JP2005083134A

JP2005083134A - ガスハイドレートの採取装置および採取方法

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Publication number: JP2005083134A
Application number: JP2003318730A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Iiboshi; 飯星茂
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】ガスハイドレート層から短時間かつ効率良くガスハイドレートを回収するガスハイドレートの回収装置および採取方法を提供すること。
【解決手段】ガスハイドレートを含むガスハイドレート層２１よりガスハイドレートを採取する採取装置１であって、ガスハイドレート層２１の下層に位置するフリーガス層２２まで掘削されたボーリング孔３に嵌入する、一部又は全長に亘って有孔構造の有孔筒４と、ガスハイドレートを気化させる流体を高圧で供給可能な供給手段５と、有孔筒４の内空を上下に二分すると共に、供給手段５を挿通して配置せしめる遮蔽材６と、から構成しており、遮蔽材６をガスハイドレート層２１の上層部付近に配置して、流体を供給手段５より有孔筒４の孔４１を通じてガスハイドレート層２１およびフリーガス層２２へ高圧で供給することを可能にしたことを特徴とする、ガスハイドレートの採取装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスハイドレートの採取装置および採取方法に関するものである。

ガスハイドレートの一種であるメタンハイドレートは、日本を取り巻く海底の大陸縁辺部などに堆積層として天然に存在することが確認されており、新エネルギーとして近年注目されている。
低温高圧の条件の下、安定な状態で存在するメタンハイドレートは、高密度でメタン包蔵性を有するなどの点から、天然ガスの貯蔵、輸送および供給技術などへの利用が考えられている。

このメタンハイドレートを深海底から採取する技術として、熱刺激法という方法がある。この方法は、図５に示すように海底ａ１からメタンハイドレートを含む地層ａ２を貫通し、メタンガスを含むフリーガスと呼ばれる地層ａ３まで到達する生産井ｂを削孔して、その内部にパイプｃを建て込み、パイプｃ先端から水蒸気や熱水をメタンハイドレート層ａ２及びフリーガス層ａ３に供給し、メタンハイドレートをメタンガスと水とに分離してこの混合物を回収する方法である。

また、圧力減圧法と呼ばれる方法は、先述した熱刺激法と同様の装置を地底内に構築し、パイプ内を減圧して、メタンハイドレート層のガス圧力を抜いて低圧とし、メタンガスを回収する方法である。
このほか、熱刺激法で使用する水蒸気や熱水をメタノール水や塩水に代替し、メタンハイドレートの安定条件を崩して気化させるインヒビター法や、その他にも各種回収技術が開示されている（たとえば、特許文献１、２）。
特開平１０−３１７８６９号公報特開平９−１５８６６２号公報

前記した従来のガスハイドレートの採取装置および採取方法にあっては、地層の静水圧を除いた高水圧や減圧状態を地盤に負荷させることのない削孔内循環法で、熱エネルギーや分解促進剤の供給を行っているため、気化フロント面の移動が遅く、ガスの生産速度が遅いという問題があった。

上記のような課題を解決するために、本発明のガスハイドレートの採取装置は、ガスハイドレートを含むガスハイドレート層よりガスハイドレートを採取する採取装置であって、ガスハイドレート層の下層に位置するフリーガス層まで掘削されたボーリング孔に嵌入する、一部又は全長に亘って有孔構造を呈する有孔筒と、ガスハイドレートを気化させる流体を高圧で供給可能な供給手段と、前記有孔筒の内空を上下に二分すると共に、前記供給手段を挿通して配置せしめる遮蔽材と、から構成しており、前記遮蔽材をガスハイドレート層の上層部付近に配置して、前記流体を前記供給手段より有孔筒の孔を通じてガスハイドレート層およびフリーガス層へ流体を高圧で供給可能にしたことを特徴とする。
ここで、ガスハイドレート層とは、メタンハイドレートをはじめ、ブタン、その他の天然ガスを少なくとも一種類を含んでいる地層をいう。

また、本発明のガスハイドレートの採取方法は、前記したガスハイドレートの採取装置を使用して、ガスハイドレートを採取する方法であって、ガスハイドレート層の下層に位置するフリーガス層まで掘削されたボーリング孔に有孔筒を嵌入し、前記供給手段を遮蔽材で以って有孔筒内に配置し、前記供給手段より有孔筒の孔を通じて、ガスハイドレート層およびフリーガス層に流体を高圧注入して、ガスハイドレートを気化、回収することを特徴とする。

また、本発明のガスハイドレートの採取方法は、前記した採取方法の前工程として、前記有孔筒に供給手段を配置する前工程として、前記有孔筒内のガスハイドレート層の上層部レベルと開口部付近の断面を遮蔽材で以って閉塞すると共に、その閉塞空間内へ注入管を挿通し、前記注入管より第一注入剤を注入して、有孔筒の孔を通じて周面地盤に地盤固化層を形成する工程と、第一注入剤が固化した後、摩擦を低減する第二注入剤を前記注入管より有孔筒の孔を通じて有孔筒周面に供給しスリップ層を形成する工程とを加えたことを特徴とする。

