(57)【要約】【課題】  本発明は、実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法を得ることにある。【解決手段】  本発明は、ガスの圧縮性を十分考慮し、様々な温度・圧力条件下におけるメタン圧縮率因子の解析を実現すると同時に、メタンの純水中での様々な条件下における溶解度の計算解析方式を提供し、２種類の方式を実験室のシミュレーションスケールにおけるハイドレート合成及び分解過程に応用し、閉鎖システム内で様々な時刻でのハイドレート、メタンガス及び水の三相の飽和度に対する計算を実現する。本発明は、抵抗率などの直接的な測定手段がない条件下で、実験過程中の埋蔵の変化を効果的に示し、ハイドレート形成及び分解効率を観察することができ、実験及びシミュレーションの精度を高め、ハイドレートの実際の採掘にとって重要な根拠や裏付けを提供することができる。 【その他】国際段階において出願人の住所が変更されたにもかかわらず、その手続がされない状態で、国内書面には変更後の住所に対応する識別番号を記載しております。
2021516754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工程Ａ、ハイドレート合成の飽和度計算：
Ａ１、体積がＶｒｅａｃｔｏｒの反応器中に一定の粒径の石英砂を満たし、前記石英砂の密度はρｓａｎｄとし、且つこのときの石英砂の使用量Ｍｓａｎｄを記録する。
反応器に石英砂が満たされた後の空隙空間容積は、以下の通り：
【数１】
2021516754.tif 000155
Ａ２、石英砂が満たされた反応器中にメタンガスを注入し、且つ温度制御システムにより反応器の温度を調節して室温にし、反応器の温度・圧力安定時における温度条件Ｔｉｎｉｔ及び圧力条件Ｐｉｎｉｔを記録する。
注入するメタンガスのモル量は、以下の通り：
【数２】
2021516754.tif 000156
式中、Ｒ＝０．０８３１４Ｌ・ｂａｒ／（ｍｏｌ．Ｋ）であり、Ｚｉｎｉｔはメタンガス注入後の反応器安定時のＴｉｎｉｔ及びＰｉｎｉｔ条件下におけるメタンの圧縮率因子である。
Ａ３、反応器中に体積がＶｗａｔｅｒの蒸留水を注入し、反応器の温度及び圧力条件が安定してから、温度制御システムにより反応器の温度を下げ、この間、反応器内ではハイドレートが形成され続けており、様々な反応時刻に対応する温度・圧力測定値はそれぞれＴｔ及びＰｔとする。
Ａ４、ガスの圧縮率因子計算モデルにより、圧力Ｐｔ、温度Ｔｔ条件下において対応するメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔを求めて、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000157
を得る。
Ａ５、メタンの液相中における化学ポテンシャルをパラメータ化し、且つシステムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求める。
Ａ６、これにより任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘ、及びこのときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度を求める。
工程Ｂ、ハイドレート分解の飽和度計算：
Ｂ１、特定条件下でハイドレートを分解させ、且つ分解反応時の分解水量、分解ガスの圧力及び温度並びに反応器の温度及び圧力を記録する：
ハイドレートの合成過程終了後、最終的なハイドレート生成量ｘｅｎｄ及びハイドレート飽和度Ｓｈｙｄｒａｔｅｅｎｄを得てから、一定の分解条件によりハイドレートに分解を生じさせ、且つ体積がそれぞれＶ１とＶ２である貯水タンク及びガス貯蔵タンクによって分解後の水とガスをそれぞれ収集し、反応により生成された水量Ｗｔ、ガス貯蔵タンクの気体圧力Ｐｇａｓ及び温度Ｔｇａｓをリアルタイムで記録すると同時に、ハイドレート分解過程中の反応器内の温度Ｔｔｒｅａｃ及び圧力Ｐｔｒｅａｃを記録する。
Ｂ２、任意の時刻ｔにおいて、測定した反応器内の温度Ｔｔｒｅａｃ、圧力Ｐｔｒｅａｃ及びガス貯蔵タンクの温度Ｔｇａｓ、圧力Ｐｇａｓに基づき、当該条件下における反応器内とガス貯蔵タンク内の圧縮率因子Ｚｒｅａｃ、Ｚｄｉｓｔ、及び対応するメタン溶解度Ｓｒｅａｃ、Ｓｄｉｓｔをそれぞれ求めるが、このときガス貯蔵タンク内では水が生じるだけでなく一部の分解ガスも存在しており、前記一部の分解ガスの体積は、以下の通り：
【数３】
2021516754.tif 000158
ガス分解で生じる総モル量は、以下の通り：
【数４】
2021516754.tif 000159
標準状態における前記ガス体積は、以下の通り：
【数５】
2021516754.tif 000160
以下の公式：
【数６】
2021516754.tif 000161
に基づき、且つ測定した反応器内の温度・圧力条件及び生成物量を基に、任意の時刻におけるハイドレート分解量ｘ＿ｍｏｌを求めるが、このときのハイドレート分解率は以下の通り：
【数７】
2021516754.tif 000162
このときの反応器内のハイドレート、水及びガスの体積飽和度は、以下の通り：
【数８】
2021516754.tif 000163
【数９】
