JPS6058356B2 - タ−ボドリル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は穿孔技術に関し、特にはターボドリルに関す
る。

この発明によるターボドリルは、複雑な採鉱条件および
地質条件の下における深い油井やガス井の穿孔用として
使用するのが最も好適てある。

この発明は又、井戸孔の所定の穿孔進路からの逸脱が可
能な限り小さくしてはならない方向性穿孔用に設計した
ターボ下リルにも適用する。穿孔作業を能率よく実施す
るためには、ターボドリルと穿孔ストリングを地上に引
き上げることなく井戸孔穿孔の実際の進路を決定しなく
てはならない。この目的のために非磁性管とこの非磁性
管の中に収めてある特別の非磁性容器内に入れる計器を
使用している。この計器は垂直線に対する容器の傾斜角
を測定し、この傾斜の地球磁極に関する方向（方位角）
を測定する。

非磁性管は磁気質量（マグネティックマス）をしや断し
、方位角を確認する計器の磁気部分に磁力が影響を与え
ないように保護する。井戸孔の三次元位置は以下に述べ
る方法で決定．する。非磁性管ターボドリルの上方もし
くは下方でドリルビットにできる限り近い位置で井戸の
軸線と一直線をなすように穿孔ストリングの中に装着す
る。

計測器を収容した容器を穿孔ストリング中を−下降させ
て非磁性管の中に設置する。容器は非磁性管の軸線に関
して心合せして設置する。計測器を内蔵した容器と非磁
性管、非磁性管と井戸孔とをそれぞれ整合させることに
よつて、井戸孔の実進路（傾斜角と方位角）を計器の読
みで確認できる。

井戸孔の実進路の所定進路からの逸脱を可能な限り小さ
くするためには、井戸孔の実進路を測定する計測器の読
みは削岩工具（ドリルビット）に可能な限り近い位置に
おける読みでなくてはならない。

この計測器の読みを利用してターボドリルの作動とドリ
ルビットの動きを直ちに制御し、井戸孔の実進路と理論
進路との間の相違が許容値を″こえないように制御する
。ターボドリル設計の２つの基本的必要条件は上述の要
件に基づいて考案されるものである。

すなわち、第１に、ターボドリルには井戸孔穿孔の進路
を測定するための計測器を収容するための非磁性管を設
け、この非磁性管を穿孔ストリングに井戸孔と一直線状
になるように固定結合しなくてはならない。

第２に、計測器を収容するために使用する非磁性管が合
理的に取りつけられ、非磁性管がドリルビットなどの削
岩工具から最短距離に配置されるようにターボ下リルを
設計しなくてはならない。

今日使用されている連続系の堀穿硫体に基づいたターボ
下リルの１つは、それぞれがケーシングとむく軸とを有
する複数のタービン部を備えている。このターボ下リル
は又、ケーシングの中に設けてありドリルビットなどの
削岩工具を保持するスピンドルを備えている。このター
ボドリルには井戸孔の三次元位置を測定するための計測
器を収容するように設計した非磁性管が設けてあり、こ
の非磁性管は井戸孔進路と一直線になるようにタービン
部の上方に配置してあるσターボドリルの計算、設計、
運転ョ、ロシア語、Ｍ．Ｔ．ＧＵＳｍａｎ他、Ｍ．、Ｎ
ｅｄｒａ出版社、１９７６年、Ｐ３５、第９図）。この
ようなターボドリルにむく軸を設け、非磁性管をタービ
ン部の上方に配置することによつて、ドリルビットから
３０ないし４０ＷＬの距離の位置にある井戸孔の実進路
を測定できる。この管とドリルビットとの間の距離では
測定結果が得られるのはドリルビットから３０ないし４
０Ｗ１．の位置であるから、非磁性管が井戸孔進路と一
直線の関係にあるにもかかわらず、ドリルビットの作動
を素早く制御することはできない。このようなターボド
リルは目的の達成には不適当である。平行糸の堀穿泥水
に基づくターボドリル （ＵＳＳＲ発明者証第１２１１０？、１９５８年１２月
８日）は、それぞれがケーシングと中空軸を備えたター
ビン部を備えている。

