特許 6786069 坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6786069

(24)【登録日】2020年10月30日

(45)【発行日】2020年11月18日

(54)【発明の名称】坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法

(51)【国際特許分類】

   E21B 10/60 20060101AFI20201109BHJP

   E21B 10/18 20060101ALI20201109BHJP

【ＦＩ】

   E21B10/60

   E21B10/18

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-12284(P2017-12284)

(22)【出願日】2017年1月26日

(65)【公開番号】特開2018-119340(P2018-119340A)

(43)【公開日】2018年8月2日

【審査請求日】2020年1月10日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「エネルギー・環境新技術先導プログラム／超臨界地熱開発実現のための革新的掘削・仕上げ技術の創出」委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】592003441

【氏名又は名称】帝石削井工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(74)【代理人】

【識別番号】100198214

【弁理士】

【氏名又は名称】眞榮城 繁樹

(72)【発明者】

【氏名】長縄 成実

(72)【発明者】

【氏名】土屋 範芳

(72)【発明者】

【氏名】島田 邦明

【審査官】 東 芳隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１７７８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−１０８５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２７９９６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４３０３１３７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｂ １／００−４９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円柱状のビットボディと、このビットボディ内に形成され、坑底や前記ビットボディ周辺から掘削屑を押し流す掘削流体の流路と、を備えて岩盤を掘削するための坑井掘削用ビットであって、
前記流路に断面積が減少する縮径部が形成されたベンチュリ管を有し、ベンチュリ効果により前記ビットボディの先端周辺に周囲より減圧された減圧領域を発生可能なベンチュリ機構を備えること
を特徴とする坑井掘削用ビット。

【請求項2】

前記流路は、前記ベンチュリ管と前記ビットボディの先端付近の外表面とを連通する第１流路と、前記ベンチュリ管と前記ビットボディの先端付近を除く外表面とを連通する第２流路と、前記ビットボディの先端付近の外表面と前記第２流路とを連通する第３流路と、を備え、
前記第１流路と前記第２流路とは、一方が開放されると他方が閉塞されるように切り替え自在に構成され、
前記ベンチュリ機構は、前記第２流路を開放したときに前記掘削流体が第２流路を流れる流速で第３流路内に前記掘削流体を吸引して前記減圧領域を発生させるものであること
を特徴とする請求項１に記載の坑井掘削用ビット。

【請求項3】

前記流路の前記第１流路と前記第２流路の切り替えは、スライドポートの開閉により行うこと
を特徴とする請求項２に記載の坑井掘削用ビット。

【請求項4】

前記流路の前記第１流路と前記第２流路との切り替えは、球体からなるドロップボールで前記第１流路を閉塞するか否かにより行うこと
を特徴とする請求項２に記載の坑井掘削用ビット。

【請求項5】

前記ビットボディの外表面にダイヤモンド焼結体のチップからなるＰＤＣカッターが固着されたＰＤＣビットであること
を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の坑井掘削用ビット。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれかに記載の坑井掘削用ビットを用いて、高温かつ硬質の岩盤に坑井を掘削する坑井掘削方法であって、
前記ビットボディの先端周辺に前記減圧領域を発生させて前記掘削流体を減圧沸騰させ、前記掘削流体が蒸発した際の蒸発潜熱で前記岩盤を急冷し、その急冷部分と他の部分との熱応力差で前記岩盤に亀裂を発生させて掘削すること
を特徴とする坑井掘削方法。

【請求項7】

請求項２ないし４のいずれかに記載の坑井掘削用ビットを用いて、高温かつ硬質の岩盤に坑井を掘削する坑井掘削方法であって、
前記第１流路を開放して前記掘削流体を前記第１流路に流通させる掘削モードと、前記第２流路を開放して前記掘削流体を前記第２流路に流通させる減圧モードと、を交互に繰り返し、前記減圧モードで前記ビットボディの先端周辺に前記減圧領域を発生させて前記掘削流体を減圧沸騰させ、前記掘削流体が蒸発した際の蒸発潜熱で前記岩盤を急冷し、その急冷部分と他の部分との熱応力差で前記岩盤に亀裂を発生させ、その後、前記掘削モードで掘削すること
を特徴とする坑井掘削方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、石油や天然ガスなどの炭化水素坑井等の坑井掘削に用いられる坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法に関し、詳しくは、高温かつ硬質の地層を効率よく掘削可能な坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、坑井掘削用ビットとしては、ローラーコーンビット（トリコーンビットも含む図８参照）やＰＤＣビット（Polycrystalline Diamond Compact Bit）などが知られている。いずれも硬質な刃先により岩石を削り取って破壊しながら坑井を掘削するものである。

