JP2013246047A

JP2013246047A - メタンハイドレート強度測定装置

Info

Publication number: JP2013246047A
Application number: JP2012119952A
Authority: JP
Inventors: Shinya Nishio; 伸也西尾
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP6074918B2

Abstract

【課題】サンプリング後、速やかにメタンハイドレートの試料の物性を把握することを可能にするメタンハイドレート強度測定装置を提供する。
【解決手段】メタンハイドレートの試料１を載置する基台２と、基台２の上方に上下方向Ｔ１に進退自在に設けられ、下方への進出とともに基台２に載置した試料１に貫入させる貫入針３を一体に備えた載荷板４と、載荷板４を下方に押圧して進出させるための載荷機構５と、載荷板４を下方に進出させ、この載荷板４から試料１に作用する荷重を計測する荷重計６とを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、採取したメタンハイドレートの強度をオンサイトで速やかに測定するためのメタンハイドレート強度測定装置に関する。

石油資源に替わる新資源としてメタンハイドレートが注目を集めており、我が国近海は、世界最大のメタンハイドレート埋蔵量を誇るといわれている。このメタンハイドレートは、水素結合による水分子の籠状構造の中にメタンが入り込んだ氷状の固体結晶であり、低温且つ高圧下で安定的に存在する。そして、永久凍土の地下数百〜千ｍの堆積物中や海底、湖底でこの低温高圧条件が満たされるため、メタンハイドレートは永久凍土や海底、湖底の地盤内に存在している。

また、海底（湖底）のメタンハイドレートは、水深数百ｍ以深の海底（湖底）地盤の地下数百ｍの深層部に存在する深層型メタンハイドレートと、海底面（湖底面）に露出するなどして浅層部に存在する表層型メタンハイドレートとがある。そして、現在、我が国でも検討が進められている南海トラフなどの深層型メタンハイドレートに対し、表層型メタンハイドレートの研究例は世界的にもまだ限られており、我が国では、オホーツク海及び日本海直江津沖の表層型メタンハイドレートに関する調査研究が開始されたばかりである。そして、資源開発の観点から、表層型メタンハイドレートや深層型メタンハイドレートの資源量の評価と併せ、その諸物性の解明が急務とされている。

また、深層型メタンハイドレートにおいては、メタンガスを生産する手法として、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法など温度や圧力の条件を変化させ、相平衡状態を変化させることによってメタンハイドレートをメタンガスと水に分解し、メタンガスを回収する手法が検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

そして、このようにメタンハイドレートを安全に且つ経済的に採取（産出）する技術の開発が進められているが、その開発を進める上で、特にメタンハイドレートの物性を把握することが重要課題として位置づけられている。すなわち、メタンハイドレートは、僅かに温度、圧力条件を変化させるだけで相平衡状態が崩れ、分解（解離）する。このため、従来、メタンハイドレートの物性を調べる際には、サンプリングした試料を実験室に運搬し、室内試験を行なうようにしている。

特開２００４−３２１９５２号公報特開２００４−２０４５６２号公報特開平９−１５８６６２号公報

しかしながら、上記従来のように、サンプリングしたメタンハイドレートの試料を実験室に運搬し、室内試験でその物性を把握する場合には、サンプリング後、速やかに低温高圧条件で保管しなければならず、液体窒素や特殊な圧力容器が必要になる。このため、保管、運搬できる試料の量も制限される上、費用が嵩むという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、サンプリング後、速やかにメタンハイドレートの試料の物性を把握することを可能にするメタンハイドレート強度測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のメタンハイドレート強度測定装置は、メタンハイドレートの強度を測定するための装置であって、前記メタンハイドレートの試料を載置する基台と、前記基台の上方に上下方向に進退自在に設けられ、下方への進出とともに前記基台に載置した前記試料に貫入させる貫入針を一体に備えた載荷板と、前記載荷板を下方に押圧して進出させるための載荷機構と、前記載荷板を下方に進出させ、該載荷板から前記試料に作用する荷重を計測する荷重計とを備えて構成されていることを特徴とする。

また、本発明のメタンハイドレート強度測定装置において、前記載荷機構は、フレーム部材に螺着して支持され、軸線回りに回転させるとともに下方に進出して前記載荷板を押圧するネジ棒を備えて構成されていることが望ましい。

本発明のメタンハイドレート強度測定装置においては、貫入針を試料に貫入する際の荷重の計測値から、試料の圧縮強度を推定（測定）することができる。そして、この貫入試験では、試料をほとんど乱さないため、同一試料に対して複数回、試験を行なうことも可能であり、複数の圧縮強度を得ることで、信頼性の高い圧縮強度を推定（測定）することができる。

また、載荷板で試料を割裂させ、測定した割裂強度から試料の圧縮強度を推定（測定）することができる。このため、例えば、貫入試験後、引き続いて試料の割裂強度を測定して圧縮強度を得るようにし、貫入試験によって得られた圧縮強度と比較することで、より信頼性の高い圧縮強度を得ることが可能になる。

