JP3856811B2

JP3856811B2 - 液中地層の掘削方法及び装置

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Publication number: JP3856811B2
Application number: JP2005129338A
Authority: JP
Inventors: 俊雄小林; 和喜高山; 憲一植田; 和久大友; 成仁植竹
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Tohoku University NUC; Japan Drilling Co Ltd
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS; Tohoku University NUC; Japan Drilling Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
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Description

本発明は液中地層の掘削方法及び装置に関し、基本的には、液中に存在する地下賦存資源開発等のために用いられる技術であるが、さらに広く土木、建築分野にも適用可能な技術であって、液中でのレーザ照射による液中地層の掘削技術に関するものである。

従来、地層ボーリング等地層の掘削技術には、液中であると気中であるとを問わず、回転力によるもの、衝撃力によるもの、ウオータジェットによるもの等がある。

回転力によるものは、地盤ボーリング装置の削進ビットを用いる技術である（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、回転駆動軸の先端に削進ビットを備え、削進ビットの回転、推進によって地盤を掘削するものである。地盤を掘削する削進力の発生源は、回転トルクである。石油・天然ガスの開発における地盤の掘削技術では、この回転力による技術が主流となっている。

衝撃力によるボーリング技術は、例えば、坑底駆動型パーカッションドリルを用いる技術である（例えば、特許文献２参照。）。この技術は、ドリルストリングの先端部に設けられたさく孔ビットに打撃または回転・打撃を与えてさく孔するものであり、地盤の削進力発生源は、主として打撃力であり、これに回転トルクが加わる。

ウオータジェットによる地盤掘削技術としては、立孔掘削工法及び装置がある（例えば、特許文献３参照。）。この技術は、ウオータジェットを利用してケーシング端面に設けた垂直ノズルから噴射される高圧噴流により立孔を掘削する立孔掘削工法であり、ウオータジェットの発生源は、高圧ポンプである。

近年、液中の地下資源開発等において、地盤掘削のため、レーザを用いることが検討されている。この技術は、液の透明度が高く、レーザが液中を効率よく透過する場合には、有効な手法である。しかしながら、透明な液中における地盤へのレーザ照射において、初期の段階では、レーザは地盤に到達して地盤を溶融・蒸発させることが可能となるが、地盤の溶融・蒸発が進行するにつれて、液が濁り出し、レーザが地盤に到達する前に濁った液に吸収され、目標となる地盤に到達できない問題がある。このように不透明な液中でレーザによる地盤をボーリングすることは、困難と考えられている。

液中でレーザ照射すると、気泡が生じ、衝撃波が発生することが知られている（例えば、非特許文献１、２参照。）。

また、レーザの波長帯と液への吸収率には密接な関係があることも知られている（例えば、非特許文献３参照。）。

また、不透明な液中を通るレーザについて、キャビテーション効果によって、本来液中の伝送性のよくないパルスレーザビームを、効率よく伝送できることも知られている（例えば、非特許文献４参照。）。

さらに赤外レーザ照射によって生体軟組織が蒸散し、その中をレーザが効率よく伝送されることも知られている（例えば、非特許文献５参照。）。
特開２００２−２７６２７６号公報（第２−４頁、図１）特開２００３−１８４４６９号公報（第２−４頁、図２）特開２００３−２３９６６８号公報（第２−５頁、図１）ＳＰＩＥＶｏｌ．３２５４：１９９８年１月発行：ｐ１６８〜１７９，ＡｌｆｒｅｄＶｏｇｅｌ他：Ｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅｏｆｏｐｔｉｃａｌｂｒｅａｋｄｏｗｎｉｎｗａｔｅｒ（液中でレーザ照射した場合のエネルギバランスに関する論文）ＳＰＩＥＶｏｌ．３２５４：１９９８年１月発行：ｐ１８０〜１８９，ＡｌｆｒｅｄＶｏｇｅｌ他：Ｓｈｏｃｋｗａｖｅｅｎｅｒｇｙａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｆｔｅｒｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅａｋｄｏｗｎ（レーザ誘起破壊後の衝撃波エネルギー及び音響エネルギーの消失）光ファイバの最新応用技術：２００１年８月発行：Ｐ３０−３１図２５波長帯一伝送損失の水分量依存性（レーザ波長帯と水への吸収率についての図）Ａ．Ｓａａｒ，Ｄ．Ｇａｌ１９８７発行：ＡｍｅｒｉｃａｎｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓＰ１５５６：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｂｅａｍｓｔｈｒｏｕｇｈｏｐａｑｕｅｌｉｑｕｉｄｓｂｙａｃａｖｉｔａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ（キャビテーション効果による不透明液中を通るパルスレーザビームの伝送）Ｔ．ＩＥＥＪａｐａｎＶｏｌ．１１４−Ｃ，ＮＯ．５，’９４：荒井恒憲：赤外レーザ照射による生体軟組織の蒸散機構

