JPS62502626A - ダウンホ−ル・スクリユウモ−タ - 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】 ダウンホール・スクリュウモータ 光玉皇圀互 本発明は地中掘削機に関し、更に詳しくはダウンホール・スクリュウモータ（ｄ ｏｗｎｈｏｌｅ　５ｃｒｅｙ　ｍｏｔｏｒ）に関する。

亘米茨■ 現在、孔及び油井の掘削のために基本的に異なった二つの技術が使用されている 。その一つは、地表に設置されたエンジンやモータからの駆動トルクをドリルパ イプのストリングを介してドリルビットに伝達するロークリ式掘削である。他方 の技術は、現在掘削されつつある孔の底に、ドリルビットの真上にモータを設置 し、ドリルストリングは静止しているものを採用している。この２番目の技術は 、ドリルストリングを回転させるのに消費される動力を節約し、ドリルストリン グにかかる荷重を減少させ、その結果、故障の回数が減少する等の多くの利点を もたらす。特にこのダウンホール型モータの利点は、傾斜孔の掘削の場合に著し い。

現在掘削に使用されているダウンホール型モータのタイプの中では、スクリュウ ・モータが広く人気を博している。

このモータは操作や保守が簡単で、コンパクトであり、種々の密度の泥土の掘削 に使用可能である（ガスマン、Ｍ、Ｔ、。

バデンコ、Ｄ、Ｆ、他、著、１９８１年モスクワのＮＥＤＲＡ社刊行、［孔掘削 用ダウンホール・スクリュウ・モータ」参照）。

殆どの場合、このタイプのモータは、ハウジング、ラジアル及びスラストベアリ ングを具えた出力シャフト、及び内側に刻まれた螺旋状の歯を有する外側スリー ブとその中空内部に収容された外周に螺旋状の歯を刻まれたシャフトの二つの構 成部分からなる作業部材の三つからなっている。該スリーブの歯の数は、シャフ ト上の歯の数よりも一つだけ多く、これによって、流体が該作業部材を通じて流 通せしめられる場合に、これらの歯同士の相互作用のために、歯によって形成さ れる内部空間は高圧空間と低圧空間とに分割される。このために生じた圧力低下 によって、作業部材は相対運動を行う。典型的なスクリュウ・モータでは、外側 スリーブは静止し、内側シャフトが外側スリーブに対して公転するように駆動さ れる。内側シャフトの軸は外側スリーブの軸を中心に円を描き、同時に内側シャ ツ１−は自分自身の軸を中心に回転する。内側シャフトのこの回転はモータの出 力シャフトに伝達される。しかし、作業部材は他の運動パターンをとることも可 能であり、例えば外側部材が回転し、内側部材が揺動的な横方向運動をなすよう に駆動されてもよい。

歯の数及びその螺旋ピッチを変えることによって、種々の作動速度を得ることが できる。通常、流体の流れがスクリュウモータの動力源として使用されるが、成 る場合には空気を含んだ流体又は圧搾空気によって駆動される。

これらのモータの主たる欠点は、内側作動部材の特殊な運動のために激しい横方 向振動が生じることである。この振動は作動部材と軸方向のスラストベアリング に加速度的な摩耗をもたらし、故障を生じさせる。

内側シャフト、駆動シャフト、及び該駆動シャフトと外側スリーブを結合するカ ンブリングの三者を内蔵する外側スリーブを具えたダウンホールモータが知られ ている（米国特許第４２３２７５１号、ＩＰＣＥ２１　Ｂ　３／１２）。

しかし、このモータもハウジングの横振動が比較的大きく、又軸のサイズが大き 過ぎる点で問題がある。このモータを傾斜孔の掘削に使用することは難しい。内 側シャフトの公転運動に基づくハウジングの振動は、長さ方向には均一には生じ ない。

これは、内側シャフトの向きがそれに対して作用する圧力低下によって反転する からである。

本発明に最も近い従来技術は、フランス特許第２２４２５５３号（ＩＰＣＥ２１ 　Ｂ　３／１２．ＦＯ３Ｃ３１００）に開示されたダウンホール型スクリュウモ ータである。それの一実施例によれば、モータは、それぞれ二つの部品、即ちハ ウジングに結合され、外部に螺旋状の歯を具えたシャフトの形をした内側部材と 、内部に螺旋状の歯を具えたスリーブの形をした外側部材とからなる作動部材を 内部空間に収容したハウジングを有する。前記外側部材の一端にはドリルビット が取付けられ、一方、他端はハウジングの内部空間内に収容された搬送シャフト に結合されている。該搬送シャフトはその内部に、これをハウジングに結合する 、螺旋状の歯を有するエレメントを収容している。

