(57)【要約】【課題】ガスハイドレートの結晶成長圧を容易に測定できる測定装置及び測定方法を提供する。また、水底の水底堆積物中に分布する表層型メタンハイドレートの深さの推定に有効であるとともに、簡易に実行できる方法を提供する。【解決手段】水Ｗと原料ガスＧを供給してガスハイドレートの結晶を生成する試験室１２と、試験室１２内を所定の圧力にする圧力調整部２４と、試験室１２に温度勾配を付与可能な温度調節部２８、３０と、を備え、試験室１２が当該室内で生成する結晶が付勢部材４０の付勢力に抗して成長するように構成されており、付勢部材４０にかかる荷重を測定可能な荷重測定部４２を備えることを特徴とするガスハイドレートの結晶成長圧測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と原料ガスを供給してガスハイドレートの結晶を生成する試験室と、
前記試験室内を所定の圧力にする圧力調整部と、
前記試験室に温度勾配を付与可能な温度調節部と、を備え、
前記試験室が、当該室内で生成する結晶が付勢部材の付勢力に抗して成長するように構成されており、
前記付勢部材にかかる荷重を測定可能な荷重測定部を備えることを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定装置。
【請求項２】
試験室内に原料ガスと水とを供給し、一定の圧力条件下で、重力方向に温度勾配を与えるとともに、重力方向に付勢する付勢部材の付勢力に抗してガスハイドレートの結晶を成長させる結晶成長工程と、
前記結晶成長工程において、前記ガスハイドレートの結晶成長が止まったときに前記付勢部材にかかる荷重に基づき、結晶成長圧を求める測定工程と、を含むことを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載されたガスハイドレートの結晶成長圧測定方法において、
前記温度勾配は、重力方向上方側が低温であることを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載されたガスハイドレートの結晶成長圧測定方法において、
前記試験室内の重力方向下方側から水を供給することを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載されたガスハイドレートの結晶成長圧測定方法において、
前記結晶成長工程が、前記試験室内にガスハイドレートの種結晶を入れて開始されることを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載されたガスハイドレートの結晶成長圧測定方法において、
断面積が既知の種結晶を用いることを特徴とする、ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法。
【請求項７】
水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さ推定方法であって、
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載のガスハイドレートの結晶成長圧測定方法により測定したメタンハイドレートの結晶成長圧と、前記水底堆積物中の深度に応じた土被り圧に基づき、前記水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを推定することを特徴とする、表層型メタンハイドレートの深さ推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスハイドレートの結晶成長圧測定装置とその結晶成長圧測定方法、及び海や湖等の水底にある表層型メタンハイドレートの深さ推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海や湖等の水底下には、主としてメタンガスを包接するメタンハイドレートが存在することが知られている。前記水底下のメタンハイドレートには、水底から更に数百メートル下の砂層中に分布する「砂層型（深層型とも言う）」と、水底近傍に位置する水底堆積物中に層状または塊状で存在する「表層型」とがある。  
表層型メタンハイドレートは、水底下のより深い位置に存在する砂層型メタンハイドレートと同様に新たなエネルギー資源として注目されている。
【０００３】
