Remote controlled wire line core sampling device

本発明は、沈座式ボーリングマシンを使用して海底の基盤岩及び沈殿物調査のためのコアバレルを備えた遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置に関する。

海底サンプリングは海底面から線状に試料を採取するドレッジ、海底面の一定の場所から一定の広さの試料を採取するグラブなどを利用した海底面の試料を採取する方法と海底面から一定の深さの試料を採取する方法がある。 海底面からの深さを持つ試料を採取する場合に一般的に用いられる方法はコアラーと呼ばれる器具を用い海底面の底質にコアバレルと呼ばれる採取管を突き刺して試料を採取するものである。 しかしコアラーはコアラー自身の重力と初期貫入速度を利用するもので軟弱な地盤で最大１０数メートルの貫入を得ることができるが、砂層や多少固めの地層にはその能力を大幅に減ずることが問題であり、底質が岩質の場合には採取が不可能であった。

図６は従来のアンダーグラウンド用に用いられるオーバショットアセンブリを示す。 リフティングドッグ９はリフティングドッグスプリング１０により閉じる傾向を与えられている。 オーバショットアセンブリはピストン３３でボーリングロッド内壁と接し上部からの給水圧力により孔底に押し込まれるが、そのときバルブスリーブ３１をバルブスプリング３２に抗して図６上半のように人力でセットされ水路３４の出口を塞ぐことにより圧力の上昇を期待できる。 このときバルブスリーブ３１の先端は把持部材ハンドル９−２の肩部９−１にある。 リフティングドッグ９がスピアヘッド２５と噛み合うときリフティングドッグ９先端が開きリフティングドッグハンドル９−２が縮小するのでバルブスリーブ３１は図６下半のようにバルブスプリング３２の力によって最下部までスライドし、このとき水路３４の出口を開放するので給水圧力の低下が見られリフティングドッグ９がインナチューブアセンブリ２のスピアヘッド２５に嵌合したことを知ることができる。 このときリフティングドッグハンドル９−２はバルブスリーブ３１に開けられたリフティングドッグハンドル用窓に位置し、リフティングドッグ９の先端を開いてインナチューブアセンブリを取り外すときは手でリフティングドッグハンドル９−２を挟んで開く。

図７は従来のアンダーグラウンド用ウォータスイベルアセンブリを示す。 ボーリングロッドの最上部にねじ接続され、回転するスピンドル３５はボールベアリング３６により非回転部分と縁を切ってありパッキングセット３７によって回転部分と非回転部分の間で水密性を保っている。 給水ホースはパイプブッシング３８に取り付けられ、ワイヤロープは頂部の小孔４１を通りワイヤロープパッキング３９で水密性を保持しながら管内に通じている。 ワイヤロープを巻き上げるときは図示しないウインチによりロープシーブ４０を介して巻き上げる。

重力や貫入速度のみにより底質に貫入する一般的なコアラーに比較すると沈座式ボーリングマシンは回転装置と給進装置を持ち先端のコアビットを回転して掘削しながらコアバレルを底質に回転貫入させることができるため底質の硬軟を問わず資料採取が可能であり海底サンプリングとしては大きな能力を発揮できるものである。 沈座式ボーリングマシンはコアバレルを何回も出し入れしなければ連続したコアサンプリングができず、そのたびにコアバレルとボーリングロッドの揚収と再挿入を繰り返す必要があった。 揚収の一例は次の行程を行うことであり、再挿入は逆の行程を行うことである。 掘削深度により揚収及び再挿入の回数は幾何級数的に増加するため、沈座式ボーリングマシンの作業はワイヤロープでつながれている船の操船上の難しさや作業時間の制限などからコアサンプリングが可能な深さに限界が存在した。 その操作作業順序は、
ボーリングロッド引抜―ボーリングロッドねじ解き―チャック開放・ドリルヘッド上昇―マニピュレータによるロッド移動・収納―ドリルヘッド下降―チャック閉―戻る
である。

