(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）及び土砂を含む試料が貯蔵される空間部が形成された高圧セル；
前記空間部に貯蔵された試料の温度及び圧力を測定しながら変更する測定手段及び変更手段；
前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着されて移動に伴って前記空間部に貯蔵された試料を加圧させる加圧部材であって、その加圧部材の長さ方向に沿って透視されて前記試料の表面が外部から観察できるようにする加圧部材；及び
前記加圧部材の上下方向に貫通するように前記加圧部材に装着される回収部材であって、その回収部材の下端部が前記試料内に貫入されて前記試料に含まれたガスハイドレートが外部に回収されるようにする回収部材を含む実験装置。
【請求項２】
前記加圧部材は、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着される中空の本体、前記本体の開口された一端部に装着される第１キャップ、及び前記本体の開口された他端部に装着されて前記試料の表面に対向する第２キャップを含み、
前記第１キャップ、及び前記第２キャップは、透視可能な素材からなる請求項１に記載の実験装置。
【請求項３】
前記第２キャップは、石英を含む素材からなる請求項２に記載の実験装置。
【請求項４】
移動に伴って前記試料の表面に接触される前記加圧部材の面は前記第２キャップの一面で形成される請求項２に記載の実験装置。
【請求項５】
前記第１キャップ及び前記第２キャップを介して前記試料の表面を観察できるように前記第１キャップの上方に配置される撮影手段をさらに含む請求項２に記載の実験装置。
【請求項６】
前記加圧部材は、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着される中実の本体を含み、前記本体は、透視可能な素材からなる請求項１に記載の実験装置。
【請求項７】
前記本体は、石英を含む素材からなる請求項６に記載の実験装置。
【請求項８】
前記本体を介して前記試料の表面を観察できるように前記本体の上方に配置される撮影手段をさらに含む請求項６に記載の実験装置。
【請求項９】
前記加圧部材は前記高圧セル内部で一方向に移動可能に配置される中空の本体、及び前記本体内部に充填され、透視可能な素材からなる透視部材を含む請求項１に記載の実験装置。
【請求項１０】
前記透視部材は、石英を含む素材からなる請求項９に記載の実験装置。
【請求項１１】
前記透視部材を介して前記試料の表面を観察できるように前記透視部材の上方に配置される撮影手段をさらに含む請求項９に記載の実験装置。
【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（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）回収時に発生し得る地表面の変形を予測するための実験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）とは、メタンＣＨ４などのガスが低温、高圧（０℃で２６気圧又は１０℃で７６気圧等）下で水分子Ｈ２Ｏと結合して形成される固体物質のことで、凍土地域の石油又は天然ガス底流層及び石炭層と隣接した地域や低温、高圧の深海堆積層、特に、大陸斜面において多く発見される。
【０００３】
このようなガスハイドレートを資源に活用するためには、採掘技術が重要であるが、ガスハイドレートは圧力が低くなるとメタンが放出されて解離する特性があるため、石炭のような固体状態で採掘することが困難である。ハイドレートを解離してメタンのみを抽出する方法には、減圧法（Ｄｅｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ）、熱水注入法（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、抑制剤注入法（Ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、置換法（Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）などが用いられる。
【０００４】
減圧法は、ガスハイドレートと隣接した自由ガス層に試錐孔を挿入してガス層の圧力を減少させる方法である。自由ガス層の圧力減少によって、ガスハイドレート層のハイドレートが解離してガスが生産されるようになる。
【０００５】
熱水注入法は、蒸気又は熱水を注入してガスハイドレート底流層の温度を上げることでハイドレートを解離させてガスを生産する方法である。ガスハイドレートに隣接した自由ガス層がない場合に考慮できる方法である。
【０００６】
抑制剤注入法は、寒い地域で水化物化（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ）を防ぐために用いられた技術を応用したもので、解離条件を変化させるためにメタノールやグリコールなどのような添加剤を注入する方法である。抑制剤注入法のみを使用する場合には効果が大きくないが、水圧破砕法及び熱水注入法を同時に使用すると、効果が向上できるものと予想される。ただし、環境汚染の可能性や使用溶媒の高コストによる生産経済性の低さが短所である。
