(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋プラットフォーム又は建造物上で海水から、該海水中に最初に溶解している酸素が減少した海底石油掘削圧入水を生産する方法であって、
海水を脱酸素化する工程を含み、該海水を脱酸素化する工程が、
前記海水を、各々が少なくとも一つの疎水性多孔質膜を収容する、直列に組み立てられた複数の膜モジュールを内蔵する少なくとも一つのバッテリーを介して循環させる工程と、
酸素濃度が５モル％以下の化学的に不活性な掃気ガスを、前記海水の流れに逆って、又は流れに沿って、独立して前記膜モジュールの各々を介して循環させる工程と
を含み、
前記海水及び前記掃気ガスが各々、前記膜の異なる側で循環する、方法。
【請求項２】
少なくとも一つの還元剤を、二つの連続した膜モジュール間に注入する工程を少なくとも１回含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記掃気ガスが、純度が９５％以上の窒素であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記掃気ガスが、純度が９９．９％以上の窒素であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記海洋プラットフォーム又は建造物上で行われる、周囲空気要素分離方法を用いて前記窒素を生産する工程を含むことを特徴とする、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記掃気ガスが、５モル％〜３０モル％のＣＯ２を含有する石油ガスであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項７】
前記石油ガスが、少なくとも５０モル％のメタンを含有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記掃気ガスの圧力が、２０ｍｍＨｇ〜２５０ｍｍＨｇ（すなわち２６６６Ｐａ〜３３３２０Ｐａ）であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の海水処理方法。
【請求項９】
前記膜モジュールの各々における前記海水の接触時間が、１秒間〜５秒間であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記循環させる工程の前に、媒体濾過工程及び／又は精密濾過工程及び／又は限外濾過工程を行うことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記循環させる工程の前又は後に、脱塩工程及び／又は脱イオン化工程を行うことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の海水処理方法。
【請求項１２】
海水中に最初に溶解している酸素が減少した海底石油掘削圧入水を生産する設備であって、海洋プラットフォーム又は建造物に搭載されることが意図され、
直列に組み立てられた複数の膜モジュール（１１）を内蔵する少なくとも一つのバッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）を備え、該バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）が、処理する水の供給管（１２）に連結した入口（１１１）及び処理済水排出管（１３）に連結した出口（１１２）を有し、前記膜モジュール（１１）の各々が、少なくとも一つの疎水性多孔質膜（２０）を収容し、掃気ガス入口接続部（１１３）及び前記最初に溶解している酸素が濃縮された前記掃気ガスの排出接続部（１１４）を有し、少なくとも一対の連続したモジュール（１１）のうち、二つのモジュール（１１）の間に、少なくとも一つの還元剤の注入手段（１７）をさらに備えることを特徴とする、設備。
【請求項１３】
前記バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）が、直列に組み立てられた３つ〜５つの膜モジュール（１１）を内蔵することを特徴とする、請求項１２に記載の設備。
【請求項１４】
前記バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）が、直列に組み立てられた４つの膜モジュール（１１）を内蔵することを特徴とする、請求項１３に記載の設備。
【請求項１５】
前記注入手段（１７）が、前記バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ２）の第２及び第３の膜モジュール（１１）の間、及び／又は第３及び第４の膜モジュール（１１）の間に位置することを特徴とする、請求項１４に記載の設備。
【請求項１６】
前記膜（２０）が中空繊維膜であることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の設備。
【請求項１７】
前記モジュール（１１）が、本質的に前記膜（２０）の軸と垂直に伸びる少なくとも一つの分流要素を収容することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の設備。
【請求項１８】
並列に組み立てられた複数のバッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）と、
