JP3914994B2

JP3914994B2 - メタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備と発電設備を具備する統合設備

Info

Publication number: JP3914994B2
Application number: JP2004020524A
Authority: JP
Inventors: 久郎佐々木; 裕一菅井; 洋幸小助川; 孝郎海老沼; 英夫成田; 勉山口
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005213824A

Description

本発明は、波浪などによる揺れを小さく安定させる機能を有する海上プラットホーム或いは地表から海底下或いは地下に賦存するメタンハイドレート堆積層中に掘削された坑井群に熱水を圧入することでメタンハイドレート部に熱を伝導または伝達してメタンハイドレートを分解させ、圧入時の坑井群と同一あるいは異なった坑井群からメタンガスを主とする天然ガスを海上プラットホーム上或いは地上に回収した後に、同じく海上プラットホーム上或いは地上に設けたガス燃焼発電機または燃料電池などの熱電併給が可能な発電設備によって生産した天然ガスを燃料として発電し、発電時に発生する廃熱で主に天然ガスと一緒に回収した水を再加熱して熱水を生成し、それを圧入用の坑井群によってメタンハイドレート堆積層へ再圧入することでエネルギー効率を高める閉じた循環システムとメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備と発電設備を統合化した海上あるいは地上に設けた統合設備に関するものである。

従来、海底下メタンハイドレート堆積層からメタンを主とする天然ガスを生産する手法として、ファイブスポット法あるいは逆ファイブスポット法と呼ばれる垂直坑井群を使用し、メタンハイドレートを分解させて天然ガスを回収する圧力低下法や熱水刺激法などの方法が公知となっている。

例えば、特開２００３−８２９７５号公報（特許文献１）には、図２および図３に示されるような、採掘されたガスの一部を、発電機１１の原動機１２や施設内熱源の燃料としたり、原動機１２の排熱を施設内熱源として利用したりすることにより、必要となる電力や熱のエネルギーを外部からの供給を受けることなく調達する採掘システムが知られている。このシステムは、地中のガス層から導通するガス用配管５でメタンガスを採収するほか、メタンハイドレート、メタンガス、水（砂礫を含む）が混在した流体をハイドレート用配管４によって地上に引き揚げる。その後に、一部のガスを用いた原動機、施設内熱源を利用することで、メタンハイドレートの分離・濃縮したものや、ガスから生成したメタンハイドレートをメタンハイドレート用の輸送船で搬送するか、あるいは採掘したガスとメタンハイドレートから分解させたガスをパイプラインで搬送するものである。また、一部のガスを用いた施設内熱源は、掘削時に海底地盤中のメタンハイドレートを分解させたり、ハイドレート用配管４の途中でメタンハイドレートを分解して凍結による管の閉塞を防止したり、熱を必要とする様々な設備に利用するシステムとなっている。なお、図２および図３中、２はガスハイドレート採掘システム、４はハイドレート用配管、５はガス用配管、１０は分離装置（分離手段）、１１は発電機、１２は原動機（駆動手段）、１３は排熱回収熱交換器、１５は燃焼器、１８は熱交換器（流体加熱手段）、２０は脱水装置である。また脱水装置２０の代りに、スラリー製造装置及び濃縮装置を設けたものや、或いはハイドレート加熱手段を設けたもの、さらには輸送船６の代りにパイプラインを設けたものも開示されている。

このシステムは、排熱を掘削時だけのメタンハイドレートの分解と凍結による管の閉塞防止、或いは掘削後のメタンハイドレートの加熱に利用するもので、基本的には、メタンハイドレート、メタンガス、水および砂礫が混在した流体として地上に引き揚げた後に、一部の生産したガスを動力と熱源として利用し、ガスを生産・搬送するシステムである。

