(57)【要約】【課題】海上または陸上からメタンハイドレートが賦存している地層まで、熱損失なく熱エネルギーを伝送し、メタンハイドレートを加熱して、効率よくメタンガスを収集すること。【解決手段】浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、このレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層Ｂへ導くチューブ２に挿通された光ファイバー１と、チューブ２と光ファイバー１との間隙を経て地層Ｂへ流体（水、海水、気体）を供給する手段とを具備し、レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層Ｂを加熱して岩石を粉砕するとともにメタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、メタンガスおよび粉砕した岩石を水または海水とともに収集するものである。【選択図】　　　図２
2004108132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、該レーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層へ導く光ファイバーとを具備し、上記レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集装置。
【請求項２】
浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、該レーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層へ導くチューブに挿通された光ファイバーと、上記チューブと光ファイバーとの間隙を経て上記地層へ流体を供給する手段とを具備し、上記レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱して岩石を粉砕するとともにメタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、メタンガスおよび粉砕した岩石を流体とともに収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集装置。
【請求項３】
レーザー発振器は、化学的にレーザー光線を発生するＣＯＩＬレーザー装置であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地下賦存ガス資源収集装置。
【請求項４】
光ファイバーは、石英ファイバーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地下賦存ガス資源収集装置。
【請求項５】
光ファイバーは、中空ファイバーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地下賦存ガス資源収集装置。
【請求項６】
浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、光ファイバーによりメタンハイドレートを賦存する地層へ導いて、上記レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集方法。
【請求項７】
浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、チューブに挿通された光ファイバーによりメタンハイドレートを賦存する地層へ導くとともに、上記チューブと光ファイバーとの間隙を経て上記地層へ流体を供給し、上記レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱して岩石を粉砕するとともにメタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、メタンガスおよび粉砕した岩石を流体とともに収集することを特徴とする地下賦存ガス資源収集方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地中に賦存するメタンハイドレートからメタンガスなどの炭化水素ガスを収集する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中には石油をはじめ、種々の地下資源が埋蔵されているが、最近地下資源としてメタンハイドレートが注目されている。
【０００３】
メタンハイドレートは、複数個の水分子が集まって１２面体、１４面体、１６面体などのケージを形成し、そのケージの中にメタン分子が閉じこめられて一つの分子となり、その分子が結晶状またはランダムに集合したものである。
【０００４】
このメタンハイドレートは、海底下の岩石中やシベリアなど世界各地の地下深くに賦存している。注目すべきことに日本周辺においても、四国沖などの海底下に広く賦存していることが確認され、エネルギー資源として期待されている。
【０００５】
