JP2019002174A

JP2019002174A - メタンハイドレートの採掘方法

Info

Publication number: JP2019002174A
Application number: JP2017116443A
Authority: JP
Inventors: 好弘寺尾; Yoshihiro Terao
Original assignee: Japan Petroleum Exploration Co Ltd
Current assignee: Japan Petroleum Exploration Co Ltd
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: JP6432916B1

Abstract

【課題】海底面下の堆積物中のメタンハイドレート層を、閉鎖環境の中で環境への影響を少なく、効率よく採掘する方法の提供。【解決手段】掘削ビット２０１と水噴射ノズル２０１ａ＆２０１ｂ、掘削ビット２０１を回転させる坑内モーター２０２及びメタンハイドレートを検知する掘削同時検層ツール２０３等の掘削装置でメタンハイドレート層を掘削する。水噴射ノズル２０１ａから縦方向（掘進軸方向）に水を噴射し、地盤を崩しつつ掘削装置を前進させ、掘削同時検層ツール２０３にてメタンハイドレートを検知し、掘削方向を変えてメタンハイドレート層を掘削する。次に、水噴射ノズル２０１ｂ向きを横方向（掘進軸に対して鉛直方向）に変え、掘削坑周囲の地盤を崩しつつ掘削装置を後退させ、砂／泥・メタンハイドレート・水の混合流体２０４を生産処理設備に移送する。【選択図】図−４

Description

深海底の表面土壌のガスチムニー構造に埋蔵するメタンハイドレート（以下、本明細書においてＭＨと略記する）の採掘方法に関する。

我が国は、一次エネルギーの８０％以上を海外からの輸入に依存しており、その多くは原油・天然ガス・石炭などの化石燃料が占めている。このため、エネルギー安定供給の観点から、資源の供給源の多様化が課題となっている。
このような中、非在来型の天然ガス資源のひとつであるＭＨは、メタンガスと水分子が、低温・高圧状態で結晶化したものであり、極地付近の地下や水深５００ｍ〜５，０００ｍの海底面下の堆積物中や海底面付近に分布しており、我が国周辺海域においても相当量の賦存が見込まれている。このため、ＭＨは我が国のエネルギー安定供給に極めて大きく貢献する新たな国産エネルギー資源になるものと考えられ、ＭＨの生産技術の確立は重要なテーマである。

我が国周辺海域に賦存が見込まれているＭＨには二つのタイプがあり、一つは南海トラフに代表されるもので、海底面下１００−４００ｍの砂層に水平的に広がって分布する。これは砂層中に発達するため砂層型ＭＨと呼ばれ、地震探査（音響調査）では海底面とほぼ平行に強い反射面が出現するため、これを海底疑似反射面（ＢＳＲ）と呼んで、ＭＨ探査の重要な手掛かりとしている。
もう一つは日本海に代表されるもので、水深５００ｍ〜５，０００ｍの海底面下の堆積物中や海底面に分布しており、表層型ＭＨと呼ばれる。これは、深部から流体の移動通路を経て供給される炭化水素ガス（主にメタンガス）によって、海底面付近に形成された密集した塊状のＭＨであり、地震探査（音響調査）でガスチムニー構造と呼ばれる音響的混沌帯（白抜き構造）が確認されることがあり、表層型ＭＨの重要な手掛かりである。
また、表層型ＭＨは比重が約０．９で海底表面土壌の比重約２に比べて小さいが、水深５００ｍ〜５，０００ｍの海底に海底土壌と相互に混ざり合った塊状の形で海底地層に封入された状態で存在するため、海水中に大規模に放出されることは少ないと考えられる。多くは、海底面直下から１００ｍ程度の海底表面土壌のガスチムニー構造に埋蔵している。