【０００７】
置換法は、ガスハイドレートの分子構造的処理方式でガスハイドレート構造内のメタンを他の物質に置換させて捕獲したメタンを抽出する方法であって、ガスハイドレート層を溶かすことなくメタンを生産できる。
【０００８】
その他、地熱を利用して熱水を作って注入するｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ法、地層での触媒酸化反応を介してハイドレートを解離させるｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ法などがある。
【０００９】
一方、ガスハイドレートが賦存している地域は、大きく２つの地域に区分できる。一般に、永久凍土地域と深海底で大洋の大陸斜面に賦存している。２つの地域に賦存しているが、賦存場所によって回収難易度にも大きな差を示す。陸地は堅固な岩石の中に賦存しているため、ガスハイドレートを回収する時の地盤変形や沈下がほぼ発生しない。しかし、ガスハイドレートが海上で未固結状態の地層下に賦存している場合は、ガスハイドレートを回収する際に地盤変形及び沈下などの現象が発生する場合がある。よって、ガスハイドレート回収時の地盤変形特性に関して実験を介して予め分析し、実験から得た結果によって実際の地層の変形程度を予測可能にすることが非常に重要である。しかしながら、現在のガスハイドレート関連技術分野では、ガスハイドレート回収方法や回収装置、又は特許文献１に開示されたもののように、ガスハイドレートの人為的生成のための生成装置などについて開示されているのみであり、ガスハイドレート回収時の地盤変形、特に地表面の変形を観察できる実験装置は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】大韓民国公開特許第１０−２００９−０１２２８１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためのもので、ガスハイドレート回収時に発生し得る地表面の変形を予測できるように実験装置内の試料の表面を観察できる実験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態によるガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）回収時の地表面の変形を予測するための実験装置は、ガスハイドレート含有試料が貯蔵される空間部が形成された高圧セル、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着されて移動に沿って前記空間部に貯蔵された試料を加圧させ、前記試料の表面が長さ方向に沿って透視されて外部で観察できるようにする加圧部材、及び前記試料内に貫入されて前記試料に含まれたガスハイドレートが外部に回収されるようにする回収部材を含むことができる。
【００１３】
本発明の実施形態による実験装置において、前記加圧部材は、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着される中空の本体、前記本体の開口された一端部に装着される第１キャップ、及び前記本体の開口された他端部に装着されて前記試料の表面に対向する第２キャップを含み、前記第１キャップ、及び前記第２キャップは透視可能な素材からなることができる。
【００１４】
本発明の実施形態による実験装置において、前記第２キャップは、石英を含む素材からなることができる。
【００１５】
本発明の実施形態による実験装置において、移動に沿って前記試料の表面に接触される前記加圧部材の面は、前記第２キャップの一面で形成され得る。
【００１６】
本発明の実施形態による実験装置において、前記第１キャップ及び前記第２キャップを介して前記試料の表面を観察できるように配置される撮影手段をさらに含むことができる。
【００１７】
本発明の実施形態による実験装置において、前記加圧部材は、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に装着される一体型の本体を含み、前記本体は、透視可能な素材からなることができる。
【００１８】
本発明の実施形態による実験装置において、前記本体は、石英を含む素材からなることができる。
【００１９】
本発明の実施形態による実験装置において、前記本体を介して前記試料の表面を観察できるように配置される撮影手段をさらに含むことができる。
【００２０】
本発明の実施形態による実験装置において、前記加圧部材は、前記高圧セル内部で一方向に移動可能に配置される中空の本体、及び前記本体内部に充填され透視可能な素材からなる透視部材を含むことができる。
【００２１】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視部材は、石英を含む素材からなることができる。
