JPS58501082A - 水力式ダウンホ−ルさく岩機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 水力式ダウンホールさく岩槻 技術分野 本発明は岩盤のような堅い地盤に深くて太い穴を粗掘シするのに適した水力式ダ ウンホールさく岩槻に関する。

背景技術 上述のような深穴を掘削するときに、今日ではいわゆる回転式掘削が主に用いら れておシ、これは特定の形状をしたドリルビットが地盤に押圧されると同時に回 転されることを意味する。ドリルビットは種々の形状の植刃を具えているという 事実によシ、巻片や泥片が粉砕される。ドリルビットは通常は管状ドリルストリ ングに取付けられ、管状ドリルストリングの直径はドリルビットの直径よシ小さ いものである。ドリルストリングには地上の機械装置により回転運動が与えられ る。この機械装置はドリルストリングを支持する手段も具えている。ドリルビッ トによシ粉砕された巻片や泥片（掘削物と呼ばれる）は、いわゆる掘削泥水と呼 ばれる水又はその他の浄化用又は流出用流体によって地表レベルまで運けれる。

この流出作用は、掘削泥水をドリルストリングの中央穴及び大域にあるドリルビ ットの開口部を通してポンプによって圧送することによって行々われ、その結果 として、掘削泥水がドリルストリングの外側を通って地表レベルに流れ、よって 掘削物が運ばれるようになっている。地表レベルにおいて、掘削物の主な部分が 例えばベイスンに泥を澄ませることによって掘削泥水から分離され、掘削泥水は ドリルストリングに再圧送される。

回転式掘削は機関を使うことによっても行なわれることが知られておシ、機関は 人中に沈められ、回転しないドリルストリングの下端部に取付けられる。

この機関は掘削泥水によシ直接的に駆動される。

上述したような回転式掘削は主に沈積によって生じたような軟い地盤に対して使 用されるものである。

結晶質の堅い地盤を掘削するときには、掘削速度が非常に低くドリルビットの摩 耗が激しいので、この方法を用いると高価なものとなる。このような地盤に対し ては、ハンマー掘削と呼ばれる方法が用いられ、これは衝撃ピストンが非常に高 い頻度でドリルストリング及び／又はドリルビットを叩き、ドリルストリングが 同時にゆっくシと回転されるように々っているものを意味する。

この方法に適用される装置は普通圧縮空気によって駆動される、即ち、衝撃ピス トンは圧縮空気によって駆動される。圧縮空気は普通掘削物の流出処理を竹うこ とにも用いられる。深くて太い穴（約２００ｍにも及ぶような）を掘るようなと きには、この方法ではいわゆるシンカーハンマーを用い、これは、衝撃ピストン を有するボアハンマーが管状ドリルストリングに取付けられて、上述の回転式掘 削に対するものと基本的に同様な構成の回転装置によってポアホール中を沈めら れることを意味する。

ハンマー掘削においては、圧縮空気が地表レベルにある圧縮機から取出され、ド リルストリングを通って衝撃ピストンを駆動し、衝撃ピストンがドリルビットを 直接叩き、一方、その圧縮空気がドリルストリングの外側から掘削物を地表レベ ルに噴き上げるものである。この方法の欠点の一つは掘削の深さが制限されるこ とにある。しかしながら、この方法は、堅い地盤の場合特に、回転式掘削より実 質的に速い。

近年、油圧式駆動によるハンマーさく巻装置が発展し、これは衝撃ピストンが高 圧の圧油にょシ作動されるという点に関して圧縮空気１駆動によるハンマー掘削 装置と異っている。掘削物の排出は圧縮空気又は掘削流体によって別々に行なわ れる。このような油圧駆動によるハンマー削岩装置は、これまではいわゆる゛地 上の機械″、即ち、ハンマー装置が地表レベルにある機械装置内で作用する装置 としてのみ存在していた。従って、これらの装置では深くて太い穴を掘るのにそ の能力が制限を受けていた。しかしながら、その掘削能力は同一のエネルギー消 費で比べると圧縮空気駆動によるものより高い。

深くて太い穴を高速で掘るために、沈めることのできる油圧駆動式／・ンマーさ く岩装置を使用するのが望ましいことである。しかしながら、深い大域にあるハ ンマーさく岩装置まで油圧用ケーブルを長く延ばすことは余りにも多くの損失を 伴うので、今のところではこれは可能なこととは考えられていない。