このタービンドリルは又、ケーシングの中に設けてあり
、削岩工具（ドリルビット）を保持しているスピンドル
を備えている。このターボドリルは、井戸孔の三次元位
置を測定するための計測器を収容するように設計された
非磁性管を備えている。この非磁性管は、ドリルビット
に軸方向荷重と回転運動を伝達するスピンドルの下に配
設してある。タービン部の軸とスピンドルが中空である
ために、計測器を内蔵した管をドリルビットより接近し
た位置に配設でき、ドリルビットに可能な限り接近した
位置で井戸孔の実進路を測定でき、ターボドリル作動お
よびドリルビットの動きを素早く制御できる。この種の
ターボ下リルにおいては、ドリルビットに可能な限り近
い位置で実進路が測定できるものの、計測器を収容する
非磁性管が穿孔ストリングに固定結合されておらず、ド
リルビットに回転運動と軸方向荷重を伝達する役目をさ
せるために非磁性管が井戸孔と一直線になつていないた
めに測定値の正確さが不充分である欠点がある。

このような構成のターボドリルにおいては計測器を収容
する非磁性管を井戸孔に一直線に合せることはできなか
ろう。すなわち、ドリルビットへの回転運動の伝達は２
ないし１０回転／秒であり、このために非磁性管とスピ
ンドルに設けてある心合せ部材が急速に損耗し、非磁性
管を非常にま耗させる。計測器を収容している非磁性管
を井戸孔に対して一直線に整列できない場合は、ドリル
ビットとターボドリルの三次元位置を常に正確に測定で
きなくなり、井戸底からごく近い距離で三次元位置を測
定するにもかかわらず、空間内におけるターボドリルの
作動とドリルビットの動きの制御が不正確になる。

更に又、このようなターボドリルでは、スピンドルに取
りつけた方向修正装置がドリルビットから遠すぎる位置
にあるために方向性のある孔を穿孔できない。この発明
における問題は、削岩工具の空間内での動きとターボド
リルの位置の情報が得られるように構成したターボドリ
ルにおいて、前述の構成の非磁性管を合理的に配置して
あり、ターボドリルの作動と削岩工具を即座に制御して
所定の進路からの逸脱が最小である状態でターボドリル
と削岩工具を１目標位置ョに到達させることである。

この問題を解決するために、この発明においては、それ
ぞれがケーシングと中空軸を有するタービン部と、ケー
シングの中に設けてあり削岩工具を保持しているスピン
ドルと、井戸孔の三次元位置を測定する計測器を収容す
る非磁性管とを備えたターボドリルにおいて、非磁性管
はその隣接するスピンドルとタービン部との間に同心配
置した２本の管で形成してあり、外側管の両端部はスピ
ンドルケーシングとタービン部のケーシングとに固定結
合してあり、内側管は、タービン部の中空軸からスピン
ドルに回転運動を伝動するためにスピンドルとタービン
部の中空軸とに結合してある。非磁性管のこのような設
計、ターボドリル内の非磁性管の位置、非磁性管のター
ボドリル構成部材への結合によつてドリルビットなどの
削岩工具の動き、従つて空間内におけるターボドリルの
動き、の情報の信頼度を非常に高めることが可能となり
、ターボ下リルの作動とドリルビットの動きを、所定の
進路からの逸脱が最小になる状態で、即座に制御できる
。

同心配置した２本の管で形成した非磁性管を設けること
によつて、従来は１本の同一管の作用であつたドリルビ
ットへの軸方向荷重の伝達機能とドリルビットへの回転
運動の伝達機能とを分離して２本の管に分担させること
が可能になる。

外側管が穿孔ストリングに固定結合してあるので荷重は
外側管によつてドリルビットに伝達され、回転運動は内
側管によつてドリルビットに伝達される。このように構
成することで外側管は回転運動から解放され、井戸孔と
より正確に一直線．に整列できるようになる。その結果
、このように構成した非磁性管内に収容した計測器の削
岩工具（ドリルビット）の三次元位置の測定がより正確
になる。非磁性管を隣接するスピンドルとタービン部の
ｌ間に配設することによつて、空間内で三次元位置を測
定する計測器をより合理的に収容できるようになる。

