深海2,000メートルで燃える氷を掘削する「マナティーII」は本当にすごい！

2021年4月7日23時頃、湖南科技大学が主導するわが国初となる「マナティII」大孔深部圧力保持コアリング掘削システムが海洋地質II調査船に搭載され、南シナ海の水深2,000メートル以上の深さ231メートルの掘削に成功し、この深さで可燃性の氷のサンプルを取得し、世界の深海掘削深度を新たに更新しました。

なぜ海の奥深くまで掘削するのでしょうか?海洋掘削リグ「マナティー II」はどのように機能するのでしょうか?技術的なブレークスルーはどこにあるのでしょうか?今日は、非常に難しく強力な国家兵器である海洋掘削リグについて学びます。

地下に潜るのはどれくらい難しいですか？

地球の内部は外側から内側にかけて、地殻、マントル、核で構成されています。地殻は表面の薄い層であり、マントルとの境界はモホ不連続面です。その平均厚さはわずか17kmです。地球の平均半径（6378km）と比較すると、卵に対する卵の殻の厚さよりもさらに小さいです。そして今のところ、人類はこの厚さを突破できていません。

地面まで掘削する一般的なプロセスは、既存のドリルロッドに新しいドリルロッドを継続的に追加して、さらに掘削することです。ドリルビットが掘削すると、ドリルロッドが高速の水を噴射して砕けた岩石や土を地面に流し、地面に深い穴を掘ります。

鉱物を探索する場合、特定の深さの岩石と土壌のサンプルが必要です。このとき、まず必要な深さに近い位置まで穴をあけ、その後掘削を中止して別のドリルビット、つまりコアリングドリルビットに交換する必要があります。対応するドリルロッド（掘削ツールとも呼ばれる）はコアチューブと呼ばれます。

現在、代表的なコア掘削技術はロープコア掘削技術と呼ばれ、ワイヤーロープを通してコアチューブを下ろし、コアを掘削して回収するものです。

既存のテクノロジーを制限する要因は数多くあります。たとえば、

① 常に新しいドリルパイプを接続するのは非常に面倒です。

②温度が高いとドリルビットの材質が柔らかくなり、ドリルビットの作業能力に影響を与える可能性があります。

③ 岩石や土の圧力が高く、穴壁を適時に保護しないと深い穴が崩壊します。

④ ドリルロッドが長くなるほど、制御が難しくなります。また、自重によってねじれたり引き抜かれたりしやすく、回転掘削のねじり力を効果的に伝達することが困難です。

地上への進入を容易にしない要因は他にもたくさんあります。しかし、石油産業のニーズにより、陸上掘削技術は実際には比較的成熟してきました。我が国で開発された陸上掘削装置「クラスト1号」は、すでに1万メートルの掘削深度を達成することができます。

海底には何があるのでしょうか？

私たちは子供の頃から、我が国の陸地面積は 960 万平方キロメートルであると教えられてきました。実は、私の国にも約 300 万平方キロメートルの海域があることを知らない人がたくさんいます。現在、我が国の海域は具体的には渤海（我が国の内海）7万7000平方キロメートル、黄海31万5000平方キロメートル（北朝鮮と韓国に隣接し、排他的経済水域の原則に基づき、我が国は黄海の約80％を管轄しています）、東シナ海50万8000平方キロメートル（日本に隣接し、排他的経済水域と大陸棚の境界画定ルールに基づき、我が国は東シナ海の約3分の2を管轄しています）、南シナ海の9区分線で区切られた約210万平方キロメートルの海域を含んでいます。

海には陸上で利用できる資源のほとんどすべてがあり、また陸上では利用できない資源もいくつかあります。現在までに発見されているのは、以下の6つのカテゴリーです。①石油と天然ガス。 ②石炭や鉄などの固体鉱物③ 沿岸砂金鉱山④ 多金属団塊およびコバルトを多く含むマンガンクラスト⑤ 熱水鉱床⑥ 燃えやすい氷。

東シナ海と南シナ海の海底には石油とガスの資源が豊富にあります。南極海だけでも可燃性の氷資源量は石油換算で700億トンに達すると推定されており、これは我が国の陸上石油・ガス資源総量の約半分に相当します。我が国は、海底環境が厳しいことから、深海資源探査を行う技術的手段が不足しており、深海域の調査は依然として不十分です。広大な海域に海底鉱物がどれだけ存在するかを知ることは困難です。

マナティー II 深海掘削リグ: 海と地中を掘削し、掘削深度 231 メートルで記録を更新

我が国は深海資源の探査のため、海洋掘削装置の開発に着手しましたが、海洋掘削装置は海や地中に潜る必要があり、言うは易く行うは難しです。 10年以上の研究開発を経て、我が国は海洋掘削リグの分野で徐々に国際トップレベルに到達しました。 2015年、マナティー沖合掘削リグは深海底60メートルの深さに到達しました。

深海のメタンハイドレート資源を探査するためには、掘削深度を深くすることに加え、採取したコア中のメタンハイドレートが氷状の固体物質であることを保証するために、コア採取中にサンプルに圧力をかけ続けることが必要である。そのため、マナティーII深海掘削リグがさらに開発されました。

