JP3124702B2 - 掘削機の掘削方向制御部密封装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、油井、ガス井掘削機
等に代表される掘削装置の円筒型ハウジング内に収納さ
れた掘削方向制御部に封入した潤滑油の漏出を防止する
と共に、潤滑油封入部への泥水の侵入を防止するための
密封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下資源の採取あるいは土木工事を目的
として地下に孔を掘削する掘削装置、特に石油、天然ガ
ス、地熱蒸気などの地下流体資源を採取するためにその
賦存地層まで大深度の坑井を能率よく掘削する代表的な
掘削装置であるロータリー式掘削装置においては、固い
岩盤などを迂回させて掘削作業を継続させるために、ド
リルの進行方向を変更させる掘削方向制御装置が必要で
ある。また、掘削中に何らかの原因で掘削方向に狂いが
生じた場合には、掘削方向を目標とする方向に修正する
ため、掘削方向制御装置が必要である。

【０００３】従来、ロータリー式掘削装置の掘削方向制
御装置としては、特開昭57-21695号公報、特開昭57-100
290号公報、特開昭58-210300号公報等に各種の掘削方向
制御機構が提案されている。しかし、特開昭57-21695号
公報、特開昭57-100290号公報、特開昭58-210300号公報
等に開示の掘削方向制御機構は、掘削方向を全方位に亘
って制御できないばかりでなく、機構が複雑であるなど
の問題点を有しており、十分に満足できるものではなか
った。

【０００４】また、最近においては、複数の中空型調和
歯車減速機と、中空型調和歯車減速機のそれぞれの出力
要素に連結され、対応する各減速機回転軸に対して偏心
回転する偏心中空部を備えた複数の偏心回転部材と、前
記中空型調和歯車減速機の中空部および前記偏心回転部
材の前記偏心中空部を貫通した状態に装着された掘削機
ドリルの回転シャフトとを有し、偏心回転する前記偏心
中空部の内周面によって、前記回転シャフトの部分がシ
ャフト中心軸線とほぼ直行する方向に向けて変位せしめ
られるようになっている装置(特開平4-76183号公報)、
同軸状態に配置した第1および第2の中空型調和歯車減速
機と、前記第1の中空型調和歯車減速機と同軸状態に配
列され、この減速機により回転させられる第1の円環状
部材と、前記第2の中空型調和歯車変速機と同軸状態に
配列され、この変速機により回転させられる第2の円環
状部材とを有し、前記第1および第2の円環状部材は相対
回転可能な状態にそれらの環状端面が相互に重ね合わさ
れており、これらの重ね合わされた端面は、中心軸線方
向に対して一定の角度だけ傾斜した傾斜面に設定されて
おり、前記第1および第2の円環状部材の中空部分を貫通
した状態に掘削ドリルの回転シャフトを配置し、これら
の第1および第2の円環状部材を相対回転させて、この回
転シャフトを所定の方向に撓める装置(特開平5-149079
号公報)、図5に示すとおり、円筒型ハウジング101と、
この円筒型ハウジング101の円形内周面上に回転自在に
支持されていると共に、当該円筒型ハウジング101に対
して偏心した円形内周面を備えた第1の円環状部材102
と、この第1の円環状部材102の前記円形内周面上に回転
自在に支持されていると共に、当該円形内周面に対して
偏心した円形内周面を備えた第2の円環状部材103と、前
記第1および第2の円環状部材102、103をそれらの部材中
心の回りに相対的に回転させる中空型の調和歯車減速機
104、105とを有し、前記円筒型ハウジング101に対する
前記第1の円環状部材102の円形内周面の偏心量と、この
第1の円環状部材102に対する前記第2の円環状部材103の
円形内周面の偏心量とが等しくなるように設定されてお
り、前記第2の円環状部材103の円形内周面の中心と一体
的に移動するように先端にドリルビット106を有する回
転シャフト107を当該第2の円環状部材103に連結して、
前記第1および第2の円環状部材102、103を相対回転させ
ることによって、前記第1および第2の円環状部材102、1
03より上部の支点軸受108を支点として前記回転シャフ
ト107の位置決めを行う装置(特開平5-202689号公報)等
の提案が行われている。