螺旋状の歯を有するシャフトをハウジングに結合するためのエレメントが、搬送 シャフトの内部に収容されているので、このモータは軸方向に短くなっている。

しかし、このモータは大きな横振動を有している。前述の通り、外側スリーブの 内部における内側シャフトの公転運動はスクリュウモータの作動行程の一部をな している。内側シャフトの回転速度は、外側シャフトの回転速度のに倍であり、 ここでＫは内側シャフトの螺旋状歯の数を指す。内側シャフトは比較的重く、且 つその軸は圧力低下によって常に姿勢を変えていることを考慮すると、スクリュ ウモータの作動部材は強力な横振動発生機となる。このように発生した振動は、 モータの作動部材の寿命を著しく短（する。

特に螺旋状歯を具えた内面が弾性材料で作られている外側スリーブにおいて、こ の現象は顕著である。この振動は、回転体を内蔵し、大きな軸方向荷重に耐える ように設定されたモータのスラストベアリングの耐久性に悪影響を与える。更に 、モータハウジングの過剰な振動のために、ねじ止め部分が緩んで事故が発生す る危険性がある。傾斜掘削のためにモータ／％１ウジング上に取付けられた芯出 し装置及びゲージ部材の早期の摩耗も生じやすい。

このモータのその他の欠点としては、螺旋状歯を具えたシャフトをハウジングに 結合するだめのエレメントが搬送シャフトの内部に収容されていることにより、 該搬送シャフトの通路内の流体抵抗が増加することが挙げられる。

主恩■皿玉 本発明は、モータ構成部材に働く横振動を大幅に減少させるダウンホール・スク リュウモータを提供することにある。

この目的は、作動部材を収容するハウジングを具え、その内部に、内側に螺旋状 歯を具え、ドリルビットを担持する出力シャフトに連結され、且つ前記ハウジン グの内側にその軸を中心に回転自在に取付けられたスリーブからなる一方の作業 部材と、前記スリーブ内に、半径方向に変位自在であるがその軸を中心とする回 転は抑止さた状態で収容されたシャフトからなる他方の作業部材とを具え、該シ ャフトは前記スリーブの螺旋状歯と噛み合う螺旋状の歯を有し、前記スリーブの 螺旋状歯の数は前記内部シャフトの歯数よりも一つだけ多く構成されているスク リューモータであって、弾性を有するエネルギ吸収手段が前記ハウジングとスリ ーブとの間の、後者の螺旋状歯の領域に設けられていることを特徴とするスクリ ュウモータによって達成される。

弾性を有するエネルギ吸収手段を歯と回転スリーブとの間の螺旋状歯の領域に設 けることにより、作業部材の横振動のレベルを大幅に減少させることができる。

この弾性を有するエネルギ吸収手段は、回転スリーブに安定性を与え、これによ ってモータのハウジングに均一な力を伝達することを可能にする。モータの作動 中にラジアルベアリングとスリーブとの間に形成される流体フィルムも、同様に 、スリーブの横方向の振動を抑制し且つラジアルベアリングの摩擦を減少させる 。

ここに述べられたダウンホール・スクリュウモータとその構成部材は、従来より も温かに長い寿命を有する。

本発明の好適実施例によれば、弾性を有するエネルギ吸収手段の全体的な軸方向 長さは、少なくとも螺旋状の歯を有するスリーブの部分の軸方向長さに等しい。

これによって振動のレベルが大幅に減り、モータの構成部材の好ましい作動状態 を作り出すことができる。

弾性を有するエネルギ吸収手段の軸長さが、螺旋状歯を具えた部分のスリーブの 軸長さよりも実質的に短い場合には、回転スリーブの姿勢の完全な安定性は得ら れず、横方向の力は不均一にハウジングに伝達される。更に、この場合には弾性 を有するエネルギ吸収手段の隼位長さ当たりにかかる荷重が高くなる。

弾性を有するエネルギ吸収手段の軸長さがｖＡ旋状歯を有するスリーブ部分より も実質的に長い場合には、モータの構成部材の作動状態の目立った改善は見られ ず、かえってモータの軸方向の寸法が不当に増大する。

弾性を有するエネルギ吸収手段を積層することによって、掘削流体の漏洩防止用 のシールとして役立つ。弾性を有するエネルギ吸収手段のシール手段としての効 率を高めるために、ラジアルベアリング手段の間にラビリンスシールを設けるこ とが望ましい。これによって、固体を含有する流体がスラストベアリングを通じ て流れる量を減少することの簡便な解決策が提供される。スラストベアリング内 に摩耗性粒子が入り込むことが少なくなるので、該ベアリングの耐久性が著しく 改善される。

