CN111492121B - 甲烷气体生产设备和甲烷气体生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于：提供能够从大范围的甲烷水合物层中有效地生产甲烷气体的甲烷气体生产设备等。解决手段在于：在从甲烷水合物层MHL中生产甲烷气体的甲烷气体生产设备中，第一水平坑井22沿着甲烷水合物层MHL设置，压入水供给部303、34向第一水平坑井22供给使二氧化碳气体分散在水中而得到的压入水。第二水平坑井21沿着通过与二氧化碳置换而从甲烷水合物中放出的甲烷上升移动过来的区域设置，减压抽吸部301通过在第二水平坑井21内抽水而减压，并抽吸含有甲烷的水，气液分离部31从所抽吸的水中分离甲烷气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种从甲烷水合物层中生产甲烷气体的技术。
背景技术
作为非传统(unconventional)型的资源，存在于深海和冻土层的甲烷水合物(也称为气体水合物)受到了关注。甲烷水合物是在低温、高压的条件下以向水分子的笼结构(包合物)内吸收了以甲烷分子为主要成分的客体分子的状态存在的固体状的物质。
作为从该甲烷水合物中生产甲烷的方法，已研究了利用加热或减压使甲烷水合物分解而回收所放出的甲烷气体的方法。
然而，对于加热法来说，从经济的观点考虑，大范围地使广泛分布于深海或冻土层的地下深处的甲烷水合物层成为加热状态是难以实现的。
另外，利用减压法生产甲烷气体与加热法相比，经济性优异，但在甲烷水合物层减压时，需要汲取甲烷水合物分解时所生成的大量的水。因此，也必须考虑排水处理的问题、地面下沉的问题等。
另外，还已知甲烷水合物可以吸收例如二氧化碳(CO2)而成为稳定的状态的同时，释放甲烷。
也研究了利用该特性，通过向甲烷水合物层注入例如液体CO2，由此以吸收了CO2的状态来维持水合物层，同时使甲烷气体得到释放并回收的技术(例如专利文献1)。
进一步而言，关于液体CO2的注入技术，在专利文献2中记载了如下的技术：使成为比构成甲烷水合物层的地层的间隙更小的微粒的液体CO2分散在水中，以乳液的状态使其在地层中被吸收，由此容易使液体CO2扩散。
这样，关于利用CO2的甲烷气体的生产技术，已从各种观点出发进行了开发，但依然没有实现实用化。在这个方面，开发能够从广泛分布的甲烷水合物层以更高效地生产甲烷气体的技术的余地大。
此外，在专利文献3中记载了如下的技术：在甲烷水合物沉积层内以上下成对的方式设置水平坑井，向这些水平坑井供给热水或水蒸气，使一对坑井间的甲烷水合物分解而降低流动阻力后，将热水或水蒸气的供给源切换成只是下部侧的水平坑井，另一方面，从上部侧的水平坑井收集含有甲烷气体的气泡的水，进行气液分离，由此回收甲烷气体。
然而，该技术如上所述，就加热甲烷水合物的方面而言，无非还是上述的加热法，从经济性的观点考虑问题较大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/061027号
专利文献2：日本专利第5748985号公报
专利文献3：日本专利第3899409号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是在这样的背景下完成的发明，其提供一种能够从广泛的甲烷水合物层中高效地生产甲烷气体的甲烷气体生产设备和甲烷气体生产方法。
用于解决课题的技术方案
本发明的甲烷气体生产设备的特征在于：在从甲烷水合物层生产甲烷气体的甲烷气体生产设备中，具有：
第一水平坑井，其沿着上述甲烷水合物层设置；
压入水供给部，其为用于向该第一水平坑井供给压入水，来使上述压入水经由上述第一水平坑井压入周围的甲烷水合物层，上述压入水是使二氧化碳气体分散在水中而得到的；
第二水平坑井，其沿着上述第一水平坑井的上方侧的区域设置，上述压入水中的二氧化碳被甲烷水合物吸收、通过与该二氧化碳置换而放出的甲烷上升移动至上述第一水平坑井的上方侧的区域；
