JP5575813B2 - 海底に埋まっているハイドレートを市場価値のある炭化水素組成物に変換する方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底に埋まっているハイドレートを市場価値のある炭化水素組成物に変換する方法に関する。

このような方法は、ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＵＳ ２００８／００８８１７１から公知である。この公知の方法では、水中採掘アセンブリでメタンハイドレートと泥の混合物を調製し、次いで一対の回転鎖に取付けられた一連のバケツによりこの混合物を海面近くのメタンドームに運ぶ。集められたメタンハイドレートは、メタンドームでメタンと水に分解され、メタンドームからメタンが取り出されて液化天然ガスまたは合成液体燃料となる。

この公知の方法の短所は、メタンハイドレートが一般に、メタンハイドレートと泥の混合物を海面に持ち上げるために非常に長い鎖と大量のバケツを必要とするような、水深１キロメートルより深いところに存在することである。そのため、この公知の方法は、コストがかかる大掛かりな装置を必要とし、このことが公知のバケツ浚渫法を水深の深いところで用いるには不適切で不経済なものにしている。

他の水中ハイドレート掘削法が、ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ６，２０９，９６５、ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＵＳ ２００３／０１３６５８５、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＷＯ ９８／４４０７８、およびＣｈｉｎｅｓｅ ｐａｔｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＣＮ１０１１８２７７１から公知である。

米国特許出願公開第２００８／００８８１７１号明細書 米国特許第６，２０９，９６５号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１３６５８５号明細書 国際公開第９８／４４０７８号 中国特許出願第１０１１８２７７１号明細書

経済的であり水深の深いところで用いるのに適した、海底に埋まっているハイドレート埋蔵物から市場価値のある炭化水素組成物を製造する改善された方法を提供することが本発明の目的である。

本発明に従って、海底に埋まっているハイドレートを市場価値のある炭化水素組成物に変換する方法が提供され、この方法は以下を含む：
−水中掘削機を導入してハイドレート埋蔵物からハイドレート切削物を掘削し、掘削したハイドレート切削物を水および／または海底粒子と混合して、パイプラインで輸送可能なハイドレート含有スラリーを形成する工程と、
−スラリー持ち上げアセンブリを導入する工程であって、このアセンブリは掘削機に接続されて、スラリーをライザー導管を通して水面に浮かぶトップサイド容器に持ち上げる工程と、
−トップサイド容器またはこの近くにあるスラリー分離アセンブリで、スラリーを、輸送可能なメタン含有中間生成物とテーリング流に分離する工程と、
−輸送可能なメタン含有中間生成物を設備に輸送し、この設備で中間生成物を市場価値のある炭化水素組成物に変換する工程とを含み、
−スラリー持ち上げアセンブリは、テーリング流により作動するスラリーポンプを含む。

テーリング流によりスラリーポンプを作動させることの利点は、スラリーポンプを作動させるのに相対的に密度の高いテーリング流を用いることで、特にスラリー持ち上げアセンブリが海面から水深数百メートルまたは数キロメートルの深さにある場合に、スラリーをトップサイド容器に持ち上げるのに必要な電力量および／またはテーリング流をスラリー分離アセンブリからスラリー持ち上げアセンブリに戻すポンプ作用に必要な電力量を減少させることである。

好ましくは以下のとおりである：
−テーリング流は、トップサイド設備にあるテーリング注入ポンプにより、テーリング戻し導管を通じてスラリー持ち上げアセンブリに送られ、
−スラリーポンプは、テーリング流で作動する油圧モーターにより作動し、および
−テーリング流は、油圧モーターの出口に接続されたフレキシブルテーリング廃棄パイプを介して、海底のテーリング廃棄場所に排出される。

油圧モーターは、容積型移送式モーターであってもよく、スラリーポンプは容積型移送式ポンプであってもよい。このポンプはスラリーをライザー導管を通じて実質的に乱流型で送る。

容積型移送式ポンプおよびモーターは、ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリを含むことができ、このアセンブリは、筐体をハイドレートスラリー含有室とテーリング流含有室に分割するように筐体に実質的に垂直な方向で配置されたフレキシブルダイヤフラムを含む。

ハイドレートスラリー含有室および／またはテーリング流含有室は、ハイドレートスラリーおよび／またはテーリング流中の固体粒子による含有室閉塞を防ぐ目的で、含有室の下部末端近くに配置された少なくとも１つの流体入口および／または出口を有することが好ましい。