砂層型ＭＨからメタンガスを採取するには、その生成条件の温度、圧力、塩濃度の平衡条件をメタンガスと水が分解する方向に移動させることが必要となるため、減圧法、熱刺激法、塩濃度調整等による相平衡移動法、ＣＯ_２−ＣＨ_４置換法並びにこれらの組み合わせ手法が提案されている。組み合わせ手法については、減圧法とその他の手法を組み合わせるのが一般的である。
また、砂層型ＭＨは、海底面下１００〜４００ｍの砂層に水平的に広がって分布するため、上記に提案されている手法並びに組み合わせ手法を用いて、一般的に利用されている海底油・ガス田開発の手法を適用することにより生産技術を確立できる可能性がある。

表層型ＭＨの回収方法においては、特開２０１４−１５９７１０では掘削装置を海底面に下して高圧水をノズルから噴射することによりＭＨ層を切削粉砕し、高圧水ポンプにより昇圧して海上に移送する手法、特表２０１２−５１８１０２ではライザーにより水中掘削機を海底面に下し、海底からＭＨ層を直接切削粉砕し、高圧水ポンプにより昇圧して海上に移送することを特徴とする回収方法が提案されている。

また、特開２００３−２１４０８２においては、地層に嵌入させた掘採管から高速噴流体を噴射し、その地層を切削粉砕したガス含有流体を浮遊式掘削船上に移送するとともに、切削粉砕して浮遊式掘削船上に移送した地山体積相当を高速噴流体の構成分で充填させることを特徴とする回収方法が提案されている。

特開２０１４−１５９７１０特表２０１２−５１８１０２特開２００３−２１４０８２

特開２０１４−１５９７１０並びに特表２０１２−５１８１０２の回収方法では、ＭＨ採取後に大きな窪みが生じ、軟弱な海底地層においては海底地形の変形や地滑り等の発生や表層のＭＨ層を切削粉砕することによる砂／泥の海水中への撹乱等の問題が考えられる。

特開２００３−２１４０８２の回収方法では、高速噴流体の構成分は水と微砂・粘土等を主成分とするため、掘採管や噴射ノズルにエロージョンが発生しやすく、一部の高速噴流体の一部は地山体積相当分として充填されることなく、切削粉砕した地層に含まれるＭＨと共に浮遊式掘削船上に移送されるため分離・回収処理が難しいという問題が考えられる。
また、ＭＨ掘採装置と海底のＭＨ層とは、３重構造となっている掘採管、高速流体導管及び高圧管により連結されているが、このような構造は浮遊式掘削船に波の波動を吸収するための波動吸収装置、天候急変や浮遊式掘削船の動力停止等の緊急事態が発生した場合にパイプを切断・坑井密閉して掘削ロケーションから離脱するための緊急密閉装置（ＢＯＰ）や潮流・風向変化に対して自動的に船位を保持するための自動船位保持装置を備える必要があるため、流体の圧入・回収のための構造が複雑となり、現実的に対応するのは難しい。

海底面からコンダクターを表層型ＭＨ層に直接打ち込み、海底面とＭＨ層の隔離を確立させる必要がある。隔離を確立させることにより、切削粉砕した砂／泥・ＭＨ・水の混合流体を海中に撹乱することなく、掘削坑から海底セパレーター等を通して洋上生産設備に移送することが重要である。

また、海底セパレーターにおいて、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体から分離した砂／泥・水については、海底セパレーター下部から海底の別の掘削坑に沈降させ、掘削を終えた掘採坑の空隙を埋め戻しする必要がある。つまり、分離した砂／泥・水は相当な量となり陸上で産廃処理することは難しく、ＭＨ採掘を終えた掘採坑の空隙に充填して埋め戻しするが、掘採坑を閉塞させることなく確実に空隙に充填することが重要である。

次いで、海底セパレーターにおいて、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体から分離したＭＨ・水については、ポンプにより昇圧して、浮遊式掘削船上へ移送する必要がある。特に、ＭＨに少量含まれるガスは海底面近くで、水と結合して再ハイドレート化する可能性があり、ホースを閉塞させることなく確実に洋上生産設備まで移送することが重要である。

