JP2005516138A - 液体駆動式ダウンホール鑽孔機 - Google Patents

Abstract

液体駆動式ダウンホール鑽孔機において、ドリル・ビットのための案内ブッシング（３１）が、ハウジング（１１、１２）内に回転可能に軸支されており、そして、一方向カップリング（２９）を介して軸線方向***（２４）を有する回転可能なスリーブ（２２）に連結してあり、軸線方向***（２４）が、多数の室（２５、２６、２７）を境しており、回転可能なスリーブを往復回転させる回転用ピストンを形成している。多数のこれらの室が、同時に加圧、減圧されるように接続してあり、前記圧力室（４７）が、ピストン・ハンマー（３０）を前方に駆動するためのピストン領域（４６）を有する。その結果、ドリル・ビット（１３）は、衝撃の合間に決まった角度に割り出され、ドリル・ビットのボタン・インサートが、衝撃の合間に岩石との接触点を変え、岩石を効率よく破砕することになる。ドリル・チューブは、回転しない。

Description

本発明は、ハウジングと、角度を持って固定してあるが、軸線方向に限られた範囲で移動できるように案内ブッシング内に装着したドリル・ビットと、このドリル・ビットのシャンクに衝撃を与えるように配置したピストン・ハンマーと、このハンマー・ピストンの往復運動を制御する弁とを含み、この弁が、圧力室を交互に加圧、減圧するようになっており、この圧力室内に、これが加圧されたときにハンマー・ピストンを前方に押圧するピストン領域がある液体駆動式ダウンホール鑽孔機に関する。

この種の液体駆動式ダウンホール鑽孔機は、互いに連結したドリル・チューブと共にしばしば使用される。こうして形成されたドリル・ストリングを、ピストン・ハンマーの衝撃毎に鑽孔機を、したがって、ドリル・ビットを割り出すように回転させる。ドリル・ビットは、ハウジング内に角度を持って固定する。深い孔を穿つとき、ドリル・チューブの上端の回転が連続的であるにもかかわらず、ドリル・チューブとボーリング孔の壁と間の摩擦で、時に、ドリル・チューブの下端の回転が不均一になることがある。ドリル・チューブは、トーションばねとして作用し、ピストン・ハンマーの衝撃と衝撃の合間に均一に割出されることなく、何回かの衝撃の間、回転しないで、次に急激に回転することになる。これはスリップ・スティック効果と呼ばれ、穿孔速度を低下させると共にドリル・ビットの摩耗を早める。

液体駆動式ダウンホール鑽孔機においては、動力液は、ドリル・チューブを通して供給され、ピストン・ハンマーの復帰ストロークが液圧で阻止され、次いでピストン・ハンマーがドリル・チューブ内に液体を押し込むことで圧力スパイクを引き起こす。これは、高い応力を生じさせると共に、動力効率を低下させることになる。アキュムレータを設けてそれを鑽孔機に直結する試みがなされてきたが、現在まで、この問題についての良い解決策はない。

本発明の目的は、使用中に液体駆動式ダウンホール鑽孔機の衝撃と衝撃の合間に行われる割り出し作業を改良することにある。別の目的は、機械への動力流体入口での圧力スパイクを低減すると同時に、動力効率を向上させることにある。

これらの目的を達成するために、案内ブッシングを設け、これをハウジング内で回転可能に案内し、一方向カップリングを経て回転可能なスリーブに連結し、回転可能なスリーブに、多数の圧力室を境すると共に回転可能なスリーブを往復回転させる回転用ピストンとなる軸線方向の***を設け、多数のこれらの加圧室をピストン・ハンマーを前方に押圧するピストン領域を設けた圧力室と同時に加圧、減圧するように接続する。

発明は、特許請求の範囲によって定義してある。

図１ａは、本発明によるダウンホール鑽孔機の前部を通る縦断面図である。
図１ｂは、同じダウンホール鑽孔機の後部を通る縦断面図である。
図２は、図１ａの２〜２線に沿った断面図である。
図３、４は、図２と同じ横断面図であるが、いくつかの要素を他の相互関係位置に設置する方法を示す図である。
図５は、図１ａの５〜５線に沿った横断面図である。

