JP5580103B2

JP5580103B2 - 海底ボーリングマシン

Info

Publication number: JP5580103B2
Application number: JP2010094420A
Authority: JP
Inventors: 裕之福島; 功夫山中
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: JP2011226084A

Description

本発明は、海底地盤の地質調査等に使用する海底着座型の海底ボーリングマシンに関する。

海底地盤の地質調査を行う際に、海底着座型の掘削装置（以下、ボーリングマシンという）を使用している（例えば、特許文献１参照）。図８に、従来の海底ボーリングマシン１Ｘを示す。このボーリングマシン１Ｘは、枠体（以下、フレーム４という）で形成した本体と、昇降機構（以下、エレベータ５という）を介して昇降自在に設置したドリルヘッド３と、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッド２１Ｘと、回転掘削用ロッド２１Ｘに順次連結する連結ロッド２２Ｘと、連結ロッド２２Ｘを収納する収納部（以下、マガジン２０Ｘという）を有している。

また、エレベータ５の昇降及びドリルヘッド３の回転のための動力を供給する油圧動力装置８を有している。更に、海底に対してボーリングマシン１Ｘを支持する脚１３を有している。なお、マガジン２０Ｘには、回転掘削用ロッド２１Ｘ、連結ロッド２２Ｘを収納するように構成している。

次に、このボーリングマシン１Ｘの動作に関して説明する。まず、海底の堆積層を回転掘削用ロッド２１Ｘで掘削し、岩盤に到達するまで連結ロッド２２Ｘを順次連結しながら掘削を続ける。回転掘削用ロッド２１Ｘが岩盤に到達した後、この回転掘削用ロッド２１Ｘで岩盤の試料（コア）を回収しながら掘削を進める。最後に、回転掘削用ロッド２１Ｘで、岩盤の試料を採取して、サンプリング完了となる。なお、回転掘削用ロッド２１Ｘは、堆積層においては掘削のみを行い、後述するようにコアの回収は不可能となっている。

この構成により、船舶上にボーリングマシンを設置してボーリングする場合に比べ、装置全体をコンパクトに構成することができる。つまり、海上から海底まで例えば３０００ｍ以上の連結ロッドを連結する等の必要がないためである。

また、回転掘削用ロッドの内部に、岩盤のコアを採取するためのインナーチューブを配置し、二重管構造として、効率的なコアの採取を実現したワイヤラインコアサンプリング装置がある（例えば、特許文献２参照）。この構成により、回転掘削用ロッド及び連結ロッドの出し入れなく、インナーチューブのみを交換して、連続的に海底岩盤層のコアを採取することができる。上記の２つの装置を組み合わせる構成により、海底岩盤層のボーリングを効率的に行うことができる。

しかしながら、上記の硬い岩盤層のサンプリングを目的とした回転式掘削のボーリングマシンは、海底堆積層のサンプリングを行うことができないという問題を有している。この海底堆積層のサンプリングが行えない理由は、第１に、回転掘削用ロッドの動作により堆積層を攪拌してしまい、サンプルの状態を変えてしまうためである。つまり、サンプルから海底堆積層の状態を正確に把握することが不可能となる。

第２に、岩盤層に比べ比較的軟らかい堆積層のサンプルを、回転掘削用ロッド又はインナーチューブ内に保持して回収することができないためである。つまり、岩盤層用の回転掘削用ロッド及びインナーチューブは、先端を閉じる蓋のような構造を有していない。なお、従来は考慮されていなかったが、学術的な観点から、堆積層のサンプルを採取するという要求がでてきている。

特開２００６−８３５５２号公報特許３８０３３３８号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、海底着座型の海底ボーリングマシンにおいて、海底堆積層のサンプルの採取と、海底岩盤層のサンプルの採取を効率的に行うことのできる海底ボーリングマシンを提供することにある。更に、ボーリングマシンを作業船上に引上げることなく、１度の作業で、海底堆積層及び海底岩盤層のサンプルを連続的に採取することのできる海底ボーリングマシンを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る海底ボーリングマシンは、昇降機構を介して昇降自在に設置したドリルヘッドと、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッドと、前記回転掘削用ロッドに順次連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを収納する収納部を有した海底ボーリングマシンにおいて、前記昇降機構に切替機構を設置し、前記切替機構に前記ドリルヘッド及び振動装置を設置し、前記振動装置と着脱自在な振動掘削用ロッドを有し、前記切替機構が前記ドリルヘッドと前記振動装置の位置の切替を行うように構成したことを特徴とする。