ここで、水底における表層型メタンハイドレートの分布調査は、例えば、音波探査、電磁探査、地質サンプリング、観察等の各種調査によって行われている。特許文献１には、音波探査により海底のガスハイドレート位置の調査を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５０８４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示す音波探査を用いた調査方法においては、ガスハイドレートが存在するガスチムニー［水底下に形成される流体（ガス等）の移動通路］中は音響的混沌帯（カオティック・ゾーン）となり、前記音波探査によるガスハイドレート位置の推定が困難になる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、ガスハイドレートの結晶成長圧を容易に測定できる測定装置及び測定方法を提供することにある。また、水底の水底堆積物中に分布する表層型メタンハイドレートの深さの推定に有効であるとともに、簡易に実行できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定装置は、水と原料ガスを供給してガスハイドレートの結晶を生成する試験室と、前記試験室内を所定の圧力にする圧力調整部と、前記試験室に温度勾配を付与可能な温度調節部と、を備え、前記試験室が、当該室内で生成する結晶が付勢部材の付勢力に抗して成長するように構成されており、前記付勢部材にかかる荷重を測定可能な荷重測定部を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本態様によれば、所定の圧力下におけるガスハイドレートの結晶が、塊状または層状に成長する際の圧力である結晶成長圧を構成簡単にして測定することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定方法は、試験室内に原料ガスと水とを供給し、一定の圧力条件下で、重力方向に温度勾配を与えるとともに、重力方向に付勢する付勢部材の付勢力に抗してガスハイドレートの結晶を成長させる結晶成長工程と、前記結晶成長工程において、前記ガスハイドレートの結晶成長が止まったときに前記付勢部材にかかる荷重に基づき、結晶成長圧を求める測定工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本態様によれば、所定の圧力下におけるガスハイドレートの結晶成長圧の測定を容易に行うことができる。例えば、海や湖等の水底にあり、高圧条件下で成長するメタンハイドレートの結晶成長圧、より具体的には、水底堆積物を分離しながら塊状または層状に成長する際の圧力である結晶成長圧を、実験室等において模擬的に測定することができる。  
海や湖等の水底にあるメタンハイドレートの結晶成長圧を測定する場合には、前記結晶成長工程を、重力方向に温度勾配を与えた状態で行うので、実際の水底の環境に近い条件とすることができる。
【００１１】
本発明の第３の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定方法は、第２の態様において、前記温度勾配は、重力方向上方側が低温であることを特徴とするものである。
【００１２】
海や湖等の水底下の水底堆積物中の温度は、一般的に深さが深くなるほど高くなる。すなわち、重力方向上方側（水底に近い位置）が低温であり、下方側にいくほど高温になる。  
本態様によれば、前記試験室において、重力方向上方側を低温にした温度勾配を付与するので、結晶成長工程を水底における環境に近い条件で行うことができる。
【００１３】
本発明の第４の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定方法は、第３の態様において、前記試験室内の重力方向下方側から水を供給することを特徴とするものである。
【００１４】
温度勾配のある試験室内の低温側の温度を低く設定し、過冷却度（ハイドレートが生成する平衡条件の温度と試験室の温度の差）を大きくすると、ガスハイドレートの生成速度は大きくなる。  
一方、試験室内において水の供給部付近は、当該水を凍らせないために０℃以上にする必要がある。  
本態様によれば、前記試験室内において温度の高い重力方向下方側から水を供給するので、上方側の温度は０℃以下の温度にすることが可能となり、前記過冷却度を大きくすることができる。以って、前記結晶成長工程にかかる時間を短縮できる。
【００１５】
本発明の第５の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定方法は、第２の態様から第４の態様のいずれかにおいて、前記結晶成長工程が、前記試験室内にガスハイドレートの種結晶を入れて開始されることを特徴とするものである。
【００１６】
本態様によれば、試験室内に種結晶を入れることにより、より短時間で結晶を成長させることができる。したがって、前記結晶成長工程にかかる時間を短縮できる。
【００１７】
本発明の第６の態様に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定方法は、第５の態様において、断面積が既知の種結晶を用いることを特徴とするものである。
【００１８】
本態様によれば、断面積が既知の種結晶を用いることにより、前記結晶成長圧取得工程を行う際に、前記付勢部材にかかる荷重を結晶成長圧に変換するにあたり、より正確なデータを得ることができる。
【００１９】
本発明の第７の態様に係る表層型メタンハイドレートの深さ推定方法は、水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さ推定方法であって、第２の態様から第６の態様のいずれかに記載のガスハイドレートの結晶成長圧測定方法により測定したメタンハイドレートの結晶成長圧と、前記水底堆積物中の深度に応じた土被り圧に基づき、前記水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを推定することを特徴とするものである。
