(57)【要約】  【課題】  フラックボールを受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後に容易に除去することができる掘進装置用筒状部材およびこれを備える掘進装置用複合筒状部材を提供する。  【解決手段】  坑内においてフラックボール１とともに流体圧破壊に用いられる掘進装置用筒状部材10であって、基部２および基部２における坑内の手前側に接続されたフラックボール１を受けるボール受け部３を備え、基部２の少なくとも一部にセラミック部２ａを有し、ボール受け部３が、セラミック部２よりヤング率の低い材質からなる。【選択図】  図１
2015132100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑内においてフラックボールとともに流体圧破壊に用いられる掘進装置用筒状部材であって、基部および該基部における前記坑内の手前側に接続された前記フラックボールを受けるボール受け部を備え、前記基部の少なくとも一部にセラミック部を有し、前記ボール受け部が、前記セラミック部よりヤング率の低い材質からなることを特徴とする掘進装置用筒状部材。
【請求項２】
前記セラミック部は、前記坑内の手前側の相対密度が前記坑内の奥側の相対密度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の掘進装置用筒状部材。
【請求項３】
前記セラミック部が酸化ジルコニウム質焼結体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘進装置用筒状部材。
【請求項４】
前記セラミック部の表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の掘進装置用筒状部材。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の掘進装置用筒状部材が、前記坑内の奥側にテーパー部を有しており、該テーパー部と面で当接する第２の筒状部材を備えていることを特徴とする掘進装置用複合筒状部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の掘進装置用筒状部材が、外周面の少なくとも一部に突起部を有しており、該突起部と係合する第３の筒状部材を備えていることを特徴とする掘進装置用複合筒状部材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の掘進装置用筒状部材が、凹部を有する第４の筒状部材に収容されていることを特徴とする掘進装置用複合筒状部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘進装置用筒状部材およびこれを備える掘進装置用複合筒状部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シェールガスの採取にあたり、坑内の崩れを防ぐために挿入されているケーブル内に複数配置され内部が流路とされた筒状体に、地上から供給されたフラックボールを接触させて流路を塞ぎ、流体圧力を高めてケーブルの一部を破壊し、この際に飛び出す圧力の掛かった流体によって地層に亀裂を入れる方法が用いられている。なお、この複数配置された筒状体は、坑内の奥側に配置された筒状体の方が内周径の小さいものであり、これに接触させるフラックボールも外周径も小さいものを用いることにより、坑内の手前側から複数のフラックボールの供給が可能となり、抗内の奥側から順に地層に亀裂を入れることができるものである。
【０００３】
そして、このような筒状体は、供給されたフラックボールを受けた際の衝撃に耐えることができ、破砕できるまでの高い水圧に耐える強度を有していなければならないが、亀裂形成後には、シェールガスの流路を確保するためフラックボールとともに除去されるものである。
【０００４】
このような筒状体として、例えば、特許文献１では、基部がマグネシウム合金からなり、フラックボールを受ける部分が、ニッケル、アルミニウムまたはこれらの合金からなる耐食性の高い表面被覆層を有する筒状体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第2012／0318513号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１で提案された筒状体は、亀裂形成後に研磨剤スラリーを流すことによって表面被覆層を除去し、次に、塩酸等を流すことにより筒状体を溶解させてシェールガスの流路を確保するというものであり、流体の変更等が煩雑であった。また、筒状体の除去方法として、ドリル等の工具で破砕する方法があるが、特許文献１で提案された筒状体のように、マグネシウム合金からなるときには、靭性が高いため、細かく砕くことが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、フラックボールを受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後に容易に除去することができる掘進装置用筒状部材およびこれを備える掘進装置用複合筒状部材を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の掘進装置用筒状部材は、坑内においてフラックボールとともに流体圧破砕に用いられる掘進装置用筒状部材であって、基部および該基部における前記坑内の手前側に接続された前記フラックボールを受けるボール受け部を備え、前記基部の少なくとも一部にセラミック部を有し、前記ボール受け部が、前記セラミック部よりヤング率の低い材質からなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の掘進装置用複合筒状部材は、上記構成の掘進装置用筒状部材が、前記坑内の奥側にテーパー部を有しており、該テーパー部と面で当接する第２の筒状部材、外周面の少なくとも一部に突起部を有しており、該突起部と係合する第３の筒状部材のいずれかを備えている、または、凹部を有する第４の筒状部材に収容されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の掘進装置用筒状部材によれば、フラックボールを受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後に容易に除去することができる。