本発明は、レーザを使用して、地下資源賦存層などの液中の地層を掘削する新規な技術を提供することを目的とする。

液の透明度の高い場合は、レーザは、液中においても波長によりある程度の距離は透過するが、地層の掘削につれて掘削層によって液の濁度が大きくなると、レーザが液中を透過しなくなる問題がある。

また、レーザ発振器からファイバで伝送されたレーザは、伝送距離が長距離に及ぶとファイバに入射したエネルギが減衰し、地層の掘削に十分必要なエネルギを照射できなくなるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする液中地層の掘削方法である。すなわち、本発明は、液中でのレーザ照射により発生する第１のレーザの誘起力及び／又は液中でのレーザ照射により発生した気泡中を透過する第２のレーザの熱作用により、液中の地層を掘削する。

本発明において、レーザ誘起力とは、レーザを液中で照射した場合に、レーザ誘起現象に基づいて発生する機械的な破壊力を云う。

前記第１のレーザの誘起力は、衝撃波、ジェット流、気泡流若しくは音波、又はこれらの２以上の現象の複合に基づく作用力によって得られる。

前記第１のレーザは、パルスレーザ又は断続照射された連続波レーザを用いるとよい。パルスレーザ又は断続照射された連続波は、液中で、レーザ誘起によって生ずる衝撃波、ジェット流、気泡流又は音波を効率よく発生することができる。

一方、前記第２のレーザは、パルスレーザとしてもよく、連続波レーザとしてもよく、またこれらを併用してもよい。

また、前記第１、第２のレーザは、一方又は両方ともそれぞれ固体レーザとすると好ましい。固体レーザは、ファイバレーザ、ロッド型及びディスク型レーザ、ＹＡＧレーザ、スラブ型レーザ、半導体レーザ等のレーザである。これらは、電力を供給すれば発振するレーザであるため遠隔操作が容易である。また、固体レーザ発振装置は小型化が可能であり、パイプ等の内部に収納できるため、坑内設置方式をとることができる。

パルスレーザによる気泡生成については入射エネルギー集中が液のブレークダウン（破壊）を起し、高温高圧のプラズマと液の蒸気により気泡が急激に成長し衝撃波が発生する。パルスレーザを用いて、レーザ誘起衝撃波、レーザ誘起ジェット流、レーザ誘起気泡流又はレーザ誘起音波を発生させ、これらの作用力により液中の地層を破砕する。

また、レーザを高強度で放射すると出射端近傍に気泡が形成される。この気泡の中をレーザを透過させてレーザを地層に照射しレーザにより液中の地層を掘削することができる。パルスレーザでは気泡が消滅するより速い速度でパルスを生起させるとレーザ誘起衝撃波による作用力を発生させることができる。

次に、上記本発明方法を好適に実施することができる本発明の装置は、
（ａ）パルスレーザ及び／又は連続波レーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長からなる群から選ばれた１又は複数のパラメータを調整可能な第１のレーザ発振手段、及び／又は
（ｂ）パルスレーザ及び／又は連続波レーザを出力し、レーザ周波数及びレーザ波長調整可能な第２のレーザ発振手段、
（ｃ）レーザ伝送手段、並びに
（ｄ）レーザ照射手段
を備えたことを特徴とする液中地層の掘削装置である。

本発明の装置は、上記第１のレーザ発振手段と第２のレーザ発振手段の一方又は両方を備える。両方を備えて作用を協働させると、相乗効果を奏するので好ましい。以下、第１のレーザ発振手段と第２のレーザ発振手段を総称してレーザ発振手段という。

レーザ照射手段はレーザを照射したときに種々の効果を得るために用いられる手段であって、例えば、レーザ誘起による衝撃波、ジェット、気泡流、音波などが最も効率よく発生するように、レーザ照射部の形状、大きさ、その他を変更し、あるいは、液に吸収されにくいレーザを方向性を確保しながら適時適切に照射するなどの手段をいう。

上記液中地層の掘削装置において、さらに、レーザ波長変換手段、及び／又はレーザパルス圧縮手段を備えると好適である。レーザ波長変換手段は、レーザの波長を変換して、液に吸収されやすい波長又は液が吸収されにくい波長のレーザに変換する。レーザパルス圧縮手段は、パルスレーザをピーク率の高いレーザに圧縮して、大きなレーザ誘起力を発生させる手段である。

また、レーザ発振手段を空洞内パイプ中に配設し、電源ケーブルを延長してレーザ発振を行うようにすると、レーザ伝送手段の長さを短くすることができ、レーザの減衰を防止することができる。

なお、レーザ発振手段とレーザ照射手段からなるレーザビットを、空洞内パイプ中の先端に配設すれば最も効率よく地層の掘削を行うことができる。前記レーザビットには、さらにレーザ波長変換手段及び／又はレーザパルス圧縮手段を備えることとすれば、あらゆる条件に対応できるレーザビットを備えたコンパクトな液中地層の掘削装置を得ることができる。

