液中地層の掘削方法及び装置

【課題】液中におけるレーザ照射によって液中の地下資源賦存層などの地層を掘削することが可能な地層の掘削技術を提供する。
【解決手段】レーザ伝送手段20によって伝送されたレーザを、液90への吸収率のよい波長を有するレーザとして、レーザ誘起気泡発生手段35から液90中に照射して気泡流36を発生させ、レーザ誘起による破壊作用力を用いて液中に存在する地層を掘削する。また液90への吸収率の低いレーザ41をレーザ照射手段39から照射して気泡流36中を透過させて熱作用力を地層に加えて岩石を破壊し地層を掘削する。これらの両方の作用力を協働させることもできる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は液中地層の掘削方法及び装置に関し、基本的には、液中に存在する地下賦存資源開発等のために用いられる技術であるが、さらに広く土木、建築分野にも適用可能な技術であって、液中でのレーザ照射による液中地層の掘削技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、地層ボーリング等地層の掘削技術には、液中であると気中であるとを問わず、回転力によるもの、衝撃力によるもの、ウオータジェットによるもの等がある。
【0003】
回転力によるものは、地盤ボーリング装置の削進ビットを用いる技術である(例えば、特許文献1参照。)。この技術は、回転駆動軸の先端に削進ビットを備え、削進ビットの回転、推進によって地盤を掘削するものである。地盤を掘削する削進力の発生源は、回転トルクである。石油・天然ガスの開発における地盤の掘削技術では、この回転力による技術が主流となっている。
【0004】
衝撃力によるボーリング技術は、例えば、坑底駆動型パーカッションドリルを用いる技術である(例えば、特許文献2参照。)。この技術は、ドリルストリングの先端部に設けられたさく孔ビットに打撃または回転・打撃を与えてさく孔するものであり、地盤の削進力発生源は、主として打撃力であり、これに回転トルクが加わる。
【0005】
ウオータジェットによる地盤掘削技術としては、立孔掘削工法及び装置がある(例えば、特許文献3参照。)。この技術は、ウオータジェットを利用してケーシング端面に設けた垂直ノズルから噴射される高圧噴流により立孔を掘削する立孔掘削工法であり、ウオータジェットの発生源は、高圧ポンプである。
【0006】
近年、液中の地下資源開発等において、地盤掘削のため、レーザを用いることが検討されている。この技術は、液の透明度が高く、レーザが液中を効率よく透過する場合には、有効な手法である。しかしながら、透明な液中における地盤へのレーザ照射において、初期の段階では、レーザは地盤に到達して地盤を溶融・蒸発させることが可能となるが、地盤の溶融・蒸発が進行するにつれて、液が濁り出し、レーザが地盤に到達する前に濁った液に吸収され、目標となる地盤に到達できない問題がある。このように不透明な液中でレーザによる地盤をボーリングすることは、困難と考えられている。
【0007】
液中でレーザ照射すると、気泡が生じ、衝撃波が発生することが知られている(例えば、非特許文献1、2参照。)。
【0008】
また、レーザの波長帯と液への吸収率には密接な関係があることも知られている(例えば、非特許文献3参照。)。
【0009】
また、不透明な液中を通るレーザについて、キャビテーション効果によって、本来液中の伝送性のよくないパルスレーザビームを、効率よく伝送できることも知られている(例えば、非特許文献4参照。)。
【0010】
さらに赤外レーザ照射によって生体軟組織が蒸散し、その中をレーザが効率よく伝送されることも知られている(例えば、非特許文献5参照。)。
【特許文献1】特開2002−276276号公報(第2−4頁、図1)
【特許文献2】特開2003−184469号公報(第2−4頁、図2)
【特許文献3】特開2003−239668号公報(第2−5頁、図1)
【非特許文献1】SPIE Vol.3254:1998年1月発行:p168〜179, Alfred Vogel 他:Energy balance of optical breakdown in water (液中でレーザ照射した場合のエネルギバランスに関する論文)
【非特許文献2】SPIE Vol.3254:1998年1月発行:p180〜189, Alfred Vogel 他:Shock wave energy and acoustic energy dissipation after laser−induced breakdown (レーザ誘起破壊後の衝撃波エネルギー及び音響エネルギーの消失)
【非特許文献3】光ファイバの最新応用技術:2001年8月発行:P30−31 図25 波長帯一伝送損失の水分量依存性(レーザ波長帯と水への吸収率についての図)
【非特許文献4】A.Saar,D.Gal 1987発行:American institute of Physics P1556: Transmission of pulsed laser beams through opaque liquids by a cavitation effect (キャビテーション効果による不透明液中を通るパルスレーザビームの伝送)
【非特許文献5】T.IEE Japan Vol.114−C,NO.5,’94:荒井恒憲: 赤外レーザ照射による生体軟組織の蒸散機構
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は、レーザを使用して、地下資源賦存層などの液中の地層を掘削する新規な技術を提供することを目的とする。
【0012】
液の透明度の高い場合は、レーザは、液中においても波長によりある程度の距離は透過するが、地層の掘削につれて掘削層によって液の濁度が大きくなると、レーザが液中を透過しなくなる問題がある。
【0013】