【0003】

このうち、ローラーコーンビットは、掘削速度は遅いものの硬質の岩石（岩盤）の掘削が可能である。しかし、ローラーコーンビットには、ベアリングシールをするためゴム弾性体等からなるベアリングシール材が必須であり、このベアリングシール材の耐熱性能に限界があるため高温の地層の掘削には適さないという問題があった。

【0004】

一方、ＰＤＣビットは、ゴム弾性体等からなるベアリングシール材を必要としない構成であるため、高温地層の掘削が可能である。しかし、ＰＤＣビットは、ダイヤモンドの多結晶体の硬度に依存して岩盤を掘り進む機構であるため、硬質の岩石（岩盤地層）の掘削には損耗が激しく頻繁に高価なＰＤＣビット等の交換を要し、不経済であり適さないという問題があった。

【0005】

このため、ローラーコーンビットが適さないような高温で、かつ、ＰＤＣビットが適さないような硬質な地層での坑井の掘削を効率よく行うことのできる坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法が切望されている。

【0006】

また、特許文献１には、圧力を坑井面の間隙圧にほぼ等しい又はこれよりも僅かに低い圧力に調節して地層からの流体の流れを可能にするステップと、掘削しながら、プログラム可能圧力ゾーンと坑井アニュラス部又は環状域との間で掘削組立体からの流体の流れのポンプによる送り出し又は掘削組立体中への流体の流れのチョークを行うことによって調節し、それにより、坑井の制御が必要でなければ、プログラム可能圧力ゾーンに過剰の圧力が加わるのを回避するステップとを有するプログラム可能圧力掘削方法が開示されている（特許文献１の特許請求の範囲の請求項１、明細書の段落［００３０］〜［００３８］、図面の図１、図２等参照）。

【0007】

しかし、特許文献１に記載のプログラム可能圧力掘削方法は、平衡不足状態の調査井を安全に掘削するために、掘削組立体の近くを密閉することによってドリルビット及び掘削組立体に隣接して制御可能な圧力ゾーンを創出するものである。このため、特許文献１に記載の発明では、高温かつ硬質の地層を効率よく掘削するために圧力を制御するわけではなく、前記課題は認識されていないといえる。

【0008】

そして、特許文献２には、硬質地層の掘削効率を改善する手段として、硬質地層に亀裂を形成すべく、地層に加熱と冷却を交互に繰り返すように設計された掘削機構が開示されている。しかし、特許文献２に記載の掘削機構では、アセチレンと酸素を坑底に導入するための高価で特殊な掘管を掘削深度に応じた数量用いる必要があり、酸素アセチレン炎による坑内火災防止のための追加の機構が必要であるため、総体的にみてエネルギー効率が悪く、掘削コストを低減できるものではなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特表２０１１−５０８１２５号公報

【特許文献2】米国特許第２５４８４６３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明は、前述した問題を鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、交換頻度が少なく低コストで効率よく高温かつ硬質の岩盤地層を掘削可能な坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

請求項１に記載の坑井掘削用ビットは、円柱状のビットボディと、このビットボディ内に形成され、坑底や前記ビットボディ周辺から掘削屑を押し流す掘削流体の流路と、を備えて岩盤を掘削するための坑井掘削用ビットであって、前記流路に断面積が減少する縮径部が形成されたベンチュリ管を有し、ベンチュリ効果により前記ビットボディの先端周辺に周囲より減圧された減圧領域を発生可能なベンチュリ機構を備えることを特徴とする。

【0012】

請求項２に記載の坑井掘削用ビットは、請求項１に記載の坑井掘削用ビットにおいて、前記流路は、前記ベンチュリ管と前記ビットボディの先端付近の外表面とを連通する第１流路と、前記ベンチュリ管と前記ビットボディの先端付近を除く外表面とを連通する第２流路と、前記ビットボディの先端付近の外表面と前記第２流路とを連通する第３流路と、を備え、前記第１流路と前記第２流路とは、一方が開放されると他方が閉塞されるように切り替え自在に構成され、前記ベンチュリ機構は、前記第２流路を開放したときに前記掘削流体が第２流路を流れる流速で第３流路内に前記掘削流体を吸引して前記減圧領域を発生させるものであることを特徴とする。

【0013】

請求項３に記載の坑井掘削用ビットは、請求項２に記載の坑井掘削用ビットにおいて、前記流路の前記第１流路と前記第２流路の切り替えは、スライドポートの開閉により行うことを特徴とする。

【0014】

請求項４に記載の坑井掘削用ビットは、請求項２に記載の坑井掘削用ビットにおいて、前記流路の前記第１流路と前記第２流路との切り替えは、球体からなるドロップボールで前記第１流路を閉塞するか否かにより行うことを特徴とする。

【0015】

請求項５に記載の坑井掘削用ビットは、請求項１ないし４のいずれかに記載の坑井掘削用ビットにおいて、前記ビットボディの外表面にダイヤモンド焼結体のチップからなるＰＤＣカッターが固着されたＰＤＣビットであることを特徴とする。

