H13年度分成果報告会
生産手法分野の研究開発⑤生産シミュレータ開発担当

産業技術総合研究所
西日本技術株式会社
地熱技術開発株式会社
現代企画社

産業技術総合研究所
地圏資源環境研究部門
山口 勉

Phase1における生産シミュレータ開発の基本的な方針
nMH開発に特有の物理的・化学的現象を抽出し、モジュール群を作成して専用シミュレータに提供
nnnnn

圧密挙動評価モジュール
生成分解速度評価モジュール
浸透率評価モジュール
平成13年度は、モジュール群の基本設計と、事例調査

モジュール群は一時的に既存シミュレータに組み込んで検証
nn

平成13年度は既存シミュレータの調査モジュール群と既存/専用シミュレータの調整は「統合化」が担当

生産シミュレータ開発のアロー図
フェイズ1 モジュールの検証

フェイズ2 モジュールの改良

計算モジュール群
圧密挙動評価モジュール
生成分解速度評価モジュール
浸透率評価モジュール
生産井評価モジュール

既存シミュレータ(一時作業用）

専用シミュレータ

生産シミュレータ圧密挙動評価モジュールの開発
n研究開発内容nnn

ＭＨ層変形メカニズムの解明
入力パラメータ取得のための室内実験
圧密挙動評価モジュールの構築

安定した生産海底上部層n

平成13年度の研究内容
nn

軟弱地盤の圧密特性と解析事例の調査
圧密挙動評価モジュールの基本設計

気固液3相

ＭＨ層

下部層

有効応力の変化→変形？

圧密挙動評価モジュールの基本設計
n

水溶性天然ガス田における経験nn

ＭＨ生産nnnn

対象-ＭＨ層（土粒子・ＭＨ・水・メタン）
影響因子-温度、応力（拘束圧）状態、含水状態、間隙水圧等
特に、MH層の力学的物性の温度依存性、MHの相変化が重要

平成13年度nn

影響因子は、主として間隙水圧であり、圧密挙動は有効応力により支配される。

MH生産開始前の状態としてＭＨ層は飽和多孔質媒体とし、土粒子と水（固液２相）の挙動を検討
n
連成解析には、Biotの２相混合体理論を用いた。
n
ＭＨ層の応力-ひずみ関係を表現するモデルは、非線形モデル、弾・粘塑性モデルの２つとした。

平成１４年度以降の計画案
nnnn

ＭＨ層の強度等の温度依存性を室内実験によって把握（Ｈ14〜Ｈ15）
実験によって把握した温度依存性をモデルへ組み込む（Ｈ15〜Ｈ16）
融解したメタンガスの影響を室内実験によって把握（Ｈ15〜Ｈ16）
気個液３相を連成した解析モジュールの構築（Ｈ17〜Ｈ18）

凍土の変形特性・一軸圧縮強度と温度の関係

生成分解速度評価モジュールの開発
生産シミュレータ開発

室内実験

n

塩・イオン・微粒子・分解促進剤等の存在と流れの条件を考慮したハイドレートの分解条件ならびに分解速度を予測する評価モジュールを開発する。

メタンガス回収
分解開始条件の実測
分解速度の実測

海底岩盤

n

分解フロントの移動

ハイドレート層岩盤

流れがある条件下におけるメタンハイドレート分解挙動
孔隙レベルでの分解速度
堆積層レベルでの分解速度目標

平成13年度nn

nn

生産量の予測産出結果に基づくモデルの修正

n生成分解速度評価モジュールの基本設計
メタンと水のみが存在する条件下における分解開始条件サブモジュールの作成
既存実験データを用いた精度の検証
分解速度に影響する流体力学条件の抽出とMH分解過程観察実験装置の製作
ハイドレート生成確認予備実験

