JP6554322B2 - 流体分離装置及び流体分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体分離装置及び流体分離方法に関する。

メタンハイドレート開発を含むガス田開発や油田開発等の資源開発では、生産井内から産出される生産流体には、メタンガス等の回収流体（第一流体）のほかに水や砂も含まれる。
特に大水深での資源開発において、産出される生産流体を洋上の浮遊式プラットホームに上げたり、陸上まで海底パイプラインで移送したりすると、不要な水や砂まで遠方に送ることになる。この場合には、資源開発コストの増大を招く。そこで、海中及び水中で水や砂から回収流体を分離することが求められる。

また、海中及び水中での分離方法として、海底又は湖底（以下、水底とも総称する）に流体分離装置（例えば、特許文献１参照）を設置したり、水底面下に構築した井戸を利用した流体分離装置（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
一方で、生産流体には、ガスや水、油等が含まれている。ガスと水が存在する場合には、低温かつ高圧の環境下において、ハイドレート（水和物）が生じる可能性がある。

水底よりも下方の地中に存在するエネルギー資源は、当該水域における水深に相当する圧力以上の圧力が作用している。
エネルギー資源開発では、通常、水底よりも下方の地中に存在するガスや油がもつ圧力をコントロールして、回収流体の生産を行う。水底まで自噴等により生産井内を上がってきた生産流体は、陸上又は水上までパイプラインで輸送されることが予定されている。このため、補助的に昇圧機を用いる場合もあるが、基本的には水底に達した生産流体はパイプラインでの輸送を前提とした圧力を確保する必要がある。
したがって、水底等に設置した流体分離装置内には高圧状態で生産流体が流入することになる。

また、生産流体から回収流体を分離する分離槽内に滞留した生産流体は、水底等の周辺環境で冷却されることで、低温高圧の再ハイドレート環境に陥る可能性がある。
その対策として、特許文献２ではメタノール等の薬剤である再ハイドレート化抑制剤を用いるインヒビター法が提案されている。このインヒビター法は、再ハイドレート化抑制剤によりメタンハイドレートの相平衡曲線を低温高圧側にシフトさせて分離槽内の環境をハイドレート化環境領域から外すという手法である。

特開昭５６−９１８０６号公報 特開２０１５−３０９６７号公報

特許文献２の方法は、薬剤が常に一定濃度に保つように薬剤を供給したり、その濃度を監視する必要がある。また、薬剤等が流体分離装置の外部に漏れ出た場合の環境への負荷が懸念される。
さらに、ハイドレートの分解は吸熱反応のため、ガスと水がハイドレートとして分離槽内に流入した場合は、再ハイドレート抑制剤の効果で熱を吸収しつつ分解する。この作用により分離槽内が更に冷却されることでガスや水の温度が下がり、再ハイドレート化が生じやすい環境になる。この対策として再ハイドレート化抑制剤の濃度を高める等の追加的な対応が必要となる。
一般的に、流体分離装置を設置する水域等は大水深のため、アクセスが難しい。薬剤の濃度を管理することが必要になったり、リモートで薬剤を供給可能な装置が必要となったりする。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、分離槽内に第一流体の水和物がある場合でもこの第一流体の水和物を効率的に分解する流体分離装置及び流体分離方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の流体分離装置は、海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、前記流体分離装置を駆動する駆動部と、前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、を備え、前記駆動部は、前記第二流体を搬送するために前記第二流体の圧力を高くするモータを有する昇圧部を備えることを特徴としている。
ここで言う流体とは、気体及び液体だけでなく、気体及び液体に例えば砂のような固体が含まれて気体及び液体とともに固体が流れるものも含む。
この発明によれば、水底のような高圧の環境下では、第二流体を流体分離装置の水底に排出するときに第二流体の圧力を水底の圧力以上に高める必要がある。昇圧部は、第二流体を流体分離装置の水底に排出する配管に設けられる。

また、本発明の他の流体分離装置は、海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、前記流体分離装置を駆動する駆動部と、前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、を備え、前記分離槽の少なくとも一部は前記地中に埋設されていることを特徴としている。

また、本発明の他の流体分離装置は、海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、前記流体分離装置を駆動する駆動部と、前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、前記加熱部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記分離槽内の圧力が高くなるのにしたがって、前記分離槽内を加熱する加熱量を増加させることを特徴としている。

また、本発明の流体分離方法は、海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置を用いた流体分離方法であって、前記流体分離装置を駆動する駆動部が発生する熱で第二流体を加熱し、前記第一流体及び水を収容する分離槽内を、前記第二流体により加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解し、前記分離槽内の圧力が高くなるのにしたがって、前記分離槽内を加熱する加熱量を増加させることを特徴としている。
これらの発明によれば、第一流体の水和物の相平衡曲線に基づいて、分離槽内の圧力が高くなるのにしたがって分離槽内の第一流体の水和物が分解する温度が高くなる。

また、上記の流体分離装置において、前記第二流体は水を含んでもよい。
また、上記の流体分離装置において、前記加熱部は、前記分離槽に開口し、加熱された前記第二流体を前記分離槽内に供給する戻り配管を有してもよい。
また、上記の流体分離装置において、前記戻り配管の前記開口は、前記分離槽内の前記水の液面よりも上方に形成されていてもよい。
この発明によれば、一般的に再ハイドレート化した第一流体の水和物は、水の浮力により液面で浮く。開口を界面よりも上方に設けることで、開口から供給された第二流体が開口から下方に落ちる際に、浮いている第一流体の水和物にかかりやすくなる。