减压抽吸部，其通过在上述第二水平坑井内抽水而减压，经由该第二水平坑井内从周围的甲烷水合物层抽吸含有甲烷的水；和
气液分离部，其从使用上述减压抽吸部所抽吸的水中分离甲烷气体。
上述甲烷气体生产设备还可以具有以下的特征。
(a)上述压入水供给部具有使二氧化碳气体以直径10nm～1μm的分散体的状态分散在上述压入水中的二氧化碳分散部。被上述二氧化碳分散部分散了的二氧化碳气体以超临界流体的状态包含在上述压入水中。
(b)上述压入水供给部将使二氧化碳气体分散在利用上述气液分离部分离甲烷气体后的水中而得到的压入水供给至上述第一水平坑井。
(c)上述第一水平坑井与第二水平坑井之间的高度方向的距离在5～50m的范围内。
发明效果
本发明设置沿着甲烷水合物层延伸且以彼此成为上下关系的方式配置的多个水平坑井(下方侧的第一水平坑井、上方侧的第二水平坑井)，对上方侧的第二水平坑井的周围进行减压，利用甲烷水合物的分解进行甲烷气体的生成，并且利用与在下方侧的第一水平坑井侧压入的压入水中的二氧化碳的置换作用，从甲烷水合物中放出甲烷气体。作为该结果，能够利用减压和二氧化碳的置换两者的效果，遍及设置有水平坑井的广大区域能够高效地生产甲烷气体。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的甲烷气体生产设备的构成例的说明图。
图2是表示使用第一、第二水平坑井从甲烷气体水合物层收集甲烷气体的状况的作用图。
图3是表示第一、第二水平坑井的其他的构成例的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的甲烷气体生产设备的构成进行说明。本例的甲烷气体生产设备例如能够从形成于海底(水底)和冻土地带的地层GL的下层侧的甲烷水合物层MHL生产甲烷气体。
图1中表示了从存在于海底的甲烷水合物层MHL生产甲烷气体的甲烷气体生产设备的构成例。
在图1所示的例子中，拥有甲烷水合物层MHL的地层GL例如位于水深为数百米以上的海底，甲烷水合物层MHL位于比该地层GL的海底面向下数十米～数百米左右的下方侧。
本例的甲烷气体生产设备利用向上述甲烷水合物层MHL供给含有与甲烷置换的CO2的压入水的第一水平坑井22和抽取所流入的水而吸收含有甲烷气体的水并对周围进行减压的第二水平坑井21，进行来自甲烷水合物层MHL的甲烷气体的生产。
在拥有甲烷水合物层MHL的海底设置有与进行压入水的供给的压入水供给管12连接的基部121，并且从该基部121开始设置有向甲烷水合物层MHL延伸的垂直坑井部220。在该垂直坑井部220的下部，利用逐渐使挖掘角度倾斜的公知的水平挖掘法，在甲烷水合物层MHL内的所希望的位置形成有第一水平坑井22。
例如，第一水平坑井22具有在以沿着甲烷水合物层MHL水平延伸的方式设置的坑井内配置由钢管形成的套管并且利用水泥固定套管的周围的公知的结构。第一水平坑井22的长度例如为500～1000m。
在第一水平坑井22内，由相对于套管和固定其的水泥沿着周向的多个穿孔、或沿着第一水平坑井22的延伸方向隔开间隔设置的多个沙筛等构成的开口部221沿着该套管的延伸方向彼此隔开间隔设置于多个部位(图1中表示了利用穿孔构成开口部的例子)。
利用该构成，第一水平坑井22的内部成为与周围的甲烷水合物层MHL连通的状态，能够将通过压入水供给管12供给的压入水向第一水平坑井22的周围压入。
在设置有上述的第一水平坑井22的上方侧的区域，设置有以沿着第一水平坑井22的延伸方向延伸的方式配置的第二水平坑井21。
关于第二水平坑井21，在从设置于海底且与进行抽水的上升管11连接的基部111向甲烷水合物层MHL延伸的垂直坑井部210的下部侧进行水平挖掘的方面，在配置有被水泥固定的长度例如500～1000m左右的套管的方面，在沿着该套管的延伸方向隔开间隔的多个部位设置有由穿孔或沙筛构成的开口部211的方面，都与上述的第一水平坑井22的构成基本相同。
