(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、
前記配管の内部から排水する排水手段と、
前記配管の内壁から離間した位置に長さ方向を揃えて設置し、側面に多数の開口部を形成する筒状体と、
該筒状体よりも上流に、前記流体の流れに旋回流を与える旋回流付与手段と、を設けたことを特徴とするガスハイドレート搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に存在するガスハイドレートを採掘する技術に関し、特に掘削したガスハイドレートを含む流体を配管を通じて搬送する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスハイドレートとは、気体ガス分子と水分子とからなる氷状の個体物質である。いうまでもなく水分子は１個の酸素原子と２個の水素原子とからなるが、液体の状態では複数の水分子が結合したり離れたりしており、数十個の水分子が結合した状態はクラスター（駕籠）構造と呼ばれる。クラスター構造は液体の状態では不安定であるが、加圧したり冷却したりすると安定し、クラスター構造を構成する水分子の数も増加する。
【０００３】
ここに十分な気体分子が存在すると、駕籠状になった空隙の内側に気体分子が取り込まれて水和物が生成される。クラスター構造の空隙に気体分子を取り込んだものはガスハイドレートと呼ばれ、特にメタン分子を取り込んだものはメタンハイドレートと呼ばれる。
【０００４】
主にメタンを多く含むガスハイドレート、すなわちメタンハイドレートは、自然界では永久凍土の下や水深５００ｍ前後以深の海底地盤中に存在することが明らかになっている。その埋蔵量は非常に膨大で、従来の化石燃料に替わる次世代のエネルギー資源として大きな期待が寄せられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
メタンハイドレートの存在は、海底の音波探査や試掘等によって裏付けられているが、その特異な性状から、石油や天然ガス等の従来の化石燃料とは異なる独自の掘削技術を確立する必要がある。
【０００６】
例えば、採掘しようとしているのはメタンガスやその他の有用なガスであって、水は不要なものであるが、有用なガスと結び付いてハイドレートを形成しているために、これを海上まで引き上げるのに大きなエネルギーを消費することになる。しかしながら、メタンハイドレートの氷塊を海上から海底に垂下した配管を通じて吸い上げようとすると、海上に近づくにつれて周囲の温度が上昇することもあり、メタンハイドレートが分解して水の濃度が高まる。つまり、利用価値のない水を吸い上げるために無駄なエネルギーを消費することになるのである。
【０００７】
また、配管を通じてメタンハイドレートの氷塊を吸い上げようとすると、配管の継ぎ目等で氷塊どうしが凍り付いて閉塞することも予想される。配管の内部に詰まりが生じると、これを解消するには多大なエネルギーを必要とするばかりでなく、掘削の設備に大きなダメージを与えることになりかねないので大変危険である。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、地中に存在するガスハイドレートを効率よく、かつ安全に採掘することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成を採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載のガスハイドレート搬送装置は、ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、前記配管の内部から排水する排水手段と、前記配管の内壁から離間した位置に長さ方向を揃えて設置し、側面に多数の開口部を形成する筒状体と、該筒状体よりも上流に、前記流体の流れに旋回流を与える旋回流付与手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、前記配管の内壁から離間した位置に長さ方向を揃えて筒状体を設置するとともに、該筒状体の側面に多数の開口部を形成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、前記筒状体よりも上流に、前記流体の流れに旋回流を与える旋回流付与手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、配管内部を流通する流体において、密度と速度分布の関係から、密度の大きいものほど管の内壁近くを流れ、密度の小さいものほど管の中央を流れようとする。そこでこの性質を利用して、ガスハイドレート、ガス、水のうち比較的密度の小さいガスとガスハイドレートとが配管の中心を、密度の大きい水が配管の内壁に沿って流れるようにする。そして、内壁に沿って流れる水を外部に排出すると、配管を流れる流体中の水の濃度が下がる。
【００１３】
さらに、本発明においては、配管の内部に長さ方向を揃えて筒状体を設置し、比較的密度の小さいガスとガスハイドレートが筒状体の内側を、密度の大きい水が筒状体の外側を流れるようにするとともに、筒状体の側面に多数の開口部を形成することが望ましい。例えば、筒状体を多孔板や網状のメッシュ材で製作する。これによると、配管の中央から外側に水の移動が容易に行われて水の分離効率が高まる。
