JP3899409B2

JP3899409B2 - メタンハイドレート堆積層からの主にメタンガスの生産方法、及び模擬ハイドレート堆積層モデルを用いる主にメタンガスの生産特性を測定する方法

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Publication number: JP3899409B2
Application number: JP2003289857A
Authority: JP
Inventors: 久郎佐々木; 孝郎海老沼; 英夫成田; 勉山口
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005060957A

Description

本発明は、海底下メタンハイドレート堆積層中あるいはそのメタンハイドレート推積層下部の水層に掘削し、配置した複数のペアからなる水平坑井を用いて、熱水または水蒸気の循環によるメタンハイドレート層が分解した熱水チャンバー領域を形成させた後に熱水圧入用の水平坑井を変更していくことにより、熱水チャンバー領域の拡大と分解界面における熱伝達を促進し、分解生成した主にメタンガス泡を熱水流動と重力作用による上昇過程での合体によって、熱水との分離を促すことを特徴としたメタンハイドレート堆積層からの主にメタンガスの生産方法に関するものであり、さらにその方法の生産特性を測定する方法に関するものである。

従来、海底下メタンハイドレート堆積層から天然ガス（メタンを主とする天然ガス）を生産する手法として、ファイブスポット法あるいは逆ファイブスポット法と呼ばれる垂直坑井群を使用する圧力低下法や熱水刺激法が公知となっている。また、測定室などにおいては、メタンハイドレート層からのメタンガス生産特性に関する測定は、メタンハイドレートの掘削コアから得た天然試料や人工的に作成した試料を用いて行われているが、圧力セルの製作、圧力と温度の調節など極めて費用がかかる場合が多く、メタンハイドレート堆積層を縮小したモデルでの安価な測定方法がない状況にある。

例えば図８に示されるような、両側で開放する搬送管３をメタンハイドレートの領域まで案内して、搬送管の下部領域に高圧空気を送り込み、その結果、搬送管において下方から上方へ形成される強い流れで固体のメタンハイドレート５を連行し、搬送管内部においてメタンハイドレートの大部分を融解させて、この際に生じるガス留分を搬送管３の上部領域で捕集することを特徴とした海底のメタンハイドレートの採取方法が知られている。なお、図８において、１は海、２は海底、４はリングノズル、５は上昇するメタンハイドレート礫、６は上昇するガスハイドレート礫から開放されるメタン、７はメタン捕集器、８は水−混濁物分離器、９は圧縮空気−混濁物混合物、１０は圧縮ユニット、１１は圧力容器である。（特許文献１）
しかし、この方法では、固体のメタンハイドレートを搬送管に移し、さらに、この搬送管内部において固体のメタンハイドレートを融解させているため、搬送管が破壊されやすく、長期にわたるメタンハイドレートの採取が行えにくいといった問題が残されている。

ＷＯ００／４７８３２（特表２００２−５３６５７３号公報）

ところで、最近の研究において海底下メタンハイドレート堆積層の浸透性が低いこと、また圧力低下させることによるメタンハイドレートの分解ではメタンガス生産速度が低く、生産坑井内の圧力を低下させることで分海水や水層からの水が集まり、連続的に低圧状態を維持できないことによって経済性に関し問題があると指摘されている。さらに、分解領域への熱が十分に供給できない場合には吸熱作用で氷層が形成されメタンハイドレート層の分解を阻害することが危惧されている。そのため、メタンハイドレート堆積層を外部から加熱する熱刺激法がメタンガスの生産速度を大きくできることから経済的に有利に生産条件を制御できると推定される。しかしながら、浸透性の低いメタンハイドレート堆積層中へ熱水を圧入して透過させようとした場合、熱水透過量を十分確保できない他、高い圧入圧を与えることでメタンハイドレート層の分解領域の圧力が高まりハイドレートの分解を阻害することになる。

本発明は、メタンハイドレート堆積層の分解が終了して或いはほぼ終了して浸透率が十分高まった砂層領域に熱水を連続して流動させることで、効果的にメタンハイドレート分解面への熱伝達率を高く保持し、分解面を長くするように坑井配置を設定して制御することで主にメタンガスを経済的に生産する方法と、メタンガス分離および熱水循環システム、さらにガス生産特性を安価乃至容易に評価するための模擬ハイドレートを用いた測定方法を提供することを目的とするものである。