【００１１】
本発明の掘進装置用複合筒状部材によれば、フラックボールを受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後にさらに容易に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の掘進装置用筒状部材の一例を示す断面図である。
【図２】本実施形態の掘進装置用筒状部材の他の例を示す断面図である。
【図３】本実施形態の掘進装置用筒状部材のさらに他の例を示す断面図である。
【図４】本実施形態の掘進装置用複合筒状部材の一例を示す断面図である。
【図５】本実施形態の掘進装置用複合筒状部材の他の例を示す断面図である。
【図６】本実施形態の掘進装置用複合筒状部材のさらに他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の掘進装置用筒状部材の一例を示す断面図である。
【００１５】
本実施形態の掘進装置用筒状部材10は、坑内においてフラックボール１とともに流体圧破砕に用いられるものであり、基部２および基部２の坑内の手前側（図示における左側）にフラックボール１を受けるボール受け部３を備え、基部２の少なくとも一部にセラミック部２ａを有し、ボール受け部３が、セラミック部２ａよりヤング率の低い材質からなる。
【００１６】
なお、図１においては、基部２の好ましい構成として、全てがセラミック部２ａからなる例を示している。基部２のセラミック部２ａ以外の材質としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ630）、Ｎｉ合金（インコネルやインコネル600）等が挙げられる。また、図１は、ケーブル４内において、地上から供給されたフラックボール１を接触させて流路を塞いでいるときの状態を示しており、図２〜図６も同様である。
【００１７】
本実施形態の掘進装置用筒状部材10は、ボール受け部３が、セラミック部２ａよりヤング率の低い材質からなることにより、供給されるフラックボール１を受けた際の衝撃に耐えることができるとともに、ケーブル４の一部を破壊するまでの高い流体圧力に耐えることができる。
【００１８】
さらに、基部２の一部、好ましくは全てがセラミック部２ａからなることにより、亀裂形成後のドリル等の工具により細かく破砕することができる。細かく破砕された後は、吸引により地上に排出することにより、シェールガスの流路を確保することができる。このように、本実施形態の掘進装置用筒状部材10は、フラックボール１を受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後に工具によって細かく破砕す
ることができ、除去が容易である。それゆえ、本実施形態の掘進装置用筒状部材10を用いれば、亀裂形成を確実に行なうことができ、シェールガスの採取効率を向上させることができる。
【００１９】
ここで、セラミック部２ａを構成するセラミックスとしては、酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとのマトリックスセラミックス（以下、アルジル質焼結体という。）等を用いることができる。
【００２０】
なお、上述した酸化ジルコニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、アルジル質焼結体とは、例えば、酸化ジルコニウム質焼結体であれば、酸化ジルコニウムの含有量がセラミック部２ａを構成する全成分100質量％のうち80質量％以上含有
する焼結体のことをいう。
【００２１】
そして、セラミック部２ａを構成する成分の含有量については、例えば、酸化ジルコニウム質焼結体であれば、蛍光Ｘ線分析装置またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いてジルコニウム（Ｚｒ）の含有量を求め、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）に換算して求めればよい。なお、酸化ジルコニウムであるか否かの同定については、Ｘ線回折装置を用いて確認すればよい。
【００２２】
また、ボール受け部３は、樹脂、繊維またはガラスセラミックスを用いることができ、樹脂で形成する場合には、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ホリエステル樹脂、フッ素樹脂またはエポキシ樹脂であることが好適である。
【００２３】
図２は、本実施形態の掘進装置用筒状部材の他の例を示す断面図である。
【００２４】
