JP2009511784A - 水中固定物の設置方法 - Google Patents

Abstract

海、川または河口の水底に耐力構体を固定する方法であり、この方法は、耐力構体を水底に配置するステップ、掘削装置を案内する耐力構体よって、掘削装置に加わる全非垂直負荷に抵抗し、可撓性管路を介して水上船に接続され、水底がその重量を支える掘削装置を用いて水底にパイル収容穴を形成するステップ、および掘削装置を引き上げた後に、形成された穴内に締結パイルを取り付けるステップを含む。

Description

本発明は、海、川または河口の水底に耐力構体を固定する方法であり、特に、例えば水流エネルギーを使用した発電装置などの構体のための固定物の設置に関係した方法に関するものであるが、これに限定されるものではない。また、本発明は、耐力構体を固定するために使用される掘削装置と組み合わされる耐力構体にも関するものである。

水流エネルギーシステム用地の多くは、水底が固いか岩が多い地盤であることが明らかになっている。従来の水中で岩盤にソケットを掘削する方法は、一般に、例えばジャッキアップ船などの、固定された掘削プラットフォームを必要とする。この方法は、水深が約３０ｍを超えると、比較的安価に利用できる沿岸建設用ジャッキアップ船を使用しては、もはや実施不可能であり、代わりに例えば移動掘削ユニット（MDUs）や動的に配置された（DP）掘削船などの高価な専用沖合船を必要とするので高コストになる。海洋エネルギー施設専用の設置用ジャッキアップ装置を開発することも可能かもしれないが、英国の潮エネルギー資源の有意な割合を取り込むには、このジャッキアップ装置を水深７０ｍに及ぶ水中で立たせる必要がある。そのためには現在の動作被覆を大規模に拡張することになり、これが費用効果的に達成可能であるという予測は現在のところたたない。

岩盤に穴を開ける際に、回転掘削または打撃掘削を用いることは公知である。

従来の大径回転ドリルを使用するにあたり問題であるのは、第一に、このような水中作動可能な装置がほとんど無いことであり、第二に、装置は大きく比較的複雑であり、これが発生する大きいトルクに対処可能な構体に載置される必要があることにある。ドリルストリングは重く、これを配備するためには、船も相応に大きくなければならない。

従来技術に流体作動式打撃掘削装置があり、陸上および沖合での掘削に使用されてきた。しかし沖合環境においては、これは以前のみ、安定したドリリングアームから操作される表層破壊剛体ドリルアームを用いて展開されていた。

このため、水域の水底に、固定物、係留設備、または土台を固定する、コスト効率の良い手段が必要とされる。

発明の概要

本発明の第１の態様は、海、川または河口の水底に耐力構体を固定する方法であり、この方法は、耐力構体を水底に配置するステップ、掘削装置に加わる全非垂直負荷に抵抗する前記耐力構体によって案内されるとともに、、水底が重量を支えるように可撓性管路のみを介して水上船に接続される掘削装置を用いて水底にパイル収容穴を形成するステップおよび、前記掘削装置を引き上げた後に、形成された穴内に締結パイルを取り付けるステップを含む。

本発明の第２の態様は、海、川または河口の水底に設置するための耐力構体と、その耐力構体を架設するために用いる掘削装置との組み合わせであって、前記掘削装置は水上船より可撓性管路のみを介して配備するのに適するものであり、前記耐力構体は水底での掘削作動中に前記掘削装置を案内するための案内手段を備え、前記案内手段および前記掘削装置は、その掘削装置が前記案内手段に対して相対的に垂直変位可能でありながら、その掘削装置に加わる非垂直荷重に抵抗するように、互いに協調するものである。

本発明に基づく方法は、水底が固いか岩を多く含む場合に掘削を実行するにあたりコスト効率の良い方法を提供する。この方法は、浅く埋め込む“せん断キー”から、引き上げ力を担持可能なより深いパイル埋め込みまで、様々な種類のパイルを設置するのに採用され得る。また、この手法は包括的であるため、全ての海底固定物または係留設備に適している。ただし、後述する主な適用対象は、例えば波、潮の流れ、および沖合風力エネルギーの変換システムなどの、海洋および水に関する流れのエネルギーシステムの基台である。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明の理解を促進し、どのように実施され得るのかをより明確に示すために、以下の図面に記載する実施例を用いて参照する。

図１ａに示すように、支持構体が水域の水底に配置される。この支持構体は、中空部材１の形態の支持脚部により安定する中央カラム３０を備える。代替実施形態として、中空部材を支持構体の実質的に中央に１個だけ配置してもよい。

