JP3732442B2 - 水平方向掘削用非開削動力装置およびボトムホールアセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
本願は、２０００年７月４日に出願された米国仮出願番号６０／１７４，４８７および２０００年５月９日に出願された米国仮出願番号６０／２０３，０４０の優先権を主張するものである。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平方向掘削、特に、前記掘削技術用のボトムホールアセンブリの改良に関する。
【０００３】
【従来の技術】
水平方向掘削方法はよく知られており、従来の開削工程と比較して多くの長所がある。掘削時に穴の進路をより正確に監視および誘導することは、依然として要求されている。この要求は特に、既存の配管がそれぞれの敷設記録や「施工」記録に対してしばしば不正確に敷設されている、公共設備地役権などの発生する回廊地帯では緊急性がある。
【０００４】
本書で使用される用語「ゾンデ」および「監視／追跡装置」とは、非開削業界で周知のボアホールを監視および追跡する計測装置を意味する。用語「ボーリング装置」とは、ロックトリコーンドリル用ビット、多結晶ダイアモンド（ＰＤＣ）ビット、またはその他の業界で知られているドリルまたはボアホールを延長する装置を意味する。最後に、用語「非開削動力装置」および「マッドモータ」とは、業界で一般的に知られているドリルパイプ／ドリルストリングをある種のドリルリグにより回転させることなく、ボーリング装置を回転させてホールまたはボアを継続する業界で一般的に知られている装置に関する。
【０００５】
既知の水平方向掘削用ボトムホールアセンブリは、一般的に、自身の（水平方向からの）ピッチ、位置記録（水平軸に対して、例えば１２時を基準として、時計方向または反時計方向への揺れ）、および深度を示す電磁的な信号を伝達するゾンデを備える。このゾンデはまた、回廊地帯を受信器または検出器で掃引する人に、指定された回廊地帯のゾンデの水平および垂直位置を特定することを可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現在の工具技術の限界により、送信器／誘導システム、またはゾンデは通常、非開削動力装置を使用する際に、ボーリング装置から相当の距離を置いて配置されている。ゾンデは、ボーリング装置の約２０フィートから約５０フィートの間でのみ配置可能である。これは、非開削動力装置が一般的に、ゾンデを組み込んで設計されていないことに原因がある。ゾンデとボーリング装置の間の距離は、特に穿孔経路に関するパラメータがとても制限されている仕事を担当する場合、公共事業の穿孔担当者にとってとても大きな問題となる。
【０００７】
ゾンデは、ボーリング装置から２０フィート＋後方にあるゾンデの位置を示す信号を発信する。この種の穿孔は、後部座席からリアウインドウを見ながら車を前方方向に運転するようなものとして説明されている。穿孔担当者には、現在穿孔しているところではなく、すでに穿孔されたところしか「見え」ない。これは、ボーリング装置が進路をはずれ、指定された回廊地帯の外をボーリングし始めた場合に大きな問題となる。作業者はボーリング装置が進路を２０フィート＋はずれるまでこの問題が起こったかどうか気付くことはない。作業者はが、ボーリング装置が進路に戻るように操縦したかどうかを見るために長く待っている間、ボーリング装置がさらに進路をはずれて進む場合もある。これは、穿孔担当者がケーブル配線、ガス管などを破壊するリスクの原因となり、そのような破壊が発生した場合、費用がかかるだけでなく、危険も伴うことになる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ゾンデを非開削動力装置またはマッドモータの先頭部に搭載した水平方向掘削用改良型ボトムホールアセンブリを提供する。好適な実施例では、ゾンデは、ベアリングマンドレルまたはビット駆動シャフトを囲む非開削動力装置のハウジングの壁に形成されたポケットに配置される。より詳細には、ゾンデを収納するポケットは、マンドレルを支持するスラストベアリングとマンドレルと動力部を結合するフレックスシャフト伝達との間に軸方向に形成される。このようにゾンデを前方に配置することにより、穴をボーリングしている際の計測の精度を大幅に改善し、目的の経路にある重要な配管と穴の位置の特定を容易にする。