また、上記の流体分離装置において、前記加熱部は前記第一流体の水和物を間接的に加熱してもよい。
また、上記の流体分離装置において、前記分離槽内に前記第一流体の水和物を供給する供給配管の開口は、前記分離槽内の前記水の液面よりも上方に形成されていてもよい。

本発明において、請求項１に記載の流体分離装置によれば、駆動部が発生する熱で第一流体の水和物を分解するため、新たな薬剤やエネルギーを供給する必要が無く、第一流体の水和物を効率的に分解することができる。また、昇圧部のモータが発生する熱を第二流体に伝達させることで、第二流体を効率的に加熱することができる。
請求項２に記載の流体分離装置によれば、駆動部が発生する熱で第一流体の水和物を分解するため、新たな薬剤やエネルギーを供給する必要が無く、第一流体の水和物を効率的に分解することができる。また、水底の水の温度に比べて地中の温度が高いため、分離槽内が加熱されやすくなる。

請求項３に記載の流体分離装置及び請求項９に記載の流体分離方法によれば、駆動部が発生する熱で第一流体の水和物を分解するため、新たな薬剤やエネルギーを供給する必要が無く、第一流体の水和物を効率的に分解することができる。また、第一流体の水和物が分解する温度が高くなるのに応じて分離槽内の第一流体の水和物の温度を高くし、第一流体の水和物を確実に分解させることができる。
請求項４に記載の流体分離装置によれば、第一流体の水和物が分離槽内にあるため、例えば回収する第一流体に加熱された水を混合させても、第一流体に水以外の流体を混合させる場合に比べて、第一流体に与える影響を抑えることができる。

請求項５に記載の流体分離装置によれば、第一流体及び水を第二流体で直接的に加熱するため、第二流体の熱を効率的に第一流体及び水に伝達させることができる。
請求項６に記載の流体分離装置によれば、第一流体の水和物を効果的に加熱することができる。
請求項７に記載の流体分離装置によれば、第二流体の液面の高さが制御しやすいため、第一流体を回収しやすくなる。
請求項８に記載の流体分離装置によれば、分離槽内で分解した第一流体と水との接触時間が短くなるため、第一流体が再ハイドレート化するのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態の流体分離装置を模式的に示す全体図である。 メタンハイドレートの相平衡曲線を説明する図である。 本発明の第１実施形態の流体分離方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の流体分離装置を模式的に示す全体図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る流体分離装置の第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態の流体分離装置１は、海底Ｅ１よりも下方の地中Ｅ２に埋蔵されたメタンハイドレート（第一流体の水和物）Ｗ１から気体であるメタンガス（第一流体）Ｗ２を回収するものである。海底Ｅ１の水深は、例えば１０００ｍ程度である。
海底Ｅ１の数百ｍ下方には、粘土層Ｅ４と砂層Ｅ５とが上下に交互に重なるように形成されている。メタンハイドレートＷ１は、砂層Ｅ５に含まれている。
海底Ｅ１から下方に向かって延びる生産井Ｅ６が掘られる。生産井Ｅ６は、下方の端部が砂層Ｅ５に達するように形成されている。

本流体分離装置１は、内部にメタンガスＷ２及び水を収容するセパレータ（分離槽）１０と、流体分離装置１を駆動するポンプ（昇圧部）２５と、ポンプ２５が発生する熱で熱媒体（第二流体）Ｗ３を加熱するとともに、熱媒体Ｗ３によりセパレータ１０内のメタンハイドレートＷ１を加熱してセパレータ１０内のメタンハイドレートＷ１を分解する加熱部３５と、セパレータ１０、ポンプ２５、及び加熱部３５を制御する制御部５０とを備えている。
なお、熱媒体Ｗ３は水及び砂Ｗ６を含む。

セパレータ１０は、鉄鋼等で上下方向に長い球殻状に形成された槽本体１１を有している。槽本体１１は、自身の長手方向が上下方向にほぼ平行になるように配置されている。槽本体１１の上部の内面には、下方に向かうにしたがって槽本体１１の中心軸に近づくように傾斜した板部材１２が取付けられている。槽本体１１内の下部には、下方に向かうにしたがって内径が小さくなる漏斗状の案内部材１３が取付けられている。
槽本体１１の長手方向の中間部には、槽本体１１の外周面を覆う管状部材３６が取付けられている。管状部材３６は、槽本体１１と同軸に配置されている。管状部材３６は、上端部及び下端部において、槽本体１１との間で水密に封止されている。
管状部材３６と槽本体１１とで、いわゆる二重菅構造になっている。

槽本体１１における管状部材３６よりも上方には、吸入管（供給配管）１５、給水管１６、及び第一排出管１７が接続され、槽本体１１に吸入管１５、給水管１６、及び第一排出管１７が連通している。吸入管１５の先端部は、生産井Ｅ６に挿通されている。生産井Ｅ６内において、吸入管１５と生産井Ｅ６との間は、蓋であるパッカー１８で封止されている。槽本体１１に形成された吸入管１５の開口１５ａは、槽本体１１内の後述する運転上限液面Ｌ１よりも上方であって、板部材１２に対向するように配置されている。
吸入管１５には、リモート開閉弁１５ｂ及び緊急開閉弁１５ｃが設けられている。後述するようにセパレータ１０内の圧力を低下させることで、生産井Ｅ６で産出される生産流体Ｗ５が吸入管１５内に吸引される。生産流体Ｗ５には、メタンガスＷ２及び水だけでなく砂Ｗ６が含まれている。