生成確認予備実験結果
入力パラメータ：周辺流体（海水）
n
流速場
n
圧力場
n
温度場
n
微粒子
n
（微量ガス成分）n（塩（イオン））n（分解促進剤）

応答パラメータ：ハイドレート粒子＋周辺流体
n
熱移動
n
物質移動n
界面でのハイドレート分解（生成）速度

温度:279K, 圧力:5MPa,
Re:20〜200

出力nメタン生成（放出）速度浸透率評価モジュールの開発
生産シミュレータ開発

室内実験

n

堆積層内の熱・物質移動及びハイドレートの分解、堆積層の圧密による浸透率変化を 予測するための数値解析手法および評価モジュールを開発する。

メタンガス回収海底

相対浸透率の実測
分解時の流動特性

岩盤

圧密
n

分解・吸熱

ハイドレート層
岩盤
産出試験のフィードバック
浸透率のスケール効果
パラメータの最適化処理

熱・物質移動解析手法
ガス−水系混相流動
飽和率、浸透率、相対浸透率の評価
不飽和、非定常解析

目標

平成13年度
浸透率評価モジュール開発の準備段階として、堆積層内における熱・物質移動を考慮した浸透流解析手法、及びそれに必要なデータ類、パラメータ類を整備する。
n

浸透率評価モジュールの基本設計

n

多孔質体内熱・物質移動の数値解析手法

n

物理領域メッシュデータの作成n

各種パラメータの検討

nパラメータスタディー（浸透率、飽和度など）

浸透率評価モジュールの基本設計
n

堆積層内の熱・物質移動及びハイドレートの分解、堆積層の圧密による浸透率変化を予測するための数値解析手法および評価モジュールを開発する。
H 1 3 -H 1 4H14飽和流動条件
H 1 4 -H 1 5

H 1 5 -H 1 6モデル実 験流 動 ・反 応 解 析 手 法

H 1 5 -H 1 6

不飽和流動条件ﾌ ｨ ｰ ﾙ ﾄﾞ試 験
H17-H18

ス ケ ー ル 効 果 、パ ラメー タ最 適 化
Ｍ Ｈ分 解 、圧 密 に よ る浸 透 率 変 化
浸 透 流 評 価 モジュー ル

浸透流解析パラメータ

浸透流解析手法 の開発

熱 ・物 質 移 動 解 析 手 法

多孔質体内熱・物質移動の数値解析手法
n

メタンハイドレート貯留層の解析では、混相流体の流動解析に加えて、熱収支、熱伝達などの伝熱解析が不可欠。

熱移動現象の定式化

生産システムメタンガス回収Cpa = F ( T, S, p)
ha = Cpa・T

海底岩盤

圧密

分解・吸熱

ハイドレート層
岩盤

熱移動
伝熱、熱伝達
発熱、吸熱

物質移動
混相流動
反応、変換完全連成手法
物質移動現象の定式化
Q = K △p A / L
S = F ( p, S0)
v = F ( d, S )各種要素の定式化
飽和度 saturation
Sh + Sw + Sg = 1
孔隙率 porosity
Pm + Ph + (1 - St) = 1
絶対浸透率 permeability
Q = K A △p / L
相対浸透率
Kr = f (K, S, P, pc）

質量バランス
質量保存
運動方程式
熱バランス
熱力学法則発熱、吸熱
流動解析
混相流体
反応解析
ＭＨ生成・分解物理領域メッシュデータの作成
浸透流評価モジュールの基礎となる物理領域メッシュデータの作成、及び解析実施のためのパラメータ整備。
injection
production