【０００９】
ここに開示されたゾンデを搭載する配置は、ゾンデを時計方向に適当な調整することを可能にし、一定の柔軟性を有し、作動時にゾンデに伝達される振動の力を制限する。
【００１０】
この他にゾンデを搭載する構造物が開示されている。これらの構造物はそれぞれ、比較的ボーリング装置の近くにゾンデを配置することを可能にしているため、従来技術よりも精度を改善している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
特に図１、２Ａ−２Ｄ、５、および６の図面で、掘削方向は左側に向かうものとし、左側方向の構成要素は掘削方向からみて前方部分と呼ぶこともある。反対に、それらの構成要素の後方または後尾端部は右側に示される。ボーリングが垂直に行われる場合、前方方向は下方方向であってもよく、後方方法は上方方向であってもよい。
【００１２】
図１に示されるように、ボトムホールアセンブリ１０はボーリング装置またはビット１１と、前方端部にビット１１を搭載した非開削動力装置またはマッドモータ１２と、から構成される。ドリルストリング１３はマッドモータ１２の後尾端部に従来の方法で結合されている。
【００１３】
マッドモータ１２は、図２Ａ−２Ｄに示されるように、中心にスルーボア１９が形成された中空円筒形ベアリングマンドレル１８を備えている。ビット１１は、ベアリングマンドレル１８の前方端部に形成されたビットボックス２１に結合されている。このため、ベアリングマンドレル１８はビット１１を駆動して回転させ、ドリルストリング１３からの推力を伝達する。
【００１４】
その前方端部２２に隣接して、ベアリングマンドレル１８は下部管状円筒形ハウジング２３に一組のラジアルベアリング２４により回転可能に支持されている。ベアリングマンドレル１８の円錐形段付き部２８は、ラジアルリング３１の円錐形穴２９に受けられている。リング３１の放射状の面は隣り合う一組のラジアルベアリング２４の一つに隣接するように配置されている。下部または前方部ハウジング２３の雄ネジ３６は、雌ネジ３８で伸長中空円形外部ハウジング４１の前方端部３９に結合している。
【００１５】
スラストベアリングの組４４、４６は環状フランジ４８のそれぞれ反対側にキャリアナット４７で組み立てられている。キャリアナット４７はベアリングマンドレル１８の外部のネジ部４９にネジ込まれている。キャリアナット４７は位置決めネジ５１により、フランジ４８の周囲に間隔を置いてベアリングマンドレル１８の所定の位置に固定されている。
【００１６】
登録商標ＤＵョで市販されている材料などから構成される適当な自動注油材のスリーブベアリング５３は、外部ハウジング４１に形成されたカウンタボア５４に受けられ、ベアリングマンドレル１８の中部および後尾部の長さにわたって回転可能に支持する働きをしている。周囲の外部ハウジング４１の囲む長手方向のボア５６は、ベアリングマンドレル１８の主な長さにわたってクリアランスを与えている。
【００１７】
環状ピストン５９は外部ハウジング４１のカウンタボア６１のマンドレル１８の後方部分を浮動する。ピストン５９は、ベアリング５３、４４、４６の環状区域の油を保持する。円形ベアリングアダプタ６２はベアリングマンドレル１８の後部にネジ込まれている。アダプタ６２の周囲に分散された複数のホール６３が斜めに穿孔するなどして、アダプタに形成され、その外部からアダプタの中央ボア６４へ泥を流す。示されているように、中央ボア６４は、直接ベアリングマンドレル１８のボア１９に直接連通している。ベアリングアダプタ６２は、外部ハウジング４１の後方部のカウンタボア６７に組み立てられたスリーブタイプのマリンベアリング６６に回転するように放射状に支持されている。部品６８は冷却用に泥がマリンベアリング６６を介して流れるようにしている。