上述したようＱご、掘削物は穴から排出されなければならず、大向の静圧が非常 に大きいので圧縮空気を使っても無理があり、深穴の場合にはほとんど常に掘削 泥水が使用されている。油圧式ノ・ンマーさく岩装置を駆動するために掘削泥水 を使用することができるかもしれないが、これは当業者には問題外のことであっ た。掘削泥水が再循環される前にこれをどんなに注意深く濾過しても、掘削泥水 中にはかなシの土砂や摩耗させる粒子が含まれており、これがハンマーさく岩装 置のパルプ機構の摩耗を早め、損壊させる。そのよう万ノ・ンマーさく岩装置は 清浄な圧油で駆動されねばならず、そして、ノ・ンマーさく岩装置を１５０パー ルのオーダーにあるような高圧で駆動しようとするときには特に、圧油は等級の 高いものでなければならない。

発明の開示 本発明によって、掘削泥水が大域のドリルビットに対して隣接して配置された丈 夫な水力機関を駆動する。機関の出力軸が衝撃装置を駆動するのに使用され、こ の衝撃装置がドリルビットを叩き、即ち、いわゆるハンマー掘削が行なわれる。

衝撃装置が油圧によシ駆動されるものであれば、機関の出力軸は衝撃装置に高圧 流体を与えるために油圧ポンプを駆動するに適したものである。圧油流体はこの ようにして閉回路内に包みこまれ且つ安全な作業を保証するために非常に清浄な 高等級のオイルが使用できることになる。

本発明によるハンマーさく岩装置は、大中に沈められ、地表レベルに置かれた機 械装置によって回転されることもでき、或いは又、水力機関の出力軸がドリルビ ットを回転させるようにすることもできる。

ドリルビットは水力機関と衝撃装置の荷重を受けるだけであシ且つ穴中に延びる ドリルストリングの長さに独立的であシ、これはパイロットコントロールによシ 容易に提供されるという利点がある。

本発明はさらに上述のハンマー掘削を実施する装置にも係るものである。

図面の簡単な説明 以下本発明を図面を参照して詳細に説明する。第１図は本発明の１実施例の長手 断面図、第２図から第７図は第１図の実施例の線ｎ−ｎ、ｍ−ｍ、■−ＩＶ、Ｖ −Ｖ、ＶＩ−Ｖ［及び■−■に沿って見た横断面図である。

発明を実施するだめの最良の形態及び産業上の利用可能性 装置は、第１図にＡ−Ｇによって示されている、相互結合された又は一体的な７ 個のユニットによって構成される。

ユニッ）Ａは、周知の構造の管状ドリルストリングとなっておシ、これはチーツ ク−状螺合によシ数個の部材が結合されたものであシ、地表レベルへ延長される 。このドリルストリングは地表レベルにある機械装置によって回転されるように 々っていて、この回転を供する機械装置は穴にドリルストリングを挿入し且つ穴 から引上げるだめの周知構造の装置も具えている。ドリルストリングはこれにか かるトルりや軸力に堪えるはかシでなく掘削流体によるかなシの高圧にも堪えら れるように設計される。

ユニットＢは、送シ又はノクイロットコントロールユニットとなっておシ、これ によってドリルビットトが大域に適切な力で押付けられることが確保される。

ユニットＣは、周知構造の水力機関部となってお９、これは許容された寿命期間 中に掘削泥水の水力エネルギーによって駆動される。この掘削泥水は水、又はそ の他の掘削泥水又は液体であってよく、土質粒子が混じっているものである。こ の水力機関の長さはその直径と比較してかなシ大きい。

ユニットＤは、周知構造の油圧ポンプ部であるが、特別の構造を含むものである 。この油圧ポンプは清浄な高圧オイルを吐出する。

ユニットＥは、オイルフィルターを持ったオイルタンク部である。オイルタンク の長さはその直径と比較して大きく、タンク壁内に掘削泥水及び圧油のための通 路を具えている。

ユニットＦは、流体駆動によるハンマーさく巻装置部であシ、衝撃機構に関する その基本的な作動モードは周知構成のものと変らない。この場合に、ハンマー削 岩装置はシンクハンマーとして穴の下の方で働くことができるように適したもの であ）、従って、掘削泥水用排出通路並びにトルク、軸力及びストロークをドリ ルビットに直接伝えるだめのアダプターを具えている。