また、本発明においては、筒状体よりも上流に、流体の流れに旋回流を与える旋回流付与手段を設けることが望ましい。これによると、遠心力が作用することにより密度の大きい水が外側に移動しようとする力が強められて水の分離効率がさらに高まる。
【００１４】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、前記配管内部の流体の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果に基づいて前記流体を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、前記加熱手段が、前記配管の内部に設けられた熱媒の導通路と、該導通路に前記熱媒を循環させるポンプと、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記熱媒を加熱する加熱器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の参考例においては、配管内部の流体の温度が閉塞を起こし易い温度に低下しないように、これを検知して流体を加熱することにより、配管内部の閉塞が防止される。
【００１７】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、前記配管を複数のパートに分け、各パートごとに前記流体の圧力を検出する圧力検出手段を設置し、該圧力検出手段の検出結果に基づいて閉塞の有無と閉塞が起きたパートを特定することを特徴とする。
【００１８】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、前記各パートごとに前記流体を加熱する加熱手段を設置し、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて特定されたパート内部の流体を加熱することを特徴とする。
【００１９】
本発明の参考例においては、あるパートの前後で大きく圧力が異なれば（上流側で高圧、下流側で低圧となる）、当該のパートで閉塞が生じたと特定される。ひとたび閉塞が生じれば、当該のパート内部の流体を加熱することにより、閉塞が解消される。
【００２０】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、前記配管を複数のパートに分け、各パートごとに前記流体の温度を検出する温度検出手段と前記流体を加熱する加熱手段とを設置し、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記各パートごとに前記流体を加熱することを特徴とする。
【００２１】
本発明の参考例においては、各パートごとに流体の温度を検出し、閉塞を起こし易い温度に低下したパートがあればこのパートの内部を流れる流体を加熱することにより、配管内部の閉塞が防止される。
【００２２】
本発明の参考例のガスハイドレート搬送装置は、ガスハイドレート、ガスおよび水が混在する状態の流体を配管を通じて搬送するガスハイドレート搬送装置であって、前記配管の途中に前記流体を一時的に貯留して前記ガスハイドレートの分解を促す空間を設け、該空間に溜まる水を外部に排出し、ガスを前記配管を通じて搬送することを特徴とする。
【００２３】
本発明の参考例においては、流体の一時的な溜まりを設けてガスハイドレートの分解を促し、余剰の水は外部に排出することにより、その先にはガスのみもしくはガスの濃度が高まった流体が搬送される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るガスハイドレート搬送装置の第１の実施形態を図１および図２に示して説明する。
図１には海底地盤に埋蔵された主にメタンを多く含むガスハイドレート（すなわちメタンハイドレート）およびメタンを主成分とする天然ガスを掘削する洋上施設を示す。図において符号１は洋上に設置されたプラットフォーム、２は採掘されたメタンハイドレートを脱水して濃度を高める高濃度化設備、３は採掘されたメタンガスからメタンハイドレートを生成する生成設備、４は地中のハイドレート層Ｈからメタンハイドレートを導通するハイドレート用配管、５は地中のガス層からメタンガスを導通するガス用配管である。プラットフォーム１上で高濃度化もしくは生成されたメタンハイドレートは、専用の輸送船６によって海上を輸送され、陸地に設けられた貯蔵施設７に蓄えられる。
【００２５】
本発明に係るガスハイドレート搬送装置は、ハイドレート用配管４に設けられる。ハイドレート用配管４では、メタンハイドレートＭＨ、メタンガスｇおよび水Ｗが混在する状態の流体が搬送されるが、図２に示すように、ハイドレート用配管４の下端に近い位置には、断面円形のハイドレート用配管４の内壁から離間した位置に長さ方向を揃えて、さらに中心を一致させて円筒体（筒状体）１０が設置されている。円筒体１０は、上下端を漏斗状に拡大されてハイドレート用配管４の内壁に固定されている。円筒体１０は多孔板を加工したもので、側面には多数の孔（開口部）１０ａが形成されている。
