JP7173488B2 - メタンハイドレート混合模擬地盤、メタンハイドレート掘削模擬実験装置、メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法、およびメタンハイドレート模擬地盤の製造方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 １．集会名 第１５回地盤工学会関東支部発表会（公益社団法人地盤工学会関東支部主催） ２．開催日（公開日） 平成３０年１１月２日 ３．開催場所 国立オリンピック記念青少年総合センター（東京都渋谷区代々木神園町３－１）

本発明は、メタンハイドレート混合模擬地盤、メタンハイドレート模擬地盤、メタンハイドレート掘削模擬実験装置、メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法、およびメタンハイドレート模擬地盤の製造方法に関する。

従来、水深が数百メートル以深の海底表層にメタンハイドレート（表層型メタンハイドレート）が賦存することが知られているが、メタンハイドレートの掘削技術は未だ確立されていない。特許文献１には、掘削により海底地盤から分離したメタンハイドレートを海水との比重差により浮上させ、膜構造体で捕集して回収する採掘方法が記載されている。

なお、メタンハイドレートの力学特性については不明な部分もあるが、一軸圧縮強さが１～２ＭＮ／ｍ^２程度であるとの報告がなされている（非特許文献１）。

特願２０１８－２６３３９

Fujiura, K., Nakamoto, Y., Taguchi, Y., Ohmura, R. and Nagasaka, Y., Thermal conductivity measurements of semiclathrate hydrates and aqueous solutions of tetrabutylammonium bromide (TBAB) and tetrabutylammonium chloride (TBAC) by the transient hot-wire using parylene-coated probe, Fluid Phase Equilibria, Vol.413, pp.129-136, 2016.

上記掘削方法の商業化を実現するには、実海域での実証実験が必要である。それに先立ち、ドリルビットの回転数や降下速度など各種の掘削パラメータ（掘削条件）を把握するために、メタンハイドレートを用いて実験室内で掘削実験を行うことが考えられる。しかしながら、実海域からメタンハイドレートのサンプルを採取することや、メタンハイドレートの安定環境（低温・高圧）で実験を行うことは困難であり、高額な費用を要する。メタンを用いてメタンハイドレートを人工的に作製して実験に供することも考えられるが、メタンは可燃性ガスであることから、実験の安全性に問題を生じる。

また、メタンハイドレートの大気圧下での安定領域は氷点下数十度以下であるため、実験を行うことが容易ではない。仮に温度環境を実現したとしても、海水が凍結してしまい、メタンハイドレートの浮上特性を確認することができない。つまり、メタンハイドレートが安定に存在する低温環境下では海水が凍結するため、掘削実験を行うことができない。一方、海水が凍結しない温度環境下ではメタンハイドレートが分解してしまい、掘削パラメータを正確に把握することができない。

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、メタンハイドレートの水中掘削、浮上および回収に係る模擬実験を実験室で容易に行うことを可能とするメタンハイドレート混合模擬地盤、メタンハイドレート模擬地盤、メタンハイドレート掘削模擬実験装置、メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法、およびメタンハイドレート模擬地盤の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るメタンハイドレート混合模擬地盤は、
メタンハイドレートを含む海底地盤を模擬するためのメタンハイドレート混合模擬地盤であって、
地盤材と、
前記地盤材に混合された模擬メタンハイドレートと、
を備え、
前記模擬メタンハイドレートは、大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が前記模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなり、前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差がメタンハイドレートと海水との比重差以上であることを特徴とする。

また、前記メタンハイドレート混合模擬地盤において、
前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差に等しいようにしてもよい。

本発明に係るメタンハイドレート模擬地盤は、
メタンハイドレートからなる海底地盤を模擬するためのメタンハイドレート模擬地盤であって、
大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が前記模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなり、前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差がメタンハイドレートと海水との比重差以上であることを特徴とする。

また、前記メタンハイドレート模擬地盤において、
前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差に等しいようにしてもよい。

本発明に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置は、
前記メタンハイドレート混合模擬地盤または前記メタンハイドレート模擬地盤が詰められた第１の容器と、
前記第１の容器の開口を覆うように設けられた回収膜と、
前記第１の容器が底面に固定され、前記第１の容器および前記回収膜を浸漬するように内部が前記模擬海水で満たされた第２の容器と、
ドリルビットと、先端に前記ドリルビットが設けられたシャフトと、前記シャフトを回転させる回転モータと、前記シャフトを鉛直方向に移動させるための載荷モータと、を有する掘削機構と、
を備えることを特徴とする。

また、前記メタンハイドレート掘削模擬実験装置において、
掘削時における回転トルクを計測するトルク計と、
掘削時における貫入荷重を計測するロードセルと、
をさらに備えてもよい。