処理済水排出マニホールド（１３１）と、
処理する水の供給マニホールド（１２１）と
を備え、
前記バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）の各々の前記入口（１１１）が前記供給マニホールド（１２１）に連結し、前記バッテリー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）の各々の前記出口（１１２）が前記排出マニホールド（１３１）に連結することを特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の海水処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は海水処理である。
【０００２】
より具体的には、本発明は、特に海洋プラットフォーム又は建造物上での石油掘削水生産の範囲内での海水の処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
石油は、程度の差はあるが多孔質かつ透水性の岩石に含有されている。
【０００４】
石油抽出のプロセスは、二つの主要な段階、すなわち、いわゆる一次生産段階及びいわゆる二次生産段階を含む。
【０００５】
一次生産段階は、これらの岩石（もしくは貯留層）中に閉じ込められた石油を、加えた圧力の影響のみによって抽出することである。
【０００６】
二次生産段階は、これらの岩石に含有される石油の抽出を、その中に水（圧入水又は圧力維持水と称されることが多い）を圧入することによって継続することである。
【０００７】
海洋での運用では、圧入水を運搬し、海底坑口装置から取り出された炭化水素を海洋生産プラットフォームへと輸送するのに管が使用される。
【０００８】
海水から生産される圧入水は、ある程度の品質を有していなくてはならない。塩含量、濁度等といった品質基準には、溶存酸素（Ｏ２）濃度が含まれる。実際には、圧入水はこれらの管の腐食を制限するために脱酸素化する必要がある。
【０００９】
このため、
真空脱ガス塔を用いた方法、
特に石油ガスによるストリッピング塔を用いた方法、
ＭＩＮＯＸ（商標）触媒法
の３つの主要なタイプの脱酸素化方法が開発されており、海洋石油プラットフォームにおいて頻用されている。
【００１０】
真空脱ガス塔を用いた方法は、液体中に溶解した気体の溶解度が、液体の表面と接触した蒸気中のその気体の分圧に正比例するというヘンリーの法則に基づく。
【００１１】
したがって、真空を作り出すことで液相と接触した気相の全圧を低下させることによって、真空レベル及びかかる方法の効果により決まる溶解度の閾値レベルまで気体が気相中に部分的に移動させられるため、液体中に溶解した気体の溶解度を低下させることが可能となる。
【００１２】
駆動力と称されるこの圧力差が、脱ガス塔において用いられる。
【００１３】
脱ガス塔における脱酸素化では、処理する水を、水を微細液滴へと分散させる素子を介して、内部に真空を作り出した塔の上部に注入する。この水滴は酸素の脱ガスを促進するために大きな接触面積を生じさせるライニングを流れ落ちる。取り出された気体（特に酸素）のみならず、水中に溶解した他の気体（窒素、二酸化炭素、硫化水素、トリハロメタン、水蒸気等）も真空回路へと連行され、脱酸素化された水が塔の底部で回収される。
【００１４】
ストリッピング法は、カラム内の全圧を低下させないこと以外は、真空塔と同様、垂直塔に用いられる同様の方法である。掃気ガスをカラムの下部から導入し、ライニングを流れる水の流れに逆らって（上方へ）循環させて、カラム頭部から取り出す。使用する掃気ガスは、水から気体へ酸素の移動を促す、分圧差に相当する駆動力を生じるよう、非常に低い酸素濃度を有するものであれば、いかなるタイプであってもよい。掃気ガスはまた、水に対して可能な限り化学的に不活性であり、水腐食性をもたらすことを回避するものでなくてはならない。例えば、水に溶解するとその酸性度を増大させ、結果として、その腐食可能性を増大させる可能性がある二酸化炭素（ＣＯ２）の含有量は、可能な限り少量でなければならない。
【００１５】
これらのタイプの方法は幾つかの欠点を示す。
【００１６】
分配素子における水の通過及び脱ガス現象又はストリッピング現象は、脱酸素化プロセスの性能を低下させる気泡又は泡沫の形成を伴う。したがって、泡沫形成を防止するために、消泡性の化学製品を使用する必要がある。
【００１７】
かかる製品を使用することの代替案は、比液体流量を低下させることである。しかしながら、これにより、同じ体積の水を処理可能とするための設備の大きさが増大する。
【００１８】
さらに、これらの物理的方法は効率の限界を示す。したがって、実際には、脱ガス塔を用いて５０ｐｐｂ〜１００ｐｐｂの処理済海水の酸素含量を得ることを可能であるが、これは不十分である。所望の処理済海水の酸素含量の低下レベル（実用的にはおよそ２０ｐｐｂ、優先的には１０ｐｐｂ未満）を達成するためには、例えば幾つかのライニングステージ（lining stages）を直列に組み立てることによって、大きな設備を用いるのが好適であろう。しかしながら、かかる解決策は、過度にコストがかかり、過度に大きな設備の使用につながりかねないという点で、合理的に想定されるものではないだろう。
【００１９】