【００２０】
水底の水底堆積物中に形成される層状または塊状の表層型メタンハイドレートは、前記水底堆積物の粒子を排除しながら成長する。  
このとき、水底下におけるメタンハイドレートの応力状態から、メタンハイドレートの結晶成長圧と水底堆積物中の土圧（土被り圧）がバランスしたところで、その成長が止まると考えられる。このことから、メタンハイドレートの結晶成長圧を表層型メタンハイドレートの深さ方向の限界を示す指標することができる。
【００２１】
上記の点に鑑み、本態様では、第２の態様から第６の態様のいずれかに記載のガスハイドレートの結晶成長圧測定方法により測定したメタンハイドレートの結晶成長圧と、前記水底堆積物中の深度に応じた土被り圧がバランスしたところを表層型メタンハイドレートが成長する深さの限界として、前記水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを推定する。  
本態様によれば、水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを簡易に推定することができる。
【００２２】
前記水底堆積物中の深度に応じた土被り圧としては、例えば、水底のボーリング調査等を行って実際に測定調査した土被り圧のデータを用いることができる。また、前記水底堆積物の土質に基づく計算（シミュレーション）等により得た前記土被り圧のデータを用いることも可能である。  
尚、本明細書において、「メタンハイドレート」とは主にメタンを包接しているものを言う。海底や湖底等の水底にあるメタンハイドレートの場合には、自然界で生じるそれ以外の炭化水素ガス（例えば、エタン、プロパン等）を包接するものも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定装置の一例を示す概略構成断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。
【００２５】
［実施例１］
＜ガスハイドレートの結晶成長圧測定装置の概要＞
所定の圧力下におけるガスハイドレートの結晶成長圧を測定するガスハイドレートの結晶成長圧測定装置１０（以下、単に結晶成長圧測定装置１０と称する場合がある）について説明する。図１は、本発明に係るガスハイドレートの結晶成長圧測定装置の一例を示す概略構成断面図である。以下の説明では、結晶成長圧測定装置１０で測定するガスハイドレートとして、メタンハイドレートを例に挙げて説明する。
【００２６】
図１に示す結晶成長圧測定装置１０は、水Ｗと原料ガスＧとしてのメタンを供給してメタンハイドレートの結晶を生成する試験室１２を備え、試験室１２は、推定装置１０の外観を構成する圧力容器２０内に設けられている。
【００２７】
試験室１２は、その側壁部を構成する円筒状のアクリル筒１４と、底部を構成する熱伝導体１６と、上部を構成するピストン部１８によって区画されている。試験室１２は完全な密閉状態ではなく、それぞれの構成部材同士の間にはある程度のクリアランスがあり、試験室１２内は圧力容器２０内と同じ圧力になるように構成されている。尚、アクリル筒１４は不図示のジグ等により圧力容器２０内に固定されている。尚、圧力容器２０は例えばＳＵＳ等の材料により形成されている。また、熱伝導体１６とピストン部１８については後に更に説明する。
【００２８】
次に、試験室１２内への水の供給経路について説明する。試験室１２内に供給される水Ｗはアクリル筒１４の外側の圧力容器２０内に溜められるように構成されており、アクリル筒１４外と試験室１２内との間を連通する吸水体２２を介して、試験室１２内に水Ｗが供給されるようになっている。吸水体２２としては、例えばろ紙や多孔質体等の毛細管現象により水を吸収して試験室１２へ水を供給可能な材料を用いることができる。
【００２９】
尚、吸水体２２には、数ｎｍ以下の細孔を有する材料を用いることが望ましい。吸水体２２によって送られる水Ｗには原料ガスが溶解しているため、水Ｗが試験室１２に到達する前の吸水体２２部分においてガスハイドレートが生成する場合がある。このことにより、試験室１２への水Ｗの供給が抑制される場合がある。  
ここで、数ｎｍ以下の細孔内では、ガスハイドレートの相平衡が高圧、低温側にシフトする現象が起こる。したがって、圧力容器２０内の温度および圧力において、前記細孔内ではガスハイドレートは生成しにくい条件となる。このことにより、前述した試験室１２へ水Ｗの供給が抑制される虞を低減することができる。
【００３０】
また、本実施例において、結晶成長圧測定装置１０は、圧力容器２０内にメタンガスが溶解した水（Ｗ＋ＣＨ４）を供給する供給ライン５０を備えている。尚、符号５２はポンプであり、符号５４は水（Ｗ＋ＣＨ４）の供給量を調節するバルブである。  