【０００５】上記掘削機の掘削方向制御装置は、坑底で
使用されるため泥水の高温、高圧から保護する必要があ
る。掘削方向制御装置は、回転シャフトの外周に設けた
円筒型ハウジングとの間の環状間隙に配置され、潤滑油
が円筒型ハウジング両端のシールで水密状態に封入する
必要がある。掘削方向制御装置を保護する潤滑油は、地
上での大気圧、常温の状態で封入されたのち、坑底での
高温、高圧の状態にさらされるため、容積が変化しよう
として圧力変動が生じ、泥水圧との圧力差が大きくなっ
て円筒型ハウジング両端のシールの限界差圧を超えると
漏洩するか、あるいは泥水が潤滑油封入部に侵入し、掘
削方向制御装置の操作が不可能になる。従来、円筒型ハ
ウジングと回転シャフト間のシール装置としては、特開
昭57-21695号公報の第4図aおよび第4図fに見られるよう
な二重のリングシールが採用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭57-21695号
公報の第4図aおよび第4図fに見られるような二重のリン
グシールでは、円筒型ハウジングと回転シャフト間の掘
削方向制御装置部に封入した潤滑油の圧力変動に追従で
きないばかりでなく、掘削方向を変更する際の回転シャ
フトの軸直角方向変位による摺動により耐久性に欠点が
あり、潤滑油の漏洩や泥水の侵入を防止することは不可
能である。

【０００７】この発明の目的は、前記従来技術の問題点
を解消し、掘削機の掘削方向制御装置部に封入した潤滑
油の漏洩や泥水の侵入を長期間に亘って防止できる掘削
機の掘削方向制御部密封装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく種々試験検討を重ねた結果、掘削機の掘削
方向制御装置部による掘削方向変更時の回転シャフトの
軸直角方向変位による撓みは、ユニバーサルジョイント
を回転シャフトの一部として介在させることによって吸
収でき、ユニバーサルジョイントより上部の上部回転シ
ャフトは、軸方向に移動しないこと、また、ユニバーサ
ルジョイントより下部の下部回転シャフトの軸直角方向
変位は、シールボックスと円筒型ハウジングとをフレキ
シブルに連結することによって吸収できること、ユニバ
ーサルジョイントより上部の上部回転シャフトの軸受近
傍に潤滑油と泥水間に均圧機構を介在させたシール装置
を設けることによって、掘削機の掘削方向制御装置部に
封入した潤滑油の漏洩や泥水の侵入を長期間に亘って防
止できることを確認し、この発明に到達した。

【０００９】すなわち、この発明の掘削機の掘削方向制
御部密封装置は、上下端にシール装置を設けた円筒型ハ
ウジング内に回転自在に支持された上部回転シャフトと
下部回転シャフトとの間にユニバーサルジョイントを介
在して軸直角方向に偏心可能に接合した中空の回転シャ
フトからなり、その内部を泥水などの流体をとおし、掘
削時に発生する掘削を排出するように構成した掘削方向
制御装置において、下部シール装置は円筒型ハウジング
下部に接続した中空の凹状球面部材と中空の凸状球面部
材を、両者間をシールすると共に軸直角方向の回転を阻
止して組み合せた第1の傾き吸収部と、第1の傾き吸収部
の凸状球面部材に接続した中空の凹状球面部材と下部回
転シャフトに軸受を介して支持し、かつ該支持部をシー
ルした中空の凸状球面部材を組み合せた第2の傾き吸収
部から構成し、上部シール装置は上部回転シャフトを支
持する上部軸受の上側近傍の上部回転シャフトに軸受を
介して支持し、かつ該支持部をシールしたブラダケース
の上下端を円筒型ハウジング内周面に取り付け、該ブラ
ダケースに外嵌めして内部に掘削方向制御装置に封入し
た潤滑油が流出入する連絡孔を設け、外周面が外部の泥
水に接触する弾性体のブラダから構成する。

【００１０】

【作用】この発明の下部シール装置は、図3に示すよう
に、円筒型ハウジング6の下部に接続した中空の凹状球
面部材21と中空の凸状球面部材22を、両者間をシールす
ると共に軸直角方向の回転を阻止して組み合せた第1の
傾き吸収部と、第1の傾き吸収部の凸状球面部材22に接
続した中空の凹状球面部材23と下部回転シャフト2に軸
受27を介して支持し、かつ該支持部をシールした中空の
凸状球面部材24を組み合せた第2の傾き吸収部からなる
から、回転シャフトの回転時には、軸直角方向の回転が
阻止される。

