(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスハイドレート堆積層にガスハイドレート分解促進効果がある添加剤水溶液であるＮａＣｌ水溶液を注入してガスハイドレートを分解する方法における、添加剤水溶液の濃度と注入流量を制御することによるガスへの分解速度の制御方法であって、
添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を増加させることにより、ガスへの分解速度を減少させ、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を減少させることにより、ガスへの分解速度を増加させることを特徴とするガスへの分解速度の制御方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ガスハイドレート堆積層がメタンを含むガスハイドレート堆積層であることを特徴とするガスへの分解速度の制御方法。
【請求項３】
ガスハイドレート堆積層にガスハイドレート分解促進効果がある添加剤水溶液であるＮａＣｌ水溶液を注入してガスハイドレートを分解するための装置における、添加剤水溶液の濃度と注入流量を制御することによるガスへの分解速度の制御装置であって、
ガスハイドレート堆積層へ添加剤水溶液を注入する手段と、ガスハイドレート堆積層への添加剤水溶液の注入流量を制御する手段を備え、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を増加させることにより、ガスへの分解速度を減少させ、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を減少させることにより、ガスへの分解速度を増加させるようにしてなることを特徴とすることを特徴とするガスへの分解速度の制御装置。
【請求項４】
請求項３において、前記ガスハイドレート堆積層がメタンを含むガスハイドレート堆積層であることを特徴とするガスへの分解速度の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスハイドレート堆積層からガスを回収する方法及びそのための装置に関し、より具体的にはガスハイドレート堆積層からガスを回収する方法及びガスハイドレート堆積層からガスを回収するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
資源としてのメタンハイドレートを分解し、メタンガスとして回収する技術として減圧法、熱水注入法、あるいは添加剤注入法などがある。減圧法とは、海底のメタンハイドレート堆積層の圧力を減圧し、高圧低温下で安定なメタンハイドレートを分解する方法であり、熱水注入法とは、当該堆積層に熱水を注入して加熱することでメタンハイドレートを分解する方法であり、添加剤注入法とはメタンハイドレートが安定となる温度圧力条件をより高圧低温へ変化させる薬剤を注入してメタンハイドレートを分解する方法である。
【０００３】
メタンハイドレート資源からのメタンガス回収技術のうち、添加剤注入法ではメタンハイドレートの分解促進効果のある薬剤としてＮａＣｌやメタノールが知られている。これらの添加剤をメタンハイドレートの堆積層へ注入することにより、単なる水を注入する場合に比べてメタンハイドレートの分解が促進され、メタンガスの生産速度が向上する。これらの知見は「E.D.Sloan 著“Clathlate Hydrate of Natural Gases”2nd Ed. p.297 (1998) Marcel Dekker, Inc.」などに開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】E.D.Sloan 著“Clathlate Hydrate of Natural Gases”2nd Ed. p.297 (1998) Marcel Dekker, Inc.
