JP4508494B2 - ガスハイドレート探査システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底等といった水底の地盤内に存在するガスハイドレートを探査するための探査システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスは、地盤内に形成されたガス層（「フリーガス層」と呼ばれる）内部に気体状態で存在する場合が多く、こうしたフリーガス層から掘削されて利用される場合が一般的である。しかしこれとは別に、天然ガスが水和されて生成された、固体状態の水和物として存在する場合がある。この天然ガスの水和物（以下、「ガスハイドレート」と記す）とは、包接化合物（クラスレート化合物）の一種であって、複数の水分子（Ｈ₂Ｏ）により形成された立体かご型の包接格子（クラスレート）の中に、天然ガスの成分であるメタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）等の分子が入り込み包接された結晶構造をなすものである。
こうしたガスハイドレートは、その内部に天然ガスが高密充填された状態となっている。理論上は、ガスハイドレート１ｍ³中に、標準状態における気体に換算して約１７０ｍ³の天然ガスが含まれていることとなり、次世代のエネルギー源として多大な注目を集めている。
【０００３】
ガスハイドレートは、低温・高圧の条件下で生成されて安定的に存在することができるので、こうした条件に合致する地盤内に層をなして（「ガスハイドレート層」、あるいは単に「ハイドレート層」と呼ばれる）存在することができる。具体的には、北極圏や南極圏等の永久凍土層の下部、あるいは深度３００ｍ程度以深の海底地盤中等に広く分布することがわかってきている。また、我が国近海の海底地盤中にも多量に存在するであろうと考えられており、その探査あるいは調査が順次行われようとしている。
【０００４】
このような、海底等の水底に存在するハイドレート層の探査方法としては、水上の探査船から音波を含む弾性波を探査信号として海底に向けて発信し、反射されてきた弾性波を受信して、弾性波の伝播速度等を解析してハイドレート層を探査する方法が一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした探査を高精度で行うにあたっては、探査船は、海上における自船の絶対的位置及び僚船との相対的位置を正確に把握し、その位置を保持することが求められる。こうした位置の把握はレーダー等を用いて行われることが多いが、海流、波高あるいは風等の影響により、位置の把握及びその保持は困難であった。
また、探査船から海底に向けて発受信される弾性波は水中で減衰されやすく、そのため、水深の深い場所や海底地形の起伏が激しい場所等における探査精度は、必ずしも良好ではなかった。
こうした様々な要因によって、水底に存在するガスハイドレートの探査精度や探査効率を向上させることは、非常に困難であった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、水底に存在するガスハイドレートの探査精度及び探査効率を向上させることのできる、ガスハイドレート探査システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、水底の地盤内に存在するガスハイドレートを探査するためのシステムであって、水上側から水底方向に向かって弾性波を発信する発信機と、前記水底の地盤上に設置され、遠隔制御によって該水底の地盤を加震する加震部を有する探査用リグと、水底方向から反射してくる前記弾性波、又は前記加震部によって加震された前記水底の地盤から水中に伝播された弾性波を水上側で受信する受信機と、前記発信機又は前記受信機のうちの少なくとも一方と一体となって水上を移動し、人工衛星からの信号により自己位置を認識する自己位置認識装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
このように、発信機又は受信機のうちの少なくとも一方を、人工衛星からの信号により自己位置を認識することができるようにしているので、海流、波高あるいは風等の影響を殆ど受けることなく、自己位置を常に高精度で把握し、その位置を保持あるいは変化に応じた更正を行いながら、ガスハイドレートを探査することができる。
