(57)【要約】【課題】砂層型メタンハイドレートの生産では、地層圧密や坑内出砂という問題点があるが、既存の安定化手法では、高飽和率のメタンハイドレート層に対して効果が不十分である。【解決手段】本発明は、開発対象とされるメタンハイドレート層に、メタンハイドレートの分解を促進できるインヒビター（生成阻害剤／分解促進剤）を投入する、または対象地層を加熱することで、砂の孔隙に充填するメタンハイドレートを一部分解させる。メタンハイドレートの分解により飽和率が低下し、地層の浸透率が改善される。これにより、従来では薬剤の注入が困難とされていた高飽和率のメタンハイドレート層にも注入可能になる。さらに、飽和率の低下により砂粒子の露出表面が拡大し、改良剤との接触面積を確保できる。これにより、砂粒子への固着効果を改善させ、薬剤注入法によるメタンハイドレート層の安定化効果を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陸上または海底地層に存在する砂層型メタンハイドレートを対象とし、メタンハイドレートを一部分解させ、メタンハイドレートの飽和率を下げる工程を有する地層安定化手法。
【請求項２】
前記メタンハイドレートの飽和率を下げる工程の前に、地層条件、現場条件または目標効果の何れかに基づき、メタンハイドレートを分解させる方法、インヒビターの種類と投入方法、加熱媒体と方法、各操業パラメータの何れかを算定、計画する工程を有する、請求項１に記載の地層安定化手法。
【請求項３】
前記メタンハイドレートの飽和率を下げる工程の後に、浸透率が改善した地層または砂の露出表面が拡大したメタンハイドレート層に、砂粒子を固着する改良剤を注入する地層安定化手法。
【請求項４】
前記メタンハイドレートの飽和率を下げる工程では、砂粒子を固着する改良剤に、メタンハイドレートの分解を促進できるインヒビターを配合し、両者を同時に地層に注入する、請求項１に記載の地層安定化手法。
【請求項５】
前記メタンハイドレートの飽和率を下げる工程では、砂粒子を固着する改良剤を地層に注入する前に、予め、メタンハイドレートの分解を促進できるインヒビターを先に地層に投入する、請求項１に記載の地層安定化手法。
【請求項６】
前記メタンハイドレートの飽和率を下げる工程では、砂粒子を固着する改良剤を地層に注入する前に、予め、対象地層の温度を上昇させる、請求項１に記載の地層安定化手法。
【請求項７】
前記インヒビターは、溶液、エマルジョンまたはスラリーに分散され、低浸透層にも浸透可能であり、かつ、メタンハイドレートの分解を促進し、メタンハイドレートの飽和率を低下させるものから選ばれる、請求項４に記載の地層安定化手法。
【請求項８】
前記インヒビターは、溶液、エマルジョンまたはスラリーに分散され、低浸透層にも浸透可能であり、かつ、メタンハイドレートの分解を促進し、メタンハイドレートの飽和率を低下させるものから選ばれる、請求項５に記載の地層安定化手法。
【請求項９】
前記インヒビターは、塩化物、メタノール、又はハイドレートの平衡曲線を安定領域側にシフトさせるその他の物質から選ばれる、請求項７に記載の地層安定化手法。
【請求項１０】
前記インヒビターは、塩化物、メタノール、又はハイドレートの平衡曲線を安定領域側にシフトさせるその他の物質から選ばれる、請求項８に記載の地層安定化手法。
【請求項１１】
前記地層の温度を上昇させる手法として、温水を坑井内で循環させる手法、温水を地層内に注入する手法、坑井内に加熱装置を設置する手法、坑井内または地層内に化学反応を起こす手法のいずれまたは複数の手法を併用する、請求項６に記載の地層安定化手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂層型メタンハイドレート層の安定化手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタンハイドレートは、次世代のエネルギー資源として世界中に注目され、各国の研究チームにより様々な開発方法が検討されている（特許文献１）（特許文献２）。そのうち、日本の研究者らは複数回のフィールド産出試験を実施し、メタンハイドレートの分解手法として減圧法が有効であることを検証できた（非特許文献１）。
【０００３】