リモート開閉弁１５ｂは、遠隔操作により吸入管１５内を生産流体Ｗ５が流れる開状態と、吸入管１５内を生産流体Ｗ５が流れない閉状態とに切替えることができる。緊急開閉弁１５ｃは、リモート開閉弁１５ｂがリモートで制御できなくなったときに吸入管１５にロボット等を近づけて吸入管１５を閉状態にさせるためのものである。
給水管１６には、リモート開閉弁１６ａ及び緊急開閉弁１６ｂが設けられている。
第一排出管１７には、流量計１７ａ、リモート流量調整弁１７ｂ、緊急開閉弁１７ｃ、及びリモート開閉弁１７ｄが設けられている。
流量計１７ａは、第一排出管１７内を流れるメタンガスＷ２の流量を測定する。リモート流量調整弁１７ｂは、遠隔操作により第一排出管１７内を流れるメタンガスＷ２の流量を調整することができる。

槽本体１１における管状部材３６よりも上方及び下方には、連結管２０の端部がそれぞれ接続されている。連結管２０の上部には、緊急開閉弁２０ａ、２０ｂが、連結管２０の下部には緊急開閉弁２０ｃ、２０ｄがそれぞれ設けられている。
連結管２０には、液面計２０ｅ及び圧力・温度計２０ｆが設けられている。
液面計２０ｅは、槽本体１１内の水の液面の上下方向の位置を測定する。液面の位置は、上方の運転上限液面Ｌ１から下方の運転下限液面Ｌ２の間で制御される。液面Ｌ１、Ｌ２は、上下方向において管状部材３６が占める範囲の間に設定される。
圧力・温度計２０ｆは、連結管２０を介して槽本体１１内の圧力及び温度を測定する。
セパレータ１０は、海底Ｅ１上に配置されている。

ポンプ２５は、熱媒体Ｗ３を搬送するために熱媒体Ｗ３の圧力を高くするためのものであり、図示しない回転翼等を有するポンプ本体２５ａと、回転翼を回転させるためのモータ２５ｂとを有する。モータ２５ｂは公知の構成のものであり、モータ２５ｂは動作するときに熱を発生する。モータ２５ｂには、モータ２５ｂの外面を覆うカバー３７が取付けられている。モータ２５ｂとカバー３７との間には隙間Ｔ１が形成されている。カバー３７には、隙間Ｔ１を流れる熱媒体Ｗ３の圧力及び温度を測定する圧力・温度計３７ａが設けられている。
海底Ｅ１のような高圧の環境下では、熱媒体Ｗ３を海底Ｅ１に排水するときに熱媒体Ｗ３の圧力を海底Ｅ１の圧力以上に高める必要がある。
ポンプ本体２５ａに接続された第一接続管２８は、槽本体１１における案内部材１３の内径が小さくなった部分に接続されている。ポンプ２５は、第一接続管２８及び後述する第二排出管２９に設けられる。
第一接続管２８には、圧力・温度計２８ａが設けられている。圧力・温度計２８ａは、第一接続管２８内を流れる熱媒体Ｗ３の圧力及び温度を測定する。

ポンプ本体２５ａには、第二排出管２９が接続されている。第二排出管２９には、圧力・温度計２９ａ、逆止弁２９ｂ、リモート流量調整弁２９ｃ、流量計２９ｄ、緊急開閉弁２９ｅ、及びリモート開閉弁２９ｆがポンプ本体２５ａ側からこの順で設けられている。
逆止弁２９ｂは、ポンプ本体２５ａ内から外部への流体の流れを許容し、外部からポンプ本体２５ａ内への流体の流れを規制する。
カバー３７には、分岐管３９、第二接続管（戻り配管）４０、及び第三接続管４１が接続されている。
分岐管３９は、第二排出管２９における流量計２９ｄと緊急開閉弁２９ｅとが設けられた間の部分に接続されている。分岐管３９にはリモート開閉弁３９ａが設けられている。

第二接続管４０は、槽本体１１に接続されている。第二接続管４０の開口４０ａは、セパレータ１０内の運転上限液面Ｌ１よりも上方に、板部材１２に対向するように形成されている。第二接続管４０には、リモート流量調整弁４０ｂ、流量計４０ｃ、逆止弁４０ｄが設けられている。逆止弁４０ｄは、カバー３７内から槽本体１１内への流体の流れを許容し、槽本体１１内からカバー３７内への流体の流れを規制する。第三接続管４１は、管状部材３６の上部に接続されている。
第二接続管４０は、カバー３７の隙間Ｔ１を流れる熱媒体Ｗ３を槽本体１１内に供給する。
管状部材３６の下部には、第三排出管４３が接続されている。第三排出管４３には、逆止弁４３ａ、緊急開閉弁４３ｂ、及びリモート開閉弁４３ｃが設けられている。
逆止弁４３ａは、管状部材３６内から外部への流体の流れを許容し、外部から管状部材３６内への流体の流れを規制する。
管状部材３６、カバー３７、第二接続管４０、及び第三接続管４１で前述の加熱部３５を構成する。

