JP2016529423A

JP2016529423A - 地面に穴を開ける掘削装置の方向を操縦する方法

Info

Publication number: JP2016529423A
Application number: JP2016532708A
Authority: JP
Inventors: キンモユヴァニ
Original assignee: ジオネックスオイ
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-09-23
Also published as: CA2920074A1; US20160177628A1; CN105531439A; US10151147B2; KR20160039208A; BR112016002591A2; EP3030739A1; CA2920074C; EP3030739B1; EP3030739A4; WO2015018969A1; ES2887406T3

Abstract

地面に穴を開ける掘削装置の方向を制御する方法であって、打撃および回転ビット（３）が掘削ビットとして使用され、装置は、ビット（３）の後ろでビット（３）と結合されたハンマリング装置と、潜在的にそれに関連するドリルアームと、を備え、ハンマリング装置またはドリルアームの後部（１５）は、掘削孔の中または掘削孔の表面を覆うケーシング管（１）の内側の自由空間の中に位置し、前記後部（１５）が掘削孔の径方向に動くための空間があるようになっており、掘削の際の地中のビット（３）の位置が、ビット（３）の位置を示す位置センサから受けるデータに基づいて観測されるようになっており、前記方法では、掘削の方向は、掘削孔の中またはケーシング管（１）の内表面に位置する支持要素（５，５’，７）を用いて、中心線（Ｃ）からずれているまたは中心線（Ｃ）上に位置する、前記後部（１５）についての支持を、構築することによって、掘削の中心線（Ｃ）に関する前記後部（１５）の位置のみを調整することによって、操縦され、その支持は、掘削装置の供給端で調整され、方向角（α）は、前記中心線（Ｃ）に関してビット（３）およびハンマリング装置についてのみ形成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、地面に穴を開ける掘削装置の方向を操縦する方法に関し、打撃および回転ビットが、掘削ビットとして使用され、装置は、ビットの後ろでビットに結合されたハンマリング装置と、潜在的にそれに属するドリルアームと、を備え、ハンマリング装置またはドリルアームの後部は、掘削孔の中またはケーシング管の内側の自由空間の中に位置し、そのケーシング管は、掘削孔の表面を覆い、前記後部が、掘削孔の径方向に動くための空間を有するようになっており、掘削の際の地中のビットの位置が、ビットの位置を示す位置センサから受けるデータに基づいて観測されるようになっている。

掘削装置の方向の制御方法としての解決策は、特許文献１からすでに知られており、その解決策では、掘削装置の前端部は、２つの連続的な、シリンダユニットになるように形成され、そのユニットは、それらが小さい角を形成するように、互いに接続される。ユニットは、接合構造のために動力ユニット（油圧シリンダーなど）を用いて所望の方向に曲がることができ、ユニット全体がこの方向に向きを変え始めるようになっている。

この上記方法の不都合な点は、主として軟弱な地面に行われる掘削の方向を制御するのにしか適していないことである。最前シリンダ部分は、この部分が後部分に関して向きを変えることができるように屈する地面でのみ、制御のために向きを変えることができる。岩穴では、この旋回は、制御に必要なシリンダ部分がその直径に関して必要とするのよりも明らかに大きい直径を有する穴が、ビットで掘削される場合にのみ成功する。さらに、この方法は、旋回に関するいくつかの動力ユニットまたはドリルヘッドに導かれ得る、油圧配管または電気ケーブルを必要とする。また、ドリルヘッドの配置調整を行うことができるように、ドリルヘッドの位置を観測する必要がある。

掘削装置の方向を制御する方法は、特許文献２、特許文献３、特許文献４からも、さらに知られている。これらの文献では、掘削装置は、切削ドリルであり、それは、その切削ドリルで地面に穴を開け、下方に穴が開けられ、衝撃がビットに向かわない。例えば近づいて来る石は、掘削装置に角度ずれをもたらすことがある。ドリルロッドは、いくつかの場所で穴の壁で支持されるが、ヘッドでのビットの方位は、ドリルロッドの中心線に関する方向の制御により向きを変えることが意図されていない、言い換えれば、これらの方向の間に角度を作り出すことを意図していない。しかし、ビットは横に動き、ドリルロッドも、いくつかの連続的な、調整可能支持要素により、横に動く。