また、従来のコアサンプリングではコアバレルの有効長さだけサンプルを採取するごとにコアバレルとボーリングロッドをボーリング孔に出し入れするためボーリング孔の孔壁が崩壊して新しく挿入したコアバレルが孔底に達し得ない場合もあり、崩壊した孔壁が孔底に流下して採取試料に混入するため試料の質を低下させるなど、その対策は難しいものであった。
一方地上で行われるワイヤラインコアサンプリングは先端にコアビットを取り付けたコアバレル外管とボーリングロッドを揚収せず試料の入ったインナチューブアセンブリのみをオーバショットの投入とワイヤラインケーブルの操作で地上の機械部分に揚収し、新しいインナチューブアセンブリをボーリングロッド内に落下させて自動的に先端のコアバレルに装着させるもので、沈座式ボーリングマシンにこのシステムを利用できればボーリングロッドの揚収・再挿入の作業が省略され上述の孔壁崩壊の問題も解決できることとなるため導入が期待されていた。
しかし地上で行われるワイヤラインコアサンプリングはインナチューブアセンブリの投入やオーバショットとインナチューブアセンブリの切り離しなど人力による操作が必要であった。 したがって海底で行われる沈座式ボーリングマシンにおいてワイヤラインシステムの採用は実現していなかった。

また、従来から知られるものとして、一般的なワイヤラインサンプラの回収装置が記載されている（特許文献１）。 またラッチスプリングを備えた拡縮自在のラッチを内蔵する摺動チューブ、この上端に配置する係合部材（スピアヘッド）及びこの係合部材を把持するオーバショットアッセンブリなどが記載されている（特許文献２）。

特開平７−１１８６０号公報（図３）

特許第２９０３３５０号公報（図４）

本発明は、前述のような従来のボーリングマシンと地上で行われているワイヤラインコアサンプリング器具を改造し、海底で行われる沈座式ボーリングマシンにワイヤラインシステムを採用することにより作業の効率化と孔壁の保全によるコアサンプルの品質改善に資するものである。
ワイヤラインコアサンプリングシステムの遠隔操作化には従来の沈座式ボーリングマシンの性能に加えて地上で人力により処理されている下記の作業を代替する性能を備えなければならない。
オーバショットアッセンブリの投入と回収インナチューブアセンブリの投入と回収 また、船上の投入・揚収設備及び海底面での外力からの安定性の関係からできるだけ高さをとらないボーリングマシンが要求される。

本発明は、沈座式ボーリングマシンを使用し、地上で行われているワイヤラインコアサンプリング器具を改造し、ワイヤラインシステムを採用することにより作業の効率化と孔壁の保全を図ることを課題とする。
本発明の課題は、深海においてコアサンプラーの交換が簡易にできる遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置を提供することである。
本発明の課題は、初めて人力による操作を必要としない遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置を提供することである。

本発明の前記課題は、以下の構成によって達成できる。
ボーリングマシンのチャックに把握されるボーリングロッドとその先端に地盤を環状に掘削するビットを備えたワイヤラインコアバレルとその内部に着脱可能に内蔵されたインナチューブアセンブリと、インナチューブアセンブリの上端部に係合する機能を備えたオーバショットアセンブリを使用するワイヤラインコアサンプリング装置において、上部と下部とに給水口を設け、その中間にピストン付のオーバショットアセンブリを内蔵、常駐させたオーバショット内蔵型ウォータスイベルを使用する遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置の構成である。

また、前記課題は、上部と下部とに給水口を設け、その中間にピストン付オーバショットを常駐させたウォータスイベルを配置し、前記一方の下部給水口からの流体の流入により先端に配置したコアビットの回転掘削により発生する切削熱を冷却し同時に掘削屑（スライム）を孔底から洗浄、除去し、一回のサンプリング終了時に上部給水口からの流体の流入により、オーバショットアセンブリを先端まで降下させ、リフティングドッグでインナチューブアセンブリ上部のスピアヘッドと係合し、インナチューブアセンブリのみ上昇させて交換して未使用のインナチューブアセンブリを再度下降可能にした遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置の構成によって達成できる。

以上の構成によって本発明の遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置は次のような効果を達成できる。
注水口を２箇所設けた新しいウォータスイベルを考案し下部の注水口からはボーリングにおいてビット冷却と孔底からのスライム排除に利用されるボーリング用水を供給することにし、新しいピストン付のオーバショットアセンブリはウォータスイベル内に常駐し、上部の給水口からボーリングポンプの圧力水が供給されたときにボーリングロッド内を下降して孔底のコアバレル上部に達し、リフティングドッグでインナチューブアセンブリ上端にあるスピアヘッドが掴まれる。

