目次 海洋産出試験の生産技術 西岡文維 (JOGMEC) MH21 フィールド開発技術グループ 平成 26 年 11 月 25 日メタンハイドレートフォーラム 214 東京大学伊藤国際学術研究センター伊藤謝恩ホール 1 2 設計要件と指針 基本要件 目標圧力まで坑底圧を減じ 且つ一定期間それを維持 MH 分解とメタンガス生産性に係る情報として 坑内温度圧力を測定 設計の指針 安全性 ( 人身事故 環境破壊 事故防止 ) 確実性 ( 設計条件 工程 作業手順 作業基準等の遵守 ) 目的の達成 ( フローテストの完遂 ) 基本方針 : 試掘井の生産性評価に使われる Drill stem testing (DST) のシステムを参考に 実証された既存機器を使用 システムの概要 Offshore DST との類似点 : 掘削ライザー内に テストストリングを降下 坑井離脱に必要な切り離し装置 生産ガスは船上でフレアリング MH 生産の特殊性を考慮した部分 : 坑内気液分離および間接減圧 ( ポンプ及び 2 本の生産ライン ) ハイドレートの再生成防止対策 ( ヒータ ) 坑内機器の低温対応 ( パッカー等 ) 出砂対策 (Open-hole gravel pack) 1,m 3m LMR BO Chikyu Drill pipe Riser Choke line SSTT Fluted hanger acker Heater OHG 3 4
間接減圧の方法 設計及び運用の考慮点 手順 : 1 地層と坑内を導通させておく 2 ポンプ開始 堀管及び坑内の水を船上に排出 3 坑井近傍の地層圧力が低下 MHの分解条件になりガス生産が開始 4 主にパッカーの下で水とガスを分離 ガスを堀管から 水をチョークラインから船上に回収 処理 5 坑内ポンプとチョークで排出する水量を調整し 坑底圧力を調節する ressure (Ma) 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 MH 安定 三相平衡圧力 ( 塩分濃度 %) 坑底の温度圧力 MH 分解 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 Temperature (C) Choke line acker 5 設計 調達 ポンプのガス対策 減圧を実現するためのモニタリングシステム 船上機器の高調波歪の対策 ( 船の DS への影響 ) ケーブルを含むライザーの緊急時切り離し 運用 リモートエリアでの試験 船の動揺 デッキスペースの制限 複雑な坑内機器の設置 既存の切り離し装置 (Subsea test tree) にケーブルコネクタを収納するスリーブを装着 6 坑内ポンプの設計 坑内ポンプは減圧法のキーコンポーネント Electrical submersible pump (ES) を選定 幅広い流量に対応 MH 陸上産出試験での実績 ただし扱えるガス比率に制限 電源ケーブルの坑内設置が必要 一般的な stage ower cable 一般的な ES の構成 Intake Seal Motor 7 8
坑内ポンプの設計 24m 9-5/8 casing 7 shroud 4 OD (35 x14) 4 OD (35 x14) 4 OD (GINSHL x 16 ) Intake & gas separator 4 OD Seal section 4.5OD Motor, 2H, 234V, 54A 坑内ポンプの設計 坑内ポンプの設計要件 水生産レート ~5m3/d ( 生産量予測の不確実性を考慮 ) 昇圧量 ~ 約 12Ma ( 減圧段階ごとに必要な昇圧量が変化 ) ポンプ流量 昇圧量の制御 1VSD によりポンプの回転速度を変化 2 サーフェスのチョークバルブの絞りを操作 Head (m) 16 14 12 1 8 6 4 2 予想された定常生産時の運転範囲 7 Hz 65 Hz 6 Hz 55 Hz 5 Hz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Flow rate (m3/d) Separators C ポンプカーブ Sensor 第 1 回海洋産出試験で使用した坑内ポンプ編成 設計時の生産イメージ Seabed 生産流体 9 1 生産モニタリング ガス対策の必要性 マッドロギングルーム及びオペレータルームで生産状況を常時モニタリング 坑内温度 圧力 ポンプの運転状況 ガスと水の生産レート 坑内の温度圧力センサ設置個所 ES はガスに弱い ステージ入口のガス容積比 (GVF) が 1-25% を超えると流量とヘッドが低下 最悪の場合ポンプできなくなり ポンプを一旦停止する必要あり gas locking と呼ばれる現象 ES の周囲で最大 8%GVF またスラグ流の発生が予想された /T /T Head ガスのポンプカーブへの影響 水単相流 ヘッド低下のメカニズム 気泡の集積 T 取得データを集約して表示 /T /T 気液二相流 Flow rate ガス比率小 ガス比率大 /T 11 12