作用说明如后所述，第二水平坑井21配置于通过在第一水平坑井22侧与压入甲烷水合物层MHL的压入水所含的CO2置换而从甲烷气体水合物放出的甲烷气体上升移动过来的区域。认为该区域例如通过使用贮存层模拟器对甲烷水合物层MHL内的甲烷气体的扩散进行模拟等而确定。
只要满足上述的条件，第一水平坑井22与第二水平坑井21之间的高度方向的距离就没有特别限定，例如可以例示5～50m。
接着，对向第一水平坑井22供给压入水的机构、进行第二水平坑井21内的减压的机构进行说明。这些机构例如配置于设置在垂直坑井部210、220的上方侧海面的浮体平台3上。
首先，对第二水平坑井21侧进行说明，经由基部111与垂直坑井部210的上端部连接的上升管11向上方侧延伸至浮体平台3，与由抽水泵等构成的泵301连接。泵301经由开口部211与第二水平坑井21内连通，具有将高压气氛的第二水平坑井21周围的压力以绝对压力计减压至例如5～10MPa左右的能力。另外，该泵301的能力根据第二水平坑井21的周围的压力、上升管11、垂直坑井部210、第二水平坑井21的长度和直径等发生变化。垂直坑井部210、上升管11和泵301构成本实施方式的减压抽吸部。
在泵301的喷出侧设置有用于接受从甲烷水合物层MHL产出(被泵301汲取)的水并将其分离成甲烷气体和水的气液分离槽(气液分离部)31。
甲烷气体以气泡的状态包含于从甲烷水合物层MHL提取的水中，从泵301喷出的水在气液分离槽31内静置并放出甲烷气体的气泡后，再次作为压入水利用。
另一方面，利用气液分离槽31从水中分离得到的甲烷气体被输送至甲烷气体利用设备。
另外，将气液分离槽31设于浮体平台3侧不是必须的，例如也可以将泵301或气液分离槽31配置在海底。在这种情况下，可以形成如下的构成：关于在气液分离槽31内从水中分离得到的甲烷气体，经由上升管11提取至海面，另一方面，气液分离后的水作为压入水利用于海底。
接着，对向第一水平坑井22供给压入水的机构进行说明。经由基部121与垂直坑井部220的上端部连接的压入水供给管12向上方侧延伸至浮体平台3，经由泵303与压入水供给槽34连接。压入水供给槽34中贮存使CO2气体分散在水中而得到的压入水。泵303经由开口部221与第一水平坑井22内连通，具有能够将压入水以例如绝对压力为10～20MPa左右的压力压入第一水平坑井22周围的甲烷水合物层MHL的能力。另外，关于该泵303的能力，也根据第一水平坑井22的周围的压力、压入水供给管12、垂直坑井部220、第一水平坑井22的长度和直径等发生变化。
压入水供给槽34、泵303、压入水供给管12、垂直坑井部220构成本实施方式的压入水供给部。另外，在如上所述地将气液分离槽31配置在海底时，也可以将泵303配置在海底，将气液分离后的水作为压入水供给垂直坑井部220。
其中，上述压入水所含的CO2优选成为例如直径为10nm～1μm的分散体的状态。一般而言，由分散于水中的流体形成的分散体的内外的压差与分散体的直径成反比，因此在上述直径范围内，CO2以超临界流体的状态存在的可能性高。另一方面，上述的直径范围的气泡被称为超细气泡(UFB)，在本说明书中，对超临界状态的CO2的分散体也称为“UFB”。
例如将在气液分离槽31中与甲烷气体分离后的水作为压入水利用时，经由UFB形成部33从CO2气体供给部32向利用移送用的泵302从气液分离槽31提取的水中供给CO2气体，由此形成CO2的UFB。UFB形成部33相当于本实施方式的二氧化碳分散部。
关于UFB形成部33的构成，只要具有使CO2的UFB分散在水中的功能，就没有特别限定。例如，可以使CO2气体通过由烧结金属形成的多孔体或多孔体膜，形成UFB，也可以向形成有水的旋流的区域供给CO2气体，利用水流的剪切力形成UFB，还可以利用其他的方法形成UFB。