しかしながら、２０ｐｐｂ未満という海水中に含有される酸素の低下レベルが、かかる脱ガス塔を使用して、化学的還元剤又は精製剤（亜硫酸水素ナトリウム等）を用いて達成され得る。これらの化学製品は、かかる塔の底部に含有される水の上から加えられる。
【００２０】
しかしながら、かかる化学製品の使用は、海洋プラットフォームへのその経路指定、並びにその貯蔵及び限られた保存期限について生じ得る問題のために、運搬上の問題を引き起こしかねない。
【００２１】
上記の欠点以外に、脱ガス塔又はストリッピング塔の使用は、プラットフォーム又は建造物の安定化に関する問題のために設備の制約も引き起こす。加えて、その大きな重量／表面積比のために、金属プラットフォーム構造の幾つかの部品は過度に大きくなる。
【００２２】
脱ガス塔又はストリッピング塔の使用には、処理する海水の性質の変動に合わせてその設計を容易に適合させることができないという事実から、柔軟性を欠くという欠点もある。
【００２３】
これらの脱ガス塔又はストリッピング塔のさらなる欠点は、その性能が流体力学的変動に影響されるという事実によるものである。このことは、処理する水の流量に変動が生じた場合に、脱ガス塔又はストリッピング塔を安定化させるのが困難であり得るという事実によっても表現される。さらに、水流量に対する気体流量の比を観察しなくてはならない。そうでなければ、
もし、気体流量が水流量に対して過度に高くなると、水流が影響されるか、又は中断される可能性があり、これはフラッディングとして知られている。
もし、水流量が気体流量に対して過度に高くなると、気体流において生じるその逆混合によって気体流が影響される可能性がある。
【００２４】
かかる脱ガス塔又はストリッピング塔の使用の別の欠点は、その出口の水が加圧されていないため、回路中の水を再加圧する回復ポンプの使用が必要とされるという事実に関連する。
【００２５】
特許文献１に記載されているＭＩＮＯＸ（商標）触媒法では、駆動力は圧力差ではなく濃度差である。実際には、酸素を、事実上酸素を含まない気体（窒素等）で置き換えることによって、液体と接触した気相中に含有される酸素の分圧を低下させることである。
【００２６】
したがって、この方法は、連続した静的ミキサーにおいて窒素と海水とを密に混合することであり、その出口で、酸素が濃縮された気体雰囲気を触媒燃焼ユニットにおいて処理すると、酸素が消費され、それにより消費された窒素が再生される。
【００２７】
このタイプの方法では、脱ガス塔より小型であるという利点をもたらす設備の使用が必要となる。しかしながら、その重量は依然として大きいままである。
【００２８】
さらに、この方法を使用するには、大抵の場合、化学製品（消泡剤、酸素固定剤、燃焼用のメタノール）を用いる必要があるが、特に運搬の観点であらゆる問題が生じる。
【００２９】
脱ガス塔又はストリッピング塔の使用に伴う柔軟性の欠如又はモジュール性の欠如は、このＭＩＮＯＸ（商標）触媒法における静的ミキサーの使用について著しい。
【００３０】
ＭＩＮＯＸ（商標）触媒法の別の欠点は、低温条件においてかなりの起動時間が必要となるという事実にある。
【００３１】
ＭＩＮＯＸ（商標）触媒法は、気体窒素が脱酸素化された水中に連行される可能性があり、これは揚水装置を損傷する傾向があるるというさらなる欠点を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】カナダ特許第１２２２２００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
本発明の目的は特に、従来技術の欠点を改善することである。
【００３４】
より具体的には、本発明の一つの目的は、少なくとも一つの実施の形態では、その使用によって溶存酸素含量の低い海底掘削圧入水の生産が可能となる海水処理技術を提供することである。
【００３５】
本発明の別の目的は、少なくとも一つの実施の形態では、海洋プラットフォーム上で容易に使用することができる海水処理技術を使用することである。
【００３６】
本発明の別の目的はまた、少なくとも一つの実施の形態では、従来技術と比較して大きさ及び重量が低減された設備を使用に必要とする海水処理技術を提供することである。
【００３７】
さらに、本発明は、少なくとも一つの実施の形態では、その使用によって運搬上の拘束が制限される海水処理技術を提供することを目的とする。
【００３８】
このように、本発明の目的は特に、少なくとも一つの実施の形態では、その使用によって泡沫形成が防止される海水処理技術を提供することである。
【００３９】
本発明の別の目的は、少なくとも一つの実施の形態では、柔軟性があり、モジュール式の、すなわち、特に処理能力の観点から比較的容易に発展させることのできる海水処理技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
これらの目的は、以下に挙げられる他の目的とともに、海水中に最初に溶解している酸素が減少した海底石油掘削水を生産する、海洋プラットフォーム又は建造物に搭載されることが意図される設備における海水処理方法を用いて達成される。
【００４１】
本発明によると、かかる方法は、上記海水を脱酸素化する工程であって、
上記海水を、各々が少なくとも一つの疎水性多孔質膜を収容する、直列に組み立てられた複数の膜モジュールを内蔵する少なくとも一つの一連の装置（ｂａｔｔｅｒｙ）を介して循環させる工程と、
溶存酸素濃度が５モル％以下の化学的に不活性な掃気ガスを、上記海水の流れに逆って、又は流れに沿って、独立して上記膜モジュールの各々を介して循環させる工程と、