また、前記レーザ伝送手段は、単一ファイバと複数のファイバとから成り中間にレーザ入射手段を有するファイバとしてもよく、複数の単一ファイバとしてもよく、マルチコアファイバ又はバンドルファイバを備えたものとしてもよい。複数のファイバを使用して、一本のファイバで伝送するレーザエネルギーを小さくして、単一ファイバの負担を軽減し、ファイバ数を増加することにより、岩石掘削に必要な大量のレーザエネルギーを伝送することができる。

本発明方法によれば、第１のレーザの誘起力により液中の地層の掘削を行うことができる。また、液の透明度の高い場合ばかりでなく、不透明液中でも、気泡中を透過する第２のレーザの熱作用によって液中の地層の掘削を行うことができる。さらにこれらの共働作用により、液中における岩石の掘削を効率よく行うことができる。

本発明の液中地層の掘削装置によれば、上記本発明方法を好適に実施をすることができ、さらに、複数ファイバ束の利用、レーザ波長変換手段、レーザパルス圧縮手段、レーザ発振手段のパイプ内設置等により液中の地層の掘削に必要な十分なレーザを照射することが可能となった。

まず、レーザの強さを表すパラメータについて説明する。

レーザ出力（平均出力）Ｐは１秒当たりのエネルギーである。断続するレーザでは
Ｐ＝Ｅ×ν ……（１）
となる。ここで、Ｐはレーザ出力（Ｗ）、Ｅはパルスエネルギー（Ｊ）、νは繰り返し周波数である。レーザ出力Ｐを増加するためには、パルスエネルギーＥを増加するか、繰り返し周波数νを増加するかいずれかの手段により達成することができる。

次に、フルエンスＦとは、パルスエネルギーを面積で除した値である。

Ｆ＝Ｅ／Ｓ ……（２）
ここで、Ｆはフルエンス（Ｊ／ｃｍ²）、Ｅはパルスエネルギー（Ｊ）、Ｓは面積（ｃｍ²）である。

次に、レーザ強度Ｉは、フルエンスＦをパルス幅で除した値である。

Ｉ＝Ｅ／（Ｓｔ） ……（３）
ここで、Ｉはレーザ強度（Ｗ／ｃｍ²）、ｔはパルス幅（ｓｅｃ）である。

レーザ照射スポット径は、ファイバを用いる場合、ファイバコアの径に支配される。レンズを使用する場合、所望の集光径ω₀は次の近似式から求められる。

ω₀＝Ｍ²πｆ／（Ｄ₀λ） ……（４）
ここで、Ｄ₀はレンズ上のレーザビーム径（半径）、ｆはレンズの集光距離、λはレーザ波長、Ｍ²はビーム品質の評価に使用する特性値である。

第１のレーザは、光衝撃作用（Ｐｈｏｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｔｅｒｒａｃｔｉｏｎ）、光音響効果（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｅｆｆｅｃｔ）、光アブレーション（Ｐｈｏｔｏａｂｌａｔｉｏｎ）、プラズマ誘起アブレーション（Ｐｌａｓｍａ−ｉｎｄｕｃｅｄａｂｌａｔｉｏｎ）、光破壊（Ｐｈｏｔｏｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）等を生ずる。

本発明の第２のレーザでは、レーザと岩石との相互作用時間が熱緩和時間よりも短い場合には、光の吸収領域に相互作用を閉じこめることができ、断熱膨張を伴う機械的作用を誘起することができる。一方、レーザと岩石との相互作用時間が熱緩和時間より長い場合には、熱伝導によって熱が広範囲に拡散し、温熱作用が顕著となる。熱効果には光化学作用（Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）と光熱作用（Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）がある。

レーザによる岩石の加工速度、及び岩石が粉砕されるか溶融するかは、レーザ強度Ｉ（Ｗ／ｃｍ²）、フルエンスＦ（Ｊ／ｃｍ²）、レーザ波長に依存する岩石レーザ吸収特性に支配される。したがって、レーザ強度Ｉ（Ｗ／ｃｍ²）、フルエンス（ＦＪ／ｃｍ²）、レーザ波長、及びレーザと岩石との相互作用時間の適切な組み合わせによって種々の対象岩石に適合した破砕条件を選定することができる。

次に、レーザ発振手段、レーザ波長変換手段、レーザ照射手段により、レーザ強度Ｉ（Ｗ／ｃｍ²）、フルエンスＦ（Ｊ／ｃｍ²）、及びレーザ波長を調整する作用について説明する。

レーザによる岩石加工速度が粉砕破砕能に影響するパラメータは、（ａ）パルスエネルギー、（ｂ）レーザビーム品質Ｍ²、（ｃ）レーザパルス幅、（ｄ）繰り返し周波数（Ｈｚ）、（ｅ）レーザ波長、（ｆ）レンズ上のビーム径、（ｇ）レンズの集光距離、（ｈ）集光径ω₀、及び（ｉ）ファイバコア径である。

このうち、レーザ発振手段が調整可能なパラメータは、（ａ）パルスエネルギー、（ｂ）レーザビーム品質Ｍ²、（ｃ）レーザパルス幅、（ｄ）繰り返し周波数（Ｈｚ）、及び（ｅ）レーザ波長である。