本発明に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置は、
前記メタンハイドレート混合模擬地盤または前記メタンハイドレート模擬地盤が詰められた第１の容器と、
前記第１の容器の開口を覆うように設けられた回収膜と、
前記第１の容器が底面に固定され、前記第１の容器および前記回収膜を浸漬するように内部が前記模擬海水で満たされた第２の容器と、
ドリルビットと、先端に前記ドリルビットが設けられたシャフトと、前記シャフトを回転させる回転モータと、を有する掘削機構と、
前記第２の容器を鉛直方向に移動させる昇降機構と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法は、
ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
前記ＴＢＡＢ水溶液を氷点下まで冷却し固化させて、ＴＢＡＢハイドレートを生成する工程と、
前記ＴＢＡＢハイドレートを所定の形状に加工する工程と、
前記所定の形状に加工されたＴＢＡＢハイドレートを地盤材に混合する工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法は、
ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
容器に地盤材を敷き詰める工程と、
前記敷き詰めた地盤材中に前記ＴＢＡＢ水溶液を導入する工程と、
前記容器を氷点下まで冷却して、前記地盤材中にＴＢＡＢハイドレートを生成させる工程と、
を備えることを特徴とする。

また、前記メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法において、
前記質量パーセント濃度は、２０％～４５％であるようにしてもよい。

本発明に係るメタンハイドレート模擬地盤の製造方法は、
ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
前記ＴＢＡＢ水溶液を氷点下まで冷却し固化させて、ＴＢＡＢハイドレートを生成する工程と、
を備えることを特徴とする。

また、前記メタンハイドレート模擬地盤の製造方法において、
前記質量パーセント濃度は、２０％～４５％であるようにしてもよい。

本発明によれば、メタンハイドレートの水中掘削、浮上および回収に係る模擬実験を実験室で容易に行うことを可能とするメタンハイドレート混合模擬地盤、メタンハイドレート模擬地盤、メタンハイドレート掘削模擬実験装置、メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法、およびメタンハイドレート模擬地盤の製造方法を提供することができる。

実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤の断面図である。 実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。 実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法の別の例を説明するためのフローチャートである。 ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度と圧力との関係の試験結果を示すグラフである。 ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と密度との関係の試験結果を示すグラフである。 ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と一軸圧縮強さとの関係の試験結果を示すグラフである。 ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と破壊ひずみとの関係の試験結果を示すグラフである。 ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と接線ヤング率との関係の試験結果を示すグラフである。 実施形態に係るメタンハイドレート模擬地盤の断面図である。 第１の実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置の一部断面図である。 第２の実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置の一部断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜メタンハイドレート混合模擬地盤＞
まず、図１を参照して、実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤について説明する。図１は、供試体用容器１１０に詰められた、本実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤１０の断面図を示している。

本実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤１０は、メタンハイドレートを含む海底地盤を模擬するためのメタンハイドレート混合模擬地盤である。

メタンハイドレート混合模擬地盤１０は、図１に示すように、地盤材１１と、地盤材１１に混合された模擬メタンハイドレート１２とを備えている。

地盤材１１は、例えば粘性土で構成されている。地盤材１１は、粘性土に限られず、砂質土であってもよいし、あるいは、少なくとも一部が土砂、砂、セメント等で構成されてもよい。このように地盤材１１は所要の強度、粘性等の特性を確保するように調製されている。

模擬メタンハイドレート１２は、ＴＢＡＢハイドレート（臭化テトラブチルアンモニウム・ハイドレート）を所定の形状に加工したものであり、地盤材１１に混合されている。本実施形態では、所定の大きさに加工された粒状のＴＢＡＢハイドレートが模擬メタンハイドレート１２として地盤材１１に混合されている。本実施形態では、複数の模擬メタンハイドレート１２が地盤材１１中に均一に散在している。

なお、大きさの異なる粒状のＴＢＡＢハイドレートが模擬メタンハイドレート１２として地盤材１１に散在されてもよい。また、ＴＢＡＢハイドレートの形状は粒状以外の形状（例えば板状等）であってもよい。また、複数の形状（例えば粒状と板状）のＴＢＡＢハイドレートが模擬メタンハイドレート１２として地盤材１１に混在していてもよい。

また、地盤材１１と模擬メタンハイドレート１２の混合態様は、図１に示すような粒状の模擬メタンハイドレート１２が地盤材１１内に散在している態様に限られない。例えば、板状の模擬メタンハイドレート１２と地盤材１１が交互に積み重ねられていてもよい。

ここで、ＴＢＡＢハイドレートからなる模擬メタンハイドレート１２について、さらに詳しく説明する。

模擬メタンハイドレート１２は、大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなる。そして、ＴＢＡＢハイドレートと模擬海水との比重差（密度差）は、メタンハイドレートと海水との比重差以上である。

なお、好ましくは、ＴＢＡＢハイドレートと模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差（約０．１）にほぼ等しい。これにより、模擬メタンハイドレートであるＴＢＡＢハイドレートの浮上特性を実際のメタンハイドレートの浮上特性により近づけることができる。

模擬メタンハイドレート１２を構成するＴＢＡＢハイドレートは、模擬海水の凝固点よりも高い温度、例えば冷蔵温度（１０℃以下）の温度で固体状態である。後述のように、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度を調整することで、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度を変えることが可能である。

模擬海水は、水の比重を上げるための加重剤（塩化ナトリウム、Ｎａミョウバン、ショ糖等）を溶解させたものである。模擬海水は無色、透明であることが好ましい。メタンハイドレート混合模擬地盤１０から分離し、模擬海水中を浮上するＴＢＡＢハイドレートを観察し易くするためである。また、浮上する際のＴＢＡＢハイドレートの挙動に影響を与えないようにするため、模擬海水は低粘度であることが好ましい。加重剤の条件として好ましくは、水溶性、無害、透明、粘性に影響を与えない、溶解度が低温でも高い（析出しない）、安価、比重が１．１以上の水溶液を作製可能である等の点が挙げられる。

