JP2000505165A - 指向性ボーリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 直路から逸れるように傾いた所望の方向にドリルヘッド（１６）を直路から偏向させることを含む方法によって制御される指向性ボーリング装置が開示されている。ドリルヘッド切断部材（１８）が、該所望の方向が通過する回転弧の範囲内に位置するとき、偏向は、軸方向への力をドリルヘッド（１６）に加えることによって達成される。切断部材（１８）が回転弧の外側にあるとき、ドリルヘッド（１６）は引き戻される。

Description

【発明の詳細な説明】 指向性ボーリング I.発明の背景 １．発明の分野 本発明は、地下ボーリング装置及び方法、特に、ボーリング部材の方向を制御 するための地下ボーリングの方法に関する。 ２．従来技術の説明 指向性ボーリングは、従来の技術において数多くの例がある。その一例が、米 国特許第4,858,704号に示されている。米国特許第4,858,704号において、ドリル ヘッドは、ドリルストリングに固着されている。既存の装置の場合、その動作中 において、ドリルストリングは、ドリルストリングの軸を中心に回転し、ドリル ヘッドをドリルヘッドの軸を中心として回転させる。ドリルストリングを直進さ せることが望ましい場合、ドリルストリングは、ドリルストリングの軸周りに回 転すると同時に軸方向へ前進する。ドリルの方向を直線路から逸らしたい場合は 、ドリルストリングは、所望の方向に傾き、ドリルストリングの回転が止まる。 そして、ドリルストリングは、回転せずに軸方向に前進する。ドリルストリング が回転せずに軸方向に前進する際に、ドリルヘッドの形状が原因で、ドリルヘッ ド及びそのドリルヘッドと結合しているドリルストリングが直路から逸れる。所 望の分だけ逸れると、回転が始まり、同時にドリルストリングが軸方向に前進し 、もってドリルヘッドは直進する。同様な操作方法が、米国特許第4,953,638号 及び5,148,880号に開示されている。 前述の従来技術において、媒質（即ち、土、岩等）を通過させるような力でド リルストリングを押すことによって、ドリルストリングは前進して所望のボーリ ングが得られる。（例えば岩のような）媒質の場合、ドリルストリングに力を軸 方向に加えて、その媒質を通過させることは非常に難しい。ドリルストリングを 押して岩を通過させることによって、ドリルストリングは、圧縮力を利用して岩 を破損させてドリルヘッドの通路を作る。例えば、概ね軟質な岩として知られて い るものでは、“カリシェ(Caliche)”ロックがある。カリシェロックは、５００ ０psiを超える圧縮強さと、２０００psiのせん断強度と、１０００psi以下の引 っ張り強さとを有する。上記の装置は、岩が有する強度では最大の圧縮強さを十 分超えるような力でドリルヘッドを前進させて所望のボーリングを達成しなけれ ばならない。 岩のような媒質に穴を開けるためにハンマーを使用している装置もある。例え ば、米国特許第4,694,913号によると、圧縮空気をハンマー及び金敷を含むドリ ルヘッドに供給し、そのハンマー及び金敷は圧縮空気で作動する。好ましくは、 ボーリングヘッドに衝撃を与えて、地面に穴を開ける。しかし、その衝撃作用を もってしても、このドリル動作では、岩が有する一番大きな強度である圧縮強さ を超えるにはまだ不十分である。これは、直路からボーリングヘッドを偏向させ ることが必要なとき、第4,694,913号のようなボーリングヘッドは回転しない装 置に特に当てはまる。 米国特許第5,449,046号では、地下ボーリング装置を教示している。第5,449,0 46号において、ドリルストリングは、動作中において直路からドリルストリング を偏向させることが必要なときでも回転する。ドリルヘッドは、ドリルヘッドが 直線路から離れる方向に撓むような所望の向きに配置されている際に幅方向に衝 撃力を加える機構を有する。例えば、第5,449,046号で、ドリルヘッドは、ボア ホールの壁面に対して脈動しながら移動する。脈動の発生は、１回転につき一度 である。若しくは、第5,449,046号の図４は、切断部材の傾斜面と協力して、直 線からドリルヘッドを偏向させる内部ハンマ機構を示している。図４の脈動は、 断続的なもので、ドリルヘッドが所望の向きに配置されているときに起こり、衝 突はドリルヘッドの回転につき１回起こる。 第5,449,046号において、図４に示されるようなハンマの動作は、岩の圧縮強 さに抗して十分に作用していない。更に、衝突は１回転につき非常に限られた時 間の中でわずか１回起こるだけなので、第5,449,046号の脈動がドリル動作を助 長する程度にしかならない。 本発明の目的は、ボーリング装置であって、地面を介して該ボーリング装置自 身の方向を制御するための装置及びその制御方法を備えている指向性地下ボーリ ング装置並びにその操作方法を提供することである。 II.発明の概要 本発明の好適実地例において、ドリルで岩、地面のような媒質に穴を開けるた めのドリル装置を制御する方法が開示されている。