KR101299274B1

KR101299274B1 - 진동장치

Info

Publication number: KR101299274B1
Application number: KR1020077014444A
Authority: KR
Inventors: 로저 팔레르트
Original assignee: 플렉시드릴 리미티드
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2013-08-23
Also published as: KR20070086636A; CN101107417B; BRPI0519032A2; US7757783B2; US20080135294A1; WO2006065155A1; US20110260815A1; CA2589046C; CA2589046A1; CN101107417A; EA010225B1; US20110203395A1; AU2005317319A1; AR052991A1; AU2005317319B2; AP2007004068A0; EP1825095A4; ZA200704214B; EA200701290A1; EP1825095B1

Abstract

진동출력 가능한 진동장치로서, 상기 진동장치는 보조구조물들 사이에서 왕복 가능한 셔틀을 가지는 조립체를 포함하거나 구비하고, 상기 보조구조물들 중 적어도 하나는 진동출력을 제공하고, 상기 장치에는 상기 셔틀을 회전시키기 위한 구동장치가 있고 상기 회전하는 셔틀과 상기 보조구조물들 사이에 자기적 상호작용이 있고, 각 보조구조물과의 상호작용들, 그리고 상기 셔틀에 대한 보조구조물들의 위상, 교호하는 자기적 상호작용은 상기 셔틀의 왕복운동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 진동장치.

진동장치, 드릴링장치, 드릴, 셔틀, 왕복셔틀, 자석

Description

진동장치{Vibrational apparatus}

본 발명은 진동장치에 관한 것이다.

본 발명은 여러 목적들(예를 들면, 드릴 스트링, 호퍼, 분말 공급 라인, 컨베이어를 진동시킬 목적 또는 이와 유사한 것을 진동시킬 목적)의 다양한 범위 중 어느 하나의 진동 출력을 제공할 수 있는 진동장치에 관련된 것이다.

많은 진동장치는 편심회전에 의존한다.

다른 진동장치들은 진동출력의 직접 출력(direct output)을 제공하는 피스톤을 왕복시키기 위해 기체역학 및/또는 수력학(pneumatics and/or hydraulics)에 의존한다. 그러나 그러한 구조들은, 많은 최종 용도(end uses)로 개시되긴 했지만, 출력피스톤이 부착되는 장치가 스스로 멈추는 경우, 피스톤이 자신의 실린더 또는 이와 동등한 것에 대해 그 자신이 움직이는 것을 거부한 결과로서 진동출력을 다시 시작하는 것(recommencement)을 보장하는 것에 어려움이 있다는 점에서 불리하다.

진동헤드들은, 많은 최종용도로 개시되긴 했지만, 출력피스톤이 부착되는 장치가 스스로 멎는 경우, 피스톤이 자신의 실린더 또는 이와 동등한 것에 대해 그 자신이 움직이는 것을 거부한 결과로서 진동출력을 다시 시작하는 것(recommencement)을 보장하는 것에 어려움이 있다는 점에서 불리하다. 그러한 것은 Bantry Limited 의 PCT/NZ2003/000158(WO 2004/009298 로 공개됨)의 장치의 경우에 해당된다.

본 발명은 진동 시작의 관점 및/또는 전환의 관점으로부터 중대한 이점이 있음을 안다(장치가 어떻게 탑재되었는지에 상관없이). 진동시킬 장치로 직접 출력(a direct output)을 하지 않는 셔틀(shuttle)로부터 유도될 수 있다.

진동시킬 장치에 상관없이(즉, 장치가 드릴 스트링(drill string) 형식이든지 또는 드릴 스트링을 위한 부착물 형식이든지 아니든지 여하 간에), 우리는 앞서 언급한 명세서에서 개시된 셔틀왕복모드에 대한 대안을 안다. 바람직하게도, 이것은 가변적인 기하학적 챔버들 내에서 유체를 필요로 하지 않는 것이다.

우리는, 왕복 셔틀에 제공된 회전 구동의 결과로서, 그런 셔틀을 앞뒤로 왔다갔다 하도록 구동하여 작동(operation)을 매우 단순화할 수 있는 유도 셔틀(guided shuttle)의 각 단부에서 자기적 상호작용들을 제공할 수 있다는 것을 알아냈다.

간격을 두고 배치된 유사 자극 형식(a similar polar form)의 자석들을 제공하는 것에 의해 그리고 각 단부에서 극성이 교대로 생기게 하는 보조 자석들을 제공하는 것에 의해, 고체 표면에 대한 고체 표면의 타격 없이 왕복을 발생시키는 셔틀회전이 가능하다는 것도 알아냈다. 상기 장치의 조율은 채용된 자석들의 본래적 성질들, 그들의 배열의 특질 및 전반적인 상호작용의 기하학적 관계에 의존한다. 셔틀 자체의 무게와 그것의 회전속도도 그것에 연관된다.

진동출력에 관한 한 회전되는 셔틀이 효율적으로 조율되게 하는 장치(arrangement)에 영구자석들이 활용될 수 있다고 우리는 믿는다. 각 단부에서 같은 극(same pole) 상호작용으로부터 같은 극, 같은 극, 유사 극(similar pole) 상호작용들로의 변이 타이밍은 충돌을 피하도록 하는 것이고, 그럼에도 불구하고 어떤 출력 장치에 어떠한 직접적인 연결 없는 셔틀로부터의 진동출력이 제공된다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기 헤드의 구성요소의 회전에 의존하여 다른 종류의 자기적 상호작용들을 제공하고(반드시 필수적이지는 않지만 바람직하게는 셔틀의 각 단부에서) 그래서 셔틀이 바람직하게는 어떠한 충격 또는 쿠션재(cushioning)에 의해서가 아니라 바람직하게는 오히려 어떠한 쿠션재에도 불구하고 자석과 자석의 상호작용들이 강제하는 허용경계 사이에서 왕복하도록 하는 진동헤드를 제공하기 위한 것이다.

우리는 또한 공기 또는 다른 플로팅 베어링(floating bearing) 또는 자기 부양 베어링으로, 회전하는 셔틀과 이 셔틀이 자신을 중심으로 회전할 수 있는 안내부재(guiding member) 사이에 열이 축적되는 것을 회피하는 것이 가능하다는 것을 알아냈다. 다른 방안으로서, 우리는 회전 가능한 셔틀의 각 단부에서의 스텁 축들(stub axles)이 그들 스스로 뜰 수 있고 그렇지 않으면 비-열축적방식(non-heat build up manner)으로 지지될 수 있다는 것을 알아냈다.

그러므로 본 발명은 조립체, 운전방법 및 용도들과 더불어 그러한 구성의 어떤 측면들에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 어떤 측면에서는 다음의 점들 중 적어도 한 가지를 그 진동 헤드의 개별적인 바람직한 형태로 인식한다.

· 더 깊은 깊이로 구멍을 뚫기 위한 능력

· 드릴 후퇴시의 이점

· 구멍 뚫기 재시작시의 이점

· 진동 구멍 뚫기의 이점

본 발명은 또한 또는 교호적으로, 조작용이한 진동헤드 지지부(manoeuvrable support) 또는 진동헤드를 유연하게 지지하는 프레임에 이점을 가진다. 그것은 진동 헤드에 대해 드릴 스트링의 길이가 추가되는 것이다. 그와 같은 유연한 탑재 또는 지지는 바람직하게 진동헤드가 지지체나 프레임의 비-파괴적인 움직임에 상당한 자유를 갖게 해주는데 그럼에도 불구하고, (a) 구멍 뚫기에 대한 이점, 더 깊은 깊이로 구멍 뚫는 능력, 시작, 재시작 및/또는 후퇴 환경에서의 이점 및/또는 (b) 다른 방식으로 매달린 진동 헤드들 및 이에 부착되어 있거나 부착될 드릴 스트링에 비해 장치의 긴 수명 및/또는 단순함에서의 이점을 부여한다.