【００１８】
フレックスシャフト７１はロータアダプタ７２をベアリングアダプタ６２に回転可能に結合している。フレックスシャフト７１のそれぞれの端部には、ベアリングアダプタ６２のスカート部７６またはロータアダプタ７２のスカート部７７に軸方向に延在する溝とフレックスシャフトの窪みに固定された、フレックスシャフトの周囲上に間隔を開けて位置する複数のボール７４から構成される低速ユニバーサルジョイント７３が備えられている。各カップリングまたはユニバーサルジョイント７３はさらに、フレックスシャフトの軸上にボール７８と、それぞれのベアリングアダプタ６２またはロータアダプタ７２に受けられたボールシート７９を備えている。各ユニバーサルジョイント７３は、各スカート７６、７７にねじ込まれたボンネット８１を有し、ジョイントまたはカップリング７３をアセンブリに保持している。円筒形ラバー弾性スリーブ８２がボンネット８１のそれぞれの中に配置されており、ボール７４、７８のエリアのグリースを保持し、このエリアから汚染物を排除している。円筒形環状フレックスハウジング８４はフレックスシャフト７１を覆い、ジョイント８６後部へのねじ込みによって外部ハウジングの後方端部に固定されている。フレックスハウジング８４は中央面８７で、その後方端部の中央軸がその前方端部の中央軸と、小さな角度、例えば２°ずれるように湾曲している。その後方端部では、フレックスハウジング８４は、マッドモータ１２の動力部８９のステータまたはハウジング８８にネジ込みジョイント９１により固定されている。ステータ８８は中空の内部に溝が付いた部材で、その内部では外部に溝が付いたロータ９２が動作する。ステータ８８とロータ９２により形成される動力部８９の構成と動作は一般的に知られている。ロータアダプタ７２は、ロータ９２の前方端部にネジ込まれ、これらの部材を一緒に回転可能に結合している。ドリルストリング１３はアダプタにより、あるいはアダプタを使用せずに、ステータの後方端部にネジ込まれている。フレックスシャフト７１はロータ９２の回転および軌道運動をベアリングマンドレル１８の単純な回転に変換している。
【００１９】
特に図３および４で、外部ハウジング４１は、スラストベアリングユニット４４、４６の後方のポケットまたは伸長リセス１０１に形成されている。ポケット１０１は、外部ハウジング４１の壁をハウジング４１の長手方向軸に横断する図４の面で９０°の角度でフライス加工、または切り出す。ポケット１０１の周囲は比較的に浅いシートまたはリセス１０２で、ハウジング４１の壁と同様に切り出されている。図４の面を見ると、このシートはハウジングの軸と中心を同じくした円筒形の弓形の面１０３と放射状に延在する面１０４を有している。
【００２０】
ポリウレタンまたはその他の適当な材料のラバー弾性サルコファラガス１０６は、一般的にポケット１０１の表面に適合した外部表面を有している。サルコファガス１０６は円形のボトムスロット１０７とともにゾンデ１０８を収納するように構成されている。より詳細には、スロット１０７は、市販の標準的な寸法のゾンデ、たとえば、直径１−１／４インチ長さ１９インチ、を収納するようになっている。サルコファガスは、スロットとともに、直径１インチ、長さ８インチの他の標準サイズのゾンデを取り付けるように構成されてもよいし、あるいは、第二のサルコファガスを備えて小型のゾンデの有効な寸法を大型サイズの寸法まで大きくしてもよい。スチール製またはその他の適当な材料からなる弓形のカバープレート１０９はシート１０２のエリアに嵌合して、ゾンデ１０８を覆う、すなわち掘削工程時に破損しないように保護するようになっている。カバー１０９は、シート１０２に取り付けられた場合に、ポケットまたはスロット１０１を覆うハウジング４１の外部円筒形面の半径と同じ半径をもつ外部円筒形面１１１を形成するようになっている。カバー１０９は、複数の長手方向のスロット１１２を備えており、ゾンデ１０８から送信された電磁信号が通過できるようになっている。汚物がポケット１０１に入り込むことや、またはゾンデ１０８にまで到達することのないように、スロット１１２はエポキシなどの非金属材料が充填されている。さらに、ゾンデが信号を広角度で送信できるようにするため、ハウジング４１本体には、ホール１１３が穿孔されており、それらのホールはエポキシなどの非金属の充填材で充填されている。浅い溝１１４は、ポケット１０１の周りの面１０３の一般的に四角いパターンに切り込まれており、Ｏリングシールを受けている。