メタンハイドレートは、低温度で高圧力のもとに形成されたもので、図８の相平衡曲線図に温度と圧力との関係を示すように、低温度で高圧力の状態（曲線の左側）においてメタンハイドレートを形成し、温度を上昇させるか圧力を低下させると（曲線の右側）、メタンガスと水に分離する。
【０００６】
メタンハイドレートからメタンガスを分離するには、図８に示す相平衡曲線の右側の状態にしなければならない。すなわち、同じ圧力においては、温度を数十度以上、上昇させなければならない。さらに、氷から水に溶解させる潜熱として氷１ｇ当たり７９ｃａｌの熱エネルギーを必要とし、その溶解熱を含めて、メタンハイドレートを加熱するために多くの熱エネルギーを必要とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
地中に賦存するメタンハイドレートに熱エネルギーを供給してメタンガスを採収する方法として、メタンハイドレートを賦存する地層まで海底を掘削して孔をあけ、この孔を経て海上から水蒸気や熱水を送り込んで、メタンハイドレートを加熱することによりメタンハイドレートの温度を上昇させて、気化したメタンガスを採収する方法が試験的に行われている。
【０００８】
この方法によると、試験的に少量のメタンガスを採収することは可能であるが、海上から水蒸気や熱水を送り込んでも、数千ｍも離れた地層に賦存するメタンハイドレートに到達する前に水蒸気や熱水が冷却されて熱エネルギーが失われ、極めて非効率的であって産業として成り立たない。
【０００９】
また、メタンハイドレートは、石油のように溜まりを作って賦存しているのではなく、地中に広く固体状で分布しているから、石油を掘削するように、一カ所に孔をあけて、そこから全体のメタンガスを吸い上げる手法は適用できないという課題がある。
【００１０】
そこで、この発明は、このような課題を解決するために考えられたもので、海上または陸上からメタンハイドレートが賦存している地層まで、熱損失なく熱エネルギーを伝送し、メタンハイドレートを加熱して、効率よくメタンガスを収集することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の地下賦存ガス資源収集装置は、浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器と、このレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、メタンハイドレートを賦存する地層へ導く光ファイバーとを具備し、レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集するものである。
【００１２】
この発明の地下賦存ガス資源収集方法は、浮遊式海洋構造物または地上に設置されたレーザー発振器から出力されるレーザー光線を、光ファイバーによりメタンハイドレートを賦存する地層へ導いて、レーザー光線によりメタンハイドレートを賦存する地層を加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを分離し、浮上するメタンガスを収集するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
浮遊式海上構造物（洋上設備）Ａから掘削パイプを海底面まで下ろし、さらに海底面下の地層をメタンハイドレートが賦存する地層Ｂまで掘削して坑井を形成する。この坑井の形成は、石油掘削の技術と同じ技術により形成することができる。
【００１４】
この発明の地下賦存ガス資源収集装置は、図１に示すように、浮遊式海上構造物Ａを備え、この浮遊式海上構造物Ａには、掘削した坑井にパイプ３を降下させる装置と、予め光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２をパイプ３内に降下させる装置と、可撓性チューブ２を巻き取るリール６と、光ファイバー１を経てレーザー光線を送るレーザー発振器４と、可撓性チューブ２と光ファイバー１との隙間を利用して流体（水、海水、気体）を送り込むポンプ５と、パイプ３と可撓性チューブ２との間隙の流路を経て浮上した浮上物からメタンガスを分離する浮上物処理装置７とを備えている。
【００１５】
図２に示すように、浮遊式海上構造物Ａから掘削した坑井９にパイプ３を降下させる。このパイプ３の先端には、中心の１つの孔３２および円形に配列された複数の孔３３を穿孔したブロック３１が取り付けられている。
【００１６】
さらに、予め光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２をパイプ３内に降下させる。この可撓性チューブ２の先端近傍には、円弧状に曲げた複数の芯出し用スプリング３４が取り付けられており、可撓性チューブ２の先端がパイプ３のブロック３１まで到達したとき、可撓性チューブ２の先端をブロック３１の中心孔３２に案内して、可撓性チューブ２の先端をブロック３１の下に突出させる。
【００１７】
可撓性チューブ２の先端には、光ファイバー１の先端部を保護するとともに、伝送されて来たレーザー光線を集束または拡散させるレンズを取り付けたり、側方に反射させるプリズムを取り付けたり、または、レンズ等何も取り付けないで直接照射させる照射ノズル１１が結合されている。
【００１８】