그러므로 이에 대하여 본 발명은 적어도 공중에게 유용한 선택을 제공하도록 한다.

본 발명은 앞뒤로 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로 이루어지고, 상기 진동장치는,

제1끝단과 제2끝단을 가지는 셔틀(17),

상기 셔틀의 제1단부와 협동하는 제1보조구조물(15, 16); 그리고

상기 셔틀의 제2단부와 협동하는 제2보조구조물(18, 20)을 포함하거나 구비하고,

상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20)을 통해 축선(axis)을 중심으로 상기 셔틀(17)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치 또는 기계적 구동장치들(42)이 있고,

그리고 셔틀에 의해 각 단부에서 지탱되는(carried) 자석들(38, 39)과 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 각각에 의해 지탱되는 자석들(40, 41)은, 회전 유발 상호작용들의 효과(effect of rotation caused interactions) 하에서, 상기 제1단부가 상기 제2보조구조물(18, 20)로부터 멀어지도록 움직이고, 그리고 차례로 상기 제2단부가 상기 제1보조구조물(15, 16)으로부터 멀어지도록 움직이는 효과를 제공하며,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(17) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 축선의 축방향으로 또는 상기 축선에 평행하게 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 보조구조물들(15, 16; 18, 20)은 상기 축방향으로 서로에 대하여 고정되어 있지만 상기 축선을 중심으로 서로에 대하여 회전할 수 없다.

바람직하기로는 셔틀의 방향들의 각각에서 상기 셔틀을 위한 구동 타입(drive type)은 서로 같고 위상은 다른 것이지만, 비록, 본 발명의 덜 바람직한 실시 예일지라도, 혼성 배열(a hybrid arrangement)이 사용될 수 있다.

바람직하게는 상기 셔틀링(suttling)에는 고체와 고체의 큰 충격 또는 충격 접촉이 없는 것이다.

바람직하게는 상기 진동출력은 상기 보조구조물들의 하나로부터 출력된다.

본 발명은 또한 앞뒤로 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로 구성되고, 상기 진동장치는

제1 및 제2보조구조물들 (15, 16; 18, 20) 사이의 셔틀 축선 상에서 반복적으로 왕복 가능한 셔틀(17);

상기 셔틀 축선의 적어도 일부를 중심으로 상기 셔틀(17)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(42); 및

적어도 하나의 보조구조물(15, 16; 18, 20)과 상기 셔틀(17) 각각의 자기적 상호작용 영역들을 포함하거나 구비하고,
상기 자기적 상호작용 영역들에 의해, 상기 셔틀(17)의 회전은 상기 셔틀(17)이 상기 보조구조물 또는 어떤 하나의 보조구조물(15, 16; 18, 20)과 상기 셔틀(17) 사이에서 교대로 인력과 척력이 되는 왕복 유도 힘들을 받기 쉽게 하는 효과를 가지며,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(17) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 셔틀 축선의 축방향으로 또는 상기 셔틀 축선에 평행한 방향으로 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 한다.

셔틀 축선을 가지고 상기 셔틀 축선 상에서 앞뒤로 움직일 수 있는 셔틀(30)에 결합되어 상기 셔틀(30)을 상기 셔틀 축선을 중심으로 회전시키기 위한 기계적 구동장치(42);

삭제

상기 셔틀(30)이 자신(제1보조구조물(26))에게 접근한 다음 자신으로부터 멀어지는 움직임을 하거나 또는 이와 반대의 움직임을 하는 관계에 있는 제1보조구조물(26);

상기 셔틀(30)이 자신(제2보조구조물(27))으로부터 멀어진 다음 자신에게 접근하는 움직임을 하거나 또는 이와 반대의 움직임을 하는 관계에 있는 제2보조구조물(27)을 포함하거나 구비하고,

상기 셔틀(30)은 상기 보조구조물들(26, 27) 사이에 있고, 제1보조구조물/셔틀(26, 30) 쌍 및 셔틀/제2보조구조물(30, 27) 쌍 각각의 근부영역들(近部領域, proximal regions)은, 각 쌍에 대하여, 상기 셔틀이 회전함에 따라 인력 또는 척력을 교대로 제공하도록 작용하는 자기영역들(magnetic areas)을 가지며,

그리고 상기 쌍들 사이에서 인력과 척력을 제공하는 자극들의 배치는 상기 셔틀(30)의 회전 때문에 상기 셔틀(30)에 작용하는 자기적 상호작용의 결과로서 상기 셔틀(30)이 자신의 왕복 축선 상에서 왕복하도록 하는 것이거나 또는 것일 수 있고,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(26, 27) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(30) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 셔틀 축선의 축방향으로 또는 상기 셔틀 축선에 평행한 방향으로 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 제1 및 제2 보조구조물들(26, 27)은 상기 축선방향으로 서로에 대하여 고정되어 있는 것이다.

바람직하게는 상기 셔틀링에 고체와 고체 간의 큰 충격 또는 충격 접촉이 없는 것이다.

바람직하지는 않지만, 선택적으로, 상기 셔틀은, 예를 들면 유체를 쥐어짜는 것에 의한, 쿠션재 효과를 제공하도록 적어도 일단이 그의 보조구조물과 협력한다. 대안으로 이는 양단 모두에 적용될 수 있다. 상기 셔틀의 일단 또는 양단은(이미 가지고 있는 어떠한 안내 접촉에도 불구하고) 오직 그것의 셔틀링 운동의 끝부분에서 상기 보조구조물의 부분과 접촉하도록 또는 상기 셔틀의 단부와 상기 보조구조물 사이에 개재된 어떤 재료에 접촉하도록 적용될 수 있다.

바람직하게는 상기 진동출력은 상기 보조구조물의 하나로부터 출력되는 것이다.

여전히 다른 측면에서 본 발명은 앞뒤로 진동출력을 제공하거나 또는 제공할 수 있도록 된 진동장치로서,
상기 진동장치는 보조구조물들(26, 27) 사이에서 왕복(shuttling) 가능한 셔틀(30)을 가지는 조립체를 포함하거나 구비하고, 상기 보조구조물들(26, 27) 중 적어도 하나는 진동출력을 제공하고,

상기 셔틀(30)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(a mechanical drive, 42)를 구비하고, 각 보조구조물(26, 27)과의 상호작용, 그리고 상기 셔틀(30)에 대한 상기 보조구조물들(26, 27)의 위상 맞추기가 이뤄지도록 회전하는 상기 셔틀(30)과 상기 보조구조물들(26, 27) 간에 자기적 상호작용들이 있으며, 교호적인 자기적 상호작용이 상기 셔틀(30)의 왕복운동을 일으키는 점에서 특징이 있는 진동장치를 제공한다.

바람직하게는 상기 자기적 상호작용들은 영구자석들에 의한 것이다.

바람직하게는 상기 셔틀의 구동장치는 벨트 또는 상기 셔틀의 다른 주변장치로서, 셔틀링 경계들(바람직하게 자기적으로 한정되는) 사이의 상기 셔틀의 셔틀링운동을 방해하지 않는 것이다.

본 발명은 우리의 PCT/NZ2003/000128(WO 2004/113668으로 공개된)과 PCT/NZ2005/000047에 개시된 대안적 진동헤드 형태들에 관한 것이다.

본 발명은 또한 전술한 진동장치를 구비하는 드릴링을 위한 진동헤드로 이루어져 있다. 그것은 또한 본 발명이 목표로 하는 드릴 스트링에 부착되거나 부착될 수 있는 본 발명의 진동헤드를 위한 부양 또는 유연 지지체를 가지는 드릴링 장치의 용도에 대한 것이다.