2021516754.tif 000164
【数１０】
2021516754.tif 000165
という工程を含むことを特徴とする、実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法。
【請求項２】
前記工程Ａ２中、圧縮率因子Ｚｉｎｉｔは以下の方式で計算する：
【数１１】
2021516754.tif 000166
【数１２】
2021516754.tif 000167
【数１３】
2021516754.tif 000168
【数１４】
2021516754.tif 000169
【数１５】
2021516754.tif 000170
【数１６】
2021516754.tif 000171
【数１７】
2021516754.tif 000172
【数１８】
2021516754.tif 000173
【数１９】
2021516754.tif 000174
式中、各パラメータ数値は：
2021516754.tif 000175
であることを特徴とする、請求項１に記載の実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法。
【請求項３】
前記工程Ａ３中、ガスの圧縮率因子計算モデルにより、圧力Ｐｔ、温度Ｔｔ条件下において対応するメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔを求めて、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000176
を得るが、具体的には以下の通り：
【数２０】
2021516754.tif 000177
【数２１】
2021516754.tif 000178
【数２２】
2021516754.tif 000179
【数２３】
2021516754.tif 000180
【数２４】
2021516754.tif 000181
【数２５】
2021516754.tif 000182
【数２６】
2021516754.tif 000183
【数２７】
2021516754.tif 000184
【数２８】
2021516754.tif 000185
式中、各パラメータ数値は以下の通り：
2021516754.tif 000186
求めたメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔに基づき、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000187
を得る：
【数２９】
2021516754.tif 000188
【数３０】
2021516754.tif 000189
ということを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法。
【請求項４】
前記工程Ａ３中、メタンの液相中における化学ポテンシャルをパラメータ化し、且つシステムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求めるが、具体的には以下の方式により実現する：
【数３１】
2021516754.tif 000190
式中、各パラメータ数値は以下の通り：
2021516754.tif 000191
Ｐｔ、Ｔｔの値に基づき、このときのメタン液相フガシティ
2021516754.tif 000192
を求めるが、ハイドレート形成時における反応器内のメタン−純水の両相系については、水蒸気の分圧は０であると見なし、システムガスはメタンガスのみであり、メタンの液相中におけるモル溶解度Ｓは以下の式を満たす：
【数３２】
2021516754.tif 000193
これにより、システムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求めることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法。
【請求項５】
前記工程Ａ３中、任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘ、及びこのときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度は以下の方式で求める：
ハイドレート形成過程では、システム全体の体積が一定に保たれるため、残りのメタンガス、水と生成されるハイドレートの体積の和は反応器の空隙体積となり、即ち：
【数３３】
2021516754.tif 000194
式中の
2021516754.tif 000195
、
2021516754.tif 000196
は、水及びハイドレートの密度であり、
2021516754.tif 000197
、
2021516754.tif 000198
はそれぞれ水及びハイドレートのモル質量であり、これにより任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘを求めることができ、このときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度はそれぞれ：
【数３４】
2021516754.tif 000199
【数３５】
