JP4703571B2 - 放電パルスによる掘削のための方法、掘削機、ドリルビット、および穴底面組立体 - Google Patents
放電パルスによる掘削のための方法、掘削機、ドリルビット、および穴底面組立体 Download PDFInfo
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Description
他の既知の方法(特許文献1)は、地中の穴の掘削に関するもので、放電液の掘削穴への供給およびドリルビットの表面上に適切な配置で配設された複数組の電極間で繰り返される放電が組み込まれたもので、前記の放電は絶え間ない高電圧パルスによって3つのうちの少なくとも1つのパラメータに対応して引き起こされるが、掘削のために要求される電力消費の最小化のための最適値に設定される。前記のパラメータは、i)掘削すべき物質の破砕に要する負荷電圧、ii)1パルスのエネルギー、iii)放電液の流量である。
そのパラメータの最適値を見積るための計算式が与えられており、それはその最適値が掘削のエネルギー消費効率および前進に顕著に影響を与えることに基づいている。
この後者の掘削機の放電液の液体循環システムは、その液は通常ディーゼルまたは変圧器油が適用されるが、放電液リザーバ、放電液ポンプ、および放電液ホースならびにパイプを含む。その循環システムは、リザーバを通過し、ポンプおよび放電ホースならびにパイプを通過してドリルパイプの上端へ行き、そして下りは、同心配置の2つのドリルパイプの環の間を通過し高電圧パイプ区間及び絶縁体を通過し、ビット下に広く自由に排出し、次に流れの中に掘削された切削物を運びながら接地パイプと掘削穴の壁面との間の環内を遡上し、そして最終的に掘削穴上端の偏流ニップルを通過しホースおよびパイプを通ってリザーバへと戻る。リザーバでは、液体が再循環される前に切削物が分離される。このように放電液が循環される。ビットの外では高電圧パイプ液体の内部液体流だけが方向性手段に従うが、それは極めて限られており、ノズルは全く内蔵されていない。環の流れは全く自由であり、またそのより大きな断面は全く前者を問題にしていない。
2つの組に分けられた複数の電極は、一方は高電圧で他方は接地であり、互いに対して固定して配置され、掘削進行軸を中心としたユニットとしての小さな扇状回転のみ許容されているが、パルスエネルギー利用あるいは別の言葉で言えばパルスエネルギー管理の観点から、別の深刻な欠点を意味する。
いくらか掘削が行われた後のボア前面でのランダム配置を推定すると、どの2つの電極も底面と接触する見込みが殆ど無い。与えられたパルスによりどちらか一方が、電極の固定的な配置に起因して、底面から小さなあるいは大きな液体の隙間により分離され、それにより、一部は液中でそして一部は底面の材質の中でパルスを消滅させ、その結果エネルギー効率を低下させ、掘削の進行を遅らせる。この目的に対する従来技術の唯一つ解決方法は、扇状回転が許容されることであるが、ビットと穴の底面との間の物理的接触を通して適合を推進することが仮定されており、吟味を経た判定では、これは最良でも効果が些少か、あるいは全く無いことを示している。
各組の電極が複数の電極であるという思想は、別の欠点を含んでいる。それは断面がカバーする範囲の観点から、およびどの2つの逆極性の電極の組も遅かれ早かれ「熱い」組になり、全体的な進行速度を引き上げるという理由付けから想起されたものと解せられる。しかしながら、逆極性の電極のペアの穴の底面での接触が発生することが見落されている。しかしそのような距離で、所与のパルス電圧では火花は飛ばないか液体中を飛び、それにより、効率および掘削の進行速度を低下させる。
従来技術のプラズマ掘削による花崗岩のように乾いた硬い岩塊の切削物の解析は、掘削プロセスにおいて物理的な力がごく僅かまたは全く存在していないことを示している。これは、2つの良好に配置された電極の間にパルスが印加された後の初期段階では、切削物または切削物の集合体は、空洞内に切削物としてその場所に正確に適合して配置され、空洞底面とその周辺は、直前には一体で固い穴の底面であった、ということを結論付ける理由を与える。従来技術の電気的パルス掘削の思想における深刻な欠点は、それに組み込まれた切削物を原産の空洞から排出する対策が全くないか最小の対策しかないことである。ビット下からの放電液の軸方向の自由な流れが唯一の解決策である。それは、他の掘削法や地下で掘られたはるかに少ない切削物を取り除くためにそこで使用される油圧エネルギーと比べれば、全く不適切なように見受けられる。それゆえ、従来技術の放電掘削では、切削物は、破砕後相当の時間一定の場所に留まり、反復パルス放電を受けて小さな破片に粉砕され、最終的に穴の底面から排出されると考えるのは合理的である。穴の底面の掃除効率が悪いことが、掘削進行の遅速化の主要な要因であることは、掘削の実用例から広く知られている。これらの実例では、油圧、切削、および打撃に加えて機械的手段を掃除を促進するために共通して使用している。
これは不適切な穴の底面の掃除の別の面であり、掘削速度を遅速化することで深刻な欠点を成す。
英国の特許明細書(Tylko1966)では、アークプラズマが熱源として用いられ、循環液は、残渣すなわち掘削の切削物の除去に加えて、冷却作用を有している。アークプラズマ掘削は高速作業には未だ成功していない。
本発明は、電気パルスの思想に基づいた掘削機を、あらゆる種類の岩盤または同様の材質の人工物の掘削のための、以下掘削と呼ぶ穴形成の形態により、垂直、斜め、水平もしくはそれらを組み合わせた方向で、またあらゆる直径または長さにおいて提供する。ここにおいて電気パルスの思想は、放電液の循環、及び、対象物の破砕のために必要なパルスエネルギーを有し、高周波数で高電圧のパルスが穴の底面に存在することを組み込んでいる。高周波数、高電圧、および十分なエネルギーの定義は、すべて前述の文献を参照するが、典型的には、周波数1〜20Hz、250〜400KV、および1〜5KJである、但しこれらの数値範囲のみには限定されない。
本発明はさらに、高電圧パルスの伝送距離が大きく減少され、又、掘削穴を通過する、又地表におけるエネルギー移送の安全な電圧レベルが促進される、穴の底面でのパルス発生機またはそのような複数の発生機の思想を含んでいる。
本発明の新規性はまた、掘削プロセスにおける油圧エネルギーの相互作用であり、ポンプからの流れに対する高圧下での放電液のための循環ループからなり、ポンプは、本発明の一形態では穴の下に位置し、他の態様では地表に位置して適切なホースまたはパイプによってドリルビットに接続され、ノズルを介してドリルビットに組み込まれ、ノズルは、ビット下からの切削物の除去のための新規の配置および方向を有し、それにより穴の底面を効果的に掃除し、前記の循環ループは、最終的にドリルビット回りの環状の空間を通り、放電液を掃除し、また切削物を除去し、貯蔵システムへと戻る帰還フローを含んでおり、貯蔵システムは本発明の一態様では穴の下に位置しており、他の態様では地表に位置しており、そしてそこから液体は掃除の後に掘削穴へと再循環され、前記の切削物除去システムは、環状断面の掘削の場合、その環が掘削された後に、コアとして掘削穴に残され一体で地表に引き上げられるべき円筒状の多量の切削物を切削および引き上げるための配置を含んでいる。
本発明は、最後に、掘削および掘削材料における機械的相互作用、ここでは切削物除去プロセスと呼ぶ、のための一体化した手段、を備えた電気パルスドリルビット構成を組み込んでいる。切削物除去プロセスは、
物理的接触、回転、軸方向、その他もしくはそれらを組み合わせた運動を適用し、ドリルビット突起部に実装された擦過、切削、打撃、または類似の装置の動作による。
そのような運動は、各電極をシリンダ内のプランジャのように実装することで促進されるが、そのシリンダは、ドリルビット突起部に固定され、電極カムプランジャがシリンダ内に配置されたつる巻ばね、または電極の背後のシリンダに印加される油圧、またはそれら2つの方法の組み合わせ、もしくはその他の種々の手法によって前方へと押し出される。油圧の場合には、電極は、圧力が電極の両側に印加され、電極がピストンのように強制的に掘削方向で前方、および反対方向、以降これを後退方向と呼ぶ、の両方に動くことを可能にするように構成されうる。あるいは、その運動は、ヒンジでドリルビット突起部に取り付けられて上記に例示されたような方法および手段によって強制作動されるアームに各電極を実装することによって促進され得る。ここでは一つだけの運動成分が軸方向であり、またはその電極運動がそれら2つの方式の組み合わせであり得る、もしくはその他の種々の方式やそれらの組み合わせであり得ることを理解すべきである。