浮遊式海上構造物Ａにおいて、パイプ３の上端は、可撓性チューブ２を挿通したバルブ３６によって閉じられ、パイプ３内を上昇してきた浮上物をバルブ２１を介して浮上物処理装置Ａ導くように結合されている。
【００１９】
図３に示すように、浮遊式海上構造物Ａにおいて、予め光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２が、見込まれる必要な長さだけリール６に巻き取られており、光ファイバー１および可撓性チューブ２を同軸状に結合するスイベル６１および光ファイバー用スイベルジョイント６２を介して、レーザー発振器４およびポンプ５に結合されている。
【００２０】
そして、光ファイバー１は、レーザー発振器４から出力されるレーザー光線を伝送させ、可撓性チューブ２は、光ファイバー１との隙間を利用して、流体（水、海水、気体）を送り込んで可撓性チューブ２の先端の照射ノズル１１より噴出させるように構成されている。
【００２１】
レーザー発振器４として、石英ファイバーの伝送損失が少ない波長域（１．０〜１．３μｍ）のレーザー光線を化学的に発生する沃素レーザー装置（Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ　Ｐｕｍｐｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎｅ　Ｉｏｄｉｎｅ　Ｌａｓｅｒ：ＣＯＩＬと略称されている）、またはレーザー光線を電気エネルギーにより発生するＹＡＧレーザー装置が適している。すなわち、石英ファイバーの伝送損失の分光特性を示す図４の特性曲線より明らかなように、沃素レーザー装置から出力される波長（１．３μｍ）のレーザー光線、ＹＡＧレーザー装置から出力される波長（１．０６μｍ）のレーザー光線を、少ない損失で長距離を伝送することができる。
【００２２】
直径０．６ｍｍの石英ファイバーを使用すると、４ｋＷ以上のレーザー光線（エネルギー）を伝送できることが実験的に立証されており、直径１ｍｍの石英ファイバーを使用すると、１０ｋＷ以上のレーザー光線の伝送が十分可能であり、数本の石英ファイバーを束ねると、１０００ｍ以上離れたメタンハイドレートを賦存する地層まで数１０ｋＷ以上のレーザー光線を伝送することも可能である。
【００２３】
光ファイバー１として、伝送帯域が広い中空ファイバーを使用することができる。中空ファイバーは、内壁に、アルミニウム、銀または銅をコートして反射膜を形成したものである。このような伝送帯域が広い光ファイバーを使用すると、送り込んだ各種の流体や、メタンハイドレートを賦存する地層で発生した流体で吸収される最適な波長のレーザー光線を伝送することができる。
【００２４】
次に、このように構成されたメタンガス資源収集装置を使用してメタンガスを収集する工程を説明する。
【００２５】
メタンハイドレートが賦存する地層Ｂまで掘削して形成された坑井９に、浮遊式海上構造物Ａからパイプ３を降下させる。このパイプ３の先端近傍には、パイプ・パッカー３５が取り付けられているので、遠隔操作によりパイプ・パッカー３５を膨張させてパイプ３と坑井９との隙間を密封させる。また、パイプ・パッカー３５によりパイプ３と地層との隙間を密封させることもできる。
【００２６】
このパイプ３の先端には、パイプ３とほぼ同じ外径を有するブロック３１が取り付けられており、このブロック３１の中心に可撓性チューブ２を挿通する孔３２および円形に配列された液体またはガス通路となる複数の孔３３が穿孔されている。
【００２７】
リール６に巻かれている光ファイバー１を挿通した可撓性チューブ２を引き出しながら、パイプ３の中を降下させる。そして、可撓性チューブ２の先端部の外周には、円弧状に曲げた複数の芯出し用スプリング４３が取り付けられているので、可撓性チューブ２の先端をブロック３１の中心孔３２に案内して、可撓性チューブ２の先端をブロック３１の下に突出させることができる。
【００２８】
レーザー発振器４を動作させて、レーザー発振器４から出力される大エネルギーのレーザー光線を光ファイバー１の先端よりメタンハイドレートが賦存する地層Ｂを照射させて、岩石やメタンハイドレートを加熱すると、メタンハイドレートは分解されて、水とメタンガスに分離される。
【００２９】
メタンハイドレートと共存する岩石の種類は、砂岩、石灰岩、頁岩などであるが、照射されたレーザー光線のエネルギーによって細かく破砕されて粉状になるか、大きく割れるか、溶融するか、蒸発するかのいずれかの物理的現象を生じる。
【００３０】
ポンプ５を動作させて、水または流体（水、海水、気体）を可撓性チューブ２の先端より噴出させると、粉砕された岩石は、ブロック３１の円形に配列された複数の孔３３およびパイプ３と可撓性チューブ２との間隙の流路を経て、分離されたメタンガスとともに上昇し、岩石を容易に除去することができる。
【００３１】
パイプ３内を上昇したメタンガスおよび粉砕された岩石は、流体（水、海水、気体）とともに浮遊式海洋構造物Ａに設置された浮上物処理装置７に導かれて、メタンガスを分離して収集される。
【００３２】
光ファイバー１内を多重反射しながら通過したのち、光ファイバー１の先端から放射されるレーザー光線のビームは拡がる傾向を有しているが、光ファイバー１の先端付近をより広く照射したい場合には、光ファイバーの先端の照射ノズル１１に凹レンズを取り付ければよいのである。
