メタンハイドレート資源開発研究
資源量評価分野の研究開発
平成13年度研究成果報告会
平成14年7月2日
石油公団 石油開発技術センター

02/07/02

平成13年度研究成果報告会＠TRC

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メタンガスハイドレート分解挙動
予測モデルの開発• モデルの概要• モデルの改良• ケーススタディ• 海外調査報告• 総括• 今後の課題・予定
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モデルの概要 - モデル開発の目的• ハイドレート層からのガスの生産を予測可能とするシミュレータの開発
Mallik3L-38号井で計画されている生産テストのシミュレーション² Mallikテスト後の結果解析のシミュ
レーション²02/07/02

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モデルの概要 - モデルの基本機能• メタン・水の2成分系のモデル• ガス・水相の流動はDarcyの式に従う• 岩石粒子とハイドレートは流動しない• ハイドレートの分解はKim-Bishnoi（分解速度論）の式に従う• ハイドレートの分解による吸熱反応、対流や熱伝導による熱の移動を考慮
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モデルの改良 - シミュレータ開発経緯
2000年3月 : 1次元直交プロトタイプシミュレータ(東大）² 2次元円筒座標モデル化、² ソルバーの強化² ハイドレート飽和率の陰的取り扱い、² 坑井境界条件（生産井）² 計算アルゴリズムの改善

2001年3月 : 2次元円筒座標モデル (JNOC）² 3次元直交座標モデル化、² メタノール圧入機能² 複数坑井の取り扱い（圧入井、水平坑井を含む）、² 熱水循環機能

2002年3月 : 3次元直交座標モデル (JNOC）
専用シミュレータ（産総研）
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モデルの改良 - 改良概要
改良シミュレータ（2次元円筒・3次元直交座標）

現行シミュレータ（2次元円筒座標）

フルフィードガス

定温閉境界
メタンハイドレート

定圧境界

単一坑井テスト

定温閉境界

減圧生産

コア実験

水平坑井

熱ハイドレート層

上部層

ガス生産井

熱ハイドレート層
フリーガス層02/07/02

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6３次元直交座標系への拡張
r 3次元グリッド用Jacobian行列の構築²²²

水・ガスの2つの質量保存式、エネルギー保存式を3次元直交グリッド用に差分化
差分式からJacobian行列を構築するルーチンを作成作成したJacobian行列をソルバーに解かせるためのインターフェースを作成

r 圧入井を含む複数坑井への対応²²

坑井制約条件式の追加ソルバーとのインターフェースの作成

検証：
解析解・CMG社GEMの結果と比較
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熱水循環に対応した計算機能の付加
r 坑底温度を境界条件の1つとして扱うことで対応

Q e = 2π rw hH w (T BH − T BLOCK )r 時間 vs. 坑底温度のテーブルを入力
テーブル
60Day Temp
20.00.2

32.40.8

44.8

1.4

53.0

2.059.2

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M50
温度, ℃0.040

各入力点間の温度は補間して計算

30

20
00.5

1時間, day

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1.528

メタノール圧入に対応した計算機能の付加
r 水相中のメタノール濃度をトラッキングすることで対応
三相平衡圧力, MPa

200

水相

メタノールを含む水相

150

100
メタノール濃度0%
メタノール濃度X%

500270

各ステップ毎にメタノールを含む水相の移動を追跡し、グリッド中のメタノール濃度を計算∂ (φSW ρ W C)
r= −∇ ⋅ (ρ W Cu W )∂t02/07/02

∆T

280

290

300

310

320

温度, K

ハンマーシュミットの経験式による平衡曲線の移行

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その他の改良r 外部熱流出入計算機能付加
グリッドの温度低下と共に外部温度も低下させ、外部からの熱流入量を適正に評価

r 岩石圧縮率の考慮
孔隙率を圧力の関数として表現し、モデル中に岩石圧縮率を考慮

r 不均質岩石熱伝導率の定義
各ブロックの岩石熱伝導率を個別に定義できるように変更
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ケーススタディ• 減圧法 - 垂直坑井
• 減圧法 - 水平坑井
• 温水循環法 - 垂直坑井
• 熱水圧入法 - 垂直坑井
• メタノール圧入法 - 垂直坑井

