JP5316878B2 - メタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底あるいは湖底に存在するメタンハイドレートからメタンガスを生産するための装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法に関する。

石油資源に替わる新資源としてメタンハイドレートが注目を集めており、我が国近海は、世界最大のメタンハイドレート埋蔵量を誇るといわれている。このメタンハイドレートは、水素結合による水分子の籠状構造の中にメタンが入り込んだ氷状の固体結晶であり、低温且つ高圧下で安定的に存在する。そして、永久凍土の地下数百〜千ｍの堆積物中や海底、湖底でこの低温高圧条件が満たされるため、メタンハイドレートは永久凍土や海底、湖底の地盤内に存在している。

また、海底（湖底）のメタンハイドレートは、水深数百ｍ以深の海底（湖底）地盤の地下数百ｍの深層部に存在する深層型メタンハイドレートと、海底面（湖底面）に露出するなどして浅層部に存在する表層型メタンハイドレートとがある。そして、現在、我が国でも検討が進められている南海トラフなどの深層型メタンハイドレートに対し、表層型メタンハイドレートの研究例は世界的にもまだ限られており、我が国では、オホーツク海及び日本海直江津沖の表層型メタンハイドレートに関する調査研究が開始されたばかりである。しかしながら、資源開発の観点からは、表層型メタンハイドレートの方が経済的な生産が可能であるため、その資源量の評価と併せて諸物性の解明が急務とされている。

ここで、メタンハイドレートは、僅かに温度、圧力条件を変化させるだけで相平衡状態が崩れ、分解（解離）させることができる。そのため、深層型メタンハイドレートにおいては、メタンガスを生産する手法として、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法など温度や圧力の条件を変化させ、相平衡状態を変化させることによってメタンハイドレートをメタンガスと水に分解し、メタンガスを回収する手法が検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

図８は、メタンハイドレートの温度と圧力の相平衡条件を示したものである。この図において、実線は、メタンハイドレートが生産される境界を示しており、図中左上側の低温、高圧側がメタンハイドレートの安定領域である。そして、水域（海、湖）では、水深約４００ｍ以深でこの温度、圧力条件に達するが、海底（湖底）の地盤温度が地下深度とともに増加するため、メタンハイドレートの生成条件が満たされる下限の地盤深度が存在し、この地盤深度は概ね地下１００ｍ〜３００ｍ程度である。深層型メタンハイドレートは、この下限地盤深度の直上に存在し、言い換えれば、温度と圧力の相平衡条件に極めて近い状態で存在している。

また、図８に、深層型メタンハイドレートとして南海トラフの代表的なメタンハイドレート、表層型メタンハイドレートとしてバイカル湖とオホーツク海のそれぞれの代表的なメタンハイドレートの温度、圧力条件を示している。この図示から、深層型メタンハイドレートに比べ、表層型メタンハイドレートは、温度と圧力の相平衡条件から離れた状態にあることが分かる。

特開２００４−３２１９５２号公報 特開２００４−２０４５６２号公報 特開平９−１５８６６２号公報

そして、このように表層型メタンハイドレートは、温度と圧力の相平衡条件から離れた状態で安定しているため、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法等の温度や圧力の条件を変化させてメタンガスを生産する方法を用いた場合、温度と圧力の相平衡状態を変化させるために大きなエネルギーが必要になる。

また、表層型メタンハイドレートは、深層型メタンハイドレートと異なり、バッファとなる地盤が存在しない場合があるため、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法等によるメタンガスの生産中に予期せぬメタンガスの漏洩が発生すると、直接水中にメタンガスが放出されるおそれがある。このため、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法等の温度や圧力の条件を変化させてメタンガスを生産する場合には、海底、湖底の生態系や地球環境への影響が懸念される。

これに対し、本願の出願人（本願の発明者ら）は、温度と圧力の相平衡状態を変化させることなくメタンハイドレートを分解してメタンガスを生産する方法及び装置について、既に特許出願（特願２００８−１７６９３６、特願２００８−３１２７１４）を行っている。