図２は、基部２における坑内の手前側と奥側とにおいて相対密度が異なるセラミック部２ａを備える掘進装置用筒状部材20を示している。セラミック部２ａにおいて、坑内の手前側のセラミック部２ｆの相対密度が坑内の奥側のセラミック部２ｂの相対密度よりも高いときには、坑内の手前側のセラミック部２ｆが坑内の奥側のセラミック部２ｂよりも機械的強度が高くなるため、フラックボール１を受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができ、坑内の奥側のセラミック部２ｂは、亀裂形成後に工具によってさらに細かく破砕することができる。
【００２５】
具体的な相対密度としては、坑内の奥側のセラミック部２ｂの相対密度が、90％以上97％以下であり、坑内の手前側のセラミック部２ｆの相対密度が、坑内の奥側のセラミック部２ｂの相対密度よりも２％以上高いことが好適である。
【００２６】
そして、セラミック部２ｆ，２ｂの相対密度は、例えば、酸化ジルコニウム質焼結体からなるとき、それぞれ、ＪＩＳ  Ｒ  1634−1998に準拠して見掛密度を求め、この見掛密度を酸化ジルコニウム質焼結体の理論密度で除すことにより求めればよい。
【００２７】
図３は、本実施形態の掘進装置用筒状部材のさらに他の例を示す断面図である。
【００２８】
図３は、掘進装置用筒状部材30を構成する基部２の周辺に熱源５を備えている例を示している。このような構成において、基部２がセラミック部２ａであり、このセラミック部２ａが酸化ジルコニウム質焼結体からなるときには、熱源５の温度を調節することにより、ドリル等による破砕のみならず、水熱劣化を利用した破砕を行なうことができるため、掘進装置用筒状部材30の破砕を短時間で行なうことができる。また、フラックボール１は、セラミックスからなることが好適であり、特に、酸化ジルコニウム質焼結体からなるこ
とが好適である。
【００２９】
なお、図３においては、掘進装置用筒状部材30の外周側に熱源５を配置した例を示したが、セラミック部２の内周側または内部に配置するものであってもよい。
【００３０】
また、本実施形態の掘進装置用筒状部材10，20，30は、セラミック部２ａの表面２ｓにおける算術平均粗さＲａが0.2μｍ以上20μｍ以下であることが好適である。算術平均粗
さＲａが上述した範囲を満たしているときには、フラックボール１を受けた際の衝撃および高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後の工具による破砕をより容易に行なうことができる。
【００３１】
セラミック部２ａの表面２ｓにおける算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  0601−2013に準拠して測定し、測定長さおよびカットオフ値をそれぞれ５ｍｍおよび0.8ｍｍとし、表
面２ｓに、触針先端半径が２μｍの触針を当て、触針の走査速度を0.5ｍｍ／秒に設定し
て測定し、場所を異ならせて５箇所の測定値の平均をセラミック部２ａの表面２ｓの算術平均粗さＲａの値とすればよい。
【００３２】
なお、図１〜３においては、内周面に符号２ｓを付したが、外周面も表面２ｓであることはいうまでもない。
【００３３】
図４は、本実施形態の掘進装置用複合筒状部材の一例を示す断面図である。なお、図４〜６の説明において、掘進装置用筒状部材については、図１〜図３の構成の掘進装置用筒状部材10，20，30のいずれでもよいものであるが、簡便な記載とすべく符号10を付して説明する。
【００３４】
図４は、掘進装置用筒状部材10が坑内の奥側にテーパー部２ｔを有しており、テーパー部２ｔと面で当接する第２の筒状部材６を備えている掘進装置用複合筒状部材40を示している。
【００３５】
このような構成であることにより、ケーブル４の一部を破壊するまでの高い流体圧力に耐えることができるとともに、テーパー部２ｔと第２の筒状部材６の面とは当接しているだけであることから、亀裂形成後の工具による破砕をより容易に行なうことができる。
【００３６】
図５は、本実施形態の掘進装置用複合筒状部材の他の例を示す断面図である。
【００３７】
図５は、掘進装置用筒状部材10が外周面の少なくとも一部に突起部２ｐを有しており、突起部２ｐと係合する第３の筒状部材７を備えている掘進装置用複合筒状部材50を示している。
【００３８】
このような構成であることにより、ケーブル４の一部を破壊するまでの高い流体圧力に耐えることができるとともに、亀裂形成後の工具による破砕において、突起部２ｐは他の部分より機械的強度が低く、係合している部分の角等が破壊源となったり、破壊源からの亀裂が基部２の内部に向かって進展したりするため、より容易に破砕することができる。
【００３９】
図６は、本実施形態の掘進装置用複合筒状部材のさらに他の例を示す断面図である。
【００４０】
図６は、掘進装置用筒状部材10が、内周面に凹部８ｃを有する第４の筒状部材８に収容されている掘進装置用複合筒状部材60を示している。
【００４１】
このような構成であることにより、ケーブル４の一部を破壊するまでの高い流体圧力に
耐えることができるとともに、亀裂形成後の工具による破砕において、凹部８ｃの角等が破壊源となったり、基部２の第４の筒状部材８で支持されている面に引っ張り応力が生じて機械的強度が低下したりするため、より容易に破砕することができる。
【００４２】
なお、図４〜図６に示した第２〜第４の筒状部材６〜８は、酸化ジルコニウム質焼結体からなることが好適である。
【００４３】
次に、本実施形態の掘進装置用筒状部材10の製造方法の一例として、図１を基に基部２がセラミック部２ａからなる例を説明する。
【００４４】
主成分として酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、あるいは酸化ジルコニウムと酸化アルミニウムの混合粉（以下、アルジルと記載する。）のいずれかの粉末と、焼結助剤や安定化剤の作用をなす粉末と、ポリビニルアルコール、メチルセルロース等の成形助剤と、溶媒としての水とを所望量秤量し、順次、混合・撹拌・混練して可塑化した坏土を得る。
