(57)【要約】本発明は、ガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）含有試料が貯蔵される空間部が形成された高圧セル、試料内に貫入されて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、及び空間部内に貯蔵された試料が外部で観察できるように高圧セルの空間部に対向する部位の中の少なくとも１ヶ所以上で形成される透視領域を含むガスハイドレート回収時の地盤変形を予測するための実験装置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスハイドレート（Ｇａｓ  Ｈｙｄｒａｔｅ）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；及び
前記空間部内に貯蔵された前記試料が外部で観察できるように前記高圧セルの前記空間部に対向する部位の中の少なくとも１ヶ所以上で形成される透視領域を含む実験装置。
【請求項２】
前記透視領域に対向する前記高圧セルの外部位置に配置される撮影手段をさらに含む請求項１に記載の実験装置。
【請求項３】
前記透視領域は、前記高圧セルと異なる素材で形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項４】
前記透視領域は、サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）を含む素材で形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項５】
前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の表面が観察できる位置に形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項６】
前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の内部が観察できる位置に形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項７】
前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の表面が観察できる位置及び前記空間部に貯蔵された試料の内部が観察できる位置にそれぞれ形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項８】
前記透視領域は、前記高圧セルの外周に沿って離隔して形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項９】
前記透視領域は、
前記空間部に対向する前記高圧セルの部位に貫通孔が形成され、前記貫通孔に透視可能な透視部材が固定されて形成される請求項１に記載の実験装置。
【請求項１０】
前記透視部材は、サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）を含む素材で形成される請求項９に記載の実験装置。
【請求項１１】
前記透視部材は、周縁が前記高圧セルに結合されるカバー部材によって支持されつつ前記高圧セルに固定される請求項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盤変形や地盤沈下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の地盤変形や沈下などを予測できるように実験装置内の試料を肉眼で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）回収時の地盤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、及び前記空間部内に貯蔵された前記試料が外部で観察できるように前記高圧セルの前記空間部に対向する部位の中の少なくとも１ヶ所以上で形成される透視領域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、前記透視領域に対向する前記高圧セルの外部位置に配置される撮影手段をさらに含むことができる。
【００１４】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記高圧セルと異なる素材で形成され得る。
【００１５】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）を含む素材で形成され得る。
【００１６】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の表面が観察できる位置に形成され得る。
【００１７】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の内部が観察できる位置に形成され得る。
【００１８】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記空間部に貯蔵された試料の表面が観察できる位置及び前記空間部に貯蔵された試料の内部が観察できる位置にそれぞれ形成され得る。
【００１９】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記高圧セルの外周に沿って離隔して形成され得る。
【００２０】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視領域は、前記空間部に対向する前記高圧セルの部位に貫通孔が形成され、前記貫通孔に透視可能な透視部材が固定されて形成され得る。
【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、サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）を含む素材で形成され得る。
【００２２】
本発明の実施形態による実験装置において、前記透視部材は、周縁が前記高圧セルに結合されるカバー部材によって支持されつつ前記高圧セルに固定され得る。
【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の高圧セルを示す断面図である。
【図２】図１に示す高圧セル本体部の正面図である。
【図３】図１に示す高圧セル本体部の正面図である。
【図４】図１に示す高圧セル本体部の正面図である。
【図５】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。
【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の高圧セルを示す断面図で、図２乃至図４は、図１に示す高圧セル第１本体の正面図で、図５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）回収時の地盤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、及び前記空間部１１１内に貯蔵された前記試料Ｓが外部で観察できるように前記高圧セル１００の前記空間部１１１に対向する部位の中の少なくとも１ヶ所以上で形成される透視領域３００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、ガスハイドレート回収時の地盤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、さらには回収過程における地盤変形の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、第２本体１２０を含むことができ、さらには、試料Ｓを加圧する加圧部材１３０などをさらに含むことができる。
