JP6782919B2 - メタンハイドレート採掘装置 - Google Patents

Description

本発明は、海底、湖底などの水底に存在するメタンハイドレートを採掘するためのメタンハイドレート採掘装置に関する。

石油資源に替わる新資源としてメタンハイドレートが注目を集めており、我が国近海は、世界最大のメタンハイドレート埋蔵量を誇るといわれている。このメタンハイドレートは、水素結合による水分子の籠状構造の中にメタンが入り込んだ氷状の固体結晶であり、低温且つ高圧下で安定的に存在する。そして、永久凍土の地下数百〜千ｍの堆積物中や海底、湖底でこの低温高圧条件が満たされるため、メタンハイドレートは永久凍土や海底、湖底の地盤内に存在している。

また、海底（湖底）のメタンハイドレートは、水深数百ｍ以深の海底（湖底）地盤の地下数百ｍの深層部の砂層に存在する砂層型メタンハイドレートと、海底面（湖底面）に露出するなどして浅層部に存在する表層型メタンハイドレートとがある。そして、現在、我が国でも検討が進められている南海トラフなどの砂層型メタンハイドレートに対し、表層型メタンハイドレートの研究例は世界的にもまだ限られており、我が国では、オホーツク海及び日本海直江津沖の表層型メタンハイドレートに関する調査研究が開始されたばかりである。しかしながら、資源開発の観点からは、表層型メタンハイドレートの方が経済的な生産が可能であるため、その資源量の評価と併せて諸物性の解明が急務とされている。

ここで、メタンハイドレートは、僅かに温度、圧力条件を変化させるだけで相平衡状態が崩れ、分解（解離）させることができる。そのため、砂層型メタンハイドレートにおいては、メタンガスを生産する手法として、熱刺激法、減圧法、インヒビター注入法など温度や圧力の条件を変化させ、相平衡状態を変化させることによってメタンハイドレートをメタンガスと水に分解し、メタンガスを回収する手法が検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

また、メタンハイドレートを含む泥水を水上まで回収してガス化させるとともに、水上でメタンハイドレートを回収した後の土砂などの残渣を、排土用ポンプと取水用の水車を用いて水底に返送するなど、残渣の処分に関する手法も多々検討されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１０−３７９３２号公報 特開２０１１−５２４９３号公報 特開２０１１−８４８９６号公報 特開２０１４−１３４０４９号公報

しかしながら、メタンハイドレートを含む泥水を水上（洋上、湖上）まで回収してガス化させる手法においては、泥水をくみ上げるためのポンプ／動力が必要でコストがかかる。また、泥水中の土粒子を分離し、再度、海底まで戻すこと（戻すためのエネルギー）が必要になる。

また、メタンハイドレートを回収した後の土砂などの残渣を、排土用ポンプと取水用の水車を用いて水底に返送する場合には、排土用ポンプの動力を水車を回すことで対応することが可能であるが、排土時に取水用水車を回す必要があるため、取り込んだメタンハイドレートが一緒に流される可能性があった。

さらに、メタンハイドレートを水底で掘削する掘削部が開放されていることにより、周辺環境への影響が懸念される。また、メタンハイドレートがガス化される水深３００ｍまで泥水を揚収するとともに、分離した土砂を排出するためのポンプが必要となり、コストがかかるなど、改善の余地が残されていた。

本発明は、上記事情に鑑み、好適に海底や湖底などの水底に存在するメタンハイドレートを採掘することを可能にしたメタンハイドレート採掘装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のメタンハイドレート採掘装置は、水底のメタンハイドレートを掘削して回収するためのメタンハイドレート掘削／回収ロボットを備え、該メタンハイドレート掘削／回収ロボットが、水底の表層地盤を掘削して室内に一時的に貯留させる掘削機構と、前記室内に一時的に貯留されたメタンハイドレートを含む土砂を前記室内で破砕する破砕機構と、前記破砕機構で破砕処理した土砂を、比重が小さい細粒化分と、メタンハイドレート及び水と、比重が大きい土砂分とに分離する分離槽と、前記分離槽で分離したメタンハイドレート及び水を水上に揚げるための搬送手段とを備え、前記破砕機構は、前記メタンハイドレートを含む土砂を一時的に溜め込むホッパー室を有し、前記ホッパー室は、残渣貯留手段として機能し、前記メタンハイドレート及び水が分離された土砂を所定の残渣排出場所において排出可能に構成されていることを特徴とする。

