JP6736808B2 - ガス生産システム、及びガス生産方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するガス生産システム及びガス生産方法に関する。

近年、天然ガス資源として、天然ガスハイドレートが注目されている。天然ガスは、燃焼時の二酸化炭素排出量が石油や石炭に比べ少なく、天然ガスと水からなる天然ガスハイドレートは、地球温暖化抑制の点で有望な資源である。
天然ガスハイドレートは、メタン分子を水分子が籠状に取り囲んだ結晶構造を有する包接化合物である。天然ガスハイドレートは、低温、高圧の環境下で、固体の状態で存在し、このような環境を満たす、深海の海底の表層や海底面下の地層中に安定して存在している。

従来、海底内に存在する天然ガスハイドレートから天然ガスを取り出す方法として、天然ガスハイドレートにかかる高い水圧に対して減圧された圧力を作用させることで天然ガスハイドレートを分解する減圧法が知られている（例えば、特許文献１）。
減圧法では、具体的に、天然ガスを海底から海上に向けて運ぶ管（ライザー管）を用いて、管内の海水を排出することで液面を下げ、ライザー管内の海水の圧力を、天然ガスハイドレートを含んだ海底内の地層（ハイドレート層）に作用させ、分解させる。天然ガスハイドレートが分解して生成した天然ガスは、液体と混ざり合った混相流（気液混合物）としてライザー管内の海水に取り込まれる。混相流を取り込んだ海水は、ライザー管内で、天然ガスと海水とに分離され（気液分離され）、それぞれ海上に排出される。
ライザー管内の海水は、具体的に、ライザー管内に配置された液体輸送管（排出管）によって吸い上げられ、排出される。

特開２０１０−２６１２５２号公報

天然ガスハイドレートの分解が促進され、天然ガスの生産量が多くなった状態では、ライザー管内の海水中に含まれる天然ガスの気泡の量が多く、気泡の一部が海水と一緒に液体輸送管に流れ込みやすくなる。液体輸送管内に混入した気泡は、海水とともに排出されるため、その分、天然ガスの生産量は低下してしまう。

そこで、本発明は、ライザー管から排出される液体中に混入する気泡の量を低減し、ガスの生産量の低下を抑制することができるガス生産システム及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムであって、
地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えたライザー管と、
前記ライザー管内に配置され、前記液体が前記ライザー管の外部に排出されるよう、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げる排出管と、を備え、
前記排出管は、前記孔より下方に位置するよう配置される吸込口を有している、ことを特徴とする。

前記吸込口は、前記ガスハイドレートを含んだ地中内の地層が存在する深さ範囲内において、前記地層の下方に隣接する他の地層に接近して配置されることが好ましい。

さらに、前記ライザー管内の前記液体の上方に形成される気相空間の圧力を測定する圧力計と、
前記気相空間の圧力の測定値の前記気相空間の基準圧力からの変動量に応じて、前記排出管から排出される前記液体の排出量を制御することで前記ガスハイドレートに作用する圧力を制御する制御装置と、を備えることが好ましい。

さらに、前記吸込口に対し前記液体の流れ方向の上流側に配置され、前記吸込口に向かって流れる前記液体を通過させつつ前記気泡の少なくとも一部と接触することで、前記気泡の少なくとも一部のサイズを調整する調整部材と、
サイズが調整された前記気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を前記液体から分離する分離装置と、を備えることが好ましい。

本発明の別の一態様は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する方法であって、
地中内に埋設された先端部を有し、前記先端部から上方に延びるライザー管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減させるステップと、
前記ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、前記ライザー管の外部に開口した孔から前記ライザー管内の前記液体に取り込み、前記気泡からガスを取り出すステップと、を備え、
前記圧力を低減させるステップでは、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げる排出管の吸込口を、前記孔より下方に位置させた状態で、前記排出管を用いて前記液体を前記ライザー管の外部に排出する、ことを特徴とする。

前記圧力を低減させるステップでは、前記吸込口が、前記ガスハイドレートを含んだ地中内の地層が存在する深さ範囲内において、前記地層の下方に隣接する他の地層に接近して配置された状態で、前記液体の排出を行うことが好ましい。

さらに、前記ライザー管内の前記液体の上方に形成される気相空間の圧力を測定するステップと、
前記気相空間の圧力の測定値の前記気相空間の基準圧力からの変動量に応じて、前記排出管から排出される前記液体の排出量を制御することで前記ガスハイドレートに作用する圧力を制御するステップと、を備えることが好ましい。

さらに、前記吸込口に向かって流れる前記液体に、前記吸込口に対し前記液体の流れ方向の上流側に配置された調整部材を通過させつつ前記調整部材を前記気泡の少なくとも一部と接触させることで、前記気泡の少なくとも一部のサイズを調整するステップと、
サイズが調整された前記気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を前記液体から分離するステップと、を備えることが好ましい。