바람직하게는 다음 중 적어도 하나, 일부 또는 모두를 포함 한다;

● 임의의 또는 상기 셔틀 스트로크(suttle stroke)의 한쪽(또는 양쪽 모두) 경계(들)에 대한 유연한 제한

● 지지체에 대한 상기 진동장치의 움직임에 대한 유연한 제한

● 상기 진동장치 및 드릴 스트링에 연결된 것의 무게의 유연한 베어링

● 상기 진동장치의 회전운동에 독립적으로 또는 상기 진동장치의 부분또는 전체의 회전 없이 상기 드릴 스트링을 회전시키기 위한 구동장치

● 상기 진동헤드를 매다는 꼭대기 모자형 지지 조립체

다른 측면에서, 본 발명은
드릴 스트링에 부착되어 있거나 부착 가능한 본 발명의 진동장치를 포함하는 진동헤드,

삭제

지지체(28), 및

상기 진동헤드를 지탱하면서도(carry) 상기 지지체(28)에 속박시키는(constrain) 적어도 하나의 모양변형 가능(reconfigurable) 유체 저장기(25)를 포함하고,

상기 진동헤드, 상기 지지체(28) 및 적어도 하나의 모양변형 가능 유체 저장기의 상호작용은 드릴 스트링(23)에 부착된 또는 부착될 무게를 지탱해주되 상기 지지체(28)에 대하여 상기 드릴 스트링 축선(23)의 종방향 및 측방향의 양 방향으로(both longitudinally and laterally) 상기 진동헤드가 움직일 수 있는 자유를 허용하는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치이다.

바람직하게는 상기 드릴링 장치에는 적어도 두개의 저장기들이 있다.

바람직하게는 상기 적어도 하나의 저장기에 있는 유체는 가스(예를 들면 공기)이다.

바람직하게는 적어도 하나, 그리고 바람직하게는 여러 개 또는 모두의 저장기들은 가스 백이다.

바람직하게는 상기 지지체는 프레임이다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 대부분은 상기 저장기(들)의 아래에 있다(상기 드릴 축이 수직일 때).

바람직하게는 상기 세로방향의 지지체는 상기 측방향의 지지체에 비해 운동의 보다 큰 자유도를 허용하는 것이지만, 반드시 그러한 것은 아니다.

바람직하게는 상기 셔틀이 어떻게 자기적으로 왕복운동을 하게 되는지와는 상관없이,

(a) 바람직하게는, 상기 셔틀로부터 직접 취출되는 것이 아닌 진동출력이 있고,

(b) 상기 셔틀이 왕복하고

(c) 상기 셔틀은 바람직하게 그 스트로크의 각 끝에서 유연한 구조물을 향해 돌진하고

(d) 하나 또는 각 유연한 구조물은 가스 백이고

(e) 상기 유연한 구조물(들)은 바람직하게 유체의 변화 또는 가스 공급에 의해 스트로크에 영향을 미치도록 특성이 변화될 수 있고

(f) 상기 진동 출력은 유연한 구조물로부터가 아니라 유연한 구조물을 통해 출력되고

(g) 상기 셔틀은 그의 스트로크 축에서 회전되거나 회전되지 않는다.

바람직하게는 상기 진동헤드로부터 상기 드릴 스트링으로 가해지는 상기 진동출력은 전이(transition)를 통해 회전하지 않는 진동 구성요소로부터 직접적으로 또는 간접적으로 회전 가능한 그리고 회전되는 구성요소(예를 들어 상기 드릴 스트링에 연결할 수 있거나 상기 드릴 스트링의 부분을 형성하는)로 전해진다.

다른 측면에서, 본 발명은

드릴 스트링에 부착되거나 부착 가능한 본 발명의 진동헤드,

지지체,

상기 진동헤드와 드릴 스트링 또는 드릴 스트링에 부착된 것의 무게를 나르기 위한 제1상호작용을 하는 상기 진동헤드의 부분(들)과 상기 지지체 사이에 개재된 적어도 하나의 가스 백, 및

상기 지지체에 대해 상기 진동헤드를 속박하기 위한 제2상호작용을 하는 상기 지지체와 상기 진동헤드 사이에 개재되고 이에 의해 상기 진동헤드의 진동 사이클의 어떠한 부분 동안에도 상기 제1상호작용이 완전히 상실되지 않도록 하는 적어도 하나의 가스 백을 포함한다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 부분(들)은 상기 지지체에 의해 제공되는 속박물의 꼭대기와 바닥 사이에 개재되고, 상기 부분(들) 위와 하나의 속박물 아래에 적어도 하나의 에어 백이 개재되고 그리고 상기 부분(들) 아래와 상기 다른 속박물 위에 적어도 하나의 에어 백이 개재된다.

바람직하게 상기 진동헤드의 대부분은 상기 부분(들) 아래에 있다.

상기 배열은 상기 진동헤드의 운동의 자유도를 제공하도록 그리고 상기 지지체에 대해 옮겨진 또는 옮겨지는 드릴 스트링은 아직 무게에 대하여 반응적이고, 상기 지지체에 대한 상기 진동헤드의 기준 상태에 대해 기울어지도록 그렇게 되어 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은

드릴 스트링에 부착되거나 부착될 수 있고, 적어도 하나의 상부 표면과 적어도 하나의 하부 표면을 한정하기 위한 하나 또는 하나 이상의 돌출부(들)를 가지는 상기 드릴 스트링에 의해 상기 세로방향 축의 측방향으로 제한된 또는 제한되는 진동헤드,

상기 진동헤드를 위한지지 프레임,

상기 프레임과 상기 적어도 하나의 상부 표면 사이에 작용하기 위한 적어도 하나의 가스 백 및

상기 프레임과 상기 적어도 하나의 하부 표면 사이에 작용하기 위한 적어도 하나의 가스 백을 포함하는 드릴링 장치이다.

바람직하게는 상기 진동헤드는 셔틀 스트로크의 각 끝에서의 유연한 제한(예를 들면 가스 백 등) 및 지지체 또는 프레임으로부터 상기 진동헤드 그 자체의 유연한 마운팅(예를 들면 가스 백 등) 둘 모두의 예비를 가진다.

바람직하게는 상기 상부 표면(들) 및 하부 표면(들) 둘 모두는 상기 진동헤드의 바닥보다 꼭대기에 더 가깝다.

또 다른 측면에서, 본 발명은

드릴 스트링에 부착되거나 부착될 수 있는 진동헤드 및 지지체를 포함하고,

(I) 상기 진동헤드는 유연한 수단에 의해 적어도 부분적으로 스트로크에서 유연하게 제한되는 셔틀을 가지고, 그리고 (II) 상기 진동헤드는 상기 지지체에 의해 유연하게 지지되고,

그리고 상기 유연하게 지지되는 진동헤드를 통해 상기 지지체는 드릴 스트링에 부착된 또는 부착되는 무게를 나르도록 적응되고 상기 드릴 스트링 축의 종방향과 측방향 두 방향 모두로 상기 지지체에 대한 상기 진동헤드의 운동의 조금의 자유도를 허용하는 드릴링 장치이다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 유연한 지지를 제공하기 위한 적어도 두 개의 유체 용기들이 있다.

바람직하게는 적어도 하나의 용기의 유체는 가스(예를 들면 공기)이다.

바람직하게는 상기 용기들의 적어도 하나, 그리고 바람직하게는 여러 개 또는 전부는 가스 백이다.

바람직하게는 상기 지지체는 프레임이다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 대부분(상기 드릴 축이 수직일 때)은 상기 저장기(들) 아래에 있다.

바람직하게는 상기 종방향 지지체는 측방향 지지체보다 큰 운동의 자유도를 허용하지만 반드시 그러한 것은 아니다.

바람직하게는 상기 셔틀의 유연한 구속은 스트로크의 한계일 때 상기 셔틀의 단부에 있는 유체저장기이다.