2021516754.tif 000200
【数３６】
2021516754.tif 000201
であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋天然ガスハイドレートの資源開発に役立つ室内実験及び数値シミュレーション分野に係り、具体的には実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスハイドレートとは、水、メタンガスが低温・高圧条件下で形成する籠状の物質であり、燃焼熱が高く、広範に分布するゆえに、２１世紀において最も将来性のある次世代エネルギーの一つと見なされている。中国は２０１７年５月、南シナ海海域のハイドレート埋蔵層から天然ガスを採取することに成功しており、試掘の成功によって、中国の南シナ海海域ハイドレート開発における可能性が実証された。しかし、試掘過程では多くの科学的課題も同時に明らかとなり、中国の海域ハイドレート採掘の商業化を速めるうえでさらに高いハードルとなった。
【０００３】
中国の南シナ海海域におけるハイドレートの初回試掘過程では、実際に生じた水量が事前に行った埋蔵層の評価シミュレーションの結果を遥かに下回ることが分かった。これは、シルト質埋蔵層に関して、含水化合物系におけるハイドレート、水、ガス相の三相分離、移行則を我々が未だ解明できてないことを示しており、次段階のハイドレート試掘に影響するのは必至である。海域におけるハイドレート分解過程のメカニズムをさらに解明し、問題のカギを見出すことで、今後の試掘、ひいては商業採掘に一層役立たせることができる。
【０００４】
現在、実験室又は数値で、ハイドレート、水、ガスの三相移行をシミュレートする場合には、ハイドレート分解の位相変化の複雑さゆえに、ハイドレート分解の物理化学モデルを簡略化するため、実在ガスの圧縮率因子を考量する際、通常２種類の方法が用いられている。１つは、メタンガスの圧縮率因子グラフだけで異なる温度・圧力下におけるメタンガスの圧縮率因子を推定する方法、もう１つは、Ｂｅｎｅｄｉｃｔ−Ｗｅｂｂ−Ｒｕｂｉｎ−Ｓｔａｒｌｉｎｇ（ＢＷＲＳ）、Ｐｅｎｇ−Ｒｏｂｉｎｓｏｎなどを用いて方程式の解を求める方法である。前者は通常、グラフによって限られた数の条件点における数値しか求めることができず、この方法はハイドレートの長時間を要する合成過程への応用に制限がある。後者の場合、解の個数の計算は解決できるものの、相関式は限られた実験データ点の集約のみで成り、計算の精度や適用される実験範囲条件はいずれも制限される。
【０００５】
また、ハイドレート合成・分解システム中、水とメタンガスの混合条件において、今のところ計算モデルの簡略化のため、メタンの液相中の溶解が通常考慮されておらず、メタンを遊離ガス相とハイドレートの２つの相に分けるのみであり、メタンの溶解度を考慮する場合には通常、ヘンリー定数を用いてハイドレート飽和度の計算モデルを簡略化して計算を完了させている。実際には、これら２種類の簡略化は実験室でのミクロスケールシミュレーションの計算結果に影響しないが、マクロスケールについて、さらには現場の埋蔵スケールについて言うなら、関係する実験研究によれば、海底フィールド以下の高圧条件下において、水中に遊離するメタンガスの溶解量は無視できないばかりか、通常その計算精度は計算結果に一定の影響を与えることが示されているため、現在は簡略化モデルでは計算のニーズを満たせなくなっている。
【０００６】
ハイドレートの商業開発プロセスを速め、今後の海域におけるハイドレート採掘に一層役立たせるために、ハイドレートの合成及び分解過程中の地質的、物理的、化学的過程を十分考慮することが今求められており、実際に効果的なハイドレートの生成・反応量計算モデルを採用することで、ハイドレート開発の評価に一層役立たせることが期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の方法の限界性に鑑み、溶解ガス及びガス圧縮率因子の温度・圧力による変化条件を十分に考慮し、ハイドレートの合成及び合成後の分解過程におけるハイドレート飽和度、変換率の計算を実現して、実験室内ハイドレート反応過程における三相変化則を比較的精確に示すことができ、電気抵抗トモグラフィなどのハイドレート形成を間接的に測定する測定手段がないシミュレーションプロセス計算に特に有効な、実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法を提出する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下の技術案を採用して実現したものである。実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法であって、以下の工程を含む。
【０００９】
工程Ａ、ハイドレート合成の飽和度計算：
【００１０】
Ａ１、体積がＶｒｅａｃｔｏｒの反応器中に一定の粒径の石英砂を満たし、石英砂の密度はρｓａｎｄとし、且つこのときの石英砂の使用量Ｍｓａｎｄを記録する。
【００１１】
反応器に石英砂が満たされた後の空隙空間容積は、以下の通りである。
【００１２】
【数１】
2021516754.tif 000003
【００１３】
