JP2014159710A - Methane hydrate production facility - Google Patents
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Abstract
Description
深海底の表面土壌に埋蔵するメタンハイドレートの掘削に関する。 It relates to excavation of methane hydrate buried in surface soil of deep sea floor.
従来人類が利用していた集積された化石燃料(ガス石油)の掘削採取は資源が乏しくなり、近年新たに海底地層に埋蔵するメタンハイドレート、強固なシェール岩盤に埋蔵するシェールガスなど新エネルギーが発見された。 しかし、シェールガスの掘削に水圧破壊法が開発されて実用化となり、人類のエネルギー選択がより自由度が増したが、海底に埋蔵するメタンハイドレートの掘削技術の有効な採掘技術がなく、開発が望まれている。 従来の掘削法には竪穴油井のメタンハイドレート含有層のケーシングに穴をあけて減圧によるガスの分離回収法などがあるが、効率向上の必要性など問題がある。同様に加熱ガス化など方法が試みられているが、いずれもメタンハイドレートのガス化適用範囲が狭く、現実的なガス化掘削法の有効性には至っていない。 The accumulated fossil fuel (gas oil) drilling and extraction that humans have used in the past has become scarce, and in recent years new energy such as methane hydrate that is newly buried in the seabed and shale gas that is buried in a strong shale rock It's been found. However, the hydraulic destruction method has been developed and put into practical use for shale gas drilling, and human energy choices have increased further, but there is no effective mining technology for drilling methane hydrate buried in the seabed. Is desired. Conventional excavation methods include a method for separating and recovering gas by decompression by drilling holes in the casing of the methane hydrate-containing layer of the borehole oil well, but there are problems such as the necessity of improving efficiency. Similarly, methods such as heated gasification have been attempted, but none of them has a narrow gasification application range of methane hydrate and has not yet achieved the effectiveness of a realistic gasification drilling method.
本発明は海底土壌に埋蔵するメタンハイドレートの採掘に関わる。 メタンハイドレートは密度が約0.9で海底土壌の密度の約2に比べて小さいが、海底地層に封入された状態で存在することから、海中には自然に放出されない。一方、メタンと水の化合物で一定の低温高圧条件でハイドレートが形成される。 そのガス封入量は水1リットルに約150リットルのメタンガスを封入できる。すなわち、メタンハイドレートの掘削は、水深1000〜5000mの海底に埋蔵され、多くは数メートルから数百メートルの海底地層に存在している。したがって海底が堆積層の柔らかい地層では高圧水を注水して、土壌封入を解放すれば、密度差による分離でメタンハイドレートが回収できる。また固い地層では高圧水により岩盤を破壊してハイドレートを押し出し、これらとの併用などにより採取することができる。 The present invention relates to mining of methane hydrate buried in seabed soil. Methane hydrate has a density of about 0.9 and is smaller than the density of seabed soil, which is about 2, but it is not released naturally into the sea because it is enclosed in the seabed. On the other hand, a hydrate is formed under a certain low temperature and high pressure condition with a compound of methane and water. The gas can be filled with about 150 liters of methane gas per liter of water. In other words, methane hydrate excavation is buried in the seabed at a depth of 1000 to 5000 m, and many exist in submarine strata from several meters to several hundred meters. Therefore, in soft formations where the seabed is a sedimentary layer, methane hydrate can be recovered by separation due to density differences by injecting high-pressure water and releasing the soil filling. In hard formations, the rock can be destroyed with high-pressure water, hydrates can be pushed out, and used in combination with these.
まず、埋蔵場所からの採掘問題である。メタンハイドレートの埋蔵する海底地層が、深海の海底に存在すること、さらに地層が柔らかい堆積層以外に岩盤などの下層となる場合がある。さらに、深海での掘削を必要とする。 First is the problem of mining from the reserve. The submarine strata buried in methane hydrate exist on the deep sea bottom, and the substratum may be a lower layer such as a bedrock other than a soft sedimentary layer. In addition, deep sea drilling is required.
次いで、海底での掘削したメタンハイドレートの回収と海上への輸送問題である。これらはすべて連続的に作動してマスプロダクションが可能で環境を害することなく、安全保障できなければならない。 The next issue is the recovery of excavated methane hydrate and transportation to the sea. All of these must operate continuously, mass production is possible and security can be ensured without harming the environment.