＜メタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法＞
次に、図２Ａのフローチャートを参照して、メタンハイドレート混合模擬地盤１０の製造方法の一例について説明する。

まず、ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する（ステップＳ１１）。より詳しくは、常温および大気圧下で、顆粒状のＴＢＡＢ試薬を容器の水に混合撹拌して、ＴＢＡＢ試薬を水に完全に溶解させる。容器としては、例えばプラスチック製の型枠（プラスチックモールド）を用いる。また、水としては、例えば精製水を用いる。なお、後述のＴＢＡＢハイドレートの平衡温度および力学特性を考慮すると、ステップＳ１１において作製するＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度は、２０％～４５％であることが好ましい。

ＴＢＡＢ水溶液を調製した後、ＴＢＡＢ水溶液を氷点下まで冷却し固化させて、ＴＢＡＢハイドレートを生成する（ステップＳ１２）。本冷却工程では、冷却装置を用いて、例えば－２０℃の温度でＴＢＡＢ水溶液を冷却する。冷却温度は、－３０℃以上０℃以下とすることが好ましい。このように氷点下の温度でＴＢＡＢ水溶液を冷却することで、冷蔵温度で冷却する場合に比べてより短期間でＴＢＡＢハイドレートを生成することができる。なお、ステップＳ１２の後、生成されたＴＢＡＢハイドレートは二次冷却で用いる冷却装置内で保存してもよいし、あるいは冷蔵温度（例えば５℃）環境下で保存してもよい。

ところで、常温から氷点下の温度まで急激にＴＢＡＢ水溶液を冷却する場合、ＴＢＡＢハイドレートに過剰な膨張圧が発生し、プラスチックモールド（収納容器）が破裂するおそれがある。これを防止するため、ステップＳ１２の冷却工程は、一次冷却と二次冷却を含むようにしてもよい。一次冷却では、ＴＢＡＢ水溶液を冷蔵温度（例えば４～５℃）まで冷却し、所定の時間（例えば２４時間程度）温度を維持する。その後、二次冷却では、ＴＢＡＢ水溶液を０℃よりも低い温度（例えば－２０℃）まで冷却し、ＴＢＡＢハイドレートが生成するまで温度を維持する。このように二段階で冷却することで、ＴＢＡＢハイドレートの膨張圧によりプラスチックモールドが破裂することを防止できる。

ステップＳ１２でＴＢＡＢハイドレートを生成した後、ＴＢＡＢハイドレートを所定の形状に加工する（ステップＳ１３）。例えば、ＴＢＡＢハイドレートを粒状または板状に加工する。

ステップＳ１３で所定の形状に加工されたＴＢＡＢハイドレートを地盤材１１に混合する（ステップＳ１４）。その後、地盤材１１とＴＢＡＢハイドレートの混合物を容器（例えば後述の供試体用容器１１０）に詰める（ステップＳ１５）。ステップＳ１３～Ｓ１５は、ＴＢＡＢハイドレートが分解しないよう平衡温度よりも低い温度環境下で行われる。

次に、図２Ｂのフローチャートを参照して、メタンハイドレート混合模擬地盤１０の製造方法に係る別の例について説明する。

まず、ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する（ステップＳ２１）。本ステップは、前述のステップＳ１１と同じである。

容器（例えば後述の供試体用容器１１０）に地盤材を敷き詰める（ステップＳ２２）。本ステップは、ステップＳ２１より前に行ってもよい。

その後、敷き詰めた地盤材中に、ステップＳ２１で調整されたＴＢＡＢ水溶液を導入する（ステップＳ２３）。ＴＢＡＢ水溶液の導入は、容器にＴＢＡＢ水溶液を注いで地盤材を水浸させることにより、地盤材の間隙からＴＢＡＢ水溶液を浸入させることで行ってもよいし、あるいは、注入器などを用いて地盤材中にＴＢＡＢ水溶液を注入することで行ってもよい。

その後、容器を氷点下まで冷却して、地盤材中にＴＢＡＢハイドレートを生成させる（ステップＳ２４）。なお、ステップＳ２４において、冷却温度は－３０℃以上０℃以下とすることが好ましい。

上述した図２Ａおよび図２Ｂに示す方法によってメタンハイドレート混合模擬地盤が製造される。製造されたメタンハイドレート混合模擬地盤は、容器全体が模擬海水の平衡温度以上かつＴＢＡＢハイドレートの平衡温度未満となる実験環境温度下で使用される。

＜ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度＞
次に、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度について図３を参照して説明する。図３は、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度と圧力との関係の試験結果を示すグラフである。グラフ中、三角形のプロットは質量パーセント濃度Ｃ_ＴＢＡＢが１０％のＴＢＡＢ水溶液から生成されたＴＢＡＢハイドレートの測定結果を示している。同様に、四角形のプロット、丸形のプロットおよび菱形のプロットは、それぞれ質量パーセント濃度Ｃ_ＴＢＡＢが２０％、３０％および４０％のＴＢＡＢ水溶液から生成されたＴＢＡＢハイドレートについての測定結果を示している。また、白抜きのマークはＡタイプのハイドレートを示し、黒色のマークはＢタイプのハイドレートを示し、斜線入りのマークはタイプが不明のものを示している。