そのため、一対の水平坑井あるいは複数の坑井を適切な配置でメタンハイドレート堆積層内に掘削し、ペアになった２本の水平坑井において熱水あるいは水蒸気を循環させることによって、それらの坑井周辺のメタンハイドレート堆積層に熱を伝達し、両坑井間のハイドレートを分解させて水層に変えることで絶対浸透率を高めて流動性を確保する。この後、この熱水の流動性が極めて高くなった分解領域である砂層あるいは砂岩層、すなわち熱水チャンバー領域に熱水を圧入する。このとき、両坑井間を含む熱水チャンバー領域は熱水を容易に流通させ、かつ流動に伴う圧力損失も極めて小さくなるのでハイドレート分解領域の絶対圧が高まらず、ハイドレート分解領域でのメタンガス発生速度を加速させながら熱水チャンバー領域を連続的に成長させることができる。さらに、分解したハイドレート層から放出される主にメタンガスは熱水流動と重力作用によって働く浮力によって上昇する途中でガス泡どうしが合体し、水とガスの気液分離が促進される生産手法となる。また、流体生産用の水平坑井に流入した主にメタンガスと熱水は気液分離機で分離し、主にメタンガスは海上あるいは陸上施設へ流送し、一方の熱水はポンプで圧入圧を与え、ヒーターで再加熱した上で熱水圧入用の水平坑井へ送るシステムによってメタンハイドレート堆積層の分解による主にメタンガスの経済的な生産方法と生産システムを提供する。
さらに、前記方法におけるガス生産特性を調べるため、模擬ハイドレート堆積層を形成させた２次元モデルを用いて安価にそれらを測定する測定方法を提供する。
従って、本発明によれば、以下の生産方法及び測定方法が提供される。

（１）海上施設からほぼ垂直に掘削した坑井から海底下に賦存しているメタンハイドレート堆積層中に屈曲させて掘進させるか、あるいは海底下堆積層に掘削された坑井からサイドトラック掘進した複数のペアからなる水平抗井の一本をメタンハイドレート堆積層上部に、他方の水平坑井を垂直方向距離３ｍ〜１０ｍで下部のメタンハイドレート層下部に平行に設置し、メタンハイドレート堆積層中のペアの坑井に熱水または水蒸気を循環させて熱を伝達することによって両坑井間のメタンハイドレート層を分解させて熱水チャンバー領域と呼ばれる砂層あるいは砂岩層だけの領域を水平坑井の方向に沿って一様に生成させることで両坑井間の流動抵抗を低下させ、しかる後に下部の圧入用水平坑井から熱水または水蒸気を熱水チャンバー領域に連続または間欠的に圧入し、熱水チャンバー領域の境界面での熱伝達率を高めメタンハイドレートの分解を促進して熱水チャンバー領域を拡大させながら、分解して生成される主にメタンガス泡を熱水の流動と重力作用による上昇過程で合体拡大させて熱水との分離を進めた上で上部の水平坑井から採取することを特徴とするハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。

（２）前記熱水チャンバー領域の横方向幅を両坑井の垂直方向距離の１〜２倍程度まで拡大させた後、下部の圧入用の水平坑井から０°〜−３０°の範囲で横斜め下に第二の熱水圧入用の水平坑井を生産用の水平坑井とほぼ平行に設置し、熱水圧入をこの坑井に切替ることでメタンハイドレート分解面における熱伝達を促進させ、熱水チャンバー領域を拡大させ、さらに、第二の熱水圧入坑井から−０°〜−３０°の範囲で横斜め下に生産井と平行に設置した第三の熱水圧入用の水平坑井からの熱水圧入に切替えることを特徴とする、前記（１）記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。

（３）熱水あるいは水蒸気を圧入することで熱水チャンバー領域の下部境界がメタンハイレート堆積層下部に存在する水層へ接触するまで熱水チャンバー領域を成長させた後に、生産用の水平坑井から水平方向に１０ｍ〜７０ｍ程度離してメタンハイレート堆積層の下部の水層の上部に熱水圧入用の水平坑井を掘削し、その坑井から熱水あるいは水蒸気を圧入し、比較的に長く設定されたメタンハイドレート層の分解界面近傍に熱水流動を強化させてメタンハイドレート層の分解を加速することを特徴とする、前記（１）又は（２）記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。