上述のガス生産システム及びガス生産方法によれば、ライザー管から排出される液体中に混入する気泡の量を低減し、ガスの生産量の低下を抑制することができる。

本実施形態のガス生産システムを概略的に示す図である。 ライザー管の先端部付近の内部構成を説明する図である。体の形態の例を示す図である。 調整部材の一例を示す図である。

以下、本発明のガス生産システム及びガスの製造方法について説明する。なお、以降の説明では、ガスハイドレートとして天然ガスハイドレートを例として挙げるが、ガスハイドレートは天然ガスハイドレートに限定されない。
また、本明細書でいうガス生産システムは、地中のガスハイドレートを減圧して分解することによりガスを生成するものであり、海底表面にあるガスハイドレートからガスを生成するシステムと異なる。

（ガス生産システムの概略説明）
一実施形態のガス生産システム（以下、システムともいう）は、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムである。システムは、ライザー管と、排出管と、を主に備える。
ライザー管は、地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管である。ライザー管は、先端部に設けられ、管の外部に開口した孔を備える。この外部に開口した孔は、ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を管内の液体に取り込むように設けられている。ガスハイドレートは、ライザー管の先端部から上方に延びる管内の液体によって生じる圧力を用いて管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより分解される。
排出管は、ライザー管内に配置され、液体がライザー管の外部に排出されるよう、ライザー管内の液体を吸い上げる。
排出管は、孔より下方に位置するよう配置される吸込口を有している。

このシステムにおいて、ライザー管内の液体は、排出管によって吸い上げられて、ライザー管の外部に排出される。このとき、排出管の吸込口が、ライザー管の先端部の孔より下方に位置することで、ライザー管内に、孔から吸込口に向かって流れる下降流が形成される。ここで、気泡は液体よりも比重が小さいため、ライザー管内の液体に取り込まれた気泡は、ライザー管の孔より下方に流れ難い。このため、ライザー管の孔から取り込まれた気泡は、排出管内に引き込まれ難く、ライザー管から排出される液体中に混入する気泡の量が低減される。これにより、ガスの生産量の低下が抑制される。

また、上記した下降流に沿って、気泡を含んだ液体が流れるとき、液体と気泡の比重差によって、比較的大きい気泡は液体から分離される。このように、このシステムによれば、気液分離の方式として従来一般に採用されている重力分離方式を採用した場合と同様の効果が得られる。このため、重力分離方式を採用する必要がなく、重力分離方式による分離に用いられる装置を省略できる。

（ガス生産システムの具体的な説明）
図１は、一実施形態のシステム１を概略的に示す図である。図２は、ライザー管１０の先端部１０ａ付近の内部構成を説明する図である。以下、海底の地中内の天然ガスハイドレートを分解して天然ガスを生産するシステム１を例に説明する。

システム１は、海上にある掘削船３から海底を経由して地中に延びるライザー管１０から地中内の天然ガスハイドレートを分解して生成される天然ガスを地上に取り出すシステムである。
システム１は、ライザー管１０と、気液分離装置２０と、ポンプ２３と、ガス生成ライン１２と、液体排出ライン１３と、制御装置４０と、を主に備える。

ライザー管１０は、地中内に埋設されるように構成された先端部１０ａを有する長尺状の管である。ライザー管１０は、図１に示す例では、掘削船３から鉛直下方に延び、先端部１０ａが、海底の坑井７内に埋設されている。坑井７は、掘削により設けられた穴であり、図１に示す例において、海底面２を含む上層４を貫通し、下方に位置するハイドレート層５内で閉塞している。上層４は、例えば、泥を多く含む泥質層である。ハイドレート層５は、例えば、泥と砂を多く含む砂泥互層と呼ばれる層である。ハイドレート層５は、天然ガスハイドレートが砂や泥に取り込まれて存在する、横方向に広がった砂質層を有している。上層４とハイドレート層５との境界は、例えば、海底面下数百メートルの位置にあり、海底面２は、例えば、水深３００メートル〜千数百メートルの位置にある。ハイドレート層５の下方には、下層６が隣接して位置している。下層６は、例えば、上層４と同様の泥質層である。

ライザー管１０は、管本体１１と、スクリーン１９（図２参照）と、を備える。
気液分離装置２０と、ポンプ２３と、ガス生成ライン１２と、液体排出ライン１３の一部とが、管本体１１内に設けられている。
この他に、管本体１１内には、ヒータ２６が設けられている。

管本体１１は、揚収管として機能する部分１８の後述する孔１８ａを除いて、内側の空間を水や海水から隔絶する部材である。管本体１１には、図１に示す例では、内側の空間を上下に仕切る隔壁１７ａ、１７ｂ、及び隔壁１７ｃが設けられている。隔壁１７ｃからライザー管１０の先端まで延びる管本体１１の部分は、ハイドレート層５から液体内に取り込まれた気液混合物が液体とともに上方に向かって流れる部分１８（以降、この部分を、揚収管部分１８ともいう）であり、図１に示す例では、隔壁１７ｃから上方の管本体１１の部分と比べ、管径が小さい。揚収管部分１８は、ハイドレート層５内に位置している。