【００２６】
また、ハイドレート用配管４には、開閉弁Ｖを介して円筒体１０との間に形成される空間１１から水を排出するポンプ（排出手段）１２が設けられている。
【００２７】
上記のように構成されたガスハイドレート搬送装置においては、ハイドレート用配管４の内部を流通する流体において、密度と速度分布の関係から、密度の大きいものほど管の内壁近くを流れ、密度の小さいものほど管の中央を流れようとする性質を利用する。詳述すると、ハイドレート用配管４の内部を流通する流体には、内壁との摩擦等から、管の中央ほど流速が高く、内壁に近いほど流速が低くなる速度分布が生まれる。ここで、ある任意の断面について考えると、管の中央と周辺（内壁近く）では流体のもつエネルギーは一定と考えられるから、管の中央を流れる流体の密度をρ１、流速をｖ１とし、周辺を流れる流体の密度をρ２、流速をｖ２とすると、ρ１×ｖ１２／２＝ρ２×ｖ２２／２となる。ここで、ｖ１＞ｖ２であるから、上記関係式を満たすにはρ１＜ρ２が絶対条件となる。つまり、管の中央を密度の比較的小さいメタンガスとメタンハイドレートとが流れ、周辺を密度の大きい水が流れるようになるのである。
【００２８】
このような性質から、ハイドレート用配管４の内部では、円筒体１０の内側をメタンガスｇとメタンハイドレートＭＨが流れ、空間１１を水が流れるようになる。そこで、空間１１を流れる水をポンプ１２で外部に排出すると、ハイドレート用配管４を流れる流体中の水の濃度が下がる。
【００２９】
これによると、利用価値のない水を吸い上げるために消費するエネルギーを節約することができ、メタンハイドレートの掘削を効率よく実施することができる。
【００３０】
なお、本実施形態のハイドレート搬送装置は、ハイドレート用配管４の下端に限らずいずれの場所に設置されても効果を発揮する。また、ハイドレート用配管４に複数のハイドレート搬送装置を設置するとより効果的である。
【００３１】
次に、本発明に係るガスハイドレート搬送装置の第２の実施形態を図３に示して説明する。なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態においては、円筒体１０よりも上流、すなわちハイドレート用配管４の下端側に、流体の流れに旋回流を与える旋回機（旋回流付与手段）１３が設けられている。旋回機１３は、管の内壁に沿って周方向一方に流れを作ることによって旋回流を生み出す装置である。
【００３２】
これによると、旋回流を与えられることにより流体を構成する各要素に遠心力が作用し、密度の大きい水が外側に移動しようとする力が強められて水の分離効率がさらに高まるので、メタンハイドレートの掘削をさらに効率よく実施することができる。
【００３３】
次に、本発明の参考例１に係るガスハイドレート搬送装置を図４に示して説明する。なお、上記の各実施形態において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本参考例においては、ハイドレート用配管４が二重管構造とされ、内側の管４ａのさらに内側を流体が流れるようになっている。そして、本参考例のガスハイドレート搬送装置は、管４ａ内部の流体の温度を検出する温度検出手段２０と、温度検出手段２０の検出結果に基づいて流体を加熱する加熱手段２１とを備えて構成されている。
【００３４】
加熱手段２１は、内側の管４ａと外側の管４ｂとの間の空間２２を熱媒である温水の導通路とし、空間２２を一部とする温水の循環経路２３の途中に設けられたポンプ２４と、温水を加熱する加熱器２５とを備えている。
【００３５】
このガスハイドレート搬送装置においては、管４ａ内部の流体の温度がある温度より低下したら、加熱器２５を作動させて温水を加熱し、加熱された温水を空間２２に流すことでハイドレート用配管４内部を一定の温度に保つ。
【００３６】
これによると、加熱器２５を作動させる温度を、ハイドレート用配管４内部の流体の温度が閉塞を起こし易い温度より高めに設定しておくことで、メタンハイドレートの凍結による閉塞を防止することができ、これによってメタンハイドレートの掘削を安全かつ円滑に進めることができる。
【００３７】
なお、本参考例のハイドレート搬送装置は、ハイドレート用配管４を複数のパートに分け、各パートに個々にハイドレート搬送装置を設置するとより効果的である。
【００３８】
次に、本発明の参考例２に係るガスハイドレート搬送装置を図５に示して説明する。なお、上記の各実施形態および参考例において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本参考例においては、二重構造のハイドレート用配管４に、長さ方向に分割された複数のパートａ，ｂ，ｃ…が設定され、各パート毎に内部の流体の圧力を検出する圧力検出手段３０が設置されている。また、各パート毎に上記と同様の加熱手段２１が設置されるとともに、圧力検出手段３０の検出結果に基づいて閉塞が起きたパートの加熱手段２１を作動させる制御部３１が設置されている。
【００３９】