このメタンガス生産装置１は、図９及び図１０に示すように、上端２ａが閉塞し、下端２ｂに開口部２ｃを備えて略円筒状に形成された解離チャンバー２と、解離チャンバー２の内部にメタン濃度が低い水Ｗを供給するための送水管３と、解離チャンバー２の内部の水Ｗ’を揚水するための揚水管４とを備えて構成されている。また、解離チャンバー２には、送水管３から送られたメタンの度が低い水Ｗを噴射させるウォータージェット機構５が設けられている。さらに、ウォータージェット機構５は、解離チャンバー２の開口部２ｃを形成する先端部（下端２ｂ）側から軸線Ｏ１方向外側に水Ｗ（メタン濃度が低い水）を噴射させる第１噴射管６と、解離チャンバー２の内面側から軸線Ｏ１直交方向内側に水Ｗを噴射させる第２噴射管７とを解離チャンバー２の外周側に設けて構成されている。

このメタンガス生産装置１を用いて海底（あるいは湖底）の表層型メタンハイドレート１０からメタンガスを生産する場合には、図１１に示すように、フロート１１に取り付けて浮遊状態にした解離チャンバー２をメタンガス回収船１２で曳航し、解離チャンバー２をフロート１１から降下させて海底に設置する。次に、第１噴射管６からメタン濃度が低い水Ｗを軸線Ｏ１方向外側に噴射させることにより、メタンハイドレート１０上の地盤Ｇを掘削除去（切削除去）し、解離チャンバー２の先端部２ｂをメタンハイドレート１０まで貫入させる。また、第２噴射管７から軸線Ｏ１直交方向内側に水Ｗを噴射させることにより、メタンハイドレート１０上の地盤Ｇを掘削除去するとともに、解離チャンバー２の内部をウォータージェット水流で撹拌させ、メタンハイドレート１０から効率的にメタンＭを解離させる。そして、解離チャンバー２の内部のメタンＭが溶解した水Ｗ’を揚水管４で揚水する。このとき、ある深度までメタンが溶解した水Ｗ’が上昇すると、圧力降下によりメタンＭがガス化して水Ｗ’から自動的に自噴する。これにより、容易に水Ｗ’とメタンガスＭとを分離して、メタンガスＭを生産（回収）することが可能になる。

しかしながら、日本近海など、硬い地盤Ｇが表層に存在する場合、上記のウォータージェット機構５によるウォータージェット水流では、この硬い地盤Ｇを掘削できないおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、硬い地盤が存在する場合であっても、確実に地盤及びメタンハイドレートを掘削でき、効率的に、温度や圧力の条件を変化させることなくメタンハイドレートからメタンガスを生産することを可能にするメタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置は、海底あるいは湖底に存在するメタンハイドレートからメタンガスを生産するための装置であって、筒状の側壁部と側壁部の上端側の開口を閉塞する天板部とを備えて形成された外殻体と、筒状の側壁部と側壁部の上端側の開口を閉塞する天板部とを備えて形成されるとともに、底部の開口部側と天板部側を区画する仕切り板を内部に備えて形成され、前記外殻体の軸線と上下の同方向に軸線を配した状態で、前記外殻体の内部に配設された内殻体と、前記内殻体と前記外殻体を上下方向に相対的に進退させる推進機構と、切刃を下方に向け、且つ回転軸線を前記内殻体の軸線と同軸上に配し、前記内殻体の開口部を閉塞させるように配設されたカッターヘッドと、前記内殻体に支持され、前記カッターヘッドを支持しつつ回転軸線周りに回転させるカッターヘッド回転支持機構と、前記仕切り板と前記カッターヘッドの間に形成された導入室にメタン濃度が低い水を供給するための送水管と、前記導入室内の水を揚水するための揚水管とを備えて構成されていることを特徴とする。

この発明においては、海底あるいは湖底の所定位置に設置した段階で、カッターヘッド回転支持機構を駆動してカッターヘッドを回転させるとともに、ジャッキなどの推進機構によって内殻体及びカッターヘッドを外殻体から軸線方向下方に進出させる。これにより、メタンハイドレートの表層に硬い地盤が存在する場合であっても、カッターヘッドによってこの地盤を掘削することが可能になる。また、このとき、自重と、外殻体と地盤の間の周面摩擦とによって反力を確保し、推進機構によって内殻体及びカッターヘッドを外殻体の内部側から地盤内に順次進出させて掘進することが可能になる。さらに、推進機構によって内殻体及びカッターヘッドが外殻体の内部から最大ストロークまで進出した段階で、推進機構を縮長すると（内殻体が外殻体の内部側に退避するように推進機構を駆動すると）、外殻体が推進機構の縮長及び自重によって内殻体を内部に納めるように降下する。これにより、外殻体に対し、推進機構で内殻体及びカッターヘッドを順次相対的に進退させながら地盤内を推進させることができ、カッターヘッドによって地盤及びメタンハイドレートを掘削することが可能になる。すなわち、メタンハイドレートの表層に硬い地盤が存在する場合に限らず、賦存深度が深いメタンハイドレートの掘削も可能になる。