スクリーン１９は、揚収管部分１８にライザー管１０の外部に開口した孔１８ａを覆うように設けられている。孔１８ａは、ハイドレート層５内の砂質層と接する深さ位置にある揚収管部分１８に設けられている。
スクリーン１９は、天然ガスハイドレートの分解によって生成した気泡及び水、さらには海水を取り込み、砂や泥を分離除去する部材である。スクリーン１９は、気泡、水、海水を通過させるが、砂や泥を通過させない機能を有している。スクリーン１９は、例えば、多数の孔を有するシート状又は板状の構造体であって、互いに孔の大きさや形態が異なる複数の構造体から構成される。複数の構造体の組み合わせの具体例として、ジョンソンスクリーン、メッシュ、及びグレーチングが挙げられる。ジョンソンスクリーンは、ジョンソンスクリーン社製の金網状の構造体として周知である。グレーチングは鋼材を格子状に組んだ部材である。ジョンソンスクリーン、メッシュ、グレーチングは、揚収管部分１８の側からハイドレート層５の側に向かって、この順に、揚収管部分１８に重ねて配置される。

図２に示すように、揚収管部分１８には、スクリーン１９を通過した気液混合物を取り込むための複数の孔１８ａが深さ方向に沿って設けられている。孔１８ａは、揚収管部分１８の壁部を貫通し、揚収管部分１８の外部に開口している。ライザー管１０が孔１８ａを備えることで、坑底圧を用いて天然ガスハイドレートに作用する圧力を低減し、これによって、気液混合物をライザー管１０内に取り込むことができる。
坑底圧とは、ライザー管１０の先端部１０ａから上方に延びるライザー管１０内の所定の範囲に充填された液体によってライザー管１０内の先端部１０ａにおいて生じる圧力と後述する気相空間Ｇの圧力の和であり、後述する液面Ｓの下方の液体によって、ライザー管１０の下端が受ける水頭圧によって定まる圧力である。ライザー管１０の下端は、坑井７の穴底（坑底）と略同じ高さに位置している。ここで、先端部１０ａは、ライザー管１０のうち孔１８ａの設けられる部分を含む。
ライザー管１０内の液体には、天然ガスハイドレートから分解して生成された気液混合物が取り込まれるほか、孔１８ａを通って進入した水や海水が取り込まれる。気液混合物は気泡を含むので、ライザー管１０内の液体には気泡が混在している。水や海水は、ハイドレート層５に含まれる水や海水、ハイドレート層５と接する他の地層に含まれる水や海水を起源としている。

ライザー管１０は、揚収管部分１８の先端部、詳細にはライザー管１０の下端に設けられた、坑底圧を測定する圧力計３１を、さらに有している。圧力計３１は、制御装置４０に接続されており、坑底圧の計測信号を制御装置４０に向けて出力する。

図２に示すように、気液分離装置２０、ポンプ２３、及びヒータ２６は、隔壁１７ｂ、１７ｃによって仕切られたライザー管１０の空間１５ｂ内に設けられている。空間１５ｂ内には、図２に示す例において、液体の液面Ｓの上方に、気液分離装置２０によって液体から分離されたガスが流入する気相空間Ｇが形成される。

気液分離装置２０は、揚収管部分１８内で液体に取り込まれる気液混合物中の気泡の少なくとも一部を分離する装置である。分離された気泡内のガスは、生産されるガスである。気液分離装置２０は、一実施形態によれば、遠心分離器２２から構成される。

遠心分離器２２は、液体排出ライン１３を構成する液体輸送管１４（後述）内に流れ込む液体中に存在する比較的小さい気泡を液体から分離する装置である。遠心分離器２２は、図２に示す例では、液体輸送管１４内に設けられ、鉛直方向に延びる回転中心線の周りに回転する回転体２２ａを有する。回転体２２ａは、後述するモータ２４によって駆動される。気泡を含んだ液体は、回転体２２ａに接近すると、回転体２２ａの回転によって作られた旋回流に沿って流れる。このとき、気泡及び液体に遠心力が作用し、液体は、気泡より比重が大きいため、回転中心線から遠ざかるように移動し、気泡は、液体に比べて回転中心線に近い側に集められる。このとき、集められて大きくなった気泡は、図２において太い矢印で示すように、液体輸送管１４に設けられた、液体輸送管１４の外部に開口する孔から放出される。これにより、液面Ｓに浮上し気相空間Ｇに放出される。一方、液体輸送管１４の孔から放出されなかった微小な気泡は、液体とともに液体輸送管１４内を上昇する。このように、遠心力を利用して分離する方式を遠心分離方式という。
このように、気液分離装置２０は、遠心分離方式を採用しており、従来一般に採用されている重力分離方式を採用していない。重力分離方式とは、液体の流路が上方に向けた上昇路と、液体から気泡の一部を排除するために、上昇路に接続され液体の流路を上方から下方に変更させる下降路と、を用いて、気体と液体にかかる重力（比重）を利用して分離する方式をいう。