【００２２】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視部材を介して前記試料の表面を観察できるように配置される撮影手段をさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による実験装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による実験装置のカメラ配置状態が確認できる図である。
【図３】図１に示す加圧部材の別の例を含む実験装置を示す断面図である。
【図４】図１に示す加圧部材の別の例を含む実験装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための具体的な実施形態を添付された図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができ、特定の実施形態を図面に例示して詳細に説明する。これは本発明を特定の実施形態に対して限定することを意図するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更及び／又は均等物乃至代替物を含むことが理解されるべきである。
【００２６】
なお、別に定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含め、本明細書において使用される全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般に理解されるものと同じ意味を有することができる。一般に使用される予め定義されているものと同じ用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものであると解釈されることができ、本出願において明白に定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味で解釈されないことができる。
【００２７】
また、以下の実施形態は当該業界における平均的な知識を有する者によって明確に説明するために提供されるもので、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張される場合がある。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態による実験装置を示す断面図で、図２は、本発明の一実施形態による実験装置のカメラ配置状態が確認できる図である。
【００２９】
本発明の一実施形態によるガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）回収時の地表面の変形を予測するための実験装置１は、ガスハイドレート含有試料Ｓが貯蔵される空間部１１１が形成された高圧セル１００、前記高圧セル１００内部で一方向に移動可能に装着されて移動に沿って前記空間部１１１に貯蔵された試料Ｓを加圧させ、前記試料Ｓの表面が長さ方向に沿って透視されて外部で観察できるようにする加圧部材１３０、及び前記試料Ｓ内に貫入されて前記試料Ｓに含まれたガスハイドレートが外部に回収されるようにする回収部材２００を含むことができる。
【００３０】
本実施形態による実験装置１に含まれる高圧セル１００は、ガスハイドレートの地表面の変形を予測するための実験用以外にも、付加的には、ガスハイドレートの生成及び回収用装置の構成として機能することもできる。ガスハイドレートの生成及び回収、さらには、回収過程での地表面の変形観察用に使用され得る高圧セル１００は、具体的には、第１本体１１０、及び第２本体１２０を含むことができる。
【００３１】
第１本体１１０は、一例として、円筒状をなすことができる。第１本体１１０の内部には上方に開放される空間部１１１が形成されることができ、空間部１１１には実験のための試料Ｓが貯蔵されることができる。試料Ｓは、地表面変形がシミュレーション（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）できるように、土砂などを含むものである場合があり、内部にガスハイドレートが既に含まれていたり、生成を介して含まれている場合もある。第１本体１１０には空間部１１１内の圧力や温度を測定するための複数のセンサ部（図示せず）が具備され得る。第１本体１１０の一側、例えば、図示のように、下側には空間部１１１内に水を注入するための第１供給路１１２が形成され得る。第１供給路１１２は、水が貯蔵される水タンク（図示せず）と連結されることができ、この時、第１供給路１１２を介して供給される水は、冷却手段を用いて冷却されたまま供給されることができる。供給される水は、実際の現場の地盤内での温度に類似した温度に冷却されて供給されることができる。第１供給路１１２は、水だけでなくガスハイドレートの生成原料となるメタンガスの供給路として使用されることもできる。そのためには、第１供給路１１２は、メタンガスが貯蔵されたタンクとも連結され得る。そして、第１本体１１０の上端部には後述する第２本体１２０と結合され得るように第１フランジ部１１３が形成され得る。
【００３２】
第２本体１２０は、第１本体１１０の上側に結合される。第２本体１２０は、第１本体１１０と同様に円筒状に形成され得る。第２本体１２０の下端部には第１本体１１０の第１フランジ部１１３に対応する第２フランジ部１２１が形成されることができ、第１フランジ部１１３と第２フランジ部１２１とが互いに積層されたまま、これらにボルトなどのような固定部材が貫通結合されることによって、第１本体１１０と第２本体１２０とが互いに結合され得る。第２本体１２０内にも空間が形成されており、第２本体１２０の内部空間は上方に開放されており、下方には第１本体１１０の空間部１１１と連通される。