図３の測定結果によると、ＴＢＡＢハイドレートの圧力が大気圧（約０．１ＭＰａ）に達する平衡温度は、質量パーセント濃度が上がるにつれて上昇する。すなわち、質量パーセント濃度が１０％の場合で約７℃、質量パーセント濃度が２０％の場合で約９℃、質量パーセント濃度が３０％の場合で約１０℃、質量パーセント濃度が４０％の場合で約１２℃である。したがって、質量パーセント濃度が少なくとも１０％以上のＴＢＡＢ水溶液を用いることで、模擬海水が凝固しない温度で固体状態を保つＴＢＡＢハイドレートを生成することができる。

上記のようにＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度を変化させることで、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度を制御することができる。

＜ＴＢＡＢハイドレートの密度＞
次に、ＴＢＡＢハイドレートの密度（比重）について、図４を参照して説明する。図４は、ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と密度との関係の試験結果を示している。この測定結果から分かるように、ＴＢＡＢハイドレートの密度は、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度が高くなるにつれて、ほぼ直線的に上昇する。また、ＴＢＡＢハイドレートの密度は、メタンハイドレートの密度（約０．９ｇ／ｃｍ^３）よりも高く、高濃度の場合は海水の密度（約１．０２～１．０３ｇ／ｃｍ^３）よりも高い。したがって、海水中のメタンハイドレートの浮上特性を模擬するためには、ＴＢＡＢハイドレートよりも密度の高い模擬海水を用いることが必要である。

図４では、模擬海水として使用可能な塩化ナトリウム水溶液およびＮａミョウバン水溶液の密度がプロットされている。いずれの密度も５℃環境で測定された値である。塩化ナトリウム水溶液は質量パーセント濃度が２２％，２３％，２４％の３種類のサンプルについて密度を測定した。Ｎａミョウバン水溶液は質量パーセント濃度が４２．８％のサンプルについて密度を測定した。図４に示すように、いずれのサンプルについてもＴＢＡＢハイドレートとの密度差が０．１ｇ／ｃｍ^３以上であった。

＜ＴＢＡＢハイドレートの力学特性＞
次に、ＴＢＡＢハイドレートの力学特性について説明する。模擬メタンハイドレート１２として用いるＴＢＡＢハイドレートの力学特性は、メタンハイドレートの強度特性にできるだけ近いことが好ましい。図５～図７を参照して、ＴＢＡＢハイドレートの力学特性の評価試験結果について説明する。各評価試験は、大気圧、５℃環境下で、ＪＧＳ ２５２１－２００９に規定された一軸圧縮試験方法に準じて行われた。軸ひずみ速度は、標準の毎分０．１％とした。図５～図７の冷却期間ｔ_ｃは、約－２０℃の二次冷却期間である。

図５は、ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と一軸圧縮強さとの関係の試験結果を示すグラフである。この試験結果によれば、一軸圧縮強さｑ_ｕは約０．３～３．５ＭＮ／ｍ^２であった。メタンハイドレートの一軸圧縮強さは１～２ＭＮ／ｍ^２程度であることから（非特許文献１）、ＴＢＡＢハイドレートの一軸圧縮強さの範囲はメタンハイドレートの一軸圧縮強さの範囲を含んでいると考えられる。また、図５から分かるように、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度が高くなるにつれて、一軸圧縮強さｑ_ｕは高くなる傾向を示す。

図６は、ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と破壊ひずみとの関係の試験結果を示すグラフである。この試験結果によれば、破壊ひずみε_ａｆは約０．１～３％であった。また、図６から分かるように、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度が高くなるにつれて、破壊ひずみε_ａｆは低くなる傾向を示す。

図７は、ＴＢＡＢハイドレートの質量パーセント濃度と接線ヤング率との関係の試験結果を示すグラフである。この試験結果によれば、ｑ／ｑ_ｕ＝０．５のときの接線ヤング率Ｅ_ｔ，５０は約１０～６００ｋＮ／ｍ^２であった。また、図７から分かるように、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度が高くなるにつれて、接線ヤング率Ｅ_ｔ，５０は低くなる傾向を示す。

図５～図７の試験結果から、ＴＢＡＢハイドレートの力学特性は、冷却期間ｔ_ｃの影響はほとんど受けず、一方、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度の影響を受けることが分かった。したがって、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度を変化させることで、ＴＢＡＢハイドレートの力学特性をある程度制御できる。

以上説明したように、本実施形態に係るメタンハイドレート混合模擬地盤１０では、模擬メタンハイドレート１２は、地盤材１１に混合されており、大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が前記模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなる。また、ＴＢＡＢハイドレートと模擬海水との比重差がメタンハイドレートと海水との比重差以上である。これにより、メタンハイドレートを含む海底地盤の水中掘削、メタンハイドレートの浮上および回収に係る模擬実験を実験室で容易に行うことを可能とするメタンハイドレート混合模擬地盤を提供することができる。

＜メタンハイドレート模擬地盤＞
次に、図８を参照して、メタンハイドレートからなる海底地盤を模擬するためのメタンハイドレート模擬地盤２０について説明する。

図８に示すように、メタンハイドレート模擬地盤２０は、所定の容器（供試体用容器１１０）内に詰められている。メタンハイドレート模擬地盤２０は、ＴＢＡＢハイドレートからなる。