ポンプ２３は、液体を液体輸送管１４内に引き込んでライザー管１０から排出させる。図２に示す例のポンプ２３は、液体輸送管１４内に配置されており、モータ２４と、モータ２４によって駆動されるスクリュー２５と、を有するオーガポンプである。スクリュー２５は、鉛直方向に延びる軸と、軸の周りを螺旋状に延びる羽根と、を有しており、液体輸送管１４内の液体を撹拌しながら上方に送る機能を有する。モータ２４は、掘削船３の制御装置４０に電気的に接続されている。モータ２４は、制御装置４０から出力された信号を受けて、設定された周波数あるいは調整された周波数で駆動するよう制御される。モータ２４は、液体輸送管１４内に、液体の流路となる隙間を形成するよう、液体輸送管１４内に配置されている。なお、システム１の運転中、ライザー管１０には孔１８ａを通って海水あるいは水が流入し続けることから、通常、ポンプ２３は稼働した状態に維持される。

ヒータ２６は、空間１５ｂ内に流れ込んだ液体を加熱する装置である。図２に示す例において、ヒータ２６は、液体輸送管１４の周りを囲むように配置されている。ヒータ２６は、制御装置４０に接続されている。天然ガスハイドレートの分解反応は吸熱反応であるため、液体に取り込まれた気液混合物の温度が低下して天然ガスハイドレートが再生成し、例えば、液体輸送管１４の下端を閉塞させる場合がある。ヒータ２６は、システム１の運転中に継続してあるいは断続的に、液体を加熱して、天然ガスハイドレートの再生成を抑制する。また、天然ガスハイドレートが再生成したと判断された場合に、制御装置４０から出力された信号を受けて駆動するよう制御され、液体を加熱することで、再生成した天然ガスハイドレートを加熱し、分解させる。

ガス生成ライン１２は、液面Ｓに浮上した気泡から生成され、気相空間Ｇに流入したガスを、生産する天然ガスとしてライザー管１０内から取り出す、ガスの流路を構成する。具体的に、ガス生成ライン１２は、気相空間Ｇ内のガスを、生産する天然ガスとして掘削船３まで運ぶ管（ガス生成管）からなる。ガス生成ライン１２は、管本体１１内に、液面Ｓの上方に配置されており、ガス生成ライン１２の下端は、気相空間Ｇに接続されている。
ガス生成ライン１２の先端部には、ガスの流量を調節する弁が設けられている。弁の開度は、ガスが一定量で排出されるよう調節されている。また、ガス生成ライン１２の先端は、例えば、掘削船３あるいは他の船舶に備え付けられた貯蔵タンク（図示せず）に接続されている。貯蔵タンクに貯蔵された天然ガスは、適宜、液化され、掘削船３あるいは他の船舶で海上を輸送される。

液体排出ライン１３は、管本体１１内で天然ガスと分離した液体を掘削船３まで運ぶ、液体の流路を構成する。
液体排出ライン１３は、図１に示す例において、先端部１０ａから空間１５ａまで延びる液体輸送管（排出管）１４と、管本体１１から分岐して、空間１５ａから掘削船３まで延びる管１６と、を有している。液体輸送管１４は、ライザー管１０内に配置され、液体がライザー管１０の外部に排出されるよう、ライザー管１０内の液体を吸い上げる管である。液体輸送管１４は、孔１８ａより下方に位置するよう配置される吸込口１４ａを有している。図２に示す例において、液体輸送管１４の吸込口１４ａは、最も下方に位置する孔１８ａよりも下方に位置している。
空間１５ａは、隔壁１７ａ，１７ｂで仕切られた空間である。
排出された液体は、回収され、例えば貯水される。

管本体１１内には、さらに、調整部材２７が設けられていることが好ましい。調整部材２７の具体的な説明は、後で行う。

隔壁１７ｂには、気相空間Ｇの圧力を計測する圧力計３０が設けられていることが好ましい。圧力計３０は、制御装置４０に接続されており、気相空間Ｇの圧力の計測結果の情報が、制御装置４０に送信される。圧力計３０は、図２に示す例では、空間１５ａを囲む壁面に設けられている。
また、ライザー管１０の先端部１０ａには、ライザー管１０の先端部１０ａにおける圧力（坑底圧）を計測する圧力計３１が設けられている。圧力計３１は、制御装置４０に接続されており、先端部１０ａにおける圧力（坑底圧）の計測結果の情報が、制御装置４０に送信される。先端部１０ａにおける圧力は、液体の液面Ｓの位置及び気相空間Ｇの圧力によって定まる。

制御装置４０は、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御するよう構成される。制御装置４０は、ＣＰＵ、メモリ等を含むコンピュータで構成される。制御装置４０は、図１に示す例において、掘削船３に設けられている。制御装置４０は、天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御を、坑底圧に応じて行うが、後述するように、気相空間Ｇの圧力の測定値を用いて行うことも好ましい。気相空間Ｇの圧力を用いた、天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御については後述する。