制御部５０は、図示はしないが演算素子、メモリー、及び制御プログラム等で構成されている。制御部５０は、流量計１７ａ、２９ｄ、４０ｃ、液面計２０ｅ、圧力・温度計２０ｆ、２８ａ、２９ａから送信された測定結果を受信する。
制御部５０は、上記の測定結果に基づいて、リモート開閉弁１５ｂ、１６ａ、１７ｄ、２９ｆ、３９ａ、４３ｃ、リモート流量調整弁１７ｂ、２９ｃ、４０ｂを制御する。
なお、図１では制御部５０とリモート開閉弁１５ｂ等とを接続する配線の図示は省略している。

ここで、メタンハイドレートの相平衡曲線について説明する。
図２において、横軸はメタンハイドレート、メタンガス、及び水の温度を表し、縦軸はメタンハイドレート、メタンガス、及び水の圧力を表す。縦軸の圧力は図の下側に向かうにしたがって高くなる。
図中に相平衡曲線Ｌ４を示す。相平衡曲線Ｌ４よりも圧力が高い側の領域Ｒ１では、メタンハイドレートが安定して存在する。相平衡曲線Ｌ４よりも圧力が低い側の領域Ｒ２では、メタンハイドレートはメタンガスと水とに分解する。
水の比重は約４℃で最も大きくなるので、海底における水の温度は約４℃の場合が多い。例えば、水深１０００ｍの海底での圧力は、水の密度により異なるが約１０．１ＭＰａ（メガパスカル）（＝約１００ａｔｍ）である。以下では、圧力を絶対圧で表す。
すなわち、水深１０００ｍの海底は、温度が約４℃で圧力が約１０．１ＭＰａである状態Ｒ３となり、領域Ｒ１内にある。この状態Ｒ３において、メタンと水が存在すれば、メタンは気体ではなくハイドレートとして存在する。

次に、以上のように構成された流体分離装置１を用いた本実施形態の流体分離方法の作用について説明する。図３は本発明の第１実施形態における流体分離方法を示すフローチャートである。なお、流体分離装置１の周囲には約４℃の海水がある。
予め、緊急開閉弁１５ｃ、１７ｃ、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２９ｅ、４３ｂは開状態になっている。リモート開閉弁１７ｄ、２９ｆは、開状態である。リモート流量調整弁１７ｂ、２９ｃ、４０ｂは閉状態である。リモート開閉弁１５ｂ、１６ａ、３９ａ、４３ｃは、閉状態である。
このとき、槽本体１１内の液面は、運転上限液面Ｌ１と運転下限液面Ｌ２との間にあるもとする。また、槽本体１１内の圧力は外部の圧力より低い目標圧力の許容誤差内に設定されているものとする。

まず、分解工程（図３に示すステップＳ１）において、流体分離装置１を起動すると、制御部５０はモータ２５ｂを駆動してリモート流量調整弁２９ｃの上流側の第二排出管２９内の圧力を昇圧させる。圧力・温度計２９ａの圧力値が外部環境の圧力以上となった時点で、流量計２９ｄの測定値をもとに所定量の流量が第二排出管２９内に流れるようにリモート流量調整弁２９ｃの開度を設定する。
これにより、槽本体１１内の海水等を、第一接続管２８、ポンプ本体２５ａ、及び第二排出管２９を介して海底Ｅ１に排出する。このとき、モータ２５ｂは熱を発生する。

また、制御部５０は、槽本体１１内の液面が下がり運転下限液面Ｌ２に達するまでにリモート開閉弁１５ｂを開状態にして生産流体Ｗ５を槽本体１１内に流入させる。圧力・温度計２０ｆの計測値をもとに、槽本体１１内の圧力が所定値の許容誤差内に収まるようにリモート流量調整弁１７ｂの開度を設定する。これにより、第一排出管１７を通してメタンガスＷ２を下流側に送る。
ここで、生産井Ｅ６内の滞留水は、外部の圧力より低い槽本体１１内の圧力が吸入管１５を介して伝播されることで槽本体１１内に汲み上げられる。滞留水の汲み上げにより、パッカー１８で密閉された生産井Ｅ６内の圧力が減圧する。この減圧の効果が、粘土層Ｅ４と砂層Ｅ５からなる地盤に伝わる。砂層Ｅ５に介在するメタンハイドレートＷ１の周辺の圧力を下げることで、メタンハイドレートＷ１を図２における状態Ｒ５から状態Ｒ６に変化（分解）させる。メタンハイドレートＷ１の分解を促し、メタンガスＷ２の生産につながる。

生産流体Ｗ５は、メタンガスＷ２と滞留水もしくはメタンハイドレートＷ１の分解水等が含まれる混層流として低圧環境下の槽本体１１内に流入する。これにより、気体の膨張と相まって混層流の見かけ速度は数〜数１０ｍ／ｓに達することが予想される。この生産流体をセパレータ１０内の板部材１２に当てることで流速を低減するとともに流れの向きを下方に変える。

また、槽本体１１内の温度は、メタンハイドレートＷ１が存在している地盤の海底Ｅ１温度約１１℃とは異なり、海底Ｅ１の周辺海水に常時さらされている。このため、槽本体１１内の温度は、周辺の海水の温度と同程度の約４℃である。分解した水とメタンガスＷ２は、状態Ｒ６から状態Ｒ７に変化し、再度メタンハイドレート環境領域Ｒ１になる。水とメタンガスＷ２が接触する界面では、メタンハイドレートＷ１が再生成される。
また、吸入管１５の一部を構成する海底Ｅ１に横たわった海底配管は、槽本体１１と同じ環境下にある。このため、生産流体Ｗ５が吸入管１５を通る間に、一部の水とメタンガスＷ２が接触する界面においてメタンハイドレートＷ１が再生成される場合もある。
これら再生成されたメタンハイドレートＷ１は、熱媒体Ｗ３の浮力により熱媒体Ｗ３の液面で浮く。

