(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーケーブルと、
前記光ファイバーケーブルを内包する管と、
前記管を貫通させ、軸受を介して前記管を回転自在に支持する第１偏心リングと、
前記第１偏心リングを内包し、軸受を介して前記第１偏心リングを回転自在に支持する第２偏心リングと、
前記第２偏心リングを内包し、軸受を介して前記第２偏心リングを回転自在に支持する固定リングと、
を含み、
前記第１偏心リング及び前記第２偏心リングの回転によって前記管の中心軸を移動させて、前記管に内包される前記光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を岩盤表面に対向するように配して移動させる、レーザー掘削装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー掘削装置において、
前記管を貫通させる第１波動歯車装置と、
前記管を貫通させる第２波動歯車装置と、
をさらに含み、
前記管を、継手を介して前記第１波動歯車装置の入力部に連結し、前記第１偏心リングを前記第１波動歯車装置の出力部に連結し、
前記管を、継手を介して前記第２波動歯車装置の入力部に連結し、前記第２偏心リングを前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、
前記管の回転を前記第１波動歯車装置で減速して前記第１偏心リングを回転させ、
前記管の回転を前記第２波動歯車装置で減速して前記第２偏心リングを回転させる、レーザー掘削装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザー掘削装置において、
空隙を有して前記光ファイバーケーブルを被覆するジャケットをさらに含み、
前記管は、空隙を有して前記光ファイバーケーブルを内包する、レーザー掘削装置。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
【請求項５】
請求項３に記載のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルは、複数の光ファイバーを含み、
前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルと前記管との間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
前記管は、互いに前記管の伸長方向及び収縮方向に摺動可能に設けられた外管と内管とを含む、レーザー掘削装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルの可動域の外に少なくともその先端部が岩盤と接触するように設けられ、前記光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻をさらに含む、レーザー掘削装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端は、前記管の端部よりも外側に突出している、レーザー掘削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油やガスの開発エリアの拡大によって、深度５０００ｍを超える大深度掘削や、水深１０００ｍを超える海域での大水深掘削が盛んに行われている。
【０００３】
石油掘削、天然ガス掘削、金属鉱山のボーリング、温泉のボーリング及び土木関連のボーリングでは、ドリルビットの高速回転によって坑底の岩盤を切り崩す、ロータリー掘削が一般的である。ロータリー掘削では、ドリルビットの摩耗が避けられないので、定期的に坑底より掘削リグが設置された地上又は海上にドリルパイプ又はコイルドチュービングからなるドリルストリングを引き上げてドリルビットを交換する作業が発生する。ドリルビットを交換する作業の間は、掘削は行えない掘削停止時間となる。掘削停止時間は坑井が深くなるほど長くなるので、大深度掘削や大水深掘削では掘削停止時間が掘削スケジュールの支配的要因の１つとなる。したがって、掘削停止時間の短縮は重要テーマの１つとなっている。
【０００４】
ロータリー掘削とは異なる原理に基づく技術として、レーザー掘削が知られている。レーザー掘削は、レーザービームを坑底の岩盤表面に照射して岩盤を非接触掘削する掘削技術である。レーザー掘削の利点の１つとしては、ロータリー掘削には不可避のドリルビット交換が不要となることが挙げられる。したがって、レーザー掘削は、大深度掘削や大水深掘削において、画期的な技術となる可能性がある。しかし、未だ実用化には至っていない。
【０００５】
ところで、石油掘削、天然ガス掘削、金属鉱山のボーリング、温泉のボーリング及び土木関連のボーリングでは、坑内に掘削流体が送り込まれる。その主要な目的は、（１）坑底から掘屑を除去して地表まで運ぶ、（２）坑壁内面に泥層を形成し、かつ、粘土鉱物を含む泥水によって加圧し坑壁の崩壊を抑える、（３）地下に存在する油、ガス、水などが坑壁から坑内に噴出してこないように抑える、及び（４）掘削に伴って発生する熱が坑底に蓄積しないように排出することであり、掘削流体は掘削作業を円滑に実施するために不可欠である。掘削流体は地上又は海上の掘削リグからドリルストリングを通して供給され坑底で放出されドリルストリング―坑壁間のアニュラス部を上昇して掘削リグに戻り、掘屑分離、成分調整後、再びドリルストリングへ圧送され、循環系を構成する。掘削流体はドリルストリングの内外で掘削リグから坑底まで繋がる液柱を形成し、坑底にはその液柱の圧力がかかる。坑底にかかる圧力は坑井が深くなるほど大きくなり、例えば垂直深度７０００ｍの坑井では坑底にかかる液圧は通常７００気圧を超える。また地熱の影響によって坑内温度も高くなる。例えば、垂直深度７０００ｍでは坑内温度は約２００℃にもなる。このように、掘削が行われる坑底は掘削流体による加圧、地熱による加熱という厳しい環境下にある。
【０００６】
掘削流体として用いられる流体は、泥水、ブライン、エマルジョン、ガス等に分類できる。泥水は、水あるいは油を連続相とするスラリー状の流体であり、清水あるいは海水に、分散相として粘土鉱物のベントナイトを加えて調製されることが多い。しかし、ベントナイトはレーザービームを反射、もしくはそのエネルギーを吸収し、レーザービーム照射の妨げとなる。したがって、レーザー掘削においては、レーザービームの伝送過程で泥水に奪われるエネルギー損失を最小限に抑え、できるだけ多くのエネルギーを岩盤に伝えることが重要なポイントとなる。これに対して、ブラインは固形分を含まない透明の塩類溶
液であり、２．２までの任意の比重に調整できるという特徴がある。
【０００７】
特許文献１には、坑底の直上に設置する高出力レーザー掘削用のレンズアセンブリーが開示されている。特許文献１に開示されているレンズアセンブリーは、掘削孔の大きさに合わせて少なくとも１００本の光ファイバーを使用して掘削孔を覆うように、光ファイバーの端末に集光レンズからなる集光素子を配して構成されている。このレンズアセンブリーは、坑底の岩盤表面に向けて設置されて用いられる。レンズアセンブリーの冷却と岩盤表面から発生する掘屑の除去のために、冷却導管がレンズアセンブリーの中に組み込まれている。すなわち、冷却導管の中を流れる冷却水は、レンズアセンブリーを冷却した後、坑底に噴射されレーザー照射によって発生した掘屑を除去する役割を担う。レンズアセンブリーと冷却導管は防護容器に収納されている。
【０００８】
特許文献２には、坑底の岩盤表面にレーザービームを照射してその部位において熱応力を発生させるとともに水蒸気爆発を起こさせてその部位を剥離させ、発生した砕片を洗浄システムによって除去する装置及び方法が開示されている。特許文献２に開示されている装置及び方法では、グループを構成する単一のレーザービームのそれぞれが岩盤表面のそれぞれ対応する位置に照射されるように、電気光学レーザービーム切替器によってレーザービームの岩盤照射位置を順次選択し、ビーム照射によって岩盤表面を剥離させて多重に重なりあう剥離片を生成してこれを除去することによって掘削を行う。特許文献２に開示されている装置、すなわちレーザーヘッドは（１）レーザービームを集光し方向を整えるビーム形成用光学パッケージ、（２）剥離片の除去とレーザービームの通路形成のための除去流パッケージ、及び（３）電気光学レーザービーム切替器からなり、これらはすべて防護容器に収納されている。
【０００９】
特許文献３には、水中においてレーザービームを移動させて岩石を穿孔する装置が開示されている。特許文献３に開示されている装置は、レーザー発振器、レーザー伝送機構、レーザー集光径調整機構、レーザービーム操作機構及びモニタリング機構が防護容器に収納された装置である。特許文献３に開示されている装置においては、岩石穿孔に必要なエネルギーはレーザーではなく電力で供給されることが特徴的である。すなわち、地上又は海上の掘削リグから電力ケーブルで防護容器内のレーザー発振器に供給されここでレーザービームを発振する。レーザービームは穿孔される岩盤の底部に集光するように調整され岩盤にエネルギーを供給する。特許文献３に開示されている装置を構成する機器の中で、レーザービーム操作機構はレーザービームを岩盤上で移動させる機能を有するものであるが、その構成について特許文献３には具体的な記載はない。
【００１０】
特許文献４には、レーザービームによって供給されるエネルギーが岩盤表面において所定のプロフィルとなるようにビームの形状を調節するシステム、装置及び方法が開示され、特に、高出力レーザーを岩盤表面に供給するレーザー坑底アセンブリーについて多様な実施例が開示されている。特許文献４におけるレーザー坑底アセンブリーは、レンズアセンブリーとその移動機構とからなる。通常、レーザービームはガウス分布のビームパターンを有するが、特許文献４に開示されているシステム等においては、レンズアセンブリーを通してこのビームパターンを所望のパターンに変換する。例えば、ビームパターンを複数のスポットに変換する。一方、移動機構はモーター駆動による回転をこのビームパターンに付与する。すなわち、特許文献４に開示されているシステム等においては、レンズアセンブリーによってレーザービームの形状を整え、その形状をモーター駆動によって回転し、坑底の岩盤表面にレーザービームパターンを描く。