該装置は、切断部材を有する ドリルヘッドで終結するドリルストリングを備え、切断部材は、ドリルヘッドの 軸から離れて配置され、該軸周りに回転する。駆動機は、ドリルヘッドを回転さ せるとともに軸方向に前進させる。本発明の方法は、ドリルヘッドに力を軸方向 に加えることによって、ドリルヘッドを直路から傾けた所望の方向に前進させ、 その際切断部材は、該所望の方向が通過するドリルヘッドの回転弧の範囲内にあ り、また切断部材が該弧の外にあるときは軸方向への力を緩和する。この力を緩 和させる動作は、ドリルヘッドを所望の方向に向かせるための斜面を形成するた めに、切断部材が、一部が掘削されたボアホール端部を通過するようにドリルヘ ッドを引き戻す動作を含む。 III.図面の簡単な説明 図１は、土、岩などを砕いて指向性ボーリングを行うためのドリル装置の略図 図２は、本発明に使用される代表的なドリルヘッドの側面図 図３は、図２のドリルヘッドの前面図 図４は、図２のドリルヘッドの底面図 図５は、ボアホールに挿入されたドリルヘッド及びそれに取り付けられたドリ ルストリングの略図 図６は、ドリルヘッドが図５の状態から後退し、１８０°回転した状態を示す 図 図７は、ドリルヘッドが図６の状態から前進し、回転した状態を示す図 図８は、本発明による方法で使用される切断弧を示した図 図９は、本発明の方法に係わるドリルヘッドの回転位置及び軸方向位置の関係 を示したグラフ 図１０は、本発明の方法を示したフローチャート IV.好適実施例の説明 同一要素には同一番号が付与された図面に関し、本発明の好適実地例を説明す る。 最初に図１を説明すると、ドリル装置１０が開示されている。ドリル装置１０ は、ドリルストリング１４を地中に通すために傾いた状態で地面１１に取り付け られた支持体１２を有する。ドリルストリング１４は、土、岩等を切断するため の切断部材１８（図２乃至４参照）を備えるドリルヘッド１６で終結している。 駆動機構２０はドリルストリング１４を回転させ、且つ長手方向に押すために設 けられている。 図２乃至４は従来のドリルヘッド１６を示している。該ヘッド１６はドリルス トリング１４の終端に結合されている。ドリルヘッド１６は、ドリルストリング １４が回転すると岩、土、等を切断する切断部材１８（例えば切断歯１８）を有 している。軸Ｘ−Ｘから離れて配置されている切断歯は、ドリルストリング１４ が回転すると軸Ｘ−Ｘを中心に回転する。ドリルヘッド１６は、切断歯１８から １８０°反対側のフラット１７で傾斜している。ドリルヘッドは多様な形状をと る。米国特許第5,242,026号及び5,341,887号にその例が示されている。本発明を 説明するためにドリルヘッド１６の形状を特定したが、他の異なる形状を本発明 に使用してもよい。 ドリルストリング１４は、複数のロッドセグメント２２から成る。ロッドセグ メント２２が軸方向（即ち長手方向）に進むと、駆動機構２０は、ドリルストリ ング１４から外れ、新しいロッドセグメント２２がドリル装置１０に搭載できる ように引き戻される。新しいロッドセグメント２２はドリルストリング１４に連 結される。新しいロッドセグメント２２をドリルストリング１４に取り付けた後 、ロッドセグメント２２は、ドリルストリング１４の一部となり、ドリルストリ ング１４は駆動機構２０によって再び回転及び/若しくは長手方向に前進する。 駆動機構２０は図１に略図で示されているコントローラー２４によって制御さ れる。コントローラー２４は、駆動機構２０がドリルストリング１４を回転、前 進させているか否か、或いは新しいロッドセグメント２２をドリル装置１０に搭 載するために駆動機構２０が引き戻されているか否かをチェックする。 ロッドセグメント２２は金属であり、駆動機構２０からドリルヘッド１６に回 転力及び軸方向への力を伝達するのに十分な強度を有する。ドリルストリング１ ４は、(硬いロッドセグメント２２で構成されているが)曲がった道を伝うことが できるように十分撓むことができる。 上記のドリル装置１０は従来の技術では公知であり、本発明自体を構成するも のではない。本発明は、ドリル装置の操作方法に関するものである。特に、本発 明は、ドリル操作中におけるドリルストリング１４の断続的な引き戻し動作を含 み、ドリルヘッド１６の移動方向を制御するドリル装置の操作方法に関するもの である。 ドリル操作の際、ドリルヘッド１６の形状と軸Ｘ−Ｘから離して配置された切 断部材１８とによって岩は切り裂かれ、ドリルヘッド１６が軸Ｘ−Ｘを中心に弧 状に回ることで、岩の一部は不要物として切り捨てられ、岩の残りの部分は穴の 中に残存する。これに関しては図５乃至７に明示され、ドリルヘッド１６及び切 断部材１８はボアホール２００内に図示され、ドリルヘッド１６が軸Ｘ−Ｘを中 心に完全に回りきらないので、ドリルヘッド１６は、ボアホールの一部が切断さ れずに残り、斜面或いはカム表面２８が形成されるような形状を有する。斜面２ ８の形成を考慮して、出願人は、直路から逸れるように傾いた方向にドリルヘッ ド１６を向かせるために、斜面２８の形成を利用するドリル装置１０の制御方法 を発明した。 本発明による方法を、まず図８で最初に明示する。