本発明による方法の、これらおよびその他の特徴、実施形態、ならびに利点は、付随する特許請求の範囲、要約、および添付の図面に示される非制限的な実施形態の以下の詳細な説明により記載され、説明に用いられる参照番号は、図面に示される参照番号に対応している。

本発明による方法を適用したハイドレートスラリー持ち上げおよび処理アセンブリの第一の好適な実施形態の模式的垂直断面図である。 本発明による方法を適用したハイドレート切削物持ち上げおよび処理アセンブリの第二の好適な実施形態の模式的垂直断面図である。 本発明による方法を適用したハイドレートスラリー持ち上げおよび処理アセンブリの別の好適な実施形態の模式的三次元図である。 本発明によるスラリー掘削、持ち上げ、および分離スキームの流れ図である。 本発明によるスラリー掘削、持ち上げ、および分離スキームの模式図であり、図中、油圧ポンプおよびモーターアセンブリは、ダイヤフラムポンプおよびモーターを含む。

図１から図５に示すアセンブリは、沖合深海領域の浅部堆積物に埋まったハイドレート埋蔵物の持ち上げおよび輸送可能な中間生成物への変換を可能にし、次いで輸送可能な中間生成物は、シャトルタンカーまたはパイプラインで陸上または海上設備に輸送される。この設備は、中間生成物を市場価値のある燃料および／またはその他の炭化水素組成物に変換するためのものである。

本発明に従って、ハイドレートは、その他の商品の深海採掘用に開発された型の海底掘削機を用いて、海底の水中ハイドレート埋蔵物から浚渫される。これにより、ハイドレート、水、および堆積物のスラリーが得られ、スラリーは中間体製造設備に入り、ここで中間生成物が、以下に記載されるとおり、分離されて海面に輸送される。

図１に示す実施形態において、海底掘削機１は、ハイドレート埋蔵物１０からハイドレートを掘削して、メタンハイドレート、粒子状堆積物、および海水のスラリー１７を、フレキシブルホース１１を通じてスラリーライザー導管３に通す。ある特定の深さで、スラリーはポンピングステーション２を通過するが、このステーションはライザー内のスラリー１７の圧を上げ、スラリー１７が固体の沈降が最小になるような速度でスラリーライザー導管３を通じて実質的に乱流型で上向きに動くようにする。スラリーライザー導管３の頂部で、即ち海面で、スラリーはポンピングステーション２によりかけられた高圧で、スラリー分離アセンブリ４に入る。高圧でメタンハイドレートが加熱されて水とメタンガス（ＣＨ_４）への分離を引き起こすように、温かい表面海水も、海水入口５を通じて継続的に分離アセンブリ４内の熱交換管に導入される。メタンガス（ＣＨ_４）は、分離アセンブリ４の頂部６から引き出され、乾燥およびさらなる加圧段階を通過することで、スパー型中間製造容器１２から送り出せる状態になる。スパー型中間生成物容器１２は、海面１３に浮かんでおり、係留索１５により海底１４に係留されている。係留索１５は、海底１４に突き刺さった吸引いかり１６に接続している。残留水および体積物を含むテーリング流は、スラリー分離アセンブリ４の底部７から引き出され、テーリング戻し導管８に入る。テーリング戻し導管８は、テーリング流をテーリング廃棄物９に適した海底１４の領域に輸送して戻す。

図２は、本発明による方法を適用したハイドレート切削物持ち上げおよび処理アセンブリの代替実施形態を示す。

この実施形態では、メタンハイドレートは、トップサイドにおいて、油系スラリー中に低温でこの固体状態で生成される。この中間生成物の主な利点は、ハイドレートが低温で自己保存効果を示し、従って運搬に便利な相である固体物質として準安定なままであるということ、および複雑な固体取り扱い装置を必要とせずにスラリーをポンプにより直接船に持ち上げることができるということである。

この実施形態では、海底掘削機２１は、海底３１のハイドレート埋蔵物３０からハイドレートを掘削して、メタンハイドレート、粒子状堆積物、および海水のスラリーを、フレキシブルホース３２を介してハイドレートスラリー分離アセンブリ２２に送る。分離アセンブリ２２内で、堆積物は、浮遊しながら沈み、アセンブリ２２の底部２３から引き出されて、テーリング３３として適した場所で廃棄される。