다른 측면에서, 본 발명은

드릴 스트링(23)에 부착되거나 부착 가능하며, 왕복 축 둘레를 회전하며 회전 도중에 다른 자기효과들(magnetic effects)과 상호작용함으로써 왕복할 수 있는 회전 가능 구동형 셔틀(a rotatably driven shuttle, 30)을 구비하고, 진동출력은 상기 셔틀(30) 그 자체로부터는 나오지는 않는 진동헤드,

지지체(28),

상기 진동헤드와 상기 또는 임의의 부착 드릴 스트링(23)의 무게를 지탱하는 제1상호작용용 유연 수단(25), 및

상기 제1상호작용이 상기 진동헤드의 진동 사이클의 임의의 일부 동안에도 완전히 상실하지는 않도록 해주는 제2상호작용용 유연수단(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치이다.

바람직하게는 상기 진동헤드는 스트로크에 대해서 유연하게 구속되는 셔틀을 구비한다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 부분(들)은 상기 지지체에 의해 제공된 꼭대기 및 바닥 속박물들 사이에 개재되고 적어도 하나의 에어 백이 상기 부분(들) 위(예를 들면 상기 유연 수단의 하나의 선택으로서)와 하나의 속박물 아래에 개재되고 그리고 적어도 하나의 에어 백은 상기 부분(들) 아래와 상기 다른 속박물 위에 개재된다.

바람직하게는 상기 진동헤드의 대부분은 상기 부분(들) 아래에 있다.

스프링, 부피가 변할 수 있는 저장기 안의 압축 유체, 백 안의 비압축성 또는 압축성 유체, 또는 둘 모두를 포함하는 것, 주름상자(bellows), 또는 어떠한 그러한 기하학적 가변성의 봉인물, 탄력 있는 또는 딴 방법의 상기 유연 수단들을 위한 다른 선택들이 존재한다.

또 다른 측면에서, 본 발명은

드릴 스트링에 부착되거나 부착될 수 있고, 적어도 하나의 상부 표면과 적어도 하나의 하부 표면을 한정하기 위한 하나 또는 하나 이상의 돌출부(들)를 가지는 상기 드릴 스트링에 의해 상기 세로방향 축의 측방향으로 제한된 또는 제한되는 본 발명의 진동헤드,

상기 진동헤드를 위한 지지 프레임,

상기 프레임과 상기 적어도 하나의 하부 표면 사이에 작용하기 위한 적어도 하나의 가스 백을 포함하고,

상기 진동헤드는 드릴 스트링 회전 구동장치를 가지거나 또는 드릴 스트링을 위한 인접한 그것의 연결을 가지는 진동장치이다.

특히 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 바람직하게는 본 발명의 장치는

셔틀(30)을 가지되 진동출력이 상기 셔틀(30)로부터 직접적으로 취출되지는 않는 진동헤드,

상기 셔틀(30)의 작동 동안에 상기 진동헤드가 유연하게 진동하도록 탑재되어 있는 조종가능 지지체(28),

상기 진동헤드로부터 나오는 진동 출력취출로부터 지지되는 베어링(24),

상기 베어링(24)에 의해 지탱되는(carried) 드릴 스트링 커넥터, 및

상기 드릴 스트링 커넥터에 대한 회전 구동장치(44)를 포함하고,

상기 셔틀(30)은 상기 셔틀(30)의 구동 동안에 회전함에 따라 자신의 양 단부 각각에서 사용 중에 자기적으로 상호작용하고 그와 같은 상호작용의 효과 하에서 왕복하는 것을 특징으로 하는 진동 드릴링 장치이다.

바람직하게는 상기 드릴 스트링 연결기에 대한 상기 회전 구동장치는 모터 엔진 또는 다른 파워 소스(예를 들면 연소식, 유압식, 공압식, 전기식 등)와 유연성의 매개체에 의한 것이다.

바람직하게는 상기 유연성 있는 구동장치는 상기 드릴 스트링 연결기로부터 상기 지지체에 충격의 전달을 감소하는 어떤 능력을 가지는 회전 매개체를 제공할 수 있고 게다가 베어링을 통해 출력으로부터 상기 드릴 스트링의 진동운동을 허용하는 벨트이다.

본 발명은 또한 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로 구성되고, 상기 진동장치는

셔틀 축 또는 제1 및 제2보조구조물들 사이의 위치에서 반복적으로 왕복 가능한 셔틀,

상기 셔틀 축 또는 상기 제1 및 제2보조구조물들 사이의 위치의 적어도 일부에서 상기 셔틀을 회전시키기 위한 구동장치 및

상기 셔틀의 회전이 상기 셔틀이 왕복하도록 하기 위한 상기 셔틀과 보조구조물사이 또는 보조구조물과 상기 셔틀 사이에 교대로 인력과 척력이 되는 힘들을 유도하도록 작용시키는 결과를 가지는 적어도 하나의 보조구조물과 상기 셔틀 각각의 자기적 상호작용 영역들을 포함하거나 구비하고,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 출력되고, 상기 셔틀 그 자체로부터 직접적으로 출력되지 않는다.
바람직하게는 다음 중 적어도 하나, 일부 또는 모두를 포함 한다;

삭제

● 상기 진동장치 및 드릴 스트링에 연결된 것의 무게의 유연한 지탱

● 상기 진동장치의 회전운동 또는 부분의 회전운동의 결여 또는 상기 진동장치 전체에 독립적으로 상기 드릴 스트링을 회전시키기 위한 구동장치

● 상기 진동헤드에 매달리는 꼭대기 모자형 지지 조립체

한정된 셔틀 축 둘레로 회전 가능하고 상기 셔틀 축 상에서 앞과 뒤로 움직일 수 있는 셔틀,

상기 셔틀을 그의 셔틀 축 둘레로 회전시키기 위한 구동장치,

상기 셔틀이 그것을 향하여 움직이도록 하고 그리고 그것으로부터 멀어지도록 하고, 그 반대로도 그렇게 되도록 하는 제1보조구조물,

상기 보조구조물들 사이에 있는 상기 셔틀이 그것으로부터 멀어지도록 하고 그리고 그것을 향하여 움직이도록 하고, 그 반대로도 그렇게 되도록 하는 제2보조구조물을 포함하거나 구비하고,

제1보조구조물/셔틀 및 셔틀/제2보조구조물의 각 쌍의 인접 영역들은 선택적으로, 각 쌍에서, 상기 셔틀이 회전함에 따라 인력 또는 척력을 제공하기 위해 조정 가능한 자기영역들을 가지고,

그리고 상기 각 쌍들의 위상은 상기 셔틀이 그것의 회전의 힘에 의해 상기 셔틀에 작용하는 자기적 상호작용의 결과에 따라 그것의 왕복 축 상에서 상기 셔틀이 왕복하도록 하는 또는 그렇게 될 수 있도록 하고,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 출력되고, 상기 셔틀 그 자체로부터 직접적으로 출력되지 않는다.

● 상기 진동헤드에 매달리는 꼭대기 모자형 지지 조립체

바람직하게는 상기 제1 및 제2보조구조물들은 거리에 관한한 서로 고정되어 있다.

바람직하게는 상기 셔틀링은 고체와 고체의 큰 충격 또는 충격 접촉이 없다.

여전히 다른 측면에서, 본 발명은 진동출력을 제공하도록 그리고 제공할 수 있도록 된 진동장치로서, 상기 진동장치는 보조구조물들(26, 27) 사이에서 왕복 가능한 셔틀(30)을 가지는 조립체를 구비하거나 포함하고, 상기 보조구조물들(26, 27) 중 적어도 하나는 상기 진동출력을 제공하고, 상기 셔틀(30)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(a mechanical drive, 42)를 구비하고, 각 보조구조물(26, 27)과의 상호작용, 그리고 상기 셔틀(30)에 대한 상기 보조구조물들(26, 27)의 위상 맞추기가 이뤄지도록 회전하는 상기 셔틀(30)과 상기 보조구조물들(26, 27) 간에 자기적 상호작용들이 있으며, 교호적인 자기적 상호작용이 상기 셔틀(30)의 왕복운동을 일으키는 점에서 특징이 있는 진동장치를 제공한다.