（４）坑井内に付加したヒーター部によって熱水を生成し、それに接続する圧入ポンプによって熱水圧入用の水平坑井のチュービング管からアニュアラスと呼ぶチュービング管とケーシング管の間に熱水を流入させ、さらにケーシング管の間に接続した出砂を抑制する役割をもつ複数のスクリーン部からメタンハイドレート堆積層内に生成された熱水チャンバー領域に熱水を圧入することで、上方に位置する流体生産用の水平坑井における出砂を抑制できるスクリーン部から流体を坑井内に流入させて生産し、遠心力を利用した気液分離器によってガスと熱水とを分離した後で、熱水は再度ヒーター部へ戻してメタンハイドレート堆積層内へ再圧入され、分離されたガスは海上の施設へ送って捕集することを特徴とする、前記（１）、（２）又は（３）記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。

（５）前記（１）〜（４）のいずれかに記載のメタンハイドレート堆積層から主にメタンガスを生産するための方法の生産特性を調べるために、ガラスビーズあるいは砂によって形成させた多孔質層をアクリル板などによってサンドし、多孔質層内部の孔隙に質量濃度を０．５％〜３％程度の範囲で調整した炭酸水素ナトリウム水溶液を飽和させた後に、−１５℃〜０℃に冷却して多孔質層中の孔隙に氷を生成させることで模擬ハイドレート堆積層を形成させ、熱水圧入用の模擬水平坑井から塩酸やクエン酸などを混合した熱水を圧入することでメタンハイドレート層の分解潜熱を氷の融解潜熱で、さらにハイドレート分解によるガス放出を氷の融解水中の炭酸水素ナトリウムと熱水中の酸との反応で発生する炭酸ガスで模擬し、多孔質中における分解界面での熱伝達特性などの生産特性を測定することを特徴とする模擬ハイドレート推積層モデルを用いる主にメタンガスの生産特性の測定方法。

本発明の生産システムによれば、（イ）一対の水平坑井あるいは複数の坑井を適切な配置でメタンハイドレート堆積層内に掘削し、ペアになった２本の水平坑井において熱水あるいは水蒸気を循環させることによって、それらの坑井周辺のメタンハイドレート堆積層を予熱して分解させ、両坑井間の流動性を高めことができる。また、（ロ）熱水の流動性すなわち浸透率が極めて高くなったハイドレート分解領域である砂層あるいは砂岩層中に熱水を圧入するが、このとき、両坑井間の熱水が満たされた砂層あるいは砂岩層は熱水を容易に流通させ、かつ流動に伴う圧力損失が小さくなるためハイドレート分解領域の絶対圧が高まらず、ハイドレート分解領域でのメタンガス発生速度を加速させながら熱水チャンバー領域を連続的に成長させることができる。（ハ）分解したハイドレートから放出される主にメタンガスは流動と浮力によって上昇する途中でガス泡が合体することで、水・ガス分離作用が促進される。また、生産坑井に入ったメタンガスは分離機で分離し海上施設へ送り、回収した熱水はポンプで圧入圧を与え、ヒーターで再加熱した上で熱水圧入用の水平坑井に送るシステムによってメタンハイドレート堆積層の分解による主にメタンガスの生産方法において熱効率を高めるシステムを形成することができる。さらに、（ニ）これらの生産手法に関して模擬ハイドレート堆積層モデルを形成させてガス生産特性を得るための測定装置とシステムによって、それらの測定を安価乃至容易に実施することができる。

本発明の２本又は複数本の水平坑井を利用した熱水または水蒸気圧入によるメタンハイドレート堆積層からの主にメタンガスの生産方法と、模擬ハイドレート堆積層モデルを用いて生産特性を測定する方法の一実施例を図面に基づいて、詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、例えば南海トラフなどの日本近海において、砂層あるいは砂岩層中の水層または海水層に有機物の分解により生じたメタンガスが供給され、メタンハイドレートの生成温度および生成圧力が満たされ、５ｍ〜３０ｍの層厚で長い年月を掛けてメタンハイドレート堆積層１が生成・賦存されたと推定されている。したがって、前記メタンハイドレート堆積層１の下層には砂層あるいは砂岩層中に水または海水あるいはメタンガスが満たされた水層またはガス層２が存在し、その下層には岩石層３が存在する場合が多い。一方、メタンハイドレート堆積層１の上層には浸透率の低い泥岩層などの堆積岩層４が存在している場合が多い。