【００１１】しかし、掘削方向制御装置により掘削方向
が変更される際、回転シャフトが円筒型ハウジングに対
し傾くと、第1の傾き吸収部の球面中心Aを回転中心に、
該球面中心Aと第2の傾き吸収部の球面中心Bの間の距離
を回転半径として下部シール装置全体が傾くことができ
る。この下部シール装置が傾く際には、第2の傾き吸収
部の凸状球面部材と下部回転シャフトの相対位置は変動
しないから、下部シール装置のシール機能を損なうこと
はない。

【００１２】また、この発明の上部シール装置は、図4
に示すように、上部回転シャフト1を支持する上部軸受1
5の上側近傍の上部回転シャフトに軸受46を介して支持
し、かつ該支持部をシールしたブラダケース42の上下端
を円筒型ハウジング6の内周面に取り付け、該ブラダケ
ース42に外嵌めして内部に掘削方向制御装置に封入した
潤滑油が流出入する連絡孔43を設け、外周面が外部の泥
水45に接触する弾性体のブラダ41から構成されるから、
坑底において高温となり上部シール装置16と下部シール
装7置の間に封入した潤滑油が膨張すると、潤滑油が連
絡孔43を介してブラダ41内に流入し、ブラダ内の潤滑油
圧が外部の泥水圧力と均圧するまでブラダは膨張する。

【００１３】また、外部の泥水圧力が高圧となると、ブ
ラダ内の潤滑油44が連絡孔43を介して前記と逆に掘削方
向制御装置内に流出し、ブラダ41内の潤滑油圧力が外部
の泥水圧力と均圧するまでブラダは収縮する。したがっ
て、掘削方向制御装置に封入した潤滑油の圧力と外部の
泥水の圧力は、常に均圧状態に保たれる。その結果、上
部シール装置および下部シール装置からの潤滑油の漏洩
や泥水の侵入を防止することができる。

【００１４】この発明の上部シール装置の一部を形成す
るブラダの材質は、坑底での高温、高圧に耐えることが
必要であり、合成ゴム弾性体で、合成ゴムとしては、ウ
レタンゴム、ニトリルゴム等を用いることができる。ま
た、上部シール装置と下部シール装置に介在せしめるシ
ール機構としては、メカニカルシールとOリングを組み
合せたものを用いることができる。

【００１５】

【実施例】以下に、この発明の詳細を、実施の一例を示
す図1ないし図4に基づいて説明する。図1はこの発明の
掘削方向制御装置の概略全体構成図、図2はこの発明の
掘削方向制御装置で回転シャフトを偏心させた状態の概
略全体構成図、図3は下部シール装置の詳細を拡大して
示す全体断面図、図4は上部シール装置の全体断面図で
ある。

【００１６】図1ないし図2において、1はロータリー式
掘削装置の上部回転シャフト、2は下部回転シャフトで
上部回転シャフト1とユニバーサルジョイント3により接
続されている。4は下部回転シャフト2の先端に同軸状態
に連結したドリルカラー、5はドリルカラー4の先端に固
定したドリルビットで、上部回転シャフト1は上部にあ
る図示しない回転駆動機構に連結されている。6はドリ
ルカラー4より上部の上下回転シャフト1、2の外周を囲
むように配置した円筒型ハウジングで、該円筒型ハウジ
ング6の先端と下部回転シャフト2との間には下部シール
装置7が設けられている。

【００１７】8は下部シール装置7上部の円筒型ハウジン
グ6と下部回転シャフト2との間に設けたドリルビット5
の荷重を受ける支点軸受、9は支点軸受8上部の円筒型ハ
ウジング6と下部回転シャフト2との間に設けた二重偏心
機構部で、円筒型ハウジング6の内周面に回転自在に装
着され円筒型ハウジング6に対して偏心した円形内周面
を備えた第1の円環状部材11と、第1の円環状部材11の円
形内周面に回転自在に装着された当該円形内周面に対し
て偏心した円形内周面を備えた第2の円環状部材12から
構成されている。

