(57)【要約】【課題】採掘条件が過酷かつ多様となるもと、大きな荷重の負荷に抗し、確実に坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行い、かつ、その除去や流路の確保を容易として経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグ、及び、坑井掘削方法を提供すること。【解決手段】マンドレルと、その軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、マンドレルの外周面と前記部材の内周面に、該部材の前記軸方向に沿う一方向の移動を許容し、反対方向の移動を規制する複数のかみ合い部が形成されるリング状のラチェット機構、好ましくは更にラチェット機構を内包する押し治具とその軸方向前方に隣接するリング状プレートを備える坑井掘削用プラグ；並びに、該坑井掘削用プラグを使用して坑井孔の目止め処理を行った後、プラグの一部又は全部が分解される坑井掘削方法。【選択図】図１
2015108281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグ。
【請求項２】
マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ１）マンドレルが、分解性材料から形成され、
ａ２）該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグ。
【請求項３】
前記の内周面に複数のかみ合い部が形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材は、スリップ、ウエッジ、１対のリング状固定部材、及び、拡径可能な環状のゴム部材からなる群より選ばれる少なくとも一つである請求項１または２記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項４】
前記の内周面に複数のかみ合い部が形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材は、１または複数の押し治具である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項５】
前記押し治具の少なくとも一つは、１対のリング状固定部材の一方である請求項４記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項６】
前記押し治具の少なくとも一つは、金属または分解性材料の少なくとも一方から形成されるサポートリングを備え、かつ、該サポートリングの内周面は、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有するラチェット機構付きリングの外周面に当接する請求項４または５記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項７】
前記押し治具の少なくとも一つのマンドレルの軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートを備える請求項４乃至６のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項８】
リング状のプレートは、分解性材料または金属の少なくとも一方から形成される請求項７記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項９】
分解性材料から形成されるマンドレルが、以下ｉ）〜ｉｉｉ）；
ｉ）温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成される、
ｉｉ）温度６６℃の水に１時間浸漬後の厚み減少が５ｍｍ未満であって、温度１４９℃の水に２４時間浸漬後の厚み減少が１０ｍｍ以上である、または
ｉｉｉ）前記ラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重が５ｋＮ以上である；
の少なくともいずれかである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１０】
マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の少なくとも一つが、温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１１】
総引張耐荷重が１００ｋＮ以上である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１２】
リング状のラチェット機構による総引張耐荷重が、５０ｋＮ以上である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１３】
リング状のラチェット機構が、マンドレルの外周面、または、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の内周面の一方または両方に被覆されて形成されるものである請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１４】
１対のリング状固定部材は、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる拡径可能な環状のゴム部材を圧縮状態のまま固定することができるものである請求項３乃至１３のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１５】
少なくとも１つのスリップとウエッジとの組み合わせが、１対のリング状固定部材の間に置かれる請求項３乃至１４のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１６】
スリップとウエッジとの組み合わせを複数備える請求項１５記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１７】
マンドレルが、軸方向に沿う中空部を有する請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１８】
分解性材料が、脂肪族ポリエステルである請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項１９】
脂肪族ポリエステルが、ポリグリコール酸である請求項１８記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項２０】
ポリグリコール酸が、重量平均分子量が１８００００〜３０００００、かつ、温度２７０℃、せん断速度１２２ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度が７００〜２０００Ｐａ・ｓである請求項１９記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項２１】
分解性材料が、強化材を含有する請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグ。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の坑井掘削用プラグを使用して、坑井孔の目止め処理を行った後に、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解されることを特徴とする坑井掘削方法。
【請求項２３】
リング状のラチェット機構の分解を伴う請求項２２記載の坑井掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油または天然ガス等の炭化水素資源を産出するために行う坑井掘削において使用する坑井掘削用プラグ、及び坑井掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油または天然ガス等の炭化水素資源は、多孔質で浸透性の地下層を有する井戸（油井またはガス井。総称して「坑井」ということがある。）を通じて採掘され生産されてきた。エネルギー消費の増大に伴い、坑井の高深度化が進み、世界では深度９０００ｍを超える掘削の記録もあり、日本においても６０００ｍを超える高深度坑井がある。採掘が続けられる坑井において、時間経過とともに浸透性が低下してきた地下層や、さらには元々浸透性が十分ではない地下層から、継続して炭化水素資源を効率よく採掘するために、流体圧を利用して生産層に亀裂（フラクチャ、fracture）を形成させる方法（「フラクチャリング法」または「水圧破砕法」ともいう。）が注目されている。
【０００３】
水圧破砕法は、水圧等の流体圧（以下、単に「水圧」ということがある。）により生産層に亀裂を発生させる方法であり、一般に、垂直な孔を掘削し、続けて、垂直な孔を曲げて、地下数千ｍの地層内に水平な孔を掘削した後、それらの坑井孔（坑井を形成するために設ける孔を意味し、「ダウンホール」ということもある。）内にフラクチャリング流体を高圧で送り込み、高深度地下の生産層（石油または天然ガス等の炭化水素資源を産出する層）に水圧によって亀裂（フラクチャ）を生じさせ、該フラクチャを通して炭化水素資源を採取するための生産層の刺激方法である。水圧破砕法は、いわゆるシェールオイル（頁岩中で熟成した油）、シェールガス等の非在来型資源の開発においても、有効性が注目されている。
【０００４】
水圧等の流体圧によって形成された亀裂（フラクチャ）は、水圧がなくなれば直ちに地層圧により閉塞されてしまう。亀裂（フラクチャ）の閉塞を防ぐために、フラクチャリング流体（すなわち、フラクチャリングに使用する坑井処理流体）にプロパント（proppant）を含有させて、坑井孔内に送り込み、亀裂（フラクチャ）にプロパントを配置することが行われている。フラクチャリング流体に含有させるプロパントとしては、無機または有機材料が使用されるが、できるだけ長期間、高温高圧の高深度地下の環境内で、フラクチャの閉塞を防ぐことが可能であることから、従来、シリカ、アルミナその他の無機物粒子が使用され、砂粒、例えば２０／４０メッシュの砂などが汎用されている。
【０００５】
フラクチャリング流体等の坑井処理流体としては、水ベース、油ベース、エマルジョンの各種のタイプが用いられる。坑井処理流体には、プロパントを、坑井孔内のフラクチャを生じさせる場所まで運搬し得る機能が求められるので、通常は所定の粘度を有し、プロパントの分散性が良好であるとともに、後処理の容易性、環境負荷の小ささなどが求められる。また、フラクチャリング流体には、プロパントの間に、シェールオイル、シェールガス等が通過できる流路を形成することを目的として、チャネラント（channelant）を含有させることもある。したがって、坑井処理流体には、プロパントのほかに、チャネラント、ゲル化剤、スケール防止剤、岩石等を溶解するための酸、摩擦低減剤など、種々の添加剤が使用される。
【０００６】
フラクチャリング流体を使用して、高深度地下の生産層（シェールオイル等の石油またはシェールガス等の天然ガスなどの炭化水素資源を産出する層）に水圧によって亀裂（フラクチャ）を生じさせるためには、通常、以下の方法が採用されている。すなわち、地下数千ｍの地層内に掘削した坑井孔（ダウンホール）に対して、坑井孔の先端部から順次、目止めをしながら、所定区画を部分的に閉塞し、その閉塞した区画内にフラクチャリング流体を高圧で送入して、生産層に亀裂を生じさせるフラクチャリングを行う。次いで、次の所定区画（通常は、先行する区画より手前、すなわち地上側の区画）を閉塞してフラクチャリングを行う。以下、この工程を必要な目止めとフラクチャリングが完了するまで繰り返し実施する。
【０００７】
新たな坑井の掘削だけでなく、既に形成された坑井孔の所望の区画について、再度フラクチャリングによる生産層の刺激を行うこともある。その際も同様に、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングなどを行う操作を繰り返すことがある。また、坑井の仕上げを行うために、坑井孔を閉塞して下部からの流体を遮断し、その上部の仕上げを行った後、閉塞の解除を行うこともある。
【０００８】
坑井孔の先端部から順次、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングなどを行う方法としては、種々の方法が知られており、例えば、特許文献１〜特許文献３には、坑井孔の閉塞や固定を行うことができる坑井掘削用プラグ（「フラックプラグ」、「ブリッジプラグ」または「パッカー」等と称することもある。）が開示されている。