【０００５】
一方、メタンハイドレートの分解を抑制し、ガスが発生する速度を低下させるための開発も進められている。これらの開発は、メタンハイドレートを人工的に合成してガスの貯蔵や輸送に用いることを目的としている。
【０００６】
例えば、特開２００３−２８７１９９号公報では、ガスハイドレートを好ましくは０．５ｍｍ以上に分級し、分解条件下に所定時間置くことにより、ガスハイドレートの分解を抑制できるとされている。特開２００４−２７５４号公報では、ガスハイドレートの生成条件下で原料水とガスハイドレートの分解抑制作用を持つ物質の存在下でガスハイドレートを合成しており、分解抑制作用を持つ物質として、塩素イオン、フッ素イオンなどが開示されている。
【０００７】
また、特開２００４−３１５８１４号公報では、ガスハイドレートの粉末を成型体に収容するか、またはガスハイドレートを成型した後に該成型体を氷の皮膜で直接覆っている。特開２００４−３３１７４７号公報では、曇点を有するポリマーを含有する水とガスハイドレート形成可能な物質とを曇点以上の温度で反応させてガスハイドレートを製造し、曇点より低い温度でガスハイドレートを保存している。
【０００８】
また、特開２００５−９３１３４号公報では、断熱材容器を用いてガスハイドレートを保存し、容器の密閉収容部の出入熱が均衡する構造をとっている。特開２００６−５２３９５号公報では、ガスハイドレート生成後に生成温度圧力を保持したまま造粒機によりペレットを成形している。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２８７１９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２７５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３１５８１４号公報
【特許文献４】特開２００４−３３１７４７号公報
【特許文献５】特開２００５−９３１３４号公報
【特許文献６】特開２００６−５２３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、前述のとおり、ガスハイドレートの分解を促進する添加剤を用いれば、ガスハイドレートからのガスの生産速度は向上するものの、その生産速度を任意に制御することは困難である。添加剤の濃度を制御することにより、その生産速度を制御することはこれまでの知見から可能ではあるが、注入する添加剤濃度を任意に変化したとしても、ガスハイドレート堆積層に存在する添加剤濃度は直ちには変化せず、ガス生産速度を明確に制御することは不可能である。
【００１１】
また、ガスハイドレートの貯蔵・輸送・保存に関する前述従来技術は、ガスの分解速度を低下させる効果があることから、ガスハイドレートからのガス生産速度の制御に用いることが考えられる。しかしながら、前述技術は人工的にガスハイドレートを合成する際に何らかの工夫をしており、合成後のハイドレートを断熱容器に保存したりするなど、ガスハイドレート堆積層、特に海底や地底に存在するメタンハイドレート堆積層からメタンガスを生産する場合に容易には適用できない。
【００１２】
本発明は、ガスハイドレート堆積層、特に資源としてのガスハイドレート堆積層からガスを回収するに際しての以上の問題を解決するもので、ガスハイドレート堆積層へ添加剤溶液を注入して分解したガスを回収する方法及びそのための装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、（１）ガスハイドレート堆積層にガスハイドレート分解促進効果がある添加剤水溶液であるＮａＣｌ水溶液を注入してガスハイドレートを分解する方法における、添加剤水溶液の濃度と注入流量を制御することによるガスへの分解速度の制御方法であって、
添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を増加させることにより、ガスへの分解速度を減少させ、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を減少させることにより、ガスへの分解速度を増加させることを特徴とするガスへの分解速度の制御方法を提供する。
【００１４】
本発明は、（２）ガスハイドレート堆積層にガスハイドレート分解促進効果がある添加剤水溶液であるＮａＣｌ水溶液を注入してガスハイドレートを分解するための装置における、添加剤水溶液の濃度と注入流量を制御することによるガスへの分解速度の制御装置であって、