【００１１】
このレーザー坑底アセンブリー、すなわちレーザーヘッドは、防護容器に隔離され、レーザービームの透過可能な清浄流体をその内部に通すことによって冷却される。清浄流体はそのレーザーヘッドの側面から一部流出して掘屑の地上への輸送に使われる一方、先端
からはレーザービームを包むように流出して掘屑を坑底の岩盤表面から除去する。レーザービームは防護容器に設けられた出口窓から岩盤表面に向けて照射される。この出口窓には岩盤表面から掘屑が飛散してくるが、清浄流体の噴射によって、掘屑の衝突及び付着を防止する。
【００１２】
以上述べてきた従来のレーザー掘削装置を要約すると以下のようになる。従来のレーザー掘削装置においては、地上又は海上に設置された掘削リグと坑底とを光ファイバーで繋ぎ、その先端部にレーザーヘッドを設置する。掘削リグから光ファイバーを通じて供給されたレーザービームはレーザーヘッドから岩盤表面に向かって照射される。レーザーヘッドに関して、従来技術はいずれもレンズアセンブリーを使用し、ここでレーザービームのパターン及び照射方向を調節する。特許文献１に開示されているレーザーヘッドは、１００本以上の光ファイバーによって掘削孔を覆い、光ファイバーの端末にそれぞれ個別にレンズアセンブリーが設置され、レンズアセンブリーが坑底の岩盤表面全体と対向する。特許文献２に開示されているレーザーヘッドは、１本のレーザービームをレンズアセンブリーにおいて集光し照射方向を整え、電気光学レーザービーム切替器によって照射位置を順次選択して岩盤表面にレーザーエネルギーを供給するものであり、電気光学レーザービーム切替器が坑底の岩盤表面と対向する。特許文献３に開示されているレーザーヘッドは、レンズアセンブリー（レーザー集光径調整機構）において集光距離を整えレーザービーム操作機構によって坑底の岩盤表面にレーザーエネルギーを分配するものである。レーザービーム操作機構について特許文献３には実施態様が開示されていない。一方、特許文献４はモーター駆動に言及している。特許文献４に開示されたレーザーヘッドは、レンズアセンブリーにおいてレーザービームの形状を整えてから、この形状をモーター駆動によって回転し、坑底の岩盤表面にレーザービームパターンを描くものである。
【００１３】
特許文献１から特許文献４は、いずれもレーザーヘッドにレンズアセンブリーを含む。レンズアセンブリーは常温の清浄な雰囲気で機能するものであり、高圧の掘削流体中において地熱によって加熱される坑底の環境下では機能しない。このため、レーザーヘッドは防護容器に収納し、水冷して常温に維持せねばならない。このために、地上又は海上と坑内を結ぶ清水の循環ラインが必要となる。低温の清水を地上又は海上で製造して低温を維持したまま坑底に供給することは困難なので、冷却水製造用の冷却器の坑内設置は不可避である。この場合、坑内設置した冷却器で低温清水を得、防護容器と熱交換した後、戻りの配管で地上又は海上に上げここで大気への放熱と予備冷却を行い、再び、往きの配管で坑内の冷却器へ供給するように冷却循環システムを構築せねばならない。また、かかる冷却システムは制御用電源を必要とし、地上又は海上より坑内の冷却器まで電源ケーブルを引かねばならない。このほか、特許文献２に記載される電気光学レーザービーム切替器を使用すると、これも水冷の対象となる。また、電気光学レーザービーム切替器も制御用電源を必要とする。以上のように、レンズアセンブリーや電気光学レーザービーム切替器等の電気的あるいは光学的機器を坑底で使用するには、限られた坑内空間に冷却器の設置が必要となり、冷却器を含むレーザーヘッドの構成は複雑となる。これを過酷な坑内環境で実施するのは困難を伴い、好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６，７５５，２６２号明細書
【特許文献２】米国特許第７，４１６，２５８号明細書
【特許文献３】特開２０１０−１７８６４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／００４４１０５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
レーザー掘削装置においては、地上又は海上から坑底直上まで光ファイバーを配して、坑底の岩盤表面全体に、効率よくレーザーエネルギーを供給することが望まれるが、従来技術には以下のような問題があった。
【００１６】
掘削が行われる坑底は掘削流体による加圧、地熱による加熱という厳しい環境下にある。例えば、垂直深度７０００ｍを超える坑井では、坑底にかかる掘削流体の圧力は通常７００気圧を超え、温度は地熱の影響によって２００℃を超える。このように過酷な坑内環境下で、レンズアセンブリーや電気光学的レーザービーム切替器等の電気的あるいは光学的機器を使用するには、これらの機器を防護容器に収納して清浄な雰囲気に隔離し、水冷等によって常温に維持することが不可欠となる。このために、専用の制御用電源ケーブル、清水の循環ラインが必要となる。さらに、低温の清水を地上又は海上で製造して低温を維持したまま坑底に供給することは困難なので、冷却水製造用の冷却器の坑内設置も必要となる。このように、電気的機器あるいは光学的機器を採用すると装置の構成が複雑となり、これを過酷な坑内環境で実施するのは困難を伴う。
【００１７】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターンを岩盤表面に描くことができるレーザー掘削装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（１）本発明に係るレーザー掘削装置は、
光ファイバーケーブルと、
前記光ファイバーケーブルを内包する管と、
前記管を貫通させ、軸受を介して前記管を回転自在に支持する第１偏心リングと、
前記第１偏心リングを内包し、軸受を介して前記第１偏心リングを回転自在に支持する第２偏心リングと、
前記第２偏心リングを内包し、軸受を介して前記第２偏心リングを回転自在に支持する固定リングと、
を含み、
前記第１偏心リング及び前記第２偏心リングの回転によって前記管の中心軸を移動させて、前記管に内包される前記光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を移動させる。
【００１９】
本発明によれば、第１偏心リング及び第２偏心リングの回転によって管の中心軸を移動させて、管に内包される光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を移動させる。第１偏心リング及び第２偏心リングは機械的な構成で回転させることができる。一般的に、機械的な構成は、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下においての信頼性が高い。したがって、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターンを岩盤表面に描くことができるレーザー掘削装置を実現できる。
【００２０】
（２）上述のレーザー掘削装置において、
前記管を貫通させる第１波動歯車装置と、
前記管を貫通させる第２波動歯車装置と、
をさらに含み、
前記管を、継手を介して前記第１波動歯車装置の入力部に連結し、前記第１偏心リングを前記第１波動歯車装置の出力部に連結し、
前記管を、継手を介して前記第２波動歯車装置の入力部に連結し、前記第２偏心リングを前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、
前記管の回転を前記第１波動歯車装置で減速して前記第１偏心リングを回転させ、
前記管の回転を前記第２波動歯車装置で減速して前記第２偏心リングを回転させてもよい。
【００２１】
本発明によれば、管の回転を第１波動歯車装置で減速して第１偏心リングを回転させ、管の回転を第２波動歯車装置で減速して第２偏心リングを回転させるので、管の回転を利用して第１偏心リング及び第２偏心リングを回転させることができる。したがって、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下でも信頼性の高いレーザー掘削装置を実現できる。
【００２２】
（３）上述のレーザー掘削装置において、
空隙を有して前記光ファイバーケーブルを被覆するジャケットをさらに含んでもよい。
【００２３】
本発明によれば、光ファイバーケーブルとジャケットとの間の空隙を利用して、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を、光ファイバーケーブルのビーム放射端まで流すことができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
【００２４】
（４）上述のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
【００２５】
本発明によれば、光ファイバーケーブルのビーム放射端を囲むように設けられたノズルから、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を放出することができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
【００２６】
（５）上述のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルは、複数の光ファイバーを含み、
前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
【００２７】
本発明によれば、複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられた複数のノズルから、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を放出することができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
