JP2019157464A - ガス生産システム、及びガス生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムにおいて、ライザー管内で気体と液体とを分離する能力を向上させ、ポンプに導入される液体に気泡が混入することを抑制する。【解決手段】ガス生産システムは、地中内に埋設される先端部を有する長尺のライザー管を備える。ライザー管は、減圧法によりガスハイドレートから分解した気液混合物を管内の液体に取り込むように、先端部に開口した孔が設けられている。システムは、さらに、ライザー管内の液体を吸い上げてライザー管の外部に排出するポンプを備える。ライザー管は、管の内壁に囲まれ、気液混合物を取り込んだ液体が供給される空間をさらに備える。空間内には、内壁に沿って周状に流れる液体の旋回流が形成される。ポンプは、周状に流れる液体を吸い上げる。【選択図】図４

Description

本発明は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システム及びガス生産方法に関する。

近年、天然ガス資源として、天然ガスハイドレートが注目されている。天然ガスは、燃焼時の二酸化炭素排出量が石油や石炭に比べ少なく、天然ガスと水からなる天然ガスハイドレートは、地球温暖化抑制の点で有望な資源である。
天然ガスハイドレートは、メタン分子を水分子が籠状に取り囲んだ結晶構造を有する包接化合物である。天然ガスハイドレートは、低温、高圧の環境下で、固体の状態で存在し、このような環境を満たす、深海の海底の表層や海底面下の地層中に安定して存在している。

従来、海底内に存在する天然ガスハイドレートから天然ガスを取り出す方法として、天然ガスハイドレートにかかる高い水圧に対して減圧された圧力を作用させることで天然ガスハイドレートを分解する減圧法が知られている（例えば、特許文献１）。
減圧法では、具体的に、天然ガスを海底から海上に向けて運ぶ管（ライザー管）を用いて、管内の海水を排出することで液面を下げ、ライザー管内の海水の圧力を、天然ガスハイドレートを含んだ海底内の地層（ハイドレート層）に作用させ、分解させる。天然ガスハイドレートが分解して生成した天然ガスは、液体と混ざり合った混相流（気液混合物）としてライザー管内の海水に取り込まれる。混相流を取り込んだ海水は、ライザー管内で、天然ガスと海水とに分離され（気液分離され）、それぞれ海上に排出される。

減圧法を用いて天然ガスの生産量を増やすためには、天然ガスハイドレートに作用する圧力を、天然ガスハイドレートが分解する圧力（分解圧力）の範囲に保つことが重要である。このため、減圧法では、混相流を取り込む取り込み口のあるライザー管の先端部における圧力（坑底圧）を計測して坑底圧を監視しながら、ポンプの回転周波数を制御して海水の排出量を制御することにより、坑底圧の調整を行っている。

特開２０１０−２６１２５２号公報

このように、減圧法では、天然ガスハイドレートに作用する圧力を、ライザー管の先端部における圧力（坑底圧）が設定圧力になるように、ポンプの回転数を制御するが、ポンプに導入される海水等の液体内には、気液分離が不十分なために、気泡が混入する場合がある。特に、天然ガスハイドレートの分解の程度が大きくなると、多数の微細気泡を含んだ形態の液体の流れが発生しやすくなる。しかし、微細気泡は、浮上する力が弱く、液体から分離し難いため、ポンプに気泡が混入しやすくなる。
気泡がポンプに進入すると、ポンプによる液体の排出量が変動し易くなり、これによって、ライザー管内の液面の高さが不安定になる。液面の高さが不安定になると、ライザー管の先端部における圧力（坑底圧）は変動し、天然ガスハイドレートに作用する圧力も変動するため、天然ガスの生産が不安定になる。

そこで、本発明は、ライザー管内で気体と液体とを分離する能力を向上させ、ポンプに導入される液体に気泡が混入することを抑制することができるガス生産システム及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムであって、
地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えるライザー管と、
前記ライザー管内の前記液体を吸い上げて前記ライザー管の外部に排出するポンプと、を備え、
前記ライザー管は、前記ライザー管の内壁に囲まれ、前記気液混合物を取り込んだ前記液体が供給される空間をさらに備え、
前記空間内には、前記内壁に沿って周状に流れる前記液体の旋回流が形成され、
前記ポンプは、周状に流れる前記液体を吸い上げる、ことを特徴とする。

前記先端部は、前記先端部から上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、
前記管部分は、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に、前記液体を前記空間内に供給することが好ましい。

さらに、前記ライザー管内に配置され、前記ポンプによって吸い上げられた前記液体が流れる排出管を備え、
前記排出管は、前記空間内に、前記液体を吸い込む吸込口を有し、
前記吸込口は、前記旋回流の旋回中心と前記ライザー管の内壁との間において、前記内壁に接近して配置されていることが好ましい。