また、本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置においては、一つの前記外殻体に対し、前記内殻体と前記カッターヘッドと前記カッターヘッド回転支持機構が複数設けられていてもよい。

この発明においては、内殻体とカッターヘッドとカッターヘッド回転支持機構を複数備えることで全体の自重が増加するため、自重によって反力を確保することができ、推進機構で内殻体及びカッターヘッドを確実に推進させることが可能になる。これにより、効率的に地盤及びメタンハイドレートを掘削することが可能になる。また、複数の内殻体及び各内殻体に設けられたカッターヘッドを適宜選択しながら掘削、沈設（推進）することが可能になるため、装置全体の姿勢制御を行うことも可能になる。

さらに、本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置においては、前記外殻体の上に内部が隔壁によって複数の室で区画された函体を備えるとともに、該函体の各室内に対し、水を注排水するための注排水機構と、空気を送排気するための送排気機構を備えて構成されていてもよい。

この発明においては、函体の各室に海水や湖水を注水すると、函体と注水した水による荷重を外殻体ひいてはカッターヘッドに作用させることができ、また、函体内に空気を送気することによって、各室から水を排水させることができる。すなわち、函体内の注水量（貯水量）をコントロールして、装置の自重を自在に調整することが可能になる。これにより、カッターヘッドによる掘削時に、確実に反力を得ることが可能になるとともに、掘削効率ひいてはメタン回収効率を向上させることが可能になる。また、函体の各室から水を排水すると、各室内の空気によって浮力が得られるため、装置を引き上げて回収する際に、この浮力を利用することが可能になり、効率的に装置の回収作業を行うことが可能になる。

本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産方法は、海底あるいは湖底に存在するメタンハイドレートからメタンガスを生産する方法であって、上記のいずれかのメタンハイドレートからのメタンガス生産装置を用いてメタンガスを生産することを特徴とする。

この発明においては、上記のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置による作用効果を得ることが可能になる。

本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法においては、外殻体に対し、推進機構で内殻体及びカッターヘッドを順次相対的に進退させながら地盤内を推進させることができ、カッターヘッドによって地盤及びメタンハイドレートを掘削することが可能になる。また、メタンハイドレートの表層に硬い地盤が存在する場合に限らず、同様にして、賦存深度が深いメタンハイドレートの掘削も可能になる。

そして、カッターヘッドで掘削した地盤やメタンハイドレートは、掘削とともに順次内殻体の仕切り板とカッターヘッドの間の導入室に導入される。このため、メタン濃度が低い水を送水管を通じて導入室に供給して混合撹拌するとともに、揚水管で導入室内の水（泥水、海水、湖水）を地上に汲み上げることによって、掘削した地盤やメタンハイドレートを順次回収することが可能になる。また、このとき、揚水管によって、メタンが溶解した導入室内の水を揚水すると、ある程度までこのメタンが溶解した水が上昇するとともにメタンがガス化して水から自動的に自噴する。これにより、温度と圧力の相平衡状態を変化させることなく、容易に水とメタンガスを分離して、メタンガスを生産（回収）することが可能になる。