一方、メタンハイドレートは温度が上昇、または圧力が減少すれば、ハイドレートがガスと水に分離する。すなわち、深海が低温で高圧であることから、粘性体のハイドレートが拡散水により流体化して海底から高圧採収する間で、ガス化とならない高圧送水採取が必要な条件となる。 On the other hand, methane hydrate is separated into gas and water if the temperature rises or the pressure decreases. That is, since the deep sea is low-temperature and high-pressure, it is a necessary condition for high-pressure water sampling without gasification while the hydrate of the viscous body is fluidized by the diffusion water and collected from the sea floor at high pressure.
図5に示すように、メタンハイドレート掘削には、柔らかい地層用は必要十分な長さの高圧水のノズルを打ち込みシリンダーのストロークにより、地下注水して地層破壊によるメタンハイドレートと土壌の分離採掘を行う。硬質の岩盤層の下部にある場合など岩盤ボーリングを必要とするときは、ノズル先端に掘削ビットを装着して振動と回転を与える水圧衝撃掘削ボーリング法で掘削する。そして、密度分離して必要圧力を保持しながら海上台船タンクに回収する。 As shown in Fig. 5, for methane hydrate excavation, a high-pressure water nozzle of a necessary and sufficient length is used for soft strata, and underground irrigation is carried out by cylinder stroke, and methane hydrate and soil are separated and mined by strata destruction. I do. When rock drilling is required, such as when it is under a hard rock layer, excavation is carried out by a hydraulic impact drilling boring method in which a drill bit is attached to the nozzle tip to give vibration and rotation. And it collect | recovers to a marine trolley tank, density-separating and hold | maintaining a required pressure.
一方、採掘したメタンハイドレートの取り扱い条件は、常温海水ではガス化しない圧力が約100気圧以上であり、採取するメタンハイドレートの海上への回収は採掘用の約200気圧以上の高圧水と100気圧以上の回収水が必要である。ここで廃棄する回収水(メタンハイドレート含有水)のエネルギー回収を行うブースターポンプの採用が省エネ掘削に必要な技術である。これは、同一回転軸に接続するプランジャーポンプを用いて、回収水のエネルギーを採掘水ポンプの駆動源に使用することで、不足エネルギーを同軸に加えエネルギーブースターポンプができる。 On the other hand, the handling conditions of mined methane hydrate are that the pressure that does not gasify in normal temperature seawater is about 100 atmospheres or more, and the recovery of the collected methane hydrate to the sea is about 100 atmospheres or more of high pressure water of about 200 atmospheres or more. Recovered water above atmospheric pressure is required. Adopting a booster pump that recovers the energy of the recovered water (methane hydrate-containing water) discarded here is a technology necessary for energy-saving drilling. This is because a plunger pump connected to the same rotating shaft is used and the energy of recovered water is used as a drive source for the mining water pump.
海底からの回収水と掘削水の両者高圧水に必要な管は、図2に示す外部より内部管がより高圧に耐える設計をした耐食材からなる2重管が内部管の必要品質を低下できることから経済的である。また、海上でのメタンハイドレートの貯蔵・輸送タンカーの輸送中の貯蔵は、採掘回収条件と同じガス化を防止した液体輸送が必要である。この場合、いずれも高圧力状態での取り扱いが必要となる。 The pipes required for high-pressure water, both recovered water from the seabed and drilling water, can reduce the required quality of the inner pipe by the double pipe made of corrosion-resistant material designed to withstand higher pressure from the outside as shown in Fig. 2. Is economical. In addition, methane hydrate storage and transport on the sea storage during transport of tankers requires liquid transport that prevents gasification the same as mining and recovery conditions. In this case, it is necessary to handle in a high pressure state.
図1、3、4に示す発明した構造を採用することで、日本近海に多い1000〜2000m深海での数m〜10mと浅い堆積海底地層に埋蔵するメタンハイドレートの採掘には特に効果的に性能が発揮でき、10000トンクラスの台船で幅100mの帯状連続採掘が可能となる。
さらに、台船設備でもって減圧ガス分離して脱水後に再圧縮して液化するコンバータ設備を設置することで、効率的な液化天然ガス製造ができる。
By adopting the invented structure shown in FIGS. 1, 3 and 4, it is particularly effective for mining methane hydrate buried in shallow sedimentary seabeds of several m to 10 m in the deep sea of 1000 to 2000 m often found in the sea near Japan. Performance can be demonstrated, and continuous strip mining with a width of 100 m is possible on a 10000-ton class trolley.