また、レーザ発振器からファイバで伝送されたレーザは、伝送距離が長距離に及ぶとファイバに入射したエネルギが減衰し、地層の掘削に十分必要なエネルギを照射できなくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする液中地層の掘削方法である。すなわち、本発明は、液中でのレーザ照射により発生する第1のレーザの誘起力及び/又は液中でのレーザ照射により発生した気泡中を透過する第2のレーザの熱作用により、液中の地層を掘削する。
【0015】
本発明において、レーザ誘起力とは、レーザを液中で照射した場合に、レーザ誘起現象に基づいて発生する機械的な破壊力を云う。
【0016】
前記第1のレーザの誘起力は、衝撃波、ジェット流、気泡流若しくは音波、又はこれらの2以上の現象の複合に基づく作用力によって得られる。
【0017】
前記第1のレーザは、パルスレーザ又は断続照射された連続波レーザを用いるとよい。パルスレーザ又は断続照射された連続波は、液中で、レーザ誘起によって生ずる衝撃波、ジェット流、気泡流又は音波を効率よく発生することができる。
【0018】
一方、前記第2のレーザは、パルスレーザとしてもよく、連続波レーザとしてもよく、またこれらを併用してもよい。
【0019】
また、前記第1、第2のレーザは、一方又は両方ともそれぞれ固体レーザとすると好ましい。固体レーザは、ファイバレーザ、ロッド型及びディスク型レーザ、YAGレーザ、スラブ型レーザ、半導体レーザ等のレーザである。これらは、電力を供給すれば発振するレーザであるため遠隔操作が容易である。また、固体レーザ発振装置は小型化が可能であり、パイプ等の内部に収納できるため、坑内設置方式をとることができる。
【0020】
パルスレーザによる気泡生成については入射エネルギー集中が液のブレークダウン(破壊)を起し、高温高圧のプラズマと液の蒸気により気泡が急激に成長し衝撃波が発生する。パルスレーザを用いて、レーザ誘起衝撃波、レーザ誘起ジェット流、レーザ誘起気泡流又はレーザ誘起音波を発生させ、これらの作用力により液中の地層を破砕する。
【0021】
また、レーザを高強度で放射すると出射端近傍に気泡が形成される。この気泡の中をレーザを透過させてレーザを地層に照射しレーザにより液中の地層を掘削することができる。パルスレーザでは気泡が消滅するより速い速度でパルスを生起させるとレーザ誘起衝撃波による作用力を発生させることができる。
【0022】
次に、上記本発明方法を好適に実施することができる本発明の装置は、
(a)パルスレーザ及び/又は連続波レーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長からなる群から選ばれた1又は複数のパラメータを調整可能な第1のレーザ発振手段、及び/又は
(b)パルスレーザ及び/又は連続波レーザを出力し、レーザ周波数及びレーザ波長調整可能な第2のレーザ発振手段、
(c)レーザ伝送手段、並びに
(d)レーザ照射手段
を備えたことを特徴とする液中地層の掘削装置である。
【0023】
本発明の装置は、上記第1のレーザ発振手段と第2のレーザ発振手段の一方又は両方を備える。両方を備えて作用を協働させると、相乗効果を奏するので好ましい。以下、第1のレーザ発振手段と第2のレーザ発振手段を総称してレーザ発振手段という。
【0024】
レーザ照射手段はレーザを照射したときに種々の効果を得るために用いられる手段であって、例えば、レーザ誘起による衝撃波、ジェット、気泡流、音波などが最も効率よく発生するように、レーザ照射部の形状、大きさ、その他を変更し、あるいは、液に吸収されにくいレーザを方向性を確保しながら適時適切に照射するなどの手段をいう。
【0025】
上記液中地層の掘削装置において、さらに、レーザ波長変換手段、及び/又はレーザパルス圧縮手段を備えると好適である。レーザ波長変換手段は、レーザの波長を変換して、液に吸収されやすい波長又は液が吸収されにくい波長のレーザに変換する。レーザパルス圧縮手段は、パルスレーザをピーク率の高いレーザに圧縮して、大きなレーザ誘起力を発生させる手段である。
【0026】
また、レーザ発振手段を空洞内パイプ中に配設し、電源ケーブルを延長してレーザ発振を行うようにすると、レーザ伝送手段の長さを短くすることができ、レーザの減衰を防止することができる。
【0027】
なお、レーザ発振手段とレーザ照射手段からなるレーザビットを、空洞内パイプ中の先端に配設すれば最も効率よく地層の掘削を行うことができる。前記レーザビットには、さらにレーザ波長変換手段及び/又はレーザパルス圧縮手段を備えることとすれば、あらゆる条件に対応できるレーザビットを備えたコンパクトな液中地層の掘削装置を得ることができる。
【0028】
また、前記レーザ伝送手段は、単一ファイバと複数のファイバとから成り中間にレーザ入射手段を有するファイバとしてもよく、複数の単一ファイバとしてもよく、マルチコアファイバ又はバンドルファイバを備えたものとしてもよい。複数のファイバを使用して、一本のファイバで伝送するレーザエネルギーを小さくして、単一ファイバの負担を軽減し、ファイバ数を増加することにより、岩石掘削に必要な大量のレーザエネルギーを伝送することができる。
【発明の効果】
【0029】
本発明方法によれば、第1のレーザの誘起力により液中の地層の掘削を行うことができる。また、液の透明度の高い場合ばかりでなく、不透明液中でも、気泡中を透過する第2のレーザの熱作用によって液中の地層の掘削を行うことができる。さらにこれらの共働作用により、液中における岩石の掘削を効率よく行うことができる。
【0030】
本発明の液中地層の掘削装置によれば、上記本発明方法を好適に実施をすることができ、さらに、複数ファイバ束の利用、レーザ波長変換手段、レーザパルス圧縮手段、レーザ発振手段のパイプ内設置等により液中の地層の掘削に必要な十分なレーザを照射することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
まず、レーザの強さを表すパラメータについて説明する。
【0032】
