JP6561354B1 - 天然ガス採取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないエネルギーで天然ガスの採取及び地盤沈下の防止が可能な天然ガス採取装置を提供する。【解決手段】地下の水溶性天然ガス賦存層１１から天然ガスを採取する天然ガス採取装置１は、地中に挿入されるパイプ２と、パイプ２内に設置されるガス採取ユニット３と、を備えている。ガス採取ユニット３は、水溶性天然ガス賦存層１１から地下水を取り込む採水室５１と、採水室５１に配置された採水ポンプ５２と、採水ポンプ５２から送られてきた地下水をパイプ２内で噴霧する噴霧ヘッド５４と、噴霧ヘッド５４から噴霧されることにより天然ガスが分離した水を回収する容器５５と、容器５５内の水を水溶性天然ガス賦存層１１内に還元する排水装置６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、地下の水溶性天然ガス賦存層から天然ガスを採取する天然ガス採取装置に関する。

従来より、地下の水溶性天然ガス賦存層から天然ガスが溶け込んだ地下水（かん水）を揚水し、この地下水を地上にて天然ガスと水とに分離させて天然ガスを採取することが行われている。また、特許文献１には、地上に揚水して天然ガスを採取し終えた地下水を揚水時と同じ水溶性天然ガス賦存層に還元することにより地盤沈下を防止する天然ガス回収システムが開示されている。

特開２０１４−２１８８０６号公報

上述した従来技術においては、天然ガスが溶け込んだ地下水を地上まで揚水するのに多くのエネルギーを消費しており、より省エネルギーな天然ガス採取技術の開発が求められていた。また、上記特許文献１の天然ガス回収システムにおいては、揚水に多くのエネルギーを消費する上、天然ガスを採取し終えた地下水を地下に還元するのに多くのエネルギーを消費しており、省エネルギー化の点で改善の余地があった。

そこで、本発明は、少ないエネルギーで天然ガスの採取及び地盤沈下の防止が可能な天然ガス採取装置を提供することを目的とする。

本発明は、地下の水溶性天然ガス賦存層から天然ガスを採取する天然ガス採取装置であって、地中に挿入されるパイプと、前記パイプ内に設置されるガス採取ユニットと、を備え、前記ガス採取ユニットが、前記水溶性天然ガス賦存層から地下水を取り込むための吸い込み口が設けられた採水室と、前記採水室に配置された採水ポンプと、前記採水ポンプから送られてきた地下水を前記パイプ内で噴霧する噴霧ヘッドと、前記噴霧ヘッドから噴霧されることにより天然ガスが分離した水を回収する容器と、前記容器内の水を前記水溶性天然ガス賦存層内に還元する排水装置と、を備え、前記パイプ内で水から分離した天然ガスのみが地上に送られることを特徴とする。

本発明によれば、水溶性天然ガス賦存層からの地下水が地中のパイプ内で天然ガスと水とに分離され、水は採水した水溶性天然ガス賦存層内に還元され、天然ガスのみが地上に送られるので、少ないエネルギーで天然ガスの採取及び地盤沈下の防止ができる。

本発明の一実施形態にかかる天然ガス採取装置の概略構成図であり、天然ガス採取時の図である。 図１のパイプの概略構成図であり、（Ａ）は上から見た概略構成図、（Ｂ）は側方から見た概略構成図である。 図１のガス採取ユニットの概略構成図であり、（Ａ）は上から見た概略構成図、（Ｂ）は側方から見た概略構成図である。 図１の天然ガス採取装置における井戸掘削時の概略構成図であり、（Ａ）は上から見た概略構成図、（Ｂ）は側方から見た概略構成図である。 図４の掘削ユニットの概略構成図であり、（Ａ）は上から見た概略構成図、（Ｂ）は側方から見た概略構成図である。 図５の掘削ユニットにおける土砂収容部の概略構成図である。 図６の土砂収容部を構成するバケットの排水口が閉じられている状態を示す図である。 図７の排水口が開かれている状態を示す図である。

本発明の一実施形態にかかる「天然ガス採取装置」を、図１〜８を参照して説明する。本実施形態の天然ガス採取装置１は、地中を掘削して水溶性天然ガス賦存層に達する井戸を掘り、この井戸で水溶性天然ガス賦存層から天然ガスを採取するものである。図１中の符号１０は地表であり、符号１１が水溶性天然ガス賦存層である。水溶性天然ガス賦存層１１は、天然ガスが溶け込んだ地下水（かん水と呼ばれることもある。）を含有している。

