(57)【要約】      （修正有）【課題】海底地層に封入されたメタンハイドレートの有効な採掘技術を提供する。【解決手段】全体構成は、海上に設営するプラットホーム（設備収納台船）と海底で移動掘削を行う掘削設備、台船と採掘設備をつなぎメタンハイドレートを回収する管及び接続ワイヤー、パワーケーブルなどからなる。台船にはパワーユニット、掘削用の高圧水ポンプユニット、海底掘削機の昇降ウインチ、分離設備などが装備されていて、アンカーによって位置保持ができ、自由な方向に移動もできる。海底掘削装置は、高圧水ノズル、作動シリンダー、2方向の移動シリンダー、浮上用軽油分離シートなどの機能を有している。海底が堆積層の柔らかい地層では高圧水を注水して、土壌封入を解放すれば、密度差による分離でメタンハイドレートが回収でき、固い地層では高圧水ノズル先端にビットを取り付け岩盤を破砕してハイドレートを採取することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
深海の海底に埋蔵するメタンハイドレートの掘削設備にあって、設備を収納することができる台船に、海底とアンカーチェンで位置保持移動が可能で洋上固定、台船下部に海底掘削装置を吊り下げ、台船と掘削設備を結ぶ2種類の高圧水チューブによって、掘削設備を深海の海底に下ろして高圧水をノズルから噴射して土壌破壊を行うことにより含有するメタンハイドレートを土壌から分離、土壌の沈殿により比重分離回収されたハイドレートを高圧ポンプにより加圧した状態で海上に輸送、台船設備により必要によって減圧または加熱してガスと水を分離、再加圧・冷却して液化、専用タンカーまたは海底配管で採掘ガスを生産する海洋設備。
【請求項２】
メタンハイドレートを生産する海洋設備の台船にあって、船体下部に収納する海底掘削設備が海上に持ち上げる高さを保つために、複数の縦長洋上交換可能なダルマ状で下部が太く上部が細い形状の中空内部に、注水沈下することができて、さらに太い下部に台船に必要十分な浮力となるプラスチック発泡体を巻きつけた構造にした浮体を取り付けてなる台船。
【請求項３】
海底掘削設備にあって、掘削深さが得られる長さに延長できる打ち込みシリンダーと反対方向に配置するチャッキ弁によってシリンダーストローク内圧を常に水圧打ち込みノズルに高圧水が流れるように設置して、必要によってはチャッキ弁を有するピストンに回転駆動羽を着けてシリンダーの上下打ち込み高圧水と引き抜き高圧水を交互に注水することで、必要な場合にはノズル先端に掘削ビットを取付、打ち込みノズルに振動や回転を与えられ、さらに打ち込みシリンダーを地中に打ち込んだ状態で、フレームに配置する高圧シリンダーによりフレームを移動させることができる機能を持つ設備。
【請求項４】
海底掘削設備にあって、海底移動を容易にするために、構造フレーム上に広い面積に軽油注入による浮上力を得られるように分離シートを設け、軽油の注入、排出を掘削用の高圧水と回収ポンプを切換え弁を使用して、機能併用可能にすることができる設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
深海底の表面土壌に埋蔵するメタンハイドレートの掘削に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来人類が利用していた集積された化石燃料（ガス石油）の掘削採取は資源が乏しくなり、近年新たに海底地層に埋蔵するメタンハイドレート、強固なシェール岩盤に埋蔵するシェールガスなど新エネルギーが発見された。  しかし、シェールガスの掘削に水圧破壊法が開発されて実用化となり、人類のエネルギー選択がより自由度が増したが、海底に埋蔵するメタンハイドレートの掘削技術の有効な採掘技術がなく、開発が望まれている。  従来の掘削法には竪穴油井のメタンハイドレート含有層のケーシングに穴をあけて減圧によるガスの分離回収法などがあるが、効率向上の必要性など問題がある。同様に加熱ガス化など方法が試みられているが、いずれもメタンハイドレートのガス化適用範囲が狭く、現実的なガス化掘削法の有効性には至っていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】技術部メタンハイドレート開発課著、「ＮＥＷＳ  ＲＥＬＥＡＳＥ  メタンハイドレート海洋産出試験（平成２４年度現場作業）開始」、[online]、平成２５年１月２９日、独立行政法人  石油天然ガス・金属鉱物資源機構（ＪＯＧＭＥＣ）、[平成２５年２月１日検索]、インターネット、＜URL:http://www.jogmec.go.jp/news/release/docs/2012/newsrelease_130129.pdf＞
【非特許文献２】山岡淳一郎著、「できるか、日本近海のメタハイ資源開発  日本は「減圧法」で世界最先端を走っている」、[online]、平成２４年１０月１１日、[平成２５年２月１日検索]、日経BP社日経ビジネスオンライン、インターネット、＜URL:http://business.nikkeibp.co.jp/article/topics/20121009/237835/＞
