JP2020094480A - 海底表層型塊状ハイドレートの採掘機及び呑吐式採掘方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海底表層型塊状ハイドレートの採掘機及び呑吐式採掘方法を提供する。【解決手段】採掘機は呑吐作動ボックス１６を備え、その底部に走行装置を設け、前端にハイドレート入口及び吸引管３を接続し、吸引管内に超音波式砕氷装置４を設け、吸引管の前端に氷掘削装置を設け、氷掘削装置は方向制御装置と接続する。呑吐作動ボックス内に回転ロッドを設け、回転ロッドの上下にハイドレート収集・分解ボックスを対称に設ける。呑吐作動ボックスの頂部に排水口５を設け、呑吐作動ボックス内壁上のハイドレート入口上方に仕切板１８を設け、仕切板後端と呑吐作動ボックス後端の間に水流通路を残し、水流通路部分にフィルター７を設ける。呑吐作動ボックス底部に磁電管１１、ブロー弁１５及び送ガス管９を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、天然ガスハイドレートの採掘技術分野に係り、海底表層型塊状ハイドレートの採掘機及び呑吐式（ｈｕｆｆ ａｎｄ ｐｕｆｆ、吸排式）採掘方法に関するものである。

天然ガスハイドレートは、世界各地の海洋及び永久凍土中に広く分布する将来性の高いエネルギー資源である。天然ガスハイドレートは、海底での生成位置によって深層型ハイドレートと表層型ハイドレートに分けられる。表層型ハイドレートは、主に海底又は海底下の浅い位置に生成される。海底天然ガスハイドレートの主な採掘方法は、減圧法、試薬注入法、加熱法及びＣＯ_２置換法である。しかし、天然ガスハイドレートが海底に露出している又は埋没深度が浅い場合、閉鎖的な採掘環境の構築が難しいため、これらの方法を実施することは困難である。現在ある海底鉱物の固体採掘法は操作が複雑であり、表層型天然ガスハイドレートの採掘方法については深く研究されていない。また、採掘方法の多くは、採掘したハイドレートの破片をパイプを通じて海面まで引き上げ、加熱・減圧又は上層海水の導入によりハイドレートを加熱して分解するというものである。これらは操作が複雑でエネルギー消費が多く、海底採掘の破壊による環境汚染が見過ごされているばかりか、操作の融通性に劣り、コストもかかる。

特許文献１の「海洋における非続成天然ガスハイドレート貯留層の採掘システム及びその採掘工程」は、ボーリングを利用した採掘方法を開示している。中核となる採掘装置は、垂直方向のボーリング孔に対して垂直な水平パイプを利用してハイドレート採掘を行うものであり、海底の一定範囲内の深度におけるハイドレート貯留層を採掘対象としている。特許文献１では、ハイドレート貯留層中に互いに垂直な生産チャネルと採掘チャネルをそれぞれ設置するが、採掘坑道を実際に設置する作業を考えた場合、その難易度はあまりに高く、施工するには困難でコストもかかり、操作が複雑で、融通性や実現性に乏しい。また、特許文献１は、シャフトアクセスチャネルを通じて埋戻し材を作業船から採掘後の坑道に送るが、過程が複雑でエネルギー消費も多い。

特許文献２は、「海洋天然ガスハイドレートの連続採掘式採掘装置及びその方法」を開示している。特許文献２は、ボーリング方法を利用し、ドリルパイプをハイドレート貯留層（海底下の一定の深度）に延ばし入れ、高圧水流を利用して貯留層に沿って破砕するものである。その採掘原理は固体流動化に基づいており、主に海底の一定範囲内の深度におけるハイドレート貯留層を採掘するものである。ハイドレートの分解には、船上の固液分離装置及び気液分離装置が使用されており、操作フローが複雑である。

中国出願公開第１０６８３７２５７Ａ号公報 中国特許第１０８２２２８９２号公報

従来の表層型天然ガスハイドレートの採掘方法の多くは、採掘したハイドレートの破片をパイプで海面まで引き上げ、加熱・減圧又は上層海水の導入によりハイドレートを加熱分解するというものであり、操作が複雑でエネルギー消費が多く、海底に重大な環境汚染を招き、融通性に劣り、コストもかかるという上述の問題に鑑み、本発明は、採掘と分離の一体化を実現し、操作が簡単で、海底の環境汚染を防止し、エネルギー消費を低減し、海底表層型ハイドレート採掘への新たなアプローチとなる、海底表層型塊状ハイドレートの採掘機及び呑吐式採掘方法を提供する。