図８は、ドリルストリング １４が駆動機構２０によって回転し、ドリルヘッド１６が軸Ｘ−Ｘを中心に回転 している際に切断部材１８によって画成される路３０を示す。ドリルストリング １４が回転しながら長手方向に進み続けると、切断部材１８は、円３０の周を伝 う。その結果、略円形の断面を有する真っすぐなボアホール２００が形成される 。切断部材１８によって最も効率の良い切断を達成するべく、駆動機構２０は、 周知の水力制御（hydraulic controls）によって、所定の力で切断部材１８をボ アホール２００の終端２０１（図５乃至７）に付勢する(それにより切断部材１ ８は、切断されるべき岩に押し当てられることになる)。例えば、カリチェロッ クの 場合、切断部材１８は、岩を最も効率良く除去できる約２５００psiの圧力でカ リチェロックの表面に押し当てられることが望ましい。前方向への一定の推進力 ２５００psiが加わり、且つ切断部材１８が回転して続けている間、岩を除去し 続けるので、ドリルストリング１４は、軸Ｘ−Ｘに連続する直線に沿って長手及 び軸方向に前進する。 また、ドリルヘッド１６を直路から逸らして、所望の偏曲方向に撓ませること が望ましい。例えば、図８の１２時の位置及び偏曲方向Ａによって示された略鉛 直な方向である上方にドリルヘッド１６を撓ませる。 １２時の方向Ａへの所望の撓みを得るために、本発明は、切断部材１８が回転 弧Ｂ（例えば１０時の位置から２時の位置）内にあるとき、切断力(即ちカリチ ェロックの場合は２５００psi)を付加してドリルヘッド１６を前進させることを 包含する。回転弧Ｂは、所望の偏曲方向Ａによって２等分される。 切断部材１８が回転弧Ｂの外側にあるとき、ドリルストリング１４は、切断部 材１８がボアホール２００の終端２０１にて岩の表面を切断しないように駆動機 構２０によって引き戻される。特に、回転弧Ｂの範囲での切断を行った後、ドリ ルストリング１４は、切断部材１８が傾斜面２８を切断せずに回転を終了させる に十分な距離だけ引き戻されるように駆動機構２０を引くことによって引き戻さ れる。 図示の例では、回転弧Ｂは、１０時から２時の位置である。従って、回転の際 、ドリルヘッド１６が１０時の位置にあるとき、駆動機構２０を長手方向に前進 させることによって、ドリルストリング１４は前進する。ドリルストリングは、 切断部材１８が岩と係合したとき、効率の良い切断を行うための所望の力（例え ば２５００psi）で岩の表面に付勢されるように前進する。切断部材１８は、駆 動機構２０が引き戻される点である２時になるまで弧Ｂの部分に相当する岩の表 面に付勢された状態でいる。動作中において、駆動機構２０は、選択された所望 の回転速度（例えば７０ｒｐｍ）でドリルストリング１４を回転させ続ける。 切断部材１８が岩表面に係合して、回転弧Ｂに沿って切断しているので、該部 材１８は、岩表面を引っ張り及びずらすような力で、岩表面を破損させる。従っ て、本発明による方法を採用すると、圧縮に対する岩の抵抗を回避でき、最小の 抵抗力を受けるだけで、岩を切断することができる。 切断部材１８は、回転弧Ｂの範囲における切断動作中、岩表面から（例えば各 回転につき約２インチの深さまで進入して）岩を除去している。従って、切断部 材１８が１０時の位置に近づき、更にボアホール２００内に進入すると、ドリル ヘッド１６は、弧Ｂに沿って切断を行った前回の位置から長手方向に約２インチ 前進する。切断部材１８が更に前進すると、ドリルストリング或いはドリルヘッ ドの下面に位置する面（便宜上以下カムフォロア表面４０と記す）は、傾斜面２ ８と係合する。ドリルストリング１４が長手方向に推進すると、カムフォロア表 面４０は、ドリルヘッド１６（及び切断部材１８）を偏曲方向Ａに沿って撓ませ る傾斜面２８と係合する。 前述の如く回転弧Ｂの範囲に位置しているときにだけドリルストリングが前進 した分だけの切断を行い、それ以外の範囲にあるときはドリルストリング１４を 引き戻す方法を用いた結果、ドリルヘッド１６を長手方向に前進した分だけ進ま せ、所望の方向Ａに向かって撓ませる。ドリルヘッド１６が完全に撓むと、引き 戻しステップが終了となり、ドリルストリングを直路に沿って移動させるべくド リルストリングの回転及び長手方向への前進が再開する。 図９は、本発明の方法を用いた際のドリルヘッドの変位のグラフである。図９ において、横軸はドリルヘッド１６の回転位置である。縦軸には軸方向への変位 が（インチで）示され、負の値は任意に選択したスタート位置（ゼロの位置）か らボアホールへの進入距離を示し、正の値は、スタート位置から引き戻された距 離を表す。図９の横軸の数字は、１２時は鉛直“上向き”、６時は鉛直“下向き ”を表す時計の位置に対応している。図９は、軸Ｘ−Ｘを中心としたドリルヘッ ド１６が２回転した場合におけるドリルヘッド１６の軸方向への変位を示すグラ フである。図９は、前述の例に関するものであり、所望の偏曲方向Ａは１２時の 位置であり、軸方向への推進は１０時の位置で始まり、引き戻しは２時の位置で 開始する。 図９の点５１に示されるように、ドリルヘッド１６は２時の位置（即ち前回の サイクルの回転弧Ｂの端部）で前進が完了する。