レーザ出力(平均出力)Pは1秒当たりのエネルギーである。断続するレーザでは
P=E×ν ……(1)
となる。ここで、Pはレーザ出力(W)、Eはパルスエネルギー(J)、νは繰り返し周波数である。レーザ出力Pを増加するためには、パルスエネルギーEを増加するか、繰り返し周波数νを増加するかいずれかの手段により達成することができる。
【0033】
次に、フルエンスFとは、パルスエネルギーを面積で除した値である。
【0034】
F=E/S ……(2)
ここで、Fはフルエンス(J/cm2)、Eはパルスエネルギー(J)、Sは面積(cm2)である。
【0035】
次に、レーザ強度Iは、フルエンスFをパルス幅で除した値である。
【0036】
I=E/(St) ……(3)
ここで、Iはレーザ強度(W/cm2)、tはパルス幅(sec)である。
【0037】
レーザ照射スポット径は、ファイバを用いる場合、ファイバコアの径に支配される。レンズを使用する場合、所望の集光径ω0は次の近似式から求められる。
【0038】
ω0=M2πf/(D0λ) ……(4)
ここで、D0はレンズ上のレーザビーム径(半径)、fはレンズの集光距離、λはレーザ波長、M2はビーム品質の評価に使用する特性値である。
【0039】
第1のレーザは、光衝撃作用(Photomechanical interraction)、光音響効果(Photoacoustic effect)、光アブレーション(Photoablation)、プラズマ誘起アブレーション(Plasma−induced ablation)、光破壊(Photodisruption)等を生ずる。
【0040】
本発明の第2のレーザでは、レーザと岩石との相互作用時間が熱緩和時間よりも短い場合には、光の吸収領域に相互作用を閉じこめることができ、断熱膨張を伴う機械的作用を誘起することができる。一方、レーザと岩石との相互作用時間が熱緩和時間より長い場合には、熱伝導によって熱が広範囲に拡散し、温熱作用が顕著となる。熱効果には光化学作用(Photochemical interaction)と光熱作用(Photothermal interaction)がある。
【0041】
レーザによる岩石の加工速度、及び岩石が粉砕されるか溶融するかは、レーザ強度I(W/cm2)、フルエンスF(J/cm2)、レーザ波長に依存する岩石レーザ吸収特性に支配される。したがって、レーザ強度I(W/cm2)、フルエンス(FJ/cm2)、レーザ波長、及びレーザと岩石との相互作用時間の適切な組み合わせによって種々の対象岩石に適合した破砕条件を選定することができる。
【0042】
次に、レーザ発振手段、レーザ波長変換手段、レーザ照射手段により、レーザ強度I(W/cm2)、フルエンスF(J/cm2)、及びレーザ波長を調整する作用について説明する。
【0043】
レーザによる岩石加工速度が粉砕破砕能に影響するパラメータは、(a)パルスエネルギー、(b)レーザビーム品質M2、(c)レーザパルス幅、(d)繰り返し周波数(Hz)、(e)レーザ波長、(f)レンズ上のビーム径、(g)レンズの集光距離、(h)集光径ω0、及び(i)ファイバコア径である。
【0044】
このうち、レーザ発振手段が調整可能なパラメータは、(a)パルスエネルギー、(b)レーザビーム品質M2、(c)レーザパルス幅、(d)繰り返し周波数(Hz)、及び(e)レーザ波長である。
【0045】
レーザ波長変換手段が調整可能なパラメータは(e)レーザ波長である。
【0046】
レーザ照射手段が調整可能なパラメータは、照射手段としてレンズを使用する場合、(f)レンズ上のビーム径、(g)レンズの集光距離、(h)集光径ω0である。照射手段としてファイバを使用する場合、(i)ファイバコア径を調整可能である。
【0047】
本発明装置は、適切なレーザ発振手段、レーザ伝送手段、及びレーザ照射手段を備えており、岩石を溶融させることなく、粉砕により加工することができる。さらに、レーザ波長変換手段を付加すると、一層適切に実施することができる。
【0048】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0049】
図1(a)〜図1(d)はレーザ誘起衝撃波発生プロセスを示す説明図、図2(a)〜図2(c)はレーザ誘起ジェット流の発生プロセスを示す説明図、図3はレーザ誘起気泡流の発生を示す説明図である。
【0050】
液中で短時間に大きなエネルギーを液に加えると、液の急激な気化により気泡が発生し、液中衝撃波が形成される。このようなエネルギー源としてはレーザ照射以外にも放電や爆発などがある。本発明は、レーザ照射によってこの現象を引き起こし、レーザ誘起力を発生させる。
【0051】
レーザ照射によって液中に衝撃波が発生するプロセスは、次の通りである。すなわち、図1(a)に示すように、液中で光ファイバ200の先端から液201中にパルスレーザを照射するとレーザの有する熱エネルギーが短時間に液に吸収されて、プラズマ202が発生し、高温高圧状態で、強い衝撃波203、204を発生する。また図1(b)に示すように、気泡210が発生・成長・収縮する。図1(c)は、収縮した状態を示している。この過程において、図1(d)に示すように、再びレーザ照射によるエネルギーを供給すると気泡210が急激に再膨張しプラズマ202と共に四囲に衝撃波203、204を発生する。
【0052】
レーザを液に効率よく吸収させるには、レーザの発振波長が液の吸収波長に近似している必要がある。液の光吸収波長域の近傍の波長をもつレーザであれば、液含有率の大きな物体にエネルギーを効率よく吸収させることができ、そのような物体内で衝撃波や気泡を効果的に発生させることができる。
【0053】
図2(a)〜図2(c)は、レーザ誘起ジェットが発生する過程を説明する原理図である。図2(a)に示すように、液201が満たされた管220内に光ファイバ200を挿入し、光ファイバ200を通して液への吸収率の高いレーザ221を照射すると、図2(b)に示すように、レーザにより管内で気泡222が発生し、気泡222が液201を管外に押し出しジェット223を発生する。