【0016】

請求項６に記載の坑井掘削方法は、請求項１ないし５のいずれかに記載の坑井掘削用ビットを用いて、高温かつ硬質の岩盤に坑井を掘削する坑井掘削方法であって、前記ビットボディの先端周辺に前記減圧領域を発生させて前記掘削流体を減圧沸騰させ、前記掘削流体が蒸発した際の蒸発潜熱で前記岩盤を急冷し、その急冷部分と他の部分との熱応力差で前記岩盤に亀裂を発生させて掘削することを特徴とする。

【0017】

請求項７に記載の坑井掘削方法は、請求項２ないし４のいずれかに記載の坑井掘削用ビットを用いて、高温かつ硬質の岩盤に坑井を掘削する坑井掘削方法であって、前記第１流路を開放して前記掘削流体を前記第１流路に流通させる掘削モードと、前記第２流路を開放して前記掘削流体を前記第２流路に流通させる減圧モードと、を交互に繰り返し、前記減圧モードで前記ビットボディの先端周辺に前記減圧領域を発生させて前記掘削流体を減圧沸騰させ、前記掘削流体が蒸発した際の蒸発潜熱で前記岩盤を急冷し、その急冷部分と他の部分との熱応力差で前記岩盤に亀裂を発生させ、その後、前記掘削モードで掘削することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

請求項１〜７に記載の発明によれば、ベンチュリ機構により坑底近傍の掘削泥水（掘削流体）を局所的に減圧沸騰させることができ、その蒸発の際の蒸発潜熱で岩盤表面を急冷却して急冷部分と他の部分との熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができる。このため、硬質岩盤の強度脆化を引き起こすことができ、高温かつ硬質の岩盤地層を効率よく掘削することができる。よって、坑井掘削用ビットの交換頻度を低減して坑井掘削費用を低減することができる。

【0019】

特に、請求項２に記載の発明によれば、第１流路と第２流路の切り替えにより確実に坑底付近に減圧流域を発生させることができる。また、従来の坑井掘削に使用していた１系統の掘削流体の流れの切り替えだけで減圧流域を発生させて効率よく高温かつ硬質の岩盤地層を掘削することができるため、極めて坑井掘削費用の削減効果が高いものとなる。

【0020】

特に、請求項３又は４に記載の発明によれば、スライドポート又はドロップボールでより確実に流路の切り替えが可能となり、切り替え作業時間も短時間とすることができる。

【0021】

特に、請求項５に記載の発明によれば、ローラーコーンビットのようにベアリングシールするためゴム弾性体等からなるベアリングシール材が必要なくなる。このため、より高温の地層での掘削作業を低コストで効率よく行うことができる。

【0022】

特に、請求項６に記載の発明によれば、熱応力（熱衝撃）を利用して硬質岩盤の強度脆化を引き起こすことができ、高温かつ硬質の岩盤地層を効率よく掘削することができる。よって、坑井掘削用ビットの交換頻度を低減して坑井掘削費用を低減することができる。

【0023】

特に、請求項７に記載の発明によれば、掘削モードと減圧モードを交互に繰り返すことにより、熱応力（熱衝撃）を利用して硬質岩盤の強度脆化を引き起こすことができ、高温かつ硬質の岩盤地層を効率よく掘削することができる。よって、坑井掘削用ビットの交換頻度を低減して坑井掘削費用を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１実施形態に係る坑井掘削用ビットの掘削モードを模式的に示す鉛直断面図である。

【図2】同上の坑井掘削用ビットの減圧モードを模式的に示す鉛直断面図である。

【図3】ベンチュリ機構の原理を説明するための説明図である。

【図4】超臨界地熱開発で想定される地層の温度・圧力条件を示すグラフである。

【図5】坑底の急減圧に伴う冷却度を示した圧力・温度状態図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る坑井掘削用ビットの掘削モードを模式的に示す鉛直断面図である。

【図7】同上の坑井掘削用ビットの減圧モードを模式的に示す鉛直断面図である。

【図8】従来のトリコーンビットを示す鉛直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明に係る坑井掘削用ビット及びそれを用いた坑井掘削方法を実施するための一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0026】

先ず、図１、図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る坑井掘削用ビットについて説明する。本発明をビットボディの外表面にダイヤモンド焼結体のチップからなるＰＤＣカッターが固着されたＰＤＣビットに適用した場合を例示して説明する。

【0027】

図１は、本発明の第１実施形態に係る坑井掘削用ビットの構成を模式的に示す断面図であり、掘削モードの状態を示している。また、図２は、その坑井掘削用ビットの減圧モードの状態を示している。

