JP2004052392A

JP2004052392A - メタンガス採取工法

Info

Publication number: JP2004052392A
Application number: JP2002212114A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshida; 吉　田　　　宏; Hiroshi Soma; 相　馬　　　啓
Original assignee: Chemical Grouting Co Ltd
Current assignee: Chemical Grouting Co Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP4145089B2

Abstract

【課題】メタンハイドレートの安定した状態を変化させること無く、確実にメタンを採取することが出来る様なメタンガス採取工法の提供。
【解決手段】圧気シールド工法（圧気シールドＳ１、又はＳ２）を用いて地上（３）からメタンハイドレード層（５）までトンネル（４、６）を掘削するトンネル掘削工程と、掘削されたトンネル（４、６）を介してメタンハイドレード層（５）に貯蔵されたメタンを採取するメタン採取工程、とを含んでいる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタンガスの採取工法に関する。より詳細には、メタンハイドレードが存在する領域から採取する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタンハイドレートは、メタンガス分子と水分子から成る氷状の固体物質であり、例えばシベリヤ地方の永久凍土の下層部や深度５００ｍ以深の深海地層中に存在することが知られている。そして、メタンハイドレートから生成されるメタンガスは、新エネルギー資源として着目されている。
【０００３】
数１０個の水分子が結合した状態をクラスター構造（駕籠構造）と呼ぶ。係るクラスター構造は、液体状態では不安定であるが、所定以上の加圧雰囲気下で且つ所定温度以下の加圧雰囲気下であれば安定し、クラスターを構成する水分子の数も増加する。ここに十分なガス分子が存在すると、ガス分子を取り込んだ立体クラスター構造を形成する。
立体クラスター構造の空隙にガス分子を取り込んでいるものがガスハイドレートであり、立体クラスター構造の空隙にメタンガスを取り込んだものがメタンハイドレートである。そして、メタンハイドレートは、クラスター構造を組み合わせた結晶構造を有している。
【０００４】
メタンハイドレートは加圧及び冷却環境下において生成されるため、図４で示す様に、所定の温度以下で所定の圧力の範囲（所定以上の加圧雰囲気下で且つ所定温度以下の加圧雰囲気下）において、安定に存在する。
海底下では、その深度が増加するにつれて圧力は上昇する。一方、メタンハイドレートが安定的に存在する条件は、凡そ、圧力を温度で除した値が所定値以上であることが条件となる。すなわち、深海であれば圧力は必然で比例して上がるが、その場合は温度は比較的高くても存在しやすい（一般的には深海では温度も低くなるので更にメタンハイドレートは安定して存在出来る）。したがって海底下の一定の深度範囲に「メタンハイドレートの安定領域」は存在すると考えられる。
我国周辺の海底については、深さは海底下２００ｍの領域（温度が５℃位）が、図４で示す「メタンハイドレートの安定領域（線図Ｍの下側の領域）」に相当すると考えられている。
【０００５】
上述したメタンハイドレートの安定領域からメタンを採取するに際しては、従来公知の石油採掘技術を応用することが一般的であった。その様な石油採掘技術の応用例としては、例えば、採取用のトンネルを地上から掘削したり、或いは、海上の作業施設から海底下２００ｍの領域までボーリングを行って、メタンハイドレートの安定領域まで到達せしめることが考えられる。
【０００６】
しかし、トンネル掘削や、海上からのボーリングによりメタンハイドレートの安定領域まで到達しても、地上或いは海上の圧力がメタンハイドレート領域に作用してしまい、メタンハイドレートが不安定な状態となり、直ちに気化してしまい、石油採掘用の機器では採取出来なくなってしまう。
また、メタンハイドレートが不安定状態となり気化して地上側に放出されてしまうと、海底が陥没してしまう恐れがある。
大量のメタンが放出されると、放出された箇所の環境に重大な影響を及ぼすと共に、地球温暖化の要因となり得る。
【０００７】
これに対して、石油採掘以外の分野で用いられる採取用機器を使用することも考えられる。
しかし、従来の係る採取用機器は、埋蔵されている物質が地上側の温度・圧力が作用すると相変化を起こすような物質を想定しておらず、したがって、石油採掘用の機器と同様に、メタンハイドレート領域に存在するメタンを気化させること無く、採取することが困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、メタンハイドレートの安定した状態を変化させること無く、確実にメタンを採取することが出来る様なメタンガス採取工法の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のメタンガス採取工法は、圧気シールド工法（圧気シールドＳ１又はＳ２）を用いて地上（３）からメタンハイドレード層（５）までトンネル（４、６）を掘削するトンネル掘削工程と、掘削されたトンネル（４、６）を介してメタンハイドレード層（５）に貯蔵されたメタンを採取するメタン採取工程、とを含んでいる（請求項１）。
