JP2013532091A - 海中アンカリングのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

１つ以上の杭アンカー、例えば、グラウト式杭アンカーによって海底に固定されるフレームを備える海中アンカー。フレームは、１つ以上の海底ドリルとともに機能して１つまたは複数の杭アンカーを水平に対してある角度で設置できるように構成され、それにより杭アンカーが水平負荷および鉛直負荷を受け止めることができる。

Description

水中で物体をアンカリングするための改良型海中アンカリングシステム。

沖にある物体の係留には、典型的には、プラットホームと海底との間の複合的な係留索（mooring line）と、係留索に接続された海底上の適当なアンカーとを要する。現在使用されている係留システムには、図１に示されるカテナリー係留と、図２に示される緊張係留とがある。図３は、既知の係留索の展開を示している。

カテナリー係留では、カテナリー係留索が索の重さによって水平力に抗するが、これらの索は通常、鋼鉄チェーンまたはワイヤーロープである。索の上端が水平に移動すると、カテナリーの弛みが減り、水平復元力が増加する。索の水平剛性は、水平力に対する索の重さに直接関連している。

緊張係留では、緊張係留索が伸長して水平力に抗する。索は比較的軽量で（例えば合繊ロープ）、張力下で比較的直線状を維持する。水平剛性は、索の重さではなく、索の剛性に直接関連している。

これらの種類の係留のためのアンカーは、索によって加えられる海底での最大水平負荷および最大鉛直負荷を受け止めるように設計されなければならない。カテナリー係留は通常、アンカーがいかなる鉛直負荷（「揚圧力」（uplift））も受けないように設計される。このためには、緊張係留と比べてより長い索の長さ（「スコープ（scope）」）を要し、さらに、係留具の展開にあてられた海底のより大きな領域、すなわち、より大きな「設置面積（foot print）」を要する。近年、沖にある物体の深海での係留には緊張係留が好まれており、これは係留索のコストが低減され、設置面積がより小さくなるためである。しかし、緊張係留には、揚圧力に耐えられるアンカーを要する。

今日使用されているアンカーには、多くの一般的な種類がある。掘削リグのような一時的なシステムには、一般的にドラグ埋め込みアンカー(drag embedment anchor)がカテナリー係留と併用される。今日使用されているほとんどの常設の係留では、緊張係留と杭式アンカー(piled anchor)とを用いており、この杭式アンカーは水中パイルハンマーで打ち込まれるか、または吸引原理を利用して設置される。これら「サクションアンカー」は、それらを海底に鉛直に配置して、それらの基部の周囲をシールすることにより設置される。アンカーの内部から水を汲み出すことにより、大きな圧力差が生じ、その結果、杭が海底内に「吸引」される。

従来のアンカーの多くは、機能するために、適当な堆積物または砂の厚い層を要する。それらは、岩底や、例えば珊瑚堆積物または石灰質堆積物といった高有機質堆積物の領域には適していない。これらの種類の領域では、重力式アンカー（gravity anchor）または埋め込み杭式アンカー（bored piled anchor）が利用可能である。重力式アンカーの２つの形態には、岩または鉄鉱石を重ねた（overlaid)格子枠組み（grillage）と、バラストを充填した重力箱（gravity box）とがある。重力式アンカーは、重さで揚圧力に抗し、底面摩擦で水平力に抗する。

重力式アンカーは、鉛直負荷および水平負荷に抗するために、非常に重い必要がある。重力式アンカーを深海に配置する場合、これら重いアンカーの引き揚げおよび降下を行うことのできる船舶は、一日当たり数十万ドルのコストがかかる巨大なデリック船のみであろう。また、より小型で安価な船で、より軽量な箱または格子枠組を降下させてもよいが、その場合にはバラストを設置しなければならない。

埋め込み杭式アンカーは、典型的には、設置のために高価な掘削船を要する。加えて、埋め込み杭式アンカーでは、海底より上での係留索の取り付けが必要である。係留索を杭の上端に取り付けることは通常好ましくなく、その理由は、水平力の偏心により大きな曲げモーメントが杭に付与されるからである。取り付け地点は、典型的には海底よりも下であり、土壌からの反作用力の中心に近い。このことは、岩に埋め込まれる杭に関して困難な設計課題を提示する。というのも、係留索を海底よりも下に取り付けることが不可能になるからである。このため、引張杭（tension pile）として、掘削式アンカー（drilled anchor）がより一般的に用いられる。

