JP5923330B2 - メタンハイドレート分解によるメタンの採取方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底下、湖底下等に蓄積されているメタンハイドレートを分解してメタンガスを採取するためのメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法に関するものである。

温暖な地域の海底或いは湖底下では、メタンハイドレートは高圧条件下で平衡温度以下の条件で生成保存されている。

海底下のメタンハイドレートの蓄積条件について説明すると、図５は、海中と海底の温度と深度の相関曲線とメタンハイドレート平衡曲線を示したものである。

海中の温度は、海面から海底にかけて徐々に低下するが、水の比重が最大となる４℃まで低下すると、それ以上に温度が低下することはなく、海底まで４℃の状態が維持された状態となる。安定した温度環境に生成されたメタンハイドレートは海水が移動しなければ一定の位置に蓄積される。メタンハイドレートが蓄積されている海底の深さは、通常５００〜１２００ｍである。一般的には、１０００ｍ前後の深さの海底の地下に蓄積されており、深度１０００ｍの海底下に蓄積されているとすると、この深度では、ハイドレートは、温度４℃、圧力９．８ＭＰａで蓄積されている。蓄積されている深さが増加すると、地熱のためにメタンハイドレートの蓄積温度も徐々に上昇し、１４℃以上となるとメタンハイドレートは存在しない。

従来、海底からのメタンハイドレートの採掘方法としては、加熱法、減圧法など種々の分解法を用いた採掘方法が提案されている（特許文献１〜５）。

メタンハイドレートの分解は、吸熱反応であるから、加圧条件下では、生成温度以上に加熱すると、包接化合状態が崩壊してメタンガスと水或いは氷に分解する。

加熱法としては、海上に設置した加熱源からスチームや温水などを温水管等を通してハイドレート層に噴射し、加熱分解したメタンガスを採取管を通して採取する方法が提案されており、減圧法としては、メタンハイドレート層の直上を逆ロート状の採取コレクタで覆い、採取コレクタ内を減圧することでメタンハイドレートを分解して採取する方法などが提案されている。

特公平０１−０４４８７８号公報 特許第３３９５００８号公報 特許第３４７９６９９号公報 特許第３９１４９９４号公報 特開２０１０−２６１２５２号公報

しかしながら、メタンハイドレートの分解熱は４３８±１４Ｊ／ｋｇと大きく、分解のためには大量の熱源を必要とする。また、メタンハイドレート中に含まれるメタンは、体積中の２０％に過ぎず、他の８０％は水であり、１ｍ³のメタンハイドレートを分解しても、得られるメタンガスは、大気圧下で１６４ｍ³に過ぎない。