酸素濃度の高い海水から掃気ガスへと酸素を拡散させる工程であって、該酸素が該海水と該掃気ガスとを隔てる膜を通って流れる、拡散させる工程を含み、
上記海水及び上記掃気ガスが各々、上記膜の異なる側で循環する、海水を脱酸素化する工程を含む。
【００４２】
このように、本技術は、特に海水を脱ガスすること、すなわち、直列に組み立てられた疎水性膜コンタクターを内蔵する少なくとも一つのバッテリーを介して海水を循環させることによって酸素含量を大幅に低下させること、すなわち、酸素含量が５モル％以下の掃気ガスを、独立して海水の流れに逆らって循環させることである、海水からの圧入水の生産に対する完全に新しいアプローチに基づく。代替的な一実施の形態では、掃気ガスが水流に沿って流れることが想定され得る。
【００４３】
膜モジュール（「膜コンタクター」とも称される）に使用する疎水性多孔質膜が、従来技術で既知の特定の処理によって疎水性となった有機膜又は無機質膜であり得ることに留意されたい。
【００４４】
かかる膜コンタクターの使用は、圧入水の生産に対してこれまで想定されたことがなく、特に以下のことを可能にするという点で注目に値する。
必ずしも酸素還元化学物質を使用することなく、酸素含量を２０ｐｐｂ未満、又はさらには１０ｐｐｂ未満という値まで大幅に低下させる、ここで、従来技術による技法では、酸素含量を５０ｐｐｂ〜１００ｐｐｂという値まで低下させることが可能であるが、これは操作者の期待に応えてはいない、
重量／表面積比が従来技術による技法と比べ相対的に低い設備において実行すること、及び
化学製品を使用することなく水を脱酸素化し、それにより泡沫形成を防止し、運搬上の拘束を制限すること。
【００４５】
ｐｐｂという単位が「十億分率」を指すことに留意されたい。これは一般に当業者によってｐｐｂと称されるμｇ／Ｌである。
【００４６】
疎水性膜の使用によって、本質的に水と気体との間の密接な接触を必要とする従来技術による技法とは異なり、処理する液体が気体と接触するのを防止することが可能となる。これにより、液体中での泡沫形成が防止される。
【００４７】
さらに、海水及び掃気ガスを、上記膜の両側で向流的に、上記膜コンタクターの各々において独立して循環させることによって、海水中に溶解した酸素の気相への移動が促される。
【００４８】
本発明による水処理方法は、優先的には少なくとも一つの還元剤を、二つの連続した膜モジュール間に注入する工程を少なくとも１回含む。
【００４９】
還元剤の注入は、非常に低い溶存酸素濃度を達成することを可能にし得るという点で特に興味深い。
【００５０】
本発明の好ましい特徴によると、上記掃気ガスは純度が９５モル％超の窒素である。
【００５１】
代替的な一実施の形態によると、上記掃気ガスは純度が９９．９％以上の窒素である。
【００５２】
実際に、かかる気体をかかる比率で使用することによって、酸素含量が３０ｐｐｂ未満、優先的には１０ｐｐｂ未満という値まで大幅に低下され得る処理済水が生産され得ることが出願人によって観察された。
【００５３】
有利な一実施の形態では、本発明による海水処理方法は、海洋プラットフォーム又は建造物上で行われる、周囲空気要素分離方法（ａｍｂｉｅｎｔ  ａｉｒ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて上記窒素を生産する工程を含む。
【００５４】
かかる窒素を生産する工程の使用は、有利には海洋プラットフォームに容易に搭載することができる専用のユニットを用いて行われ得る。窒素をプラットフォーム上で直接生産することによって、海洋プラットフォームへの窒素の経路指定を行うか、又は大きな貯蔵タンクを準備する必要がなくなるという点で、運搬上の拘束が低減され、本発明による方法を使用するのに必要とされる設備の空間要求が低減される。
【００５５】
代替的な一実施の形態では、上記掃気ガスは少なくとも５０モル％のメタンを含有する石油ガスである。
【００５６】
別の代替的な実施の形態では、上記掃気ガスは５モル％〜３０モル％のＣＯ２を含有する石油ガスである。
【００５７】
この実施の形態は、掃気ガスを生産するために海洋プラットフォーム上にある副産物を再利用し、それにより運搬上の拘束を制限し、運転費用を削減する（掃気ガスを購入し、本土から海洋プラットフォームへと移送する必要はない）という利点をもたらす。
【００５８】
この実施の形態は有利には、水中に二酸化炭素を溶解させることによって、処理した水の品質を低下させることなく、二酸化炭素濃度の高い（５モル％超）石油ガスの使用を可能にする。
【００５９】
有利には、上記掃気ガスの圧力は２０ｍｍＨｇ〜２５０ｍｍＨｇ（すなわち２６６６Ｐａ〜３３３２０Ｐａ）である。
【００６０】
かかる掃気ガスの圧力値範囲によって、Ｏ２含量が３０ｐｐｂ未満、優先的には１０ｐｐｂ未満の処理済水が生産されるという結果となり得る。
【００６１】
本発明の有利な特徴によると、上記膜モジュールの各々における上記海水の接触時間は１秒間〜５秒間である。
【００６２】
コンタクターの各々における水のかかる接触時間によって、溶存酸素濃度の低下が許容可能となる、すなわちＯ２含量が３０ｐｐｂ未満、優先的には１０ｐｐｂ未満の処理済水が生産されるという結果となる。
【００６３】
有利には、上記循環させる工程の前に、媒体濾過工程及び／又は精密濾過工程及び／又は限外濾過工程を行う。このように、懸濁物質による膜の閉塞を防止することが可能である。