【0054】
かくして、図2(c)に示すように、気泡222の急膨張によりジェット224を射出する。ジェット224はレーザエネルギーの大きさに依存し、レーザエネルギーを変化させることによりジェットの強さを変化させることができる。
【0055】
図3は、液201中におけるファイバ200からのパルスレーザ221の照射により多数の気泡230が発生し、発生した気泡230中をレーザ221が透過して地層にレーザ231が到達する状況を示したものである。透過したレーザ231は地層240を破砕して屑241を飛散させて地層240を掘削する。
【0056】
図3に示すように、レーザを高強度でファイバ200の出端から液201中に照射すると、出射端近傍に気泡230が形成され、液201が不透明液であっても、レーザ231が気泡230中を通過して液中にある地層(岩石)240にレーザ照射を行うことができる。発生した気泡230が消滅する時間よりも早い繰り返し回数でパルスレーザ221を照射すれば、気泡230によってレーザ231の照射経路を保持することが出来る。
【0057】
本発明は、この手段を取り入れることにより、透明液中ばかりでなく、不透明液中でも液201中の地層240にレーザ231を直接照射して地層を掘削することが可能である。
【0058】
図4〜図8はレーザ誘起力発生を示す説明図である。それぞれレーザ発振手段10により発生したレーザは、レーザ伝送手段20を経て液中で伝送され、液中に照射される。 図4では発生したレーザがレーザ誘起衝撃波発生手段31へ伝送され、レーザ誘起衝撃波32が発生する。図5では発生したレーザはレーザ誘起ジェット発生手段33へ伝送され、レーザ誘起ジェット34が発生する。図6では、発生したレーザはレーザ誘起ジェット発生手段35へ伝送され、レーザ誘起気泡流36が発生する。図7では、発生したレーザはレーザ誘起音波発生手段37へ伝送され、レーザ誘起音波38が発生する。
【0059】
図8は、レーザ誘起力を発生する第1のレーザと気泡中を透過する第2のレーザとの協働作用の説明図である。図8に示すように、レーザ伝送手段20により液90への吸収率の良い波長を有するレーザ(第1のレーザ)は、レーザ伝送手段20によりレーザ誘起気泡流発生手段35に到達する。また、液への吸収率の低いレ一ザ(第2のレーザ41)は、レーザ伝送手段20によりレーザ照射手段39に到達する。レーザ照射手段39から照射されるレーザ(第2のレーザ41)は、レーザ誘起気泡流発生手段35により発生した気泡流36中の空洞域を透過して地層140に到達照射される。第2のレーザ41として、液への吸収率の低いレーザを選定することにより地層140へ到達するレーザの透過率は高くなる。液中を透過した第2のレーザ41は、急速に地層140を加熱する熱作用により岩石を破壊し、地層を掘削することが可能となる。
【0060】
図9は、第1のレーザによるレーザ誘起力と、第2のレーザによる熱作用による作用力との協働による掘削の説明図である。レーザ伝送手段20により伝送されたパルスレーザを、液90中でレーザ照射手段30(レーザ誘起衝撃波発生手段31、レーザ誘起ジェット発生手段33、レーザ誘起音波発生手段35、又はレーザ誘起気泡流発生手段37)によって照射し、第1のレーザによるレーザ誘起力を発生させる。
【0061】
一方、レーザ照射手段39によって発生し、レーザ誘起気泡流36中を透過した第2のレーザ41も熱作用により地層140を掘削する作用力を有する。この両者の作用力の協働によって地層140を掘削する。レーザ照射手段30により第1のレーザによる誘起力を発生させ、この誘起力を地層(岩石)を掘削する機械的な作用力として作用させ、レーザ照射手段39によって発生した第2のレーザ41を気泡流36中を通して地層に到達させて、熱作用による地層の破壊作用を生じさせ、両者の作用によって効率的に地層140の掘削を行う。
【0062】
図10に、レーザ波長変換手段50を組み込んだ実施例の掘削装置を示す。レーザ発振手段10とレーザ伝送手段20、レーザ波長変換手段50、レーザ照射手段30を備えることによりレーザ誘起力を発生させることができる。レーザ波長変換手段50を使用する理由は、レーザ伝送手段20による伝送損失を少なくするためレーザ発振手段10により発振されるレーザ波長を伝送損失の少ない波長に設定するためである。レーザ波長変換手段50に到達したレーザは、液への吸収率の高い波長に変換され、レーザ誘起力の発生効率を上げる。あるいは、液への吸収率の低い波長に変換して、液中を可能な限り透過させて地層140に到達させる。レーザ波長変換手段50を用いることにより、レーザ誘起現象の発生効率の制御が可能となる。
【0063】
図11は、レーザ発振手段10を、坑井60内に挿入したパイプ61の内部に配設した装置の実施例を示している。電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置したレーザ発振手段10で発振したレーザをレーザ伝送手段20によりレーザ照射手段30へ伝送し、レーザ誘起力を発生させる。また、液への吸収率の低いレーザ(第2のレーザ41)を、透過レーザとして地層140に直接照射することができる。さらに、第1のレーザによるレーザ誘起力と第2のレーザによる透過レーザとを協働させて地層140を掘削することができる。
【0064】
この実施例は、レーザ発振手段10から発振されたレーザをレーザ伝送手段20で伝送した場合に発生する伝送損失が大きい場合に、電気ケーブル71を延長してレーザ伝送手段20をできるだけ短かくし、レーザ伝送損失を小さくする。この実施例によれば、レーザ発振手段10で発振されたレーザエネルギーの伝送損失を小さくしてレーザ照射手段30に伝送することができ、レーザ誘起力を発生させるエネルギーを無駄なく利用することができる。
【0065】