压入水所含的CO2的浓度例如可以例示以混合比计为3～10％的范围。
另外，UFB形成部33并不限定于设于浮体平台3的情况，也可以考虑设于坑井内。例如在与压入水被压入甲烷水合物层MHL的温度、压力的条件相近的状态下形成UFB时等，例如在基部121的附近位置设置UFB形成部33，向该UFB形成部33分开供给使UFB分散前的水和CO2气体，由此可以将刚形成UFB之后的压入水向第一水平坑井22供给。
也参照图2(a)、(b)对具有以上所说明的构成的甲烷气体生产设备的作用进行说明。
首先，在浮体平台3上运转各泵301～303，开始向第一水平坑井22供给压入水、在第二水平坑井21内抽水。
如上所述，向第一水平坑井22以绝对压力为10～20MPa左右的压力供给压入水，该压入水经由开口部221被压入甲烷水合物层MHL。如图2(a)、(b)的白底箭头示意地表示那样，压入水在第一水平坑井22周围的甲烷水合物层MHL内扩散，与甲烷水合物接触。
此时，CO2以分散性高的UFB的状态包含于压入水中，因此容易被甲烷水合物的包合物吸收，容易进行与甲烷的置换。另外，UFB的状态还能够降低压入水中所含的CO2不被甲烷水合物吸收而直接在甲烷水合物层MHL内上升、到达第二水平坑井21侧、并被从MHL抽走的泄漏风险。
进行压入水中所含的CO2与甲烷水合物所含的甲烷的置换时，向甲烷水合物层MHL内放出甲烷气体。此时，甲烷水合物层还可以含有甲烷以外的成分、例如乙烷或丙烷等成分，对于这样的甲烷和其他的成分的混合气体，在以下的说明中也称为“甲烷气体”。
作为该结果，如图2(a)、(b)中虚线的箭头示意地表示那样，甲烷气体通过形成于甲烷水合物层MHL的微小间隙而在该甲烷水合物层MHL内上升移动。
另一方面，在第二水平坑井21中，通过将第二水平坑井21内的水抽向浮体平台3，能够将第二水平坑井21内部和第二水平坑井21周围的压力减压至以绝对压力计为5～10MPa左右。
如上所述，甲烷水合物在低温、高压的条件下存在，在减压条件下分解而生成水和甲烷。如图2(a)、(b)中用灰色填充的箭头示意地表示那样，含有因减压而生成的甲烷气体的水向压力更低的第二水平坑井21内流入。
另外，如上所述，在第一水平坑井22侧与CO2置换得到的甲烷气体向设置有第二水平坑井21的区域上升移动。因此，在第二水平坑井21内，上升移动而来的甲烷气体汇入含有因减压而生成的甲烷气体的水的流动，向第二水平坑井21内流入。
这样，通过将在第一水平坑井22侧通过与CO2置换而生产甲烷气体和在第二水平坑井21侧利用减压法生产甲烷气体进行组合，与单独利用减压法进行生产的情况相比，能够进行甲烷气体的增产。
另外，关于从第一水平坑井22供给的压入水，也在甲烷水合物的间隙内移动，在甲烷水合物层MHL内扩散。此时，只设置第一水平坑井22，压入含有CO2的水，通过与CO2置换而生成甲烷气体，例如从垂直坑井回收所生成的甲烷气体，与这种情况相比，通过在第二水平坑井21侧进行水的汲取，容易形成压入水在甲烷水合物层MHL内扩散的流动。
流入第二水平坑井21后，进行抽水得到的水被送至浮体平台3的气液分离槽31进行气液分离，甲烷气体被输送至上述的甲烷气体利用设备。
另一方面，对于分离甲烷气体后的水，从气液分离槽31抽出并利用UFB形成部33使CO2气体的UFB分散后，作为压入水再次向第一水平坑井22供给。通过将水压入甲烷水合物层MHL内，不仅不需要对从第二水平坑井21汲取的水进行处理，而且能够抑制随着水合物在第二水平坑井21侧的分解、水的汲取而发生的地面下沉。
利用本实施方式的甲烷气体生产设备，具有以下的效果。设置以沿着甲烷水合物层MHL延伸并且彼此成为上下关系的方式配置的第一水平坑井22、第二水平坑井21，对上方侧的第二水平坑井21的周围进行减压，利用甲烷水合物的分解进行甲烷气体的生成，并且利用与在下方侧的第一水平坑井22侧压入的压入水中的CO2的置换作用，使甲烷水合物中放出甲烷气体。作为该结果，利用减压和CO2的置换这两者的效果，能够遍及设置有水平坑井22、21的广泛区域，有效地生产甲烷气体。