「マナティーII」海底大孔深圧保持コアリング掘削リグシステムの目標は、我が国の海底天然ガスハイドレート（可燃性氷）資源の探査に効果的に対応できる、稼働水深2,000メートル以上、掘削深度200メートル以上、圧力保持成功率60％以上の海底大孔深圧保持コアリング掘削リグシステムを開発することです。 「マナティーII」掘削リグは高さ7.6メートル、胴回り10メートル、重さ12トン、水中での重量は10トンです。これは現在、我が国で最も重い水中地質探査および科学研究機器です。見た目は巨大な怪物だが、海底に着くと「マナティII」はドジョウのように柔軟になる。 2021年4月7日、マナティーII号は掘削深度231メートルで新たな世界記録を樹立しました。

「マナティー2」はどうやってそんなに深く掘削できるのか？

海底掘削装置が200メートルより深い穴を掘れるようにするには、多くの技術的な問題を解決する必要があります。典型的な 2 つの問題は次のとおりです。

（１）遠隔測定・遠隔制御によるドリルパイプの積み込み・積み下ろし・保管技術

深い穴と浅い穴の主な違いは、複数のドリルロッドが必要になることです。多くの陸上掘削リグにはドリルパイプを自動的に取り付けたり取り外したりする機能がありますが、その動作条件ははるかに優れており、動作プロセスを直接観察でき、問題が発生した場合にはドリルパイプを手動で取り付けたり取り外したりすることができます。

海牛（海牛IIの第一世代製品）の掘削パイプとコアチューブの自動保管・荷降ろしシステム

マナティーIIは、ターンテーブルラックを使用してドリルロッドとコアチューブを保管し、マニピュレーターと連携してドリルロッドの自動取り付けと取り外しを実現します。 Manatee II には、大量の機器データを収集できる高精度のテレメトリ センサーとリモート コントロール センサーが多数搭載されています。監視用に深海カメラが追加され、設計の信頼性がテストされました。

（２）掘削パイプの接続および荷下ろし時の穴の位置合わせ、リグの水平調整および滑り止め技術

深穴海底ドリルがコアチ​​ューブの掘削を完了するたびに、ワイヤーロープを使用してすべてのドリルロッドを掘削孔から引き出し、別の空のコアチューブと交換してから、ドリルビットを穴に入れる必要があります。このプロセスは非常に時間がかかり、面倒で、穴の位置合わせの精度をテストします。

さらに、海底掘削装置を海底に直接固定することは困難です。ドリルビットが穴から引き上げられた後に横に滑ると、次の穴あけ作業に影響します。そのため、海底で稼働する深海中深穴掘削リグには、絶対的に安定した支持が必要です。この機能を実現するために、マナティー II 掘削リグの脚部の設計は非常に詳細な設計を経ており、海底での水平と安定した配置を実現できる 3 本脚設計を採用しています。

メタンハイドレートの採掘に「満足」する方法 - 新しい圧力維持掘削ツール

海底掘削装置の各作業に必要な掘削工具はすべて、海底掘削装置とともに海底まで降ろされます。掘削作業のたびに、穴の底から回収されたインナーチューブは、まず海底掘削装置本体の掘削工具倉庫に保管されます。全ての掘削作業が完了したら、掘削装置とともに母船のデッキまで吊り上げられます。

採掘したメタンハイドレートサンプルを海底でそのままの状態に保つためには、サンプルの圧力を維持する必要があり、コアチューブ内に周囲の圧力を維持するための機構を構築する必要があります。

圧力維持ロープコアリングドリルを設計することで、サンプル圧力を維持しました。 6時間以内に、このドリルの高圧状態（10〜30Mpa、深海の水深1000m〜3000mの水圧に相当）での圧力損失率は10％となり、サンプルの品質が効果的に向上し、海底天然ガスハイドレートの埋蔵量評価の精度がさらに向上しました。

以前、私たちは近隣諸国との関係を円滑にするために、関係海域における資源の共同開発を主張しました。しかし、実際には、深海資源開発の技術的なハードルは非常に高いのです。技術がなければ、依頼されても開発することはできません。ダイヤモンドドリルがなければ、磁器の作業はできません。

マナティーⅡのような強力な国産機器があるからこそ、私たちは深海資源の探査と活用において最前線に立つことができるのです。我が国の海軍が第一列島線を越えて前進するにつれ、我が国の海洋装備は将来的に我が国の資源供給の安全保障に大きく貢献することになるだろう。

この時点で、編集者は七文字の詩を作ろうというインスピレーションを得ます。マナティーII号は海底を探査し、南シナ海で水深2,000メートル以上の深さ231メートルの掘削に成功し、深海潜水艦の掘削深度として世界新記録を樹立した。それは:

南海の深い波を見てください。そこには海の鉄の牛が不思議な穴を掘っています。

崖の頂上や深い谷を恐れる必要はありません。必要なのは、9つの州の龍の鱗を手に入れることです。