しかし、最近の研究結果で堆積層内のメタンハイドレートを連続的に分解させるためには正味分解熱量の１０倍程度を堆積層内へ注入することが必要であることが明らかになった。このことからしても特許文献１のシステムにおいては、海底下のメタンハイドレート堆積層に対して掘削された坑井群から熱水を圧入してメタンハイドレートを分解するガス生産システムではなく、さらに生産した全てのガスを発電に用いた後の全ての廃熱を熱水生成に利用してメタンハイドレート堆積層に圧入する閉じた循環系システムも構成していないことから、全システムとしてのメタンハイドレート堆積層内への熱供給量が不足し、メタンハイドレートの分解が十分に行なわれず、ガス生産速度と効率が極めて低い状態となる。さらに、生産施設からメタンハイドレートあるいはガスとして陸上に搬送することから、輸送船およびメタンハイドレート分解設備あるいは海上プラットホームから陸上までのパイプラインやガス圧送設備を必要とし、過大な設備費用と操業エネルギーと操業費用を必要とすることから、商業化する場合において大きな課題となる。

また、発明者等は先に、メタンハイドレート堆積層の分解が終了して浸透率が十分高まった砂層領域に複数の水平坑井から熱水を連続して圧入することで、効果的にメタンハイドレート分解面への熱伝達率を高く保持し、分解面を長くして上部の水平坑井から生産するように坑井配置を設定して制御することで主にメタンガスを経済的に生産する方法を提案した（特願２００３−２８９８５７）。一方、ガスタービンシステムなどの熱電併給設備は、発電時に低温源へ排出しなければならない全体の６０〜７０％に及ぶ熱エネルギーを温水生成に有効利用することで、全体のエネルギー利用効率を格段に高めることができ、一般のビルディングや家庭などへの今後の普及が予想され、１万ｋＷ級の発電能力を有する熱電併給設備の製造コストがかなり低下するものと期待される。

メタンハイドレート堆積層からメタンガスを主とする天然ガスの生産と利用において、上記発明者等の先願発明は主にメタンハイドレートの堆積層内における分解効率の点を改良したものであり、一方本発明は主に全生産システムの熱利用効率の点、及びエネルギー輸送に関する経費の低減の点等を改良したものである。

特開２００３−８２９７５号公報

ところで、最近のメタンハイドレートに関する研究において、メタンハイドレート堆積層内における流体の移動し易さを表す浸透率が０．１〜１０ミリダルシー程度しかなく流動抵抗が極めて高く熱水圧入が困難であること、さらにメタンハイドレートの連続的な分解を維持するためには正味の分解熱量の１０倍程度を堆積層内へ注入することが必要と報告されている。また、堆積層の圧力を低下させることによってメタンハイドレートを分解させる方法では、岩盤からの熱伝導量によって天然ガスの生産速度が低く制限され、生産用坑井内の圧力を低下させるときにハイドレート分解水や堆積層下の水層からの水が集まり、連続的に低圧状態を維持できないことなどの問題点があると指摘されている。さらに、分解領域への熱が十分に供給されない状況では、吸熱作用で氷層が分解界面近傍に形成されることで圧力低下が妨げられメタンハイドレートの連続的分解とそれによる天然ガス生産が阻害されることが危惧されている。

一方、外部から熱水や水蒸気などの媒質をメタンハイドレート堆積層へ圧入して分解熱を供給する熱刺激法の場合、メタンガスの生産速度を十分大きくすることができることから商業生産を実現し易いとされている。ただし、熱水や水蒸気を生成するための熱エネルギーが別途必要であり、〔生産のために投入する熱エネルギー量〕／〔生産した天然ガスを燃焼または化学反応させて得られる熱エネルギー量〕で定義される経済的エネルギー比が０．１〜０．２５程度の範囲に収まることが要求される。しかしながら、母岩層あるいは砂層などのメタンハイドレート以外の加熱や上下方向の堆積岩層などへの熱損失が生じ、メタンハイドレートの分解領域が熱水の圧入位置から離れるに従い経済的エネルギー比が０．４〜０．７程度まで増加し、経済性が低下し商業生産が困難となる。

