JP4364748B2 - 地下賦存炭化水素ガス資源収集装置および収集方法 - Google Patents

Description

この発明は、地中に賦存するメタンハイドレートからメタンガスなどの炭化水素ガスを収集する装置および方法に関する。

地中には石油をはじめ、種々の地下資源が埋蔵されているが、最近地下資源としてメタンハイドレートが注目されている。

メタンハイドレートは、複数個の水分子が集まって１２面体、１４面体、１６面体などのケージを形成し、そのケージの中にメタン分子が閉じこめられて一つの分子となり、その分子が結晶状またはランダムに集合したものである。

このメタンハイドレートは、海底下の岩石中やシベリアなど世界各地の地下深くに賦存している。注目すべきことに日本周辺においても、東海沖などの海底下に広く賦存していることが確認され、エネルギー資源として期待されている。

メタンハイドレートは、低温度で高圧力のもとに形成されたものであって、図６の相平衡曲線図に温度と圧力との関係を示すように、低温度で高圧力の状態（曲線の左側）においてメタンハイドレートを形成し、温度を上昇させるか圧力を低下させると（曲線の右側に移行）、メタンガスと水に分離する。

メタンハイドレートからメタンガスを分離するには、図６に示す相平衡曲線の右側の状態にしなければならない。すなわち、同じ圧力においては、温度を数十度以上、上昇させなければならない。さらに、氷から水に溶解させる潜熱として氷１ｇ当たり７９calの熱エネルギーを必要とし、その溶解熱を含めて、メタンハイドレートを加熱するために多くの熱エネルギーを必要とする。

地中に賦存するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給してメタンガスを採収する方法として、下記特許文献に記載されているように、メタンハイドレートを賦存する地層まで海底を掘削して坑井をあけ、この坑井に挿通した光ファイバーを介して海上からをレーザー光線を導き、このレーザー光線をメタンハイドレートが賦存される地層を照射・加熱してメタンハイドレートを分解し、メタンガスを分離して浮上させることによりメタンガスを収集する方法が提案されている。
特許第３５０６６９６号公報

この方法によると、使用するレーザー光線として、メタンハイドレート、特に水に吸収される波長のレーザー光線を選択して照射しなければならないので、レーザー光源の選択に制限があり、かつ、レーザー光線を伝送する光ファイバーの分光伝送特性をも考慮しなければならない。

そこで、この発明は、このような課題を解決するために考えられたもので、海上または陸上からメタンハイドレートが賦存している地層まで、レーザー光線によって少ない熱損失でエネルギーを伝送し、そこで光エネルギーを熱エネルギーに変換してメタンハイドレートを間接的に加熱して、効率よくメタンガスを収集することを目的としている。

この発明の地下賦存ガス資源収集装置は、浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、このレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層へ導く光ファイバーと、この光ファイバーの先端部にレーザー光線を熱エネルギーに変換する光・熱変換部材とを具備し、光・熱変換部材で変換された熱によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集する装置である。

この発明の地下賦存ガス資源収集方法は、浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、光ファイバーによりメタンハイドレートを賦存する地層へ導き、光ファイバーの先端部に設けた光・熱変換部材によりレーザー光線を熱エネルギーに変換して、この熱エネルギーによりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集する方法である。

この発明の地下賦存メタンガス資源収集装置によると、レーザー光線を光ファイバーを利用してメタンハイドレートが賦存する深い地層まで少ない損失で伝送すること、すなわち、加熱のためのエネルギーを高効率で伝送することができるので、メタンハイドレートからメタンガスを効率よく収集することができ、経済的かつ実用上の効果は極めて大きい。

メタンハイドレートを光・熱変換部材により間接的に加熱するので、メタンハイドレートで吸収される波長のレーザー光線を選択する必要がなく、使用するレーザー光線の波長および光ファイバーの分光伝送特性を考慮すればよく、各種のレーザー光源および光ファイバーを選択することができる。

浮遊式海上構造物（洋上設備）から掘削パイプを海底面まで下ろし、さらに海底面下の地層をメタンハイドレートが賦存する地層まで掘削して坑井を形成する。この坑井の形成は、石油掘削の技術と同じ技術により形成することができる。

この発明の地下賦存ガス資源収集装置は、図１に示すように、浮遊式海上構造物Ａを備え、この浮遊式海上構造物Ａには、掘削した坑井にパイプ３を降下させる装置と、予め光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２をパイプ３内に降下させる装置と、可撓性チューブ２を巻き取るリール７と、光ファイバー１を経てレーザー光線を送出するレーザー発振器４と、パイプ３と可撓性チューブ２との間隙の流路を経て浮上した浮上物からメタンガスを分離する浮上物処理装置８と、浮上物を吸引したり、逆向きに圧送するポンプ６とを備えている。