吸水体２２によって送られる水Ｗにメタンガスが溶解させておくことにより、試験室１２内におけるガスハイドレートの成長速度を高めることができる。
【００３１】
また、供給ライン５０は試験室１２に挿入することが可能であり、メタンガスが溶解した水（Ｗ＋ＣＨ４）を試験室１２に供給することでガスハイドレートの成長速度を高めることができる。
【００３２】
続いて、試験室１２内へのメタン（原料ガスＧ）の供給経路について説明する。圧力容器２０には、圧力調整部２４を備えるガス導入部２６が設けられており、結晶成長圧を測定する所定の圧力でメタンが圧力容器２０内に導入される。  
例えば、水深１０００ｍの水底下における結晶成長圧を求めたい場合には、約１０ＭＰａにする。尚、ここでの圧力は、水深から計算により得られる圧力を用いることができ、厳密に水底の圧力と同じであることを要しないものとする。
【００３３】
圧力容器２０内に導入されたメタンは、アクリル筒１４外に溜められている水Ｗに溶解する。したがって、メタンは水Ｗとともに吸水体２２を介して試験室１２内に供給される。また、前述したように、構成部材同士の間（例えば、アクリル筒１４とピストン部１８の間）にはクリアランスがあるので、その隙間からもメタンは供給され得る。
【００３４】
結晶成長圧測定装置１０は、試験室１２の重力方向下方側に設けられる第１の温度調節部２８と、試験室１２の重力方向上方側に設けられる第２の温度調節部３０を備えている。  
下方側の第１の温度調節部２８と、上方側の第２の温度調節部３０において調節温度に差をつけることにより、試験室１２内に重力方向の温度勾配を付与することができる。
【００３５】
本実施例において、第１の温度調節部２８は、圧力容器２０を覆うジャケットタイプとして構成されている。第１の温度調節部２８から与えられる熱は、圧力容器２０及び熱伝導体１６を介して試験室１２の底部に伝わる。熱伝導体１６は、ＳＵＳ等の熱伝導率の高い材料で形成されている。
【００３６】
また、ピストン部１８も熱伝導体１６と同様に熱伝導率の高い材料で形成されており、第２の温度調節部３０から与えられる熱は、ピストン部１８を介して試験室１２の上部に伝わる。  
第２の温度調節部３０にはオイルバス３２を用いている。オイルバス３２は、冷媒ライン３４を流通する冷媒によってその温度が調節される。冷媒ライン３４には、冷媒を冷やす冷却部３８と冷媒を循環する循環ポンプ３６を備えている。
【００３７】
また、試験室１２の上部を成すピストン部１８は、アクリル筒１４の内壁に沿って重力方向、すなわち、上下方向に移動可能に構成されているとともに、ピストン部１８と圧力容器２０の上面部２０ａとの間に設けられる付勢部材４０によって、重力方向下方側に付勢されている。付勢部材４０としては、例えば圧縮バネ等が用いられる。  
試験室１２においてメタンハイドレートが生成し、結晶が成長して大きくなると、メタンハイドレートの結晶が付勢部材４０の付勢力に抗してピストン部１８を押し上げるようになっている。
【００３８】
更に、結晶成長圧測定装置１０は、ピストン部１８が押し上げられたときに付勢部材４０にかかる荷重を測定可能な荷重測定部４２を備えている。  
本実施例において荷重測定部４２は、圧力容器２０の上面部２０ａに透明窓（サイトグラス４６）を設け、光４５の受発光によってピストン部１８の位置を検出可能な光センサー４４（例えば、レーザー検出器）により、ピストン部１８の変位量を測定し、付勢部材４０にかかる荷重を測定するように構成されている。尚、付勢部材４０としてはバネ定数が既知の圧縮バネが用いられている。  
以上がガスハイドレート結晶成長圧測定装置１０の概要である。
【００３９】
＜ガスハイドレートの結晶成長圧測定方法の概要＞
次に、ガスハイドレート結晶成長圧測定装置１０によるガスハイドレートの結晶成長圧測定方法について説明する。測定対象のガスハイドレートとしてはメタンハイドレートを例に挙げる。
【００４０】
内部を所定の圧力にした試験室１２においてメタンハイドレートの結晶を成長させて、前記所定の圧力下における結晶成長圧を測定する。結晶成長圧の測定は、以下の(1-1)および(1-2)の工程によって行う。
【００４１】
(1-1)結晶成長工程
試験室１２内にメタン（原料ガスＧ）と水Ｗとを供給し、所定の圧力の下、重力方向に温度勾配を与えるとともに、重力方向に付勢する付勢部材４０の付勢力に抗してメタンハイドレートの結晶を成長させる。  
結晶成長圧を測定する所定の圧力に設定されるとともに、重力方向に温度勾配が与えられた試験室１２に、水ＷとメタンＧが供給されることにより、メタンハイドレートの結晶を成長させることができる。試験室１２内においてメタンハイドレートの結晶は、付勢部材４０の付勢力に抗して成長する。この点については、次に説明する結晶成長圧の測定工程において詳述する。
【００４２】
(1-2)測定工程
次に、試験室１２内において成長した結晶の結晶成長圧を測定する構成およびその測定方法［(1-2)測定工程］について説明する。  
測定工程では、前記「(1-1)結晶成長工程」において、メタンハイドレートの結晶成長が止まったときに付勢部材４０にかかる荷重に基づき、結晶成長圧を測定する。
【００４３】