岩底、または従来のアンカーにとって堆積物の厚さが十分でない場所に特に適用可能な海中アンカリングの概念を説明する。

この海中アンカーは、海底ドリルで遠隔設置でき、水上の高価な深海用掘削リグの必要がなくなる。加えて、このアンカーは、係留力の大部分が杭に沿って軸方向に受け止められるように設計されており、従来の埋め込み杭および係留につきものであった曲げ力および剪断力が解消される。この海中アンカーは、例えば、緊張係留システムとともに用いて、アンカーにかかる水平力と鉛直力の最適な関係を達成できる。

一つの実施形態では、上記海中アンカーは、１つ以上の杭アンカー（pile anchor）、例えば、グラウト式杭アンカー（grouted pile anchor）によって海底に固定されるフレームを採用している。該フレームは、１つ以上の海底ドリルとともに機能できるように、そして上記１つまたは複数のドリルの向きを定めて上記１つまたは複数の杭アンカーを所定角度で設置できるように構成される。また一つの実施形態では、上記所定角度が水平に対して鋭角であって、それにより上記１つまたは複数の杭アンカーが水平負荷および鉛直負荷を受け止めることができる。また一つの実施形態では、上記フレームは、複数の杭アンカーを使用可能なように設計されている。グラウト式杭アンカーを用いる場合、深海で該杭アンカーをグラウティングするためのシステムを採用できる。

本開示の海中アンカーは、例えば、海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）システムや掘削プラットホーム等の浮遊構造物といった、水域にあるあらゆる種類の物体をアンカリングするために使用できる。加えて、本開示の海中アンカーは、淡水または海水といったあらゆる水域で浮遊物をアンカリングするために使用できる。従って、「海中」や「海底」等の用語は、淡水での使用も含むよう意図されている。

また一つの実施形態では、海中アンカーは、フレームと、該フレームに接続された係留索接続部と、該フレーム上にあって、該フレームへの海底ドリルの装着を可能にする海底ドリル装着システムとを備える。該装着システムは、海底ドリルが杭アンカーを所定角度で海底に設置できるように該海底ドリルの向きを定める。該海底ドリルを用いて、該フレームに接続された少なくとも１つの杭アンカーを設置し、このとき該杭アンカーは所定角度で配置される。また一つの実施形態では、該杭アンカーが水平に対して鋭角に延び、この鋭角は該フレームに接続された係留索の合成負荷方向に略平行である。

上記装着システムは、上記海底ドリルが複数の傾斜した上記杭アンカーを設置できるように、上記海底ドリルの上記フレーム上での位置を調節可能である。上記装着システムは、ドリル位置を調節可能な任意のシステム、例えば、一対の平行なＵ字状のレールでありうる。上記フレームは、該フレームの第１の側と第２の側とに、一対の上記平行なＵ字状のレールを備えうる。

また一つの実施形態では、上記杭アンカーが鋭角に配置されている場合、該１つまたは複数の杭アンカーは、水平に対して約２０度以上約９０度未満の角度で延びうる。

アンカリング方法は、係留索接続部を備えるフレームを海底に載置することを含む。海底ドリルが杭アンカーを上記所定角度で海底に設置できるように、該海底ドリルが該フレームに設置される。該海底ドリルを用いて、杭アンカーを所定角度で設置し、次いで、設置された該杭アンカーが該フレームに接続される。

図１は、従来のカテナリー係留の概念を示す図である。 図２は、従来の緊張係留の概念を示す図である。 図３は、従来の係留システムにおける従来の係留索の展開を示す図である。 図４Ａ〜Ｄはそれぞれ、本開示の海中アンカーの斜視図、上面図、側面図、および端面図である。 図５は、アンカーに係合された、杭アンカーを設置するための一対の海底ドリルを示す図である。 図６は、アンカーに係合された、杭アンカーを設置するための一対の海底ドリルを示す図である。 図７は、本開示の海中アンカーの別の実施形態を示す図である。