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ケーススタディ例：温水循環法
生産井

1 km
1 km

14 m

1 km

生産井

X方向最小グリッド幅 = 0.7 m

平面図02/07/02

断面図
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計算結果例（圧力、温度）(KPa)

圧力（y=1断面 190日後）
02/07/02(K)

温度（y=1断面 190日後）

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計算結果例（ハイドレート飽和率）

ハイドレート飽和率（z=6断面 190日後）
02/07/02(分率)ハイドレート飽和率（y=1断面 190日後）

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海外調査報告 - 海外調査の概要
目的• 米国におけるMHシミュレータ開発の現状調査• （MH開発･生産関連研究の現状調査）• （日本との共同研究の可能性の調査）
日程• 2001年9月10日：University of Calgary, Imperial Oil• 2002年3月18日~22日：Lawrence Berkeley Nationallaboratory (LBNL), Westport Technology Center,
Los Alamos National laboratory (LANL),
Gas Technology Institute (GTI)
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海外調査報告 - シミュレータ開発の現状（1/3）
nU. of Calgary² 分解速度論を提唱（Bishnoi教授）² 状態方程式（EOS）プログラムは整備² フローシミュレータは無し（Settari教授も含め来年度以降構築予定）

nImperial Oil² Stars（CMG社）の化学反応項を利用してMHシミュレーションが実施可能であると示唆

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16海外調査報告 - シミュレータ開発の現状
（2/3）
nLBNL
² TOUGH 2のMHバージョンを開発→３次元、多成分、2相流、平衡論に基づく² 分解速度論的取り扱い、自動ヒストリーマッチング機能の付加を検討² 共同研究相手にはソースコードを提供

nWestport² 数値モデルはHouston大学Mohantie教授と共同で開発予定² 将来的にはLamdmark社のソフトとの統合も考慮

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海外調査報告 - シミュレータ開発の現状
（3/3）
nLANL
² FEHMのMHバージョンを開発中→３次元、水成分、２相流、２重孔隙･浸透、CVFE、フレキシブルグリッド² MHバージョンを試作中→３成分、３相、EOS、流動相（フラクチャー ）・ハイドレート相（マトリクス）n

GTI² シミュレータは無し² 数値計算はIllinois工科大学Arastoopour教授と共同で研究予定

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総括 （１/２）
n昨年度までに開発したモデルを改良し、以下の計算機能を付加した。解析解・市販シミュレータの計算結果との比較を通し、これら新規機能が正しく動作することを検証した。
² ３次元直交座標系への拡張² 加熱水循環･加熱水圧入に対応した計算機能の付加² 外部熱流入出量計算ルーチンの導入² メタノール圧入に対応した計算機能の付加² その他の改良（岩石圧縮率の導入、不均質岩石熱伝導率の定義）

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総括 （２/２）
nn

改良モデルを使用し、フィールドスケールのシミュレーション･ケーススタディを実施した。その結果、改良モデルがフィールドスケールのシミュレーションに十分適用可能であることが確認された。
2度の海外調査を実施し、米国におけるMHシミュレータ開発、MH関連研究の現状についての知見を得た。
² MH分解･生産フローシミュレータを開発･所有しているのはLBNL（TOUGH 2）のみである。
² コア実験、特にCT-Scanの利用を研究項目の中心に据えている機関が多いが、コア内にハイドレートを作成した経験があるのはLBNLのみである。
² Westport、GTIは日本との共同研究を希望している。

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今後の課題･予定
nn

今後は、計算速度･精度の向上、計算機能の追加（塩成分、ハイドレート再生成、坑井内挙動、等）、要素モジュールの付加を実施し、更なるシミュレータ改良に勤める。
（グラフィック）入出力機能、使用説明書、等を整備することで、現行シミュレータを商業化できる可能性はある。

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