作業船８は、中空部材１のいずれか１つにドリルストリングを降ろす。ドリルストリングはドリルを作動させるに必要な装置全てから成る軸アセンブリであり、掘削後は全ての装置が作業船８によって一回のリフティングで回収可能である。このドリルストリングは、錘、ドリルビットをゆっくりインデクシングするための駆動モータ、ドリル動力をパイプラインから受け取り付ける一方でドリルがインデクシングして廻るのを可能とする動力回り継ぎ手、および掘削粉塵を確実に除去するため排気流体速度を制御する誘導チャネルを含むが、以上に制限されることは無い。

図１ａに示した実施例において、ドリルストリングは打撃掘削システムとする。このため、ドリルストリングは、打撃ドリル２、錘３、空気回り継ぎ手４、および打撃掘削システムを回転させるためのモータ５から構成される。

打撃掘削技術は、岩断片を削り落とし除去するのに必要な圧壊力をもたらすために、軸方向に往来運動してドリルビットに衝合する、重いピストンの慣性力を利用する。必要とされるドリルストリングは、同等のパワーを有する回転掘削装置と比べて非常に軽く、大きなトルク反力も必要とせず、水中作動仕様にデザインされている。

ドリルストリングが降ろされる途中、その全重量は、作業船８上のデッキ備え付けクレーン７からケーブル３２を介して支えられる。空気圧式、液圧式、電動式またはその他の、ドリルストリングが正確に作動するのに必要な連結が、パイプライン６によってドリルストリングと作業船８との間で行われる。海流によって誘起される負荷を減衰させるために、パイプライン６はらせん型の渦誘起振動抑制器を取り付けられ、およびもしくは間隔を開けて接続される。

下記詳述するように、ドリルストリングは、中空部材１に備えられた案内を通して降ろされ、水域の水底に載置される。このため掘削中、ドリルストリングの荷重は、水域の水底に支えられている。

上記のとおり、一旦所望の深さの穴が掘削されると、ドリルストリングは水底から回収される。図１ｂに示されるように、締結パイル９は、作業船８から穴へと、中空部材１を通って降ろされる。

図２ａを参照する。水底に位置して掘削準備のできたドリルストリングを示すため、中空部材１の横断面が示される。

打撃ドリル２は、ドリルストリングの重さがクレーンフック１０から外れるように水底に載置される。打撃ドリル２の上には、ドリルの衝撃効果を高めるための付加的な錘３が取り付けられている。ドリルストリングはモータ５によって回され、打撃ドリル２を動かす空気は、空気回り継ぎ手４によってパイプライン６のうちの一方から供給される。他方のパイプライン６はモータ５に動力を供給するための電線を備えてもよい。

ドリルストリングは、中空部材1内部の案内ベーン１１と係合するトルクアーム１２を有する。案内ベーン１１は、ドリルが正しく作動するように、モータ5の反応トルクを支える。

図２ｂは、ドリル２が海底に穴を開け終えた状態を示す。穴が深くなるにつれて、モータ５のトルクアーム１２は案内ベーン１１を滑り降りる。掘削粉塵は中空部材１の上部から環境へと吐出される。一旦所望の深さの穴が掘削されると、ドリルストリングはデッキ備え付けのクレーンによって水上に引き上げられる（図１参照）。

図２ｃを参照する。ドリルストリングは撤去され、締結パイル９が水上から穴へと降ろされた（図１ｂも参照）。締結パイル９は鋼鉄製のシリンダであり、水上に達するグラウト線に連結されるグラウト管１４が取り付けられている。グラウトは、これらの管を通って供給され、一方では締結パイル９と中空部材１の間の環帯を満たし、他方では締結パイル９と穴内部の間の環帯も満たす。グラウトは、締結パイルの内部１３も満たすように供給される。その後グラウト線は分離され、水上船８に回収される。

代替実施形態において、締結パイル９は、例えばボルト、溶接、または膨張心棒などの機械的手段によって支持構体に取り付けられる。

図３ａ〜ｃは、代替プロセスを示す。但し、図２ａ〜ｃと類似した構成要素には同じ参照番号が用いられる。図３ａを参照する。海底に載置され掘削準備状態にある、異なるドリルストリングの異なる実施形態を示すために、中空部材１の横断面を示す。打撃ドリル２は海底に載置され、その重さはクレーンフック１０から外れている。この実施形態において、締結パイル９はドリルストリングの一部であり、ドリルストリングを垂直配置しながら中空部材１の内部にフィットする。締結パイル９は、掘削プロセスが始まり穴が形成されると同時に穴の中に引き込まれるように、打撃ドリル２に取り付けられる。

締結パイル９は、遠隔操作で着脱可能な取り付け部品１７を介して打撃ドリル２の底辺に取り付けられている。この取り付け部品１７は、締結パイル９の内壁に固定する雌取り付け部品と係合する、液圧的または空気圧的に作動するピンとしてもよい。当業者は、本発明の範囲内とみなされる代替の取り付け部品を案出することができるだろう。