本発明のガスハイドレートの採取装置および採取方法は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞本発明のガスハイドレートの採取装置は、フリーガス層まで嵌入した有孔筒の孔を通じ、ガスハイドレートを気化する流体を高圧注入して、フリーガス層に亀裂あるいは水路を形成し、これを通じて流体の供給を行うから、ガスハイドレートを広い範囲で、短時間かつ効率的に気化でき、ガス回収を行うことができる。
＜２＞また、採取方法ではガスハイドレート層の上層に位置する地層に、地盤固化層を形成できるから、有孔筒からのガス、水などの漏洩を防止した効率的なガス回収を行うことができる。
さらに、ガス回収中にガスハイドレート層が収縮、沈下して有孔筒にネガティブフリクションが発生するような場合でも、有孔筒の周面にスリップ層を設けることによって摩擦を低減させることができ、有孔筒が変形や座屈することを防止することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞全体構成
図１に本発明のガスハイドレートの採取装置１を、海底に設置した図を示す。
本発明のガスハイドレートの採取装置１は、海底からガスハイドレート層２１を通じて下層２２（フリーガス層２２）まで掘削したボーリング孔３に嵌入する有孔構造の有孔筒４と、有孔筒４の孔４１を通じてガスハイドレート層２１およびフリーガス層２２に流体を高圧で供給可能な供給手段５と、有孔筒４の内空を二分すると共に、供給手段５を挿通して配置せしめる遮蔽材６とより構成している。
ここで、ガスハイドレート層２１とは、メタンハイドレートをはじめ、ブタン、その他の天然ガスを少なくとも一種類を含んでいる地層をいう。

また、本形態ではガスハイドレートの気化回収作業を行う前に、ガスハイドレート層２１の上層２０に、止水性を向上させるために第一注入剤を供給して地盤固化層７を形成したり、また有孔筒４の周面にネガティブフリクションが発生することを防止するために第二注入剤を注入して、スリップ層８を形成する。
第一注入剤には、たとえばセメント、水ガラスなどが使用できる。また第二注入剤には、ベントナイトスラリー、グリスなどが使用できる。

また、本形態では、地層２１、２２内に注入する流体として、ガスハイドレート層２１の温度より高温のたとえば温水を用いるが、これに限定されるものではない。
以下、各部詳細について説明する。

＜２＞有孔筒
有孔筒４はボーリング孔の孔壁を支持し、その崩落を防止する筒体で、一部または全長に亘って有孔構造を呈している（図１）。
有孔筒４の径は、ボーリング孔の孔径と略同径で良い。
有孔筒４は孔壁の崩落を防止でき、かつ流体の供給圧力や、メタンガスおよび水の回収圧力に耐え得る程度の強度に設定する。
有孔筒４の全長は、フリーガス層２２まで到達する長さとする。これによって、海底からガスハイドレート層２１およびフリーガス層２２までの孔壁の崩落を防止でき、また周面に形成する複数の孔４１、４１・・を通じて、各層２１、２２に流体を注入することができる。
有孔筒４は、有孔構造であれば公知のケーシングを使用することができる。かかる場合、フラッシュジョイントケーシングや、カップリングを使用するフラッシュカップルケーシングを使用しても良い。

有孔筒４に設ける孔の大きさは、地盤に向けて供給する流体および地盤から回収するメタンガス、水および微細なメタンハイドレート結晶を容易に透過し得る寸法であれば良く、その大きさや形状は特に制約を受けない。
なお、この孔４１は必要な範囲に亘り、有孔筒４の周面に形成されていれば良い。

＜３＞供給手段
供給手段５は、流体を有孔筒４内に供給する手段で、たとえば流体を移送する筒状の管体５１と、流体を高圧で供給可能な供給装置５２とから構成することができる（図１）。
管体５１は、先述した有孔筒４の内径より小さい外径を有しており、軸方向に備える貫通孔は、流体の供給及びメタンガス、水およびメタンハイドレートの回収が容易に行える径とする。

管体５１は、水上より有孔筒４内に挿入できる全長を有しており、一本物で構成する場合に限らず、運搬性や取り扱い性を考慮して、複数本を接続する形態であっても良い。
供給装置５２には、流体を高圧で送給可能な機能を備える。この圧力は、フリーガス層２２に水圧破壊を生じさせて地層内に亀裂あるいは水路２２１を形成し、またガスハイドレート層２１に層流浸透が生じる程度の圧力に設定する。
また、供給装置５には排水機能も備えておき、有孔筒４内に滲出したメタンガス、水およびメタンハイドレートなどの回収も行えるようにする。