【００３３】
また、光ファイバー１の先端から放射されるレーザー光線を拡散させることなく集束させたい場合には、光ファイバーの先端の照射ノズル１１に凸レンズを取り付ければよいのである。
【００３４】
光ファイバー１の先端部には、可撓性チューブ２を経て供給された流体（水、海水、気体）が噴射しているので、光ファイバーの先端部（レンズを含む）が洗浄され、かつ、レーザー光線のビームの視野を確保することができる。
【００３５】
水は、図４の特性曲線図に示すように、沃素レーザー装置から出力される波長（１．３μｍ）、ＹＡＧレーザー装置から出力される波長（１．０６μｍ）における吸収が比較的少なく、数ｍ以内であれば水を介して岩石を有効に照射することができる。また、メタンハイドレートから分解した汚濁水をレーザー光線によって加熱し、この加熱された水（湯）によりメタンハイドレートを間接的に加熱することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
以上で説明した第１の実施の形態においては、坑井９に降下させたパイプ３と同じ方向（垂直下方）にレーザー光線のビームを照射させているが、図５に示すように、パイプ３の先端に取り付けるブロック３１として、中心孔３２を斜め下方に曲げたブロック３１ａを使用して、可撓性チューブ２を斜め下方に突出させると、レーザー光線のエネルギーで地中の岩石を斜め下方に掘削することが可能である。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図６に示すように、可撓性チューブ２の先端に、レーザー光線のビームを横方向へ反射させるプリズム３７を設けた照射ノズル１１ａを取り付ける。そして、可撓性チューブ２を経て供給する流体（水、海水、気体）によって回転するタービンを設けて、照射ノズル１１ａを回転させると、全周にわたってレーザー光線のビームを横方向へ照射することができる。
【００３８】
また、照射ノズル１１ａに設けたプリズム３７を交換することにより、図７に示すように、レーザー光線のビームを任意の角度に照射することができる。
【００３９】
さらに、レーザー光線のビームを全周にわたって横方向へ照射しながら、可撓性チューブ２を降下させると、大きな容積の地層を掘削することも可能である。
【００４０】
以上で説明した実施の形態においては、浮遊式海上構造物Ａを利用してメタンハイドレートが賦存する地層Ｂからメタンガスを収集する手法を説明したが、地上設備を利用しても同様にメタンガスを収集することができる。また、図５に示す実施形態に、図６または図７に示す照射ノズル１１ａを適用して横方向または斜め方向に向かって大きな容積の地層を掘削することも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上の実施の形態に基づく説明から明らかなように、この発明の地下賦存メタガス資源収集装置によると、レーザー光線を光ファイバーを利用してメタンハイドレートが賦存する深い地層まで少ない損失で伝送すること、すなわち、加熱のためのエネルギーを高効率で伝送することができるので、メタンハイドレートからメタンガスを効率よく収集することができ、経済的かつ実用上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の地下賦存メタンガス資源収集装置で使用する海上または地上設備の実施の形態を示す概要図、
【図２】メタンハイドレートが賦存する地層に降下させたパイプおよび光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部の第１の実施形態を示す縦断面図、
【図３】海上または地上設備におけるリールを示す断面図、
【図４】石英ファイバーの伝送損失の分光特性を示す特性曲線、
【図５】パイプおよび光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部の第２の実施形態を示す縦断面図、
【図６】パイプおよび光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部の第３の実施形態を示す縦断面図、
【図７】パイプおよび光ファイバーを挿通した可撓性チューブの先端部の第３の実施形態の変形を示す縦断面図、
【図８】メタンハイドレートの相平衡曲線図である。
【符号の説明】
Ａ　浮遊式海上構造物
Ｂ　メタンハイドレートを賦存する地層
１　光ファイバー
２　可撓性チューブ
３　パイプ
４　レーザー発振器
５　ポンプ
６　可撓性チューブを巻き取るリール
７　浮上物処理装置
９　坑井
３１　孔あきブロック
【図１】
2004108132.tif 000003
【図２】
2004108132.tif 000004
【図３】
2004108132.tif 000005
【図４】
2004108132.tif 000006
【図５】
2004108132.tif 000007
【図６】
2004108132.tif 000008
【図７】
2004108132.tif 000009
【図８】
2004108132.tif 000010