図12は、別の実施例を示すもので、電源手段70、電気ケーブル71、レーザ発振手段10、レーザ伝送手段20、レーザパルス圧縮手段80、レーザ照射手段30から構成されている。
【0066】
電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置したレーザ発振手段10で発振したレーザをレーザパルス圧縮手段80により、ピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段30から照射することによりレーザ誘起力を発生させる。また、液への吸収率の低いレーザであれば、透過レーザ(第2のレーザ41)となり地層140に直接照射することができる。さらに、レーザ誘起力を発生する第1のレーザと第2のレーザ(透過レーザ)の作用を協働させて地層を掘削することができる。
【0067】
この実施例では、電気ケーブル71を延長してレーザ伝送手段20をできるだけ短くし、レーザ伝送損失を小さくするばかりでなく、レーザパルス圧縮手段80により、レーザをピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段30から照射することにより効果的にレーザ誘起力を発生させ、地層の掘削効率をあげることができる。
【0068】
図13は、レーザ波長変換手段50を備えた実施例を示している。
【0069】
電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置したレーザ発振手段10で発振したレーザをレーザ伝送手段20により伝送する。レーザ波長変換手段50に到達したレーザは、液への吸収率の高い波長に変換され、レーザ照射手段30へ到達し、レーザ照射手段30より照射されて、レーザ誘起の発生効率をあげることが可能となる。また、レーザ波長変換手段50で液への吸収率の低い波長のレーザ(第2のレーザ41)に変換して、液中の透過率を高め、可能な限り透過させて地層140に到達させることができ、地層140に到達する第2のレーザ41のエネルギー損失を小さくすることができる。レーザ誘起力と第2のレーザの熱破砕作用力との協働によって、地層140の掘削効率をあげることができる。
【0070】
図14は、レーザ発振手段10及びレーザ照射手段30で構成されるレーザビット11を坑井60のオープンエンドに備え、このレーザビット11を坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置した例である。
【0071】
電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電し、レーザ発振手段10で発振されたレーザは、レーザ照射手段30より照射される。レーザの照射によりレーザ誘起力を発生させることが可能となり、また、液への吸収率が低いレーザを液中を透過させる。レーザ誘起力を発生する第1のレーザと気泡中を透過する第2のレーザ41とを協働させて地層140を掘削することが可能である。
【0072】
図15は、レーザ発振手段10とレーザ手段50とレーザ波長変換照射手段30とから構成されるレーザビット12を坑井60内に挿入したパイプ61の先端部に設置した例を示している。電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。レーザ発振手段10で発振されたレーザは、レーザ波長変換手段50により、液への吸収率の高い波長を持つレーザに変換される。このレーザ(第1のレーザ)をレーザ照射手段30により液中で照射して、レーザ誘起力を発生させることができる。また、レーザ波長変換手段50により液への吸収率が低い波長のレーザ(第2のレーザ)に変換し、気泡中を透過させて地層140に到達させることができる。これらの2種類の波長のレーザの作用力を協働させて地層140を掘削することが可能である。
【0073】
図16は、レーザ発振手段10とレーザパルス圧縮手段80とレーザ照射手段30とから構成されるレーザビット13を備え、このレーザビット13を坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置した例である。電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。発振されたレーザは、レーザパルス圧縮手段80により、ピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段30により液中に照射し、レーザ誘起力を発生させる。レーザパルス圧縮手段80は、レーザ誘起力を発生させるレーザパルスのピーク出力を高くすることができ、地層140の掘削効率をあげることができる。
【0074】
図17は、レーザ発振手段10とレーザ波長変換手段50とレーザパルス圧縮手段80とレーザ照射手段30とから構成されたレーザビット14を備え、このレーザビット14を坑井60内に挿入したパイプ61の内部に設置する。電源手段70からの電力を電気ケーブル71でレーザ発振手段10に送電する。発振されたレーザは、レーザ波長変換手段50により、液への吸収率の高い波長を持つレーザに変換された後、レーザパルス圧縮手段80により、ピーク出力の高いレーザに圧縮し、レーザ照射手段30により液中に照射して、レーザ誘起力を効率よく発生させることができる。
【0075】
この実施例によれば、レーザはレーザ波長変換手段50で液への吸収率の高い第2のレーザに変換され、さらにレーザパルス圧縮手段80によって高ピーク出力に圧縮することができ、レーザ誘起力を効率を良く発生することができ、地層140の掘削効率をあげることができる。
【0076】
図18は、別の例を示すものでレーザ発振手段10にて発振されたレーザは、レーザ伝送手段20により複数ファイバヘの入射手段100に伝送される。ここで、レーザ109は、複数ファイバヘの入射手段100により、ビームステアリング、又はビーム走査により複数の単一ファイバ110からなるマルチコアファイバ111へ入射される。マルチコアファイバ111で伝送されたレーザは、出射レーザビーム113となる。