吸入管１５の開口１５ａが熱媒体Ｗ３の液面よりも下方である場合には、熱媒体Ｗ３内に供給されたメタンガスＷ２は熱媒体Ｗ３内を通って液面まで上昇する。メタンガスＷ２が上昇する間にメタンガスＷ２と水とが接触するため、メタンガスＷ２と水との接触時間が長くなる。
これに対して本実施形態では、吸入管１５の開口１５ａは運転上限液面Ｌ１よりも上方に形成されているため、生産流体Ｗ５は速い速度をもって熱媒体Ｗ３に流入し、第一流体と水との接触時間が短い。
メタンガスＷ２は、槽本体１１の上方から第一排出管１７を通して下流の工程に送られ回収される。
熱媒体Ｗ３の一部は、槽本体１１の下方から連結管２０内を流れる。熱媒体Ｗ３は連結管２０を通して槽本体１１の上方から供給され、槽本体１１内を循環する。
以上で分解工程Ｓ１を終了し、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、槽本体１１内の圧力が比較的低い第一の圧力範囲内であるか否かを判断する。第一の圧力範囲は、例えば３．８ＭＰａ未満である。ここで３．８ＭＰａは、メタンハイドレートの４℃における平衡圧力である。ステップＳ３でＹｅｓと判断した場合には、ステップＳ５に移行する。一方で、ステップＳ３でＮｏと判断した場合には、ステップＳ７に移行する。
この例では、槽本体１１内の圧力が第一の圧力範囲内であるとし、ステップＳ５に移行する。

次に、熱媒体排出工程（ステップＳ５）において、制御部５０は、リモート開閉弁２９ｆを開状態にしたままにする。リモート開閉弁３９ａ、４３ｃを閉状態にしたままにする。
熱媒体Ｗ３は、槽本体１１の下方から第一接続管２８を通してポンプ本体２５ａ内を流れ、第二排出管２９から海底Ｅ１に排出される。
そして、熱媒体排出工程Ｓ５を終了し、本流体分離方法の全ての処理を終了する。

ステップＳ７では、槽本体１１内の圧力が第一の圧力範囲よりも高い第二の圧力範囲内であるか否かを判断する。第二の圧力範囲は、例えば３．８ＭＰａ以上４．７ＭＰａ未満である。ここで４．７ＭＰａは、メタンハイドレートの６℃における平衡圧力である。ステップＳ７でＹｅｓと判断した場合には、ステップＳ９に移行する。一方で、ステップＳ７でＮｏと判断した場合には、ステップＳ１１に移行する。
この例では、槽本体１１内の圧力が第二の圧力範囲内であるとし、ステップＳ９に移行する。

次に、第一加熱工程（ステップＳ９）において、制御部５０は、リモート開閉弁３９ａ、４３ｃを開状態にする。すると、第一接続管２８、ポンプ本体２５ａ、及び第二排出管２９内を流れた熱媒体Ｗ３の一部は、第二排出管２９から海底Ｅ１に排出される。第二排出管２９内を流れた熱媒体Ｗ３の残部は、分岐管３９を通してカバー３７内の隙間Ｔ１を流れる。モータ２５ｂが発生する熱で、隙間Ｔ１を流れる熱媒体Ｗ３が加熱される。熱媒体Ｗ３は、第三接続管４１を通して管状部材３６内を流れる。リモート流量調整弁４０ｂは閉状態であるため、熱媒体Ｗ３は第二接続管４０内を流れない。なお、リモート開閉弁２９ｆを閉状態にして、第二排出管２９内を流れた熱媒体Ｗ３の全てをセパレータ１０内を加熱するために用いてもよい。
熱媒体Ｗ３により、槽本体１１内が間接的に加熱される。熱媒体Ｗ３の液面の高さが制御しやすいため、メタンガスＷ２を回収しやすい。槽本体１１内が加熱されることで、槽本体１１内のメタンハイドレートＷ１がメタンガスＷ２及び水に分解される。槽本体１１内で加熱されたメタンガスＷ２は、前述のように第一排出管１７を通して流れる。槽本体１１内で加熱された熱媒体Ｗ３は第一接続管２８及びポンプ本体２５ａ内を流れ、一部が海底Ｅ１に排出され、残部が管状部材３６内を流れる。
そして、第一加熱工程Ｓ９を終了し、本流体分離方法の全ての処理を終了する。