本発明が提供する海底表層型塊状ハイドレートの採掘機は、呑吐作動ボックスを備えており、呑吐作動ボックスの底部には走行装置が設けられ、呑吐作動ボックスの前端にはハイドレート入口が設けられ、ハイドレート入口には吸引管が接続され、吸引管内には超音波式砕氷装置が設けられ、吸引管は前端にラッパ形状開口を有しており、ラッパ形状開口部分にはダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置が設けられ、ダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置は掘削ヘッド用回転及び方向制御装置と接続されている。呑吐作動ボックス内のハイドレート入口の下方には回転ロッドが設けられ、回転ロッドの上下両側にはハイドレート収集・分解ボックスが対称に設けられている。呑吐作動ボックスの頂部には排水口が設けられ、排水口部分にはタービン式排水装置が設けられ、呑吐作動ボックスの内壁上のハイドレート入口の上方には仕切板が設けられ、仕切板の後端と呑吐作動ボックスの後端との間には水流通路が残されており、水流通路部分にはフィルターが設けられている。呑吐作動ボックスの底部には磁電管及びブロー弁が設けられ、呑吐作動ボックスの側面の回転ロッドの下方には送ガス管（ガス送出管）が接続されている。

さらに、呑吐作動ボックスの底部の走行装置は無限軌道である。

さらに、超音波式砕氷装置は複数個であり、吸引管の管壁上に交差させて設置されている。

本発明はさらに海底表層型塊状ハイドレートの呑吐式採掘方法を提供するが、それは特許請求の範囲に記載の海底表層型塊状ハイドレートの採掘機を採用したものであり、具体的な工程は以下の通りである。

（１）氷掘削段階：掘削ヘッド用回転及び方向制御装置が制御するダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置で海底表層又は露出している天然ガスハイドレートブロックの掘削・破砕を行う。

（２）管輸送及び砕氷段階：タービン式排水装置が海水を排水口から排出し、タービン式排水装置の回転が生む吸引力及びダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置による水流への影響により、破砕されたハイドレートブロックが吸引管内に吸引され、比較的大きなハイドレートの破片が管内に配列された超音波式砕氷装置によって破砕されて小さな塊状ハイドレートになる。

（３）ハイドレート収集段階：破砕されたハイドレートが水流によって呑吐作動ボックス内に運搬され、空間が広がっていることにより水流が減速し、重力によってハイドレートの破片が回転ロッド上部のハイドレート収集・分解ボックス内に沈降する。

（４）ハイドレート分解段階：ハイドレート収集・分解ボックス内のハイドレートが満杯になるまで収集されると、ハイドレート収集・分解ボックスが回転ロッドによって呑吐作動ボックスの下部まで回転し、且つ下部のハイドレート収集・分解ボックスが上部まで回転してハイドレート収集を継続し、磁電管が下部のハイドレート収集・分解ボックス内のハイドレートを加熱して天然ガスと水に分解し、天然ガスが送ガス管を通じて海面上の作業船に輸送され、貯蔵される。

（５）土砂排出段階：ハイドレートの分解が終了し、天然ガスが完全に排出された後、分解ボックス内にある土砂及び砕石ブロックがブロー弁を通じて海底の元の場所に埋戻される。

本発明は、海底用インテリジェント採掘機を海底表層型ハイドレートの採掘に応用しており、採掘機は海底での柔軟な走行能力を有し、表層型ハイドレート貯留層においてマルチアングルで機動的な採掘を実現することができる。本発明は、ハイドレートの採掘と分離技術の一体化を実現している。土砂や不純物の埋戻しにおいて、本発明は、ハイドレートをインテリジェント採掘機内で直接分解し、分解した気体をそのまま船上で収集するため、操作フローが減り、元の場所への埋戻しがより簡単である。本発明の採掘機は、複数台を同時に投入することが可能であり、実際の作業では連続且つ効率的な採掘作業を実現することができ、効率的・経済的であり、環境を保護し、安全に海底表層型ハイドレートの採掘を行うことができる。