【００１０】
係る構成を具備する本発明によれば、前記トンネル掘削工程で地上（３）からメタンハイドレード層（５）までトンネル（４、６）を掘削するに際して、圧気シールド工法（圧気シールド機Ｓ１又はＳ２）により、メタンハイドレードの安定条件と同じ条件となる様に圧気してやるので、地上からトンネル（４、６）を掘削しても、メタンハイドレート層（５）は直ちに不安定とはならない。
そのため、メタンハイドレート層（５）に到達しても、直ちにメタンが気化して放出されてしまうことは無く、メタンを確実に採取することが出来る。
また、メタンが直ちに気化して放出されることが防止されるので、海底の陥没や、大量のメタン放出に起因する重大な環境悪化、地球温暖化等も未然に防ぐことが出来る。
【００１１】
本発明のメタン採取工法において、前記トンネル掘削工程に先立って、地上から立坑（シャフト４）を掘削する立坑掘削工程を行い、前記トンネル掘削工程では、立坑（４）の最深部（４ａ）からメタンハイドレード層（５）までトンネル（６）を掘削するのが好ましい（請求項２）。
【００１２】
係る立坑掘削工程により立坑（シャフト４）を掘削し、当該立坑（４）から圧気シールド（Ｓ１又はＳ２）を発進させることにより、圧気シールド工法により前記トンネル掘削工程を実行することが好適に行われるのである。
【００１３】
また、本発明のメタン採取工法において、前記トンネル掘削工程では、地上（３）（或いは前記立坑の最深部４ａ）とメタンハイドレード層（５）とを連通する主トンネル（メインシールド６）と、該主トンネル（メインシールド６）から分岐する複数の分岐トンネル（分岐管７）とを掘削し、当該複数の分岐トンネル（分岐管７）で前記メタン採取工程を実行するのが好ましい（請求項３）。
【００１４】
主トンネル（メインシールド６）では大規模なシールド（Ｓ１）等の機器が要求されるのに対して、分岐トンネル（分岐管７）であれば、比較的小規模なシールド（Ｓ２或いは削孔ロッド）等で掘削を行うことが出来るため、状況に応じたメタン採取量の調整が容易となる。
また、大規模な機器（Ｓ１）を使用する主トンネル（６）掘削と共に、比較的小規模な分岐トンネル（７）掘削を実行することにより、大規模なトンネル掘削機（Ｓ１）のみを使用することに比較して、メタンハイドレート層（５）により接近して、回収効率及び確実性を向上することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１において、海域１の海底２を臨む地上３から立坑（以降、立坑をシャフトという）４を掘削する。掘削したシャフト４の最深部４ａから、メタンハイドレート層５まで、圧気シールド工法の圧気シールド機Ｓ１により、トンネル（以降、トンネルをメインシールドという）６を掘削する。
尚、図示ではシャフトは２本掘削した状態が描かれているが１本であってもよい。
【００１７】
ここで、圧気シールド工法（圧気工法）とは、図５に示すように、開放型シールドで切羽１０の自立が困難な滞水又は軟弱地盤Ｇにおいて、坑内６０に隔壁２０を設置し、切羽１０から隔壁２０に至る区間Ｃの坑内に圧気（３気圧程度）を送入し、切羽１０に作用する水圧に対応する空気圧で切羽１０を加圧することにより、切羽１０の安定を図る工法である。
【００１８】
次に図２において、メインのトンネル（以降、メインのトンネルをメインシールドと言う）６から、複数の分岐管７をメインシールド６を掘削した圧気シールド機Ｓ１よりも小型の圧気シールド機Ｓ２で掘削する。
【００１９】
複数の分岐管７の掘削が完了した後、図示しないボーリングマシンを用いてメタンハイドレートが存在する領域５に向けて多方向を削孔する。この削孔した孔８に図示しない採取用パイプでメタンハイドレートを以下に説明する圧気シールド機Ｓ２（又はＳ１）内のメタン回収装置に回収する。
【００２０】
ここで図３を用いて、メタンハイドレート層を掘削して、メタンを採取して地上側に送り出す機構（圧気シールド機Ｓ２、又はＳ１を含む）の１例を簡単に説明する。
圧気シールド機Ｓ２（又はＳ１）は先端の掘削面１０と、該掘削面１０から掘削面１０とシールド面１１とで所定の空間部Ｃを形成する隔壁１２と、隔壁の後部に取付けられた掘削面駆動手段１３と、掘削面駆動手段１３の後方に配置されたメタン回収装置１４と、複数の推進ジャッキ１５と、前記メタン回収装置１４でメタンハイドレートから分離したメタンガス及び排土を別々に地上に排出させる排出手段１６、１７とを装備している。
なお、圧気シール時による掘削（削孔ロッドの掘削）と、メタンの採取は同時に行われる。
【００２１】
前記空間部Ｃには、図示しない圧縮空気供給手段によって圧縮空気（約３気圧程度）が送り込まれ、前記切削面の図示しないカッタによって掘削されたメタンハイドレートが一旦貯留された後、回収管１８によって前記メタン回収装置１４に回収されるように構成されている。