【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、地盤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る。加圧部材１３０は、一例として、中空の円筒体１３１、円筒体１３１の上端部に形成される第１キャップ１３２、及び円筒体１３１の下端部に形成される第２キャップ１３３を含むことができる。第２キャップ１３３は、円筒体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、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、空間部１１１内の高圧状態を維持させるためには、円筒体１３１と空間部１１１との間に遊びがあってはならない。したがって、円筒体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、円筒体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、円筒体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の内周面と円筒体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、円筒体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、試料Ｓを圧搾させるようになる。
【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、円筒体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の変形が観察できるように透視領域３００を含むことができる。
【００３７】
透視領域３００は、空間部１１１内に貯蔵された試料Ｓが高圧セル１００の外部で観察できるようにするもので、高圧セル１００の空間部１１１に対向する部位の中の少なくとも１ヶ所以上で形成され得る。より具体的には、透視領域３００は、空間部１１１が形成される第１本体１１０の全体領域の中空間部１１１に対向する第１本体１１０の壁部の中の少なくとも１ヶ所以上で形成され得る。この時、透視領域３００は、具体的な一例として、空間部１１１に対向する第１本体１１０の壁部で貫通孔１１４が形成され、該貫通孔１１４に透視可能な透視部材３１０が充填されて固定されることによって形成され得る。貫通孔１１４の内側面には段部１１５が形成されることができ、透視部材３１０の周面にも貫通孔１１４の段部１１５に対応する段部３１１が形成され得る。よって、透視部材３１０は、周面の段部３１１が貫通孔１１４の段部１１５に係止されて高圧セル１００内部方向への移動が制限される。そして、透視部材３１０は、貫通孔１１４に結合された状態で、第１本体１１０の外側方向に突出される厚さを有することができ、透視部材３１０は、カバー部材３２０によって支持されつつ第１本体１１０に固定され得る。具体的には、カバー部材３２０は、透視部材３１０を介した透視を妨げないように中央に透視孔３２１が形成され得る。そして、透視部材３１０の周縁を覆って支持しながら第１本体１１０の外側面に固定され得る。透視部材３１０は、周縁がカバー部材３２０によって支持されることによって高圧セル１００外部方向への移動が制限される。透視部材３１０は、上記の段部１１４，３１１による係止構造、さらには、カバー部材３２０によって支持される構造によって、第１本体１１０に遊動なく堅固に固定されることができるが、このような例に限定されるものではない。様々な他の構造によって第１本体１１０に固定されることができることは勿論である。
【００３８】
一方、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。透視部材３１０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。よって、透視部材３１０は、第１本体１１０及び第２本体１２０とは異なる素材で、例えば、サファイアを含む素材からなることができる。
【００３９】
上記の透視領域３００は、図２乃至図４に示すように、空間部１１１に貯蔵された試料Ｓの表面が観察できる位置に形成され得る。または、試料Ｓの内部が観察できる位置に形成され得る。または、試料Ｓの表面及び内部が両方観察できるように試料Ｓの表面が観察できる位置及び試料Ｓの内部が観察できる位置それぞれに形成され得る。そして、透視領域３００は、上記の位置であり、また高圧セル１００の円周方向に沿って多方向から観察できるように第１本体１１０の円周方向に沿って離隔される多数に形成されることもできる。
【００４０】
本実施形態による実験装置１は、透視領域３００を介して試料Ｓの変形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４００が使用され得る。カメラ４００は、図５に示すように、高圧セル１００の外部であって透視領域３００に対向する位置に配置されることができる。カメラ４００は、透視領域３００に対応して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４００は、制御部（図示せず）によって制御できる。撮影手段にはカメラ４００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４００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。
【００４１】
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を結合させ、加圧部材１３０が試料Ｓの上面に接触するように加圧部材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３ＭＰａ）まで加圧部材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。
【００４２】
回収部材２００による回収過程で、試料Ｓ表面及び内部の変形を透視領域３００を介して観察することができ、カメラ４００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。
【００４３】
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盤変形率に対する正確な予測を可能にする情報が得られる。
【００４４】
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。
【００４５】
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】
【００４６】
本発明によれば、ガスハイドレート回収時の試料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地盤変形率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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【図５】
2015531065.tif 000007
【国際調査報告】
2015531065.tif 000008
2015531065.tif 000009
2015531065.tif 000010
2015531065.tif 000011