前記先端部は、前記先端部から上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、前記管部分は、前記液体を前記空間内に供給する供給口を有し、
前記供給口は、前記吸込口よりも、前記旋回流の旋回中心に接近して配置されていることが好ましい。

さらに、前記ライザー管内に配置され、前記ポンプによって吸い上げられた前記液体が流れる排出管を備え、
前記排出管は、前記空間内に、前記液体を吸い込む吸込口を有し、
前記先端部は、前記先端部から上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、前記管部分は、前記液体を前記空間内に供給する供給口を有し、
前記吸込口は、前記供給口よりも下方に位置していることが好ましい。

前記排出管は、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に前記液体を吸い込むことが好ましい。

本発明の別の一態様は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する方法であって、
地中内に埋設された先端部を有し、前記先端部から上方に延びるライザー管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減させるステップと、
前記ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、前記ライザー管の外部に開口した孔から前記ライザー管内の前記液体に取り込み、前記気泡からガスを取り出すステップと、
ポンプを用いて、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げて前記ライザー管の外部に排出するステップと、を備え、
前記ガスを取り出すステップでは、前記管の内壁に囲まれた空間内に、前記気液混合物が取り込まれた前記液体を供給するとともに、前記内壁に沿って周状に流れる前記液体の旋回流を形成し、
前記排出するステップでは、前記旋回流をなすよう流れる前記液体を吸い上げる、ことを特徴とする。

前記ガスを取り出すステップでは、上方に向かって前記液体が流れる、前記先端部の管部分を用いて、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に、前記液体を前記空間内に供給することが好ましい。

上述のガス生産システム及びガス生産方法によれば、ライザー管内で気体と液体とを分離する能力を向上させ、ポンプに導入される液体に気泡が混入することを抑制することができる。

本実施形態のガス生産システムを概略的に示す図である。 ライザー管の先端部付近の内部構成を説明する図である。体の形態の例を示す図である。 ライザー管の気液分離槽を説明する図である。 図３の気液分離槽を上面視して示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、管部分の変形例を示す図である。 気液分離槽の変形例における液体の流れを説明する図である。

以下、本発明のガス生産システム及びガスの製造方法について説明する。なお、以降の説明では、ガスハイドレートとして天然ガスハイドレートを例として挙げるが、ガスハイドレートは天然ガスハイドレートに限定されない。
また、本明細書でいうガス生産システムは、地中のガスハイドレートを減圧して分解することによりガスを生成するものであり、海底表面にあるガスハイドレートからガスを生成するシステムと異なる。

（ガス生産システムの概略説明）
一実施形態のガス生産システム（以下、システムともいう）は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムである。システムは、ライザー管と、ポンプと、を主に備える。
ライザー管は、地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管である。ライザー管は、先端部に設けられ、管の外部に開口した孔を備える。この外部に開口した孔は、ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を管内の液体に取り込むように設けられている。ガスハイドレートは、ライザー管の先端部から上方に延びる管内の液体によって生じる圧力を用いて管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより分解される。
ポンプは、ライザー管内の液体を吸い上げてライザー管の外部に排出する。
ライザー管は、管の内壁に囲まれ、気液混合物を取り込んだ液体が供給される空間をさらに備えている。
空間内には、内壁に沿って周状に流れる液体の旋回流が形成される。
ポンプは、周状に流れる液体を吸い上げる、

このシステムでは、ライザー管内の空間内に液体の旋回流が形成されることで、気泡を含んだ液体に対して、旋回流の中心から外側に向かう遠心力が作用する。このため、液体と気体の比重差によって、液体は旋回流の中心から遠ざかる側（外側）に移動し、気泡は旋回流の中心に近づく側（内側）に集められる。内側に集められた気泡の一部は、気泡同士が一体となって（合泡して）、大きくなるため、液面に浮上しやすく、液体から分離されやすい。特に、ガスハイドレートの分解の程度が大きくなった場合に、高圧の海水中に発生する微細気泡は、浮上する力が弱く、液体から分離され難いが、上述したように、空間内で遠心力を受けて集められ、大きくなることで、液体から分離されやすくなる。

このように、気体と液体とを分離する能力（気液分離性能）が向上していることで、ポンプに導入される液体への気体の混入が抑制され、ポンプによる液体の排出量が安定し、ライザー管内の液面の高さが安定する。これにより、ライザー管の先端部における圧力（坑底圧）は変動し難くなり、ガスハイドレートに作用する圧力も変動し難くなり、ガスの生産を安定して行うことができる。