加熱法や減圧法でメタンハイドレートを採掘するにしても、採掘管廻りの加熱領域や減圧領域はごく限られた範囲であり、またメタンハイドレートを分解してもメタンガスが自噴する訳ではなく、分解生成したメタンガスを継続的に分解して海上まで移動させることは不可能である。またメタンガスをある程度は採掘できたにしても、採掘管の位置を絶えず変えなければならない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ハイドレート層からメタンハイドレートを分解し、継続的にメタンを採取できるメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、メタンガス採取管の下端に同心円状にガス導入筒と温水供給筒を設け、その温水供給筒に水平にかつ屈曲自在に温水管を設けてメタンガス採掘装置を構成する工程と、ハイドレートが貯蔵されている海底の海上にプラットフォームを位置させ、掘削装置にて、海底に垂直孔を掘削し、その垂直孔から海底のメタンハイドレート層内に、水平な掘削孔を形成する掘削工程と、前記プラットフォームから前記メタンガス採掘装置を降下させ、前記垂直孔内にメタンガス採取管が達したなら、前記掘削孔内に前記温水管を水平に挿入しながら、メタンガス採取管のガス導入筒及び温水供給筒を前記垂直孔に挿入して前記掘削孔に温水管を水平に挿入する挿入工程と、前記温水管に温水を供給して掘削孔廻りのメタンハイドレートを加熱分解して前記掘削孔内にガス相と水相を形成する分解工程と、水相内の水を前記メタンガス採取管に導入し、ガス相のメタンガスをガス導入筒に導入し、ガス導入筒内のメタンガスを前記メタンガス採取管に導入してメタンガスと水とを海上にガスリフトするガス採取工程とを備えたこと特徴とするメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項２の発明は、分解工程は、前記温水管から前記掘削孔内に直接温水を噴射して掘削孔廻りのメタンハイドレートを分解する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項３の発明は、前記温水供給筒は、内筒と外筒の二重筒で形成され、温水管は、内管と外管の二重管で構成され、前記内筒から前記内管を通して前記外管に温水を供給し、その外管で掘削孔廻りのメタンハイドレートを間接加熱分解し、前記外管からの加熱後の温水を外筒を通して海底上の海中に排水する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項４の発明は、前記メタンガス採掘装置の前記メタンガス採取管は、海上のプラットフォームから海底に降下され、海上のプラットフォーム上に、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器が順次接続された温水製造用ヒートポンプが設けられ、前記蒸発器で海水の熱を吸収し、前記凝縮器で海水を加熱して温水を製造し、その温水を前記温水供給筒に供給する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項５の発明は、前記温水製造用ヒートポンプから前記温水供給筒に温水を供給する温水供給管は、断熱材で被覆される請求項４記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項６の発明は、前記掘削孔廻りのハイドレート層を加熱分解しつつ前記温水管を前記メタンガス採取管を中心に水平に旋回させて前記掘削孔から扇状にハイドレート層を加熱分解してメタンガスと水を採取する請求項１〜５いずれかに記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

請求項７の発明は、前記温水管を伸縮自在なテレスコピック管で形成した請求項１〜６いずれかに記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法である。

本発明は、ハイドレート層内に掘削孔を形成し、その掘削孔廻りのハイドレート層を加熱分解させて掘削孔内でガス相と水相に分離し、水相内の水をガス採取管に導入し、メタンガスをガス導入筒に導入し、ガス導入筒に導入したメタンガスをガス採取管に導入してガスリフトさせることで、大量のメタンガスを連続的に採取できるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態を示す図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の他の実施の形態を示す要部断面図である。 図１、図２に示した温水管の変形例を示す平断面図である。 海中と海底の温度と深度の相関曲線とメタンハイドレート平衡曲線を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１において、１０は、深度が約５００〜１２００ｍの海底で、その海底１０の下にメタンハイドレート層１１が貯蔵されているとする。

このハイドレート層１１が貯蔵されている海上にプラットフォーム１２を位置させ、図には示していないが、掘削装置にて、海底１０に垂直孔１３を掘削し、その垂直孔１３からメタンハイドレート層１１に水平に５０〜１００ｍの長さの掘削孔１４を掘削する。この掘削は、垂直孔１３と水平な掘削孔１４を連続的に掘削するようにしても、或いは通常のボーリングと同様に垂直孔１３をハイドレート層１１の存在している深さまで掘削した後、プラットフォーム１２からその垂直孔１３にドリルストリングスを挿通し、ドリルストリングスにて垂直孔１３から水平に掘削孔１４を掘削する。

図１、図２に示すようにメタンガス採掘装置２０は、メタンガス採取管２１の下部外周に同心円状にガス導入筒２２と温水供給筒２３が設けられた３重構造からなり、温水供給筒２３に水平にかつ屈曲自在に温水管２５を設けて構成される。またメタンガス採取管２１、ガス導入筒２２、温水供給筒２３の下端部２１ａ、２２ａ、２３ａはスイベルジョイント２４により回転自在にされ、温水管２５は、温水供給筒２３の下端部２３ａから水平に延びるよう設けられ、その温水管２５の上下に、温水管２５に沿って多数の噴射孔２６が形成される。また温水管２５の基部側には、屈曲継手２７、２８が設けられて上下に自在に屈曲できるようにされる。