また、水底の地盤上から探査信号を発信する探査用リグを用いるようにしているので、水を介さずに、水底の地盤に直接探査信号を発信することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスハイドレート探査システムであって、前記発信機と前記自己位置認識装置とを有する少なくとも一隻の探査船と、前記受信機と前記自己位置認識装置とを有する少なくとも一隻の探査船と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
このように、互いに自己位置認識装置を備えた複数の探査船を用いて探査信号の発受信を行うようにしているので、各々の探査船の絶対的位置を極めて正確に把握することができるとともに、探査船同士の相対的位置も極めて正確に把握することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガスハイドレート探査システムであって、前記水底を探査し、探査した情報を前記探査船に送信する潜水艇を備えたことを特徴とする。
【００１２】
このように、潜水艇を用いて海底を探査するようにしているので、水底により近い位置から水底を探査することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のガスハイドレート探査システムであって、前記探査用リグが、水中を移動するための推進装置を備えていることを特徴とする。
【００１４】
このように、探査用リグに推進装置を備えるようにしているので、探査用リグの設置及び回収を容易に行うことができるとともに、探査するポイントを容易に変更することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記ガスハイドレート中のメタンに照射するためのレーザー光を発振するレーザー発振器と、前記メタンからのラマン散乱光を分光する分光器と、該分光器で分光された前記ラマン散乱光を分析して前記メタンを検出する検出器と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
このように、ラマン散乱光を分光分析することによって、すなわち化学的な成分分析によって、メタンを検出してガスハイドレートを探査するようにしているので、ガスハイドレートの存在をより確実に探査することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のガスハイドレート探査システムであって、前記レーザー発振器、前記分光器及び前記検出器とを探査船に備えるとともに、該探査船から前記水底の近傍位置まで垂下された光ファイバーを用いて、前記メタンに前記レーザー光を照射するとともに前記ラマン散乱光を前記分光器へと導入することを特徴とする。
【００１８】
このように、光ファイバーを用いて、水底近傍位置のメタンにレーザー光を照射するとともにラマン散乱光を分光器へと導入するようにしているので、レーザー発振器、分光器及び検出器といった分光分析に必要な主たる機器類を探査船内に設けて、水との接触を避けることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２０】
［第１参考実施形態］
まず、本発明に係るガスハイドレート探査システムの第１参考実施形態について、図１を用いて説明する。
このガスハイドレート探査システム（以下、単に「探査システム」と記す場合がある）は、海底地盤（水底の地盤）Ｇ内に形成されているハイドレート層（ガスハイドレート）Ｈを、音波を含む弾性波を用いて探査する、探査船１０Ａと探査船１０Ｂとから構成されている。
これら探査船１０Ａ、１０Ｂは、互いにほぼ同一の構成となっており、音波を含む弾性波（探査信号）を発信・受信してハイドレート層Ｈを探査する発受信機（発信機、受信機）１１ａ、１１ｂと、人工衛星Ｓからの信号により自船の位置を認識する自己位置認識装置１２ａ、１２ｂと、を各々備えている。すなわち探査船１０Ａ、１０Ｂは、ＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｓｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）によって自船の位置を正確に把握しながら、ハイドレート層Ｈの探査を行うことができるようになっている。なお図１においては、人工衛星Ｓを１つしか図示していないが、実際には複数の人工衛星Ｓからの信号によって、自己位置認識装置１２ａ、１２ｂは自船の位置を認識する。