（ガス生産システムの具体的な説明）
図１は、一実施形態のシステム１を概略的に示す図である。図２は、ライザー管１０の先端部１０ａ付近の内部構成を説明する図である。以下、海底の地中内の天然ガスハイドレートを分解して天然ガスを生産するシステム１を例に説明する。

システム１は、海上にある掘削船３から海底を経由して地中に延びるライザー管１０から地中内の天然ガスハイドレートを分解して生成される天然ガスを地上に取り出すシステムである。
システム１は、ライザー管１０と、ポンプ２３と、ガス生成ライン１２と、液体排出ライン１３と、制御装置４０と、を主に備える。

ライザー管１０は、地中内に埋設されるように構成された先端部１０ａを有する長尺状の管である。ライザー管１０は、図１に示す例では、掘削船３から鉛直下方に延び、先端部１０ａが、海底の坑井７内に埋設されている。坑井７は、掘削により設けられた穴であり、図１に示す例において、海底面２を含む上層４を貫通し、下層に位置するハイドレート層５内で閉塞している。上層４は、例えば、泥を多く含む泥質層である。ハイドレート層５は、例えば、泥と砂を多く含む砂泥互層と呼ばれる層である。ハイドレート層５は、天然ガスハイドレートが砂や泥に取り込まれて存在する、横方向に広がった砂質層を有している。上層４とハイドレート層５との境界は、例えば、海底面下数百メートルの位置にあり、海底面２は、例えば、水深３００メートル〜千数百メートルの位置にある。

ライザー管１０は、管本体１１と、スクリーン１９（図２参照）と、を備える。
ポンプ２３と、ガス生成ライン１２と、液体排出ライン１３の一部とが、管本体１１内に設けられている。
この他に、管本体１１内には、ヒータ２６が設けられている。

管本体１１は、揚収管として機能する部分（管部分）１８の後述する孔１８ａを除いて、内側の空間を水や海水から隔絶する部材である。管本体１１には、図１に示す例では、内側の空間を上下に仕切る隔壁１７ａ、１７ｂ、及び隔壁１７ｃが設けられている。隔壁１７ｃを通ってライザー管１０の先端まで延びる管本体１１の部分は、ハイドレート層５から液体内に取り込まれた気液混合物が液体とともに上方に向かって流れる部分１８（以降、この部分を、揚収管部分１８ともいう）であり、図１に示す例では、隔壁１７ｃから上方の管本体１１の部分と比べ、管径が小さい。揚収管部分１８は、ハイドレート層５内に位置している。

スクリーン１９は、揚収管部分１８に、ライザー管１０の外部に開口した孔１８ａを覆うように設けられている。孔１８ａは、ハイドレート層５内の砂質層と接する深さ位置にある揚収管部分１８に設けられている。
スクリーン１９は、天然ガスハイドレートの分解によって生成した気泡及び水、さらには海水を取り込み、砂や泥を分離除去する部材である。スクリーン１９は、気泡、水、海水を通過させるが、砂や泥を通過させない機能を有している。スクリーン１９は、例えば、多数の孔を有するシート状又は板状の構造体であって、互いに孔の大きさや形態が異なる複数の構造体から構成される。複数の構造体の組み合わせの具体例として、ジョンソンスクリーン、メッシュ、及びグレーチングが挙げられる。ジョンソンスクリーンは、ジョンソンスクリーン社製の金網状の構造体として周知である。グレーチングは鋼材を格子状に組んだ部材である。ジョンソンスクリーン、メッシュ、グレーチングは、揚収管部分１８の側からハイドレート５層の側に向かって、この順に、揚収管部分１８に重ねて配置される。

図２に示すように、揚収管部分１８には、スクリーン１９を通過した気液混合物を取り込むための複数の孔１８ａが深さ方向に沿って設けられている。孔１８ａは、揚収管部分１８の壁部を貫通し、揚収管部分１８の外部に開口している。ライザー管１０が孔１８ａを備えることで、坑底圧を用いて天然ガスハイドレートに作用する圧力を低減し、これによって、気液混合物をライザー管１０内に取り込むことができる。
坑底圧とは、後述する液面Ｓの下方の液体によって、ライザー管１０の下端が受ける水頭圧によって定まる圧力である。ライザー管１０の下端は、坑井７の穴底（坑底）と略同じ高さに位置している。ここで、先端部１０ａは、ライザー管１０のうち孔１８ａの設けられる部分を含む。
ライザー管１０内の液体には、天然ガスハイドレートから分解して生成された気液混合物が取り込まれるほか、孔１８ａを通って進入した水や海水が取り込まれる。気液混合物は気泡を含むので、ライザー管１０内の液体には気泡が混在している。水や海水は、ハイドレート層５に含まれる水や海水、ハイドレート層５と接する他の地層に含まれる水や海水を起源としている。