また、本発明のメタンハイドレート採掘装置においては、前記破砕機構として、その回転とともにメタンハイドレートを含む土砂をせん断して破砕する機械式破砕機構と、メタンハイドレートを含む土砂に対し高圧水を噴出させ、前記土砂を高圧水の圧力で破砕する高圧水破砕機構とを備えることが望ましい。

さらに、本発明のメタンハイドレート採掘装置においては、前記搬送手段が、揚収管を備え、メタンハイドレート及び海水を前記揚収管の内外の密度差を利用し無動力で水上に揚げるように構成されていることがより望ましい。

本発明のメタンハイドレート採掘装置によれば、好適に海底や湖底などの水底に存在するメタンハイドレートを採掘することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート採掘装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート採掘装置のメタンハイドレート掘削／回収用ロボットを示す側断面図である。 本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート採掘装置のメタンハイドレート掘削／回収用ロボットを示す平面図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係るメタンハイドレート採掘装置について説明する。

ここで、本実施形態は、海底や湖底などの水底に存在するメタンハイドレートを好適に採掘して水上に回収することを可能にする装置に関するものである。

具体的に、本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａは、図１から図３に示すように、水底Ｗ１に存在する表層型のメタンハイドレート１を採掘するためのメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢを備えている。

本実施形態のメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢは、駆動輪を有する自走手段２を備えて自走可能に構成されている。また、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢは、水底Ｗ１の表層地盤（メタンハイドレートを含む）を剥ぎ取るように連続掘削するための例えば耕耘刃状のスクリュー式掘削機構９を備えている。このようなスクリュー式掘削機構９を備えることによって、水底地盤を連続的に、且つ大量に掘削することができる。

さらに、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢは、剥ぎ取ったメタンハイドレートを含む土砂を所望の粒度に細かく粉砕するための破砕機構３を備えている。この破砕機構３としては、例えば、メタンハイドレートを含む土砂を一時的に取り込むホッパー室３ａと、ホッパー室３ａの内部に設けられ、ホッパー室３ａの内部に取り込まれたメタンハイドレートを含む土砂を、その回転とともにせん断して破砕する機械式破砕機構３ｂと、ホッパー室３ａの内部に取り込まれたメタンハイドレートを含む土砂に対し高圧水を噴出させ、土砂を高圧水（ジェット水流を含む）の圧力によってさらに細かく破砕する高圧水破砕機構３ｃとを備えている。

さらに、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢは、破砕処理後の土砂を、比重の軽い細粒化分と、メタンハイドレート及び水と、より重い土砂分に分離する分離槽（分離装置）４を備えている。

本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａは、上記のメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢの分離槽４で分離したメタンハイドレート及び水をガス化装置５に搬送する搬送手段６を備えている。本実施形態の搬送手段６は、例えば、揚収管を備え、メタンハイドレート及び海水を管内外の密度差を利用し無動力で揚水するように構成されている。

ここで、分離槽４で分離して残った土砂などの残渣Ｐに対しては、残渣貯留手段としても機能するホッパー室３ａに一時的に溜め込み、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢが自走して法尻などの所定の残渣排出場所まで達したらその場で排土、残置する。なお、一部の残渣Ｐは、掘削中、水底面に覆土させて残し、水底面に露出したメタンハイドレート１が剥離・浮上することを防止するために利用する。

一方、本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａはメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢを水上の台船Ｍ１、Ｍ２から遠隔操作を行うように構成され、且つその位置を特定し、水底Ｗ１の掘削を管理するように構成されている。

具体的に、メタンハイドレート採掘装置Ａは、水上のＤＰＳ付台船Ｍ１からメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢの基準位置を特定するとともに、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢを遠隔操作するように構成されている。また、水底Ｗ１に設置したトランスポンダ７、監視用のＲＯＶ８を備えている。

なお、図２の符号１０は動力ケーブル、符号１１は油圧ユニットを示している。

上記のように構成した本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａにおいては、自走可能なメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢのスクリュー式掘削機構９によって水底Ｗ１のメタンハイドレート１を含む表層地盤を剥ぎ取るように連続掘削し、ホッパー室３ａに一次的に貯留するとともに、このホッパー室３ａ内で、機械式破砕機構３ｂと高圧水破砕機構３ｃによって、貯留したメタンハイドレート１を含む土砂を細かく粉砕することができる。