しかし、過去国内外で行われたフィールド産出試験では、いずれも地層の圧密や出砂が問題とされ、メタンハイドレートの安定生産を実現するまでの最大難関と視される（非特許文献２）。これは、固体のメタンハイドレートは砂粒子が未固結または固結の弱い地層に賦存しており、粒子間の孔隙を充填することで砂粒子を支える役割も果たしている。一方、メタンハイドレートがメタンガスと水へと分解すると、砂粒子間は固着力が弱まり、流動性が生じてしまう。流動性が生じた砂は水やガスの生産により坑内に運搬され、坑内機器にダメージを与えることになる。
【０００４】
出砂による生産障害を回避するために、直近の第二回海洋産出試験では、従来の石油・ガス生産で実績のあるグラベルパック・スクリーン法が投入された。しかし、この手法は単純に流出した砂をフィルタリングするものであり、砂に流動性の発生を抑制できず、メタンハイドレート生産の出砂対策としては効果が極めて限定的である。その不十分さは、同産出試験により明らかにされた（非特許文献３）。
【０００５】
上記問題を解決するために、メタンハイドレート層の砂粒子の孔隙に、砂粒子を固着させる改良剤を注入することで、地層強度の低下や砂粒子の流動化を防ぎ、ガス生産に必要な浸透性と地層の強度を両立した安定化手法を昨年度に提案し、特許に出願した（特許文献３）。この手法は、改良剤が砂粒子の孔隙に確実に注入でき、かつ固化した改良剤が砂粒子の表面に確実に固着することを前提としており、メタンハイドレートの飽和率が高くなるにつれて効果が薄くなる。これは、メタンハイドレートの存在により有効孔隙が小さくなり、地層の浸透率が低下するためである。特に、極超微粒子セメント等の粒子系改良剤を用いた場合、改良剤粒子のサイズと孔隙サイズとの関係から、改良剤の有効成分が地層に十分浸透できない可能性がある。また、砂粒子の表面積のうちメタンハイドレートに覆われる割合も大きくなり、改良剤と接触する面積が減ってしまう。一方、現在開発対象とされるメタンハイドレート層は、メタンハイドレートの飽和率が80％程度である。このような高飽和率のメタンハイドレート層には、改良剤の注入が難しく、また注入に所要な圧力や時間の面において不利である。更に、高飽和率のメタンハイドレート層では、固まった改良剤が砂粒子と十分に接触できず、十分な地層改良／安定化効果を発揮できない問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９―０３０３７８号公報
【特許文献２】特開２０１１―０１２４５１号公報
【特許文献３】国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１８／０３３５３２
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】山本晃司「メタンハイドレート資源の開発方法」、メタンハイドレート資源開発国際シンポジウム、２０１０
【非特許文献２】メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム「第1回海洋産出試験の結果報告について」、経済産業省メタンハイドレート開発実施検討会（第８回）、２００７
【非特許文献３】メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム「第2回海洋産出試験について」、メタンハイドレートフォーラム２０１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既存の安定化手法方法では、高飽和率のメタンハイドレート層への薬剤注入が難しく、また固結した改良剤が砂粒子を十分に固着できない問題点がある。本発明は、高飽和率のメタンハイドレート層にも確実に注入でき、かつ、砂粒子同士を確実に固着できる、メタンハイドレート層の安定化効果を向上する手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、地層改良を用いたメタンハイドレートの生産方法のうち、メタンハイドレート層の安定化の補助技術として、下記の技術手段ａ‐ｂの何れかを用いた手法である。
【００１０】