【００２２】
メタン回収装置１４に回収されたメタンハイドレートはメタンガス及び排土に分離され、各々排出手段１６、１７によって、メインシールド６を経由して地上に搬送される。
【００２３】
上述の装置及び工法を具備した本実施形態のメタンガス採取工法によれば、トンネル掘削工程で地上３からメタンハイドレード層５までトンネル４、６を掘削するに際して、圧気シールド工法により、メタンハイドレードの安定条件と同じ条件となる様に圧気するので、地上からトンネル４、６を掘削しても、メタンハイドレート層５は直ちに不安定とはならない。
そのため、メタンハイドレート層５に到達しても、直ちにメタンが気化して放出されてしまうことは無く、メタンを確実に採取することが出来る。
また、メタンが直ちに気化して放出されることが防止されるので、海底の陥没や、大量のメタン放出に起因する重大な環境悪化、地球温暖化等も未然に防ぐことが出来る。
【００２４】
また、本発明のメタン採取工法において、前記トンネル掘削工程では、地上３或いは前記立坑の最深部４ａとメタンハイドレード層５とを連通するメインシールド６と、該メインシールド６から分岐する複数の分岐管７とを掘削し、当該複数の分岐管７でメタン採取工程を行うことにより、比較的小規模なシールド等で掘削を行うことが出来、状況に応じたメタン採取量の調整が容易となる。
また、大規模な機器を使用するメインシールド掘削と共に、比較的小規模な分岐トンネル７掘削を実行することにより、大規模なトンネル掘削機（Ｓ１）のみを使用することに比較して、メタンハイドレート層５により接近して、回収効率及び確実性を向上することが出来る。
【００２５】
但し、図３のような機構を採用せず、圧気シールド機Ｓ２（或いはＳ１）による掘削終了後、圧気シールドにより付加された高圧を解除し、メタンハイドレートを急激に気化させて、メタンガスを、削孔ロッド、メインシールド６、シャフト４、図示しない地上側収集設備の順に流過せしめて採取することも可能である。
【００２６】
また、図３で示す機構を採用する場合、掘削後に高圧を解除する場合の何れにおいても、メタンの回収が終了するまで、圧気シールド機Ｓ２（或いはＳ１）はハイドレード領域５に留まる。
【００２７】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列記する。
（１）　地上からメタンハイドレード層までトンネルを掘削するに際して、圧気シールド工法により、メタンハイドレードの安定条件と同じ条件となる様に圧気するので、地上からトンネルを掘削しても、メタンハイドレート層は直ちに不安定とはならない。
（２）　メタンハイドレート層が直ちに不安定とはならないため、メタンハイドレート層に到達しても、直ちにメタンが気化して放出されてしまうことは無く、メタンを確実に採取することが出来る。
（３）　メタンが気化して放出されることが防止されるので、海底の陥没や、大量のメタン放出に起因する重大な環境悪化、地球温暖化等も未然に防ぐことが出来る。
（４）　メタン採取工法のトンネル掘削工程では、メインシールドから分岐する複数の分岐トンネルを掘削し、当該分岐トンネルでメタン採取工程を行うことにより、比較的小規模なシールド等で掘削を行うことが出来、状況に応じたメタン採取量の調整が容易となる。
（５）　小規模な分岐トンネル掘削と共に、比較的大規模な機器を使用するメイントンネル掘削を実行することにより、小規模なトンネル掘削機のみを使用することに比較して、メタンハイドレート層により接近して、回収効率及び確実性を向上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態による大深度・長距離シールドの施工状態を示す概念図。
【図２】本実施形態による分岐管を掘削する場合の施工状態を示す概念図。
【図３】本発明の実施形態で用いるシールド機とトンネル及び立坑を示す断面図。
【図４】メタンハイドレートの安定領域を示すグラフ。
【図５】圧気工法を説明する施工断面図。
【符号の説明】
２・・・海底
３・・・地上
４・・・シャフト
５・・・メタンハイドレート
６・・・メインシールド
７・・・分岐管
８・・・削孔された孔
１０・・・切削面
１２・・・隔壁
１４・・・メタン回収装置
１６、１７・・・排出手段

Claims

圧気シールド工法を用いて地上からメタンハイドレード層までトンネルを掘削するトンネル掘削工程と、掘削されたトンネルを介してメタンハイドレード層に貯蔵されたメタンを採取するメタン採取工程、とを含むことを特徴とするメタンガス採取工法。
前記トンネル掘削工程に先立って、地上から立坑を掘削する立坑掘削工程を行い、前記トンネル掘削工程では、立坑の最深部からメタンハイドレード層までトンネルを掘削する請求項１のメタンガス採取工法。
前記トンネル掘削工程では、地上或いは前記立坑の最深部とメタンハイドレード層とを連通する主トンネルと、該主トンネルから分岐する複数の分岐トンネルとを掘削し、当該複数の分岐トンネルで前記メタン採取工程を実行する請求項１、２の何れかのメタンガス採取工法。