JP3945809B2 - 海底ガスハイドレート採掘方法及びシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海底ガスハイドレート採掘方法及びシステムに関し、とくに新しいエネルギー資源として注目される海底のメタンハイドレート等を採掘する方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の海上からの音波探査（地震探査）や深海底掘削により、大陸縁辺部の海底地盤中に天然のガスハイドレートが大量に賦存することが明らかにされている。ガスハイドレートはメタン等の有用ガス分子が水分子の結晶構造（籠構造）の中に包接されたシャーベット状物質であり、海底から比較的浅い地層中の間隙を充填して地層の安定に役立っている。ガス集積度の高いメタンハイドレート層は水深1000〜2000ｍ程度以深の海底下200〜600ｍ程度の深さに存在すると想定され、その埋蔵量は従来型天然ガスの確認埋蔵量の数10倍以上と推定されており、未来のエネルギー源として期待されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
海底のガスハイドレート層を採掘する方法の一例として、図７（Ａ）に示すように従来の海洋石油・天然ガス採掘と同様に、海上の掘削リグ40等から海底面４に向けたボーリングによりガスハイドレート層２に達する垂直な坑井（以下、垂直井ということがある。）41を構築する方法が考えられる。但し、ガスハイドレートは低温高圧の海底地盤中では安定であるが、海上に搬出する過程で圧力減少と温度上昇とによりガスと水とに分解してしまうため、固体のまま大量のガスハイドレートを経済的に採掘することは難しい（非特許文献１参照）。このため、海底地盤のガスハイドレート層２中にガスハイドレートの分解を促進する温水・蒸気等の温熱や適当な分解促進剤（以下、温熱及び分解促進剤を纏めてガスハイドレート分解材ということがある。）を送入してガスハイドレートを地層中で分解し、分解生成ガスのみを採取する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１は、図８に示すように、深海原子炉50の動力を利用して海面５付近の暖かい海水を海水配管51及びポンプ57により海底ガスハイドレート層２まで導いて注入し、層２内のガスハイドレートをガス７と水８とに分解し、分解生成ガス７をガス配管60経由で海底ガスハイドレート層２の外に引き出す海底ガスハイドレート分解システムを開示する。例えば海底メタンハイドレート層２が水深2400ｍ程度にある場合、水深2400ｍの水圧下におけるメタンハイドレートの安定温度は21℃以下であることから、21℃より高温の海水を注入することによりメタンハイドレートを分解できる。図８のシステムでは、深海原子炉50の排熱を小配管59経由で海水配管51中に導入し、又は小配管62経由でガス配管60の入口に導入することによりガスハイドレートの分解を促進できる。
【０００５】
また特許文献２は、図９に示すように、海上の採掘基地65から分解促進剤として二酸化炭素ガスを送気管68経由で海底メタンハイドレート層２内の採掘地点Ｐに注入し、その採掘地点Ｐで二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして固定化すると共にその二酸化炭素ハイドレート生成時の反応熱を用いて採掘地点Ｐに存在するメタンハイドレートを水とメタンガスとに分解し、メタンガスを採掘地点Ｐから採掘管67経由で海上の採掘基地65に回収するシステムを開示する。図９のシステムでは、回収したメタンガスを輸送船72で陸上の熱利用システム66に送り、熱利用システム66でメタンガスから熱エネルギーを取り出し、熱利用システム66の排ガス中の二酸化炭素を分離して輸送船73で採掘基地65へ送り採掘に利用する。
【０００６】
【非特許文献１】
工業技術院資源環境技術総合研究所ニュース、第10巻第10号、2000年10月、pp1-5
【非特許文献２】
石油工業便覧−石油技術協会創立50周年記念−「8.2.7傾斜堀」、昭和58年6月発行、pp396-399
【特許文献１】
特開平９−１５８６６２号公報
【特許文献２】
特開２０００−０６１２９３号公報
【特許文献３】
特開平１０−３１７８６９号公報
【特許文献４】
特表２００２−５３６５７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１及び２の採掘方法は、海上又は海面付近から海底ガスハイドレート層に至る垂直井を利用する方法といえるが、垂直井では坑井当りの採掘可能範囲が限られているため採掘効率が悪い問題点がある。特許文献２は、図１０に示すようにメタンガス採掘管67と二酸化炭素ガス送気管68との組を水平方向の異なる位置に複数設置して順次切り替えることにより採掘効率の向上を図る方法を開示している。しかし、海底ガスハイドレート層２は水深1000〜2000ｍ程度の海底に数10ｍ程度の厚さで分布していると想定されており、このように薄く広く分布するガスハイドレート層２を特許文献１及び２の方法で採掘するためには多数の垂直井を設置しなければならず、ボーリング等を含む採掘コストが膨大となる。
【０００８】
従来の油・ガス田の掘削では、坑井当りの採掘量を増やす方法として、図７（Ｂ）に示すように垂直井から水平向きに複数の枝を出した多枝坑井42により採掘範囲を広げる方法が知られている（非特許文献２のp399参照）。しかし、石油や従来型天然ガスのような液体又は気体と異なりガスハイドレートは固体であり、単に採掘範囲を広げるだけでは足りず、上述したようにガスハイドレート分解材により分解しつつ分解生成ガスを採取する必要がある。従来の多枝坑井42はガスハイドレート分解材の輸送を想定しておらず、例えば1000ｍ以上の多枝坑井42でガスハイドレート分解材として温熱を輸送する方法ではエネルギーロスが大きくなり経済的・効率的な採掘は難しい。海底ガスハイドレートの採掘では、坑井当りの採掘可能範囲を広げると共に、ガスハイドレート分解のための供給熱量・動力を小さく抑えることが重要である。
【０００９】
そこで本発明の目的は、薄く広く存在する海底地層中のガスハイドレートを効率的に採掘する方法及びシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１の実施例を参照するに、本発明の海底ガスハイドレート採掘方法は、海底地盤１中のガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を探査し、前記領域の安定地盤部位に削孔角度操作自在なボーリング装置11が装備された採掘基地10を沈設し、採掘基地10と海上との間に輸送路19を設け、採掘基地10からガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、ガスハイドレート層２に水平井30を介し温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層２の分解生成ガスを水平井30と採掘基地10と輸送路19とにより海上で採取してなるものである。
【００１１】
また図１の実施例を参照するに、本発明の海底ガスハイドレート採掘システムは、海底地盤１中のガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を探査する探査手段15、海底地盤１の力学的特性及び地質構造を調査する調査手段20（図２参照）、前記調査により定まる前記領域の安定地盤部位に採掘基地10を沈設する沈設手段16、採掘基地10内に設けた削孔角度操作自在なボーリング装置11と送入装置12と採取装置14、並びに採掘基地10と海上との間に設けた輸送路19を備えてなるものである。ボーリング装置11により採掘基地10からガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、送入装置12により水平井30へ温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層２の分解生成ガスを採取装置14により水平井30と採掘基地10と輸送路19とを介して海上へ輸送する。
【００１２】