そして、粉砕した土砂を分離槽（分離装置）４で、比重の軽い細粒化分と、メタンハイドレート及び水と、より重い土砂分に分離することができ、搬送手段６によって、分離したメタンハイドレート及び水をガス化装置５に搬送することができる。また、このとき、搬送手段６が、例えば、揚収管を備えることにより、メタンハイドレート１及び水を管内外の密度差を利用して無動力で水上に上げることができ、メタンハイドレート１を好適な状態で台船Ｍ１、Ｍ２まで給送することができる。

すなわち、メタンハイドレート１が混じった水は、周囲の海水などの密度に比べて低くなるため、前述の通り、管内外の差圧によって自噴させることができる。この場合、回収にかかるエネルギーをゼロにすることが可能であり、メタンハイドレート１を含む泥水をポンプアップする方式やガスリフト方式（水上から一部ガスを回収管に注入する方法）に比べ、大幅な省エネルギー化を実現できる。

よって、本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａによれば、従来と比較し、メタンハイドレート１の揚収にかかるエネルギーを削減できる。

また、本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａにおいては、分離槽４で分離して残った土砂などの残渣Ｐをメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢのホッパー室３ａで一時的に溜め込み、このメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢを自走制御して、法尻などの所定の残渣排出場所まで搬送し、その場に排出させることができる。これにより、船上への揚土が少なくなることを期待できる。

さらに、本実施形態のメタンハイドレート採掘装置Ａは、メタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢを水上の台船Ｍ１、Ｍ２から遠隔操作することができ、且つその位置を特定し、水底Ｗ１の掘削を好適に管理することができる。

また、船上での分離水（少量の土砂+深層水の混入水）は表層水を混入し、送水管（揚収管と併設）を通じてメタンハイドレート掘削／回収用ロボットＢまで送り、ジェット水として利用することができる。これにより、メタンハイドレート１の細粒化効率を向上させることができ、この細粒化の作業と排土の作業を兼ねることができる。

さらに、一部の土砂などの残渣Ｐを覆土に利用することによって、水底に露出したメタンハイドレート１の剥離・浮上による外部影響を低減することができる。

以上、本発明に係るメタンハイドレート採掘装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ メタンハイドレート
２ 自走手段
３ 破砕機構
３ａ ホッパー室
３ｂ 機械式破砕機構
３ｃ 高圧水破砕機構
４ 分離槽（分離装置）
５ ガス化装置
６ 搬送手段
７ トランスポンダ
８ 監視用のＲＯＶ
９ スクリュー式掘削機構
１０ 動力ケーブル
１１ 油圧ユニット
Ａ メタンハイドレート採掘装置
Ｂ メタンハイドレート掘削／回収ロボット
Ｍ１ 台船
Ｍ２ 台船
Ｗ１ 水底

Claims (3)

1. 水底のメタンハイドレートを掘削して回収するためのメタンハイドレート掘削／回収ロボットを備え、
   該メタンハイドレート掘削／回収ロボットが、水底の表層地盤を掘削して室内に一時的に貯留させる掘削機構と、
   前記室内に一時的に貯留されたメタンハイドレートを含む土砂を前記室内で破砕する破砕機構と、
   前記破砕機構で破砕処理した土砂を、比重が小さい細粒化分と、メタンハイドレート及び水と、比重が大きい土砂分とに分離する分離槽と、
   前記分離槽で分離したメタンハイドレート及び水を水上に揚げるための搬送手段とを備え、
   前記破砕機構は、前記メタンハイドレートを含む土砂を一時的に溜め込むホッパー室を有し、
   前記ホッパー室は、残渣貯留手段として機能し、前記メタンハイドレート及び水が分離された土砂を所定の残渣排出場所において排出可能に構成されていることを特徴とするメタンハイドレート採掘装置。
2. 請求項１記載のメタンハイドレート採掘装置において、
   前記破砕機構として、その回転とともにメタンハイドレートを含む土砂をせん断して破砕する機械式破砕機構と、メタンハイドレートを含む土砂に対し高圧水を噴出させ、前記土砂を高圧水の圧力で破砕する高圧水破砕機構とを備えることを特徴とするメタンハイドレート採掘装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のメタンハイドレート採掘装置において、
   前記搬送手段が、揚収管を備え、メタンハイドレート及び海水を前記揚収管の内外の密度差を利用し無動力で水上に揚げるように構成されていることを特徴とするメタンハイドレート採掘装置。

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