【０００９】
特許文献１には、坑井掘削用のダウンホールプラグ（以下、単に「プラグ」ということがある。）が開示されており、具体的には、軸方向に中空部を有するマンドレル（本体）、マンドレルの軸方向と直交する外周面上に、軸方向に沿って、リングまたは環状部材（annular member）、第１の円錐状部材（conical member）及びスリップ（slip）、エラストマーまたはゴム等から形成される可鍛性要素（malleable element）、第２の円錐状部材及びスリップ、並びに、回り止め機構（anti-rotation feature）を備えるプラグが開示されている。この坑井掘削用のダウンホールプラグによる坑井孔の封鎖は、以下のとおりである。すなわち、マンドレルをその軸方向に移動することにより、リングまたは環状部材と回り止め機構との間隙が縮小することに伴い、スリップが円錐状部材の傾斜面に当接し、円錐状部材に沿って進むことで、外方に放射状に拡大して坑井孔の内壁に当接して坑井孔に固定されること、及び、可鍛性要素が拡径変形して坑井孔の内壁に当接して坑井孔を封鎖することによる。マンドレルには、軸方向の中空部が存在し、これにボール等をセットすることにより、坑井孔を封鎖することができる。プラグを形成する材料として、金属材料(アルミニウム、スチール、ステンレス鋼等)、繊維、木、複合材及びプラスチックなどが広く例示され、好ましくは、炭素繊維等の強化材を含有する複合材、特に、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の重合体を含有する複合材であること、マンドレルがアルミニウムまたは複合材料で形成されることが記載されている。一方、ボール等は、先に説明した材料のほかに、温度、圧力、ｐＨ（酸、塩基）等により分解する材料を使用できることが記載されている。
【００１０】
特許文献２には、各パッカーが、隣接パッカーに、分離可能に接続されている坑井掘削用のパッカー集合体（assembly）が開示されている。特許文献２には、軸方向に中空部を有するマンドレル、マンドレルの軸方向と直交する外周面上に、軸方向に沿って、スリップ、スリップウエッジ（slip wedge）、弾性パッカー要素（resilient packer element）、及び押出リミッタ（extrusion limiter）等を備えるパッカーが記載されている。
【００１１】
坑井掘削用のダウンホールプラグは、坑井が完成するまで順次坑井内に配置されるが、シェールオイル等の石油またはシェールガス等の天然ガス（以下、総称して「石油や天然ガス」または「石油及び／または天然ガス」ということがある。）などの生産が開始される段階では、これらを除去する必要がある。プラグは、通常、使用後に閉塞を解除して回収できるように設計されていないため、破砕、穿孔その他の方法で、破壊されたり、小片化されたりすることによって除去されるが、破砕や穿孔等には多くの経費と時間を費やす必要があった。また、使用後に回収できるように特殊に設計されたプラグ（retrievable plug）もあるが、プラグは高深度地下に置かれたものであるため、そのすべてを回収するには多くの経費と時間を要していた。
【００１２】
特許文献３には、坑井内の環境に曝されるときに分解する分解性材料を含有する使い捨て型のダウンホールツール（ダウンホールプラグ等を意味する。）またはその部材が開示されており、生分解性材料として、ポリ乳酸等の脂肪族ポリエステルなど分解性重合体が開示されている。さらに、特許文献３には、軸方向に流通孔（flow bore）を有する円筒状本体部品（tubular body element）と、該円筒状本体部品の軸方向と直交する外周面上に、軸方向に沿って、上部シーリング要素、中心シーリング要素及び下部シーリング要素から成るパッカー要素集合体（packer element assembly）と、スリップ及び機械的スリップ本体（mechanical slip body）との組み合わせが記載されている。また、円筒状本体部品の流通孔には、ボールをセットすることにより、流体の一方向のみの流れを許容するようにすることが開示されている。しかしながら、特許文献３には、ダウンホールツールまたはその部材のいずれについて、分解性材料を含有する材料を使用するのかについての開示はみられない。
【００１３】
エネルギー資源の確保及び環境保護等の要求の高まりのもと、特に、非在来型資源の採掘が広がる中で、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっている。坑井掘削用プラグ（ダウンホールツール）は、フラクチャリングを実施する高深度地下まで、ワイヤ状物（string、stinger、cable等といわれることもある。）を使用して、移送され、マンドレルやマンドレルの外周面に取り付けられる諸部材を相対的に移動させて坑井孔を閉塞し、高圧の流体を使用するフラクチャリングを実施している間は、高圧流体の圧力に抗して坑井孔の閉塞を維持する必要がある。すなわち、坑井掘削用プラグであるダウンホールツール及びダウンホールツール部材には、移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリング中の閉塞の維持に際して負荷される高い荷重に対する十分な抵抗力が求められていた。そこで、坑井掘削用プラグであるダウンホールツール及びダウンホールツール部材には、坑井内の環境下において、フラクチャリングに伴う諸操作に抗することができる機械的特性（強度や伸度等に関する引張特性及び／または圧縮特性）を有し、または閉塞を維持できる構造を有することが望まれていた。
【００１４】
特に、マンドレルやマンドレルの外周面に取り付けられる諸部材、すなわち坑井掘削用プラグであるダウンホールツールまたはその部材の一部または全部として、フラクチャリング終了後に分解することによりその除去を可能とするために、分解性材料、例えば、分解性樹脂を使用する場合には、フラクチャリングに伴う諸操作が完了するまでの間、坑井掘削用プラグとしては、坑井内の環境下において、閉塞を維持し得る強度を有するものであることが必要不可欠である。
【００１５】
高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグ、及び、坑井掘削方法を提供することが求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０２７７９８９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１８３３９１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０２０５２６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグを提供することにある。さらに、本発明の課題は、該坑井掘削用プラグを使用する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】
【００１８】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究した結果、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグにおいて、該部材の少なくとも一部を分解性材料から形成するとともに、マンドレルと該部材との結合機構を特定のものとすることによって、課題を解決することができることを見いだし、本発明を完成した。
【００１９】
すなわち、本発明の第１の側面によれば、（１）マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグが提供される。
【００２０】
本発明の他の側面によれば、以下（２）の坑井掘削用プラグが提供される。
（２）マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ１）マンドレルが、分解性材料から形成され、
ａ２）該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグ。
【００２１】
本発明の更に他の側面によれば、以下（３）〜（８）の坑井掘削用プラグが提供される。
（３）前記の内周面に複数のかみ合い部が形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材は、スリップ、ウエッジ、１対のリング状固定部材、及び、拡径可能な環状のゴム部材からなる群より選ばれる少なくとも一つである前記（１）または（２）の坑井掘削用プラグ。
（４）前記の内周面に複数のかみ合い部が形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材は、１または複数の押し治具である前記（１）〜（３）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（５）前記押し治具の少なくとも一つは、１対のリング状固定部材の一方である前記（４）の坑井掘削用プラグ。
（６）前記押し治具の少なくとも一つは、金属または分解性材料の少なくとも一方から形成されるサポートリングを備え、かつ、該サポートリングの内周面は、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有するラチェット機構付きリングの外周面に当接する前記（４）または（５）の坑井掘削用プラグ。
（７）前記押し治具の少なくとも一つのマンドレルの軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートを備える前記（４）〜（６）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（８）リング状のプレートは、分解性材料または金属の少なくとも一方から形成される前記（７）の坑井掘削用プラグ。
【００２２】
本発明のまた更に他の側面によれば、以下（９）〜（２１）の坑井掘削用プラグが提供される。
（９）分解性材料から形成されるマンドレルが、以下ｉ）〜ｉｉｉ）；
ｉ）温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成される、
ｉｉ）温度６６℃の水に１時間浸漬後の厚み減少が５ｍｍ未満であって、温度１４９℃の水に２４時間浸漬後の厚み減少が１０ｍｍ以上である、または
ｉｉｉ）前記ラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重が５ｋＮ以上である；
の少なくともいずれかである前記（１）〜（８）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１０）マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の少なくとも一つが、温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成される前記（１）〜（９）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１１）総引張耐荷重が１００ｋＮ以上である前記（１）〜（１０）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１２）リング状のラチェット機構による総引張耐荷重が、５０ｋＮ以上である前記（１）〜（１１）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１３）リング状のラチェット機構が、マンドレルの外周面、または、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の内周面の一方または両方に被覆されて形成されるものである前記（１）〜（１２）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１４）１対のリング状固定部材は、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる拡径可能な環状のゴム部材を圧縮状態のまま固定することができるものである前記（３）〜（１３）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１５）少なくとも１つのスリップとウエッジとの組み合わせが、１対のリング状固定部材の間に置かれる前記（３）〜（１４）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１６）スリップとウエッジとの組み合わせを複数備える前記（１５）の坑井掘削用プラグ。