本発明においては、海底面からコンダクターを打ち込み、緊急密閉装置（ＢＯＰ）、坑口装置等により海底面とＭＨ層を隔離し、いわば閉鎖環境の中で海底土壌やＭＨを、水噴射ノズルにより切削粉砕することが出来る。これにより、掘削用高圧水ポンプユニットから高圧水をポンプしながら、掘削ビット２０１とそれに備えられた水噴射ノズル、及び掘削ビットを回転させる坑内モーターと、ＭＨを検知する掘削同時検層ツールより構成される掘削装置により、ＭＨ層内を自由な深度・方位・傾斜に掘削することが出来る。更に、同一掘採坑内で枝掘りをすることにより複数の掘採坑を掘削することが出来るため、ＭＨの採掘量を大きくすることが出来、採掘効率が高いことを特徴とする。

まず、掘削ビットに備えられた水噴射ノズルから縦方向（掘進軸方向）に水を噴射しつつ、坑内モーターにより掘削ビットを回転させ、地盤を水の勢いで崩しながら掘削装置を前進させる。その過程で掘削同時検層ツールを使って層内のＭＨを検知し、その存在が多いと推測される方向に掘削装置の向きを変えてＭＨ層を掘削することを特徴とする。

また、計画した深度・方位・傾斜に到達したら、水噴射ノズルの向きを横方向（掘進軸に対してほぼ鉛直方向）に変えて水を噴射させつつ坑内モーターにより掘削ビットを回転させ、掘削坑の周囲の地盤を崩しつつ掘削装置を後退させることにより、崩された地盤に含まれる砂／泥・ＭＨ・水の混合流体として採掘することを特徴とする。

また、この砂／泥・ＭＨ・水の混合流体は、掘削装置とＭＨ層のアニュラス（注記１）を上昇させ、掘削用パイプや掘削装置とは別に設けたホースを通じて坑口装置から海底セパレーターに移送し、比重差を利用してＭＨ・水と砂／泥に分離した後、ＭＨ・水についてはポンプを使って浮遊式掘削船上の洋上生産設備に移送される。砂／泥については、海底セパレーター下部から海底の別の掘削坑に沈降させ、掘削を終えた掘採坑の空隙を充填して埋め戻しされるため、掘削後の地盤沈下等による海底地形の変形や地滑り等を防ぐことが出来ることを特徴とする。
（注記１）：掘削用パイプ、掘削同時検層ツール、坑内モーター及び掘削ビット等から構成される掘削装置とＭＨ層の間隙をアニュラスと称し、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体が上方に通過していく。

また、ポンプによりホースを通して浮遊式掘削船上の洋上生産設備に移送されたＭＨ・水については、ＭＨ、水を含む被掘削物からガスを分離し、ガス輸送船に蓄えられ陸上まで運搬されるか、回収ガス燃焼用バーナーで燃焼処理される。また、ＭＨ、水を含む被掘削物から分離・回収した生産水並びに掘削に使用した水は、掘削のために再利用されることを特徴とする。

図−１に示す発明した構造を採用することで、掘削同時検層ツールを使って層内のＭＨを検知し、ＭＨが「濃く」存在する方向に掘削装置を向けて掘り進むため、掘削装置が掘った坑の周囲の地盤には常にＭＨが多く存在する。掘削装置を後退させる際にはこのＭＨを多く含んだ周囲の地盤を崩して採掘するので、ＭＨが「広く浅く」かつ「疎密」に存在している表層型ＭＨ層においても効率の良い掘削が可能となる。

日本海に代表される表層型ＭＨと呼ばれる、水深５００〜５，０００ｍの海底付近に形成された密集した塊上のＭＨの採掘を、ＭＨ層と海底を隔離した閉鎖環境の中で行うため、砂／泥の海水中への撹乱等を発生させずに効率的に行うことが出来る。

