JP6054086B2 - フラクチャリング用井戸構造 - Google Patents

Description

本発明は、フラクチャリング用井戸構造に関する。

井戸の構造として、井戸穴から周囲の地盤へフラクチャリング流体（水など）を注入して、地盤を割裂することで水みちをつくることが行われている（特許文献１）。

またフラクチャリング流体の注入に先だって、井戸穴から側外方へ向けられた高圧ジェットから高圧水を噴射して、地盤にクサビ状の切込みを形成することも行われている（特許文献２、段落0027参照）。

特開平１１−２６９８６１ 特開２０１０−１７９２１９ 特開平７−２８６３１９ 特開２００９−１９７４７

特許文献１のような現状の割裂注入技術では、注入範囲は不明確であり、改良範囲を推定することは困難である。そのため、必要とする領域以外に注入範囲が広がる可能性が大きく、非効果的かつ非経済的である。

これに対して特許文献２のように予め切込みを形成する方法では、注入範囲をある程度特定できる。
しかしながら、井戸の透水部に一般的に適用される礫などのフィルタ材が上述の高圧ジェットの噴出口と井戸穴の内面との間に存在しているときには、そのフィルタ材が邪魔物になって噴出流の水圧が分散され、切欠きができないおそれがある。
またそうした邪魔物がない場合であっても、高圧水の噴射でできるクサビ状の切込みは深さが十分ではないため、予想外の方向にも注入範囲が広がる可能性を否定できない。井戸穴の周りの地盤に、切込み形成箇所と同程度に脆弱な箇所がもともとあれば、そちらの方にも割裂が生ずるからである。

特に注入箇所付近に地下構造物などが存在する場合には、割裂、注入圧などによる構造物への影響が懸念される。

また井戸に隣接する技術分野では、吐出口付きの注入内管と縦スリット付きの注入外管とからなるグラウト注入装置を、岩盤に穿った穴に挿入し、かつグラウト注入装置と穴との間にグラウト材を充填し、グラウト材の強度以上でグラウトを注入することで縦スリットの開口方向に割裂を生じさせる技術が知られているが（特許文献３）、井戸構造には適用しがたい。井戸穴にグラウト材を充填しては井戸として機能しないからである。

本出願人は、従来技術に代わって地盤に切込みを形成する手段を鋭意検討し、任意の管路内へ挿入可能なフレキシブルシャフトの先端に掘削刃を付設したもの（本願明細書において「フレキシブルドリル」という）を利用する可能性に着目した。この技術は、現在埋設管の更正に利用されており（特許文献４）、外部に設置した回動装置にフレキシブルシャフトを連結することで回動力を地中深くに伝達できる。

本発明の第1の目的は、地盤への薬液の高圧注入時に発生する割裂を目的方向へ発生することが可能なフラクチャリング用井戸構造を提案することである。
本発明の第２の目的は、避けるべき方向に割裂を生じさせないことが可能なフラクチャリング用井戸構造を提案することである。
本発明の第３の目的は、先の目的を達成するため、フレキシブルドリルをフラクチャリング流体注入箇所へ導くための管路をケーシングに設けた井戸構造を提案することである。

第１の手段は、
地盤中の竪穴内にその竪穴内周面から離して縦設され、かつ通水部を下部に有するケーシングと、
上記ケーシングと竪穴内周面との間に礫などのフィルタ材料を投入してなるフィルタ層と、
上記ケーシングの管壁内面又は外面に沿って地表側から通水部付近へ延びる竪管部から、
弯曲管部を経て、側外方へ先端開口の横管部を突設してなるフレキシブルドリルガイド管と、を具備し、
かつ上記通水部付近にフラクチャリング流体の注入口を開口するフラクチャリング流体注入手段を講じてなる井戸構造であって、
これら横管部のうちの少なくとも先部を、直筒状の案内端部に形成しており、
これら案内端部の開口部は、上記通水部と同程度の深さに設置している。

本手段では、図１又は図９に示すようにケーシング6に沿ってフレキシブルドリルガイド管20を付設するとともに、その管の先部である横管部20cをフィルタ層30内に突入させている。上述のフレキシブルドリルFを地中に到達させるためである。これにより地盤に図２に想像線で示すピン状の切欠きＢを形成することができる。