（１７）マンドレルが、軸方向に沿う中空部を有する前記（１）〜（１６）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１８）分解性材料が、脂肪族ポリエステルである前記（１）〜（１７）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
（１９）脂肪族ポリエステルが、ポリグリコール酸である前記（１８）の坑井掘削用プラグ。
（２０）ポリグリコール酸が、重量平均分子量が１８００００〜３０００００、かつ、温度２７０℃、せん断速度１２２ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度が７００〜２０００Ｐａ・ｓである前記（１９）の坑井掘削用プラグ。
（２１）分解性材料が、強化材を含有する前記（１）〜（２０）のいずれかの坑井掘削用プラグ。
【００２３】
さらに、本発明の別の側面によれば、（２２）前記（１）〜（２１）のいずれかの坑井掘削用プラグを使用して、坑井孔の目止め処理を行った後に、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解されることを特徴とする坑井掘削方法が提供され、その実施の態様として、（２３）リング状のラチェット機構の分解を伴う前記（２２）の坑井掘削方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の第１の側面によれば、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備えることを特徴とする坑井掘削用プラグであることによって、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグが提供されるという効果が奏される。
【００２５】
また、本発明の他の側面及び更に他の側面によれば、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ１）マンドレルが、分解性材料から形成され、ａ２）該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備えることを特徴とする坑井掘削用プラグであることにより；
また更に、ｃ）該リング状のラチェット機構を内包する１または複数の押し治具を備え、かつ、ｄ）該押し治具の少なくとも一つのマンドレルの軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートを備える坑井掘削用プラグであることにより、
高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を一層容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグが提供されるという効果が奏される。
【００２６】
また、本発明の別の側面によれば、前記の坑井掘削用プラグを使用して、坑井孔の目止め処理を行った後に、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解されることを特徴とする坑井掘削方法であることによって、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削方法が提供されるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は、本発明の坑井掘削用プラグの一具体例を示す模式的断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の坑井掘削用プラグの拡径可能な環状のゴム部材が拡径した状態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の坑井掘削用プラグにおけるマンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構の具体例の一つを示す模式的断面図である。
【図３】本発明の押し治具を備える坑井掘削用プラグの具体例の一つを示す模式的部分断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の押し治具及びリング状のプレートを備える坑井掘削用プラグの具体例の一つにおけるラチェット機構近傍を示す模式的部分拡大断面図であり、（ｂ）は、該押し治具のラチェット機構付きリングが前記リング状のプレートに当接するときの、該ラチェット機構近傍を示す模式的部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグに関する。以下、図１を参照しながら説明する。
【００２９】
Ｉ．坑井掘削用プラグ
１．マンドレル
本発明の坑井掘削用プラグは、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグである。本発明の坑井掘削用プラグが備えるマンドレル１は、通常「芯金」とも称されるものであって、断面が略円形状で、断面の直径に対して長さが十分大きく、本発明の坑井掘削用プラグの強度を基本的に担保する部材である。本発明の坑井掘削用プラグに備えられるマンドレル１は、断面の直径が、坑井孔の大きさに応じて適宜選択され（坑井孔の内径より僅かに小さいことにより、坑井孔内を移動可能であり、一方、後述するように拡径可能な環状ゴム部材５の拡径等により坑井孔の閉塞が可能となる程度の径の差を有する。）、その長さは、断面の直径に対して、例えば５〜２０倍程度であるが、これに限定されるものではない。通常、マンドレル１の断面の直径は、５〜３０ｃｍ程度の範囲である。
【００３０】
〔中空部〕
本発明の坑井掘削用プラグに備えられるマンドレル１は、中実のものでもよいが、フラクチャリング初期の流路確保、マンドレルの重量の軽減、マンドレルの分解速度の制御などの観点から、マンドレル１が、軸方向に沿う中空部を少なくとも一部に有する中空マンドレルであることが好ましい（すなわち、中空部は、マンドレル１を軸方向に沿って貫通してもよいし、マンドレル１を軸方向に沿って貫通しないものでもよい。）。また、流体を用いて坑井掘削用プラグ坑井内に押し込み移送する場合には、マンドレル１が、軸方向に沿う中空部を有することが好ましい。マンドレル１が軸方向に沿う中空部を有するものである場合、マンドレル１の断面形状は、マンドレル１の直径（外径）及び中空部の外径（マンドレル１の内径に相当する。）を画成する２つの同心円で形成される円環状である。２つの同心円の径の比率、すなわち、マンドレル１の直径に対する中空部の外径の比率が０．７以下であることが好ましい。この比率の大小は、マンドレル１の直径に対する中空マンドレル１の肉厚の比率の大小と相反する関係にあるので、その比率の上限値を定めることは、中空マンドレルの肉厚の好ましい下限値を定めることに相当するということができる。中空マンドレルの肉厚が薄すぎると、坑井掘削用プラグを坑井孔内に配置したり、坑井孔の閉塞やフラクチャリングを行うときに、中空マンドレルの強度（特に引張強度）が不足して、極端な場合には坑井掘削用プラグが損傷することがある。したがって、マンドレル１の直径に対する中空部の外径の比率は、より好ましくは０．６以下、更に好ましくは０．５以下である。
【００３１】
マンドレル１の直径及び／または中空部の外径は、マンドレル１の軸方向に沿って均一でもよいが、軸方向に沿って変化するものでもよい。すなわち、マンドレル１の外径が軸方向に沿って変化することによって、マンドレル１の外周面に凸部、段部、フランジ部、凹部（溝部）、更にはねじ部などの曲折部分を有するものとしてもよい。また、中空部の外径が軸方向に沿って変化することによって、マンドレル１の内周面に凸部、段部、フランジ部、溝部（溝部）、更にはねじ部などの曲折部分を有するものとしてもよい。さらに、曲折部分は、テーパー部を有するものとすることができる。
【００３２】
マンドレル１の外周面及び／または内周面に有する凸部、段部、フランジ部や凹部（溝部）は、坑井掘削用プラグを坑井内で移送する際の支承部位として利用することもでき、また、マンドレル１の外周面及び／または内周面に、別部材を取り付けたり固定したりするための部位として利用することもできる。また、マンドレル１が中空部を有する場合、流体の流れを制御するために使用するボールを保持する座面とすることができる。
【００３３】
〔マンドレルを形成する材料〕
本発明の坑井掘削用プラグに備えられるマンドレル１を形成する材料は、特に限定されず、従来、坑井掘削用プラグに備えられるマンドレルを形成する材料として使用されている材料を使用することができる。例えば、金属材料(アルミニウム、スチール、ステンレス鋼等)、繊維、木、複合材及び樹脂などを挙げることができ、具体的には、炭素繊維等の強化材を含有する複合材、特に、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の重合体を含有する複合材などを挙げることができる。本発明の坑井掘削用プラグは、フラクチャリングを行った後には、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグであることから、マンドレル１が分解性材料から形成されるものであることが好ましい。
【００３４】
〔分解性材料〕
本発明の坑井掘削用プラグにおいて、マンドレル１が分解性材料から形成されるものである場合、分解性材料としては、後に詳述するように、生分解性、加水分解性を有する分解性材料、更に他の何らかの方法によって化学的に分解することができる分解性材料を使用することができる。
【００３５】
なお、従来坑井掘削用プラグに備えられるマンドレルとして汎用されているアルミニウム等の金属材料のように、大きな機械的な力を加えることにより、破壊、崩壊等物理的に分解する材料は、本発明の坑井掘削用プラグに備えられるマンドレル１を形成する分解性材料には該当しない。ただし、後述する分解性樹脂と金属材料との複合材にみられるように、重合度の低下等により本来の樹脂が有した強度が低下して脆くなった結果、極めて小さい機械的力を加えることによって簡単に崩壊し、形状を失うような材料は、前記の分解性材料に該当する。
【００３６】
本発明の坑井掘削用プラグにおいて、マンドレル１が分解性材料から形成されるものである場合、好ましくは、所定温度以上の水によって分解する加水分解性材料である。また、分解性材料が、脂肪族ポリエステルであることがより好ましく、ポリグリコール酸であることが更に好ましい。さらに、分解性材料が、強化材を含有するものでもよく、他の配合成分を含有するものとすることもできる。また、マンドレル１が分解性材料から形成され、更に凸部、段部、フランジ部、凹部（溝部）、更にはねじ部などの曲折部分を有する場合、曲折部分の曲率半径は０．５〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００３７】
本発明の坑井掘削用プラグにおいて使用される分解性材料について更に説明する。分解性材料とは、例えば、フラクチャリング流体が使用される土壌中の微生物によって分解される生分解性、または、フラクチャリング流体中の溶媒、特に、水によって、更に所望により酸またはアルカリによって分解する加水分解性を有する分解性材料などがあるが、更に他の何らかの方法によって化学的に分解することができる分解性材料であってもよい。好ましくは、所定温度以上の水によって分解する加水分解性材料である。
【００３８】
〔分解性樹脂〕
分解性材料としては、高深度地下の高温高圧の環境において所期の強度を有すると同時に、分解性に優れることが求められることから、分解性樹脂が好ましい。分解性樹脂とは、先に説明したように生分解性、加水分解性、更にその他の方法によって化学的に分解することができる樹脂を意味する。分解性樹脂としては、例えば、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ−ε−カプロラクトン等の脂肪族ポリエステルやポリビニルアルコール（ケン化度８０〜９５モル％程度の部分ケン化ポリビニルアルコールなど）などが挙げられるが、より好ましくは脂肪族ポリエステルである。すなわち、分解性材料は、脂肪族ポリエステルであることが好ましい。分解性樹脂は、単独でまたは２種以上をブレンド等により組み合わせて使用することもできる。また、分解性材料から形成されるマンドレル１の軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材が、拡径可能な環状のゴム部材である場合は、分解性材料として、例えば、脂肪族ポリエステル系ゴム、ポリウレタンゴム、天然ゴム、ポリイソプレン等の生分解性ゴムを使用することができる。