レーザ波長変換手段が調整可能なパラメータは（ｅ）レーザ波長である。

レーザ照射手段が調整可能なパラメータは、照射手段としてレンズを使用する場合、（ｆ）レンズ上のビーム径、（ｇ）レンズの集光距離、（ｈ）集光径ω₀である。照射手段としてファイバを使用する場合、（ｉ）ファイバコア径を調整可能である。

本発明装置は、適切なレーザ発振手段、レーザ伝送手段、及びレーザ照射手段を備えており、岩石を溶融させることなく、粉砕により加工することができる。さらに、レーザ波長変換手段を付加すると、一層適切に実施することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１（ａ）〜図１（ｄ）はレーザ誘起衝撃波発生プロセスを示す説明図、図２（ａ）〜図２（ｃ）はレーザ誘起ジェット流の発生プロセスを示す説明図、図３はレーザ誘起気泡流の発生を示す説明図である。

液中で短時間に大きなエネルギーを液に加えると、液の急激な気化により気泡が発生し、液中衝撃波が形成される。このようなエネルギー源としてはレーザ照射以外にも放電や爆発などがある。本発明は、レーザ照射によってこの現象を引き起こし、レーザ誘起力を発生させる。

レーザ照射によって液中に衝撃波が発生するプロセスは、次の通りである。すなわち、図１（ａ）に示すように、液中で光ファイバ２００の先端から液２０１中にパルスレーザを照射するとレーザの有する熱エネルギーが短時間に液に吸収されて、プラズマ２０２が発生し、高温高圧状態で、強い衝撃波２０３、２０４を発生する。また図１（ｂ）に示すように、気泡２１０が発生・成長・収縮する。図１（ｃ）は、収縮した状態を示している。この過程において、図１（ｄ）に示すように、再びレーザ照射によるエネルギーを供給すると気泡２１０が急激に再膨張しプラズマ２０２と共に四囲に衝撃波２０３、２０４を発生する。

レーザを液に効率よく吸収させるには、レーザの発振波長が液の吸収波長に近似している必要がある。液の光吸収波長域の近傍の波長をもつレーザであれば、液含有率の大きな物体にエネルギーを効率よく吸収させることができ、そのような物体内で衝撃波や気泡を効果的に発生させることができる。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、レーザ誘起ジェットが発生する過程を説明する原理図である。図２（ａ）に示すように、液２０１が満たされた管２２０内に光ファイバ２００を挿入し、光ファイバ２００を通して液への吸収率の高いレーザ２２１を照射すると、図２（ｂ）に示すように、レーザにより管内で気泡２２２が発生し、気泡２２２が液２０１を管外に押し出しジェット２２３を発生する。

かくして、図２（ｃ）に示すように、気泡２２２の急膨張によりジェット２２４を射出する。ジェット２２４はレーザエネルギーの大きさに依存し、レーザエネルギーを変化させることによりジェットの強さを変化させることができる。

図３は、液２０１中におけるファイバ２００からのパルスレーザ２２１の照射により多数の気泡２３０が発生し、発生した気泡２３０中をレーザ２２１が透過して地層にレーザ２３１が到達する状況を示したものである。透過したレーザ２３１は地層２４０を破砕して屑２４１を飛散させて地層２４０を掘削する。

図３に示すように、レーザを高強度でファイバ２００の出端から液２０１中に照射すると、出射端近傍に気泡２３０が形成され、液２０１が不透明液であっても、レーザ２３１が気泡２３０中を通過して液中にある地層（岩石）２４０にレーザ照射を行うことができる。発生した気泡２３０が消滅する時間よりも早い繰り返し回数でパルスレーザ２２１を照射すれば、気泡２３０によってレーザ２３１の照射経路を保持することが出来る。

本発明は、この手段を取り入れることにより、透明液中ばかりでなく、不透明液中でも液２０１中の地層２４０にレーザ２３１を直接照射して地層を掘削することが可能である。

図４〜図８はレーザ誘起力発生を示す説明図である。それぞれレーザ発振手段１０により発生したレーザは、レーザ伝送手段２０を経て液中で伝送され、液中に照射される。図４では発生したレーザがレーザ誘起衝撃波発生手段３１へ伝送され、レーザ誘起衝撃波３２が発生する。図５では発生したレーザはレーザ誘起ジェット発生手段３３へ伝送され、レーザ誘起ジェット３４が発生する。図６では、発生したレーザはレーザ誘起ジェット発生手段３５へ伝送され、レーザ誘起気泡流３６が発生する。図７では、発生したレーザはレーザ誘起音波発生手段３７へ伝送され、レーザ誘起音波３８が発生する。

