WO2018109892A1 - メタンガス生産設備及びメタンガス生産方法 - Google Patents

メタンガス生産設備及びメタンガス生産方法 Download PDF

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WO2018109892A1
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methane
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production
riser pipe
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啓克 内田
松本　淳
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日揮株式会社
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C50/00—Obtaining minerals from underwater, not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a technique for producing methane gas from a methane hydrate layer.
  • methane hydrate As an unconventional resource, methane hydrate (also referred to as gas hydrate) present in the deep sea and frozen soil is drawing attention.
  • Methane hydrate is a solid substance that exists in a state in which guest molecules mainly composed of methane molecules are incorporated in a cage structure (clathrate) of water molecules under predetermined temperature and pressure conditions.
  • Non-Patent Document 1 proposes a method of producing methane gas by a depressurization method from a sand layer type methane hydrate layer formed in a seabed formation.
  • the depressurization method is a technique for decomposing methane hydrate by lowering the pressure in and around the production well by pumping up water in the production well formed to pierce the methane hydrate layer.
  • Methane gas and water generated as a result of decomposition of methane hydrate flow into the production well and are then separated into gas and liquid.
  • the water after the gas-liquid separation is pumped up using a pump provided at the bottom of the riser constituting the water pumping flow path.
  • the methane gas separated from the water rises in the gas flow path formed separately from the water pumping flow path and is extracted into the riser.
  • methane gas can be continuously produced from the sand layer type methane hydrate layer.
  • installing equipment such as pumps and separators for gas-liquid separation in production wells on the seabed at a depth of several hundred meters or more may increase the manufacturing and installation costs of each equipment.
  • Patent Documents 1 and 2 a surface layer type located on the surface layer of the sea floor using a method called a bubble pump or an air lift that blows a gas for transportation into a riser (transport pipe, transport pipe) that transports methane hydrate.
  • a technique for sucking up a methane hydrate mass from a methane hydrate layer is described.
  • these Patent Documents 1 and 2 do not disclose a technique that makes it possible to continuously produce methane gas by gas lift even from a sand layer type methane hydrate layer existing in the ground.
  • JP 2002-536573 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-262083
  • the present invention has been made under such a background, and an object thereof is to provide a methane gas production facility and a methane gas production method capable of continuously producing methane gas from a methane hydrate layer by gas lift. It is in.
  • the methane gas production facility of the present invention is a methane gas production facility for producing methane gas from a methane hydrate layer.
  • a production well provided at the bottom of the water and formed to communicate with the methane hydrate layer;
  • a riser pipe the lower end side of which is in airtight communication with the internal space of the production well, and for extracting a gas-liquid mixed fluid containing methane gas and water from the production well;
  • a lift gas supply pipe for supplying the lift gas supplied from the lift gas supply unit into the riser pipe,
  • the methane hydrate in the methane hydrate layer communicating with the production well is decomposed by mixing the lift gas supplied from the lift gas supply pipe into the water filled in the riser pipe and the production well and depressurizing the production well.
  • the gas-liquid mixed fluid obtained as described above is raised through the riser pipe.
  • the methane gas production facility may have the following features.
  • a gas-liquid separation unit that is provided on the upper end side of the riser pipe and separates the gas-liquid mixed fluid flowing out from the riser pipe into methane gas and water.
  • the lift gas is methane gas separated from the gas-liquid mixed fluid in the gas-liquid separator.
  • the said lift gas supply part is a compressor which compresses oxygen-free gas.
  • the water bottom is provided with a plurality of production wells, and the plurality of production wells are connected to the common riser pipe through a connecting pipe.
  • the methane gas production method according to another invention is a methane gas production method for producing methane gas from a methane hydrate layer, A lift gas is mixed into water filled in a production well provided at the bottom of the water and formed so as to communicate with the inside of the methane hydrate layer, and a riser pipe whose lower end side is in airtight communication with the internal space of the production well.
  • the methane gas production method may have the following characteristics.
  • the lift gas is an oxygen-free gas.
  • the oxygen-free gas is methane gas separated from the gas-liquid mixed fluid.
  • the methane gas separated from the gas-liquid mixed fluid is supplied to at least one methane gas utilization facility selected from a methane gas utilization facility group consisting of a methane gas liquefaction facility, a synthesis gas production facility, a thermal power generation facility, and a city gas supply facility. To be done.
  • F When the gas-liquid mixed fluid is maintained in a reduced pressure in the production well with the formation of a flow that rises in the riser pipe, the lift gas is brought into a self-injection state in which decomposition of the methane hydrate proceeds. Including the step of stopping the supply of.
  • the present invention reduces the pressure in the production well by supplying lift gas into a riser pipe that is airtightly connected to the production well that produces methane gas from the methane hydrate layer, and methane hydrate in a region that communicates with the production well. To decompose. As a result, since the obtained gas-liquid mixed fluid of methane gas and water rises in the riser pipe, methane gas can be produced with a simple and inexpensive configuration.
  • the methane gas production facility of this example produces methane gas from, for example, a sand layer type methane hydrate layer MHL formed on the lower layer side of the formation GL constituting the sea bottom (water bottom).
  • the geological layer GL with the methane hydrate layer MHL is located on the ocean floor with a depth of several hundred meters or more, and the methane hydrate layer MHL is located several tens to several hundred meters below the sea floor of this geological layer GL. ing.
  • the production well 2 has a structure in which a cylindrical casing 21 is disposed so as to extend downward from the sea bottom of the formation GL toward the methane hydrate layer MHL located on the lower side of the formation GL.
  • the casing 21 is made of, for example, a metal pipe having a diameter of several tens of centimeters to several meters, and is fixed to the formation GL with a cement (not shown).
  • the lower side region of the casing 21 is inserted into the methane hydrate layer MHL, and a finishing layer 22 communicating with the methane hydrate layer MHL is formed in the lower side region through perforations, sand screens, and the like. Moreover, the lower end part of the casing 21 may be opened toward the methane hydrate layer MHL, or may be closed by providing a casing shoe.