【0028】

本実施形態に係る坑井掘削用ビット１は、主な構成は、従来のＰＤＣビットと同様であり、相違する点は、通常の掘削流体を流通する流路の他に複数の流路が設けられており、それらが切り替え可能になっている点である。

【0029】

坑井掘削用ビット１は、図１、図２に示すように、ビットの基体である円筒状のビットボディ２から主に構成され、このビットボディ２内には、掘削流体を流通させる流路３が形成されている。

【0030】

ここで、掘削流体とは、坑井掘削用ビット１で切り崩した岩盤の掘削屑（岩石屑）を押し流して排出する機能を有する流体であり、一般的には、掘削泥水が用いられている。この掘削泥水は、坑壁保護や粘度及び比重調整のため、膨潤材であるモンモリロナイト粘土鉱物を主成分とするベントナイトを水に混ぜたものである。勿論、掘削流体には、水単体とすることも、掘削する坑井の種類や掘削する地層に応じて適宜その他の添加剤を添加してもよいことは云うまでない。

【0031】

（ビットボディ）
ビットボディ２は、略従来のＰＤＣビットと同様であり、掘削する坑底の岩盤と接触する下端付近の外表面に複数のダイヤモンド焼結体のチップからなるＰＤＣカッターが固着されている（図示せず）。このビットボディ２は、掘削流体の流れによってシャフトを回転させるマッドモーターにより回転駆動され、硬質なＰＤＣカッターの刃先により岩石を削り取って破壊しながら坑井を掘削する機能を有している。

【0032】

（流路）
流路３は、地上や海上に設置されたマッドポンプ（泥水ポンプ）などのポンプ（図示せず）と接続され、掘削流体を流通させるための流路である。そして、この流路３のビットボディ２の上部には後述のチョークセクション（Choke Section）となる断面積が減少する縮径部（図１の破線楕参照）が形成されたベンチュリ管ＶＰが設けられている。

【0033】

この流路３は、ベンチュリ管ＶＰの先（下方）が、主に、第１流路３１、第２流路３２、第３流路３３など、からなる３つの流路に分かれている。第１流路３１は、ベンチュリ管ＶＰの先からそのまま真っ直ぐ延伸するセンター流路３１ａと、このセンター流路３１ａから横方向に迂回して分かれる複数のビットノズル流路３１ｂなど、から構成されている。なお、この第１流路３１は、従来のＰＤＣビットにも存在する流路である。

【0034】

このセンター流路３１ａは、ベンチュリ管ＶＰの先からビットボディ２の先端中央付近の下端表面に設けられたセンターノズル３１ｃまで連通する流路である。そして、ビットノズル流路３１ｂは、センター流路３１ａとビットボディ２の先端表面に設けられたビットノズル３１ｄとを連通する流路である。

【0035】

また、ビットノズル３１ｄは、ビットボディ２の軸芯を中心として略等間隔の半径上に位置するビットボディ２の先端の外表面に設けられ、掘削流体を勢いよく吐出してＰＤＣカッターに付着した掘削屑を洗い流す機能を有した吐出口である。

【0036】

第２流路３２は、ベンチュリ管ＶＰと円筒状のビットボディ２の側周外表面とを連通する流路である。この第２流路３２は、ベンチュリ管ＶＰの縮径された管路と接続し、流路の断面積がセンター流路３１ａの１／３６以下まで絞られた流路であり、ベンチュリ管ＶＰ付近で第３流路３３と連通している。なお、この第２流路３２の終端は、ビットボディ２の側周外表面に必ずしも設けられている必要はなく、ビットボディ２の先端付近を除くビットボディ２の外表面と連通していればよい。

【0037】

第３流路３３は、第２流路３２と、ビットボディ２の先端付近中央と、を連通する坑底付近を減圧するための減圧流路であり、本実施形態では、第２流路３２のベンチュリ管ＶＰ付近と第１流路３１のセンター流路３１ａとを連通している。

【0038】

また、第２流路３２には、開閉自在の弁であるスライドポートＳＰ１が設けられ、第３流路３３には、開閉自在の三方弁であるスライドポートＳＰ２が設けられている。そして、これらのスライドポートＳＰ１，ＳＰ２は、互いに連動してスライド移動し、同時に第２流路３２及び第３流路３３を開閉できるように構成されている。

【0039】

このため、図１に示すように、スライドポートＳＰ１，ＳＰ２で第２流路３２及び第３流路３３を閉鎖し、第１流路３１を開放して掘削流体を第１流路３１に流通させる掘削モードでは、矢印方向に掘削流体が流通することとなる。

【0040】

この矢印で示す掘削モードでの掘削流体の流れは、従来のＰＤＣビットと同様の流れである。この掘削モードでは、坑井掘削用ビット１を回転させながら坑底を掘り進み、矢印で示す方向に掘削流体を流すことで、掘削屑（岩石屑）を掘削流体とともに上方へ押し上げ排出する。なお、掘削流体は、掘削屑（岩石屑）と共に上昇して地上に戻り、大型ふるい振とう器や遠心式、サイクロン式の固液分離装置によって岩石屑を取り除き、再度、粘性や比重などを調整して、再び坑内へ循環される。