分離アセンブリ２２内で、ハイドレート片は、上方に浮かんでいき、水／ハイドレートスラリーとしてアセンブリ２２の頂部から引き出されてライザー２４に入り、次いで水油変換（ｗａｔｅｒ ｔｏ ｏｉｌ）スラリーユニット２５に入る。このユニット２５は、コンベアベルト３５および冷油注入導管３６を含み、海面３４からガスハイドレート安定帯（ＧＳＨＺ）内であるのに十分な深さで位置し、可能なら海底３１上で分離アセンブリ２２に結合している。ハイドレートは、適した炭化水素（例えばガス油（ｇａｓｏｉｌ））であるキャリアとともに約−２０℃で冷硬されたスラリーにされて、次いでライザー２６を通って上がり浮遊トップサイド設備２７に送られる。トップサイド設備２７で、スラリーはホース２８を通じてシャトルタンカー２９にポンプで送ることができ、シャトルタンカー２９で油は再利用のためスラリーから分離される。次いでシャトルタンカー２９は、市場に出すため、冷固形ハイドレートを海岸へ輸送する。

図３は、本発明による方法の別の実施形態を示し、この方法では、掘削機４０は海底４２に埋まったハイドレート埋蔵物４１からハイドレートスラリーを掘削し、掘削したハイドレート、泥、および水を含有するスラリー４３を、フレキシブルライザー４４を通じて海中スラリーポンプ４５に注入する。海中スラリーポンプ４５は、スラリーを、スラリーライザー導管５６を介して海面４７に浮かぶ海面製造プラットフォーム４６に送る。プラットフォーム４６に搭載されたメタンとテーリングの分離アセンブリ４８は、スラリーをテーリング流４９とメタン含有ポンプ輸送可能生成物（天然ガス組成物または液化天然ガス（ＬＮＧ）など）に分離する。テーリング流は、油圧モーター５２に接続された高圧ポンプ５０でテーリング戻し導管５１に送られる。例えば、海中ポンプ４５および油圧モーター５２を共通シャフト５３に取付けることにより、油圧モーター５２は、海中ポンプ４５を作動させる。ポンプ４５およびモーター５２は、タービンまたは遠心デバイスなどのターボ式（ｒｏｔｏｄｙｎａｍｉｃ）アセンブリを含んでもよいし、ピストンポンプおよびモーター、二軸ポンプおよびモーター、モーノポンプおよびモーターなどの容積型移送式デバイスであってもよい。

油圧モーター５２により排出されるテーリング流４９は、フレキシブルテーリング廃棄パイプ５４を通じて海底４２のテーリング廃棄場所５５に流れる。

図４は、図３に示すアセンブリの流れ図である。図中、同じ構成要素は、図３と同じ参照番号で示される。図４は、矢印５７で示されるとおり、海面４７からの相対的に温かい海水を用いて、メタン／テーリング分離アセンブリ４８中の掘削されたハイドレートスラリー４３を加熱することができることも示す。

図５は、本発明による方法で用いるための海中ポンプステーション６０の別の好適な実施形態を示し、ポンプステーションは、３組のダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣを含む。

各アセンブリ６１ＡからＣは、実質的に垂直なフレキシブル膜６２ＡからＣが配置された球状筐体を含み、フレキシブル膜は筐体内部をハイドレートスラリー含有室６３ＡからＣとテーリング流含有室６４ＡからＣに分割する。

各ハイドレートスラリー含有室６３ＡからＣは、掘削機６８に搭載されたポンプ６７に接続したフレキシブルライザー６６と第一弁６５ＡからＣを介して接続可能であり、スラリーライザー導管６９と第二弁６８ＡからＣを介して接続可能である。

スラリーライザー導管６９は、製造容器７０から垂れ下がっており、製造容器７０は、海面７１に浮かんでスラリー分離アセンブリ７２を有している。スラリーライザー導管６９はスラリー分離アセンブリ７２にハイドレートスラリー７３を排出し、スラリー分離アセンブリ７２中、スラリー７３はメタン（ＣＨ_４）流７４とテーリング流７５に分離される。

テーリング流７５は、高圧多相流ポンプ７６でテーリング戻し導管７７に送られ、テーリング戻し導管７７は、各テーリング流含有室６４ＡからＣと第三弁７８ＡからＣを介して接続可能である。

各テーリング流含有室６４ＡからＣはさらに、フレキシブルテーリング廃棄パイプ７９と第四弁８０ＡからＣを介して接続可能である。

第一から第四弁は、流体入口８１ＡからＣおよび出口８２ＡからＣに接続していて、入口および出口は、筐体中に固体デブリが蓄積するのを防ぐために、ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣの球状筐体の下部末端付近に配置されている。

