JP2019178560A - メタンハイドレート採掘装置及び採掘方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水底の表層型メタンハイドレートを採掘し海上へ搬送することができるメタンハイドレート採掘装置の提供。【解決手段】水底に存在するメタンハイドレートを採掘するメタンハイドレート採掘装置であって、掘削装置と、メタンハイドレートを収容する貯蔵容器とを含み、掘削装置は、水底面で自走可能な移動体を備えており、移動体には、メタンハイドレートを掘削する掘削手段、採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮影する撮像手段、撮像手段によって得られた画像を処理する画像処理手段、前記画像処理手段によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂とを選別して、メタンハイドレートを前記貯蔵容器に収容する選別手段が搭載されており、移動体には前記選別手段によって選別されたメタンハイドレートを収容する貯蔵容器が着脱自在に装着されているメタンハイドレート採掘装置。【選択図】図１

Description

本発明は、海底や湖底等の水底に存在するメタンハイドレートの採掘装置及び採掘方法に関する。

ガスハイドレートは、高圧、低温の生成条件下において、水素結合によって形成される水分子（ホスト分子）の籠状構造の内部に他の分子（ゲスト分子）が包み込まれてできる結晶である。高圧、低温のガスハイドレート生成条件を満たす海洋、湖等の水底には、前記ゲスト分子として主にメタンガスが取り込まれたメタンハイドレートが存在し、新たなエネルギー源として期待されている。

メタンハイドレートは、天然ガスの主成分であるメタンと水分子とが低温・高圧状態で結晶化した氷状の固体結晶であり、メタンハイドレート中には大量のメタンが取り込まれ、１ｍ^３のメタンハイドレート中には１６０〜１７０ｍ^３程度のメタンガスが含まれている。

近年、日本海では、海底面下の表層近傍にメタンハイドレートが存在することが知られてきた。これを表層型メタンハイドレートという。
一般的に、水深４００ｍよりも深い部分では圧力が高く水温が低いため、その水中にメタンが十分に（飽和状態で）存在すると、メタンハイドレートが生成される。したがって、通常メタンハイドレート層は水深４００ｍよりも深いところに存在している。
ちなみに、日本海あるいはバイカル湖などで発見されている表層型メタンハイドレートは、水深約５００〜１０００ｍの海底面近傍に存在する。

なお、南海トラフなど、太平洋側、海底面下数１００ｍ以深に存在する砂層型ハイドレートは、従来のガス田開発手法に類似した減圧法、あるいは加熱法などで試掘が行われ、出砂処理などの問題はあるものの、メタンハイドレート層からメタンガスを回収することができた。
これに対し、表層型メタンハイドレートは、表層近傍に存在するために、坑井を掘って取り出すことが出来ず、新たなメタンハイドレート採掘とメタンガス回収の方法が求められている。

特許文献１では、洋上の船舶から海底面１まで上昇管を設置し、海底面下の表層型メタンハイドレート層をジェット水流により掘削し、メタンハイドレート塊と海底土砂とを上昇管を通して船舶にまで上昇させ回収している。
しかし、この様に海底から海上まで設置された長い上昇管は海流の抵抗を受け、荒天時などには上昇管の破損等の問題が生じる。

また、メタンハイドレートは低温・高圧状態でないとメタンハイドレートとしては存在できないため、例えば、海底で採取したメタンハイドレート塊を上昇管によってそのまま海上まで浮上させると、圧力の低下により、上昇管内でメタンガスと水とに分解し、メタンガスの体積が膨張するため、取扱うための設備も規模が大型化する。

加えて、メタンハイドレート塊を採取するとメタンハイドレート塊と共に海底土砂も船舶に回収されるが、「海洋汚染等及び海上災害の防止に関する法律」では、海底土砂（海底堆積物）を回収した場合は、それを海洋投入処分することは禁止されている。そのため、一度回収した海底土砂は陸上まで輸送するか法律で定められた海域に定められた方法で排出しなければならない。したがって、メタンハイドレートに付着した土砂は、海上にまで搬送することなく、メタンハイドレートのみを搬送する方法が必要である。