この構成により、ボーリングマシンを作業船上に引上げることなく、海底堆積層及び海底岩盤層の試料（サンプル）を連続的に採取することができる。つまり、海底堆積層のサンプルを取得する振動装置及び振動掘削用ロッドと、海底岩盤層のサンプルを取得するドリルヘッド及び回転掘削用ロッドを、切替機構により切り替えられる構成を有している。

上記の海底ボーリングマシンにおいて、海底堆積層のサンプルを採取する場合、前記振動装置に前記振動掘削用ロッドを接続し、前記海底堆積層を掘削する制御を行い、海底岩盤層のサンプルを取得する場合、前記切替機構により、前記振動装置と前記ドリルヘッドを切り替え、前記ドリルヘッドに前記回転掘削用ロッドを接続し、前記海底岩盤層を掘削する制御を行うように構成したことを特徴とする。この構成により、従来は取得することのできなかった海底堆積層のサンプルを採取することができる。

上記の海底ボーリングマシンにおいて、前記振動掘削用ロッドの下端部に蓋体を設置したことを特徴とする。この構成により、軟弱な海底堆積層のサンプルであっても、採取することができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る海底ボーリングマシンの制御方法は、昇降機構を介して昇降自在に設置したドリルヘッドと、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッドと、前記回転掘削用ロッドに順次連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを収納する収納部を有し、前記昇降機構に切替機構を設置し、前記切替機構に前記ドリルヘッド及び振動装置を設置し、前記振動装置と着脱自在な振動掘削用ロッドを有し、前記切替機構が前記ドリルヘッドと前記振動装置の位置の切替を行うように構成した海底ボーリングマシンの制御方法であって、海底堆積層の試料を取得する場合、前記振動装置を掘削孔中心線上に配置する切替ステップと、前記振動装置に前記振動掘削用ロッドを連結するステップと、前記振動装置を振動し、且つ前記昇降装置を降下して前記海底堆積層を掘削するステップと、前記振動用掘削ロッドを前記収納部内に回収する試料回収ステップを有し、前記海底岩盤層の試料を取得する場合、前記ドリルヘッドを掘削孔中心線上に配置する切替ステップと、前記ドリルヘッドに前記回転掘削用ロッドを連結するステップと、前記ドリルヘッドを回転し、且つ前記昇降機構を降下して前記海底岩盤層を掘削するステップと、前記海底岩盤層の試料を回収するステップを有したことを特徴とする。

この構成により、上記と同様の作用効果を得ることができる。なお、掘削孔中心線上とは、筒状の振動掘削用ロッド及び回転掘削用ロッドが形成する掘削孔において、この円形の掘削孔の中心の集合を意味する。また、掘削を予定している位置に対しても、同様に掘削孔中心線と呼ぶ。

本発明に係る海底ボーリングマシンによれば、海底堆積層のサンプルの採取と、海底岩盤層のサンプルの採取を効率的に行うことのできる海底ボーリングマシンを提供するができる。更に、ボーリングマシンを作業船上に引上げることなく、１度の作業で、海底堆積層及び海底岩盤層のサンプルを連続的に採取することのできる海底ボーリングマシンを提供することができる。

本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの概略を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの動作を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの動作を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの機構の一部を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの切替機構を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの振動装置の概略を示した図である。本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンの振動掘削用ロッドの端部を示した図である。従来の海底ボーリングマシンの概略を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の海底ボーリングマシンについて、図面を参照しながら説明する。図１に、海底ボーリングマシン１の概略を示す。このボーリングマシン１は、枠体（以下、フレーム４という）で形成した本体と、昇降機構（以下、エレベータ５という）を介して昇降自在に設置したドリルヘッド３と、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッド２１と、回転掘削用ロッド２１に順次連結する連結ロッド２２と、連結ロッド２２を収納する収納部（以下、マガジン２０という）を有している。また、ドリルヘッド３と並ぶように、振動掘削用の振動装置（以下、バイブロコアラー２という）を有している。

このバイブロコアラー２とドリルヘッド３は、例えば、水平方向にスライド可能に構成し、この２つを切り替えて使用できるように構成している。また、ボーリングマシン１は、２つのマガジン２０を有している。このマガジン２０は、少なくとも１本の回転掘削用ロッド２１及び複数の連結ロッド２２に加えて、少なくとも１本の振動掘削用ロッド２３及びサンプル（コア）を採取するための複数のインナーチューブ２６を収納している。更に、ボーリングマシン１は、エレベータ５の昇降及びドリルヘッド３の回転の動力を伝達する油圧動力装置８と、海底に対してボーリングマシン１を支持する脚１３を有している。

