164)

深さ

The Pressure Core Sampler (PCS)
を使って、MHを含む地層サンプルを採取。
コア分析結果を利用して、貯留域のメタm単位
km単位ン量を推定した。
メタン(mol)
cm単位

検層では、電気抵抗、密度、PS波速度、自然ガンマ線、NMR等の深度方向分布
コアデータが出力される。
MH飽和率(イメージ図)
100%

100%

←深さ方向

【Dickens et al., 1997, Nature】

例②：検層対比←深さ方向＜様々な利用例＞
例①：メタンハイドレートの量の推定

貯留域

対比前

対比後

研究背景: コア分析 メタンハイドレート分解の様子（直径５㎝の圧力コア、温度５℃、減圧法、境界条件：拘束無）安定領域から出ると分解が始まる。

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研究背景: コア分析 分解後のサンプルの様子
半割
断面写真

発砲痕
X線CT画像断面AT1-C-16C, 302.0 m~

減圧後のコアはMHの分解による発砲痕が多数存在。試験種目は限られる。

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圧力コアリングと分析装置の歴史

最初の実施は1983年。これまで20回近く実施されている。
コアラ―も改良や新規開発が繰り返され、圧力保持率やコア回収率が向上している。
圧力コアリング
DSDP Leg 76

ODP

IODP

IODP

US India

PCS(Pressure core sampler)

PCB(Pressure core barrel)

China

FPC(Fuguro pressure corer)& HRC (HYACE rotary corer)

Korea

China

China

Korea

JapanPTCS(Pressure Temperature corer system)
Japan

Japan

HPTC

(High pressure temperature corer) India

China China

Hybrid-PCS & PCTB

(Pressure coring tool with vall valve)

Japan

Japan

US

圧力コア分析
分解ガス測定 De-gassing

非破壊試験（P波速度、X線画像等）
圧力コアを用いた試験
浸透率、力学強度等
各種室内試験

1985

模擬MHコアによる試験：浸透率、力学強度等
1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

(Boswell, Waite & Yoneda, 2018, Marine and Petroleum Geologyを編集)

2005年、2011年に技術的ブレイクスルーが有り、圧力コアを用いた試験が可能に。
以後、天然サンプルを用いた原位置のパラメータ取得が進められている。

圧力コアリング

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HPTC III: 圧力容器Autoclave
引揚げると保圧される掘削リグでの作業の様子
約1300m下のMH貯留層へバルブ閉

出所：JOGMEC

圧力コアリング

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掘削リグ
クレーン

クレーン

25HoistAutoclave取出し Iceバス
圧力チェックIceバス
降下10Iceバス

PCATS

輸送

Iceバス

ｺｱﾘﾝｸﾞ

Methane hydrate

20

引揚げ

1525（出所：JOGMEC）

Iceバス

20

X線画像、P波速度、密度
PCATS(GEOTEK)

圧力 (MPa)

圧力 (MPa) 温度(℃)

ドリルパイプ

Autoclave

産総研へ

151055

Methane & Water

0000

1

2

3

経過時間 (h)

45

保管

6
試験

510

温度 (℃)

1520

分析装置群：PNATs (Pressure-core Nondestructive Analysis Tools)
圧力コア実験低温室内

圧力容器保管庫

X線CT装置

浸透率測定
実験室

圧力コア実験低温室

凍結コア保管容器

圧力容器内のコアを取出し、X線CT・P波速度・嵩密度の測定を実施⇔船上データと比較

1011

分析例：圧力コアの分析計画☑P波速度からMH含有量を推定
嵩密度P波速度(m/s)(g/cm3)

11.5

22.533.5

海底下320m 01000
01010202030302000

3000

4000

☝MH有無判定の基準

Core length (cm)

☑X線画像で品質をチェック
船上

下船後

X線
透過画像

X線
透過画像

☑カットプランを策定

下船後
X線
CT画像

浸透率測定
接触非破壊計測

浸透率測定
404050

50

浸透率測定

6060

力学強度測定7070

80

MH水和数測定PCATS onboard

PCATS onboard

PNATs onshore-lab 80

PNATs onshore-lab（Yamamoto et al., 2018, Fire in the ice）

各種試験結果の紹介：基礎物性評価
MH含有堆積物の基礎物性評価：IPTC(Instrumented pressure testing chamber) コーン
非接触計測では様々な PS波速度及びコーン貫入抵抗ノイズが入るため、直接コアに触れて、信頼性のサンプル高いデータを得る。
加えて、コーン貫入抵抗値より、地層のせん断強コーン貫入試験後のコアの度を測定することができ計測機器 様子【10MPa水圧環境】
る。
ガスハイドレートの基礎物性評価【ラマン分光分析・XRD結晶構造解析】

例えば、MHの理論化学式: CH4・5.75H2O
水和数5.75は包摂率100%の場合実際は6~6.2程度。
ラマン MHの密度の計算には、単位結晶構造の大きさも重要☞MH飽和率の確度を高める。