各電極の前進に限定された軸方向運動の自由度の第1の目的は、各電極にとって常に底面接触を確保することである。動作上、電極を前方へと押す合力がドリルビットを底面から持ち上げる傾向にあることとなり、通常、掘削組立体の重力によってビット上の重量は補足されるべきであるが、必ずしもそうではなく、そのようなビット上の重量が底面上の電極をその場に保たせるために前記の合力を超えるべきである。この思想に基づく穴の底面接触のシナリオは、以降これを実施形態A1と呼ぶが、シリンダにおける完全格納底面における最低1つの電極を意味し、前記の電極(または複数)はその(それらの)所定比率以上のビットの重量部分を担持し、そしてその他の電極は穴の底面の形状に許容されたその運動に従ってシリンダ内で前方に多少運動、それらの電極は所定比率以下のビットの重量部分を担持する。
あるいは、1つの電極は、ドリルビット突起部に対して動かないように固定されることも可能である。この場合の連続稼動モードでは、以降これを実施形態A2と呼ぶが、この電極を穴の底面を越えたビット位置に定め、また他の電極をしてその底面接触を穴の底面形状によって許容されるシリンダ内での前進運動によって遂行させる。
このようなすべての電極の穴の底面への常時接触は、すべての電極のギャップが電気的に並列に接続されているが、常に抵抗と同等またはほぼ同等の回路要素を構成することを意味し、それによりより大きな通過電荷量を可能にし、従来よりも大きなパルスエネルギー供給を必要とする。このような供給を受けて、この新しいドリルビットは、パルスエネルギー供給の増加オーダーと同じオーダーで掘削速度を従来の速度に比べて増加させることができる。
上述のような2方向油圧電極制御を組み込んだ形態では、新しい電気パルスドリルビットは電極稼働ギャップの制御の可能性を含んでいて、以降これをA3と呼ぶ。一つの操作モードでは、一瞬または短時間で、一つを除く全てのA3構成の電極の組は格納され、前記1つの電極の組だけが穴の底面に接触し、既定の長さの一つのパルスもしくは一連のパルスが穴の底面の既定の場所に発せられる。その後前記1組の電極は、次のパルス又は一連のパルスが発せられる前に別の1組の電極、例えば、但し必ずしも限定されないが、近くの1組の電極に交代される。そしてコンピュータ制御または同様の手段による、連続的な油圧電極制御によって体系的に稼働電極の組を交代する。それは穴の底面全体が電気パルスで走査されるまで、回転ビットと殆ど同様のやり方で、但しこの場合ビットは回転を停止した状態で、行われる。一連のパルスの長さは、主要切削物の粉砕のために必要と推定されるパルス数によって決定される。この回転の態様は、従来のパルスエネルギー以上のエネルギーを全く要求しないが、両方の電極が底面に完全に接触することが保障され、従来技術に対し掘削効率が大幅に進歩する可能性があり、かつパルスエネルギーが穴の底面の断面領域全体に供給されるため、十分な方向安定性を持つ。
上記の電気パルスが、適切な放電液中に置かれ穴の底面に接触する2つの電極間で放電するとき、破砕された穴の底面の素材と共に切削物が形成される、以降これを初期切削物と呼ぶ。従来技術による初期切削物は、大きさおよび形状が比較的正確に定義される、長さは0.6〜0.8Sに等しく、幅は0.3〜0.5S、および厚さは0.2〜0.3Sであり、ここにSは電極間距離である。初期切削物は、端部はあまり丸まっていないが、厚さ方向の軸に沿って切断した断面が楕円形状である。
半径方向、接線または他の方向に向いたすべての電極ギャップに当てはまる一般的条件は、初期切削物の運動ベクトルの方向が、電極間の元の連結線に対して可能な限り直角であり、また妥当であれば次の稼働電極ギャップから離れているべきである。しかしそれらは、他の電極による閉塞の危険性が最小の、または全くない外周への直進経路を画定するため、十分にそして出来るだけ僅かに妥協される。
従来技術による個々の電気パルスは、持続時間=10μSを有することが知られている。示された運転周波数の範囲内で、2つまたはそれ以上のパルス発生機が並行して動作する時間があり、各々が専属の電極ギャップに供給する、または連続して同一または同一組の電極ギャップに供給するが、すべてのパルスエネルギーは、発生機から電極ギャップへと、一つの切替装置を介して同じ経路で伝送される。
上述の形態(実施形態A)において本発明は、地上に配置され油圧および機械的に地下穴のパルス発生機およびドリルビットに、ドリルストリングによって接続された、循環ポンプを有する全体の掘削機の一部として適用される。ドリルストリングは、好適なパイプ、ホースまたはパイプとホースとの組み合わせで構成され、それ自体は導管として機能し、またはその中に1KVACまたは他の実用的な電圧レベルの適切な電気エネルギーを伝送するためのケーブルを導管に組み込み、前記ドリルビットは掘削穴の全断面領域を掘削し、切削物は循環して地表に戻され、そこで放電液から取り除かれ、その後に放電液は掘削穴へ再循環される。
実施形態Bの特徴によれば、それは小さめの掘削穴に好適であるが、半径方向の電極ギャップが2つの対向する半径に沿って位置し、第1の電極は一つの半径の外周部に配置され、第2の電極は同じ半径上の中央付近に配置され、そして第3の電極は対向する半径上に、最初の2つの間の距離Sと等しい距離Sを第2の電極から隔てて配置され、そして第4の電極が、回転方向とは反対方向の外周上に第1の電極から距離Sを隔てて配置され、最後に第5の電極が、回転方向とは反対方向の外周上の第3の電極から距離Sを隔てて配置され、これら5つの電極が全体としてビットの下から見てS字に概ね似たパターンを形成し、反時計回りの回転方向を与えられる。好ましい実施形態では、前記電極は、さらに2組の電極、一方は高電圧で一方は接地、を有し、各組の電極は、隣接する電極が一貫して逆極性であるように配置される。前記の線の構成および電極の配置は、1つの半径上の電極が中心の周りを、他の1つの反形状にある電極が従う円形パターンとは異なる円形パターンに従うときに、少なくとも一つの電極ギャップが、ビット突起部の回転により穴の底面の何らかの単位断面領域を横断して移動し、それにより全掘削穴の断面掘削を促進する。前記の電極または一つを除くすべての電極は、ビット突起部に対し限定された運動自由度を許容され、前記運動は掘削の方向によって定義される軸方向に沿うか又は平行で、もしくは少なくともその方向の運動成分を有する。
各電極の軸方向運動が前進方向に限定されている主要な目的は、電極を掘削穴内において電極が永続的に掘削穴に物理的に接触する状態を保つことである。操作上は、電極を前方に押す合力が、ドリルビットを底面から引き離す傾向があり、ビット上の重量が働かなければならないが、それは一般には掘削組立体の重力によるが、必ずしもそれに限定されず、そのようなビット上の重量はビットを底面に対して押すため、前記の合力を超えるように供給される。この思想に基づく穴の底面接触のシナリオは、以降これをB1と呼ぶが、シリンダ内の完全に格納された底面位置にある最低1つの電極を意味し、前記電極はそのビット上の重量の案分された部分以上を担い、そしてその他の多数の電極は、穴の底面の形状によって可能な運動に従ってシリンダ内で多少前方に動き、それらの電極はビット上の重量の案分された部分以下を担い、シリンダに対する前記電極の位置は、回転および穴の底面の形状に従って時々刻々と移動する。
あるいは、一つの電極がドリルビット突起部に対して動かないように固定することも可能である。この場合の動作モードは、以降これを実施形態B2と呼ぶが、この電極に、穴の底面の上方にビット位置を画定させ、他のすべての電極に、穴の底面の形状および回転によって許容されるシリンダ内の前進運動によって底面接触を実現させることである。
あるいは、すべての電極が固定されることも可能であり、以降これを実施形態B3と呼ぶが、この構成は、その電極が少ないことが、一般的に穴の底面との接触の頻度を従来技術より低下させるため適切である。
本発明はビットからの切削物の輸送の優先的方向を定義し、その輸送は上記で定義された初期切削物が放出されたときに作られる空洞から出発するが、その生来の位置から底面母岩のまとまった部分として引き上げられるわけではない。また本発明は初期切削物の生来の位置から穴の底面の断面領域の外周へ、そしてそこから掘削穴の環への迅速な除去のための対策を定義する。掘削穴における切削物の移動方向は、通常半径方向である。前記半径方向の運動は、ビット突起部の外周に位置し接線方向に向いた電極ギャップからの初期切削物に対し直接適用される。半径方向に向いた電極ギャップの場合、または他の方向のギャップの場合、この一般的な優先方向は、半径方向から回転とは反対方向に曲げられ、掘削穴中心から外周方向に見て、切削物が最も隣接する接線方向の電極ギャップ、または特定の電極構成が要求する最も隣接する電極ギャップの組、もしくは前記電極ギャップを通る直線的経路に出来るだけ近い電極ギャップ、を通過する直線経路を切削物がとるのに十分な程度、修正される。