ライザー管１０は、揚収管部分１８の先端部、詳細にはライザー管１０の下端に設けられた、坑底圧を測定する圧力計３１を、さらに有している。圧力計３１は、制御装置４０に接続されており、坑底圧の計測信号を制御装置４０に向けて出力する。

図２に示すように、ポンプ２３、及びヒータ２６は、隔壁１７ｂ、１７ｃによって仕切られたライザー管１０の空間１５ｂ内に設けられている。空間１５ｂを囲むライザー管１０の部分は、気液分離槽２０として機能する。空間１５ｂ内には、図２に示す例において、液体の液面Ｓの上方に、気液分離槽２０において液体から分離されたガスが流入する気相空間Ｇが形成される。

気液分離槽２０では、揚収管部分１８内で液体に取り込まれる気液混合物中の気泡の少なくとも一部が分離される。分離された気泡内のガスは、生産されるガスである。気液分離槽２０内には、液体排出ライン１３を構成する、後述する液体輸送管１４（排出管）が配置される。気液分離槽２０に関しては、後で詳細に説明する。

液体輸送管１４内には、ポンプ２３が設けられている。ポンプ２３は、ライザー管１０内の液体を吸い上げてライザー管１０の外部に排出する。具体的に、ポンプ２３は、空間１５ｂ内の液体を液体輸送管１４内に引き込んでライザー管１０から排出させる。図２に示す例のポンプ２３は、モータ２４と、モータ２４によって駆動されるスクリュー２５と、を有するオーガポンプである。スクリュー２５は、鉛直方向に延びる軸と、軸の周りを螺旋状に延びる羽根と、を有しており、液体輸送管１４内の液体を撹拌しながら上方に送る機能を有する。モータ２４は、掘削船３の制御装置４０に電気的に接続されている。モータ２４は、制御装置４０から出力された信号を受けて、設定された周波数あるいは調整された周波数で駆動するよう制御される。モータ２４は、液体輸送管１４内に、液体の流路となる隙間を形成するよう、液体輸送管１４内に配置されている。なお、システム１の運転中、ライザー管１０には孔１８ａを通って海水あるいは水が流入し続けることから、通常、ポンプ２３は稼働した状態に維持される。

ヒータ２６は、空間１５ｂ内に流れ込んだ液体を加熱する装置である。ヒータ２６は、制御装置４０に接続されている。天然ガスハイドレートの分解反応は吸熱反応であるため、液体に取り込まれた気液混合物の温度が低下して天然ガスハイドレートが再生成し、例えば、液体輸送管１４の下端を閉塞させる場合がある。ヒータ２６は、システム１の運転中に継続してあるいは断続的に、液体を加熱して、天然ガスハイドレートの再生成を抑制する。また、天然ガスハイドレートが再生成したと判断された場合に、制御装置４０から出力された信号を受けて駆動するよう制御され、液体を加熱することで、再生成した天然ガスハイドレートを加熱し、分解させる。

ガス生成ライン１２は、液面Ｓに浮上した気泡から生成され、気相空間Ｇに流入したガスを、生産する天然ガスとしてライザー管１０内から取り出す、ガスの流路を構成する。具体的に、ガス生成ライン１２は、気相空間Ｇ内のガスを、生産する天然ガスとして掘削船３まで運ぶ管からなる。ガス生成ライン１２は、管本体１１内に、液面Ｓの上方に配置されており、ガス生成ライン１２の下端は、気相空間Ｇに接続されている。
ガス生成ライン１２の先端部には、ガスの圧力を調節する弁が設けられている。また、ガス生成ライン１２の先端は、例えば、掘削船３あるいは他の船舶に備え付けられた貯蔵タンク（図示せず）に接続されている。貯蔵タンクに貯蔵された天然ガスは、適宜、液化され、掘削船３あるいは他の船舶で海上を輸送される。

液体排出ライン１３は、管本体１１内で天然ガスと分離した液体を掘削船３まで運ぶ、液体の流路を構成する。
液体排出ライン１３は、図１に示す例において、気液分離槽２０から空間１５ａまで延びる液体輸送管１４と、管本体１１から分岐して、空間１５ａから掘削船３まで延びる管１６と、を有している。空間１５ａは、隔壁１７ａ，１７ｂで仕切られた空間である。
排出された液体は、回収され、例えば貯水される。

ライザー管１０の先端部１０ａには、ライザー管１０の先端部１０ａにおける圧力（坑底圧）を計測する圧力計３１が設けられている。圧力計３１は、制御装置４０に接続されており、先端部１０ａにおける圧力（坑底圧）の計測結果の情報が、制御装置４０に送信される。先端部１０ａにおける圧力は、液体の液面Ｓの位置及び気相空間Ｇの圧力によって定まる。