技術手段ａ‐開発対象となるメタンハイドレート層に改良剤を注入するに当たり、メタンハイドレートの平衡曲線を安定領域側にシフトさせるインヒビター（生成阻害剤／分解促進剤）を対象地層に投入する。インヒビターにより、メタンハイドレートの平衡曲線Ｃが安定領域側のＣ’までシフトし、安定領域が縮小する（図１）。その結果、地層の温度、圧力条件では、メタンハイドレートが安定状態から分解領域へと移行し、水とガスに分解し始める。メタンハイドレートの分解により対象地層のハイドレート飽和率が低下し、浸透率が劇的に改善される。また、砂粒子の表面積のうち、メタンハイドレートに覆われる割合も減少し、改良剤と接触する面積を十分に確保できる。このように、地層の浸透率及び砂の露出表面積を向上させたメタンハイドレート層に薬剤を注入すると、薬剤がより広範囲に浸透し、かつ砂粒子の表面と確実に接触、固着する。これにより、高飽和率のメタンハイドレート層においても、浸透性と強度を両立した改良体を作成することが可能になる。
【００１１】
好適には、前記インヒビターを、溶液、エマルジョンまたはスラリーに分散され、低浸透層にも浸透可能であり、かつ、改良剤の固化効果に大きな悪影響がなく、メタンハイドレートの生産にも支障がない物質から選ばれる。例えば、セメント系地盤改良剤を使用する場合は、塩化ナトリウム等の塩化物から選ぶことが可能である。また、改良剤の種類により、メタノール等の有機系の生成阻害剤など、他のインヒビターから選ぶことも可能である。
【００１２】
好適には、前記インヒビターを、砂粒子を固着する改良剤と同時に配合し、メタンハイドレート層に注入する。ただし、対象地層の条件や現場条件により、インヒビターを改良剤と別に注入したり、一部の薬剤を複数注入したりしてもよい。
【００１３】
技術手段ｂ‐開発対象となるメタンハイドレート層に改良剤を注入するに当たり、予め、対象地層を加熱し、砂の孔隙に賦存するメタンハイドレートを一部分解させる。メタンハイドレートの分解により対象地層のハイドレート飽和率が低下し、浸透率が劇的に改善される。また、砂粒子の表面積のうち、メタンハイドレートに覆われる割合も減少し、改良剤と接触する面積を十分に確保できる。このように、地層の浸透率及び砂の露出表面積を向上させたメタンハイドレート層に薬剤を注入すると、薬剤がより広範囲に浸透し、かつ砂粒子の表面と確実に接触、固着する。これにより、高飽和率のメタンハイドレート層においても、浸透性と強度を両立した改良体を作成することが可能になる。
【００１４】
好適には、対象としたメタンハイドレート層を加熱する手法として、温水を坑井内で循環する手法、温水を地層内に注入する手法、坑井内に電気加熱装置を設置する手法、坑井内または地層内に化学反応を起こす手法、などを用いることが可能である。また、対象地層の温度を上昇させる効果を有するのであれば、他の手法を使用することも、複数の手法を併用することも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、メタンハイドレート層にハイドレートの分解を促進可能なインヒビターを投入すること、またはメタンハイドレート層を加熱することで、地層の浸透率の改善や砂粒子の露出表面の拡大を実現し、メタンハイドレート層の安定化効果を大幅に向上させることができる。これにより、改良剤注入によるメタンハイドレート層の安定化手法は、高飽和率のメタンハイドレート層にも適用可能になり、メタンハイドレートの安定生産を実現可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】メタンハイドレートの平衡曲線図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第１の実施形態＞
【００１８】
本発明の第１の実施形態では、砂粒子を固着する改良剤に、メタンハイドレートの分解を促進するインヒビターを配合し、同時に対象地層に注入する。図２により、この実施形態について説明する。
【００１９】
例えば、日本の南海トラフの海底地層に賦存する砂層型メタンハイドレートを開発対象とする。対象のメタンハイドレート層は、主に中心粒径が１４０μｍの砂粒子１（細粒砂）からなる。砂粒子１同士の間の孔隙にメタンハイドレート２が存在しており、その飽和率が80％に達している。孔隙のほとんどがメタンハイドレート２によって充填されるため、流動通路が極めて狭くなり、一部の通路がメタンハイドレート２によって塞がれることもある。また、砂粒子１の表面は殆どメタンハイドレート２に覆われている。