すべての電極ギャップの方向、半径方向、接線または他の方向に当てはまる一般的条件においては、初期切削物の運動のベクトル方向は、運動の始まった場所では、電極同士の連結線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば、隣接した稼働電極ギャップから離れる方向で、或いは回転方向と反対方向であるべきである。いずれにしても、外周への直進経路を画定するために十分かつ最小限に修正され、他の電極により妨害される危険性を最小又は無くする観点から、経路は選択される。
本発明は、セラミック化合物、エポキシ、または同様の材料の電気絶縁性材料からなるドリルビット突起部を組み込んでいて、その表面から電極が最小の距離で突出し、その内部には放電液の流れのためのくり抜かれた通路が組み込まれている。その通路は分割および交換可能なノズルの挿入を可能にするための出口構成を有しており、ノズル出口の配置および方向は各電極ギャップに特定の方向であり、油圧ノズルジェットを初期切削物が破砕され緩んだ際に常にできる亀裂に可能な限り正確に打撃することを促進し、前記打撃またはジェット衝撃はジェットが打撃する初期切削物の表面に対して平行な方向、または可能な限り同様な並行方向に近い方向を有し、そして前記打撃はまた、その特定の電極ギャップに対し、切削物の運動の優先的方向に沿ったベクトルの主成分を有している。
本発明によれば、ノズルを通して増大される油圧は、実用上可能な限り高く、4MPa以上でなければならないことがまた明確にされるが、厳密な値は適正な流量に基づいて選択されたノズルの直径によって決定される。本発明はまた、ビット突起部の表面に刻設された開放通路または溝を含んでおり、前記溝は初期切削物が通過出来るほど十分に広い断面領域を有し、また初期切削物の運動の優先的方向と同じ方向に向いている。
本発明は、1KVAC、又は上述の他の実用的な電圧の入力、を用いた電気的または磁気的な貯蔵機構のような、既知の電気的構成の電気パルス発生機を組み込んでいる。それは穴の直径および放電液の経路のような地下穴の配置の制約に従い、かつ地下穴の機械的および熱的強度を満たすように構成されており、一つのシングルパルス発生機または複数のパルス発生機から構成される。複数のパルス発生機は、互いに間隔を持つパルスを有しており、切り替え装置を通して各々が並行してその対応する電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、または順次同様の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能する。そのような発生機はビットの直ぐ後または少なくともビット付近のドリルストリングに組み込まれ、パルス伝送管は可能な限り短くし、また掘削穴の深さとは無関係に設定される。一方、掘削穴の全長を通してエネルギー移送は1KVAC又は他の実用的な電圧で行われる。
このような動きは、各電極をあたかもプランジャのようにシリンダ内に実装し、そのシリンダをドリルビット突起部に固定して、その電極またはプランジャを、シリンダ内に置かれた巻ばね、電極の背後のシリンダに印加される油圧または、それら2つの方式の組み合わせ、またはその他同様の手法によって、電極を前方に押すことで促進され得る。油圧の場合には、圧力がその両方に印加され、電極が強制された運動によって掘削方向に対して前進または後退の両方向でピストンのように動作し得るように構成することが可能である。あるいはその運動は、各電極をドリルビット突起部にヒンジで取り付けられたアームに実装して、上記で例示した方法および手段によって強制されて動くようにすることで促進され得るが、但しここではその運動の1つの成分が軸方向であればよく、または他の方式もしくはそれらの組み合わせが可能であることは勿論である。各電極の限定された軸方向運動の自由度の主要な目的は、電極を確実に常時底面接触させることにある。
合力が電極を前方に押すことで、ドリルビットを底面から引き上げる傾向となり、ビット上の重量は強化されなければならず、それは通常掘削組立体の重力によるが、必ずしもそうではない。そのようなビット上の重量は底面上にビットが維持されるように前記の合力を超えるべきである。
このように操作されることで、もし限定された軸方向運動、これをここで各電極の「ストローク長」と呼ぶが、穴の底面の形状の軸方向の起伏を超えるならば、穴の底面とすべての電極とが効果的に接触する。起伏は、電気パルス掘削では電極間距離の関数であると認識されている切削物の推定サイズに基づいて推定されるので、電極の常時接触のために十分なストローク長の基準となる。
このようなすべての電極が常時穴の底面と接触することは、意味する電気的に並列に接続される全ての電極ギャップは、常に同等またはほぼ同等の電気抵抗を有する回路要素を構成し、それにより、より大きな電荷が通過することを可能にし、また従来よりも大きなパルスエネルギーの供給を必要とすることを意味する。このような供給があれば、この新規のドリルビットは、従来経験されていた速度よりも、パルスエネルギーの供給量の増加倍率と同じオーダーの倍率で加速された掘削速度を実現可能である。
動作の一態様においては、一例として実施形態Cn-ゼロの一つを除くすべての電極の組は、一瞬または短時間に格納され、底面接触は前記1組のみによって発生し、穴の底面の所定位置に1パルス又は既定の長さのパルスの列が放出される。前記1つの電極の組は、次のパルス又はパルス列が発振される前に他の組、例えば隣接する組、但しこれに限定されない、に交代される。こうしてコンピュータまたは同様の手段により制御される連続する電極の油圧操作により、体系的に稼働中の組を交代し、穴の底面全体を、回転するビットと同じように、電気パルスによって掃引する。しかしこの場合、ビットの回転は停止状態にある。その列の長さは、初期切削物の破砕に必要と推定されたパルス数によって決定される。この動作の態様は、従来以上のパルスエネルギーを必要としないが、それでも両電極の十分な底面接触を確保し、それにより従来技術を卓越した大きな掘削効率の向上の可能性を得、また穴の底面断面全体に亘る均一なパルスエネルギーの印加により十分な方向安定性を得る。
この形態の本発明の動作上の側面では、コアバレルの長さと等しい長さに環状掘削穴を掘削し、そしてその基部でコアを切断し、掘削穴の外部へと引き上げる。そのためにコア切断とコア把持の機構がビットの直ぐ上のバレルに組み込まれ、コア切断機構は例えばビット又はバレルの環状壁面に組み込まれた一つ以上の小さな炸薬の形態であり、コアが切断される時、指向性の電気的、油圧または他の衝撃によって発火する。コア把持機構は、例えばコアバレル内壁の内側に拡張可能な部位の形態であり、それは開放されると、引き上げが始まる前に起動されて拡張し、コアを保持する。
本発明は、その掘削効率の重要性に鑑みて、ビットからの切削物の輸送の優先的方向を画定し、前記輸送は上記で詳述されたように初期切削物が放出された時の空洞から出発し、しかし底面母岩の塊としてその生来の位置から引き上げられず、解決策として、初期切削物の生来の位置から穴の底面の断面領域の外周へ、そしてそこから掘削穴の環を上昇する。掘削穴内の切削物の運動方向は、通常半径方向である。一つの特定の実施形態Cでは、狭い環によりビットからの切削物移動の優先方向に配置される電極に対し、一つだけの半径が可能な場合、ビットからの運動は専ら外側へと向かう半径方向になる。
すべての電極ギャップの方向、半径方向、接線または他の方向に当てはまる一般的条件においては、初期切削物の運動のベクトル方向は、運動の始まった場所では、電極同士の連結線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば、隣接した稼働電極ギャップから離れる方向で、或いは回転方向と反対方向であるべきである。いずれにしても、外周への直進経路を画定するために十分かつ最小限に修正され、他の電極により妨害される危険性を最小又は無くする観点から、経路は選択される。
本発明は、セラミック化合物、エポキシ、または同様の材料の電気絶縁性材料からなるドリルビット突起部を組み込んでいて、その表面から電極が最小の距離で突出し、その内部には放電液の流れのためのくり抜かれた通路が組み込まれている。その通路は分割および交換可能なノズルの挿入を可能にするための出口構成を有しており、ノズル出口の配置
