JP2003184469A - 坑底駆動型パーカッションドリル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 打撃機構の耐久性や信頼性を向上させ、地下
水の存在する環境下においても使用できるようにする。 【解決手段】 ドリルストリングの先端部に設けられ、
坑底でさく孔ビット６に打撃または回転・打撃を与えて
さく孔する坑底駆動型パーカッションドリルにおいて、
潤滑性の高い油を駆動媒体とする液圧打撃機構７と、こ
の油を加圧する液圧発生装置８と、液圧発生装置８を駆
動するダウンホールモータ９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油、天然ガスの
採掘や、地熱、温泉などの開発に用いる坑井を掘削する
ための坑底駆動型パーカッションドリルに関する。

【０００２】

【従来の技術】石油、天然ガスの採掘や、地熱、温泉な
どの開発に用いる坑井の掘削には、従来からさく孔ビッ
トに回転と推力を加えて、岩盤を圧砕あるいは切削する
装置が用いられてきた。さく孔ビットに打撃を加えるこ
とにより、掘進速度や孔曲がりを大幅に改善できること
は古くから知られているが、打撃を加える装置には、次
のような問題があり、普及するに至っていない。

【０００３】まず、空気圧を利用したいわゆるダウンザ
ホールハンマは古くから実用化されているが、打撃機構
の駆動および掘屑の排出に空気圧を用いており、地下水
が存在する坑井においては、機体内への地下水の侵入や
掘屑排出の問題から使用するのが困難であり、従って適
用が乾燥した地層に限定される。この欠点を解消する手
段として、掘屑を排出するために使用する泥水や水など
の掘削流体で打撃機構を駆動するウォータハンマが開発
されている（実開昭５５−２１３５２号参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】打撃機構を掘削流体で
駆動するウォータハンマでは、適用地層の制約はない
が、潤滑性の低い泥水や水などの掘削流体で打撃機構を
駆動するため、摺動部分の焼き付きやキャビテーショ
ン、さらには、掘削流体に不可避的に混入する岩石粉な
どによる液圧通路の閉塞や早期磨耗が避けられない。

【０００５】このため、打撃を利用したさく孔の優位性
は知られながら、それを多様な現場で利用できる手段は
知られていない。本発明は、地下水の存在する環境下に
おいても打撃機構の耐久性や信頼性が高く、多様な現場
で利用できる坑底駆動型パーカッションドリルを提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ドリルストリ
ングの先端部に設けられ、坑底でさく孔ビットに打撃ま
たは回転・打撃を与えてさく孔する坑底駆動型パーカッ
ションドリルにおいて、潤滑性の高い液体を駆動媒体と
する液圧打撃機構と、この駆動媒体を加圧する液圧発生
装置と、液圧発生装置を駆動する駆動装置とを備えるこ
とにより上記課題を解決している。

【０００７】この坑底駆動型パーカッションドリルは、
液圧打撃機構の駆動媒体として、泥水や水などの掘削流
体でなく潤滑性の高い液体を用いているため、摺動部分
の焼き付きやキャビテーション、あるいは掘削流体に混
入する岩石粉などによる液圧通路の閉塞や早期磨耗が防
止され、高い耐久性、信頼性が得られる。掘屑の排出に
は従来と同様に泥水や水などの掘削流体を使用できるの
で、空気式ダウンザホールハンマのような適用条件の制
約もない。

【０００８】駆動装置の動力源に、掘屑の排出に用いら
れる掘削流体を使用すれば、駆動装置へ動力を供給する
ために特別な手段を付加する必要もない。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は坑底駆動型パーカッション
ドリルを使用したさく井システムの全体構成図、図２は
本発明の実施の一形態を示す坑底駆動型パーカッション
ドリルの構成図、図３はダウンホールモータの構成図、
図４は液圧打撃機構の構成図、図５は液圧打撃機構の作
動の説明図である。

【００１０】図１のさく井システムは、パーカッション
ドリル１を除き、公知の技術により構成されている。こ
のさく井システムは、ドリルストリング２と地表に設置
される付帯設備３とからなる。ドリルストリング２は地
表から坑底に伸びる１本または複数本連結された掘管４
と、掘管４の坑底側先端部にドリルカラー５を介して連
結されるパーカッションドリル１とさく孔ビット６とで
構成されている。

【００１１】パーカッションドリル１は、清浄で潤滑性
の高い液体である油を駆動媒体とする液圧打撃機構７
と、駆動媒体の油を加圧する液圧発生装置８と、液圧発
生装置８を駆動する駆動装置であるダウンホールモータ
９を備えている。地表に設置される主な付帯設備３は、
ドリルストリング２を揚降させるための掘削櫓１１と、
ドリルストリング２を回転させるターンテーブル１２
と、掘削装置の動力源であるドローワークス１３と、掘
削流体Ｗを坑底に供給するための泥水ポンプ１４と、掘
削流体Ｗから掘屑を除去するシェールシェーカと掘削流
体Ｗを貯蔵するピット（図示略）で構成されている。