【００３９】
〔脂肪族ポリエステル〕
脂肪族ポリエステルは、例えば、オキシカルボン酸及び／またはラクトンの単独重合または共重合、脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとのエステル化反応、脂肪族ジカルボン酸と、脂肪族ジオールと、オキシカルボン酸及び／またはラクトンとの共重合により得られる脂肪族ポリエステルであり、温度２０〜１００℃程度の水に速やかに溶解するものが好ましい。
【００４０】
オキシカルボン酸としては、グリコール酸、乳酸、リンゴ酸、ヒドロキシプロピオン酸、ヒドロキシ酪酸、ヒドロキシペンタン酸、ヒドロキシカプロン酸、ヒドロキシヘプタン酸、ヒドロキシオクタン酸等の炭素数２〜８の脂肪族ヒドロキシカルボン酸などが挙げられる。ラクトンとしては、プロピオラクトン、ブチロラクトン、バレロラクトン、ε−カプロラクトン等の炭素数３〜１０のラクトンなどが挙げられる。
【００４１】
脂肪族ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等の炭素数２〜８の脂肪族飽和ジカルボン酸、マレイン酸、フマル酸等の炭素数４〜８の脂肪族不飽和ジカルボン酸などが挙げられる。脂肪族ジオールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ヘキサンジオール等の炭素数２〜６のアルキレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール等の炭素数２〜４のポリアルキレングリコールなどが挙げられる。
【００４２】
これらのポリエステルを形成する成分は、それぞれ単独でまたは２種以上組み合わせて使用することもできる。また、分解性樹脂としての性質を失わない限り、テレフタル酸等の芳香族であるポリエステルを形成する成分を組み合わせて使用することもできる。
【００４３】
特に好ましい分解性樹脂である脂肪族ポリエステルとしては、ポリ乳酸（以下、「ＰＬＡ」ということがある。）やポリグリコール酸（以下、「ＰＧＡ」ということがある。）等のヒドロキシカルボン酸系脂肪族ポリエステル；ポリ−ε−カプロラクトン（以下、「ＰＣＬ」ということがある。）等のラクトン系脂肪族ポリエステル；ポリエチレンサクシネートやポリブチレンサクシネート等のジオール・ジカルボン酸系脂肪族ポリエステル；これらの共重合体、例えば、グリコール酸・乳酸共重合体（以下、「ＰＧＬＡ」ということがある。）；並びに、これらの混合物；などが挙げられる。また、ポリエチレンアジペート／テレフタレート等の芳香族成分を組み合わせて使用する脂肪族ポリエステルを挙げることもできる。
【００４４】
坑井掘削用プラグのマンドレル１に求められる強度や分解性の観点から、脂肪族ポリエステルが、ＰＧＡ、ＰＬＡ及びＰＧＬＡからなる群より選ばれる少なくとも１種であることが最も好ましく、ＰＧＡが更に好ましい。なお、ＰＧＡとしては、グリコール酸の単独重合体のほかに、グリコール酸繰り返し単位を５０質量％以上、好ましくは７５質量％以上、より好ましくは８５質量％以上、更に好ましくは９０質量％以上、特に好ましくは９５質量％以上、最も好ましくは９９質量％以上であり、とりわけ好ましくは９９．５質量％以上有する共重合体を包含する。ＰＬＡとしては、Ｌ−乳酸またはＤ−乳酸の単独重合体のほかに、Ｌ−乳酸またはＤ−乳酸の繰り返し単位を５０質量％以上、好ましくは７５質量％以上、より好ましくは８５質量％以上、更に好ましくは９０質量％以上有する共重合体を包含し、また、ポリ−Ｌ−乳酸とポリ−Ｄ−乳酸の混合により得られるステレオコンプレックス型ポリ乳酸でもよい。ＰＧＬＡとしては、グリコール酸繰り返し単位と乳酸繰り返し単位の比率（質量比）が、９９：１〜１：９９、好ましくは９０：１０〜１０：９０、より好ましくは８０：２０〜２０：８０である共重合体を使用することができる。
【００４５】
（溶融粘度）
脂肪族ポリエステル、好ましくはＰＧＡ、ＰＬＡまたはＰＧＬＡとしては、溶融粘度が通常５０〜５０００Ｐａ・ｓ、好ましくは１５０〜３０００Ｐａ・ｓ、より好ましくは３００〜１５００Ｐａ・ｓであるものを使用することができる。溶融粘度は、温度２４０℃、せん断速度１２２ｓｅｃ-1において測定するものである。溶融粘度が小さすぎると、坑井掘削用プラグに備えられるマンドレルに求められる強度が不足する場合がある。溶融粘度が大きすぎると、例えば、マンドレルを製造するために高い溶融温度が必要となり、脂肪族ポリエステルが熱劣化するおそれがあったり、分解性が不十分となったりすることがある。前記の溶融粘度は、キャピラリー（直径１ｍｍφ×長さ１０ｍｍ）を装着したキャピログラフ（株式会社東洋精機製作所製の「キャピログラフ１−Ｃ」）を使用して、試料約２０ｇを所定温度（２４０℃）にて５分間保持した後、せん断速度１２２ｓｅｃ-1の条件で測定を行うものである。
【００４６】
特に好ましい脂肪族ポリエステルであるＰＧＡとしては、例えば固化押出成形により成形を行う際に割れが生じにくいなどの成形性等の観点から、重量平均分子量が１８００００〜３０００００、かつ、温度２７０℃、せん断速度１２２ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度が７００〜２０００Ｐａ・ｓであるＰＧＡがより好適である。中でも好ましいＰＧＡは、重量平均分子量が１９００００〜２４００００、かつ、温度２７０℃、せん断速度１２２ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度が８００〜１２００Ｐａ・ｓであるＰＧＡである。溶融粘度は、先に説明した方法に準じて（測定温度を２７０℃とする。）測定する。前記の重量平均分子量は、１０ｍｇのＰＧＡの試料を、トリフルオロ酢酸ナトリウムを５ｍＭの濃度で溶解させたヘキサフルオロイソプロパノール(ＨＦＩＰ)に、溶解させて１０ｍＬとした後、メンブレンフィルタ―で濾過して得た試料溶液の１０μｌを使用して、下記条件でゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）により測定するものである。
＜ＧＰＣ測定条件＞
装置：株式会社島津製作所製のＳｈｉｍａｚｕ  ＬＣ−９Ａ
カラム：昭和電工株式会社製のＨＦＩＰ−８０６Ｍ  ２本(直列接続)＋プレカラム：ＨＦＩＰ−ＬＧ  １本
カラム温度：４０℃
溶離液：トリフルオロ酢酸ナトリウムを５ｍＭの濃度で溶解させたＨＦＩＰ溶液
流速：１ｍＬ／分
検出器：示差屈折率計
分子量校正：分子量の異なる標準分子量のポリメタクリル酸メチル５種（ＰＯＬＹＭＥＲ  ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＩＥＳ  Ｌｔｄ．製）を用いて作成した分子量の検量線データを使用。
【００４７】
〔他の配合成分〕
分解性材料、好ましくは分解性樹脂、より好ましくは脂肪族ポリエステル、更に好ましくはＰＧＡには、本発明の目的を阻害しない範囲で、更に他の配合成分として、樹脂材料（分解性材料が分解性樹脂である場合は、他の樹脂）や、安定剤、分解促進剤または分解抑制剤、強化材等の各種添加剤を含有させ、または配合してもよい。分解性材料が、強化材を含有することが好ましく、この場合、分解性材料は、複合材ということができる。分解性材料が、分解性樹脂である場合は、いわゆる強化樹脂である。強化樹脂から形成されるマンドレルは、好ましくは、強化材を含有する脂肪族ポリエステルから形成されるものである。
【００４８】
〔強化材〕
強化材としては、従来、機械的強度や耐熱性の向上を目的として樹脂材料等の強化材として使用されている材料を使用することができ、繊維状強化材や、粒状または粉末状強化材を使用することができる。強化材は、分解性樹脂等の分解性材料１００質量部に対して、通常１５０質量部以下、好ましくは１０〜１００質量部の範囲で含有させることができる。
【００４９】
繊維状強化材としては、ガラス繊維、炭素繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化硼素繊維、窒化珪素繊維、硼素繊維、チタン酸カリ繊維等の無機繊維状物；ステンレス、アルミニウム、チタン、鋼、真鍮等の金属繊維状物；アラミド繊維、ケナフ繊維、ポリアミド、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等の高融点有機質繊維状物質；などが挙げられる。繊維状強化材としては、長さが１０ｍｍ以下、より好ましくは１〜６ｍｍ、更に好ましくは１．５〜４ｍｍである短繊維が好ましく、また、無機繊維状物が好ましく使用され、ガラス繊維が特に好ましい。
【００５０】
粒状または粉末状強化材としては、マイカ、シリカ、タルク、アルミナ、カオリン、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、フェライト、クレー、ガラス粉、酸化亜鉛、炭酸ニッケル、酸化鉄、石英粉末、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム等を用いることができる。強化材は、それぞれ単独で、または２種以上を組み合わせて使用することができる。強化材は、必要に応じて、集束剤または表面処理剤により処理されていてもよい。
【００５１】
〔複合材〕
分解性材料から形成されるマンドレル１としては、分解性材料と金属または無機物との複合材により形成されるものとすることができる。具体的には、ＰＧＡを始めとする分解性樹脂等の分解性材料からなる母材に、所定形状の窪み等の凹部を設け、該凹部の形状に合致する形状の金属（金属片等）または無機物をはめ込んで、これらを接着剤で固定したり、金属片や無機物と母材が固定状態を維持できるように針金、繊維等を巻きつけて固定してなるものが挙げられる。
【００５２】
〔リング状のラチェット機構〕
本発明の坑井掘削用プラグのマンドレル１の外周面には、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の、マンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構が備えられる。なお、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材が複数存在する場合は、該部材のすべてについて、前記のリング状のラチェット機構を備えるようにしてもよいが、該部材の一部、すなわち該部材の少なくとも一つについて、前記のリング状のラチェット機構を備えるようにしてもよい。マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構については、後に詳述する。
【００５３】
〔温度６６℃におけるせん断応力〕
本発明の坑井掘削用プラグのマンドレル１が分解性材料から形成される場合、マンドレル１は、温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成されるものであることが好ましい。すなわち、マンドレル１が、温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成されることによって、該マンドレル１の外周面に形成される、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を形成する複数のかみ合い部は、フラクチャリング流体等によりマンドレルの軸方向に向かう大きな圧力を受けても、かみ合い部が変形したり、場合によっては破損したりするおそれがない。マンドレル１を形成する分解性材料の温度６６℃におけるせん断応力は、好ましくは４５ＭＰａ以上、より好ましくは６０ＭＰａ以上である。分解性材料の温度６６℃におけるせん断応力は、特に上限値がないが、通常６００ＭＰａ以下、多くの場合４５０ＭＰａ以下である。
【００５４】
〔水に浸漬後の厚み減少〕