＜４＞遮蔽材
遮蔽材６は、有孔筒４の内空を二分すると共に、供給手段５の管体５１を挿通、配置するものである（図１）。
遮蔽材６は、有孔筒４内面と管体５１外面との間の空隙部４２に、有孔筒４の軸方向に沿って一定長に亘り充填、配置する。
この遮蔽材６には、たとえば公知のパッカーを使用することができる。
遮蔽材６は、管体５１を支持する役割のほか、流体の高圧注入および有孔筒４内からのメタンガスなどの逆流を防止する役割もある。そのため、遮蔽材６には、有孔筒４内を逆流するメタンガス、水およびメタンハイドレートなどの圧力に対して抵抗し得るものを使用する。例えば、高張力、高弾性の繊維が使用できる。また、空隙部４２のサイズに応じて幅を適宜選択可能なものが好ましい。

＜１＞有孔筒の嵌入
海底の対象地盤に、海底固定式や浮遊式のプラットフォームに代表される海洋生産施設３１を利用して、所定深さのボーリング孔３を削孔する。
このボーリング孔３は、ガスハイドレート層２１を貫通し、その下層に位置するフリーガス層２２にまで到達するように形成する。

ボーリング孔３に有孔構造のケーシング４を挿入する。ケーシング４の嵌入は、削孔作業と同時に行っても良い。
ケーシング４を配置することにより、ボーリングの孔壁は保護され、流体を高圧でボーリング孔３内に供給しても、孔壁を崩壊させることなく流体の供給が行えるようになる。

＜２＞地盤固化層の形成
次に、ケーシング４内に第一注入剤を注入する注入管９を配置する（図２）。注入管９には、たとえば有底構造の周面に複数の孔９１、９１・・を穿設した管体を使用することができる。注入管９の先端部が、メタンハイドレート層２１に到達する程度の深さまでケーシング４内に挿入し、配置する。
注入管９の先端部とケーシング４の開口部付近の二段にパッカー等の遮蔽材９２、９２を配置して、注入管９をケーシング４に固定する。このパッカー９２には、前記した遮蔽材６と同等のものを使用しても良い。

注入管９に第一注入剤を供給し、ケーシング４内に注入する。
第一注入剤は、ケーシング４の孔４１を通じて周辺のガスハイドレート層２１の上層に位置する地層２０に浸透し、円筒状に拡がる。所要の圧力で一定量の第一注入剤を注入した後、第一注入剤が固化するのに充分な時間をおく。
こうして、地盤固化層７を形成する。

＜３＞スリップ層の形成
第一注入剤が固化した後、次に有孔筒４周面にスリップ層８を形成する（図２）。
このスリップ層８は、第二注入剤を用いて形成する。
第二注入剤を第一注入剤と同様の方法で、ケーシング４内に供給し、ケーシング４の孔４１を通じてケーシング４周面と地盤との間に漏出させる。このスリップ層８は、ケーシング４周面に長い範囲に亘り形成するのが好ましい。スリップ層８を形成することによって、後工程のメタンガスの回収作業中に、ガスハイドレート層２１が収縮、沈下して有孔筒４にネガティブフリクションが発生するような場合でも、摩擦を低減できるため、有孔筒４が変形や座屈することを防止することができる。
なお、第一注入剤や第二注入剤の供給形態は、上記形態に限定されることはない。

＜４＞流体の供給
次に、第一注入剤および第二注入剤を供給した注入管９をケーシング４から撤去し、ケーシング４内に新たに供給手段５を配置する。
供給手段５は、ガスハイドレート層２１の上層部付近に配置した遮蔽材６に挿通して、先端部が遮蔽材６より下方に位置するように配置する。遮蔽材６を境界としてケーシング４の内空は上下に二分され、供給手段５だけが上下内空を貫通した状態となる。これによって、流体は供給手段５を通じてケーシング４内部に注入でき、また各地層２１、２２内の気化したメタンガス、水などはケーシング４内の空隙４２を通じて海底内に漏洩することから防止することができる。

管体５１をケーシング４内に設置した後、管体５１の先端から流体をケーシング４内に高圧注入する。
供給された流体は、ケーシング４の内部に充満し、周面の孔４１、４１・・を通じて地盤内に注入される。このときの流体の圧力は、フリーガス層２２に水圧破壊を生じさせて地盤内に亀裂あるいは水路２２１を形成し、またガスハイドレート層２１には層流浸透が生じる程度の圧力に設定する。このため、流体の供給圧力が一定でも、ガスハイドレート層２１はフリーガス層２２より極めて高い強度を有しているため、フリーガス層２２にのみ亀裂や水路２１が形成される。この圧力値は、事前に対象地盤毎に試験を行い、注入圧力や注入量を決定する。静水圧に地盤の引っ張り強度をプラスしたものを基に設定すると良い。