測定点とドリルビットの間には短いスピンドルがあるの
みで、従つて空間内でのドリルビットの動きに関する情
報をドリルビットから短距離の位置で得られ、特に重要
な点であるが、空間内におけるドリルビットの位置を短
いスピンドルで制御できる。非磁性管に所要の磁気的性
質を賦与するためには非磁性管を透磁率が１．１２もし
くはそれ以下である材料で形成するのがよい。

透磁率が大きくなると所要精度を保証するのが非常に難
かしくなる。生産の観点からすれば、管の長さ（Ｚ）と
タービン部の外径（Ｄ）との関係がＺ＝（３０〜６０）
Ｄであると好都合である。管長が上記条件に適合してい
る場合はタービン部とスピンドル部が上記長さだけ非磁
性管によつて計測器から離されており、タービン部とス
ピンドルの磁気的質量が精度に実質的影響をおよぼさな
いので、空間における三次元位置の希望測定精度が保証
される。

外側管とターボドリル構成部材とは、管の一端部いスピ
ンドル・ケーシング、および管の他端部とタービン部の
ケーシングをねじ結合することによつて固定結合しても
よい。

この固定結合は生産の観点からして最も簡単な構成てあ
る。

内側管とターボドリル構成部材とは、管の一端部とター
ボ下リルスピンドル、および管の他端部とタービン部の
中空軸とをねじ結合してもよい。

内側管とターボドリル構成部材とは又、管の一端部とタ
ーボ下リル・スピンドル、および管の他端部とタービン
部の中空軸とをテーパ・スプライン結合してもよい。こ
の結合方法は組立、分解がしやすく、ドリルビットへの
回転運動の伝達も可．“能てある。内側管の詰りをなく
し内側管内部を水洗し常に清浄に維持でき、計測器を正
確に取りつけられるようにするために、内側管の内部空
間を介してスピンドルの内部空間と連通しているタービ
ン部の！内部空間て形成した水圧的連結によつて、内側
管をターボ下リルの構成部材に結合するのがよく、内側
管の端部、タービン部の中空軸の端部および内側管の一
端部に対応するスピンドルの端部に液密手段を設けるの
が好適である。

第１図において、ターボ下リルはタービン部１とスピン
ドル２を備えている。

各タービン部１は穿孔ストリング４に取りつけてあるケ
ーシング３と、内部空間６を有する中空軸５を備えてい
る。各タービン部１のタービンはケーシング３と軸５と
の間に配置してあり、ケーシング３の中に固定したステ
ータ７と中空軸５に取りつけたロータ８とで構成してあ
る。中空軸５はその軸線がケーシング３の軸線と一直線
をなす状態でケーシング３の内部にラジアル軸受９を介
して取りつけてある。スピンドル２は単独ケーシング１
０の中に軸受１１を介して取りつけてあり、ドリルビッ
ト１２）形式の削岩工具を保持している。

軸受１１はスピンドル２の軸線とケーシング１０の軸線
とが一直線になるようにスピンドル２を支承している。
ターボドリルには非磁性管が設けてあり、この非磁性管
の中には井戸孔の三次元位置を測定する・計測器が入れ
られる。この発明によれば、管に近接しているスピンド
ル２とタービン部１との間に同心配置した外側管１３と
内側管１４の２本の管で非磁性管を構成してある。

外側管１３の一端部１５はスピンドル２のケーシング１
０に固定結合しており、同じく他端部１６はタービン部
１のケーシング３に結合してある。内側管１４の一端部
１７はスピンドル２にそして同じく他端部１８はタービ
ン部１の中空軸５にそれぞれ結合してある。管１３の両
端部１５，１６をそれぞれスピンドル２のケーシング１
０とタービン部１のケーシング３に固定結合してあるの
で、軸方向荷重を穿孔ストリング４からドリルビット１
２に伝達できる。

管１４の両端１７，１８をそれぞれスピンドル２とター
ビン部１の中空軸５に結合してあるので、回転運動をタ
ービン部１の中空軸５からスピンドル２に伝達できる。

非磁性管のこのような構成、位置、隣接するターボ下リ
ル構成部材への結合によつて、外側管１３高精度で心出
しでき、ドリルビット１２に接近した合理的な位置に配
置でき、穿孔ストリング４に固定結合できる。これは、
内側管１４によつて回転運動をタービン部１の中空軸５
からドリルビット１２へ伝達するように構成したことで
可能なのである。管１３，１４は、これ等の管に所望の
非磁性特性を賦与するように、透磁率が１．１２もしく
はそれ以下の非磁性材料て形成てある。