メタンハイドレート堆積層１の層方向にほぼ平行に流体生産用の水平坑井５を長さ５０ｍ〜９００ｍとして掘削する。それに対してほぼ平行にかつ下層側３ｍ〜１０ｍの垂直方向距離を離して前記メタンハイドレート堆積層１中に熱水あるいは水蒸気圧入用の水平坑井６を前記の流体生産用の水平坑井５とほぼ同一長さで掘削する。このとき、水平坑井６は水平坑井５の垂直真下に設置することもできるが、水平方向に０．５ｍ〜２ｍ程度ずらして掘削するスタッガー配置とすることも可能である。

次に水平坑井５および水平坑井６に４０℃〜２５０℃程度の範囲にある熱水または水蒸気を循環させることで熱を両坑井周辺のメタンハイドレート堆積層へ伝達してメタンハイドレート層を分解させ、孔隙内におけるメタンハイドレート飽和度が１０％以下である浸透率の高い砂層あるいは砂岩層（以後、熱水チャンバー領域７と呼ぶ）を形成させ、両坑井間の流動抵抗が十分小さくなるまで熱水または水蒸気の循環を継続する。

次に、図１（ｂ）に示すように、水平坑井６から４０℃〜２５０℃程度の熱水あるいは水蒸気を圧入し、前記のメタンハイドレート飽和度の低い砂層あるいは砂岩層７に熱水流動を誘起し、メタンハイドレート堆積層１の分解界面８近傍での熱伝達率を高めて分解を加速し、熱水チャンバー領域７を拡大させる。このとき、分解界面８では主に微小なメタンガス泡が発生し、熱水流動とガス泡に働く浮力によって流体生産用の水平坑井５へ向かって上昇するプロセスでガス泡は合体しながらより大きなガス泡に成長して熱水との分離が進むことで、水平坑井から生産した後における熱水とガスの分離を容易にすることができる。

図１（ｃ）に示すように、熱水チャンバー領域７がある程度拡大すると、その内部における熱水流動速度が低下し、分解界面８近傍での熱伝達率が低下し、分解速度と熱効率が低下する。そのため、水平坑井６に対して水平方向から０°〜−３０°の側方の下部に水平方向距離に関し３ｍ〜８ｍ程度離して新たな熱水あるいは水蒸気圧入用の第二の水平坑井９を掘削し、熱水あるいは水蒸気圧入を水平坑井９に切り替えて、メタンハイドレート層の分解界面８近傍の熱水の流動７´を強めることで熱伝達率を高め、メタンハイドレート層の分解を加速する。このとき、水平坑井９は水平坑井６を引き抜き再掘削することもできる他、メタンハイドレート層の分解界面８の位置を予測して予め掘削して置くこともできる。さらに、水平坑井９が熱水チャンバー領域７の領域から外れている場合には、熱水または水蒸気循環を実施して、水平坑井９の周辺のメタンハイドレート層を分解し、生産用の水平坑井５との間の流動抵抗を十分低下させた上で水平坑井９からの熱水または水蒸気の圧入を開始することも可能である。

熱水あるいは水蒸気の圧入は連続的に実施することもできるが、生産用の水平坑井５の熱水温度が比較的高い場合には熱水の圧入を休止し、温度低下した後に再度圧入を開始する間欠的な圧入を実施することで熱効率を高められる。

図２（ａ）に示すように、０°〜−３０°の範囲で側方下側に圧入用の水平坑井をずらして熱水あるいは水蒸気を圧入していくとき、例えば圧入用の水平坑井１０から熱水を圧入することで、熱水チャンバー領域７がメタンハイドレート堆積層１の下層の水層２に接続し、圧入用の水平坑井１０から生産用の水平坑井５への熱水の流動抵抗を小さくさせることで、メタンハイドレート堆積層１の広範な領域を生産対象とする条件が整う。ただし、メタンハイドレート堆積層１の厚さ、および飽和度などの状況によって、メタンハイドレート堆積層下部の水層６への接続に要する圧入用の水平坑井、例えば水平坑井６、９、１０などの本数は変化させることが可能である。