本発明は、メタンハイドレートの分解に必要とする熱エネルギーをメタンハイドレート堆積層から生産した天然ガスを燃料とする発電設備からの廃熱で賄うことでエネルギー効率を高めるシステムと天然ガス生産設備と発電設備を統合化した海上または地上統合設備を提供することを目的とするものである。

本発明は海底下或いは地下に賦存するメタンハイドレート堆積層中に、波浪などに対して揺れを小さくする安定化機能を有する海上プラットホーム或いは地表から掘削された垂直または水平あるいはそれらを混合した坑井群から熱水を圧入する熱刺激法によってメタンハイドレートを分解させ天然ガスを生産する場合において、海上プラットホーム上或いは地上に設けたガス燃焼発電機または燃料電池などの発電設備によってメタンハイドレート堆積層から回収した天然ガスを燃料として発電するときに発生する廃熱で再加熱して生成した熱水を再度圧入することでメタンハイドレート分解用の熱エネルギーを賄ってエネルギー効率および発電効率を高めるシステムを、メタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備と熱電併給可能な発電設備とからなる設備に統合化した海上または地上統合設備とすることにより上記課題を解決しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、下記（１）および（２）の海上統合設備が提供される。
（１）メタンハイドレート堆積層中でメタンハイドレートを分解させてメタンガスを主成分とする天然ガスを回収する閉じた熱サイクルを構成する天然ガス生産設備において、（ａ）水と分解した天然ガスを分離する気液分離器、（ｂ）天然ガス中の水分を除去し天然ガスを圧縮するガス脱水・圧縮装置、（ｃ）圧縮された天然ガスを貯蔵する圧力タンク、（ｄ）ガス燃焼発電機または燃料電池と熱交換器を備えた熱電併給発電設備および（ｅ）熱水圧入用の高圧ポンプが設けられており、（ｃ）圧力タンクと（ｄ）熱電併給発電設備とが調節弁を備えた連結管で結合され、（ａ）気液分離器において分離されて熱交換器により加熱された熱水と（ｄ）熱電併給発電設備で生成された燃焼水あるいは反応水とが連結管により合流するようにされていることを特徴とする海上統合設備。
（２）熱電併給発電設備と電力消費地とが送電線によって連結されていることを特徴とする請求項１に記載されている海上統合設備。

本発明の統合設備によれば、海上プラットホーム上或いは地上に設けたガス燃焼発電機または燃料電池などの発電設備でメタンハイドレート堆積層から生産された天然ガスを燃料として発電するときに発生する廃熱で熱水を生成させることでメタンハイドレートの分解に必要とする注入熱エネルギーを賄ってエネルギー効率を高める閉じた循環システムと海上プラットホーム上或いは地上に設けた天然ガス生産設備と発電設備を統合化した海上または地上統合設備を使用することによって、（イ）熱水圧入による熱刺激によってメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産速度を減圧法に比較して大きくすることができ、（ロ）メタンハイドレート分解に必要とする熱エネルギーの生成の燃料あるいは熱エネルギーを別途必要としないことから生産された天然ガスがもつエネルギーの利用効率を最大化でき、（ハ）発電時に排出される廃熱を最終的に海底下等に賦存するハイドレート分解熱として吸収させることで地球温暖化を低減でき、（ニ）メタンハイドレート堆積層から生産した天然ガスを統合設備で電気に変換することで消費地までのエネルギー輸送費とそれに要する設備費を低減でき、（ホ）天然ガス生産設備と発電設備を統合化して建設することで補機類の電力も賄うことができることから包括的な設備費を低減でき、（ヘ）熱水圧入に対するメタンハイドレート分解と天然ガス生産が同時に実施されるため消費地の需要に応じた生産を実施することで包括的なエネルギー生産と利用の効率を高められる。

本発明のメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備とそれを利用する熱電併給可能な発電設備を統合化してエネルギー効率を高めた統合設備の内の海上統合設備の一実施例を図面に基づいて、詳細に説明する。