打撃ドリル２は下部リーマ１６を有し、この下部リーマ１６は掘削のために配備され得るが、ドリルストリングを撤去可能とするために、半径方向に格納可能である。このように掘削中、下部リーマ１６は掘削された穴の直径を広げ、締結パイル９がその中に簡単に入り込むことができるようにする。掘削後、下部リーマ１６は半径方向に格納され、ドリルストリングは、締結パイル９の内部および端部の下から撤去可能となる。

図２ａ〜ｃに参照されるプロセスに記載するように、付加的な錘３は、打撃ドリル２に取り付けられる。案内２０は、締結パイル９内のドリルストリングが垂直に配置されるように保つ。第１実施例のように、ドリルストリングはモータ５によって回され、打撃ドリル２を駆動するための空気は、空気回り継ぎ手４によってパイプライン６から供給される。ここでも、他方のパイプライン６はモータ５を、必要に応じて駆動するために使用可能である。

中空部材１が極端に長身にならないように、中空部材の身長を延長するための着脱可能な延長部１８が用いられている。この延長部１８は、テーパー取り付け部品２１を介して中空部材１の上部に取り付けられる。トルクアーム１２は、延長部１８内部の案内ベーン１１と係合する。延長部１８の上端において、案内ベーン１１にはストッパ１５が取り付けられているので、ドリルストリングが中空部材１から撤去される際には、トルクアーム１２がストッパ１５で掛止して延長部１８はドリルストリングと一緒に回収される。この実施形態は、特に深い埋め込み穴が必要なときに役立つ。

図３ｂを参照する。ドリルストリングは、モータを回し打撃ドリル２を駆動することで、海底に穴を開けた。ドリルストリングが穴を作ると同時に、モータ５のトルクアーム１２は延長部１８内壁の案内ベーン１１を滑り降りる。掘削粉塵は締結パイル９の上部から吐出され、ここからさらに、中空部材１の上部からか、または延長部の壁に設けられた穴１９を通って周辺へと排出される。

一旦穴が所望の深さまで掘削されると、下部リーマ１６が格納され、遠隔操作で着脱可能な取り付け部品１７は解放される。その後、ドリルストリングは、水上のデッキ備え付けのクレーンによって垂直方向に引き上げられる。上述の通りストッパ１５があることで、延長部１８も同じく引き上げられる。

図３ｃを参照する。締結パイル９を残してドリルストリングは撤去された。グラウトは、締結パイル９と中空部材１の内部との間の環帯に供給され、締結パイル自体の中にも流れ込む。これは、図２ｃに示すものと類似したグラウト管装置を用いて成される。代案として、グラウトは、中空部材の壁（図示せず）を通り、支持構体の管状フレームワーク内を走るグラウト管によってくみ出されてもよい。当業者は、本発明の範囲内において、更なる代替案について案出し得るかもしれない。

以上のように、水中において固定物を水域の水底に取り付けるための方法および装置には、上述のものがある。本発明の効果は以下のとおり複数ある；
１．発明の方法および装置は、重要な隆起力、せん断および他の負荷を担持するために、パイルを充分な深さで埋め込み架設するために使用されることができる。したがって、様々な種類の海洋および水流エネルギーコンバーターのための基台を含む、全種類の固定物および係留設備に適している。
２．水深に関係なく展開されることができる。
３．剛直なドリルストリングの替わりに、ドリルストリングは柔軟なパイプラインを用いて配備することができ、このため高価なドリル船、DP船、または波のうねりを相殺するクレーンは必要とされなくなる。より小さく、安く、容易に入手可能な一般の船を用いて架設は実行でき、結果として、プロセスは大幅に速くかつフレキシブルなものとなる。
４．ドリルストリングは比較的軽く（典型的には、直径１．２ｍ以下の穴の場合、約１０ｔ）、その結果扱いが簡単で、迅速に配備可能である。配備船が必要とするクレーンは、ドリルストリングを水底まで降ろすのに充分な性能を備えていればよい。
５．基礎構造を掘削テンプレートとして使用することで、別途テンプレートや整合装置の用意が必要なくなる。これは、ドリルの反応負荷が小さく、最小限の誘導しか必要としないために達成可能なことである。
６．テンプレート内（例えば中空部材や締結パイル内）にドリルストリングを配備することで、ドリルストリングは、水流から充分に保護され、従来の表層破壊ストリンガーと違い、抵抗負荷および渦誘起振動（ＶＩＶ）に晒されることがない。したがって、この技術は、水流エネルギーシステムおよび波エネルギーシステムのための土台を架設するにあたり特に有利である
７．掘削作動は、必要に応じてプロセスのどの段階においても、ドリルストリングを単純に水上へと上げる事によって迅速に中止されることができる。その後、ドリルストリングを降ろして穴に戻し、テンプレート案内を使用して前の掘削作業に引き続くことで、掘削は再開されることができる。