● 상기 진동헤드에 매달리는 꼭대기 모자형 지지 조립체

바람직하게는 상기 셔틀의 구동장치는 벨트 또는 셔틀링 경계들(바람직하게 자기적으로 한정되는) 사이의 상기 셔틀의 셔틀링운동을 방해하지 않는 상기 셔틀의 다른 주변장치이다.

선택적으로 보조구조물과 상기 셔틀 간에 더 이상의 이벤트 없이 압력을 가하도록 유입됨에 의해 셔틀 운동을 할 수 있게 하는 수단으로서 외부적으로 압력을 가하는 유체의 예비에 의존하지 않는다.

여기에서 사용된 “셔틀”은 움직이는 것 및 움직이지 않는 것에 관하여 가장 넓은 의미를 가진다. 바람직하게는 그것은 직선으로 움직이는 셔틀이다.

여기에서 사용된 용어 “및/또는”은 “및” 또는 “또는”, 또는 문맥이 허용한다면 둘 모두이다.

여기에서 사용된 용어 “포함한다(comprises)” 또는 “포함하는(comprising)”은 “포함한다(includes)” 또는 “포함하는(including)”을 의미할 수 있다.

여기에서 사용된 명사에 따르는 용어 “들”은 그 명사의 단수와 복수 둘 모두의 의미가 될 수 있다.

여기에서 사용된 용어 “스트로크(stroke)” 또는 “스트로크 한계(stroke limit)”는 직선의 스트로크 또는 곡선 모양의 스트로크(예를 들면 고정되거나 움직이거나에 여하간에 선회축 또는 다른 지지체 둘레로 선회할 할 수 있다)의 한계들을 의미할 수 있다.

여기에서 사용된 “유연한(compliant)”과 그의 변형들은 어떤 구조의 특성을 의미하여, 가스 백, 가스 스프링 등이건 아니건 바람직한 정하여진 결과를 성취하도록 할 수 있다(예를 들면 스트로크 한계, 충격 감소, 댐핑, 충돌회피 등).

선택적으로 보조구조물과 상기 셔틀 간에 더 이상의 이벤트 없이 압력을 가하도록 유입됨에 의해 셔틀 운동을 할 수 있게 하는 수단으로서 외부적으로 압력을 가하는 유체의 제공에 의존하지 않는다.

여기에 사용된 “및/또는”은 “ 및” 또는 “또는”을 의미한다.

여기에서 사용된 명사에 따르는 용어 “들”은 단수 또는 복수를 의미할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예들은 첨부된 다음의 도면들을 참조하여 기술될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 장치의 외관을 나타낸 도면,

도 2는 셔틀을 위한 셔틀 가이드의 각 끝에 고정된 보조 부재들을 가지는 프레임과 상기 셔틀을 회전시키기 위해 벨트들에 의해 연결된 모터 드라이브들을 나타낸 본 발명에 따른 장치의 평면도,

도 3은 고정된 보조부재들 사이에서 상기 셔틀의 시계방향 회전을 보여주고 또한 R과 A로 보조 구성요소와 상기 셔틀 사이에서의 척력과 상기 셔틀과 다른 보조 부재 사이에서의 인력의 상태를 각각 보여주어 상기 셔틀 상에 화살표 방향으로의 순 왕복 추력이 작용하는 것을 보여주는 개략도,

도 4는 도 3에서 단시간이 지난 후 고정된 보조 구성요소의 쌍들(pairings)과 상기 셔틀 사이의 인력 “A” 및 척력 “R”의 역전이 있을 때, 상기 셔틀이 화살표 방향으로 이동하는 것을 나타낸 도면,

도 5는 제2보조구성요소의 예를 나타낸 도면,

도 6은 상기 셔틀의 각 단부의 도면으로서, 비록 상기 셔틀의 각 단부의 극성이 타측 단부의 그것과 같을 필요가 없지만 그래도 이것이 가장 바람직한 것이며,

도 7은 제1보조 구성요소(예를 들면, 그것으로부터 상기 출력이 나올 수 있는)에 대한 것으로 도 5의 그것과 유사한 도면으로, 도 5의 구성요소에 비해 더 벗어난 위상조건(an outer phase condition)을 보여주며, 도 5에서 양 방향의 화살표(sweep arrow)는, 때때로 서비스 접근을 위해 또는 진폭 및 주파수의 조절을 위해 상기 장치를 디튠 또는 튠(조율)(detune or tune)하기 위해, 램(ram)의 작동 또는 하나의 구성요소를 회전시키는 다른 외력이 작용하는 상태에서 준비(provision)가 어떻게 만들어지는지를 보여주고,

도 8은 본 발명에 따라 진동헤드를 이동시키도록 매달려 있는 본 발명에 따른 드릴링 헤드를 나타낸 것으로, 진동장치 그 자신은 부분단면으로 보여 지며,

도 9는 고정 플레이트에 의해 상기 셔틀에 설치된 절두원추형(frustoconical form) 자석들에 의지하는 상기 셔틀에 자석들을 심어두기(retaining) 위한 적당한 조립 방법을 나타내고,

도 10은 도 9의 그것의 다른 실시 예로서, 기계가공 되거나 성형된 절두원추형 또는 다른 형상의 자석 지지부가 어떻게 왕복진동으로부터 보다 적게 파손되는 방식으로 상기 셔틀에 고정될 수 있는지를 보여주고,

도 11은 바람직한 자기부상식 베어링 셔틀 조립체의 부분을 나타낸 것이고,

그리고 도 12는 상기 셔틀을 위해 맞추어진 벨트(이 경우에는 두 개이지만 세 개 또는 그 이상도 가능함) 드라이브들을 보여준다.

일 예를 통해, 본 발명의 바람직한 형태는 드릴 스트링(13, drill string)에 부착하도록 구성된 드릴 스트링 진동장치를 참조하면서 설명하기로 한다.

준비된 상기 장치는(바람직하게는 유연하게 매달려 있는) 제1보조수단으로 작용하는 단부부재(15 및 16)(단부 플레이트(15)와 인접부재(16)를 구비)와 제2보조수단으로 작용하는 단부부재(18 및 20)(단부 플레이트(20)와 인접부재(18)을 구비)를 구비한다. 이들 보조수단들은 연결부재(19, 21)에 의해 고정된 관계로 설치되어 있다. 셔틀(17)은 주어진 물리적 경계 내에서 앞뒤로 움직이며 그리고 이상적으로는 충돌을 피할 수 있도록 더 작은 왕복거리를 가진다.

상기 셔틀 자체가 보조단부의 구경 내에서 피스톤으로서 작용하는지 또는 이와 반대로 보조단부가 피스톤으로서 작용하는지는 중요하지 않다. 실린더 안에 피스톤이 전혀 없는 관계라도 문제가 되지 않는다. 어떻게 일어나든 중요한 것은 왕복운동인 것이다.

도 1을 참조하면, 아래 구성요소들이 표시되어 있다.

(13) 드릴 스트링(Drill string)

(14) 회전 조인트/구동 풀리(Rotary joint/Drive pulley)

(15) 단부 플레이트(end plate)

(16) 인접부재

(17) 셔틀

(18) 인접부재

(19) 연결 막대(Tie rods)

(20) 단부 플레이트

셔틀(17)의 목적은 왕복운동에서의 에너지를 인접부재(16, 18)들로 전달하기 위한 것이다. 이 에너지 전달은, 이전처럼, 셔틀이 왕복운동을 하도록 적당한 타이밍으로 상기 셔틀과 그것의 인접부재들 사이에 오일을 주입하는 것에 의해, 그래서 드릴 스트링이 셔틀운동과 평행하게 직선운동을 하도록 하며 따라서 그 에너지는 가장 효율적인 방법으로 드릴 스트링 끝날(bit)까지 전달되도록 하는 것에 의해 달성될 수 있다. 그러나 본 발명에서 우리는 이후에 기술되는 자기적 상호작용법이 더 바람직하다고 생각한다.