フリーガス層２２にケーシング４を中心とした放射状に拡がる水路や亀裂２２１が形成されることにより、流体はケーシング４の孔４１を通じて直接ガスハイドレート層２１に熱供給を行うだけでなく、フリーガス層２２からもガスハイドレート地層２１に向けた上向きの熱供給が行えるので、広範囲かつ大体積に亘って熱エネルギーの供給を行うことができる。
これによって、ガスハイドレート層２１に含まれる大量のメタンハイドレートを、メタンガスと水とに分離することができる。
分離されたメタンガスと水は、ケーシング４へ向けて移動し、孔４１を通じて内部に回収される。このとき、メタンガスの移動に伴って、熱供給によって分離されなかった未分離の微細なメタンハイドレートも一緒に回収することができる。
また、同時にフリーガス層２２中に含まれるメタンガスも亀裂或いは水路２２１を通じ、広い範囲に亘り回収することができる。

ケーシング４内に回収されたメタンガス、水およびメタンハイドレートは、管体５１を通じて海面上の掘削船３１に移送され、メタンガスとその他の残渣に分離して、各用途に利用する。
なお、本形態は海底よりメタンハイドレートを回収する実施例について説明したが、この採取装置１を陸の深層に埋蔵されるメタンハイドレートの回収に用いられことは勿論である。

以上は、ガスハイドレート層２１やフリーガス層２２に一定の圧力の流体を噴射する実施例を示したが、流体の供給圧力は二段階に設定して噴射しても良い。かかる場合、たとえば流体をガスハイドレート層２１の限界圧力に近い圧力で注入すると、いきなり高い圧力を地層に注入することによって生じる粒子間の目詰まりや特定の偏倚した水路の形成を回避でき、反対にメタンガスの気化および回収効率を低下させる問題点を防止することができる。
この流体の加圧圧力Ｐと流量Ｑの関係は、たとえば図４に示すようにすると良い。Ｐ２は、ガスハイドレート層２１の限界圧力以下とし、第一段階で供給する流体の限界圧力はＰ１付近の条件とするのが好ましい。

本発明のガスハイドレートの採取装置の実施例の説明図。地層に地盤固化層およびスリップ層の構築図。メタンガスの気化、回収作業による流路を表す図。流体の加圧圧力と流量の関係を示した図。従来のメタンハイドレートを採取する方法。

符号の説明

１・・・採取装置
２０・・地層
２１・・ガスハイドレート層
２２・・フリーガス層
３・・・ボーリング孔
４・・・ケーシング
４１・・孔
５・・・供給手段
６・・・遮蔽材
７・・・地盤固化層
８・・・スリップ層
９・・・注入管

Claims

ガスハイドレートを含むガスハイドレート層よりガスハイドレートを採取する採取装置であって、
ガスハイドレート層の下層に位置するフリーガス層まで掘削されたボーリング孔に嵌入する、一部又は全長に亘って有孔構造を呈する有孔筒と、
ガスハイドレートを気化させる流体を高圧で供給可能な供給手段と、
前記有孔筒の内空を上下に二分すると共に、前記供給手段を挿通して配置せしめる遮蔽材と、から構成しており、
前記遮蔽材をガスハイドレート層の上層部付近に配置して、前記流体を前記供給手段より有孔筒の孔を通じてガスハイドレート層およびフリーガス層へ高圧で供給可能にしたことを特徴とする、
ガスハイドレートの採取装置。
請求項１に記載のガスハイドレートの採取装置を使用して、ガスハイドレートを採取するガスハイドレートの採取方法において、
ガスハイドレート層の下層に位置するフリーガス層まで掘削されたボーリング孔に有孔筒を嵌入し、
前記供給手段を遮蔽材で以って有孔筒内に配置し、
前記供給手段より有孔筒の孔を通じて、ガスハイドレート層およびフリーガス層に流体を高圧注入して、ガスハイドレートを気化、回収することを特徴とする、
ガスハイドレートの採取方法。
請求項２に記載のガスハイドレートの採取方法において、
前記有孔筒に供給手段を配置する前工程として、前記有孔筒内のガスハイドレート層の上層部レベルと開口部付近の断面を遮蔽材で以って閉塞すると共に、その閉塞空間内へ注入管を挿通し、
前記注入管より第一注入剤を注入して、有孔筒の孔を通じて周面地盤に地盤固化層を形成する工程と、
第一注入剤が固化した後、摩擦を低減する第二注入剤を前記注入管より有孔筒の孔を通じて有孔筒周面に供給しスリップ層を形成する工程とを加えたことを特徴とする、
ガスハイドレートの採取方法。