Ａ２、石英砂が満たされた反応器中にメタンガスを注入し、且つ温度制御システムにより反応器の温度を調節して室温にし、反応器の温度・圧力安定時における温度条件Ｔｉｎｉｔ及び圧力条件Ｐｉｎｉｔを記録する。
【００１４】
注入するメタンガスのモル量は、以下の通りである。
【００１５】
【数２】
2021516754.tif 000004
【００１６】
式中、Ｒ＝０．０８３１４Ｌ・ｂａｒ／（ｍｏｌ．Ｋ）であり、Ｚｉｎｉｔはメタンガス注入後の反応器安定時のＴｉｎｉｔ及びＰｉｎｉｔ条件下におけるメタンの圧縮率因子である。
【００１７】
Ａ３、反応器中に体積がＶｗａｔｅｒの蒸留水を注入し、反応器の温度及び圧力条件が安定してから、温度制御システムにより反応器の温度を下げる。この間、反応器内ではハイドレートが形成され続けており、様々な反応時刻に対応する温度・圧力測定値はそれぞれＴｔ及びＰｔとする。
【００１８】
Ａ４、ガスの圧縮率因子計算モデルにより、圧力Ｐｔ、温度Ｔｔ条件下において対応するメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔを求めて、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000005
を得る。
【００１９】
Ａ５、メタンの液相中における化学ポテンシャルをパラメータ化し、且つシステムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求める。
【００２０】
Ａ６、これにより任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘ、及びこのときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度を求める。
【００２１】
工程Ｂ、ハイドレート分解の飽和度計算：
【００２２】
Ｂ１、特定条件下でハイドレートを分解させ、且つ分解反応時の分解水量、分解ガスの圧力及び温度並びに反応器の温度及び圧力を記録する。
【００２３】
ハイドレートの合成過程終了後、最終的なハイドレート生成量ｘｅｎｄ及びハイドレート飽和度Ｓｈｙｄｒａｔｅｅｎｄを得てから、一定の分解条件（反応器の圧力を下げるか又は昇温方式）によりハイドレートに分解を生じさせ、且つ体積がそれぞれＶ１とＶ２である貯水タンク及びガス貯蔵タンクによって分解後の水とガスをそれぞれ収集し、反応により生成された水量Ｗｔ、ガス貯蔵タンクの気体圧力Ｐｇａｓ及び温度Ｔｇａｓをリアルタイムで記録すると同時に、ハイドレート分解過程中の反応器内の温度Ｔｔｒｅａｃ及び圧力Ｐｔｒｅａｃを記録する。
【００２４】
Ｂ２、任意の時刻ｔにおいて、測定した反応器内の温度Ｔｔｒｅａｃ、圧力Ｐｔｒｅａｃ及びガス貯蔵タンクの温度Ｔｇａｓ、圧力Ｐｇａｓに基づき、当該条件下における反応器内とガス貯蔵タンク内の圧縮率因子Ｚｒｅａｃ、Ｚｄｉｓｔ、及び対応するメタン溶解度Ｓｒｅａｃ、Ｓｄｉｓｔをそれぞれ求めるが、このときガス貯蔵タンク内では水が生じるだけでなく一部の分解ガスも存在しており、一部の分解ガスの体積は以下の通りである。
【００２５】
【数３】
2021516754.tif 000006
【００２６】
ガス分解で生じる総モル量は、以下の通りである。
【００２７】
【数４】
2021516754.tif 000007
【００２８】
標準状態における当該ガス体積は、以下の通りである。
【００２９】
【数５】
2021516754.tif 000008
【００３０】
以下の公式：
【００３１】
【数６】
2021516754.tif 000009
【００３２】
測定した反応器内の温度・圧力条件及び生成物量を基に、任意の時刻におけるハイドレート分解量ｘ＿ｍｏｌを求めるが、このときのハイドレート分解率は以下の通りである。
【００３３】
【数７】
2021516754.tif 000010
【００３４】
このときの反応器内のハイドレート、水及びガスの体積飽和度は、以下の通りである。
【００３５】
【数８】
2021516754.tif 000011
【００３６】
【数９】
2021516754.tif 000012
【００３７】
【数１０】
2021516754.tif 000013
【００３８】
さらに、工程Ａ２中、圧縮率因子Ｚｉｎｉｔは以下の方式により計算する。
【００３９】
【数１１】
2021516754.tif 000014
【００４０】
【数１２】
2021516754.tif 000015
【００４１】
【数１３】
2021516754.tif 000016
【００４２】
【数１４】
2021516754.tif 000017
【００４３】
【数１５】
2021516754.tif 000018
【００４４】
【数１６】
2021516754.tif 000019
【００４５】
【数１７】
2021516754.tif 000020
【００４６】
【数１８】
2021516754.tif 000021
【００４７】
【数１９】
2021516754.tif 000022
【００４８】
式中、各パラメータ数値は以下の通りである。
【００４９】
2021516754.tif 000023
【００５０】
2021516754.tif 000024
【００５１】
2021516754.tif 000025
【００５２】