発明の図示した好ましい実施例の説明
図示した液体駆動式ダウンホール鑽孔機は、機械ハウジングを有し、この機械ハウジングは、機械チューブ１１からなる。この機械チューブの上部は、駆動流体、通常は、水か、または、水にベントナイトを混ぜた懸濁液を供給するドリル・チューブに連結するように配置した図示しない後部ヘッドを有する。ダウンホール鑽孔機の中間部分は示していない。外側チューブ１２が、機械チューブの前部に固定装着、螺合してあり、そして、ドリル・ビット１３が、そのシャンク１４と共に外側チューブ内に延びている。端スリーブ１５が、外側チューブ１２に螺合してあり、従動スリーブ１６を軸線方向軸受１７に対して締め付けている。この軸線方向軸受１７は、外側チューブ１２にある内側肩部１８に対する支えとなる。従動スリーブは、外側チューブ１２内に回転可能に軸支されている。機械チューブ１１の前端は、小径となっており、複数の***２０（図２）を有する。回転用スリーブ２２が、機械チューブ１１の前端と外側チューブ１２との間に軸支してある。回転用スリーブ２２は、内向きの***２４を有する。複数の密閉室２５、２６、２７が、***２０、２４間に画定されている。***２０の半径方向内方にある機械チューブの軸線方向部分は、ピストン・ハンマー３０のための短い前方ガイドを形成する。

トグル要素２９を有する慣用タイプの一方向カップリング２８が、従動スリーブ１６と回転用スリーブ２２とを連結している。

ドリル・ビット１３のシャンク１４は、案内ブッシング３１とスプライン連結してあり、案内ブッシング３１は、従動スリーブ１６に螺合しており、止めリング３２を従動スリーブ上の肩部に対して軸方向に締め付けている。止めリング３２は、装着できるように軸線方向に分割してあり、ドリル・ビットのシャンクに設けたくぼみ３３内に延びており、したがって、止めリング３２は、ドリル・ビットが落下するのを防ぐが、ドリル・ビットの限られた軸方向移動を許すようになっている。ドリル・ビットは、ドリル・ビットの前端にある溝内に洗浄水を搬送するための図示しない中央チャネルを有する。

機械チューブ１１の前端において、弁ハウジング４１内に弁４０が設けてあり、この弁ハウジングは、ピストン・ハンマー３０の長手方向チャネル４３内に延びるチューブ４２を有する。機械の図示しない後部ヘッドが、隔離スリーブ４４に対して弁ハウジングを締め付けており、この隔離スリーブは、その前端で、機械チューブ１１にある肩部に対する支えとなっている。隔離スリーブ４４は、機械チューブ１１をシールしており、隔離スリーブと機械チューブとの間に多数のチャネル２５ａを形成する長手方向溝を有する。ピストン・ハンマー３０は、ヘッド４５を有し、このヘッドは、隔離スリーブ４４においては外面を、チューブ４２上では内面を案内される。したがって、ピストンは、その両端部で短い案内領域によってのみ案内され、ピストンの長さの大部分は、ピストンと隔離スリーブ４４との間に環状スペース４９があるので、案内されない。ピストン・ハンマーのヘッド４５の背後で、環状シリンダ室４７（圧力室）内に環状ピストン面４６が形成してあり、そして、ヘッドは、シリンダ室４９（圧力室）により小さい環状ピストン面４８を形成し、このシリンダ室４９は、ピストン・ハンマーの２つの案内領域間を全長にわたって延びるスペース内に形成されている。シリンダ室４９は、チャネル２５ａに平行なチャネルを通して高圧液体に常時接続しており、ピストンに後ろ向きの力を常に加えているのに対し、弁４０は、シリンダ室４７を、高圧液体と、ピストンのチャネル４３を経てドリル・ビット内の洗浄用溝に接続したチューブ４２とに交互に接続する。したがって、チューブ４２は、常に低圧であり、流出する液体を用いてボーリング孔から岩屑を洗い流す。ピストン領域４６がピストン領域４８よりかなり大きくなっているので、ピストン・ハンマーは、たとえば１００Ｈｚの頻度で往復運動し、ドリル・ビットのシャンクに衝撃を与えることになる。

チャネル２５ａは、シリンダ室４７から図２に示す６つの室２５まで通じており、その結果、これらの室２５は、交互に加圧、減圧されることになる。ポート２６ａが、常時加圧のシリンダ室４９から２つの室２６に通じており、その結果、これらの室２６は常時加圧されることになり、そして、ポート２７ａが、４つの室２７をドリル・ビット・シャンクの端面に形成された室５０に接続している。したがって、４つの室２７は常時減圧となる。