ガスハイドレート堆積層へ添加剤水溶液を注入する手段と、ガスハイドレート堆積層への添加剤水溶液の注入流量を制御する手段を備え、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を増加させることにより、ガスへの分解速度を減少させ、添加剤水溶液の濃度あるいは注入流量を減少させることにより、ガスへの分解速度を増加させるようにしてなることを特徴とすることを特徴とするガスへの分解速度の制御装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、ガスハイドレート堆積層にガスハイドレート分解促進効果がある添加剤水溶液を注入して分解したガスを回収する方法及びそのための装置である。そして、ガスハイドレート堆積層からガスへの分解速度を増加したい場合には、ガスハイドレート堆積層への添加剤水溶液を適切な注入流量にすることによりガス分解速度を増加させ、一方、ガスへの分解速度を減少させたい場合には、ガスハイドレート堆積層への添加剤水溶液を過剰な注入流量によりガス分解速度を減少させることを特徴とする。なお、本発明（２）における“ガスハイドレート堆積層への添加剤水溶液の注入流量を制御する手段”とは、後述図１に示す装置を借りて言えば添加剤注入ポンプＰ１に相当するものである。
【００１６】
本発明で対象とするガスハイドレート堆積層は、メタンを含むガスハイドレート堆積層に限らず、プロパンガス、二酸化炭素、水素などのハイドレート堆積層にも適用される。
また、本発明で使用するガスハイドレート分解促進効果がある添加剤としては、ＮａＣｌをはじめとする無機塩類や、メタノールをはじめとするアルコール類、その他にもガスハイドレート堆積層からガスハイドレートの分解を促進する効果がある物質であればいずれも使用できる。例えば、無機塩類としてはＮａＣｌのほかにＫＣｌ、ＭｇＣｌ2、ＮＨ4Ｃｌ、ＮａＢｒ、ＮａＯＨ、Ｎａ2Ｓ2Ｏ3、ＮａＯＣｌなどのアニオンとカチオンとの化合物が挙げられ、アルコール類としてはメタノールのほかにエタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなど１価アルコールおよび２価アルコールが挙げられる。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明を実験例を基に実施例を説明する。本実施例ではメタンハイドレートを例にしているが、他のガスハイドレートについても同様である。
【００１８】
本実験例においては、代表的なハイドレート分解促進剤として知られているＮａＣｌを使用した。模擬メタンハイドレート堆積層として、豊浦珪砂２６．００ｇ、人工的に生成したメタンハイドレート５．３３ｇ、蒸留水１．５７ｇを均一に混合し、成型器で２５ＭＰａの圧力で圧密することにより得られた直径３０ｍｍ、高さ３７ｍｍの円筒型の試料を使用した。
【００１９】
一連の堆積層試料の作製は、断熱性の発泡スチロールでできたクーラーボックス内で行った。クーラーボックスの底部に液体窒素を入れ、作業用の土台をクーラーボックス内に設置し、その土台の上で試料作製作業を行った。クーラーボックス内の温度は、常に−１００℃以下であり、作業中、大気圧条件下であってもメタンハイドレートは分解しない環境であった。
【００２０】
図１に本実験で使用したメタンハイドレート分解速度測定装置を示している。図１のとおり、円筒体１の上下に上部支持体２、下部支持体３を配置し、円筒体１内に間隔を置いて円筒状のゴムチューブ４を配置する。円筒状ゴムチューブ４内に、その上下から支持体２、支持体３を嵌挿し、支持体２の下面と支持体３の上面間で且つ円筒状ゴムチューブ４内周面間を試料部とする。試料部にコア試料を配置する。支持体２内には切替弁から試料部に導通する導管を配し、支持体３内には試料１次側保圧弁から試料部に導通する導管を配している。
【００２１】
試料１次側保圧弁、添加剤溶液注入ポンプＰ１、試料１次側保圧弁、切替弁、試料２次側保圧弁、気液分離器、圧力計、拘束圧用ポンプＰ２、またそれらを結ぶ配管系は図示のとおりである。添加剤溶液注入ポンプＰ１は、その駆動を制御することにより試料部を流れる添加剤水溶液の流量を制御し、拘束圧用ポンプＰ２は、その駆動を制御することで弾性体であるゴムチューブ４から試料の水平方向の押圧力および支持体２、支持体３から試料への垂直方向の押圧力を制御しコア試料に対する拘束圧力を付与するものである。
【００２２】
メタンハイドレート分解速度測定装置に、前記のように作製した模擬メタンハイドレート堆積層を図１中コア試料として示すように配置し、以下の手順でメタンハイドレートの分解に伴うメタンガス生産速度を測定した。試料部の温度は常に９℃であった。試料の設置後、拘束圧用液送ポンプＰ２を駆動させ堆積層にかかる圧力を１３ＭＰａとした。
【００２３】