欧州特許第０３６９０３０号米国特許出願公開第２００７０１８７１５０号米国特許第６８０８０２７号米国特許第４３１９６４９号

上記方法の不都合な点をなくすために、掘削装置の方向の新しい制御方法が、掘削装置に関して開発され、その掘削装置は、そのビットの後ろのハンマリング装置と、ビットに属する潜在的なドリルアームと、を備え、その場合、ハンマリング装置またはドリルアームの後部は、掘削孔の中に位置する。本発明によれば、既存の先行技術に関して本質的な改良が達成され、本方法では、掘削方向は、掘削孔またはケーシング管の内表面を使用することによって、支持要素を用いて、中心線からずれているまたは中心線上に位置する、前記後部についての支持を、配置することによって、掘削の中心線に関する前記後部の位置のみを調整することによって、制御され、その支持は掘削装置の供給端で調整され、方向角は、前記中心線に関してビットについておよびハンマリング装置についてのみ形成されることと、ビットに向かう衝撃は前記支持要素の前側で形成されることと、衝撃はビットの方向αで掘削される表面に向かうことと、が本発明による方法の特徴である。

本発明による方法の利点は、ビットのアライメントおよびそれに関する偏位角への小さな旋回が、掘削装置の内側で行われ得るときに、地面掘削におよび岩に穴を開けるのに適していることである。まさにドリルヘッドにちょうど位置する、掘削装置のビットは、少しだけ向きを変え、ビットの後ろに位置するパーカッションハンマーと、潜在的なドリルアームと、は、ケーシング管の内側の自由空間の中または岩穴の中で、向きを変える。支持要素は、パーカッションハンマーまたはドリルアームの後部について簡単に作られることができ、それを用いて、後部を、掘削の中心線上に、またはそれからそれる角度位置に、保持できる。パーカッションハンマーは、ビットが掘削孔の中心線に関して向きを変えても、常に効果的な打ち込み方向で損失なくビットを打ちつける。

本発明の最も有利な実施方法では、ドリルヘッドは、制御に関する動力ユニットを備えず、配管またはケーブル配線を備えず、掘削装置の供給ヘッドでアライメントに関する機能が行われ得るときに、地表面でドリルロッドの軸方向移動によっておよび回転を用いて、または単に回転を使用することによって、ドリルロッドおよび／またはケーシング管を回転させることができる。

以下で本発明は、添付図面を参照することによってより詳しく説明される。

掘削装置を側面図として示す。線Ａ‐Ａによる図１による断面を示す。線Ｂ‐Ｂによる図２による断面を示す。代替掘削装置を断面図としておよび側面図として示す。図４によるおよび線Ｂ‐Ｂによる断面を示す。線Ａ‐Ａによる図４による断面を示す。岩穴に支えられている支持要素を示す。図７による支持要素を線Ｄ‐Ｄによる断面図として示す。

図１は、ケーシング管１を備えている掘削装置を例として示し、その掘削装置は、掘削ビット３およびその後ろのパーカッションハンマー２を備え、パーカッションハンマー２の後部にドリルロッド９が初めから導かれ、言い換えれば、掘削の供給部であり、加圧空気がパーカッションハンマー２に向かってドリルロッド９を流れ、ハンマーのためのおよびビット３のための回転移動がリルロッドに沿って生じるようになっている。ドリルロッド９とパーカッションハンマー２の後部１５とが交わる部分に、支持要素５，７があり、その支持要素によって、ドリルロッド９およびハンマー２の後部１５の位置が、ケーシング管１の内側で調整される。

図２は、支持要素の構造を示し、その構造は、第１支持要素５を備え、第１支持要素５は、掘削の際ケーシング管１の内側でケーシング管１に沿って動き、第１支持要素５は、ケーシング管１の内側に位置し、それの内側で回転する。第１支持要素５は、ウイング１３を備え、そのウイングを用いて、それは、ケーシング管が使用される場合、ケーシング管１に支えられ、または、それは、ケーシング管１が使用されない場合、岩穴に支えられ、穴の内表面上でスライドする。第１支持要素５は、穴をさらに備え、穴は、中心から外れて位置し、穴に第２回転部７が位置し、第２回転部７の回転は、ショルダー配置１０を用いて第１支持要素５に係止できる。図３は、第２支持要素７が第１支持要素５に関して軸方向に動くときに、ショルダー配置１０を用いてどのようにロッキングが生じるかを示す。ドリルロッド９を通じたハンマー２およびビット３の回転は、第２支持要素７に属する穴１６を経由して生じ、その穴を経由してドリルロッド９がハンマー２に導かれる。

