2014 Fiscal Year Research-status Report
海底科学掘削用ドリルパイプのStick-Slip現象に関する数値解析
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26630457
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
勝井 辰博 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 准教授 (80343416)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 朝哉 独立行政法人海洋研究開発機構, その他部局等, 研究員 (10359127)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 海洋科学掘削 / ドリルパイプ / Stick-Slip / 中立型遅延微分方程式 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は海洋科学掘削に用いられるドリルパイプのStick-Slip 現象の発生を精度よく予測するための数値シミュレーション法を開発すること目的としたものである。本年度は数値シミュレーションコードの基本部分を作成するとともに、シミュレーションの精度を検証するための小型模型実験を実施した。小型模型実験では約1mのテフロン管を用いたドリルパイプ模型を作成した。パイプの上下端にはジャイロセンサーが設置されており、それぞれの位置でのドリルパイプの回転角速度が計測可能である。このドリルパイプ模型をアクリル製の水槽内に設置し、下端を水槽底面に接地させてパイプ上端を一定回転で回転させ、パイプの回転数、パイプの設置荷重を系統的に変化させて、パイプ上下端での回転角速度とパイプ上端での回転トルクを計測した。パイプ上端は一定回転で回転しているにも拘らず、ドリルパイプの下端は接地摩擦の影響で停止とすべりを繰り返すStick-Slip現象が発生し、回転数や設置荷重によってその特性が変化する様子を計測した。一方、本研究で実施した数値シミュレーション法は捩じり振動方程式に基づいて導出される中立型遅延微分方程式を数値的に解くものであるが、接地部の摩擦特性を境界条件として設定する必要がある。摩擦特性は海底地質等の条件に依存するため一般的には予め設定することは難しい。本研究では実海域掘削でも容易にデータ収集が可能なドリルパイプ上端での回転トルクを基に海底での摩擦を推定し、それを数値解析プログラムに組み込むことでドリルパイプのStick-Slip現象を推定する方法を開発した。今回はBalanovの摩擦モデルを用い、このモデルに用いられる数種類のモデルパラメタの値を上端回転トルクから予測してStick-Slip現象の計算を行ったところ概ね実験結果によく一致する結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究の達成目標は、ドリルパイプのStick-Slip現象を推定するための数値シミュレーション法の基本部分の開発を実施するとともに、同現象の模型実験を実施することで数値シミュレーション法の検証データを収集することである。このためにドリルパイプの小型模型実験装置を作成し、ドリルパイプ上下端での回転速度をジャイロセンサーで計測するとともに、それに概ねそれに同期したパイプ上端での回転トルクも計測した。この実験は種々の回転数、接地荷重で実施され系統的なデータの収集に成功している。さらに数値シミュレーションコードの主要な部分の開発を終えており、模型試験結果との比較検証を行う段階に至っている。数値シミュレーションの難点はドリルパイプ下端に作用する摩擦特性が不明であることであるが、これについては計測されるパイプ上端の回転トルクを基に推測することを試み、ドリルビットの下端、すなわちドリルビット部の回転速度の時間変化について概ね実験結果と一致する妥当計算結果が得られることが分かった。このように、数値シミュレーション法の基本カーネルの作成、模型実験によるデータの収集、計測データを援用した数値解析法の検討などを終えており、本研究はおおむね順調に進展していると結論付けられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に開発したドリルパイプのStick-Slip現象を推定するための数値シミュレーション法は、計算実施のためにドリルパイプ上端での回転トルクの計測値を必要とする。これは、ドリルパイプ下端、すなわちドリルビットに作用する摩擦特性が不明であるため、それを推定するためにドリルパイプ上端での回転トルクの時系列を必要とするためである。これまでの手法ではドリルビットに作用する摩擦モデルとしてBalanovモデルを使用し、ドリルパイプ上端での回転トルクの計算結果が実際の計測結果におおむね一致するようにBalanovモデルに含まれる複数のモデルパラメタを決定していたが、この手法では任意性が大きくパラメタの決定に時間がかかる上、モデルへの依存性が高い。そこで摩擦モデルを使用せず、逐次ドリルビットに作用する摩擦トルクをドリルパイプ上端での回転トルクの計測値から求める手法を検討する。さらに、これまでは小型模型レベルのStick-Slip現象の再現シミュレーションを実施していたが、実海域でのドリリングのデータを基にドリルパイプの実機のStick-Slip現象の再現シミュレーションを実施する。また、現状のシミュレーション法はパイプの撓みや海水による摩擦トルクの影響を考慮できないため、ドリルパイプの微小要素に分割して離散的に各要素の運動を計算する方法についても検討を行う。
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