JP5468622B2 - 炭化水素ハイドレートから天然ガスを製造すると同時に、二酸化炭素を地層中に貯蔵する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスハイドレート形態で貯蔵されるメタンを製造すると同時に、二酸化炭素（ＣＯ_２）を地盤中に貯蔵する方法に関する。

膨大な量の天然ガスが海底に、固体の氷状メタンハイドレートとして貯蔵されている。これらの天然堆積物は大方、地球上のあらゆる従来の石炭堆積物、石油堆積物及びガス堆積物よりも多くのエネルギー及び炭素（約３０００Ｇｔ Ｃ）を含有する。したがって、ガスハイドレートは未来の天然ガス供給源としての重要な役割を担う。メタンハイドレートは、水深およそ４００ｍのほぼ全ての大陸棚上で確認されている。それらは高圧かつ低温でのみ安定である。それらは、十分な有機炭素が沈殿物中に埋没しており、かつ圧力条件及び温度条件によってメタンハイドレート中のメタンの固定が可能となる場所に生じる。多くの沿岸諸国が国有の大鉱床を有する（例えば、中国、インド、日本、韓国、ブラジル、チリ、アメリカ、カナダ、ノルウェー、ロシア）。これ以外にも、メタンハイドレートは厚い永久凍土堆積物の下の陸地部分で検出されている。これらのハイドレート鉱床はとりわけシベリア、カナダ及びアラスカにより知られている。

図１は、海水中におけるメタンの状態図を示す。メタンハイドレートは高圧かつ低温でのみ安定である。ハイドレートとガスとの相境界は、Ｉ型格子の純粋なメタンハイドレート及び３５重量％の塩分を有する海水に該当する。

相境界はＩ型格子を有する純粋なメタンハイドレートに該当する。メタンハイドレートは種々の格子型で存在する。Ｉ型は最も一般的で、最も広く存在する変種である。

図２は、Ｉ型格子のメタンハイドレートクラスターを示し、この型では、水分子５．７個につき平均１個のメタン分子が存在する。メタン分子を大きな球体で表す一方、黒線で結ばれる小さな球体は水分子で構成されるハイドレート格子を表す。

現在、天然ガスを製造するために、メタンハイドレート鉱床が全世界で開発されている。天然ガスを採取するためには、初めにハイドレートを地盤中で破壊しなければならない。該プロセスでは、ハイドレートの水のかご内に固定されるメタンを、１つ又は複数の坑井により従来技術を用いて採取し得るガスとして放出させる。目下、実質的には以下の種々のアプローチ：
堆積物中の圧力低下、
堆積物中の温度上昇、
化学物質の添加によるハイドレートの分解、
を探求する。

特許文献１は、ハイドレート構造を破壊することなくガスハイドレート由来のメタンを二酸化炭素（ＣＯ_２）で置換することを開示している。該プロセスでは、ハイドレートを液体ＣＯ_２と接触させる。形成されるＣＯ_２ハイドレートは天然メタンハイドレートよりも安定であるため、エネルギーを外部から供給することなく反応が起こる。天然ガスを採取するこの形式は、同時に、気候変動因子である温室効果ガスとして地球を昇温させる原因でもあるＣＯ_２を地下に安全に貯蔵するため、大気から取り除くことができるという付加的な利点を有する。この方法の欠点は、ハイドレート構造を維持するものの、置換反応の速度が遅いことであり、これにより、結局のところ生産速度が極めて遅くなる。

特許文献２は、ガス状ＣＯ_２をメタンハイドレート帯域に導入することによってＣＯ_２を海底下に貯蔵する方法を記載している。ＣＯ_２ハイドレートが形成され、放出される熱によってメタンハイドレートの解離及びメタンの放出がもたらされる。放出されたメタンガスの回収及び使用が計画されている。高含有量のガス状ＣＯ_２は、燃焼によりエネルギーを発生させるのに、放出されたメタンガスを用いる場合に不都合である。メタンハイドレートからのメタンの放出は、ＣＯ_２ハイドレートの形成により放出される熱の助けを受けて起こり得るに過ぎないため、見込まれる生産速度も同様に遅い。

米国特許第７，２２２，６７３号 国際公開第２００５／０７６９０４号

したがって、本発明の目的は、これまでに実行可能なものよりも速い生産速度でハイドレートから炭化水素、とりわけメタンを採取すると同時に、ＣＯ_２を地層中に貯蔵する方法をもたらすことである。

本目的は請求項１の特徴を有する方法によって達成される。下位クレームは本発明の有益な設計を規定するものである。

天然ガスを採取しかつＣＯ_２を下層土中に貯蔵するために、超臨界ＣＯ_２をハイドレート堆積物中に注入することを提案する。該プロセスでは、天然ガスの高生産速度が実現され得るように、メタンハイドレートを、熱的及び化学的に注入孔周辺の広い範囲において高速で破壊する。