  • a flange-like riser base 23 is provided on the upper surface of the production well 2, and a flow path is formed in the riser base 23 so as to penetrate the inside thereof in the vertical direction.
  • a tubing 27 is connected to the lower surface of the riser base 23 so as to communicate with the flow path.
  • the tubing 27 is made of a metal pipe having a diameter of several tens of centimeters to several meters smaller than the inner diameter of the casing 21, and is inserted from the riser base 23 toward the internal space of the casing 21 (production well 2). ing.
  • the lower end portion of the tubing 27 opens toward the lower region of the casing 21 in which the finishing layer 22 is formed, and the gap between the casing 21 and the tubing 27 at the lower end portion is blocked by the packer 24. Yes.
  • the riser pipe 11 is made of, for example, a metal pipe or a flexible pipe having a diameter of several tens of centimeters to several meters, and the lower end portion of the riser pipe 11 is connected to the upper surface of the riser base 23.
  • the riser pipe 11 connected to the tubing 27 via the riser base 23 is in an airtight communication with the internal space of the production well 2.
  • a floater 3 is installed on the sea above the production well 2.
  • the riser pipe 11 extends upward from the bottom of the sea connected to the riser base 23 to the floater 3 through the sea.
  • the floater 3 receives a later-described gas-liquid mixed fluid extracted from the methane hydrate layer MHL via the riser pipe 11 and separates the gas-liquid mixed fluid into methane gas and water (gas-liquid separation tank ( A gas-liquid separator 31) is provided.
  • gas-liquid separation tank A gas-liquid separator 31
  • the upper end portion of the riser pipe 11 is connected to a gas-liquid separation tank 31, and a control valve V1 is installed upstream or downstream thereof (in FIGS. 1 to 6, the control valve V1 is installed upstream of the gas-liquid separation tank 31). An example is provided).
  • the gas-liquid separation tank 31 includes a line for extracting methane gas after gas-liquid separation from the space on the upper side in the gas-liquid separation tank 31, and a gas from the lower side region in the gas-liquid separation tank 31.
  • a line for extracting water after liquid separation is connected.
  • the methane gas extraction line is provided with a gas compressor 32 for boosting and shipping the methane gas extracted from the gas-liquid separation tank 31.
  • a wastewater treatment unit (not shown) for performing necessary wastewater treatment is provided before discharging water.
  • a line for extracting a part of the pressurized methane gas is branched.
  • This branch line is connected to the upstream end of the lift gas supply pipe 12 via a flow rate adjusting valve V2.
  • the gas compressor 32 also has a function as a lift gas supply unit that supplies lift gas to the lift gas supply pipe 12.
  • a nitrogen gas supply unit 33 including a nitrogen gas tank and a gas compressor for supplying nitrogen gas to the lift gas supply pipe 12 is provided at the upstream end of the lift gas supply pipe 12 to adjust the flow rate. It is connected via a valve V3.
  • the nitrogen gas supply unit 33 also corresponds to a lift gas supply unit that supplies lift gas to the lift gas supply pipe 12.
  • the lift gas supply pipe 12 extends along the extending direction of the riser pipe 11 from the floater 3 to the bottom of the sea and downward in the sea.
  • the lower end portion of the lift gas supply pipe 12 is connected to the above-described riser base 23 and communicates with the riser pipe 11 via a flow path formed in the riser base 23.
  • the lift gas supply pipe 12 functions to supply methane gas and nitrogen gas, which are oxygen-free gases, as lift gas toward the riser pipe 11. Therefore, in a state where the riser pipe 11 is filled with water W, the gas compressor 32 and the nitrogen gas supply section 33 that supply the lift gas to the lift gas supply pipe 12 are connected from the riser pipe 11 side at the connection position with the riser pipe 11 side. It has the ability to supply lift gas at a pressure that can mix the lift gas at a desired flow rate into the riser pipe 11 against the applied water pressure.
  • the reason why the oxygen-free gas is used as the lift gas is to prevent the formation of a combustible air-fuel mixture when producing the methane hydrate layer MHL methane gas. Therefore, the case where these lift gases contain a trace amount of oxygen that does not form a combustible mixture as an inevitable component is not denied.
  • the interior of the production well 2 and the riser pipe 11 are initially filled with water W.
  • the riser pipe 11 is lowered to the connection position with the riser base 23 without covering the lower end of the riser pipe 11 when the riser pipe 11 is laid, seawater enters the riser pipe 11. Even when the production well 2 is installed, seawater enters the production well 2.
  • the water W filled in the production well 2 and the riser pipe 11 is, for example, these seawaters.
  • the control valve V ⁇ b> 1 between the riser pipe 11 and the gas-liquid separation tank 31 is opened, and the flow rate control valve V ⁇ b> 3 on the side of the nitrogen gas supply unit 33 is opened.
  • Nitrogen gas which is a lift gas, is supplied to the lift gas supply pipe 12. The nitrogen gas flows downward in the lift gas supply pipe 12 and is mixed into the water W in the riser pipe 11 through the connection position with the riser base 23.
  • a gas-liquid mixed fluid of nitrogen gas bubbles B and water W is formed above the nitrogen gas mixing position. Since the specific gravity of the gas-liquid mixed fluid is smaller than the specific gravity of the water W below the nitrogen gas mixing position, the lower water W having a large specific gravity is lifted upward from the nitrogen gas mixing position. (Gas lift effect). Due to this gas lift effect, the pressure in the production well 2 below the gas mixing position decreases, and the gas-liquid mixed fluid starts to rise in the riser pipe 11.
  • the surrounding methane communicating with the production well 2 through the finishing layer 22 The pressure in the hydrate layer MHL begins to drop. And if the pressure in the methane hydrate layer MHL falls, methane hydrate will decompose
  • the methane hydrate layer may contain components other than methane, for example, components such as ethane and propane, and the mixed gas of such methane and other components is also referred to as “methane gas” in the following description. Call.