상기 셔틀 질량(mass)이 인접부재들로 에너지를 전달하는 데 키이다. 이동방향의 변경은 인접부재들에게 에너지를 나누어준다. 셔틀의 질량이 클수록 이 방향의 변경에 보다 큰 에너지가 요구되며 이는 필요한 마력과 직접적으로 관련된다. 셔틀의 질량과 진동하는 드릴 스트링의 전체질량 간의 관계가 고려되어야만 하고 그리고 크기도 적당해야 한다.

그 셔틀 동작은 드릴 스트링이 드릴 홀에 록킹되거나 또는 속박됨으로써 오도가도 못하게 정지되는 상황이 결코 발생되지 않는다는 이점을 가진다. 상기 셔틀은 드릴 스트링 또는 조립될 수 있는 부착물들에 최대의 힘(full power)을 가할 수 있다.

단부 플레이트(15, 20)와 연결막대(19, 21)들은 인접 부재들 사이의 링크이고 그리고 이들은 왕복 에너지를 드릴 스트링으로 전달한다.

셔틀은 바람직하게 자석 수단에 의해 왕복된다. 셔틀의 단부들은, 셔틀(17)이 회전될 때 그것이 인접부재들에 반응하여 맥동(진동)하도록 된 장치(arrangement)에 설치된 전자석들 또는 (바람직하게) 희토류원소로 된 영구자석들을 가지며, 여기서 그 인접부재들은 또한 그 셔틀이 왕복하도록 해주는 방식으로 자석들이 설치되어 있다. 이는 도 2내지 7의 실시 예를 참조하여 이후에서 기술될 것이다.

전술한 것 및/또는 다른 구동장치들의 혼합형들이 사용될 수 있다. 위의 모든 예들은 공통 주제(common theme)를 가진다.

(1) 상기 셔틀은 자석들 및 드릴 스트링 조인트들 그리고 이와 함께 결합된 다운 홀 장치(associated down hole equipment)들을 손상시킬 수 있으므로 되도록이면 인접부재들과의 물리적 접촉을 결코 필요로 하지 않는다.

(2) 상기 셔틀의 운동은 되도록이면 드릴 스트링 또는 부착된 장비들에 결코 의존하지 않으며, 이들은 상기 셔틀의 움직임과 관련하여 움직이는 것이 자유롭다.

(3) 상기 셔틀의 동작은 되도록이면 양 방향으로 즉, 안과 밖으로 드릴 스트링을 구동하고 그리고 그렇게 함에 있어서 드릴 끝날 회전(drill bit rotation)이 드릴 비트 카바이드들(carbides) 상에서 거의 지체없이 움직이는 것을 허용한다. 이런 동작은 구멍들을 넓혀 빼내는 것(back reaming)을 가능하게 한다.

대형 착암기(drifter)를 비롯한 다른 드릴 동작은 구멍 안(IN)에서 드릴링 하는 동안에는 그 구멍 바깥으로 드릴 스트링에 힘을 가하지는 않는다. 그들은 드릴 스트링의 튀는 탄력(bounce)에 의존한다.

대형 착암기는 스틸(steel) 상에 스틸(steel)을 타격하고 그리고 그렇게 함에 있어서 드릴 스트링을 통해 파괴적 충격파를 야기한다.

대형 착암기는 전통적 유압 착암기(hydraulic rock drill)에 부여된 이름이다.

자석식 드라이브를 가지는 본 발명의 바람직한 실시 예는 지금 기술될 것이다.

도 2는 고정된 제1 및 제2보조구조물(4 및 5)을 각각 가지는 프레임(3)에 의해 지지되는 고정된 가이드 샤프트(2)상의 셔틀(1)을 보여준다.

진동의 파워 출력은 6 또는 실제로는 7의 단부로부터 또는 프레임(3)에 연결된 다른 전도기구(take off)로부터 나올 수 있다.

모터(8)들은 바람직하게 셔틀(1)을 회전시키기 위해 적합화 된 벨트(9)들을 구동하지만, 6, 7에서 또는 3을 통해서 진동적 출력취출(vibrational outtake)을 상승시키는 셔틀링 효과를 제공하기 위해 그 셔틀이 회전할 때 그 셔틀의 제한된 축방향 움직임 양을 제공한다.

도 3과 4는 영구자석 또는 다른 자석들의 다른 극성의 구역들에 의거하여 그 효과를 보여준다. 꺾인 지그재그 화살표는 제1보조구조물(10)로부터 출력되는 힘의 표시이다. 그러나 도면에 도시된 장치(arrangement)에는, 표시된 "플러스" 및 "마이너스" 극성들에 관한한, 위상을 벗어난 것으로 도시된 제2보조구조물(11)이 있다. 셔틀(12)은 바람직하게 각 단부에서 같은 극성을 가져, 도 3에 나타낸 바와 같은 조건에서, 셔틀(12)과 제1보조구조물(10) 간에는 "플러스" 극성과 "플러스" 극성들의 정렬에 의해 발생하는 순척력(a net repulsive force)이 작용하고, 동시에, 셔틀(12)과 제2보조구조물(11) 간에는 "플러스" 및 "마이너스"의 인력 "A"가 작용한다. 짧은 순간이 지난 후에, 도 4에 나타낸 바와 같이 반대상황이 존재하고 그리고 셔틀이 회전하면서 셔틀 방향이 역전되도록 이끄는 것은 바로 이처럼 "R" 및 "A"에서 "A" 및 "R"로의 신속한 교체이다.

본 발명의 몇몇 형태에서, 준비(provision)가 갖추어지고 그것에 의해 보조구조물 (10)과 (11)에 관하여 나타나는 180°위상편차 상태가 변화할 수 있으며 이를 도 5에서 좌우 화살표(sweep arrow)로 나타냈다. 이는 램 또는 다른 수단(도시되지 않음)의 작용 하에서 그렇게 될 수 있으며, 운전 동안에 위상정렬(phasing: 척력과 인력을 제공하는 자극들의 배치)은 상기 180°위상편차 상태 또는 어떤 다른 상태로부터 왕복축 상에서 더 잘 조율된 왕복 주파수 및 왕복 진폭을 제공할 수도 있는 상태로 옮겨갈 수 있다.

진동의 출력취출(outtake)은 바람직하게 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이 제1보조구조물(10)을 통해 일어난다.

도 3 내지 7을 참조하면서 설명한 양측 단부에서의 이중 자계상호작용(double ended magnetic interaction)이 없는 본 발명의 변형예가 있을 수 있지만, 그 경우에도 적당한 셔틀 복귀수단이 대안적으로 제공된다면 왕복운동효과(shuttling effect)는 있을 수 있다. 그와 같은 준비상태의 예들은 앞에서 나타내었다.

또한 진동출력을 취출해내는 조립체의 단부에서 또는 단부가 아닌 곳에서 자계의 상호작용들을 이용하는 것은 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다.

그러나 자석식 운송 셔틀의 보조구조물에 대한 상호작용은 구멍 뚫기 및 기타 다른 진동 장치들(tools)에 유용한 바람직한 진동적 출력을 제공할 것으로 믿어진다. 본 발명의 장치는 우리의 PCT 출원들 PCT/NZ2004/000128 및 PCT/NZ2005/000047에 개시되어 있는 최종사용목적들 및 장치들을 다른 입력부에 대한 하나의 대안이거나 또는 보조물임을 알 수 있다.

바람직하게는 영구자석들을 사용한다(특히 고자기 밀도의 희토류 타입의 자석들, 예를 들면 NdFeB와 같은 네오디뮴(Neodymium) 자석들은 180℃까지 안정적일 수 있고 그리고 사마리움 코발트 자석(FmCo)은 400℃까지 사용될 수 있다).