コアバレルのコア資料採取長さと同じ有効長さのボーリングロッドを使用し、ボーリングロッドより長いコアバレルとインナチューブアセンブリを挿入あるいは収納するため一時的にその長さをボーリングマシンのドリルヘッドが上昇するリフト機構を備えている。
ボーリングロッド掘削時には回転トルク反力を必要とするためドリルヘッドのリフトが復元した状態以降に最初のコアバレル先端のコアビットが海底面に接するように機械高さを調整した。

沈座式ボーリングマシンによるコアサンプリングは先端のビットを回転させ給進することにより底質を環状に切削し内部に残したコアサンプルをコアバレルに収納して行われる。 その場合刃先であるコアビットの切削熱の冷却と切削されたスライム(切り屑)を洗い流すためにマシン部のポンプからデリバリーホースを接続したウォータスイベルを通じてボーリング用水を中空管であるボーリングロッドの内部を利用して孔底に供給される。 ウォータスイベルはホースから回転するボーリングロッド内部に給水するためパッキングと回転軸受けを備えた回転自在の器具である。

コアバレルの採取長さだけ掘削するとコアバレルを交換するが従来のボーリングではそのたびにボーリングロッドを全て揚収し先端のコアバレルを交換していた。 新しいコアサンプリングはワイヤラインコアバレルを使用しビットが装着されたコアバレル外管とボーリングロッドは揚収することなくコア試料を収納したインナチューブアセンブリのみをワイやラインで取出し、未使用のインナチューブアセンブリと高官することに行われる。
本発明の遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置は、インナチューブアセンブリのインナチューブ２２が試料で満たされるとき、コアバレル外管とボーリングロッドはそのままの状態でオーバショットを水圧により下降させてコアサンプルを収納しているインナチューブアセンブリのみを引き出して収納し、新しい未使用のインナチューブアセンブリを孔底に落下させてコアサンプリングを再開するものでボーリングロッドの揚収と再接続の作業が省略できる。

遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置の発明は水中など人力による作業が不可能である環境においてワイヤラインコアサンプリングを可能とした。 これにより掘削深さにかかわらずボーリングロッドの揚収と再挿入時間を省略することができる。 また、コア試料回収後は順次その掘削深さから次の掘削作業を敏速且つ容易に行うことができるようになった。 更には、コア試料の回収が容易にできるため、コアバレルやボーリングロッドの長さは、それあｒの揚収や再挿入における手間を考慮する必要がなく、必要最少限まで短くしてコアサンプリング装置全体の大きさを小型化できる。
また、コアバレル有効長さだけ掘進するごとに揚収と再挿入を行うことによる孔壁の崩壊を防止することができ安全なボーリング作業が可能となった。
以上の効果によりボーリング作業の能率が上昇し時間的な制限が考慮される沈座式ボーリングマシンの質の向上に寄与することが期待される。
本発明は、ワイヤラインコアサンプリングの遠隔操作及び自動操作化に道を開くものであり、一般地質調査での省力化・自動化に寄与する。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。
図１は本発明の遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置に使用するオーバショット内蔵型ウォータスイベルアセンブリの説明図である。 図２は本発明の装置に使用するドリルヘッドリフト装置の動作を説明する概略図である。 図３はワイヤラインコアバレル全体の組立総体図である。 図４はそのうちオーバショットによって引き上げられるインナチューブアセンブリを示している。 図５は沈座式ボーリングマシンの全体図である。 図６は地上で行われる従来のワイヤラインサンプリングに使用されるアンダーグラウンド用オーバショットであり、図７は地上で行われる従来のワイヤラインサンプリングに使用されているアンダーグラウンド用ウォータスイベルを示す。

地上で行われるワイヤラインコアサンプリング装置は、垂直ボーリング用と水平ボーリング用とに器具が製作され、後者はアンダーグラウンド用と総称される。 アンダーグラウンド用器具は重力による孔底への落下が期待できないためボーリングポンプにより吐出される水圧と水量を利用してピストン付のコアバレルやオーバショットを孔底に送り込んでいる。

