オフショア地質工学的 - 百科事典

オフショア地質工学は地質工学の一部門です。これは海中の人為構造物のための基礎設計、建設、保守管理および廃止に関連しています。石油プラットフォーム、人工島、海底パイプラインなどがそのような構造の例です。海底はこれらの構造物および応力の重みを耐えなければなりません。地質災害も考慮しなければなりません。オフショア開発の必要性は、陸上または沿岸部近くの炭化水素資源の徐々に減少するためであり、新しい油田はより遠くの海面および深い水中で開発されており、オフショア現場調査の対応も行われています。今日、水深が2000mに達するかそれ以上の7000以上のオフショアプラットフォームが運用されています。典型的な油田開発は数十平方キロメートルにわたり、数つの固定構造物、インフィールドフローラインおよび輸出パイプライン（海岸線または地域幹線に接続）を含むことがあります。

陸上とオフショア地質工学の違い
オフショア環境には、地質工学にいくつかの影響があります。以下に示します：

地盤改良（海底）および現場調査は高価です。
土壌条件は異常です（例えば、炭酸塩の存在、浅いガス）。
オフショア構造物は高く、多くの場合、基盤から100メートル（330フィート）以上上に延びます。
オフショア構造物は通常、構造物の重みに対する大きな側面荷重（構造物の重みに対する相対的な大きなモーメント荷重）に対応しなければなりません。
周波数荷重は主要な設計問題となります。
オフショア構造物はより広い範囲の地質災害にさらされます。
コードおよび技術基準は陸上開発で使用されるものとは異なります。
設計は変形ではなく限界状態に焦点を当てています。
建設中の設計変更は実現不可能または非常に高価です。
これらの構造物の設計寿命は通常、25～50年です。
失敗時の環境および金融コストはより高くなる可能性があります。

オフショア環境
オフショア構造物は、風、波、潮流、冷たい海での海氷および氷山など、さまざまな環境荷重にさらされます。環境荷重は主に水平方向に作用しますが、垂直成分もあります。これらの荷重の一部は基盤（海底）に伝播します。風、波、潮流の規則は気象および海洋データから推定できます。これらは総じて「気象海洋データ」と呼ばれます。地震による荷重も発生することがありますが、これらは逆方向に進行します：基盤から構造物に向かって。場所によっては、他の地質災害も問題となります。これらの現象は、構造物およびその基盤の信頼性または機能性に影響を与える可能性があり、その運用寿命中に考慮する必要があります。

= 土壌の性質 =
以下は、オフショア環境の土壌を特徴付けるいくつかの特徴です：

土壌は堆積物で構成されており、一般的には満水状態と考えられています –塩水が孔間に充填されています。
海洋堆積物は、海洋生物の遺骸とデトリタル物質で構成されており、後者は炭酸塩土壌を構成します。
堆積物の厚さは地域規模で異なります –海岸線近くでは通常、海岸線から離れた場所よりも高いです。また、粒度も細かくなります。
海底は強い底流の影響を受けるため、場所によっては堆積物がなくなることがあります。
土壌の固結状態は、通常固結（ゆっくりとした堆積物沈殿による）、過剰固結（一部の地域では氷河の遺跡）、または未固結（高い堆積物輸入による）のいずれかです。

= 気象海洋学的な側面 =

波の力は、浮遊構造物を6つの自由度で動かします –これらはオフショア構造物の主要な設計基準です。波の軌道運動が海底に達すると、堆積物輸送が引き起こされます。これは約200メートル（660フィート）の水深までしか行われません。これは浅水域と深水域の通常採用される境界です。その理由は、軌道運動は波長の半分まで延びるため、最大可能な波長は通常400メートル（1,300フィート）と考えられています。浅水域では、波は土壌中で孔圧の増加を引き起こす可能性があり、プラットフォームへの繰り返しの衝撃により液化や支承の喪失が引き起こされることがあります。潮流はオフショア構造物に対する水平荷重の源です。Bernoulli効果のために、潮流は構造物表面に上向きまたは下向きの力をかけ、ワイヤーラインやパイプラインの振動を引き起こすことができます。潮流は構造物の周りの渦を引き起こし、土壌の侵食や蝕食を引き起こします。潮流にはさまざまな種類があります：海洋循環、地静力学的、潮汐、風駆動、および密度潮流。

= 地質災害 =

地質災害は地質活動、地質学的特徴および環境条件に関連しています。浅い地質災害は、海底から400メートル（1,300フィート）以下に発生するものです。これらの現象に関連する潜在的なリスクに関する情報は、関心のある地域の地形学、地質学的環境および構造フレームワークの研究、海底の地質および地質学的調査を通じて取得されます。潜在的な脅威の例には、津波、地滑り、活断層、泥の噴出物、および土壌層の性質（石灰岩、水素化メタン、炭酸塩）があります。冷たい地域では、ゴージング氷の特徴が海底設備、特にパイプラインに対する脅威となります。特定の地質災害に関連するリスクは、構造物がそのイベントにどれだけさらされているか、そのイベントがどれだけ深刻か、どれほど頻繁に発生するか（周期的なイベントの場合）の関数です。どの脅威も監視され、軽減または除去される必要があります。