第二加熱工程（ステップＳ１１）では、槽本体１１内の圧力が第二の圧力範囲よりも高い第三の圧力範囲内となる。第三の圧力範囲は、例えば４．７ＭＰａ以上５．１ＭＰａ未満である。ここで５．１ＭＰａは、メタンハイドレートの７℃における平衡圧力である。
制御部５０は、流量計４０ｃの測定結果に基づいてリモート流量調整弁４０ｂの開度を調節する。
すると、第二排出管２９内を流れ、モータ２５ｂにより加熱された熱媒体Ｗ３は、第三接続管４１内だけでなく第二接続管４０内を流れる。第二接続管４０内を流れる熱媒体Ｗ３は、第二接続管４０の開口４０ａから槽本体１１内に供給される。槽本体１１内に供給され熱媒体Ｗ３は、板部材１２に当たることで流速が低下するとともに流れの向きを下方に変えて落ちる。第二接続管４０の開口４０ａは運転上限液面Ｌ１よりも上方に形成されているため、熱媒体Ｗ３の液面で浮くメタンハイドレートＷ１に熱媒体Ｗ３がかかりやすい。
槽本体１１内のメタンガスＷ２及び熱媒体Ｗ３をモータ２５ｂにより加熱された熱媒体Ｗ３で直接的に加熱するため、モータ２５ｂにより加熱された熱媒体Ｗ３の熱が効率的にメタンガスＷ２及び熱媒体Ｗ３に伝達される。
槽本体１１内で加熱されたメタンガスＷ２は、前述のように第一排出管１７を通して流れる。熱媒体Ｗ３は第一接続管２８及びポンプ本体２５ａ内を流れ、一部が海底Ｅ１に排出され、残部が槽本体１１内に供給される。
そして、第二加熱工程Ｓ１１を終了し、本流体分離方法の全ての処理を終了する。

このように、制御部５０は、槽本体１１内の圧力が高くなるのにしたがって、メタンハイドレートＷ１を加熱する加熱量を増加させる。
なお、流体分離装置１を駆動する駆動部は、ポンプ２５以外に、図示はしないがメタンガスＷ２等のガスを昇圧させるサブシーコンプレッサや、リモート開閉弁１５ｂ等を駆動するモータを含む。すなわち、ポンプ２５のモータ２５ｂが発生する熱に代えて、サブシーコンプレッサやリモート開閉弁１５ｂ等のモータが発生する熱で熱媒体Ｗ３を加熱してもよい。

ここで、流体分離装置の加熱量のシミュレーション結果及び想定される運転につて説明する。
シミュレーションの条件は、ガスの生産レートが大気圧下で約２００００ｍ^３／日であり、水の生産レートが約２００ｍ^３／日であると仮定した。海底に設置したセパレータ内の圧力は、３．５〜４．０ＭＰａであると仮定した。

シミュレーションの条件として下記のように設定した。
（１）生産流体
・セパレータ内に流入する生産流体の温度：４℃
・生産流体に含まれるガス量：２００００m^３/日
・生産流体に含まれる水量 ：２００m^３/日
・水の密度 ：ρ＝１０００ｋｇ/ｍ^３
・水の比熱 ：Ｃｐ＝４．２ｋＪ／（ｋｇ・℃）
（２）ポンプに用いられているモータ
・消費電力 ：２００ｋｗ
・効率 ：８０％
（３）熱交換効率
・カバー ：８０％
・管状部材を用いて間接的に加熱（熱媒体の移送時のロスを含む。以下、間接加熱方式と称する）：６０％
・第三接続管を通してセパレータ内に熱媒体を供給し直接的に加熱（熱媒体の移送時のロスを含む。以下、直接加熱方式と称する）：９０％
（４）メタンハイドレートの平衡圧力：相平衡曲線から読み取ると、４℃、６℃、７℃のときの平衡圧力はそれぞれ３．８ＭＰａ、４．７ＭＰａ、５．１ＭＰａである。
（５）周辺海水環境
・水深 ：１０００ｍ
・水温 ：４℃

モータの消費電力２００ｋｗは、一般的に当該水量を差圧１０ＭＰａ分昇圧するのに必要なモータの電力である。
モータの効率を８０％とし、モータの消費電力の２０％が熱として発生するとする。カバーの熱交換効率を８０％としたため、モータが発生する熱のうち８０％がカバー内を流れる熱媒体により回収される。
間接加熱方式の熱交換効率を６０％としたため、この場合には、熱媒体により回収された熱量のうちの６０％によりセパレータ内の熱媒体が加熱される。
直接加熱方式の熱交換効率を９０％としたため、この場合には、熱媒体により回収された熱量のうちの９０％により、セパレータ内の熱媒体が加熱される。

シミュレーションした結果、モータで加熱された熱媒体を全て間接加熱方式に用いた場合には、生産流体の温度が１．９７℃上昇することが分かった。すなわち、４℃だった生産流体の温度が約６℃になる。
モータで加熱された熱媒体を全て直接加熱方式に用いた場合には、生産流体の温度が２．９６℃上昇することが分かった。すなわち、４℃だった生産流体の温度が約７℃になる。

シミュレーション結果から、流体分離装置が想定される運転条件は以下のようになる。
・条件１：セパレータ内の圧力が３．８ＭＰａ未満の場合
セパレータ内は再ハイドレート化する環境でないため、セパレータ内を加熱する必要は無い。
・条件２：セパレータ内の圧力が３．８ＭＰａ以上４．７ＭＰａ未満の場合
間接加熱方式でセパレータ内を加熱することでセパレータ内の水を４℃から６℃に昇温する。この昇温により、セパレータ内が再ハイドレート化する環境から外れる。
・条件３：セパレータ内の圧力が４．７ＭＰａ以上５．１ＭＰａ未満の場合の場合
直接加熱方式でセパレータ内を加熱することでセパレータ内の水を４℃から７℃に昇温する。この昇温により、セパレータ内が再ハイドレート化する環境から外れる。
・条件４：セパレータ内の圧力が５．１ＭＰａ以上の場合
直接加熱方式に加えてヒータを併用することで、セパレータ内の水を昇温する。この昇温により、セパレータ内を再ハイドレート化する環境から外す。