ここで、坑底圧に応じて行う、天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御を説明する。
坑底圧は、圧力計３１から送信される計測結果の情報から取得される。制御装置４０は、一定の時間間隔で、坑底圧が目標圧力の範囲にあるか否かを判定する。この判定において、坑底圧が目標圧力の範囲内にあれば、ガスハイドレートに作用する圧力を維持する制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を維持する。一方、坑底圧が目標圧力の範囲を超えて高くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、坑底圧が低くなるよう制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を上げる。また、坑底圧が目標圧力の範囲より低くなっている場合、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、坑底圧が高くなるよう制御を行う。具体的には、ポンプ２３の回転数を下げる。

システム１は、例えば、ライザー管１０となる資材、及び液体輸送管１４、圧力計３０，３１、制御装置４０、調整部材２７を掘削船３に積み、海上の所定の位置まで輸送して組み立てられる。坑井７は、システム１を組み立てる前に予め掘削される。

システム１は、掘削船３の代わりに、固定式又は浮遊式の洋上プラットフォームを備えてもよい。この場合、洋上プラットフォームと陸地とを接続し、洋上プラットフォームから陸地に天然ガスを輸送するパイプラインを備えることが好ましい。

以上のように構成されたシステム１において、ライザー管１０内の液体は、液体輸送管１４によって吸い上げられて、ライザー管１０の外部に排出される。このとき、液体輸送管１４の吸込口１４ａが、ライザー管１０の先端部１０ａの孔１８ａより下方に位置することで、ライザー管１０内に、孔１８ａから吸込口１４ａに向かって流れる下降流が形成される。ここで、気泡は液体よりも比重が小さいため、ライザー管１０内の液体に取り込まれた気泡は、ライザー管１０の孔１８ａより下方に流れ難い。このため、ライザー管１０の孔１８ａから取り込まれた気泡は、液体輸送管１４内に引き込まれ難く、ライザー管１０から排出される液体中に混入する気泡の量が低減される。これにより、ガスの生産量の低下を抑制することができる。

また、上記した下降流に沿って、気泡を含んだ液体が流れるとき、液体と気泡の比重差によって、比較的大きい気泡は液体から分離される。このように、システム１によれば、気液分離の方式として従来一般に採用されている重力分離方式を採用した場合と同様の効果が得られる。このため、重力分離方式を採用する必要がなく、重力分離方式による分離に用いられる装置を省略できる。重量分離方式による分離に用いられる装置とは、例えば液体輸送管１４の吸込口１４ａを外側から囲むコップ形状の部材である。

また、重力分離方式では、上述した上昇路及び下降路を液体が流れるため、ポンプを用いてライザー管内の液体の排出を行う場合に、ポンプの空引きが発生する場合がある。ポンプの空引きは、ライザー管内の液面の高さが、上昇路の上端の高さ位置以下となり、液体が、下降路内に流入することができないことによって発生する。ポンプは、水深の深い位置に配置されており、その修繕には困難が伴うため、ポンプの空引きが発生すると、システムの運転を長期間、中断せざるを得なくなる。システム１によれば、上述したように重力分離方式を省略できるため、ポンプの空引を発生させるおそれがない。

液体輸送管１４の吸込口１４ａは、ライザー管１０の先端（下端）と孔１８ａとの間において、ライザー管１０の先端に接近して配置されることが好ましい。これにより、孔１８ａから吸込口１４ａに向かって液体が流れる下降路の長さを確保でき、重力を利用した液体と気泡の分離を効果的に行える。

吸込口１４ａは、ハイドレート層５が存在する深さ範囲内において、ハイドレート層５の下方に隣接する下層６に接近して配置されることが好ましい。下層６に接近して配置されるとは、吸込口１４ａが、上層４よりも下層６に近い位置に配置されていることをいう。ハイドレート層の下方に隣接する地層は、一般に、ハイドレート層よりも温度が高く、大きな地熱を保持している。このため、吸込口１４ａを、ハイドレート層５に隣接する下層６に接近して配置することで、吸込口１４ａの付近で天然ガスハイドレートが再生成して液体輸送管１４を閉塞させることを抑制できる。
なお、下層６が、水が多く含んだ地層である場合、孔１８ａが下層６に接近して配置されていると、下層６から水を引き込むことによって、ライザー管１０内の液体が排出され難くなる場合がある。このため、孔１８ａは、下層６との間隔を大きくあけて配置されることが好ましい。例えば、孔１８ａは、ハイドレート層５内の砂質層が存在する高さ範囲のうち、下層６よりも上層４に近い側に配置される。