図８は、レーザ誘起力を発生する第１のレーザと気泡中を透過する第２のレーザとの協働作用の説明図である。図８に示すように、レーザ伝送手段２０により液９０への吸収率の良い波長を有するレーザ（第１のレーザ）は、レーザ伝送手段２０によりレーザ誘起気泡流発生手段３５に到達する。また、液への吸収率の低いレ一ザ（第２のレーザ４１）は、レーザ伝送手段２０によりレーザ照射手段３９に到達する。レーザ照射手段３９から照射されるレーザ（第２のレーザ４１）は、レーザ誘起気泡流発生手段３５により発生した気泡流３６中の空洞域を透過して地層１４０に到達照射される。第２のレーザ４１として、液への吸収率の低いレーザを選定することにより地層１４０へ到達するレーザの透過率は高くなる。液中を透過した第２のレーザ４１は、急速に地層１４０を加熱する熱作用により岩石を破壊し、地層を掘削することが可能となる。

図９は、第１のレーザによるレーザ誘起力と、第２のレーザによる熱作用による作用力との協働による掘削の説明図である。レーザ伝送手段２０により伝送されたパルスレーザを、液９０中でレーザ照射手段３０（レーザ誘起衝撃波発生手段３１、レーザ誘起ジェット発生手段３３、レーザ誘起音波発生手段３５、又はレーザ誘起気泡流発生手段３７）によって照射し、第１のレーザによるレーザ誘起力を発生させる。

一方、レーザ照射手段３９によって発生し、レーザ誘起気泡流３６中を透過した第２のレーザ４１も熱作用により地層１４０を掘削する作用力を有する。この両者の作用力の協働によって地層１４０を掘削する。レーザ照射手段３０により第１のレーザによる誘起力を発生させ、この誘起力を地層（岩石）を掘削する機械的な作用力として作用させ、レーザ照射手段３９によって発生した第２のレーザ４１を気泡流３６中を通して地層に到達させて、熱作用による地層の破壊作用を生じさせ、両者の作用によって効率的に地層１４０の掘削を行う。

図１０に、レーザ波長変換手段５０を組み込んだ実施例の掘削装置を示す。レーザ発振手段１０とレーザ伝送手段２０、レーザ波長変換手段５０、レーザ照射手段３０を備えることによりレーザ誘起力を発生させることができる。レーザ波長変換手段５０を使用する理由は、レーザ伝送手段２０による伝送損失を少なくするためレーザ発振手段１０により発振されるレーザ波長を伝送損失の少ない波長に設定するためである。レーザ波長変換手段５０に到達したレーザは、液への吸収率の高い波長に変換され、レーザ誘起力の発生効率を上げる。あるいは、液への吸収率の低い波長に変換して、液中を可能な限り透過させて地層１４０に到達させる。レーザ波長変換手段５０を用いることにより、レーザ誘起現象の発生効率の制御が可能となる。

図１１は、レーザ発振手段１０を、坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に配設した装置の実施例を示している。電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置したレーザ発振手段１０で発振したレーザをレーザ伝送手段２０によりレーザ照射手段３０へ伝送し、レーザ誘起力を発生させる。また、液への吸収率の低いレーザ（第２のレーザ４１）を、透過レーザとして地層１４０に直接照射することができる。さらに、第１のレーザによるレーザ誘起力と第２のレーザによる透過レーザとを協働させて地層１４０を掘削することができる。

この実施例は、レーザ発振手段１０から発振されたレーザをレーザ伝送手段２０で伝送した場合に発生する伝送損失が大きい場合に、電気ケーブル７１を延長してレーザ伝送手段２０をできるだけ短かくし、レーザ伝送損失を小さくする。この実施例によれば、レーザ発振手段１０で発振されたレーザエネルギーの伝送損失を小さくしてレーザ照射手段３０に伝送することができ、レーザ誘起力を発生させるエネルギーを無駄なく利用することができる。

図１２は、別の実施例を示すもので、電源手段７０、電気ケーブル７１、レーザ発振手段１０、レーザ伝送手段２０、レーザパルス圧縮手段８０、レーザ照射手段３０から構成されている。

電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置したレーザ発振手段１０で発振したレーザをレーザパルス圧縮手段８０により、ピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段３０から照射することによりレーザ誘起力を発生させる。また、液への吸収率の低いレーザであれば、透過レーザ（第２のレーザ４１）となり地層１４０に直接照射することができる。さらに、レーザ誘起力を発生する第１のレーザと第２のレーザ（透過レーザ）の作用を協働させて地層を掘削することができる。

この実施例では、電気ケーブル７１を延長してレーザ伝送手段２０をできるだけ短くし、レーザ伝送損失を小さくするばかりでなく、レーザパルス圧縮手段８０により、レーザをピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段３０から照射することにより効果的にレーザ誘起力を発生させ、地層の掘削効率をあげることができる。

