方向性掘削

方向性掘削は水平方向性掘削（HDD）とも呼ばれ、地表から掘削する掘削装置を使用して、パイプ、導管、ケーブルなどの地下設備を、指定された地下経路に沿って比較的浅い弧または半径内に設置する、影響が最小限の非開削工法です。方向性掘削は、従来の開削と覆工によるパイプライン/設備の設置に比べて環境面で大きな利点があります。この技術は、従来の溝掘りや掘削が現実的でない場合や、地表の撹乱を最小限に抑えることが求められる場合に日常的に使用されています。^[1]

方向性掘削と水平方向性掘削という用語は、しばしば同じ意味で使用されますが、異なるスケール感を伝えるという点で異なります。「方向性掘削」または「ボア」という用語は、通常、小型/小型の掘削装置、小径のボア、数百フィート単位の横断長を指します。通常、水平方向性掘削 (HDD) という用語は、大型/最大サイズの掘削装置、大径のボア、数千フィート単位の横断長を指します。方向性掘削と HDD は、石油産業に関連する方向性掘削といくつかの点で似ていますが、手順が著しく異なる機能を果たすため、同等の比較を行うことはできません。方向性掘削は、パイプの特性 (壁の厚さと材料の強度) により、許容応力限界内で設置および操作 (該当する場合) の両方が可能である限り、PVC、ポリエチレン、ポリプロピレン、ダクタイル鋳鉄、鋼鉄などのさまざまなパイプ材料で使用できます。^[2]

方向性掘削/HDD は、一般的に 3 つの主要なフェーズで実行されます。まず、小径のパイロット穴を、ある表面ポイントから別の表面ポイントまで方向性のある経路に沿って掘削します。次に、パイロット穴掘削中に作成された穴を、目的のパイプラインの設置を容易にする直径まで拡大します。最後に、パイプラインを拡大した穴に引き込み、最初の 2 つのエンドポイントでのみ露出する地下の連続したパイプ セグメントを作成します。方向性掘削は、道路、鉄道、湿地、さまざまなサイズ/深さの水域など、さまざまな表面障害物を横断するために使用できます。^[3]

このプロセスは、粘土、シルト、砂、岩石など、さまざまな土壌条件に適しています。問題となる土壌条件には、粗い砂利、玉石、岩石などの大きな粒子の含有量が含まれます。方向性掘削の実現可能性に影響を与える可能性のあるその他の地下条件には、過度の岩石強度と研磨性、岩石品質の悪さ、カルスト地形を示す岩石などがあります。^[4]

方向性掘削に使用する機器は、（計画されている）横断の長さ、（設置予定のパイプラインの）パイプ特性、および（予想される）地下の状態によって異なります。^{[引用が必要]}

より長く、より困難な横断には、1,320,000 ポンド (推力/引き戻し力) および 150,000 フィートポンド (回転力) の能力を持つトラクター トレーラー搭載型ドリルが使用される場合があります [600トン- 204,000 NM]。これらのユニットは、掘削液回収装置、大容量ポンプ、掘削機 (または掘削パイプを管理する同等の機器)、およびその他の補助機器 (水タンク、廃棄物容器など) と組み合わせて使用​​され、一般的な作業を容易にします。^{[引用が必要]}

より小さなボーリングでは、比例してより小型で持ち運びやすい装置が利用できます。これらの装置は、5,000ポンドから100,000ポンドの推力/押し出し力に対応でき、家の地下室から近くの共有水道管までを繋ぐのに使用できます。より小さなボーリングでは、流体の消耗も比例して少なくなります。多くの場合、より小さなボーリングでは掘削流体は必要なく、水のみで済みます。さらに小規模なボーリングでは、流体はまったく必要ありません。^[5]