図１において、切替弁を開とし、添加剤注入ポンプＰ１を駆動させ、試料１次側保安弁を開として注入添加剤溶液が試料へ到達するようにし、試料２次側保安弁を絞ることにより、試料部の圧力を９ＭＰａにした。試料部を流れる添加剤溶液流量（ｃｃ/ｍｉｎ）はポンプＰ１の駆動制御で任意に変化させることができる。この時点では、温度圧力条件としてメタンハイドレートは安定であり、その分解に伴うガスの生産は開始されない。メタンガス生産速度の測定を開始する時に、切替弁を閉とし、試料２次側保圧弁を５ＭＰａとし、拘束圧用ポンプＰ２による拘束圧力を７．５ＭＰａとした。添加剤としてＮａＣｌ水溶液を用いた。また、ＮａＣｌ水溶液に代えて蒸留水を使用し、同様にしてメタンハイドレート堆積層からメタンガスへの分解速度を測定した。
【００２４】
図２に、注入流量を３０ｃｃ/ｍｉｎにした場合のＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液及びＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液の分解速度測定結果を示している。メタンガス生産促進効果の比較のために、ブランクデータとなる蒸留水を注入した結果も示している。図２のとおり、蒸留水を注入したときには、実験開始から８分程度で１００％分解している。これに対して、ＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液を注入したときには、実験開始から８分で８７％分解し、ＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液を注入したときには、実験開始から８分で７６％分解している。
【００２５】
これらの実験結果から、ＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液を注入したときは、蒸留水を注入したときよりも分解速度が遅く、しかも、流量３０ｃｃ/ｍｉｎ（線速度４．２ｃｍ/ｍｉｎ）という過剰な流量でＮａＣｌを注入しても分解が阻害されることが分かった。
【００２６】
図３に、添加剤溶液注入流量を５ｃｃ/ｍｉｎ（線速度０．７ｃｍ/ｍｉｎ）にした場合のＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液及びＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液の分解速度測定結果を示している。メタンガス生産促進効果の比較のために、ブランクデータとなる蒸留水を注入した結果も示している。これらの結果から、流量５ｃｃ/ｍｉｎという、比較的小さな流量では過剰な場合と比較してＮａＣｌの分解促進効果が向上して蒸留水のそれに近くなった。
【００２７】
さらに、添加剤注入流量を低下させた場合の分解速度の測定を実施した。図１に示す実験系では、ポンプによる注入流量をさらに減少させることが困難であったため、図４に示す実験系で測定を行った。図４（ａ）は実験開始前の状態、図４（ｂ）は実験開始時以降の状態である。図４のとおり、圧力容器、メタンボンベ、圧力計、流量計、配管系等の配置は図４（ａ）〜（ｂ）に示すとおりである。なお、実験はすべて任意の温度で制御された冷蔵室の中で行った。実験系の温度は常時、任意の温度に保持されていた。
【００２８】
圧力容器にＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液を２００ｃｃ、メタンガス、模擬メタンハイドレート堆積層試料（図中、ＭＨコア）を入れ、容器内を３ＭＰａ、４℃とした。図４（ａ）に示すように実験開始前は模擬メタンハイドレート堆積層試料はその支持体つまり台座に載置している。
【００２９】
図４（ｂ）のとおり、分解速度の測定開始時にメタンハイドレート堆積層試料を台座から落して添加剤溶液に含浸し、容器内の温度圧力条件を一定に保ちながらメタンガスの分解速度を測定した。この実験では、堆積層試料を流れる添加剤溶液の流量は０ｃｃ/ｍｉｎであるといえる。また、ＮａＣｌ水溶液に代えて蒸留水を使用し、同様にしてメタンハイドレート堆積層からメタンガスへの分解速度を測定した。
【００３０】
図５にこれらの実験で測定したガスの分解速度を示している。図５のとおり、蒸留水と比べて、ＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液が顕著に分解を促進していることが分かる。そしてこの事実は、添加剤溶液の濃度を一定にし、注入流量を低下させるとメタンハイドレート堆積層からメタンガスへの分解速度が上がることを示している。
【００３１】