温水管２５より下方のメタンガス採取管２１の下端部２１ａには、ガス導入筒２２の下端部２２ａと温水供給筒２３の下端部２３ａを貫通して水平に延びた取水管３０が設けられ、その取水管３０に、ガスを通さずに水のみを導入する取水弁３１が接続される。温水管２５より上方のガス導入筒２２の下端部２２ａには、温水供給筒２３の下端部２３ａを貫通して水平に延びたガス導入管３２が設けられ、そのガス導入管３２に、水を通さずガスのみを導入するガス採取弁３３が接続される。

ガス導入筒２２は、海底１０から数１００ｍ（例えば８００ｍ）の高さになるように設けられ、そのガス導入筒２２内に位置したメタンガス採取管２１に、ガスリフト弁３４が設けられる。

ガスリフト弁３４は、詳細は図示しないが石油採掘の際に用いられる公知のもので、ガスリフト弁３４内に設定圧で開くガス導入弁が設けられて構成され、ガス導入筒２２内のガス圧力が設定圧以上となったときにガス導入弁が開いてガス導入筒２２内のガスをガスリフト弁３４内に導入し、これをメタンガス採取管２１に流すもので、またガスリフト弁３４内に適宜逆止弁が設けられ、ガス導入弁からのガスを逆止弁を通してメタンガス採取管２１内に流し、メタンガス採取管２１内の圧が高いときに逆止弁でメタンガス採取管２１内の液がガス導入筒２２に流れるのを防止するようになっている。

このガスリフト弁３４は、図では１箇所に設けたが、ガス導入筒２２内に位置したメタンガス採取管２１に多段に設けるようにしてもよい。

図２に示すように温水管２５の先端部の側部には、推進孔２９が設けられ、推進孔２９からの温水流で、温水管２５を図示の矢印方向に旋回させ、同時にスイベルジョイント２４を介してメタンガス採取管２１、ガス導入筒２２、温水供給筒２３の下端部２１ａ、２２ａ、２３ａが回転できるようになっている。

プラットフォーム１２上には、温水供給筒２３に６０℃程度の温水を供給するための温水製造用ヒートポンプ４０が設けられる。この温水製造用ヒートポンプ４０は、圧縮機４１の冷媒吐出側から吸込側にかけて、凝縮器４２、膨張弁４３、蒸発器４４、サクションタンク４５が順次接続されて構成される。

凝縮器４２と蒸発器４４の入口側には、それぞれ海水汲み上げ管４６、４７が接続される。各海水汲み上げ管４６、４７には、海水ポンプ４８，４９が接続される。凝縮器４２と蒸発器４４の出口側には、それぞれ温水供給管５０と排水管５１が接続されると共に、温水供給管５０には流量調節弁５２が接続される。

凝縮器４２で加熱された海水は、温水供給管５０にてメタンガス採掘装置２０の温水供給筒２３に供給され、また蒸発器４４内の冷媒を加熱した海水は、排水管５１にて海中に排水される。

温水供給管５０は、図示していないが、外周が断熱材で被覆され、海中のメタンガス採掘装置２０の温水供給筒２３へ温水を供給する間に海水で冷却されないように構成される。この断熱材の被覆は、温水供給管５０を、温水の通る内管とパーライト粒、グラスウール等の断熱材を充填するための外管の二重管で構成しても或いは温水供給管５０を直接断熱材で被覆するようにしてもよい。

また、プラットフォーム１２上には、メタンガス採取管２１でガスリフトされた水とメタンガスを回収すると共にこれを分離するメタンガスセパレーション装置１５が設けられ、分離された水はガス分離水排出管１６から海中に排出されるようにされ、分離回収したメタンガスは、図には示していないが液化装置により液化される。このメタンガス採取管２１には、圧力・流量を調整する調整弁１８が接続される。