2021516754.tif 000026
【００５３】
2021516754.tif 000027
【００５４】
2021516754.tif 000028
【００５５】
2021516754.tif 000029
【００５６】
2021516754.tif 000030
【００５７】
2021516754.tif 000031
【００５８】
2021516754.tif 000032
【００５９】
2021516754.tif 000033
【００６０】
2021516754.tif 000034
【００６１】
2021516754.tif 000035
【００６２】
2021516754.tif 000036
【００６３】
2021516754.tif 000037
【００６４】
さらに、工程Ａ３中、ガスの圧縮率因子計算モデルにより、圧力Ｐｔ、温度Ｔｔ条件下において対応するメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔを求めて、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000038
を得る。具体的には以下の通りである。
【００６５】
【数２０】
2021516754.tif 000039
【００６６】
【数２１】
2021516754.tif 000040
【００６７】
【数２２】
2021516754.tif 000041
【００６８】
【数２３】
2021516754.tif 000042
【００６９】
【数２４】
2021516754.tif 000043
【００７０】
【数２５】
2021516754.tif 000044
【００７１】
【数２６】
2021516754.tif 000045
【００７２】
【数２７】
2021516754.tif 000046
【００７３】
【数２８】
2021516754.tif 000047
【００７４】
式中、各パラメータ数値は以下の通りである。
【００７５】
2021516754.tif 000048
【００７６】
2021516754.tif 000049
【００７７】
2021516754.tif 000050
【００７８】
2021516754.tif 000051
【００７９】
2021516754.tif 000052
【００８０】
2021516754.tif 000053
【００８１】
2021516754.tif 000054
【００８２】
2021516754.tif 000055
【００８３】
2021516754.tif 000056
【００８４】
2021516754.tif 000057
【００８５】
2021516754.tif 000058
【００８６】
2021516754.tif 000059
【００８７】
2021516754.tif 000060
【００８８】
2021516754.tif 000061
【００８９】
2021516754.tif 000062
【００９０】
求めたメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びガス圧縮係数Ｚｔに基づき、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000063
を得る。
【００９１】
【数２９】
2021516754.tif 000064
【００９２】
【数３０】
2021516754.tif 000065
【００９３】
さらに、工程Ａ３中、メタンの液相中における化学ポテンシャルをパラメータ化し、且つシステムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求める。具体的には、以下の方式により実現する。
【００９４】
【数３１】
2021516754.tif 000066
【００９５】
式中、各パラメータ数値は以下の通りである。
【００９６】
2021516754.tif 000067
【００９７】
2021516754.tif 000068
【００９８】
2021516754.tif 000069
【００９９】
2021516754.tif 000070
【０１００】
2021516754.tif 000071
【０１０１】
2021516754.tif 000072
【０１０２】
2021516754.tif 000073
【０１０３】
2021516754.tif 000074
【０１０４】
2021516754.tif 000075
【０１０５】
2021516754.tif 000076
【０１０６】
Ｐｔ、Ｔｔの値に基づき、このときのメタン液相フガシティ
2021516754.tif 000077
を求めるが、ハイドレート形成時における反応器内のメタン−純水の両相系については、水蒸気の分圧は０であると見なし、システムガスはメタンガスのみであり、メタンの液相中におけるモル溶解度Ｓは以下の式を満たす。
【０１０７】
【数３２】
2021516754.tif 000078
【０１０８】
これにより、システムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求める。
【０１０９】