は、環状のドリルビットの内周に沿って、1組の電極をなす2つの電極の中間点又はその近くに位置し、ノズルの方向は、初期切削物が破砕された際には常に発生される亀裂へ油圧ノズルジェットによって各電極ギャップに対して可能な限り正確な打撃を促進するため、各電極毎に特定されており、前記の打撃またはジェット衝撃は、そのジェットが当る初期切削物の表面に対して平行か、または出来るだけそれに近い方向を有しており、かつ前記の打撃はまた、その特定の電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向に沿う主なベクトル成分を有している。本発明の一つの特徴はまた、ノズルを通して増大される油圧は実用上可能な限り高くなくてはならず、4MPa以上であるべきであり、その厳密な値は適切な流量に基づいて選択されたノズルの直径によって定まる。本発明はまた、ビット突起部の前面上に刻設された開渠通路を組み込んでいて、前記の通路は十分広い断面領域を有しており、初期切削物が通過して切削物の優先的方向に一致した方向へと移動することを許容している。
本発明は、上述したような所定レベルおよび継続時間の連続した一連のパルスを出力する電気パルス発生機を含み、理論的には1KVACまたはその他の実用的レベルでの電気的または磁気的な蓄積の設計に従い、穴直径および放電経路のような地下穴配置の制約に応じるように構成され、そして地下穴の機械的および熱的強度ならびにその他の要求に適合し、前記の地下穴パルス発生機は、一つのシングルパルス発生機または複数のパルス発生機で構成される。複数のパルス発生機は、互いに間隔を持つパルスを有しており、切り替え装置を通して各々が並行してその対応する電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、または順次同様の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能する。そのような発生機はビットの直ぐ後または少なくともビット付近のドリルストリングに組み込まれ、パルス伝送管は可能な限り短くし、また掘削穴の深さとは無関係に設定される。一方、掘削穴の全長を通してエネルギー移送は1KVAC又は他の実用的な電圧で行われる。
実施形態Cの一つの特別な形態は、地下穴のパルス発生機の直上かつ切削物の掃除、貯蔵ユニットの直下に配置された循環ポンプを含んで構成され、切削物の掃除、貯蔵ユニットは、コアバレル長と等しい環状穴長から発せられる切削物を保持するための十分な容量を有する切削物チャンバおよび、例えばしかし限定されないが沈殿ピットと、網と、そして遠心分離機のような放電液掃除装置から構成される。それらすべては地下穴に配置され、切削物チャンバと共に一括して配置され、掘削穴を遡上する浮遊切削物を含む環状の放電液が掃除システムを通過して案内され、その間に切削物が切削物チャンバに沈殿されて、そして放電液がポンプ吸引口へと向けられる。
この実施形態Cの望ましい態様では、穴の底面の全ての掘削組立体は地表に一つの鋼鉄ワイヤロープで接続され、前記ロープはその内部に信号伝送および実用的な電圧での電力伝送のための電気ケーブルが内蔵され、掘削穴はそれが圧力形成および安定性のため必要な場合に限り液体で満たされる。乾いた硬い岩塊を掘削する際には、本発明の実施形態において掘削される穴は、切削物チャンバの頂上または僅かに上まで液体が注ぎ込まれる。いずれの場合でも、循環は、ビットおよびコアバレル、パルス発生機およびポンプならびに切削物チャンバおよび掃除システムを合せた長さに対応した掘削穴の長さに制約され、その合計長さはコアバレルの長さの2〜3倍と推定される。油圧およびそれに関連したビットエネルギーのエネルギー消費は、地表への循環を有するフルプロファイル掘削と比較して大幅に低減されるであろう。
(図面の簡単な説明)
図1bは、図1aのドリルビットの軸方向断面図である。
図2aは、本発明による第2の実施形態Bの装置用のドリルビットの端面図である。
図2bは、図2aのドリルビットの軸方向断面図である。
図2cは、本発明による第3の実施形態Cの装置用のドリルビットの端面図である。
図2dは、図2cの別の実施形態のドリルビットの端面図である。
図2eは、図2cのドリルビットの長手方向断面図である。
図2fは、非回転動作のための第3の実施形態Cのドリルビットの端面図である。
図3aは、第1の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図3bは、第2の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図3c−fは、さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図4aは、第1の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図4bは、第2の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図4cは、第3の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図4dは、第4の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図5aは、非回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
図5bは、図5aに対応する回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
図5cは、図4dに対応する穴底面組立体を有する移動可能な掘削装置の拡大側面図である。
4、5 電極 6 通路 7 ノズル
8 油圧シリンダ 9 油圧チャンバ
10 油圧液供給ライン 11 油圧液ポンプ
12 電気ケーブル
Claims (45)
- 逆極性の地下穴の電極間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面に掘削穴を掘削する方法であって、
その中を好適な放電液が循環し、
すべての前記電極がすべての関係する地下穴の形状に物理的に接触することを確実にするため、前記電極が相互におよびドリルビット突起部に対して移動可能であり、
放電エネルギーおよび機械的エネルギーが組み合わされて、出力を増加するための亀裂を生起する、
ことを特徴とする方法。 - 前記亀裂から切り離される時に初期切削物を浮かせて除去するため、ノズルを介して4MPa以上の圧力増大を有する前記循環する放電液のジェット噴射が向けられる、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記ドリルビットから最小の固定距離にある、1KVまたはその他の実用的な電圧レベルが地表から供給される、少なくとも1台の高電圧パルス発生機が地下穴に配備される、ことを特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 前記掘削穴断面の掘削範囲は、前記ドリルビット突起部の回転または往復運動の組み合わせ、および、1個又は2−3個の半径と接線に沿ってビット表面に置かれた電極によりカバーされること、を特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- すべての前記電極がすべての前記地下穴の形状に物理的に接触することを確保するため、前記電極が相互におよびドリルビット突起部に対して掘削方向に平行に移動すること、を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 一つの前記電極がドリルビット突起部に対して固定され、他のすべての前記電極は互いにそしてドリルビットに対して移動する、ことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 移動可能な前記電極は、ドリルビット突起部に対して前方に押し出され、それらが穴の底面の底面形状に打ち当たることで、それらの個別の位置を見出すことが可能となる、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 移動可能な前記電極は、交代する電極の一組または交代する一群の電極の組が穴の底面に接触し、他は穴の底面との接触から外れたそれらの格納位置にあるように常時作動される、ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の方法。