【００２８】
（６）上述のレーザー掘削装置において、
前記管は、空隙を有して前記光ファイバーケーブルを内包し、
前記光ファイバーケーブルと前記管との間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
【００２９】
本発明によれば、光ファイバーケーブルと管との間の空隙と連通し、光ファイバーケーブルのビーム放射端を囲むように設けられたノズルから、泥水などの掘削流体を放出することができる。したがって、レーザービームによって溶融された岩盤などの溶融物を容易に除去できる。
【００３０】
（７）上述のレーザー掘削装置において、
前記管は、互いに摺動可能に設けられた外管と内管とを含んでもよい。
【００３１】
本発明によれば、管が互いに摺動可能に設けられた外管と内管とを含んで構成されているので、自律的に長さを調節することができる。特に、光ファイバーケーブルと管との間の空隙と連通し、光ファイバーケーブルのビーム放射端を包囲するノズルから、泥水などの掘削流体を放出する場合には、掘削流体の流出抵抗を用いて管の長さを自律的に変えることができる。したがって、管や管に内包されている光ファイバーケーブルが岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
【００３２】
（８）上述のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルの可動域の外に設けられ、前記光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻をさらに含んでもよい。
【００３３】
本発明によれば、光ファイバーケーブルの可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻を含んで構成されているので、光ファイバーケーブルが岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
【００３４】
（９）上述のレーザー掘削装置において、
前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端は、前記管の端部よりも外側に突出していてもよい。
【００３５】
本発明によれば、光ファイバーケーブルを岩盤に近づけることができるので、レーザーのエネルギーを効率よく岩盤に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態にレーザー掘削装置１の機能の概略を説明するための模式図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の要部を模式的に示す水平断面図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。
【図４】光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図６】第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図である。
【図７】光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す図である。
【図８】光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の他の構成例を模式的に示す図である。
【図９】図９（Ａ）は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図、図９（Ｂ）は、ビーム放射端３７近傍についての図９（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図１０】光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。
【図１１】光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。
【図１２】第２実施形態に係るレーザー掘削装置２の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１の水平断面図、図１３（Ｂ）は、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図（図１３（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図）である。
【図１４】保持機構１５０の構成を模式的に示す断面図である。
【図１５】第４実施形態に係るレーザー掘削装置３の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。
【図１６】図１６（ａ）ないし図１６（ｆ）は、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３８】
１．第１実施形態に係るレーザー掘削装置
図１は、第１実施形態にレーザー掘削装置１の機能の概略を説明するための模式図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の機能は、図１に示されるように、ビーム放射端が移動する面であるビーム放射面２０１を岩盤表面２０２と対向させ、ビーム放射面２０１上において、光ファイバーのビーム放射端を移動させて移動パターン２０３を形成し、レーザービーム２０４を岩盤表面２０２へ照射することによって、移動パターン２０３を岩盤表面２０２に投影させてレーザービームパターン２０５を描くことである。ここで、光ファイバーケーブルが複数の光ファイバーを収納する場合には、レーザービーム２０４は複数のレーザービームで構成される。
【００３９】
図２は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の要部を模式的に示す水平断面図である。図３は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。
【００４０】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１と、光ファイバーケーブル１１を内包する管１２と、管１２を貫通させ、軸受１４を介して管１２を回転自在に支持する第１偏心リング１３と、第１偏心リング１３を内包し、軸受１６を介して第１偏心リング１３を回転自在に支持する第２偏心リング１５と、第２偏心リング１５を内包し、軸受１８を介して第２偏心リング１５を回転自在に支持する固定リング１７と、を含み、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５の回転によって管１２の中心軸を移動させて、管１２に内包される光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の位置を移動させる。
【００４１】
図２に示されるように、本実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１を管１２の内部に収納し、二重の偏心リングを有する機構を適用して、管１２と管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１とを自在に面内移動させる。図２に示されるように、管１２の断面の外形は円形である。管１２の断面の内形は、光ファイバーケーブル１１を内包できるかぎり任意の形状を採用できる。管１２は、泥水などの掘削流体３８を坑内に供給するための掘削流体供給管として機能してもよい。
【００４２】
第１偏心リング１３は、偏心した円形内周面を備えたリングである。管１２は、軸受１４を介して、第１偏心リング１３の円形内周面の内側を貫通している。第１偏心リング１３は、軸受１４を介して管１２を支持し、管１２が第１偏心リング１３に対して自在に回転できるように構成されている。
【００４３】
第２偏心リング１５は、偏心した円形内周面を備えたリングである。第１偏心リング１３は、軸受１６を介して、第２偏心リング１５の円形内周面の内側に嵌め込まれている。すなわち、第２偏心リング１５は、第１偏心リング１３を内包するように構成されている。第２偏心リング１５は、軸受１６を介して第１偏心リング１３を支持し、第１偏心リング１３が第２偏心リング１５に対して自在に回転できるように構成されている。
【００４４】
固定リング１７は、円形内周面を備えたリングである。固定リング１７は、管状に構成
されていてもよい。第２偏心リング１５は、軸受１８を介して、固定リング１７の円形内周面の内側に嵌め込まれている。すなわち、固定リング１７は、第２偏心リング１５を内包するように構成されている。固定リング１７は、軸受１８を介して第２偏心リング１５を支持し、第２偏心リング１５が固定リング１７に対して自在に回転できるように構成されている。
【００４５】
なお、上述の軸受１４、軸受１６及び軸受１８としては、例えば、玉軸受、ローラー軸受など種々の公知の軸受を採用できる。
【００４６】
図２に示されるように、第１偏心リング１３を単独で回転させると、管１２の中心軸は、第１偏心リング１３の外周円の中心とのずれ、すなわちこの第１偏心量２２を半径として、軌跡１９に示されるように、円を描いて移動する。また、図２に示されるように、第２偏心リング１５を回転させると、第１偏心リング１３の外周円の中心は、第２偏心リング１５の外周円の中心とのずれ、すなわちこの第２偏心量２３を半径として、軌跡２０に示されるように、円を描いて移動する。第１偏心リング１３と第２偏心リング１５を同時に回転させると、第１偏心量２２と第２偏心量２３との和を半径とする円２１の内側の範囲で管１２の中心軸に遊星運動をさせることが可能となる。すなわち、第１偏心量２２を半径とする円運動と第２偏心量２３を半径とする円運動とが重畳して、管１２の中心軸は遊星運動する。管１２の中心軸が移動することによって、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１も移動する。
【００４７】
