JP6792752B2 - 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。

天然ガスと海水との分離は、遠心分離方式と呼ばれる方式を用いて行われる場合がある。遠心分離方式では、例えば、ライザー管内に、液体の流れ方向と直交するように旋回する液体の流れをつくり、この流れに接近した、気泡を含んだ液体に遠心力を作用させ、気泡と液体の比重差によって、気泡を集めることを行う。集められ、大きくなった気泡は、ライザー管内で分離され、天然ガスとして海上に排出され、回収される。

特開２０１０−２６１２５２号公報

天然ガスハイドレートの分解を継続すると、液体中の気体の流れの形態（流動様式）が変化する場合がある。例えば、流路断面一杯に広がった大きな気泡と、微細気泡を含む液体部分とが流路に沿って交互に流れる形態の流れ（スラグ流）が発生する場合がある。このような大きな気泡は、浮上する力が大きいため、遠心力を作用させてもうまく集められない。このため、ライザー管から排出される海水に多くの気泡が混入し、天然ガスの回収量が減ってしまう。

そこで、本発明は、液体中の気体の流動様式に影響を受けることなく、ガスを効率よく回収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、前記先端部から前記ライザー管内を上昇す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、
分離された気泡中の気体を、生成するガスとして取り出すことを特徴とする。

前記調整部材は、前記液体の流れ方向に沿った、前記孔と前記分離装置との間に、前記分離装置に接近して配置されていることが好ましい。

さらに、前記気泡の少なくとも一部が分離された前記液体を前記ライザー管内から排出するポンプと、
前記ポンプによる前記液体の排出量を調整する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記液体の流動様式の変化に応じて、前記液体の排出量を調整することが好ましい。

さらに、前記ライザー管内に配置され、分離された前記液体を引き上げて排出する排出管を備え、
前記排出管の前記先端部側の端は、前記孔よりも下方に位置していることが好ましい。

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、
前記先端部から前記ライザー管内を上昇する前記液体に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、を備えることを特徴とする。

前記サイズを調整するステップでは、前記液体の流れ方向に沿った、前記孔と、前記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の間において、前記孔と比べ前記分離装置に接近した位置で前記調整を行うことが好ましい。

さらに、ポンプを用いて、前記気泡の少なくとも一部が分離された前記液体を前記ライザー管内から排出するステップと、
前記ポンプによる前記液体の排出量を調整するステップと、を備え、
前記排出量を調整するステップでは、前記液体の流動様式の変化に応じて、前記液体の排出量を調整することが好ましい。

さらに、前記ライザー管内に配置された排出管を用いて、分離された前記液体を引き上げて排出するステップを備え、
前記排出管の前記先端部側の端は、前記孔よりも下方に位置していることが好ましい。

上述のガス生産システム及びガス生産方法によれば、液体中の気体の流動様式に影響を受けることなく、ガスを効率よく回収することができる。

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。 調整部材の一例を示す図である。 図２のライザー管の変形例を示す図である。

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、調整部材と、分離装置と、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。
調整部材は、ライザー管内に配置され、先端部からライザー管内を上昇す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。
分離装置は、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。
システムは、分離された気泡中の気体を、生成するガスとして取り出す。

このシステムでは、先端部から取り込まれ、ライザー管内を上昇する液体の一部は、調整部材を通過する。このとき、当該液体に含まれる気泡の少なくとも一部が、調整部材と接触することで、複数の小さい気泡に分断され、サイズが調整される。サイズが調整された気泡は、浮上する力が小さいため、遠心力を作用させたときに、集めやすい。集められ、大きくなった気泡は、液体から分離され、生成するガスとして取り出される。このように、気泡のサイズを調整することで、遠心分離方式を用いた分離がしやすくなるため、大きな気泡を含んだ形態の液体の流れが発生した場合であっても、ガスを効率よく回収することができる。また、微細気泡は遠心力を作用させて集めることが容易であるため、微細気泡を多く含んだ形態の液体の流れが発生した場合も、気泡内のガスは効率よく回収される。したがって、このシステムによれば、液体の流動様式に影響を受けることなく、ガスを効率よく回収でき、ガスの生産量の低減を抑えることができる。