- 高電圧放電パルスが、ドリルビットの後方に配置された少なくとも1台の地下穴パルス発生機によって生起される、ことを特徴とする請求項1記載の方法。
- すべての電極ギャップが、同等の条件でパルス発生機または複数のパルス発生機に電気的に並列接続されている、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電極ギャップが、同等の条件でパルス発生機に電気的に直列接続され、時間的にずらされて個々に専用のパルスを受ける、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電極ギャップが、既定のパルス分配プログラムに従って、全くまたは部分的に他の電極ギャップとは関係なく、それぞれパルスを受ける専用のパルス発生機に電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、掘削軸から半径方向外側に向かう、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- ビット下から切削物を除去するための前記優先的方向は、前記半径方向から可能な限り小さな角度を有して外れる実質的直線的ラインに沿い、他の電極がビット下からのいかなる切削物の排出の妨害とならない方向に向けられ、ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、回転移動方向とは反対側で半径方向からある角度を有する方向である、ことを特徴とする請求項13記載の方法。
- 各ジェットのベクトル方向は、ビット下から切削物を除去するための優先的方向に沿って見た場合、初期切削物が切り離される時に形成される亀裂の方向と合致または可能な限り合致する、ことを特徴とする請求項13記載の方法。
- 前記ドリルビットまたは前記ドリルビットの一部分が、穴の底面に対して強制された物理的な運動を与えられ、
i 等速の1方向回転運動と、
ii 1方向間欠回転運動と、
iii 任意に可変速の1方向連続回転運動と、
iv 任意周波数、任意振幅または任意エネルギーレベルの2方向連続往復回転運動と、
v 任意周波数、任意振幅、任意エネルギーレベルまたは任意間隔の2方向間欠往復回転運動と、
vi 掘削穴の軸方向へ、任意周波数、任意振幅または任意エネルギーレベル、任意間隔または穴の底面と任意の相互作用の2方向往復線形運動と、
からなる動作モードの内、少なくとも一つを有する、ことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記ビット突起部と前記穴の底面との間の物理的な相互作用が、切削、擦過、打撃またはその他、任意の物理的相互作用の形でのドリルビットの運動によって生起される、ことを特徴とする請求項16記載の方法。
- 前記掘削穴が下記の一連の動作によって形成されることを特徴とする請求項1記載の掘削方法。
i 固体状のコアのコアバレル内での引き起こしを許容する、有限長を有する環状の掘削穴区間の掘削、
ii 地表に配置されたポンプから、ドリルストリング、環状のドリルビット内に組み込まれたノズルを通ってホール下方へ、穴底面組立体およびドリルストリングを囲む環を遡上して地表へ、放電液タンク、それに内蔵された液分離および清浄システムへ、そしてその後、再循環のためのポンプの吸引側へと至る放電液の循環、
iii コアバレル内でのその根元または根元付近におけるコアの現場切削、
iv コアのコアバレルへの取り付き、
v コア、コアバレルおよびドリルストリングを含む全地下穴掘削アッセンブリの地表への引き上げ、
vi コアのコアバレルからの除去、
vii 一連の繰り返しのための全地下穴掘削アッセンブリの穴の底面への降下。 - 前記掘削穴が下記の一連の動作によって形成されることを特徴とする請求項1記載の掘削方法。
i 固体状のコアのコアバレル内での引き起こしを許容する、有限長を有する環状の掘削穴区間の掘削、
ii 地下穴装置に配置されたポンプから、環状のドリルビット内のノズルを通って、地下穴装置を囲む環を遡上して地下穴装置の頂上に配置された切削物バスケットのエントリ区間へ、バスケットへおよびそれに内蔵された液分離および清浄システムへ、そしてその後、再循環のためのポンプの吸引側へと至る放電掘削液の循環、
iii コアバレル内でのその根元または根元付近におけるコアの現場切削、
iv コアのコアバレルへの取り付き、
v コア、コアバレルおよび切削物バスケットを含む全地下穴掘削装置の地表への引き上げ、
vi コアのコアバレルからの除去、および切削物のバスケットからの除去、
vii 一連の繰り返しのための全地下穴掘削装置の穴の底面への降下。 - 逆極性の電極間での高電圧パルスによって生起される放電を与えるための手段と、掘削領域に好適な放電液を循環させるための手段によって地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、
すべての電極がすべての関係する地下穴形状に物理的に接触するように、互いおよびドリルビット突起部に対して、移動可能な電極を有し、底面に亀裂を生成するため機械的衝撃を与え、初期切削物が切り離されるとすぐに切削物を浮かして除去するよう、穴の底面に対するジェット衝撃ポイントと実際の放電ギャップに対して固有のジェットベクトル方向を有する、循環液をノズル噴射するための油圧ノズル7からさらになる、ことを特徴とする、掘削装置。 - 開渠通路または溝が前記ドリルビットの突起部の表面に切削され、前記切削物のビット下からの除去の優先方向に沿った切削物通過を可能にする請求項20記載の掘削装置。
i 地下穴内のドリルビットから最小に固定された距離に配置され、1KVまたはその他の実用的な電圧レベルが地表から供給される少なくとも1台の高電圧パルス発生機、
ii ドリルビット突起部の回転または往復運動の組み合わせにより、およびビット表面に1つまたはいくつかの半径と接線に沿って置かれた複数の電極間の放電により掘削穴断面の掘削範囲を生じさせる回転または往復ビット、
iii コア貯蔵、コア輸送、原動力エネルギー供給による地下穴閉ループ放電液循環、放電液清浄およびそれに含まれる切削物の貯蔵を伴う、環状ホール形成のための穴底面組立体。 - 逆極性の少なくとも2つの電極4、5間の高電圧パルスによって生起される放電を利用して地面に掘削穴を掘削するためのドリルビット1を有する請求項20記載の掘削装置であって、
前記ビット1は、好適な放電液をビット1背面の通路導入口27からビット表面1に組み込まれた交換可能なノズル7へと流通させるための通路6を組み込んでなるビット突起部3と、切削物を逆極性の電極4、5間の各ギャップからビット1の外周へ輸送するための突起部3の表面の開渠通路26と、電極4、5を突起部3に接続する固定具8、17、19からなり、前記電極は一組の高電圧電極4と一組の接地電極5とに分かれており、各々がビット1の背面の端子27に電気的に接続されており、さらに以下を特徴とする掘削装置。
i 電極4、5は、すべてが相互におよびドリル突起部3に対して移動可能であることにより、すべての電極が当該すべての地下穴形状に接触することが常時確保されるようになり、
ii 電極4、5は、1つを除くすべてが相互におよびドリルビット3に対して個別に移動可能であることにより、すべての電極がすべての関係する地下穴形状に接触することが常時確保されるようになる。 - 電極動作のモードが、下記の選択肢の一つまたは組み合わせによる、ことを特徴とする請求項22記載の掘削装置。
i 力または力の合成に起因する掘削方向に平行で、軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有する、すべての移動可能な電極4、5の前進だけの運動、
ii 電極4,5各々を負荷された衝撃に応じて動かす、掘削方向に平行で軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有する、移動可能な電極4、5各々の制御された前進および後進の運動、
iii すべての電極が前記すべての地下穴形状に接触することが常時確保されるようになる、他の方法のまたはそれらの組み合わせによる運動。 - 電極運動のモードが掘削方向に平行で軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有し、かつ下記の選択肢の一つまたは組み合わせによる、ことを特徴とする請求項22から23のいずれかに記載の掘削装置。
i すべての移動可能な電極4、5は、前方に移動して、掘削穴の底断面上で各々の接触点に打ち当たることで個々の位置を見出すよう設けられ、