図１３は、レーザ波長変換手段５０を備えた実施例を示している。

電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置したレーザ発振手段１０で発振したレーザをレーザ伝送手段２０により伝送する。レーザ波長変換手段５０に到達したレーザは、液への吸収率の高い波長に変換され、レーザ照射手段３０へ到達し、レーザ照射手段３０より照射されて、レーザ誘起の発生効率をあげることが可能となる。また、レーザ波長変換手段５０で液への吸収率の低い波長のレーザ（第２のレーザ４１）に変換して、液中の透過率を高め、可能な限り透過させて地層１４０に到達させることができ、地層１４０に到達する第２のレーザ４１のエネルギー損失を小さくすることができる。レーザ誘起力と第２のレーザの熱破砕作用力との協働によって、地層１４０の掘削効率をあげることができる。

図１４は、レーザ発振手段１０及びレーザ照射手段３０で構成されるレーザビット１１を坑井６０のオープンエンドに備え、このレーザビット１１を坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置した例である。

電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電し、レーザ発振手段１０で発振されたレーザは、レーザ照射手段３０より照射される。レーザの照射によりレーザ誘起力を発生させることが可能となり、また、液への吸収率が低いレーザを液中を透過させる。レーザ誘起力を発生する第１のレーザと気泡中を透過する第２のレーザ４１とを協働させて地層１４０を掘削することが可能である。

図１５は、レーザ発振手段１０とレーザ手段５０とレーザ波長変換照射手段３０とから構成されるレーザビット１２を坑井６０内に挿入したパイプ６１の先端部に設置した例を示している。電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。レーザ発振手段１０で発振されたレーザは、レーザ波長変換手段５０により、液への吸収率の高い波長を持つレーザに変換される。このレーザ（第１のレーザ）をレーザ照射手段３０により液中で照射して、レーザ誘起力を発生させることができる。また、レーザ波長変換手段５０により液への吸収率が低い波長のレーザ（第２のレーザ）に変換し、気泡中を透過させて地層１４０に到達させることができる。これらの２種類の波長のレーザの作用力を協働させて地層１４０を掘削することが可能である。

図１６は、レーザ発振手段１０とレーザパルス圧縮手段８０とレーザ照射手段３０とから構成されるレーザビット１３を備え、このレーザビット１３を坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置した例である。電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。発振されたレーザは、レーザパルス圧縮手段８０により、ピーク出力の高いレーザに圧縮した後、レーザ照射手段３０により液中に照射し、レーザ誘起力を発生させる。レーザパルス圧縮手段８０は、レーザ誘起力を発生させるレーザパルスのピーク出力を高くすることができ、地層１４０の掘削効率をあげることができる。

図１７は、レーザ発振手段１０とレーザ波長変換手段５０とレーザパルス圧縮手段８０とレーザ照射手段３０とから構成されたレーザビット１４を備え、このレーザビット１４を坑井６０内に挿入したパイプ６１の内部に設置する。電源手段７０からの電力を電気ケーブル７１でレーザ発振手段１０に送電する。発振されたレーザは、レーザ波長変換手段５０により、液への吸収率の高い波長を持つレーザに変換された後、レーザパルス圧縮手段８０により、ピーク出力の高いレーザに圧縮し、レーザ照射手段３０により液中に照射して、レーザ誘起力を効率よく発生させることができる。

この実施例によれば、レーザはレーザ波長変換手段５０で液への吸収率の高い第２のレーザに変換され、さらにレーザパルス圧縮手段８０によって高ピーク出力に圧縮することができ、レーザ誘起力を効率を良く発生することができ、地層１４０の掘削効率をあげることができる。

図１８は、別の例を示すものでレーザ発振手段１０にて発振されたレーザは、レーザ伝送手段２０により複数ファイバヘの入射手段１００に伝送される。ここで、レーザ１０９は、複数ファイバヘの入射手段１００により、ビームステアリング、又はビーム走査により複数の単一ファイバ１１０からなるマルチコアファイバ１１１へ入射される。マルチコアファイバ１１１で伝送されたレーザは、出射レーザビーム１１３となる。

図１９は、複数のレーザ発振手段１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…により発振したレーザが、それぞれレーザ伝送手段２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，…を経てレーザ入射手段１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，…へ伝送される例を示している。このレーザ入射手段１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，…によりレーザは、複数のファイバからなるマルチコアファイバ１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，…に入射される。

マルチコアファイバ１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，…は、集約されてバンドルファイバ１１２（レーザ伝送手段２２）を構成する。バンドルファイバ１１２のファイバ束数を増やすことにより照射エネルギを大きくすることが可能となる。なお、ここでは、マルチコアファイバを集約したものをバンドルファイバとしたが、マルチコアファイバそのものも一種のバンドルファイバである。

以上の構成によって、単一ファイバに負担を掛けないで、大出力エネルギーを地層へ伝送して掘削することができる。

図２０は、複数のレーザ発振手段１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，…より構成されるレーザ発振手段１０で発振されたレーザが、それぞれ単一ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，…からなるレーザ伝送手段２０（単一ファイバ群）を経て、複数ファイバ束例えばマルチコアファイバ１１１へのレーザ入射手段１００に伝送される。レーザ入射手段１００は個々のレーザ入射手段１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，…から構成されている。これらの個々のレーザ入射手段はレーザをそれぞれマルチコアファイバ１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆ，…（レーザ伝送手段）に入射する。そしてこれらのマルチコアファイバ１１１はまとめてバンドルファイバ１１２（レーザ伝送手段２２）によってレーザ照射手段３０に伝送される。