【発明の概要】
【０００４】
本発明は海底土壌に埋蔵するメタンハイドレートの採掘に関わる。  メタンハイドレートは密度が約0.9で海底土壌の密度の約２に比べて小さいが、海底地層に封入された状態で存在することから、海中には自然に放出されない。一方、メタンと水の化合物で一定の低温高圧条件でハイドレートが形成される。  そのガス封入量は水１リットルに約150リットルのメタンガスを封入できる。すなわち、メタンハイドレートの掘削は、水深1000〜5000ｍの海底に埋蔵され、多くは数メートルから数百メートルの海底地層に存在している。したがって海底が堆積層の柔らかい地層では高圧水を注水して、土壌封入を解放すれば、密度差による分離でメタンハイドレートが回収できる。また固い地層では高圧水により岩盤を破壊してハイドレートを押し出し、これらとの併用などにより採取することができる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
まず、埋蔵場所からの採掘問題である。メタンハイドレートの埋蔵する海底地層が、深海の海底に存在すること、さらに地層が柔らかい堆積層以外に岩盤などの下層となる場合がある。さらに、深海での掘削を必要とする。
【０００６】
次いで、海底での掘削したメタンハイドレートの回収と海上への輸送問題である。これらはすべて連続的に作動してマスプロダクションが可能で環境を害することなく、安全保障できなければならない。
【０００７】
一方、メタンハイドレートは温度が上昇、または圧力が減少すれば、ハイドレートがガスと水に分離する。すなわち、深海が低温で高圧であることから、粘性体のハイドレートが拡散水により流体化して海底から高圧採収する間で、ガス化とならない高圧送水採取が必要な条件となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
図５に示すように、メタンハイドレート掘削には、柔らかい地層用は必要十分な長さの高圧水のノズルを打ち込みシリンダーのストロークにより、地下注水して地層破壊によるメタンハイドレートと土壌の分離採掘を行う。硬質の岩盤層の下部にある場合など岩盤ボーリングを必要とするときは、ノズル先端に掘削ビットを装着して振動と回転を与える水圧衝撃掘削ボーリング法で掘削する。そして、密度分離して必要圧力を保持しながら海上台船タンクに回収する。
【０００９】
一方、採掘したメタンハイドレートの取り扱い条件は、常温海水ではガス化しない圧力が約100気圧以上であり、採取するメタンハイドレートの海上への回収は採掘用の約200気圧以上の高圧水と100気圧以上の回収水が必要である。ここで廃棄する回収水（メタンハイドレート含有水）のエネルギー回収を行うブースターポンプの採用が省エネ掘削に必要な技術である。これは、同一回転軸に接続するプランジャーポンプを用いて、回収水のエネルギーを採掘水ポンプの駆動源に使用することで、不足エネルギーを同軸に加えエネルギーブースターポンプができる。
【００１０】
海底からの回収水と掘削水の両者高圧水に必要な管は、図２に示す外部より内部管がより高圧に耐える設計をした耐食材からなる2重管が内部管の必要品質を低下できることから経済的である。また、海上でのメタンハイドレートの貯蔵・輸送タンカーの輸送中の貯蔵は、採掘回収条件と同じガス化を防止した液体輸送が必要である。この場合、いずれも高圧力状態での取り扱いが必要となる。
【発明の効果】
【００１１】
図１、３、４に示す発明した構造を採用することで、日本近海に多い1000〜2000ｍ深海での数ｍ〜10ｍと浅い堆積海底地層に埋蔵するメタンハイドレートの採掘には特に効果的に性能が発揮でき、10000トンクラスの台船で幅100ｍの帯状連続採掘が可能となる。
さらに、台船設備でもって減圧ガス分離して脱水後に再圧縮して液化するコンバータ設備を設置することで、効率的な液化天然ガス製造ができる。
【００１２】
巨大化となる海底掘削設備を自在に移動するための軽油浮上システムは、コンクリート構造などで作られる必要な自重を軽減することができ、海底掘削に必要な移動を可能にする。
【００１３】
海底掘削設備には、2列以上の複数に配列する高圧水打ち込みノズルを必要長さ、浮上して打ち込みシリンダーを延長することで必要な深い打ち込みが可能となる。これにより数百メートルの掘削も可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は海底資源のメタンハイドレート掘削に関する。図１は本発明の最良な形態を示す基本構成である。目的は深海の海底に存在するメタンハイドレートを採取することにある。個本構成は、海上に設営するプラットホーム（設備収納台船）と図４に示す海底で移動掘削を行う掘削設備、図２に示す台船と採掘設備をつなぎメタンハイドレートを回収する管及び接続ワイヤー、パワーケーブルなどからなる。これらは図３に示す台船を基本として海底に鎖錠してなる。図１、3に示す台船には全エネルギーをまかなうパワーユニット、掘削用の高圧水ポンプユニット、海底掘削機との接続昇降を行うタワーウインチ、海底掘削機から採取したメタンハイドレートと海水及び含有する土壌を分離、必要な場合にはハイドレートからガス分離設備などが装備されている。さらに台船は、生産されたハイドレートや生成ガスを低温・高圧貯蔵するタンクを持ち、貯蔵タンクから洋上で特殊な低温高圧容器を持つタンカーに生産ガスを移送する機能も持つ。ここで、台船は海底と四方に張り巡らせたアンカーチェンによって位置保持ができ、自由な方向に移動もできる機能を持つ。