ユニットＧは、硬質炭化鋼で作られた植刃又はビン及び掘削泥水排出通路を含む 周知構造のドリルビット部である。

本発明による装置はドリルストリング１を具備し、これは多くの相互に結合され たドリルストリング部月から成っている。ドリルストリング１は地表レベルへの 結合リンクである。・ぐイロットユニッ）　（Ｂ）　ハドリルストリングに結合 される。これはトップユニット２、円筒状チューブ３、及びベースユニット４で 構成され、これらの全てのユニットは螺合によシ結合される。円筒状チューブ３ の下方部分には周状に間隔をあけて４つの開口部５が設けられる。ベースユニッ ト４は方形状通路６を有している。ピストン７が円筒状チューブ３内に可動に配 置され、チーーブとのシールが施こされる。このピストンはピストンロッド８に 固着されておシ、ピストンロッド８はその外形が方形状とされた管状になってい る。ピストンロッド８はベースユニット４の方形通路６内を小さな又はゆるみ嵌 めの関係で延びる。ピストンロッドの上方部分にはバルブ機構が設けられ、これ は弁開口部１０を有する円筒状管によって構成される。この円筒状管はその頂部 が閉じられ且つトップユニット２の円筒状穴１１に密接に嵌合される。

掘削泥水は穴あき管１を通って圧送され、掘削泥水の方向が第１図に実線の矢印 によってあられされている。通常は、掘削泥水は弁開口部１０、中空のピストン ロッド８、及び水力機関１２を通って流れる。同時に、ピストン７の下側になる 円筒状管３は穴によって管外に通じているのでそこの圧力が低くなシ、掘削泥水 がピストン７を下方に押すことになる。

水力機関１２は、掘削泥水用入口開口１３及び出口開口１４を有し、さらに、掘 削泥水が機関内を通ることによシ回転させられる出力軸１５をも具えている。こ の水力機関は周知の構成のものとすることができるので、ここではその詳細には 触れないことにする。短時間で壊れることなく掘削泥水によって駆動され得るも のであればあらゆる機関が使用できる。

水力機関の出力軸１５は油圧ポンプ１６の入力軸１７に結合される。掘削泥水が 水力機関に達すると機関が回転され、従って、ポンプが回転される。これは、油 圧ポンプがハンマーさく巻装置１８に設けられたダンピングアキュムレータ１９ に高圧圧油（１５−２０ＭＰａ　）を吐出するということを意味する。圧油は、 衝撃ピストン２１が素速い往復衝撃運動を与えられるような構成となっているハ ンマーさく巻装置のスライド機構に送られる。衝撃ピストン２１はドリルビット ２３がその下方部分に固く螺合されているアダプタ２２を叩く。圧油はスライド 機構２０からオイルタンクへ戻され、それから油圧ポンプ１６へ戻される。この オイルの進路が第１図に破線の矢印で示されている。

掘削泥水が水力機関１６を過ぎると、オイルタンク２４及びハンマーさく巻装置 １８に沿って形成された通路２６を通ってアダプタ２２に送られ、ドリルビット ２３の排出穴２５から排出される。大域から洗い流された粉砕片（掘削物）は、 掘削泥水によって装置と穴壁２７との間を装置の外側に沿って上方に地表レベル まで運ばれ、掘削泥水はそこで別々のベイソンに集められて掘削物主要成分が掘 削泥水から分離され、掘削泥水はドリルストリングを通って再圧送される。

地表レベルに置かれた回転機械（図示せず）のトルクはドリルストリング１及び パイロットユニット（Ｂ）の方形通路６及び方形ピストンロッド８を介してその 他の一体化されたユニッ）Ｃ−Ｆへ伝達される。

ハンマーさく巻装置Ｃ）からは、アダプタがスプライン２８を具えているので、 トルクはアダプタ及びトリルビ、ト２６へ伝達される。

本発明による装置の作動は次の通シである。

掘削を始めるときに、装置は螺合により地表レベルの回転装置に結合され、それ から、ドリルビットが地面又は穴底面に達するまで穴の中に沈められる。

ドリルストリング１を続けて沈めると、トップユニット２がバルブ機構９に向か って動き、バルブ機構の外側円筒部分がトップユニットの上方円筒状穴１１に挿 入され且つそこに密接に係合する。このようにして、内部通路、即ち、ドリルス トリングの円筒状穴１１がシールされて掘削泥水はそれ以上ピストンロッド８を 通って流れることができ々くなる。

次いで、バルブ機構９の上端部がトップユニットの円筒穴１１を開かせて掘削泥 水通路が確保されるようになるまでドリルストリング１が少しの距離だけ持上げ られる。同時に、回転装置がドリルストリング、従って装置を回転させ始めると ともに地表レベルの掘削泥水用ポンプが始動される。そこで、水力機関及び油圧 ポンプが衝撃ピストンを作動させ、ハンマーさく巻装置はドリルビットが土や岩 盤等を粉砕すると下方に動く。ドリルストリング１、トップユニット２、及び円 筒チー−ブ３は垂直方向に動くことなく回転する。ドリルビット２６にかかる圧 力ハユニッ）Ｃ−Ｇ、ピストン７及びピストンロッド８の死荷重並びにピストン ７の頂部の水圧差だけである。