図２および３の実施方法では、ドリルロッド９は、１つの支持要素７を常に回転させ、第１支持要素５に対する他の支持要素７のための２つの係止位置がある。ドリルロッド９を引くことおよび／または押すことによって生成できる、第２支持要素７の軸方向移動を用いて、第２支持要素は、ロッキングショルダー１０から外されるおよびにより係止され、その場合、ドリルロッド９の回転を用いて、およびその後に生じる軸方向移動を用いて、第２支持要素７は、第１支持要素５の図２による位置に、またはそれから１８０°回転した位置に、係止できる。支持要素の位置で軸運動を生成するように、ドリルロッドが引き戻されて、ビット３が同時に引かれるようになっている場合、係止位置のパイロットビットとブローチビットとの間の軸方向に必要な滑り距離が、またはパイロットビットとパーカッションハンマー２との間の対応する滑り距離が、あり得る。

図２による位置では、穴１６は、ケーシング管１の中心からかなり外れて位置する。それから１８０°回転した位置では、穴１６は、ケーシング管１の中心に位置する。ドリルロッド９がハンマー２の後部に向かって穴１６を通り抜けるとき、ハンマー２の後部は、類似してケーシング管１の内側の中心からかなり外れて位置するか、または、それは、ケーシング管１のちょうど中心に位置する。この例における掘削は、穴１６の位置がケーシング管１の中心に向かって動くときに制御され、その場合、掘削は、制御動作なしに進行する、およびその場合、それは直線的に進行する、または、穴１６の位置がケーシング管１に関して中心から外れるように動くときに掘削は制御され、その場合、掘削は、直線方向から角度αずれる。

上述の図２に示されている場合では、第１支持要素５は、掘削の際に回転し、それは、回転不能に係止できない。掘削方向を制御しようとするとき、穴１６は、図２のように、ケーシング管１に関して中心から外れて位置しなければならず、この位置で、第２支持要素７は、第１支持要素５に係止されなければならない。ドリルロッド９によってもたらされる回転を用いて、両方の支持要素５および７は円軌道で回転し始め、類似してパーカッションハンマー２の後部１５が円軌道で回転し始める。掘削装置は、ドリルロッド９を用いて回転が速度を落とす場合、所望の方向に向きを変え始める、または、掘削が向きを変えることを望む方向に比べて（図１では掘削は上方へ向きを変える）、穴１６が中心線Ｃに関して反対の領域に位置するとき、ハンマーの衝撃が高められる。

掘削の制御は、所望の掘削ラインに関するドリルヘッドの位置を知ることと、向きを変える必要がある場合に掘削方向が向きを変えられるべき角度０‐３６０°を知ることと、を必要とする。これに加えて、ドリルロッド９の回転が速度を落とさなければならない、または衝撃が高められなければならない、掘削の中心線Ｃに関する角度領域に穴１６が位置するときを、知る必要がある。ドリルヘッドの地中位置は、公知の位置決め機器および送信機をドリルヘッドに設置することによって、および地表面に位置する受信機を用いて送信機によって送られる位置データを受信することによって、公知の方法で知ることができる。同じ機器および送信機が、穴１６のそれぞれの角度位置を示すこともできる。この実施方法では、パーカッションハンマー２は、ドリルヘッドに位置する。代替は、ドリルロッド９が始端から衝撃を伝えることでもよく、その場合例えばビット３の後ろにドリルアームがあり、そのドリルアームの後部は、支持要素を用いて制御される。