複数のファイバを束ねたマルチコアファイバ１１１を集約して形成したバンドルファイバ１１２によりレーザ伝送手段２２が構成される。多数の発振手段群１０により発振されたレーザは、単一ファイバから成るレーザ伝送手段２０により入射手段１００に導光され、マルチコアファイバ１１１から成るレーザ伝送手段ヘ導光される。さらに、レーザは、マルチコアファイバ１１１の集約により構成されるバンドルファイバ１１２を経てレーザ照射手段３０に到達する。レーザ照射手段３０により照射された大きな出力のレーザにより大出力のレーザ誘起力が発生し、また、大出力の透過レーザによる熱破壊作用を生じ、地層の大規模掘削に供される。

また図２０に示す実施例では、単一のファイバで伝送するレーザのエネルギーを小さくすることができ、ファイバの許容能力以内で所要のエネルギーを伝送することができる。そしてレーザ伝送手段２２をバンドルファイバにすることにより大出力のレーザエネルギーを伝送利用することが可能となる。

図２１は、パイプ６１内に複数ファイバ束の入射手段を設置した場合を示すものである。坑井６０内に挿入されたパイプ６１内に複数のレーザ発振手段を包含するレーザ発振手段１０、複数ファイバ束への入射手段１００、レーザ照射手段３０が設置され、電源手段７０から、電気ケーブル７１にてレーザ発振手段１０に送電する。

レーザ発振手段１０で発振されたレーザは、レーザ伝送手段２０により複数ファイバ束への入射手段１００に伝送される。複数ファイバ束への入射手段１００により、レーザは単一ファイバから、ファイバ束に入射する。このファイバ束を複数集めたバンドルファイバにより構成されるレーザ伝送手段２２により、レーザ照射手段３０に伝送される。レーザはレーザ照射手段３０により、液中で照射され、レーザ誘起力を発生する。液への吸収率の低い透過レーザも発生する。

図２２に、地上にレーザ発振手段１０を設置した場合の装置及び構成を示した。

地上に設置されたレーザ発振手段１０からレーザがレーザ伝送手段２０を経てレーザ照射手段３０に伝送される。レーザ照射手段３０は、坑井６０内に挿入されたパイプ６１内部に設置されている。レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザであれば、レーザ誘起力が発生し、また、レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、透過レーザとなる。レーザ誘起力によって地層を掘削することができ、透過レーザにより地層を掘削することができ、また、レーザ誘起力および透過レーザの熱破壊作用力の協働により地層を掘削することができる。

一方、パイプ６１内部へ、地上より圧入された流体１２３がパイプ６１内を通って坑井６０内に射出され、流体１２４となる。レーザ誘起力、あるいは透過レーザの熱作用力により破砕・粉砕された地層（岩石）は、流体１２４により地上に向かって坑井６０内を上昇する。バルブ１２２に達した流体１２１は流体循環システム１２０ヘ送出される。

図２３に、坑井６０内に挿入されたパイプ６１内にレーザ発振手段１０を設置した実施例を示した。この実施例では電源手段７０を地上に設置している。レーザ発振手段１０及びレーザ照射手段３０は、坑井６０内に挿入されたパイプ６１内部に設置され、レーザ伝送手段２０によりレーザ発振手段１０とレーザ照射手段３０が連結されている。

図２３に示す実施例では、電源手段７０から電気ケーブル７１を経由して、レーザ発振手段１０へと電力が送電される。レーザ発振手段１０は電力を得てレーザを発振する。発振されたレーザは、レーザ伝送手段２０を経由してレーザ照射手段３０へ到達する。

レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザの場合、レーザ誘起力を発生し、また、レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、透過レーザとなる。これらのレーザ作用力及び流体循環システム１２０は図２２の実施について説明したものと同様である。

図２４に、洋上掘削の実施例装置の構成例を示した。レーザ発振手段１０を洋上掘削施設１３０上に設置している。洋上掘削施設１３０は、水面１３１の上方に位置し、海底１３３に設置された海底坑口装置１３２とライザーパイプ１３４で連結されている。ライザーパイプ１３４内にある坑井６０は、洋上掘削施設１３０から海底地層を通って地下資源賦存層に到達している。坑井６０内には、パイプ６１が挿入されている。

洋上掘削施設１３０上に設置されたレーザ発振手段１０からのレーザはレーザ伝送手段２０により坑井６０下底部のレーザ照射手段３０に伝送される。レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の高い波長を持つレーザであれぱ、レーザ誘起力を発生し、また、レーザ照射手段３０より照射されたレーザが、液への吸収率の低い波長を持つレーザであれば、地層に到達する透過レーザとなる。レーザ誘起力及び／又は透過レーザの持つ熱作用力により地層（岩石）を掘削する。

