JP3124703B2 - 掘削機の掘削方向制御部密封装置 - Google Patents

掘削機の掘削方向制御部密封装置

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JP3124703B2 JP07096010A JP9601095A JP3124703B2 JP 3124703 B2 JP3124703 B2 JP 3124703B2 JP 07096010 A JP07096010 A JP 07096010A JP 9601095 A JP9601095 A JP 9601095A JP 3124703 B2 JP3124703 B2 JP 3124703B2
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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57−100290号公報、特開昭58−21030
0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5
7−100290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10
1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10
3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、10
3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5−2026
89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57−21
695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対応することがで
きず、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
グ下部に対向する下部回転シャフトに軸受を介してシ
ルボックスを回転自在に支持し、シールボックスと下部
回転シャフトとの間をシールすると共に、シールボック
スと円筒型ハウジング下部内周との間をベローズで接続
してシール部を形成し該シール部外周に保護カバーを
設けてなり、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部に封入した潤
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される
【0010】
【作用】図3に示す下部シール装置において、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、前記両者は平行状態にあるが、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、シール
ボックス21と円筒型ハウジング6の間を接続するベロー
26が変形して、下部回転シャフト2の軸直角方向の傾
きを吸収し、シール機構は下部回転シャフト2と平行状
態を保持したまま移動するから、掘削方向変更時の下部
回転シャフト2の傾きによりシール機構が破損すること
はない。したがって、装置内の潤滑油は常に外部から
断されており、外部漏洩することはない。
【0011】図4に示す上部シール装置16において、
底での高温により掘削方向制御装置内に封入した潤滑油
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。また逆に、泥水45の圧力が掘
削方向制御装置内に封入した潤滑油の圧力より高くなる
と、ブラダ41内の潤滑油44が連絡孔43を通して掘削方向
制御装置内に流出し、ブラダ41が収縮して潤滑油44と泥
水45の圧力が均等に保たれる。したがって、掘削方向制
御装置内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。
【0012】この発明の下部シール装置の一部を形成す
るベローズの機能としては、軸直角方向の撓みの吸収、
メカニカルシールの摺動抵抗に対して耐え得ると共に、
坑底での高温、高圧に対して耐え得ることが要求され、
それぞれの数値に基づいて適切に設計される。また、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。
【0013】
【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示す全体拡
大断面図、図4は上部シール装置の詳細を示す全体拡大
断面図である。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。
【0014】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
自在に装着された円筒型ハウジング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。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。
【0015】図3に示す下部シール装置7において、2
1は下部回転シャフト2に軸受22を介して取付けたシ
ールボックス、23はシールボックス21と下部回転シ
ャフト2との間の環状間隙に組込んだメカニカルシー
ル、24はシールボックス21に取付けたベローズ保持
部材、25は円筒型ハウジング6下部内周に取付けたベ
ローズ保持部材、26はベローズ保持部材24とベロー
ズ保持部材25とを連結するベローズ、27は円筒型ハ
ウジング6下端に螺合した下部回転シャフト2が貫通す
るシールボックス21およびベローズ26の保護カバー
である。二重偏心機構部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を支点軸受8
を中心として円筒型ハウジング6に対して曲げると、シ
ールボックス21とメカニカルシール23は円筒型ハウ
ジング6に対して偏心するが、ベローズ26が変形して
この偏心量を吸収し、シール機能に影響を及ぼさないよ
う構成されている。また、ベローズ26は、ベローズ保
持部材24、25の円筒型ハウジング6およびシールボ
ックス21との連結部が密閉シールされており、掘削方
向制御装置の内部に封入した潤滑油が外部に漏れないよ
う構成されている。
【0016】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15の上側近傍に設けた上部シール装置に
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の内周面に取り付けたブラダケー
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41の内部に潤滑油44が流出入し、外面は
外側の泥水45接触するように構成する。そして、ブ
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。
【0017】上記のように構成され、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潤滑油44を予め
地上で密に封入した掘削方向制御装置は、坑底での高温
により潤滑油44の圧力が泥水45の圧力より高くなると
潤滑油44の一部は連絡孔43を通してブラダ41内に流入
ラダ41が膨張する。そして、潤滑油44と泥水45の圧力
が均等なったとき、ブラダ41の膨張は止まる。また逆
に、泥水45の圧力が掘削方向制御装置内に封入した潤滑
油44の圧力より高くなると、ブラダ41内の潤滑油44が連
絡孔43を通して掘削方向制御装置内に流出し、ブラダ41
が収縮して潤滑油44と泥水45の圧力が均等に保たれる。
したがって、掘削方向制御装置内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、下部シール装置7および上部シール装置16から
の潤滑油44の漏洩や泥水45の侵入を防止することができ
る。
【0018】さらに、二重偏心機構部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に示すとおり、
下部回転シャフト2を支点軸受8を中心として円筒型ハ
ウジング6に対して曲げると、下部シール装置7は、シ
ールボックス21とメカニカルシール23が円筒型ハウ
ジング6に対して偏心するが、ベローズ26の変形によ
ってこの偏心量が吸収され、メカニカルシール23のシ
ール機能が損なわれることがなく、また、下部回転シャ
フト2と円筒型ハウジング6との相対的な傾きは、下部
シール装置7のベローズ26で吸収することができる。
【0019】
【発明の効果】以上述べたとおり、この発明の掘削方向
制御部密封装置は、下部回転シャフトを傾斜させて掘削
方向を変更する場合においても、下部回転シャフトと円
筒型ハウジング間の下部シール装置のシール機能が損な
われず、しかも相対的な傾きは下部シール装置のベロー
ズで吸収でき、掘削方向制御部を含む環状間隙に封入し
た潤滑油の圧力を上部シール装置のブラダによって泥水
圧力と均等に保持でき、下部シール装置および上部シー
ル装置からの潤滑油の漏洩を防止できると共に、潤滑油
封入部への泥水の侵入を防止でき、掘削方向制御部の損
傷を防止することができる。
【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拡大断面図である。
【図4】上部シール装置の全体拡大断面図である。
【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 シールボックス22、46 軸受 23、47 メカニカルシール 24、25 ベローズ保持部材 26 ベローズ 27 保護カバー 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
    下部に対向する下部回転シャフトに軸受を介してシール
    ボックスを回転自在に支持し、シールボックスと下部
    転シャフトとの間をシールすると共に、シールボックス
    と円筒型ハウジング下部内周との間をベローズで接続し
    てシール部を形成し該シール部外周に保護カバーを設
    けてなり、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部に封入した潤滑
    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した掘削機の掘削方向制
    御部密封装置。
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