地上で行われる垂直ワイヤラインコアサンプリングでは図３に示されるワイヤラインコアバレルを使用しその上にボーリングロッドを接続して図に示されないウォータスイベルを用いて掘削される。 図３に示すボーリングロッドにおいて、インナチューブアセンブリを取り出すときはウォータスイベル１８を取り外し自重で落下する通常型オーバショットに細いワイヤロープを取り付けて孔底のインナチューブヘッドまで落下させワイヤロープの緩みで着底を確認してからワイヤロープを図示しないウインチで巻き取りインナチューブアセンブリを引き上げる。 地上ではインナチューブアセンブリを人力で保持しながらリフティングドッグ９を手で外してインナチューブアセンブリを収納する。
アンダーグラウンドワイヤラインサンプリングではインナチューブアセンブリ自体もピストンつきで水圧により孔底まで押し込まれる。

図４に示されるインナチューブアセンブリはラッチ２３がラッチスプリング２４により開かれてコアバレル外管１１の凹部に入り固定される。 試料がインナチューブ２２に満たされたときワイヤロープ８を取り付けたオーバショット（図１参照）を降下させオーバショットのリフティングドッグ９がスピアヘッド２５を掴み、図示しないウィンチを作動させてシーブ７を介してインナチューブアセンブリが引き上げられる。

本発明は図３および図４に示されたコアバレルアセンブリをそのまま利用し、オーバショットを内蔵・常駐させたウォータスイベルを新しく設置して遠隔操作によるワイヤラインコアサンプリングを行うことができる。

図１は本発明の遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置に使用するオーバショット内蔵型ウォータスイベルアセンブリである。
スピンドル１はドリルヘッド２８の回転スピンドルに水密にねじなどで取り付けられる。 ハウジング１１には下部に掘削給水口３と上部にオーバショット給水口４があり、その間の中空部に内蔵型オーバショットアセンブリ５が収納されている。 掘削時には掘削給水口３からボーリング用水を送り込む。 掘削終了後、インナチューブアセンブリを取り出すときはオーバショット給水口４より給水し、内蔵型オーバショットアセンブリ５のピストン６を押し下げてオーバショットアセンブリを孔底に送り込む。 掘削給水側には図示しないチェックバルブが設けられておりオーバショット給水が掘削給水側に流出しない構造を形成する。 内蔵型オーバショットアセンブリ５の上部にはワイヤロープ８が連結され、シーブ７を介して図示しないウィンチにつながっている。

図２は本発明の装置に使用するドリルヘッドリフト装置である。
ドリルヘッド２８はフレーム１５、リフトシリンダ１６、ガイド１７、回転駆動用のオイルモータ１９、ギヤケース２０および油圧チャック２１から構成されオーバショット内蔵型ウォータスイベル１８が取り付けられている。
図２ａは掘削作業時の状態であり、図２ｂはリフトシリンダ１６によりドリルヘッド回転部が上昇した図である。 リフトはボーリングロッドより長いコアバレルおよびインナチューブを挿入あるいは収納するときに利用される。 リフト高さはボーリングロッド長さとコアバレル長さの差であるように定められ、リフトシリンダが元の位置に戻ったとき以降に先端ビットが掘削位置にあるように機械の高さを定めてある。

図５は沈座式ボーリングマシンを示す。 ２６は姿勢制御ジャッキで船上から吊り下ろされ着底後機械の姿勢を整える。 ドリルマスト２７のスライドベース上をドリルヘッド２８が図示しない給進装置によって上下動する。 マニピュレータ２９はパイプ棚３０とドリルヘッド掘削芯位置との間で掘削具などを移動させるマシンハンドである。 パイプ棚３０はマニピュレータ２９に供給あるいは受け取る棚位置を規定する。 ユーティリティ４２は電動油圧装置やコンピュータなどを含む。