【００６４】
優先的には、上記循環させる工程の前又は後に、脱塩工程及び／又は脱イオン化工程を行う。
【００６５】
かかる脱塩工程及び／又は脱イオン化工程の使用によって、処理済海水の塩度及び／又は幾つかのイオン種濃度を低下させることが可能となる。これにより、水を膜コンタクターに通す流路の前に脱塩工程及び／又は脱イオン化工程を使用する場合、塩及び／又はイオンの析出による膜の閉塞が防止され得る。しかしながら、循環させる工程の前に脱塩工程を使用する場合、脱ガスの観点からの本発明によるプロセスの性能は低下し得る。
【００６６】
本発明はまた、海水中に最初に溶解している酸素が減少した海底石油掘削圧入水を生産する、本発明による海水処理方法を使用するための、海洋プラットフォーム又は建造物に搭載されることが意図される海水処理設備に関する。
【００６７】
かかる設備は、本発明によると、直列に組み立てられた複数の膜モジュールを内蔵する少なくとも一つのバッテリーを備え、該バッテリーが、処理する水の供給管に連結した入口及び処理済水排出管に連結した出口を有し、上記膜モジュールの各々が、少なくとも一つの疎水性多孔質膜を収容し、掃気ガス入口接続部及び上記最初に溶解している酸素が濃縮された前記掃気ガスの排出接続部を有し、上記少なくとも一つの膜が、酸素が水から膜の気体が循環する側へと通過することを可能にする。
【００６８】
上記のように、膜モジュールに使用する疎水性多孔質膜は、従来技術で既知の特定の処理によって疎水性にされた有機膜又は無機質膜であり得る。
【００６９】
かかる設備によって、本発明による処理方法を使用すること、及びそれにより溶存酸素が大幅に減少した水を生産することが可能となる。
【００７０】
優先的には、上記バッテリーは直列に組み立てられた３つ〜５つの膜モジュールを内蔵する。
【００７１】
この場合、上記バッテリーは有利には、直列に組み立てられた４つの膜モジュールを内蔵する。
【００７２】
モジュールがこの数であることによって、効果的な海水処理が可能となる。
【００７３】
好ましい特徴によると、本発明による設備は、処理する水中に、水中の溶存酸素濃度を低下させるのを助ける酸素還元化学物質を注入するために、少なくとも一対の連続したモジュールのうち、二つのモジュールの間に、少なくとも一つの還元剤の注入手段を備える。
【００７４】
各々のバッテリーが４つのモジュールを内蔵する実施の形態では、上記注入手段は有利には、上記バッテリーの第２及び第３の膜モジュールの間、又は第３及び第４の膜モジュールの間に位置する。
【００７５】
優先的には、上記膜は中空繊維膜である。
【００７６】
上記膜によって水中の還元剤の混合が促される。
【００７７】
別の有利な特徴によると、上記モジュールは、本質的に上記膜の軸と垂直に伸びる少なくとも一つの分流部材を収容する。
【００７８】
この場合、膜コンタクターは静的ミキサーのようにふるまう。膜コンタクターは還元剤と水との混合を促し、結果として酸素還元化学物質が作用することが可能となるのに必要な接触時間の短縮を助ける。
【００７９】
優先的に使用することができる膜の一種が、米国特許第５３５２３６１号に記載されている。
【００８０】
好ましい実施の形態によると、本発明による処理設備は、並列に組み立てられた複数のバッテリー、処理済水排出マニホールド、処理する水の供給マニホールドを備え、上記バッテリーの各々の上記入口が上記供給マニホールドに連結し、上記バッテリーの各々の上記出口が上記排出マニホールドに連結する。
【００８１】
膜モジュールを幾つかのバッテリーに並列に分配することによって、各々の膜モジュールによる最大許容流量を超えないよう、処理する水の流れを分割することが可能となる。
【００８２】
この構造によって、かかる設備の処理能力を高めることも可能となり得る。
【００８３】
本発明の他の特徴及び利点は、例示的かつ非限定的な例を与える以下の優先的な実施形態の説明、及び添付の図面を読むことでより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明による処理方法を使用するための設備の一例の概略図である。
【図２】図１に示した設備のコンタクターに使用される膜の断面図である。
【図３】様々な処理設備において本発明による方法を使用するための設備の様々な位置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
本発明の原理の概要
本発明の一般的原理は、溶存酸素含量が３０ｐｐｂ未満、優先的には１０ｐｐｂ未満の海底石油掘削圧入水を生産するために、海水及び酸素含量が５モル％以下の掃気ガスを独立して向流的に循環させる、海洋プラットフォーム又は建造物上に搭載される海水処理設備における、直列に組み立てられた疎水性膜コンタクターの少なくとも一つのバッテリーの使用に基づく。
【００８６】
本発明による水処理方法を実行するための設備の例
図１を参照すると、本発明による処理方法に従って海底掘削圧入水を生産するために、海洋プラットフォーム上で使用されることが意図される海水処理設備の一実施形態が示される。
【００８７】
図１に概略的に示されるように、かかる設備は、膜モジュール１１の３つのバッテリーＢ１、Ｂ２、Ｂ３が取り付けられたフレーム１０を備える。３つのバッテリーＢ１、Ｂ２、Ｂ３は並列に組み立てられる。これらのバッテリーＢ１、Ｂ２、Ｂ３は各々、直列に組み立てられた３つの膜モジュール１１を内蔵する。これらの膜モジュール１１は、疎水性膜コンタクターの形態をとる。