【００１２】さく孔は、推力を付与することにより着岩
したさく孔ビット６に打撃または回転・打撃を与え、さ
く孔ビット６で岩盤を破砕することにより行われる。こ
のとき、ドリルカラー５がさく孔ビット６に推力を付与
する重錘の役割を担っているが、この推力はドローワー
クス１３のワイヤロープ１６の張力を制御することによ
り掘削に適した範囲に保たれる。

【００１３】さく孔ビット６には、ターンテーブル１２
から掘管４、ドリルカラー５、パーカッションドリル１
を介して回転が与えられ、パーカッションドリル１によ
って打撃が与えられる。さく孔中、ピットに貯留されて
いる掘削流体Ｗは、泥水ポンプ１４で加圧され、スイベ
ル１５を介して掘管４内に供給され、掘管４、ドリルカ
ラー５内を通ってパーカッションドリル１に達し、ダウ
ンホールモータ９を駆動する。

【００１４】ダウンホールモータ９は、ポジティブディ
スプレイスメント型のモータであって、ステータ２０内
にねじ状のロータ２１を内蔵しており、このロータ２１
はベアリング２２で支持されたシャフト２３にユニバー
サルジョイント２４を介して連結されている。但し、本
発明はダウンホールモータの作動方式をこれに限定する
ものではない。ダウンホールモータ９に掘削流体Ｗが流
入すると、ロータ２１がステータ２０に対して回転し、
この回転がシャフト２３で液圧発生装置８に伝達されて
液圧発生装置８を駆動する。掘削流体Ｗはダウンホール
モータ９の前方から排出され、、掘削流体通路２５を通
ってさく孔ビット６の水孔２６に入り、さく孔ビット６
から坑底に誘導される。

【００１５】さく孔により生じた掘屑は、掘削流体Ｗに
伴って、坑壁と掘管４との間の管状空間を通り、地表に
排出される。坑井外に排出された掘削流体Ｗは、シェル
シェーカにより掘屑が除去され、ピットに貯留されて、
循環利用される。液圧発生装置８および液圧打撃機構７
の油が流れる空間には、空気等の気体が混入しないよう
に油が充填されている。また、液圧発生装置８および液
圧打撃機構７内への掘削流体Ｗの混入を抑止するため、
要所にシールが配置される。

【００１６】液圧打撃機構７の後部には、内部がシール
２８で掘削流体部２９と油部３０に隔成された均圧室２
７が設けられており、ダウンホールモータ９の前方から
排出される掘削流体Ｗの一部が均圧室２７の掘削流体部
２９に誘導される。油部３０は液圧打撃機構７の低圧部
通路３１と連通しており、ここで、掘削流体Ｗの圧力が
シール２８を介して油に伝えられるので、駆動媒体であ
る油の容積変化の多少にかかわらず、また、主として坑
底の深度に影響される掘削流体Ｗの圧力変化にかかわら
ず、常に低圧部通路３１の油の圧力を掘削流体Ｗと同じ
かそれ以上に保つ構造となっている。これにより、掘削
流体Ｗが液圧打撃機構７内の油に混入するのを最小にと
どめられる。

【００１７】また、油の圧力変化による油の流れる空間
の体積変化は、空気等の気体が混入しないように油を充
填することで、最小限に抑えることができる。充填する
油は予め脱気していることが好ましい。液圧発生装置８
は、ダウンホールモータ９のロータ２１の回転によって
駆動され、液圧打撃機構７の低圧部通路３１の油を吸込
んで昇圧し、高圧部通路３２に吐出する。

【００１８】液圧打撃機構７には打撃ピストン３３が内
蔵されており、高圧部通路３２から供給される高圧油に
よって往復作動し、さく孔ビット６の後端を繰り返し打
撃する。打撃ピストン３３を作動させた油は低圧部通路
３１を通って液圧発生装置８に戻る。高圧部通路３２と
低圧部通路３１とには、打撃ピストン３３の往復作動に
伴う圧力変動を低減し、断続的な油の流れの均一化を図
る目的で、高圧アキュムレータ３４と低圧アキュムレー
タ３５とがそれぞれ設けられている。

【００１９】主として掘削深度の増加に伴って生ずる油
圧の増大は、高圧アキュムレータ３４と低圧アキュムレ
ータ３５の封入ガスの体積を減少させ、その分だけ液圧
発生装置８および液圧打撃機構７の油の流れる空間の体
積を増加させる。その体積の増加分は、掘削流体Ｗと油
の圧力が均衡するように均圧室２７内の掘削流体部２９
と油部３０の容積が変化することで補償される。