ドリルビット及びピストンが穴の中に深く沈んで、ピストンが同筒チューブ３の 側部の開口部５の下まで行くと、掘削泥水はこれらの開口部から流出して装置の 外側を通って地表レベル捷で流ね、るようになる。この結果、水力機関１２及び 衝撃ピストン２１が停止し、これは、掘削泥水が水力機関を通過しなくなるので 流れ抵抗が低下することにょシ掘削泥水の背圧が減少することを意味する。これ は地表レベルにおけるポンプを例えばマノメータにょシ監視されることができる 。これに気がついたら、ドリルストリング１が回転装置によって穴のさらに下方 に下げられる。ドリルビットは大域に着くと、ピストン７が円筒チー−ブ３の側 部の開口部５を再び覆うようになシ、掘削泥水がピストンロッド８を通って水力 機関１２へ流れ、衝撃ピストンがアダプタ及びドリルヒツトを叩き始める。ドリ ルストリングカ深く沈められてバルブ機構９がトップユニット２の円筒穴１１を シールするようになると、掘削泥水の水圧が瞬時に上昇する。このときに、ドリ ルストリングが掘削泥水の通路が開かれるまで少しの距離だけ持ち上げられ、以 後はドリルビット、従ってピストン７が開口部５の下に再び達するまで、ドリル ストリングは垂直方向には不動に保たれ且つ回転されるばかりであシ、こ９サイ クルが繰返される。

ピストンのストロークに相当する距離だけドリルストリング１を穴に一歩一歩進 めていく作業は、例えばドリルストリングの垂直運動を行なう回転装置の構構（ 送シュニット）によって自動的に達成することができる。この機構は、掘削泥水 の圧力が瞬間的に低下したときにドリルストリングを進め且つ圧力が定められた 値まで瞬間的に上昇したときにこれを停止させる、のに適したものとすることが できる。

ドリルス）　ＩＪソング定められた一定の送シ速度で送られるようにすることも でき、この送シ速度は上述のセンサーの信号によって調節される。

従っそ、この装置は、例えばドリルビットの摩耗及び必要なトルクを減少させる ために所望されるようなドリルストリングにかかる圧力をほぼ一定で制限された ものとすることができるものである。さらに、ドリルビットが大域に当っていな いときには衝撃ピストンはドリルビットを叩がないようになっておシ、これはド リルビットを損傷させないために大切なことである。

さらに、掘削泥水用ポンプがオーバーフローバルブを具えている場合にはｉ＋イ ロットコントロールをして掘削中にドリルス）　ＩＪソング制限された距離だけ 垂直方向に動くことを可能たらしめ、よって、掘削泥水の圧力が定められた値を 越えると地表レベルのポンプにおいて掘削泥水がオーバーフローする。

これによって、例えば、外洋で垂直方向に動く浮き台に取付けられた掘削装置で の掘削を行うことが可能となる。

以上は１実施例について説明したものである。本発明の範囲内にあって上述の装 置と異った態様や変形がなされ得ることは明らかである。例えば、油圧ポンプは その他のタイプのポンプ、例えば〆イアフラムポンプとすることができる。また 、水力機関及び油圧ポンプは機械的に結合された２つの水力シリンダに代えるこ とができ、その一方は機関として作用して掘削泥水によって駆動され、他方は圧 油のだめのポンプとして作用する。２つの水力シリンダの断面積の比を例えば３ ：１など適当に定めることによって、所望の圧油圧力が得られる。水カビストン のスライド及びバルブ機構は相互運動のために結合されることができる。

本発明による装置は非常に深い穴、例えば石油掘削のだめの、を掘削すること狙 いとするものである。

特に海上でオイルを掘る場合には、１日当シの作業価格が非常に高い。この理由 のために、本発明による装置は１本の穴を伺とか完成するまで安全に掘ることが できるように構成されねばならず、この作業の後では装置は廃棄されてもよい。

しかしながら、装置が掘削の中途でその作用を停止又は作用しなくなったら、装 置を取出し、又は作用しなくなった装置に隣接して新らしい斜入を据るような価 格が非常に高くなる。本発明による装置はオイルを掘るだめの周知の装置よシ約 ２倍の速度で掘ることができるので、深い穴、特に海上でオイルを掘るような場 合に実質的な価格節減が可能である。