【００８８】
この独自の構造には、本発明による方法を実行するための設備に大きな柔軟性及びモジュール性を与えるという点で多数の利点がある。
【００８９】
バッテリーの数及び各々のバッテリーに使用する膜モジュールの数は、実際には、必要とされる溶存気体濃度の閾値が得られるように、また、処理する海水の性質（温度、溶存気体濃度等）に応じて変化し得る。
【００９０】
さらに、膜モジュール１１を幾つかのバッテリーに並列に分配することによって、各々の膜モジュールによる最大許容流量を超えないよう、処理する水の流れを細分化することが可能となる。
【００９１】
また、バッテリーに使用する膜モジュール１１の数は、溶解した気体の除去効率を増大させるよう、容易に増加させることができる。このように、使用するコンタクターの数を増やすと、得られる処理済水の溶存酸素含量が低くなり得ることが理解される。
【００９２】
さらに、膜モジュール１１は、同じ水平線上若しくは同じ垂直線上のいずれかに並列に位置するか、又は（図１に示されるように）互いに平行な、互いに離れた幾つかの水平線に分配されることにより全ての空間方向に配置することができる。
【００９３】
この実施形態では、各々のバッテリーは３つの膜モジュールを内蔵する。代替的な実施形態では、各々のバッテリーは３つ〜５つの膜モジュールを備え得る。好ましい解決策によると、各々のバッテリーに内蔵される膜モジュールの数は４つに等しい。
【００９４】
この図１に見ることができるように、処理する水中の少なくとも一つの酸素還元化学物質の注入手段１７は、バッテリーＢ１、Ｂ２、Ｂ３の各々の第２及び第３の膜モジュール１１の間に位置する。これらの注入手段１７は注入ノズルを備える。
【００９５】
より一般には、これらの注入手段は、少なくとも一対の連続したモジュールのうち、二つのモジュール間に設けられ、注入手段はノズル、ライン、Ｔ字継手又は任意の他の素子の形態をとる可能性がある。
【００９６】
したがって、各々のバッテリーが４つの膜モジュール１１を内蔵する場合、これらの注入器は、バッテリーＢ１、Ｂ２、Ｂ３の各々の第２及び第３、又は第３及び第４の膜モジュール１１の間に位置することに留意されたい。
【００９７】
別の代替的な実施形態では、ある注入器が第２及び第３のモジュールの間に設けられ、別の注入器が第３及び第４のモジュールの間に設けられることが想定され得る。
【００９８】
膜モジュール１１が、Ｃｅｌｇａｒｄ−ＭｅｍｂｒａｎａによってＬｉｑｕｉ−Ｃｅｌ（登録商標）という商標で販売されており、米国特許第５３５２３６１号の主題である膜モジュールであり得ることに留意されたい。
【００９９】
各々の膜モジュール１１は入口１１１及び出口１１２を備え、それによって海水がコンタクター内に入り、コンタクターから出る。
【０１００】
各バッテリーの最初のコンタクター１１の入口１１１は、対象のバッテリーの入口を形成する。各々のバッテリーの入口は、供給マニホールド１２１を介して、処理する海水の入口、例えば供給管１２と連結する。
【０１０１】
各バッテリーの最後のコンタクター１１の出口１１２は、対象のバッテリーの出口を形成する。各々のバッテリーの出口は、処理済水排出マニホールド１３１を介して、排出管、例えば脱酸素化海水排出管１３と連結する。
【０１０２】
当然ながら、本発明による設備が単一のバッテリーを備える場合、供給マニホールド１２１及び排出マニホールド１３１を使用する必要はない。
【０１０３】
各々の膜コンタクター１１はまた、掃気ガス入口接続部１１３及び海水中に最初に溶解している気体が濃縮された掃気ガスの出口接続部１１４を備える。
【０１０４】
各々のコンタクター１１の入口接続部１１３は、掃気ガス注入回路１４に連結する。各々のコンタクター１１の出口接続部１１４は、掃気ガス及び処理する海水中に最初に溶解している気体の混合物の排出回路１５に連結する。
【０１０５】
掃気ガス注入回路１４は、次に掃気ガス生産回路（図示しない）に連結する。
【０１０６】
この実施形態では、掃気ガスは純度が優先的には９５モル％超、有利には９９．９モル％超の窒素である。この窒素は、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：圧力スイング吸着法）又は気体膜分離型等の周囲空気要素分離方法を用いて、海洋プラットフォーム又は建造物に搭載される専用のユニットを使用して得ることができる。
【０１０７】
この実施形態の代替形態では、掃気ガスは、海洋プラットフォーム又は建造物上で利用可能であり、優先的には少なくとも５０モル％のメタン、様々なアルカン（エタン、プロパン、ブタン等）に加えて、ＣＯ２等の他の炭化水素系ガス、及び水蒸気からなる石油ガスであり得る。
【０１０８】
排出回路１５は、例えば真空ポンプ１６、優先的には液封真空ポンプを備えてもよい（液封は単に前濾過した海水、又は利用可能な場合、飲料水である）、気相中に真空を作り出すことを可能にする手段に連結する。代替的な実施形態では、これらの真空を作り出す手段は、例えばエジェクターを備えてもよい。
【０１０９】