第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
上記ケーシングの表面からフィルタ層内への横管部の突入距離（ｄ）を、その突入方向にフィルタ層を横切る距離（Ｄ）に対してD-d≦2cmとした。

本手段は、図２又は図11に示すフィルタ層30への横管部20cの突入距離ｄと、突入方向へのフィルタの横断距離Ｄとの関係を表している。フィルタ層30には礫などが用いられるので、フレキシブルドリルFがフィルタ層30を通過する距離（Ｄ−ｄ）が大きすぎると、あらぬ方向にフレキシブルドリルがずれてしまう可能性があるからである。

第３の手段は、第１の手段又は第２の手段を有し、かつ
上記フレキシブルドリルガイド管として一対のフレキシブルドリルガイド管を設け、
これら一対のフレキシブルドリルガイド管の横管部は、相互に一定間隔を存してかつほぼ並行してフィルタ層内へ突入させた。

本手段は、本願図９に示す如く一対のフレキシブルドリルガイド管20を設け、これらの横管部20cが並行してフィルタ層30内へ突入するものを提案する。これによりフレキシブルドリルFも並行してフィルタ層30に入るので、次にフラクチャリング流体を注入するときに横管部20cの延長線間の緩み領域Ａで優先的に割裂が生ずるという作用を奏する（図13〜図14参照）。「並行」とは、「平行」を含む広い概念であり、一対の横管部20cが並んでフィルタ層30に突入すれば足りる。例えば同一仮想平面上で横管部20cが側外方に向かって逆ハの字状又はハの字状になっていても（図15参照）、同じ作用を発揮する。

第４の手段は、第３の手段を有し、かつ
上記フラクチャリング流体注入手段として、上記一対のフレキシブルドリルガイド管の間にフラクチャリング流体圧入管を縦設し、このフラクチャリング流体圧入管の下部に開口する注入口を、側外方へ配向させた。

本手段では、フラクチャリング流体注入手段10として、２本のフレキシブルドリルガイド管20の間に配置したフラクチャリング流体圧入管を設け、このフラクチャリング流体圧入管の注入口14を、側外方へ配向させている。これにより、注入口14からフラクチャリング流体が注入されるときの動圧が緩み領域Ａの破壊に寄与する（図13（Ａ）参照）。

第５の手段は、第１の手段から第４の手段のいずれかを有し、かつ
上記フラクチャリング流体の注入口を横管部の突設方向と同じ向きに開口している。

本手段では、例えば図５に示す如く、フラクチャリング流体の注入口が横管部の突設方向と同じ向きに開口している。

第６の手段は、第１の手段を有し、かつ
上記横管部の途中箇所の下側から分岐して砂溜め用容器を付設している。

本手段では、図16に示すように横管部20cに砂溜め用容器26を付設している。これにより横管部20cが砂で詰まることを防止できる。

第１の手段に係る発明によれば、ケーシング6に付設したフレキシブルドリルガイド管20を介して破断指向性の高いフレキシブルドリルを地中に送ることができるから、地盤にピン状の尖鋭な切込みBを形成され、所要方向に効果的に割裂を生じさせることができる。フレキシブルドリルガイド管の横管部20cをフィルタ層30へ突入させるから、フィルタ材料を錘としてフレキシブルドリル挿入時の横管部の妄動を抑制できる。
第２の手段に係る発明によれば、横管部20cが突入方向にフィルタ層30を横切る距離Ｄと、フィルタ層30への横管部の突入距離ｄとの差を、２ｃｍ以下としたから、横管部20cの突入方向とフレキシブルドリルの進行方向のブレを小さくすることができる。
第３の手段に係る発明によれば、一対のフレキシブルドリルガイド管の横管部20cを並行してフィルタ層内へ突入させたから、２本のピン状の切欠きBの間の地盤部分を緩み領域として優先的に割裂させ、かつそれ以外の領域での割裂を低減することができる。
第４の手段に係る発明によれば、一対のフレキシブルドリルガイド管20の間に、注入口14を側外方へ向けたフラクチャリング流体圧入管12を設けたから、その流体の動圧が上記緩み領域に作用して、より確実に割裂を生じさせることができる。
第６の手段に係る発明によれば、上記横管部の途中箇所の下側から分岐して砂溜め用容器を付設したから、管内部が砂で詰まることを防止できる。