【００１５】
図４に示す最良な海底掘削装置は、台船の下部に吊り下げられ、浮上用軽油分離シートにより作られた浮力と図３に示す海底と海上をワイヤーロープの巻き上げ機により昇降できる。図２に示す接続器具は、昇降と掘削を可能にする接続器具である。メタンハイドレートの採掘には、高圧水管と採取したハイドレートを排出する高圧排出管が必要である。図４海底掘削設備には2重管の外側管に接続するハイドレート回収高圧ポンプ、土壌高圧注入管及び注入管を海底土壌にバイブレーション打ち込み可能な打ち込み高圧水を用いた作動シリンダー、土壌打ち込み後に打ち込みシリンダーを掘削フレームとの間で水圧シリンダーによるストローク移動を可能にする、2方向の移動シリンダー機能を敷設、移動時には掘削機の全体荷重を調整する必要から、フレーム上部全面に取り付けられた浮上用軽油分離シートなど機能装着している。
【００１６】
最良な高圧水の打ち込み、設備の移動機能詳細は図５に示す。打ち込みシリンダー内のノズル打ち込みピストンには２方向のチャッキ弁が設けており、打ち込み・引き抜き高圧水の切り替え高圧注水によるバイブレーション、必要によってはノズル差し込みピストンに回転羽をつけて、上下運動と静逆回転及び振動を発生させて、ノズルから高圧水を注入することができる。ここで、土壌が硬質岩盤からできている層を有する場合、注入ノズル先端に超鋼ビットなど取り付けて、岩盤の破砕を行うことができる。
【実施例１】
【００１７】
図１、３に示す台船を浮上するフロートの構造は、中心部が空洞で水密可能な構造をし、充填時はフロートが台船より下がり、取り換え補修ができる継手により組み立てら、さらに形状がダルマ型で下部が太くて、海面部分から上部は細く、波浪対策を施され、ドーナツ状の内部が水圧破壊しない発砲プラスチックからなり、台船の必要浮力保証をする構造に作られている。材料としては強化プラスチックが適する。
【００１８】
図４に示す軽油セパレータの分離シートは、3層構造のシートで2層と3層の間にアルコールなど軽油を打ち込み、浮上力を得る。軽油の出し入れは既存のポンプ、管を使用する。使用しないときは台船内に収納保管される。
【００１９】
図２に示す2重管は、耐食ＦＲＰ管が最良であり、地上ベースで内外管の耐圧は200気圧を採用する。  本発明では2重管にすることで、同時に圧力作動させると内管の耐圧が2倍許容、内管には掘削に必要な高圧水用途に使用して、外圧管にはメタンの常温液化条件である100気圧移送圧使用とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の全体構成を示す。台船はアンカー固定され、深海で掘削設備によりメタンハイドレート埋蔵層を高圧水破壊することでハイドレートを分離、海底ポンプにより加圧遠心分離機に移送、メタンハイドレートと海水や土壌など不純物と分離する。なお、必要によってはハイドレートを減圧してガス分離を同時に行い、再加圧して液化する。      なお、必要掘削水は分離海水など必要水を台船上で加圧して深海掘削設備に供給する。図１は埋蔵するメタンハイドレートが海底数メートル以内の浅い場合を示す。この場合は簡単な固定高圧ノズルの移動で分離シートの内面にメタンハイドレートが分離回収できる。
【図２】台船と深海低で活動する掘削設備を結ぶ高圧水管と電力パワーケーブルおよび計装電気ケーブルである。必要なときに海上に掘削設備を引き上げるためと、移動用の引きロープである。
【図３】台船を構成する全ての設備と設営位置を示す。台船下部には掘削設備が附帯され、必要なときに浮上、図示した状態でメンテナンスなど行う。台船にはパワープラントから高圧水ポンプ、海水分離機、高圧のハイドレートタンクなどが附帯する。ガス分離設備を附帯することも可能。
【図４】海底掘削設備である。高圧水の打ち込み荷重に耐える自重を持ち、掘削機材を附帯するとともに、採掘ハイドレートを回収高圧輸送ポンプで海上に送る。一方で軽油を用いた浮上力を作動させる設備も附帯している。
【図５】高圧水の打ち込みノズルの構造を示す。単純な高圧水のノズル打ち込みから、振動回転掘削機能、設備の移動駆動装置の内蔵まで機能を持つ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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