米国特許第５３５２３６１号に記載されているように、このタイプの膜モジュールは、優先的には膜モジュールの内側で処理する水が循環する軸に本質的に平行な軸に沿って伸びる中空繊維膜を収容する。これらの膜モジュールはまた、膜の軸と本質的に垂直に伸びる少なくとも一つの分流要素を収容する。かかる分流要素（複数可）の使用によって、膜モジュール内の海水流を、繊維に対して接線方向及び横方向に循環するように方向付けることが可能となる。これらの分流要素の使用によって、膜モジュールが静的ミキサーのようにふるまうように、膜モジュール内で動的現象を作り出すことが可能となる。言い換えると、このタイプの膜モジュールの使用は、特に処理する液体と、その中に注入され得る還元剤（複数可）との間で均一な混合を得ることを可能にするという事実のために特に有利であり、このようにして、酸素還元化学物質が作用するために必要とされる水と酸素還元化学物質との間の接触時間が短縮される。
【０１１０】
下記で説明するように、処理する水への酸素還元化学物質の注入によって、その脱酸素化を改善することが可能となる。膜モジュールが静的ミキサーのようにふるまうという事実によって、海水の脱酸素化も促される。このことから、設備への接触タンクの追加を防ぐことによって、この設備の大きさの縮小が助けられる。
【０１１１】
コンタクター１１は、ハウジング内に並列に挿入された中空繊維、コイル状に巻かれた若しくは積層された薄片状の平坦な膜、又は一方が液体の流路のために設けられ、他方が気体の流路のために設けられた二つの別個の区画を作り出すのを可能にする、任意の他のタイプの構造から構成され得る複数の膜を収容する。
【０１１２】
図２は、各々の膜コンタクター１１に使用される、複数の孔２０１を示す疎水性膜２０の断面図を概略的に説明する。この膜は、多孔質有機材料（例えばポリプロピレン、ＰＶＤＦ等）で作られており、疎水性である（すなわち、膜を貫通する孔２０１は水を通過させず、気体のみを通過させる）。
【０１１３】
図３に示されるように、本発明による処理方法に使用される設備３１の前に、媒体濾過設備３２、カットオフ閾値がおよそ１０−２μｍ〜１０−１μｍの膜での限外濾過設備３３、カットオフ閾値がおよそ１０−１μｍ〜１μｍの膜での精密濾過設備３４があってもよい。媒体濾過という用語は、粒状材料又は繊維性材料及び材料基板、例えばサンドフィルター、二層フィルター、多媒体フィルター、ケイ藻土フィルター、フェルト繊維が充填されたプレコートフィルター等を含む任意のタイプの機械的濾過を指す。本発明による方法に使用される設備の前及び／又は後に、例えば逆浸透又はナノ濾過を用いた選択的脱塩又は脱イオン化設備３５があってもよい。
【０１１４】
海底掘削圧入水を生産する、本発明による海水処理方法が下記で説明される。
【０１１５】
本発明による水処理方法
本発明による海水処理方法は、処理する海水を上記のような設備に通過させることであり得る。
【０１１６】
処理する海水を、供給管１２及び供給マニホールド１２１を介して各バッテリーの第１のコンタクター１１に注入し、一方で、掃気ガス、この場合、純度が優先的には９５モル％超、有利には９９．９モル％超の窒素である掃気ガスを、回路１４及び入口接続部１１３を介してコンタクター１１の各々に注入する。
【０１１７】
代替的な一実施形態では、掃気ガスが海洋プラットフォーム上で利用可能であり、優先的には少なくとも５０モル％のメタンからなる石油ガスであってもよいことに留意されたい。海水（矢印Ｅ）及び掃気ガス（矢印Ｇ）はこの場合、コンタクター１１の各々において独立して、疎水性膜の異なる側の各々で向流的に循環する。
【０１１８】
石油ガスはある特定の量のＣＯ２を含有する。このため、当業者には掃気ガスとしてそれを使用することが好適でないと考えられている。実際に、その中に含有されるＣＯ２、又は少なくともその一部が、処理の間に水中に移動して、水を酸性化する恐れがあると考えられる。
【０１１９】
本出願人は、石油ガスを掃気ガスとして使用することができることを実証したが、このことはある特定の利点をもたらす。石油抽出の間に海洋設備上で直接生産されるこのガスは、直接利用可能な資源である。かかるガスの使用によって、プラットフォーム上で窒素を発生させ、それにより設備の運転費を削減することが可能となる。
【０１２０】
並行して、真空を作り出す手段を使用して、掃気ガス側の圧力を２５０ｍｍＨｇ未満（すなわち、およそ３３３２０Ｐａ）、優先的には５０ｍｍＨｇ未満の圧力まで低下させる。
【０１２１】
液体側の圧力は掃気ガス側の圧力よりも大きいため、気液界面は膜孔に固定される。
【０１２２】
気相中に負圧を作り出すこと、及び酸素含量が事実上ゼロである（酸素含量は優先的には５モル％以下である）掃気ガスを使用することによって、実際には、
真空を作り出すことによる気相の全圧の低下、
酸素が減少した気体（この場合は純度が少なくとも９５モル％、優先的には９９．９モル％超の窒素）で置き換えることによって気相の酸素含量を減少させることによる酸素分圧の低下、
の二つの駆動力の組み合わせである駆動力を用いて、海水中に溶解した酸素を除去することが可能となる
【０１２３】
このように、掃気ガスの酸素含量及び圧力が低いことにより、溶存酸素の溶解度、及び海水中に溶解した他の気体の溶解度が低下し、海水中に最初に溶解している酸素が疎水性膜の孔を通過して掃気ガスと混合する。
【０１２４】
海水中に最初に溶解している酸素の減少率を、さらに減少させることができる。これに関し、代替的な実施形態において、海水への酸素還元化学物質の注入が行われることが想定され得る。既に記載したように、二つの連続したコンタクターの間で注入を少なくとも１回行う。
【０１２５】