メタンハイドレート模擬地盤２０を構成するＴＢＡＢハイドレートは、模擬メタンハイドレート１２を構成するＴＢＡＢハイドレートと同様の特性を有する。すなわち、メタンハイドレート模擬地盤２０は、大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなる。そして、ＴＢＡＢハイドレートと模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差以上である。

なお、好ましくは、ＴＢＡＢハイドレートと模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差（約０．１）にほぼ等しい。これにより、模擬メタンハイドレートであるＴＢＡＢハイドレートの浮上特性を実際のメタンハイドレートの浮上特性により近づけることができる。

本実施形態によれば、メタンハイドレートからなる海底地盤の水中掘削、メタンハイドレートの浮上および回収に係る模擬実験を実験室で容易に行うことを可能とするメタンハイドレート模擬地盤を提供することができる。

＜メタンハイドレート模擬地盤の製造方法＞
ここで、メタンハイドレート模擬地盤２０の製造方法について説明する。メタンハイドレート模擬地盤２０は、メタンハイドレート混合模擬地盤１０の製造方法のステップＳ１１およびステップＳ１２を実施することにより製造される。ステップＳ１１では、水を入れた容器として、例えばプラスチックモールドが用いられる。ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度および力学特性を考慮すると、ステップＳ１１において、ＴＢＡＢ水溶液の質量パーセント濃度は、２０％～４５％であることが好ましい。

なお、メタンハイドレート混合模擬地盤１０の場合と同様に、ステップＳ１２で生成されたＴＢＡＢハイドレートは、二次冷却で用いる冷却装置内で保存してもよいし、あるいは冷蔵温度（例えば５℃）環境下で保存してもよい。

＜メタンハイドレート掘削模擬実験装置＞
次に、上述したメタンハイドレート混合模擬地盤１０、メタンハイドレート模擬地盤２０（以下、まとめて「模擬地盤」ともいう。）を用いてメタンハイドレートの掘削模擬実験を行うための装置に係る２つの実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、図９を参照して、第１の実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置１００について説明する。

メタンハイドレート掘削模擬実験装置１００は、図９に示すように、供試体用容器１１０（第１の容器）と、回収膜１２０と、回収チューブ１２５と、模擬海水用容器１３０（第２の容器）と、掘削機構１４０と、筐体１５０と、を備えている。以下、各構成要素について詳しく説明する。

供試体用容器１１０は、供試体（模擬地盤）を入れるための容器であり、例えば円筒形の容器である。供試体用容器１１０は、回転するドリルビット１４１が模擬地盤に接触した際にドリルビット１４１と一緒に回転しないように模擬海水用容器１３０の底面に固定されている。なお、図９では、メタンハイドレート混合模擬地盤１０が供試体用容器１１０内に詰められているが、これに代えてメタンハイドレート模擬地盤２０が供試体用容器１１０内に詰められていてもよい。

回収膜１２０は、図９に示すように、供試体用容器１１０の開口を覆うように設けられている。この回収膜１２０は、傘状の形状を有しており、頂部には回収チューブ１２５が設けられている。回収膜１２０には、シャフト１４２が挿通するための貫通孔が設けられている。

模擬地盤の掘削時に模擬海水中に浮上するＴＢＡＢハイドレート塊は、回収膜１２０により捕集され、回収チューブ１２５を通って回収される。

回収膜１２０の材料は特に限定されないが、十分な強度を有するとともに、掘削された模擬地盤から模擬海水中に浮上したＴＢＡＢハイドレートが回収膜１２０に付着しないように滑りの良い材料から構成されることが好ましい。回収チューブ１２５についても、丈夫で滑りの良い材料から構成されることが好ましい。なお、回収膜１２０の下面、回収チューブ１２５の内周面に滑り性を良くするための加工を施してもよい。

模擬海水用容器１３０は、供試体用容器１１０と回収膜１２０を収容するための容器である。模擬地盤から分離し、模擬海水３０中を浮上するＴＢＡＢハイドレートを観察し易くするため、模擬海水用容器１３０は無色、透明であることが好ましい。例えば、模擬海水用容器１３０はアクリル樹脂、ポリカーボネート等の透明な合成樹脂からなる。

模擬海水用容器１３０の底面には、供試体用容器１１０が固定されている。模擬海水用容器１３０は、供試体用容器１１０および回収膜１２０を浸漬するように内部が模擬海水３０で満たされている。模擬海水３０は、既述のように、塩化ナトリウム等の加重剤を水に溶解させたものである。なお、模擬海水用容器１３０は、加水試験を行う場合に溢れた泥水等の受け皿となるように構成されてもよい。

掘削機構１４０は、供試体用容器１１０内の模擬地盤を掘削するように構成されている。この掘削機構１４０は、ドリルビット１４１と、シャフト１４２と、回転モータ１４３と、載荷モータ１４４と、トルク計１４５と、ロードセル１４６と、支持棒１４７と、載荷板１４８と、固定板１４９とを有する。

ドリルビット１４１は、模擬地盤を掘削する所定形状の刃であり、シャフト１４２の先端に設けられている。このドリルビット１４１は、好ましくは、ネジ接続等により、シャフト１４２に着脱可能に設けられている。