【００１８】13は二重偏心機構部9の直上に設けた前記
第1の円環状部材11を回転させる第1の調和歯車減速機、
14は二重偏心機構部9の直下に設けた前記第2の円環状部
材12を回転させる第2の調和歯車減速機である。15は上
部回転シャフト1の下部を軸支する軸受、16は円筒型ハ
ウジング6の上部と上部回転シャフト1との間の上部シー
ル装置である。

【００１９】図3に示す下部シール装置7において、第1
の傾き吸収部は、円筒型ハウジング6の下部に接続した
中空の凹状球面部材21と中空の凸状球面部材22を、両者
間をシールすると共に軸直角方向の回転を阻止して組み
合せてなる。第2の傾き吸収部は、第1の傾き吸収部の凸
状球面部材22に接続した中空の凹状球面部材23と下部回
転シャフト2に軸受を介して支持し、かつ該支持部をシ
ールした中空の凸状球面部材24を組み合せてなる。

【００２０】第1および第2の傾き吸収部の前記シール
は、凹凸球面の間にそれぞれOリング28、29を介在して
なり、掘削方向制御装置内に封入した潤滑油が外部に漏
れないようにする。また、第1および第2の傾き吸収部の
軸直角方向の回転を阻止する手段として、凹状球面部材
21、23の球面に軸方向の長溝を設け、この長溝にはまる
回り止めピン30、31を凸状球面部材22、24に設け回り止
めとした。

【００２１】第2の傾き吸収部の凸状球面部材24と下部
回転シャフト2との間には、両者間の環状隙間に組込ん
だメカニカルシール25および軸受27が介在し、下部回転
シャフト2は自在に回転できる。

【００２２】下部回転シャフト2の軸線が円筒型ハウジ
ング6の軸心に一致している場合は、全ての部材が平行
状態にあるが、二重偏心機構9の第1および第2の円環状
部材11、12を第1および第2の調和歯車減速機13、14によ
り回転させ、下部回転シャフト2を円筒型ハウジング6に
対して傾けると、第1の傾き吸収部の球面中心Aを回転中
心として、第1の傾き吸収部の球面中心Aと第2の傾き吸
収部の球面中心Bとの距離を回転半径とした円弧の中
で、第2の傾き吸収部の球面中心Bが移動する。このと
き、第2の傾き吸収部の凸状球面部材22と下部回転シャ
フト2の間は平行状態が保持されるので、メカニカルシ
ール25のシール機構を損傷することはない。

【００２３】なお、第1の傾き吸収部と第2の傾き吸収部
との間は、凹状球面部材21の下端に設けた取付け具33と
凹状球面部材23の上端に設けた取付け具34との間に伸縮
性環状体32を取り付ける。また、第2の傾き吸収部の凹
状球面部材23と凸状球面部材24のそれぞれの先端に取付
け具36、37を設け、その間に伸縮性環状体35を取り付け
る。この伸縮性環状体32、35により、下部シール装置内
への泥水の侵入を防止する。

【００２４】図4に示す上部シール装置16において、ゴ
ムなどの弾性体からなるブラダ41は、上下端を円筒型ハ
ウジング6の内周面に取付けたブラダケース42と円筒型
ハウジング6の内周面との環状空間に介在し、下方は連
絡孔43により掘削方向制御装置の潤滑油室に通じ、ブラ
ダ内部に潤滑油44が流出入し、外面は外側の泥水45に接
触するように構成する。そして、ブラダケース42と上部
回転シャフト1との間の環状隙間には軸受46を設けて上
部回転シャフト1を円筒型ハウジング6の軸心に維持し、
かつその環状隙間の上端部はメカニカルシール47を組込
んで密閉する。

【００２５】坑底での高温により掘削方向制御装置の内
部に封入した潤滑油44の圧力が泥水45の圧力より高くな
ると、潤滑油の一部は連絡孔43を通してブラダ41内に流
入しブラダが膨張する。そして、潤滑油44と泥水45の圧
力が均等となったとき、ブラダ41の膨張は止まる。

【００２６】また、逆に泥水45の圧力が掘削方向制御装
置の内部に封入した潤滑油44の圧力より高くなると、潤
滑油の一部は連絡孔43を通してブラダ41内から掘削方向
制御装置内流出し、ブラダ41が収縮する。そして、潤滑
油44と泥水45の圧力が均等となったとき、ブラダ41の収
縮は止まる。