管１３，１４の長さ（Ｚ）はタービン部１のケーシング
３の外径（Ｄ）との関係がＺ＝（３０〜６０）Ｄである
ようにきめてある。管１３，１４をこのような長さにす
ることによつて、タービン部１ならびにスピンドル２の
磁気質量の、空間内におけるターボドリルの三次元位置
を求める測定の精度への影響をなくすことが可能になる
。使用するドリルビット１２の直径に応じてタービン部
１およびケーシング１０を有するスピンドル２の直径Ｄ
の値は異る値をとることになり、従つてそれ等の磁気質
量も異つて来るであろうが、Ｚ＝（３０〜６０）Ｄで定
められる長さ（Ｚ）は、全ての実用に供されるドリルビ
ットならびにタービン部の直径範囲について適合するも
のである。

外側管１３を井戸孔（図示せず）に整合させるために、
管１３の外周をら線状に取りまくリブ１９，２０が設け
てある。これら線状リブの外径はドリルビット１２の外
径と実質的に等しい。これ等のリブは回転せず、従つて
ま耗率はごく小さいから、管１３を効果的に井戸孔に整
合させる。スピンドル２のケーシング１０に上記と同様
のリブ２１が設けてある。このリブ２１の外径はドリル
ビット１２の外径と実質的に等しい（リブ２１の外径は
ドリルビット１２の外径より大きくてもよい）。このリ
ブ２１は、ケーシング１０、軸受１１、スピンドル２を
介してドリルビット１２に作用して、空間内におけるド
リルビット１２の動きを規制するように設計してある。
外側管１３の端部１５とスピンドル２のケーシング１０
とはねじ結合部２２（第２図）で結合してあり、同管１
３の他端１６はタービン部１のケーシング３にねじ結合
部２３で結合してある。これ等のねじ結合部によつて固
定結合ができ、ドリルビット１２への荷重が伝達できる
。内側管１４の端部１７はターボドリルのスピンドル２
に、そして内側管１４の端部１８はタービン部１の中空
軸５にそれぞれねじ結合部２４（第３図）とねじ結合部
２５で結合してある。これ等のねじ結合によつて、回転
運動をドリルビット１２に伝達でき、又ターボドリルの
設計を単純化できる。第４図に内側管１４をターボドリ
ルの構成部材に結合する他の実施例が示してある。この
実施例の場合は、内側管１４の端部１７，１８はそれぞ
れターボドリルのスピンドル２とタービン部１の中空軸
５にそれぞれテーパ・スプライン結合部２６，２７で結
合してある。この結合方法によれば、ドリルビットに回
転運動をスリップ無しに伝達でき、又ターボドリルの組
立、分解を迅速に行うことができる。研磨材性の堀穿泥
水を使用した場合は、軸５の内部空間６と内側管１４の
内部空間２８とは、穿孔ストリング４からターボドリル
に送入した研磨材性の堀穿泥水の一部によつて洗浄され
る。

この目的のために、タービン部１を通過して流れる堀穿
泥水の流れを規制するために、内側管１４の端部１７に
流量規制ニップル２９（第１図）が設けてある。ニップ
ル２９に作用する作動圧を低減させるために、上記ニッ
プルより内径が大きいニップル２９を数箇設けてもよい
。このようにすればターボ下リルの作動信頼度が向上し
、ニップル２９が詰ることがなくなる。穿孔ストリング
４のドリルビット１２への水圧連結は、タービン部１の
中空軸５の内部空間６、内側管１４の内部空間２８、ス
ピンドル２の内部空間３０（第４図）によつて構成して
ある。