さらに、工程Ａ３中、任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘ、及びこのときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度は、以下の方式で求める。
【０１１０】
ハイドレート形成過程では、システム全体の体積が一定に保たれるため、残りのメタンガス、水と生成されるハイドレートの体積の和は反応器の空隙体積となる。即ち、以下の通りである。
【０１１１】
【数３３】
2021516754.tif 000079
【０１１２】
式中の
2021516754.tif 000080
、
2021516754.tif 000081
は、水及びハイドレートの密度であり、
2021516754.tif 000082
、
2021516754.tif 000083
はそれぞれ水及びハイドレートのモル質量であり、これにより任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘを求めることができ、このときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度は、それぞれ以下の通りである。
【０１１３】
【数３４】
2021516754.tif 000084
【０１１４】
【数３５】
2021516754.tif 000085
【０１１５】
【数３６】
2021516754.tif 000086
【発明の効果】
【０１１６】
従来技術と比べて、本発明は次の利点及び好ましい効果を有する。
【０１１７】
本案は、溶解ガス及びガス圧縮率因子の温度・圧力による変化条件が十分に考慮されており、モデル設計がより精確で、計算精度がより高く、メタン−純水系のハイドレート生成における飽和水系中、ハイドレートの形成及び分解過程中にハイドレート生成及び分解における飽和度を任意の時刻で計算するのに適しており、実験中については、電気抵抗トモグラフィなどのハイドレート飽和度を直接測定する他の手段がない状況において、当該方法はハイドレート形成及び分解過程全体において形成されるハイドレート、水及びガスの飽和度の変化を迅速且つ正確に反映することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施例におけるハイドレート合成及び分解システムの原理ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１９】
本発明の上記目的、特徴及び優位点をより明解にするため、以下では図面と実施例に基づいてさらに詳しく説明する。
【０１２０】
＜実施例＞
本実施例では、実験及び数値シミュレーションプロセスにおけるハイドレート飽和度の計算解析方法を開示する。体積が既知の反応器内に石英砂の詰め込み、ガス注入、注水を順に行い、冷却降温手段によりハイドレート合成環境を作る。システムの反応器過程中にリアルタイムで測定した温度及び圧力値は、ハイドレート合成及び分解過程全体の質量保存、閉鎖環境の定容反応原理に基づいており、これにより、ハイドレート、水、ガスの三相の生成及び分解量をリアルタイムで求める。図１に示す通り、当該実験システムは、温度制御システム、反応器、貯水タンク、天秤及びガス貯蔵タンクを含み、実際の解析においては、以下の工程を含む。
【０１２１】
第１工程、ハイドレート合成の飽和度計算：
【０１２２】
（１）体積が既知の反応器（体積はＶｒｅａｃｔｏｒ、単位はｍＬ）内に一定の粒径の石英砂（密度はρｓａｎｄ、単位はｇ／ｍＬ）を満たし、且つこのときの石英砂の使用量（Ｍｓａｎｄ、単位はｇ）を記録する。
【０１２３】
（２）石英砂が満たされた反応器内に一定量のメタンガスを注入し、且つ温度制御システムにより反応器を所定温度（室温）に調節し、システムの温度・圧力安定時に対応する温度・圧力条件（Ｔｉｎｉｔ、単位は℃、Ｐｉｎｉｔ、、単位はＭＰａ）を記録する。
【０１２４】
（３）反応器内に一定量の蒸留水（Ｖｗａｔｅｒ、単位はｍＬ）を注入し、システムが安定するまで数時間待ち、温度・圧力条件が安定してから、温度制御システムにより反応器を低い温度まで下げ、この間、反応器内ではハイドレートが形成され続けており、様々な時刻における反応器内の対応する温度・圧力測定値はそれぞれＴｔ、単位は℃、Ｐｔ、単位はＭＰａとする。
【０１２５】
対応する時刻におけるハイドレート合成の飽和度の計算解析には、以下の方式を採用する。
【０１２６】
反応器に石英砂が満たされた後の空隙空間容積は、以下の通りである。
【０１２７】
【数３７】
2021516754.tif 000087
、単位はｍＬ
【０１２８】
注入するメタンガスのモル量は、以下の通りである。
【０１２９】
【数３８】
2021516754.tif 000088
、式中、Ｒ＝０．０８３１４Ｌ・ｂａｒ／（ｍｏｌ．Ｋ）
【０１３０】
Ｚｉｎｉｔはガス注入後の反応器安定時のＴｉｎｉｔ及びＰｉｎｉｔ条件下における圧縮率因子であり、Ｚｉｎｉｔの計算方式は以下の通りである。
【０１３１】
【数３９】
2021516754.tif 000089
【０１３２】
【数４０】
2021516754.tif 000090
【０１３３】
【数４１】
2021516754.tif 000091
【０１３４】
【数４２】
2021516754.tif 000092