以上述べたように、本発明による方法及び装置は、掘削泥水に一方では大域にお ける水力式ハンマーさく岩槻を駆動させ且つ他方では穴から粉砕された土又は岩 を排出させる２つの機能を持たせるようにしたものである。本発明によシ、衝撃 ピストンが回転されているドリルビットを叩くようにしたハンマーさく巻装置に よシ数千ｍに達するような穴を掘ることが技術的に可能になった。これは、他の 方法に対する掘削能力（掘削速度）が２裕となり、岩盤の堅さによっては１０倍 にもなる場合があることを意味手続補正書（方式） 昭和５８年４月λρ日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １　事件の表示 ＰＣＴ／ＥＰ８２１００１４７ ２　発明の名称 水力式ダウンホールさく岩槻 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 ←− 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−］泪８番１０号５　補正命令の日刊

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ドリルストリングの一端に取付けられたドリルビットによシ穴を掘シ、掘 削にょシ得られた掘削物ヲ）’ＩＪルストリングを通って圧送されてドリルビッ トから流出させて穴に当てる掘削泥水にょシ穴から排出させるようにした、岩盤 等に深い穴を掘削する方法において、掘削泥水のエネルギーがドリルビット（２ ３）に穴の中で隣接して配置される水力機関（１２）を駆動するために部分的に 使用され、機関の出力軸（１５）がいわゆるハンマー掘削と呼ばれるドリルビッ トに複数のストロークを与える流体式衝撃装置を駆動するために使用されること を特徴とする掘削方法。 ２゜　水力機関の出力軸（１５）が衝撃装置の流体によシ駆動される衝撃ピスト ン（２１）に圧力流体を吐出する流体ポンプ（１６）を駆動することを特徴とす る請求の範囲第１項記載の掘削方法。 ３　流体ポンプ（１６）が圧力を平均化するために圧力アキ−レータ（１９）に 高圧圧油を吐出し、ドリルビットは地表レベルに置かれた機関によって回転させ られ、その回転はドリルストリングにょジトリルビットに伝えられ、又は水力機 関のエネルギーの一部が非回転部分とされたドリルストリングに対して穴中でド リルビットを回転させるのに使用されることを特徴とする請求の範囲第２項記載 の掘削方法。 ４、　ドリルストリングを大中に送る速度はドリルビットの掘削速度によ多制御 され、ドリルビットは水力機関及び衝撃装置及び該当する場合にはアキ−レータ を有する流体ポンプの死荷重を受け、衝撃装置はドリルビットが大域に当ってい ないときにはドリルビットを叩かないことを特徴とする請求範囲のいづれかに記 載の掘削方法。 ５、　ドリルストリング（１）の一端に取付けられたドリルピッ｝（２３）を具 備し、掘削によ）得られた掘削物を穴から移送するために掘削泥水がドリルスト リングを通って流されるようにした、岩盤等に深い穴を掘削する装置において、 掘削泥水のエネルギーの一部によって駆動されるに適し且つドリルビット（２３ ）に隣接して配置される水力機関（１２）と、水力機関（１２）によって駆動さ れ且つドリルピッｌ−（２３）を叩く衝撃装置とを設けたことを特徴とする掘削 装置。 ６、水力機関（１２）は流体によシ駆動されるハンマーさく岩装置である衝撃装 置に高圧流体を吐出する流体ポンプ（１６）を駆動するのに適していることを特 徴とする請求の範囲第５項記載の掘削装置。 ７　圧油の圧力を平均化するために流体ポンプ（１４）の出力軸（１４）に圧力 アキームレータ（１９）が結合され、地表レベルに置かれた装置がドリルストリ ング及びドリルビットを回転させ、又は・水力機関の出力が非回転部分とされた ドリルストリングに対してドリルビットを回転させるために装置の回転部を駆動 するように配置されたことを特徴とする請求の範囲第６項記載の掘削装置。 ８、　掘削中にドリルビットに水力機関及び衝撃装置及び該当する場合には流体 ポンプの死荷重を負わせ且つドｌ、゛ルビットが大域に当っていないときには衝 撃装置がドリルビットを叩かないように構成されたパイロットコントロールユニ ット（Ｂ）を設けたことを特徴とする請求の範囲第５項、第６項、第７項のいづ れかに記載の掘削装置。 ９、パイロットコントロールユニット（Ｂ）ハトリルストリングが掘削中にドリ ルビットに負荷を及ぼすことなく垂直方向に動くことができるようにしだもので あることを特徴とする請求の範囲第３項記載の掘削装置。 １０、パイロットコントロールユニット（Ｂ）ハトリルビットが掘シ進む速度に 応じた速度でドリルビットを送るように構成され、送シは断続的又は連続的に行 なわれることを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の掘削装置。