回転が継続しているとき、ドリ ルヘッド１６は、（１２時に対応する）偏曲方向Ａとは１８０°反対の６時の位 置 に相当する地点５２に引き戻されるまで、後退を続ける。引き戻し終了地点５２ にて、ドリルストリング１４は長手方向に前進し、ドリルヘッド１６は、切断を 開始する点である１０時の位置で岩表面２０と係合する。切断は、ドリルヘッド １６が前進を続けながら、引き戻しが始まる２時の位置まで行われ、そしてサイ クルは続く。 所望の偏曲方向Ａは、切断開始地点５３と切断終了地点５４との間の中間点で ある。また、ドリルヘッド１６は、不要な物質を除去しながら前進しているので 、サイクルの開始における２時の位置５１とサイクルの終了における２時の位置 ５４との間には正味の進行距離Ｄが存在する。 好適な動作方法の場合、ドリルヘッド１６の回転と軸方向の位置との関係は線 形の関数では表せない。しかし、軸方向への前進及び後退は、回転位置に対して 指数関数で示される。換言すると、ドリルヘッド１６が、２時の位置で後退を開 始すると、傾斜面２８が切断部材１８によって切断されるのを回避するために、 後退速度は、回転速度に対し次第に増加する。 上記のドリル装置１０の操作方法を実行するためには、ドリルヘッド１６の実 際の回転位置を決めなければならない。その後で、ドリルヘッド１６の回転位置 を、コントローラー２４によって算出することができる。例えば、コントローラ ーは、駆動機構２０が９０°回転した後、ドリルヘッド１６は９００回転するこ とを予測できる。 ドリルヘッド１６の実際の位置が最初に決められ、（そして、ドリルヘッドの 回転位置を算出するために、駆動機構２０によってドリルストリング１４が回転 した量を観測することによって実際のドリルヘッドの回転位置が算出され）ると しても、後で実際の回転位置が、算出された回転位置と一致しない場合がある。 例えば、追加ロッドセグメント２２をドリルストリング１４に付け足す際、ドリ ルヘッド１６の実際の回転位置は、ロッドセグメント２２をドリルストリング１ ４へ取り付けることによって発生する誤差或いは公差によって、算出された回転 位置とは一致しないことになる。従って、ドリルヘッド１６の実際の位置は、ロ ッドセグメント２２をドリルセグメント１４に取り付けた後で算出することが好 ましい。 ドリルヘッド１６の実際の角度方向の位置は、当業界では周知の方法で算出で き、その方法は数多い。例えば、当業界では周知であるが、ドリルヘッド１６は 地上の受信機（図示せず）に無線で送信されるドリルヘッド１６の回転位置を送 信する送信機等（図示せず）を含んでもよい。作業者は、ドリルヘッドがスター ト位置に来るまで（例えば、１２時の位置）ドリルストリング１４を回転させる ことができる。ドリルヘッド１６が観測位置である１２の位置に配置されると、 コントローラー２４上でリセットボタン等を押すことができ、スタート角度位置 を１２時の位置にリセットする。リセットした後、駆動機構２０の回転移動量は 、新しいロッドセグメント２２を取り付けるまで、ドリルヘッド１６の角度方向 の位置を算出するのに使用される。 ドリルヘッド１６の角度方向の位置の測定値をリセットする前記方法が好まし いが、ドリルヘッド１６の回転位置を数ある方法の中のいずれかで決定できるこ とは本発明の範囲に含まれることは理解できよう。例えば、ドリルヘッド１６の 実際の回転位置を観測し続け、ドリルヘッド１６とコントローラ２４とを接続す るハードワイヤ（hardwire）又はドリルヘッド１６とコントローラー２４との間 での無線若しくは他の送信手段を含んでいる多様な手段を介して、コントローラ ー２４に送信することも可能である。ドリルヘッド１６の実際の観測位置を利用 することで、定期的にコントローラー２４でドリルヘッドの角度方向の位置をリ セットした後で駆動機構２０の回転量を算出することによってドリルヘッドの位 置を計算する必要性は回避できる。 図１０は、装置１０の動作を制御するためのコントローラー２４のステップを 示すフローチャートである。直線状にボーリングを行うための期間が終了したら 、ボーリングの方向を曲げることが望ましいときもある。従って、コントローラ ー２４は、指向性ボーリング工程のスタート１００にて指向性ボーリングを制御 する。ステップ１０１において、作業者は、種々の動作パラメータをコントロー ラー２４に手動で入力できる。例えば、作業者は、所望の偏曲方向を入力する。 前述の例では、作業者は、１２時の位置を入力し、ドリルヘッド１６を鉛直に撓 ませるのが望ましいことをコントローラー２４に指示する。更に作業者は、切断 の弧のサイズを入力する。例えば、図８の弧Ｂは、１０時の位置から２時の位置 ま での１２０°として示されている。好ましくは、このコントローラー２４の場合 、０°から１８０°まで選択できる。 作業者によって設定される追加の動作パラメータはドリルヘッド１６を長手方 向に前進させるための所望の押圧力である。例えば、カリチェロックの場合、所 望の推進力は２５００psiに設定される。また作業者は、ドリルストリング１４ の所望の回転速度（例えば０乃至１２０rpm）を設定する。