さらに、推進機構を伸縮させて、内殻体に対し順次外殻体を上方に移動させながら装置（外殻体、内殻体、カッターヘッドなど）を引き上げて、回収することも可能になる。

よって、本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法によれば、硬い地盤が存在する場合であっても、確実に地盤及びメタンハイドレートを掘削でき、従来と比較し、より効率的に、温度や圧力の条件を変化させることなくメタンハイドレートからメタンガスを生産することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置を用いてメタンガスを生産している状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置（メタン解離回収装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置の変形例（複数の内殻体、カッターヘッドを備えたメタン解離回収装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置の変形例（複数の内殻体、カッターヘッドを備えたメタン解離回収装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置の変形例（複数の内殻体、カッターヘッドを備えたメタン解離回収装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置の変形例（函体を備えたメタン解離回収装置）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置の変形例（函体を備えたメタン解離回収装置）を示す図である。 メタンハイドレートの温度と圧力の相平衡条件を示す図である。 従来のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置（解離チャンバー）を示す図である。 図９のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 従来のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置を用いてメタンガスを生産している状態を示す図である。

以下、図１及び図２を参照し、本発明の実施形態に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法について説明する。本実施形態においては、海底（あるいは湖底）に存在する表層型メタンハイドレートからメタンガスを好適に生産可能なメタンガス生産装置及びメタンガス生産方法に関するものである。

本実施形態のメタンガス生産装置Ａは、図１に示すように、メタンガス回収船１２と、メタンハイドレート１０からメタンＭを解離／回収するためのメタン解離回収装置２０と、メタンガス回収船１２によって浮遊状態でメタン解離回収装置２０を曳航するためのフロート１１と、送水管３と、揚水管４と、ガスセパレーター２１とを備えて構成されている。

また、本実施形態のメタン解離回収装置２０は、図２に示すように、外殻体２２と、内殻体２３と、推進機構２４と、カッターヘッド２５と、カッターヘッド回転支持機構２６とを備えて構成されている。

外殻体２２と内殻体２３はそれぞれ、筒状の側壁部２２ａ、２３ａと側壁部２２ａ、２３ａの上端側の開口を閉塞する天板部２２ｂ、２３ｂとを備えて形成されている。そして、これら外殻体２２と内殻体２３は、互いの軸線Ｏ１、Ｏ２を上下の同方向（上下方向Ｔ１）に向け、且つ底部の開口部２２ｃ、２３ｃを下方に向け、内殻体２３を外殻体２２の内部に配した状態で設けられている。また、内殻体２３は、その内部に開口部２３ｃ側と天板部２３ｂ側を区画する仕切り板２３ｄを設けて形成されている。

推進機構２４は、内殻体２３を外殻体２２に対し上下の軸線Ｏ１、Ｏ２方向に進退させるためのものであり、すなわち、内殻体２３を外殻体２２の内部から外側に進出又は内殻体２３を外殻体２２の内部に後退させるためのものであり、本実施形態では、推進機構２４としてジャッキを用いている。そして、推進機構２４は、外殻体２２の内部に配設されるとともに、その伸縮方向を上下方向Ｔ１に向け、上端を外殻体２２の天板部２２ｂに、下端を内殻体２３の天板部２３ｂに繋げて配設されている。すなわち、この推進機構２４は、外殻体２２の天板部２２ｂと外殻体２２の内部に設けられた内殻体２３の天板部２３ｂの間に配設されている。

カッターヘッド２５は、ＴＢＭ（トンネルボーリングマシン）が具備するカッターヘッドと同様のものであり、本実施形態では、カッタービットやディスクカッタなどの切刃２５ａを下方に向け、且つ回転軸線Ｏ３を外殻体２２及び内殻体２３の軸線Ｏ２、Ｏ３と同軸上に配した状態で、内殻体２３の開口部２３ｃを閉塞させるように設けられている。

カーターヘッド回転支持機構２６は、カッターヘッド２５を回転軸Ｏ３周りに回転させるための機構であり、仕切り板２３ｄに支持されて内殻体２３の仕切り板２３ｄと天板部２３ｂの間に設けられている。また、カッターヘッド２５の軸部２５ｂが内殻体２３の開口部２３ｃ側から仕切り板２３ｄを貫通して、仕切り板２３ｄと天板部２３ｂの間に延設されており、カッターヘッド回転支持機構２６は、この軸部２５ｂを支持しつつ回転させて、カッターヘッド２５を回転軸Ｏ３周りに回転させるように構成されている。

さらに、本実施形態のメタン解離回収装置２０においては、ＴＢＭと同様に、外殻体２２の内部から軸線Ｏ１直交方向外側に進退自在に設けられたグリッパー（不図示）を備えている。