【０１３５】
【数４３】
2021516754.tif 000093
【０１３６】
【数４４】
2021516754.tif 000094
【０１３７】
【数４５】
2021516754.tif 000095
【０１３８】
【数４６】
2021516754.tif 000096
【０１３９】
【数４７】
2021516754.tif 000097
【０１４０】
式中、各パラメータ数値は以下の通りである。
【０１４１】
2021516754.tif 000098
【０１４２】
2021516754.tif 000099
【０１４３】
2021516754.tif 000100
【０１４４】
2021516754.tif 000101
【０１４５】
2021516754.tif 000102
【０１４６】
2021516754.tif 000103
【０１４７】
2021516754.tif 000104
【０１４８】
2021516754.tif 000105
【０１４９】
2021516754.tif 000106
【０１５０】
2021516754.tif 000107
【０１５１】
2021516754.tif 000108
【０１５２】
2021516754.tif 000109
【０１５３】
2021516754.tif 000110
【０１５４】
2021516754.tif 000111
【０１５５】
2021516754.tif 000112
【０１５６】
上述の方程式に基づき、このときのメタン圧縮係数Ｚｉｎｉｔ及び対応するガス注入量ｎｇａｓｉｎｉｔｉａｌを求めることができる。
【０１５７】
任意の時刻ｔにおいて測定したシステムの温度・圧力はそれぞれＴｔ（単位は℃））、Ｐｔ（単位はＭＰａ）であり、このとき、上述のガス圧縮率因子の計算モデルに基づき：
【０１５８】
【数４８】
2021516754.tif 000113
【０１５９】
【数４９】
2021516754.tif 000114
【０１６０】
【数５０】
2021516754.tif 000115
【０１６１】
【数５１】
2021516754.tif 000116
【０１６２】
【数５２】
2021516754.tif 000117
【０１６３】
【数５３】
2021516754.tif 000118
【０１６４】
【数５４】
2021516754.tif 000119
【０１６５】
【数５５】
2021516754.tif 000120
【０１６６】
【数５６】
2021516754.tif 000121
【０１６７】
式中、Ｂｔ−Ｆｔは上述の初期ガス注入時の求め方と同じであり、これにより、圧力Ｐｔ、温度Ｔｔの条件下におけるメタンの相対モル体積Ｖｒｔ及びメタンガスの圧縮係数Ｚｔを求めることができる。これと同時に、対応するガスフガシティ
2021516754.tif 000122
を得ることができる。
【０１６８】
【数５７】
2021516754.tif 000123
【０１６９】
【数５８】
2021516754.tif 000124
【０１７０】
メタンの液相中における化学ポテンシャルのパラメータ化は、以下の通りである。
【０１７１】
【数５９】
2021516754.tif 000125
【０１７２】
式中、各パラメータ数値は以下の通りである。
【０１７３】
2021516754.tif 000126
【０１７４】
2021516754.tif 000127
【０１７５】
2021516754.tif 000128
【０１７６】
2021516754.tif 000129
【０１７７】
2021516754.tif 000130
【０１７８】
2021516754.tif 000131
【０１７９】
2021516754.tif 000132
【０１８０】
2021516754.tif 000133
【０１８１】
2021516754.tif 000134
【０１８２】
2021516754.tif 000135
【０１８３】
Ｐｔ、Ｔｔの値に基づき、このときのメタン液相フガシティ
2021516754.tif 000136
を求めることができるが、ハイドレート形成時における反応器内のメタン−純水の両相系については、水蒸気の分圧は０であると見なし、システムガスはメタンガスのみであり、メタンの液相中におけるモル溶解度Ｓは以下の式を満たす。
【０１８４】
【数６０】
2021516754.tif 000137
【０１８５】
これにより、システムの様々な時刻におけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのメタン溶解度Ｓを求める。
【０１８６】
ハイドレートの形成過程において、システムは体積が一定の閉鎖システムであり、仮に時刻ｔにおいてｘ（モル）のメタンガスがハイドレートに変換されたとすると、このときはハイドレート反応式に基づき：
【０１８７】
【数６１】
2021516754.tif 000138
【０１８８】
Ｎｘモルの水が消費された場合、通常はハイドレート反応中、Ｎは平均値６を取り、即ち６ｘモルとなる。
【０１８９】
システム全体の体積が一定に保たれる場合、残りのメタンガス、水の体積と生成されるハイドレートの体積の和は反応器の空隙体積となる。即ち、以下の通りである。
【０１９０】