図１に示すように、メタンハイドレート堆積層２は、例えば南海トラフなどの海域において、海洋１の海底下に存在する砂層あるいは砂岩層中の水層または海水層にメタンガスが供給され、メタンハイドレートの生成温度および生成圧力が満たされ、５〜３０ｍの層厚で長い年月を掛けてメタンハイドレート堆積層２が、浸透率が極めて低い凝灰岩層あるいは泥岩層３の下層に生成・賦存されたと推定されている。したがって、前記メタンハイドレート堆積層１の下層には砂層あるいは砂岩層中に水または海水あるいはメタンガスが満たされた水層またはガス層４が存在する場合が多い。

波浪などに対して揺れを小さくする安定化機能を有する海上プラットホーム５からおおむね垂直な坑井群６および７あるいはそれに接続するおおむね水平な坑井群８および９をメタンハイドレート堆積層１の中に掘削する。これらの坑井群は、おおむね垂直のみあるいはおおむね垂直のものとおおむね水平のものを混合することもできる。それらの坑井群のうち垂直な坑井群６あるいはそれに接続されている水平な坑井群８から海上設備で生成された３５〜２５０℃の範囲にある熱水（条件によっては水蒸気）をメタンハイドレート堆積層２に圧入することで、メタンハイドレート堆積層へ熱を伝導または伝達してメタンハイドレートを分解させる。その後、坑底圧を圧入圧力より低く設定した水平な坑井群８あるいは坑井群９へ向かう浸透水流とともに分解した天然ガスが移動して水平な坑井群８あるいは坑井群９から生産されたメタンガスを主とする天然ガスを、垂直な坑井群７を通して、海底面上に設置した噴出防止装置１０および生産用開閉弁１１などを経て海上プラットホーム５上に回収される。噴出防止装置１０は海上プラットホーム５上に設置することもできる。
尚、図１では坑井群は垂直方向と水平方向に掘削した場合を示したが、坑井群は垂直なもののみでもよい。メタンハイドレートの分解効率の点から、坑井群は垂直なものと水平等の垂直以外のものとを混合するのが好ましい。

次に、図１に示すように、上記の回収した２０〜９０℃程度の水と分解した天然ガスを気液分離器１２に導いて水と天然ガスに分離し、ガス脱水・圧縮装置１３で天然ガス中の水分を除去し圧縮された天然ガスが圧力タンク１４に貯蔵される。この圧力タンク１４によって天然ガスの生産速度の変動が緩和され、その供給量の安定化が図られる。

前記の圧力タンク１４に貯蔵した天然ガスを流量調整弁１５で天然ガス流量を安定に調整し、熱電併給発電設備１６に導入し、電気エネルギーに変換する。この熱電併給発電設備１６は、ガス燃焼発電機または燃料電池（水素発生改質装置を含む）１７とこの際に副次的に発生する燃焼熱あるいは化学反応熱を気液分離器１２で分離された熱水へ伝達する熱交換器１８から構成される。この際の水を再加熱して再圧入するための熱水の生成に利用する廃熱は、発電時に排出される全熱エネルギー量の５５〜７０％に達し、廃熱の利用効率は極めて優れている。

さらに、発電時に生成された燃焼水あるいは反応水は送水管１９で熱交換された熱水に合流させ、熱水圧入用の高圧ポンプ２０によって前記の圧入用である垂直な坑井群６へ１〜１０ＭＰａ程度の静圧で送水される。これによって、メタンハイドレート堆積層には静水圧を含めると７〜１７ＭＰａ程度で熱水が圧入される。一方、電気エネルギーは送電線２１で電力消費地まで送電される。生産された天然ガスが有するエネルギーに対する発電効率は、生産と発電に必要とする圧縮機やポンプなどの補機類の電力量を差し引いたとしても２５〜４０％程度の値を達成できる。以上の天然ガスの生産設備を構成する１１〜１５、熱電併給発電設備１６および海上プラットホーム５を統合化したものが海上統合設備２２である。