【００２０】
メタンハイドレート層の安定化改良では、まず、メタンハイドレート２の分解を促進するインヒビターと、砂粒子を固定する改良剤を地上または坑内注入装置内で配合する。次に、インヒビターを含む改良剤を対象のメタンハイドレート層に注入する。この際、メタンハイドレート２の存在により有効孔隙サイズが小さく、改良剤粒子１６は孔隙の手前に一旦濃集するが、浸透性の良いインヒビターは改良剤の分散媒１３とともに孔隙に浸透していく。孔隙の奥に入り込んだインヒビターによりメタンハイドレート２が一部分解し、有効孔隙が拡大する。次第に、改良剤粒子１４の透過量が多くなり、対象のメタンハイドレート層を均等的に浸透していき、最終的に砂粒子１の露出表面に付着して固化する。
【００２１】
本実施形態では、改良剤と配合するインヒビターは、改良剤との相性に問題がなく、かつそれぞれの役割に影響が無いことを前提とする。例えば、セメント系地盤改良剤を使用する場合、塩化ナトリウム等の塩化物をインヒビターとして選ぶことが可能である。好適には、地層水の初期塩分濃度より高く、かつ地層の温度圧力条件において飽和状態に達しない食塩水溶液を作成し、それを用いて改良剤を配合する。この場合、塩化ナトリウムは、メタンハイドレートの分解を促進するだけでなく、セメント改良体の強度発現を促進させ、養生所要時間を短縮させる一石二鳥の効果も有する。
【００２２】
＜第２の実施形態＞
【００２３】
本発明の第２の実施形態では、メタンハイドレート層に砂粒子を固着する改良剤を注入する前に、予め、メタンハイドレートの分解を促進できるインヒビターを投入する。図３により、この実施形態について説明する。
【００２４】
前記第１の実施形態と同様に、日本の南海トラフの海底地層に賦存する砂層型メタンハイドレートを開発対象とする。対象のメタンハイドレート層は、主に中心粒径が１４０μｍの砂粒子１（細粒砂）からなる。砂粒子１同士の間の孔隙にメタンハイドレート２が存在しており、その飽和率が80％に達している。孔隙のほとんどがメタンハイドレート２によって充填されるため、流動通路が極めて狭くなり、一部の通路がメタンハイドレート２によって塞がれることもある。また、砂粒子１の表面は殆どメタンハイドレート２に覆われている。
【００２５】
メタンハイドレート層の安定化改良では、まず、対象地層にインヒビターを含む溶液、エマルジョンまたはスラリー１１を注入する。インヒビターの投入により、メタンハイドレート２が安定状態から分解領域へと移行し、水とガスに分解し始める。その結果、メタンハイドレート２の飽和率が低下し、流動通路となる有効孔隙が拡大し、地層の浸透率が大きく改善される。また、メタンハイドレート２の分解により、砂粒子１の露出表面が拡大し、改良剤との接触面積も確保される。
【００２６】
次に、砂粒子１を人工的に固着できる改良剤を対象地層に注入する。浸透率が大きく改善されたため、注入に所要な圧力を低減でき、所要工期も短縮できる。また、メタンハイドレート２により塞がれた孔隙も浸透可能になるため、改良剤粒子１４がより均等的に、十分に浸透することができる。さらに、砂粒子１と改良剤との接触面積が大きくなったため、砂粒子１表面に付着する改良剤粒子１５が増え、確実に砂粒子１を固着することができる。
【００２７】
この実施形態では、インヒビターと改良剤を別々に注入する。各薬剤の投入量、配合濃度、注入圧力及び注入レートを単独に調整できるため、物性分布が複雑なメタンハイドレート層に適用することができる。また、比較的に均質なメタンハイドレート層においても、より正確で高度なオペレーションにより、生産性、回収率及び経済性の最大化を図ることが可能である。
【００２８】
＜第３の実施形態＞
【００２９】
本発明の第３の実施形態では、開発対象とされるメタンハイドレート層に改良剤を注入する前に、予め対象地層を加熱しておく。図４により、この実施形態について説明する。
【００３０】