実施例１の海底表層型塊状ハイドレートの採掘機の構造及び作動概念図である。

以下、本発明を具体的な実施例及び図面に基づいてさらに詳しく説明する。

本実施例では海底表層型塊状ハイドレートの採掘機を提供するが、図１に示す通り、採掘機は呑吐作動ボックス１６を備えており、呑吐作動ボックス１６の底部には無限軌道１７が設けられ、呑吐作動ボックス１６の前端にはハイドレート入口が設けられ、ハイドレート入口には吸引管３が接続され、吸引管３内には超音波式砕氷装置４が複数個設けられ、超音波式砕氷装置４は吸引管３の管壁上に交差させて設置されている。吸引管３は前端にラッパ形状開口を有しており、ラッパ形状開口部分にはダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置２が設けられ、ダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置２は掘削ヘッド用回転及び方向制御装置１３と接続され、掘削ヘッド用回転及び方向制御装置１３は氷掘削装置のハイドレートを採掘する方向と角度を制御するのに用いられる。呑吐作動ボックス１６内のハイドレート入口の下方には回転ロッド１２が設けられ、回転ロッド１２の上下両側には２つのハイドレート収集・分解ボックス８が対称に設けられ、ハイドレート収集・分解ボックス８は回転ロッド１２に連動して回転し、一方のハイドレート収集・分解ボックスの開口が上を向いているとき、もう一方のハイドレート収集・分解ボックスの開口は下を向いている。

呑吐作動ボックス１６の頂部には排水口５が設けられ、排水口５部分にはタービン式排水装置６が設けられ、タービン式排水装置６の回転が生む吸引力が採掘機に対して垂直下向きに作用力を生じさせることで、採掘機の作動がより安定するとともに、無限軌道と海底との摩擦力を増大させることができる。呑吐作動ボックス１６内のハイドレート入口の上方には仕切板１８が水平に設けられ、仕切板１８の後端と呑吐作動ボックス１６の後端との間には水流通路が残されており、仕切板１８の他の部分と呑吐作動ボックス１６の内壁とは密閉接続され、水流通路は排水口及び呑吐作動ボックス１６内の回転ロッド１２の上部空間を連接しており、水流通路部分にはフィルター７が設けられ、フィルター７が水流中の土砂や砕石ブロックを遮り、排水口から排出されるのを防ぐ。呑吐作動ボックス１６の底部には磁電管１１及びブロー弁１５が設けられ、磁電管１１は呑吐作動ボックス１６の底部のハイドレートを加熱分解するのに用いられ、呑吐作動ボックス１６の側面の回転ロッド１２の下方には送ガス管９が接続され、ハイドレートの分解によって生じた天然ガスが送ガス管９によって海面上の作業船に輸送され、貯蔵される。

本実施例では、海底表層型塊状ハイドレートの呑吐式採掘方法を提供するが、それは実施例１に記載の海底表層型塊状ハイドレートの採掘機を採用したものであり、具体的な工程は以下の通りである。

（１）氷掘削段階：掘削ヘッド用回転及び方向制御装置１３が制御するダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置２で海底表層又は露出している天然ガスハイドレートブロック１の掘削・破砕を行う。

（２）管輸送及び砕氷段階：タービン式排水装置６が海水を排水口５から排出し、タービン式排水装置６の回転が生む吸引力が採掘機に対して垂直下向きに作用力を生じさせることで、採掘機の作動をより安定させ、タービン式排水装置６の回転が生む吸引力及びダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置２による水流への影響により、破砕されたハイドレートブロックが吸引管３内に吸引され、比較的大きなハイドレートの破片が管内に配列された超音波式砕氷装置４によって破砕されて小さな塊状ハイドレートになる。

（３）ハイドレート収集段階：破砕されたハイドレートが水流によって呑吐作動ボックス１６内に運搬され、空間が広がっていることにより水流が減速し、重力によってハイドレートの破片が回転ロッド１２上部のハイドレート収集・分解ボックス８内に沈降する。

（４）ハイドレート分解段階：ハイドレート収集・分解ボックス８内のハイドレートが満杯になるまで収集されると、ハイドレート収集・分解ボックス８が回転ロッド１２によって呑吐作動ボックス１６の下部まで回転し、且つ下部のハイドレート収集・分解ボックス８が上部まで回転してハイドレート収集を継続し、磁電管１１が下部のハイドレート収集・分解ボックス内のハイドレートを加熱して天然ガス１０と水に分解し、天然ガスが送ガス管９を通じて海面上の作業船に輸送され、貯蔵される。