制御装置４０は、坑底圧に応じて、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御するよう構成される。制御装置４０は、ＣＰＵ、メモリ等を含むコンピュータで構成される。制御装置４０は、図１に示す例において、掘削船３に設けられている。

坑底圧は、圧力計３１から送信される計測結果の情報から取得される。制御装置４０は、一定の時間間隔で、坑底圧が目標圧力の範囲にあるか否かを判定する。この判定において、坑底圧が目標圧力の範囲内にあれば、ガスハイドレートに作用する圧力を維持する制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を維持する。一方、坑底圧が目標圧力の範囲を超えて高くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、坑底圧が低くなるよう制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を上げる。また、坑底圧が目標圧力の範囲より低くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、坑底圧が高くなるよう制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を下げる。

システム１は、例えば、ライザー管１０となる資材、及び、ポンプ２３、ガス生成ライン１２、液体排出ライン１３、制御装置４０を掘削船３に積み、海上の所定の位置まで輸送して組み立てられる。坑井７は、システム１を組み立てる前に予め掘削される。

システム１は、掘削船３の代わりに、固定式又は浮遊式の洋上プラットフォームを備えてもよい。この場合、洋上プラットフォームと陸地とを接続し、洋上プラットフォームから陸地に天然ガスを輸送するパイプラインを備えることが好ましい。

（気液分離槽）
次に、図３及び図４を参照しながら、気液分離槽２０について説明する。
図３は、気液分離槽２０を説明する図であり、気液分離槽２０を、図２の側方（左方）から見て示す図である。なお、図３において、気液分離槽２０は、図２に示した気液分離槽２０と異なる寸法で、簡略化して示されている。
図４は、図３に示す気液分離槽２０を上面視して示す図である。

ライザー管１０の空間１５ｂは、ライザー管１０の管本体１１の内壁に囲まれた空間である。なお、図３に示す例において、空間１５ｂは、鉛直方向に延びる略円柱状の空間である。空間１５ｂには、気液混合物が取り込まれた液体が供給される。
図３に示す例において、揚収管部分１８は、隔壁１５ｃの上方に延びている。揚収管部分１８の上端には、揚収管部分１８の鉛直方向に延びる部分に対して直交するよう延びる先端部１８ｃが設けられている。先端部１８ｃには、揚収管部分１８を流れた液体を空間１５ｂ内に供給する供給口１８ｂが設けられている。なお、図２に示す例において、揚収管部分１８の上端を含む部分の図示は省略されている。

システム１において、空間１５ｂ内には、ライザー管１０の管本体１１の内壁に沿って周状に流れる液体の旋回流が形成される。図４に示す例において、旋回流は、円弧状の矢印で示される方向（円周方向）に流れる。旋回流は、例えば、揚収管部分１８が、図４に示されるように、旋回流の流路の接線方向Ｔの成分を含む方向に、液体を空間内に供給することによって形成される。旋回流の流路の接線方向Ｔは、図４に示す例において、円柱状の空間１５ｂの中心Ｏを中心とする円の接線方向である。

このような旋回流が形成されると、空間１５ｂ内に供給された、気泡を含んだ液体に対して、旋回流の中心Ｏから外側に向かう遠心力が作用する。これにより、液体と気体の比重差によって、液体は旋回流の中心Ｏから遠ざかる側（外側）に移動し、気泡は旋回流の中心に近づく側（内側）に集められる。内側に集められた気泡の一部は、互いに接触する頻度が高いので、気泡同士が一体となって（合泡して）、大きくなるため、液面に浮上しやすく、液体から分離されやすい。このように、システム１では、気体と液体とを分離する能力（気液分離性能）が向上しており、ポンプ２３に導入される液体への気体の混入が抑制される。これにより、ポンプ２３による液体の排出量が安定し、ライザー管１０の先端部１０ａにおける圧力（坑底圧）は変動し難くなる。このため、ガスハイドレートに作用する圧力も変動し難くなり、ガスの生産を安定して行うことができる。

特に、ガスハイドレートの分解の程度が大きくなった場合に、高圧の海水中に発生する微細気泡は、浮上する力が弱く、液体から分離され難い。しかし、微細気泡を多数含んだ液体が空間１５ｂ内に流れ込んでも、上述したように気液分離性能が向上していることで、ポンプに導入される液体への気体の混入が抑制される。

また、気液分離性能が向上しているため、気体を含んだ液体の滞留時間を増やすために空間１５ｂのサイズアップを行う必要がない。気液分離を行う空間は、通常、海底の坑井内に埋設されたライザー管の部分に配置されているため、サイズアップによって気液分離性能を上げることは困難である。