加えて作業者は、ド リルヘッド１６をスタート位置或いは１２時の位置にリセットする。前述のよう に、リセットは、遠隔送信で検出又は切断部材１８を概ね鉛直方向に向かって１ ２時の位置と一致させた状態でドリルヘッドが回転するときに行われる。作業者 はドリルヘッドが実際に１２時の位置にあることをコントローラーに知らせなが らリセットボタンを設定する。その後、駆動機構２０の回転の増加を観測し、ド リルヘッド１６の位置を算出する。新しいロッドセグメント２２を追加する毎に １２時の位置へのリセットが行われる。 またステップ１０１にて入力された動作パラメータは、引き戻し距離の設定を 含んでいる。例えば、引き戻し距離は、ドリルヘッド１６の形状によって決まり 、２乃至６インチであり、引き戻し動作中は、ドリルヘッド１６が回転弧Ｂの範 囲の外で回っており、所望の斜面２８をドリルヘッド１６が切り込むことはない 。 動作パラメータが入力されると、コントローラ２４は、切断動作のスタート地 点を決定する。例えば、所望の偏曲方向は、１２時の位置であり、弧Ｂが作業者 によって１２０°に設定されている場合、コントローラは、所望の偏曲方向（先 の例では鉛直方向）がステップ１０１にて作業者によって入力された弧（１２０ °）を２等分するように、スタート地点を１０時に設定する。従って、例による と、コントローラ２４は、１０時の位置をスタート地点に設定している。 ステップ１０２において、コントローラ２４は、ドリルヘッド１６が所望の回 転速度で回転しているかを確認する。ドリルヘッド１６が所望の回転速度で回転 していない場合は、ステップ１０３にて出力を増加させドリルヘッド１６を回転 させる。 所望の回転が達成されると、コントローラ２４はステップ１０４にてドリルヘ ッド１６がスタート地点（前記の例では１０時の位置）に到達したかを確認する 。 ドリルヘッド１６がスタート地点（前記の例では１０時の位置）に到達していな い場合、１０時の位置に到達するまで、回転は継続する。 １０時の位置に到達した際、コントローラ２４は、ステップ１０５にて、岩表 面にかかる圧力が所定の推進力かを確認する。所定の推進力でない場合、ステッ プ１０６にて推進力は、所望の値になるまで増加させる。 ステップ１０７において、コントローラ２４は２時の位置（前述の例では切断 弧Ｂの端部）に到達したかを確認する。到達していない場合、回転は弧の端部に 到達するまで続く。 切断弧の端部に到達すると、ドリルヘッド１６を引き戻すべく、ステップ１０ ８において、推進力の向きは逆となる。引き戻されている間、ドリルストリング １４の回転速度及びドリルストリング１４の長手方向の推進速度は、ステップ１ ０９にて図１０の関係と一致させるために比較される。推進速度と回転との比率 が正しくないとき、ステップ１１０にて推進速度は変化する。ステップ１１１に て示されるように、偏向量が全偏向量に達していないとき、工程は継続する。或 いは、引き戻し動作がなく、回転及び長手方向へ前進しながら、直線ボーリング が開始される。 図５乃至７においてドリルの連続動作が示されている。図５に示されるように 、ドリルヘッド１６は、ボアホール２００に完全に挿入され、ドリル歯１８及び ドリルヘッド１６は１２時の位置にある。ドリルヘッド１６が２時の位置まで到 達した後、ドリルヘッド１６は、図６に示されるように完全に引き戻され、この ときドリル歯１８及びドリルヘッド１６は６時の位置にある。これにより、歯１ ８が、斜面２８に食い込んで不要物を除去することはない。その後ドリルヘッド １６はボアホール２００中を進行し、カムフォロア表面４０は、ドリルヘッド１ ６をＡの方向（図７）に上向きに撓ませながら斜面２８に係合する。 上記の操作方法によって、ドリルストリング１４は、動作中は回転を続ける。 切断は、ドリルヘッド１６の撓む方向としては好ましいとされるＡの方向によっ て２等分される弧Ｂの範囲で行われる。ドリルヘッド１６は、切断弧Ｂの外側の 回転位置にあるときに引き戻される。この引き戻し動作によって、ボアホール２ ００内には、ドリルヘッド１６を所望の方向に撓ませ、押すような動作を行う斜 面２８が形成される。更に、弧Ｂ内での切断動作中、ドリルヘッド１６は、岩の 表面２０１上を移動し、もって岩表面に加わる破壊力は、従来の装置を使用した 場合における岩の圧縮強さを超える過大な圧縮力とは違って、ずれ及びせん断方 向に作用する力となる。 以上の本発明の詳細な説明によって、好適実地例において本発明の目的が得ら れる方法が示された。当業者が容易に実地できるように開示されている概念の変 形例及び均等物は、添付されたクレームの範囲に包含されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年３月１６日（１９９８．３．１６） 【補正内容】 請求の範囲 １．媒質にドリルでボアホールを形成するドリル装置を制御するための方法であ って、前記装置は、回転軸を中心に回転するドリルヘッドで終結するドリルスト リングと、前記ドリルヘッドを長手方向に前進させるための手段とを有しており 、前記ドリルヘッドは、切断するために選択された切断部材を前記軸から離れた 地点に備え、前記制御方法は、 a.