本発明の第１実施形態に係るフラクチャリング用井戸構造の縦断面図である。 図１の井戸構造のII−II方向の横断面図である。 図２の井戸構造の要部のIII−III方向の縦断面図である。 図２の井戸構造の要部のIV−IV方向の縦断面図である。 図１の井戸構造の要部の斜視図である。 図１の井戸構造でフレキシブルドリルを用いて切欠きを形成する行程の説明図である。 図１の井戸構造でフラクシャリング流体を注入する行程の説明図である。 図７の行程を上方から見た説明図であり、同図（Ａ）は流体の注入を開始した段階、同図（Ｂ）は流体の注入が進行した段階を示している。 本発明の第２実施形態に係るフラクチャリング用井戸構造の縦断面図である。 図９の井戸構造の要部の縦断面図である。 図９の井戸構造の要部のXI−XI方向の横断面図である。 図10の要部の斜視図である。 図９の井戸構造にフラクチャリング流体を注入する行程の初期段階の説明図であり、同図（Ａ）は、図12のS₁平面上で初期段階の様子を見た横断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のXIII(B)−XIII(B)方向で見た縦断面図である。 図９の井戸構造でフラクチャリング流体を注入する行程の後期段階の説明図であり、同図（Ａ）は図12のS₁平面上で後期段階の様子を見た横断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のXIV(B)−XIV(B)方向で見た縦断面図である。 図９の井戸構造の要部の変形例を示す横断面図であり、同図（Ａ）は逆ハ字状の横管部を示す図、同図（Ｂ）はハ字状の横管部を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るフラクチャリング用井戸構造の一部の縦断面図である。 本願の井戸構造の実施例を示す概念図である。

図１から図８は、本発明の第１の実施形態に係るフラクチャリング用井戸構造2である。

このフラクチャリング用井戸構造2は、竪穴4と、ケーシング6と、フラクチャリング流体注入手段10と、フレキシブルドリルガイド管20と、フィルタ層30とで構成されている。

竪穴4は、地盤Ｇに穿設した井戸穴であり、ケーシング6の外径よりも大径としている。図示例の竪穴4は断面円形に形成している。

ケーシング6は、好ましくは竪穴4内に同心状に挿入された管体であって、下部に通水部6aを有し、下部を除く部分は止水部6bとしている。このケーシング6は竪穴4の下部まで延びている。上記通水部6aは適数の通水孔8…を有するものであればどのような構造でも構わない。通水部6a付近には、貫通孔9が開口してある。これについては後述する。

フラクチャリング流体注入手段10は、ケーシング6と並行して下方へ延びるフラクチャリング流体圧入管12を有し、このフラクチャリング流体圧入管の下部に、側外方（図示例ではケーシングと反対方向）に向けて開口する注入口14を設けている。上記フラクチャリング流体圧入管12の上端部は図示しないフラクチャリング流体圧送手段に連結している。

フレキシブルドリルガイド管20は、本実施形態では、ケーシング6の一方側部の内面に沿って通水部6a近くまで下方へ延び、かつケーシング6の他方側部の貫通孔9を通って側外方へ突出している。具体的には、フレキシブルドリルガイド管20は、少なくともケーシング6の管壁に沿う竪管部20aと、ケーシング6の管壁の一方側部から離れて側外方へ向かう横管部20cとを有し、さらに竪管部20aと横管部20cとを連続させる弯曲管部20bを有する。フレキシブルドリルFの挿通を容易にするためである。フレキシブルドリルガイド管20は、フレキシブルドリルFの挿入時の反力により変形可能な程度の可撓性を有するものとする。

上記竪管部20aは、地上側からケーシング6の内面に沿って通水部6a付近へ延びており、図示しない固定手段でケーシング6の表面に固定されている。

上記弯曲管部20bは、竪管部20aの下端側からケーシング6の表面を離れて割裂を生じさせるべき方向へ屈曲している。

上記横管部20cは、上記弯曲管部20bから割裂を生じさせるべき方向へ延長しており、後述のフィルタ層30内へ突入しており、横管部20cの先端の開口部24からフレキシブルドリルFを繰り出すことができるように設けている。この開口部24は上記通水部6aと同程度の高さに形成している。