【0041】

図２に示すように、スライドポートＳＰ１，ＳＰ２をスライド移動させて、第２流路３２及び第３流路３３を開放し、掘削流体を第２流路３２に流通させる減圧モードでは、矢印方向に掘削流体が流通することとなる。

【0042】

このとき、センター流路３１ａより断面積が１／３６以下に絞られた第２流路３２と連通する第３流路３３では、後述のベンチュリ効果により周囲との圧力差が生じて黒矢印で示す方向に掘削流体が吸引される。これにより、坑底近傍の掘削流体が急激に減圧され、高温・高圧状態の掘削流体が局所的に減圧沸騰することとなる。よって、その蒸発の際の蒸発潜熱で岩盤表面を急冷却して急冷部分と他の部分との熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができる。

【0043】

（ベンチュリ機構）
次に、図３を用いて、ベンチュリの原理について簡単に説明する。図３は、ベンチュリの原理を示す説明図である。図３に示すように、流体の流路にチョークセクションＡ（Choke Section）となる断面積が減少する縮径部が形成されたベンチュリ管ＶＰを設けると、ベンチュリ効果により、矢印の大きさで示すように、チョークセクションＡで流速が速くなる。

【0044】

また、流速が速くなるとベルヌーイの定理により圧力が相対的に低くなる。すると流域Ｂで圧力低下が起こり、この流域Ｂに連通する別の流路Ｘがあるとそこから黒矢印で示すように流体の吸引現象が引き起こされる。よって、本発明の原理は、この流路Ｘを坑底付近となるビットボディ２の先端表面に連通することにより、坑底付近を減圧し、掘削流体を沸騰させ、岩盤を急冷するというものである。

【0045】

また、ベンチュリ効果による圧力低下は、次式（数１）から求めることができる。前述のビットボディ２内部の流路３の内径ｄ₁を100mm、掘削流体の流量Ｑを2,000Ｌ/min、掘削流体の比重ρを1.05SGと仮定し、ベンチュリ機構により流路断面積比（A₂/A₁）を前述のように１/36以下に絞ったとする。すると、次式（数１）より約13MPa程度の圧力低下が生じ得ることが計算できる。この圧力低下の値は、今後の流路設計の最適化により20MPaを超える減圧が可能と考えられる。

【0046】

【数1】

【0047】

図４は、超臨界地熱開発で想定される地層の温度・圧力条件を示すグラフである。太い実線がBPD条件下の形成流体温度、点線が冷水静水圧（20℃）、一点鎖線がBPD圧力（静水圧）、破線が土被り圧（地盤圧力）を示す。

【0048】

図４に示すように、本実施形態に係る坑井掘削用ビット１で掘削しようとしている超臨界地熱地帯の地層は、図４に示すような条件で、斜線部で示す熱伝導ゾーン（Heat Conduction Zone）のような深度3500ｍ以深となる地層（深度は地層の条件によって多少変動がある）である。要するに、超臨界地熱開発で掘削する地層は、熱水対流ゾーン（Hydrothermal Convection Zone）を超えて熱伝導ゾーン（Heat Conduction Zone）の地層、即ち、地層水が水の臨界点（温度374℃、圧力22.1 MPa）を超え、超臨界状態となっているような地層である。このような地層では、地温勾配が非常に高く、深度に対して図中の太い実線のような地層温度を想定される。また、図中の一点鎖線が、この地層温度分布のときの想定地層圧力である。なお、地層水が超臨界となる領域に入ると、それより浅い深度では岩石の破壊形態が脆性であったものが、延性破壊を起こす領域となり、掘削が困難となる。

【0049】

図５は、坑底の急減圧に伴う冷却度を示した圧力・温度状態図である。この図は、水の圧力−温度の関係を表した状態図であり、太い実線が水の沸騰曲線（飽和蒸気圧曲線：Saturated Vapor Pressure Curve for Water）を示し、この曲線より高い圧力（左上）では水は液体（Liquid）であり、曲線より低い圧力（右下）では気体（蒸気：Vapor）となっている。沸騰曲線の終点の黒丸は、水の超臨界点を示し、斜線部は、超臨界状態を示している。

【0050】

よって、図５のCase1で示すように、掘削中の坑底温度が約250℃、坑底圧力が約22.5Mpaと想定した場合、21MPa減圧できれば坑底圧力は1.5MPaとなり、図において沸騰曲線を横切るため掘削流体は沸騰することとなる。このとき、掘削流体は蒸発潜熱が奪われ、Case1の矢印の温度・圧力で平衡に達する。このときの温度低下は、図より約60℃である。また、図５のCase2で示すように、想定温度がCase1より高い場合は、より少ない19MPaで同様の約60℃の急冷却が可能であることが分かる。