【0077】
図19は、複数のレーザ発振手段10a,10b,10c,…により発振したレーザが、それぞれレーザ伝送手段20a,20b,20c,…を経てレーザ入射手段100a,100b,100c,…へ伝送される例を示している。このレーザ入射手段100a,100b,100c,…によりレーザは、複数のファイバからなるマルチコアファイバ111a,111b,111c,…に入射される。
【0078】
マルチコアファイバ111a,111b,111c,…は、集約されてバンドルファイバ112(レーザ伝送手段22)を構成する。バンドルファイバ112のファイバ束数を増やすことにより照射エネルギを大きくすることが可能となる。なお、ここでは、マルチコアファイバを集約したものをバンドルファイバとしたが、マルチコアファイバそのものも一種のバンドルファイバである。
【0079】
以上の構成によって、単一ファイバに負担を掛けないで、大出力エネルギーを地層へ伝送して掘削することができる。
【0080】
図20は、複数のレーザ発振手段10a,10b,10c,10d,10e,10f,…より構成されるレーザ発振手段10で発振されたレーザが、それぞれ単一ファイバ20a,20b,20c,20d,20e,20f,…からなるレーザ伝送手段20(単一ファイバ群)を経て、複数ファイバ束例えばマルチコアファイバ111へのレーザ入射手段100に伝送される。レーザ入射手段100は個々のレーザ入射手段100a,100b,100c,100d,100e,100f,…から構成されている。これらの個々のレーザ入射手段はレーザをそれぞれマルチコアファイバ111a,111b,111c,111d,111e,111f,…(レーザ伝送手段)に入射する。そしてこれらのマルチコアファイバ111はまとめてバンドルファイバ112(レーザ伝送手段22)によってレーザ照射手段30に伝送される。
【0081】
複数のファイバを束ねたマルチコアファイバ111を集約して形成したバンドルファイバ112によりレーザ伝送手段22が構成される。多数の発振手段群10により発振されたレーザは、単一ファイバから成るレーザ伝送手段20により入射手段100に導光され、マルチコアファイバ111から成るレーザ伝送手段ヘ導光される。さらに、レーザは、マルチコアファイバ111の集約により構成されるバンドルファイバ112を経てレーザ照射手段30に到達する。レーザ照射手段30により照射された大きな出力のレーザにより大出力のレーザ誘起力が発生し、また、大出力の透過レーザによる熱破壊作用を生じ、地層の大規模掘削に供される。
【0082】
また図20に示す実施例では、単一のファイバで伝送するレーザのエネルギーを小さくすることができ、ファイバの許容能力以内で所要のエネルギーを伝送することができる。そしてレーザ伝送手段22をバンドルファイバにすることにより大出力のレーザエネルギーを伝送利用することが可能となる。
【0083】
図21は、パイプ61内に複数ファイバ束の入射手段を設置した場合を示すものである。坑井60内に挿入されたパイプ61内に複数のレーザ発振手段を包含するレーザ発振手段10、複数ファイバ束への入射手段100、レーザ照射手段30が設置され、電源手段70から、電気ケーブル71にてレーザ発振手段10に送電する。
【0084】
レーザ発振手段10で発振されたレーザは、レーザ伝送手段20により複数ファイバ束への入射手段100に伝送される。複数ファイバ束への入射手段100により、レーザは単一ファイバから、ファイバ束に入射する。このファイバ束を複数集めたバンドルファイバにより構成されるレーザ伝送手段22により、レーザ照射手段30に伝送される。レーザはレーザ照射手段30により、液中で照射され、レーザ誘起力を発生する。液への吸収率の低い透過レーザも発生する。
【0085】
図22に、地上にレーザ発振手段10を設置した場合の装置及び構成を示した。
【0086】
地上に設置されたレーザ発振手段10からレーザがレーザ伝送手段20を経てレーザ照射手段30に伝送される。レーザ照射手段30は、坑井60内に挿入されたパイプ61内部に設置されている。レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザであれば、レーザ誘起力が発生し、また、レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、透過レーザとなる。レーザ誘起力によって地層を掘削することができ、透過レーザにより地層を掘削することができ、また、レーザ誘起力および透過レーザの熱破壊作用力の協働により地層を掘削することができる。
【0087】
一方、パイプ61内部へ、地上より圧入された流体123がパイプ61内を通って坑井60内に射出され、流体124となる。レーザ誘起力、あるいは透過レーザの熱作用力により破砕・粉砕された地層(岩石)は、流体124により地上に向かって坑井60内を上昇する。バルブ122に達した流体121は流体循環システム120ヘ送出される。
【0088】
図23に、坑井60内に挿入されたパイプ61内にレーザ発振手段10を設置した実施例を示した。この実施例では電源手段70を地上に設置している。レーザ発振手段10及びレーザ照射手段30は、坑井60内に挿入されたパイプ61内部に設置され、レーザ伝送手段20によりレーザ発振手段10とレーザ照射手段30が連結されている。
【0089】
図23に示す実施例では、電源手段70から電気ケーブル71を経由して、レーザ発振手段10へと電力が送電される。レーザ発振手段10は電力を得てレーザを発振する。発振されたレーザは、レーザ伝送手段20を経由してレーザ照射手段30へ到達する。
【0090】
レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザの場合、レーザ誘起力を発生し、また、レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、透過レーザとなる。これらのレーザ作用力及び流体循環システム120は図22の実施について説明したものと同様である。
【0091】
図24に、洋上掘削の実施例装置の構成例を示した。レーザ発振手段10を洋上掘削施設130上に設置している。洋上掘削施設130は、水面131の上方に位置し、海底133に設置された海底坑口装置132とライザーパイプ134で連結されている。ライザーパイプ134内にある坑井60は、洋上掘削施設130から海底地層を通って地下資源賦存層に到達している。坑井60内には、パイプ61が挿入されている。
【0092】
洋上掘削施設130上に設置されたレーザ発振手段10からのレーザはレーザ伝送手段20により坑井60下底部のレーザ照射手段30に伝送される。レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザであれぱ、レーザ誘起力を発生し、また、レーザ照射手段30より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、地層に到達する透過レーザとなる。レーザ誘起力及び/又は透過レーザの持つ熱作用力により地層(岩石)を掘削する。
【0093】
一方、パイプ61内部へ、地上より圧入された流体123は、パイプ61内部から坑井60内に射出され、流体124となる。レーザ誘起力又は透過レーザによる作用力により破砕地層(岩石)は、流体124により地上に向かって坑井60内を上昇する。バルブ122に達した流体121は、流体循環システム120ヘ送出される。
【0094】
図25に、洋上掘削の場合に坑井内に挿入されたパイプ内にレーザ発振手段を設置した実施例を示した。図24に示す実施例と異なる点は、レーザ発振手段10を坑井60内に設け、電源手段70を洋上掘削施設130上に設置したことである。その他の構成及び作用は図24に示す実施例で説明したものと同様である。この実施例では、電源手段70から電気ケーブル71を経由して、レーザ発振手段10へと電力が送電される。レーザ発振手段10はレーザを発振し、発振されたレーザは、レーザ伝送手段20を経てレーザ照射手段30へ到達する。
【図面の簡単な説明】
【0095】
【図1(a)】液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。
【図1(b)】液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。
【図1(c)】液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。
【図1(d)】液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。
【図2(a)】液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。
【図2(b)】液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。
【図2(c)】液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。
【図3】キャビテーションエフィクトによるレーザの伝播を示す説明図である。
【図4】実施例の模式的説明図である。
【図5】実施例の模式的説明図である。
【図6】実施例の模式的説明図である。
【図7】実施例装置の構成図である。
【図8】実施例装置の構成図である。
【図9】実施例装置の構成図である。
【図10】実施例装置の構成図である。
【図11】実施例装置の構成図である。
【図12】実施例装置の構成図である。
【図13】実施例装置の構成図である。
【図14】実施例装置の構成図である。
【図15】実施例装置の構成図である。
【図16】実施例装置の構成図である。
【図17】実施例装置の構成図である。
【図18】実施例装置の構成図である。
【図19】実施例装置の構成図である。
【図20】実施例装置の構成図である。
【図21】実施例装置の構成図である。
【図22】実施例装置の構成図である。
【図23】実施例装置の構成図である。
【図24】実施例装置の構成図である。
【図25】実施例装置の構成図である。
【符号の説明】
【0096】
10,10a,10b,10c,10d,10C,10e,10f レーザ発振手段
13,14 レーザビット
20 レーザ伝送手段
21a,21b,21c,21d,… 単一ファイバ
30 レーザ照射手段
31 レーザ誘起衝撃波発生手段(レーザ照射手段)
32 レーザ誘起衝撃波
33 レーザ誘起ジェット発生手段(レーザ照射手段)
34 レーザ誘起ジェット
35 レーザ誘起音波発生手段(レーザ照射手段)
36 レーザ誘起気泡流
37 レーザ誘起気泡流発生手段(レーザ照射手段)
39 レーザ照射手段
41 第2のレーザ
50 レーザ波長変換手段
60 坑井
61 パイプ
70 電源手段
71 電気ケーブル
80 レーザパルス圧縮手段
90 液
100 複数ファイバヘのレーザ入射手段
109 レーザ
110 複数の単一ファイバ(レーザ伝送手段)
111,111a,111b,111c,… マルチコアファイバ(レーザ伝送手段)
112 バンドルファイバ(レーザ伝送手段)
113 出射ビーム
120 流体循環システム
121、123、124 流体
122 バルブ
130 洋上掘削施設
132 海底坑口装置
134 ライザパイプ
140 地層
200 光ファイバ
201 液
202 プラズマ
203、204 衝撃波
210 気泡
220 管
221 レーザ
222 気泡
223 ジェット
230 気泡
231 レーザ
240 地層
241 屑

【特許請求の範囲】
【請求項1】
液中でのレーザ照射により発生する第1のレーザの誘起力及び/又は液中でのレーザ照射により発生した気泡中を透過する第2のレーザの熱作用により、液中の地層を掘削することを特徴とする液中地層の掘削方法。