また、本発明の坑井掘削用プラグのマンドレル１が分解性材料から形成される場合、マンドレル１は、温度６６℃の水に１時間浸漬後の厚み減少が５ｍｍ未満であって、温度１４９℃の水に２４時間浸漬後の厚み減少が１０ｍｍ以上であることが好ましい。すなわち、マンドレル１は、温度６６℃の水に１時間浸漬後の厚み減少が５ｍｍ未満、より好ましくは４ｍｍ未満、更に好ましくは３ｍｍ未満であることにより、温度６６℃程度のダウンホール環境下においては、マンドレル１を形成する分解性材料が分解（先に説明したように、崩壊や強度の低下であってもよい。）する蓋然性が小さいので、リング状のラチェット機構のかみ合い部が変形したり破損するおそれがなく、流体によりマンドレルの軸方向に向かう大きな圧力を受けるフラクチャリング等の坑井処理を、例えば数日間〜１週間という所望の時間スケジュールに従って、確実に実施することができる。温度６６℃の水に１時間浸漬後の厚み減少は、下限値が特にないが、０ｍｍが望ましく、０．１ｍｍ程度でもよい。同時に、マンドレル１が、温度１４９℃の水に２４時間浸漬後の厚み減少が１０ｍｍ以上、より好ましくは１２ｍｍ以上、更に好ましくは１５ｍｍ以上であることにより、フラクチャリング等の坑井処理が終了した後には、例えば温度１４９℃のような流体にマンドレル１を接触するようにすれば、短時間、例えば数時間〜数日間で、マンドレル１を形成する分解性材料が分解（先に説明したように、崩壊や強度の低下であってもよい。）して、リング状のラチェット機構のかみ合い部が変形（縮小を含む。）したり破損したりして、坑井掘削用プラグによる坑井孔内の閉塞（流体シール）を解除することができる。温度１４９℃の水に２４時間浸漬後の厚み減少の上限値は特にないが、マンドレル１の厚み（または直径）の１００％が望ましく、その９５％程度でもよい。
【００５５】
〔ラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重〕
さらに、本発明の坑井掘削用プラグのマンドレル１は、後に詳述するように、ラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重が５ｋＮ以上であるものであることが好ましい。
【００５６】
２．マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材
本発明の坑井掘削用プラグは、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグである。すなわち、坑井掘削用プラグにおいて、該プラグの移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを効率的かつ確実に行うため、更に、取扱い性を改善するためなどの目的で、マンドレルの外周面上に種々の部材が取り付けられることがある。該部材としては、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材、マンドレルの軸方向に沿う外周面上に取り付けられる部材、及び、マンドレルの軸方向に対してその他の方向に沿う外周面上に取り付けられる部材などがある。本発明は、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材（以下、「外周面上取付部材」ということがある。）を備える坑井掘削用プラグに関する。以下、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００５７】
外周面上取付部材としては、従来、坑井掘削用プラグにおいて使用されている部材であれば特に限定されず、スリップ２ａ，２ｂ、ウエッジ３ａ，３ｂ、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂ、及び、拡径可能な環状のゴム部材５からなる群より選ばれる少なくとも１つが好ましく挙げられる。なお、図１及び図２では、スリップ及びウエッジの組み合わせを２対有する具体例を示しているが、後にも説明するように、スリップ及びウエッジの組み合わせを１対有するものとすることができ、また、３対以上有するものとすることもできる。また、１対のリング状固定部材を複数対有するものとすることができ、また、１対のリング状固定部材のうち一方を省略したものとすることもできる。さらに、拡径可能な環状のゴム部材５を複数有するものとすることもでき、また、スリップ、ウエッジ、リング状固定部材、及び、拡径可能な環状のゴム部材のいずれかを省略したものとすることもできる。
【００５８】
〔外周面上取付部材を形成する材料〕
本発明の坑井掘削用プラグに備えられる外周面上取付部材を形成する材料は、特に限定されず、従来、坑井掘削用プラグに備えられる外周面上取付部材を形成する材料として使用されている材料を使用することができる。例えば、金属材料(アルミニウム、スチール、ステンレス鋼等)、繊維、木、複合材及び樹脂などを挙げることができ、具体的には、炭素繊維等の強化材を含有する複合材、特に、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の重合体を含有する複合材などを挙げることができる。本発明の坑井掘削用プラグは、フラクチャリングを行った後には、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグであることから、外周面上取付部材の少なくとも一つが分解性材料から形成されるものであることが好ましい。
【００５９】
〔分解性材料〕
本発明の坑井掘削用プラグにおいて、外周面上取付部材の少なくとも一つが分解性材料から形成されるものである場合、分解性材料としては、先にマンドレル１について詳述したと同様の分解性材料、好ましくは分解性樹脂、より好ましくは脂肪族ポリエステル、更に好ましくはＰＧＡを使用することができる。分解性材料から形成される前記部材、すなわち、外周面上取付部材の少なくとも一つは、温度６６℃におけるせん断応力が３０ＭＰａ以上の分解性材料から形成されることが好ましく、該分解性材料は、先にマンドレル１について説明したとおりである。
【００６０】
〔スリップ及びウエッジ〕
スリップ２ａ，２ｂとウエッジ３ａ，３ｂとの組み合わせは、プラグと坑井孔との固定を行う手段として、坑井掘削用プラグにおいてそれ自体周知のものである。すなわち、金属、無機物、樹脂等の材料により形成されるスリップ２ａ，２ｂが、樹脂複合材等の材料により形成されるウエッジ３ａ，３ｂの斜面の上面に摺動可能に接触して置かれ、ウエッジ３ａ，３ｂが、マンドレル１の軸方向の力が加えられて移動することによって、スリップ２ａ，２ｂがウエッジ３ａ，３ｂの斜面の上面に乗り上げてマンドレル１の軸方向と直交する外方に移動し、該スリップ２ａ，２ｂのマンドレル１の軸方向と直交する最外方の周面が、坑井孔の内壁Ｈに当接して、プラグと坑井孔の内壁Ｈとの固定を行う。スリップ２ａ，２ｂには、プラグと坑井孔との間の空間の閉塞（シール）を一層確実なものとするために、坑井孔の内壁Ｈとの当接部に、１以上の凸部、段部、溝部、粗面（ギザギザ）などの曲折部分が設けられることがある。また、スリップ２ａ，２ｂは、予めマンドレル１の軸方向に直交する円周方向において所定の数に分割されているものでもよいし、図１に示すように、予め所定の数に分割されてはおらず、軸方向に沿う一端部から他端部に向かい途中で終了する切れ目を有するものでもよい。なお、この場合は、ウエッジ３ａ，３ｂにマンドレル１の軸方向の力が加えられて、ウエッジ３ａ，３ｂがスリップ２ａ，２ｂの下面に進入することにより、スリップ２ａ，２ｂが、前記の切れ目及びその延長線に沿って割られて分割し、次いで各分割片がマンドレル１の軸方向と直交する外方に移動するが、それ自体は周知の構造である。なお、スリップ２ａ，２ｂまたはウエッジ３ａ，３ｂが分解性材料から形成され、更に曲折部分を有する場合、曲折部分の曲率半径は０．５〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００６１】
〔１対のリング状固定部材〕
ウエッジ３ａ，３ｂにマンドレル１の軸方向の力を加え移動させることができるように、少なくとも１つのスリップ２ａ，２ｂとウエッジ３ａ，３ｂとの組み合わせが、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの間に置かれることが好ましい。すなわち、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂは、マンドレル１の外周面上においてマンドレル１の軸方向に沿って摺動が可能で、相互の間隔を変更することができるように構成されており、１つまたは複数のウエッジ３ａ，３ｂの軸方向に沿う端部に、直接または間接的に当接することにより、これらにマンドレル１の軸方向の力を加えることができるように構成されている。１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの各々の形状や大きさは、上記した機能を果たすことができる限り、特に制限されないが、ウエッジ３ａ，３ｂに対して、マンドレル１の軸方向の力を有効に加えることができる観点から、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂのウエッジ３ａ，３ｂに当接する側の各々の端面を平面状とすることが好ましい。１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの各々のリング状固定部材は、マンドレル１の外周面を完全に取り囲む円環状のものが好ましいが、周方向に切れ目や変形箇所を有するものでもよい。また、円環を周方向に分離した形状のものとして、所望により円環を形成するようにしたものでもよい。１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの各々のリング状固定部材は、複数のリングを軸方向に隣接して置くことにより、幅広の（マンドレル１の軸方向の長さが大きい。）リング状固定部材とすることもできる。
【００６２】
１対のリング状固定部材４ａ，４ｂは、同じまたは類似の組成及び形状や構造を有するものでもよいし、組成及び形状や構造が異なるものでもよい。例えば、各々のリング状固定部材は、マンドレル１の軸方向の長さや外径が異なるものでもよい。また例えば、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの一方のリング状固定部材を、所望によりマンドレル１に対して摺動することができない状態に構成することができる。この場合、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの他方のリング状固定部材がマンドレル１の外周面上を摺動することによって、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの各々のリング状固定部材が、ウエッジ３ａ，３ｂの軸方向に沿う端部にそれぞれ当接する。１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの一方のリング状固定部材を、所望によりマンドレル１に対して摺動することができない状態にする構成は、特に制限されないが、例えば、マンドレル１と、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの一方のリング状固定部材とが一体に形成されているものとしたり（この場合は、当該リング状固定部材は、マンドレル１に対して常時摺動することができない。）、ドッグクラッチ等のクラッチ構造やはめ合い構造を利用するものとしたり（この場合は、マンドレル１に対して摺動する状態と摺動することができない状態とを切り替えることができる。）することができる。マンドレル１と、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの一方のリング状固定部材とが一体に形成されている坑井掘削用プラグとしては、一体成形により形成される坑井掘削用プラグ、または、機械加工により形成される坑井掘削用プラグが提供される。なお、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂが分解性材料から形成され、更に曲折部分を有する場合、曲折部分の曲率半径は０．５〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００６３】
坑井掘削用プラグは、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂを複数対備えるものでもよい。１つまたは複数のスリップ２ａ，２ｂとウエッジ３ａ，３ｂとの組み合わせ、及び／または、後に詳述する拡径可能な環状のゴム部材５の、それぞれの１つ以上を別々にまたは組み合わせて、１対または複数対のリング状固定部材４ａ，４ｂの間の位置に置かれるようにすることもできる。