【００２１】
このように、自己位置認識装置１２ａ、１２ｂとによって、探査船１０Ａ及び１０Ｂは海上における自船の絶対的位置を極めて高精度で認識することができるので、探査船１０Ａと１０Ｂ同士の相対的位置に関しても、極めて高精度で割り出すことができる。
【００２２】
この探査システムを用いた探査方法においては、探査船１０Ａあるいは探査船１０Ｂから弾性波を海底地盤Ｇの表面（海底）に向けて発信し、海底から反射してきた弾性波（反射波）を探査船１０Ａあるいは探査船１０Ｂが受信して解析し、ハイドレート層Ｈが存在するか否か、そして存在する場合にはその大きさ、深度、層厚等を探査することができる。図１においては、一例として、探査船１０Ａから弾性波ｌを発信し、探査船１０Ｂが、海底から反射してくる反射波ｌ_１と、ハイドレート層Ｈから反射してくる反射波ｌ_２とを受信している様子を示している。
【００２３】
本実施形態に係るガスハイドレート探査システムにおいては、探査船１０Ａ、１０Ｂが、人工衛星Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３からの信号によって、探査船１０Ａ、１０Ｂは自己の絶対位置自己位置認識装置１２ａ、１２ｂを各々備えるようにしている。そのため、海流、波高あるいは風等の影響に左右されることなく、自船の絶対的位置を極めて高精度で把握し、その位置を保持することができるとともに、位置の変化に応じたデータ処理などの更正を実施することができる。またこのように、互いの自船の絶対的位置を非常に正確に把握できるので、探査船１０Ａと探査船１０Ｂとの相対的位置も自ずと正確に把握することができる。そのため、ハイドレート層Ｈの探査を極めて高精度で行うことができる。
そして、僚船（他船）との相対的位置を測定するための装置、すなわちレーダー等といった高価な装置を必要とせず、探査システムを構築するためのコストを低廉化することができる。
【００２４】
なお本実施形態においては、探査船を２隻用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。より多数の探査船を用いて探査船の船団を形成するようにすれば、より探査精度を向上させることができる。
また探査船が、発受信機を取り付けたフロートを単数もしくは複数曳航するようにしてもよい。この場合、探査船が最低１隻あれば探査することが可能であるので、探査コストをより低廉なものとすることができる。
【００２５】
［第２参考実施形態］
本発明に係るガスハイドレート探査システムの第２参考実施形態について、図２を用いて説明する。
本実施形態においては、上記第１参考実施形態における探査システムの構成要素に、潜水艇２０Ａ、２０Ｂを加えた構成となっている。すなわち、海上及び海中の双方から、海底地盤Ｇ内のハイドレート層Ｈを探査するものである。
【００２６】
潜水艇２０Ａ、２０Ｂは、搭乗員が操縦する有人の潜水艇であり、海中を潜行して海底の地形や地質等を探査するものである。これら潜水艇２０Ａ、２０Ｂは、音波を含む弾性波を海底に向かって発信するとともに海底から反射してきた弾性波を受信する発受信機２１ａ、２１ｂと、ソナー、レーザーあるいはミリ波などを用いて探査船１０Ａ、１０Ｂ或いは潜水艇同士で通信を行う通信装置（図示省略）と、を各々備えている。
【００２７】
この探査システムを用いた探査方法においては、海上の探査船１０Ａ、１０Ｂ、あるいは海中の潜水艇２０Ａ、２０Ｂから弾性波を海底に向けて発信し、海底から反射してきた弾性波（反射波）を探査船１０Ａ、１０Ｂ、あるいは潜水艇２０Ａ、２０Ｂが受信する。
そして、弾性波により得られた情報に、潜水艇２０Ａ、２０Ｂの搭乗員が海底側を目視して得た情報、すなわち海底地形の起伏状態あるいは地質等といった情報も加えて解析し、ハイドレート層Ｈが存在するか否か、そして存在する場合にはその大きさ、深度、層厚等を探査することができる。
【００２８】
本実施形態に係るガスハイドレート探査システムにおいては、潜水艇２０Ａ、２０Ｂを用いるようにしているので、より海底に近い位置から探査することができるので、弾性波の水中での減衰をより低減でき、ハイドレート層Ｈの探査精度を更に向上させることができる。