また、ＭＨ層を切削粉砕した、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体からＭＨ・水を分離した後の水分を含む砂／泥については、ＭＨ採掘後の空隙に充填し埋め戻しされるため、地盤沈下等による海底地形の変形や地滑り等を防ぐことが出来る。

掘削用パイプを切断並びに坑井を密閉する機能を持った緊急密閉装置（ＢＯＰ）及びホースを切り離すスイベルを備えているため、掘削中や砂／泥・ＭＨ・水の混合流体の移送時においては、天候急変や浮遊式掘削船の動力停止等の緊急事態が発生した場合、浮遊式掘削船を安全に掘削ロケーションから離脱することが出来る。

本発明のＭＨ採掘システム全体図を示す図である。掘採坑の形態（枝掘り）を示す模式図である。ＭＨ層の掘削方法を示す模式図である。ＭＨ層の切削粉砕方法を示す模式図である。掘削ビット並びに水噴射ノズルを示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して具体的に説明する。本発明の目的は、海底下の堆積物中や海底１０３に分布するＭＨを採掘することにある。本構成は、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す通り、大きくは海上に設営する浮遊式掘削船１０７と海底生産装置１０６からなり、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４を浮遊式掘削船１０７に移送するホース２１２、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４をＭＨ・水と砂／泥に分離するための海底セパレーター２１１、ＭＨ層を掘削するための掘削用パイプ２０９並びに緊急密閉装置（ＢＯＰ）２０８やポンプ２１０を制御するための制御ケーブルやパワーケーブル、温度・圧力等を測定するためのセンサーケーブル等が浮遊式掘削船１０７と海底生産装置１０６との間に連結されている。
図−１に示す浮遊式掘削船１０７には、全エネルギーを賄うパワーユニット、掘削用高圧水ポンプユニット３０３、掘削用パイプ２０９、掘削櫓３０５・昇降ウインチ３０４・波動吸収装置３０６、回収されたＭＨを溶解させるためのヒーター３０８が内蔵されたガス・水・砂／泥比重分離装置３０９、浮遊式掘削船１０７上に移送されたＭＨ・水に含まれる砂／泥を回収するための砂／泥回収装置３１０、流体に含まれるガスを回収するためのガス回収装置３１１、生産水並びに掘削に使用した水を溜めておくための回収水タンク３１３、回収した水を含む砂／泥を溜めておくための掘削泥タンク、緊急密閉装置（ＢＯＰ）やポンプ２１０を制御するためのコントロールユニット、回収ガス燃焼用バーナー３１４等が備えられている。さらには、船位保持や運航のための自動船位保持装置３０１が備えられており、ＭＨの掘削・回収作業中の自動船位保持や、次のロケーションに向けて自由な方向に移動が可能である。

掘採坑の掘削方法については図−２掘採坑の形態（枝掘り）を示す模式図に示す通り、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示した掘削装置によりＭＨ層１０２内を自由な深度・方位・傾斜に掘削することでＭＨ塊の存在や厚さを確認したうえで、任意の深度より複数の掘採坑１０４を枝掘りにより掘削することが出来る。また、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す通り、目的の深度まで到達したら、図−５掘削ビット並びに水噴射ノズルを示す模式図に示す水噴射ノズル２０１ｂから横方向（掘進軸に対してほぼ鉛直方向）に高圧水を噴射させ、掘削装置を後退させることによりＭＨを上方に切削粉砕し、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４を海底セパレーター２１１に移送し、比重差を利用してＭＨ・水と砂／泥に分離した後、ポンプ２１０を使って浮遊式掘削船１０７上の洋上生産設備に移送される。また、図−１ＭＨ採掘システム全体図及び図−２掘採坑の形態（枝掘り）を示す模式図に示す通り、ＭＨを採掘した掘採坑１０４に対しては、海底セパレーター２１１下部より水を含む砂／泥を埋め戻すことが出来る。