【００６４】
〔拡径可能な環状のゴム部材〕
坑井掘削用プラグは、マンドレル１の軸方向と直交する外周面上であって、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの間の位置に、少なくとも１つの拡径可能な環状のゴム部材５を備えるものとすることができる。好ましくは、先に説明した１対のリング状固定部材４ａ，４ｂが、マンドレル１の軸方向に直交する外周面上に取り付けられる拡径可能な環状のゴム部材５を圧縮状態のまま固定するものとすることができる。すなわち、拡径可能な環状のゴム部材５は、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂに直接または間接的に当接することにより、マンドレル１の外周面上においてマンドレル１の軸方向の力を伝達され、その結果、マンドレル１の軸方向に圧縮されて縮径することに伴い、マンドレル１の軸方向に直交する方向に拡径する。該環状のゴム部材５は、拡径して、軸方向と直交する方向の外方部が坑井孔の内壁Ｈと当接するとともに、軸方向と直交する方向の内方部がマンドレル１の外周面に当接することにより、プラグと坑井孔との間の空間を閉塞（シール）するものである。拡径可能な環状のゴム部材５は、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂによって圧縮状態のまま固定され、すなわち、マンドレル１の軸方向に圧縮された状態で、かつ、マンドレル１の軸方向と直交する方向に拡径した状態で、フラクチャリングが遂行されている間、坑井孔の内壁Ｈ及びマンドレル１の外周面と当接状態を維持することができ、プラグと坑井孔とのシールを維持する機能を有するものである。
【００６５】
拡径可能な環状のゴム部材５は、上記した機能を有するものである限り、その材料、形状及び構造に制限はない。例えば、マンドレル１の軸方向に直交する周方向の断面が逆Ｕ字形の形状を有する環状のゴム部材５とすることにより、Ｕ字の先端部分がマンドレル１の軸方向に圧縮されるのに伴って逆Ｕ字形の頂点部に向かうように拡径することができる。拡径可能な環状のゴム部材５は、拡径したときに坑井孔の内壁Ｈ及びマンドレル１の外周面に当接してプラグと坑井孔との間の空間を閉塞（シール）するとともに、拡径しないときにはプラグと坑井孔との間に空隙が存在するものであることから、マンドレル１の軸方向の長さが、マンドレル１の長さに対して、好ましくは１０〜７０％、より好ましくは１５〜６５％であり、これにより、本発明の坑井掘削用プラグは、十分なシール機能とを有するとともに、シール後には坑井孔とプラグとの固定補助の機能を果たすことができる。
【００６６】
坑井掘削用プラグは、拡径可能な環状のゴム部材５を複数備えることができ、これによりプラグと坑井孔との間の空間を複数の位置で閉塞（シール）することができ、また、坑井孔とプラグとの固定補助の機能をより確実に果たすことができる。坑井掘削用プラグが、拡径可能な環状のゴム部材５を複数備える場合、複数の拡径可能な環状のゴム部材５の組成、形状または構造、マンドレル１の軸方向における位置、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂとの相対的位置関係は、適宜選択することができる。
【００６７】
拡径可能な環状のゴム部材５は、高深度地下の高温高圧の環境下において、フラクチャリングに伴う一層の高圧やフラクチャリング流体との接触によっても、シール機能の喪失が生じないことが求められるので、通常、耐熱、耐油及び耐水性に優れたゴム材料が好ましく、例えば、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム等が使用されることが多い。なお、拡径可能な環状のゴム部材５が分解性材料から形成されるものである場合は、分解性材料として、例えば、ウレタンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、スチレンゴム、アクリルゴム、脂肪族ポリエステルゴム、クロロプレンゴム、ポリエステル系熱可塑性エラストマー及びポリアミド系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる少なくとも１種である分解性ゴムを使用することができる。また、拡径可能な環状のゴム部材５は、例えば、積層ゴムなど複数のゴム部材から形成される構造のゴムであってもよいし、他の部材を積層した構造のものでもよい。さらに、拡径したときにプラグと坑井孔との間の空間の閉塞（シール）や坑井孔とプラグとの固定補助を一層確実なものとするために、坑井孔の内壁Ｈとの当接部に、１以上の凸部、段部、溝部、粗面（ギザギザ）などの曲折部分を設けてもよい。
【００６８】
３．マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構
本発明のマンドレル１と、外周面上取付部材とを備える坑井掘削用プラグは、マンドレル１の外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレル１の軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレル１の軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備えることを特徴とする。
【００６９】
すなわち、本発明のマンドレル１と、外周面上取付部材とを備える坑井掘削用プラグは、マンドレルと外周面上取付部材とが共同して、坑井孔を閉塞し、フラクチャリングを可能とする。したがって、坑井掘削用プラグに備えられるマンドレル１と外周面上取付部材には、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができることが求められる。本発明の坑井掘削用プラグは、前記のリング状のラチェット機構を備えるという特有の構造を有することによって、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができるものである。
【００７０】
具体的には、坑井孔を閉塞してフラクチャリングを行う際には、８，０００ポンド重以上の高水圧が加えられることによって、坑井掘削用プラグには、５０ｋＮ以上の荷重がかかるのが通常であり、場合によっては８０ｋＮ以上、更には１００ｋＮ以上の荷重がかかることがある。本発明の坑井掘削用プラグは、マンドレル１の外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレル１の軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレル１の軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備え、特に、該ラチェット機構を、５０ｋＮ以上の荷重に抗し得るような総引張耐荷重を有するように、所要数のかみ合い部を形成したり、かみ合い深さを更に深く（かみ合い部の断面積を増大）したりすることが好ましい。該ラチェット機構の総引張耐荷重は、より好ましくは８０ｋＮ以上、更に好ましくは１００ｋＮ以上とすることができ、その上限は通常５００ｋＮである。
【００７１】
〔かみ合い部〕
より具体的には、図２に示すように、マンドレル１の外周面に、マンドレル１の軸方向に直交するリング状の歯部ｒ1が形成され（図２においては、４つの歯部が模式的に表示されている。）、他方、外周面上取付部材（図２においては、リング状固定部材４ａが例示されている。）の内周面に取り付けた歯付き部材Ｔにより、マンドレル１の軸方向に直交するリング状の歯部ｒ2が形成され（図２においては、４つの歯部が模式的に表示されている。）、歯部ｒ1及び歯部ｒ2により、ラチェット機構のかみ合い部Ｒが形成されるようになっている（図２においては、４つのかみ合い部が模式的に表示されている。）。図２の右方から左方に向かう矢印のような力が加わった場合、かみ合い部の存在により、外周面上取付部材の移動が規制され、マンドレル１と外周面上取付部材との係合状態が維持される。
【００７２】
他方、かみ合い部は、図２の左方から右方に向かう矢印のような力が加わった場合には、外周面上取付部材の内周面に形成したリング状の歯部ｒ2が、マンドレル１の外周面に形成したリング状の歯部ｒ1を乗り越えるように移動することが可能であり、外周面上取付部材の移動が許容されるように構成されている。
【００７３】
各々のかみ合い部の引張耐荷重は、該かみ合い部を構成する歯部ｒ1及び歯部ｒ2を形成する材料のうち、該かみ合い部が存在する温度環境におけるせん断応力が小さい材料のせん断応力の大きさに依存する。例えば、一方の歯部が分解性材料であるＰＧＡから形成され、他方の歯部が金属から形成されている場合、ＰＧＡの温度６６℃（華氏約１５０度に相当する。）におけるせん断応力は５６ＭＰａであり、通常は金属のせん断応力より小さい。したがって、歯部のかみ合い部の面積が、例えば４００ｍｍ２であれば、このかみ合い部の引張耐荷重は、ＰＧＡのせん断応力から算出される、おおよそ２２ｋＮであることが分かる。
【００７４】
リング状のラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重は、歯部を形成する材料、特に分解性材料の種類や、歯部のかみ合い部の断面積の大きさ等の選択によって、調整することができ、５ｋＮ以上であることが好ましく、８ｋＮ以上がより好ましく、１０ｋＮ以上が更に好ましい。かみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重の上限値は、通常５０ｋＮである。これらの選択に当たっては、本発明の坑井掘削用プラグが、マンドレル１または外周面上取付部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成されているものであることを踏まえて、特に、後に詳述するように、歯部が、分解性材料から形成されるマンドレル１の外周面に形成されているものである場合には、マンドレル１の強度、坑井掘削用プラグが置かれる環境下における分解の影響等の種々のパラメータを考慮することが必要である。
【００７５】
〔リング状のラチェット機構〕
リング状のラチェット機構を、坑井孔を閉塞してフラクチャリングを行う際に発生する、例えば温度６６℃において５０ｋＮの荷重に抗し得るような総引張耐荷重を有するものとするためには、ラチェット機構が、前記のかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重に応じて所要数のかみ合い部を有するものとすればよい。例えば、前記の温度６６℃における引張耐荷重が５ｋＮ以上のかみ合い部であれば、１０個（「１０山」ということもある。）のかみ合い部を有するラチェット機構を備えるようにすればよい。リング状のラチェット機構における歯部（かみ合い部）の数は、かみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重と、ダウンホール環境において必要とされるラチェット機構による総引張耐荷重とを考慮して、適宜選択することができ、通常２〜２０の範囲、多くは３〜１５の範囲である。
【００７６】
本発明の坑井掘削用プラグにおけるマンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構は、マンドレルの外周面と、外周面上取付部材の内周面とに、前記したかみ合い部の所要数が形成されるように備えることにより、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する。
【００７７】
マンドレルの外周面及び外周面上取付部材の少なくとも一つの内周面に形成されるかみ合い部は、マンドレルの外周面または外周面上取付部材の内周面の一方または両方を、機械加工等によって直接歯部を刻設することにより形成されるものでもよい。また、かみ合い部を形成するための歯部を備える金属製のリング状の部材等を使用することにより、リング状のラチェット機構が、マンドレルの外周面、または、外周面上取付部材の少なくとも一つの内周面の一方または両方に被覆されて形成されるものでもよい。
【００７８】