送水管３と揚水管４はそれぞれ、外殻体２２の天板部２２ｂ、内殻体２３の天板部２３ｂを貫通して、外殻体２２の内部から内殻体２３の内部に延設されている。そして、これら送水管３と揚水管４は、一端側が仕切り板２３ｄに取り付けて支持され、内殻体２３の仕切り板２３ｄとカッターヘッド２５の間の導入室２７に到達して連通するように設けられている。

次に、上記構成からなるメタンガス生産装置Ａを用いて海底の表層型メタンハイドレート１０からメタンガスＭを生産（回収）する方法について説明するとともに、本実施形態のメタンガス生産装置Ａ及びメタンガス生産方法の作用及び効果について説明する。

本実施形態のメタンガス生産装置Ａを用いて海底の表層型メタンハイドレート１０からメタンガスＭを生産する際には、図１に示すように、メタンガス回収船１２のワイヤドラムに巻き回されたワイヤ１５の一端をメタン解離回収装置２０の上端（外殻体２２の天板部２２ｂ）に接続し、この上端側をフロート１１に着脱可能に繋げ、浮遊した状態でメタン解離回収装置２０を所定位置まで曳航する。そして、メタン解離回収装置２０に送水管３と揚水管４をそれぞれ接続し、メタンガス回収船１２のワイヤドラムからワイヤ１５を繰り出してメタン解離回収装置２０を降下させ、海底の地盤Ｇ上に設置する。なお、メタンガス回収船１２に設けられたＧＰＳ、方位計、トランスデューサー、送水管３あるいは揚水管４に設けられたトランスポンダーなどを用いることで、メタン解離回収装置２０は、海底の所定位置に設置される。

そして、上記のようにメタン解離回収装置２０を海底の所定位置に設置した段階で、カッターヘッド回転支持機構２６を駆動してカッターヘッド２５を回転させるとともに、推進機構２４を伸長させて内殻体２３及びカッターヘッド２５を外殻体２２から軸線Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３方向下方に向け進出させる。このようにすると、メタンハイドレート１０の表層に硬い地盤Ｇが存在する場合であっても、カッターヘッド２５によって地盤Ｇが掘削される。また、このとき、本実施形態のメタン解離回収装置２０では、通常のシールド工法（ＴＢＭ）のようにセグメントで反力を確保するのではなく、装置２０の自重と、外殻体２２と地盤Ｇ間の周面摩擦とによって反力を確保する。

さらに、このようにカッターヘッド２５によって地盤Ｇを掘削するとともに、推進機構２４で押圧された内殻体２３が外殻体２２の内部から相対的に下方に移動し、地盤Ｇ内に順次推進してゆく。そして、推進機構２４がジャッキストローク（最大ストローク）まで伸長した段階で、この推進機構２４を縮長すると、外殻体２２が推進機構２４の縮長及び自重によって内殻体２３を内部に納めるように降下する。このようにカッターヘッド２５で地盤Ｇを掘削するとともに推進機構２４を順次伸縮させることによってメタン解離回収装置２０が地盤Ｇ内を推進し、メタンハイドレート層１０に到達するとともにカッターヘッド２５によってこのメタンハイドレート１０が掘削される。

カッターヘッド２５で掘削した地盤Ｇやメタンハイドレート１０は、掘削とともに順次内殻体２３の仕切り板２３ｄとカッターヘッド２５の間の導入室２７に導入される。そして、このように地盤Ｇやメタンハイドレート１０を掘削すると同時に、送水ポンプの駆動を開始して、例えば浅水域の海水（メタン濃度が低い水Ｗ）を取水するとともに送水管３を通じて導入室２７に供給する。

これと同時に、揚水ポンプを駆動して、揚水管４で導入室２７内の水（泥水、海水）Ｗ’を地上に汲み上げる。このとき、カッターヘッド２５で地盤Ｇを掘削している際には、浅水域の海水Ｗと泥土が混合した泥水Ｗ’が揚水管４で地上に汲み上げられ、導入された泥土が導入室２７内から順次除去される。一方、メタンハイドレート１０を掘削している際には、順次導入室２７内に導入されたメタンハイドレート１０と送水管３から供給された浅水域の海水Ｗが撹拌混合され、メタンハイドレート１０からメタンＭが解離し、海水ＷにメタンＭが溶解する。