本実施形態の天然ガス採取装置１は、地中に挿入されるパイプ２（図１，２，４に示す。）と、パイプ２内に設置されるガス採取ユニット３（図１，３に示す。）と、掘削ユニット４（図４〜８に示す。）と、を備えている。すなわち、本例では、掘削時にパイプ２と掘削ユニット４が用いられ、天然ガス採取時にパイプ２とガス採取ユニット３が用いられる。

図２に示すように、パイプ２は、天然ガス採取時に水溶性天然ガス賦存層１１に位置付けられる円筒状の回転部２ａと、回転部２ａよりも上側の円筒状の無回転部２ｂと、で構成されている。無回転部２ｂは、掘削時に複数のパイプ材が継ぎ足されて形成されている。無回転部２ｂは、その内部に一対のレール２３が設けられている。このレール２３は、ガス採取ユニット３の位置決め及び掘削ユニット４の周り止めを行うためのものである。

回転部２ａは、無回転部２ｂと同軸上に位置し、その中心軸周りに回転可能となっている。回転部２ａは、回転可能な状態で無回転部２ｂに連結されている。回転部２ａには、水溶性天然ガス賦存層１１から地下水を取り込むための吸い込み口２０（請求項の「パイプ側吸い込み口」）と、天然ガスを採取し終えた地下水を水溶性天然ガス賦存層１１内に還元するための排水口２１と、が設けられている。これら吸い込み口２０と排水口２１とは、回転部２ａの中心軸を挟んだ両側に設けられている。

また、回転部２ａの内部には、突出部２２が設けられている。この突出部２２は、回転部２ａを回転させる後述の回転体４３が噛み合う部位である。本例では、回転体４３が掘削ユニット４に設けられている。回転部２ａは、回転体４３によって回転されることで、水溶性天然ガス賦存層１１における地下水の流れの上流側に吸い込み口２０が位置し、下流側に排水口２１が位置する向きに位置付けられる。

図１，３に示すように、ガス採取ユニット３は、水溶性天然ガス賦存層１１から地下水を取り込むための吸い込み口５０が設けられた採水室５１と、採水室５１に配置された採水ポンプ５２と、採水ポンプ５２に連続した配管５３と、採水ポンプ５２から配管５３を通過して送られてきた地下水をパイプ２内で噴霧する複数の噴霧ヘッド５４と、噴霧ヘッド５４から噴霧されることにより天然ガスが分離した水を回収する容器５５と、容器５５内の水を水溶性天然ガス賦存層１１内に還元する排水装置６と、を備えている。また、ガス採取ユニット３には、地上からパイプ２内に降ろされた電線を介して電力が供給される。

採水室５１の吸い込み口５０は、パイプ２の吸い込み口２０と重なる位置に位置付けられる。吸い込み口５０及び吸い込み口２０は、水を通しかつ砂礫の粒子による目詰まりを防げる構造（いわゆる「スクリーン」であり、例えば複数の小孔の集合構造）であればよい。本例では、容器５５の内部に採水室５１が設けられており、容器５５の側壁の一部分に吸い込み口５０が設けられている。採水室５１は、容器５５内において隔壁で仕切られた空間となっており、採水室５１内に取り込まれた水と容器５５に回収された水とが混ざらないようになっている。

配管５３は、採水室５１内の採水ポンプ５２から上方に延びた直線部５３ａと、直線部５３ａに連続し、螺旋状に延びた螺旋部５３ｂと、で構成されている。直線部５３ａは、採水室５１の隔壁を貫通している。配管５３は、不図示の手段で容器５５に固定されている。

複数の噴霧ヘッド５４は、螺旋部５３ｂの異なる位置に取り付けられている。すなわち、複数の噴霧ヘッド５４は、螺旋上に並んでおり、パイプ２の周方向及び高さ方向に間隔をあけて配置されている。複数の噴霧ヘッド５４をこのような配置とすることで、噴霧した地下水をより分散させることができ、天然ガスの水からの分離を促進することができる。また、パイプ２内は、天然ガスの分離を促進するために大気圧よりも低い減圧空間に調整されている。

容器５５は、底壁と側壁を有し、上部が開放された有底円筒状（カップ状）に形成されている。容器５５の側壁には、上述した吸い込み口５０と、パイプ２の排水口２１と重なる排水口５８と、上述したパイプ２のレール２３と噛み合う溝５６と、が設けられている。また、図３（Ｂ）に示すように、容器５５の側壁の上端には、ガス採取ユニット３をワイヤー等で吊り下げるためのフック５７が設けられている。本例では、容器５５がガス採取ユニット３全体の筐体を兼ねており、採水室５１や噴霧ヘッド５４や排水装置６などは容器５５内に配置されている。