次にメタンガスの採取方法を説明する。

先ず、メタンガス採掘装置２０がプラットフォーム１２上で組み立てられ、同時に掘削工程にて海底１０に垂直孔１３と掘削孔１４が形成される。

海上のプラットフォーム１２から、メタンガス採掘装置２０を降下させる。この際、温水管２５は屈曲継手２７、２８で下方に屈曲できるため、垂直にした状態で降下させ、海底１０の垂直孔１３に達したなら、先ず温水管２５を垂直孔１３に挿入し、次いで水平な掘削孔１４に挿入しながら図１に示した状態（挿入工程）とする。この後、温水供給筒２３を垂直孔１３内に挿入した後、垂直孔１３と温水供給筒２３との隙間をシール材１７にてシールする。

メタンハイドレート層１１は、海底の土質（岩盤等）と違って比較的柔らかであり、掘削孔１４の孔径を温水管２５の孔径よりやや大きく形成しておくことで、温水管２５は掘削孔１４内に簡単に挿入できる。

この後、温水製造用ヒートポンプ４０で海水を温度約６０℃に昇温し、その温水を温水供給管５０から温水供給筒２３を介して温水管２５に供給し、噴射孔２６から温水を掘削孔１４内に噴射する（分解工程）。これにより、メタンハイドレートは分解温度以上にまで昇温される。上述のように海底深さ約１０００ｍに存在するメタンハイドレートは、圧力約９．８ＭＰａ、温度４℃で蓄積されており、これを約１２℃以上にすると熱分解する。このようにメタンハイドレートが分解されると掘削孔１４内に下部に水相１４ｗ、上部にガス相１４ｇが形成される。

水相１４ｗ内の水は、取水弁３１、取水管３０を通してメタンガス採取管２１内に取り込まれる。このメタンガス採取管２１は上端がプラットフォーム１２上まで延びて調整弁１８にて略大気開放状態にできるため、メタンガス採取管２１内に海上近くまで水が溜まった状態となる。またガス相１４ｇ内のメタンガスは、ガス採取弁３３、ガス導入筒２２内に取り込まれる。このガス導入筒２２内に取り込まれたメタンガスの圧力は、約９．８ＭＰａあり、メタンガス採取管２１内の圧力より高いためガスリフト弁３４からメタンガス採取管２１内に流れ込み、メタンガス採取管２１内の水と共にメタンガスのガスリフトにより、プラットフォーム１２上のメタンガスセパレーション装置１５まで移動され、そこでメタンガスと水とが分離されてメタンガスが回収される（ガス採取工程）。

水相１４ｗからメタンガス採取管２１内に導入される水は、メタンハイドレートの分解水と加熱後の温水であり、水量が多くなるため、ガス導入筒２２の高さを海底１０から８００ｍ程度高くし、ガスリフト弁３４の作動圧力を約２ＭＰａにすることで、メタンガスの膨張体積を約４倍以上に増加させ、ガスリフト速度を約７ｍ／ｓｅｃ以上にしてプラットフォーム１２上に回収することができる。このメタンガスによるエアリフト量は、ガスリフト弁３４の取付位置と作動圧力と調整弁１８の開度により自在に調整できる。

本発明においては、メタンハイドレート層１１に水平に５０〜１００ｍ長さの掘削孔１４を形成し、その掘削孔１４の廻りのメタンハイドレート層１１を加熱分解させることで、分解して生成されるメタンガスの採取量を１０，０００ｋｇ／ｈ（１０ｔ／ｈ）以上とすることができ、またこのメタンガスにて水と共に海上までガスリフトさせることが可能となる。