リング状のラチェット機構は、金属から形成される、具体的には、アルミニウムまたは鉄（炭素鋼、ステンレス等）などから形成されるものとすることができる。多くの場合、アルミニウムまたは鉄などの金属材料に機械加工によりかみ合い部を形成するための所要数の歯部を刻設し、必要に応じてリング状に形状を調整した歯付き部材を、マンドレルの外周面に嵌め込んだり、または、先に図２に示したように、外周面上取付部材の少なくとも一つの内周面に内嵌めしたりして、定法により固定被覆することによって得ることができる。
【００７９】
また、リング状のラチェット機構は、分解性樹脂等の分解性材料から形成されるものでもよい。多くの場合、分解性材料から形成されるマンドレルの外周面または外周面上取付部材の少なくとも一つの内周面を機械加工することによりかみ合い部を形成する歯部を形成することができる。さらに、リング状のラチェット機構が、分解性材料から形成されるものであることにより、フラクチャリングによる目止め処理を行った後、所定期間が経過すると、分解性材料の分解によって、該ラチェット機構のかみ合い部を形成する歯部の体積が減少してかみ合いが解消して、該ラチェット機構が分解される結果、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解されるので好ましいことがある。
【００８０】
〔押し治具〕
本発明の、マンドレル１の外周面及び外周面上取付部材の少なくとも一つの内周面に形成される複数のかみ合い部を有するリング状のラチェット機構を備える坑井掘削用プラグを使用して、高い流体圧が負荷されるフラクチャリング等の坑井処理を実施するためには、プラグと坑井孔とのシールとプラグの固定が必要とされる。先に説明したように、通常、拡径可能な環状のゴム部材５が、マンドレル１の軸方向に圧縮されて縮径することに伴い、マンドレル１の軸方向に直交する方向に拡径して、外方部が坑井孔の内壁Ｈと当接するとともに、内方部がマンドレル１の外周面に当接することにより、プラグと坑井孔との間の空間を閉塞（シール）し、また、ウエッジ３ａ，３ｂが、マンドレル１の軸方向の力が加えられて移動することに伴い、スリップ２ａ，２ｂがマンドレル１の軸方向と直交する外方に移動し、最外方の周面が、坑井孔の内壁Ｈに当接して、プラグと坑井孔の内壁Ｈとの固定を行う。すなわち、本発明の坑井掘削用プラグとしては、拡径可能な環状のゴム部材５、並びに、スリップ２ａ，２ｂ及びウエッジ３ａ，３ｂをマンドレル１の軸方向に移動させて所定の位置に固定することが可能であり、かつ、拡径可能な環状のゴム部材５等の復元力や、フラクチャリング等の坑井処理に伴って負荷される高い流体に抗して、該所定の位置を維持することが可能であることが必要とされる。したがって、本発明の坑井掘削用プラグとしては、マンドレル１の軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材が、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有する１または複数の押し治具を含む該坑井掘削用プラグが好ましい。
【００８１】
先に説明したように、拡径可能な環状のゴム部材５、並びに、スリップ２ａ，２ｂ及びウエッジ３ａ，３ｂの軸方向への移動は、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂに直接または間接的に当接することによって行われるのが通例であり、前記押し治具の少なくとも一つが、１対のリング状固定部材４ａ，４ｂの一方（以下、便宜上「リング状固定部材４ａ」ということがある。）である坑井掘削用プラグでもよいし、前記押し治具の少なくとも一つが、リング状固定部材４ａと別部材として、マンドレル１の軸方向に沿って配列されている外周面上取付部材である坑井掘削用プラグでもよい。
【００８２】
その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有する押し治具は、先に述べた機能を果たすことができれば、その形状、構造及び材料が特に限定されず、例えば、金属、無機材料、樹脂（分解性樹脂でもよい。）、複合材（強化材を含有する樹脂等）などから形成することができる。拡径可能な環状のゴム部材５等の復元力や、フラクチャリング流体等による流体圧に抗することができる強度や分解性の観点から、押し治具の少なくとも一つは、金属または分解性材料の少なくとも一方から形成されることが好ましく、金属及び／または分解性材料、更に他の材料を組み合わせて形成されるものでもよい。坑井掘削用プラグが、マンドレル１の軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材として、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有する複数の押し治具を含む該坑井掘削用プラグである場合、該複数の押し治具は、マンドレル１の軸方向に沿って連接して取り付けられているものでもよいし、離隔して取り付けられているものでもよく、また、形状、構造及び材料は実質的に同じでもよいし、異なるものでもよい。
【００８３】
図３に、押し治具Ｓ〔リング状固定部材４ａに相当することがあることから、以下、「押し治具Ｓ（４ａ）」ということがある。〕の具体例の一つを模式的部分断面図として示す。図３に例示する押し治具Ｓ（４ａ）は、例えば分解性材料（ＰＧＡ等）製のリング状の押し治具本体Ｓ１、及び、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有するラチェット機構付きリングＴ１（図２における歯付き部材Ｔに相当する部材である。ただし、図３においては、５つのかみ合い部が模式的に表示されている。）を備え、押し治具本体Ｓ１の内周面は、ラチェット機構付きリングＴ１の外周面に当接する。図３においては、押し治具本体Ｓ１の内周面とラチェット機構付きリングＴ１の外周面との当接面は、図の右方に向かって縮径するテーパー状である。押し治具本体Ｓ１のマンドレル１の軸方向に沿う後方（図３における左方であり、フラクチャリング流体等による流体圧が該左方から負荷される。）には、例えば分解性材料（ＰＧＡ等）製の押し治具用ねじＳ２が、螺着されている。押し治具Ｓの形状や大きさは、材料や坑井環境等を参酌して適宜定めることができ、特に限定されないが、厚みの範囲として、通常２〜２０ｍｍ、多くの場合３〜１５ｍｍ程度であり、幅（マンドレル１の軸方向の長さ）の範囲として、通常１０〜１００ｍｍ、多くの場合１５〜５０ｍｍ程度である。
【００８４】
さらに、図３に具体的に例示する押し治具Ｓの押し治具本体Ｓ１においては、ラチェット機構付きリングＴ１の外周面と当接するマンドレル１の軸方向に直交する内方に金属または分解性材料の少なくとも一方から形成される（例えば、アルミニウム製の）サポートリングＳ１１が備えられている。この場合、先に説明した押し治具本体Ｓ１の内周面は、サポートリングＳ１１の外周面に当接するので、該サポートリングＳ１１の内周面は、ラチェット機構付きリングＴ１の外周面に当接する。サポートリングＳ１１の厚みは、材料、押し治具の形状や厚みと長さ、負荷される流体圧、坑井環境等を参酌して適宜定めることができ、特に限定されないが、最小厚みと最大厚みの範囲として、通常０．５〜１５ｍｍ、多くの場合１〜１０ｍｍ程度である。なお、押し治具本体Ｓ１の構成は、この具体例に限定されるものではなく、また、押し治具Ｓの構成や材料も、この具体例に限定されるものではない。
【００８５】
図３に示す押し治具Ｓは、上記の構成を備えることにより、フラクチャリング流体等による流体圧が、マンドレル１の軸方向に沿う後方（図３における左方）から負荷されるとき、該流体圧によって、拡径可能な環状のゴム部材５、並びに、スリップ２ａ，２ｂ及びウエッジ３ａ，３ｂをマンドレル１の軸方向に沿う前方（図３における右方）に強く押圧し続けることにより、プラグと坑井とのシールを維持することができる。また、押し治具Ｓの押し治具本体Ｓ１が、金属または分解性材料の少なくとも一方から形成されるサポートリングＳ１１を備えることにより、押し治具Ｓを強度が高いものとすることができ、特に、ラチェット機構付きリングＴ１が高い流体圧により拡径方向に移動してラチェット機構におけるかみ合い部のかみ合いが喪失されたりするおそれをなくすことができる。すなわち、前記押し治具Ｓの少なくとも一つは、金属または分解性材料の少なくとも一方から形成されるサポートリングＳ１１を備え、かつ、該サポートリングＳ１１の内周面は、その内周面にリング状のラチェット機構を形成するかみ合い部を有するラチェット機構付きリングＴ１の外周面に当接するものであることが好ましい。
【００８６】
〔リング状のプレート〕
本発明の坑井掘削用プラグは更に、図４のラチェット機構近傍を示す模式的部分拡大断面図に示すように、押し治具Ｓの少なくとも一つ（図４では、一つの押し治具Ｓを備える坑井掘削用プラグを具体的に図示している。）のマンドレル１の軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートＰを備えることが好ましい。すなわち、本発明の坑井掘削用プラグは、ラチェット機構のかみ合い部を介して連結しているマンドレル１と押し治具Ｓが、フラクチャリング流体等の流体圧によって、マンドレル１の軸方向に沿う前方（図３及び図４における右方）に大きな力で押圧されることにより、押し治具Ｓ、具体的にはラチェット機構付きリングＴ１が、ラチェット機構を介して図４（ａ）の右方に強く押圧されることで、図４（ｂ）に示すように押し治具本体Ｓ１の内側に潜り込み、押し治具本体Ｓ１を押し広げながら、マンドレル１の軸方向に沿う前方にはみ出てしまうおそれがある。その場合には、ラチェット機構におけるかみ合い部のかみ合いが喪失され、極端なときには、マンドレル１がラチェット機構から離脱し、坑井掘削用プラグから前方に飛び出してしまうようなこともある。本発明の坑井掘削用プラグが、図４（ｂ）に示すように、押し治具Ｓのマンドレル１の軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートＰを備えることにより、ラチェット機構付きリングＴ１が押し治具本体Ｓ１の内側に潜り込むようなことがあっても、ラチェット機構付きリングＴ１の先端部がリング状のプレートＰに当接するので、押し治具Ｓ、具体的にはラチェット機構付きリングＴ１がマンドレル１の軸方向に沿う前方に移動することを抑制することができる。したがって、ラチェット機構におけるかみ合い部のかみ合いが喪失され、マンドレル１がラチェット機構から離脱することがない。
【００８７】
リング状のプレートＰは、その内径がマンドレル１の外径と略同じであり、その外径が押し治具Ｓの外径と略同じか、僅かに小径であることが好ましい。リング状のプレートＰの外径が押し治具Ｓの外径より大きいと、リング状のプレートＰがフラクチャリング流体等による流体圧を受けることとなったり、また、マンドレル１を備えるダウンホールツールを坑井孔内にセットする際に坑井孔の内壁Ｈ等に接触したりして、破損や変形等が生じるおそれがある。リング状のプレートＰの内径が押し治具Ｓの外径より小径である場合は、該リング状のプレートＰを、該押し治具Ｓのマンドレル１の軸方向に沿う前方に当たる位置に埋め込まれるように一体化して設けることもできる。坑井掘削用プラグが、マンドレル１の軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材として、複数の押し治具Ｓを含む該坑井掘削用プラグである場合は、複数の押し治具Ｓの各々が軸方向に沿う前方に隣接してリング状のプレートＰを備えることが好ましい。さらに、複数の押し治具Ｓが、マンドレル１の軸方向に沿って連接して取り付けられている場合は、リング状のプレートＰを、マンドレル１の軸方向に沿う前方に位置する押し治具Ｓのマンドレル１の軸方向に沿う後方に当たる位置に埋め込まれるように一体化して設けることもできる。リング状のプレートＰが、押し治具Ｓのマンドレル１の軸方向に沿う前方及び／または後方に当たる位置に埋め込まれるように一体化して設けられる場合は、該リング状のプレートＰを、円周方向に複数に分割して設けてもよい。
【００８８】