好ましくは、図１に示すように前記輸送路19に海上から採掘基地10へのエネルギー輸送路18を含め、採掘基地10において海上からのエネルギーで加熱した海水をガスハイドレート層２に送入する。あるいは、採掘基地10に分解生成ガスの一部をエネルギーに変換するエネルギー変換装置（図示せず）を設け、その変換装置からのエネルギーで加熱した海水をガスハイドレート層２に送入する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、水深1000〜1200ｍ程度の海底地盤１の200〜300ｍ程度の地盤深さに数10ｍ程度の厚さで分布するガスハイドレート層２の採掘に本発明を適用した実施例を示す。このような海底ガスハイドレート層２の分布は、例えば海上の作業船６（以下、支援母船６ということがある。）に音波探査計等の探査手段15を取り付け、母船２を探査線上で走行させることによって探査できる。ガスハイドレート層２の下側には地温等のためにガス化したフリーガス層３が存在すると考えられており、ガスハイドレート層２とフリーガス層３との間の物性のコントラストが強い境界面を音波探査で捉えることができる。この境界面は海底面４とほぼ平行に現れるという特徴があり、海底面４の形状を反映していることから海底疑似反射面（Bottom Simulating Reflector、BSR）と呼ばれている。従って、探査手段15により海底疑似反射面の分布を探査することにより、ガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を把握できる。
【００１４】
本発明は、ガスハイドレート層２の拡がり領域の安定地盤部位に採掘基地10を設ける。採掘基地10は、例えば鋼及びコンクリートを用いて陸上で構築し、母船６により現場海域に曳航して沈設する。海底地盤と採掘基地10との間の隙間は、例えば水中不分離性コンクリート等で間詰めすることができる。採掘基地10は無人とし、点検や故障時には潜水艇等を用いて母船６から人員を送り込むものとすることができるが、有人の採掘基地10としてもよい。採掘基地10の自重により地盤沈下等が発生しないように、ガスハイドレート層２の拡がり領域の力学的特性及び地質構造を調査し、基地支持力のある安定地盤を選定して採掘基地10を沈設する。上述した音波探査等では海底地盤の地質構造の把握はある程度可能であるものの力学的特性が把握できないので、後述するように海底地盤に着床させる調査手段20（図２参照）を用いて、音波探査等と採泥調査・ボーリング調査等を組み合わせることにより海底地盤の力学的特性及び地層構造を把握する。
【００１５】
安定地盤の選定に際し、ガスハイドレート層２が海底地盤の一部を形成しており、ガスハイドレート層２の採掘により海底地盤に応力変動が生じる可能性を考慮する必要がある。本発明では、後述するように採掘基地10から垂直下方ではなく水平放射状に坑井を削孔し、採掘基地10の直下のガスハイドレート層２を残して周囲のガスハイドレート層２のみを採掘することが可能であるが、周囲のガスハイドレート層２の採掘が採掘基地10の直下の支持地盤に影響するおそれもある。このため、力学的特性及び地質構造の調査にガスハイドレート層２の採掘による海底地盤の変形予測を含め、地盤沈下や崩壊等の危険がない安定地盤部位に採掘基地10を沈設する。必要に応じて、調査手段20の調査結果に基づきガスハイドレート層２の拡がり領域の一部に適当な地盤改良工事を施して安定地盤部位を形成してもよい。
【００１６】
図示例の母船６は採掘基地10の沈設手段16を有する。沈設手段16は吊り下げ装置16とケーブル16aとを有し、採掘基地10をケーブル16aで吊り下げながら徐々に海底面４まで降下させる。図示例では１艘の母船６から吊り下げているが、２艘以上の母船６から吊り下げることが望ましい。採掘基地10に取り付けた傾斜計や方位計、加速度計等の出力に基づき吊り下げ時の採掘基地10の姿勢が制御できる制御装置を沈設手段16に含めることができ、その姿勢制御により採掘基地10を所定安定地盤部位に所定向きで正確に位置決めできる。また、沈設手段16に掘削及び均し機械を含め、その掘削及び均し機械を母船６から海底面４に降ろして安定地盤部位をある程度平坦にしてから採掘基地10を沈設することができる。更に沈設手段16により、母船６と採掘基地10との間に、採掘基地10に装備の機器を制御するための通信・制御ライン28や採掘基地10から海上への分解生成ガスの輸送路19等を設置する。
【００１７】
採掘基地10には、削孔角度操作自在なボーリング装置11と送入装置12と採取装置14とを装備する。ボーリング装置11の一例は、図４に示すように、削孔角度を任意に決定できる削孔用ビット31を先端部に備えた地盤削孔用ロッド32とロッド押し込み機37とを有し、図示例のような斜め下向きから水平向きに傾斜角が徐々に減少する坑井（以下、水平井という。）30を掘削できる曲がりボーリング装置である。例えば図３に示すように、ビット31に設けた位置検出センサ36の出力位置信号を検知しながら、ビット31及びロッド32の間に設けた角度調節器35を遠隔操作することにより、目標位置に対し半径30cm程度以下の精度の正確な水平井30が削孔可能なものとする。ボーリング装置11として、従来のトンネルの機械化掘削に用いられてきたトンネルボーリングマシーンを使用することも考えられる。送入装置12と採取装置14は、ボーリング装置11で削孔した水平井30の基地側端に接続する。
【００１８】
ボーリング装置11による水平井30の削孔方法の一例を図４に示す。先ず、前述した探査手段15で探査したガスハイドレート層２の拡がり及び深さと採掘基地10の沈設位置とに基づき、削孔すべき水平井30の設置位置を定める。次いで、同図（Ａ）に示すように採掘基地10から設計したガスハイドレート層２内の設置位置の一端に向けてビット31付き地盤削孔用ロッド32を押し込み機37により回転させながら斜め下方に押し込む。位置検出センサ36の出力位置信号によりビット31が設置位置の一端に到達したことを確認したのち、同図（Ｂ）に示すようにビット31の削孔方向を水平に転換しながら、ジェッティングと押し込みとにより曲線部を削孔する。更に、ビット31の削孔方向を水平に維持しつつロッド32を回転させながら押し込み、水平井30の所定設置位置の他端まで水平な削孔を継続することにより、所定設置位置に水平井30を構築する。
【００１９】
図５に示すように、採掘基地10に装備した適当な台数のボーリング装置11により、複数の水平井30を採掘基地10から放射状に削孔することができる。図１の採掘基地10は２台のボーリング装置11を装備しているが、１台のボーリング装置11で複数の水平井30を順次削孔し、又は３台以上のボーリング装置11で複数の水平井30を同時に削孔してもよい。図１に示すように採掘基地10の回りの同一角度向きに、異なる深さで複数の水平井30を設置することも可能である。本発明で用いるボーリング装置11によれば、複数の水平井30を適当な相互間隔で設置することができる。
【００２０】
水平井30を所定設置位置に削孔したのち、送入装置12により水平井30へガスハイドレート分解材を送入してガスハイドレート層２のガスハイドレートを分解し、採取装置14によりガスハイドレート層２の分解生成ガス（例えばメタンガス）を水平井30経由で採掘基地10に収集する。例えば図３（Ａ）に示すように水平井30の各々を二重管構造（ライザー方式）とし、水平井30毎に二重管の一方（例えば内管33）を介してガスハイドレート分解材を送入し、二重管の他方（例えば外管34）を介して分解生成ガスを採掘基地10に輸送する。図示例では、内管33を送入装置12に接続すると共に外管34を採取装置14に接続する。分解生成ガスを外管34に効率的に採取するため、採取装置14に吸気手段又は吸水手段を設けてガスハイドレート層２の分解生成ガスを採掘基地10へ吸引してもよい。分解生成ガスは、ガスハイドレートの分解時に生じる水と共に輸送してもよい。
【００２１】