これによって、例えば図２（ｂ）に示すように、流体生産用の水平坑井５がメタンハイドレート堆積層１の上部に存在し、圧入用の水平坑井１１をメタンハイドレート堆積層１の下層領域に前記流体生産用の水平坑井５から水平距離で１０ｍ〜７０ｍ程度離して掘削することで、その間の流動抵抗を水層領域の高い浸透率とほぼ同一程度とすることで、熱水の流動速度をある程度の大きさに保持しながら、メタンハイドレート分解解面８を長く設定することが可能となることから、分解界面における熱伝達を効率的に成し得る熱水チャンバー領域７が形成されることになる。

熱水あるいは水蒸気の圧入は連続的に実施することもできるが、生産用の水平坑井５の熱水温度が比較的高い場合には圧入用の水平坑井１１からの熱水の圧入を休止し、ある程度熱水の温度が低下した後に再度圧入を開始する間欠的圧入を実施することで熱効率を高めることができる。

図３に示すように、メタンハイドレート堆積層１に圧入する熱水または水蒸気を圧入するために、水圧入ポンプ１２、熱水加熱用ヒーター１３を通って、４０℃〜２５０℃程度の熱水あるいは水蒸気を、圧入用の水平坑井６の内部のチュービング１４に流入させ、その先端から水平坑井６の内側領域であるアニュラス部に導き、適当な間隔で挿入された砂層からの出砂を抑制できるスクリーン１５から熱水チャンバー領域７へ圧入させる。

このとき、斜め上方へ向かって熱水チャンバー領域７の境界近傍を上昇する熱水は、メタンハイドレート堆積層１の分解界解面８に分解熱を伝達して効率的にメタンハイドレートを分解させることによって発生した主にメタンガスの気泡とともに上昇し、生産用の水平坑井５の適当な間隔で挿入された砂層からの出砂を抑制できるスクリーン１６から水平坑井５の内部に流入する。その後は、熱水温度に応じて流量調節する熱水流量弁１８を通り、ガスと熱水の気液分離器１７に流入し、熱水は水圧入ポンプ１２に導き、ガスは海上あるいは陸上施設へ向かう坑井１９を上昇させることで生産する。

ただし、坑井内部に前記の水圧入ポンプ１２、熱水加熱用ヒーター１３および気液分離器１７を含めて接続できない場合は、熱水とガスの混層流を水平坑井５からそれに接続する坑井１９を通して直接海上施設あるいは陸上施設に送るシステムも可能である。また、生産用の水平坑井５においても熱水あるいは水蒸気の循環を容易にするため内部にチュービングを挿入することが可能である。なお、図３は２本の水平抗井５、６の水平方向の長さを５０ｍ〜７００ｍとした例である。

図４にハイドレート堆積層モデルの構造と寸法に関する実施例の一例を示す。ここで寸法として付された数値の単位はｍｍである。また、寸法は必要に応じて任意に変更されてかまわない。
構造としては、物性が明らかなガラスビーズをアクリル板とシーリングゴムでサンドイッチして１〜４気圧の拘束圧を掛けた状態で充填層を形成し、質量濃度で０．５％〜３％程度の炭酸水素ナトリウムを溶かした水溶液を充填層に飽和させた後、−１５℃〜０℃の冷凍庫で冷却して炭酸水素ナトリウム水溶液を氷にした模擬ハイドレート層を生成させる構造とした。

この模擬ハイドレート層は融解熱量がメタンハイドレート層の分解熱量にほぼ同一程度の値をとる。また、熱水中に塩酸などの酸を混入することで、融解直後に炭酸水素ナトリウムを含む融解水と塩酸が反応することで炭酸ガスが発生し、あたかもハイドレートが分解してガスが生成される状況を分解界面で模擬できる。このとき、炭酸水素ナトリウムの質量濃度は、質量１ｇの炭酸水素ナトリウムから標準状態で約３００ｃｍ^３の炭酸ガスが発生することを基準として、実際のメタンハイドレート堆積層の分解状況と適合するように決定する。