図２および図３に示すように、可撓性チューブ２の先端には、伝送されて来たレーザー光線を熱エネルギーに変換する光・熱変換部材５が結合されている。この光・熱変換部材５は、熱変換器51と、放熱器53とにより構成されている。

光・熱変換器51は、形状が倒立円錐台形であって、内部に空間52を有しており、光ファイバー１の先端部を保護するとともに、伝送されて来たレーザー光線を拡散させる凹レンズ（図示せず）を有し、この凹レンズによりレーザー光線を拡散して内壁面を照射させることにより光・熱変換器51を加熱する。この光・熱変換器51の内壁面は、すべての波長の放射を吸収する黒体に近い材質が好ましいが、使用するレーザー光線の波長に吸収スペクトルを有する材質を選択する。

放熱器53は、、光・熱変換器51が嵌合するテーパー穴54を有し、メタンハイドレートが賦存する地層Ｂまで打ち込まれた土留めパイプ９に嵌め込まれる熱伝導体55が設けられている。この熱伝導体55は、リング状の羽根または放射状に配列された羽根で構成され、光・熱変換器51で発生した熱を土留めパイプ９に伝導させて周囲のメタンハイドレートを加熱する。

この放熱器53の材質には熱伝導の良い銅が適している。なお、テーパー穴54の底部は、閉じることなく貫通させておくと、テーパー穴54に土砂が入っても抜け落ちるので、光・熱変換器51をテーパー穴54に対して正しく嵌合させることができる。

土留めパイプ９は、メタンハイドレートが賦存する地層Ｂの最下部近傍まで打ち込まれる。この土留めパイプ９には、メタンハイドレートが賦存する地層Ｂの厚みに当たる範囲にわたって、多数の穴またはスリット91があけられている。

図２および図３に示すように、光ファイバー１を挿通したの可撓性チューブ２の先端近傍には、円弧状に曲げた複数の芯出し用スプリング34が取り付けられており、可撓性チューブ２の先端がパイプ３の先端まで到達したとき、可撓性チューブ２の先端をパイプ３の中心に案内して、可撓性チューブ２の先端をパイプ３の下に突出させる。

浮遊式海上構造物Ａにおいて、パイプ３の上端は、可撓性チューブ２を挿通したバルブ36によって閉じられ、ポンプ６で吸引されてパイプ３内を上昇してきた浮上物をバルブ21を介して浮上物処理装置８に導くように結合されている。なお、浮上物にガスが多く含まれて比重が軽くて自噴する場合にはポンプを動作させる必要はない。

また、ポンプ６を逆向きに動作させて、パイプ３内に溜まっている暖かい水または海水をメタンハイドレートが賦存する地層Ｂへ逆送して、溶けたメタンハイドレートを攪拌させてもよいのである。

図４に示すように、浮遊式海上構造物Ａにおいて、予め光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２が、見込まれる必要な長さだけリール７に巻き取られており、光ファイバー１および可撓性チューブ２を同軸状に結合するスイベルジョイント71を介して、レーザー発振器４に結合されている。

レーザー発振器４として、石英ファイバーの伝送損失が少ない波長域（１.０〜１.３μｍ）のレーザー光線を化学的に発生する沃素レーザー装置（Chemically Pumped Oxygene Iodine Laser：ＣＯＩＬと略称されている）、またはレーザー光線を電気エネルギーにより発生するＹＡＧレーザー装置が適している。すなわち、石英ファイバーの伝送損失の分光特性を示す図５の特性曲線より明らかなように、沃素レーザー装置から出力される波長（１.３μｍ）のレーザー光線、ＹＡＧレーザー装置から出力される波長（１.０６μｍ）のレーザー光線を、少ない損失で長距離を伝送することができる。

直径０.６ｍｍの石英ファイバーを使用すると、４ｋＷ以上のレーザー光線（エネルギー）を伝送できることが実験的に立証されており、直径１ｍｍの石英ファイバーを使用すると、１０ｋＷ以上のレーザー光線の伝送が十分可能であり、数本の石英ファイバーを束ねると、１０００ｍ以上離れたメタンハイドレートを賦存する地層まで数１０ｋＷ以上のレーザー光線を伝送することも可能である。