図３（Ａ）の二重管構造は、先端ビット31背後の近傍部位の内管33及び外管34に適宜スリット等を設けて透気性又は透水性としたものであり、図５（Ａ）に示すように水平井30の先端部からガスハイドレート分解材を放出して分解生成ガスを採取するものである。この二重管構造は、水平井30の削孔距離を徐々に伸ばしながら、削孔距離に応じて分解生成ガスを順次採取する採掘方法に適している。但し、ガスハイドレート分解材の放出部位及び分解生成ガスの採取部位は水平井30の先端部に限らず、水平井30の適当な部位に適当な数だけ設けることができる。例えば水平井30の長さ方向に沿って複数の放出部位と採取部位とを交互に設ければ、水平井30の全長から分解生成ガスを採取することも期待できる。そのような二重管構造は、ガスハイドレート層２内に広範囲に亘る水平井30を設置しておき、長期間かけて分解生成ガスを採取する採掘方法に適している。
【００２２】
また本発明では、図５（Ｂ）に示すように、複数の水平井30から選択された特定の水平井30aを介してガスハイドレート分解材を送入し、他の水平井30bを介して分解生成ガスを採掘基地10に輸送することも可能である。この場合、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように水平井30を全長が透気性又は透水性のケーシングパイプ製とし、選択した特定水平井30aを送入装置12に接続すると共に他の水平井30bを採取装置14に接続する。図５（Ｂ）の方法によれば、採取装置14に接続された水平井30bを負圧とすることにより、送入装置12に接続された水平井30aと水平井30bとの間にガスハイドレート層２と交差するガスハイドレート分解材の面状の流れを形成することができ、その面状の流れにより分解生成ガスを押し流し水平井30bへ送り込むことが期待できる。面状の流れはガスハイドレート層２との交差面積を大きくとることができるので、少数の水平井30により広範囲の分解生成ガスの効率的な回収が期待できる。
【００２３】
採取装置14により水平井30を介して採掘基地10に採取した分解生成ガスは、輸送路19を介して海上の母船６に送る。分解生成ガスをガスハイドレートの分解時に生じる水と共に輸送する場合は、採掘基地10において水とガスとを分離したのち母船６へ輸送することができる。分解生成ガスは輸送路19内で自然に浮上することが期待できるので、採掘基地10から母船６への輸送エネルギーは最小限で足りる。輸送路19をカプセルライナー等とすることも考えられる。採取装置14で採取した分解生成ガスを採掘基地10に一時貯蔵し、後述するように必要に応じて分解生成ガスの一部をエネルギーに変換して採掘基地10で利用し、残りを適宜に海上へ輸送してもよい。１艘の母船６に対して採掘基地10を複数設けることができる。母船６に集めた分解生成ガスは、必要に応じて一部をエネルギーに変換して利用することができ、残りは貯蔵して定期的にタンカー等で陸上の消費地等に輸送する。
【００２４】
本発明で用いるガスハイドレート分解材は、ガスハイドレートを分解できるものであればとくに制限はなく、様々なものが使用できる。例えば図１の実施例では、採掘基地10と海上との間にエネルギー輸送路18を設け、送入装置12に海水取り入れ可能な加熱装置13を設け、エネルギー輸送路18からのエネルギーを用いて加熱装置13で加熱した海水（海底下の水圧に応じたガスハイドレートの安定温度以上の海水）を送入装置12から水平井30へ送入している。母船６上に改質器と燃料電池とを搭載し、母船６に集めたメタンガスの一部を改質器で水素に改質して燃料電池へ送り、燃料電池で発電した電力エネルギーを輸送路18で採掘基地10へ供給して海水の加熱に利用してもよい。海上から電力エネルギーを供給して海底の採掘基地10で温水を製造すれば、海上から温水や蒸気等を直接輸送する方法に比し、輸送時のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００２５】
また、採掘基地10に改質器と燃料電池とを装備し、採掘基地10において採取したメタンガスの一部を水素に改質して燃料電池へ送り、燃料電池で発電した電力エネルギーを加熱装置13に供給してもよい。採掘基地10でエネルギーを生産すれば、エネルギー損失を更に小さくして効率的なガスハイドレートの採掘が可能となる。図示例の符号13aは採掘基地10の周囲の海水（水温５℃程度）を加熱装置13に取り入れる弁を示すが、弁13aに代えて特許文献１のような海水配管51及びポンプ57（図８参照）を設け、海面５付近の暖かい海水（水温18〜30℃程度）を加熱装置13に取り入れて利用してもよい。更に、本発明で用いるガスハイドレート分解材として、温水に代えて特許文献２のような二酸化炭素又はガスハイドレート分解触媒等を利用することも可能である。この場合、二酸化炭素や分解触媒等を海上から輸送路経由で採掘基地10へ輸送するか、又は沈設前に採掘基地10内に貯蔵しておくことができる。
【００２６】
本発明によれば、海底に採掘基地を設けて海底ガスハイドレート層に複数の水平井を配置するので、従来の垂直井に比し坑井当りの採掘範囲を拡大し、薄く広く分布する海底ガスハイドレートの効率的・経済的な採掘が可能となる。また、安定地盤部位に採掘基地を沈設するので、安定した状態で効率的・経済的な海底ガスハイドレートの採掘が可能となり、今後の資源開発への寄与が期待できる。更に、海底の採掘基地から水平井経由でガスハイドレート分解材をガスハイドレート層に送入するので、分解材の輸送時のエネルギー損失を最小限に抑え、採掘に必要なエネルギーに対する採掘した分解生成ガスのエネルギーの割合、すなわちガスハイドレート採掘におけるエネルギー収支の効率を高めることができる。
【００２７】
こうして本発明の目的である「薄く広く存在する海底地層中のガスハイドレートを効率的に採掘する方法及びシステム」の提供を達成できる。
【００２８】
【実施例】
図２は、本発明で用いる調査手段20の一実施例を示す。高圧下の浮泥等も存在する1000ｍ級の超大水深の海底環境下において安定した固定式の採掘基地10を構築するためには、海底地盤の力学的特性の調査が不可欠である。海上からのボーリングによる超大水深の海底調査はコストが高く、必要十分な数量のボーリング調査を行ってガスハイドレート層２の賦存量や賦存形態等について十分なデータを得ることが難しい。図示例の調査手段20は海底面４に着床させる潜水調査機21を含み、潜水調査機21に遠隔操作可能な力学的特性調査装置24及び地質構造調査装置26を装備している。潜水調査機21によりガスハイドレート層２の埋蔵場所に近い位置での調査が可能となり、ガスハイドレート層２の海底地盤状況や資源賦存状況の詳細を経済的に把握できる。
【００２９】
力学的特性調査装置24として、ボーリング調査装置、貫入試験装置、ボーリング孔を利用した検層装置、ボーリング孔を利用した孔内載荷試験装置等を含めることができる。また地質構造調査装置26として、潜水調査機21から発信した弾性波の地中不連続面からの反射波に基づき海底地盤の地質構造を推定する弾性波探査装置、弾性波トモグラフィによる構造解析装置、地中レーダ探査装置、透水試験装置等を含めることができる。このような力学的特性調査や地質構造調査には、従来の陸上における地下岩盤の構造や各種物性値の調査手法が利用できる。調査機器の制御は有人の母船６と潜水調査機21との間の通信・制御ライン28により行うことができ、調査データも通信・制御ライン28を通じて母船６に送ることができる。各種調査機器を作動させるに必要なエネルギー源は、例えばエネルギー輸送路18（図１参照）を通じて母船６から潜水調査機21へ輸送することができる。
【００３０】
潜水調査機21は原則的には無人とし、点検や故障時に潜水艇等を用いて母船６から人員を送り込むものとする。また潜水調査機21は、前述した採掘基地10と同様に鋼及びコンクリートを用いて陸上で構築し、母船又は沈設支援船６により現場海域に曳航し、海底の所定地盤部位に位置決めして沈設することができる。海底地盤と潜水調査機21との間の隙間は、例えば水中不分離性コンクリート等で間詰めすることができる。図示例の潜水調査機21は、海水の取り入れ・排出により自重を調節する自重調節装置22を有し、例えば海水の取り入れにより沈降すると共に力学的特性調査装置24のボーリング調査や貫入試験の際に必要な反力を付与し、海水の排出により浮上することができる。
【００３１】