このように掘削孔１４廻りのメタンハイドレート層１１を加熱分解した後は、図２に示すように推進孔２９により温水管２５を、スイベルジョイント２４（図１）にて図示の矢印のように旋回させることで、メタンガス採取管２１を中心にメタンハイドレート層１１を平面視で扇状に加熱分解して行き、温水管２５の長さを半径とする円周全体のメタンハイドレート層１１を加熱分解させることができ、より広範なメタンハイドレート層１１の加熱分解とメタンガス回収が行える。この温水管２５の旋回は水相１４ｗ内を移動するため温水管２５の側部に設けた推進孔２９からの温水の噴射圧で容易に旋回が可能である。

これによりメタンガス採掘装置２０を海底１０のメタンハイドレート層１１内に設置した後は、略１年以上連続してメタンの採掘が可能となり、年間で８万トン以上のメタンの採掘が可能となる。

上述したように、海底深さ１０００ｍに蓄積されているメタンハイドレートを分解するためには、温水で分解温度１２℃以上に加熱する必要があり、メタンガスを１０ｔ／ｈ以上を採取するためには、６０℃の温水使用量は１６１ｔ／ｈで、分解水は７９ｔ／ｈ発生する。この温水を製造するには、ガス加熱やヒータ加熱等の外部加熱方式では、温水製造コストが膨大となるが、海水（温度１７℃）を用いたヒートポンプとすることで、外部加熱方式に対して１／８のコスト低減が可能となる。

また、メタンハイドレート層１１内にはハイドレートの他に砂が含まれる場合が多く、砂が多いハイドレート層１１内で温水管２５を旋回する際に、温水管２５が砂層内に埋まり、旋回時の抵抗となるときには、温水管２５の上下に設ける噴射孔２６を、下方に噴射する噴射孔２６の数を予め多く形成しておき、下方の噴射孔２６からの噴射流で温水管２５が砂層から浮き上がらせることで、容易に旋回させることができる。

次に図３により、本発明の他の実施の形態を説明する。

図３は、基本的には図１の実施の形態と同じであるが、温水管２５を二重管とし、また温水供給筒２３も二重としたものである。

温水供給筒２３は、内筒２３ｉと外筒２３ｏからなり、また温水管２５は、内管２５ｉと外管２５ｏからなり、温水供給筒２３の内筒２３ｉに、温水管２５の内管２５ｉがつながるように、また温水供給筒２３の外筒２３ｏと温水管２５の外管２５ｏがつながるように接続されて構成される。温水管２５の内管２５ｉには、その内管２５ｉに沿って多数の噴射孔２６ｉが形成され、また温水管２５の外管２５ｏの先端側部には推進孔２９ｏが形成される。

温水供給筒２３の内筒２３ｉには、温水製造用ヒートポンプ４０（図１参照）で製造された温水を供給する温水供給管５０に接続され、温水供給筒２３の外筒２３ｏの上端には海中に加熱後の温水を排出する排水管５５が接続される。

この図２の実施の形態では、図１で説明したように温水管２５から掘削孔１４に直接温水を噴射するのと違って、温水供給管５０の温水を、温水供給筒２３の内筒２３ｉから温水管２５の内管２５ｉに供給し、内管２５ｉから噴射孔２６ｉを通して外管２５ｏに供給し、その外管２５ｏに供給された温水で掘削孔１４廻りのメタンハイドレートを間接加熱して分解させ、加熱後の温水は外筒２３ｏの上端から排水管５５を通して海中に排水することで、図１で説明した直接加熱に比べてガスリフトする水量を減らすことができ、温水供給筒２３の高さは海底１０から５０〜１００ｍの高さにしても、ガスリフト弁３４による十分なガスリフトが行える。

次に、図４により温水管２５を変形例した実施の形態を説明する。

図１、図２の実施の形態では、温水管２５の長さは５０〜１００ｍの長さとし、この温水管２５を掘削孔１４に挿入する例で説明したが、図４の実施の形態においては、基部側の屈曲継手２７から先の温水管２５を、テレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃで形成し、掘削孔１４に挿入する際には、図４（ａ）に示したように縮小させておき、その状態で掘削孔１４内に挿入したならば、図４（ｂ）に示すように、テレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃを、その中に供給される温水で、温水管２５の先端のメタンハイドレート層１１を加熱分解しながら、温水の圧力で順次伸長させることで、最初に形成する掘削孔１４の長さが短くても十分な長さの掘削孔１４とすることができる。またこのテレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃで形成した温水管２５は、初期の長さが短いため、掘削孔１４内に容易に挿入でき、また伸長後は、広範囲のメタンハイドレート層１１の採掘が可能となる。