また、アクリル板のほぼ中央部に熱水あるいは水蒸気圧入用模擬坑井、上部には流体生産用模擬坑井を漏れが生じないように組み込み、熱水あるいは水蒸気の圧入と融解した水と熱水チャンバー領域の境界部分で発生したガスの生産を可能とした測定用モデルを形成させた。

そのサイズは縦３０ｃｍ、横３０ｃｍ、厚さ１．０ｃｍであり、上下の坑井間隔を０．１ｍと設定した。ただし、ガラスビーズの代わりに天然の砂を、アクリル板の代わりに耐熱ガラス板やステンレス板なども使用可能である。さらに、厚さについても変化させることが可能である。

また、炭酸水素ナトリウムを溶解させない清水を飽和させて氷を生成することで、分解領域でガスが発生しない場合の融解挙動と前記の炭酸水素ナトリウム水溶液との化学反応によってガスが発生する場合との融解挙動の相違を調べることも可能となり、測定結果からガスが発生した場合では約５％程度融解量が減少することを確認した。

また、模擬ハイドレート堆積層モデルにおいて、実際のメタンハイドレート堆積層内の挙動との相似したガスと熱水挙動などの物理現象を再現するためには、縮小率した割合の逆数で水層の浸透率を高める必要があることがわかった。そのため、模擬ハイドレート堆積層の実施例では充填層の浸透率がフィールドの２０倍〜３０倍になるようにガラスビーズの粒径を調節した。

図５に模擬ハイドレート堆積層モデルを用いたガスの生産特性の測定装置の構成を示す。ハイドレート２次元堆積層モデル４０は、模擬圧入水平坑井４１と模擬生産水平坑井４２を組み込み、モデル保持用水平テーブル４３の上に水平にセットした。例えば熱水の場合、生成循環装置５０から流量調節バルブ５１を通り、塩酸混入用定量水ポンプ５２で温度調節された塩酸水５３と混合させた後、前記模擬圧入水平坑井４１に対し圧入した。

圧入後に堆積層モデルを流動した熱水と生成したガスは、模擬生産水平坑井４２から生産され、測定装置用気液分離器５４で熱水とガスに分離させ、ガス相はエアーポンプ５５で一定流量の外部空気と混合させた後にガス濃度測定器５６でガス濃度を連続的に計測した。これによって、ガス濃度と空気流量を掛けることによってガスの生産速度を算定した。この方法はガス生成量が少ない測定装置において有効な方法である。一方、分離された熱水は滴下した生産水の受けボックス５７に捕集し、その下に設置した電子天秤５８で流出水量を測定した。

モデルのそれぞれの坑井には、熱電対、圧力センサーを組み込み、圧力信号は圧力伝送器５９を介してデータロガー６０に、熱電対出力は直接データロガー６０に入力したあと、データ収録用コンピューター６１に計測データを逐次収録し、坑井条件を把握した。

さらに、透明なアクリル板で挟んだ２次元モデルであることから、熱水チャンバー領域の拡大状況をアクリル板の接触領域によって可視化し、その画像をビデオカメラあるいは熱画像用のビデオカメラ６２で連続的に撮影し、ビデオ装置とモニター６３で画像収録と監視を行った。

このとき、ハイドレート２次元堆積層モデル４０の炭酸水素ナトリウム水溶液にＢＴＢ試薬を、温度調節された塩酸水５３にメチルレッド試薬を適量混入させておくことで、模擬ハイドレート層、熱水チャンバー領域、分解界面などを色素によって容易に見分けることができた。なお、これらの測定装置は０℃程度に温度調節された低温恒温室６４に入れることで、安定した測定が可能となる。

図６に、垂直に離した２本の水平坑井を用いて７０℃の熱水を模擬ハイドレート堆積層に圧入し流体生産を実施したときの熱水チャンバー領域の成長過程に関する可視化画像を４つの経過時間において取得した実施例を示した図である。
図７は、７０℃の熱水を模擬ハイドレート堆積層に対し、垂直方向に離した２本の水平坑井を用いたガス生産レートに関する測定結果と数値シミュレータＳＴＡＲＳによって予測した数値計算結果の一例を示した図である。