直路から離れるように傾いた所望の方向が通過する回転弧の範囲内に前 記切断部材が位置しているとき、前記ドリルに力を長手方向に加え、 b.切断されていない媒質の斜面が前記所望の方向とは反対側のボアホール の表面に形成されるように前記切断部材が前記回転弧の外側に位置して いるとき前記長手方向への力を緩和し、前記ドリルヘッドを引き戻し、 c.前記切断部材が再び該回転弧の範囲内に位置するとき、前記ドリルヘッド に再度力を長手方向へ加えて、前記ドリルヘッドを長手方向に前進させる、 ことによって、前記所望の方向に前記ドリルヘッドを前進させ、前記切断されて いない媒質の斜面は、前記ドリルヘッドが長手方向へ進行している際、前記所望 の方向へ向かって前記ドリルヘッドを撓ませる 方法。 ２．前記所望の方向が前記回転弧を２等分するように前記回転弧を選択すること からなる請求項１に記載の方法。 ３．前記回転弧は、０°から１８０°であることを特徴とする請求項１に記載の 方法。 ４．前記回転弧は、１２０°であることを特徴とする請求項３に記載の方法。 ５．前記回転弧は、０°から１８０°であることを特徴とする請求項２に記載の 方法。 ６．前記回転弧は、１２０°であることを特徴とする請求項５に記載の方法。７． 前記長手方向の力は、前記切断部材が前記ボアホールの終端で前記媒質から 不要物を除去するように決められた圧力の範囲内でドリル操作が施される前記媒 質に前記切断部材が当たるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の 方法。８． 前記引き戻し動作は、前記切断部材が前記回転弧の外側に位置するとき、前 記切断部材が前記媒質を概ね切断することがないように選択された分だけ前記ボ アホールの前記終端における前記媒質の表面から離す方向に前記切断部材を引き 戻す動作を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。９． 前記ドリルストリングは、前記ボアホールの外にあり、且つ前記ドリルスト リングを回転及び長手方向へ前進させる駆動装置に取り付けられている外側端部 を含み、前記力の付加は、前記駆動装置で前記外側端部を前進させることを含む 請求項１に記載の方法。１０． 前記回転は、前記駆動装置で前記外側端部を回転させる動作を含むことを 特徴とする請求項９に記載の方法。１１． 前記引き戻し動作は、前記外側端部を前記駆動装置で引き戻す動作を含む ことを特徴とする請求項９に記載の方法。１２． 前記ドリルヘッドの回転位置は、前記駆動装置によって前記外側端部が回 転する量を観測することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の 方法。１３． 前記ドリルヘッドの回転位置は、前記駆動装置によって前記外側端部が回 転する量を観測することによって決定されることを特徴とする請求項９に記載の 方法。１４． 前記ドリルヘッドの回転位置は、前記回転位置を示す前記ドリルヘッドか らの信号を観測することによって決定されることを特徴とする請求項１に記載の 方法。１５． 前記ストリングは、前記ボアホールの外部にある前記駆動装置に連結され た複数のドリルストリングセグメントを有し、前記ドリルストリングにセグメン トを追加した後で前記ドリルヘッドの実際の回転位置を測定して、前記駆動装置 によって前記外側端部が回転した量を観測することによって前記ドリルヘッドの 回転位置を決定することを含む請求項９に記載の方法。１６． 前記ドリルヘッドが前進している間、前記ドリルヘッドが、前記ボアホー ルを形成する前記媒質の表面に抗することによって前記所望の方向に向かって撓 むようにステップ(a)、(b)及び(c)を繰り返し行うことからなる請求項１に記載 の方法。１７． 前記ドリルヘッドに長手方向への力を加えると同時に回転させることによ って前記直路に沿って前記ドリルヘッドを前進させることからなる請求項１に記 載の方法。１８． 媒質にドリルでボアホールを形成するためのドリル装置であって、 前記ボアホール内でドリルヘッドで終結するドリルストリングと、 前記ドリルストリングの長手軸と同調する回転軸を中心に前記ドリルス トリングを回転させるための第１のアクチュエータと、前記ドリルヘッドを長手 方向に前進及び引き戻すための第２のアクチュエータとを有し、前記ボアホール の外側にあり、前記ドリルストリングの外側端部と係合するための駆動装置と、 コントローラと、 からなり、 前記ドリルヘッドは、切断するために選択された切断部材を前記軸から 離れた地点に有し、 前記コントローラは、 a.直路から離れる方向に傾いた所望の方向が通過する回転弧の範囲内に 前記切断部材が位置するとき、前記ドリルヘッドに力を長手方向に加えるために 前記第１及び第２のアクチュエータを駆動させ、 b.前記切断部材が前記回転弧の外側に位置するとき、前記ドリルヘッド を引き戻すために 前記第２のアクチュエータを制御し、 c.前記切断部材が再び、前記回転弧の中に位置するとき、前記ドリルヘ ッドに力を長手方向に再度加え、前記ドリルヘッドを長手方向に前進させるため に前記第２のアクチュエータを制御する 、 ことによって前記所望の方向に前記ドリルヘッドを前進させる ドリル装置。