【００２１】
サルコファガスの円形のボトムスロットまたは溝１０７は、ゾンデ１０８を摩擦嵌合するような寸法になっている。これは、ゾンデ１０８が長手方向の軸に回転または揺れることができるようにして、フレックスハウジング８４の湾曲した面と比較した角度方向を登録することにより、「位置記録」するようにしている。
【００２２】
カバーまたはプレート１０９は、カバーのスルーホール１１８に組み込まれた複数のスクリュ１１７によりゾンデ１０８の上部の位置に保持され、外部ハウジング４１に形成されたネジ穴１１９に合わせられる。ネジ穴１１８、１１９は、カバー１０９表面の周囲に分散されている。Ｏ−リング１１６はカバー１０９の内側表面に向かい合って、掘削作業中にポケット１０１に汚物が入り込まないように密封する。
【００２３】
スクリュ１１７がカバーをシート表面１０３に向かい合わせて密接に締め付けると、サルコファガス１０６は、ゾンデ１０８の周りがカバー１０９により押し込められるような寸法になっている。こうしてサルコファガス１０６が押し込めることにより、ゾンデはしっかりと保持され、ゾンデは調整されて「位置記録」された位置に固定されるようになる。サルコファガス１０６のラバー弾性特性は、カバー１０９により押し込まれた時にゾンデを弾力的に保持することができるだけでなく、掘削作業時に発生する過度の衝撃の力からゾンデ１０８を緩衝する働きをすることもできる。
【００２４】
ゾンデ１０８用に弾力性を持った他の構造物を搭載することも考えられる。例えば、ゾンデ１０８をポケット１０１に配置し、その上を覆うように弾性スチールを配置することによりゾンデをポケット１０１に保持することもできる。ストラップは適当なスクリュまたはその他の部品により所定の場所に保持することができる。
【００２５】
マッドモータ１２が動作すると、ステータ８８とロータ９２の間を通過する泥または水はマッドモータの伝達部およびベアリング部を介して、フレックスハウジング８４、外部ハウジング４１、下部ハウジング２３に向かい、ビット１１に供給される。より詳細には、泥はフレックスシャフト７１とフレックスハウジング８４の内部ボア１２０の間の環状部を介して流れる。この環状部から、泥は環状に穿孔されたホール６３を介してベアリングアダプタの中央ボア６４に入る。泥はこのボア６４から軸方向ボア１９を介してベアリングマンドレル１８に入る。
【００２６】
上述の記述から、ゾンデがメインハウジング部、すなわち、外部ハウジング４１の壁に収納される、開示された配列は、最小のハードウェアで複雑な構成を必要とせずに、ビットのとても近くにゾンデを配置することが可能であることが理解できる。これから、動力部８９からビット１１への泥の流れは制限されることはなく、さらに伝達部の直径を、必須のベアリングおよびその他の構成要素が必要とする長さよりもさらに延長することも不要であることも理解できる。ゾンデ１０８をビット１１の近くに配置することにより、従来技術よりもはるかに高い精度で掘削作業の進行を監視、追跡することが実現される。
【００２７】
パイプストリングをその希望する経路に沿って操縦するようにマッドモータを操作することは当業者には自明である。一般的に、ボアの方向を調整する場合、ビットが必要な調整された方向を指すようにドリルストリングを回転させる。ビットの位置はゾンデにより地上の受信者に送信される。マッドモータがビットを回転している間、ドリルストリングは回転に対して保持され、ドリルストリングは、前方に押し出され、ボアの方向を向け直す。開示されたマッドモータは、前方部部分にスラストベアリング４４の組を備えたことにより、独自の機能が可能になっている。これらのベアリング４４は、ドリルストリングが穴から引き抜かれている時にビット１１を回転させ、この引き抜き作業の間、穴拡張装置により、穴が都合のいいように広がるようにしている。