メタンハイドレート分解のためのメタンハイドレート堆積層への熱供給の方法としては、前記の圧入用の垂直な坑井群６あるいは水平な坑井群８から熱水を圧入して熱を分解面に伝達する方法のほか、熱水を坑井群６あるいは坑井群８の二重管における内側管であるチュービング管から二重管どうしの間隙であるアニュラス部へ循環させて外側管であるケーシング管から熱伝導によって熱供給することも可能であり、とくに初期の圧入用坑井と生産用坑井間のメタンハイドレート生成領域を分解させて浸透性を増大させるのに有効である。さらに、熱水の代わりに温度と圧力条件に応じて水蒸気としてメタンハイドレート堆積層中へ圧入することも可能である。また、同一坑井で圧入と生産を連続的に実施する場合は、二重管の内側管であるチュービング管の先端部分から圧入し、外側のケーシング管に付けられたスクリーンあるいは切られた多数のスリットなどから二重管どうしの間のアニュラス部に導入して天然ガスと水を生産することも可能である。なお、海上プラットホームと海底面の掘削孔との間を接続するおおむね垂直な坑井群６と７を、海洋掘削で用いられるライザー管の内側に配設することも可能である。

天然ガスの生産設備を構成する１１〜１５、熱電併給発電設備１６や熱水圧入用の高圧ポンプ２０などの設備を上または内部に設置するための海上プラットフォーム５は、海洋の水深や海底状態などに応じて固定型、ジャッキアップ型、セミサブマージブル型、シップ型などの型式を選択することが可能である。ただし、いずれの場合であっても波浪や潮流、風等に対して揺れを小さく安定させる機能をもつことが必要である。

本発明のメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備とそれによる熱電併給の発電設備を統合化した海上統合設備においては、連続的な天然ガス生産と発電が可能であるが、主に消費地の電力需要が高い日中の時間帯に天然ガス生産と発電を実施し、間欠的な負荷追従生産を実施することも可能である。これによって熱伝達の高効率化とエネルギー利用効率を高めることが実現できる。

圧力タンク１４に天然ガスを前もって貯蔵あるいは追加貯蔵することで、本発明の天然ガス生産設備とそれを利用する熱電併給発電設備を統合化した海上統合設備２２によって、坑井掘削時および初期の生産立ち上げ時に必要とする熱水生成と補機類の電源を確保でき、別途それらを手配する必要がない。

本発明の統合化した海上統合設備２２において生成されてメタンハイドレート堆積層に圧入される熱水は清水であっても塩水であってもよく、塩水の場合にはよりメタンハイドレートの分解速度を大きくすることができる。

図１には本発明の海上統合設備について示したが、本発明の、メタンハイドレート堆積層に熱水を圧入して生産された天然ガスを燃料として用いるガス燃焼発電機または燃料電池などの発電設備によって発電するときに発生する廃熱で生成した熱水を再度圧入することでメタンハイドレート分解用の熱エネルギーを賄ってエネルギー効率を高めるシステムとメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備と発電設備を統合化した設備は、海底下以外の永久凍土層表面から数１００ｍの深さに賦存する陸域のメタンハイドレート堆積層に対しても適用することができ、海上プラットホーム５上の設備をハイドレート賦存領域の地表に設置することで容易に実現できる。このとき、波浪などによる揺れを小さく安定させる機能は必要としない。

本発明のメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備とそれを燃料として用いる熱電併給可能な発電設備を統合化した海上統合設備の主要な実施例として図１を示したが、ポンプやバルブなどの補機類の接続における前後関係は異なってもよく、さらに生産圧力が足りない場合には液送ポンプ、生産圧力が高過ぎる場合にはストップ弁や流量弁を配設し、温度・圧力の制御が必要な場合は温度・圧力装置などを必要に応じて追加することが可能である。