また、弾性波により得られた情報だけでなく、搭乗員が海底を目視して得られた情報も加えて総合的に探査することができるので、探査精度を更に向上させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、潜水艇を有人運転するものとしたが、自動運転が可能な無人のものであってもよい。
また、水艇を２隻用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。より多数の潜水艇を用いれば、より探査精度を向上させることができる。
更に、潜水艇が、発受信機を取り付けたフロートを単数もしくは複数曳航するように、すなわち水中を吹き流すようにしてもよい。この場合、潜水艇が最低１隻あれば探査することが可能であるので、探査コストをより低廉なものとすることができる。
【００３０】
［第１の実施形態］
次に、本発明に係るガスハイドレート探査システムの第１の実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態においては、上記第２参考実施形態の構成要素に、海底地盤Ｇ上に配設された探査用リグ３０を加えた構成となっている。そのため、上記第２参考実施形態におけると同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３１】
この探査用リグ３０は、海底に設置されており、本体部３１と、本体部３１の下側に設けられ海底地盤Ｇ上に立脚する脚部３２と、本体部３３の下側に設けられ海底地盤Ｇを加震する加震部３３と、を備えている。
本体部３１は、海上の探査船１０Ａ、１０Ｂあるいは潜水艇２０Ａ、２０Ｂからの遠隔操作で加震部３３を動作させる遠隔制御装置と、探査船１０Ａ、１０Ｂあるいは潜水艇２０Ａ、２０Ｂとの間で情報を送受信する通信装置と、を備えている（何れも図示省略）。
なお図３においては、探査用リグ３０を１つしか図示していないが、実際には複数の探査用リグ３０が配設されている。
【００３２】
探査用リグ３０によって加震された海底地盤Ｇからは弾性波が伝播されていき、別の探査用リグ３０によって検出される。また、海底地盤Ｇから海水中に伝播された弾性波は、潜水艇２０Ａ、２０Ｂあるいは探査船１０Ａ、１０Ｂによって検出される。この弾性波の伝播速度等から、海底地盤Ｇの状況が把握できる。
【００３３】
本実施形態に係るガスハイドレート探査システムにおいては、探査用リグ３０を備え、海水を介さずに直接海底地盤Ｇに弾性波を発信できるようにしている。そのため、例えば水上や水中から弾性波を発信する場合のように、弾性波が水中で減衰することがないので、探査誤差が少なくより探査精度を更に向上させることができる。
また、一般的には高価である潜水艇の数を減らしても、探査精度を充分に高くできるので、システム全体を簡易な構成とすることができ、探査コストの低廉化及び探査効率の向上を図ることができる。
【００３４】
なお、本実施形態においては、複数の探査用リグを各々無線で遠隔制御するようにしているが、各々の探査用リグ同士を有線で結ぶようにしてもよい。
【００３５】
また、上記した探査用リグ３０の変形例としての探査用リグ３０Ａを、図４に示す。
この探査用リグ３０Ａは、探査用リグ３０に、自力で海中を移動するための機能を付加したものであり、上記した探査用リグ３０の本体部３１に、推進装置３６と、フロート３７とを備えた構成となっている。
【００３６】
推進装置３６は、プロペラと、このプロペラを回転駆動させるアクチュエータ（図示省略）とから構成されており、本体部３１の側方あるいは上方に複数設けられている。なお本体部３１内には、これら推進装置３６を遠隔制御するための遠隔制御手段（図示省略）が備えられている。すなわち、探査船１０Ａ、１０Ｂあるいは潜水艇２０Ａ、２０Ｂからの遠隔制御によって、探査用リグ３０Ａを海中移動させることができるようになっている。
フロート３７は、深海での水圧に耐え得るようなファイバーや鋼殻等から構成されており、内部ガスの入排出等により、探査用リグ３０Ａに適度な浮力を与えるものである。このフロート３７が設けられていることで、探査用リグ３０Ａは、海底に軟着陸できるとともに、海底からの離脱を容易に行うことができる。
【００３７】