内側管１４の内部空間２８からの堀穿泥水のもれを防止
するために、内側管１４の端部１８と中空軸５の端部３
３との間ならびに内側管１４の端部１７とスピンドル２
の端部３４との間それぞれに液密手段３１，３２が設け
てある。ドリルビット１２に堀穿泥水の大部分を供給す
るために、タービン部１の内部空間３５、外側管１３の
内部空間３６、流量規制ニップル２９の上方でスピンド
ル２の外周に形成した穴３７および・スピンドル２の内
部空間３０を通じて、ドリルビット１２を穿孔ストリン
グ４に水圧的に連結してある。

次にこの発明のターボドリルの作動について説明する。

ターボドリルは井戸孔の中に下す前に組・立てる。ドリ
ルビット１２をスピンドル２の下側に取りつける。外側
管１３の端部１５をスピンドル２のケーシング１０にね
じ結合部２２で結合する。次にスピンドル２と端部１７
で結合してある内側管１４を外側管１３の中に下降せし
める。続ノいて、タービン部１のケーシング３を外側管
１３の端部１６にねじ結合部２３で結合する。中空軸５
はその端部３３で内側管１４の端部１８に結合してある
。中空軸５と内側管１４の重量はスピンドル２を介して
軸受１１で支承されるように構成してある。このような
ターボ下リルの構成部材の組立方法が最も簡単かつ便利
であり、これ等構成部材による各種の機能の作用が可能
になる。

別の組立方法でターボドリルを組立ててもよい。

この場合は、内側管１４をターボ下リルの構成部材にね
じ結合部２４，２５で結合する。この方法ては前述の第
１の方法によるよりも時間が幾分か余計にかかるが、内
部空間２８が確実に密封できる。この重要性については
後に説明する。内側管１４を組みつける最も便利て好適
な方法は、内側管１４の両端１８，１７をそれぞれ中空
軸５とスピンドル２にそれぞれテーパ・スプライン結合
部２７，２６で結合する方法である。このようにすれば
内部空間２８は隣接内部空間３６に関して液圧シール部
材３１，３２で確実に密封される。ターボドリルは上述
したようにして組立てが終り、以下に説明するように井
戸孔の中で作動する。

穿孔ストリング４を通してタービン部１に堀穿泥水を供
給する。

この堀穿泥水はタービン部１で２つの流れに分けられる
。堀穿泥水の主流はタービン部１の内部空間３５を通じ
てステータ７とロータ８とに供給される。全ステータ７
、全ローター８を通過した後、この堀穿泥水の主流は、
外側管１３の内部空間３６とスピンドル２の穴３７を通
じてドリルビット１２に入る。堀穿泥水の分流はタービ
ン部１の中空軸５の内部空間６に流入し、内側管１４の
内部空間２８と．流量規制ニップル２９とを通つてスピ
ンドル２の内部空間３０に流入する。

堀穿泥水のこの分流は同主流とスピンドル２の内部で合
流し、ドリルビット１２に流入する。内側管１４の内部
空間２８の詰りが生じないよ３うにするために内部空間
２８を常時洗浄している。

内部空間２８によどみ域が生じないように液密手段３１
で内部空間２８を密封してあるために、内部空間２８の
洗浄は確実に行われる。ロータ８は、ラジアル軸受９で
ケーシング３に４て回動自在に支持された中空軸５を駆
動する。回転運動は、内側管１４とスピンドル２を介し
て、中空軸５からドリルビット１２に伝達される。穿孔
ストリング４からの荷重は、タービン部１のケーシング
３、外側管１３、スピンドル◆ケーシング１０、スラス
ト軸受１１およびスピンドル２を介してドリルビット１
２に伝達される。回転運動は、内側管１４の端部１８を
介して中空軸５から内側管１４へ、内側管１４の端部１
７を介して内側管１４からスピンドル１へそれぞれ伝達
される。

外側管１３はその端部１５，１６を介して荷重をタービ
ン部１のケーシングからスピンドル２の）ケーシング１
０に伝達する。

管１３，１４は非磁性材料でできているので、その中に
設けた計測器（図示せず）によつてターボドリルとドリ
ルビットの空間内における三次元位置を決定（測定）で
きる。

上述の測定をする場合は、ターボドリルへの堀穿泥水の
供給を一時停止し、ターボドリルを地上に引きあげるこ
となく、空間内におけるドリルビットの三次元位置測定
用計測器をワイヤローブを使用して穿孔ストリング４を
通じて下降させる。