図４Ａ〜Ｄを参照して、新規な海中アンカー１０を説明する。アンカー１０は、海底に載置されるフレーム１２と、フレーム１２を海底に固定する１つ以上の杭アンカー１４とを備える。アンカー１０は、主として平らな岩である海底、または、従来の埋め込め式または吸引式アンカーを使用するには堆積物の厚さが十分ではない海底での使用に特に適している。

図示した例では、フレーム１２は略矩形形状であり、鋼鉄製の梁（または他の好適な材料でできた梁）の格子構造を有し、８つの杭アンカー１４を用いている。この例では、フレーム１２の底部は概ね平らであり、これによりフレームを概ね平らな海底に載置することができる。フレーム１２の底部は、フレームが配置される海底の形状に概ね対応する他の形態を有しうる。フレーム１２はまた、フレーム１２の上面に適切に固定されたプレート２４上にある一対のフランジ２２ａ、２２ｂにより形成された係留索接続部１６を備える。他の係留索接続の形態が採用されうる。加えて、さらなる係留索接続部をフレーム１２に設けうる。

フレーム１２の対向する両側に沿って、傾斜壁１８が形成されている。壁１８は、杭アンカー１４の端部をフレームに接続するための接続部を形成している。壁１８は、当該壁の面が杭アンカー１４の長手軸に略垂直となるように、傾斜して配置される。

杭アンカー１４は、例えば、グラウト式杭アンカーであって、鉛直負荷および水平負荷の両方を受け止めるように方向を定められて構成される。８つの杭アンカー１４が図示されているが、アンカー１０の特定の用途と予想される負荷とに一部基づいて、より多数の、またはより少数のアンカーを用いうる。加えて、図４Ａ〜Ｄは、各側に４つの杭アンカーを示しているが、フレームの各側の杭アンカーの数は変更してもよく、両側で同数である必要はない。

杭アンカーは、任意の所定角度で延びうる。図示した例では、杭アンカーは、水平に対して鋭角αで延びている。図示した実施形態では、杭アンカーが水平に対して同一の鋭角αで延びている。例えば、１つまたは複数の杭アンカーは、水平に対して約２０度以上約９０度未満の角度αで延びうる。一つの実施形態では、角度αは約４５度でありうる。

また一つの実施形態では、杭アンカー１４のうちの少なくとも１つの長手軸が、矢印２０で示された係留索合成負荷方向に略平行である。図４Ａ〜Ｄに示した例では、アンカー１０の一方の側の４つの杭アンカー１４の長手軸が、係留索合成負荷方向２０に略平行である。従って、アンカー１０は、緊張係留索システムとの使用に特に適している。また、これにより、係留索の長さの減少をもたらす、より急勾配の、より鉛直で、より水平でない係留索設計の使用が可能になり、係留索の設計を最適化できる。係留索は製造に費用のかかる非常に特殊な製品なので、係留索が短くなるほど、係留索のコストが低減されうる。しかし、アンカー１０は、緊張係留索システム以外の係留索システムとも使用できる。

加えて、杭アンカー１４の大きさと形態とは、荷重および使用する杭アンカー１４の数にも応じて変更しうる。しかし、図示した実施形態では、直径約１００ｍｍ〜約２００ｍｍ、長さおよそ１２ｍの杭アンカーであれば足りると考えられる。長さは海底の組成と強度とに基づいて変更しうる。他の実施形態では、相互作用効果を回避し、杭アンカーの耐負荷効率を最大化するために、杭アンカー１４同士の間隔は、例えば、杭アンカーの直径の少なくとも約８倍でありうる。

フレーム１２とともに使用できる好適なグラウト式杭アンカーの一例は、Ｉｓｃｈｅｂｅｋ Ｔｉｔａｎ １０３／５１である。グラウト式杭は、陸上での土木建築用途において十分に実証済みのアンカリング技術である。先端に犠牲ドリルビット（sacrificial drill bit）を有する筒状のパイプを用いて地中に杭を掘削貫入する。杭が所望の深さに達すれば、掘削を止める。次いで、流体のグラウトを筒状のパイプに注入すると、パイプおよび／またはドリルビットの排出孔を通じてグラウトが流出する。こうして、流体のグラウトが、地中における筒状のパイプと掘削孔の壁との間の環状の間隙を満たす。グラウトが凝固すると、筒状の杭が地中に固着される。