洋上生産設備では、ＭＨ・水を含む被掘削物からガスを分離し、ガス輸送船に蓄えられ陸上まで運搬されるか、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す回収ガス燃焼用バーナー３１４で燃焼処理される。また、ＭＨ、水を含む被掘削物から分離・回収した生産水並びに掘削に使用した水は、掘削のために再利用される。

掘削坑１０４の掘削時においては図−３ＭＨ層の掘削方法を示す模式図に示す通り、掘削ビット２０１に備えられている水噴射ノズル２０１ａを縦方向（掘進軸方向）にセットし、水噴射ノズル２０１ａから高圧水を縦方向（掘進軸方向）に噴射することによりＭＨを掘削軸方向に切削粉砕し掘削坑の掘削を行う。

ＭＨの回収時においては図−４ＭＨ層の切削粉砕方法を示す模式図に示す通り、掘削装置を後退させながら水噴射ノズル２０１ｂの向きを変えて横方向（掘進軸に対してほぼ鉛直方向）に水を噴射させることによりＭＨを上方に切削粉砕し、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４として、海底セパレーター２１１まで移送することが出来る。

掘削ビット２０１並びに水噴射ノズル２０１ａ＆２０１ｂについては図−５掘削ビット並びに水噴射ノズルを示す模式図に示す通り、掘採坑１０４の掘削時においては掘削ビット２０１の備えられている水噴射ノズル２０１ａを縦方向（掘進軸方向）にセットする。ＭＨ回収時においては、水噴射ノズル２０１ｂの向きを変えて横方向（掘進軸に対して鉛直な方向）に水を噴射させる方向にセットされる。

海底１０３からコンダクター２０５を打ち込み海底面とＭＨ層を隔離し、いわば閉鎖環境の中で海底土壌やＭＨを、水噴射ノズル２０１ａ＆２０１ｂにより切削粉砕することが出来る。これにより、掘削用高圧水ポンプユニット３０３から高圧水２１３をポンプしながら、掘削用パイプ２０９、ＭＨ層の特性測定や枝掘りするための機能を備えた掘削同時検層ツール２０３、坑内モーター２０２、水噴射ノズル２０１ａ及び掘削ビット２０１により、ＭＨ層１０２内を自由な深度・方位・傾斜に掘削することによりＭＨ塊の存在や厚さを確認することが出来る。更に、同一掘採坑１０４内で枝掘りをすることにより複数の掘採坑１０４を掘削することが出来るため、ＭＨの採掘量を大きくすることが出来、採掘効率が高いことを特徴とする。

１０１海底地層
１０２メタンハイドレート層
１０３海底
１０４掘採坑
１０４ａパイロット坑
１０５処理井
１０６海底生産装置
１０７浮遊式掘削船
１０８海面
１０９ＳｉｄｅＶｉｅｗ
１１０ＴｏｐＶｉｅｗ
２０１掘削ビット
２０１ａ水噴射ノズル（縦方向）
２０１ｂ水噴射ノズル（横方向）
２０２坑内モーター
２０３掘削同時検層ツール
２０４砂/泥・ＭＨ・水の混合流体
２０５コンダクター
２０６坑口装置
２０７ライザー
２０８緊急密閉装置（ＢＯＰ）
２０９掘削用パイプ
２１０ポンプ
２１１海底セパレーター
２１２ホース
２１３高圧水
３０１自動船位保持装置
３０２フィルターユニット
３０３掘削用高圧水ポンプユニット
３０４昇降ウインチ
３０５掘削櫓
３０６波動吸収装置
３０７スイベル
３０８ヒーター
３０９ガス・水砂/泥比重分離装置
３１０砂・泥回収装置
３１１ガス回収装置
３１２掘採泥タンク
３１３回収水タンク
３１４回収ガス燃焼用バーナー