【数６２】
2021516754.tif 000139
【０１９１】
式中
2021516754.tif 000140
、
2021516754.tif 000141
、は水及びハイドレートの密度であり、それぞれ１ｇ／ｍＬ、０．９１２ｇ／ｍＬであり、
2021516754.tif 000142
、
2021516754.tif 000143
はそれぞれ水及びハイドレートのモル質量であり、それぞれ１８．０ｇ／ｍｏｌ、１２４．０ｇ／ｍｏｌである。上述の式に基づき任意の時刻ｔにおけるＰｔ、Ｔｔ条件下でのシステムのメタンガス消費量ｘを求めることができ、このときの対応するハイドレート、ガス及び水の体積飽和度は、それぞれ以下の通りである。
【０１９２】
【数６３】
2021516754.tif 000144
【０１９３】
【数６４】
2021516754.tif 000145
【０１９４】
【数６５】
2021516754.tif 000146
【０１９５】
第２工程、ハイドレート分解の飽和度計算：
【０１９６】
システムの温度・圧力の安定後、即ちハイドレート合成過程の終了時、上述の計算によって最終的なハイドレート生成量ｘｅｎｄ、単位ｍｏｌ、及びハイドレート飽和度Ｓｈｙｄｒａｔｅｅｎｄを得ることができる。
【０１９７】
その後、一定の分解条件（反応器の圧力を下げるか又は昇温方式、例えばＰｗ、単位ＭＰａまで下げるか又はＴｗ、単位℃まで上げる）によりハイドレートに分解を生じさせ、且つ反応により生成された水量Ｗｔ（単位はｇ）、ガス貯蔵タンクの気体圧力Ｐｇａｓ（単位はＭＰａ）及び温度Ｔｇａｓ（単位は℃）をリアルタイムで記録するが、そのうち、容器Ｖ１とＶ２はそれぞれ分解後の水とガスを収集し、且つ容器の体積は既知であり、それぞれＶ１とＶ２（単位はｍＬ）である。また、ハイドレート分解過程中の反応器内の温度と圧力もまた同時に記録され、それぞれＰｔｒｅａｃ（単位はＭＰａ）、Ｔｔｒｅａｃ（単位は℃）とされる。
【０１９８】
任意の時刻ｔにおいて、測定した反応器内の温度Ｔｔｒｅａｃ、圧力Ｐｔｒｅａｃ及びガス貯蔵タンクの温度Ｔｇａｓ、圧力Ｐｇａｓに基づき、当該条件下における反応器内とガス貯蔵タンク内の圧縮率因子Ｚｒｅａｃ、Ｚｄｉｓｔ、及び対応するメタン溶解度Ｓｒｅａｃ、Ｓｄｉｓｔ（当該部分の計算方式は第１工程の原理と同じである）をそれぞれ求めるが、このときガス貯蔵タンク内では水が生じるだけでなく一部の分解ガスも存在しており、一部の分解ガスの体積は以下の通りである。
【０１９９】
【数６６】
2021516754.tif 000147
【０２００】
ガス分解で生じる総モル量は、以下の通りである。
【０２０１】
【数６７】
2021516754.tif 000148
、単位はｍｏｌ
【０２０２】
標準状態（２７３．１５Ｋ、１ｂａｒ）における当該ガス体積は、以下の通りである。
【０２０３】
【数６７】
2021516754.tif 000149
、単位はＬ
【０２０４】
このとき反応器内において、仮にハイドレートの分解が生じた場合、分解で生じたメタンは同様にｘ＿ｍｏｌであり、生じた水は６ｘ＿ｍｏｌであることがハイドレート分解反応式により分かる。同様に、定容システムによって以下を有する。
【０２０５】
【数６８】
2021516754.tif 000150
【０２０６】
これにより、測定した反応器及びガス貯蔵タンク内の温度・圧力条件及び生成物量を基に、任意の時刻におけるハイドレート分解量ｘ＿ｍｏｌを求めることができ、このときのハイドレート分解率は以下の通りである。
【０２０７】
【数６９】
2021516754.tif 000151
【０２０８】
このときの反応器内のハイドレート、水及びガスの体積飽和度は、以下の通りである。
【０２０９】
【数７０】
2021516754.tif 000152
【０２１０】
【数７１】
2021516754.tif 000153
【０２１１】
【数７２】
2021516754.tif 000154
【０２１２】
これにより、上述の解析によって、ハイドレートの生成及び分解過程における飽和度の変化に対する精確な計算を実現し、ハイドレートの合成及び分解過程中の地質的、物理的、化学的過程が十分考慮され、本当に効果的なハイドレートの生成・反応量計算モデルを採用することで、ハイドレート開発の評価に一層役立つことが期待される。
【０２１３】
上述は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明が他の形態を取るのを限定するものではなく、当業者であれば上述で開示した技術内容を利用し、変更又は改造を加えて等価変更した同等の実施例を他の分野に応用することができるが、そのいずれも本発明の技術案の内容を逸脱せず、本発明の技術的本質に基づき上述の実施例に対して行う何らかの簡単な修正、等価変更及び改造はいずれも本発明の技術案の保護範囲に属する。
【符号の説明】
【０２１４】
１  温度制御システム
２  反応器
３  貯水タンクＶ１
４  天秤
５  ガス貯蔵タンクＶ２
【図１】
2021516754.tif 000202
【国際調査報告】
2021516754.tif 000203
2021516754.tif 000204
2021516754.tif 000205
2021516754.tif 000206