【００３３】
加圧部材１３０は、第１本体１１０の空間部１１１に貯蔵された試料Ｓを加圧する機能を遂行する。加圧部材１３０は、第２本体１２０の内部空間で上下方向へ移動可能に装着され得る。加圧部材１３０は、一例として、高圧セル１００内部で一方向に移動可能に装着される中空の本体１３１、本体１３１の開口された上端部に装着される第１キャップ１３２、及び本体１３１の開口された下端部に装着されて試料の表面に対向する第２キャップ１３３を含むことができる。本体１３１は、一例として、内部に空間が形成されている略円筒状であり得る。第２キャップ１３３は、本体１３１の内部空間が下方に対して閉鎖されるようにするとともに、第２キャップ１３３の下面が試料の表面に接触される加圧部材１３０の下面を形成できる。試料Ｓが加圧部材１３０によって安定して加圧されるようにし、空間部１１１内の高圧状態を維持させるためには、本体１３１の外周面と空間部１１１の内周面との間に遊びがあってはならない。したがって、本体１３１の下端部の外径は空間部１１１の内径と一致するように形成され得る。この時、本体１３１の内部空間は、第２キャップ１３３によって密閉されるので、結果として、空間部１１１は、加圧部材１３０の下面によって上方に対して密閉される。
【００３４】
一方、本体１３１の外周面には半径方向に突出するとともに円周方向に沿って形成される突起１３４が具備され得る。突起１３４によって、第２本体１２０の内周面と本体１３１の外周面との間の空間は上部空間ａ１と下部空間ａ２に区画され得る。第２本体１２０には上部空間ａ１と連通する第２供給路１２２が形成されることができ、第２供給路１２２は、流体を高圧で供給するポンプ（図示せず）と連結され得る。第２供給路１２２を介して上部空間ａ１に高圧の流体が供給されることができ、高圧の流体が供給されることによって、本体１３１は下方に加圧される。このような加圧によって加圧部材１３０が下方へ移動し、その移動過程で、第２キャップ１３３によって試料Ｓを圧搾させることができる。
【００３５】
回収部材２００は、加圧部材１３０を上下方向に貫通するように加圧部材１３０に装着され、試料Ｓに貫入される端部を介して試料Ｓ内に含まれたガスハイドレートを、又はガスハイドレート及び水を含む生成流体を外部に回収できるようにする。回収部材２００は、具体的な一例としては、流路管２１０、貫入部２２０、及び連結部材２３０を含むことができる。流路管２１０は、第１キャップ１３２を貫通したまま第１キャップ１３２に固定され、本体１３１の長さ方向に沿って第２キャップ１３３の近くまで延長される。貫入部２２０は、上端部が試料Ｓに対向する第２キャップ１３３の下面に挿入結合されたまま、下端部が空間部１１１内に位置するように下方に延長される。流路管２１０の下端部と貫入部２２０の上端部とは、第２キャップ１３３に挿入固定される連結部材２３０によって互いに連結され得る。貫入部２２０の内部には流路管２１０の流路と連通する流路が形成される。よって、貫入部２２０の端部を介して回収されるガスハイドレート又はガスハイドレート及び水は、貫入部２２０の流路及び流路管２１０の流路を介して外部に回収され得る。一方、回収部材２００は、ガスハイドレートの生成や解離（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）のために、試料Ｓ内部に原料を供給する供給路としての機能を遂行することもできる。すなわち、流路管２１０は、ガスハイドレートの原料供給タンク（図示せず）とも連結されることができ、ガスハイドレート生成又は解離用原料は、流路管２１０の流路及び貫入部２２０の流路を介して試料Ｓ内部に供給されることができる。
【００３６】
一方、本実施形態による実験装置１は、ガスハイドレートの回収時に発生する試料Ｓ表面の変形が観察できるように上記の加圧部材１３０が透視可能である。
【００３７】
具体的には、加圧部材１３０が上記の一例の構造で形成される場合は、第１キャップ１３２及び第２キャップ１３３は、透視可能な素材からなることができる。よって、外部では第１キャップ１３２及び第２キャップ１３３を介して透視され、換言すれば、加圧部材１３０の長さ方向に沿って透視されて空間部１１１内の試料Ｓの表面を観察できる。第１キャップ１３２及び第２キャップ１３３のうち少なくとも第２キャップ１３３は、一例として、石英を含む素材からなることができる。第１キャップ１３２及び第２キャップ１３３は、両方とも石英を含む素材からなることもできる。高圧セル１００の内部は、高圧セル１００内部に貯蔵された試料Ｓが実際の現場における地盤と類似の条件に置かれるように高圧を形成するが、このような高圧に耐えられるように高圧セル１００を構成する第１本体１１０及び第２本体１２０は、例えば、ステンレススチールで製作されることができる。また、空間部１１１に対向する第２キャップ１３３も高圧に耐えられるとともに、透視可能でなければならないため、上記のように、第２キャップ１３３は、例えば、石英を含む素材からなることができる。
