JPH08270371A - 掘削機の掘削方向制御部均圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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する。 【構成】 円筒型ハウジングと回転シャフト２間に二重
偏心機構を封入して回転シャフト２の位置決めを行う掘
削機の掘削方向制御装置において、上部軸受１５の直上
にベアリング４２を介して回転シャフト２に外嵌めした
環状スペーサ４１と、該環状スペーサ４１と回転シャフ
ト２間に介在せしめたシール機構４３と、環状スペーサ
４１と円筒型ハウジング６との環状間隙に掘削方向制御
機構部に封入した潤滑油４９と上部泥水５０との圧力差
によって摺動する両端にパッキンシール４５、４６を有
し外周面に軸方向移動量確認用の複数個のスリット４７
を配設したピストン４４と、円筒型ハウジング６に設け
た窓孔４８とからなる上部シール装置１６を設ける。

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
掘削機の掘削方向制御部均圧装置に関する。

【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
を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
上で大気圧、常温の状態で封入されたのち、坑底で高
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均圧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】すなわちこの発明は、円筒型ハウジング
と、該円筒型ハウジング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の円環状部材と、この第
１の円環状部材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の円環状部材と、前記第１および第
２の円環状部材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とを有し、前記円筒型
ハウジングに対する前記第１の円環状部材の円形内周面
の偏心量と、この第１の円環状部材に対する前記第２の
円環状部材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の円環状部材の円形内周面の
中心と一体的に移動するように掘削機ドリルの回転シャ
フトを当該第２の円環状部材に連結し、前記第１および
第２の円環状部材の直上にフレキシブルジョイントと、
さらにその上部で回転シャフトを支持する上部軸受とを
配設した掘削機の掘削方向制御装置において、上部軸受
の直上にベアリングを介して回転シャフトに外嵌めした
環状スペーサと、該環状スペーサと回転シャフト間に介
在せしめたシール機構と、環状スペーサと円筒型ハウジ
ングとの環状間隙に掘削方向制御機構部に封入した潤滑
油と上部泥水との圧力差によって摺動する両端にパッキ
ンシールを有し外周面に軸方向移動量確認用の複数個の
スリットを配設したピストンと、円筒型ハウジングに設
けた窓孔とからなる上部シール装置を設けたことを特徴
とする掘削機の掘削方向制御部均圧装置である。

【００１０】

【作用】この発明の均圧装置は、上部軸受の直上にベア
リングを介して回転シャフトに外嵌めした環状スペーサ
と、該環状スペーサと回転シャフト間に介在せしめたシ
ール機構と、環状スペーサと円筒型ハウジングとの環状
間隙に掘削方向制御機構部に封入した潤滑油と上部泥水
との圧力差によって摺動する両端にパッキンシールを有
し外周面に軸方向移動量確認用のスリットを有するピス
トンと、円筒型ハウジングに設けた窓孔とからなる上部
シール装置からなり、坑底での高温によって均圧装置と
下部シール装置間に封入した潤滑油が膨張して圧力が上
昇すると、ピストンは環状スペーサに沿って潤滑油圧力
が外部の泥水圧力と均圧するまで上部へ摺動する。さら
に、外部の泥水圧力が高圧になってくると、前記と逆に
ピストンが環状スペーサに沿って内部の潤滑油圧力が外
部の泥水圧力と均圧するまで下方へ摺動する。したがっ
て、均圧装置と下部シール装置間に封入した潤滑油の内
部圧力は、外部の泥水圧力と均圧して差圧がほぼ零とな
り、均圧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。

【００１１】さらに、この発明の均圧装置は、ピストン
の外周面に軸方向移動量確認用の複数個のスリットを設
けたことによって、円筒型ハウジングに設けた窓孔から
ピストンの位置を知ることができ、均圧装置と下部シー
ル装置間に潤滑油を封入時のピストン位置の設定によ
り、温度と圧力の変化に対応してピストンの泥水側の容
量と潤滑油側の容量を任意に変更でき、坑底の環境条件
に合わせてピストンの泥水側の容量と潤滑油側の容量を
計算し、ピストンを所定の位置にセットしておくことが
できる。また、均圧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。

【００１２】

【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全体断面図、図４
は均圧装置の全体断面図である。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。

【００１３】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の下部を軸支する上部軸受、１６は円筒型ハウジング
６の上部と上部回転シャフト１との間の均圧装置であ
る。

【００１４】図３において、２１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。

【００１５】図４において、４１は上部軸受１５の直上
にベアリング４２を介して上部回転シャフト１に外嵌め
した環状スペーサ、４３は環状スペーサ４１と上部回転
シャフト１間に介在せしめたメカニカルシール、４４は
環状スペーサ４１と円筒型ハウジング６との環状間隙に
摺動自在に設置した両端にシールパッキンシール４５、
４６を有し、外周面に等間隔で設けた軸方向移動量確認
用のスリット４７を有するピストン、４８は円筒型ハウ
ジング６に設けたスリット４７確認のための窓孔で、ス
リット４７の位置を確認することによってピストン４４
の位置を知ることができる。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４９の圧力が泥水５
０の圧力より高くなると、潤滑油４９の圧力が泥水５０
の圧力と等しくなるまでピストン４４が泥水５０側に押
し上げられ、潤滑油４９の圧力と泥水５０の圧力が均等
になった時点でピストン４４が停止する。