（５）土砂排出段階：ハイドレートの分解が終了し、天然ガスが完全に排出された後、分解ボックス内にある土砂及び砕石ブロックがブロー弁１５を通じて海底の元の場所に埋戻される。

上述の実施例は本発明の好ましい実施形態を記述したに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。当業者によって本発明の設計における精神を逸脱せずに行われる本発明の技術案の様々な変更及び改良は、いずれも本発明の特許請求の範囲によって定義される保護範囲に属するものとする。

１ ハイドレートブロック
２ ダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置
３ 吸引管
４ 超音波式砕氷装置
５ 排水口
６ タービン式排水装置
７ フィルター
８ ハイドレート収集・分解ボックス
９ 送ガス管
１０ 天然ガス
１１ 磁電管
１２ 回転ロッド
１３ 掘削ヘッド用回転及び方向制御装置
１４ 天然ガスハイドレート破片
１５ ブロー弁
１６ 呑吐作動ボックス
１７ 無限軌道
１８ 仕切板

Claims (4)

1. 呑吐作動ボックスを備えており、前記呑吐作動ボックスの底部には走行装置が設けられ、前記呑吐作動ボックスの前端にはハイドレート入口が設けられ、前記ハイドレート入口には吸引管が接続され、前記吸引管内には超音波式砕氷装置が設けられ、前記吸引管は前端にラッパ形状開口を有しており、前記ラッパ形状開口部分にはダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置が設けられ、前記ダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置は掘削ヘッド用回転及び方向制御装置と接続されており、前記呑吐作動ボックス内の前記ハイドレート入口の下方には回転ロッドが設けられ、前記回転ロッドの上下両側にはハイドレート収集・分解ボックスが対称に設けられており、前記呑吐作動ボックスの頂部には排水口が設けられ、前記排水口部分にはタービン式排水装置が設けられ、前記呑吐作動ボックスの内壁上の前記ハイドレート入口の上方には仕切板が設けられ、前記仕切板の後端と前記呑吐作動ボックスの後端の間には水流通路が残されており、前記水流通路部分にはフィルターが設けられており、前記呑吐作動ボックスの底部には磁電管及びブロー弁が設けられ、前記呑吐作動ボックスの側面の前記回転ロッドの下方には送ガス管が接続されていることを特徴とする、海底表層型塊状ハイドレートの採掘機。
2. 前記呑吐作動ボックスの底部の前記走行装置は無限軌道であることを特徴とする、請求項１に記載の採掘機。
3. 前記超音波式砕氷装置は複数個であり、前記吸引管の管壁上に交差させて設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の採掘機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の海底表層型塊状ハイドレートの採掘機を採用した採掘方法であり、具体的な工程には、
   掘削ヘッド用回転及び方向制御装置が制御するダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置で海底表層又は露出している天然ガスハイドレートブロックの掘削・破砕を行う、氷掘削段階（１）と、
   タービン式排水装置が海水を排水口から排出し、前記タービン式排水装置の回転が生む吸引力及び前記ダブルヘリカルギヤ式氷掘削装置による水流への影響により、破砕されたハイドレートブロックが吸引管内に吸引され、比較的大きなハイドレートの破片が管内に配列された超音波式砕氷装置によって破砕されて小さな塊状ハイドレートになる、管輸送及び砕氷段階（２）と、
   破砕されたハイドレートが水流によって呑吐作動ボックス内に運搬され、空間が広がっていることにより水流が減速し、重力によってハイドレートの破片が回転ロッド上部のハイドレート収集・分解ボックス内に沈降する、ハイドレート収集段階（３）と、
   前記ハイドレート収集・分解ボックス内のハイドレートが満杯になるまで収集されると、前記ハイドレート収集・分解ボックスが前記回転ロッドによって前記呑吐作動ボックスの下部まで回転し、且つ下部の前記ハイドレート収集・分解ボックスが上部まで回転してハイドレート収集を継続し、磁電管が下部の前記ハイドレート収集・分解ボックス内のハイドレートを加熱して天然ガスと水に分解し、天然ガスが送ガス管を通じて海面上の作業船に輸送され、貯蔵される、ハイドレート分解段階（４）と、
   ハイドレートの分解が終了し、天然ガスが完全に排出された後、分解ボックス内にある土砂及び砕石ブロックがブロー弁を通じて海底のその場に埋戻される、土砂排出段階（５）と、を含むことを特徴とする、海底表層型塊状ハイドレートの呑吐式採掘方法。