支持構体を海底に固定するための掘削システムおよび締結パイルの配備方法を示す説明図である。 支持構体を海底に固定するための掘削システムおよび締結パイルの配備方法を示す説明図である。 各固定プロセスにおける支持構体を示す説明図である。 各固定プロセスにおける支持構体を示す説明図である。 各固定プロセスにおける支持構体を示す説明図である。 図２ａに対応する、固定プロセスの代替案を示す説明図である。 図２ｂに対応する、固定プロセスの代替案を示す説明図である。 図２ｃに対応する、固定プロセスの代替案を示す説明図である。

Claims (22)

1. 海、川または河口の水底に耐力構体を固定する方法であって、
   ステップａ：耐力構体を水底に配置するステップ、
   ステップｂ：掘削装置に加わる全非垂直負荷に抵抗する前記耐力構体によって案内されるとともに、水底が重量を支えるように可撓性管路のみを介して水上船に接続される掘削装置を用いて水底にパイル収容穴を形成するステップ、
   ステップｃ：前記掘削装置を引き上げた後に、形成された穴内に締結パイルを取り付けるステップ、
   というステップａからｃまでを含む、水底への耐力構体の固定方法。
2. 前記ステップｃにおいて、前記掘削装置が前記水上船から1回のリフティングで回収される、請求項１に記載の方法。
3. 前記耐力構体に加わる全ての負荷に対し前記締結パイルを抵抗可能とするに充分な深さに前記締結パイルが設置される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記締結パイルが主にせん断負荷に抵抗するように、前記締結パイルが設置される、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記締結パイルがその設置後、注入工法によって前記耐力構体に固定される、請求項１から４までのうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記穴が形成されると同時に前記締結パイルがその穴内へ移動するように、前記掘削装置が前記締結パイルに着脱可能に連結される、請求項１から５までのうちいずれか１項に記載の方法。
7. 前記締結パイルが中空であり、前記穴の形成中、前記掘削装置が前記締結パイル内に配置される、請求項６に記載の方法。
8. 前記掘削装置が、半径方向に格納可能なドリルビットを有し、これにより前記締結パイルの架設後、前記掘削装置を前記締結パイル内から引き上げられる、請求項７に記載の方法。
9. 前記掘削装置が打撃掘削装置である、請求項１から８までのうちいずれか１項に記載の方法。
10. 海、川または河口の水底に架設するための耐力構体と、その耐力構体を架設するために用いる掘削装置との組み合わせであって、
    前記掘削装置は、水上船より可撓性管路のみを介して配備するのに適するものであり、
    前記耐力構体は、水底での掘削作動中に前記掘削装置を案内するための案内手段を備え、
    前記案内手段および前記掘削装置は、その掘削装置が前記案内手段に対して相対的に垂直変位可能でありながら、その掘削装置に加わる非垂直荷重に抵抗するように、互いに協調するものである、耐力構体と掘削装置との組み合わせ。
11. 前記掘削装置が、単機運転可能なユニットを有する、請求項１０に記載の組み合わせ。
12. 前記耐力構体が、発電装置を支持するに適したものである、請求項１０または１１に記載の組み合わせ。
13. 前記耐力構体が、１個または複数の中空部材を有する開放的枠組み構体であり、前記案内手段は、少なくとも１個の前記中空部材の内部により構成される、請求項１０から１２までのうちいずれか１項に記載の組み合わせ。
14. 前記案内手段が、各前記中空部材内に備えられた内部ベーンを有する、請求項１３に記載の組み合わせ。
15. 前記掘削装置が、前記ベーンと係合するアームを備える、請求項１４に記載の組み合わせ。
16. 前記中空部材が、前記耐力構体を水底において支持するための支持脚部を有する、請求項１３から１５までのうちいずれか１項に記載の組み合わせ。
17. 前記中空部材が、前記支持脚部に取り付けられた着脱可能な延長部を有し、前記中空部材内に備えられた内部ベーンが、この延長部内に設けられている、請求項１６に記載の組み合わせ。
18. 着脱可能な前記延長部の壁が、掘削粉塵を周辺に吐出するためのスロットを有する、請求項１７に記載の組み合わせ。
19. 前記中空部材が、前記耐力構体の中心部材である、請求項１３から１５までのうちいずれか１項に記載の組み合わせ。
20. 前記掘削装置が、打撃掘削装置である、請求項１０から１９までのうちいずれか１項に記載の組み合わせ。
21. 請求項１０から２０までのうちいずれか１項に記載の組み合わせに用いる耐力構体。
22. 請求項１０から２０までのうちいずれか１項に記載の組み合わせに用いる掘削装置。

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