図示例の横管部20cは、その全長に亘って直筒状に形成しているが、必ずしもこの形状には限定されない。もっとも特許文献２の切欠形成用の高圧水供給管の如く、先部を先端小径のノズル状とすると、フレキシブルドリルFが当該箇所で引っ掛かり、フレキシブルドリルFを外方へ案内することができないおそれがある。そこで本願明細書では、横管部20cの先部を直筒状の案内端部22とすることを、フレキシブルドリルガイド管20の要件としている。

なお、図６に示すように垂直方向に位置の異なる複数の水みちＷを形成するために、横管部20cの配置深さが異なる複数のフレキシブルドリルガイド管20を設けることができる。それらフレキシブルドリルガイド管20の構造は相互に基本的に同じであるから、図１〜図５においては作図を省略している。

フィルタ層30は、竪穴4の内面とケーシング6の外面との間に礫などのフィルタ材料を投入することで構成される。好適な図示例では、フィルタ層30の下半部には透水性の大きい材料を、フィルタ層30の上半部には透水性の小さい材料を用いている。またフィルタ層30には、周囲の地盤よりも比重の大きい材料とすることが好適である。これにより、フィルタ層の重量で横管部に作用する反力を抑制することができるからである。

上記構成において、フラクチャリングを行うときには次の工程による。
第１に、図６に記載した如く、フレキシブルドリルガイド管20にフレキシブルドリルFを挿入して、水みちを形成すべき箇所に切欠きＢを形成する。水みち形成箇所が垂直方向に複数あるときには、予めフレキシブルドリルガイド管20を複数設けておき、同様の作業を繰り返す。
第２に、図７の如くケーシング6の上端を蓋34で塞いだ状態で、フラクチャリング流体圧入管12からフラクシャリング流体を送り込む。そうすると、フラクシャリング流体は、予め形成された切欠きＢ内に流入する（図８（Ａ）参照）。この切欠きＢは流入したフラクチャリング流体の圧力により拡径するとともに、地盤中に深く延びる（図８（Ｂ）参照）。

フラクチャリング流体としては、周囲の地盤の平均粒径よりも大きな粗粒材を液体に混合したものを用いることができる。フラクチャリング流体を切欠きＢ内に押し込んで割裂を生じさせた後、液体成分が土砂に浸透し、粗粒材が割裂した切欠きＢ内に残って水みちＷが完成する。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。これらの説明において、第１実施形態と同じ構成については解説を省略する。

図９から図15は、本願発明の第２実施形態に係る井戸構造2を示している。

本実施形態では、ケーシング6に対して２本のフレキシブルドリルガイド管20を付設している。図示例では、フレキシブルドリルガイド管20の設置箇所をケーシング6の正面方向とすると、ケーシング6の両側部の外面に、各フレキシブルドリルガイド管20の竪管部20aと縦設している。各竪管部20aからは弯曲管部20bを延長している。平面図である図11に示すように、各弯曲管部20bは、ケーシング6の外周面に沿って弯曲しながら、ケーシング6の前面側へ延びている。そして各弯曲管部20bの先部からは、横管部20cを、相互に一定の間隔を存して、前方に並行突出している。この図示例では、一対の横管部20cは略平行である。

上記構成によれば、一対のフレキシブルドリルガイド管20にフレキシブルドリルFを挿入すると、各横管部20cから一対のフレキシブルドリルFがケーシング6の前方側へ並行してフィルタ層30に突入し、フィルタ層30を横切って地盤Ｇに入る。フレキシブルドリルFの挿入箇所には、それぞれ切欠きＢが形成される。各切欠きＢの間の領域は、周囲に比べて脆弱な緩み領域Ａとなる。

上記構成において、フラクチャリング流体をフラクチャリング流体圧入管12内へ圧入すると、一対の切欠きB内に高圧のフラクチャリング流体が入って、緩み領域Ａにひび（割裂）が生ずる（図13参照）。

さらにフラクチャリング流体の注入を続けると、緩み領域Ａの割裂が進行して、２つの切欠きＢが遂にはつながる（図14(Ｂ)参照）。これと同時に竪穴4内のフラクチャリング流体の液圧が増大するので、緩み領域Ａ全体が崩壊して側外方へ押し流される（図14(Ａ)参照）。

緩み領域Ａが崩壊すると、竪穴4内の液圧が低下するので、竪穴4内面のうちで緩み領域Ａ以外の部分で割裂を生ずる可能性が低下する。これにより割裂方向の制御が可能となる。