図示するとおりに最上部のダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１Ａの第二弁６８Ａおよび第三弁７８Ａのみが開いていると、矢印８５で示されるとおり、高圧ポンプ７６により送られたテーリング流が膜６２Ａを右に押すことができるようになり、これによりハイドレートスラリーをハイドレートスラリー含有室６３Ａからスラリーライザー導管６９にポンプ作用で送る。

下側２つのダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＢからＣの、第一弁５６ＢからＣおよび第四弁８０ＢからＣのみが開いていると、矢印８７ＢからＣで示されるとおり、掘削機のポンプ６７により送られたハイドレートスラリー７５が膜６３ＢからＣを左に押すことができるようになり、これによりテーリング流７５をテーリング流含有室６４ＢからＣからテーリング廃棄パイプ７９を介して海底８９のテーリング廃棄場所８８にポンプ作用で送る。

特に海中ポンピングステーション６０が数百メートルから上限数キロメートルのかなり水深の深いところにある場合は、テーリング流を使ってダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣに動力を加えることが有益である。なぜなら、テーリング流は周囲の海水よりも密度が高いため、相対的に低出力の高圧ポンプ７６を用いてテーリング流をテーリング戻し導管７７に送り、その結果テーリング戻し導管７７のテーリング流の水圧ヘッドによりダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣにより高い圧を生じさせることができるからである。

ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣは、小型で頑丈であり、ハイドレートスラリー７５の圧を、ハイドレートスラリー７５がスラリーライザー導管６９を通って海面７１の製造容器７０まで乱流型で持ち上げられるような高圧に顕著に増加させることができ、これによりハイドレートおよび／または固体堆積物による導管６９の閉塞を阻害する。ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣは、鉱業で使用されているものであり、固体含量が多い土スラリーを長期間にわたってポンプで送ることができる。

海底８９に戻るテーリング流７５により作動するダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣおよび／または他のスラリーポンプの使用は、経済性および信頼性の面で、ハイドレートスラリー７３をトップサイド容器７０に持ち上げることを可能にする。なぜなら、特にポンプおよびモーターアセンブリ６１ＡからＣがかなり水深の深いところ（水面７１下数百メートルから数キロメートルの範囲があり得る。）に配置されている場合に、ハイドレートスラリーを持ち上げるのに必要なエネルギーおよび圧の少なくとも一部が、戻りテーリング流７５に再利用され、それによりテーリング戻し導管７７中のテーリング流７５の水圧ヘッドは、電力および浮かんだ容器７０で高圧ポンプ７６により生成されるべき水圧ヘッドを、顕著に減少させるからである。

Claims (17)