図３は、圧力及び温度の関数として海水中のＣＯ_２の状態図を示す。ハイドレートと液体ＣＯ_２との相境界は、Ｉ型格子を有する純粋なＣＯ_２ハイドレート及び３５重量％の塩分を有する海水に該当する。ＣＯ_２臨界点は７．４ＭＰａ及び３１．４８℃である。温度及び圧力がさらに高くなると、ＣＯ_２はいわゆる超臨界相に移行する。この相の特異な点は、気体状態と液体状態との間の急激な転移及びエネルギー障壁がないことであり、そのため、気相と液相との区別をつけることがもはやできない。超臨界ＣＯ_２は液体又はガス状のＣＯ_２と異なる。それは、ゆるくしか相互に結合しないＣＯ_２クラスターからなる。それは、ハイドレートから天然ガスを製造するのに特に好ましい極めて特異な特質を示す。

メタンハイドレートが熱的かつ化学的に破壊されるため、超臨界ＣＯ_２はメタンハイドレートと極めて自発的かつ迅速に反応する。３１．４８℃を上回る温度で、メタンハイドレートは不安定であるため、超臨界ＣＯ_２によって融解する。メタンハイドレートの熱による破壊は、気体分子の遅い交換よりもはるかに速い速度で起こるものの、ハイドレート構造は維持される。同時に、ＣＯ_２クラスターとの化学反応によって水のかごが攻撃され、破壊される。同時に作用する熱的及び化学的なエネルギーのために、超臨界ＣＯ_２によるメタンハイドレートからの天然ガスの放出は、液体若しくはガス状のＣＯ_２によるもの又は同じ温度の温水によるものよりも迅速に起こる。

注入された超臨界ＣＯ_２流体は低粘度及び高移動度を示す。したがって、孔空間内における低粘性超臨界ＣＯ_２の高速対流によって熱が下層土中に迅速に伝播し得るため、メタンハイドレートが注入用坑井周辺の広い領域で融解する。同じ温度で、超臨界ＣＯ_２が温水よりも顕著に低い粘度及び高い伝播速度を有するため、超臨界ＣＯ_２の流動特性に起因して、メタンハイドレートからの天然ガスの本発明の放出は、同じ温度の温水を使用した場合よりも著しく効果的に進行する。

提案した方法のさらなる利点は、局所的な温度上昇のために注入用坑井の近傍ではＣＯ_２ハイドレートが全く又はほとんど生産されないため、給気管及び孔空間の閉塞が回避されることにある。

提案した方法では、さらに、可逆反応、即ち、放出された天然ガスからのメタンハイドレートの形成を回避するように、孔空間及び残る地層水をＣＯ_２で飽和させる。

提案した方法を用いて、経済的に魅力のある天然ガスの生産速度を実現することができる。こうして、メタンハイドレートを破壊するさらなる方法、例えば、温水の注入、圧力低下又は化学物質の添加を省くことができる。

超臨界ＣＯ_２は下層土中に残り、時間の経過と共にゆっくりと冷え、最終的にＣＯ_２ハイドレートへと変換する。

本発明によれば、メタンハイドレートは初期に融解して分解され、天然ガスの生産が一部又は完全に停止しかつ熱が熱伝導により貯留層から逃げた後のもっと遅い時点で、ＣＯ_２ハイドレートが形成される。

本方法は、種々の変形形態で実現され得る。例えば、超臨界ＣＯ_２を別個の注入用坑井を用いて堆積物に導入することが可能である。この目的のために、掘削プラットフォームと堆積物との間の熱損失を最小限に抑えるために、この坑井は断熱されている必要がある。放出されたメタンガスは、別個の坑井を介して採取することができる。ＣＯ_２の注入及び天然ガスの採取を１つの同じ坑井によって行うことも可能である。さらにまた、水平掘削を行ってもよく、又は水圧破砕法を用いてハイドレートを含有する沈殿層の浸透率を増大させてもよい。

海水中におけるメタンの状態図を示す。図中英語は、縦軸は圧力、横軸は温度、Hydrate:ハイドレート、Gas:気体を意味する。 Ｉ型格子のメタンハイドレートクラスターを示す。 圧力及び温度の関数として海水中のＣＯ_２の状態図を示す。図中英語は、縦軸は圧力、横軸は温度、Hydrate:ハイドレート、Gas:気体、Liquid:液体、Criticla Point:臨界点を意味する。

Claims (6)

1. メタンハイドレート堆積物からメタンを採取する方法であって、
   二酸化炭素をメタンハイドレート堆積物に送る工程と、
   該二酸化炭素を該メタンハイドレートに作用させると共に、メタンを放出しかつ該二酸化炭素を二酸化炭素ハイドレートとして貯蔵する工程と、
   該放出されたメタンを取り出す工程と、
   を含み、
   該送られた二酸化炭素が超臨界二酸化炭素であることを特徴とする、メタンハイドレート堆積物からメタンを採取する方法。
2. 送られた超臨界二酸化炭素が７．４ＭＰａより大きい圧力下にあり、これを３１．４８℃より高い温度で維持することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 超臨界二酸化炭素を天然メタンハイドレート堆積物に送ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 天然メタンハイドレート堆積物を浸漬させることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 超臨界二酸化炭素を断熱管により該メタンハイドレート堆積物に送ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 超臨界二酸化炭素を該メタンハイドレート堆積物に注入することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。