図４では、第１支持要素５が示され、その支持要素に関しリング４がケーシング管１の内側に溶接され、そのリングは、掘削の際に第１支持要素５の位置にかなり正確にとどまる。内側を向く隆起１１は、リング４の内表面に形成され、前記支持要素５が、そのウイング１３が隆起１０の後ろに動くように、軸方向に動く場合に、その隆起によって第１支持要素５の回転を妨げることができる。第１支持要素に存在し、第２支持要素７用である、穴は、ケーシング管１に関して中心から外れて位置する。第１支持要素５と第２支持要素７の間に、それらの相互軸方向移動で生じる、開けられる／閉じられるロッキングもある。図５および６は、これらのロッキング１０および１１を示す。図５は、ロッキング１２をさらに示し、その場合、初めは少し後ろにドリルロッド９を引くことによって、支持要素７は、ロッキング１２を用いてスリーブ部６との回転接続を有するように構成され、そのスリーブ部は、そうでなければ支持要素７の内部穴で自由に回転するように調整される。ばね要素８も図５に示され、ばね要素８は、ドリルロッド９の端部に取り付けられ、ドリルロッド９とスリーブ部６の間の小さい角度差を可能にし、同時に回転運動を伝達する。

図６は、ロッキング１０および１１を示し、その両方は、ドリルロッド９を後ろに引くことによって外すことができ、ショルダーが回転動力を伝達するように衝突し合うまで、ドリルロッド９を押して回転させることによって係止できる。ロッキング１０，１１，１２は、逆平行であることもでき、それらは、ケーシング管１を後方に引くことによって外すことができる。

図４‐６の掘削装置の制御は、中心から外れた支持を用いて生じ、例えばケーシング管を図６による穴１６の中心のような角度位置に回転させることによってであり、同時にパーカッションハンマー２の後部１５の中心およびスリーブ部６の中心は右の、方向の補正に関する中心から外れた角度位置にあり、スリーブ部６は、支持要素７の内側で自由に回転する位置にあり、第１支持要素５は、そのウイング部１３がケーシング管の内表面のショルダー１１の後ろに位置するときに、ケーシング管１に関して回転不能に係止される。

掘削は、直接進むことを意図されている掘削としては、第２支持要素７を図６の位置から１８０°回転させることによって行われ、その場合、スリーブ部６は、ケーシング管１の中心線Ｃ上で回転するように動く。

一実施形態では、図２および６の支持要素は、例えばそれをケーシング管１に溶接することによって取り付けられ、その場合、それは掘削の際に回転しない。支持要素５の内側にある穴１６の位置は、支持要素５の内側にある第２支持要素７を回転させることによって、中心から外れるように構成できる。この場合、穴１６の位置は、穴１６が所望の角度位置に位置するまで、ケーシング管１を回転させることによって、回転の様々な角度に調整できる。

図７および８にホイール１８が示され、ホイール１８は、ジョイント１９で取り付けられ、第１支持要素５’のウイング部に調整され、そのホイールは、支持要素５’および７が時計回りに回転するときに、岩穴１７の内表面に押し付けられるようになり、支持要素５’を回転不能に係止するが、支持要素５’が岩穴で容易に進むことを可能にする。支持要素７，５’が反時計回りの矢印の方向に回転するとき、ホイール１８は、穴１７の表面に押し付けられるのをやめ、ドリルロッド９を用いて、支持要素５’は、所望の、新しい角度位置に反時計回りに回転できる。そして制御は、ドリルロッドの回転のみによって調整される。

本発明による方法によれば、掘削を制御でき、掘削は様々な方向に導かれ、掘削は、掘削装置の後部が掘削の中心線からずれ、衝撃方向が所望の角度領域にあるときに、ハンマーの回転速度または衝撃エネルギーを変更することによって掘削の際にも導かれることができる。掘削方向は、ドリルヘッドの後部の中心を掘削装置の中心線から動かすことによって、掘削装置の中心線から衝撃方向をそらせることによって、変更される。

掘削装置のビット部で本方法に変更が加えられてよい。パーカッションハンマーが掘削方向から少し向きを変えられるとき、そしてハンマーに取り付けられたパイロットビットがそれと共に向きを変え、衝撃面に問題がないが、これらの間に角度差がある場合、衝撃面は、例えば大きい半径を有する球面であってよい。衝撃を伝達するおよびケーシング管を引くために作られているリングショルダーが、パイロットビットに場合により取り付けられる場合、このショルダーまたはその対抗面は、向きを変えず、この場合、曲線形状を有する衝撃面も使用できる。