１９． 前記切断部材は、前記ボアホールの終端部にて前記媒質から不要物を切断 するように選択され、切断されずに残った前記媒質部分は、前記所望の方向とは 反対の前記ボアホールの面にカム表面を提供することを特徴とする請求項１８に 記載のドリル装置。２０． 前記ドリルヘッドが長手方向に前進する際、前記カム表面に作用して、前 記ドリルヘッドを前記所望の方向に向けて撓ませるために、前記ドリルストリン グは、カムフォロアを一側に有することを特徴とする請求項１９に記載のドリル 装置。２１．前記ドリルストリングが前記第２のアクチュエータによって引き戻し及び 前進する際に前記第１のアタチュエータは、前記ドリルストリングを回転させ続 けることを特徴とする請求項１８に記載のドリル装置。 ２２． 前記引き戻し動作中に、ドリルヘッドを回転させ続けることからなる請求 項１に記載の方法。２３．前記ドリルヘッドを引き戻し及び前進させる際に、前記ドリルヘッドは、 回転し続けることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ２４．前記ドリルヘッドは、一定の速度で回転することを特徴とする請求項２３ に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ヴァンハウウェリンゲン、マーク アメリカ合衆国 50138 アイオワ、ノッ クスヴィル、サウス・パーク・レーン 517 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．媒質にドリルでボアホールを形成するドリル装置を制御するための方法であ って、前記装置は、回転軸を中心に回転するドリルヘッドで終結するドリルスト リングと、前記ドリルヘッドを長手方向に前進させるための手段とを有しており 、前記ドリルヘッドは、切断するために選択された切断部材を前記軸から離れた 地点に備え、前記制御方法は、 a．直路から離れる方向に傾いた所望の方向が通過する回転弧の範囲内に前記 切断部材が位置しているとき、前記ドリルに力を長手方向に加え、 b．前記切断部材が前記回転弧の外側に位置しているとき前記長手方向への力 を緩和する ことによって前記ドリルヘッドを前記所望の方向に前進させることからなる方法 。 ２．前記所望の方向が前記回転弧を２等分するように前記回転弧を選択すること からなる請求項１に記載の方法。 ３．前記回転弧は、０°から１８０°であることを特徴とする請求項１に記載の 方法。 ４．前記回転弧は、１２０°であることを特徴とする請求項３に記載の方法。 ５．前記回転弧は、０°から１８０°であることを特徴とする請求項２に記載の 方法。 ６．前記回転弧は、１２０°であることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７．前記緩和は、前記切断部材が前記回転弧の外側に位置するとき、前記ドリル ヘッドを長手方向へ引き戻すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法 。 ８．前記長手方向の力は、前記切断部材が前記ボアホールの終端で前記媒質から 不要物を除去するように決められた圧力の範囲内でドリル操作が施される前記媒 質に前記切断部材が当たるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の 方法。 ９．前記引き戻し動作は、前記切断部材が前記回転弧の外側に位置するとき、前 記切断部材が前記媒質を切断することがないように選択された分だけ前記ボアホ ールの前記終端における前記媒質の表面から離す方向に前記切断部材を引き戻す 動作を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。 １０．前記ドリルストリングは、前記ボアホールの外にあり、且つ前記ドリルス トリングを回転及び長手方向へ前進させる駆動装置に取り付けられている外側端 部を含み、前記力の付加は、前記駆動装置で前記外側端部を前進させることを含 む請求項１に記載の方法。 １１．前記回転は、前記駆動装置で前記外側端部を回転させる動作を含むことを 特徴とする請求項１０に記載の方法。 １２．前記ドリルストリングは、前記ボアホールの外にあり、且つ前記ドリルス トリングを回転及び長手方向へ前進させる駆動装置に取り付けられている外側端 部を含み、前記力の付加は、前記駆動装置で前記外側端部を前進させることを含 む請求項７に記載の方法。 １３．前記回転は、前記駆動装置で前記外側端部を回転させる動作を含むことを 特徴とする請求項７に記載の方法。 １４．前記引き戻し動作は、前記外側端部を前記駆動装置で引き戻す動作を含む ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。 １５．前記ドリルヘッドの回転位置は、前記駆動装置によって前記外側端部が回 転する量を観測することによって決定されることを特徴とする請求項７に記載の 方法。 １６．