Ｕ里Ω皿員度説屋 本発明のその他の目的と利点は、添付の図面を参照して次ぎの説明から明らかに なるであろう。

第１図はスクリュウモータの長手方向の断面図、第２図は第１図のｎ　−ｎ線に 沿う拡大断面図、第３．４．５図はラビリンスシールの変形例を示す。

本衾肌図圧盈爽隻拠 ダウンホール・スクリュウモー久は、二つの構成部分、即ち螺旋状の内側歯２′ を有するスリーブ２の形をした外側部材と、螺旋状の外側歯３′を有するシャフ ト３の形をした内側部材の二つの構成部分を具えた作業部材を収容したハウジン グ１　（第１図）からなっている。

スリーブ２の螺旋歯２′の数は、シャフト３の螺旋歯３′の数プラス１に等しい 。ここに述べる実施例においては（第２図参照）、スリーブ２の螺旋歯２°の数 は１１であり、シャフト３の螺旋歯３′の数は１０である。しかし、これらの数 は予定されたモータの仕様に応じて広い範囲で変えることができる。

スリーブ２はハウジング１の内部のスラストベアリング５に取付けられた出力シ ャフト４に結合されている。この出力シャフト４は、その先端にドリルビット（ 図示しない）取付は用のブツシュ６と、該ドリルビットが作動する際に発生する ラジアル方向の荷重を受けるように構成されたラジアルベアリング７とを担持し ている。

前記内側シャフト３は、特殊な結合部材（この実施例においては可撓性シャフト ８の形状をしている）によって、静止のブツシュ９に結合され、該ブツシュはハ ウジング１に強固に取付けられている。

ハウジングの中程の、スリーブ２の螺旋歯２′のある領域に、弾性を有するエネ ルギ吸収手段１０が設けられている。これらの弾性手段１０は種々のものが利用 可能である。こ実施例においては、これら弾性手段は金属−金属又は金属−ゴム の外側リング１１と内側リング１２からなる摩擦カップリングの形をしている（ 第３図）。

この金属リングの作業表面は硬い合金のライニングで補強されるか、他の適宜な 耐摩耗性、耐腐食性のコーティングを施されてもよい。

ハウジング１内とスリーブ２上にそれぞれ取付けられたリング１３と１４の形の ラビリンスシール（第３図）が、前記弾性を有するエネルギ吸収手段１０の間に 介在していることが望ましい。別のやり方としては、モータの組立と調整を簡単 化するためと、モータの作動の際にハウジング１に対してスリーブ２の軸方向変 位を大きくするために、ラビリンスシール１５　（第４図）はハウジング１の内 側に取付けられてもよい。ラビリンスシール１５の流体抵抗を増加させるために 、収束領域におけるその表面１６は、第５図に示すように、流体の流れの方向に 張り出していることが必要である。

このダウンホール・スクリュウモータは次のように作動する。

掘削流体はドリルパイプ・ストリングを通じてモータの作業部材に供給される。

スリーブ２とシャフト３のそれぞれの螺旋歯２゛　と３゛が高低圧領域を形成す る。作業部材に作用する圧力低下が駆動トルクを生じ、それによってスリーブ２ は回転し、この駆動とろくを出力シャフト４とブツシュ６を介してドリルビット （図示しない）に伝達する。

シャフト３が可撓性シャフト８によって軸まわりの回転を抑止され、ラジアル方 向の限定された変位を許容されている状態で、シャフト３に作用する反動トルク は可撓性シャフト８を通じてハウジング１の静止ブツシュ９に伝達される。

ドリルビットに作用し、作業部材の相互作用によって発生する軸方向荷重は、軸 方向のスラストベアリングによって受け止められる。ハウジング１とスリーブ２ の螺旋歯２”の領域の中間に設置された弾性を有するエネルギ吸収手段１０は、 作業部材の横振動を吸収すると同時に、摩耗性の粒子を含みスラストベアリング ５内に流入しようとする掘削用流体の漏洩を少なくするためのシール手段として 機能する。この弾性手段１ｏはスリーブ２の回転を安定化すると同時に、ハウジ ング１に対して均一に横荷重を伝達する。弾性手段１０に入り込む掘削用流体は 、リング１１と１２の間の空隙内に流体フィルムを形成し、該弾性手段ｌＯの摩 擦を減少し、補助的にスリーブ２の横振動も抑制する。