そして、このようなメタンハイドレート強度測定装置は、ポータブル型で、電源を必要としない形で構成することが可能であるため、試験実施場所を選ばず、例えば船上でサンプリングを行う場合であっても、オンサイトで速やかにメタンハイドレートの試料の物性を調べることを可能にする。このため、本発明のメタンハイドレート強度測定装置を用いることで、対象のメタンハイドレートの物性把握に向けて貴重なデータを速やかに入手することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート強度測定装置を示す図である。

以下、図１を参照し、本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート強度測定装置について説明する。本実施形態は、海底や湖底などから採取したメタンハイドレートの試料の強度を速やかに測定するためのメタンハイドレート強度測定装置に関するものである。

本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａは、図１に示すように、メタンハイドレートの試料１を載置する基台２と、基台２の上方に上下方向Ｔ１に進退自在に設けられ、下方への進出とともに基台２に載置した試料１に貫入させる貫入針３を一体に備えた載荷板４と、載荷板４を下方に押圧して進出させるための載荷機構５と、載荷板４を下方に進出させ、この載荷板４から試料１に作用する荷重を計測する荷重計６とを備えて構成されている。

基台２は、盤状に形成され、載置面２ａを水平にして配設されている。また、基台２には、その外周縁側に下端を接続し上下方向Ｔ１に沿って立設した複数のガイド部材７が取り付けられている。

また、この基台２は、例えば一対の側板８ａ、８ｂと天板８ｃと底板８ｄを組み合わせて箱（枠）状に形成したフレーム部材８の底板８ｄの中央に取り付けられたロードセル６ａ（本実施形態の荷重計６の構成要素）に接続して支持されている。また、本実施形態の荷重計６は、前記ロードセル６ａと、このロードセル６ａに接続して荷重の計測値を表示する表示装置６ｂとで構成されている。なお、表示装置６ｂとして、ピークホールド機能付きデジタル指示計を適用することが好ましい。

載荷板４は、盤状に形成され、外周縁側に下面（載荷面４ａ）から上面４ｂに貫通する複数のガイド孔４ｃが設けられている。また、この載荷板４に一体に取り付けられる貫入針３は、下面４ａの中央に一端を接続し、上下方向Ｔ１に沿って下方に突設されている。この貫入針３は、例えば、ＪＩＳＳ３００８に記載の「もめん針２号、大くけ針」とされ、載荷板４の下面４ａから下方に１０ｍｍの長さｔで突設されている。そして、載荷板４は、各ガイド孔４ｃに下面４ａ側からガイド部材７を挿通し、ガイド部材７に案内されることで、上下方向Ｔ１に進退自在に設けられている。

本実施形態の載荷機構５は、ハンドル９とネジ棒１０とを備え、外周面に雄ネジ１０ａの螺刻を施し、先端に球面状の当接部１０ｂを備えたネジ棒１０の後端を、ハンドル９の中央に接続して構成されている。ここで、フレーム部材８の天板８ｃの中央に、下面から上面に貫通し、内面に雌ネジ１１ａの螺刻を施した雌ネジ孔１１が形成されている。そして、載荷機構５は、ネジ棒１０の雄ネジ１０ａを雌ネジ孔１１の雌ネジ１１ａに螺合し、ネジ棒１０がその先端の当接部１０ａを載荷板４側に配し、軸線Ｏ１を上下方向Ｔ１に向け、フレーム部材８に螺着して支持されている。そして、この載荷機構５においては、試験者がハンドル９を軸線Ｏ１周りに正逆回転させると、その回転量に応じてネジ棒１０が上下方向Ｔ１に進退する。

次に、上記構成からなるメタンハイドレート強度測定装置Ａを用いて、採取したメタンハイドレートの試料１の強度を測定する方法について説明するとともに、本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａの作用及び効果について説明する。

まず、上記のように構成した本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａは、ポータブル型で、特に電源も必要としない。このため、試験実施場所を選ばず、例えばメタンハイドレートを採取する採取船上などで試料１の強度測定が行なえる。

そして、採取したメタンハイドレートの試料１の強度を測定する際には、載荷板４を上方に引き上げ、試料１を基台２の中央に載置するとともに、試料１に貫入針３の先端が当接するように載荷板４を降ろす。

次に、載荷機構５のハンドル９を一方向（正方向）に回転させ、ネジ棒１０の先端の当接部１０ｂが載荷板４の上面４ｂに当接するようにネジ棒１０を下方に進出させる。この状態で、荷重計６の表示装置６ｂの指示値をゼロにリセットする。これにより、強度測定の準備が完了する。