図６は、調査手段20による海底地盤調査と採掘基地10によるガスハイドレート採掘とを含む本発明の流れ図の一例を示す。先ずステップS01において、母船６の探査手段15により海底のガスハイドレート層２の拡がりや深さを把握する。次いでステップS02〜S03において、その領域近傍の所定位置に潜水調査機21を沈設して着床させ、海水の取り入れにより自重を調節したのち、力学的特性調査装置24及び地質構造調査装置26により前記拡がり領域の力学的特性及び地質構造を調査する。ステップS04でガスハイドレート層２の拡がり領域の地盤安定性や採掘に伴う地盤変形の可能性を判断し、採掘基地10を構築できる安定地盤部位が検出できるまで潜水調査機21の沈設位置を代えながらステップS02〜S03を繰り返す。
その後ステップS05において、海水を排出することにより潜水調査機21を海底から切り離し、浮上させて母船６に回収する。潜水調査機21が採掘基地10の構築の障害とならないのであればステップS05を省略し、潜水調査機21を適当な時期に浮上・回収してもよい。
【００３２】
ガスハイドレート層２の拡がり領域に安定地盤部位を検出したのち、ステップS07において、その安定地盤部位に母船６から沈設手段16により採掘基地10を沈設する。ステップS07〜S08において、上述したように採掘基地10からボーリング装置11によりガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、送入装置12により水平井30を介してガスハイドレート層２に温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、採取装置14によりガスハイドレート層２の分解生成ガスを水平井30と採掘基地10と輸送路19とを介して海上へ輸送する。ステップS09においてガスハイドレート層２の採掘を終了するか否かを判断し、継続する場合はステップS07へ戻り、水平井30の削孔距離を徐々に延ばしながら又は新たな水平井30を構築しながらステップS07〜S08を繰り返す。ガスハイドレート層２の採掘が終了したときは、ステップS01へ戻り新たなガスハイドレート層２に対する採掘を行う。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の海底ガスハイドレート採掘方法及びシステムは、海底地盤中のガスハイドレート層の海底面に沿った拡がり領域に削孔角度操作自在なボーリング装置が装備された採掘基地を沈設し、基地と海上との間に輸送路を設け、基地からガスハイドレート層に複数の水平井を削孔し、ガスハイドレート層に水平井経由で温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層の分解生成ガスを水平井、採掘基地及び輸送路により海上で採取するので、次の顕著な効果を奏する。
【００３４】
（イ）ガスハイドレート層に水平井を構築して採掘するので、薄く広く分布する海底ガスハイドレートの効率的・経済的な採掘が可能となる。
（ロ）ガスハイドレート採掘による地盤変形予測を踏まえた安定地盤部位に採掘基地を沈設することができるので、安定した状態で効率的な海底ガスハイドレートの採掘が可能である。
（ハ）ガスハイドレート分解用の温熱を採掘基地で生産できるので、温熱輸送に伴うエネルギー損失を最小限に抑え、ガスハイドレート採掘におけるエネルギー収支の効率を高めることができる。
（ニ）新しいエネルギー資源として注目される海底メタンハイドレートの採掘に適しており、今後の資源開発への寄与が期待できる。
（ホ）潜水調査機を用いて海底地盤の力学的特性・地層構造を調査することにより、採掘基地を海底に設置する際の有用な情報、例えば海底地すべりや海底地盤変形予測のための物性値を得ることができる。
（ヘ）潜水調査機を用いた調査により、広く薄く分布するガスハイドレート層の詳細な資源量評価を経済的に行うことができる。
（ト）潜水調査機を用いた海底地盤調査は、ガスハイドレート掘削だけでなく、一般の海底地盤の調査への適用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例の説明図である。
【図２】は、海底地盤の安定調査方法の一例の説明図である。
【図３】は、本発明で用いる水平井の構造の説明図である。
【図４】は、本発明で用いる水平井の削孔方法の説明図である。
【図５】は、水平井を用いた採掘方法の一例の説明図である。
【図６】は、本発明の採掘方法の流れ図の一例である。
【図７】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の一例である。
【図８】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の他の例である。
【図９】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の更に他の例である。
【図１０】は、図９の採掘方法の一実施態様の説明図である。
【符号の説明】
１…海底地盤 ２…ガスハイドレート層
３…フリーガス層 ４…海底面
５…海面 ６…作業船（母船）
７…分解生成ガス ８…水
10…採掘基地 11…ボーリング装置
12…送入装置 13…加熱装置
13a…弁 14…回収装置
15…探査手段 16…沈設手段
16a…ケーブル
18…エネルギー輸送路 19…気密輸送路
20…調査手段 21…潜水調査機
22…自重調節装置 22a…弁
24…力学的特性調査装置 26…地質構造調査装置
28…通信・制御ライン
30…水平井 31…削孔用ビット
32…削孔用ロッド 33…内管
34…外管 35…角度調節器
36…位置検出センサ 37…ボーリング押し込み機
40…掘削リグ 41…坑井
42…多枝坑井
50…深海原子炉 51…海水配管
52…断熱材 53…浮力容器
54…配管下部 55…ロープ
56…ロープ巻き取り装置 57…ポンプ
58…電力ケーブル 59…小配管
60…ガス配管 61…気水分離器
62…小配管 63…排水ライン
65…採掘基地 66…熱利用システム
67…メタンガス採掘管 68…二酸化炭素ガス送気管
69…メタンガス容器 70…二酸化炭素容器
71…発電システム 72…メタン用輸送船
73…二酸化炭素用輸送船 74…ボイラ
【発明の属する技術分野】
本発明は海底ガスハイドレート採掘方法及びシステムに関し、とくに新しいエネルギー資源として注目される海底のメタンハイドレート等を採掘する方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の海上からの音波探査（地震探査）や深海底掘削により、大陸縁辺部の海底地盤中に天然のガスハイドレートが大量に賦存することが明らかにされている。ガスハイドレートはメタン等の有用ガス分子が水分子の結晶構造（籠構造）の中に包接されたシャーベット状物質であり、海底から比較的浅い地層中の間隙を充填して地層の安定に役立っている。ガス集積度の高いメタンハイドレート層は水深1000〜2000ｍ程度以深の海底下200〜600ｍ程度の深さに存在すると想定され、その埋蔵量は従来型天然ガスの確認埋蔵量の数10倍以上と推定されており、未来のエネルギー源として期待されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
海底のガスハイドレート層を採掘する方法の一例として、図７（Ａ）に示すように従来の海洋石油・天然ガス採掘と同様に、海上の掘削リグ40等から海底面４に向けたボーリングによりガスハイドレート層２に達する垂直な坑井（以下、垂直井ということがある。）41を構築する方法が考えられる。但し、ガスハイドレートは低温高圧の海底地盤中では安定であるが、海上に搬出する過程で圧力減少と温度上昇とによりガスと水とに分解してしまうため、固体のまま大量のガスハイドレートを経済的に採掘することは難しい（非特許文献１参照）。このため、海底地盤のガスハイドレート層２中にガスハイドレートの分解を促進する温水・蒸気等の温熱や適当な分解促進剤（以下、温熱及び分解促進剤を纏めてガスハイドレート分解材ということがある。）を送入してガスハイドレートを地層中で分解し、分解生成ガスのみを採取する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１は、図８に示すように、深海原子炉50の動力を利用して海面５付近の暖かい海水を海水配管51及びポンプ57により海底ガスハイドレート層２まで導いて注入し、層２内のガスハイドレートをガス７と水８とに分解し、分解生成ガス７をガス配管60経由で海底ガスハイドレート層２の外に引き出す海底ガスハイドレート分解システムを開示する。例えば海底メタンハイドレート層２が水深2400ｍ程度にある場合、水深2400ｍの水圧下におけるメタンハイドレートの安定温度は21℃以下であることから、21℃より高温の海水を注入することによりメタンハイドレートを分解できる。図８のシステムでは、深海原子炉50の排熱を小配管59経由で海水配管51中に導入し、又は小配管62経由でガス配管60の入口に導入することによりガスハイドレートの分解を促進できる。