なお、管１２の中心軸が遊星運動することによって描かれるレーザービームパターン２０５の例については、「４．実施例」の項で後述される。
【００４８】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５の回転によって管１２の中心軸を移動させて、管１２に内包される光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の位置を移動させる。第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５は機械的な構成で回転させることができる。一般的に、機械的な構成は、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下においての信頼性が高い。したがって、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターン２０５を岩盤表面２０２に描くことができるレーザー掘削装置１を実現できる。
【００４９】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１において、管１２を貫通させる第１波動歯車装置３１と、管１２を貫通させる第２波動歯車装置３２と、をさらに含み、管１２を、継手３３を介して第１波動歯車装置３１の入力部に連結し、第１偏心リング１３を第１波動歯車装置３１の出力部に連結し、管１２を、継手３４を介して第２波動歯車装置３２の入力部に連結し、第２偏心リング１５を前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、管１２の回転を第１波動歯車装置３１で減速して第１偏心リング１３を回転させ、管１２の回転を第２波動歯車装置３２で減速して第２偏心リング１５を回転させてもよい。すなわち、管１２の回転力を駆動源として第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５を回転させてもよい。
【００５０】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、管１２の回転の駆動源について特に制約はない。例えば、地上あるいは海上にモーターを設置して、モーターの回転力によって管１２を回転させてもよい。また例えば、地上あるいは海上からドリルストリング内を通して坑内に送り込まれる泥水などの掘削流体３８の流れを利用してモーター軸の回転を得るダウンホールモーターを坑内に設置し、ダウンホールモーターの回転力によって管１２を回転させてもよい。後者の場合、掘削流体３８は、ダウンホールモーターを駆動した後に、管１２の内部に、そのすべてあるいは一部が導入されてもよい。
【００５１】
管１２の回転力を第１偏心リング１３と第２偏心リング１５の駆動に利用するために、管１２の回転力は継手３３及び減速機を介して第１偏心リング１３に伝達され、継手３４及び減速機を介して第２偏心リング１５に伝達される。継手３３及び継手３４は、管１２と減速機を接続するものであり、特に制約はない。継手３３及び継手３４としては、例えば、オルダム継手が適用できる。
【００５２】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、減速機として波動歯車装置（調和歯車減速機）を採用している。すなわち、管１２の回転力は継手３３及び第１波動歯車装置３１を介して第１偏心リング１３に伝達され、継手３４及び第２波動歯車装置３２を介して第２偏心リング１５に伝達される。波動歯車装置は複雑な機構や構造を用いることなく同軸上で内リングを入力とし外リングを出力として取出し、１／３０〜１／３２０程度の高い減速比が得られ、部品数が少なく小型軽量であるので、過酷な坑内環境に適している。
【００５３】
図３に示されるように、回転する管１２は、第１波動歯車装置３１、第１偏心リング１３及び第２波動歯車装置３２を貫通し、継手３３を介して第１波動歯車装置３１の内リング（第１波動歯車装置３１の入力部に相当する）と接続され、継手３４を介して第２波動歯車装置３２の内リング（第２波動歯車装置３２の入力部に相当する）と接続され、その回転が第１波動歯車装置３１及び第２波動歯車装置３２に伝達される。管１２の回転は、第１波動歯車装置３１及び第２波動歯車装置３２において、それぞれの減速比で減速され、それぞれの外リングより出力される。第１波動歯車装置３１の外リング（第１波動歯車装置３１の出力部に相当する）はその中心軸が第１偏心リング１３の外周円の中心軸に一致すように、第１偏心リング１３と接続される。同様に、第２波動歯車装置３２の外リング（第２波動歯車装置３２の出力部に相当する）は中心軸が第２偏心リング１５の外周円の中心軸に一致するように、第２偏心リング１５と接続される。この結果、管１２の回転力によって、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５を、所定の回転速度で回転させることができる。
【００５４】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、管１２の回転を第１波動歯車装置３１で減速して第１偏心リング１３を回転させ、管１２の回転を第２波動歯車装置３２で減速して第２偏心リング１５を回転させるので、管１２の回転を利用して第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５を回転させることができる。したがって、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下でも信頼性の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
【００５５】
図３に示される例では、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５が同時に回転することによる管１２の遊星運動は、管１２の上流側（第１偏心リング１３よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）に設けられた自在継手３５を支点として行われる。これによって、図１に示されるように、ビーム放射端３７がビーム放射面２０１の上で遊星運動を行うと、ビーム放射端３７の軌跡はこの面上に移動パターン２０３を形成し、レーザービーム２０４が岩盤表面２０２へ到達すると、岩盤表面２０２に移動パターン２０３を相似形に拡大したレーザービームパターン２０５を描くことができる。
【００５６】
図３に示される例では、第１波動歯車装置３１、第２波動歯車装置３２及び固定リング１７は外周において固定管４８に固定され、シール部４９によって坑内の掘削流体３８とは接触が断たれている。なお、固定リング１７と固定管４８とが一体として構成されていてもよい。
【００５７】
図３に示される例では、管１２は、上流側（第１偏心リング１３よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）において、結合部
材４２を介して回転管４３と結合されている。回転管４３は、上流側（結合部材４２よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）においてダウンホールモーター（図示せず）の出力軸と結合されている。すなわち、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、回転管４３は、ダウンホールモーターの出力軸と結合されることによって回転し、さらに自在継手３５を介して管１２を回転させる。
【００５８】
掘削流体３８はダウンホールモーターの駆動に利用されたあと、回転管４３の内部へ誘導され、さらに管１２へと誘導され、管１２の端部である管端３６より岩盤表面２０２へ向けて噴射され、岩盤表面２０２において発生した掘屑を除去する。そしてレーザー掘削装置１のハウジング４４と坑壁５０との間の空隙、すなわち、アニュラス部を通って掘屑を搬送し掘削リグへと戻って行く。
【００５９】
また、図示されないが、公知の偏向機構、例えばロータリーステアラブルシステムによって、ハウジング４４の中で回転管４３を弾性変形させて曲げを付与し偏向させてもよい。回転管４３に曲げを付与することによって、回転管４３の中心軸４７はフォーカル軸受４５においてハウジング４４の中心軸４６からずれる。また、管１２は、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５の作用によって、自在継手３５を支点として中心軸４７を軸として遊星運動をする。管１２の遊星運動は、岩盤表面２０２に向けて照射されるレーザービーム２０４に伝達されて拡大され、レーザービーム２０４が岩盤表面２０２にレーザービームパターン２０５を描くことを可能にする。なお、上述の例の場合、中心軸４７が掘削方向となる。
【００６０】
図３に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１本の光ファイバーを含んで構成されているが、光ファイバーケーブル１１は、複数の光ファイバーを含んで構成されていてもよい。
【００６１】
図４は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す横断面図である。図４に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１０本の光ファイバー６０が保護シース６５の内部に収納され、保護シース６５と光ファイバー６０との間隙にはジェリー６６が充填されている。図４に示される構成の光ファイバーケーブル１１の場合には、１０本の光ファイバー６０のそれぞれがレーザービーム２０４の通路となる。光ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されていることによって、より多くのエネルギーを岩盤表面２０２に与えることができる。このような構成の光ファイバーケーブル１１の保護シース６５には高温高圧の坑内環境に耐えることが求められる。かかる観点から保護シース６５は金属管であることが好ましい。保護シース６５の材質として、例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、ニッケル基合金が挙げられる。ジェリー６６は、保護シース６５の坑内側端部から長手方向に水が侵入するのを防ぐように機能する。ジェリー６６としては、例えば、チクソトロピー性の粘性流体コンパウンドを用いることができる。図４に示される光ファイバーケーブル１１の利点としては、図５〜図９を用いて後述される構成よりも安価に製造できること、及び、１０ｋｍに及ぶ長いケーブルを容易に一体で製造できることが挙げられる。