制御装置４０は、気相空間Ｇの圧力の測定値の気相空間Ｇの基準圧力からの変動量に応じて、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御することが好ましい。天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御は、本来、坑底圧を監視しながら、ポンプの回転周波数を制御して海水の排出量を制御することにより行うことが望ましい。通常、ライザー管の下端の位置と、ライザー管の孔の高さ位置との間で大きな高低差はなく、坑底圧と、天然ガスハイドレートに作用する圧力との間に大きな差はないためである。しかし、ライザー管の下端の位置が、孔の高さ位置に対して低くなると、天然ガスハイドレートに作用する圧力に対して坑底圧が高くなるため、天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御を、坑底圧に基づいて精度良く行うことができないおそれがある。これに対して、天然ガスハイドレートに作用する圧力の制御を、気相空間Ｇの圧力の測定値の気相空間Ｇの基準圧力からの変動量に応じて行う場合は、下記説明するように、精度良く制御を行うことができる。

気相空間Ｇの圧力の測定値の気相空間Ｇの基準圧力からの変動量に応じた、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御において、具体的に、気相空間Ｇの圧力の測定値は、圧力計３０から送信される計測結果の情報から取得される。気相空間Ｇの基準圧力とは、天然ガスハイドレートが分解開始したときの圧力、具体的には、ガス生成ライン１２からのガスの排出量が所定量に達したときの圧力をいう。
通常、ライザー管内の液体の液面高さが高くなると、気相空間の圧力及び先端部における圧力（坑底圧）はそれぞれ高くなり、坑底圧が高くなると、ガスハイドレートに作用する圧力も高くなる。このため、気相空間の圧力が高くなると、ガスハイドレートに作用する圧力も高くなるといえる。つまり、気相空間Ｇの圧力は、天然ガスハイドレートに作用する圧力と相関性を有している。また、気相空間Ｇの圧力は、ライザー管１０の下端の位置と孔１８ａの高さ位置との高低差に影響を受けることがなく、気相空間Ｇの圧力には、天然ガスハイドレートに作用する圧力の変化が反映されやすい。したがって、気相空間Ｇの圧力を用いることで、天然ガスハイドレートの分解のために天然ガスハイドレートに作用させる圧力を精度良く制御することができる。

具体的には、制御装置４０は、気相空間Ｇの圧力に関して目標圧力の範囲の情報を保持している。目標圧力の範囲は、天然ガスハイドレートを分解させる圧力に対応した気相空間Ｇの圧力の範囲であり、基準圧力を含む圧力の範囲である。気相空間Ｇの圧力が目標圧力の範囲内であれば、気相空間Ｇの圧力の測定値の基準圧力からの変動量の大きさは許容範囲内であり、天然ガスハイドレートの分解の速度を所定の範囲に制御することができる。
制御装置４０は、一定の時間間隔で、気相空間Ｇの圧力の測定値が目標圧力の範囲にあるか否かを判定する。
この判定において、気相空間Ｇの圧力の測定値が目標圧力の範囲内にあれば、ガスハイドレートに作用する圧力を維持する制御を行う。具体的に、制御装置４０は、ポンプ２３の回転数を維持することで、ポンプ２３による液体の排出量を維持する。これにより、天然ガスハイドレートに作用する圧力が維持される。

一方、気相空間Ｇの圧力の測定値が目標圧力の範囲を超えて高くなっている場合、気相空間Ｇの圧力の測定値の基準圧力からの変動量が許容範囲を超え、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、気相空間Ｇの圧力が低くなるよう制御が行われる。具体的に、制御装置４０は、ポンプ２３の回転数を上げ、ポンプ２３による液体の排出量を増加させる。これにより、天然ガスハイドレートに作用する圧力が高くなり、天然ガスハイドレートの分解を促進することができる。

また、気相空間Ｇの圧力の測定値が目標圧力の範囲より低くなっている場合、気相空間Ｇの圧力の測定値の基準圧力からの変動量が許容範囲を超え、天然ガスハイドレートの分解の速度が所定の範囲にないので、気相空間Ｇの圧力が高くなるよう制御が行われる。具体的に、制御装置４０は、ポンプ２３の回転数を下げ、ポンプ２３による液体の排出量を低減する。これにより、天然ガスハイドレートに作用する圧力が低くなり、天然ガスハイドレートの分解を抑制することができる。

システム１は、調整部材２７と、遠心分離方式を採用した気液分離装置２０と、を備えることが好ましい。調整部材２７は、吸込口１４ａに対し液体の流れ方向の上流側に配置され、吸込口１４ａに向かって流れる液体を通過させつつ気泡の少なくとも一部と接触することで、気泡の少なくとも一部のサイズを調整する部材である。気液分離装置２０は、サイズが調整された気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を液体から分離する。

ここで、調整部材２７、及び、気泡のサイズの調整について、より具体的に説明する。
調整部材２７の具体例として、メッシュが挙げられる。調整部材２７としてのメッシュは、例えば、網目状に織られたシート状の金網であって、網目の大きさは、１．０ｍｍである。
図２に示す例において、調整部材２７は、液体輸送管１４の下方に、液体の流れ方向と直交する方向に延在するようライザー管１０内に配置されている。このような配置によって、液体輸送管１４内に流れ込む液体は、調整部材２７を通過する。