【０００５】
また特許文献２は、図９に示すように、海上の採掘基地65から分解促進剤として二酸化炭素ガスを送気管68経由で海底メタンハイドレート層２内の採掘地点Ｐに注入し、その採掘地点Ｐで二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして固定化すると共にその二酸化炭素ハイドレート生成時の反応熱を用いて採掘地点Ｐに存在するメタンハイドレートを水とメタンガスとに分解し、メタンガスを採掘地点Ｐから採掘管67経由で海上の採掘基地65に回収するシステムを開示する。図９のシステムでは、回収したメタンガスを輸送船72で陸上の熱利用システム66に送り、熱利用システム66でメタンガスから熱エネルギーを取り出し、熱利用システム66の排ガス中の二酸化炭素を分離して輸送船73で採掘基地65へ送り採掘に利用する。
【０００６】
【非特許文献１】
工業技術院資源環境技術総合研究所ニュース、第10巻第10号、2000年10月、pp1-5
【非特許文献２】
石油工業便覧−石油技術協会創立50周年記念−「8.2.7傾斜堀」、昭和58年6月発行、pp396-399
【特許文献１】
特開平９−１５８６６２号公報
【特許文献２】
特開２０００−０６１２９３号公報
【特許文献３】
特開平１０−３１７８６９号公報
【特許文献４】
特表２００２−５３６５７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１及び２の採掘方法は、海上又は海面付近から海底ガスハイドレート層に至る垂直井を利用する方法といえるが、垂直井では坑井当りの採掘可能範囲が限られているため採掘効率が悪い問題点がある。特許文献２は、図１０に示すようにメタンガス採掘管67と二酸化炭素ガス送気管68との組を水平方向の異なる位置に複数設置して順次切り替えることにより採掘効率の向上を図る方法を開示している。しかし、海底ガスハイドレート層２は水深1000〜2000ｍ程度の海底に数10ｍ程度の厚さで分布していると想定されており、このように薄く広く分布するガスハイドレート層２を特許文献１及び２の方法で採掘するためには多数の垂直井を設置しなければならず、ボーリング等を含む採掘コストが膨大となる。
【０００８】
従来の油・ガス田の掘削では、坑井当りの採掘量を増やす方法として、図７（Ｂ）に示すように垂直井から水平向きに複数の枝を出した多枝坑井42により採掘範囲を広げる方法が知られている（非特許文献２のp399参照）。しかし、石油や従来型天然ガスのような液体又は気体と異なりガスハイドレートは固体であり、単に採掘範囲を広げるだけでは足りず、上述したようにガスハイドレート分解材により分解しつつ分解生成ガスを採取する必要がある。従来の多枝坑井42はガスハイドレート分解材の輸送を想定しておらず、例えば1000ｍ以上の多枝坑井42でガスハイドレート分解材として温熱を輸送する方法ではエネルギーロスが大きくなり経済的・効率的な採掘は難しい。海底ガスハイドレートの採掘では、坑井当りの採掘可能範囲を広げると共に、ガスハイドレート分解のための供給熱量・動力を小さく抑えることが重要である。
【０００９】
そこで本発明の目的は、薄く広く存在する海底地層中のガスハイドレートを効率的に採掘する方法及びシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１の実施例を参照するに、本発明の海底ガスハイドレート採掘方法は、海底地盤１中のガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を探査し、前記領域の安定地盤部位に削孔角度操作自在なボーリング装置11が装備された採掘基地10を沈設し、採掘基地10と海上との間に輸送路19を設け、採掘基地10からガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、ガスハイドレート層２に水平井30を介し温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層２の分解生成ガスを水平井30と採掘基地10と輸送路19とにより海上で採取してなるものである。
【００１１】
また図１の実施例を参照するに、本発明の海底ガスハイドレート採掘システムは、海底地盤１中のガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を探査する探査手段15、海底地盤１の力学的特性及び地質構造を調査する調査手段20（図２参照）、前記調査により定まる前記領域の安定地盤部位に採掘基地10を沈設する沈設手段16、採掘基地10内に設けた削孔角度操作自在なボーリング装置11と送入装置12と採取装置14、並びに採掘基地10と海上との間に設けた輸送路19を備えてなるものである。ボーリング装置11により採掘基地10からガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、送入装置12により水平井30へ温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層２の分解生成ガスを採取装置14により水平井30と採掘基地10と輸送路19とを介して海上へ輸送する。
【００１２】
好ましくは、図１に示すように前記輸送路19に海上から採掘基地10へのエネルギー輸送路18を含め、採掘基地10において海上からのエネルギーで加熱した海水をガスハイドレート層２に送入する。あるいは、採掘基地10に分解生成ガスの一部をエネルギーに変換するエネルギー変換装置（図示せず）を設け、その変換装置からのエネルギーで加熱した海水をガスハイドレート層２に送入する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、水深1000〜1200ｍ程度の海底地盤１の200〜300ｍ程度の地盤深さに数10ｍ程度の厚さで分布するガスハイドレート層２の採掘に本発明を適用した実施例を示す。このような海底ガスハイドレート層２の分布は、例えば海上の作業船６（以下、支援母船６ということがある。）に音波探査計等の探査手段15を取り付け、母船２を探査線上で走行させることによって探査できる。ガスハイドレート層２の下側には地温等のためにガス化したフリーガス層３が存在すると考えられており、ガスハイドレート層２とフリーガス層３との間の物性のコントラストが強い境界面を音波探査で捉えることができる。この境界面は海底面４とほぼ平行に現れるという特徴があり、海底面４の形状を反映していることから海底疑似反射面（Bottom Simulating Reflector、BSR）と呼ばれている。従って、探査手段15により海底疑似反射面の分布を探査することにより、ガスハイドレート層２の海底面４に沿った拡がり領域を把握できる。
【００１４】
本発明は、ガスハイドレート層２の拡がり領域の安定地盤部位に採掘基地10を設ける。採掘基地10は、例えば鋼及びコンクリートを用いて陸上で構築し、母船６により現場海域に曳航して沈設する。海底地盤と採掘基地10との間の隙間は、例えば水中不分離性コンクリート等で間詰めすることができる。採掘基地10は無人とし、点検や故障時には潜水艇等を用いて母船６から人員を送り込むものとすることができるが、有人の採掘基地10としてもよい。採掘基地10の自重により地盤沈下等が発生しないように、ガスハイドレート層２の拡がり領域の力学的特性及び地質構造を調査し、基地支持力のある安定地盤を選定して採掘基地10を沈設する。上述した音波探査等では海底地盤の地質構造の把握はある程度可能であるものの力学的特性が把握できないので、後述するように海底地盤に着床させる調査手段20（図２参照）を用いて、音波探査等と採泥調査・ボーリング調査等を組み合わせることにより海底地盤の力学的特性及び地層構造を把握する。
【００１５】