図１に示すメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備とそれによる熱電併給の発電設備を運転した場合のモデル概算した一例を、１日の天然ガス生産量１０万立方メートル（標準状態）当たりの場合について表１に示す。ただし、熱電併給設備として１万５千ｋＷ級ガスタービンシステムを採用し、発電効率３５％および総合熱効率を８０％と仮定し、熱水生成、熱水圧入による熱刺激法でメタンハイドレートを分解し、天然ガスを生産する場合について数値シミュレーション計算を実施した結果を示したものである。

上記表１からも明らかなように、本発明の天然ガスを燃料として用いるガス燃焼発電機または燃料電池などの発電設備によって発電するときに発生する廃熱で生成した熱水を再度圧入することでメタンハイドレート分解用の熱エネルギーを賄ってエネルギー効率を高めるシステムとメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備と発電設備を統合化した設備は、技術的に容易に実現できるものであり、発電の際に発生する廃熱を地表あるいは海域に排出することなく、電力のみを電力消費地へ直接送電しているので、長期にわたって環境への影響を最小限に留めてメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産を続行でき、まさに地球にやさしい、すなわち炭酸ガス排出量が少ない独立した電力生産設備を実現できる。

本発明のメタンハイドレート堆積層からの天然ガス生産設備とそれによる発電設備を統合化した海上統合設備を表す概略図である。従来の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表す概略図である。同じく従来の天然ガスを掘削する洋上施設の実施形態を表す概略図である。

符号の説明

（図１）
１海洋
２メタンハイドレート堆積層
３凝灰岩層あるいは泥岩層
４水層またはガス層
５波浪に対して揺れを小さくする安定化機能を有する海上プラットホーム
６おおむね垂直な坑井群（圧入用）
７おおむね垂直な坑井群（生産用）
８おおむね水平な坑井群（圧入用）
９おおむね水平な坑井群（生産用）
１０噴出防止装置
１１生産用開閉弁
１２気液分離器
１３ガス脱水・圧縮装置
１４圧力タンク
１５流量調整弁
１６熱電併給発電設備
１７ガス燃焼発電機または燃料電池（水素発生改質装置を含む）
１８熱交換器
１９送水管
２０熱水圧入用の高圧ポンプ
２１送電線
２２海上統合設備
（図２及び図３）
１プラットホーム
２ガスハイドレート採掘システム
３メタンハイドレート生成設備
４メタンハイドレート用配管
５ガス用配管
６メタンハイドレート輸送船
７貯蔵施設
Ｈハイドレート層
Ｇガス層
１０分離装置
１１発電機
１２原動機（駆動手段）
１３排熱回収熱交換器
１４熱媒供給ポンプ
１５燃焼器
１６ガス配管
１６ａメタンガス供給料調整弁
１７熱媒配管
１８熱交換器（流体加熱手段）
１９ガスハイドレート生成装置
２０脱水装置
２１冷却装置
２２圧密装置
２３減圧装置
２４ガスハイドレート貯蔵タンク
２５積荷装置

Claims

メタンハイドレート堆積層中でメタンハイドレートを分解させてメタンガスを主成分とする天然ガスを回収する閉じた熱サイクルを構成する天然ガス生産設備において、（ａ）水と分解した天然ガスを分離する気液分離器、（ｂ）天然ガス中の水分を除去し天然ガスを圧縮するガス脱水・圧縮装置、（ｃ）圧縮された天然ガスを貯蔵する圧力タンク、（ｄ）ガス燃焼発電機または燃料電池と熱交換器を備えた熱電併給発電設備および（ｅ）熱水圧入用の高圧ポンプが設けられており、（ｃ）圧力タンクと（ｄ）熱電併給発電設備とが調節弁を備えた連結管で結合され、（ａ）気液分離器において分離されて熱交換器により加熱された熱水と（ｄ）熱電併給発電設備で生成された燃焼水あるいは反応水とが連結管により合流するようにされていることを特徴とする海上統合設備。
熱電併給発電設備と電力消費地とが送電線によって連結されていることを特徴とする請求項１に記載されている海上統合設備。