장래에 개발될 수 있는 자석들을 포함하여, 다른 형태의 자석들도 활용될 수 있다. 그러나 일반적으로 말해서, 전자석들은 순수하게 크기의 관점에서 그리고 진동을 해야 하고 나쁜 환경에 처해있을 수밖에 없는 구조물에 적당한 전기적 입력을 제공할 필요의 관점에서 볼 때, 사용하는 것은 피하는 것이 좋다.

셔틀(1)의 회전속도는 크게 변할 수 있다고 예견된다. 그러한 회전의 단수 예는 1600RPM이며, 이는 도시된 바와 같은 자석들을 가지고 상당한 진동 출력을 제공하기 위해 셔틀을 앞뒤로 양껏 밀어내기에 충분하다. 통상의 범위는 1000 내지 2000RPM이 될 수 있고 그러나 그 이상 또는 이하도 될 수 있다. 2000RPM은 대략적으로 130Hz와 같다.

본 발명의 다른 실시 예는 도 8을 참조하여 설명될 것이다.

도 8에서 진동장치 사이에서 협력하는 주에어백(a main air bag) 또는 유체(기체)백(25) 그룹은 나뉘어져서 도시된 바와 같이 고정되거나 조종 가능한 드릴헤드 지지부/프레임 조립체(28)를 이룬다. 이 조립체가 에어백들 또는 유체(기체)백들(25) 사이에 설치된 드릴 스트링 정착물(32)에 동일한 압력을 제공하는 에어 밸브들(도시되지 않음)에 의해 계속적으로 조정되고 있음에 따라 , 그 조립체는 드릴 스트링의 무게에 상관없이 운전하는 동안 드릴 구멍 안에서 뜨는 능력을 드릴 스트링(23)에 제공한다. 이 조립체는 또한 드릴 스트링(23)과 셔틀 조립체의 움직이는 집합체(결합체)와 드릴 리그 구조물(drill rig structure) 또는 드릴헤드 지지체/프레임 조립체(28)들 사이에 절연 즉, 격리를 제공한다.

그 두 기능들은 바람직하고 헤드의 운전에서 불가결한 것임을 알 수 있다.

단부 플레이트(26 및 27)들("보조구조물들")은 샤프트(29) 및 그의 연장부(23a)를 통해 드릴 스트링(23)에 출력을 제공하기 위한 것이다. 천이수단으로서(as a transition) 회전 베어링 조립체(24)는 드릴 스트링(23)에 회전을 허용한다. 베어링 조립체(24) 위쪽에서의 진동 출력은 드릴 스트링의 회전에 독립적이다. 즉, 23a는 회전할 필요가 없다. 베어링 조립체(24) 아래 쪽의 드릴 스트링 주축(drill string spindle)에 대한 회전입력은 바람직하게는 고정된 모터(44)에 의해 구동되는 넓은 이붙이 벨트 조립체(43)에 의해 제공된다. 구동장치들 간의 거리는 드릴 스트링의 움직임과 그리고 이에 연관된 진동이 벨트 구동장치에 의해 소산되어 드릴 구조물들로 전달되지 않도록 하는 거리이다. 벨트 구동장치는 또한 진동 때문에는 고장나지 않는 그러한 것이다.

셔틀 회전의 구동장치는 되도록이면 유연하게 구동되는 전기식, 공압식 또는 유압식 모터(42)이 바람직하다. 바람직하게 여러 구동 벨트(31)들이 사용된다. 그러한 벨트들은 되도록이면 요구되는 움직임의 진폭들을 수용할 수 있는 것이 좋다.

다른 구동장치 형태들에서 셔틀은 유체(예를 들어, 공기, 물 등)에 부딪히는 날개에 의해 회전이 강제될 수 있다. 구동장치에 관해서는 다른 대안들이 존재하고 그것들이 사용될 수 있다.

진동장치에 대해서 말하자면, 단부 플레이트(27)는 자석 어레이(40)를 셔틀(30)의 단부에 있는 자석 어레이(38)와 협력작용을 하도록 지탱한다는 점을 알 수 있다. 유사하게 단부 플레이트(26)는 자석(41)들을 하나의 어레이로서 이 셔틀의 다른 단부에 설치된 자석 어레이(39)와 협력작용을 하도록 지탱한다.

도시된 바와 같이, 자석들(38 및 39) 각각은 바람직하게 리텐션 플레이트들(retention plates, 36 및 37)에 의해 셔틀(30)의 주몸체(main body)에 고정될 수 있는 절두원추형 또는 맞춤형으로 도시되어 있다.

바람직하게, 그 주 셔틀 몸체(main shuttle body)는 제2자극을 갖는 샤프트(29)의 자석 라이닝(magnetic lining, 34) 둘레에 자기적으로 부양되어 있는 제1자극의 영구자석(35)들을 따라 늘어서 있다.

장치구성(arrangement)은 앞에서 기술된 것과 같은 것이 바람직하다. 셔틀(30)의 주 몸체에 리텐션 플레이트(36 및 37)들이 고정된 상태를 유지하는 데 왕복의 강도에 기인한 어려움이 있다면, 선택적으로, 도 9에 나타낸 바와 같이 자석(51)들이 부착, 스크루결합, 볼팅 등(미 도시)에 의해 고정될 수 있는 단부 플레이트(48)에 의해 주 몸체(47)의 단부에 단순히 고정되어 있는 그런 장치구성 보다는, 대안으로, 50에서 방사상으로 셔틀의 주 몸체(46)속으로 스크루결합되는 것에 의해 자석(52)들을 설치하는 같은 목적을 성취하기 위해 부재(49)가 제공될 수 있다.

자석들은 각 셔틀의 단부에서 노출되는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 자석 상호작용의 효력을 방해하지 않는 보호 덮개가 제공될 수 있다. 단부 플레이트(26 및 27)들에 고정된 자석(40 및 41)들 각각에 대해서도 마찬가지이다. 이들은 유사하게 셔틀에 이탈되지 않게 설치될 수 있고 또는 단순 부착으로도 충분하다.

원할 때 셔틀(30)이 단부 플레이트(26 및 27)들 사이에서 회전되거나 회전되지 않거나에 상관없이 안정된 상태로 유지될 수 있도록 단부 플레이트(27)가 회전(예를 들어 45로)될 수 있다는 것이 예견된다. 이를 성취하기 위해 앞에서 어느 정도 상세하게 설명한 이상(異相) 장치(out of phase arrangement)가 사용되고, 그래서 힘들의 어떤 균형이 생긴다. 단부 플레이트(27)의 회전이 필요하다면, 이는 그 배열들(arrays)이 없는 세트 및 상호작용하는 표면들의 자석 봉입물들에 달려있다.

안내축(guiding axis) 상의 상기 셔틀의 자석 지지부가 바람직하지만 다른 대안의 형태들에서 어떤 공기 또는 다른 종류의 지지부가 제공될 수 있다. 이는 영구자석들의 성능을 저하시키는 불필요한 열이 축적되는 것을 피하기 위한 것이다. 윤활유 처리된 베어링이 제공된 본 발명에 따른 시스템들은 어느 정도의 열을 발생하는 경향을 가지지만, 그럼에도 불구하고 윤활유의 냉각이 있다면 또는 운전 요소들(operating parameters)이 영구자석들의 성능을 저하시키는 온도 이상의 온도를 발생시키지 않는다면 그러한 시스템들은 운전되어질 수 있다.

또한 상기 장치를 통해 드릴 스트링 속으로 연장되어 냉각기능에 대한 기대뿐만 아니라 수세 능력(flushing ability)도 제공하는 유체통로(53)에 대한 기대도 제공된다. 그러한 유체는 공기, 액체(예를 들면 물)가 될 수 있고 또는 구멍 뚫기에 전형적으로 사용되는 윤활 유체(예를 들면 슬러리)를 포함할 수 있다.