1213

各種試験結果の紹介：力学特性、熱物性☑MHの分解による強度低下を定量化

圧縮強度 (MPa)12MH飽和率73%☑模擬試料では実現が難しかった高MH飽和率の強度を取得

MH飽和率0%赤：圧力コア青：模擬試料108

三軸圧縮

6MHによる固結力

42
一軸圧縮

00

☑貯留層強度を評価

海底地盤
応力下の強度

20406080
MH飽和率 Sh (%)

100（Yoneda et al., 2018, MPG)

熱伝導率 (W/mK)

3☑幅広いMH飽和率を持
つコアの熱物性を取得

2.521
MH含有堆積土
直列モデル
分布モデル

0.50

熱物性測定用センサー☑熱伝導率の予測には分布モデルが有効

1.500.20.4

MH分解後堆積土
並行モデル

0.6

MH飽和率 (%)

0.81☑熱伝導率はMH飽和率から独立している（Muraoka et al., 2018, MPG)

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各種試験結果の紹介：浸透率
MH飽和率の影響評価
10

赤：圧力コア
黒：模擬試料11

浸透率変化

圧力コアを設置MHによる浸透率変化

10

圧密の影響評価

0.1

0.01
0.001
0

高圧用
アクリルセル

20406080100

MH飽和率 (%)

透水させる

ゴムで被覆された圧力コア☑圧力コアの透水試験を実施
し、浸透率を測定☑MH分解前後の浸透率を評
価☑高浸透率であることが判明

0.1

圧密の影響で浸透率低下

0.010.001
051015（Yoneda et al., 2018, MPG)

地盤内有効応力 (MPa)☑減圧に伴う応力変化を再現☑堆積層によって低下具
合は異なる☑圧密の影響による浸透率低下を定量評価（Yoneda et al., 2018, MPG)

15

MH分解後のコア分析：貯留層の初期状態を把握
1.E+06メタン濃度(%)
99.96 99.97 99.98 99.99☑ガス組成を分析

100

1.E+05C1/(C2+)275
280

海底面下深度(m)☑深度による差異を確認☑メタンの発生起源を
把握

285
290

微生物分解
起源ガス

1.E+04
1.E+03混合ガス

1.E+02

295
300

熱分解
起源ガス

1.E+01305

1.E+00310-80315-60-40-20

δ13C of CH4 (‰, VPDB)

320（Kida et al., 2015, MPG)

120

110

粘土

100

MH分解後もサンプルは貴重☑浸透率予測へ活用

Shepard's diagram (1954)

clay

9080

☑貯留層モデルの作成に貢献

7060sandsilt-clay

5040☑出砂対策装置選定の基
礎データ

3020sand10silt

砂0010silty sand20304050

シルト

sandy silt
60708090100110120（Ito et al., 2015, MPG)

MH分解後のコア分析：貯留層の初期状態を把握
磁化異方性

粒度/鉱物分析

古流向解析及び浸透性の異方性を分析し、地層性状評価に利用

粒子の大きさや鉱物の種類を分析し、層序柱状図の作成

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古地磁気
酸素同位体比層序と比較し、堆積年代の推定に利用
微化石分析
堆積年代や堆積環境の推定、酸素同位体比層序に利用

微生物分析
脂質バイオマーカーの分析、培養実験によるメタン生成活性評価、堆積物の遺伝子解析（出所：JOGMEC)

減圧後のコアから、各種分析用のサンプルを採取、分析

コア分析結果の利用：MH集積メカニズムの解明へ

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解釈

・ホライゾン解釈
・BSR解釈・濃集帯解釈・深度変換

・メタン起源・岩相・地質年代・TOCとHI・古水深・海底面温度・ヒートフロー

モデル構築
パラメータ決定シミュレーション・温度・圧力キャリブレーション
・MH安定領域
・BSR
JOGMEC (2017)（出所：JOGMEC)

結果

Fujii et al. (Interpretation, 2016)
doi.org/10.1190/INT-2015-0022.1

まとめ• 圧力コア分析技術は過去１０年の間に成熟し、MH貯留層が持つ物理特性の把握が可能となってきた。
• 生産シミュレータによる予測が信頼性の高いものとなるよう、データの蓄積と理解、活用が重要。

• 長期陸上産出試験地のコア分析にも本技術が基礎となる各種分析が実施されており、生産設備設計及び長期生産挙動予測に資するデータの蓄積を進めている。

今後• ２０１８年に第２回海洋産出試験地で採取した圧力コアサンプルの分析を継続し、試験結果の検証作業を実施• 長期陸上産出試験地の詳細な貯留層評価へ貢献• 試掘におけるコア取得・分析を検討

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謝辞
本資料は、経済産業省の委託により実施しているメタンハイドレー
ト研究開発事業において得られた成果に基づいています。
以下の関係先に謝意を表します。
経済産業省 資源エネルギー庁 資源・燃料部 石油・天然ガス課
MH21-S研究開発コンソーシアムの委託業務先各社
地元関係者他、作業・研究等に協力いただいた皆様

ご清聴ありがとうございました。