液体が調整部材２７を通過するとき、液体に含まれる気泡のうち大きな気泡は、メッシュを構成する線（例えば、織物を構成する糸）に接触して、複数の小さい気泡に分断され、サイズが調整され、下流側に流れる。液体に含まれる気泡のうち小さな気泡は、線に接触した後、又は、線に接触することなく、網目を通過する。
なお、シート状の調整部材２７の他の具体例として、エキスパンド、パンチングなどの、多数の孔を有するシート状物が挙げられる。

また、調整部材２７の他の具体例として、コイルが挙げられる。図３に、コイルの例を示す。
図３に示す例のコイルは、螺旋軸（図３に示す一点鎖線）が延びる方向が、液体の流れ方向と一致するように、ライザー管１０内に配置される。このコイルは、螺旋軸が延びる方向に沿って延びる回転軸（図示せず）を有しており、コイルの螺旋部分が、ライザー管１０内を上昇する液体の水流を受けることで、コイルは、螺旋軸を回転中心として回転する。このようなコイルを液体が通過するとき、液体に含まれる気泡のうち一部の気泡に、コイルが衝突して、大きな気泡は複数の小さい気泡に分断され、サイズが調整される。

以上のように、ライザー管１０内を上昇する液体は、調整部材２７を通過するとき、液体に含まれる気泡の少なくとも一部が、調整部材２７と接触し、複数の小さい気泡に分断され、サイズが調整される。小さな気泡は、浮上する力が小さいため、遠心分離器２２によって集められやすく、液体輸送管１４の外側に放出されやすい。放出された気泡は、上述したように、気相空間Ｇに放出され、さらに、ガス生成ライン１２によって取り出され、回収される。このようにして、液体輸送管１４から排出される液体中に混入する気泡の量が低減され、その分、ガス生成ライン１２によって取り出される天然ガスの量が増える。これにより、天然ガスの生産量の低減が抑制される。

調整部材２７は、液体の流れ方向に沿った複数の位置（高さ位置）に配置されていることが好ましい。これにより、サイズの小さい気泡の割合を高めることができる。また、液体輸送管１４内に流れ込む液体中の気泡のサイズを均一化する効果も得られる。複数の位置に配置される調整部材２７は、同じ形態のものであってもよく、互いに異なる形態のものであってもよい。同じ形態である場合の例として、複数の位置に配置されたメッシュ、又は、複数の位置に配置されたコイルが挙げられる。異なる形態である場合の例として、複数の位置に配置されたメッシュ及びコイルを挙げることができる。このうち、複数の位置に配置されたメッシュ同士は、液体の流れ方向に沿って、網目の大きさが等しくてもよく、異なっていてもよい。異なっている場合は、液体の流れ方向の下流側（図２において上方）に配置されたメッシュであるほど、網目の大きさが小さくなっていることが好ましい。

したがって、一実施形態として、地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する天然ガス生産方法を以下のように実現することができる。
地中内に埋設された先端部１０ａを有し、先端部１０ａから上方に延びるライザー管１０内の液体によってライザー管１０内に生じる先端部１０ａにおける圧力を用いてライザー管１０の外部にある天然ガスハイドレートに作用する圧力を低減させる。
次に、天然ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって天然ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、ライザー管１０の外部に開口した孔１８ａからライザー管１０内の液体に取り込み、気泡からガスを取り出す。
圧力を低減させるステップでは、ライザー管１０内の液体を吸い上げる液体輸送管１４（排出管）の吸込口１４ａを、孔１８ａより下方に位置させた状態で、液体輸送管１４を用いて液体をライザー管１０の外部に排出する。

圧力を低減させるとき、吸込口１４ａが、ハイドレート層５が存在する深さ範囲内において、ハイドレート層５の下方に隣接する下層６に接近して配置された状態で、液体の排出を行うことが好ましい。ハイドレート層の下方に隣接する地層は、一般に、ハイドレート層よりも温度が高く、大きな地熱を保持しているため、吸込口１４ａを、ハイドレート層５に隣接する下層６に接近して配置することで、吸込口１４ａの付近で天然ガスハイドレートが再生成して液体輸送管１４を閉塞させることを抑制できる。

上記実施形態の天然ガス生産方法を、以下のように実現することが好ましい。
さらに、ライザー管１０内の液体の上方に形成される気相空間Ｇの圧力を測定する。
気相空間Ｇの圧力の測定値の気相空間Ｇの基準圧力からの変動量に応じて、液体輸送管１４から排出される液体の排出量を制御することでガスハイドレートに作用する圧力を制御する。気相空間Ｇの圧力は、ライザー管１０の下端の位置と孔１８ａの高さ位置との高低差に影響を受けることがなく、気相空間Ｇの圧力には、天然ガスハイドレートに作用する圧力の変化が反映されやすい。したがって、坑底圧を用いる場合と比べて、天然ガスハイドレートの分解のために天然ガスハイドレートに作用させる圧力を精度良く制御することができる。