【００１６】また、逆に泥水５０の圧力が掘削方向制御
装置の内部に封入した潤滑油４９の圧力より高くなる
と、泥水５０の圧力が潤滑油４９の圧力と等しくなるま
でピストン４４が潤滑油４９側に押し下げられ、泥水５
０の圧力と潤滑油４９の圧力が均等になった時点でピス
トン４４が停止し、掘削方向制御装置の内部に封入した
潤滑油４９の圧力と泥水５０の圧力がバランスするよう
構成されている。さらに、窓孔４８からピストン４４の
位置を確認しながら潤滑油４９を封入してピストン４４
の位置を変えることによって、ピストン４４の潤滑油４
９側の容量と泥水５０側の容量を任意に変更でき、坑底
の環境条件に合わせてピストン４４の潤滑油４９側の容
量と泥水５０側の容量を計算し、ピストン４４を所定の
位置にセットできるよう構成されている。なお、５１は
ダストシール用パッキンである。

【００１７】上記のとおり構成したことによって、図３
に示す下部シール装置７と、図４に示す均圧装置１６と
の間の環状間隙に地上で密に封入された潤滑油４９は、
坑底に降管すると高温となって膨張して高圧が発生する
が、潤滑油４９の圧力が泥水５０の圧力より高くなる
と、潤滑油４９の圧力が泥水５０の圧力と等しくなるま
でピストン４４が泥水５０側に押し上げられ、潤滑油４
９の圧力と泥水５０の圧力が均等になった時点でピスト
ン４４が停止する。また、環状間隙に封入された潤滑油
４９は、外部の泥水５０の圧力が潤滑油４９の圧力より
高くなると、泥水５０の圧力が潤滑油４９の圧力と等し
くなるまでピストン４４が潤滑油４９側に押し下げら
れ、泥水５０の圧力と潤滑油４９の圧力が均等になった
時点でピストン４４が停止し、掘削方向制御装置の内部
に封入した潤滑油４９の圧力と泥水５０の圧力がバラン
スする。したがって、図３に示す下部シール装置７と、
図４に示す均圧装置１６との間の環状間隙に地上で密に
封入された潤滑油４９の圧力は、泥水５０との差圧が常
に零となり、下部シール装置７および上部シール装置１
６からの潤滑油４９の漏洩を防止できると共に、潤滑油
４９封入部への泥水５０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
制御部均圧装置は、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
た潤滑油の圧力を均圧装置のピストンによって泥水圧力
と均等に保持でき、下部シール装置および均圧装置から
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断面図である。

【図４】均圧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、１０６ ドリルビット ６、１０１ 円筒型ハウジング ７ 下部シール装置 ８、１０８ 支点軸受 ９ 二重偏心機構部 １１、１０２ 第１の円環状部材 １２、１０３ 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、２２ 軸受 １６ 均圧装置 ２１ シールボックス ２３、４３ 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 環状スペーサ ４２ ベアリング ４４ ピストン ４５、４６ シールパッキンシール ４７ スリット ４８ 窓孔 ４９ 潤滑油 ５０ 泥水 ５１ ダストシール用パッキン １０４、１０５ 調和歯車減速機 １０７ 回転シャフト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒型ハウジングと、該円筒型ハウジン
   グ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の円環状部材と、この第１の円環状部材の前記
   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
   円環状部材と、前記第１および第２の円環状部材をそれ
   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
   歯車減速機とを有し、前記円筒型ハウジングに対する前
   記第１の円環状部材の円形内周面の偏心量と、この第１
   の円環状部材に対する前記第２の円環状部材の円形内周
   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の円環状部材の円形内周面の中心と一体的に移動す
   るように掘削機ドリルの回転シャフトを当該第２の円環
   状部材に連結し、前記第１および第２の円環状部材の直
   上にフレキシブルジョイントと、さらにその上部で回転
   シャフトを支持する上部軸受とを配設した掘削機の掘削
   方向制御装置において、上部軸受の直上にベアリングを
   介して回転シャフトに外嵌めした環状スペーサと、該環
   状スペーサと回転シャフト間に介在せしめたシール機構
   と、環状スペーサと円筒型ハウジングとの環状間隙に掘
   削方向制御機構部に封入した潤滑油と上部泥水との圧力
   差によって摺動する両端にパッキンシールを有し外周面
   に軸方向移動量確認用の複数個のスリットを配設したピ
   ストンと、円筒型ハウジングに設けた窓孔とからなる上
   部シール装置を設けたことを特徴とする掘削機の掘削方
   向制御部均圧装置。