  • a mixed fluid of methane gas generated by the decomposition of methane hydrate and water (product water) W (which does not form methane hydrate and may originally contain water that was originally present in methane hydrate layer MHL) ) Flows into the production well 2 through the finishing layer 22 and rises in the production well 2 and the riser pipe 11 by the lift gas effect (FIG. 4).
  • the lower end of the riser pipe 11 is connected to a riser base 23 provided on the seabed at a depth of 1000 meters, and a methane hydrate layer MHL exists at a position several tens to several hundred meters below the riser base 23.
  • a water pressure of about 100 Bar (10 MPaG) is applied to the inside of the riser pipe 11 in the vicinity of the connection position with the riser base 23.
  • the water pressure at the connection position can be reduced to about 30 to 50 Bar (3 to 5 MPaG) by the lift gas effect, It is thought that the decomposition of methane hydrate can be continuously generated.
  • the mixed fluid that has risen in the riser pipe 11 reaches the floater 3 side then flows into the gas-liquid separation tank 31, and is separated into methane gas and water in the gas-liquid separation tank 31.
  • the gas compressor 32 is started and the flow rate adjustment valve V2 is opened.
  • the flow rate adjustment valve V3 on the nitrogen gas supply unit 33 side is closed, and the lift gas is switched from nitrogen gas to methane gas (FIG. 4).
  • the mixed fluid (methane gas and production water) itself that flows into the production well 2 from the methane hydrate layer MHL is the riser pipe 11
  • the lift gas effect is also exhibited by the formation of a flow that rises inside.
  • the supply of methane gas (lift gas) from the lift gas supply pipe 12 may be stopped as shown in FIG. Further, when the production amount of methane gas is small and stable production cannot be achieved only by production by self-injection, a lift gas having a flow rate necessary for maintaining the shipment flow rate may be additionally supplied as appropriate.
  • the methane gas production can be resumed by restarting the supply of the lift gas from the lift gas supply pipe 12 or increasing the supply flow rate of the lift gas.
  • the methane gas produced in the methane hydrate layer MHL and extracted into the gas-liquid separation tank 31 through the production well 2 and the riser pipe 11 is pressurized by the gas compressor 32 by the operation of the methane gas production facility described above. Then, it is supplied to the methane gas utilization facility at the latter stage.
  • the methane gas utilization equipment includes methane gas liquefaction equipment that cools and liquefies methane gas, synthesis gas production equipment that produces synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen from methane gas through a chemical reaction, and thermal power generation equipment that generates power by burning methane gas
  • methane gas utilization facility selected from a methane gas utilization facility group consisting of a city gas supply facility for producing city gas by adjusting calorific value by adding LPG (Liquefied Petroleum Gas) to methane gas or adding odor be able to.
  • LPG Liquefied Petroleum Gas
  • these methane gas utilization facilities are installed on the land side outside the floater 3, for example, a pipeline is laid between the floater 3 and the methane gas utilization facility, and the methane gas pressurized by the gas compressor 32 is used as the methane gas.
  • a methane gas utilization facility may be provided in the floater 3, and the liquefied gas, synthesis gas, electric power, and city gas obtained in the floater 3 may be transported from the floater 3 to a consumer.
  • the production water separated from the methane gas in the gas-liquid separation tank 31 is returned to the sea after performing necessary drainage treatment. In addition, when the production water cannot be returned to the sea, it may be re-pressed into the seabed.
  • the methane gas production facility has the following effects.
  • the pressure in the production well 2 is reduced by supplying lift gas into the riser pipe 11 that is airtightly connected to the production well 2 that produces methane gas from the methane hydrate layer MHL. Decompose methane hydrate.
  • the methane gas can be produced with a simple and inexpensive configuration.
  • the methane gas production facility of this example has a separator for separating methane gas and production water on the sea floor where the production well 2 is provided, and a pump for pumping production water. There is no need to provide it. For this reason, the manufacturing cost and installation cost of each apparatus which comprises a methane gas production facility can be reduced significantly. In addition, it is possible to avoid the maintenance difficulty associated with providing power equipment on the seabed.
  • the lift gas supply pipe 12 is not limited to the structure connected to the riser base 23 but may be directly connected to the riser pipe 11. Further, for example, the lift gas supply pipe 12 may be connected to the tubing 27, and the lift gas supply pipe 12 and the riser pipe 11 may be communicated with each other via the tubing 27.
  • the lift gas supply pipe 12 is not limited to the case where it is arranged outside the riser pipe 11 as in the example described with reference to FIG.
  • the riser pipe 11 and the lift gas supply pipe 12 a are placed in the sea so as to be in a double pipe state in which the lift gas supply pipe 12 a having a smaller diameter than the riser pipe 11 is accommodated inside the riser pipe 11.
  • the example of composition of the arranged methane gas production equipment is shown.
  • the lower end portion of the lift gas supply pipe 12a opens in the riser pipe 11, and lift gas is mixed into the water W in the riser pipe 11 from the opening.
  • the mixed fluid of methane gas and product water rises in the gap region between the inner peripheral surface of the riser pipe 11 and the outer peripheral surface of the lift gas supply pipe 12a and is extracted to the gas-liquid separation tank 31 on the floater 3 side.
  • spacers are arranged at a predetermined interval between the riser pipe 11 and the lift gas supply pipe 12a so that the gap region in which the mixed fluid flows is stably formed in the vertical direction in the riser pipe 11. May be.
  • the gas-liquid separation tank 31 is provided outside the methane gas production facility, for example, at a position away from the floater 3, or when it is difficult to provide the nitrogen gas supply unit 33 in the floater 3, the outside.
  • Methane gas or nitrogen gas may be accepted as the lift gas.
  • the lift gas receiving pipe provided in the floater 3 corresponds to the lift gas supply unit of the present methane gas production facility.