【００２７】上記の構成により、掘削方向制御装置内の
下部シール装置7と上部シール装置16との間の環状隙間
に、予め地上で密に封入された潤滑油44は、上部シール
装置16の上記作用により、坑底で温度や圧力が変化して
も常に外部の泥水45の圧力と均衡を保ち、差圧を生じな
いので、掘削方向制御装置内への泥水45の侵入を防止で
きる。

【００２８】図1に示すように、下部回転シャフト2の軸
線が円筒型ハウジング6の軸心に一致している場合は、
全ての部材が平行状態にあるが、二重偏心機構9の第1お
よび第2の円環状部材11、12を第1および第2の調和歯車
減速機13、14により回転させ、図2に示すように、下部
回転シャフト2を円筒型ハウジング6に対して傾けると、
図3に示すように、下部シール装置7は、下部回転シャフ
ト2と共に第1の傾き吸収部の球面中心Aを回転として、
第1の傾き吸収部の球面中心Aと第2の傾き吸収部の球面
中心Bとの距離を回転半径とした円弧の中で、第2の傾き
吸収部の球面中心Bが移動する。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明の掘削方向
制御装置密封装置によれば、下部回転シャフトを傾けて
ドリルビットによる掘削方向の変更は、2つの吸収部か
ら構成した下部シール装置によりシール機構を損なうこ
となくできる。また、装置内に封入した潤滑油の圧力
は、上部シール装置のブラダの膨張・収縮により常に外
部の泥水の圧力と均等に保つことができるから、上部シ
ール装置・下部シール装置からの潤滑油の漏洩および泥
水の侵入を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の掘削方向制御装置の概略全体構成図
である。

【図２】この発明の掘削方向制御装置で回転シャフトを
偏心させた状態の概略全体構成図である。

【図３】下部シール装置の全体断面図である。

【図４】上部シール装置の全体断面図である。

【図５】特開平5-202689号公報に開示の油井掘削機の掘
削方向制御装置の概略説明図である。

【符号の説明】

1 上部回転シャフト 2 下部回転シャフト 3 ユニバーサルジョイント 4 ドリルカラー 5 ドリルビット 6 円筒型ハウジング 7 下部シール装置 8 支点軸受 9 二重偏心機構部 11 第1の円環状部材 12 第2の円環状部材 13 第1の調和歯車減速機 14 第2の調和歯車減速機 15 上部軸受 16 上部シール装置 21 第1の凹状球面部材 22 第1の凸状球面部材 23 第2の凹状球面部材 24 第2の凸状球面部材 25、47 メカニカルシール 27、46 軸受 28、29 Oリング 30 第1の回り止めピン 31 第2の回り止めピン 32、35 環状伸縮部材 33、34、36、37 取付け具 41 ブラダ 42 ブラダケース 43 連絡孔 44 潤滑油 45 泥水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21B 17/04 E21B 7/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下端にシール装置を設けた円筒型ハウ
   ジング内に回転自在に支持された上部回転シャフトと下
   部回転シャフトとの間にユニバーサルジョイントを介在
   して軸直角方向に偏心可能に接合した中空の回転シャフ
   トからなり、その内部を泥水などの流体をとおし、掘削
   時に発生する掘削砕を排出するように構成した掘削方向
   制御装置において、下部シール装置は円筒型ハウジング
   下部に接続した中空の凹状球面部材と中空の凸状球面部
   材を、両者間をシールすると共に軸直角方向の回転を阻
   止して組み合せた第1の傾き吸収部と、第1の傾き吸収部
   の凸状球面部材に接続した中空の凹状球面部材と下部回
   転シャフトに軸受を介して支持し、かつ該支持部をシー
   ルした中空の凸状球面部材を組み合せた第2の傾き吸収
   部から構成し、上部シール装置は上部回転シャフトを支
   持する上部軸受の上側近傍の上部回転シャフトに軸受を
   介して支持し、かつ該支持部をシールしたプラダケース
   の上下端を円筒型ハウジング内周面に取り付け、該プラ
   ダケースに外嵌めして内部に掘削方向制御装置内に封入
   した潤滑油が流出入する連絡孔を設け、外周面が外部の
   泥水に接触する弾性体のプラダからを構成した掘削機の
   掘削方向制御部密封装置。