強度測定の準備が完了した段階で、試験者がハンドル９を一方向に回転させて強度測定試験を開始する。ハンドル９を一方向に回転させると、ネジ棒１０が下方に進出し載荷板４を下方に押圧し、試料１に貫入針３が貫入してゆく。このとき、貫入針３が１０ｍｍ貫入するまでハンドル９を回転させ、その間の荷重を荷重計６で計測する。また、例えば、ハンドル１回転当たりのネジ棒１０ひいては載荷板４及び貫入針３の変位量を予め求めておき、貫入針３が１０ｍｍ貫入するまで、変位量１ｍｍ毎に荷重を計測する。

次に、貫入針３の貫入量（変位量）と荷重の関係から、針貫入勾配Ｎｐを求める。そして、例えば岩石や地盤改良体の圧縮強度を求める際に用いられている下記の式（１）によって、試料１の圧縮強度ｑｕを求める。なお、βは定数である。

また、本実施形態では、試料１に貫入針３が１０ｍｍ貫入した後、さらにハンドル９を一方向に回転させ、ネジ棒１０を下方に進出させることにより、載荷板４で試料１を押圧する。この載荷板９で押圧して試料１が割裂破壊するまでハンドル９を回転させ、その間の荷重を荷重計６で計測するとともにピーク荷重を計測する。

そして、材料の割裂強度Ｓｔは圧縮強度ｑｕとの間に高い相関があることが知られ、式（２）によってその関係を表すことができ、この式（２）に試料１の割裂強度（ピーク荷重）Ｓｔを当てはめることにより、試料１の圧縮強度ｑｕが求まる。なお、αは定数である。

したがって、本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａにおいては、貫入針３を試料１に貫入する際の荷重の計測値から、試料１の圧縮強度ｑｕを推定（測定）することができる。そして、この貫入試験では、試料１をほとんど乱さないため、同一試料に対して複数回、試験を行なうことも可能であり、複数の圧縮強度ｑｕを得ることで、信頼性の高い圧縮強度ｑｕを推定（測定）することができる。

また、載荷板４で試料１を割裂させ、測定した割裂強度Ｓｔから試料１の圧縮強度ｑｕを推定（測定）することができる。このため、例えば、貫入試験後、引き続いて試料１の割裂強度Ｓｔを測定して圧縮強度ｑｕを得るようにし、貫入試験によって得られた圧縮強度ｑｕと比較することで、より信頼性の高い圧縮強度ｑｕを得ることが可能になる。

そして、このようなメタンハイドレート強度測定装置Ａは、ポータブル型であり、電源も必要としないことから、試験実施場所を選ばず、例えば船上でサンプリングを行う場合であっても、オンサイトで速やかにメタンハイドレートの試料１の物性を調べることが可能である。このため、本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａを用いることで、対象のメタンハイドレートの物性把握に向けて貴重なデータを速やかに入手することが可能になる。

なお、本実施形態のメタンハイドレート強度測定装置Ａは、実験室に試料１を運搬せずに物性測定が可能であることから、オンサイト測定が必要となる他の地盤材料などの試料への適用も可能である。また、成形が可能な試料であれば、一軸圧縮強度を直接測定することも可能である。

以上、本発明に係るメタンハイドレート強度測定装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、載荷機構５がハンドル９とネジ棒１０とで構成されているものとしたが、本発明にかかる載荷機構は載荷板４を下方に押圧して試料１に荷重を載荷することが可能であれば、特にその構成を本実施形態のように限定する必要はない。

また、荷重計６がロードセル６ａと表示装置６ｂで構成されているものとしたが、本発明にかかる荷重計においても、試料１に作用する荷重を計測して表示することが可能であれば、特にその構成を本実施形態のように限定する必要はない。

１メタンハイドレートの試料
２基台
２ａ載置面
３貫入針
４載荷板
４ａ下面（載荷面）
４ｂ上面
４ｃガイド孔
５載荷機構
６荷重計
６ａロードセル
６ｂ表示装置
７ガイド部材
８フレーム部材
８ａ側板
８ｂ側板
８ｃ天板
８ｄ底板
９ハンドル
１０ネジ棒
１０ａ雄ネジ
１０ｂ当接部
１１雌ネジ孔
１１ａ雌ネジ
Ａメタンハイドレート強度測定装置
Ｏ１ネジ棒の軸線
Ｔ１上下方向
ｔ貫入針の長さ

Claims

メタンハイドレートの強度を測定するための装置であって、
前記メタンハイドレートの試料を載置する基台と、
前記基台の上方に上下方向に進退自在に設けられ、下方への進出とともに前記基台に載置した前記試料に貫入させる貫入針を一体に備えた載荷板と、
前記載荷板を下方に押圧して進出させるための載荷機構と、
前記載荷板を下方に進出させ、該載荷板から前記試料に作用する荷重を計測する荷重計とを備えて構成されていることを特徴とするメタンハイドレート強度測定装置。
請求項１記載のメタンハイドレート強度測定装置において、
前記載荷機構は、フレーム部材に螺着して支持され、軸線回りに回転させるとともに下方に進出して前記載荷板を押圧するネジ棒を備えて構成されていることを特徴とするメタンハイドレート強度測定装置。