  • the oxygen-free gas used for the lift gas is not limited to nitrogen gas or methane gas, and may be vaporized LPG or LNG (Liquefied Natural Gas), for example.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a methane gas production facility for producing methane gas from a plurality of production wells 2 using a single riser pipe 11.
  • a plurality of connecting pipes 26 are connected to a manifold part 23 a provided at the lower end of the riser pipe 11, and each connecting pipe 26 is connected to each production well 2 via the connecting part 25.
  • Yes Christmas tree connection
  • FIG. 8 shows another embodiment of a methane gas production facility for producing methane gas from a plurality of production wells 2 using a single riser pipe 11.
  • the production well 2 is provided below the riser base 23 provided at the lower end portion of the riser pipe 11 and the plurality of connecting portions 25, and the riser base 23 and the connecting portion 25 are connected via the connecting pipe 26. It is configured to connect in order (daisy chain connection).
  • a group of a plurality of production wells 2 connected in a daisy chain to the manifold portion 23a is connected in a Christmas tree shape, or a plurality of daisy chains are connected.
  • a plurality of connecting pipes 26 may be connected to the connecting portion 25 and the manifold portion 23 in a Christmas tree shape.
  • methane gas production facility of this example is not limited to the case of producing methane gas from the methane hydrate layer MHL existing on the seabed, but may be provided in the methane hydrate layer MHL present on the lake bottom to produce methane gas.
  • methane gas production facility of this example is not limited to the case of producing methane gas from the methane hydrate layer MHL existing on the seabed, but may be provided in the methane hydrate layer MHL present on the lake bottom to produce methane gas.

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Abstract

【課題】メタンハイドレート層からガスリフトにより連続的にメタンガスを生産することが可能なメタンガス生産設備などを提供する。 【解決手段】メタンガス生産設備において、生産井２は水底のメタンハイドレート層ＭＨＬ内に連通するように形成され、ライザー管１１は生産井２の内部空間に対して気密に連通し、リフトガス供給管１２はリフトガス供給部３２から供給されたリフトガスをライザー管１１内に供給する。ライザー管１１及び生産井２内に満たされた水にリフトガスを混入すると、生産井２内が減圧され、生産井２に連通するメタンハイドレート層ＭＨＬのメタンハイドレートが分解し、メタンガスと生産水の気液混合流体がライザー管１１を上昇する。

Description

メタンガス生産設備及びメタンガス生産方法
　本発明は、メタンハイドレート層からメタンガスを生産する技術に関する。
　非在来型の資源として、深海や凍土層に存在するメタンハイドレート（ガスハイドレートともいう）が注目されている。メタンハイドレートは、所定の温度、圧力条件下で、水分子のかご構造（クラスレート）内に、メタン分子を主成分とするゲスト分子を取り込んだ状態で存在する固体状の物質である。
　非特許文献１には、海底の地層内に形成された砂層型のメタンハイドレート層から、減圧法によりメタンガスを生産する手法が提案されている。　
　減圧法は、メタンハイドレート層を穿つように形成された生産井内の水をポンプで汲み上げることにより、生産井の内部やその周囲の圧力を低下させてメタンハイドレートを分解させる手法である。
　メタンハイドレートの分解に伴って生成したメタンガスと水は、生産井内に流れ込んだ後、気液分離される。気液分離後の水は、水の汲み上げ流路を構成するライザーの底部に設けられたポンプを用いて汲み上げられる。　
　また、水と分離されたメタンガスは、前記ライザー内に、水の汲み上げ流路と分離して形成されたガス用の流路内を上昇して海上へと抜き出される。