安定地盤の選定に際し、ガスハイドレート層２が海底地盤の一部を形成しており、ガスハイドレート層２の採掘により海底地盤に応力変動が生じる可能性を考慮する必要がある。本発明では、後述するように採掘基地10から垂直下方ではなく水平放射状に坑井を削孔し、採掘基地10の直下のガスハイドレート層２を残して周囲のガスハイドレート層２のみを採掘することが可能であるが、周囲のガスハイドレート層２の採掘が採掘基地10の直下の支持地盤に影響するおそれもある。このため、力学的特性及び地質構造の調査にガスハイドレート層２の採掘による海底地盤の変形予測を含め、地盤沈下や崩壊等の危険がない安定地盤部位に採掘基地10を沈設する。必要に応じて、調査手段20の調査結果に基づきガスハイドレート層２の拡がり領域の一部に適当な地盤改良工事を施して安定地盤部位を形成してもよい。
【００１６】
図示例の母船６は採掘基地10の沈設手段16を有する。沈設手段16は吊り下げ装置16とケーブル16aとを有し、採掘基地10をケーブル16aで吊り下げながら徐々に海底面４まで降下させる。図示例では１艘の母船６から吊り下げているが、２艘以上の母船６から吊り下げることが望ましい。採掘基地10に取り付けた傾斜計や方位計、加速度計等の出力に基づき吊り下げ時の採掘基地10の姿勢が制御できる制御装置を沈設手段16に含めることができ、その姿勢制御により採掘基地10を所定安定地盤部位に所定向きで正確に位置決めできる。また、沈設手段16に掘削及び均し機械を含め、その掘削及び均し機械を母船６から海底面４に降ろして安定地盤部位をある程度平坦にしてから採掘基地10を沈設することができる。更に沈設手段16により、母船６と採掘基地10との間に、採掘基地10に装備の機器を制御するための通信・制御ライン28や採掘基地10から海上への分解生成ガスの輸送路19等を設置する。
【００１７】
採掘基地10には、削孔角度操作自在なボーリング装置11と送入装置12と採取装置14とを装備する。ボーリング装置11の一例は、図４に示すように、削孔角度を任意に決定できる削孔用ビット31を先端部に備えた地盤削孔用ロッド32とロッド押し込み機37とを有し、図示例のような斜め下向きから水平向きに傾斜角が徐々に減少する坑井（以下、水平井という。）30を掘削できる曲がりボーリング装置である。例えば図３に示すように、ビット31に設けた位置検出センサ36の出力位置信号を検知しながら、ビット31及びロッド32の間に設けた角度調節器35を遠隔操作することにより、目標位置に対し半径30cm程度以下の精度の正確な水平井30が削孔可能なものとする。ボーリング装置11として、従来のトンネルの機械化掘削に用いられてきたトンネルボーリングマシーンを使用することも考えられる。送入装置12と採取装置14は、ボーリング装置11で削孔した水平井30の基地側端に接続する。
【００１８】
ボーリング装置11による水平井30の削孔方法の一例を図４に示す。先ず、前述した探査手段15で探査したガスハイドレート層２の拡がり及び深さと採掘基地10の沈設位置とに基づき、削孔すべき水平井30の設置位置を定める。次いで、同図（Ａ）に示すように採掘基地10から設計したガスハイドレート層２内の設置位置の一端に向けてビット31付き地盤削孔用ロッド32を押し込み機37により回転させながら斜め下方に押し込む。位置検出センサ36の出力位置信号によりビット31が設置位置の一端に到達したことを確認したのち、同図（Ｂ）に示すようにビット31の削孔方向を水平に転換しながら、ジェッティングと押し込みとにより曲線部を削孔する。更に、ビット31の削孔方向を水平に維持しつつロッド32を回転させながら押し込み、水平井30の所定設置位置の他端まで水平な削孔を継続することにより、所定設置位置に水平井30を構築する。
【００１９】
図５に示すように、採掘基地10に装備した適当な台数のボーリング装置11により、複数の水平井30を採掘基地10から放射状に削孔することができる。図１の採掘基地10は２台のボーリング装置11を装備しているが、１台のボーリング装置11で複数の水平井30を順次削孔し、又は３台以上のボーリング装置11で複数の水平井30を同時に削孔してもよい。図１に示すように採掘基地10の回りの同一角度向きに、異なる深さで複数の水平井30を設置することも可能である。本発明で用いるボーリング装置11によれば、複数の水平井30を適当な相互間隔で設置することができる。
【００２０】
水平井30を所定設置位置に削孔したのち、送入装置12により水平井30へガスハイドレート分解材を送入してガスハイドレート層２のガスハイドレートを分解し、採取装置14によりガスハイドレート層２の分解生成ガス（例えばメタンガス）を水平井30経由で採掘基地10に収集する。例えば図３（Ａ）に示すように水平井30の各々を二重管構造（ライザー方式）とし、水平井30毎に二重管の一方（例えば内管33）を介してガスハイドレート分解材を送入し、二重管の他方（例えば外管34）を介して分解生成ガスを採掘基地10に輸送する。図示例では、内管33を送入装置12に接続すると共に外管34を採取装置14に接続する。分解生成ガスを外管34に効率的に採取するため、採取装置14に吸気手段又は吸水手段を設けてガスハイドレート層２の分解生成ガスを採掘基地10へ吸引してもよい。分解生成ガスは、ガスハイドレートの分解時に生じる水と共に輸送してもよい。
【００２１】
図３（Ａ）の二重管構造は、先端ビット31背後の近傍部位の内管33及び外管34に適宜スリット等を設けて透気性又は透水性としたものであり、図５（Ａ）に示すように水平井30の先端部からガスハイドレート分解材を放出して分解生成ガスを採取するものである。この二重管構造は、水平井30の削孔距離を徐々に伸ばしながら、削孔距離に応じて分解生成ガスを順次採取する採掘方法に適している。但し、ガスハイドレート分解材の放出部位及び分解生成ガスの採取部位は水平井30の先端部に限らず、水平井30の適当な部位に適当な数だけ設けることができる。例えば水平井30の長さ方向に沿って複数の放出部位と採取部位とを交互に設ければ、水平井30の全長から分解生成ガスを採取することも期待できる。そのような二重管構造は、ガスハイドレート層２内に広範囲に亘る水平井30を設置しておき、長期間かけて分解生成ガスを採取する採掘方法に適している。
【００２２】
また本発明では、図５（Ｂ）に示すように、複数の水平井30から選択された特定の水平井30aを介してガスハイドレート分解材を送入し、他の水平井30bを介して分解生成ガスを採掘基地10に輸送することも可能である。この場合、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように水平井30を全長が透気性又は透水性のケーシングパイプ製とし、選択した特定水平井30aを送入装置12に接続すると共に他の水平井30bを採取装置14に接続する。図５（Ｂ）の方法によれば、採取装置14に接続された水平井30bを負圧とすることにより、送入装置12に接続された水平井30aと水平井30bとの間にガスハイドレート層２と交差するガスハイドレート分解材の面状の流れを形成することができ、その面状の流れにより分解生成ガスを押し流し水平井30bへ送り込むことが期待できる。面状の流れはガスハイドレート層２との交差面積を大きくとることができるので、少数の水平井30により広範囲の分解生成ガスの効率的な回収が期待できる。
【００２３】
採取装置14により水平井30を介して採掘基地10に採取した分解生成ガスは、輸送路19を介して海上の母船６に送る。分解生成ガスをガスハイドレートの分解時に生じる水と共に輸送する場合は、採掘基地10において水とガスとを分離したのち母船６へ輸送することができる。分解生成ガスは輸送路19内で自然に浮上することが期待できるので、採掘基地10から母船６への輸送エネルギーは最小限で足りる。輸送路19をカプセルライナー等とすることも考えられる。採取装置14で採取した分解生成ガスを採掘基地10に一時貯蔵し、後述するように必要に応じて分解生成ガスの一部をエネルギーに変換して採掘基地10で利用し、残りを適宜に海上へ輸送してもよい。１艘の母船６に対して採掘基地10を複数設けることができる。母船６に集めた分解生成ガスは、必要に応じて一部をエネルギーに変換して利用することができ、残りは貯蔵して定期的にタンカー等で陸上の消費地等に輸送する。
【００２４】
