メタンハイドレート生産に加熱法は適さないのか？－熱・流体移動特性の解明と評価－

• Project/Area Number: 20K04683
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 吉本 憲正 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (00325242)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中田 幸男 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90274183) ; 梶山 慎太郎 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (50803532)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: メタンハイドレート / 生産 / 熱 / 地盤 / 流体 / 減圧 / 間隙比 / 粒子破砕

Outline of Research at the Start

本研究では，一次元のカラム実験装置を用いて，砂のみ及びMHを含む砂において，熱及び分解したメタンガス等の流体の移動特性を実験的に解明し，それらのモデルを構築する．供試体の周面に低熱伝導素材を用いた真空断熱壁を設け，熱や浸透において一次元の境界条件を満足するカラム実験装置を開発する．その実験装置を用いて，研究目的を達成するように，以下に示す研究計画を実施する．
1. MHを含む砂における熱の移動特性の解明
2. 砂中のMHの分解速度に及ぼす影響要因の抽出と定量的評価
3. 分解したメタンガスの砂中の移動特性の解明とメタンガスと熱移動のモデル化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，海底下のメタンハイドレート濃集層を模擬し，加熱法によるハイドレート分解実験を行うことで，ハイドレート分解中の温度・圧力挙動について調べ，生産時に生じる現象を確認することと試料の熱物性を獲得することを目的としている．加えて，減圧法によるハイドレート分解によって生じる有効応力の変化とそれに伴い生産性に影響する間隙比変化を明らかにすることを目的としている．本研究の現時点での実績として，得られた結果をまとめる．
A)恒温高圧平面ひずみ実験機を用いた加熱分解実験 供試体内にメタンハイドレートを含む場合，砂のみの場合と比べて，温度挙動が変化し一定時間温度が停滞または低下する現象が確認された．メタンハイドレート分解時には圧力上昇がみられ，上昇した圧力が元に戻る瞬間とメタンガス産出率が急激に増加する瞬間が対応していることが確認された．供試体内の温度分布から推定される分解されたメタンガス量の理論計算値と実験での分解メタンガス量の差の検討からメタンハイドレートの再生成が示唆された．砂のみのせん断強度以上の初期せん断応力が作用している状態でメタンハイドレートが加熱分解されると，分解途中で供試体が破壊することが確認された．
B)一次元の温度制御透水カラム実験機を用いた加熱分解実験 一次元の温度制御透水カラム実験機の実験結果から，豊浦砂，Tcの熱挙動には大きな差異がないことが確認され，供試体内にキセノンハイドレートを生成した場合，熱の伝達が早くなることが確認された．熱損失項を考慮した一次元熱伝導解析を実施し，キセノンハイドレート含有砂の加熱分解時の温度特性を概ね表現することができ，逆解析からキセノンハイドレート含有砂の熱伝導率が豊浦砂よりも高いことが確認できた．
C)減圧法を想定した三軸圧縮試験 減圧法を想定した水圧変化を与えた実験を実施し，有効応力と間隙比の関係を取得した．

Research Products

• [Int'l Joint Research] China University of Geosciences(中国)
• [Int'l Joint Research] Beijing Univ. of Technology(中国)
• [Journal Article] Hydrate dissociation and mechanical properties of hydrate-bearing sediments under local thermal stimulation conditions (2023)
  • Author(s): Yoshimoto, N., Wu, Q., Fujita, K., Kajiyama, S., Nakata, Y. and Hyodo, M.
  • Journal Title: Gas Science and Engineering Volume: 116 Pages: 205045-205045
  • DOI: 10.1016/j.jgsce.2023.205045
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental Investigation of the Mechanical Properties of Methane Hydrate-Bearing Sediments under High Effective Confining Pressure (2022)
  • Author(s): Xu, J., Xu, C., Yoshimoto, N., Hyodo, M., Kajiyama, S. and Huang, L.
  • Journal Title: Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Volume: 148 Issue: 3
  • DOI: 10.1061/(asce)gt.1943-5606.0002728
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] メタンハイドレート生産に関わる最近の室内試験および模型実験 (2020)
  • Author(s): 中田幸男, 吉本憲正, 米田純, 梶山慎太郎, 中島晃司
  • Journal Title: 地盤工学会誌 Volume: 68 Pages: 19-22
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 平面ひずみ条件下でのメタンハイドレート含有砂のせん断特性に及ぼす載荷速度の影響 (2021)
  • Author(s): バトオチルトムルドラム, 呉起, 吉本憲正
  • Organizer: 第73回土木学会中国支部研究発表会
• [Presentation] 平面ひずみ条件下におけるメタンハイドレート胚胎砂のせん断速度依存性に及ぼす細粒分の影響 (2021)
  • Author(s): 呉起, 吉本憲正, 中田幸男
  • Organizer: 第56回地盤工学研究発表会
• [Presentation] Effect of fines content and hydrate saturation on the shear rate dependence of methane hydrate-bearing sediments (2021)
  • Author(s): Wu, Q., Yoshimoto, N., Tumurdulam, B., Kajiyama, S., Nakata, Y. and Hyodo, M.
  • Organizer: the 31st (2021) International Offshore and Polar Engineering Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Image Analysis of Natural Gas Hydrate-bearing Sand during Shear with Different Plane Strain Shear Rate (2021)
  • Author(s): Wu, Q., Yoshimoto, N., Nakano, N., Kajiyama, S., Xu, J. and Nakata, Y.
  • Organizer: the 3rd International Symposium on Coupled Phenomena in Environmental Geotechnics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-dependent behaviors study on natural gas hydrate-bearing sediments under plane strain shear test (2020)
  • Author(s): Wu, Q., Yoshimoto, N., Nakano, N., Kajiyama, S., Xu, J., Nakata, Y.
  • Organizer: the 30th (2020) International Offshore and Polar Engineering Conference
  • Int'l Joint Research