【００６２】
図５は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。図５に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１０本の光ファイバー６０がスロットロッド６１の外周に設けられた溝に収納され、溝を封鎖するように押え巻層６２が巻き回されて構成されている。スロットロッド６１には鋼撚線からなるテンションメンバー６３が埋設されている。押え巻層６２は外周を鉄線層６４によって補強され、さらにその上から保護シース６５が形成されている。図５に示される構成の光ファイバーケーブル１１の場合には、１０本の光ファイバー６０のそれぞれがレーザービーム２０４の通路となる。光
ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されていることによって、より多くのエネルギーを岩盤表面２０２に与えることができる。
【００６３】
図６は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、空隙７１を有して光ファイバーケーブル１１を被覆するジャケット７０をさらに含んで構成されていてもよい。
【００６４】
光ファイバーケーブル１１とジャケット７０との間の空隙７１を利用して、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７まで流すことができる。透明流体を光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７まで流すことによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
【００６５】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１とジャケット７０と間の空隙７１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズルをさらに含んで構成されていてもよい。
【００６６】
図７は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す図である。図７に示される例では、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の周囲に、ビーム放射端３７を囲むように等間隔に配置された１０個の円形の単孔ノズル８０が設けられている。なお、単孔ノズル８０の数及び形状は、レーザー掘削装置１の仕様に応じて任意に選択できる。
【００６７】
図８は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の他の構成例を模式的に示す図である。図８に示される例では、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の周囲に、ビーム放射端３７を囲むように等間隔に配置された４分割されたスリットノズル９０が設けられている。なお、スリットノズル９０の数及び形状は、レーザー掘削装置１の仕様に応じて任意に選択できる。なお、図８に示される例では、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の一部の方位を囲むようにスリットノズル９０が設けられているが、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の全方位を囲むようにスリットノズル９０が設けられていてもよい。
【００６８】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル（単孔ノズル８０又はスリットノズル９０）から、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を放出することができる。これによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。さらに、ノズルとして、出口近傍が狭窄された形状のノズルを採用することによって、ノズルから噴射された透明流体を用いて、レーザービーム２０４の照射によって生じた掘屑を岩盤表面２０２から速やかに除去し、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間における濁りの発生を抑制できる。
【００６９】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１が、複数の光ファイバー６０を含み、光ファイバーケーブル１１とジャケット７０と間の空隙７１と連通し、複数の光ファイバー６０のそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズル１
００を含んで構成されていてもよい。
【００７０】
図９（Ａ）は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図、図９（Ｂ）は、ビーム放射端３７近傍についての図９（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００７１】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示される例では、ジャケット７０は端部において、光ファイバー６０の端部（ビーム放射端）と中心線が一致するようにノズル１００が設けられている。図９（Ｂ）に示される例では、ノズル１００は円形の単孔ノズルである。これによって、透明流体は空隙７１からノズル１００へと導かれ、透明流体ジェット流１０１が形成される。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の端部と中心線が一致するので、光ファイバー６０から放射されたレーザービーム２０４は透明流体ジェット流１０１を通路として岩盤表面２０２に至る。なお、図９に示される例では、光ファイバー６０の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバー６０のビーム放射端の全方位を囲むようにノズル１００が設けられているが、必ずしも全方位を囲むように設けられている必要はない。例えば、光ファイバー６０の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバー６０のビーム放射端の周囲の一部に、ノズル１００が設けられていない箇所があってもよい。
【００７２】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、複数の光ファイバー６０のそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられた複数のノズル１００から、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を放出することができる。これによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。さらに、光ファイバー６０とノズル１００の中心軸を一致させることによって、ノズル１００から放出される流体がレーザービーム２０４の進路上への異物の侵入を抑制できる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
【００７３】
単孔ノズル８０、スリットノズル９０あるいはノズル１００によって形成される透明流体ジェット流１０１を取り巻く環境は、掘削流体３８である。すなわち、透明流体ジェット流１０１は、流動する掘削流体３８中に形成される。代表的な掘削流体である泥水は、水あるいは油を連続相とするスラリー状の流体であり、レーザービーム２０４の通路として機能はするが、レーザービーム２０４に対してのエネルギー損失が大きいので、エネルギー効率の観点からは好適とはいえない。透明流体は、エネルギー効率の観点から、泥水に勝るレーザービーム２０４の通路を提供する。清水は透明流体として好適であるが、清水によって掘削流体３８中に透明流体ジェット流１０１を形成した場合、清水を通過するレーザービーム２０４の一部が掘削流体３８中へ漏れ、エネルギー損失の一因となる問題が発生する。レーザービーム２０４の掘削流体３８中へ漏れを防止するにためは、透明流体ジェット流１０１と掘削流体３８の界面でレーザービーム２０４の全反射が生じる必要がある。これを実現するには、透明流体の比重が掘削流体よりも大きくなるように透明流体及び掘削流体を選択すればよい。これによって、透明流体の屈折率が掘削流体の屈折率を上回り全反射が可能となる。好適な掘削流体の例としては、ブラインが挙げられる。ブラインは塩類溶液であり、全反射実現の観点から１．４〜２．２の比重のものが好ましい。また、透明流体としては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の常温常圧で気体となる流体を選択してもよい。
【００７４】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、管１２が空隙１２１を有して光ファイバーケーブル１１を内包し、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル１１０をさらに含んでもよい。
【００７５】