其中，第一、第二水平坑井22、21的上下方向的位置关系并不限定于如图2(b)所示的例子那样在垂直方向上并排的情况，也可以在左右方向错开。
另外，还可以将第一、第二水平坑井22、21中的一者或两者设置多个。图3显示了将第一水平坑井22侧设置多个的例子。
进一步而言，关于第一水平坑井22、第二水平坑井21，可以由相对于各垂直坑井部220、210设置多个第一水平坑井22、第二水平坑井21的多分支型的水平坑井构成。
以上所说明的甲烷气体生产设备对于例如从冻土地带的地表开始挖掘垂直坑井部220、210并设置第一水平坑井22、第二水平坑井21进行甲烷气体的生产的情况也能够适用。在这种情况下，设置于图1的浮体平台3上的各设备设置于地表。
符号说明
MHL 甲烷水合物层
21 第二水平坑井
22 第一水平坑井
31 气液分离槽
32 CO2气体供给部
33 UFB形成部
34 压入水供给槽。
Claims (5)
1.一种甲烷气体生产设备，其从甲烷水合物层中生产甲烷气体，该甲烷气体生产设备的特征在于，具有：
第一水平坑井，其沿着所述甲烷水合物层设置；
压入水供给部，其为向该第一水平坑井供给压入水，来使所述压入水经由所述第一水平坑井压入周围的甲烷水合物层，所述压入水是使二氧化碳气体分散在水中而得到的；
第二水平坑井，其沿着所述第一水平坑井的上方侧的区域设置，所述压入水中的二氧化碳被甲烷水合物吸收，通过与该二氧化碳置换而放出的甲烷上升移动至所述第一水平坑井的上方侧的区域；
减压抽吸部，其通过在所述第二水平坑井内抽水，将压力减压至使得该第二水平坑井周围的甲烷水合物减压分解，并且经由该第二水平坑井内从周围的甲烷水合物层抽吸含有甲烷的水的压力；和
气液分离部，其从使用所述减压抽吸部所抽吸的水中分离甲烷气体，
所述压入水供给部具有使二氧化碳气体以直径10nm～1μm的分散体的状态分散在所述压入水中的二氧化碳分散部，
被所述二氧化碳分散部分散了的二氧化碳气体以超临界流体的状态包含在所述压入水中。
2.如权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于：
所述压入水供给部将使二氧化碳气体分散在利用所述气液分离部分离甲烷气体后的水中而得到的压入水供给至所述第一水平坑井。
3.如权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于：
所述第一水平坑井与第二水平坑井之间的高度方向的距离在5～50m的范围内。
4.一种甲烷气体生产方法，其用于从甲烷水合物层中生产甲烷气体，该甲烷气体生产方法的特征在于，包括：
向沿着所述甲烷水合物层设置的第一水平坑井供给使二氧化碳气体分散在水中而得到的压入水并经由所述第一水平坑井将所述压入水压入周围的甲烷水合物层的工序；
在沿着所述第一水平坑井的上方侧的区域设置的第二水平坑井内抽水，将压力减压至使得该第二水平坑井周围的甲烷水合物减压分解，并且经由该第二水平坑井从周围的甲烷水合物层抽吸含有甲烷的水的压力的工序，其中，所述压入水中的二氧化碳被甲烷水合物吸收、通过与该二氧化碳置换而放出的甲烷上升移动至所述第一水平坑井的上方侧的区域；
从利用所述第二水平坑井所抽吸的水中分离甲烷气体的工序；和
使二氧化碳气体以直径10nm～1μm的分散体的状态分散在要供给至所述第一水平坑井的水中而得到所述压入水的工序，
分散于所述压入水后的二氧化碳气体以超临界流体的状态包含在所述压入水中。
5.如权利要求4所述的甲烷气体生产方法，其特征在于：
压入水是通过使二氧化碳气体分散在分离所述甲烷气体后的水中而得到的。
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