フレーム１２は、１つ以上の海底ドリルと相互に作用して傾斜した杭を設置できるように設計されている。図５、図６を参照して、フレーム１２を海底ドリルと相互に作用するように構成する手段について以下に説明する。海底ドリルは、杭アンカーを海底に掘削貫入できる必要がある。海底ドリルは、当該ドリルが海底に貫入する際に、杭アンカーを回転させ、および／または打つ機能、杭アンカーを海底に打ち込む機能、杭アンカーおよび杭アンカー部品のストックを収容する（racking）機能、および、杭アンカーおよび杭アンカー部品を組み立てる機能を果たす。主に海底コアリングおよび海底サンプリングに使用されるものであるが、好適な海底ドリルリグが知られている。好適な海底ドリルリグの一例は、テキサス州ヒューストンのＳｅａｆｌｏｏｒ Ｇｅｏｓｅｒｖｉｃｅｓ社製のＲＯＶＤＲＩＬＬ Ｍ８０である。海底ドリルを用いることにより、水上の高価な深海用掘削リグの必要がなくなる。

図５および６は、海底ドリル３４と相互に作用するように構成されたフレーム３２を有する海中アンカー３０の一実施形態を示している。この実施形態では、フレーム３２はその各側に、長さ方向に沿って延びる一対の平行なＵ字状のレール３６を備える。レール３６の開放面（open face）は互いに対向して、海底ドリル３４の端部を受け止めて案内するための案内路（guide channel）を形成している。これにより、ドリル３４を、フレーム３２に沿った異なる位置に配置することができる。１つ以上の海底ドリルを装着するために、同様のレールシステムを図４Ａ〜Ｄに示したフレーム１２の片側または両側に採用することができる。

加えて、海底ドリル３４を案内路に装着したときに、所望の角度αで杭アンカー３８を海底に掘削貫入するのに適切な角度でドリル３４の向きが定められるように、フレーム３２の各側が傾斜している。杭アンカーを適切な角度で掘削貫入するために海底ドリルがフレームと相互に作用することを可能にする他の機構を用いることもできる。図５および６は、同時に作動する一対のドリル３４を示しており、それぞれが一組のレール３６上にあり、それぞれが杭アンカーの所望の角度に適合するように取り付けられている。しかし、単一のドリルのみを配備することも可能である。

杭アンカー用のグラウトは、水上のサポート船にて調製・配合して、海底ドリルリグに送り込む（pumped down）ことができる。次いで、上で議論したように、グラウトを筒状の杭に注入することができる。これは、筒状の油井ケーシングおよびパイプを海底にグラウティングするのが通常である石油ガス産業では周知の工程である。あるいは、グラウトは、海底または海底付近にて配合しうる。グラウト圧を制御して海底の水圧破砕の危険を回避するために、圧力制御システムを用いることができる。海底の水圧破砕は、海底の土壌または岩の強度を低下させ、それ故杭アンカーの強度を損なう可能性があるので望ましくない。

図５および６には示されていないが、アンカー３０はまた、１つ以上の係留索をアンカー３０に接続するための１つ以上の係留索接続部を含んでもよい。１つまたは複数の係留索接続部は、図４Ａ〜Ｄにおける接続部１６と同様でありえ、または、１つ以上の係留索の接続を可能にする任意の手法で構成されうる。

図４Ａ〜Ｄ、図５〜６は、フレームを略矩形であるものとして示している。しかし、多くの異なるフレーム形状が可能である。例えば、図７は、略多角形、例えば六角形であるフレーム５０を示している。フレームはまた、略円形でありうる。多角形または円形の設計は、１つの海底ドリルを図５および６で議論したレールシステムを用いるなどによりフレーム５０に装着して、その１つの海底ドリルで、当該ドリルをフレーム５０から取り外しかつ再装着することなく全ての杭アンカーを潜在的に設置できるため、有利であろう。図７における杭アンカー５２のうちの少なくとも１つは、係留索接続部５４に接続された係留索の係留索合成負荷方向に略平行となるように向けられている。

異なる掘削方向角度もまた可能である。図５および６は、図４Ｄに示した角度よりも大きい水平からの角度αを示している。杭アンカーを傾斜させることにより、係留力の大部分が杭アンカーの軸方向または長手方向で受け止められるので、埋め込み杭式アンカーに通常つきものの曲げ力および剪断力が最小化される、またおそらくは解消される。