また、上記実施形態の天然ガス生産方法を、以下のように実現することが好ましい。
さらに、吸込口１４ａに向かって流れる液体に、吸込口１４ａに対し液体の流れ方向の上流側に配置された調整部材２７を通過させつつ調整部材２７を気泡の少なくとも一部と接触させることで、気泡の少なくとも一部のサイズを調整する。
サイズが調整された気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を液体から分離する。サイズが調整された気泡は、浮上する力が小さいため、遠心分離器２２によって集められやすく、液体輸送管１４の外側に放出されやすい。このため、液体輸送管１４から排出される液体中に混入する気泡の量が低減され、その分、ガス生成ライン１２によって取り出される天然ガスの量が増える。これにより、天然ガスの生産量の低減が抑制される。

以上、本発明のガス生産システム及びガス生産方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１ ガス生産システム
２ 海底面
３ 掘削船
４ 上層
５ ハイドレート層
６ 下層
７ 坑井
１０ ライザー管
１０ａ 先端部
１１ 管本体
１２ ガス生成ライン
１３ 液体排出ライン
１４ 液体輸送管
１５ａ 空間
１６ 管
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 隔壁
１８ 揚収管部分
２０ 気液分離装置
２２ 遠心分離器
２３ ポンプ
２４ モータ
２５ スクリュー
２６ ヒータ
２７ コイル
３０，３１ 圧力計
４０ 制御装置

Claims (8)

1. 地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産するシステムであって、
   地中内に埋設されるように構成された先端部を有する長尺状の管であって、前記先端部から上方に延びる前記管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減することにより、前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を前記管内の前記液体に取り込むように、前記先端部に設けられ前記管の外部に開口した孔を備えたライザー管と、
   前記ライザー管内に配置され、前記液体が前記ライザー管の外部に排出されるよう、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げる排出管と、を備え、
   前記排出管は、前記孔より下方に位置するよう配置される吸込口を有している、ことを特徴とするガス生産システム。
2. 前記吸込口は、前記ガスハイドレートを含んだ地中内の地層が存在する深さ範囲内において、前記地層の下方に隣接する他の地層に接近して配置される、請求項１に記載のガス生産システム。
3. さらに、前記ライザー管内の前記液体の上方に形成される気相空間の圧力を測定する圧力計と、
   前記気相空間の圧力の測定値の前記気相空間の基準圧力からの変動量に応じて、前記排出管から排出される前記液体の排出量を制御することで前記ガスハイドレートに作用する圧力を制御する制御装置と、を備える、請求項１又は２に記載のガス生産システム。
4. さらに、前記吸込口に対し前記液体の流れ方向の上流側に配置され、前記吸込口に向かって流れる前記液体を通過させつつ前記気泡の少なくとも一部と接触することで、前記気泡の少なくとも一部のサイズを調整する調整部材と、
   サイズが調整された前記気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を前記液体から分離する分離装置と、を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス生産システム。
5. 地中内のガスハイドレートを分解してガスを生産する方法であって、
   地中内に埋設された先端部を有し、前記先端部から上方に延びるライザー管内の液体によって生じる圧力を用いて前記管の外部にあるガスハイドレートに作用する圧力を低減させるステップと、
   前記ガスハイドレートに作用する、低減された圧力によって前記ガスハイドレートから分解して生成される気泡を含む気液混合物を、前記ライザー管の外部に開口した孔から前記ライザー管内の前記液体に取り込み、前記気泡からガスを取り出すステップと、を備え、
   前記圧力を低減させるステップでは、前記ライザー管内の前記液体を吸い上げる排出管の吸込口を、前記孔より下方に位置させた状態で、前記排出管を用いて前記液体を前記ライザー管の外部に排出する、ことを特徴とするガス生産方法。
6. 前記圧力を低減させるステップでは、前記吸込口が、前記ガスハイドレートを含んだ地中内の地層が存在する深さ範囲内において、前記地層の下方に隣接する他の地層に接近して配置された状態で、前記液体の排出を行う、請求項５に記載のガス生産方法。
7. さらに、前記ライザー管内の前記液体の上方に形成される気相空間の圧力を測定するステップと、
   前記気相空間の圧力の測定値の前記気相空間の基準圧力からの変動量に応じて、前記排出管から排出される前記液体の排出量を制御することで前記ガスハイドレートに作用する圧力を制御するステップと、を備える、請求項５又は６に記載のガス生産方法。
8. さらに、前記吸込口に向かって流れる前記液体に、前記吸込口に対し前記液体の流れ方向の上流側に配置された調整部材を通過させつつ前記調整部材を前記気泡の少なくとも一部と接触させることで、前記気泡の少なくとも一部のサイズを調整するステップと、
   サイズが調整された前記気泡に遠心力を作用させ、当該気泡の少なくとも一部を前記液体から分離するステップと、を備える、請求項５から７のいずれか１項に記載のガス生産方法。
   

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