なお、図示していないが、ボーリングマシン１は、位置を制御するためのスラスター、
沈降及び浮上を制御するためのバラストタンク等を有していることが望ましい。また、ボーリングマシン１に、作業船上のオペレータが海底の状態を把握するためのカメラ、照明、ソナー、及び各種センサーを設置してもよい。

次に、海底ボーリングマシン１の動作に関して説明する。図２に、海底堆積層Ｍのボーリングの様子を示す。まず、バイブロコアラー２に、振動掘削用ロッド２３を連結する（図２Ａ参照）。振動掘削用ロッド２３に、バイブロコアラー２で鉛直方向に振動を加える。この振動により、振動掘削用ロッド２３は、堆積層Ｍを掘削しながら、サンプル（コア）３１を内部に取り込む。このとき、掘削の進展に伴いエレベータ５は、バイブロコアラー２を降下していく（図２Ｂ参照）。

振動掘削用ロッド２３の下端が、海底岩盤層Ｎに達した時点で、振動掘削を完了とし、バイブロコアラー２及び振動掘削用ロッド２３を引上げる（図２Ｃ参照）。サンプル（コア）３１を内包した振動掘削用ロッド２３を、バイブロコアラー２から取り外し、マガジン２０に収納する（図２Ｄ参照）。なお、振動掘削用ロッド２３は、堆積層Ｍのサンプルをこぼさずに、回収する構造を有している。具体的には、下面に蓋体を設置する等の構造を有している。

ここで、海底堆積層Ｍが、振動掘削用ロッド２３の長さよりも深い場合は、図２Ｄの状態の後に、掘削孔３０に異なる振動掘削用ロッド２３ａを挿入し、更に、振動掘削用ロッド２３ａの上端に連結ロッド２２を連結し、再び振動掘削を行う。

また、振動掘削用ロッド２３の下端が、海底岩盤層Ｎに達したことの判定は、事前に物理探査等で推定した海底堆積層Ｍの深さから行うことができる。または、振動掘削用ロッド２３による掘削速度が、予め定めた値よりも遅くなった場合に、海底岩盤層Ｎに達したと判定するように構成してもよい。

図３に、海底岩盤層Ｎのサンプリングの様子を示す。海底堆積層Ｍのサンプリング終了後、バイブロコアラー２をドリルヘッド３に切り替える。掘削孔３０に回転掘削用ロッド２１を挿入し、更に、回転掘削用ロッド２１の上端に連結ロッド２２を連結する（図３Ｅ参照）。このとき、回転掘削用ロッド２１にインナーチューブ２６を挿入しておき、ワイヤラインコアサンプリングを行う構成とすることが望ましい。

回転掘削用ロッド２１に、ドリルヘッド３で回転を加える。この回転により、回転掘削用ロッド２１は、岩盤層Ｎを掘削しながら、コア３１をインナーチューブ２６内に取り込む。このとき、掘削の進展に伴いエレベータ５は、ドリルヘッド３を降下していく（図３Ｆ参照）。ワイヤラインコアサンプルリングの場合は、コア３１を十分に採取したインナーチューブ２６を、ワイヤ等でボーリングマシン１に引き上げる（図３Ｇ参照）。このインナーチューブ２６を、マガジン２０に収納する。新たなインナーチューブ２６を、回転掘削用ロッド２１に送り込み、その後新たな連結ロッド２２を連結し、更に掘削を進めていく（図３Ｈ参照）。

なお、海底でのボーリング作業が終了した後に、掘削孔３０の内部に筒状のケーシングを挿入し、掘削孔３０を再利用できるように維持してもよい。具体的には、地震計や温度計等を掘削孔３０内に設置して利用することができる。このケーシングはマガジン２０に搭載しておくことができる。

上記の構成により、ボーリングマシン１は、海底堆積層Ｍ及び海底岩盤層Ｎの連続的なボーリングを実現することができる。特に、海面下１０００ｍ〜３０００ｍ、又は３０００ｍ以上の海底でボーリングを行う場合は、ボーリングマシン１を作業船上に引上げるこ
となく、連続的なボーリングをすることができるため、作業効率を飛躍的に向上することができる。

ここで、ワイヤラインサンプリングを行わず、回転掘削用ロッド２１の代わりに、コア回収用のコアチューブを利用して、コア３１の採取を行うように構成してもよい。ただし、サンプリングを行う深度が、例えば３０〜５０ｍ又は５０ｍ以上と深い場合は、ワイヤラインサンプリングの方が効率がよい。