上記の設備では、還元剤の注入は、各バッテリーの第２及び第３のコンタクター１１の間に位置する注入器１７を作動させることによって行われる。各々のバッテリーが４つのコンタクター１１を内蔵する代替的な一実施形態では、これらの注入器が第２及び第３のコンタクターの間、又は第３及び第４のコンタクターの間のいずれかに位置することが優先的には想定される。
【０１２６】
海水を循環させる工程及び掃気ガスを循環させる工程を使用する前に、媒体濾過工程及び／又は精密濾過工程及び／又は限外濾過工程を使用することも想定され得る。
【０１２７】
循環させる工程の前又は後に、脱塩工程及び／又は脱イオン化工程を使用することも想定され得る。
【０１２８】
これにより、特に膜への塩及びイオンの析出を防止することが可能となり得る。
【０１２９】
別の代替的な実施形態では、気相から水蒸気凝縮液を分離するために、真空素子の出口で気液分離工程を使用することが想定され得る。
【０１３０】
試験
上記のタイプであるが、直列に組み立てられた３．５インチのＬｉｑｕｉ−Ｃｅｌ（登録商標）膜モジュールからなる単一のバッテリーを含む設備を試験した。
【０１３１】
第１の試験では、設備を、酸素還元化学物質を注入することなく使用した。
【０１３２】
１３０ｌ／時間の注入海水流量を使用したが、この海水の温度は１５℃であり、塩分濃度は３９ｇ／ｌであった。
【０１３３】
純度９９．９モル％の窒素を掃気ガスとして、８０ｍｍＨｇ（１０６６４Ｐａ）の圧力、及び一つの膜モジュール当たり０．１Ｎｍ３／時間の流量で使用した。
【０１３４】
設備に使用される海水の溶存酸素濃度を測定し、８０５８ｐｐｂであることが分かった。
【０１３５】
第１のモジュールの出口、第２のモジュールの出口及び第３のモジュールの出口でも海水の溶存酸素濃度を測定した。
【０１３６】
第１のモジュールの出口では、水の溶存酸素濃度は６３４ｐｐｂであった。第２のモジュールの出口では、その溶存酸素濃度は８２ｐｐｂであった。最後に、第３のモジュールの出口では、水の溶存酸素濃度はわずか１７ｐｐｂであった。
【０１３７】
第２の試験では、還元剤、すなわち亜硫酸水素ナトリウム（Ｈｙｄｒｅｘ（登録商標）１３２０という名称で販売されている）を、設備の第２のモジュールと、第３のモジュールとの間に１ｍｇ／ｌという量で注入することを、好適なソフトウェアプログラムを用いてシミュレートした。このコンピュータシミュレーションによって、かかる注入を実際に５ｐｐｂ未満で行った場合に得られる溶存酸素含量を評価することが可能となった。
【０１３８】
本発明によって提供される利点
本発明による海水処理方法の使用によって、海洋プラットフォームに従来使用されてきた従来技術による技法と比較して多数の利点が提供される。
【０１３９】
特に、上記技術によって、酸素還元化学物質を注入することなく、溶存酸素含量が３０ｐｐｂ未満の処理済水を生産することが可能となる。かかる性能レベルは、従来技術による技法を用いても、酸素還元化学物質を注入することなしには経済的に達成することができない。
【０１４０】
さらに、上記技術は、酸素還元化学物質を注入しても又は注入しなくとも、溶存酸素含量が１０ｐｐｂ未満の水を生産することを可能とする。かかる性能レベルは、従来技術による技法を用いても、酸素還元化学物質を注入することなしには経済的に達成することができない。
【０１４１】
上記技術は、化学製品の使用を制限したうえで、産油国によって適用される基準に従う圧入水の生産を可能にする。
【０１４２】
加えて、本発明による方法は、処理する水の流量の変動、水の性質（温度、溶存気体濃度）の変化に従って、単にコンタクターを追加するか、又は取り除くことによって処理能力を容易に変更することができる設備に使用することができるという点で大きな柔軟性及びモジュール性を示す。このことは、従来技術による技法と比較して特に有利である。実際に、真空脱ガス塔又はストリッピング塔又はＭＩＮＯＸ（商標）法の処理能力を増大させるには、新たなユニットを並列に建造する必要がある。
【０１４３】
本発明による設備の重量は、従来技術による設備、特に稼働中にカラム体積中に保持される水の量のために重い真空脱ガス塔又はストリッピング塔の重量よりも著しく低い。
【０１４４】
例えば、１３５００ｍ３／時間の処理能力での海水の脱酸素化処理に対して推定される、稼働中の設備に含有される水を含む全載荷重は、
真空塔（又はストリッピング塔）については１５０トン、
ＭＩＮＯＸ（商標）法を使用するための設備については５０トン〜８０トン、
本発明による方法を使用するための設備については３０トン
である。
【０１４５】
したがって、本発明による方法の使用によって、ＭＩＮＯＸ（商標）法に対しては少なくとも４０％、優先的には６０％、真空塔又はストリッピング塔に対しては５０％、潜在的には９０％の重量増加が可能となる。
【０１４６】
比表面積とは、所与の体積に対する気体と液体との間の交換表面積を表す。本発明による方法を使用するための設備についての比表面積は、５０００ｍ２／ｍ３超であり得るが、真空塔又はストリッピング塔についての比表面積は、一般に５０ｍ２／ｍ３〜５００ｍ２／ｍ３である。したがって、本発明による方法を使用することによって、使用者は真空塔又はストリッピング塔に対して５０％〜８０％の空間の増大を得ることが可能となる。同様に、ＭＩＮＯＸ（商標）法の使用と比較すると、得られる空間の増大は５％〜３０％である。
【図１】
0005536783.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005536783.tif 000004