本発明で用いるガスハイドレート分解材は、ガスハイドレートを分解できるものであればとくに制限はなく、様々なものが使用できる。例えば図１の実施例では、採掘基地10と海上との間にエネルギー輸送路18を設け、送入装置12に海水取り入れ可能な加熱装置13を設け、エネルギー輸送路18からのエネルギーを用いて加熱装置13で加熱した海水（海底下の水圧に応じたガスハイドレートの安定温度以上の海水）を送入装置12から水平井30へ送入している。母船６上に改質器と燃料電池とを搭載し、母船６に集めたメタンガスの一部を改質器で水素に改質して燃料電池へ送り、燃料電池で発電した電力エネルギーを輸送路18で採掘基地10へ供給して海水の加熱に利用してもよい。海上から電力エネルギーを供給して海底の採掘基地10で温水を製造すれば、海上から温水や蒸気等を直接輸送する方法に比し、輸送時のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
【００２５】
また、採掘基地10に改質器と燃料電池とを装備し、採掘基地10において採取したメタンガスの一部を水素に改質して燃料電池へ送り、燃料電池で発電した電力エネルギーを加熱装置13に供給してもよい。採掘基地10でエネルギーを生産すれば、エネルギー損失を更に小さくして効率的なガスハイドレートの採掘が可能となる。図示例の符号13aは採掘基地10の周囲の海水（水温５℃程度）を加熱装置13に取り入れる弁を示すが、弁13aに代えて特許文献１のような海水配管51及びポンプ57（図８参照）を設け、海面５付近の暖かい海水（水温18〜30℃程度）を加熱装置13に取り入れて利用してもよい。更に、本発明で用いるガスハイドレート分解材として、温水に代えて特許文献２のような二酸化炭素又はガスハイドレート分解触媒等を利用することも可能である。この場合、二酸化炭素や分解触媒等を海上から輸送路経由で採掘基地10へ輸送するか、又は沈設前に採掘基地10内に貯蔵しておくことができる。
【００２６】
本発明によれば、海底に採掘基地を設けて海底ガスハイドレート層に複数の水平井を配置するので、従来の垂直井に比し坑井当りの採掘範囲を拡大し、薄く広く分布する海底ガスハイドレートの効率的・経済的な採掘が可能となる。また、安定地盤部位に採掘基地を沈設するので、安定した状態で効率的・経済的な海底ガスハイドレートの採掘が可能となり、今後の資源開発への寄与が期待できる。更に、海底の採掘基地から水平井経由でガスハイドレート分解材をガスハイドレート層に送入するので、分解材の輸送時のエネルギー損失を最小限に抑え、採掘に必要なエネルギーに対する採掘した分解生成ガスのエネルギーの割合、すなわちガスハイドレート採掘におけるエネルギー収支の効率を高めることができる。
【００２７】
こうして本発明の目的である「薄く広く存在する海底地層中のガスハイドレートを効率的に採掘する方法及びシステム」の提供を達成できる。
【００２８】
【実施例】
図２は、本発明で用いる調査手段20の一実施例を示す。高圧下の浮泥等も存在する1000ｍ級の超大水深の海底環境下において安定した固定式の採掘基地10を構築するためには、海底地盤の力学的特性の調査が不可欠である。海上からのボーリングによる超大水深の海底調査はコストが高く、必要十分な数量のボーリング調査を行ってガスハイドレート層２の賦存量や賦存形態等について十分なデータを得ることが難しい。図示例の調査手段20は海底面４に着床させる潜水調査機21を含み、潜水調査機21に遠隔操作可能な力学的特性調査装置24及び地質構造調査装置26を装備している。潜水調査機21によりガスハイドレート層２の埋蔵場所に近い位置での調査が可能となり、ガスハイドレート層２の海底地盤状況や資源賦存状況の詳細を経済的に把握できる。
【００２９】
力学的特性調査装置24として、ボーリング調査装置、貫入試験装置、ボーリング孔を利用した検層装置、ボーリング孔を利用した孔内載荷試験装置等を含めることができる。また地質構造調査装置26として、潜水調査機21から発信した弾性波の地中不連続面からの反射波に基づき海底地盤の地質構造を推定する弾性波探査装置、弾性波トモグラフィによる構造解析装置、地中レーダ探査装置、透水試験装置等を含めることができる。このような力学的特性調査や地質構造調査には、従来の陸上における地下岩盤の構造や各種物性値の調査手法が利用できる。調査機器の制御は有人の母船６と潜水調査機21との間の通信・制御ライン28により行うことができ、調査データも通信・制御ライン28を通じて母船６に送ることができる。各種調査機器を作動させるに必要なエネルギー源は、例えばエネルギー輸送路18（図１参照）を通じて母船６から潜水調査機21へ輸送することができる。
【００３０】
潜水調査機21は原則的には無人とし、点検や故障時に潜水艇等を用いて母船６から人員を送り込むものとする。また潜水調査機21は、前述した採掘基地10と同様に鋼及びコンクリートを用いて陸上で構築し、母船又は沈設支援船６により現場海域に曳航し、海底の所定地盤部位に位置決めして沈設することができる。海底地盤と潜水調査機21との間の隙間は、例えば水中不分離性コンクリート等で間詰めすることができる。図示例の潜水調査機21は、海水の取り入れ・排出により自重を調節する自重調節装置22を有し、例えば海水の取り入れにより沈降すると共に力学的特性調査装置24のボーリング調査や貫入試験の際に必要な反力を付与し、海水の排出により浮上することができる。
【００３１】
図６は、調査手段20による海底地盤調査と採掘基地10によるガスハイドレート採掘とを含む本発明の流れ図の一例を示す。先ずステップS01において、母船６の探査手段15により海底のガスハイドレート層２の拡がりや深さを把握する。次いでステップS02〜S03において、その領域近傍の所定位置に潜水調査機21を沈設して着床させ、海水の取り入れにより自重を調節したのち、力学的特性調査装置24及び地質構造調査装置26により前記拡がり領域の力学的特性及び地質構造を調査する。ステップS04でガスハイドレート層２の拡がり領域の地盤安定性や採掘に伴う地盤変形の可能性を判断し、採掘基地10を構築できる安定地盤部位が検出できるまで潜水調査機21の沈設位置を代えながらステップS02〜S03を繰り返す。
その後ステップS05において、海水を排出することにより潜水調査機21を海底から切り離し、浮上させて母船６に回収する。潜水調査機21が採掘基地10の構築の障害とならないのであればステップS05を省略し、潜水調査機21を適当な時期に浮上・回収してもよい。
【００３２】
ガスハイドレート層２の拡がり領域に安定地盤部位を検出したのち、ステップS07において、その安定地盤部位に母船６から沈設手段16により採掘基地10を沈設する。ステップS07〜S08において、上述したように採掘基地10からボーリング装置11によりガスハイドレート層２に複数の水平井30を削孔し、送入装置12により水平井30を介してガスハイドレート層２に温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、採取装置14によりガスハイドレート層２の分解生成ガスを水平井30と採掘基地10と輸送路19とを介して海上へ輸送する。ステップS09においてガスハイドレート層２の採掘を終了するか否かを判断し、継続する場合はステップS07へ戻り、水平井30の削孔距離を徐々に延ばしながら又は新たな水平井30を構築しながらステップS07〜S08を繰り返す。ガスハイドレート層２の採掘が終了したときは、ステップS01へ戻り新たなガスハイドレート層２に対する採掘を行う。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の海底ガスハイドレート採掘方法及びシステムは、海底地盤中のガスハイドレート層の海底面に沿った拡がり領域に削孔角度操作自在なボーリング装置が装備された採掘基地を沈設し、基地と海上との間に輸送路を設け、基地からガスハイドレート層に複数の水平井を削孔し、ガスハイドレート層に水平井経由で温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、ガスハイドレート層の分解生成ガスを水平井、採掘基地及び輸送路により海上で採取するので、次の顕著な効果を奏する。
【００３４】
（イ）ガスハイドレート層に水平井を構築して採掘するので、薄く広く分布する海底ガスハイドレートの効率的・経済的な採掘が可能となる。