ガス対策の必要性 坑内機器の設置作業 3 重のガス対策を採用 1 シュラウドによる重力分離 2 Vortex タイプのガスセパレータ 3 ガス対策用のポンプステージ G/T W/T 1 と 2 を両立させたシュラウド Shroud hanger w/perforation External transformer Control cabin (VSD inside) SSTT control umbilical ES & heater power cables Sheave Derrick Gas discharge Intake erforated shroud Cable spooler 13 ipe deck Rig floor Rotary table 14 坑内機器の設置作業 ケーブル類の取り扱い シール箇所の通過とスプライシング 特注のケーブルクランプ 坑内アッセンブリ降下中の通信テスト 急な減圧によるケーブルの損傷予防 パッカー上部 ケーブルクランプ 15 16
坑内の圧力データ 生産レートの推移 ポンプ周波数を上昇 坑内ケーブルの切断 砂産出 roduction rate (sm3/d) G/T water rate W/T water rate 5 4 主にガスラインから水が生産 3 2 1 G/T gas rate W/T gas rate 3, ポンプ開始 roduction rate (sm3/d) 25, 2, 15, 1, 5, (1 時間平均 ) ポンプがガスを吸引 17 18 生産試験システムの評価 Q. 第 1 回海洋産出試験システムは 2 つの基本要件を満たしたか? A. 坑内の減圧制御 坑底圧を減じて維持し 6 日間の生産試験に成功 予想と異なり ガスと水がスラグ流の状態でガストレインから生産 生産終了後に BO ラムが開かない事象が発生 A. 坑内温度 圧力の測定 複数のケーブルを損傷せずに坑内に設置し MH 層の生産性と試験システムの評価に資するデータを取得 一部のデータが取得できず 19 2
坑内気液分離に関する解釈 坑内気液分離に関する解釈 平均生産レートが比較的大きかった 陸上産出試験 (28) ガス 2,sm3/d 水 1m3/d 海洋産出試験 (213) ガス 2,sm3/d 水 2m3/d なにが起きたか? 海洋産出試験ではガス生産レートが大きく 水がガスに持ち上げられる形でガスライン側で生産 ポンプ回転数を上げても 生産した水の 1% を水ライン側に引き込むことができず 多量のガスを吸込んだ W/T G/T ES Seabed Voltage 3 8 25 7 7Hz 2 57Hz 63Hz 6 Voltage (V) 15 5 Ampere (A) Frequency (Hz) 6 分移動平均 1 4 5 3 2 G/T gas rate W/T gas rate Ampare or Frequency 21 roduction rate (sm3/d) 3, 25, 2, 15, 1, 5, 22 今後の取り組み : 1 坑内気液分離 今後の取り組み : 2 長期生産への対応 ガスラインからの水の生産に関して 目的の圧力まで減圧できれば 必ずしも 1% 分離する必要はない 坑内分離のための十分なスペースを確保 流れを阻害する狭い流路を排除 ポンプのガス吸引の影響緩和 シュラウド設計の改善 ガス対策技術の調査と導入の検討例えば : ガスハンドリングステージ VSD の自動制御技術 ES の解析 設計ソフトウェア ES メーカーの試験設備の利用 生産井での気液分離の問題点 複雑な坑内機器を設置するリスク 気液分離の予測が困難 生産井の数だけポンプが必要 ポンプの寿命を延ばす ポンプを低流量域で運転すると 部品が摩耗し故障するリスクが高まる 将来の生産試験や商業開発を見据え 海底での気液分離を調査 検討 広い流量レンジに対応したポンプの選定や リサイクルラインの利用 Well Subsea Xmas Flowline S E roduction well Recylcle line Riser Separation well(caisson) 23 24
今後の取り組み :3 流動シミュレーション まとめ 予測の重要性 ES やチョーク操作に対して流体はどのように反応するか? ( 作業手順の策定 現場支援 ) 最適なパイプ径 必要なセパレータの容量は? ( 機器設計 ) 商用の混相流シミュレータの検証を実施し 得られた知見を将来の解析に活かす 現時点で認識している課題 スラグ流の予測 流動不安定の再現 坑内気液分離のモデリング 第 1 回海洋産出試験では 坑内減圧とデータ取得を基本要件とし オフショアの DST を参考にした産出試験システムを設計した 6 日間の連続した減圧に成功し 現場のオペレーションや生産試験後の評価に必要な生産データを取得した 設計時の想定と異なる生産システム内の流動挙動が観測された また一部の計測データが取得できなかった 次回以降の産出試験に向けて 坑内システムと要素技術の設計を再検討する 25 26