前記ドリルヘッドの回転位置は、前記駆動装置によって前記外側端部が回 転する量を観測することによって決定されることを特徴とする請求項１０に記載 の方法。 １７．前記ドリルヘッドの回転位置は、前記回転位置を示す前記ドリルヘッドか らの信号を観測することによって決定されることを特徴とする請求項１０に記載 の方法。 １８．前記ドリルストリングは、前記ボアホールの外部にある前記駆動装置に連 結された複数のドリルストリングセグメントを有し、前記ドリルストリングにセ グメントを追加した後で前記ドリルヘッドの実際の回転位置を測定して、前記駆 動装置によって前記外側端部が回転した量を観測することによって前記ドリルヘ ッドの回転位置を決定することを含む請求項１６に記載の方法。 １９．前記力の付加及び緩和を繰り返し行う動作と、前記ドリルヘッドが前進す る際に前記ボアホールを形成する前記媒質の表面に抗することによって前記所望 の方向に向かって撓むように、前記繰り返し動作の最中に前記ドリルヘッドを長 手方向に前進させる動作と、からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ２０．前記切断部材は前記ボアホールの終端部にて前記媒質から不要物を切断す るように選択され、切断されずに残った前記媒質部分は、前記所望の方向とは反 対の前記ボアホールの面にカム表面を提供し、 前記力を加えている間に前記媒質を切断して前記カム表面を形成し、 前記ドリルヘッドが長手方向に前進する際に前記所望の方向に向かって 前記ドリルヘッドを撓ませる前記カム表面に作用して前記ドリルヘッドに隣接す る前記ドリルストリングのカムフォロアを長手方向に前進させること、 からなる請求項１９に記載の方法。 ２１．前記力の付加及び前記引き戻しを繰り返し行う動作と、さらに前記ボアホ ールを形成する前記媒質の表面に抗することによって前記ドリルヘッドが撓んだ 状態で前進しているとき、前記ドリルヘッドが前記所望の方向に撓むように前記 引き戻し動作の後で長手方向に前記ドリルヘッドを前進させる動作と、からなる 請求項７に記載の方法。 ２２．前記ドリルヘッドに長手方向への力を加えると同時に回転させることによ って前記直路に沿って前記ドリルヘッドを前進させることからなる請求項１に記 載の方法。 ２３．前記ドリルヘッドに長手方向への力を加えると同時に回転させることによ って前記直路に沿って前記ドリルヘッドを前進させることからなる請求項７に記 載の方法。 ２４．媒質にドリルでボアホールを形成するためのドリル装置であって、 前記ボアホール内でドリルヘッドで終結するドリルストリングと、 前記ドリルストリングの長手軸と同調する回転軸を中心に前記ドリルス トリングを回転させるための第１のアクチュエータと、前記ドリルヘッドを長手 方向に前進させるための第２のアクチュエータとを有し、前記ボアホールの外側 にあり、前記ドリルストリングの外側端部と係合するための駆動装置と、 コントローラと、 からなり、 前記ドリルヘッドは、切断するために選択された切断部材を前記軸から 離れた地点に有し、 前記コントローラは、 a．直路から離れる方向に傾いた所望の方向が通過する回転弧の範囲内 に 前記切断部材が位置するとき、前記ドリルヘッドに力を長手方向に加えるために 前記第１及び第２のアクチュエータを駆動させ、 b．前記切断部材が前記回転弧の外側に位置するとき、前記長手方向の 力を緩和させるために前記第２のアクチュエータを制御する、 ことによって前記所望の方向に前記ドリルヘッドを前進させる ドリル装置。 ２５．前記第２のアクチュエータは、前記ドリルヘッドが前記ボアホールの終端 から離れる方向に移動するように前記ドリルストリングを引き戻すことができ、 前記コントローラは、前記第２のアクチュエータを作動させ、前記ドリルストリ ングを引き戻すことによって前記長手方向への力を緩和するための手段を有して いることを特徴とする請求項２４に記載のドリル装置。 ２６．前記切断部材は、前記ボアホールの終端部にて前記媒質から不要物を切断 するように選択され、切断されずに残った前記媒質部分は、前記所望の方向とは 反対の前記ボアホールの面にカム表面を提供することを特徴とする請求項２５に 記載のドリル装置。 ２７．前記ドリルヘッドが長手方向に前進する際、前記カム表面に作用して、前 記ドリルヘッドを前記所望の方向に向けて撓ませるために、前記ドリルストリン グは、カムフォロアを一側に有することを特徴とする請求項２６に記載のドリル 装置。 ２８．前記切断部材は前記ボアホールの終端部にて前記媒質から不要物を切断す るように選択され、切断されずに残った前記媒質部分は、前記所望の方向とは反 対の前記ボアホールの面にカム表面を提供し、 前記力を加えている間に前記媒質を切断して前記カム表面を形成し、 前記ドリルヘッドが長手方向に前進する際に前記所望の方向に向かって 前記ドリルヘッドを撓ませる前記カム表面に作用して前記ドリルヘッドに隣接す る前記ドリルストリングのカムフォロアを長手方向に前進させること、 からなる請求項２０に記載の方法。 ２９．前記引き戻し動作中に、ドリルヘッドを回転させ続けることからなる請求 項７に記載の方法。