例は、パーカッションハンマーまたはドリルアームの後部が、中心から外れる原理だけで移動する場合だけに限られているけれども、後部の移動は、他の多くの機械的仕方で行われることもでき、例えば、前記後部を楔形片により支持することによって、およびドリルロッドまたはケーシング管の軸方向移動でその楔を動かすことによって、および／またはその楔が後部を所望のそれた位置に動かすときのその回転により、などである。

Claims

地面に穴を開ける掘削装置の方向を制御する方法であって、打撃および回転ビット（３）が掘削ビットとして使用され、前記装置は、ビット（３）の後ろでビット（３）に結合されたハンマリング装置（２）と、潜在的にそれに関連するドリルアームと、を備え、ドリルアームまたはハンマリング装置の後部（１５）は、掘削孔の中または掘削孔の表面を覆うケーシング管（１）の内側の自由空間の中に位置し、前記後部（１５）が、掘削孔の径方向に動くための空間を有するようになっており、掘削の際の地中のビット（３）の位置が、ビット（３）の位置を示す位置センサから受けるデータに基づいて観測されるようになっており、
前記方法では、掘削の方向は、掘削孔の中またはケーシング管（１）の内表面に位置する支持要素（５，５’，７）を用いて、中心線（Ｃ）からずれているまたは中心線（Ｃ）上に位置する、前記後部（１５）についての支持を、構築することによって、掘削の中心線（Ｃ）に関する前記後部（１５）の位置のみを調整することによって、制御され、その支持は、掘削装置の供給端で調整され、方向角（０‐α）は、前記中心線（Ｃ）に関してビット（３）についておよびハンマリング装置についてのみ形成されることと、ビット（３）に向かう衝撃は、前記支持要素の前側で形成され、衝撃は、ビット（３）の方向（α）で掘削される表面に向かうことと、を特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，５’，７）は、ビット（３）に導かれるドリルロッド（９）が、回転することおよび前記支持要素を通り抜けることができるようにしていることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，５’，７）は、掘削孔またはケーシング管（１）から支持を得る部分（５），（５’）を備え、その部分は、掘削の際に回転不能に係止され、回転部分（７）は、それの内側で調整され、その部分の位置は、径方向で調整され、必要に応じて、その部分の内部穴（１６）に前記後部（１５）が支えられていることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，７）は、掘削孔またはケーシング管（１）に支えている部分（５）を備え、その部分は、掘削の際に回転し、それの内側で調整される部分（７）は、その部分の位置が径方向で調整され、その部分の内部穴（１６）に前記後部（１５）が支えられていることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，５’，７）により、前記後部（１５）は、掘削の中心線（Ｃ）上に調整されることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，５’，７）により、前記後部（１５）は、中心線（Ｃ）からずれている位置に調整され、その位置で前記後部（１５）の中心は、掘削の中心線（Ｃ）周りの円軌道で動くことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、支持要素（５，５’，７）により、前記後部（１５）は、中心線（Ｃ）からずれている所望の角度位置に調整され、その位置にそれの中心は、制御調整が後部の中心の位置の変更を要求するまで、保持されることを特徴とする方法。
請求項６に記載の方法であって、掘削装置の方向は、ビット（３）の衝撃強度または回転速度などの掘削パラメータを変更することによって制御され、変更は、前記後部（１５）が掘削装置の方向が所望の方向になるような円軌道の角度位置領域に位置するときに、行われることを特徴とする方法。
請求項３に記載の方法であって、１つまたは複数の支持要素（５，７）の回転のロッキングは、前記部分（５，７）からの所望の部分を軸方向に動かすことによって行われ、その場合、係止される部分（５，６，７）は、ショルダー／溝配置（１１），（１２）により、回転不能部分（４），（５）に係止されるようになることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、中心線（Ｃ）へのおよびそれからそれる角度位置への前記後部（１５）の移動は、軸方向に導かれるドリルロッド（９）またはケーシング管（１）の移動と、ドリルロッド（９）またはケーシング管（１）のために選ばれた回転と、が組み合わせられるときに、行われることを特徴とする方法。