【0051】

以上説明した本発明の第１実施形態に係る坑井掘削用ビット１によれば、ベンチュリ機構により坑底近傍の掘削泥水（掘削流体）を局所的に減圧沸騰させることができ、その蒸発する際の蒸発潜熱で岩盤表面を急冷却して急冷部分と他の部分との熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができる。このため、硬質岩盤の強度脆化を引き起こすことができ、高温かつ硬質の岩盤地層を効率よく掘削することができる。よって、坑井掘削用ビットの交換頻度を低減して坑井掘削費用を低減することができる。

【0052】

［第２実施形態］
次に、図６、図７を用いて、本発明の第２実施形態に係る坑井掘削用ビット１’について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る坑井掘削用ビット１’の掘削モードを模式的に示す鉛直断面図であり、図７は、坑井掘削用ビット１’の減圧モードを模式的に示す鉛直断面図である。

【0053】

本発明の第２実施形態に係る坑井掘削用ビット１’は、第１２実施形態に係る坑井掘削用ビット１と同様に、ビットの基体である円筒状のビットボディ２’から主に構成され、このビットボディ２’内には、掘削流体を流通させる流路３’が形成されている。

【0054】

（ビットボディ）
ビットボディ２’は、略従来のＰＤＣビットと同様であり、掘削する坑底の岩盤と接触する下端付近の外表面にダイヤモンド焼結体のチップからなる複数のＰＤＣカッター２０’が固着されている。このビットボディ２’は、この硬質なＰＤＣカッター２０’の刃先により岩石を削り取って破壊しながら坑井を掘削する機能を有している。

【0055】

（流路）
流路３’は、地上や海上に設置されたマッドポンプなどのポンプ（図示せず）と接続され、掘削流体を流通させるための流路である。そして、この流路３’のビットボディ２’の上部には後述のチョークセクション（Choke Section）となる断面積が減少する縮径部が形成されたベンチュリ管ＶＰ１が設けられている。

【0056】

この流路３’も、前述の坑井掘削用ビット１の流路３と同様に、主に第１流路３１’、第２流路３２’、第３流路３３’の３つの流路などから構成されている。流路３’が、前述の坑井掘削用ビット１の流路３と相違する点は、ベンチュリ管ＶＰ１の先に、ビットボディ２’に弾性支持されたピストン４内のチャンバーＣＢを介して分岐している点である。

【0057】

このピストン４は、円筒状のピストン本体４０の先端が縮径されたドロップボール受け部ＤＰ２となっており、そのピストン本体４０がコイルスプリングＳ（つるまきバネ）でビットボディ２’に上下摺動自在に弾性支持されている。そして、ピストン本体４０の内部が、掘削流体を一時的に貯留するチャンバーＣＢとなっている。また、このピストン本体４０には、後述の第２流路３２’と連通するための連通孔４１と、第３流路３３’連通するための連通孔４２が穿設されている。

【0058】

第１流路３１’は、ピストン４のドロップボール受け部ＤＰ２の先からそのまま真っ直ぐ延伸するセンター流路３１ａ’と、このセンター流路３１ａ’から横方向に迂回して分かれる複数のビットノズル流路３１ｂ’など、から構成されている。なお、この第１流路３１’は、従来のＰＤＣビットにも存在する流路である。

【0059】

このセンター流路３１ａ’は、ドロップボール受け部ＤＰ２の先からビットボディ２’の先端中央の下端外表面に設けられたセンターノズル３１ｃ’まで連通する流路である。そして、ビットノズル流路３１ｂ’は、センター流路３１ａ’とビットボディ２’の先端外表面に設けられたビットノズル３１ｄ’とを連通する流路である。

【0060】

また、ビットノズル３１ｄ’は、ビットボディ２の軸芯を中心として略等間隔の半径上に位置するビットボディ２の先端外表面に設けられ、掘削流体を勢いよく吐出してＰＤＣカッター２０’に付着した掘削屑を洗い流す機能を有した吐出口である。

【0061】

第２流路３２’は、チャンバーＣＢと円筒状のビットボディ２の側周外表面とを連通する流路である。この第２流路３２’は、その断面積がベンチュリ管ＶＰ１の縮径部の内径の断面積の１／３６以下まで絞られた流路である。なお、この第２流路３２’の終端は、ビットボディ２’の側周外表面に必ずしも設けられている必要はなく、ビットボディ２’の先端付近を除くビットボディ２’の外表面と連通していればよい。

【0062】

第３流路３３’は、チャンバーＣＢと、ビットボディ２’の先端付近中央と、を連通する坑底付近を減圧するための減圧流路であり、本実施形態では、チャンバーＣＢと第１流路３１’のセンター流路３１ａ’とを連通している。