この図４では、図１の直接噴射型の温水管２５をテレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃで構成する例を示しているが、図３に示した間接加熱式温水管２５とする場合には、テレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃを、それぞれ内外二重管で構成すればよい。

このように温水管２５をテレスコピック管２５ａ、２５ｂ、２５ｃで構成することで、メタンガス採取管２１を中心にメタンハイドレート層１１の採掘半径を１００ｍ以上、例えば３００ｍとすることが可能でより広範な掘削が可能となる。

１０ 海底
１１ メタンハイドレート層
１４ 掘削孔
１４ｇ ガス相
１４ｗ 水相
２０ メタンガス採掘装置
２１ メタンガス採取管
２２ ガス導入筒
２３ 温水供給筒
２５ 温水管

Claims (7)

1. メタンガス採取管の下端に同心円状にガス導入筒と温水供給筒を設け、その温水供給筒に水平にかつ屈曲自在に温水管を設けてメタンガス採掘装置を構成する工程と、
   ハイドレートが貯蔵されている海底の海上にプラットフォームを位置させ、掘削装置にて、海底に垂直孔を掘削し、その垂直孔から海底のメタンハイドレート層内に、水平な掘削孔を形成する掘削工程と、
   前記プラットフォームから前記メタンガス採掘装置を降下させ、前記垂直孔内にメタンガス採取管が達したなら、前記掘削孔内に前記温水管を水平に挿入しながら、メタンガス採取管のガス導入筒及び温水供給筒を前記垂直孔に挿入して前記掘削孔に温水管を水平に挿入する挿入工程と、
   前記温水管に温水を供給して掘削孔廻りのメタンハイドレートを加熱分解して前記掘削孔内にガス相と水相を形成する分解工程と、
   水相内の水を前記メタンガス採取管に導入し、ガス相のメタンガスをガス導入筒に導入し、ガス導入筒内のメタンガスを前記メタンガス採取管に導入してメタンガスと水とを海上にガスリフトするガス採取工程と
   を備えたこと特徴とするメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
2. 分解工程は、前記温水管から前記掘削孔内に直接温水を噴射して掘削孔廻りのメタンハイドレートを分解する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
3. 前記温水供給筒は、内筒と外筒の二重筒で形成され、温水管は、内管と外管の二重管で構成され、前記内筒から前記内管を通して前記外管に温水を供給し、その外管で掘削孔廻りのメタンハイドレートを間接加熱分解し、前記外管からの加熱後の温水を外筒を通して海底上の海中に排水する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
4. 前記メタンガス採掘装置の前記メタンガス採取管は、海上のプラットフォームから海底に降下され、海上のプラットフォーム上に、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器が順次接続された温水製造用ヒートポンプが設けられ、前記蒸発器で海水の熱を吸収し、前記凝縮器で海水を加熱して温水を製造し、その温水を前記温水供給筒に供給する請求項１記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
5. 前記温水製造用ヒートポンプから前記温水供給筒に温水を供給する温水供給管は、断熱材で被覆される請求項４記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
6. 前記掘削孔廻りのハイドレート層を加熱分解しつつ前記温水管を前記メタンガス採取管を中心に水平に旋回させて前記掘削孔から扇状にハイドレート層を加熱分解してメタンガスと水を採取する請求項１〜５いずれかに記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。
7. 前記温水管を伸縮自在なテレスコピック管で形成した請求項１〜６いずれかに記載のメタンハイドレート分解によるメタンの採取方法。