２本の水平坑井を用いて浸透率が高まった熱水チャンバー領域に熱水を流動させることによって、熱水チャンバー領域が確実にかつ効率的に拡大し、ガス生産を加速するできることが裏付けられた。また、数値シミュレータＳＴＡＲＳの数値予測結果が測定結果をほぼ裏付けることから、この数値モデルを実際のメタンハイドレート堆積層のフィールドサイズに拡大することによって、フィールドでのガス生産速度や熱効率を予測できることになり、本測定システムが極めて安価で有効な実証手段となり得ることがわかった。

本発明の海底下のメタンガス採取法によれば、メタンハイドレート推積層内でメタンを主とするガス留分を発生させ、このガス留分を固形分を含むことなく、水平坑井から海上又は地上に搬送しているので、坑井にかかる負担は小さく、長期にわたってメタンガスの生産が行える。また、本発明の主にメタンガスの採取方法は、海底下以外の永久凍土層表面から数１００ｍの深さに賦存する陸域のメタンハイドレート堆積層に対しても適用することができる。

本発明の水平坑井を利用したメタンハイドレート堆積層において流動抵抗が小さい分解領域を形成させ、主にメタンガスを生産するための坑井配置と流体流動の概念をメタンハイドレート堆積層の垂直断面図として表した図である。本発明の水平坑井を利用したメタンハイドレート堆積層からの主にメタンガスを生産するための坑井配置の概念をメタンハイドレート堆積層の垂直断面図として表した図である。本発明の水平坑井を利用したメタンハイドレート堆積層への熱水あるいは水蒸気の圧入と主にメタンガスと水の回収分離などの生産システムの概念をペアとなる２本の水平坑井を含む断面で表した図である。ハイドレート２次元堆積層モデルの一例を示す図である。模擬ハイドレート堆積層モデルを用いたガスの生産特性の測定装置システムの一例を示す図である。垂直に離した２本の水平坑井を用いて７０℃の熱水を模擬ハイドレート堆積層に圧入し流体生産を実施したときの熱水チャンバー領域の成長過程の可視化画像を取得した測定実施例である。７０℃の熱水を模擬ハイドレート堆積層に対し、垂直に離した２水平坑井を用いたガス生産レートに関する測定結果と数値シミュレータＳＴＡＲＳによって数値予測した結果の一例を示す図である。従来のメタンハイドレート堆積層からの生産システム。

符号の説明

１メタンハイドレート堆積層
２水層またはガス層
３岩石層
４堆積岩層
５水平坑井（流体生産用）
６水平坑井（第一の熱水あるいは水蒸気の圧入用）
７熱水チャンバー領域
７′ 熱水の流動
８分解界面
９水平坑井（第二の熱水あるいは水蒸気の圧入用）
１０水平坑井（第三の熱水あるいは水蒸気の圧入用）
１１水平坑井（水層に掘削、熱水あるいは水蒸気の圧入用）
１２水圧入ポンプ
１３熱水加熱用ヒーター
１４チュービング
１５出砂を抑制できるスクリーン（圧入井用）
１６出砂を抑制できるスクリーン（生産井用）
１７気液分離器
１８熱水流量弁
１９海上あるいは陸上施設へ向かう坑井
４０ハイドレート２次元堆積層モデル
４１熱水あるいは水蒸気圧入用模擬坑井
４２流体生産用模擬坑井
４３モデル保持用水平テーブル
５０熱水あるいは水蒸気生成循環装置
５１流量調節バルブ
５２塩酸混入用定量水ポンプ
５３温度調節された塩酸水
５４測定装置用気液分離器
５５エアーポンプ
５６ガス濃度測定器
５７生産水の受けボックス
５８電子天秤
５９圧力伝送器
６０データロガー
６１データ収録用コンピューター
６２ビデオカメラあるいは熱画像用ビデオカメラ
６３ビデオ装置とモニター
６４低温恒温室