シャフト１４２は、先端にドリルビット１４１が設けられ、基端に回転モータ１４３が設けられている。なお、シャフト１４２は、回転モータ１４３に直接接続されてもよいし、変速機構などを介して回転モータ１４３に機械的に接続されてもよい。

回転モータ１４３は、シャフト１４２の基端に機械的に接続され、シャフト１４２を回転させるモータである。この回転モータ１４３は、回転数を変えられるように構成されている。

載荷モータ１４４は、ドリルビット１４１およびシャフト１４２を鉛直方向に移動させるためのモータである。載荷モータ１４４は、例えばステッピングモータを用いて構成される。

載荷モータ１４４はシャフト１４２（ドリルビット１４１）の降下速度を変えられるように構成されている。より詳しくは、載荷モータ１４４は、固定板１４９上に配設されている。この載荷モータ１４４は、支持棒１４７および載荷板１４８を介して回転モータ１４３を鉛直方向に移動させることで、ドリルビット１４１およびシャフト１４２を鉛直方向に移動させる。

トルク計１４５は、シャフト１４２に設けられており、模擬地盤の掘削時における回転トルクを計測可能に構成されている。

ロードセル１４６は、支持棒１４７と載荷板１４８との間に介装されており、模擬地盤の掘削時における貫入荷重を計測可能に構成されている。本実施形態では、ロードセル１４６は、四角形状の載荷板１４８の四隅にそれぞれ設けられている。

支持棒１４７は、載荷板１４８を介してドリルビット１４１、シャフト１４２および回転モータ１４３を支持し、載荷モータ１４４により鉛直方向に移動制御される。本実施形態では、載荷板１４８の四隅にそれぞれ支持棒１４７が設けられている。

載荷板１４８は、四角形の板状の部材であり、ロードセル１４６を介して支持棒１４７に接続、支持されている。図９に示すように、載荷板１４８はモータ固定部１４８ａを有しており、回転モータ１４３はモータ固定部１４８ａに固定されている。これにより、載荷板１４８と回転モータ１４３が連動する。

載荷板１４８には貫通孔が設けられており、この貫通孔にシャフト１４２が回転可能に遊挿されている。

固定板１４９は、板状の部材であり、筐体１５０の上部１５３に着脱可能に構成されている。この固定板１４９には鉛直方向に複数の貫通孔が設けられ、各貫通孔に支持棒１４７が鉛直方向に移動可能に遊挿されている。

筐体１５０は、台部１５１と、側部１５２と、上部１５３とを有している。本実施形態では、台部１５１は四角形の板状部材からなる。台部１５１の上に模擬海水用容器１３０が固定されている。なお、台部１５１の下面にキャスター（図示せず）が設けられてもよい。

側部１５２は台部１５１に下端が固定され、鉛直方向に延在する。本実施形態では、側部１５２は棒状の部材からなり、台部１５１の四隅に立設されている。

上部１５３は、側部１５２の上端に固定されている。本実施形態では、上部１５３は、四角形の枠状部材からなる。上部１５３には掘削機構１４０の固定板１４９が着脱可能に固定されている。例えば、上部１５３と固定板１４９はネジにより固定されている。

次に、本実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置１００による模擬地盤の実験方法の一例について説明する。

まず、模擬海水用容器１３０、掘削機構１４０および筐体１５０を冷温実験室に搬入する。冷温実験室の温度は、模擬海水３０の凝固点よりも高く、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度よりも低い温度（例えば５℃）に維持されている。搬入後、模擬海水用容器１３０を台部１５１上に載置または固定し、模擬海水用容器１３０内を模擬海水３０で満たす。その後、冷却装置から取り出した供試体用容器１１０を冷温実験室に搬入し、供試体用容器１１０を回収膜１２０とともに、模擬海水３０中に沈める。その後、固定板１４９が上部１５３に固定され、ドリルビット１４１が模擬地盤の上方に位置するように、掘削機構１４０を筐体１５０にセットする。これにより、模擬実験の準備が整う。

模擬実験では、回転モータ１４３でドリルビット１４１を回転させ、載荷モータ１４４でシャフト１４２を降下させていき、模擬海水中の模擬地盤をドリルビット１４１で掘削する。掘削により模擬地盤からＴＢＡＢハイドレート塊が分離され、模擬海水との比重差により浮上する。そして、模擬海水中を浮上したＴＢＡＢハイドレート塊は、回収膜１２０と回収チューブ１２５により捕集され回収される。なお、模擬地盤がメタンハイドレート混合模擬地盤１０の場合、粘性土等の地盤材１１は掘削に伴い一時的に拡散するが、その後、模擬海水との比重差により沈降堆積する。

実験温度環境下において、模擬メタンハイドレートとして用いられるＴＢＡＢハイドレートの平衡温度は模擬海水よりも高いためほとんど分解せず、また、模擬海水は凍結しない。これにより、海底地盤の掘削によるメタンハイドレートの分離、浮上および回収に関する模擬実験を容易に行うことができる。

上記の模擬実験により、実際に海底地盤からメタンハイドレートを採取することなく、大気圧、模擬海水が凍結しない温度環境下でメタンハイドレートの掘削模擬実験を行うことができる。また、ＴＢＡＢハイドレートは不燃性であり、肌への刺激が少ないことから、可燃性のメタンハイドレートに比べて、安全に実験を行うことができる。