メタンハイドレート１０から解離したメタンＭを含む海水Ｗ’は、揚水ポンプを駆動するとともに、導入室２７内から順次メタンガス回収船１２に向けて揚水される。そして、このようにして導入室２７の海水Ｗ’を揚水する際に、海水Ｗ’がある深度まで上昇すると、溶解したメタンＭがガス化して自噴し、海水Ｗ’から自動的に解離して海水面上のガスセパレーター２１に導かれる。これにより、ガスセパレーター２１のセパレータータンク内で容易に海水Ｗ’’とメタンガスＭが分離され、メタンガスＭが回収される。

一方、メタン解離回収装置２０を引き上げる際には、外殻体２２に設けられたグリッパーを軸線Ｏ１直交方向外側に突出させ、グリッパーで地盤面を押圧することにより、外殻体２２を支持させる。そして、推進機構２４を縮長して外殻体２２の内部に内殻体２３を納めるとともに、メタン解離回収装置２０の下方の掘削孔に流動化処理土などの充填材（固化材）を充填して埋め戻す。また、グリッパーを外殻体２２内に納めて外殻体２２の支持状態を解除した段階で推進機構２４を伸長すると、外殻体２２が内殻体２３に対し上方に相対的に移動する。そして、再度グリッパーで外殻体２２を支持させる。このような操作を順次繰り返し行うことにより、メタン解離回収装置２０が引き上がって回収でき、また、掘削孔を充填材で埋め戻すことが可能になる。

したがって、本実施形態のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置Ａ及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法においては、メタン解離回収装置２０を海底（あるいは湖底）の所定位置に設置した段階で、カッターヘッド回転支持機構２６を駆動してカッターヘッド２５を回転させるとともに、推進機構２４によって内殻体２３及びカッターヘッド２５を外殻体２２から軸線Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３方向下方に進出させる。これにより、メタンハイドレート１０の表層に硬い地盤Ｇが存在する場合であっても、カッターヘッド２５によってこの地盤Ｇを掘削することが可能になる。また、このとき、自重と、外殻体２２と地盤Ｇの間の周面摩擦とによって反力を確保し、推進機構２４によって内殻体２３及びカッターヘッド２５を外殻体２２の内部側から地盤Ｇ内に順次進出させて掘進することが可能になる。さらに、推進機構２４によって内殻体２３及びカッターヘッド２５が外殻体２２の内部から最大ストロークまで進出した段階で、推進機構２４を縮長すると（内殻体２３が外殻体２２の内部側に退避するように推進機構２４を駆動すると）、外殻体２２が推進機構２４の縮長及び自重によって内殻体２３を内部に納めるように降下する。これにより、外殻体２２に対し、推進機構２４で内殻体２３及びカッターヘッド２５を順次相対的に進退させながら地盤Ｇ内を推進させることができ、カッターヘッド２５によって地盤Ｇ及びメタンハイドレート１０を掘削することが可能になる。また、メタンハイドレート１０の表層に硬い地盤Ｇが存在する場合に限らず、同様にして、賦存深度が深いメタンハイドレート１０の掘削も可能になる。

そして、カッターヘッド２５で掘削した地盤Ｇやメタンハイドレート１０は、掘削とともに順次内殻体２３の仕切り板２３ｄとカッターヘッド２５の間の導入室２７に導入される。このため、メタン濃度が低い水Ｗを送水管３を通じて導入室２７に供給して混合撹拌するとともに、揚水管４で導入室２７内の水（泥水、海水、湖水）Ｗ’を地上に汲み上げることによって、掘削した地盤Ｇやメタンハイドレート１０を順次回収することが可能になる。また、このとき、揚水管４によって、メタンＭが溶解した導入室２７内の水Ｗ’を揚水すると、ある深度までこのメタンＭが溶解した水Ｗ’が上昇するとともにメタンＭがガス化して水Ｗ’から自動的に自噴する。これにより、容易に水Ｗ’’とメタンガスＭを分離して、メタンガスＭを生産（回収）することが可能になる。

さらに、推進機構２４を伸縮させて、内殻体２３に対し順次外殻体２２を上方に移動させながら装置２０（外殻体２２、内殻体２３、カッターヘッド２５など）を引き上げて、回収することも可能になる。