また、遠心力を利用して気液分離を行うため、従来、ライザー管内での気液分離に用いられていた遠心分離器を、システム１において省略することができる。なお、従来の遠心分離器は、例えば、液体輸送管内に配置され、遠心力を利用して液体輸送管内で集めた気泡を液体輸送管の外側に放出するよう構成される。

図４に示す例において、先端部１８ｃは、供給口１８ｂが位置する周方向位置における接線方向Ｔに対して径方向外側にθ度傾斜した方向に液体が供給されるよう構成されている。θは、０であることが好ましいが、一実施形態によれば、９０未満であれば、０を超える値であることも好ましい。例えば、供給口１８ｂが、後述するように中心Ｏに接近して配置されている場合は、液体が供給される方向として、径方向外側を向く成分が含まれていることによって、比重の大きい液体を速やかに外側に移動させられる。これにより、特に、吸込口１４ａが供給口１８ｂよりも外側に位置する場合に、液体輸送管１４内に気泡が引き込まれることを抑制する効果が高くなる。この観点から、θは、例えば０を超え、４５以下の値であることが好ましい。

空間１５ｂ内に旋回流を形成するための、揚収管部分１８の供給口１８ｂを含む部分の形態は、図３及び図４に示す形態に制限されず、種々の形態を採用しうる。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるような形態であってもよい。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、揚収管部分１８の変形例を示す図である。図５（ａ）に示す変形例では、供給口１８ｂを含む部分は、揚収管部分１８の鉛直方向に延びる部分が、水平面に対して傾斜した平面によって切断された形状を有している。図５（ｂ）に示す変形例では、供給口１８ｂを含む部分は、揚収管部分１８の鉛直方向に延びる部分の外周側面に、外部に開口した孔を設けることで、供給口１８ｂが形成されている。これらの変形例では、供給口１８ｂが、旋回流の流路の接線方向を含む方向を向くように、揚収管部分１８が設けられることで、揚収管部分１８から液体が供給されて旋回流が形成される。

ライザー管１０は、上述したように、液体輸送管１４を備えており、液体輸送管１４は、空間１５ｂ内に、液体を吸い込む吸込口１４ａを有している。吸込口１４ａは、図３及び図４に示されるように、旋回流の旋回中心Ｏとライザー管１０の内壁との間において、内壁に接近して配置されていることが好ましい。気泡を含んだ液体は、旋回流から遠心力を受けることで、上述したように、液体は外側に移動し、気泡は内側に移動するため、吸込口１４ａが内壁に接近して配置されていると、液体輸送管１４内に気泡が入り込むことを抑制できる。なお、内壁に接近して配置されるとは、旋回中心Ｏを通る空間１５ｂの径方向において、旋回中心Ｏと内壁との中点よりも、内壁に近い位置に配置されることをいう。

この場合に、さらに、揚収管部分１８の供給口１８ｂは、液体輸送管１４の吸込口１４ａよりも、旋回流の旋回中心Ｏに接近して配置されていることが好ましい。気泡を含んだ液体は、旋回流から遠心力を受けることで、上述したように、気泡は内側に移動するため、供給口１８ｂが吸込口１４ａよりも、旋回中心Ｏに接近して配置されていと、液体輸送管１４内に気泡が入り込み難くなる効果が増す。なお、供給口１８ｂが吸込口１４ａよりも旋回中心Ｏに接近して配置されるとは、旋回中心Ｏと供給口１８ｂとの距離ｒ１と、旋回中心Ｏと吸込口１４ａとの距離ｒ２に関して、ｒ１＜ｒ２を満たすよう、供給口１８ｂが配置されていることをいう。

また、吸込口１４ａは、図４に示されるように、供給口１８ｂと対向する周上の位置、すなわち、中心Ｏを基準として供給口１８ｂから１８０度離れた周上の位置よりも、旋回流が流れる方向の下流側に配置されていることが好ましい。供給口１８ｂから供給された液体に含まれる気泡は、旋回流が流れる方向に沿って供給口１８ｂから遠ざかるほど、遠心力が作用する時間が長いため、内側に移動する。このため、特に、供給口１８ｂが吸込口１４ａよりも旋回中心Ｏに接近して配置されている場合は、供給口１８ｂと対向する周上の位置の下流側に吸込口１４ａが配置されていることで、液体輸送管１４内に入り込む気泡の量を低減できる。