計測器はストリング４から中空軸５を通つて内側管１４
の中に入り、ここで測定が行われる。測定が終ると計測
器を引き上げそして堀穿泥水の供給を再関する。上記測
定は必要に応じた頻度で実施される。

計測器による測定値を利用して、必要の場合はドリルビ
ットの動き、ターボドリルの作動、地球磁に対するリブ
２１の位置などを修正する。ターボドリルをこのように
構成したことによつて、ドリルビットを予じめ定められ
た１目標ョに到達させるように、複雑な採鉱および地質
条件の下で方向性孔を穿孔できる。更に又、このターボ
ドリルは、井戸孔が自然に偏向してしまうような条件下
て直線状の孔を穿孔する場合に有利に使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボドリルの全体の部分縦断
側面図、第２図はこの発明によるターボドリルの構成部
材と非磁性外側管の両端部とねじ結合の部分縦断面側面
図、第３図はこの発明によるターボドリルの構成部材と
非磁性内側管の両端部とのねじ結合の部分縦断面側面図
、第４図はこの発明によるターボドリルの構成部材と非
磁性内側管とのテーパ・スプライン結合の部分縦断面側
面図、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれがケーシングと中空軸とを備えた部分と、
   独立のケーシングの中に取りつけられかつ削岩工具を保
   持するスピンドルとを備えており、井戸孔の三次元位置
   を測定するための計測器を収容する非磁性管が設けてあ
   るターボドリルであつて、前記非磁性管が隣接するスピ
   ンドル２とタービン部分１との間に同心配置した２本の
   管１３、１４で形成してあり、外側管１３の両端部１５
   、１６がそれぞれスピンドル２のケーシング１０とター
   ビン部１のケーシング３とに固定結合してあり、内側管
   １４の両端部１７、１８がそれぞれスピンドル２とター
   ビン部１の中空軸５とに結合してあり回転運動をタービ
   ン部１の中空軸５からスピンドル２へ伝達するように構
   成してあるターボドリル。 ２ 前記管１３、１４を透磁率が１．１２もしくはそれ
   以下である非磁性材料で形成してある特許請求の範囲第
   １項に記載したターボドリル。 ３ 前記管１３、１４の長さ（∠）とタービン部１のケ
   ーシング３の外径Ｄとが∠＝３０〜６０Ｄで定まる関係
   にある特許請求の範囲第１項記に記載したターボドリル
   。 ４ 前記外側管１３とターボドリルの構成部材との固定
   結合が、前記管１３の一端部１５とスピンドル２のケー
   シング１０との間および前記管１３の他端部１６とター
   ビン部１のケーシング３との間それぞれに構成したねじ
   結合部２２、２３である特許請求の範囲第１項に記載し
   たターボドリル。 ５ 前記管１４の一端部１７とターボドリルのスピンド
   ルとの間および前記管１４の他端部１８と前記中空軸５
   との間それぞれに構成したねじ結合部２４、２５によつ
   て前記内側管１４をターボドリルの構成部材に結合して
   ある特許請求の範囲第１項に記載したターボドリル。 ６ 前記内側管１４の一端部１７とスピンドル２との間
   および前記内側管１４の他端部１８とタービン部１の中
   空軸５との間それぞれに構成したテーパスプライン結合
   部２６、２７で前記内側管１４をターボドリル構成部材
   に結合してある特許請求の範囲第１項に記載したターボ
   ドリル。 ７ 前記内側管１４はターボドリルの構成部材に流体継
   手によつて連結してあり、前記流体継手は内側管１４の
   内部空間２８を介してスピンドル２の内部空間３０に連
   通するタービン部１の中空軸５の内部空間６で形成して
   あり、前記内側管１４の両端部１７、１８と前記両端部
   １７、１８にそれぞれ対応するスピンドル２の端部３４
   およびタービン部１の中空軸５の端部３３とには密封手
   段３１、３２が設けてあり、内側管１４の一端部１７と
   スピンドル２の端部３４との間には、タービン部を通つ
   て流れる穿孔泥水の流れを規制するために、少くとも１
   個の流量規制ニップル２９が設けてある特許請求の範囲
   第１項に記載したターボドリル。