また、サイズが調整された気泡は、遠心分離方式を用いた分離がしやすいため、このシステムでは、従来一般に採用されている重力分離方式を用いる必要がない。重力分離方式では、液体を上方から下方に流れさせ、気体と液体にかかる重力を利用して、液体から気泡を分離することを行うため、浮上する力の大きい、大きな気泡を分離するのに有利である反面、浮上する力の小さい微細気泡を分離するのに不利である。ライザー管の先端部から取り込まれる高圧の海水は、特に、微細気泡を多く含んだ形態の流れが発生しやすいため、重力分離方式のみを採用した場合、ガスの回収量が減るおそれがある。上記システムによれば、上述したように、遠心分離方式を用いた分離がしやすいため、微細気泡を多く含んだ形態の流れが発生した場合であっても、ガスを効率よく回収でき、ガスの生産量の低減を抑えることができる。

（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、調整部材２７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、下層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。

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。
調整部材２７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、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。

調整部材２７は、先端部１０ａからライザー管１０内を上昇す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。調整部材２７は、図２に示す例において、液体排出ライン１３を構成する液体輸送管１４（後述）の下方に配置されている。調整部材２７は、後で詳細に説明する。

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、サイズが調整された気泡に遠心力を作用させ、気泡の少なくとも一部を液体から分離する装置である。遠心分離器２２は、具体的に、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。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放出され、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。システム１の運転中、弁は開放されている。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、気液分離装置２０から空間１５ａまで延びる液体輸送管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。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。

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。

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、具体的に、坑底圧に応じて、天然ガスハイドレートに作用する圧力を制御する。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、及び調整部材２７、気液分離装置２０、ポンプ２３、制御装置４０、液体輸送管１４、管１６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。

（調整部材及び気泡のサイズの調整）
調整部材２７は、上述したように、先端部１０ａからライザー管１０内を上昇す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。
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り、メッシュの網目の大きさは、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。なお、図２に示す例では、液体は、細い矢印に沿って、ライザー管１０内を上昇し、ヒータ２６の周りを通って、調整部材２７を通過する。図２において、太い矢印は気泡の流れを示す。

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、金網を構成するワイヤ）に衝突して、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、ライザー管１０内を上昇する液体の水流を受けると、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内への気泡の混入が抑制され、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、天然ガスの回収量が増加する。
そして、気泡のサイズを調整し、遠心分離方式を用いた分離がしやすくなることで、大きな気泡を含んだ形態の液体の流れが発生した場合であっても、ガスを効率よく回収することができる。また、微細気泡は遠心力を作用させて集めることが容易であるため、微細気泡を多く含んだ形態の液体の流れが発生した場合も、気泡内のガスは効率よく回収される。したがって、システム１によれば、液体の流動様式に影響を受けることなく、ガスを効率よく回収でき、ガスの生産量の低減を抑えることができる。

また、サイズが調整された気泡は、遠心分離方式を用いた分離がしやすいため、システム１では、重力分離方式を用いる必要がない。重力分離方式では、液体を上方から下方に流れさせ、気体と液体にかかる重力を利用して、液体から気泡を分離することを行うため、浮上する力の大きい、大きな気泡を分離するのに有利である反面、浮上する力の小さい微細気泡を分離するのに不利である。特に、高圧の海水では、微細気泡を多く含んだ形態の流れが発生しやすく、重力分離方式のみを採用したシステムでは、ガスの回収量が減るおそれがある。システム１によれば、上述したように、遠心分離方式を用いた分離がしやすいため、微細気泡を多く含んだ形態の流れが発生した場合であっても、ガスを効率よく回収でき、ガスの生産量の低減を抑えることができる。