ii 個別に前進または後退可能な移動可能電極で、電極は通常、但し限定はされないが、完全に格納された位置にあるか、前進して掘削穴の底面と接触する位置にある。 - 電極動作のための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによる、ことを特徴とする請求項20から24のいずれかに記載の掘削装置。
i 掘削穴内の各移動可能な電極の前進方向への1方向動作、
ii 掘削穴内の各移動可能な電極の前進方向および後退方向への2方向動作。 - 電極動作ための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項20から25のいずれかに記載の掘削装置。
i 各移動可能な電極4、5の掘削穴内の1方向油圧前進駆動で、前記電極4、5は油圧シリンダ固定具8におけるブランジャとして構成され、シリンダはドリルビット突起部3に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、そこではプランジャはその背後から油圧圧力が印加されると前進する、
ii 各移動可能な電極4、5の2方向油圧駆動で、前記電極は油圧シリンダ固定具8におけるピストンとして構成され、シリンダ8はドリルビット突起部3に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、そこではピストンはその背後から油圧圧力が印加されると前進し、圧力がその目的で組み込まれた環の表面に逆方向に印加されると後退する。 - 電極動作のための手段が、各移動可能な電極4、5の掘削穴内での前進方向への1方向機械的駆動で、前記電極はシリンダ状、環状、柱状またはその他の断面形状のボディとして構成され、中空固定具8内に配置され、その全表面の油圧圧力は均一化されており、前記固定具は前記電極と同様の断面を有しかつ螺旋状または他の被圧縮ばね17がその底面と前記電極との間に組み付けられており、そして前記中空固定具はドリルビット突起部3に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、前記被圧縮ばね17は電極を外力または固定具の開口付近に組み込まれた停止端54によって停止されるまで前方へと移動させることを特徴とする請求項20ら26のいずれかに記載の掘削装置。
- 電極動作のための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項20から27のいずれかに記載の掘削装置。
i 各移動可能な電極4、5の掘削穴内での前進方向への1方向油圧駆動で、前記電極4、5は、ドリルビット突起部3にヒンジで取り付けられかつドリルビット突起部3に固定された油圧シリンダ固定具8内でプランジャ55に接続されたアーム19の一部を成す部品として構成され、前記アーム19は、油圧圧力がその背後に印加されることに伴ってプランジャ55がシリンダ内で前進方向に動かされるときに電極4、5の運動が掘削方向に対して平行な軸方向前方への成分を有するように軸の周りを回転する、
ii 各移動可能な電極4、5の2方向油圧駆動で、前記電極4、5は、ドリルビット突起部3にヒンジで取り付けられかつドリルビット突起部3に固定された油圧シリンダ固定具8内でピストン21に接続されたアーム19の一部を成す部品として構成され、前記アーム19は、油圧圧力がその背後に印加されることに伴ってピストン21が前進方向に動かされるときおよびその目的で組み込まれた圧力チャンバ22内で圧力が反対方向に印加されることに伴ってピストン21が後退方向に動かされるときに電極4、5の運動が掘削方向に対して平行な軸方向の前進または後退の成分を有するように軸の周りを回転する。 - 電極動作のための手段が、各移動可能な電極4、5の掘削穴内での前進方向への1方向機械的駆動で、前記電極4、5は、ドリルビット突起部3にヒンジで取り付けられかつシリンダ状、環状、柱状またはその他の断面形状のボディ58に接続されて中空固定具8内に配置されたアーム19の一部を成す部品として構成され、その全表面の油圧圧力は均一化されており、前記固定具は前記ボディ58と同様の断面を有しかつ螺旋状または他の被圧縮ばね17がその底面と前記ボディ58との間に組み付けられており、そして前記中空固定具はドリルビット突起部3に固定されており、前記アーム19は、前記被圧縮ばねがボディ58を外力または固定具の開口付近に組み込まれた停止端54によって停止されるまで前方へと押すことで、電極4、5の運動が掘削方向に対して平行な軸前進方向の成分を有するように軸の周りを回転することを特徴とする請求項20から24のいずれかに記載の掘削装置。
- 電極動作のための手段が、各移動可能な電極4、5の掘削穴内での前進方向への1方向機械的駆動で、前記電極4、5はアーム19と一体的に構成され、前記アーム自体は望ましくは板ばねのようなばねとして構成され、そしてドリルビット3に固定され、ばねが弾性力を開放する方向に穴の底面形状に接触して停止されるまで又は弾性力を全て開放するまで動くとき、電極4、5の運動は少なくとも掘削方向に対して平行な軸前進方向の成分を有する、ことを特徴とする請求項20から24のいずれかに記載の掘削装置。
- 前記ビット表面の掘削方向に対する法線面への投影が、1つの円、1つの多角形または他の種類の輪郭線として特徴づけられる輪郭線を有している、ことを特徴とする請求項30記載の掘削装置。
- 前記ビット表面の掘削方向に対する法線面への前記投影が、1つの曲線が他の曲線内部に存在する2つの閉曲線で特徴づけられる輪郭線を有し、2つの円、2つの多角形または他の閉曲線の組み合わせで環状断面を描く、ことを特徴とする請求項30記載の掘削装置。
- 前記開渠通路26は、すべての切削物が岩盤組織61から初期分離後に可能な限り迅速にドリルビットの下の領域2を離れるように、初期切削物がドリルビット1に起因する開渠通路を通過出来る大きさの断面領域59および方向13を有し、前記方向13が、ドリルビット1上の各電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向を構成し、下記の基準の一つまたは組み合わせによって定義される、但し限定されない、ことを特徴とする請求項20から25のいずれかに記載の掘削装置。
i ビット1の中心からその外周の方向へと向かう、切削物の半径方向の直線運動
ii 半径方向外側方向から可能な限り最小の角度を有し、さらに切削物が、ビットの表面に存在する任意の潜在的障害、電極4、5、ノズル7、但し限定されない、との衝突を回避するまたは衝突を最小限にする、一つの方向または複数方向の組み合わせからなる直線的ラインまたは可能な限り直線的なラインの、生来の電極からビットの外周に至る切削物の運動
iii 回転方向から、もしくはそれぞれの特定ビットに関連する隣接した稼動電極ギャップから離れる方向の掘削物の運動。 - 逆極性の少なくとも2つの電極間(4,5)の高電圧パルスによって発生される放電を利用して地面に掘削穴を掘削するための前記ビット1は、突起部3を有し、前記突起部には好適な放電液をビット1の後方の通路取入口27からビット1の表面に組み込まれた交換可能なノズル7へと流す通路6が組み込まれ、そして逆極性の電極4、5間の各ギャップからビット1の外周への切削物を輸送するための断面領域59を有する開渠通路26が突起部3の表面に刻設されており、前記電極は一組の高電圧電極4と一組の接地電極5とに分けられて、各々がビット1後方の端子27に電気的に接続され、ドリルビット突起部3の表面には交換可能なノズル7が実装されていて、その結果、位置およびベクトル方向14、15、16を有するノズルから生起する液ジェット52は、各初期切削物が岩盤組織51から分離すると直ぐに、その生来の前記組織の一部としての場所から即座に浮かせて除去し、ドリルビット下の領域50からできるだけ早く流出させるための最大の可能性が得られるような方向を向く、ことを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
- 前記初期切削物を前記組織から分離すると直ぐに浮かせて除去するための前記最大の可能性は、最初に切削物が切り離されることで切削物と岩盤組織との間に生じる亀裂への少なくとも1つの液ジェット52による直接的な衝撃を与えるようなノズル7の配置および方向によって確保される、ことを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