図１０は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。図１０に示される例では、スイベル継手（図示せず）を使用して、非回転の光ファイバーケーブル１１の中心軸は、管１２の管端３６において、回転する管１２の中心軸と一致させている。また、図１０に示される例では、ノズル１１０は、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、管端３６の内側面と光ファイバーケーブル１１の外側面によって構成されるスリットノズルである。図１０に示される例では、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の全方位を囲むようにノズル１１０が設けられているが、必ずしも全方位を囲むように設けられている必要はない。例えば、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、ビーム放射端３７の周囲の一部に、ノズル１１０が設けられていない箇所があってもよい。光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１を流れる掘削流体３８は、ノズル１１０から岩盤表面２０２に向けて噴射され掘削流体ジェット流３９となる。ビーム放射端３７から放射されたレーザービーム２０４は岩盤表面２０２に到達して岩石を溶融する。発生した溶融物及び剥離片はノズル１１０から噴射された掘削流体ジェット流３９によって除去され掘屑となり、掘削流体３８によって搬送され、岩石の掘削が進行する。
【００７６】
第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル１１０から、泥水などの掘削流体３８を放出することができる。したがって、レーザービーム２０４によって溶融された岩盤などの溶融物を容易に除去できる。
【００７７】
掘削の進行に伴って岩盤表面２０２の位置は変化する。岩盤の掘削を安定して継続するためには、岩盤表面２０２と管端３６との間隙１１２を岩盤表面２０２の位置の変化に追従して適正な範囲に保つ必要がある。これを実現する方法の例について説明する。
【００７８】
掘削流体３８は掘削流体ジェット流３９として岩盤表面２０２に衝突後、管端３６の外周へ流出する。流出する掘削流体３８の液層の厚さは管端３６直下においてもっとも薄くなる。管端３６直下における掘削流体３８の液層の厚さである液層厚１１３は、管端３６と岩盤表面２０２との間隙１１２の間隔が広いときにはその影響を受けないが、間隙１１２の間隔が狭くなると岩盤表面２０２から影響を受けるようになる。すなわち、液層厚１１３は間隙１１２によって規制されるようになり、この部位の掘削流体３８の流出速度は増大し圧損が増加する。この圧損の増加は、地上あるいは海上において管１２の背圧上昇として表れる。したがって、地上あるいは海上の掘削リグにおいて、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、管１２の背圧が所定の範囲に収まるように、レーザー掘削装置１の自重を利用するなどして管端３６に適正な負荷を掛ければ、間隙１１２を適正な範囲に保つことができる。これによって、間隙１１２の間隔が安定するので、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
【００７９】
図１０に示される例では、レーザービーム２０４は光ファイバー６０から掘削流体３８中へ放射される。掘削流体３８には通常、泥水が使用されるが、泥水を使用するとレーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失を伴う。エネルギー伝送損失を低減するために、泥水よりもレーザー光の吸収の少ない流体を掘削流体３８としてもよい。掘削流体３８の機能の一つは掘屑の搬送であり、地上あるいは海上において掘屑を分離後、再び坑底に送られるが、泥水よりもレーザー光の吸収の少ない流体を適用しても濁りが発生することは避けられず、ある程度のエネルギーの伝送損失は避けられない。
【００８０】
レーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失をさらに抑制するために、すでに図９を用いて説明したように、光ファイバー６０の端部と中心線が一致するようにノズル１００
を設け、透明流体ジェット流１０１を掘削流体３８中に形成しこれをレーザービーム２０４の通路として利用することができる。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の数だけ設ければよいので、透明流体の流量は掘削流体３８の流量に比べて圧倒的に少ない。したがって、透明流体が加わっても掘削流体３８のリサイクルシステム成立の障害となることはない。この方法によってレーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失を極限にまで抑制することが可能となる。
【００８１】
図１１は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。図１１に示される例では、スイベル継手（図示せず）を使用して、非回転の光ファイバーケーブル１１の中心軸は、管１２の管端３６において、回転する管１２の中心軸と一致させている。また、図１１に示される例では、ノズル１１０は、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、管端３６の内側面と光ファイバーケーブル１１の外側面によって構成されるスリットノズルである。光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１を流れる掘削流体３８は、ノズル１１０から岩盤表面２０２に向けて噴射され掘削流体ジェット流３９となる。
【００８２】
ジャケット７０は端部において、光ファイバー６０の端部（ビーム放射端）と中心線が一致するようにノズル１００が設けられている。図１１に示される例では、ノズル１００は円形の単孔ノズルである。これによって、透明流体は空隙７１からノズル１００へと導かれ、透明流体ジェット流１０１が形成される。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の端部と中心線が一致するので、光ファイバー６０から放射されたレーザービーム２０４は透明流体ジェット流１０１を通路として岩盤表面２０２に到達して岩石を溶融する。発生した溶融物及び剥離片はノズル１１０から噴射された掘削流体ジェット流３９によって除去され掘屑となり、掘削流体３８によって搬送され、岩石の掘削が進行する。透明流体は岩盤表面２０２に衝突後、透明流体層１２０を形成して掘屑を搬送し、やがて掘削流体３８と一体化する。
【００８３】
また、地上あるいは海上において、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、管１２の背圧が所定の範囲に収まるように、レーザー掘削装置１の吊り荷重を調整するなどして管端３６に適正な負荷を掛ければ、間隙１１２の間隔を適正な範囲に保つことができる。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。したがって、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
【００８４】
２．第２実施形態に係るレーザー掘削装置
図１２は、第２実施形態に係るレーザー掘削装置２の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、管端３６と岩盤表面２０２の間隙１１２の間隔を適正に保つために、地上又は海上において検出される管１２の背圧を所定の範囲に収める方法が採用されたが、第２実施形態に係るレーザー掘削装置２は、坑内において間隙１１２の間隔を自律的に調整できる構成となっている。なお、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００８５】
第２実施形態に係るレーザー掘削装置２は、管１２が互いに摺動可能に設けられた外管１３２と内管１３３とを含んで構成されている。図１２に示される例では、管１２が摺動可能な重複部１３４を有する外管１３２と内管１３３とを含んで構成されている。図１２に示される例では、上流側に外管１３２、下流側に内管１３３を配しているが、これとは逆に、上流側に内管、下流側に外管を配してもよい。図１２に示される例では、外管１３２の端部に相当する位置と、内管１３３の端部に相当する位置に、外管１３２と内管１３３との間を封止するシール部１３５及びシール部１３６が設けられている。シール部１３５及びシール部１３６が設けられていることによって、管１２の内部を流通する掘削流体３８の漏洩が防止される。
【００８６】
管１２を流通する掘削流体３８は、管１２の内圧によって内管１３３を管１２の伸長方向に摺動させる。図１１に示した間隙１１２が狭まると、間隙１１２における掘削流体３８の流出抵抗が増大して管端３６を押し上げる力が働く。管端３６を押し上げる力によって、内管１３３が管１２の収縮方向に摺動し、間隙１１２は回復する。このようにして、管１２の長さを、外管１３２と内管１３３とが摺動可能な範囲内で自律的に調節することができる。さらに、地上あるいは海上において、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、一定時間毎に、管１２の背圧が急上昇を示すまで、レーザー掘削装置２の自重を利用するなどして管１２を降下させることによって、間隙１１２の間隔を適正な範囲に保つことができる。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。したがって、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
【００８７】