特開２０１６−１３８４０２号公報

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、水上の船舶と水底面との間に長いパイプ等の構造物を設けることなく、また、水底の土砂を水上に搬送することなく、水底の表層型メタンハイドレートを採掘し水上へ搬送することができるメタンハイドレート採掘装置及び採掘方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、以下のとおりである。
（１）水底に存在するメタンハイドレートを採掘するメタンハイドレート採掘装置であって、
掘削装置と、メタンハイドレートを収容する貯蔵容器とを含み、
前記掘削装置は、水底面で自走可能な移動体を備えており、
該移動体には、メタンハイドレートを掘削する掘削手段、採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮影する撮像手段、該撮像手段によって得られた画像を処理する画像処理手段、前記画像処理手段によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂とを選別して、メタンハイドレートを前記貯蔵容器に収容する選別手段が搭載されており、
前記移動体には、前記選別手段によって選別されたメタンハイドレートを収容する前記貯蔵容器が着脱自在に装着されている
ことを特徴とする、メタンハイドレート採掘装置。
（２）前記選別手段によって選別されたメタンハイドレートと残存する土砂から比重差によりメタンハイドレートを選別するための比重選別手段を設けたことを特徴とする、上記（１）に記載のメタンハイドレート採掘装置。
（３）更に、前記掘削装置と貯蔵容器の回収位置との間で貯蔵容器を搬送することが可能な搬送手段を備えたことを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のメタンハイドレート採掘装置。
（４）前記搬送手段が水中ドローンであることを特徴とする、上記（３）に記載のメタンハイドレート採掘装置。
（５）水底に存在するメタンハイドレートを採掘するメタンハイドレート採掘方法であって、
掘削手段によってメタンハイドレートを採掘する掘削工程、
採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮像手段によって撮影する撮像工程、
前記撮像工程によって得られた画像を処理する画像処理工程、
前記画像処理工程によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂を選別する選別工程、
メタンハイドレートと土砂を選別する工程で選別されたメタンハイドレートを貯蔵容器に収容する収容工程、
を含むことを特徴とする、メタンハイドレート採掘方法。
（６）前記選別工程で得られたメタンハイドレートと残存する土砂を比重選別手段に供給し比重差によりメタンハイドレートを選別する比重選別工程を有することを特徴とする、上記（５）に記載のメタンハイドレート採掘方法。
（７）メタンハイドレートが収容された前記貯蔵容器を搬送手段によって貯蔵容器の回収位置まで搬送する工程を含むことを特徴とする、上記（５）または（６）に記載のメタンハイドレート採掘方法。
（８）前記搬送手段が水中ドローンであることを特徴とする、上記（７）に記載のメタンハイドレート採掘方法。

本発明のメタンハイドレート採掘装置を用いることにより、水上の船舶と水底面との間に長いパイプ等の構造物を設けることなくメタンハイドレートのみを採掘し海上へ搬送することができる。

本発明のメタンハイドレート採掘装置の実施形態を説明する図である。 本発明のメタンハイドレート採掘装置の構成を示す図である。

図１及び図２に基づいて本発明のメタンハイドレート採掘装置及び採掘方法を説明する。
本発明の採掘装置及び採掘方法が対象とするメタンハイドレートは図１に示すように、水底面３０の表層近傍にある表層型メタンハイドレート４０である。

まず、本発明のメタンハイドレート採掘装置の構成について述べる。
本発明のメタンハイドレート採掘装置は、メタンハイドレートを採掘するための掘削装置と、メタンハイドレートを収容するための貯蔵容器とを含んでいる。
掘削装置１０は、水底面で自走可能な移動体１を備えている。
この移動体１に搭載されている設備を図２に示す。
移動体１には、メタンハイドレートを掘削する掘削手段１１、採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮影する撮像手段１２、撮像手段によって得られた画像を処理する画像処理手段１３、前記画像処理手段によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂とを選別して、メタンハイドレートを前記貯蔵容器に収容する選別手段１４が搭載されている。また、移動体１には後述する比重選別手段１５が必要に応じて搭載される。
また、前記移動体１には選別手段１４によって選別されたメタンハイドレートを収容する貯蔵手段（貯蔵容器）１６が着脱自在に装着されている。
（移動体）
移動体１としては、水底の様々な地形に対応するために無限軌道で走行し、かつ、電池で走行する車両を用いる。移動体１は台車を有していることが好ましい。移動体１が台車を有する場合には、この台車に貯蔵容器１６を着脱自在に装着する。