よって、本発明のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置Ａ及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法によれば、硬い地盤Ｇが存在する場合であっても、確実に地盤Ｇ及びメタンハイドレート１０を掘削でき、従来と比較し、より効率的に、温度や圧力の条件を変化させることなくメタンハイドレート１０からメタンガスＭを生産することが可能になる。

以上、本発明に係るメタンハイドレートからのメタンガス生産装置及びこれを用いたメタンハイドレートからのメタンガス生産方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、略円筒状の外殻体２２と内殻体２３とカッターヘッド２５をそれぞれ一つずつ備えてメタン解離回収装置２０が構成されているものとしたが、図３から図５に示すように、外殻体２２の内部に複数の内殻体２３、カッターヘッド２５を備えてメタン解離回収装置２０を構成してもよい。また、図３から図５に示すように、外殻体２２と内殻体２３は、円形に限定する必要はなく、四角形などの多角形、ハニカム構造で構成されていてもよい。すなわち、外殻体２２や内殻体２３の形状、数などは、全体の反力、バランスが取りやすいように設定されていればよく、本実施形態のように限定する必要はない。

そして、図３から図５に示すように、外殻体２２の内部に複数の内殻体２３、カッターヘッド２５を備えてメタン解離回収装置２０を構成した場合には、メタン解離回収装置２０全体の自重が増加するため、メタン解離回収装置２０の推進力を増加させることできる。すなわち、メタン解離回収装置２０の自重によって反力を確保することができ、より確実にカッターヘッド２５によって地盤Ｇを掘削し、メタン解離回収装置２０を推進させながら、効率的にメタンハイドレート１０からメタンガスＭを回収することが可能になる。また、複数の内殻体２３及び各内殻体２３に設けられたカッターヘッド２５を適宜選択しながら掘削、沈設することができるため、メタン解離回収装置２０全体の姿勢制御を行うことも可能になる。

また、本実施形態では、海底の表層型メタンハイドレート１０からメタンガスＭを生産するものとして説明を行ったが、湖底の表層型メタンハイドレート１０に対しても、本実施形態と同様にしてメタンガスＭを生産することが可能である。さらに、カッターヘッド２５によって地盤Ｇを順次掘削してメタン解離回収装置２０を地盤深くに推進させることも可能であるため、深層型メタンハイドレート１０からメタンガスＭを生産する場合に適用してもよい。

また、メタンハイドレート１０の賦存深度が深い場合には、例えば図６及び図７に示すように、隔壁２８によって内部が複数の室２９で区画された函体３０をメタン解離回収装置２０の外殻体２２の上に備えてメタンガス生産装置Ａを構成してもよい。この函体３０は、隔壁２８ごとに電磁開閉弁などが設けられ、隣り合う室２９同士が密閉、連通可能とされている。また、函体３０内に対し、水を注排水するための注水／排水ポンプ、注水／排水管などの注排水機構３１、函体３０内に対し、空気を送排気する送排気管などの送排気機構３２が設けられている。

そして、このように構成した函体３０を備えた場合には、函体３０の各室２９に水を注水すると、函体３０と注水した水による荷重をメタン解離回収装置２０に作用させることができ、函体３０内に空気を送気することにより、各室２９から水を排水させることができる。すなわち、函体３０内の注水量（貯水量）をコントロールして、メタン解離回収装置２０に作用する荷重を自在に調整することが可能になる。これにより、カッターヘッド２５による掘削時に函体３０の各室２９に水を注水し、函体３０と注水した水の荷重をメタン解離回収装置２０に作用させることで、確実に反力を得ることが可能になる。これにより、掘削効率ひいてはメタン回収効率を向上させることが可能になる。また、空気を送気して函体３０の各室２９から水を排水すると、各室２９内の空気によって浮力が得られるため、メタン解離回収装置２０を引き上げて回収する際に、この浮力を利用することができ、効率的にメタン解離回収装置２０の回収作業を行うことが可能になる。