【0063】

この坑井掘削用ビット１’の流路の切り替えは、ドロップボール受け部ＤＰ２の内径より大きく、ベンチュリ管ＶＰ１の内径より小さい径のゴム弾性体の球体からなるドロップボールＤＢで行う。このドロップボールＤＢは、図６、図７に示すように、ドロップボールＤＢドロップボール受け部ＤＰ２に当接することにより流路を閉塞し、第１流路３１’への掘削流体の供給をストップする。

【0064】

また、前述のように、ピストン４は、コイルスプリングＳで上下摺動自在に弾性支持されているため、ドロップボールＤＢがドロップボール受け部ＤＰ２に当接することにより、ピストン４が押し下げられる構成となっている。

【0065】

そして、ピストン４が押し下げられることにより、円筒状のピストン本体４０に穿設された連通孔４１、連通孔４２も下方に移動することとなり、連通孔４１、連通孔４２が下がったときに、それぞれ第２流路３２’と第３流路３３’に連通する仕組みとなっている。

【0066】

このように、ピストン４がコイルスプリングＳで上方へ付勢されているため、図６に示すように、ドロップボールＤＢでドロップボール受け部ＤＰ２を閉塞して押し下げなければ、連通孔４１、連通孔４２が第２流路３２’及び第３流路３３’とずれて連通しない。このため、第２流路３２’及び第３流路３３’は、閉塞されることとなる。よって、第１流路３１’を開放して掘削流体を第１流路３１’に流通させる掘削モードでは、矢印方向に掘削流体が流通することとなる。

【0067】

この矢印で示す掘削モードでの掘削流体の流れは、従来のＰＤＣビットと同様の流れである。この掘削モードでは、坑井掘削用ビット１’を回転させながら坑底を掘り進み、矢印で示す方向に掘削流体を流すことで、掘削屑（岩石屑）を掘削流体とともに坑底から坑井アニュラス部を通って上方へ排出する。なお、掘削流体は、掘削屑（岩石屑）と共に上昇して地上（又は海上）に戻り、大型ふるい振とう器や遠心式、サイクロン式の固液分離装置によって岩石屑を取り除き、再度、粘性や比重などを調整して、再び坑内へ循環される。

【0068】

次に、図７に示すように、地上よりドロップボールＤＢを掘管内に投入すると、投入されたドロップボールＤＢは、掘削流体の流れによってビットボディ２’内に到達する。このとき、ドロップボールＤＢの外径はベンチュリ管ＶＰ１の内径より小さいためベンチュリ管ＶＰ１を通過する。しかし、下部のドロップボール受け部ＤＰ２の内径はドロップボールＤＢの径より大きいので、ドロップボールＤＢは、ドロップボール受け部ＤＰ２にラッチされ、流路を閉塞することとなる。ドロップボールＤＢでドロップボール受け部ＤＰ２が閉塞されると、ドロップボールＤＢでピストン４が押し下げられる。そして、ピストン本体４０に穿設された連通孔４１、連通孔４２も下方に移動し、チャンバーＣＢと第２流路３２’及び第３流路３３が’連通する。よって、第２流路３２’及び第３流路３３’が開放され、掘削流体を第２流路３２に流通させる減圧モードでは、矢印方向に掘削流体が流通することとなる。

【0069】

このとき、前述のように、第２流路３２’の断面積は、ベンチュリ管ＶＰ１の縮径部の内径の１／３６以下に絞られている。このため、この第２流路３２’とチャンバーＣＢを介して連通する第３流路３３’には、ベンチュリ効果により周囲との圧力差が生じ、矢印で示す方向に掘削流体が吸引される。これにより、坑底近傍の掘削流体が急激に減圧され、前述のように、高温・高圧状態の掘削流体が局所的に減圧沸騰することとなる。よって、蒸発する際の蒸発潜熱で岩盤表面を急冷却して急冷部分と他の部分との熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができる。

【0070】

減圧モードから掘削モードに移行する際は、地上の泥水ポンプでさらに加圧する。加圧することにより、ゴム弾性体からなるドロップボールＤＢが径の小さいドロップボール受け部ＤＰ２をも通り抜けるからである。勿論、再度、減圧モードに移行する際は、２個目の別のドロップボールＤＢを投入すればよい。現実的には、減圧モードと掘削モードの切り替えを定期的に行うため、ある一定間隔でドロップボールＤＢを投入することとなる。なお、ドロップボール受け部ＤＰ２を通過したドロップボールＤＢは、坑井掘削用ビット１’で粉砕される。

【0071】

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る坑井掘削用ビットについて詳細に説明したが、前述した又は図示した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたって具体化した一実施形態を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。

