高効率な高温度地層掘削のための掘削条件-坑井内温度-ビット寿命の関係の定式化

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本研究では、高温度地層掘削におけるビット寿命低下の原因となる、ビット内部温度上昇によるベアリング部の損傷について、地層からの熱だけでなくベアリング部で機械的負荷により発生する摩擦熱も考慮し、掘削条件-坑内温度-ビット寿命の関係を検討した。そのために、1.様々な機械的負荷条件(荷重-回転数条件)におけるビット内部の発熱量とビット表面と内部との温度差の関係、2.坑内温度(坑底における循環泥水温度)とビット表面温度の関係、3.0リングシールが晒される温度・時間とベアリングの熱損傷の関係、4.実坑井におけるビットの被温度履歴とビット使用時間およびベアリング損傷度の関係を考慮した。1.と2.については、掘削時ビット環境模擬装置を用いて、比較的高負荷の場合においても、ジャーナルベアリング型のトリコーンビット内部の発熱量および温度の測定試験を行った。掘削条件とベアリング内部と表面との温度差との関係を検討した結果、これまでの実験結果から予想していたような、荷重と回転数の上昇とともにビット内部温度も上昇するという単純なものではなく、ベアリング特性数で整理されるストライベック線図で考えると流体潤滑ではなく境界潤滑の状態にあることが示唆された。3.については、NBR製および耐熱性がよいHNBR製のOリングシールを用いた熱劣化試験(グリース浸透)を行い、被熱後のOリングの引張試験を行った。その結果、それぞれの材質のOリングシールが使用不可能になる(弾性が著しく失われる)温度と時間の関係を明らかにした。また、実坑井にて使用されたビットから取り出したOリングシールについても引張試験を行い、ベアリングの熱損傷によるビット寿命と被熱温度・時間の関係を調査した。また、4.については、近年掘削された実坑井(高温度井)の掘削日報、掘削報告、検層結果などのデータを用いて、坑井掘削中の坑内温度を数値シミュレーションによって解析した。