| 研究課題/領域番号 |
17H03491
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
勝井 辰博 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (80343416)
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| 研究分担者 |
井上 朝哉 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 主任技術研究員 (10359127)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 海底科学掘削 / ドリルパイプ / 大深度掘削 / Stick-Slip / マグナス効果 / 数値解析 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は海底掘削用ドリルパイプの実海域掘削時動的挙動を高精度で推定できるシミュレーショ法を開発し海底掘削の高効 率運用に資することを目的とするものである。本研究が取り扱うドリルパイプの特徴的な動的挙動は二つである。一つはドリルパイプのStick-Slip現象であり 、もう一つはマグナス効果に起因するドリルパイプの大変形である。
本年度は主として実海域におけるStick-Slip現象発生の高精度予測を目標として研究を実施してた。対象としたのは4000mクラスの実海域掘削時のドリルパイプのStick-Slipの数値シミュレーションであり、実掘削時と同条件で計算を実施している。このケースの実掘削ではLWD(Logging While Drilling)データと呼ばれる実際の掘削時のドリルビットの回転数が計測されており、シミュレーション結果との比較検証を行い、妥当な精度で両者がに一致することが示されている。この数値モデルの特徴は、ドリルビットに作用する摩擦トルクを単一周期で正弦振動する周期関数と仮定し、その平均値、変動振幅、変動周期については、実海域掘削時に計測されるドリルパイプ上端のトップドライブトルクから推定することである。これまでの手法ではドリルビットに作用する摩擦トルクをドリルビットの回転数の関数としてモデル化していたため相対的なねじり剛性が低下する実機のドリルパイプの場合、理想状態を仮定した本手法では共振状態に陥ることが多く、摩擦トルクのモデルパラメタの設定が極めて困難であった。一方、現状の手法では計測されたトップドライブトルクのFFT解析結果などから比較的容易に摩擦トルクのモデルパラメタを設定することが可能である。ただし、摩擦トルクの変動周期は単一であると仮定したために、掘削条件によってはStick-Slipの予測結果が計測結果に対して過少となることがあることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は実海域でのStick-Slip現象の数値シミュレーション法の開発を行った。特ににドリルパイプに作用する外力として最も重要なドリルビットが掘削面から受ける摩擦トルクのモデル化を行い、それを用いた数値モデルが計測結果をうまく説明できるという結果を得た。この手法は時間ベースの関数として摩擦トルクを与えることが実機のドリルパイプには有効であることを示しており、これを拡張することでさらに高精度な実海域でのStick-Slip現象の予測を可能にすることを示唆する重要な知見であると考える。以上のような観点から、本研究は概ね順調に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究実績の概要の中でも示したように、本研究の目的は海底掘削用ドリルパイプの実海域掘削時動的挙動を高精度で推定できるシミュレーショ法を開発し海底掘削の高効 率運用に資することであり、ドリルパイプの特徴的な動的挙動としてドリルパイプのStick-Slip現象およびマグナス効果に起因するドリルパイプの大変形をとりあげている。Stick-Slipの予測については実機ドリルパイプにも適用可能な数値モデルを開発し、その有用性を確認しつつある。今後はその予測精度を向上させることを目標にドリルビットに作用する摩擦トルクの変動周期にある程度の幅がある場合に対応するために複数の 周期をもつ摩擦トルク変動を取り扱えるように拡張する。この手法を用いてこれまでの手法では予測精度が悪かった条件に対してStick-Slipの予測精度が向上するかについての検討を行う。それとともにトップドライ ブトルクの計測結果の時系列から直接ドリルビットに作用する摩擦トルクの変動時系列を作成してStick-Slipのシミュレーションを実施する手 法の開発についても検討する。 次にマグナス効果によるドリルパイプの変形シミュレーションについてであるが、絶対接点座標法によるドリルパイプの変形推定に加えて、ランプドマス法による推定を並行して実施することを検討する。また、これまで模型試験としてはドリルパイプ下端を自由にした実験のみを実施してきたが、下端の変位を固定した状態での実験を実施し、推定では模型試験結果を過小評価する ことが分かっていたが、材料剛性の非線形性を考慮することで多様な条件での数値モデルの検証を実施していきたいと考えている。以上のようにStick－Slip解析およびマグナス効果起因の大変形予測を合わせて海底科学掘削用ドリルパイプの動的挙動推定法の高度化を図る予定である。
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