セパレータ内の圧力は例えば３．５〜４．０ＭＰａとなる場合には、上記の運転条件の内、条件１及び２で運転すればセパレータ内を再ハイドレート化する環境から外すことができることが分かった。

以上説明したように、本実施形態の流体分離装置１及び流体分離方法によれば、ポンプ２５が発生する熱でメタンハイドレートＷ１を分解するため、新たな薬剤やエネルギーを供給する必要が無く、セパレータ１０内のメタンハイドレートＷ１を効率的に分解することができる。
陸上や洋上への生産流体の圧送のための昇圧機が海底に設置されたり、また油混じりの分離水を地中に戻すための昇圧機などが設置されている。これら機器にはモータがあり、冷却のために周辺海水との熱交換を積極的に行っている。
また、メタンハイドレート開発ではメタンハイドレートＷ１の圧力を下げることでメタンガスＷ２を分離する減圧法の適用も検討されている。減圧法では、生産井内を減圧するための汲み出しポンプであるポンプ２５が必要である。
本発明で利用する熱源はこれら機器の排熱である。この排熱を回収し、流体分離装置１に供給することでハイドレート化を防止しようとするものである。
本流体分離装置１及び流体分離方法によれば、ハイドレート化を防止するとともに、特許文献２のようなインヒビター法における薬剤の供給を不要とすることができるため、特許文献２の課題を解決することができる。

駆動部が、ポンプ２５を備える。ポンプ２５は熱媒体Ｗ３を海底Ｅ１に排水する第一接続管２８に設けられるため、ポンプ２５のモータ２５ｂが発生する熱を熱媒体Ｗ３に伝達させることで、熱媒体Ｗ３を効率的に加熱することができる。
熱媒体Ｗ３は水を含む。水和物となったメタンハイドレートＷ１がセパレータ１０内にあるため、例えば回収するメタンガスＷ２に加熱された熱媒体Ｗ３を混合させても、メタンガスＷ２に熱媒体Ｗ３以外の流体を混合させる場合に比べて、メタンガスＷ２に与える影響を抑えることができる。
加熱部３５は第二接続管４０を有する。これにより、槽本体１１内のメタンガスＷ２及び水を熱媒体Ｗ３で直接的に加熱するため、熱媒体Ｗ３の熱を効率的にメタンガスＷ２及び水に伝達させることができる。
第二接続管４０の開口４０ａは、セパレータ１０内の運転上限液面Ｌ１よりも上方に形成されている。開口４０ａから供給された熱媒体Ｗ３が開口４０ａから下方に落ちる際に、浮いているメタンハイドレートＷ１にかかりやすくなり、メタンハイドレートＷ１を効果的に加熱することができる。

加熱部３５は、メタンハイドレートＷ１を間接的に加熱する。熱媒体Ｗ３の液面の高さが制御しやすいため、メタンガスＷ２を回収しやすくなる。
吸入管１５の開口１５ａは、セパレータ１０内の運転上限液面Ｌ１よりも上方に形成されている。セパレータ１０内で分解したメタンガスＷ２と水との接触時間が短くなるため、メタンガスＷ２が再ハイドレート化するのを抑制することができる。
制御部５０は、セパレータ１０内の圧力が高くなるのにしたがって、メタンハイドレートＷ１を加熱する加熱量を増加させる。これにより、メタンハイドレートＷ１が分解する温度が高くなるのに応じてメタンハイドレートＷ１の温度を高くし、メタンハイドレートＷ１を確実に分解させることができる。

なお、本実施形態ではセパレータ１０内を間接的に加熱するために管状部材３６を用いた。しかし、セパレータ１０内を間接的に加熱するためには、加熱された熱媒体Ｗ３を流すための配管を、槽本体１１の外周面に螺旋状に設けてもよいし、槽本体１１内に配置してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
なお、本実施形態において、流量計、液面計、開閉弁、圧力・温度計、及び流量調整弁等の配置は第１実施形態と同様なので、図４中への記載及び説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の流体分離装置２では、セパレータ１０の槽本体１１の外周面及び底面が管状部材５５に覆われている。槽本体１１と管状部材５５との間には隙間Ｔ２が形成されている。セパレータ１０及び管状部材５５の下部は、地中Ｅ２に埋設されている。一般的に、地中Ｅ２の温度は海底Ｅ１の水の温度に比べて高い。また、海底Ｅ１ではセパレータ１０に対して海水が流れているのに対して、地中Ｅ２ではセパレータ１０に対して周辺の土は動かない。このことにより、地中Ｅ２の方が保温効果が高い。

槽本体１１の上部には、下方に向かって曲げられた吸入管１５の端部が挿通されている。吸入管１５の端部は、槽本体１１内の液面Ｌ１０よりも上方に配置されている。
槽本体１１の上部には、下方に向かって曲げられた第一接続管５６が挿通されている。第一接続管５６の端部は、槽本体１１内の液面Ｌ１０よりも下方に配置されている。第一接続管５６は、ポンプ本体２５ａに接続されている。
管状部材５５の上部には、第三排出管４３が接続されている。
カバー３７に接続された第三接続管５８は、管状部材５５に接続されている。第三接続管５８から分岐した分岐管５９は、槽本体１１内に挿通されている。分岐管５９の端部は、槽本体１１内の液面Ｌ１０よりも上方に配置されている。
流体分離装置２は、図示しない制御部により制御される。