（掘削手段）
掘削手段１１としては、パワーシャベルのような重機で機械的に掘削を行う手段、水噴射による水圧で表面を破砕する手段、ドリルで破砕する手段などを用いることができる。
水噴射によるメタンハイドレート層の掘削は、水の噴射の仕方によって大きな塊のものを多くすることも、小さい粉粒体のものを多くすることも可能であるが、メタンハイドレートと土砂との選別を容易にするために、大きな塊のメタンハイドレートが得られるように水噴射を行うことが好ましい。また、他の掘削手段においても、大きな塊のメタンハイドレートが得られるようにすることが好ましい。
メタンハイドレートの塊のサイズが大きければ、体積当たりの表面積が小さいので、分解によるメタンの消失を低減することができる。

（撮像手段）
掘削されたメタンハイドレートと土砂を撮像手段１２で撮影し、画像処理手段１３に画像データを送る。

(画像処理手段)
画像処理手段１３は、画像データを処理してデータベースと比較することにより、メタンハイドレートか土砂かを識別する。
掘削されたメタンハイドレートは塊状であり、一方、土砂は粒状である。このように、両者は寸法及び形状が異なっているので、画像処理によって両者を識別することが可能である。
画像処理は、予め管理装置にデータを蓄積して事前に学習させておくことで識別率は向上するが、選別行動の結果から学習を続け、効果の期待値が大きい操作・行動をおこなう「強化学習」を行って識別精度を上げることが好ましい。

（選別手段）
選別手段１４では画像処理手段１３からの信号に基づいて、メタンハイドレートと土砂を選別し、メタンハイドレートは貯蔵容器１６に収容し、土砂は水底に戻す選別作業を行う。

（比重選別手段）
画像処理による選別に加えて選別精度、選別効率を向上させるために、メタンハイドレートと残存する土砂に対して比重選別手段１５による選別を行うことが好ましい。
メタンハイドレートはその比重が約０．９と水よりも小さく、また、土砂との比重差が大きいため、比重選別手段を用いて、比重差によりメタンハイドレートと残存する土砂とを選別することにより、選別の精度及び選別効率を上げることができる。
比重選別には、周囲の海水を用いるのが簡便であるが、例えばフェロシリコン粒子やマグネタイト粒子などをコロイド状に分散させた比重が２〜３の重液を用いた比重選別を行うと、更に効率よくメタンハイドレートを分離することができる。

（貯蔵手段）
貯蔵容器１６は、メタンハイドレートの収容及び搬送に用いられる。
貯蔵容器１６は、移動体（台車を含む）１に最初から装着されていても良いし、掘削装置１０がメタンハイドレート層４０を探査して掘削位置が決定してから掘削装置１０まで搬送して取付けても良い。
また、掘削装置１０にメタンハイドレートの一次貯蔵容器を設けておき、この一時貯蔵容器が一杯になった段階で二次貯蔵容器にメタンハイドレートを移し替えて、メタンハイドレートを収容した貯蔵容器１６を貯蔵容器回収地点まで搬送するようにしても良い。

（搬送手段）
貯蔵容器１６がメタンハイドレートで充填された後、貯蔵容器１６を搬送手段２により自動走行で貯蔵容器１６の回収地点、具体的には、海上の船舶３あるいは沿岸の回収基地まで搬送する。
自動走行する搬送手段２としては、回転翼などを持つ水中ドローンが実用化されており、事前に搬送運転内容を設定することで、無人で自動的に海上の船舶３あるいは回収基地まで搬送することができる。