【００２８】
図５および６は、本発明の追加の実施例を示している。図１−４の実施例に関連して説明したものと類似した部品には同じ番号を付けている。図５は、ゾンデ１０８を収納する管状円筒形カラー１２６が、図１−４の実施例の外部ハウジング４１に対応するハウジング１２７の周りに備えられている。カラー１２６はスチールまたはその他の適当な材料により作られている。カラー１２６は、カラー１２６の壁にねじ込まれ、ハウジング１２７の壁に穿孔されたブラインドホール１２９に受けられている位置決めネジ２８によりハウジング１２７に対して長手方向に角度をもって固定されている。ゾンデ１０８はサルコファガス１０６に収納され、カバー１０９により前述のように保護されている。カラー１２６は、位置決めネジ２８の他にも、その他の様々な技術を応用して、ハウジング１２７に固定することができる。カラー１２７は、例えば、雄ネジや、ストップショルダを備えたハウジングの場所で、ハウジング１２７にねじ込むことができる。もう一つの技術として、カラー１２６をハウジング１２７に溶接することもできる。望ましい場合、または必要な場合、ゾンデ１０８はカラー１２６の軸と同一直線上の穴に組み込み、一方の端部を開けておくことができる。使用中は適当な栓で閉じておくことができる。
【００２９】
図６は、本発明のもう一つの実施例を示している。ベアリングマンドレル１８とビット１１の間にカプラ１３１が配置されている。カプラ１３１は、ビットボックス２１と対になる雄ネジと、ビット１１を受ける雌ねじを有している。カプラ１３１にはゾンデ１０８を受けるポケット１０１が形成されている。カプラ１３１は泥をベアリングマンドレル１８からビット１１に伝える中央ボアがある。望ましい場合、一面の開いたポケット１０１の変わりに、軸方向に向かった穴を用いてゾンデを収納することができ、その穴は適当な栓で閉じておく。さらに、望ましい場合、ゾンデをカプラ１３１の中央に配置し、ウォーターコルセットまたは注水口を穿孔するか、あるいはカプラを介して軸方向に設け、ゾンデに対して周囲方向に間隔を開けて、泥がカプラを介して通過できるようにする。
【００３０】
本発明を特定の実施例について示し、記載してきたが、本書は、限定することではなく、説明することを目的としており、当業者には、本発明の意図された精神と範囲の中で、本書に示され、記載された個別の実施例のその他の変形態様または修正態様も明らかである。従って、本特許は本書に示し、記載された個別の実施例の範囲および効果に限定されることはなく、決して、本発明により導かれる技術の進歩の範囲と矛盾するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ボトムホールアセンブリと、ドリルストリングの一部の側面図。
【図２Ａ】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図２Ｂ】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図２Ｃ】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図２Ｄ】 本発明に従って構成されたマッドモータの長手方向の断面図。
【図３】 マッドモータとゾンデの一部の部分透視組立図。
【図４】 図２Ｂの図を４−４で示される面で切ったマッドモータの横断断面図。
【図５】 本発明に従った第二の実施例の、部分的に断面を含んだ側面図。
【図６】 本発明に従った第三の実施例の、部分的に断面を含んだ側面図。

Claims (11)

1. ベアリング部、伝達部、動力部から構成される水平方向掘削用非開削動力装置において、
   前記ベアリング部は、ビットを駆動するシャフトと、前記シャフトを放射状および軸方向に支持するベアリング構造物と、を備え、