次に、このように構成された地下賦存炭化水素ガス資源収集装置を使用してメタンガスを収集する工程を説明する。

メタンハイドレートが賦存する地層Ｂの最下部近傍まで掘削した坑井に土留めパイプ９が打ち込まれる。図３に示すように、土留めパイプ９の下端部に、光・熱変換部材５の放熱器53を嵌め込む。次に、浮遊式海上構造物Ａからパイプ３を降下させる。このパイプ３は、その先端をメタンハイドレートが賦存する地層Ｂの最上部近傍まで降下させる。

パイプ３の先端近傍には、パイプ・パッカー35が取り付けられているので、遠隔操作によりパイプ・パッカー35を膨張させてパイプ３と土留めパイプ９との隙間を密封させる。また、パイプ・パッカーにより土留めパイプ９と地層との隙間を密封させることもできる。

リール７に巻かれている光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２の先端に光・熱変換部材５の光・熱変換器51を取り付けて、可撓性チューブ２を引き出しながら、パイプ３の中を降下させる。そして、可撓性チューブ２の先端部の外周には、円弧状に曲げた複数の芯出し用スプリング43が取り付けられているので、可撓性チューブ２の先端をパイプ３の中心に案内して、可撓性チューブ２の先端をパイプ３の下に突出させて、光・熱変換器51を放熱器53のテーパー穴54に導いて嵌合させる。

レーザー発振器４を動作させて、レーザー発振器４から出力される大エネルギーのレーザー光線を光ファイバー１の先端より凹レンズにより拡散して光・熱変換器51の内面を照射させて加熱すると、光・熱変換器51の温度が上昇するので放熱器53を介して土留めパイプ９の下部を加熱することにより周囲に存在するメタンハイドレートを水分とメタンガスに分解する。

メタンハイドレートと共存する岩石の種類は、砂状に細かく砕かれた砂岩、石灰岩、頁岩などであるが、伝導加熱されて岩石と水とメタンガスに分離する。やがて岩石は沈殿するので、水のみの空間が拡大することになり、温度上昇した水が対流してさらに広い範囲のメタンハイドレートを分解する。

水とともに分解されたメタンガスは、土留めパイプ９の穴91を経てパイプ３内に入って上昇する。土留めパイプ９内に入った小さい岩石（砂）は、流体（水、海水、気体）とともに浮遊式海洋構造物Ａに設置された浮上物処理装置８に導かれて、メタンガスを分離して収集される。

以上で説明した実施の形態においては、浮遊式海上構造物Ａを利用してメタンハイドレートが賦存する地層Ｂからメタンガスを収集する手法を説明したが、地上設備を利用しても同様にメタンガスを収集することができる。また、石油の掘削技術を応用してメタンハイドレートが賦存する地層Ｂを横方向に掘削しながらメタンガスを収集することが可能である。

この発明の地下賦存メタンガス資源収集装置で使用する海上または地上設備の実施の形態を示す概要図、 メタンハイドレートが賦存する地層に降下させたパイプおよび光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部の実施形態を示す縦断面図、 光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部に取り付けた光・熱変換器を放熱器のテーパー穴に嵌合させる前の状態を示す縦断面図、 海上または地上設備におけるリールを示す断面図、 石英ファイバーの伝送損失の分光特性を示す特性曲線、 メタンハイドレートの相平衡曲線図である。

符号の説明

Ａ 浮遊式海上構造物
Ｂ メタンハイドレートを賦存する地層
１ 光ファイバー
２ 可撓性チューブ
３ パイプ
４ レーザー発振器
５ 光・熱変換部材
６ ポンプ
７ 可撓性チューブを巻き取るリール
８ 浮上物処理装置
９ 土留めパイプ
51 光・熱変換器
53 放熱器
54 テーパー穴54
55 熱伝導体

Claims (4)

1. 浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、該レーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層へ導く光ファイバーと、該光ファイバーの先端部にレーザー光線を熱エネルギーに変換する光・熱変換部材とを具備し、該光・熱変換部材で変換された熱によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集装置。
2. 光・熱変換部材の外側に伝熱面積を拡げる放熱器設けたことを特徴とする請求項１に記載の地下賦存ガス資源収集装置。
3. レーザー発振器は、化学的にレーザー光線を発生するＣＯＩＬレーザー、ＹＡＧレーザーなどのファイバーを低損失で伝送できる波長のレーザー光線を出力するレーザー装置であることを特徴とする請求項１に記載の地下賦存ガス資源収集装置。
4. 浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、光ファイバーによりメタンハイドレートを賦存する地層へ導き、上記光ファイバーの先端部に設けた光・熱変換部材によりレーザー光線を熱エネルギーに変換して、上記熱エネルギーによりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集方法。
   

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