【００２０】液圧打撃機構７からさく孔ビット６に誘導
される掘削流体通路２５には、掘削流体Ｗが液圧打撃機
構７内の油中に侵入しないように、シール３６が配置さ
れている。この液圧打撃機構７は、打撃ピストン３３の
作動方式として、いわゆる前部液室常時加圧後部液室加
圧切換方式を採用している。但し、本発明は、打撃ピス
トンの作動方式をこれに限定するものではない。

【００２１】液圧打撃機構７の内部には、可動部品とし
て打撃ピストン３３とバルブ３７とが前後摺動可能に嵌
装されている。液圧打撃機構７は、ドリルカラー５と等
しい外径内に納まるように、前端から後端に向けて、打
撃ピストン３３、バルブ３７、高圧アキュムレータ３
４、低圧アキュムレータ３５、および均圧室２７が一列
に配列されている。打撃ピストン３３の前方にはさく孔
ビット６が設けられている。

【００２２】打撃ピストン３３は中央に大径部３３Ａを
有しており、大径部３３Ａの前方に前部液室３８が形成
されている。打撃ピストン３３の後方には後部液室３９
が形成されている。打撃ピストン３３は、後部液室３９
側の受圧面積が前部液室３８側の受圧面積より大であ
る。前部液室３８には、高圧部通路３２が連通してお
り、液圧発生装置８で昇圧された高圧油が常時供給され
る。前部液室３８の後方に、打撃ピストン３３の往復作
動により大径部３３Ａで開閉されるバルブ制御ポート４
０と排液ポート４１が設けられており、排液ポート４１
の後方には、打撃ピストン３３の前進位置で排液ポート
４１と連通する低圧ポート４２が設けられている。

【００２３】バルブ制御ポート４０と排液ポート４１は
常に制御通路４３と連通しており、低圧ポート４２は常
に低圧部通路３１と連通している。打撃ピストン３３の
後部液室３９を高圧部通路３２または低圧部通路３１の
いずれかに連通するよう切換えるために、バルブ３７が
打撃ピストン３３の後方に配置されている。

【００２４】バルブ３７には、規制液室４４と制御液室
４５とが形成されている。バルブ３７は、制御液室４５
側の受圧面積が規制液室４４側の受圧面積より大であ
る。規制液室４４には高圧部通路３２が連通しており、
液圧発生装置８で昇圧された高圧油が常時供給される。
制御液室４５は常に制御通路４３と連通している。規制
液室４４と制御液室４５との間には、常に低圧部通路３
１と連通している低圧ポート４６が設けられている。

【００２５】制御液室４５が低圧の状態で規制液室４４
に高圧部通路３２から高圧油が流入すると、バルブ３７
は前方へ移動し、打撃ピストン３３の後部液室３９を通
路４７、低圧ポート４６を介して低圧部通路３１と連通
させる。また、制御液室４５に制御通路４３から高圧油
が流入すると、制御液室４５側の受圧面積が規制液室４
４側の受圧面積より大であるから、バルブ３７は後方へ
移動し、打撃ピストン３３の後部液室３９を通路４７、
規制液室４４を介して高圧部通路３２と連通させる。

【００２６】以下、図５を参照し、液圧打撃機構７の作
動を説明する。図５（ａ）において、打撃ピストン３３
は後退位置にある。この状態では、制御通路４３がバル
ブ制御ポート４０を介して前部液室３８と連通してお
り、排液ポート４１と低圧ポート４２の間は大径部３３
Ａで遮断されているので、制御液室４５には制御通路４
３から高圧油が流入してバルブ３７は後退位置に保持さ
れている。

【００２７】従って、打撃ピストン３３の後部液室３９
は通路４７、規制液室４４を介して高圧部通路３２と連
通し、高圧油が流入する。打撃ピストン３３は、後部液
室３９側の受圧面積が前部液室３８側の受圧面積より大
であるので、打撃ピストン３３が前進する。図５（ｂ）
のように、打撃ピストン３３がさく孔ビット６を打撃す
る直前の位置まで前進すると、打撃ピストン３３の大径
部３３Ａによって前部液室３８とバルブ制御ポート４０
との連通が遮断され、排液ポート４１と低圧ポート４２
が連通するので、制御通路４３は低圧になり、制御液室
４５も低圧となる。