このように構成された流体分離装置２の作用について説明する。
制御部がモータ２５ｂを駆動すると、生産井Ｅ６内から吸入管１５を通して槽本体１１内に生産流体Ｗ５が供給される。このとき、吸入管１５のサイフォンの原理によりモータ２５ｂの消費電力が抑えられる。
槽本体１１内で、生産流体Ｗ５は、メタンガスＷ２と熱媒体Ｗ３とに分解する。
メタンガスＷ２は、槽本体１１の上方から第一排出管１７を通して下流の工程に送られる。
熱媒体Ｗ３は、第一接続管５６を通してポンプ２５のポンプ本体２５ａに供給される。熱媒体Ｗ３の一部は、第二排出管２９から海底Ｅ１に排出される。熱媒体Ｗ３の残部は、分岐管３９を通してカバー３７内の隙間Ｔ１を流れ、モータ２５ｂが発生する熱で加熱される。

加熱された熱媒体Ｗ３は、第三接続管５８内を流れる、第三接続管５８内を流れる熱媒体Ｗ３の一部は、槽本体１１と管状部材５５との間を流れ、第三排出管４３から海底Ｅ１に排出される。熱媒体Ｗ３の一部は、槽本体１１内に供給された生産流体Ｗ５を間接的に加熱する。
第三接続管５８内を流れる熱媒体Ｗ３の残部は、分岐管５９を通して槽本体１１内に供給される。槽本体１１内に供給された熱媒体Ｗ３は、生産流体Ｗ５を直接的に加熱する。

以上説明したように、本実施形態の流体分離装置２によれば、セパレータ１０内にメタンハイドレートＷ１がある場合でもこのメタンハイドレートＷ１を効率的に分解することができる。
さらに、海底Ｅ１の水の温度に比べて地中Ｅ２の温度が高いため、セパレータ１０内のメタンハイドレートＷ１が加熱されやすくなる。

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
例えば、前記第１実施形態及び第２実施形態では、熱交換性能を上げるために、カバー３７や管状部材３６、５５を覆うように断熱材を取付けてもよい。

第二流体は水及び砂Ｗ６を含む熱媒体Ｗ３であるとしたが、第二流体は海水であってもよい。
実施形態では、メタンハイドレートＷ１は海底Ｅ１よりも下方の地中Ｅ２に埋蔵されているとした。しかし、メタンハイドレートＷ１は湖底よりも下方の地中Ｅ２に埋蔵されているとしてもよいし、海底又は湖底に設けられるとしてもよい。
第一流体がメタンガスＷ２で、第一流体の水和物がメタンハイドレートＷ１であるとした。しかし、第一流体がガスで第一流体の水和物がガスの水和物であるとしてもよい。ガス田においてはガスが採取され、油田においてはガス及び油が採取される。すなわち、本実施形態の流体分離装置及び流体分離方法は、ガス田及び油田においても好適に用いることができる。

１、２ 流体分離装置
１０ セパレータ（分離槽）
１５ 吸入管（供給配管）
１５ａ、４０ａ 開口
２５ ポンプ（昇圧部）
２５ｂ モータ
３５ 加熱部
４０ 第二接続管（戻り配管）
５０ 制御部
Ｅ１ 海底
Ｅ２ 地中
Ｌ１０ 液面
Ｗ１ メタンハイドレート（第一流体の水和物）
Ｗ２ メタンガス（第一流体）
Ｗ３ 熱媒体（第二流体）

Claims (9)

1. 海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、
   内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、
   前記流体分離装置を駆動する駆動部と、
   前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、
   を備え、
   前記駆動部は、前記第二流体を搬送するために前記第二流体の圧力を高くするモータを有する昇圧部を備えることを特徴とする流体分離装置。
2. 海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、
   内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、
   前記流体分離装置を駆動する駆動部と、
   前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、
   を備え、
   前記分離槽の少なくとも一部は前記地中に埋設されていることを特徴とする流体分離装置。
3. 海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置であって、
   内部に前記第一流体及び水を収容する分離槽と、
   前記流体分離装置を駆動する駆動部と、
   前記駆動部が発生する熱で第二流体を加熱するとともに、前記第二流体により前記分離槽内を加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解する加熱部と、
   前記加熱部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記分離槽内の圧力が高くなるのにしたがって、前記分離槽内を加熱する加熱量を増加させることを特徴とする流体分離装置。
4. 前記第二流体は水を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体分離装置。
5. 前記加熱部は、前記分離槽に開口し、加熱された前記第二流体を前記分離槽内に供給する戻り配管を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体分離装置。
6. 前記戻り配管の前記開口は、前記分離槽内の前記水の液面よりも上方に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の流体分離装置。
7. 前記加熱部は前記第一流体の水和物を間接的に加熱することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の流体分離装置。
8. 前記分離槽内に前記第一流体の水和物を供給する供給配管の開口は、前記分離槽内の前記水の液面よりも上方に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の流体分離装置。
9. 海底、湖底、あるいは海底又は湖底よりも下方の地中から第一流体を回収する流体分離装置を用いた流体分離方法であって、
   前記流体分離装置を駆動する駆動部が発生する熱で第二流体を加熱し、
   前記第一流体及び水を収容する分離槽内を、前記第二流体により加熱して前記分離槽内の前記第一流体の水和物を分解し、
   前記分離槽内の圧力が高くなるのにしたがって、前記分離槽内を加熱する加熱量を増加させることを特徴とする流体分離方法。

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