ツールは、操作を行うためにドリル ストリングに取り付けられる機械装置であり、さまざまな形状とサイズで利用できます。方向性掘削ツールには、パイロット ホール操作中に使用されるドリル ビットまたはドリル ヘッドのセット、穴の拡大に使用されるリーマとホール オープナー、および穴の調整と引き戻しに使用されるスワブ ツールが含まれます。岩石またはより硬い地層をナビゲートすることを目的としたツールでは、タングステン カーバイド合金または多結晶ダイヤモンド (PCD) が使用される場合があります。対照的に、軟らかい土壌をナビゲートすることを目的としたツールは、高炭素鋼 (必要な形状とサイズにフライス加工) に限定される場合があります。前進の方法論も、土壌と岩の交差によって多少異なります。緩い非セメント質土壌内でのツールの前進は、主に油圧掘削によって行われます。つまり、土壌は高圧流体の影響下で切断または除去されます。岩層内では、水圧掘削がまだある程度行われています（土砂の除去）が、材料の切断と粉砕の大部分は、ツール自体によって行われる機械的な作業によるものです。^{[引用が必要]}

方向性ボーリングは、通信および電力ケーブルの導管、水道管、下水道管、ガス管、石油管、製品パイプライン、環境修復ケーシングなどのインフラストラクチャの設置に使用されます。水路、道路、海岸へのアプローチ、混雑したエリア、環境的に敏感なエリア、および他の方法がコストがかかる、または不可能なエリアを横断するために使用されます。他の技術の代わりに使用されることで、交通の混乱が少なくなり、コストが削減され、設置場所が深くなり、設置時間が長くなり、アクセスピットが不要になり、完了時間が短縮され、方向性が確保され、環境が安全になります。^{[引用が必要]}

この技術は、広範囲に及ぶ開削溝の回避に役立つため、都市部で地下の公共設備を開発するために広く使用されています。この技術を使用するには、オペレーターが既存の公共設備に関する完全な情報を把握し、それらの公共設備に損傷を与えないように配置を計画する必要があります。制御されていない掘削は損傷につながる可能性があるため、都市の道路用地または公共設備を所有するさまざまな機関/政府当局には、安全な作業実施に関する規則があります。技術の標準化のために、さまざまな非開削技術推進組織がこの技術のガイドラインを作成しました。^{[引用が必要]}

このプロセスは、受入穴と入口ピットから始まります。これらのピットにより、掘削流体を収集して再利用できるため、コストを削減し、無駄を防ぐことができます。第 1 段階では、設計された経路にパイロット穴を掘削し、第 2 段階 (リーミング) では、バックリーマーと呼ばれるより大きな切削工具を通過させて穴を拡大します。リーマーの直径は、掘削穴から引き戻すパイプのサイズによって異なります。掘削者は、導管の外径に応じて直径を拡大し、最適な生産を実現します。第 3 段階では、ドリル ステムを介して製品またはケーシング パイプを拡大した穴に配置します。リーマーの後ろに引っ張ることで、新しくリーミングされた経路でパイプを中央に配置することができます。^{[引用が必要]}

水平方向の掘削は、掘削液と呼ばれる粘性流体の助けを借りて行われます。掘削液は、通常はベントナイトまたはポリマーと水の混合物で、掘削ヘッドまたはドリルビットに継続的にポンプで送られ、掘削片の除去を容易にし、掘削孔を安定させ、掘削ヘッドを冷却し、製品パイプの通路を潤滑します。掘削液は、掘削片を除去し、流体の適切な粘度を維持するリクレーマと呼ばれる機械に送られます。掘削液は掘削片を浮遊状態に保持し、掘削孔が詰まるのを防ぎます。掘削孔が詰まると、掘削ヘッドに背圧が生じ、生産が遅くなります。^[要出典]

掘削ヘッドの位置と誘導は掘削作業の重要な部分です。掘削ヘッドは掘削中は地中にあり、ほとんどの場合、地表からは見えません。制御されていない、または誘導されていない掘削は、大きな破壊につながる可能性があります。これは、ドリルヘッドを適切に配置して誘導することで回避できます。^{[引用が必要]}

掘削ヘッドの位置を特定するための位置特定装置には、ウォークオーバー位置特定システム、ワイヤーライン位置特定システム、およびジャイロ誘導掘削（完全な慣性航法システムが掘削ヘッドの近くに配置される）の 3 種類があります。