図３は、室２５が低圧である場合の回転用スリーブ２２の回転位置を示している。２つの室２６のみが加圧されることになり、したがって、スリーブ２２は、その端位置へ反時計方向に回転しており、この端位置においてその***２４が機械チューブ１１の***２０に対する支えとなっている。

図４は、２つの室２６だけでなく４つの室２５も加圧されたときの回転用スリーブ２２の回転位置を示している。２つの室２６は、反時計方向に回転する傾向があるが、６つの室２５は、時計方向に回転する傾向があり、したがって、４つの室からの力が、回転用スリーブ２２をその端位置へ時計方向に回転させ、この端位置において、その***が機械チューブの***に対する支えとなる。

したがって、回転用スリーブ２２は、ピストン・ハンマーの後部ピストン面での圧力によって往復回転する。すなわち、ハンマーの衝撃サイクルにより誘発される。逆転阻止装置２９（一方向クラッチ）が回転用スリーブ２２を従動スリーブ１６に連結しているので、従動スリーブ１６は、機械チューブ１１に対して時計方向に回転することになる。従動スリーブは、回転用スリーブの時計方向回転に追従するが、回転用スリーブの反時計方向回転中には静止している。その結果、ドリル・ビット３１は、衝撃の合間に決まった角度回転する（すなわち、割り出される）ことになり、その結果、ドリル・ビットのボタン・インサートが衝撃の合間に岩石との接触点を変え、岩石を効率よく破砕することになる。したがって、チューブが回転する必要がなく、延長チューブの代わりに、コイル管、すなわち巻かれた状態からほどかれたジョイントのない屈曲可能なドリル・チューブを使用できる。

ピストン・ハンマーがその後退ストロークにあり、弁４０が後部シリンダ室４７を加圧するその位置へ切り替わった場合、ピストン・ハンマーがこの圧力によって阻止され、その前方ストロークに転換することになる。ピストンの阻止中、シリンダ室４７の体積が減少し、駆動液体がシリンダ室から押し出され、その流れのために圧力増大、動力損失が生じることになる。回転装置の６つの室２５がシリンダ室４７に接続しているので、シリンダ室から押し出された液体を吸収し、これが、動力損失を減らすと同時に、回転を効率的にする。衝撃モータの入口にアキュムレータを設ける必要性も同様に減る。

圧力室２５、２６、２７および１２の圧力室を有する回転ピストン２４の選定したパターンでは、回転力と半径方向力とが対称的となり、これが、スリーブ５における軸受力を減らす。他のパターンも選択できるが、その場合でも、回転圧力室は、ピストン・ハンマーを前方に駆動する圧力室に接続できる。

本発明は、ピストンの作業ストロークのための交替圧力および復帰ストロークのための定圧を適用する以外の別の原理により駆動されるピストン・ハンマーにも適用できる。

本発明によるダウンホール鑽孔機の前部を通る縦断面図である。 同じダウンホール鑽孔機の後部を通る縦断面図である。 図１ａの２〜２線に沿った断面図である。 図２と同じ横断面図であるが、いくつかの要素を他の相互関係位置に設置する方法を示す図である。 図２と同じ横断面図であるが、いくつかの要素を他の相互関係位置に設置する方法を示す図である。 図１ａの５〜５線に沿った横断面図である。

Claims (1)

1. ハウジング（１１、１２）と、角度を持って固定してあるが、軸線方向に限られた範囲で移動できるように案内ブッシング（３１）内に装着したドリル・ビット（１３）と、ドリル・ビットのシャンク（１４）に衝撃を与えるように配置したピストン・ハンマー（３０）と、ハンマー・ピストンの往復運動を制御する弁（４０）とを含み、弁が圧力室（４７）を交互に加圧、減圧し、この圧力室が、加圧されたときにハンマー・ピストンを前方に駆動するピストン領域４６を圧力室内に有する液体駆動式ダウンホール鑽孔機において、案内ブッシング（３１）がハウジング（１１、１２）内で回転可能に案内され、そして、一方向カップリング（２９）を介して軸線方向***（２４）を有する回転可能なスリーブ（２２）に連結してあり、軸線方向***（２４）が、多数の室（２５、２６、２７）を境しており、回転可能なスリーブを往復回転させる回転用ピストンを形成しており、多数のこれらの室が、ピストン・ハンマー（３０）を前方に駆動するためのピストン領域（４６）を有する圧力室（４７）と同時に加圧、減圧されるように接続してあることを特徴とする、液体駆動式ダウンホール鑽孔機。

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