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、重力分離方式を省略し、遠心分離方式のみを採用して、気液分離を行うことができるため、ポンプの空引を発生させるおそれがない。

調整部材２７は、液体の流れ方向（図２において鉛直方向）に沿った、孔１８ａと遠心分離器２２との間に、遠心分離器２２に接近して配置されていることが好ましい。遠心分離器２２に接近して配置されているとは、調整部材２７が、孔１８ａよりも遠心分離器２２に近い位置に配置されていることをいう。調整部材２７から液体輸送管１４までの流路が長いと、サイズが調整された気泡は、他の気泡と一体になり、サイズが大きくなる場合がある。調整部材２７が遠心分離器２２に接近して配置されていることで、このように、サイズが調整された気泡のサイズが大きくなることを抑制できる。調整部材２７の配置位置は、遠心分離器２２に接近した位置であるほど好ましい。調整部材２７は、遠心分離器２２の下端から下方に、例えば、当該下端の高さ位置におけるライザー管１０の内径の０〜５％の高さ範囲に配置される。図２に示す例において、調整部材２７は、ヒータ２６と液体輸送管１４との流れ方向の間に配置されている。

液体の流れ方向と直交する方向に沿って調整部材２７が位置する領域の大きさは、液体輸送管１４の開口端（下端）が位置する領域を包含し、かつ、液体輸送管１４の開口端が位置する領域よりも広いことが好ましい。これによって、液体輸送管１４内に流れ込む液体に含まれる、サイズが調整された気泡の量をより多くすることができる。調整部材２７の上記領域の大きさは、調整部材２７の配置位置が遠心分離器２２から遠ざかる側にあるほど、大きくすることが好ましい。

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。

制御装置４０は、液体の流動様式の変化に応じて、ポンプ２３による液体の排出量を調整することが好ましい。これによって、液体に含まれる気泡が調整部材２７と接触したときに受ける力の大きさを調整できる。液体の流動様式は、液体中の気泡の形態によって、例えば、下記の気泡流、スラグ流、チャーン流、及び環状流、に分類される。
・気泡流の形態は、気泡が微細気泡のみで構成され、連続した液体中に微細気泡が分散した流れの形態である。
・スラグ流の形態は、流路断面一杯に広がった大きな気泡（気体スラグ）と微細気泡を含む液体部分（液体スラグ）と、が流路に沿って交互に流れる形態である。
・チャーン流の形態は、気体スラグが長くなり、その界面が脈動している流れの形態であり、液体スラグ中に多数の気泡を含み、気体スラグと液体スラグの境界が不明瞭な形態である。
・環状流の形態は、管壁に液体の膜が存在し、流路断面中心部には多数の気体内に液滴が点在した流れの形態である。
このうち、例えば、スラグ流やチャーン流が発生した場合、大きな気泡が多く存在しているため、制御装置４０は、ポンプ２３の回転数を上げる制御を行う。これによって、液体の流速が大きくなり、気泡が調整部材２７と接触したときに受ける力（剪断力）が大きくなる。このため、気泡のサイズをより小さく調整することができる。
なお、制御装置４０は、大きな気泡が液体中に多く含まれていることの判定を、例えば、液体排出ライン１３から排出される液体の量を用いて行うことができる。大きな気泡が液体中に多く含まれていると、液体の排出量は小さくなるためである。

また、上述のように、液体の流動様式の変化に応じて、ポンプ２３による液体の排出量を調整するとき、遠心分離器２２の回転体２２ａの回転数も調整されることになる。ポンプ２３の回転数を上げる制御が行われる結果、回転体２２ａの回転数が増加すると、気液分離をより効率的に行うことができる。なお、回転体２２ａの回転数は、例えば、３０００回転／分である。