   前記動力部は、ドリルストリングから受ける泥の流体力により、動作するロータを備え、
   前記伝達部は、前記動力部の前記ロータからの力を前記シャフトに伝達し、前記ベアリング部、伝達部、動力部は、それぞれを囲むハウジングエリアを各々有し、
   前記ベアリング構造物は、前記ベアリング部の前記ハウジングエリア内に含まれ、
   前記非開削動力装置はさらに、前記ベアリング構造物の後方、前記ベアリング構造物と共通した区域に放射状にある、前記ベアリング部ハウジングエリアに担持された、自身の位置に関するデータを電磁信号として地上に発するゾンデを備えたことを特徴とする非開削動力装置。
2. 前記ベアリング部に対応する前記ハウジングエリアは前記シャフトを囲み、前記シャフトを囲むハウジングエリアはポケットを形成する壁を有し、前記ゾンデは前記ポケットに配置されることを特徴とする請求項１に記載の非開削動力装置。
3. 前記シャフトを囲むハウジングエリアに取り外し可能に固定された前記ゾンデを保護する、前記ポケットを覆うカバーを備えたことを特徴とする請求項２に記載の非開削動力装置。
4. 前記カバーは、前記シャフトを囲むハウジングエリアにねじ込まれた複数のスクリュにより前記囲むハウジングエリアに固定されていることを特徴とする請求項３に記載の非開削動力装置。
5. 軸方向に延在するベアリングと、
   湾曲したハウジングを有した伝達部および動力部と、
   前記ベアリング部に対応する前記ハウジングの一部に回転可能および軸方向に支持された軸方向に延在するベアリングマンドレルと、
   自身の位置に関するデータを電磁信号として地上に発するゾンデとを有する、前方端部に前記ビットを搭載した非開削動力装置から構成され、
   前記ベアリング部は、ラジアルベアリングとスラストベアリングを備え、
   前記ベアリング部と前記動力部は、それぞれ軸を有し、それらの軸はお互いに小さい角度を形成し、
   前記ビットは、前記ベアリングマンドレルにより担持され、
   前記伝達部は前記動力部からトルクを前記ベアリングマンドレルに伝達して、前記ビットを前記ハウジングに対して回転するように駆動し、
   前記ゾンデは、前記ベアリングマンドレルに対応するハウジング部に位置し、
   前記ラジアルベアリングと前記スラストベアリングは、前記ベアリングマンドレルに対応する前記ハウジング部により持続される反力に対して、放射状に誘導し、軸方向の力を前記ベアリングマンドレルに加え、
   前記ゾンデは、前記ラジアルベアリングおよびスラストベアリングの後方部で、前記ラジアルベアリングおよびスラストベアリングにより放射状に占有される、軸方向の区域を占有することを特徴とするボトムホールアセンブリ。
6. 前記ベアリングマンドレルに対応する前記ハウジング部が軸方向に延在するポケットを含み、前記ゾンデが前記ポケット内に配置されることを特徴とする請求項５に記載のボトムホールアセンブリ。
7. 前記ポケット内にラバー弾性サルコファガスを備え、前記ゾンデは前記サルコファガス内に位置することを特徴とする請求項６に記載のボトムホールアセンブリ。
8. 前記カバーは前記ゾンデからの電磁信号が通過可能なスロットを有し、前記スロットには非金属材料が充填されていることを特徴とする請求項３に記載の非開削動力装置。
9. 前記スロットは長手方向に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の非開削動力装置。
10. 前記ハウジングに取り外し可能に固定された前記ゾンデを覆うカバーを備え、前記カバーは前記ゾンデからの電磁信号が通過可能なスロットを有し、前記スロットには非金属材料が充填されていることを特徴とする請求項７に記載のボトムホールアセンブリ。
11. 前記スロットは長手方向に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のボトムホールアセンブリ。

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