　上記減圧法によれば、砂層型のメタンハイドレート層からも連続的にメタンガスを生産することができると考えられている。一方で、水深数百メートル以上の海底に設けられる生産井に、ポンプや気液分離用のセパレータなどの機器を設置することは、各機器の製造費用や設置費用が高額となるおそれがある他、機器のメンテナンスが困難であるという問題もある。
　ここで特許文献１、２には、メタンハイドレートを輸送するライザー（輸送管、輸送パイプ）に輸送用のガスを吹き込む気泡ポンプやエアリフトと呼ばれる手法を用いて、海底の表層に位置する表層型のメタンハイドレート層からメタンハイドレート塊を吸い上げる技術が記載されている。　
　しかしながら、これら特許文献１、２には、地中に存在する砂層型のメタンハイドレート層からでもガスリフトにより連続的にメタンガスを生産することを可能とする技術の開示はない。
特表２００２－５３６５７３号公報 特開２００３－２６２０８３号公報
メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム、「メタンハイドレートからのガス生産」、インターネット〈URL：http://www.mh21japan.gr.jp/mh/05-2/〉
　本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、メタンハイドレート層からガスリフトにより連続的にメタンガスを生産することが可能なメタンガス生産設備及びメタンガス生産方法を提供することにある。
　本発明のメタンガス生産設備は、メタンハイドレート層からメタンガスを生産するメタンガス生産設備において、
　水底に設けられ、メタンハイドレート層内に連通するように形成された生産井と、
　下端部側が、前記生産井の内部空間に対して気密に連通し、当該生産井からメタンガスと水とを含む気液混合流体を抜き出すためのライザー管と、
　リフトガス供給部から供給されたリフトガスを、前記ライザー管内に供給するためのリフトガス供給管と、を備え、
　前記ライザー管及び生産井内に満たされた水に前記リフトガス供給管から供給されたリフトガスを混入して前記生産井内を減圧することにより、当該生産井に連通するメタンハイドレート層のメタンハイドレートを分解させて得られた前記気液混合流体を、前記ライザー管を介して上昇させることを特徴とする。
　前記メタンガス生産設備は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記ライザー管の上端部側に設けられ、当該ライザー管から流出した前記気液混合流体をメタンガスと水とに分離する気液分離部を備えること。このとき、前記リフトガスは、前記気液分離部にて気液混合流体から分離されたメタンガスであること。また、前記リフトガス供給部は、酸素非含有ガスを圧縮するコンプレッサーであること。　
（ｂ）　前記水底には複数の生産井が設けられ、これら複数の生産井が連結管を介して共通の前記ライザー管に接続されていること。　
（ｃ）前記気液混合流体がライザー管内を上昇する流れの形成に伴って、前記生産井内の減圧が維持されることにより、前記メタンハイドレートの分解が進行する自噴状態となったら、前記リフトガス供給管からのリフトガスの供給を停止すること。
　また、他の発明に係るメタンガス生産方法は、メタンハイドレート層からメタンガスを生産するメタンガス生産方法において、
　水底に設けられ、メタンハイドレート層内に連通するように形成された生産井、及び下端部側が前記生産井の内部空間に対して気密に連通したライザー管内に満たされた水にリフトガスを混入して前記生産井内を減圧し、当該生産井に連通するメタンハイドレート層のメタンハイドレートを分解させる工程と、
　前記メタンハイドレートを分解させて得られたメタンガスと水とを含む気液混合流体を、前記ライザー管を介して上昇させる工程と、
　前記ライザー管の上端部から流出した気液混合流体を、メタンガスと水とに分離する工程と、を含むことを特徴とする。
　前記メタンガス生産方法は以下の特徴を備えていてもよい。　
（ｄ）前記リフトガスは、酸素非含有ガスであること。前記酸素非含有ガスは、前記気液混合流体から分離されたメタンガスであること。　
（ｅ）前記気液混合流体から分離されたメタンガスは、メタンガス液化設備、合成ガス製造設備、火力発電設備、都市ガス供給設備からなるメタンガス利用設備群から選択される少なくとも１つのメタンガス利用設備に供給されること。　
（ｆ）前記気液混合流体がライザー管内を上昇する流れの形成に伴って、前記生産井内の減圧が維持されることにより、前記メタンハイドレートの分解が進行する自噴状態となったら、前記リフトガスの供給を停止する工程を含むこと。
　本発明は、メタンハイドレート層からのメタンガスの生産を行う生産井に対して気密に接続されたライザー管内にリフトガスを供給することにより生産井内を減圧し、生産井と連通する領域のメタンハイドレートを分解させる。この結果、得られたメタンガスと水との気液混合流体は、ライザー管内を上昇するので簡素で安価な構成でメタンガスを生産することができる。
実施の形態に係るメタンガス生産設備の構成例を示す説明図である。 前記メタンガス生産設備の第１の作用図である。 前記メタンガス生産設備の第２の作用図である。 前記メタンガス生産設備の第３の作用図である。 前記メタンガス生産設備の第４の作用図である。 メタンガス生産設備に設けられるライザーの他の構成例を示す説明図である。 複数の生産性に接続されたライザーを備えたメタンガス生産設備の第１の構成例である。 複数の生産性に接続されたライザーを備えたメタンガス生産設備の第２の構成例である。
　はじめに、図１を参照しながら本発明の実施の形態に係るメタンガス生産設備の構成について説明する。本例のメタンガス生産設備は、例えば海底（水底）を構成する地層ＧＬの下層側に形成された砂層型のメタンハイドレート層ＭＨＬからメタンガスを生産する。　
　メタンハイドレート層ＭＨＬを擁する地層ＧＬは、水深が数百メートル以上の海底に位置し、メタンハイドレート層ＭＨＬはこの地層ＧＬの海底面よりも数十メートル～数百メートル程度下方側に位置している。
　生産井２は、地層ＧＬの海底面から、当該地層ＧＬの下方側に位置するメタンハイドレート層ＭＨＬへ向けて、下方側へ伸びるように筒状のケーシング２１を配設した構造となっている。ケーシング２１は、例えば直径が数十センチメートル～数メートルの金属製の配管により構成され、不図示のセメントによって地層ＧＬに対して固定されている。
　ケーシング２１の下部側領域は、メタンハイドレート層ＭＨＬ内に挿入され、当該下部側領域には、穿孔やサンドスクリーンなどを介してメタンハイドレート層ＭＨＬと連通する仕上げ層２２が形成されている。またケーシング２１の下端部は、メタンハイドレート層ＭＨＬに向けて開口していてもよいし、ケーシングシューを設けて塞いでもよい。