400m
Z-axisn

500m
Gas hydrate0m

X-axis200m

600m
Y-axis３次元解析メッシュデータ＜110×110×70要素＞

物理的領域の作成

坑井

Z
Y

海底面

X

地質条件
水文条件の設定パラメータの設定

初期条件
境界条件の設定

断層、軟弱面ハイドレート層２次元解析メッシュデータ
パラメータ・スタディn

透水性に関するパラメータとして、ハイドレート層の絶対浸透率や相対浸透率の飽和度における変化が支配
的nこれらの値は現時点では把握できておらず、今後のモデル実験やフィールド実験を基に構築

n

単純なモデルを用いて、絶対浸透率や相対浸透率、飽和度等のパラメー
タの変化による生産性の違いを確認

相対浸透率,-パラメータ・スタディ (浸透率、飽和度）

10.90.80.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0Rl
Rv

00.2

0.4

0.6

0.81

相対浸透率 ,-飽和度,-1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0Rl
Rv

00.2

0.4

0.6

0.8

Saturation(%)

5.0 x 10 -14

Permeabilty of Methane Hydrate(m 2 )5.0 x 10 -13

50.0

case11acase11b80.0

case12acase12bcase12c100.0

case13a50.0

case21acase21b

case21c80.0

case22acase22bcase22c92.5

case23acase23bcase23c100.0

case24a1

飽和度,-

5.0 x 10 -12

パラメータ・スタディ結果例
飽和度の経時変化
Ａ

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0RlRv

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Ｂ

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0Rl
Rv

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1day

29day
飽和度 50%
飽和度 80%既存シミュレータの調査
FEHM

TOUGH2

STAR

開発者

米国ロスアラモス国立研究所のZyvoloski博士を中心としたグループ

米国ローレンスバークレー国立研究所のPruess博士を中心としたグループ

米 国 Maxwell社の Pritchett博士

用途

地下水流動解析一般（地熱、核廃棄物地層処分、地下水汚染他）。
日本国内では特に高温岩体の解析に多く利用されている。

地下水流動解析一般（地熱、核廃棄物地層処分、地下水汚染他）。
国内では特に地熱貯留層解析に多く利用されている。

地下水流動解析一般（主として地熱）
国内では地熱貯留層解析に多く利用されている。

プログラム言語FORTRAN90

FORTRAN77

FORTRAN77

モデルの離散化手法

有限要素法

積分有限差分法

積分有限差分法

ソースコードの提供○
任 意の フレーム（PC、EWS、大型汎用機、スーパーコンピュータ）でコンパイルし利用可能○
任 意のフレーム（PC、EWS、大型汎用機、スーパーコンピュータ）でコンパイルし利用可能△
EWS、PC等でコンパイルして利用可能。民間企業のシミュレ
ー タ な の で 、 FEHM や
TOUGH2に 比べるとコードの利用制限が考えられる。

ソースコードの改良○
シミュレータがソースコードで提供されているので、任意のモジュールを組み込む事が可能。米国内外の研究者を集めたワークショップが定期的に開催されている。 TOUGH２に比べると研究者が少ない。

○
シミュレータがソースコードで提供されているので、任意のモジュールを組み込む事が可能。米国内外の研究者を集めたワークショップが定期的に開催されている。米国内外で研究者が多い。

△

項目

FEHMや TOUGH2に比 べると、ソースコードの公開度は低いとされる。改良はMaxwell社に依頼が必要。

既存シミュレータの調査結果
n

既存シミュレータは、モジュール動作確認用に一時的に使用
MHシミュレータとして確立されたものはない
地熱シミュレータがベースとなり得る

n

検討対象シミュレータ＞信頼性が高い

nn

nn

ソースコードが公開されている＞改変しやすい
nn

FEHM、TOUGH2

メタンハイドレート計算機能＞研究用として付加された実績
nn

FEHM、TOUGH2、STARFEHM、TOUGH2

FEHM
nn

現在の生産シミュレータ開発サブグループ内において、既に地熱での長期に渡る利用実績がある改変に関して実績を有する

シミュレータの統合化
n

平成13年度nn

FEHMをベースとしてn メ
タン関連のパラメータの整理
n メ
タン関連のサブルーチンの整理
n パラメータ・スタディ

平成14年度
サブルーチン改造/モジュールの組込みに伴う上記２項目の整理
n FEHMを用いたパラメータ・
スタディn