【請求項2】
前記第1のレーザの誘起力は、衝撃波、ジェット流、気泡流若しくは音波、又はこれらの2以上に基づく作用力であることを特徴とする請求項1記載の液中地層の掘削方法。
【請求項3】
前記第1のレーザは、パルスレーザ又は断続照射された連続波レーザであることを特徴とする請求項1又は2記載の液中地層の掘削方法。
【請求項4】
前記第2のレーザは、パルスレーザ及び/又は連続波レーザであることを特徴とする請求項1記載の液中地層の掘削方法。
【請求項5】
前記第1のレーザは、固体レーザであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液中地層の掘削方法。
【請求項6】
前記第2のレーザは、固体レーザであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液中地層の掘削方法。
【請求項7】
パルスレーザ及び/又は連続波レーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長からなる群から選ばれた1又は複数のパラメータを調整可能な第1のレーザ発振手段、及び/又はパルスレーザ及び/又は連続波レーザを出力し、レーザ周波数及びレーザ波長調整可能な第2のレーザ発振手段と、レーザ伝送手段と、レーザ照射手段とを備えたことを特徴とする液中地層の掘削装置。
【請求項8】
さらに、レーザ波長変換手段及び/又はレーザパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項7記載の液中地層の掘削装置。
【請求項9】
前記レーザ発振手段を空洞内パイプ中に配設したことを特徴とする請求項7又は8記載の液中地層の掘削装置。
【請求項10】
レーザ発振手段とレーザ照射手段からなるレーザビットを、空洞内パイプ中の先端に配設しことを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載の液中地層の掘削装置。
【請求項11】
前記レーザビットは、レーザ波長変換手段及び/又はレーザパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項10記載の液中地層の掘削装置。
【請求項12】
前記レーザ伝送手段は、単一ファイバと複数のファイバとから成り中間にレーザ入射手段を有するファイバ、複数の単一ファイバ、マルチコアファイバ又はバンドルファイバを備えたことを特徴とする請求項7〜11の何れかに記載の液中地層の掘削装置。

【図1(a)】
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【図1(b)】
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【図1(c)】
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【図1(d)】
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【図2(a)】
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【図2(b)】
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【図2(c)】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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【図18】
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【図19】
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【図20】
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【図21】
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【図22】
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【図23】
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【図24】
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【図25】
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【公開番号】特開2006−307481(P2006−307481A)
【公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−129338(P2005−129338)
【出願日】平成17年4月27日(2005.4.27)
【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16年度、独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構、「石油・天然ガス開発・利用促進型大型研究」に関する委託研究、研究課題「レーザ掘削・フラクチャリングシステムの開発」、産業再生法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(395022018)日本海洋掘削株式会社 (10)
【出願人】(504157024)国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】(504133110)国立大学法人 電気通信大学 (383)
【Fターム(参考)】