（ロ）ガスハイドレート採掘による地盤変形予測を踏まえた安定地盤部位に採掘基地を沈設することができるので、安定した状態で効率的な海底ガスハイドレートの採掘が可能である。
（ハ）ガスハイドレート分解用の温熱を採掘基地で生産できるので、温熱輸送に伴うエネルギー損失を最小限に抑え、ガスハイドレート採掘におけるエネルギー収支の効率を高めることができる。
（ニ）新しいエネルギー資源として注目される海底メタンハイドレートの採掘に適しており、今後の資源開発への寄与が期待できる。
（ホ）潜水調査機を用いて海底地盤の力学的特性・地層構造を調査することにより、採掘基地を海底に設置する際の有用な情報、例えば海底地すべりや海底地盤変形予測のための物性値を得ることができる。
（ヘ）潜水調査機を用いた調査により、広く薄く分布するガスハイドレート層の詳細な資源量評価を経済的に行うことができる。
（ト）潜水調査機を用いた海底地盤調査は、ガスハイドレート掘削だけでなく、一般の海底地盤の調査への適用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の一実施例の説明図である。
【図２】は、海底地盤の安定調査方法の一例の説明図である。
【図３】は、本発明で用いる水平井の構造の説明図である。
【図４】は、本発明で用いる水平井の削孔方法の説明図である。
【図５】は、水平井を用いた採掘方法の一例の説明図である。
【図６】は、本発明の採掘方法の流れ図の一例である。
【図７】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の一例である。
【図８】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の他の例である。
【図９】は、従来の海底ガスハイドレート採掘方法の更に他の例である。
【図１０】は、図９の採掘方法の一実施態様の説明図である。
【符号の説明】
１…海底地盤 ２…ガスハイドレート層
３…フリーガス層 ４…海底面
５…海面 ６…作業船（母船）
７…分解生成ガス ８…水
10…採掘基地 11…ボーリング装置
12…送入装置 13…加熱装置
13a…弁 14…回収装置
15…探査手段 16…沈設手段
16a…ケーブル
18…エネルギー輸送路 19…気密輸送路
20…調査手段 21…潜水調査機
22…自重調節装置 22a…弁
24…力学的特性調査装置 26…地質構造調査装置
28…通信・制御ライン
30…水平井 31…削孔用ビット
32…削孔用ロッド 33…内管
34…外管 35…角度調節器
36…位置検出センサ 37…ボーリング押し込み機
40…掘削リグ 41…坑井
42…多枝坑井
50…深海原子炉 51…海水配管
52…断熱材 53…浮力容器
54…配管下部 55…ロープ
56…ロープ巻き取り装置 57…ポンプ
58…電力ケーブル 59…小配管
60…ガス配管 61…気水分離器
62…小配管 63…排水ライン
65…採掘基地 66…熱利用システム
67…メタンガス採掘管 68…二酸化炭素ガス送気管
69…メタンガス容器 70…二酸化炭素容器
71…発電システム 72…メタン用輸送船
73…二酸化炭素用輸送船 74…ボイラ
Claims (15)
- 海底地盤中のガスハイドレート層の海底面に沿った拡がり領域を探査し、前記領域の安定地盤部位に削孔角度操作自在なボーリング装置が装備された採掘基地を沈設し、当該基地と海上との間に輸送路を設け、前記基地から前記層に複数の水平井を削孔し、前記層に水平井を介し温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、前記層の分解生成ガスを水平井、基地及び輸送路により海上で採取してなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項１の方法において、前記輸送路に海上から前記基地へのエネルギー輸送路を含め、前記基地において海上からのエネルギーで加熱した海水を前記層に送入してなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項１の方法において、前記基地に前記分解生成ガスの一部をエネルギーに変換するエネルギー変換装置を設け、当該変換装置からのエネルギーで加熱した海水を前記層に送入してなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項１から３の何れかの方法において、前記水平井の各々を二重管構造とし、前記水平井毎に二重管の一方を介して温熱又は分解促進剤を送入すると共に二重管の他方を介して分解生成ガスを前記基地に輸送してなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項１から３の何れかの方法において、前記複数の水平井から選択した特定水平井を介して温熱又は分解促進剤を送入し且つ他の水平井を介して分解生成ガスを前記基地に輸送してなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項１から５の何れかの方法において、前記採掘基地を設置すべき安定地盤部位を、前記海底地盤に着床させた潜水調査機による当該地盤の力学的特性及び地質構造の調査結果に基づき定めてなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 請求項６の方法において、前記潜水調査機を、海水の取り入れにより自重調節可能で且つ海水の排出により浮上可能なものとしてなる海底ガスハイドレート採掘方法。
- 海底地盤中のガスハイドレート層の海底面に沿った拡がり領域を探査する探査手段、海底地盤の力学的特性及び地質構造を調査する調査手段、前記調査により定まる前記領域の安定地盤部位に採掘基地を沈設する沈設手段、前記基地内に設けた削孔角度操作自在なボーリング装置と送入装置と採取装置、並びに前記基地と海上との間に設けた輸送路を備え、前記ボーリング装置により前記基地から前記層に複数の水平井を削孔し、前記送入装置により水平井へ温熱又は分解促進剤を送入してガスハイドレートを分解し、前記層の分解生成ガスを前記採取装置により水平井、基地及び輸送路経由で海上へ輸送してなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項８のシステムにおいて、前記輸送路に海上から前記基地へのエネルギー輸送路を含め、前記基地において海上からのエネルギーで加熱した海水を前記送入装置により前記層へ送入してなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項８のシステムにおいて、前記基地内に前記分解生成ガスの一部をエネルギーに変換するエネルギー変換装置を設け、当該変換装置からのエネルギーで加熱した海水を前記送入装置により前記層へ送入してなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項８から１０の何れかのシステムにおいて、前記水平井の各々を二重管構造とし、前記水平井毎に二重管の一方を前記送入装置に接続すると共に二重管の他方を前記採取装置に接続してなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項８から１０の何れかのシステムにおいて、前記複数の水平井から選択した特定水平井を前記送入装置に接続すると共に他の水平井を前記採取装置に接続してなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項８から１２の何れかのシステムにおいて、前記調査手段に海底地盤に着床させる潜水調査機を含めてなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項１３のシステムにおいて、前記潜水調査機を、海水の取り入れにより自重調節可能で且つ海水の排出により浮上可能なものとしてなる海底ガスハイドレート採掘システム。
- 請求項１３又は１４のシステムにおいて、前記潜水調査機に海底地盤のボーリング調査装置、貫入試験装置、ボーリング孔利用の検層装置、ボーリング孔利用の孔内載荷試験装置及び／又は弾性波探査装置を含めてなる海底ガスハイドレート採掘システム。
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