さらに、模擬地盤から分離され、模擬海水中を浮上するＴＢＡＢハイドレート塊（模擬メタンハイドレート塊）の挙動や回収状況を観察することができる。また、回収されたＴＢＡＢハイドレートの分量から回収効率を検証することができる。

さらに、掘削に係る各種パラメータ（掘削パラメータ）を計測し、検証することができる。例えば、回転モータ１４３の回転数を変えることで、効率良く模擬地盤を掘削するのに適切な回転数を調査し抽出することができる。また、載荷モータ１４４によるドリルビット１４１の降下速度を変えることで、効率良く模擬地盤を掘削するのに適切な貫入速度を調査し抽出することができる。また、トルク計１４５による回転トルクの計測結果から、掘削に必要なトルクを調査し抽出することができる。また、ロードセル１４６による貫入荷重の計測結果から、掘削に必要な貫入荷重を調査し抽出することができる。また、ドリルビット１４１は交換可能であるため、種々の刃形状のドリルビットによる掘削効率を確認することで、効率良く模擬地盤を掘削するのに適した刃形状を調査し抽出することができる。

上記のように、メタンハイドレート掘削模擬実験装置１００によれば、模擬地盤の掘削時における模擬メタンハイドレート塊（ＴＢＡＢハイドレート塊）の挙動や回収状況を詳細に観察できるとともに、回収効率を検証したり、望ましい掘削パラメータを抽出することができる。

（第２の実施形態）
次に、図１０を参照して、第２の実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置１００Ａについて説明する。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点の一つは、掘削機構の構成である。第１の実施形態では載荷モータ１４４によりドリルビット１４１およびシャフト１４２を鉛直方向に移動させて模擬地盤を掘削するのに対し、第２の実施形態では模擬海水用容器１３０をドリルビット１４１に近づけることで模擬地盤を掘削する。以下、相違点を中心に第２の実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置について説明する。

メタンハイドレート掘削模擬実験装置１００Ａは、図１０に示すように、供試体用容器１１０と、回収膜１２０と、回収チューブ１２５と、模擬海水用容器１３０と、掘削機構１４０Ａと、筐体１５０Ａと、昇降機構１６０とを備えている。供試体用容器１１０、回収膜１２０、回収チューブ１２５および模擬海水用容器１３０については第１の実施形態と同様であるため、詳しい説明は省略する。

掘削機構１４０Ａは、ドリルビット１４１、シャフト１４２、回転モータ１４３Ａおよびトルク計１４５を有している。シャフト１４２は、上部１５３に設けられた貫通孔に回転可能に遊挿されている。ドリルビット１４１およびトルク計１４５については第１の実施形態と同様である。

回転モータ１４３Ａは、図１０に示すように、シャフト１４２を回転させるモータであり、筐体１５０Ａの上部１５３に着脱可能に固定されている。回転モータ１４３Ａは、回転数を変えられるように構成されている。

筐体１５０Ａは、台部１５１Ａと、側部１５２Ａと、上部１５３Ａとを有している。本実施形態では、台部１５１Ａは四角形の板状部材からなる。台部１５１Ａの上に昇降機構１６０が設けられ、昇降機構１６０の上に模擬海水用容器１３０が載置されている。なお、台部１５１の下面にキャスター（図示せず）が設けられてもよい。

側部１５２Ａは台部１５１Ａに下端が固定され、鉛直方向に延在する。本実施形態では、側部１５２Ａは棒状の部材からなり、台部１５１Ａの四隅に立設されている。

上部１５３Ａは、側部１５２Ａの上端に固定されている。本実施形態では、上部１５３Ａは、四角形の板状部材であり、中央領域にシャフト１４２を挿通させるための貫通孔が設けられている。上部１５３Ａには回転モータ１４３Ａが固定される。

昇降機構１６０は、模擬海水用容器１３０を鉛直方向に移動させるように構成されている。昇降機構１６０は、例えば電動リフターにより構成される。昇降機構１６０が模擬海水用容器１３０を鉛直上方に移動させることにより、ドリルビット１４１が模擬地盤に接触し、模擬地盤が掘削される。

なお、模擬地盤の掘削時における貫入荷重を計測するために、昇降機構１６０と模擬海水用容器１３０との間にロードセル（図示せず）が設けられてもよい。

次に、本実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置１００Ａによる模擬地盤の実験方法の一例について説明する。

まず、模擬海水用容器１３０、掘削機構１４０Ａ、筐体１５０および昇降機構１６０を冷温実験室に搬入する。冷温実験室の温度は、模擬海水３０の凝固点よりも高く、ＴＢＡＢハイドレートの平衡温度よりも低い温度（例えば５℃）に維持されている。模擬海水用容器１３０を昇降機構１６０上に載置または固定し、模擬海水用容器１３０内を模擬海水３０で満たす。その後、冷却装置から取り出した供試体用容器１１０を冷温実験室に搬入し、供試体用容器１１０を回収膜１２０とともに、模擬海水３０中に沈める。その後、シャフト１４２が上部１５３Ａの貫通孔に挿通されるように回転モータ１４３Ａを筐体１５０Ａの上部１５３Ａにセットする。これにより、模擬実験の準備が整う。