現場調査
オフショア現場調査は、陸上で行われる調査とほぼ同じです（地質学的調査を参照）。これらは以下の3つのフェーズに分けられます：

デスク研究、データ収集を含むもの。
地質調査、浅海域および深海域の海底渗透。
地質調査、サンプリング/採掘および現地試験を含むもの。

= デスク研究 =
このフェーズは、プロジェクトの規模によって数ヶ月間（数ヶ月間）続くことがありますが、リスク評価、設計オプションの評価、次のフェーズの計画のために、報告書、科学文献（論文、会議記録）、データベースなど、さまざまなソースから情報を収集します。そのフェーズで求められる情報には、地形学、地域地質学、潜在的な地質災害、海底の障害物、および気象海洋データが含まれます。

= 地質調査 =
地質調査は、さまざまな目的のために使用できます。その一つは、関心のある地域の地形学を研究し、海底の画像（海底の不規則性、海底の物体、横方向の変化、氷の掘り出し、...）を作成することです。地震反射調査は浅海域の海底地層学に関する情報を取得するために行われます – これも人工島の建設に使用される砂、砂堆積物、砂利などの材料の位置を特定するために使用されます。地質調査は、ソナー装置および関連設備（単一ビームおよび多ビームエコソンダー、サイドスキャンソナー、'トーフィッシュ'および遠隔操作車（ROV））を装備した研究船から行われます。海底地層学のために、ボーマー、スパーカー、ピンガー、チルプを使用します。地質調査は、通常、地質学的調査の前に実施され、大きなプロジェクトではこれらのフェーズが織り交ぜられています。

= 地質学的調査 =
地質学的調査は、サンプリング、採掘、現地試験、およびオフショアで行われ、陸上でサンプルを使用したラボ土壌試験を組み合わせたものです。これらは地質学的調査の結果を確認し、海底地層学および土壌工学特性の詳細な説明を提供します。水深および気象海洋学的条件によって、地質学的調査は、専用の地質学的採掘船、半潜式、ジャックアップリグ、大きなフロートボート、または他の手段から行われます。これらは特定の場所のシリーズで行われ、船は恒常的な位置を維持します。そのためには、動的配置および4点アンカー方式の錨泊が使用されます。

浅い渗透地質学的調査には、海底表面の土壌採取または現地の機械試験が含まれます。これらは海底の物理および機械的特性に関する情報を生成するために使用されます。これらは泥線から数メートル以下に達します。これらの深さで行われる調査は、その場所に設置される構造物が比較的軽い場合に十分であることがあります。これらの調査は、浅海域地質学的調査と同時に実施されることもあります。

サンプリングおよび採掘

海底表面の採取は、グリップサンプラーおよびボックスコアを使用できます。後者は未変質の標本を提供し、試験を行うために使用されます（例えば、土壌の相対密度、水分量、機械的特性を決定するために使用されます）。採取は、重力駆動またはピストンまたは振動システム（ビブコアーと呼ばれる装置）によって海底に押し込まれるチューブコアを使用して行うこともできます。

採掘は海底をサンプリングするもう一つの手段です。これは海底地層学の記録を取得するために使用され、海底の下にある岩層も取得します。オフショア構造物の基盤をサンプリングするために使用されるセットアップは、石油産業が炭化水素層を到達および特定するために使用するセットアップと似ていますが、テストの種類に関するいくつかの違いがあります。ドリルロッドは、端が直径5インチ（13センチメートル）のパイプセグメントでエンドからエンドに締め付けられており、底部にはドリルビットアセンブリが装着されています。ドレッドビット（ドリルビットから下に突き出た歯）が土壌に切り込むと、土壌削屑が生成されます。粘性のドリル泥がドリルパイプ内に流れ込み、これらの削屑を集め、ドリルパイプの外に持ち上げます。陸上地質学的調査と同様に、ドリル孔から土壌をサンプリングするためにさまざまなツールが使用されます。特に「Shelbyチューブ」、「ピストンサンプラー」および「スプリットスプーンサンプラー」が使用されます。

現地の土壌試験

土壌の機械強度に関する情報は、現地から（土壌サンプルからではなく、土壌が移動する結果としての乱雑が原因で乱雑していない土壌から）取得できます。このアプローチの利点は、データが乱雑していない土壌から取得されるためです。そのための最も一般的に使用される機器の2つは、コーンペネトレータ（CPT）およびシーザーです。

CPTは、端が既知の頂点角度（例えば、60度）を持つ円筒形のツールであり、土壌に押し込まれるときに侵食抵抗が測定され、土壌強度の指標を提供します。コーンの後ろには、摩擦抵抗を独立して測定するためのスリーブがあります。一部のコーンは、孔水圧も測定できます。シーザーテストは、柔らかいから中程度の粘結性土壌の不排水剪切強度を決定するために使用されます。この機器は、通常、棒の端に90度で溶接された4枚の板で構成されており、棒はその後、土壌に挿入され、恒常な回転速度を達成するためにトルクが適用されます。トルク抵抗が測定され、その後、方程式が使用され、シーザーの大きさおよび形状を考慮して不排水剪切強度（および残留強度）を決定します。