本実施形態では、開発対象を南海トラフの砂泥互層２５のうち、砂層２１に賦存する砂層型メタンハイドレートとする。作業船または掘削リグより、対象地層２１まで生産井が掘削されており、パーフォレーション３２等を含む坑井仕上げが施される。砂層２１では、メタンハイドレートの飽和率がおおよそ８０％であり、浸透率が約５ｍＤである。この条件では、水や溶液は浸透可能であるが、改良剤の有効成分である極微粒子は孔隙の平均サイズより大きいため、地層に浸透できない。この問題を解決するためには、メタンハイドレート層の安定化改良作業を以下の手順で行う。
【００３１】
１−作業船または掘削リグより、連結パイプ３３を通じ、加熱機能を有する温水注入装置３４を坑内に下ろし、対象地層にセットする。
２−温水注入装置３４に設置されるパッカー３５を膨張させ、ケーシング３１の内壁に密着させる。
３−作業船または掘削リグより、連結パイプ３３を通じて水を温水注入装置３４に送り込む。
４−温水注入装置３４の加熱機能を起動させ、水を所定温度まで加熱し、パーフォレーション３２の孔を通して地層に圧入する。
５−作業船または掘削リグより、注入圧、注入レート、坑底温度および発生したガス量等を監視し、坑井周辺の浸透率変化やその空間分布等を推定する
６−所要な浸透率と分解半径に達したと判断したら、温水注入を停止させ、改良剤の注入に切り替える。
【００３２】
この実施形態では、地層にインヒビターの投入が不要であり、環境基準が厳しい国や地域での実施に有利である。また、インヒビターが地層水や粘土鉱物との反応や、インヒビターと改良剤との相性の問題もなく、設計、実施、評価が比較的に簡単である。
【００３３】
好適には、温水注入装置と改良剤注入装置を同一にすることで、坑内ツールの展開・撤収作業の手間を減らすと同時に、ハイドレートの再生成を防ぐことができる。また、温水を用いる加熱方以外に、直接電気加熱や化学熱を利用した加熱手法を用いることも可能である。更に、加熱流体は清水に限定せず、海水、インヒビターを配合した溶液またはエマルジョンを用いてもよい。
【００３４】
上記の実施形態は、あくまでも、現在のところの最良の形態の３つにすぎない。本発明の構造、システム、プログラム、材料、各部材の連結、使用する化学物質や注入装置、などは、本発明の要旨を変更しない範囲で、様々に変更可能である。
【００３５】
本発明におけるインヒビターは、分解促進剤、ハイドレート生成阻害剤、浸透性改良剤、固結促進剤、安定化効果促進剤、専用配合剤、など、別の名称を付けても良い。実施の際は、１種のインヒビターのみを用いても良いが、複数種のインヒビターを用いても良い。また、インヒビターには、改良剤や地層粘土鉱物との相性を改善する添加剤を配合使用しても良い。さらに、実施形態１〜３の一部または全部を組み合わせて実施しても良い。
【００３６】
本発明は、高飽和率のメタンハイドレート層だけでなく、十分な浸透性を有する低飽和度のメタンハイドレート層にも、改良体の強度向上等の目的で使用することも可能である。また、メタンハイドレート層だけでなく、他の砂層充填ハイドレートの形態で賦存する天然資源の開発、生産にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１    ：砂粒子
２    ：メタンハイドレート、または他種のガスハイドレート
１１  ：インヒビターを含む溶液、エマルジョンまたはスラリー
１２  ：インヒビターを含まない改良剤分散媒
１３  ：インヒビターを含む改良剤分散媒
１４  ：分散された流動可能な改良剤粒子
１５  ：砂粒子に付着した改良剤粒子
１６  ：詰まった改良剤粒子
２１  ：対象としたメタンハイドレート層
２２  ：泥層
２３  ：対象としていないメタンハイドレート層
２４  ：坑井周辺において、メタンハイドレートの飽和率を低下させた部分
２５  ：砂泥互層
３１  ：ケーシング
３２  ：パーフォレーションまたはスクリーン
３３  ：連結パイプ
３４  ：温水注入装置
３５  ：パッカー
Ｃ    ：ガス-水-MH平衡曲線（インヒビター無し）
Ｃ’  ：ガス-水-MH平衡曲線（インヒビター有り）
ＣＷ  ：冷水
ＨＷ  ：温水または熱水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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