ゴム−金属型の弾性を有するエネルギ吸収手段１ｏが使用される場合には、接触 リングの一つ、例えばリング１１の弾性表面も補助的にスリーブ２の振動エネル ギを吸収する。

弾性手段１０の中間に取付けられたラビリンスシール１３と１４は、ハウジング １とスリーブ２との間のシールの質を高め、掘削用流体の漏洩を最小にする。

ドリルビットの作用によって生じるラジアル方向の力は、ラジアルベアリング６ によって受け止められる。

モータを作動させるエネルギ源は、水、種々の密度の掘削泥土、又は空気を吹き 込まれた流体等の掘削用流体の加圧流である。必要に応じ、モータは圧縮空気で 駆動されてもよい。

奮栗上■肌朋性 本発明は油井やガス井等の掘削、特に傾斜方向の井戸及び水平方向に分岐した井 戸の掘削に好適に利用される。

本発明のその他の好適な分野は、試掘弁、水の供給のための掘り抜き井戸、発破 孔及び鉱業用ピント等の掘削である。

昭和６１年１２月ノ３日 特許庁長官　黒　１）明　雄　殿 １　特許出願の表示 ｐｃＴ／５ｔＪ８５１０　ＯＯ３５ ２発明の名称 ダウンホール・スクリュウモータ ３　特許出願人 住所　ソビエト連邦＝　１１７９５７．モスツー。レニンスキプロスペクト、デ ー、６ 名　称　フセソユズニ　ナウチノーイススレドバテルスキイシスティテユト　ブ ロポイ　テフニキ５　補正書の提出年月日 国際出ＩＪＩＰＣＴ／Ｓｔｌ　８５１０００３５の訂正された請求の範囲作業部 材の一つは、内側に螺旋状歯（２゛）を具え、ドリルビットを担持する出力シャ フト（４）に連結され、且つ前記ハウジング（１）の内側にその軸を中心に回転 自在に取付けられたスリーブ（２）として構成され、他方の作業部材は、前記ス リーブ（２）内に、ラジアル方向に変位自在であるがその軸を中心とする回転は 抑止さた状態で収容されたシャフト（３）として構成され、該シャフト（３）は 前記スリーブ（２）の螺旋状歯（２′）と噛み合う螺旋状の歯（３゛）を存し、 前記スリーブ（２）の螺旋状歯（２゛）の数は前記内部シャフト（３）の歯（３ °）の数よりも一つだけ多くなっているダウンホール・スクリューモータであっ て、弾性を有するエネルギ吸収手段（１０）がハウジング（１）とスリーブ（２ ）との間の、後者の螺旋状歯（２”）の領域に設けられていることを特徴とする ダウンホール・スクリュウモータ。

２、前記弾性を有するエネルギ吸収手段（１０）が螺旋状歯（２゛）を有するス リーブ（２）の部分と少なくとも等しい長さを有することを特徴とする請求の範 囲第１項に記載されたダウンホール・スクリュウモータ。

３、　ラビリンスシール（１３，１４）が、前記弾性を有するエネルギ吸収手段 （１０）の間に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載された ダウンホール・スクリュウモータ。

国際調資報告　Ｔ１１”Ｔ／Ｑｎｌ’ｌ’＋／ｎｎｎＩ’ｙ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．作業部材を収容するハウジング（１）を具え、該作業部材の一つは、内側に 螺旋状歯（２′）を具え、ドリルビットを担持する出力シャフト（４）に連結さ れ、且つ前記ハウジング（１）の内側にその軸を中心に回転自在に取付けられた スリーブ（２）として構成され、他方の作業部材は、前記スリーブ（２）内に、 ラジアル方向に変位自在であるがその軸を中心とする回転は抑止さた状態で収容 されたシャフト（３）として構成され、該シャフト（３）は前記スリーブ（２） の螺旋状歯（２′）と噛み合う螺旋状の歯（３′）を有し、前記スリーブ（２） の螺旋状歯（２′）の数は前記内部シャフト（３）の歯（３′）の数よりも一つ だけ多くなっているダウンボール・スクリューモータであって、ラジアルベアリ ング手段（１６）がハウジング（１）とスリーブ（２）との間の、後者の螺旋状 歯（２′）の領域に設けられていることを特徴とするダウンホール・スクリュウ モータ。
2. ２．前記ラジアルベアリング手段（１０）が螺旋状歯（２′）を有するスリーブ （２）の部分と少なくとも等しい長さを有することを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載されたダウンホール・スクリュウモータ。
3. ３．ラビリンスシール（１３，１４）が、前記ラジアルベアリング手段（１０） の間に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載されたダウンホ ール・スクリュウモータ。