模擬実験では、回転モータ１４３Ａでドリルビット１４１を回転させ、昇降機構１６０で模擬海水用容器１３０を持ち上げていき、模擬海水中の模擬地盤をドリルビット１４１で掘削する。掘削により模擬地盤からＴＢＡＢハイドレート塊が分離され、模擬海水との比重差により浮上する。そして、模擬海水中を浮上したＴＢＡＢハイドレート塊は、回収膜１２０と回収チューブ１２５により捕集され回収される。

本実施形態に係るメタンハイドレート掘削模擬実験装置１００Ａによれば、第１の実施形態と同様に、模擬地盤の掘削時における模擬メタンハイドレート塊（ＴＢＡＢハイドレート塊）の挙動や回収状況を詳細に観察できるとともに、回収効率を検証したり、望ましい掘削パラメータを抽出することができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１０ メタンハイドレート混合模擬地盤
１１ 地盤材
１２ 模擬メタンハイドレート
２０ メタンハイドレート模擬地盤
３０ 模擬海水
１００，１００Ａ メタンハイドレート掘削模擬実験装置
１１０ 供試体用容器
１２０ 回収膜
１２５ 回収チューブ
１３０ 模擬海水用容器
１４０，１４０Ａ 掘削機構
１４１ ドリルビット
１４２ シャフト
１４３，１４３Ａ 回転モータ
１４４ 載荷モータ
１４５ トルク計
１４６ ロードセル
１４７ 支持棒
１４８ 載荷板
１４８ａ モータ固定部
１４９ 固定板
１５０，１５０Ａ 筐体
１５１，１５１Ａ 台部
１５２，１５２Ａ 側部
１５３，１５３Ａ 上部
１６０ 昇降機構

Claims (10)

1. メタンハイドレートを含む海底地盤を模擬するためのメタンハイドレート混合模擬地盤であって、
   地盤材と、
   前記地盤材に混合された模擬メタンハイドレートと、
   を備え、
   前記模擬メタンハイドレートは、大気圧、および模擬海水の凝固点よりも高い温度環境下において固体状態であり、比重が前記模擬海水よりも小さいＴＢＡＢハイドレートからなり、前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差がメタンハイドレートと海水との比重差以上であることを特徴とするメタンハイドレート混合模擬地盤。
2. 前記ＴＢＡＢハイドレートと前記模擬海水との比重差は、メタンハイドレートと海水との比重差に等しいことを特徴とする請求項１に記載のメタンハイドレート混合模擬地盤。
3. 請求項１に記載のメタンハイドレート混合模擬地盤が詰められた第１の容器と、
   前記第１の容器の開口を覆うように設けられた回収膜と、
   前記第１の容器が底面に固定され、前記第１の容器および前記回収膜を浸漬するように内部が前記模擬海水で満たされた第２の容器と、
   ドリルビットと、先端に前記ドリルビットが設けられたシャフトと、前記シャフトを回転させる回転モータと、前記シャフトを鉛直方向に移動させるための載荷モータと、を有する掘削機構と、
   を備えることを特徴とするメタンハイドレート掘削模擬実験装置。
4. 掘削時における回転トルクを計測するトルク計と、
   掘削時における貫入荷重を計測するロードセルと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のメタンハイドレート掘削模擬実験装置。
5. 請求項１に記載のメタンハイドレート混合模擬地盤が詰められた第１の容器と、
   前記第１の容器の開口を覆うように設けられた回収膜と、
   前記第１の容器が底面に固定され、前記第１の容器および前記回収膜を浸漬するように内部が前記模擬海水で満たされた第２の容器と、
   ドリルビットと、先端に前記ドリルビットが設けられたシャフトと、前記シャフトを回転させる回転モータと、を有する掘削機構と、
   前記第２の容器を鉛直方向に移動させる昇降機構と、
   を備えることを特徴とするメタンハイドレート掘削模擬実験装置。
6. ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
   前記ＴＢＡＢ水溶液を氷点下まで冷却し固化させて、ＴＢＡＢハイドレートを生成する工程と、
   前記ＴＢＡＢハイドレートを所定の形状に加工する工程と、
   前記所定の形状に加工されたＴＢＡＢハイドレートを地盤材に混合する工程と、
   を備えることを特徴とするメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法。
7. ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
   容器に地盤材を敷き詰める工程と、
   前記敷き詰めた地盤材中に前記ＴＢＡＢ水溶液を導入する工程と、
   前記容器を氷点下まで冷却して、前記地盤材中にＴＢＡＢハイドレートを生成させる工程と、
   を備えることを特徴とするメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法。
8. 前記質量パーセント濃度は、２０％～４５％であることを特徴とする請求項６または７に記載のメタンハイドレート混合模擬地盤の製造方法。
9. ＴＢＡＢ試薬を水に溶解させて、所定の質量パーセント濃度のＴＢＡＢ水溶液を調製する工程と、
   前記ＴＢＡＢ水溶液を氷点下まで冷却し固化させて、メタンハイドレート模擬地盤としてのＴＢＡＢハイドレートを生成する工程と、
   を備えることを特徴とするメタンハイドレート模擬地盤の製造方法。
10. 前記質量パーセント濃度は、２０％～４５％であることを特徴とする請求項９に記載のメタンハイドレート模擬地盤の製造方法。

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