排水装置６は、容器５５内に配置された排水ポンプ６１と、排水ポンプ６１に連続し、容器５５内の水を高圧で水溶性天然ガス賦存層１１内に噴射するホース６２と、ホース６２を容器５５内から水溶性天然ガス賦存層１１内に送出するホース送出装置６３と、を備えている。ホース６２は、上述した排水口５８及び排水口２１を通って容器５５内から水溶性天然ガス賦存層１１内に送出される。また、本例では、ホース６２が水溶性天然ガス賦存層１１内に２０メートル程度送出される。ホース送出装置６３は、ホース６２を挟んで送り出す一対のローラと、これらローラを駆動するモータを備えている。なお、これらモータ及びローラは、ホース送出時と逆に回転することで、水溶性天然ガス賦存層１１内に送出されたホース６２を容器５５内に戻すことができる。

また、図３（Ａ）に示すように、吸い込み口５０と排水口５８とは、容器５５の中心軸を挟んだ両側に設けられており、ガス採取ユニット３における採水室５１の反対側からホース６２が送出される。このような配置とすることで、ホース６２から水溶性天然ガス賦存層１１内に排出された天然ガス濃度の低い水が再び吸い込み口５０から採水室５１に取り込まれることを防止している。

上記構成のガス採取ユニット３は、井戸が完成した後にパイプ２内の最深部に降ろされてパイプ２内に設置される。この際、ガス採取ユニット３は、容器５５の溝５６がパイプ２のレール２３に噛み合わされ、レール２３に沿って降ろされることにより、パイプ２の吸い込み口２０に容器５５の吸い込み口５０が位置決めされ、パイプ２の排水口２１に容器５５の排水口５８が位置決めされる。そして、排水口５８が排水口２１に位置決めされた後、ホース送出装置６３を稼働させて、容器５５内に収容されたホース６２を排水口５８，２１から水溶性天然ガス賦存層１１内に２０メートル程度送り出す。この際、容器５５内に予め入れておいた水をホース６２から高圧噴射し、砂礫を吹き飛ばしながらホース６２を送り出す。

このようにしてガス採取ユニット３がパイプ２内に設置された後、採水ポンプ５２が稼働することで、図１中の矢印Ａで示すように水溶性天然ガス賦存層１１内の地下水が吸い込み口２０，５０から採水室５１内に取り込まれ、該地下水が採水ポンプ５２によって配管５３上部に送られて各噴霧ヘッド５４から噴霧される。減圧空間に調整されたパイプ２内で各噴霧ヘッド５４から噴霧された地下水は、天然ガスと水とに分離する。そして、天然ガスは矢印Ｂで示すように地上に送られて不図示のガスタンクに貯蔵される。一方、天然ガスが分離した水は、落下して容器５５に回収される。容器５５内に溜まった水は、排水ポンプ６１が稼働することで、図１中の矢印Ｃで示すようにホース６２を通って水溶性天然ガス賦存層１１内に噴射される。

このように本発明によれば、水溶性天然ガス賦存層１１の地下水が地中のパイプ２内で天然ガスと水とに分離され、水は採水した水溶性天然ガス賦存層１１内に還元され、天然ガスのみが地上に送られるので、少ないエネルギーで天然ガスの採取及び地盤沈下の防止ができる。すなわち、本発明においては、水溶性天然ガス賦存層１１の地下水を地上に揚水することなく、パイプ２内で天然ガスと水とに分離し、天然ガスのみが地上に送られるので、地下水を地上に揚水していた従来の天然ガス採取方法よりも少ないエネルギーで天然ガスを採取できる。また、地下水が一度も地上に送られることなく水溶性天然ガス賦存層１１に還元されるので、天然ガスを採取し終えた地下水を地上から地下に還元していた従来例よりも少ないエネルギーで地盤沈下を防止できる。

また、本発明によれば、パイプ２が回転可能な回転部２ａを備えているので、水溶性天然ガス賦存層１１における地下水の流れの上流側に吸い込み口２０，５０を位置させ、下流側に排水口５８，２１を位置させることができる。このことにより、天然ガスを採取し終えて水溶性天然ガス賦存層１１に還元された水が再び採水室５１に取り込まれることを防止できる。