Furthermore, efficient liquefied natural gas production can be achieved by installing converter equipment that separates the decompressed gas with the barge equipment and re-compresses and liquefies after dehydration.
巨大化となる海底掘削設備を自在に移動するための軽油浮上システムは、コンクリート構造などで作られる必要な自重を軽減することができ、海底掘削に必要な移動を可能にする。 A light oil levitation system for freely moving a large-scale undersea drilling facility can reduce the necessary weight generated by a concrete structure and the like, and enables the necessary movement for undersea drilling.
海底掘削設備には、2列以上の複数に配列する高圧水打ち込みノズルを必要長さ、浮上して打ち込みシリンダーを延長することで必要な深い打ち込みが可能となる。これにより数百メートルの掘削も可能となる。 In the submarine drilling equipment, the required depth of the high-pressure water injection nozzles arranged in two or more rows is increased, and the required deep injection can be achieved by extending the driving cylinder. This enables excavation of several hundred meters.
本発明は海底資源のメタンハイドレート掘削に関する。図1は本発明の最良な形態を示す基本構成である。目的は深海の海底に存在するメタンハイドレートを採取することにある。個本構成は、海上に設営するプラットホーム(設備収納台船)と図4に示す海底で移動掘削を行う掘削設備、図2に示す台船と採掘設備をつなぎメタンハイドレートを回収する管及び接続ワイヤー、パワーケーブルなどからなる。これらは図3に示す台船を基本として海底に鎖錠してなる。図1、3に示す台船には全エネルギーをまかなうパワーユニット、掘削用の高圧水ポンプユニット、海底掘削機との接続昇降を行うタワーウインチ、海底掘削機から採取したメタンハイドレートと海水及び含有する土壌を分離、必要な場合にはハイドレートからガス分離設備などが装備されている。さらに台船は、生産されたハイドレートや生成ガスを低温・高圧貯蔵するタンクを持ち、貯蔵タンクから洋上で特殊な低温高圧容器を持つタンカーに生産ガスを移送する機能も持つ。ここで、台船は海底と四方に張り巡らせたアンカーチェンによって位置保持ができ、自由な方向に移動もできる機能を持つ。 The present invention relates to methane hydrate drilling of submarine resources. FIG. 1 is a basic configuration showing the best mode of the present invention. The objective is to collect methane hydrate that exists in the deep sea. The individual configuration consists of a platform (equipment storage trolley) installed on the sea and excavation equipment for moving excavation on the sea floor as shown in FIG. 4, a pipe for connecting methane hydrate and mining equipment as shown in FIG. It consists of wires and power cables. These are based on the trolley shown in FIG. 1 and 3 includes a power unit that covers all energy, a high-pressure water pump unit for excavation, a tower winch that moves up and down with the seabed excavator, methane hydrate and seawater collected from the seabed excavator The soil is separated, and if necessary, gas separation equipment is installed from the hydrate. Furthermore, the trolley has a tank for storing the produced hydrate and produced gas at low temperature and high pressure, and also has a function of transferring the produced gas from the storage tank to a tanker having a special low temperature and high pressure vessel at sea. Here, the trolley can be held in position by an anchor chain stretched around the sea floor and has the function of moving in any direction.