このガスハイドレート搬送装置においては、あるパートの前後で大きく圧力が異なれば、当該のパートで閉塞が生じた、もしくは閉塞が生じつつある状態にあると特定される。ひとたびこの状態が特定されれば、当該のパートに設置された加熱手段２１を作動させ、内部の流体を加熱する。
【００４０】
これによると、閉塞を生じたか生じつつあるパートを加熱することで、メタンハイドレートの凍結による閉塞を防止することができ、これによってメタンハイドレートの掘削を安全かつ円滑に進めることができる。
【００４１】
本参考例においては、各加熱手段２１に温度検出手段２０を組み合わせ、参考例２のガスハイドレート搬送装置を構成し、温度検出による閉塞防止と圧力検出による閉塞防止を同時に行うとさらに効果的である。
【００４２】
次に、本発明の参考例３に係るガスハイドレート搬送装置を図６に示して説明する。なお、上記の各実施形態および参考例において既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態においては、ハイドレート配管４の途中に、流体を一時的に貯留する空間４０を有する函体４１が設けられている。函体４１には、内部に溜まった流体を加熱する加熱器４２が設けられるとともに、空間４０に溜まった水を外部に排出するポンプ４３が設けられている。
【００４３】
このハイドレート搬送装置においては、ハイドレート用配管４を通じて空間４０まで吸い上げられた流体が一時的に停留するので、その間にこの流体を加熱してメタンハイドレートを分解する。そして、増加する水を空間４０からポンプ４３で外部に排出し、残ったメタンガスもしくはメタンガスの濃度が高まった流体をさらに上方に搬送する。
【００４４】
これによると、利用価値のない水を吸い上げるために消費するエネルギーを節約することができ、メタンハイドレートの掘削を効率よく実施することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスハイドレート、ガス、水のうち比較的密度の小さいガスとガスハイドレートが筒状体の内側を、密度の大きい水が筒状体の外側を流れるようにし、筒状体の配管の内壁と筒状体との間を流れる水を外部に排出することによって配管を流れる流体中の水の濃度が下げられるので、利用価値のない水を吸い上げるために消費するエネルギーを節約することができ、これによってガスハイドレートの掘削を効率よく実施することができる。
【００４６】
本発明の参考例によれば、配管内部の流体の温度が閉塞を起こし易い温度に低下しないように、これを検知して流体を加熱することにより、配管内部の閉塞を防止することができ、これによってガスハイドレートの掘削を安全かつ円滑に進めることができる。
【００４７】
本発明の参考例によれば、圧力の相違により閉塞を生じたか生じつつあると特定されたパートを加熱することにより、配管内部の閉塞を防止することができ、これによってメタンハイドレートの掘削を安全かつ円滑に進めることができる。
【００４８】
本発明の参考例によれば、各パートごとに流体の温度を検出し、閉塞を起こし易い温度に低下したパートがあればこのパートの内部を流れる流体を加熱することにより、配管内部の閉塞を防止することができ、これによってメタンハイドレートの掘削を安全かつ円滑に進めることができる。
【００４９】
本発明の参考例によれば、流体の一時的な溜まりを設けてガスハイドレートの分解を促し、余剰の水は外部に排出することにより、その先にはガスのみもしくはガスの濃度が高まった流体が搬送されるので、利用価値のない水を吸い上げるために消費するエネルギーを節約することができ、これによってガスハイドレートの掘削を効率よく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、海底地盤に埋蔵されたメタンハイドレートおよび天然ガスを掘削する洋上施設を示す概略図である。
【図２】  同じく第１の実施形態を示す図であって、ハイドレート用配管に設けられたガスハイドレート搬送装置の構造を示す側断面図である。
【図３】  本発明に係る第２の実施形態を示す図であって、ハイドレート用配管に設けられたガスハイドレート搬送装置の構造を示す側断面図である。
【図４】  本発明の参考例１を示す図であって、ハイドレート用配管に設けられたガスハイドレート搬送装置の構造を示す側断面図である。
【図５】  本発明の参考例２を示す図であって、ハイドレート用配管に設けられたガスハイドレート搬送装置の構造を示す側断面図である。
【図６】  本発明の参考例３を示す図であって、ハイドレート用配管に設けられたガスハイドレート搬送装置の構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
４  ハイドレート用配管
１０  円筒体（筒状体）
１２  ポンプ（排出手段）
１３  旋回機（旋回流付与手段）
２０  温度検出手段
２１  加熱手段
３０  圧力検出手段
３１  制御部
【図１】
0004773647.tif 000002
【図２】
0004773647.tif 000003
【図３】
0004773647.tif 000004
【図４】
0004773647.tif 000005
【図５】
0004773647.tif 000006
【図６】
0004773647.tif 000007