そのように添加剤溶液の濃度を一定にし、注入流量を低下させるとメタンハイドレート堆積層からメタンガスへの分解速度が上がるが、過剰な添加剤注入流量の場合にメタンハイドレート堆積層からメタンガスの分解速度が低下するメカニズムを考察すると、図６（ａ）〜（ｂ）のように考えられる。
【００３２】
添加剤水溶液を注入する場合は、メタンハイドレート堆積層中で、はじめに注入添加剤溶液と接触するメタンハイドレート自体は、蒸留水と比べて添加剤溶液の方が分解を促進する。このため、分解過程のはじめにおいて、添加剤溶液はメタンハイドレート堆積層中で、蒸留水と比べてより効率的にメタンハイドレートを分解しながら下部へと流れていく。しかしながら、添加剤注入量が過剰な場合、図６（ａ）に示すとおり、添加剤溶液はメタンハイドレート堆積層中でメタンハイドレートが密になっている部分のみを選択的に流れてしまい、メタンハイドレート堆積層中の他のメタンハイドレートとの接触が阻害され、結果としてメタンハイドレートの分解速度が低下する。
【００３３】
これに対して、蒸留水を注入する場合は、注入流量が過剰であっても、図６（ｂ）に示すとおり、蒸留水がメタンハイドレート堆積層中でメタンハイドレートを分解しながら下部へと流れる過程において、添加剤溶液と比べてメタンハイドレート自体の分解を促進しないために、メタンハイドレートが密になっている部分のみを流れることはない。このため、メタンハイドレート堆積層中で均一に蒸留水とメタンハイドレートが接触し、結果として添加剤溶液に比べて分解速度は低下しない。
【００３４】
以上の実験結果から、添加剤濃度を一定にし、メタンハイドレート堆積層への注入流量を変化させることで、添加剤の持つガス生産促進効果を抑制することができることが分かる。これにより、特に海底や地底のメタンハイドレート堆積層からメタンガスを生産する場合に、添加剤濃度を変化することなくガスの生産速度を制御することができる。本発明を用いれば、ガスの分解速度を下げる方にも制御できることから、資源開発分野のみならず、各種ガスハイドレートの輸送、貯蔵、保存分野にも適用できる可能性がある。
【００３５】
なお、本発明における過剰な添加剤注入流量とは、本実施例から３０ｃｃ/ｍｉｎ（線速度４．２ｃｍ/ｍｉｎ）である。添加剤注入流量５ｃｃ/ｍｉｎ（線速度０．７ｃｍ/ｍｉｎ）においても、図３に示すようにＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液では蒸留水と比べてガス分解速度が低下しており、ガス分解速度を増加させるための適切な流量とはいえない。添加剤注入流量０ｃｍ/ｍｉｎ（線速度０ｃｍ/ｍｉｎ）では、図５に示すように蒸留水と比べてガス分解速度が大きく、ガス分解速度を増加させるための適切な流量であるといえる。本実施例から判断すると、０〜５ｃｃ/ｍｉｎの範囲における添加剤注入流量（線速度０〜０．７ｃｍ/ｍｉｎ）を下回っているかどうかが、つまり添加剤注入流量５ｃｃ/ｍｉｎ（線速度０．７ｃｍ/ｍｉｎ）を下回り、蒸留水と比べてガス分解速度が増加しているかどうかが、メタンハイドレート堆積層のガス分解速度を増加するための適切な流量であるかどうかを決定する目安となるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例で使用したメタンハイドレート分解速度測定装置を示す図
【図２】添加剤溶液注入流量を３０ｃｃ/ｍｉｎにした場合のＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液及びＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液の分解速度測定結果を示す図
【図３】添加剤溶液注入流量を５ｃｃ/ｍｉｎにした場合のＮａＣｌ１０ｗｔ％水溶液及びＮａＣｌ２０ｗｔ％水溶液の分解速度測定結果を示す図
【図４】添加剤注入流量を低下させた場合の分解速度を測定するために使用したメタンハイドレート分解速度測定装置を示す図
【図５】添加剤注入流量を低下させた場合の分解速度を示す図
【図６】過剰な添加剤注入流量の場合にメタンハイドレート堆積層からメタンガスの分解速度が低下するメカニズムを考察するための図
【符号の説明】
【００３７】
１  円筒体
２  上部支持体
３  下部支持体
４  円筒状ゴムチューブ
Ｐ１  添加剤溶液注入ポンプ
Ｐ２  拘束圧用ポンプ
【図１】
0005392666.tif 000002
【図２】
0005392666.tif 000003
【図３】
0005392666.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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