第２実施形態に係るレーザー掘削装置２によれば、管１２が互いに摺動可能に設けられた外管１３２と内管１３３とを含んで構成されているので、自律的に長さを変えることができる。特に、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を包囲するノズル１１０から、泥水などの掘削流体３８を放出する場合には、掘削流体３８の流出抵抗を用いて管１２の長さを自律的に調節することができる。したがって、管１２や管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１が岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
【００８８】
第２実施形態のレーザー掘削装置２において、図６及び図９に示されるような光ファイバーケーブル１１及びジャケット７０を有する構成を採用する場合には、地上又は海上においてこのような形態にして、坑内へ搬入してもよいし、また、図１２に示されるように、透明流体供給管１３０を坑内に配して接続部１３１において光ファイバーケーブル１１とジャケット７０との間の空隙７１と接続させてもよい。なお、第１実施形態においても同様である。
【００８９】
３．第３実施形態に係るレーザー掘削装置
図１３（Ａ）は、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１の水平断面図、図１３（Ｂ）は、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図（図１３（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図）である。なお、以下では第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と相違する点を中心に説明し、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００９０】
図１３（Ａ）に示されるように、第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１の構成は、図４を用いて説明した例と同様である。
【００９１】
図１３（Ｂ）に示されるように、第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７は、管１２の端部（管端３６）よりも外側に突出している。すなわち、第１実施形態及び第２実施形態においては、ビーム放射端３７は管端３６の内部に配置されていたが、第３実施形態においては、ビーム放射端３７は岩盤表面２０２に近接あるいは接触するように管端３６の外部に突出して配置されている。
【００９２】
図１３（Ｂ）に示される例では、光ファイバーケーブル１１の坑内側の端部となるビー
ム放射端３７は、管端３６から突出するように配置されており、光ファイバーケーブル１１と管端３６が環状のノズルを形成する。これによって、管１２を通じて供給される掘削流体３８は管端３６において掘削流体ジェット流３９となる。また、掘削流体ジェット流３９と光ファイバーケーブル１１との摩擦力を駆動力として、光ファイバーケーブル１１を坑底へ向けて移動させることができる。光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７は、岩盤表面２０２に近接あるいは接触するので、レーザーエネルギーはビーム放射端３７から岩盤表面２０２の対向部位に効率よく伝達される。より多くのレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に伝達する観点から、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間の距離は、５０ｍｍ以下とすることが好ましく、３０ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、管１２の損耗を避ける観点からは、管端３６から岩盤表面２０２までの間の距離は、５０ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００９３】
レーザービームの一部は岩盤表面２０２において反射して、光ファイバーケーブル１１の坑内側の端部（ビーム放射端３７の近傍）を加熱する。この結果、ジェリー６６は気化して光ファイバー６０と保護シース６５を気化熱によって冷却するが、光ファイバー６０と保護シース６５の損耗は徐々に進行する。光ファイバー６０、保護シース６５及びジェリー６６の損耗分は光ファイバーケーブル１１の供給によって補われる。このような損耗を制御するために、管１２の内部に光ファイバーケーブル１１が移動する状態と移動しない状態とを選択できる保持機構１５０を設置してもよい。
【００９４】
図１４は、保持機構１５０の構成を模式的に示す断面図である。図１４に示される例では、保持機構１５０は、バネ機構１５１、流体受け部１５２及び押さえ部１５３を含んで構成されている。バネ機構１５１は、管１２の内壁面に設けられている。バネ機構１５１は、流体受け部１５２及び押さえ部１５３を有するアームを水平方向に移動させることができる。流体受け部１５２は、掘削流体３８の流通方向に対して斜面を有するように設けられている。図１４に示される例では、流体受け部１５２が掘削流体３８を受けることによって、アームは光ファイバーケーブル１１に近づく方向に力を受ける。押さえ部１５３は、光ファイバーケーブル１１と接することによって、光ファイバーケーブル１１の移動を停止させることができる。このような保持機構１５０においては、掘削流体３８の流量を制御することによって、光ファイバーケーブル１１が移動する状態と移動しない状態とを選択することができる。このような保持機構１５０を設けることによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２の間の距離を調節し損耗速度を制御することが可能となる。
【００９５】
第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７が管１２の端部（管端３６）よりも突出しているので、ビーム放射端３７を岩盤表面２０２に近接あるいは接触させることができる。これによってレーザーエネルギーの伝送損失が極めて小さくなるので、レーザービーム２０４は、高いパワー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給することが可能となる。
【００９６】
ビーム放射端３７から、好ましくは１０５Ｗ／ｃｍ２以上、より好ましくは１０６Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２の局所に供給すると、レーザーエネルギーはほとんど損失なく岩石に伝達され、岩石成分の少なくとも一部が蒸発して噴出し、溝が形成される。「５．実施例」の項で後述されるように、坑底の岩盤表面２０２上でレーザービームを移動させながら照射しレーザービームパターンを描くと、レーザービームパターンに沿って溝状のパターンが形成される。すなわち、岩盤表面２０２は切り刻まれ多数の島に分割される。形成された島々の表層は、下層との熱膨張差や、亀裂に侵入した水の加熱膨張によって、剥離して多数の砕片となる。このように、高いエネルギー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給すると、岩石の大部分を占める砕片は融点に達することなく固相のまま除去されるので、低いパワー密度を適用して岩石を溶融除去する方法に比べて、エネルギー効率が圧倒的に高くなるという利点がある。第
３実施形態に係るレーザー掘削装置は、このように高いエネルギー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給する用途にも適している。
【００９７】
４．第４実施形態に係るレーザー掘削装置
図１５は、第４実施形態に係るレーザー掘削装置３の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。なお、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００９８】
第４実施形態に係るレーザー掘削装置３は、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも一部を覆う防護殻１４０をさらに含んで構成されている。
【００９９】
図１５に示される例では、固定管４８及びシール部４９に防護殻１４０が固定されている。防護殻１４０は、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられている。また、図１５に示される例では、少なくとも防護殻１４０の先端部１４１が岩盤と接触できるように構成されている。また、図１５に示される例では、防護殻１４０は、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも側方の一部を覆っている。また、図１５に示される例では、防護殻１４０は、下方に広がるほぼ漏斗状に構成されている。
【０１００】
防護殻１４０は、固定管４８を坑内に降下させることによって坑内を降下できる。坑内で防護殻１４０を降下させると、防護殻１４０の先端部１４１は掘削が進行中の岩盤表面２０２の外周部において岩盤と接触する。レーザー掘削装置３の吊り荷重を調整するなどして、防護殻１４０にかかる負荷を一定に保つことによって、ビーム放射端３７と岩盤表面２０２の間隙１１２は一定に保持される。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。このような状況を実現するためには、防護殻１４０にかける負荷を、例えば、１トンから１０トンとすることができる。
【０１０１】
図１５に示される例では、防護殻１４０の先端部１４１は、防護殻１４０の先端全周に渡って離散的に複数の流出口１４２有する形状に構成されている。管端３６から岩盤表面２０２に向けて流下する掘削流体３８は掘屑が付着するのを防止すべく防護殻１４０の内面を洗浄して岩盤表面２０２に到り、ノズル１００から放出される透明流体と合流し、掘屑を伴って、流出口１４２を通って防護殻１４０の外部へ移動し、坑内を上昇する。先端部１４１は、岩盤と接触し、脆化した岩盤を切り崩して砕片とする。これに伴う摩耗を避けるために、先端部１４１は耐摩耗材料によって構成される。耐摩耗材料としては、例えば、ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金、サーメット、セラミック及び工具鋼の中から選択することができる。耐摩耗材料で構成される先端部１４１は、バルク材であっても被覆材であってもよい。被覆材としては、例えば、鋼表面にＣｏ基合金粉末、サーメット粉末又はセラミック粉末を溶射したものを用いることができる。