• ウォークオーバー位置検出システム — 掘削ヘッドの後ろにあるゾンデまたは送信機は、角度、回転、方向、温度データを記録します。この情報は電磁信号にエンコードされ、ウォークオーバー システムで地面を通して地表に送信されます。地表では、受信機 (通常は手持ちのロケーター) をゾンデの上に手動で配置し、信号をデコードして、掘削機のオペレーターに操縦方向を伝えます。
• ワイヤーライン位置特定システム — ワイヤーラインシステムは磁気誘導システムです。磁気誘導システム (MGS) を使用すると、ツールは傾斜と方位を読み取ります。MGS には、地表に敷設されたワイヤー グリッドを利用した位置確認の二次手段もあります。位置を確認できるのは、このシステムだけです。この情報は、ドリル ストリング内に取り付けられたワイヤー ラインを通じて送信されます。地上では、ドリル キャブ内のナビゲーターが必要な計算を実行し、パラメータが満たされていることを確認します。MGS は、ワイヤー グリッドを使用しなくても、深度で 2% の精度で 2 km 以上の精度を実現しています。MGS のオペレーターは掘削者と通信し、事前に設計された掘削経路に誘導します。
• ジャイロベースの位置特定システム — ジャイロベースのシステムは完全に自律的であるため、十分な直径(200 mm)が利用可能で、長距離(最大 2 km)を最小限の偏差 (位置誤差1 m未満) で移動する必要がある場合に最も正確なシステムの 1 つです。現在、ウォークオーバー システムで使用される表面コイル、表面近くのトランスポンダー、またはゾンデを使用しなければ、実際の深さを検証することはできません。

これら 3 つのシステムにはそれぞれ利点があり、サイトの要件に応じて特定のシステムが選択されます。^{[引用が必要]}

• 非開削技術
• 地下空気圧掘削

• PR-277-144507-Z01水平方向掘削によるパイプラインの敷設、エンジニアリング設計ガイド、アメリカガス協会パイプライン研究委員会の後援により 1995 年 4 月 15 日に作成、Pipeline Research Council International, Inc. の後援により 2015 年に改訂。
• アメリカ土木学会パイプライン部門の非開削パイプライン敷設技術委員会 (TIPS) の HDD 設計ガイドライン タスク委員会。水平方向掘削による敷設のためのパイプライン設計 - ASCE エンジニアリング実務マニュアルおよびレポート (MOP) No. 108 : ASCE 実務マニュアル。アメリカ土木学会、2005 年。バージニア州レストン。ISBN 978-0-7844-0804-9 
• Skonberg, Eric R.、Tennyson M. Muindi。水平方向掘削によるパイプラインの設置設計 - ASCE エンジニアリング実務マニュアルおよびレポート (MOP) No. 108 (第 2 版)。バージニア州レストン: アメリカ土木学会、2014 年。ISBN 978-0-784413-50-0 
• ASME、パイプラインの地質災害、計画、設計、建設、運用、パイプラインの地質環境設計と地質災害管理の第 2 版、NY: アメリカ機械学会、2019 年。ISBN 978-0791861790 
• ウィロビー、デイビッド（2005年）。水平方向掘削、p.1-263。McGraw-Hill、ニューヨーク。ISBN 0-07-145473 -X。 
• ショート、ジム (1993)。方向性掘削と水平掘削入門、 p. 1-222。PennWell Books、タルサ、オクラホマ。ISBN 0-87814-395-5。 
• v. Hinueber, Edgar (iMAR ナビゲーション) (2006)。高精度光学ジャイロスコープを使用した推測航法による最も正確な掘削ガイダンス、Proceedings NoDig Conference of Horizo​​ntal Directional Drilling、ブリスベン 2006。
• リズカラ、モネス。パイプラインの地質環境設計と地質災害管理。ニューヨーク、NY：ASME、2008年。ISBN 978-0-791802-81-6 

• 「方向性掘削の利点」（2022-08-16 にWayback Machineにアーカイブ）では、使用される手法が図とともに説明されています。
• 「Directional Boring」では、方向性掘削法によって設置される 6 種類のユーティリティの例を示します。
• Directional Boring では、利用可能なさまざまな種類の水平方向掘削機に関する詳細を提供します。

https://ppdrillingfluids.in/