リング状のプレートＰのマンドレル１の軸方向に沿う長さは、押し治具Ｓを介する他の外周面上取付部材の押圧を妨げることがない限り特に限定されないが、押し治具Ｓのマンドレルの軸方向の長さに対して、通常５〜５０％、多くの場合１０〜３０％の範囲である。リング状のプレートＰは、金属、無機材料、樹脂（分解性材料である分解性樹脂でもよい。）、複合材（強化材を含有する樹脂等）などを材料として形成することができ、分解性材料または金属の少なくとも一方から形成されるものであることが好ましい。フラクチャリング等の坑井処理が終了した後に、リング状のプレートＰを除去する操作が不要または容易となることから、分解性材料から主として形成されるものであることがより好ましい。また、押し治具Ｓ、具体的にはラチェット機構付きリングＴ１の当接に対する強度の観点から、該当接部位を金属から形成されるものとし、その他の部位を分解性材料から形成するものとすることが更に好ましい。なお、リング状のプレートＰが円周方向に複数に分割して設けられている場合には、該リング状のプレートＰが分解性材料から形成されるものとすることにより分解が促進される効果があり、他方、該リング状のプレートＰが分解性材料から形成されるものでなくても、例えば、押し治具Ｓを分解性材料から形成されるものとすることにより、該押し治具Ｓの分解に伴い、該リング状のプレートＰが小片に分割されやすくなるメリットがある。
【００８９】
本発明の坑井掘削用プラグとしては、先に説明した押し治具Ｓ及びリング状のプレートＰの構造及び材料の選択により、ラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重及びダウンホール環境におけるラチェット機構による総引張耐荷重を、押し治具Ｓ及びリング状のプレートＰを備えない場合より大きくすることができる。また併せて、リング状のラチェット機構におけるかみ合い部の温度６６℃における引張耐荷重の値と、かみ合い部の数などを適宜設計することによって、ダウンホール環境においてプラグとしての総引張耐荷重が１００ｋＮ以上である坑井掘削用プラグを得ることができ、さらに、プラグとしての総引張耐荷重が好ましくは２００ｋＮ以上、より好ましくは３００ｋＮ以上である坑井掘削用プラグを得ることができる。坑井掘削用プラグの総引張耐荷重は、特に上限値がないが、フラクチャリング等の坑井処理が終了した後の坑井孔の閉塞（シール）の解除や生産を開始するための炭化水素資源の通過スペースの確保等の観点から、通常１５００ｋＮ以下、多くの場合１２００ｋＮ以下である。
【００９０】
４．坑井掘削用プラグ
本発明の坑井掘削用プラグは、マンドレルと外周面上取付部材とを備える坑井掘削用プラグであって、ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備えることを特徴とする坑井掘削用プラグである。本発明の坑井掘削用プラグは、更に、通常坑井掘削用プラグに備えられることがあるその他の部材を備えることができる。例えば、マンドレルが、軸方向に沿う中空部を有する場合、中空部に置かれ、流体の流れを制御するボール（金属、樹脂等の材料から形成され、分解性材料から形成されてもよい。）を備えることができる。また、坑井掘削用プラグのマンドレル、外周面上取付部材、更には前記のその他の部材を、それぞれまたは他の部材に結合したり開放したりするための部材、例えば、回転止め部材などを備えることができる。本発明のマンドレルと外周面上取付部材とを備える坑井掘削用プラグは、そのすべてを分解性材料から形成されるものとすることもできる。
【００９１】
〔坑井孔の閉塞〕
本発明の坑井掘削用プラグは、先に説明したように、例えば、１対のリング状固定部材にマンドレルの軸方向の力を加えることにより、拡径可能な環状のゴム部材にマンドレルの軸方向の力を伝達し、その結果、拡径可能な環状のゴム部材がマンドレルの軸方向に圧縮されることに伴い軸方向と直交する方向に拡径して、坑井孔の内壁及びマンドレルの外表面と当接し、また、スリップがウエッジの斜面の上面に乗り上げてマンドレルの軸方向と直交する外方に移動し、該スリップのマンドレルの軸方向と直交する最外方の周面が、坑井孔の内壁と当接して、プラグと坑井孔との間の空間を閉塞（シール）することができる（坑井孔の閉塞）。次いで、プラグと坑井孔との間の空間を閉塞（シール）した状態で、フラクチャリングを行うことができる。フラクチャリングが終了した後は、拡径可能な環状のゴム部材は、拡径した状態のまま坑井孔内に残置され、スリップとウエッジとの組み合わせと共同することにより、坑井掘削用プラグを坑井孔の所定位置に固定することができる。本発明の坑井掘削用プラグは、前記のマンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備えることにより、フラクチャリングに際して坑井掘削用プラグにかかる、例えば５０ｋＮを超える高圧力によっても、マンドレルと外周面上取付部材とがマンドレルの軸方向に相対移動することが規制されているので、閉塞が維持される。なお、坑井掘削用プラグの部材が短時間で分解してしまうような高温環境にあるダウンホール内において、上記した閉塞（シール）等を行う場合には、地上から流体を注入して（cooldown injection）、坑井掘削用プラグの周辺温度を低下させた状態にコントロールすることによって、所望の時間、シール性能(強度等)を維持するような処理方法を採用することができる。
【００９２】
〔坑井掘削用プラグの分解〕
本発明の坑井掘削用プラグは、所定の諸区画のフラクチャリングが終了した後、通常は、坑井の掘削が終了して坑井が完成し、石油や天然ガス等の生産を開始するときに、生分解、加水分解または更に他の何らかの方法による化学的な分解により、分解性材料から形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の少なくとも一つを、所望によっては更に分解性材料から形成されるマンドレルを、容易に分解して除去することができる。本発明の坑井掘削用プラグは、分解性材料から形成されるマンドレルまたは外周面上取付部材が分解しまたは強度低下することによって、フラクチャリング終了後短時間で、リング状のラチェット機構のかみ合い部のかみ合いが解除されてリング状のラチェット機構の分解が生じ、プラグによる坑井孔の閉塞が早期に解除されるので、坑井掘削用プラグの分解と除去を容易にすることができるとともに、炭化水素資源の採掘を効率的に行うことができる。したがって、本発明の坑井掘削用プラグによれば、従来、坑井完成後に、坑井内に残置されていた多数の坑井掘削用プラグを除去、回収したり、破砕、穿孔その他の方法によって、破壊したり、小片化したりするために要していた多くの経費と時間が不要となるので、坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる。なお、坑井処理が終了した後に残存する坑井掘削用プラグの部材は、生産を開始するまでに完全に消失していることが好ましいが、完全に消失していないとしても、強度が低下してダウンホール中の水流等の刺激により崩壊するような状態となれば、崩壊した坑井掘削用プラグの部材は、フローバックなどにより容易に回収することができ、ダウンホールやフラクチャに目詰まりを生じさせることがないので、石油や天然ガス等の生産障害となることがない。また通常、ダウンホールの温度が高い方が、短時間で坑井掘削用プラグの部材の分解や強度低下が進行する。なお、坑井によっては地層中の含水量が低いことがあり、その場合にはフラクチャリング時に使用した水ベースの流体を、フラクチャリング後に回収することなく坑井中に残留させることで、ダウンホールツールの分解を促進させることができる。
【００９３】
ＩＩ．坑井掘削用プラグの製造方法
本発明の坑井掘削用プラグは、マンドレルと外周面上取付部材とを備える坑井掘削用プラグであって、ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える坑井掘削用プラグを製造することができる限り、その製造方法は限定されない。例えば、射出成形、押出成形（固化押出成形を含む。）、遠心成形、圧縮成形その他の公知の成形方法により、坑井掘削用プラグに備えられる各部材を成形し、得られた各部材を、必要に応じて切削加工や穿孔等の機械加工した後に、それ自体公知の方法によって組み合わせ、更にマンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を、直接形成し、または、マンドレルの外周面、または、外周面上取付部材の内周面の一方または両方に被覆することによって、坑井掘削用プラグを得ることができる。
【００９４】
本発明の坑井掘削用プラグが、分解性材料から形成されるマンドレルと、分解性材料から形成される外周面上取付部材とが一体に形成されている坑井掘削用プラグである場合、射出成形、押出成形（固化押出成形を含む。）、遠心成形等の成形方法による一体成形により、または、切削加工等の機械加工により、分解性材料から形成されるマンドレルと、分解性材料から形成されるマンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを一体に形成することが好ましい。
【００９５】
ＩＩＩ．坑井掘削方法
本発明のマンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグを使用して、坑井孔の目止め処理を行った後に、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解される坑井掘削方法によれば、所定の諸区画のフラクチャリングが終了し、または、坑井の掘削が終了して坑井が完成し、石油や天然ガス等の生産を開始するときには、生分解、加水分解または更に他の何らかの方法による化学的な分解により、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材の少なくとも一つ、所望によっては更に分解性材料から形成されるマンドレルを、容易に分解して除去することができる。また、分解性材料から形成されるマンドレルまたは外周面上取付部材が分解しまたは強度低下することにより生じるリング状のラチェット機構の分解を伴う前記の坑井掘削方法とすることにより、坑井掘削用プラグの分解と除去が一層容易なものとすることができるとともに、炭化水素資源の採掘を効率的に行うことができる。この結果、本発明の坑井掘削方法によれば、従来、坑井完成後に、坑井内に残置されていた多数の坑井掘削用プラグを除去、回収したり、破砕、穿孔その他の方法によって、破壊したり、小片化したりするために要していた多くの経費と時間が不要となるので、坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、マンドレルと、マンドレルの軸方向に直交する外周面上に取り付けられる部材とを備える坑井掘削用プラグであって、
ａ）マンドレルまたは該部材の少なくとも一つが、分解性材料から形成され、かつ、
ｂ）マンドレルの外周面及び前記の部材の少なくとも一つの内周面に、該部材のマンドレルの軸方向に沿う一方向への移動を許容し、反対方向への移動を規制する複数のかみ合い部が形成されてなる、マンドレルの軸方向に直交するリング状のラチェット機構を備える
ことを特徴とする坑井掘削用プラグであることによって、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削用プラグを提供することができるので、産業上の利用可能性が高い。
【００９７】
また、本発明は、前記の坑井掘削用プラグを使用して、坑井孔の目止め処理を行った後に、坑井掘削用プラグの一部または全部が分解されることを特徴とする坑井掘削方法であることにより、高深度化など採掘条件がますます過酷かつ多様なものとなっているもとで、大きな荷重の負荷に抗して、確実に坑井内における移送、坑井孔の閉塞及びフラクチャリングを行うことができ、かつ、その除去や流路の確保を容易にすることにより坑井掘削の経費軽減や工程短縮ができる坑井掘削方法を提供することができるので、産業上の利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００９８】
１     ：  マンドレル
２ａ、２ｂ：  スリップ
３ａ、３ｂ：  ウエッジ
４ａ、４ｂ：  リング状固定部材
５      ：  拡径可能な環状のゴム部材
Ｈ      ：  坑井孔の内壁
Ｒ      ：  ラチェット機構のかみ合い部
Ｔ      ：  歯付き部材
ｒ1、ｒ2：  歯部
Ｓ（４ａ）：  押し治具（リング状固定部材）
Ｓ１    ：  押し治具本体
Ｓ１１  ：  サポートリング
Ｓ２    ：  押し治具用ねじ
Ｔ１    ：  ラチェット機構付きリング
Ｐ      ：  リング状のプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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