JP3818438B2 - 坑底駆動型パーカッションドリル - Google Patents

Description

【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、駆動装置の動力源を、掘屑の排出に用いられる掘削流体とす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しているから、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２７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３４、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４０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３１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４４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３３Ａで遮断されているので、制御液室４５には制御通路４３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３３の後部液室３９は、低圧ポート４６から低圧部通路３１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

Claims (1)

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、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坑底駆動型パーカッションドリル。

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