【０１０２】
第４実施形態に係るレーザー掘削装置３によれば、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも一部を覆う防護殻１４０を含んで構成されているので、光ファイバーケーブル１１が岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
【０１０３】
図１５に示される例では、管１２の管端３６はシール部４９近傍に設けられ、管端３６には掘削流体ジェット流を発生させるために流路が狭窄された形状のノズルは設けられていない。この場合、管１２から突出した光ファイバーケーブル１１の中心軸は、スイベル継手（図示せず）を使用して管１２の中心軸と一致するように管端３６において調整され
ている。また、光ファイバーケーブル１１の管１２から突出した部分においては、曲げ変形防止のための強化がなされている。
【０１０４】
５．実施例
上述のレーザー掘削装置を使用すれば、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５をそれぞれ所定の回転速度で回転させることによって管１２の中心軸を遊星運動させることができる。これに伴って光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を遊星運動させることができる。この作用によって、ビーム放射面２０１上においてビーム放射端３７の軌跡が移動パターン２０３を描き、この移動パターン２０３を、レーザービーム２０４を介して岩盤表面２０２にレーザービームパターン２０５として拡大転写することが可能となる。このようなレーザービームパターン２０５の実施例を以下に示す。
【０１０５】
５−１．第１実施例
表１に、第１実施例の条件を示す。
【０１０６】
【表１】
0005256369.tif 000002
【０１０７】
サイクルタイムは、第１偏心リング１３又は第２偏心リング１５が１回転する時間である。偏心量は、第１偏心リング１３においては第１偏心量２２、第２偏心リング１５においては第２偏心量２３である。
【０１０８】
表１に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ａ）に示す。図１６（ａ）に示されるレーザービームパターン２０５は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７における光ファイバーケーブル１１の中心線が描く軌跡と相似形である。光ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されている場合には、レーザービームパターン２０５の近傍に、光ファイバー６０の数に相当する数の軌跡が描かれる。
【０１０９】
第１実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が１０回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっている。
【０１１０】
５−２．第２実施例
表２に、第２実施例の条件を示す。
【０１１１】
【表２】
0005256369.tif 000003
【０１１２】
表２に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ｂ）に示す。第２実施例では、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも大きいので、レーザービームパターン２０５の中心部において空白部分が生じる。
【０１１３】
５−３．第３実施例
表３に、第３実施例の条件を示す。
【０１１４】
【表３】
0005256369.tif 000004
【０１１５】
表３に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ｃ）に示す。第３実施例では、第２実施例よりもさらに、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも大きいので、レーザービームパターン２０５の中心部の空白部分が第２実施例よりも大きくなっている。
【０１１６】
５−４．第４実施例
表４に、第４実施例の条件を示す。
【０１１７】
【表４】
0005256369.tif 000005
【０１１８】
表４に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ｄ）に示す。第４実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、１２０秒の間では、レーザービームパターン２０５が同一の軌跡を繰り返すことはないので、レーザービーム２０４を岩盤表面２０２に対して細かく照射できる。
【０１１９】
５−５．第５実施例
表５に、第５実施例の条件を示す。
【０１２０】
【表５】
0005256369.tif 000006
【０１２１】
表５に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ｅ）に示す。第５実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が６回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっているので、第１実施例のレーザービームパターン２０５に比べて、岩盤表面２０２に対して荒く照射できる。
【０１２２】
５−６．第６実施例
表６に、第６実施例の条件を示す。
【０１２３】
【表６】
0005256369.tif 000007
【０１２４】
表６に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６（ｆ）に示す。第６実施例では、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも小さいので、レーザービームパターン２０５の中心部において空白部分が生じる。第２実施例及び第３実施例と比較すると、第６実施例のレーザービームパターン２０５は、周辺部を荒く照射できるパターンである。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が１０回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっている。
【０１２５】
上述の実施例１〜６は、上述のレーザー掘削装置によって多様なレーザービームパターン２０５の形成が可能であることを示す。上述の実施例１〜６においては、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５とを連続回転させることを前提としたが、断続回転させることも可能である。この場合、さらに多様なレーザービームパターン２０５の形成が可能となる。
【０１２６】
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、複数を適宜組み合わせることが可能である。
【０１２７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１２８】
１…レーザー掘削装置、２…レーザー掘削装置、３…レーザー掘削装置、１１…光ファイバーケーブル、１２…管、１３…第１偏心リング、１４…軸受、１５…第２偏心リング、１６…軸受、１７…固定リング、１８…軸受、１９…軌跡、２０…軌跡、２１…円、２２…第１偏心量、２３…第２偏心量、３１…第１波動歯車装置、３２…第２波動歯車装置、３３…継手、３４…継手、３５…自在継手、３６…管端、３７…ビーム放射端、３８…掘削流体、３９…掘削流体ジェット流、４２…結合部材、４３…回転管、４４…ハウジング、４５…フォーカル軸受、４６…中心軸、４７…中心軸、４８…固定管、４９…シール部材、５０…抗壁、６０…光ファイバー、６１…スロットロッド、６２…押え巻層、６３…テンションメンバー、６４…鉄線層、６５…保護シース、６６…ジェリー、７０…ジャケット、７１…空隙、８０…単孔ノズル、９０…スリットノズル、１００…ノズル、１０１…透明流体ジェット流、１１０…ノズル、１１２…間隙、１１３…液層厚、１２０…透明流体層、１２１…空隙、１３０…透明流体供給管、１３１…接続部、１３２…外管、１３３…内管、１３４…重複部、１３５…シール部、１３６…シール部、１４０…防護殻、１４１…先端部、１４２…流出口、１５０…保持機構、１５１…バネ機構、１５２…流体受け部、１５３…押さえ部、２０１…ビーム放射面、２０２…岩盤表面、２０３…移動パターン、２０４…レーザービーム、２０５…レーザービームパターン
【図１】
0005256369.tif 000008
【図１６】
0005256369.tif 000009
【図２】
0005256369.tif 000010
【図３】
0005256369.tif 000011
【図４】
0005256369.tif 000012
【図５】
0005256369.tif 000013
【図６】
0005256369.tif 000014
【図７】
0005256369.tif 000015
【図８】
0005256369.tif 000016
【図９】
0005256369.tif 000017
【図１０】
0005256369.tif 000018
【図１１】
0005256369.tif 000019
【図１２】
0005256369.tif 000020
【図１３】
0005256369.tif 000021
【図１４】
0005256369.tif 000022
【図１５】
0005256369.tif 000023