　生産井２の上面には、フランジ状のライザーベース２３が設けられ、このライザーベース２３には、その内部を上下方向に貫通する流路が形成されている。ライザーベース２３の下面には、前記流路と連通するようにチュービング２７が接続されている。チュービング２７は、ケーシング２１の内径よりも小さな、数十センチメートル～数メートルの直径を有する金属製の配管により構成され、ライザーベース２３からケーシング２１（生産井２）の内部空間へ向けて挿入されている。チュービング２７の下端部は、仕上げ層２２が形成されたケーシング２１の下部側領域内へ向けて開口し、当該下端部におけるケーシング２１とチュービング２７との間の隙間は、パッカー２４によって塞がれている。
　ライザー管１１は、例えば直径が数十センチメートル～数メートルの金属製の配管やフレキシブルパイプにより構成され、当該ライザー管１１の下端部は、前記ライザーベース２３の上面に接続されている。ライザーベース２３を介してチュービング２７と接続されたライザー管１１は、生産井２の内部空間に対して気密に連通した状態となっている。
　生産井２の上方側の海上にはフローター３が設けられている。ライザー管１１は、ライザーベース２３と接続された海底面から、海中を通って、フローター３へと上方側へ向けて延伸されている。フローター３には、ライザー管１１を介してメタンハイドレート層ＭＨＬから抜き出された後述の気液混合流体を受け入れ、当該気液混合流体をメタンガスと水とに分離するための気液分離槽（気液分離部）３１が設けられている。ライザー管１１の上端部は、気液分離槽３１に接続され、その上流もしくは下流には調節弁Ｖ１が設置される（図１～６には、気液分離槽３１の上流に調節弁Ｖ１を設けた例を示してある）。
　さらに気液分離槽３１には、当該気液分離槽３１内の上部側の空間から、気液分離された後のメタンガスを抜き出すためのラインと、気液分離槽３１内の下部側領域から気液分離後の水を抜き出すためのラインとが接続されている。メタンガスの抜き出しラインには、気液分離槽３１から抜き出されたメタンガスを昇圧して出荷するためのガスコンプレッサー３２が設けられている。一方、水の抜き出しラインの下流側には、水の排出を行う前に、必要な排水処理を行うための不図示の排水処理部が設けられている。
　また、ガスコンプレッサー３２の下流側からは、昇圧されたメタンガスの一部を抜き出すラインが分岐している。この分岐ラインは、流量調節バルブＶ２を介してリフトガス供給管１２の上流側の端部に接続されている。この観点でガスコンプレッサー３２は、リフトガス供給管１２にリフトガスを供給するリフトガス供給部としての機能も備えている。
　さらに図１に示すように、リフトガス供給管１２の上流側の端部には、リフトガス供給管１２に窒素ガスを供給するための窒素ガスタンクやガスコンプレッサーなどを含む窒素ガス供給部３３が、流量調節バルブＶ３を介して接続されている。窒素ガス供給部３３についても、リフトガス供給管１２にリフトガスを供給するリフトガス供給部に相当する。
　リフトガス供給管１２は、ライザー管１１の延伸方向に沿って、フローター３から海底へと海中内を下方側へ向けて延伸されている。本例では、リフトガス供給管１２の下端部は、既述のライザーベース２３に接続され、ライザーベース２３内に形成された流路を介してライザー管１１と連通している。　
　リフトガス供給管１２はライザー管１１内に向けて、酸素非含有ガスであるメタンガスや窒素ガスをリフトガスとして供給する機能を果たす。従って、ライザー管１１に水Ｗが満たされた状態において、リフトガス供給管１２にリフトガスを供給するガスコンプレッサー３２や窒素ガス供給部３３は、ライザー管１１側との接続位置にてライザー管１１側から加わる水圧に抗して、所望の流量のリフトガスをライザー管１１内に混入することが可能な圧力にてリフトガスを供給する能力を備えている。
　なお、リフトガスに酸素非含有ガスを採用する理由は、メタンハイドレート層ＭＨＬメタンガスを生産する際に、燃焼可能な混合気を形成しないようにするためである。従って、これらのリフトガスが、燃焼可能な混合気を形成しない程度の微量な酸素を、不可避成分などとして含有する場合を否定するものではない。
　以上に説明した構成を備えるメタンガス生産設備の作用について説明すると、図２に示すように、初めに生産井２及びライザー管１１の内部は水Ｗで満たされた状態となっている。ライザー管１１の敷設の際に、ライザー管１１の下端部に蓋をせずにライザー管１１をライザーベース２３との接続位置まで降ろしていくと、ライザー管１１内には海水が進入する。また、生産井２の設置時においても、生産井２の内部には海水が進入する。メタンガスの生産開始前において、生産井２及びライザー管１１に満たされている水Ｗは、例えばこれらの海水である。
　次いで、図３に示すように、ライザー管１１と気液分離槽３１との間の調節弁Ｖ１を開くと共に、窒素ガス供給部３３側の流量調節バルブＶ３を開いて、窒素ガス供給部３３からリフトガス供給管１２にリフトガスである窒素ガスを供給する。窒素ガスは、リフトガス供給管１２内を下方側へ向けて流れ、ライザーベース２３との接続位置を介してライザー管１１内の水Ｗに混入される。
　この結果、窒素ガスの混入位置よりも上方側に、窒素ガスの気泡Ｂと水Ｗとの気液混合流体が形成される。この気液混合流体の比重は、窒素ガスの混入位置よりも下方側の水Ｗの比重よりも小さいため、比重の大きな下方側の水Ｗが窒素ガスの混入位置よりも上方側へと持ち上げられる（ガスリフト効果）。このガスリフト効果により、ガス混入位置よりも下方側の生産井２内の圧力が減少すると共に、ライザー管１１内を気液混合流体が上昇し始める。
　ライザー管１１内を気液混合流体の上昇、及び当該ライザー管１１に対して気密に連通する生産井２内の圧力の低下に伴い、仕上げ層２２を介して生産井２と連通する周囲のメタンハイドレート層ＭＨＬ内の圧力が低下し始める。そして、メタンハイドレート層ＭＨＬ内の圧力が低下すると、メタンハイドレートが分解し、メタンガスと生産水とを生じる。なお、このときメタンハイドレート層はメタン以外の成分、例えばエタンやプロパンなどの成分を含んでいてもよく、このようなメタンと他の成分との混合ガスについても以下の説明では「メタンガス」と呼ぶ。　
　メタンハイドレートの分解により発生したメタンガスと水（生産水）Ｗとの混合流体（メタンハイドレートを形成せず、元来、メタンハイドレート層ＭＨＬ内に単独で存在していた水を含んでもよい）は、仕上げ層２２を介して生産井２内に流れ込み、リフトガス効果によって生産井２及びライザー管１１内を上昇する（図４）。