図4に示す最良な海底掘削装置は、台船の下部に吊り下げられ、浮上用軽油分離シートにより作られた浮力と図3に示す海底と海上をワイヤーロープの巻き上げ機により昇降できる。図2に示す接続器具は、昇降と掘削を可能にする接続器具である。メタンハイドレートの採掘には、高圧水管と採取したハイドレートを排出する高圧排出管が必要である。図4海底掘削設備には2重管の外側管に接続するハイドレート回収高圧ポンプ、土壌高圧注入管及び注入管を海底土壌にバイブレーション打ち込み可能な打ち込み高圧水を用いた作動シリンダー、土壌打ち込み後に打ち込みシリンダーを掘削フレームとの間で水圧シリンダーによるストローク移動を可能にする、2方向の移動シリンダー機能を敷設、移動時には掘削機の全体荷重を調整する必要から、フレーム上部全面に取り付けられた浮上用軽油分離シートなど機能装着している。 The best submarine excavator shown in FIG. 4 is suspended from the bottom of the carriage and can be lifted and lowered by a wire rope hoisting machine and the buoyancy created by the light oil separation sheet for levitation and the seabed and the sea shown in FIG. The connecting device shown in FIG. 2 is a connecting device that enables raising and lowering and excavation. For mining methane hydrate, a high-pressure water pipe and a high-pressure discharge pipe that discharges the collected hydrate are required. Fig. 4 Submarine drilling equipment has a hydrate recovery high-pressure pump connected to the outer pipe of the double pipe, a soil high-pressure injection pipe and an operating cylinder using high-pressure water that can drive the injection pipe into the seabed soil. A two-way moving cylinder function that enables the hydraulic cylinder to move between the cylinder and the excavation frame is installed, and when moving, the entire load of the excavator needs to be adjusted. Features such as a separation sheet.
最良な高圧水の打ち込み、設備の移動機能詳細は図5に示す。打ち込みシリンダー内のノズル打ち込みピストンには2方向のチャッキ弁が設けており、打ち込み・引き抜き高圧水の切り替え高圧注水によるバイブレーション、必要によってはノズル差し込みピストンに回転羽をつけて、上下運動と静逆回転及び振動を発生させて、ノズルから高圧水を注入することができる。ここで、土壌が硬質岩盤からできている層を有する場合、注入ノズル先端に超鋼ビットなど取り付けて、岩盤の破砕を行うことができる。 FIG. 5 shows the details of the best high-pressure water driving and facility transfer functions. The nozzle driving piston in the driving cylinder is provided with a two-way check valve. Vibrating by switching high pressure water for driving and pulling out. If necessary, rotating the nozzle inserting piston with a rotating wing, up and down movement and static rotation. In addition, high-pressure water can be injected from the nozzle by generating vibration. Here, when the soil has a layer made of hard rock, the rock can be crushed by attaching a super steel bit or the like to the tip of the injection nozzle.
図1、3に示す台船を浮上するフロートの構造は、中心部が空洞で水密可能な構造をし、充填時はフロートが台船より下がり、取り換え補修ができる継手により組み立てら、さらに形状がダルマ型で下部が太くて、海面部分から上部は細く、波浪対策を施され、ドーナツ状の内部が水圧破壊しない発砲プラスチックからなり、台船の必要浮力保証をする構造に作られている。材料としては強化プラスチックが適する。 The structure of the float that floats the trolley shown in FIGS. 1 and 3 is a structure that can be watertight with a hollow in the center, and when filled, the float is lowered from the trolley and is assembled by a joint that can be replaced and repaired. Dharma type with a thick lower part, a thin upper part from the sea surface part, a wave countermeasure, a donut-shaped interior made of foamed plastic that does not break water pressure, and is constructed to ensure the necessary buoyancy of the trolley. A reinforced plastic is suitable as the material.
図4に示す軽油セパレータの分離シートは、3層構造のシートで2層と3層の間にアルコールなど軽油を打ち込み、浮上力を得る。軽油の出し入れは既存のポンプ、管を使用する。使用しないときは台船内に収納保管される。 The light oil separator separation sheet shown in FIG. 4 is a three-layered sheet, and light oil such as alcohol is driven between two and three layers to obtain levitation force. Existing pumps and pipes are used for taking in and out of light oil. When not in use, it is stored and stored in a trolley.
図2に示す2重管は、耐食FRP管が最良であり、地上ベースで内外管の耐圧は200気圧を採用する。 本発明では2重管にすることで、同時に圧力作動させると内管の耐圧が2倍許容、内管には掘削に必要な高圧水用途に使用して、外圧管にはメタンの常温液化条件である100気圧移送圧使用とする。 The double pipe shown in FIG. 2 is best used as a corrosion-resistant FRP pipe, and the pressure resistance of the inner and outer pipes is 200 atm. In the present invention, by making double pipes, the pressure resistance of the inner pipe is allowed twice when operated at the same time, the inner pipe is used for high pressure water necessary for excavation, and the outer pressure pipe is used for liquefaction conditions of methane at room temperature It is assumed that 100 atm transfer pressure is used.
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