Claims

海上施設からほぼ垂直に掘削した坑井から海底下に賦存しているメタンハイドレート堆積層中に屈曲させて掘進させるか、あるいは海底下堆積層に掘削された坑井からサイドトラック掘進した複数のペアからなる水平抗井の一本をメタンハイドレート堆積層上部に、他方の水平坑井を垂直方向距離３ｍ〜１０ｍで下部のメタンハイドレート層下部に平行に設置し、メタンハイドレート堆積層中のペアの坑井に熱水または水蒸気を循環させて熱を伝達することによって両坑井間のメタンハイドレート層を分解させて熱水チャンバー領域と呼ばれる砂層あるいは砂岩層だけの領域を水平坑井の方向に沿って一様に生成させることで両坑井間の流動抵抗を低下させ、しかる後に下部の圧入用水平坑井から熱水または水蒸気を熱水チャンバー領域に連続または間欠的に圧入し、熱水チャンバー領域の境界面での熱伝達率を高めメタンハイドレートの分解を促進して熱水チャンバー領域を拡大させながら、分解して生成される主にメタンガス泡を熱水の流動と重力作用による上昇過程で合体拡大させて熱水との分離を進めた上で上部の水平坑井から採取することを特徴とするハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。
熱水チャンバー領域の横方向幅を両坑井の垂直方向距離の１〜２倍程度まで拡大させた後、下部の圧入用の水平坑井から０°〜−３０°の範囲で横斜め下に第二の熱水圧入用の水平坑井を生産用の水平坑井とほぼ平行に設置し、熱水圧入をこの坑井に切替ることでメタンハイドレート分解面における熱伝達を促進させ、熱水チャンバー領域を拡大させ、さらに、第二の熱水圧入坑井から−０°〜−３０°の範囲で横斜め下に生産井と平行に設置した第三の熱水圧入用の水平坑井からの熱水圧入に切替えることを特徴とする、請求項１記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。
熱水あるいは水蒸気を圧入することで熱水チャンバー領域の下部境界がメタンハイレート堆積層下部に存在する水層へ接触するまで熱水チャンバー領域を成長させた後に、生産用の水平坑井から水平方向に１０ｍ〜７０ｍ程度離してメタンハイレート堆積層の下部の水層の上部に熱水圧入用の水平坑井を掘削し、その坑井から熱水あるいは水蒸気を圧入し、比較的に長く設定されたメタンハイドレート層の分解界面近傍に熱水流動を強化させてメタンハイドレート層の分解を加速することを特徴とする、請求項１又は２記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。
坑井内に付加したヒーター部によって熱水を生成し、それに接続する圧入ポンプによって熱水圧入用の水平坑井のチュービング管からアニュアラスと呼ぶチュービング管とケーシング管の間に熱水を流入させ、さらにケーシング管の間に接続した出砂を抑制する役割をもつ複数のスクリーン部からメタンハイドレート堆積層内に生成された熱水チャンバー領域に熱水を圧入することで、上方に位置する流体生産用の水平坑井における出砂を抑制できるスクリーン部から流体を坑井内に流入させて生産し、遠心力を利用した気液分離器によってガスと熱水とを分離した後で、熱水は再度ヒーター部へ戻してメタンハイドレート堆積層内へ再圧入され、分離されたガスは海上の施設へ送って捕集することを特徴とする、請求項１、２又は３記載のハイドレート推積層からの主にメタンガスの生産方法。
請求項１〜４のいずれかに記載のメタンハイドレート堆積層から主にメタンガスを生産するための方法の生産特性を調べるために、ガラスビーズあるいは砂によって形成させた多孔質層をアクリル板などによってサンドし、多孔質層内部の孔隙に質量濃度を０．５％〜３％程度の範囲で調整した炭酸水素ナトリウム水溶液を飽和させた後に、−１５℃〜０℃に冷却して多孔質層中の孔隙に氷を生成させることで模擬ハイドレート堆積層を形成させ、熱水圧入用の模擬水平坑井から塩酸やクエン酸などを混合した熱水を圧入することでメタンハイドレート層の分解潜熱を氷の融解潜熱で、さらにハイドレート分解によるガス放出を氷の融解水中の炭酸水素ナトリウムと熱水中の酸との反応で発生する炭酸ガスで模擬し、多孔質中における分解界面での熱伝達特性などの生産特性を測定することを特徴とする模擬ハイドレート推積層モデルを用いる主にメタンガスの生産特性の測定方法。