【００３８】
本実施形態による実験装置１は、上記のように、加圧部材１３０が透視可能であることから、空間部１１１内の試料Ｓの表面がどのような変形を起こすかを肉眼で観察することができる。さらには、撮影手段を利用することによって試料Ｓの変形に対する精密分析及び分析結果の資料化が可能である。撮影手段には映像撮影が可能な高感度カメラ３００が使用され得る。カメラ３００は、図２に示すように、高圧セル１００の外部の位置であって第１キャップ１３２を眺めるように配置され、第１キャップ１３２及び第２キャップ１３３を介して試料Ｓ表面の変形状態を撮影できる。カメラ３００は、多数で構成されて配置されることができ、このようなカメラ３００は、制御部（図示せず）によって制御できる。一方、撮影手段にはカメラ３００による映像撮影の際に試料Ｓ内部を照らすことができる光源がさらに含まれることができる。また、カメラ３００は、空間部１１１内部での光反射の減少を低減できるように、レーザー撮影技法によって空間部１１１内部を撮影することもできる。
【００３９】
一方、図2及び図3は、上記の加圧部材１３０とは別の例を提示している。
【００４０】
図2に示す加圧部材１３０´は図１に示す例とは異なって、一体型の本体１３５を含むことができる。本体１３５は、高圧セル１００内部で上下方向へ移動可能に装着されることができる。このような本体１３５は、透視可能な素材、例えば、石英を含む素材からなることができる。そして、図２に示す例と同様に、本体１３５の上面を眺めるようにカメラ３００が配置されることができ、カメラ３００は、本体１３５を介して試料Ｓの表面を観察できる。
【００４１】
図3に示す加圧部材１３０″は、高圧セル１００内部で上下方向へ移動可能に配置される中空の本体１３６、本体１３６内部空間に充填され、透視可能な素材、例えば、石英を含む素材からなる透視部材１３７を含むことができる。本実施形態の場合も、図２に示す例と同様に、透視部材１３７の上側から透視部材１３７を眺めるようにカメラ３００が装着されることができ、カメラ３００は、透視部材１３７を介して試料Ｓの表面を観察できる。
【００４２】
図１に示す突起１３４は、図2及び図3の例では本体１３５，１３６の外周面に形成され得る。
【００４３】
以下、上記の構成を有する本発明の作動過程に対する一例を説明する。まず、試料Ｓを第２本体１２０が除去された第１本体１１０の空間部１１１に貯蔵した後、第１本体１１０の上部に第２本体１２０及び加圧部材１３０，１３０´，１３０″を結合させて加圧部材１３０，１３０´，１３０″が試料Ｓの上面に接触するように加圧部材１３０，１３０´，１３０″を下降させる。この過程で、回収部材２００の下端部が試料Ｓ内部に貫入される。その後、第１本体１１０下側の第１供給路１１２を介して空間部１１１内に水を供給し、空間部１１１内の試料Ｓを、例えば、６〜８℃及び１５００〜２０００Ｐｓｉの温度及び圧力条件に合わせた後、実際の現場の圧力に対応する圧力（例えば、最大３０ＭＰａ）まで加圧部材１３０，１３０´，１３０″によって試料Ｓを加圧させる。加圧による圧力は段階的に増加できる。このような作動過程の間、温度、圧力、試料Ｓの垂直変位などはリアルタイムでモニタリングされ得る。要求される圧力まで段階的な圧搾が完了すると、ガスハイドレートの解離を誘導し、これによって抽出されるガスを回収部材２００を介して回収できる。
【００４４】
回収部材２００による回収過程で、透視可能な加圧部材１３０，１３０´，１３０″を介して試料Ｓ表面の変形を観察でき、カメラ３００による映像撮影によって試料Ｓの変形をより精密に分析及び資料化できる。
【００４５】
本実施形態による実験装置１によれば、試料Ｓに与えられる温度及び圧力条件や、試料Ｓの構成物質、ガスハイドレートの解離方法及び過程、回収方法などに関する条件を様々に課することによって実際の現場における地表面の変形に対する正確な予測を可能にする情報が得られる。
【００４６】
以上、本発明を具体的な実施形態を介して詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのもので、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明は、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有する者によってその変形や改良が可能であることは明白である。
【００４７】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付された特許請求の範囲によって明確になるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によれば、ガスハイドレート回収時の試料表面の変形を肉眼又はカメラを介して観察して分析及び資料化でき、高圧セル内の温度や圧力などに関する条件を実際の現場と類似の条件に様々に課して実験することによって、実際の現場における現場における地表面の変形を正確に予測できる情報が得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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