前述した荷重測定部４２によって付勢部材４０にかかる荷重を測定することができる。そして、付勢部材４０にかかる荷重を、試験室１２内で成長した結晶の断面積で割ることにより、圧力調整部２４によって設定した圧力下におけるガスハイドレートの結晶成長圧を求めることができる［(1-2)測定工程］。  
尚、試験室１２内で成長した結晶の断面積としては、試験室１２の底面積を用いることができる。
【００４４】
ここで、(1-1)結晶成長工程を行う際、試験室１２内には何もない状態から結晶成長を開始させることも可能であるが、結晶が大きくなるまでに時間がかかるため、試験室１２内に種結晶４８を入れて(1-1)結晶成長工程を開始することが望ましい。このことによって、より短時間で結晶を成長させることができ、(1-1)結晶成長工程にかかる時間を短縮できる。
【００４５】
また、種結晶４８は断面積が既知であることが望ましい。例えば、試験室１２を構成する円筒状のアクリル筒１４に対応する円盤形状の種結晶４８とすることができる。このことによって、前記(1-2)測定工程において結晶成長圧を測定する際に、より正確なデータを得ることができる。  
円盤形状の種結晶４８としては、メタンハイドレートを、試験室１２内の圧力以上の圧力で円盤状に圧縮したものを用いることができる。
【００４６】
＜表層型メタンハイドレートの深さ推定方法の概要＞
本発明に係る表層型メタンハイドレートの深さ推定方法では、先に説明したガスハイドレートの結晶成長圧測定方法により測定したメタンハイドレートの結晶成長圧Ｐ１と、海底、湖底等の水底堆積物中の深度に応じた土被り圧ｐに基づき、前記水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを推定する。
【００４７】
前述したように、表層型メタンハイドレートは、水底下の水底堆積物の粒子を排除しながら成長して該水底堆積物中に形成される。そして、表層型メタンハイドレートの結晶成長は、実際の水底下におけるメタンハイドレートの結晶成長圧Ｐ０と、水底堆積物中の土被り圧ｐがバランスしたところで止まると考えられる。  
これに基づき、水底の圧力に設定された試験室１２内で測定した結晶成長圧Ｐ１と水底堆積物中の深度に応じた土被り圧ｐがバランスする（一致する）ときの深度を、その表層型メタンハイドレートの深さの推定値として得ることができる。
【００４８】
水底堆積物中の深度に応じた土被り圧ｐとしては、例えば、水底のボーリング調査等を行って実際に測定調査した土被り圧ｐのデータを用いることができる。また、水底堆積物の土質に基づくシミュレーション等により土被り圧ｐのデータを得て用いることも可能である。
【００４９】
本推定方法によれば、水底の環境を模擬した試験室内で測定した結晶成長圧Ｐ１を用い、水底堆積物中に在る表層型メタンハイドレートの深さを簡易に推定することができる。
【００５０】
尚、本発明に係る表層型メタンハイドレートの深さ推定方法を実施するにあたり、前記(1-1)結晶成長工程を行う場合には、下方側の第１の温度調節部２８によって調節される温度を高く設定し、上方側の第２の温度調節部３０によって調節される温度を低く設定することが好ましい。  
水底下の水底堆積物中の温度は、一般的に深さが深くなるほど高くなる。すなわち、重力方向上方側（水底に近い位置）が低温であり、下方側にいくほど高温になる。  
試験室１２において、重力方向上方側を低温にした温度勾配を付与することにより、(1-1)結晶成長工程を水底における環境に近い条件で行うことができる。
【００５１】
また、温度勾配のある試験室１２内の低温側の温度を低く設定し、過冷却度（ガスハイドレートが生成する平衡条件の温度と試験室１２の温度の差）を大きくすると、ガスハイドレートの生成速度は大きくなる。一方、試験室１２内において水Ｗの供給部（室内下方側）付近は、当該水Ｗを凍らせないために０℃以上にする必要がある。  
試験室１２内において水Ｗが供給される下方側の温度を高く設定すると、上方側は０℃以下の温度にもすることができるため、前記過冷却度を大きくすることができる。以って、ガスハイドレートの結晶を成長させる時間を短縮できる。
【００５２】
また、原料ガスＧとしては、深さ推定対象のガスハイドレート（表層型メタンハイドレート）に含まれるガス組成に合わせることが望ましい。このことによって、より信頼性の高い推定結果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０  ガスハイドレートの結晶成長圧測定装置、１２  試験室、
１４  アクリル筒、１６  熱伝導体、１８  ピストン、２０  圧力容器、
２２  吸水体、２４  圧力調整部、２６  ガス導入部、
２８  第１の温度調節部、３０  第２の温度調節部、３２  オイルバス、
３４  冷媒ライン、３６  循環ポンプ、  ３８  冷却部、
４０  付勢部材、４２  荷重測定部、４４  光センサー、
４６  サイトグラス、４８  種結晶、
５０  供給ライン、５２  ポンプ、５４  バルブ、
Ｇ  原料ガス、Ｗ  水
【図１】
2016204215.tif 000003