続いて、掘削ユニット４について説明する。掘削ユニット４は、上述したパイプ２をガイドにして地中を掘削するものであり、パイプ２の内側に位置付けられた状態で掘削を行う。パイプ２は、掘削ユニット４に同期して地中に降ろされる。

掘削ユニット４は、図４，５に示すように、土砂粉砕部４１と、機械室４２と、土砂収容部４４と、回転体４３と、回転体４３を駆動させる回転体用モータ４５と、を備えている。また、掘削ユニット４には、地上からパイプ２内に降ろされた電線を介して電力が供給される。

土砂粉砕部４１は、掘削スクリュー７３と、複数の掘削ドリル７４と、掘削用高水圧ノズル７５と、これらを取り付けたベース７１と、を備えている。

機械室４２は、土砂粉砕部４１を駆動させる土砂粉砕用モータ７６と、掘削用高水圧ノズル７５から高圧水を噴射させる高水圧ポンプ７８と、土砂粉砕部４１によって削られた土砂を吸い込んで土砂収容部４４に送るサンドポンプ７７と、荷重センサ７９と、これらを収容したケース７０と、を備えている。サンドポンプ７７は、ベース７１を貫通した吸い込み口７２から土砂と水を吸い込み、土砂収容部４４側に延びた吐出ノズル７７ａから吸い込んだ土砂と水を吐出する。

土砂収容部４４は、機械室４２のケース７０と固定された外側ケース４８と、外側ケース４８の内部に着脱可能に取り付けられたバケット９と、を備えている。

外側ケース４８は、底壁と側壁を有し、上部が開放された有底円筒状（カップ状）に形成されている。図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示すように、外側ケース４８の側壁には、パイプ２のレール２３と噛み合う溝４６が設けられている。また、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すように、外側ケース４８の側壁の上端には、掘削ユニット４をワイヤー等で吊り下げるためのフック４７が設けられている。

バケット９は、図６に示すように、バケット本体９１と、バケット本体９１の側壁に設けられた排水口開閉機構９０と、で構成されている。

バケット本体９１は、底壁と側壁を有し、上部が開放された有底円筒状（カップ状）に形成されている。バケット本体９１の側壁の上端には、バケット９をワイヤー等で吊り下げるためのフック９７が設けられている。バケット本体９１の内部には、底壁から円柱状に立設し、バケット本体９１の内外に連通した土砂排出管９２が設けられている。上述したサンドポンプ７７の吐出ノズル７７ａは、外側ケース４８の底壁を貫通し、土砂排出管９２の内部に位置付けられる。サンドポンプ７７が吸い込み口７２から吸い込んだ土砂及び水は、図６中の矢印Ｄで示すように吐出ノズル７７ａから吐出され、土砂排出管９２を通過して、矢印Ｅで示すようにバケット本体９１内に収容される。

バケット本体９１の側壁には、バケット本体９１内に収容された水を排出するための排水口９３が２つ形成されている。この排水口９３は、排水口開閉機構９０によって開閉される。排水口９３からバケット本体９１外に排出された水は、不図示の流路を通って高水圧ポンプ７８に集められ、掘削用高水圧ノズル７５から掘削ドリル７４の近傍に噴射される。すなわち、掘削用高水圧ノズル７５から噴射された水は、掘削ユニット４に回収されて再利用される。

排水口開閉機構９０は、図６〜８に示すように、排水口９３を開閉する弁（ゴムパッド）９６と、バケット本体９１の側壁に設けられた弁ガイド９４と、弁９６から下垂し、その下部に鍔部９８ａが設けられたロッド９８と、バケット本体９１の側壁に設けられ、ロッド９８が挿通されたロッド挿通部９５と、ロッド挿通部９５と鍔部９８ａとの間に取り付けられてロッド挿通部９５及び鍔部９８ａを押圧するスプリング９９と、を備えている。

上記排水口開閉機構９０を備えたバケット９は、バケット本体９１内に水が入れられた状態で外側ケース４８内部にセットされる。この際、バケット９がセットされるまでは、ロッド９８の下端が外側ケース４８の底壁に非接触であるため、排水口９３が弁９６によって塞がれている（図７）。そして、バケット９が外側ケース４８の内部にセットされることで、ロッド９８の下端が外側ケース４８の底壁に当接するとともにバケット本体９１の位置（すなわち排水口９３の位置）が下がって排水口９３が開放される（図８）。開放された排水口９３からバケット本体９１外に排出された水は、上述したように高水圧ポンプ７８に集められて掘削用高水圧ノズル７５から噴射される。