一実施形態によれば、液体輸送管１４（排出管）の先端部１０ａ側の端（下端）は、孔１８ａよりも下方に位置していることが好ましい。つまり、液体輸送管１４の下端は、孔１８ａよりも下方まで延びていることが好ましい。大きな気泡は、浮上する力が大きいため、孔１８ａを通ってライザー管１０内の液体に取り込まれた後、孔１８ａより下方には流れ難い。このため、液体輸送管１４の下端を、孔１８ａより下方に配置することで、大きな気泡が液体輸送管１４内に流れ込むことを抑制でき、液体の流動様式に影響を受けることなく、天然ガスの回収をさらに効率よく行うことができる。この場合、図４に示すように、調整部材２７及びヒータ２６は、液体輸送管１４内に配置されることが好ましい。図４は、図２のライザー管１０の変形例を示す図である。

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。
先端部１０ａからライザー管１０内を上昇する液体を通過させつつ気泡と接触することで、気泡の少なくとも一部のサイズを調整する。
サイズが調整された気泡の少なくとも一部を液体から分離する。

天然ガス生産方法は、サイズを調整するとき、液体の流れ方向に沿った、孔１８ａと気液分離装置２０との間において、孔１８ａと比べ気液分離装置２０に接近した位置で、調整を行うことが好ましい。これにより、サイズが調整された気泡のサイズが、他の気泡と一体になって大きくな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、ポンプ２３を用いて、気泡の少なくとも一部が分離された液体をライザー管１０内から排出する。
ポンプ２３による液体の排出量を調整する。
排出量を調整するとき、液体の流動様式の変化に応じて、液体の排出量を調整する。これによって、液体に含まれる気泡が調整部材２７と接触したときに受ける力の大きさを調整できる。

一実施形態によれば、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内に配置された液体輸送管１４（排出管）を用いて、分離された液体を引き上げて排出する。ここで、液体輸送管１４の先端部１０a側の端は、孔１８aよりも下方に位置している。大きな気泡は、浮上する力が大きいため、孔１８ａを通ってライザー管１０内の液体に取り込まれた後、孔１８ａより下方には流れ難い。このため、液体輸送管１４の下端が、孔１８ａより下方に位置していることで、大きな気泡が液体輸送管１４内に流れ込むことを抑制でき、液体の流動様式に影響を受けることなく、天然ガスの回収をさらに効率よく行うことができる。

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
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 調整部材
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、前記先端部から前記ライザー管内を上昇す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、
   分離された気泡中の気体を、生成するガスとして取り出すことを特徴とするガス生産システム。
2. 前記調整部材は、前記液体の流れ方向に沿った、前記孔と前記分離装置との間に、前記分離装置に接近して配置されている、請求項１に記載のガス生産システム。
3. さらに、前記気泡の少なくとも一部が分離された前記液体を前記ライザー管内から排出するポンプと、
   前記ポンプによる前記液体の排出量を調整する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記液体の流動様式の変化に応じて、前記液体の排出量を調整する、請求項１又は２に記載のガス生産システム。
4. さらに、前記ライザー管内に配置され、分離された前記液体を引き上げて排出する排出管を備え、
   前記排出管の前記先端部側の端は、前記孔よりも下方に位置している、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、
   前記先端部から前記ライザー管内を上昇する前記液体に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、を備えることを特徴とするガス生産方法。
6. 前記サイズを調整するステップでは、前記液体の流れ方向に沿った、前記孔と、前記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の間において、前記孔と比べ前記分離装置に接近した位置で前記調整を行う、請求項５に記載のガス生産方法。
7. さらに、ポンプを用いて、前記気泡の少なくとも一部が分離された前記液体を前記ライザー管内から排出するステップと、
   前記ポンプによる前記液体の排出量を調整するステップと、を備え、
   前記排出量を調整するステップでは、前記液体の流動様式の変化に応じて、前記液体の排出量を調整する、請求項５又は６に記載のガス生産方法。
8. さらに、前記ライザー管内に配置された排出管を用いて、分離された前記液体を引き上げて排出するステップを備え、
   前記排出管の前記先端部側の端は、前記孔よりも下方に位置している、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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