また、このような函体３０は、図６に示すように、メタン解離回収装置２０に掘進に応じ、函体３０を沈設しながら、各室２９ごと個別に形成した函体（セル）２０を順次海上（あるいは湖上）で組み立てるようにしてもよい。さらに、図７に示すように、予め各室（セル）２９が一体で組み立てられた函体３０を用いてもよい。また、このような函体３０、特に、図７に示す一体で組み立てられた函体３０を用いる場合には、隔壁２８を補強部材として兼用するなどして、函体３０をメタン解離回収装置２０で掘進した地盤Ｇの土留めに利用することも可能になる。

さらに、メタン解離回収装置２０や函体３０の外周部にウォータージェット機構５（ウォータージェット配管６、７）を設けてメタンガス生産装置Ａを構成してもよい。このようにウォータージェット機構５を備えた場合には、ウォータージェット機構５から噴射したウォータージェット水流で周囲の地盤Ｇとの縁切り、周面摩擦抵抗の低減を図ることが可能になる。このため、掘進及びメタン解離回収装置２０の引き上げ、回収の補助として利用することが可能になる。

さらに、本実施形態では、メタン濃度が低い水Ｗとして浅水域の海水を用いるものとしたが、メタン濃度が低い水であれば、必ずしも浅水域の水を用いることに限定しなくてもよい。

１ 従来のメタンガス生産装置
２ 解離チャンバー
３ 送水管
４ 揚水管
５ ウォータージェット機構
１１ フロート
１２ メタンガス回収船
１５ ワイヤ
２０ メタン解離回収装置
２１ ガスセパレーター
２２ 外殻体
２２ａ 側壁部
２２ｂ 天板部
２２ｃ 開口部
２３ 内殻体
２３ａ 側壁部
２３ｂ 天板部
２３ｃ 開口部
２３ｄ 仕切り板
２４ 推進機構
２５ カッターヘッド
２５ａ 切刃
２５ｂ 軸部
２６ カッターヘッド回転支持機構
２７ 導入室
２８ 隔壁
２９ 室
３０ 函体
３１ 注排水機構
３２ 送排気機構
Ａ メタンガス生産装置
Ｍ メタン（メタンガス）
Ｏ１ 外殻体の軸線
Ｏ２ 内殻体の軸線
Ｏ３ カッターヘッドの軸線
Ｔ１ 上下方向
Ｗ 浅水域の海水（メタン濃度が低い水）
Ｗ’ 導入室内の海水（メタンが溶解した水）

Claims (4)

1. 海底あるいは湖底に存在するメタンハイドレートからメタンガスを生産するための装置であって、
   筒状の側壁部と側壁部の上端側の開口を閉塞する天板部とを備えて形成された外殻体と、
   筒状の側壁部と側壁部の上端側の開口を閉塞する天板部とを備えて形成されるとともに、底部の開口部側と天板部側を区画する仕切り板を内部に備えて形成され、前記外殻体の軸線と上下の同方向に軸線を配した状態で、前記外殻体の内部に配設された内殻体と、
   前記内殻体と前記外殻体を上下方向に相対的に進退させる推進機構と、
   切刃を下方に向け、且つ回転軸線を前記内殻体の軸線と同軸上に配し、前記内殻体の開口部を閉塞させるように配設されたカッターヘッドと、
   前記内殻体に支持され、前記カッターヘッドを支持しつつ回転軸線周りに回転させるカッターヘッド回転支持機構と、
   前記仕切り板と前記カッターヘッドの間に形成された導入室にメタン濃度が低い水を供給するための送水管と、
   前記導入室内の水を揚水するための揚水管とを備えて構成されていることを特徴とするメタンハイドレートからのメタンガス生産装置。
2. 請求項１記載のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置において、
   一つの前記外殻体に対し、前記内殻体と前記カッターヘッドと前記カッターヘッド回転支持機構が複数設けられていることを特徴とするメタンハイドレートからのメタンガス生産装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置において、
   前記外殻体の上に内部が隔壁によって複数の室で区画された函体を備えるとともに、
   該函体の各室内に対し、水を注排水するための注排水機構と、空気を送排気するための送排気機構を備えて構成されていることを特徴とするメタンハイドレートからのメタンガス生産装置。
4. 海底あるいは湖底に存在するメタンハイドレートからメタンガスを生産する方法であって、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のメタンハイドレートからのメタンガス生産装置を用いてメタンガスを生産することを特徴とするメタンハイドレートからのメタンガス生産方法。

Images