本発明に使用する沈座式ボーリングマシンによるワイヤラインコアサンプリングは次の順序で行われる。
マニピュレータ２９によるワイヤラインコアバレルのパイプ棚３０からの取出しと掘削芯への移動。 この際ドリルヘッド２８は図示しない給進装置によってドリルマスト２７の最高位置に移動しドリルヘッドリフト装置により挿入空間を確保する。
ドリルヘッド２８のコアバレルチャック位置へのリフト下降、チャック閉、マニピュレータ後退の後、リフトが下降してコアバレル先端が海底面に到達し、その後ボーリング用水の給水と回転を開始してコアバレルを有効長さだけ掘削する。

オーバショット給水口４から給水を開始し内蔵型オーバショットアセンブリ５を孔底へ送り込む。 給水圧力の上昇により孔底到着を検知し、ドリルヘッド２８はドリルマスト２７の最上部に移動しリフト装置によりインナチューブアセンブリを取出す高さを確保する。 図示しないウィンチを駆動してワイヤロープ８を通じて所定位置まで内蔵型オーバショットアセンブリ５を吊り上げマニピュレータ２９の主ハンドでインナチューブアセンブリを保持した後に副ハンドでリフティングドッグ９を開いてワイヤロープ８巻き取りにより内蔵型オーバショットアセンブリ５を上昇させる。 マニピュレータ２９はパイプ棚３０に使用済インナチューブアセンブリを収納し、未使用のインナチューブアセンブリを取り出して掘削芯位置に移動しコアバレル内あるいはボーリングロッド内に落下させる。
マニピュレータは新しいボーリングロッドをパイプ棚３０から取出し掘削芯に移動してドリルヘッド下降、チャック閉の後に後退する。

ドリルヘッドはコアバレル上部にボーリングロッドをねじ接続後にボーリング給水と回転を開始して掘削する。
掘進完了後は内蔵型オーバショットアセンブリ下降の工程に戻り、繰り返して掘削する。
所定の深度まで掘削を完了するとドリルヘッド２８と図示しないホルダにより順次掘削したボーリングロッドのねじを解き、マニピュレータ２９によってパイプ棚３０に収納する。

本発明の遠隔操作ワイヤラインコアサンプリング装置は、深海における資源探査や学術調査におけるコアサンプリングなどのように、自動的若しくは半自動で運用されるコアサンプリング装置に使用されるもので、沈座式ボーリングマシンに接続して効率的に短時間にコア試料を収納するインナチューブアセンブリの交換ができる。

本発明の沈座式ボーリングマシンに使用するオーバショット内蔵型ウォータスイベルアセンブリの要部断面概略図である。

本発明の沈座式ボーリングマシンに使用するドリルヘッドリフト装置の説明図である。

本発明の沈座式ボーリングマシンに使用するワイヤラインコアバレルの組立総体図である。

本発明の沈座式ボーリングマシンに使用するインナチューブアセンブリの説明図である。

本発明の沈座式ボーリングマシンの設置総体図である。

地上で行われるワイヤラインコアサンプリングに使用する従来のアンダーグラウンド用オーバショットアセンブリ説明図である。

地上で行われるワイヤラインコアサンプリングに使用する従来のアンダーグラウンド用ウォータスイベルアセンブリの説明図である。

符号の説明

１ スピンドル ２ ベアリングハウジング ３ 掘削給水口４ オーバショット給水口５ 内蔵型オーバショットアセンブリ６ ピストン７ シーブ８ ワイヤロープ９ リフティングドッグ９−１ 肩部９−２ ハンドル
１０ リフティングドッグスプリング１１ ハウジング１２ ベアリング１５ フレーム１６ リフトシリンダ１７ ガイド１８ オーバショット内蔵型ウォータスイベル１９ オイルモータ２０ ギヤケース２１ 油圧チャック２２ インナチューブ２３ ラッチ２４ ラッチスプリング２５ スピアヘッド２６ 姿勢制御ジャッキ２７ ドリルマスト２８ ドリルヘッド２９ マニピュレータ３０ パイプ棚３１ バルブスリーブ ３１-1 リフティングドッグハンドル用窓３２ バルブスプリング３３ ピストン３４ 水路３５ スピンドル３６ ボールベアリング３７ パッキングセット３８ パイプブッシング３９ ワイヤロープパッキング４０ ロープシーブ４１ ワイヤ孔４２ ユーティリティ