　例えば、水深１０００メートルの海底に設けられたライザーベース２３に対してライザー管１１の下端部が接続され、さらにライザーベース２３よりも数十メートル～数百メートル下方位置にメタンハイドレート層ＭＨＬが存在する場合を考える。このとき、ライザーベース２３との接続位置の近傍のライザー管１１の内部には、約１００Ｂａｒ（１０ＭＰａＧ）の水圧が加わっている。この場合において、生産井２内の圧力損失分を考慮しても、当該接続位置の水圧を、リフトガス効果により３０～５０Ｂａｒ（３～５ＭＰａＧ）程度まで減圧することができれば、仕上げ層２２の周囲におけるメタンハイドレートの分解を連続的に発生させることができると考えられる。
　ライザー管１１内を上昇した混合流体は、フローター３側に到達した後、気液分離槽３１内に流れ込み、気液分離槽３１内にてメタンガスと水とに分離される。気液分離槽３１内に十分量のメタンガスが流入し、ガスコンプレッサー３２を稼働可能な状態となったら、ガスコンプレッサー３２を起動すると共に、流量調節バルブＶ２を開く。一方、窒素ガス供給部３３側の流量調節バルブＶ３を閉じて、リフトガスを窒素ガスからメタンガスに切り替える（図４）。
　本例のメタンガス生産設備では、リフトガス供給管１２からのリフトガスの供給に伴うリフトガス効果のほか、メタンハイドレート層ＭＨＬから生産井２内に流れ込んだ混合流体（メタンガスと生産水）自身がライザー管１１内を上昇する流れの形成によってもリフトガス効果が発揮される。このとき、リフトガスの供給を停止してもメタンガスを生産できる場合は、メタンハイドレート層ＭＨＬから供給される混合流体のリフトガス効果により、生産井２内の減圧が維持され、メタンハイドレートの分解が進行する自噴状態にあると言える。
　このように自噴状態が形成された場合は、図５に示すようにリフトガス供給管１２からのメタンガス（リフトガス）の供給を停止してもよい。また、自噴による生産だけでは、メタンガスの生産量が少なく、安定生産ができない場合などには、出荷流量を維持するために必要な流量のリフトガスを適宜、追加供給してよい。
　さらにここで、生産井２の周囲のメタンハイドレート層ＭＨＬにおいては、自噴状態が常時形成されていることは必須ではない。例えば、メタンガス生産設備の運転を停止した後、リフトガス供給管１２からのリフトガスの供給を再開したり、リフトガスの供給流量を増加させたりすることにより、メタンガスの生産を再継続することができる。
　以上に説明したメタンガス生産設備の作用により、メタンハイドレート層ＭＨＬにて生産され、生産井２及びライザー管１１を介して気液分離槽３１へと抜き出されたメタンガスは、ガスコンプレッサー３２によって昇圧され、後段のメタンガス利用設備に供給される。　
　メタンガス利用設備としては、メタンガスを冷却して液化するメタンガス液化設備、メタンガスから化学反応により一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造する合成ガス製造設備、メタンガスを燃焼させて発電を行う火力発電設備、メタンガスへのＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）の添加による熱量調整や付臭などを行って都市ガスを製造する都市ガス供給設備からなるメタンガス利用設備群から選択される少なくとも１つのメタンガス利用設備を例示することができる。
　ここでこれらのメタンガス利用設備は、フローター３の外部の例えば陸地側へ設置し、フローター３とメタンガス利用設備との間にパイプラインを敷設して、ガスコンプレッサー３２にて昇圧されたメタンガスをメタンガス利用設備へ輸送する構成を採用してもよい。また、メタンガス利用設備をフローター３に併設し、フローター３内で得られた液化ガス、合成ガス、電力や都市ガスをフローター３から消費先へと輸送してもよい。　
　なお、気液分離槽３１にてメタンガスと分離された生産水は、必要な排水処理を行ったうえで、海中へと戻される。また、生産水を海中に戻せない場合は、海底に再圧入してもよい。
　本実施の形態に係るメタンガス生産設備によれば以下の効果がある。メタンハイドレート層ＭＨＬからのメタンガスの生産を行う生産井２に対して気密に接続されたライザー管１１内にリフトガスを供給することにより生産井２内を減圧し、生産井２と連通する領域のメタンハイドレートを分解させる。この結果、得られたメタンガスと水との気液混合流体は、ライザー管１１内を自発的に上昇するので、簡素で安価な構成でメタンガスを生産することができる。
　特に、従来、提案されている減圧法と異なり、本例のメタンガス生産設備は、生産井２が設けられている海底にメタンガスと生産水とを分離するセパレータや、生産水を汲み上げるためのポンプを設ける必要がない。このため、メタンガス生産設備を構成する各機器の製造費用や設置費用を大幅に低減することができる。また、海底に動力機器を設けることに伴うメンテナンスの困難性を回避することも可能となる。
　さらには、メタンガスと生産水との気液混合流体が生産井２に流入してリフトガス効果を発揮することにより、メタンハイドレートの分解が自発的に進行する自噴状態にある場合には、リフトガスの供給流量を低減、停止することもできる。この結果、常時、生産水の汲み上げが必要な従来の減圧法と比較して、メタンガス生産設備の稼働費用も大幅に低減することが可能となる。
　ここで、リフトガス供給管１２は、ライザーベース２３に接続する構成に限らず、ライザー管１１に直接、接続してもよい。また例えばチュービング２７に対してリフトガス供給管１２を接続し、当該チュービング２７を介してリフトガス供給管１２とライザー管１１とを連通させてもよい。
　さらには、リフトガス供給管１２は、図１などを用いて説明した例のように、ライザー管１１の外部に配置する場合に限定されない。例えば図６には、ライザー管１１の内側に、当該ライザー管１１よりも小口径のリフトガス供給管１２ａを収容した二重管の状態となるように、ライザー管１１及びリフトガス供給管１２ａを海中に配置したメタンガス生産設備の構成例を示している。
　リフトガス供給管１２ａの下端部はライザー管１１内で開口し、当該開口からライザー管１１内の水Ｗへとリフトガスが混入される。メタンガスと生産水の混合流体は、ライザー管１１の内周面とリフトガス供給管１２ａ外周面との間の隙間領域内を上昇してフローター３側の気液分離槽３１へと抜き出される。なおこのとき、混合流体が流れる前記隙間領域がライザー管１１内の上下方向に亘って安定的に形成されるように、ライザー管１１とリフトガス供給管１２ａとの間に所定の間隔でスペーサーを配置してもよい。