また、計画した深度・方位・傾斜に到達したら、水噴射ノズルの向きを横方向（掘進軸に対してほぼ直角方向）に変えて水を噴射させつつ坑内モーターにより掘削ビットを回転させ、掘削坑の周囲の地盤を崩しつつ掘削装置を後退させることにより、崩された地盤に含まれる砂／泥・ＭＨ・水の混合流体として採掘することを特徴とする。

掘採坑の掘削方法については図−２掘採坑の形態（枝掘り）を示す模式図に示す通り、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示した掘削装置によりＭＨ層１０２内を自由な深度・方位・傾斜に掘削することでＭＨ塊の存在や厚さを確認したうえで、任意の深度より複数の掘採坑１０４を枝掘りにより掘削することが出来る。また、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す通り、目的の深度まで到達したら、図−５掘削ビット並びに水噴射ノズルを示す模式図に示す水噴射ノズル２０１ｂから横方向（掘進軸に対してほぼ直角方向）に高圧水を噴射させ、掘削装置を後退させることによりＭＨを上方に切削粉砕し、図−１ＭＨ採掘システム全体図に示す砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４を海底セパレーター２１１に移送し、比重差を利用してＭＨ・水と砂／泥に分離した後、ポンプ２１０を使って浮遊式掘削船１０７上の洋上生産設備に移送される。また、図−１ＭＨ採掘システム全体図及び図−２掘採坑の形態（枝掘り）を示す模式図に示す通り、ＭＨを採掘した掘採坑１０４に対しては、海底セパレーター２１１下部より水を含む砂／泥を埋め戻すことが出来る。

ＭＨの回収時においては図−４ＭＨ層の切削粉砕方法を示す模式図に示す通り、掘削装置を後退させながら水噴射ノズル２０１ｂの向きを変えて横方向（掘進軸に対してほぼ直角方向）に水を噴射させることによりＭＨを上方に切削粉砕し、砂／泥・ＭＨ・水の混合流体２０４として、海底セパレーター２１１まで移送することが出来る。

掘削ビット２０１並びに水噴射ノズル２０１ａ＆２０１ｂについては図−５掘削ビット並びに水噴射ノズルを示す模式図に示す通り、掘採坑１０４の掘削時においては掘削ビット２０１の備えられている水噴射ノズル２０１ａを縦方向（掘進軸方向）にセットする。ＭＨ回収時においては、水噴射ノズル２０１ｂの向きを変えて横方向（掘進軸に対して直角な方向）に水を噴射させる方向にセットされる。

Claims

海底面からコンダクターを打ち込み海底面とメタンハイドレート層を隔離する工程と、掘削ビットに備えられている水噴射ノズルから水を縦方向（掘進軸方向）に噴射しながら掘削装置によりメタンハイドレート層を掘削する工程と、計画した深度、方位、傾斜に到達したら、前記水噴射ノズルの向きを横方向（掘進軸に対して鉛直方向）に変えて水を噴射しつつ、掘削装置を後退させて、砂／泥・メタンハイドレート・水の混合流体を採掘する工程と、前記採掘された砂／泥・メタンハイドレート・水の混合流体を、掘削装置とメタンハイドレート層のアニュラスを上昇させ、掘削装置とは別に設けたホースを通じて坑口装置・ライザーから海底セパレーターを経由して浮遊式掘削船上に備えられた洋上生産装置に移送する工程からなるメタンハイドレート採掘方法。
前記水噴射ノズルから噴射される水の吐出圧力と、前記掘削ビット並びに掘削用パイプの回転速度と、掘削装置の後退速度の調整により、メタンハイドレートの採掘量を調整することを特徴とする請求項１に記載のメタンハイドレート採掘方法。
メタンハイドレート掘削・採掘作業が終了した後は掘削ロケーションを移動させることなく、掘削同時検層ツールにより同一掘採坑内で枝掘りを行うことにより、同一掘採坑内に複数の掘採坑を自由な深度・方位・傾斜に掘削することが出来ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメタンハイドレート採掘方法。