【００２８】規制液室４４は常に高圧部通路３２と連通
しているので、バルブ３７は前進して打撃ピストン３３
の後部液室３９を通路４７、低圧ポート４６を介して低
圧部通路３１と連通させる位置に切換わる。図５（ｃ）
のように、打撃ピストン３３がさく孔ビット６を打撃し
た後は、ピストン３３の後部液室３９は低圧で、前部液
室３８のみが高圧となるので、打撃ピストン３３は後退
を開始する。

【００２９】図５（ｄ）のように、打撃ピストン３３が
後退する途中で、制御通路４３がバルブ制御ポート４０
を介して前部液室３８と連通し、排液ポート４１と低圧
ポート４２の間が大径部３３Ａで遮断される。よって、
制御液室４５が再び高圧となり、バルブ３７は後退位置
に切換わる。バルブ３７が切換わると、打撃ピストン３
３の後部液室３９は、低圧ポート４６から低圧部通路３
１への連通が遮断され、通路４７、規制液室４４を介し
て高圧部通路３２と連通する。そこで、後退していた打
撃ピストン３３は制動を受けて減速し、停止後再び前進
する。

【００３０】以後同様のサイクルが繰り返される。以上
の説明で理解されるように、油圧打撃機構７は、高圧側
から低圧側へのリークを最小にとどめ、打撃効率を可能
な限り高めるために、打撃ピストン３３やバルブ３７の
摺動部分は緊密な嵌合が要求され、それに伴い摺動部分
は高速の往復作動による厳しい潤滑条件にさらされる。

【００３１】このため、従来の技術においては、しばし
ば掘削流体中に不可避的に含まれる固形物質による通路
の閉塞や摺動部分の焼き付きによる打撃機構の作動停止
事故を免れることができなかった。また、従来の技術で
は、打撃ピストンとさく孔ビットの打撃面は、潤滑性の
低い、時として磨耗性の高い岩石粉を含んだ掘削流体に
浸漬された状態にあり、打撃時に生じる衝撃に起因する
キャビテーション、エロージョンや、岩石粉を挟み込ん
で打撃することによる磨耗から免れることができなかっ
た。

【００３２】本発明の坑底駆動型パーカッションドリル
では、これらの部分はすべて潤滑性の高い駆動媒体中に
浸漬されており、このような問題は生じない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の坑底駆動
型パーカッションドリルは、地下水の存在する環境下に
おいても打撃機構の耐久性や信頼性が高く、多様な現場
で利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】坑底駆動型パーカッションドリルを使用したさ
く井システムの全体構成図である。

【図２】本発明の実施の一形態を示す坑底駆動型パーカ
ッションドリルの構成図である。

【図３】ダウンホールモータの構成図である。

【図４】液圧打撃機構の構成図である。

【図５】液圧打撃機構の作動の説明図である。

【符号の説明】

１ パーカッションドリル ２ ドリルストリング ３ 付帯設備 ４ 掘管 ５ ドリルカラー ６ さく孔ビット ７ 液圧打撃機構 ８ 液圧発生装置 ９ ダウンホールモータ ２０ ステータ ２１ ロータ ２３ シャフト ２５ 掘削流体通路 ２７ 均圧室 ３１ 低圧部通路 ３２ 高圧部通路 ３３ 打撃ピストン ３４ 高圧アキュムレータ ３５ 低圧アキュムレータ ３７ バルブ ３８ 前部液室 ３９ 後部液室 ４０ バルブ制御ポート ４１ 排液ポート ４２ 低圧ポート ４３ 制御通路 ４４ 規制液室 ４５ 制御液室 ４６ 低圧ポート ４７ 通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 唐澤 廣和 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 大野 哲二 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 大田 彰則 東京都日野市旭が丘３−３−33 古河機械 金属株式会社研究開発本部技術研究所内 (72)発明者 金子 勉 群馬県多野郡吉井町吉井1058 古河機械金 属株式会社吉井工場内 (72)発明者 山田 直登 千葉県夷隅郡夷隅町須賀谷74 株式会社ク リステンセン・マイカイマーケティング部 内 (72)発明者 宮本 哲臣 千葉県夷隅郡夷隅町須賀谷74 株式会社ク リステンセン・マイカイマーケティング部 内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドリルストリングの先端部に設けられ、
   坑底でさく孔ビットに打撃または回転・打撃を与えてさ
   く孔する坑底駆動型パーカッションドリルであって、潤
   滑性の高い液体を駆動媒体とする液圧打撃機構と、前記
   駆動媒体を加圧する液圧発生装置と、該液圧発生装置を
   駆動する駆動装置とを備えたことを特徴とする坑底駆動
   型パーカッションドリル。
2. 【請求項２】 駆動装置の動力源が、掘屑の排出に用い
   られる掘削流体であることを特徴とする請求項１記載の
   坑底駆動型パーカッションドリル。