荷重センサ７９は、バケット本体９１内の収容物の量が上限に達したことを検知する。バケット本体９１内の収容物の量が上限に達した際は、バケット９を地上に引き上げてバケット本体９１内の収容物（主に土砂）を廃棄することができる。このバケット９は、再び掘削中の井戸に降ろされて外側ケース４８内部にセットされる。

回転体４３は、環状に形成されており、機械室４２のケース７０の外周部分に回転可能に設けられている。回転体４３には、パイプ２の回転部２ａに設けられた突出部２２と噛み合う切欠き４３ａが設けられている。図４（Ｂ）に示すように、突出部２２と切欠き４３ａが噛み合った状態で回転体４３が回転することにより、回転部２ａも回転する。

また、回転体４３は、流量計を内蔵しており、掘削が水溶性天然ガス賦存層１１に達した際に、水溶性天然ガス賦存層１１における地下水の流れ方向を検出することができる。回転体４３は、流量計によって判明した地下水の流れ方向に基いて、流れの上流側に吸い込み口２０を、下流側に排水口２１を位置させるように回転部２ａを回転させる。

また、本例の掘削ユニット４は、水溶性天然ガス賦存層１１における地下水の流れ方向を検出するだけでなく、地下水の流速も検出する。その他、掘削ユニット４は、掘削速度（垂直変位）、時間、掘削機荷重変動、掘削負荷、掘削深度、等のデータを収集する。

このように、掘削ユニット４を用いることで、簡易な設備かつ省エネルギーで掘削でき、さらに、地中を掘削しながら地質状態を総合解析することができる。

上述した天然ガス採取装置１は、パイプ２と掘削ユニット４を用いて掘削し、井戸が完成すると、掘削ユニット４を地上に引き上げてガス採取ユニット３を降ろし、天然ガスの採取を行う。さらに、水溶性天然ガス賦存層１１から天然ガスが枯渇した場合は、ガス採取ユニット３を地上に引き上げて再度掘削ユニット４を降ろし、そこからさらに下層の水溶性天然ガス賦存層に達する井戸を掘り、下層の水溶性天然ガス賦存層から天然ガスを採取することも可能である。

上述した実施形態では、天然ガス採取装置１が、パイプ２とガス採取ユニット３と掘削ユニット４とを備えていたが、本発明の天然ガス採取装置は、少なくともパイプとガス採取ユニットとを備えていればよく、掘削ユニットは必ずしも備えていなくてもよい。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 天然ガス採取装置
２ パイプ
３ ガス採取ユニット
４ 掘削ユニット
６ 排水装置
１０ 地表
１１ 水溶性天然ガス賦存層
５１ 採水室
５２ 採水ポンプ
５４ 噴霧ヘッド
５５ 容器

Claims (6)

1. 地下の水溶性天然ガス賦存層から天然ガスを採取する天然ガス採取装置であって、
   地中に挿入されるパイプと、前記パイプ内に設置されるガス採取ユニットと、を備え、
   前記ガス採取ユニットが、
   前記水溶性天然ガス賦存層から地下水を取り込むための吸い込み口が設けられた採水室と、
   前記採水室に配置された採水ポンプと、
   前記採水ポンプから送られてきた地下水を前記パイプ内で噴霧する噴霧ヘッドと、
   前記噴霧ヘッドから噴霧されることにより天然ガスが分離した水を回収する容器と、
   前記容器内の水を前記水溶性天然ガス賦存層内に還元する排水装置と、を備え、
   前記パイプ内で水から分離した天然ガスのみが地上に送られる
   ことを特徴とする天然ガス採取装置。
2. 前記排水装置が、前記容器内に配置された排水ポンプと、前記排水ポンプに連続したホースと、前記ホースを前記容器内から前記水溶性天然ガス賦存層内に送出するホース送出装置と、を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の天然ガス採取装置。
3. 前記ガス採取ユニットにおける前記採水室の反対側から前記ホースが送出される
   ことを特徴とする請求項２に記載の天然ガス採取装置。
4. 前記噴霧ヘッドを複数備え、これら噴霧ヘッドが螺旋上に並んでいる
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の天然ガス採取装置。
5. 前記パイプの下部に、前記ガス採取ユニットの前記吸い込み口と重なるパイプ側吸い込み口が設けられており、
   前記パイプの下部が当該パイプの周方向に回転可能である
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の天然ガス採取装置。
6. 掘削ユニットを備え、
   前記ガス採取ユニットを前記パイプ外に位置付けた状態で、前記掘削ユニットを前記パイプ内に配置することが可能である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の天然ガス採取装置。

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