「ちきゅう」コアバーレルの泥水循環試験及び掘削性能試験について

全地連「技術ｅ-フォーラム2009」松江
【103】
「ちきゅう」コアバーレルの泥水循環試験及び掘削性能試験について
1. はじめに
(独)海洋研究開発機構
○和田
一育
(独)海洋研究開発機構
眞本
悠一
(株)エヌエルシー
児玉
伸一
(1) SD-RCB
現在，
（独）海洋研究開発機構では，統合国際深海掘削
前述したように，244mm(9-5/8”)ケーシングを設置し
計画(IODP : Integrated Ocean Drilling Program)に参画し，
た後に使用することを想定したコアバーレルである。コ
地球深部探査船「ちきゅう」を建造，2007年9月より研究
ア ビ ッ ト は 244mm(8-1/2”)PDC も し く は Impregnated
航海を進めている。その中で，地震発生メカニズム，過
Diamond Bit (IDB) が用いられる。インナーバーレルは
去の地球環境変動，地球内部構造及び地殻内生物圏を解
PQ3コアバーレルを改良している。
明するため，コアバーレルを用いた地層採取を重要な研
究手段として位置付けている。これらの研究に資するた
め，本機構においても試料（コア）の回収率や品質の向
上を目指した研究開発を進めている。本稿では，平成20
年度に実施した高比重泥水による泥水循環試験及び掘削
性能試験について報告する。
3. 泥水循環試験について
大深度掘削や破砕帯のコアリングでは，逸泥や暴噴防
止のため，高比重泥水や逸泥防止剤(LCM)が使用される。
実際のトラブルの時，的確な対処／オペレーションを実
施するためには，高比重泥水及び LCM に対するコアバ
ーレルの性能評価が必要となる。なお泥水循環試験及び
2. 「ちきゅう」で使用されるコアバーレルについて
地球深部探査船「ちきゅう」におけるコアリングは，
地層の硬さや固結の度合いに応じて主に３種類のコアバ
ーレルを使い分けている。今回，泥水循環試験及び掘削
性能試験を行ったのは，硬い地層を対象とした
掘削性能試験とも，茨城県常陸大宮市にある(株)エヌエ
ルシー工場内の敷地で実施している。
(1) 試験概要
実際のコアバーレルを水平に設置し，高比重泥水を泥
水ポンプで循環させた（写真-1）。
RCB(Rotary Core Barrel)と SD-RCB(Small Diameter RCB)
の２つである（表-1）。これらは，孔内にセットされるケ
ーシングの径によって使い分けられ，244mm(9-5/8”)ケ
ーシングを設置するまでは RCB，設置以降は SD-RCB を
用いる。
今回の試験は，地層や泥水に対するコアバーレルの性
能を把握することにある。この性能を把握することによ
り，掘削中の安全確保だけでなく，今後計画されている
大深度においての適切なコアリングが可能となり，コア
の回収率向上にも役立てることが可能となる。
表-1
コアバーレル
要目表
OD(mm)
Length(m)
Inner
OD(mm)
RCB
59
9.5
100
214
泥水比重は1.15，1.35，1.55を950l/min の流量で20時間
SD-RCB
85
4.75/9.5
97
171
実施，圧力の変化・試験後の摩耗計測を実施した。LCM
Core Trim
Outer
OD(mm)
掘削深度700ｍ以深での堆積層で，中質から硬質岩のコ
ア採取を目的としたコアバーレルである。互換性の問題
から ODP(IODP の前身:米国主体の海洋掘削計画)と同じ
コアバーレルを一部改良して採用している。コアビット
270mm(10-5/8")PDC(polycrystalline
diamond
compact) ビットが用いられる。コア回収率は平均して
50％以下と低く，特に破砕帯や砂層におけるコアの回収
が非常に小さいのが難点である。
コアビットから噴出する泥水
試験は比重1.35においてテルマイカを適宜投入し，圧力
(1) RCB
は
写真-1
や流量の変化を計測した。泥水は KCl-NaCl/PPG/Polymer
泥水を使用（ファンネル粘性300～500秒＜1500cc→946cc
＞），pH10～11である。
(2) 試験結果
20時間循環試験の結果，比重1.55でもポンプ圧力は
5MPa 以下であり問題なく使えることが判明した（図-1）。
LCM 試験については，RCB は３％程度まで使えるこ
とが試験結果から判明したが，SD-RCB については狭隘
部に逸泥材料が詰まり流路部が閉塞したことから，今後
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改良が必要なことが判明している。
から，対象地盤に応じた細かなビット開発及び掘削時に
おける選定が必要と思われる。
図-1
図-2
各ケースにおける泥水圧力
摩耗については，RCB 及び SD-RCB とも泥水バイパス
部に摩耗が見られた。特に SD-RCB インナーバーレルを
安定させるスタビライザーは，電気腐食の影響も加わっ
たとも思われ大きな欠損が見られた（写真-3）。
写真-3
スタビライザーの欠損
掘削性能試験の概要図
ビット荷重については，荷重が大きい場合ほど回収率
も高く品質も良かった。その原因として，ビット荷重が
小さい場合，掘進率が小さくなるため，逆にコアが長時
間にわたってビット先端部分にとどまり，その結果ビッ
トの影響を受け，折損や径落ちとなったと推測される。
写真-4
RCB 用 PDC ビット（コアリング直後）
４. 掘削性能試験について
(1) 試験概要
(株)エヌエルシー工場内の敷地内に試験用の縦坑（直
径1ｍ）を設置，内部にコア採取用の岩石を置きコアの採
取を行った。使用した機器は NLC 製センターホールマシ
ン，EMSCO 製 D375泥水ポンプである（図-2）
。
試験では，ビット荷重，ビット回転数，2種類のコアバ
ーレル，2種類のコアビット(PDC 及び IDB)，2種類の岩石
（大谷石及び安山岩）を掘削パラメータとして変更して実
施している。
(2) 試験結果
コア回収率について，総じて90％以上と高い値を示し
たが，一部のケースにおいて回収率が悪かった。RCB に
おいては安山岩の場合で IDB のケース，SD-RCB について
写真-5
RCB 用 PDC ビット大谷石での採取コア
5. 最後に
今後もコアビット，コアバーレルの改良を進め，高比
重泥水，LCM 投入に耐えうる大深度掘削用ためのコアリ
ングシステムを開発していく予定である。
は IDB を使用した場合であった。原因はコアビットと対
《引用・参考文献》
象岩石が適合していなかったためと思われる。この結果
1) ボーリング用泥水，沖野文吉，技報堂出版