　さらに図１などを用いて説明した例では、メタンガスの出荷用のガスコンプレッサー３２を利用して、リフトガス供給管１２に対するリフトガスとしてのメタンガス供給を行う例について説明した。但し、出荷用のガスコンプレッサー３２とリフトガス供給管１２へのリフトガス供給用のコンプレッサーを共用化することは必須の要件ではなく、気液分離槽３１に対してリフトガス供給管１２へのリフトガス供給専用の抜き出しライン、コンプレッサーを設けてもよい。
　さらに、メタンガス生産設備の外部、例えばフローター３から離れた位置に気液分離槽３１が設けられている場合や、フローター３に窒素ガス供給部３３を設けることが困難な場合などには、外部からリフトガスとしてメタンガスや窒素ガスを受け入れてもよい。この場合には、フローター３に設けられたリフトガスの受け入れ配管が、本メタンガス生産設備のリフトガス供給部に相当することとなる。　
　そして、リフトガスに用いられる酸素非含有ガスは、窒素ガスやメタンガスに限定されるものではなく、例えば気化させたＬＰＧやＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）であってもよい。
　また図７は、１本のライザー管１１を用いて複数の生産井２からメタンガスの生産を行うメタンガス生産設備の実施形態を示している。本例においては、ライザー管１１の下端部に設けられたマニフォールド部２３ａに対して複数の連結管２６が接続され、各連結管２６が連結部２５を介して各々の生産井２に接続されている（クリスマスツリー接続）。
　次いで、図８は、１本のライザー管１１を用いて複数の生産井２からメタンガスの生産を行うメタンガス生産設備の他の実施形態を示している。この例においては、ライザー管１１の下端部に設けられたライザーベース２３、及び複数の連結部２５の下方に各々生産井２を設け、連結管２６を介してこれらライザーベース２３、連結部２５を順繰りに接続した構成となっている（デイジーチェーン接続）。　
　また、図７、８に示す接続法を組み合わせて、マニフォールド部２３ａに対して、各々、デイジーチェーン接続された複数の生産井２の群をクリスマスツリー状に接続したり、デイジーチェーン接続された複数の連結部２５やマニフォールド部２３に対し、各々、クリスマスツリー状に複数の連結管２６を接続したりしてもよいことは勿論である。
　そして、本例のメタンガス生産設備は、海底に存在するメタンハイドレート層ＭＨＬからメタンガスを生産する場合に限定されず、湖底に存在するメタンハイドレート層ＭＨＬに設けてメタンガスの生産を行ってもよいことは勿論である。　
Ｂ　　　　　気泡
ＭＨＬ　　　メタンハイドレート層
Ｗ　　　　　水
１１　　　　ライザー管
１２、１２ａ
　　　　　　リフトガス供給管
２　　　　　生産井
３１　　　　気液分離槽
３２　　　　ガスコンプレッサー

 

Claims (11)

  1. 　メタンハイドレート層からメタンガスを生産するメタンガス生産設備において、
    　水底に設けられ、メタンハイドレート層内に連通するように形成された生産井と、
    　下端部側が、前記生産井の内部空間に対して気密に連通し、当該生産井からメタンガスと水とを含む気液混合流体を抜き出すためのライザー管と、
    　リフトガス供給部から供給されたリフトガスを、前記ライザー管内に供給するためのリフトガス供給管と、を備え、
    　前記ライザー管及び生産井内に満たされた水に前記リフトガス供給管から供給されたリフトガスを混入して前記生産井内を減圧することにより、当該生産井に連通するメタンハイドレート層のメタンハイドレートを分解させて得られた前記気液混合流体を、前記ライザー管を介して上昇させることを特徴とするメタンガス生産設備。
  2. 　前記ライザー管の上端部側に設けられ、当該ライザー管から流出した前記気液混合流体をメタンガスと水とに分離する気液分離部を備えることを特徴とする請求項１に記載のメタンガス生産設備。
  3. 　前記リフトガスは、前記気液分離部にて気液混合流体から分離されたメタンガスであることを特徴とする請求項２に記載のメタンガス生産設備。
  4. 　前記リフトガス供給部は、酸素非含有ガスを圧縮するコンプレッサーであることを特徴とする請求項１に記載のメタンガス生産設備。
  5. 　前記水底には複数の生産井が設けられ、これら複数の生産井が連結管を介して共通の前記ライザー管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のメタンガス生産設備。
  6. 　前記気液混合流体がライザー管内を上昇する流れの形成に伴って、前記生産井内の減圧が維持されることにより、前記メタンハイドレートの分解が進行する自噴状態となったら、前記リフトガス供給管からのリフトガスの供給を停止することを特徴とする請求項１に記載のメタンガス生産設備。
  7. 　メタンハイドレート層からメタンガスを生産するメタンガス生産方法において、
    　水底に設けられ、メタンハイドレート層内に連通するように形成された生産井、及び下端部側が前記生産井の内部空間に対して気密に連通したライザー管内に満たされた水にリフトガスを混入して前記生産井内を減圧し、当該生産井に連通するメタンハイドレート層のメタンハイドレートを分解させる工程と、
    　前記メタンハイドレートを分解させて得られたメタンガスと水とを含む気液混合流体を、前記ライザー管を介して上昇させる工程と、
    　前記ライザー管の上端部から流出した気液混合流体を、メタンガスと水とに分離する工程と、を含むことを特徴とするメタンガス生産方法。
  8. 　前記リフトガスは、酸素非含有ガスであることを特徴とする請求項７に記載のメタンガス生産方法。
  9. 　前記酸素非含有ガスは、前記気液混合流体から分離されたメタンガスであることを特徴とする請求項８に記載のメタンガス生産方法。
  10. 　前記気液混合流体から分離されたメタンガスは、メタンガス液化設備、合成ガス製造設備、火力発電設備、都市ガス供給設備からなるメタンガス利用設備群から選択される少なくとも１つのメタンガス利用設備に供給されることを特徴とする請求項７に記載のメタンガス生産方法。
  11. 　前記気液混合流体がライザー管内を上昇する流れの形成に伴って、前記生産井内の減圧が維持されることにより、前記メタンハイドレートの分解が進行する自噴状態となったら、前記リフトガスの供給を停止する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載のメタンガス生産方法。

     
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