- 衝撃の瞬間における前記液ジェットのベクトル方向15、16は、前記ベクトル方向でみて、初期切削物の表面輪郭に対する衝撃点の接線方向に沿う、または前記接線に実際上可能な限り近づく、ことを特徴とする請求項34または35記載の掘削装置。
- 衝撃の瞬間における前記液ジェットの前記ベクトル方向15、16は、2つのベクトル成分からなり、その一つが対象電極ギャップのビット下からの切削物の輸送の優先方向に平行であり、前記平行方向の成分は好適には、必須ではないが、2つの成分の主成分である、ことを特徴とする請求項34記載の掘削装置。
- 前記ノズル7は、下記の原則の一つまたはそれらの組み合わせに従って構成されていることを特徴とする請求項34記載の掘削装置。
i 前記ノズル7の各々は、その液体の流れが永続的にビット突起部3に対して同一の方向に向けられている、
ii 前記ノズル7の各々は、その液体の流れを2つまたはさらにそれ以上の方向に分け、前記方向の各々は永続的にビット突起部3に対して同一の方向に向けられている、
iii 前記ノズル7は、それらから生起する油圧ジェットが、異なる時期に切り離される、異なる初期切削物を浮かせて除去する、またはその切削物を除去する経路の優先的方向に沿って初期切削物を広範囲に噴射する、但し限定されない、のように、異なる時期に異なる方向へ向けられるように構成される。 - 前記ノズル7を通しての油の流れは、それらの空洞からの油圧衝撃時に直ぐに初期切削物を浮かせるまたは最小の時間で浮かせるために十分な油圧力を与えられて、各ノズルを介して最低3.5MPaの圧力低下を生じせしめる、前記油圧力Pは、すべての前記ノズル7を組み合わせて数学的表記PKW=530.D2,3によって与えられるが、ここでD(m)は掘削穴直径を表していることを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
- 少なくとも1台の高電圧パルス発生機31が、ドリルビット1から軸方向に実質的に一定距離離れて取り付けられ、特に電気的、油圧的および機械的手段により前記ドリルビットに接続され、前記距離は、短く、掘削穴の深さに関わらず一定であることを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
- 地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、好適な放電液が循環し、逆極性の電極4、5間の高電圧パルスにより発生される放電を利用し、ドリルビット1、及び少なくとも1台の高電圧パルス発生機31が組み込まれ、前記高電圧パルス発生機は、互いに実質的に固定された位置に配置され、
かつ、限定されないが下記の複数の下位構成を有することを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
i 前記ドリルビット1の回転運動を作り出すための回転動力33と、
前記回転運動は、一方向の一定または可変速度の回転、任意の往復、間欠的な回転または往復もしくは任意の回転、または他の運動の形であり、そして油圧的または電気的モータまたは他の駆動により実現され、
ii 底面付近のコアカッタ37とコア把持装置38を組み込む固定長のコアバレル36と、
前記コアバレルのユニットはドリルビットに対し実質的に固定位置に配置され、
iii 切削物分離41および一時貯蔵システム40、これは切削物バスケットと呼ばれ、そこでは切削物が放電液から分離され、清浄化された放電液が掘削穴底面区間にある再循環のための吸引タンクへと導かれる間、一時的に貯蔵され、前記ビット、前記切削物分離および一時貯蔵システムは互いに対して、掘削の進行中、固定又はほぼ固定位置に保たれ、
iv 放電液の循環ポンプ39と、それにより放電液が掘削穴に対して略軸方向で地下穴に向かる流れ経路の地下穴の閉ループ内で循環し、地下穴循環ポンプ39の圧力側から、穴底面組立体の構成部品を貫通または通過して、限定されないが、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム32を貫通または通過し、モータ33を貫通または通過し、パルス発生機31または複数のパルス発生機31を貫通または通過し、ドリルビット1突起部を貫通または通過し、ノズル7を貫通して穴の底面上に出て、優先的切削物出口方向13のドリルビット表面上の開渠通路に沿って、方向転換して戻り、前記新しい方向は底面から離れて、掘削穴に対して略軸方向で穴底面組立体42の前記構成部品内でこの目的のために作られた通路を通り、または掘削穴および前記穴底面組立体42によって囲まれた環の中の前記構成部品を通過し、切削物をそれと共に運びながら切削物バスケット40の頂上まで持ち上げられ、本来の流れの経路に向かうように再び方向を転換し、前記の新しい方向は穴の底面に向かって掘削穴に対して略軸方向で、切削物が液体から分離され、バスケット40で一時的に貯蔵するために隔離され、切削物バスケット40の液体清浄化区間41を通り、最終的に清浄放電液吸収タンク58を通り、そこから放電液はポンプ39の吸引側に戻るが、前記ポンプはドリルビットに対して略固定位置に配置され、
v 掘削工程制御ユニット57と、ここに前記掘削工程制御ユニットは、限定されないが掘削穴情報の試料採取および処理システムならびに制御およびアクチュエータシステム32を有し、前記制御およびアクチュエータシステム32は、限定されないが電極4、5の管理および位置決め、油圧衝撃方向へのノズル7の制御、および電極放電の調整による管理などの、掘削操業のためのコンピュータに基づく電気油圧又は他の手段によるシステムであり、
前記放電液エネルギーおよび流量はビットの運動およびコアバレル36管理に連動しまたは独立しており、前記制御ユニットはドリルビットに対して固定位置に配置され、
vi 地表へのパイプ導管44のための接続ターミナル55と、
前記ターミナルは放電液の輸送を促進し、さらに電気動力および信号伝送器45、46を穴底面組立体に組み込むことを特徴とし、
vii 限定されないが一体化した電源および信号ケーブル45、46を備えた鋼鉄製ワイヤロープ65のような、ライン導管、への接続ターミナル55と、前記ターミナルは、地表から穴底面組立体への電気動力および信号電送器45、46のための設備を組み込んでいる。 - 地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、好適な放電液が循環し、逆極性の電極4、5間の高電圧パルスにより発生される放電を利用し、ドリルビット1、及び少なくとも1台の高電圧パルス発生機31が組み込まれ、前記高電圧パルス発生機は、前記ドリルビットに対して前記ビットおよび1つ又は複数の発生機がそれらの間にコアバレルのみを隔てて互いに実質的に固定された位置に配置されることを特徴とし、
かつ、限定されないが下記の複数の下位構成を有することを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
i コアカッタ37をその底面付近に組み込む固定長のコアバレル36、およびコア把持装置38と、
前記コアバレルのユニットは前記ドリルビットに対して、互いに隣接する実質的に固定した位置に配置され、
ii 前記ドリルビット1の回転運動を作り出すための回転動力33と、
前記回転運動は、一方向の一定または可変速度の回転、任意の往復、間欠的な回転または往復もしくは任意の回転、または他の運動の形であり、そして油圧的または電気的モータまたは他の駆動により実現され、
前記モータは、前記ドリルビットに対し、掘削の進行中、前記モータが前記1つ又は複数のパルス発生機に隣接する位置に固定または略固定されることを特徴とし、
iii 掘削工程制御ユニット57と、ここに前記掘削工程制御ユニットは、限定されないが掘削穴情報の試料採取および処理システムならびに制御およびアクチュエータシステム32を有し、前記制御およびアクチュエータシステム32は、限定されないが電極4、5の管理および位置決め、油圧衝撃方向へのノズル7の制御、および電極放電の調整による管理などの、掘削操業のためのコンピュータに基づく電気油圧又は他の手段によるシステムであり、
前記放電液エネルギーおよび流量はビットの運動およびコアバレル36管理に連動しまたは独立しており、前記制御ユニットはドリルビットおよびモータ33に対して固定位置に配置され、