【００４５】
ここで、主成分が酸化ジルコニウムおよびアルジルである場合には、安定化剤として、希土類元素の酸化物、酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムから選ばれる少なくともいずれかを用いる。ここで、希土類元素の酸化物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化エルビウムおよび酸化ディスプロシウム等が挙げられる。また、焼結助剤としては、酸化チタンを添加してもよい。
【００４６】
また、主成分が酸化アルミニウムおよびアルジルである場合には、焼結助剤として、例えば、酸化珪素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムを用いればよい。
【００４７】
また、主成分が窒化珪素である場合には、焼結助剤は、例えば、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、希土類元素の酸化物、アルミン酸マグネシウム等から選択して用いればよい。
【００４８】
そして、得られた坏土を押出成形機に投入し、圧力を加えて円筒状の成形体を作製し、得られた成形体を所定長さに切断するとともに、一方の端面に切削加工によりテーパー面を形成する。
【００４９】
そして、成形体の主成分が酸化ジルコニウムである場合には、成形体を大気雰囲気中、焼成温度を1300℃以上1600℃以下として２〜10時間保持することにより、酸化ジルコニウム質焼結体からなるセラミック部２ａを得ることができる。
【００５０】
また、成形体の主成分が酸化アルミニウムである場合には、成形体を大気雰囲気中、焼成温度を1400℃以上1700℃以下として２〜10時間保持することにより酸化アルミニウム質焼結体からなるセラミック部２ａを得ることができる。
【００５１】
また、成形体の主成分が窒化珪素である場合には、黒鉛抵抗発熱体を加熱手段とする焼成炉内に成形体を配置して焼成する。
【００５２】
温度については、室温から300〜1000℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素
ガスを導入して、窒素分圧を10〜2000ｋＰａに維持する。そして、さらに昇温を続け、焼成温度を1700℃以上1800℃未満として、10〜15時間保持することにより窒化珪素質焼結体からなるセラミック部２ａを得ることができる。
【００５３】
また、成形体の主成分がアルジルである場合には、成形体を大気雰囲気中、焼成温度を
1400℃以上1600℃以下として２〜10時間保持することによりアルジル質焼結体からなるセラミック部２ａを得ることができる。
【００５４】
そして、上述した方法で得られたセラミック部２ａの一方の端面であるテーパー面に樹脂を塗布し、所定の温度で加熱して硬化することによりボール受け部３を有する掘進装置用筒状部材10を得ることができる。
【００５５】
次に、坑内の手前側が坑内の奥側の相対密度よりも高いセラミック部２ａを備える掘進装置用筒状部材20を得るには、まず、生密度の異なる成形体を準備し、生密度の高い成形体の方に切削加工を施してテーパー面を形成し、生密度の高い成形体のテーパー面とは反対側端面と、生密度の低い成形体の端面とを当接させた状態で焼成する。そして、テーパー面に樹脂を塗布し、所定の温度で加熱して硬化することにより、坑内の手前側が坑内の奥側の相対密度よりも高いセラミック部２ａを備える掘進装置用筒状部材20を得ることができる。
【００５６】
また、セラミック部２ａの表面の算術平均粗さＲａを0.2μｍ以上20μｍ以下とするに
は、焼成後に加工を施さず焼きっ放しにするか、焼成後にブラスト処理を施せばよい。
【００５７】
また、掘進装置用筒状部材10〜30の坑内の奥側にあたる端面にテーパー部２ｔを設けたり、突起部２ｐを設けたり、第２〜第４の筒状部材６〜８の形状を加工するには、切削加工を施したり、焼成後に研削加工を施せばよい。また、掘進装置用筒状部材10〜30、第２〜第４の筒状部材６〜８の成形においては、押出成形法のみならず、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）を用いてもよい。なお、焼成方法等の条件は上述した条件を同じである。
【００５８】
そして、得られた掘進装置用筒状部材10〜30と、第２〜第４の筒状部材６〜８とを組み合わせることにより、掘進装置用複合筒状部材40〜60とすることができる。
【００５９】
なお、基部２として、セラミック部２ａと、ステンレス（ＳＵＳ630）やＮｉ合金（イ
ンコネルやインコネル600）等とを組み合わせる場合には、例えば筒状のインコネル600を準備し、セラミック部２ａの端面と筒状のインコネル600の端面にろう材を塗布して熱処
理して接合したりすればよい。
【符号の説明】
【００６０】
１：フラックボール
２：基部
２ａ：セラミック部
３：ボール受け部
４：ケーブル
５：熱源
６：第２の筒状部材
７：第３の筒状部材
８：第４の筒状部材
10，20，30：掘進装置用筒状部材
40，50，60：掘進装置用複合筒状部材
【図１】
2015132100.tif 000003
【図２】
2015132100.tif 000004
【図３】
2015132100.tif 000005
【図４】
2015132100.tif 000006
【図５】
2015132100.tif 000007
【図６】
2015132100.tif 000008