空間１５ｂ内に供給された液体は、旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に、液体輸送管１４から吸い込まれることも好ましい。このように液体を吸い込むことによっても、液体の周状の流れを誘発して、旋回流を発生させることができる。液体輸送管１４から液体が吸い込まれる上記方向と、揚収管部分１８から液体を供給する上記方向とは、接線方向に沿った互いに反対向きの成分を有する。例えば、揚収管部分１８から液体を供給する上記方向は、接線方向Ｔに沿った方向のうち旋回流の流れ方向を向く成分を有するのに対し、液体輸送管１４から液体が吸い込まれる上記方向は、接線方向Ｔに沿った方向のうち旋回流の流れ方向と反対側（図４において反時計回りの側）を向く成分を有している。
吸込口１４ａを有する液体輸送管１４の端部（下端部）の形態として、例えば、図３及び図４に示した先端部１８ｃと同様の形態や、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した揚収管部分１８の部分と同様の形態を採用することができる。

液体輸送管１４の吸込口１４ａは、図４に示されるように、揚収管部分１８の供給口１８ｂよりも下方に位置していることが好ましい。液体に含まれる気泡は、供給口１８ｂよりも下方には移動し難いため、これにより、揚収管部分１８から空間１５ｂ内に供給された液体は、液体輸送管１４内に流れ込むまでに、下方に向かって流れるため、液体と気体にかかる重力を利用して、液体中に残存する気泡の一部をさらに分離することができる。このため、システム１の気液分離性能が増す。

旋回流は、空間１５ｂの深さ方向に流れる成分を含んでいてもよい。例えば、旋回流は、図６に示されるように、螺旋状の流れを伴った流れであってもよい。図６は、気液分離槽２０における液体の流れを説明する図であり、旋回流の中心Ｏを通る空間１５ｂの断面を見たとき液体の流れを示している。このような流れは、例えば、揚収管部分１８から、下方に向かう成分をさらに含んだ方向に液体を供給することによって、あるいは、液体輸送管１４から、上方に向かう成分をさらに含んだ方向に液体を吸い込むことによって、形成することができる。例えば、図３に示す例において、先端部１８ｃを、水平方向に対して下方に傾斜して延びるよう設けた揚収管部分１８を用いて、液体を供給することで、螺旋状の流れを伴った流れをつくることができる。
図６に示す例の旋回流は、空間１５ｂ内の外側において上昇流が生じ、内側において下降流が生じている。上述したように、空間１５ｂ内に旋回流がつくられると、気泡は内側に集められるため、空間１５ｂ内の内側で下降流が生じていることで、気泡の滞留時間が長くなり、合泡しやすくなることで、気泡は液面に浮上しやすく、液体からさらに分離しやすくなる。

なお、旋回流の流れが速すぎると、渦が発生して気泡が浮上し難くなる場合がある。このため、供給口１８ｂから供給される液体の流速は、５ｍ／秒以下であることが好ましい。液体の流速は、ポンプ２３の回転数を調整し、坑底圧を調整することで行うことができる。ポンプ２３の回転数を調整することで、ライザー管１０内の液面高さが調整され、天然ガスハイドレートに作用する圧力が変化し、これによって、天然ガスハイドレートの分解する程度が変化するので、揚収管部分１８内を上方に向かって流れる液体の流速を調整することができる。
また、旋回流の流れが速すぎて、気泡が浮上し難くなると、気泡の滞留時間が長くなるために、液体輸送管１４への気泡の入り込みを十分に抑制できない場合がある。このため、供給口１８ｂから供給される液体の流速が、２ｍ／秒を超える場合は、
（ｉ）上記ｒ１及び上記ｒ２に関して、ｒ２＞２ｒ１を満たすこと、
（ｉｉ）吸込口１４ａの高さ位置が、供給口１８ｂの高さ位置と同じかそれより低いこと、の少なくとも一方が採用されていることが好ましい。上記（ｉｉ）に関して、渦が発生すると、内側に集められた気泡が下方に滞留しやすくなるため、上記（ｉｉ）が採用されることで、液体輸送管１４内に吸い込まれ難くなる。

したがって、一実施形態として、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する天然ガス生産方法を以下のように実現することができる。
地中内に埋設された先端部１０ａを有し、先端部１０ａから上方に延びるライザー管１０内の液体によってライザー管１０内に生じる先端部１０ａにおける圧力を用いてライザー管１０の外部にある天然ガスハイドレートに作用する圧力を低減させる。
次に、天然ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって天然ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、ライザー管１０の外部に開口した孔１８ａからライザー管１０内の液体に取り込む。
ポンプ２３を用いて、ライザー管１０内の液体を吸い上げてライザー管１０の外部に排出する。
天然ガスを取り出すとき、ライザー管１０の管本体１１の内壁に囲まれた空間内に、気液混合物が取り込まれた液体を供給するとともに、内壁に沿って周状に流れる液体の旋回流を形成する。