iv 放電液の循環ポンプ39と、それにより放電液が掘削穴に対して略軸方向で地下穴に向かる流れ経路の地下穴の閉ループ内で循環し、地下穴循環ポンプ39の圧力側から、穴底面組立体の構成部品を貫通または通過して、限定されないが、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム32を貫通または通過し、モータ33を貫通または通過し、パルス発生機31または複数のパルス発生機31を貫通または通過し、コアバレル36を貫通または通過し、ドリルビット1突起部を貫通または通過し、ノズル7を貫通して穴の底面上に出て、優先的切削物出口方向13のドリルビット表面上の開渠通路に沿って、方向転換して戻り、前記新しい方向は底面から離れて、掘削穴に対して略軸方向で穴底面組立体42の前記構成部品内でこの目的のために作られた通路を通り、または掘削穴および前記穴底面組立体42によって囲まれた環の中の前記構成部品を通過し、切削物をそれと共に運びながら切削物バスケット40の頂上まで持ち上げられ、本来の流れの経路に向かうように再び方向を転換し、前記の新しい方向は穴の底面に向かって掘削穴に対して略軸方向で、切削物が液体から分離され、バスケット40で一時的に貯蔵するために隔離され、切削物バスケット40の液体清浄化区間41を通り、最終的に清浄放電液吸収タンク58を通り、そこから放電液はポンプ39の吸引側に戻るが、前記ポンプは掘削プロセス制御ユニット57に隣接する、ドリルビットに対して略固定位置に配置され、
v 切削物分離41および一時貯蔵システム40、これは切削物バスケットと呼ばれ、そこでは切削物が放電液から分離され、清浄化された放電液が掘削穴底面区間にある再循環のための吸引タンクへと導かれる間、一時的に貯蔵され、前記システムはドリルビットに対して、掘削の進行につれてドリルビットから見て放電液循環ポンプ39と隣接した実質的に固定した位置に保たれ、
vi 限定されないが一体化した電源および信号ケーブル45、46を備えた鋼鉄製ワイヤロープ65のような、ライン導管、への接続ターミナル55と、
前記ターミナルは、地表から穴底面組立体への電気動力および信号電送器45、46のための設備を組み込んでおり、ドリルビットから見て切削物分離および一時貯蔵システム41に隣接する位置に保たれ、従ってドリルビット側から見て穴底面組立体の終端を構成する。 - 穴底面組立体42を持つ掘削装置であって、
パルス発生機または複数の発生機31は、放電液の流れを許容し、下記の選択肢の組み合わせを有する、ことを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
i 内側導管と、前記内側導管は、液体が発生機ボディまたは連続した前記ボディを通って掘削穴へ入り、そして掘削穴と発生機ボディまたは連続したボディの外周面とで形成される環を通って掘削穴から出ることを許容し、
ii 輪状、環状または任意の断面形状の外側導管と、前記外側導管は、液体が1つ又は複数の発生機ボディの周囲から掘削穴に流れ込み、そして掘削穴の壁面と前記外側液体導管または連続したボディを含む発生機ボディの外周面とで形成される環を通って掘削穴から出ることを許容する。 - 地表から好適な放電液が循環し、逆極性の電極間の高電圧パルスにより発生する放電を利用して、地面に掘削穴を掘削するための掘削装置43であって、
穴底面組立体42及び、限定されないが、下記の項目の全てまたはいくつかを組み合わせた複数の下位構成を有する、ことを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
i 穴底面組立体の上部延長55を地表に接続するパイプ導管44と、前記導管は、放電液の輸送を促進し、穴底面組立体への電気動力および信号伝送器45、46を組み、
ii 穴底面組立体の上部延長55を地表に接続する鋼鉄製ワイヤロープ65と、前記ワイヤロープは、地表および穴底面組立体の間での電気動力および信号伝送器45、46の伝送を促進し、
iii 放電液循環ポンプ62または類似の複数のポンプ62と、前記複数のポンプは、ドリルビット1の動作特性および掘削穴の寸法によって規定される必要な圧力で放電液の流量を供給するに十分な能力を有し、掘削穴上方の地表に配置され、
iv 掘削穴内において、穴底面組立体42および掘削穴パイプ導管44または鋼鉄製のワイヤロープ65の降下および引き上げを定常的に行う、掘削穴上方の地表に配置される、昇降および処理能力48、49および電力47と、
v 掘削穴上方の地表に配置される、全ての穴底面組立体42の機能および地表での電力の要求に対応した電力供給に十分な、発電および変圧能力47と、ここに前記穴底面組立体42の電力は、掘削穴中を、具体的数値のみには限定されないが、1000VACのような実用的な電圧レベルで伝送され、
vi ディーゼルまたは変圧器油もしくは同様の誘電率を有する別の油あるいは混合油からなる放電液と、ここにおいて前記放電液は、下記の物質の一つまたは組み合わせが混合されており、
i 掘削穴圧力制御のための、限定されないが重晶石のような、好適な鉱物の形での、放電液比重調整と、
ii 限定されないがポリマー成分のような、地表に切削物を効率よく浮かせるための粘性調節と、ここに前記掘削液の貯蔵および処理設備は掘削穴上方の地表に配置され、
vii 放電液流れ機構と、前記放電液流れ機構は、地表からドリルビット1へ、そして地表へ戻る流路を持ち、前記流路は、チューブ44の内部にあり、前記穴底面組立体42の上方延長におけるターミナル接続55を通って掘削穴を下降し、モータ33を貫通または通過し、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム32を貫通または通過し、パルス発生機31または複数のパルス発生機31を貫通または通過し、ドリルビット1突起部を貫通または通過し、ノズル7を貫通し、優先的切削物出口方向13内のビット表面上の開渠通路に沿って方向を転換して戻り、新たな方向は掘削穴に対して略軸方向で穴の底面から離れ地表へと戻り、前記掘削穴と前記穴底面組立体42とで囲まれた環内の穴底面組立体42を通過し、前記掘削穴と地表へ切削物をそれと共に運ぶチューブ44とで囲まれた環内の前記チューブ44を通過し、
そして前記放電液流れ機構は、掘削穴の上方の地表のポンプから、その流れのループを必要な流量および圧力低下で完遂するに十分な量のエネルギー充足を受け、
viii 掘削穴上方の地表に配置される、放電液の清浄、攪拌および保持システム61と、
ix 掘削穴上方の地表に圧力制御システムが配置されることを特徴とする、過剰な掘削穴圧力の処理のために必要と考えられうる掘削穴圧力制御および管理システム56と、
x 掘削穴上方の地表に配置される、掘削穴情報の試料収集、処理システムおよび掘削工程制御用設備。 - 逆極性の電極4、5間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、
地表掘削サポート機構47、48、53、56を有し、
そして前記地表掘削サポート機構が、下記の下位構成のすべてまたはいくつかの組み合わせを組み込んでいる、ことを特徴とする請求項20記載の掘削装置。
i 前記掘削穴内において、穴底面組立体42および鋼鉄製ワイヤロープ65の降下および引き上げを定常的に行う昇降および処理システム48、53と、ここにおいて前記昇降および処理システムは、前記掘削穴上方の地表に配置されており、
ii すべての地下穴および地表での電力需要に十分な発電および変圧能力47と、ここに発電システムは前記掘削穴上方の地表に配置されており、
iii 掘削穴情報の試料収集および処理能力56、ならびに前記掘削穴上方の地表に配置される掘削工程制御のための設備であって、地下穴にある類似の掘削制御システムと共働する設備と、
iv ディーゼルまたは変圧器油もしくは他の同様の誘電率を有する油あるいは混合油からなる放電液の貯蔵供給と、
必要な場合には掘削穴圧力制御のための、重晶石のような、但しこれのみには限定されないが、適合する鉱物の形での比重調節と、
必要な場合には、地表に切削物を効率よく浮かせるための粘性調節、それは、限定されないがポリマー成分、および、必要に応じて他の任意の組成要素からなり、
前記昇降および処理システムと、
掘削穴上方の地表に配置され、地下穴循環システムに対する補助的役割を担う貯蔵システムと、
v 掘削穴上方の地表に配置される放電液処理システム61、
vi 掘削穴上方の地表に配置される、掘削穴の過剰圧力の処理のために必要と考えられる掘削穴圧力制御および管理システム56、
そしてさらに、放電液循環は、穴の底面における特定のループのみで行われるように配置され、前記循環ループは、前記底部から前記穴底面組立体42の略頂上まで広がっており、掘削穴の残りの部分は、空になっているか、または、掘削穴の周囲により必要とされる場合またはその他の配慮がある場合には液体で満たされている。
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