一旦設置した後の、アンカーフレームのグラウト式杭アンカーとの一体性を確保するために、複数の品質管理操作を実行してもよい。例えば、一度の印加に対する耐引張強度を求め確認するために、遠隔制御引張試験を行うことができる。この試験では、負荷モニタリング機器を有するジャッキングシステムを用いて、フレームから作用して杭を引っ張ることができ、これにより杭の耐負荷を確認できる。この試験では、引張負荷を生じさせる。横方向の耐力を確認するために、２つの隣りあった作用中の杭間で、横方向押し引き試験（lateral push/pull test）を行うこともできる。全ての試験を一定率の負荷印加で行ってもよく、または周期的に行ってもよく、さらには、任意のあらかじめ用意された負荷レジームをシミュレーションするために行ってもよい。これらのテストを行うための能力は、海底ドリルをフレームに装着するために使用されるレール式装着システムにより与えられ、ここで、試験機器を、１つまたは複数の海底ドリルと同様の仕方でフレームに装着するように構成できる。

この出願に開示された例は、あらゆる点で例示的であって限定的ではないと解釈されるべきである。本発明の範囲は、上述の説明によってではなく、添付の請求項によって示され、当該請求項と均等の趣旨および範囲内のあらゆる変更が包含される。

Claims (18)

1. フレームと、
   前記フレームに接続された係留索接続部と、
   前記フレーム上にあって、前記フレームへの海底ドリルの装着を可能にし、海底ドリルが杭アンカーを所定角度で海底に設置できるように前記フレーム上の前記海底ドリルの向きを定める海底ドリル装着システムと、
   を備える海中アンカーシステム。
2. 前記フレームの前記装着システムに装着された海底ドリルをさらに備え、前記海底ドリルは、杭アンカーを前記所定角度で前記海底に設置するように構成されている、請求項１に記載の海中アンカーシステム。
3. 前記所定角度は、水平に対して鋭角である、請求項１に記載の海中アンカーシステム。
4. 前記装着システムは、前記海底ドリルが複数の杭アンカーを設置できるように、前記海底ドリルの前記フレーム上の位置を調節可能に構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の海中アンカーシステム。
5. 前記海底ドリル装着システムは、一対の平行なＵ字状のレールを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の海中アンカーシステム。
6. 前記フレームに接続された少なくとも１つの杭アンカーを備え、該杭アンカーは前記所定角度で配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の海中アンカーシステム。
7. 前記フレームに接続された複数の前記杭アンカーを備え、各杭アンカーは前記所定角度で配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の海中アンカーシステム。
8. 前記杭アンカーは、係留索合成負荷方向に略平行な長手軸を有する、請求項６に記載の海中アンカーシステム。
9. 前記杭アンカーは、グラウト式杭アンカーである、請求項６に記載の海中アンカーシステム。
10. 係留索を海底にアンカリングする方法であって、
    係留索接続部を備えるフレームを海底に載置することと、
    海底ドリルが杭アンカーを所定角度で前記海底に設置できるように、前記海底ドリルを前記フレームに設置することと、
    前記海底ドリルを用いて杭アンカーを前記所定角度で設置し、設置された該杭アンカーを前記フレームに接続することと、
    を含む、方法。
11. 前記杭アンカーが前記係留索の合成負荷方向に略平行な長手軸を有するように、前記係留索を前記係留索接続部に接続することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記海底ドリルの前記フレーム上の位置を調節し、さらに別の杭アンカーを所定角度で設置する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記所定角度は、水平に対して鋭角である、請求項１０に記載の方法。
14. フレームと、
    前記フレームに接続された係留索接続部と、
    前記フレームに接続された複数の杭アンカーであって、それぞれが所定角度で配置される杭アンカーと、
    を備える、海中アンカー。
15. 前記杭アンカーのうちの少なくとも１つは、係留索合成負荷方向に略平行な長手軸を有する、請求項１４に記載の海中アンカー。
16. 前記杭アンカーは、グラウト式杭アンカーである、請求項１４または１５に記載の海中アンカー。
17. 前記フレームは、該フレームへの海底ドリルの可動装着を可能にする海底ドリル装着システムを備える、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の海中アンカー。
18. 前記所定角度は、水平に対して鋭角である、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の海中アンカー。

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