このような、推進装置３６を備えた探査用リグ３０Ａを用いることとすれば、探査用リグ３０Ａの設置及び回収を容易に行うことができるとともに、探査するポイントを容易に変更することができるので、単位時間当たりに広範な範囲を探査することができ、探査効率を向上させることができる。
【００３８】
［第２の実施形態］
本発明に係るガスハイドレート探査システムの第２の実施形態について、図５乃至図７を用いて説明する。
本実施形態における探査システムは、ラマン分光分析装置４０を備えた探査船１０Ｃにより構成されている。この探査船１０Ｃは、ラマン分光分析装置４０を備えている点以外は、上記第１参考実施形態及び第２参考実施形態において示した探査船１０Ａと同様の構成となっている。
【００３９】
図５に示すように、ハイドレート層Ｈを含んでいる海底地盤Ｇの一部に亀裂等が生じると、この亀裂から、ハイドレート層Ｈ内のメタンが徐々に海中に漏洩してくる。図５においては、メタンが溶解した海水または気泡となって海中に漏洩しているメタン（メタンガス）を、符号ｍとして示している。すなわち、海中からメタンを検出することができれば、その下の海底地盤Ｇ内にハイドレート層Ｈが存在する可能性は非常に高いということになる。
ラマン分光装置４０は、こうした海中のメタンｍを検出することで、海底地盤Ｇ内のハイドレート層Ｈを探査することができるものである。
【００４０】
ラマン分光分析装置４０は、図６に示すように、レーザー発振器４１と、ダイクロイックミラー４２と、光ファイバー４３と、分光器４４と、検出器４５と、を備えている。
このラマン分光分析装置４０においては、光ファイバー４３以外の構成要素は探査船１０Ｃ内に設けられている。そして、光ファイバー４３は、その先端部が海底近傍位置に達するようにして海中に垂下され、先端部に設けられた凸レンズ４３ａから海水中に対してレーザー光を照射するようになっている。
【００４１】
この探査システムを用いた探査方法においては、まず、レーザー発振器４１が、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンレーザーといったレーザー光Ｌを発振する。発振されたレーザー光Ｌは、ダイクロイックミラー４２を透過し光ファイバー４３内を進んで、先端部の凸レンズ４３ａから海水中に照射される。このレーザー光Ｌが海水中の各物質に入射されると、各物質の成分に対応して僅かに周波数のずれたラマン散乱光Ｒが散乱される。すなわち、このラマン散乱光Ｒ中には、各物質の成分に対応した特有の振動数を有する光成分が、多数含まれた状態となっている。このラマン散乱光Ｒを分光分析すれば、メタンｍが海中に存在するか否かを検出することができる。
【００４２】
ラマン散乱光Ｒのうちの一部は、凸レンズ４３ａから光ファイバー４３内へと導入され、再び探査船１０Ｃ側へと進んでいく。そして探査船１０Ｃ上で、ダイクロイックミラー４２によって分光器４４へと導入され、ここで分光される。分光されたラマン散乱光Ｒは検出器４５へと導入されて、ここでメタンｍが存在するか否かを検出される。すなわち、メタンｍに対応する光成分が検出されれば、その下の海底地盤Ｇ内に存在するハイドレート層Ｈが探査されることとなる。
【００４３】
本実施形態に係るガスハイドレート探査システムにおいては、ラマン分光分析装置４０を用いてラマン散乱光Ｒを分光分析することによって、すなわち化学的な成分分析によってメタンｍを検出して、ハイドレート層Ｈを探査するようにしているので、ハイドレート層Ｈの存在をより確実に探査することができる。
また、こうしたガスハイドレート探査システムを用いた探査方法を、上記各実施形態において述べた弾性波を用いた探査の後に実施すれば、物理的根拠及び化学的根拠の双方によって、ハイドレート層Ｈの存在を裏付けることができる。
【００４４】
更に、光ファイバー４３を用いて、海底近傍位置のメタンｍにレーザー光Ｒを照射するとともにラマン散乱光Ｒを分光器４４へと導入するようにしているので、レーザー発振器４１、分光器４４及び検出器４５といった、ラマン分光分析装置４０の主たる構成要素を探査船１０Ｃ内に設けることができる。そのため、精密な機器類と海水との接触を避けることができ、メンテナンスを容易にすることができると共に、ラマン分光分析装置４０の信頼性、耐久性を向上させることができる。
【００４５】