一方、パイプ６１内部へ、地上より圧入された流体１２３は、パイプ６１内部から坑井６０内に射出され、流体１２４となる。レーザ誘起力又は透過レーザによる作用力により破砕地層（岩石）は、流体１２４により地上に向かって坑井６０内を上昇する。バルブ１２２に達した流体１２１は、流体循環システム１２０ヘ送出される。

図２５に、洋上掘削の場合に坑井内に挿入されたパイプ内にレーザ発振手段を設置した実施例を示した。図２４に示す実施例と異なる点は、レーザ発振手段１０を坑井６０内に設け、電源手段７０を洋上掘削施設１３０上に設置したことである。その他の構成及び作用は図２４に示す実施例で説明したものと同様である。この実施例では、電源手段７０から電気ケーブル７１を経由して、レーザ発振手段１０へと電力が送電される。レーザ発振手段１０はレーザを発振し、発振されたレーザは、レーザ伝送手段２０を経てレーザ照射手段３０へ到達する。

液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。液中レーザ照射による衝撃波の発生プロセスを示す説明図である。液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。液中レーザ照射によるジェット発生プロセを示す説明図である。キャビテーションエフィクトによるレーザの伝播を示す説明図である。実施例の模式的説明図である。実施例の模式的説明図である。実施例の模式的説明図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。実施例装置の構成図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０Ｃ，１０ｅ，１０ｆレーザ発振手段
１３，１４レーザビット
２０レーザ伝送手段
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，… 単一ファイバ
３０レーザ照射手段
３１レーザ誘起衝撃波発生手段（レーザ照射手段）
３２レーザ誘起衝撃波
３３レーザ誘起ジェット発生手段（レーザ照射手段）
３４レーザ誘起ジェット
３５レーザ誘起音波発生手段（レーザ照射手段）
３６レーザ誘起気泡流
３７レーザ誘起気泡流発生手段（レーザ照射手段）
３９レーザ照射手段
４１第２のレーザ
５０レーザ波長変換手段
６０坑井
６１パイプ
７０電源手段
７１電気ケーブル
８０レーザパルス圧縮手段
９０液
１００複数ファイバヘのレーザ入射手段
１０９レーザ
１１０複数の単一ファイバ（レーザ伝送手段）
１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，… マルチコアファイバ（レーザ伝送手段）
１１２バンドルファイバ（レーザ伝送手段）
１１３出射ビーム
１２０流体循環システム
１２１、１２３、１２４流体
１２２バルブ
１３０洋上掘削施設
１３２海底坑口装置
１３４ライザパイプ
１４０地層
２００光ファイバ
２０１液
２０２プラズマ
２０３、２０４衝撃波
２１０気泡
２２０管
２２１レーザ
２２２気泡
２２３ジェット
２３０気泡
２３１レーザ
２４０地層
２４１屑

Claims

液中でのレーザ照射により発生する第１のレーザの誘起力及び／又は液中でのレーザ照射により発生した気泡中を透過する第２のレーザの熱作用により、液中の地層を掘削することを特徴とする液中地層の掘削方法。
前記第１のレーザの誘起力は、衝撃波、ジェット流、気泡流若しくは音波、又はこれらの２以上に基づく作用力であることを特徴とする請求項１記載の液中地層の掘削方法。
前記第１のレーザは、パルスレーザ又は断続照射された連続波レーザであることを特徴とする請求項１又は２記載の液中地層の掘削方法。
前記第２のレーザは、パルスレーザ及び／又は連続波レーザであることを特徴とする請求項１記載の液中地層の掘削方法。
前記第１のレーザは、固体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液中地層の掘削方法。
前記第２のレーザは、固体レーザであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液中地層の掘削方法。
パルスレーザ及び／又は連続波レーザを出力し、レーザパルスエネルギー、レーザビーム品質、レーザパルス幅、レーザ周波数及びレーザ波長からなる群から選ばれた１又は複数のパラメータを調整可能な第１のレーザ発振手段、及び／又はパルスレーザ及び／又は連続波レーザを出力し、レーザ周波数及びレーザ波長調整可能な第２のレーザ発振手段と、レーザ伝送手段と、レーザ照射手段とを備えたことを特徴とする液中地層の掘削装置。
さらに、レーザ波長変換手段及び／又はレーザパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の液中地層の掘削装置。
前記レーザ発振手段を空洞内パイプ中に配設したことを特徴とする請求項７又は８記載の液中地層の掘削装置。
レーザ発振手段とレーザ照射手段からなるレーザビットを、空洞内パイプ中の先端に配設しことを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の液中地層の掘削装置。
前記レーザビットは、レーザ波長変換手段及び／又はレーザパルス圧縮手段を備えたことを特徴とする請求項１０記載の液中地層の掘削装置。
前記レーザ伝送手段は、単一ファイバと複数のファイバとから成り中間にレーザ入射手段を有するファイバ、複数の単一ファイバ、マルチコアファイバ又はバンドルファイバを備えたことを特徴とする請求項７〜１１の何れかに記載の液中地層の掘削装置。