図15は、並行してフィルタ層30内へ突入する一対の横管部20cの変形例を示している。これら横管部20cは、上方からみて、先端側で両管部が接近する逆ハ字状でもよく（図15（Ａ）参照）、また先端側で両管部が離れるハ字状でもよい（図15（Ｂ）参照）。

図16は、本発明の第３実施形態に係る井戸構造の要部を示している。本実施形態では、横管部20cの下端側に砂溜め用容器26が付設されている。これにより横管部20c内に砂が詰まってしまうことを防止できる。

図17は、本発明の実施例である。この例では２つの井戸構造2A,2Bの内部が、貯水タンクTから延びる２本のパイプLを介して連通され、各パイプの各下端に揚水ポンプPを付設してなる。これにより、通常時には、図17に矢示する如く、井戸構造2Aから吸い上げた水を井戸構造2B側へ供給するとともに、逆洗浄操作時には、井戸構造2Bから吸い上げた水を井戸構造2A側へ供給することができる。各井戸構造には水みちWが形成されており、これにより水の移動が円滑に行われる。井戸構造2Bの片側には、地下鉄Sなどの施設が設けられており、こちら側への井戸の影響を小さくするために、井戸構造2Bの地下鉄S側には水みちの非発生領域Uを設けている。これにより、井戸構造2Bへ給水するときには、地下鉄S側には少なく、かつ地下鉄Sの反対側には多く給水されることになる。

上記実施形態及び実施例は、本発明の好適な例として呈示されているものである。従って本発明の技術的意義に反しない限り、これ以外の実施形態が本発明の技術的範囲に属しないという意味に理解されるべきではない。

2…フラクチャリング用井戸構造 4…竪穴
6…ケーシング 6ａ…通水部 6b…止水部 8…通水孔 ９…貫通孔
10…フラクチャリング流体注入手段 12…フラクチャリング流体圧入管
14…注入口
20…フレキシブルドリルガイド管 20ａ…竪管部 20b…弯曲管部 20c…横管部
22…案内端部 24…開口部 26…砂溜め用容器
30…フィルタ層 34…蓋
Ａ…緩み領域 Ｂ…切欠き Ｆ…フレキシブルドリル Ｇ…地盤
Ｐ…揚水ポンプ Ｓ…地下鉄 Ｔ…タンク
Ｕ…水みちの非発生領域 Ｗ…水みち

Claims (6)

1. 地盤中の竪穴内にその竪穴内周面から離して縦設され、かつ通水部を下部に有するケーシングと、
   上記ケーシングと竪穴内周面との間に礫などのフィルタ材料を投入してなるフィルタ層と、
   上記ケーシングの管壁内面又は外面に沿って地表側から通水部付近へ延びる竪管部から、弯曲管部を経て、側外方へ先端開口の横管部を突設してなるフレキシブルドリルガイド管と、を具備し、
   かつ上記通水部付近にフラクチャリング流体の注入口を開口するフラクチャリング流体注入手段を講じてなる井戸構造であって、
   これら横管部のうちの少なくとも先部を、直筒状の案内端部に形成しており、
   これら案内端部の開口部は、上記通水部と同程度の深さに設置したことを特徴とする、フラクチャリング用井戸構造。
2. 上記ケーシングの表面からフィルタ層内への横管部の突入距離（ｄ）を、その突入方向にフィルタ層を横切る距離（Ｄ）に対してD-d≦2cmとしたことを特徴とする、請求項１記載のフラクチャリング用井戸構造。
3. 上記フレキシブルドリルガイド管として一対のフレキシブルドリルガイド管を設け、
   これら一対のフレキシブルドリルガイド管の横管部は、相互に一定間隔を存してかつほぼ並行してフィルタ層内へ突入させたことを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のフラクチャリング用井戸構造。
4. 上記フラクチャリング流体注入手段として、上記一対のフレキシブルドリルガイド管の間にフラクチャリング流体圧入管を縦設し、このフラクチャリング流体圧入管の下部に開口する注入口を、側外方へ配向させたことを特徴とする、請求項３に記載のフラクチャリング用井戸構造。
5. 上記フラクチャリング流体の注入口を横管部の突設方向と同じ向きに開口したことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載のフラクチャリング用井戸構造。
6. 上記横管部の途中箇所の下側から分岐して砂溜め用容器を付設したことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れかに記載のフラクチャリング用井戸構造。