以上の手順で、海底のボーリングを行う。なお、マガジン２０に交換用の回転掘削用ロッド２１を複数本搭載してもよい。また、ボーリングマシン１がスラスター等で移動し、１回の沈降で、複数個所のボーリングを行うように構成することもできる。この構成により、ボーリングマシン１を作業船から海底へ沈降させる作業が少なくなり、ボーリング作業の効率を向上することができる。このとき、複数の堆積層Ｍのサンプルを採取するために、マガジン２０に複数の振動掘削用ロッド２３を複数本搭載してもよい。

図４に、エレベータ５及びマガジン２０の具体的な構成を示す。エレベータ５は、切替機構７を介して設置したバイブロコアラー２及びドリルヘッド３を有している。また、連結ロッド２２等を連結及び連結解除するためのロッドホルダ６を有している。マガジン２０は、楕円状に複数の連結ロッド２２及びインナーチューブ２６を並べて収納している。

また、マガジン２０は、エレベータ５との間で、連結ロッド２２等を受け渡しする運搬アーム９を有している。ここで、連結ロッド２２等の大きさは、任意に決定することができるが、例えば直径を７０〜１１０ｍｍ程度、長さを１５００ｍｍ〜３０００ｍｍ程度とすることができる。なお、このとき、ボーリングマシン１は、底面を４０００ｍｍ×４０００ｍｍ程度、高さを６０００ｍｍ程度となる。

次に、エレベータ５及びマガジン２０の動作について説明する。まず、マガジン２０に収納している連結ロッド２２等を、運搬アーム９でドリルヘッド３に連結する。なお、ドリルヘッド３は、下面部にチャックを有しており、連結ロッド２２等を把持できるように構成している。

次に、掘削作業の進展に伴いドリルヘッド３は、エレベータ５により降下する。ドリルヘッド３がほぼ最下端に達したところで、ロッドホルダ６で連結ロッド２２等を把持し、連結ロッド２２等とドリルヘッド３の連結を解除する。その後、ドリルヘッド３を上昇させ、運搬アーム９で新たな連結ロッド２２等をロッドホルダ６の上部に供給する。

ロッドホルダ６は、内臓したねじきり装置を作動し、把持している連結ロッド２２等を新たな連結ロッド２２等に螺合する。新たな連結ロッド２２等の上端を、ドリルヘッド３で把持し、掘削を再開する。このとき、マガジン２０は、回転しながら、順次、連結ロッド２２等を運搬アーム９に供給し、また、回収することができる。

図５に、切替機構７に設置したバイブロコアラー２及びドリルヘッド３を示す。切替機構７は、エレベータ５に昇降自在に設置した昇降用基板１０と、昇降用基板１０に沿ってスライド可能に設置した切替用基板（以下、スライド板１１という）と、スライド板１１に動力を加える油圧シリンダ１２を有している。このスライド板１１に、バイブロコアラー２及びドリルヘッド３を固定している。

なお、Ｓは掘削孔中心線を示しており、この延長線上に連結ロッド２２等があり、また、ロッドホルダ６の中心がある。つまり、図５Ａは、ドリルヘッド３を使用し、回転掘削を行っている場合を示しており、図５Ｂは、バイブロコアラー２を使用し、振動掘削を行っている場合を示している。ここで、油圧シリンダ１２の他の機構により、スライド板１１を移動するように構成することもできる。ただし、水圧の高い海底で安定的に動作する必要があるため、油圧機構を利用することが望ましい。

ここで、バイブロコアラー２は、振動を伝達しない又は減衰する機構を介して、スライド板１１に設置することが望ましい。具体的には、例えば防振ゴム、及び免振装置等を利用することができる。この構成により、バイブロコアラー２の振動が、他の機器、特にドリルヘッド３に伝わりにくいため、機器の故障を防止することができる。例えば、水面下３０００ｍ以上の海底で、ボーリングを行う場合は、ボーリングマシン１の修理に多大な時間とコストが必要となる。

また、バイブロコアラー２とドリルヘッド３を鉛直方向に配置しないことが望ましい。更に望ましくは、図５に示す様に水平方向に配置する。これは、バイブロコアラー２で発生した鉛直方向の振動が、ドリルヘッド３に伝わり、故障の原因となることを防止するためである。