貯蔵容器１６からメタンガスを取り出す際は、海水などの暖かい加熱媒体で熱交換し加熱して、メタンハイドレートをメタンガスと水に分解する。船舶３の中や回収基地でメタンガスを取り出しても良いし、この貯蔵容器１６をメタンガス消費地まで運搬し、使用する際に貯蔵容器１６を加熱してメタンガスを取り出しても良い。

次に本発明のメタンハイドレート採掘方法について述べる。
本発明のメタンハイドレート採掘方法は、以下の工程を含んでいる。
・掘削手段によってメタンハイドレートを採掘する掘削工程
・採掘されたメタンハイドレート及びハイドレートと共に採掘された土砂を撮像手段によって撮影する撮像工程、
・撮像工程によって得られた画像を処理する画像処理工程、
・前記画像処理工程によって得られた画像データに基づいて、メタンハイドレートと土砂を選別する選別工程、
・メタンハイドレートと土砂を選別する工程で選別されたメタンハイドレートを、貯蔵手段によって貯蔵容器に収容する収容工程、
また、前記画像処理工程によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂を選別する工程で得られたメタンハイドレートを比重選別手段に供給して比重差によりメタンハイドレートと残存する土砂を選別する比重選別工程を有することが好ましく、これによりメタンハイドレートの分離を精度良く行うことができる。

１ 移動体
２ 搬送手段
３ 船舶
１０ 掘削装置
１１ 掘削手段
１２ 撮像手段
１３ 画像処理手段
１４ 選別手段
１５ 比重選別手段
１６ 貯蔵容器
２０ 水（海水、湖水等）
３０ 水底面
４０ メタンハイドレート層

Claims (8)

1. 水底に存在するメタンハイドレートを採掘するメタンハイドレート採掘装置であって、
   掘削装置と、メタンハイドレートを収容する貯蔵容器とを含み、
   前記掘削装置は、水底面で自走可能な移動体を備えており、
   該移動体には、メタンハイドレートを掘削する掘削手段、採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮影する撮像手段、該撮像手段によって得られた画像を処理する画像処理手段、前記画像処理手段によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂とを選別して、メタンハイドレートを前記貯蔵容器に収容する選別手段が搭載されており、
   前記移動体には、前記選別手段によって選別されたメタンハイドレートを収容する前記貯蔵容器が着脱自在に装着されている
   ことを特徴とする、メタンハイドレート採掘装置。
2. 前記選別手段によって選別されたメタンハイドレートと残存する土砂から比重差によりメタンハイドレートを選別するための比重選別手段を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のメタンハイドレート採掘装置。
3. 更に、前記掘削装置と貯蔵容器の回収位置との間で貯蔵容器を搬送することが可能な搬送手段を備えたことを特徴とする、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装置。
4. 前記搬送手段が水中ドローンであることを特徴とする、請求項３に記載のメタンハイドレート採掘装置。
5. 水底に存在するメタンハイドレートを採掘するメタンハイドレート採掘方法であって、
   掘削手段によってメタンハイドレートを採掘する掘削工程、
   採掘されたメタンハイドレート及びメタンハイドレートと共に採掘された土砂を撮像手段によって撮影する撮像工程、
   前記撮像工程によって得られた画像を処理する画像処理工程、
   前記画像処理工程によって得られた画像データに基づいてメタンハイドレートと土砂を選別する選別工程、
   メタンハイドレートと土砂を選別する工程で選別されたメタンハイドレートを貯蔵容器に収容する収容工程、
   を含むことを特徴とする、メタンハイドレート採掘方法。
6. 前記選別工程で得られたメタンハイドレートと残存する土砂を比重選別手段に供給し比重差によりメタンハイドレートを選別する比重選別工程を有することを特徴とする、請求項５に記載のメタンハイドレート採掘方法。
7. メタンハイドレートが収容された前記貯蔵容器を搬送手段によって貯蔵容器の回収位置まで搬送する工程を含むことを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のメタンハイドレート採掘方法。
8. 前記搬送手段が水中ドローンであることを特徴とする、請求項７に記載のメタンハイドレート採掘方法。