この天然ガス生産方法では、ライザー管内の空間内に液体の旋回流を形成することで、気泡を含んだ液体に対して、旋回流の中心から外側に向かう遠心力を作用させる。これにより、液体と気体の比重差によって、液体は旋回流の中心から遠ざかる側（外側）に移動し、気泡は旋回流の中心に近づく側（内側）に集められる。内側に集められた気泡の一部は、気泡同士が一体となって（合泡して）、大きくなるため、液面に浮上しやすく、液体から分離されやすい。特に、ガスハイドレートの分解の程度が大きくなった場合に、高圧の海水中に発生する微細気泡は、浮上する力が弱く、液体から分離され難いが、上述したように、空間内で遠心力を受けて集められ、大きくなることで、液体から分離されやすくなる。

このように、気体と液体とを分離する能力（気液分離性能）が向上していることで、ポンプに導入される液体への気体の混入が抑制され、ポンプによる液体の排出量が安定し、ライザー管内の液面の高さが安定する。これにより、ライザー管の先端部における圧力（坑底圧）は変動し難くなり、ガスハイドレートに作用する圧力も変動し難くなり、ガスの生産を安定して行うことができる。

天然ガスを取り出すとき、上方に向かって液体が流れる、先端部１０ａの揚収管部分１８を用いて、旋回流の流路の接線方向Ｔの成分を含む方向に、液体を空間１５ｂ内に供給することが好ましい。

以上、本発明のガス生産システム及びガス生産方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１ ガス生産システム
２ 海底面
３ 掘削船
４ 上層
５ ハイドレート層
７ 坑井
１０ ライザー管
１０ａ 先端部
１１ 管本体
１２ ガス生成ライン
１３ 液体排出ライン
１４ 液体輸送管
１５ａ 空間
１６ 管
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 隔壁
１８ 揚収管部分
１８ｃ 揚収管部分の先端部
２０ 気液分離槽
２３ ポンプ
２４ モータ
２５ スクリュー
２６ ヒータ
３１ 圧力計
４０ 制御装置

Claims (8)

1. 地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムであって、
   地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えるライザー管と、
   前記ライザー管内の前記液体を吸い上げて前記ライザー管の外部に排出するポンプと、を備え、
   前記ライザー管は、前記管の内壁に囲まれ、前記気液混合物を取り込んだ前記液体が供給される空間をさらに備え、
   前記空間内には、前記内壁に沿って周状に流れる前記液体の旋回流が形成され、
   前記ポンプは、周状に流れる前記液体を吸い上げる、ことを特徴とするガス生産システム。
2. 前記先端部は、上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、
   前記管部分は、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に、前記液体を前記空間内に供給する、請求項１に記載のガス生産システム。
3. 前記ライザー管内に配置され、前記ポンプによって吸い上げられた前記液体が流れる排出管をさらに備え、
   前記排出管は、前記空間内に、前記液体を吸い込む吸込口を有し、
   前記吸込口は、前記旋回流の旋回中心と前記ライザー管の内壁との間において、前記内壁に接近して配置されている、請求項１又は２に記載のガス生産システム。
4. 前記先端部は、上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、前記管部分は、前記液体を前記空間内に供給する供給口を有し、
   前記供給口は、前記吸込口よりも、前記旋回流の旋回中心に接近して配置されている、請求項３に記載のガス生産システム。
5. 前記ライザー管内に配置され、前記ポンプによって吸い上げられた前記液体が流れる排出管をさらに備え、
   前記排出管は、前記空間内に、前記液体を吸い込む吸込口を有し、
   前記先端部は、上方に向かって前記液体が流れる管部分を有し、前記管部分は、前記液体を前記空間内に供給する供給口を有し、
   前記吸込口は、前記供給口よりも下方に位置している、請求項１から４のいずれか１項に記載のガス生産システム。
6. 前記排出管は、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に前記液体を吸い込む、請求項３から５のいずれか１項に記載のガス生産システム。
7. 地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する方法であって、
   地中内に埋設された先端部を有し、前記先端部から上方に延びるライザー管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減させるステップと、
   前記ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、前記ライザー管の外部に開口した孔から前記ライザー管内の前記液体に取り込み、前記気泡からガスを取り出すステップと、
   ポンプを用いて、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げて前記ライザー管の外部に排出するステップと、を備え、
   前記ガスを取り出すステップでは、前記管の内壁に囲まれた空間内に、前記気液混合物が取り込まれた前記液体を供給するとともに、前記内壁に沿って周状に流れる前記液体の旋回流を形成し、
   前記排出するステップでは、前記旋回流をなすよう流れる前記液体を吸い上げる、ことを特徴とするガス生産方法。
8. 前記ガスを取り出すステップでは、上方に向かって前記液体が流れる、前記先端部の管部分を用いて、前記旋回流の流路の接線方向の成分を含む方向に、前記液体を前記空間内に供給する、請求項７に記載のガス生産方法。

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