図６に、バイブロコアラー２の１例の透視図を示す。バイブロコアラー２は、おもり部（以下、リアクションマス２４という）と、バネ機構２５と、連結ロッド２２等を把持するチャック２７を有している。バネ機構２５で発生する鉛直方向の振動により、リアクションマス２４が振動し、この振動により、振動掘削用ロッド２３で堆積層Ｍを掘削していく。なお、バネ機構２５は、例えば皿バネ等を利用することができる。また、リアクションマス２４は、例えば１００〜３００ｋｇ程度に構成するとよい。

図７に、振動掘削用ロッド２３の先端部に設置する蓋体２８の１例の透視図を示す。蓋体２８は、円板状の平板に、中心から外周方向に向かって複数の切込みを入れたような形状に形成している。この蓋体２８は、例えば、ある程度の柔軟性を有する金属製薄板又は合成樹脂製の平板等で形成することができる。蓋体２８は、下方から侵入してくる海底堆積層Ｍのコアを通過させ、一旦、蓋体２８を通過したコアを下方に戻さないように構成している。

この構成により、振動掘削用ロッド２３は、海底岩盤層Ｎに比べて、比較的軟弱な海底堆積層Ｍのコアを、振動掘削用ロッド２３内に収納し、且つ、外部（下方）に漏らさないため、海底堆積層Ｍのコアを採取することができる。なお、蓋体２８は、上記の構成の他に、例えば、スライド板で振動掘削用ロッド２３の下端部を閉止するシャッター方式や、クラブバケットのように、振動掘削用ロッド２３の下端部の左右から回転運動により蓋体２８を移動させて閉止する方式等を採用することができる。ここで、蓋体２８は、軟弱な海底堆積層Ｍを下方に漏らさない構造であれば、上記以外の構造も採用することができる。

１海底ボーリングマシン（ボーリングマシン）
２振動装置（バイブロコアラー）
３ドリルヘッド
４枠体（フレーム）
５昇降機構（エレベータ）
７切替機構
１０昇降用基板
１１切替用基板（スライド板）
２０収納部（マガジン）
２１回転掘削用ロッド
２２連結ロッド
２３振動掘削用ロッド
２８蓋体
Ｍ海底堆積層
Ｎ海底岩盤層

Claims

昇降機構を介して昇降自在に設置したドリルヘッドと、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッドと、前記回転掘削用ロッドに順次連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを収納する収納部を有した海底ボーリングマシンにおいて、
前記昇降機構に切替機構を設置し、前記切替機構に前記ドリルヘッド及び振動装置を設置し、前記振動装置と着脱自在な振動掘削用ロッドを有し、前記切替機構が前記ドリルヘッドと前記振動装置の位置の切替を行うように構成したことを特徴とする海底ボーリングマシン。
海底堆積層のサンプルを採取する場合、前記振動装置に前記振動掘削用ロッドを接続し、前記海底堆積層を掘削する制御を行い、海底岩盤層のサンプルを取得する場合、前記切替機構により、前記振動装置と前記ドリルヘッドを切り替え、前記ドリルヘッドに前記回転掘削用ロッドを接続し、前記海底岩盤層を掘削する制御を行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載の海底ボーリングマシン。
前記振動掘削用ロッドの下端部に蓋体を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の海底ボーリングマシン。
昇降機構を介して昇降自在に設置したドリルヘッドと、先端に地盤を環状に掘削するビットを有する回転掘削用ロッドと、前記回転掘削用ロッドに順次連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを収納する収納部を有し、
前記昇降機構に切替機構を設置し、前記切替機構に前記ドリルヘッド及び振動装置を設置し、前記振動装置と着脱自在な振動掘削用ロッドを有し、前記切替機構が前記ドリルヘッドと前記振動装置の位置の切替を行うように構成した海底ボーリングマシンの制御方法であって、
海底堆積層の試料を取得する場合、
前記振動装置を掘削孔中心線上に配置する切替ステップと、
前記振動装置に前記振動掘削用ロッドを連結するステップと、
前記振動装置を振動し、且つ前記昇降機構を降下して前記海底堆積層を掘削するステップと、
前記振動掘削用ロッドを前記収納部内に回収する試料回収ステップを有し、
海底岩盤層の試料を取得する場合、
前記ドリルヘッドを掘削孔中心線上に配置する切替ステップと、
前記ドリルヘッドに前記回転掘削用ロッドを連結するステップと、
前記ドリルヘッドを回転し、且つ前記昇降機構を降下して前記海底岩盤層を掘削するステップと、
前記海底岩盤層の試料を回収するステップを有したことを特徴とする海底ボーリングマシンの制御方法。