なお、海底地形の起伏が激しい場合などにおいては、レーザー発振器、分光器、検出器といった、ラマン分光分析装置の主たる構成要素を、無人の小型潜水艇などに搭載し、海中を潜行しながら探査するようにしてもよい。この場合には、光ファイバーは必須の構成要素ではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスハイドレート探査システム及び探査方法においては、上記の如き構成を採用しているので、水底に存在するガスハイドレートの探査精度及び探査効率を向上させることのできる、ガスハイドレート探査システム及び探査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るガスハイドレート探査システムの第１参考実施形態を示す概略構成図である。
【図２】 本発明に係るガスハイドレート探査システムの第２参考実施形態を示す概略構成図である。
【図３】 本発明に係るガスハイドレート探査システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】 図３において示した探査用リグの変形例を示す概略構成図である。
【図５】 本発明に係るガスハイドレート探査システムの第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図６】 ラマン分光分析装置を示す概略構成図である。
【図７】 図６における一部分を拡大して示す部分拡大図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 探査船
１１ａ、１１ｂ 発受信機（発信機、受信機）
１２ａ、１２ｂ 自己位置認識装置
２０Ａ、２０Ｂ 潜水艇
２１ａ、２１ｂ 発受信機（発信機、受信機）
３０、３０Ａ 探査用リグ
３６ 推進装置
３７ フロート
４０ ラマン分光分析装置
４１ レーザー発振器
４２ ダイクロイックミラー
４３ 光ファイバー
４４ 分光器
４５ 検出器
ｌ、ｌ_１、ｌ_２ 弾性波（探査信号）
ｍ メタン（メタンガス）
Ｇ 海底地盤（水底の地盤）
Ｈ ハイドレート層（ガスハイドレート）
Ｌ レーザー光
Ｒ ラマン散乱光
Ｓ 人工衛星

Claims (6)

1. 水底の地盤内に存在するガスハイドレートを探査するためのシステムであって、
   水上側から水底方向に向かって弾性波を発信する発信機と、
   前記水底の地盤上に設置され、遠隔制御によって該水底の地盤を加震する加震部を有する探査用リグと、
   水底方向から反射してくる前記弾性波、又は前記加震部によって加震された前記水底の地盤から水中に伝播された弾性波を水上側で受信する受信機と、
   前記発信機又は前記受信機のうちの少なくとも一方と一体となって水上を移動し、人工衛星からの信号により自己位置を認識する自己位置認識装置と、
   を備えたことを特徴とするガスハイドレート探査システム。
2. 前記発信機と前記自己位置認識装置とを有する少なくとも一隻の探査船と、
   前記受信機と前記自己位置認識装置とを有する少なくとも一隻の探査船と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガスハイドレート探査システム。
3. 前記水底を探査し、探査した情報を前記探査船に送信する潜水艇を備えたことを特徴とする請求項２に記載のガスハイドレート探査システム。
4. 前記探査用リグが、水中を移動するための推進装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスハイドレート探査システム。
5. 前記ガスハイドレート中のメタンに照射するためのレーザー光を発振するレーザー発振器と、
   前記メタンからのラマン散乱光を分光する分光器と、
   該分光器で分光された前記ラマン散乱光を分析して前記メタンを検出する検出器と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項にガスハイドレート探査システム。
6. 前記レーザー発振器、前記分光器及び前記検出器とを探査船に備えるとともに、
   該探査船から前記水底の近傍位置まで垂下された光ファイバーを用いて、前記メタンに前記レーザー光を照射するとともに前記ラマン散乱光を前記分光器へと導入することを特徴とする請求項５に記載のガスハイドレート探査システム。

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