1. −水中掘削機を導入して海底からハイドレート切削物を掘削し、掘削したハイドレート切削物を水および／または海底粒子と混合して、パイプラインで輸送可能なハイドレート含有スラリーを形成する工程と、
   −スラリー持ち上げアセンブリを導入する工程であって、このアセンブリは掘削機に接続されて、スラリーをライザー導管を通して海面に浮かぶトップサイド容器に持ち上げる工程と、
   −トップサイド容器またはこの近くにあるスラリー分離アセンブリで、スラリーを、輸送可能なメタン含有中間生成物とテーリング流に分離する工程と、
   −輸送可能なメタン含有中間生成物を設備に輸送する工程であって、この設備で中間生成物を市場価値のある炭化水素組成物に変換する工程とを含み、
   −スラリー持ち上げアセンブリは、テーリング流により作動するスラリーポンプを含む、海底に埋まっているハイドレートを市場価値のある炭化水素組成物に変換する方法。
2. −テーリング流は、トップサイド設備にあるテーリング注入ポンプにより、テーリング戻し導管を通じて下りスラリー持ち上げアセンブリに送られ、
   −スラリーポンプは、テーリング流で作動する油圧モーターにより作動し、および
   −テーリング流は、油圧モーターの出口に接続されたフレキシブルテーリング廃棄パイプを介して、海底のテーリング廃棄場所に排出される、
   請求項１に記載の方法。
3. 油圧モーターは容積型移送式モーターであり、およびスラリーポンプはスラリーをライザー導管を通じて実質的に乱流型で送る容積型移送式ポンプである、請求項２に記載の方法。
4. 容積型移送式ポンプおよびモーターは、ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリを含む、請求項３に記載の方法。
5. ダイヤフラムポンプおよびモーターアセンブリは、筐体をハイドレートスラリー含有室とテーリング流含有室に分割するように筐体に実質的に垂直な方向で配置されたフレキシブルダイヤフラムを含む、請求項４に記載の方法。
6. ハイドレートスラリー含有室および／またはテーリング流含有室は、含有室の下部末端近くに配置された少なくとも１つの流体入口および／または出口を含む、請求項５に記載の方法。
7. テーリング戻し導管とライザー導管は：
   −互いに対して同軸に配置され、
   −浮遊容器から垂れ下がり、および
   −スラリー持ち上げアセンブリを支持する、
   請求項１に記載の方法。
8. スラリー分離アセンブリは、ハイドレート切削物を加熱してメタンとテーリング濃縮流体画分とに変換するヒーターを備えている、請求項１に記載の方法。
9. ヒーターは熱交換器を含み、熱交換器を通して海面水がポンプで送られ、海面水は、海底近くの水中掘削機中の、掘削されたハイドレート切削物と混合された水より温度が高い、請求項８に記載の方法。
10. スラリー分離アセンブリにおける圧は、大気圧より高く維持されており、および含有室は水分離手段を備えていて、メタン濃縮流体画分を輸送可能なメタン含有中間生成物として陸上設備に輸送するための輸出導管に接続されており、陸上設備は輸送可能なメタン含有中間生成物をメタン含有燃料および／またはその他の市場価値のある炭化水素組成物に変換するためのものである、請求項８から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 輸出導管は、輸送可能なメタン含有中間生成物を陸上設備に輸送するための液化天然ガス（ＬＮＧ）タンカーに接続するように構成されており、陸上設備は輸送可能なメタン含有中間生成物をメタン含有燃料および／またはその他の市場価値のある炭化水素組成物に変換するためのものである、請求項１０に記載の方法。
12. −水中掘削機を導入して海底からハイドレート切削物を掘削し、掘削したハイドレート切削物を水および／または海底粒子と混合して、パイプラインで輸送可能なハイドレート含有スラリーを形成する工程と、
    −スラリー分離アセンブリを導入する工程であって、スラリー分離アセンブリは掘削機に接続されて、スラリー分離アセンブリは水中混合室を含み、前記水中混合室中で冷硬された炭化水素キャリア流体がスラリーに加えられて、ハイドレート含有スラリーを０℃未満に冷硬する工程と、
    −スラリー分離アセンブリで、テーリング流から、冷硬されたスラリーを分離する工程と、
    −冷硬されたスラリーを、ライザー導管を通して海面に浮かぶトップサイド容器に持ち上げる工程と
    を含み、
    −スラリー分離アセンブリは、テーリング流により作動するスラリーポンプを含む、海底に埋まっているハイドレートを市場価値のある炭化水素組成物に変換する方法。
13. 冷硬された炭化水素キャリア流体が、ガス油またはディーゼル燃料を含む、請求項１２に記載の方法。
14. −ライザー導管は、下部、中間部、および上部を含み、
    −分離室は、ライザー導管の下部と中間部の間に配置され、
    −混合室は、ライザー導管の中間部と上部の間に接続され、
    −ライザー導管の上部には、断熱層が備わっており、および
    −冷硬されたスラリーは、ライザー導管の断熱された上部を通じてトップサイド容器に輸送され、それにより冷硬されたスラリーの温度はトップサイド容器周囲の海面水の周辺温度より低く維持される、
    請求項１２または１３に記載の方法。
15. トップサイド容器には、
    −冷硬されたスラリーを貯蔵するための断熱貯蔵タンクと、
    −冷硬されたスラリーをシャトルタンカーの断熱タンクに輸送するためのスラリー輸出断熱導管であって、シャトルタンカーは冷硬されたスラリーを陸上設備に運搬するように構成されており、陸上設備はスラリーをメタン含有燃料および／またはその他の市場価値のある炭化水素組成物に変換するためのものであるスラリー輸出断熱導管、
    が備わっている、請求項１４に記載の方法。
16. −掘削機は、無限軌道を備えた遠隔操作型無限軌道車であり、および／または
    −輸送可能なメタン含有中間生成物またはスラリーをメタン含有燃料および／またはその他の市場価値のある炭化水素組成物に変換するための設備は、家庭用、輸送用、および／または産業用燃料としての使用に適した、ならびに／または液化天然ガス（ＬＮＧ）の製造および／またはガス液化（ＧＴＬ）組成物の製造に適した、精製天然ガスを製造するための海上または陸上設備である、
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. ガス液化（ＧＴＬ）組成物が、合成潤滑剤、ＧＴＬ燃料、および／またはＧＴＬパラフィンを含む、請求項１６に記載の方法。

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