【0072】

特に、本発明を適用するビットとして、ＰＤＣビットを例示して説明したが、図８に示すように、トリコーンビットなどのローラーコーンビットにも本本発明を適用することができる。このとき、前述のように、ローラーコーンビットは、ゴム弾性体等からなるベアリングシール材があり、高熱の地層には使用できないという問題がある。しかし、別途の何らかの方法でベアリングシール材を耐熱性のあるものとすることができれば、ローラーコーンビットに本発明を適用しても、ベンチュリ機構により熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができるのは明らかである。その場合、硬質地層には、より効率的に掘削が可能となる。

【0073】

また、流路の切り替えを、スライドポートとドロップボールで行うものを例示して説明したが、この他、円筒カム機構を利用するものなど、適宜、既知の切り替え手段に切り替えても良いことは云うまでもない。

【0074】

［坑井掘削方法］
次に、図１、図２、図６、図７を用いて、本発明の実施形態に係る坑井掘削方法について簡単に説明する。

【0075】

図１、図６に示すように、本実施形態に係る坑井掘削方法では、超臨界地熱地帯の地層、即ち、熱伝導ゾーン（図４参照）に達するまでは、従来の坑井掘削方法と同様に、掘削モードで通常通り地盤を掘削して行く。このとき、前述のように、掘削流体の泥水の流れによってシャフトを回転させるマッドモーターで坑井掘削用ビット１，１’を回転させてＰＤＣカッターで岩盤を削り取って掘り進む。

【0076】

ＰＤＣカッターで岩盤を削り取った掘削屑（岩石屑）は、掘削流体で坑底から上方へ押し流して排出する。なお、掘削流体は、掘削屑と共に上昇して地上に戻り、大型ふるい振とう器や遠心式、サイクロン式の固液分離装置によって岩石屑等を取り除いた上、再度、粘性や比重などを調整して、再び坑内へ循環させる。

【0077】

そして、超臨界地熱地帯の地層に達すると、図２、図７に示すように、掘削流体を第２流路３２，３２’に流通させる減圧モードに切り替える。具体的には、掘進速度が、例えば1時間当たり1m以下あるいは0.5m以下になるような深度に達すると超臨界地熱地帯の地層に達したと判断し、減圧モードに切り替える。勿論、温度や圧力の測定などの他の方法で、超臨界地熱地帯の地層に達したと判断しても良いことは云うまでもない。

【0078】

減圧モードでは、前述のように、ベンチュリ効果により坑底付近が急減圧されて高温・高圧状態の掘削流体が局所的に減圧沸騰することとなる。よって、その蒸発の際の蒸発潜熱で岩盤表面を急冷却して急冷部分と他の部分との熱応力差で岩盤に亀裂を発生させることができる。

【0079】

本実施形態に係る坑井掘削方法では、短時間のうちに、この減圧モードと掘削モードを交互に繰り返す。短時間に繰り返すことにより、岩盤表面を減圧による急冷、放置による加熱の温度変化を急激に行うこととなり、岩盤の熱応力差による強度の脆化を引き起こし易いからである。

【0080】

なお、減圧モードと掘削モードを交互に繰り返すとは、必ずしも、減圧モードと掘削モードが１度ずつ交互に行われる場合のみを指すものではない。即ち、減圧モード→小休止→減圧モード→掘削モードというように、短時間のうちに、減圧モードによる減圧急冷→放置→減圧急冷を繰り返すことを含む趣旨である。

【0081】

その後、本実施形態に係る坑井掘削方法では、掘削モードで岩盤を再度掘削する。このとき、前工程で岩盤が脆くなっているので、坑井掘削用ビット１，１’のＰＤＣカッターに負担を掛けることなく掘削が可能となる。よって、本実施形態に係る坑井掘削方法によれば、高温かつ硬質の岩盤地層を効率よく掘削することができ、坑井掘削用ビット１，１’の交換頻度を低減して坑井掘削費用を低減することができる。

【符号の説明】

【0082】

１，１’ ：坑井掘削用ビット
２，２’ ：ビットボディ
２０’ ：ＰＤＣカッター
３，３’ ：流路
３１、３１’ ：第１流路
３１ａ，３１ａ’ ：センター流路
３１ｂ，３１ｂ’ ：ビットノズル流路
３１ｃ，３１ｃ’ ：センターノズル
３１ｄ，３１ｄ’ ：ビットノズル
３２、３２’ ：第２流路
３３、３３’ ：第３流路
ＳＰ１，ＳＰ２ ：スライドポート
ＣＢ ：チャンバー
４ ：ビストン
４０ ：ピストン本体
４１，４２ ：連通孔
Ｓ ：コイルスプリング
ＶＰ，ＶＰ１ ：ベンチュリ管
ＤＢ ：ドロップボール
ＤＰ ：ドロップボール受け
Ａ ：チョークセクション

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】