도 8 내지 12의 장치에서, 예를 들면, 상기 셔틀은 1.5m의 길이이고 셔틀 움직임의 진폭은 0.1에서 15까지이다(셔틀 회전 속도, 셔틀 중량, 자석 배열, 자석 강도, 결합구조 및 틈새에 따라 달라질 수 있음).

사이클링 주파수는 정상상태조건(steady state conditions)에서는 (바람직하게) 20 사이클/초 이상약 200 사이클/초까지의 사이클링 주파수를 고려하는 것이 바람직하다. 200 사이클/초의 주파수는 약 3000RPM의 셔틀회전에 의존하는 도 2 내지 7에서와 같은 4/8 자석 상호작용들을 사용하여 쉽게 발생시킬 수 있다.

Claims

앞뒤로 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로서, 상기 진동장치는,

제1단부와 제2단부를 가지는 셔틀(17);

상기 셔틀의 제1단부와 협동하는 제1보조구조물(15, 16); 그리고

상기 셔틀의 제2단부와 협동하는 제2보조구조물(18, 20)을 포함하거나 구비하고,

상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20)을 통해 축선(axis)을 중심으로 상기 셔틀(17)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치 또는 기계적 구동장치들(42)이 있고,

상기 셔틀에 의해 각 단부에서 지탱되는(carried) 자석들(38, 39)과 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 각각에 의해 지탱되는 자석들(40, 41)은, 회전 유발 상호작용들의 효과(effect of rotation caused interactions) 하에서, 상기 제1단부가 상기 제2보조구조물(18, 20)로부터 멀어지도록 움직이고, 그리고 차례로 상기 제2단부가 상기 제1보조구조물(15, 16)으로부터 멀어지도록 움직이는 효과를 제공하며,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(17) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 축선의 축방향으로 또는 상기 축선에 평행하게 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 하는 진동장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 보조구조물들(15, 16; 18, 20)은 상기 축방향으로 서로에 대하여 고정되어 있지만 상기 축선을 중심으로 서로에 대하여 회전할 수 없는 것을 특징으로 하는 진동장치.
제1항에 있어서, 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20)은 상기 셔틀(17)을 안내하는 샤프트(shaft)에 의해 지탱되는(carried) 것을 특징으로 하는 진동장치.
앞뒤로 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로서, 상기 진동장치는,

제1 및 제2보조구조물들(15, 16; 18, 20) 사이의 셔틀 축선 상에서 반복적으로 왕복 가능한 셔틀(17);

상기 셔틀 축선의 적어도 일부를 중심으로 상기 셔틀(17)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(42); 및

적어도 하나의 보조구조물(15, 16; 18, 20)과 상기 셔틀(17) 각각의 자기적 상호작용 영역들을 포함하거나 구비하고,

상기 자기적 상호작용 영역들에 의해, 상기 셔틀(17)의 회전은 상기 셔틀(17)이 상기 보조구조물 또는 어떤 하나의 보조구조물(15, 16; 18, 20)과 상기 셔틀(17) 사이에서 교대로 인력과 척력이 되는 왕복 유도 힘들을 받기 쉽게 하는 효과를 가지며,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(15, 16; 18, 20) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(17) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 셔틀 축선의 축방향으로 또는 상기 셔틀 축선에 평행한 방향으로 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 하는 진동장치.
앞뒤로 진동출력을 제공할 수 있는 진동장치로서, 상기 진동장치는,

셔틀 축선을 가지고 상기 셔틀 축선 상에서 앞뒤로 움직일 수 있는 셔틀(30)에 결합되어 상기 셔틀(30)을 상기 셔틀 축선을 중심으로 회전시키기 위한 기계적 구동장치(42);

상기 셔틀(30)이 자신(제1보조구조물(26))에게 접근한 다음 자신으로부터 멀어지는 움직임을 하거나 또는 이와 반대의 움직임을 하는 관계에 있는 제1보조구조물(26);

상기 셔틀(30)이 자신(제2보조구조물(27))으로부터 멀어진 다음 자신에게 접근하는 움직임을 하거나 또는 이와 반대의 움직임을 하는 관계에 있는 제2보조구조물(27)을 포함하거나 구비하고,

상기 셔틀(30)은 상기 보조구조물들(26, 27) 사이에 있고,

제1보조구조물/셔틀(26, 30) 쌍 및 셔틀/제2보조구조물(30, 27) 쌍 각각의 근부영역들(近部領域, proximal regions)은, 각 쌍에 대하여, 상기 셔틀(30)이 회전함에 따라 인력 또는 척력을 교대로 제공하도록 작용하는 자기영역들(magnetic areas)을 가지며,

그리고 상기 쌍들 사이에서 인력과 척력을 제공하는 자극들의 배치는 상기 셔틀(30)의 회전 때문에 상기 셔틀(30)에 작용하는 자기적 상호작용의 결과로서 상기 셔틀(30)이 자신의 왕복 축선 상에서 왕복하도록 하는 것이고,

그리고 상기 진동출력은 상기 보조구조물들(26, 27) 중 하나 또는 다른 하나 또는 둘 모두로부터 나오지, 상기 셔틀(30) 그 자체로부터 직접적으로 나오는 것은 아니고, 상기 셔틀 축선의 축방향으로 또는 상기 셔틀 축선에 평행한 방향으로 전진 및 후진하는 출력인 것을 특징으로 하는 진동장치.
제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 보조구조물들(26, 27)은 상기 축선방향으로 서로에 대하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동장치.
제3항, 제4항, 제6항 중 어느 하나에 있어서, 상기 셔틀(17 또는 30)은 가이드 샤프트(29) 둘레의 자기식 또는 공기식 베어링 상에 있는 것을 특징으로 하는 진동장치.
앞뒤로 진동출력을 제공하거나 또는 제공할 수 있도록 된 진동장치로서,

상기 진동장치는 보조구조물들(26, 27) 사이에서 왕복(shuttling) 가능한 셔틀(30)을 가지는 조립체를 포함하거나 구비하고, 상기 보조구조물들(26, 27) 중 적어도 하나는 진동출력을 제공하고,

상기 셔틀(30)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(a mechanical drive, 42)를 구비하고, 각 보조구조물(26, 27)과의 상호작용, 그리고 상기 셔틀(30)에 대한 상기 보조구조물들(26, 27)의 위상 맞추기가 이뤄지도록 회전하는 상기 셔틀(30)과 상기 보조구조물들(26, 27) 간에 자기적 상호작용들이 있으며, 교호적인 자기적 상호작용이 상기 셔틀(30)의 왕복운동을 일으키는 점에서 특징이 있는 진동장치.
제8항에 있어서, 상기 자기적 상호작용들은 영구자석들에 의한 것을 특징으로 하는 진동장치.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 셔틀(30)의 구동장치는 벨트(31)인 것을 특징으로 하는 진동장치.
제1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9항 중 어느 한 항의 진동장치를 구비하는 구멍 뚫기용 진동 헤드.
드릴 스트링에 부착되어 있거나 부착 가능한 청구항 1의 진동장치를 포함하는 진동헤드,

지지체(28), 및

상기 진동헤드를 지탱하면서도(carry) 상기 지지체(28)에 속박시키는(constrain) 적어도 하나의 모양변형 가능(reconfigurable) 유체 저장기로 된 유연 수단(25)을 포함하고,

상기 진동헤드, 상기 지지체(28) 및 적어도 하나의 모양변형 가능 유체 저장기의 상호작용은 드릴 스트링(23)에 부착된 또는 부착될 무게를 지탱해주되 상기 지지체(28)에 대하여 상기 드릴 스트링(23) 축선의 종방향 및 측방향의 양 방향으로(both longitudinally and laterally) 상기 진동헤드가 움직일 수 있는 자유를 허용하는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제12항에 있어서, 적어도 두 개의 유체 저장기들을 가지는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제13항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 유체 저장기들 중 적어도 하나는 가스 백인 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제12항에 있어서, 상기 진동헤드는 상기 유체 저장기(들) 아래에 있는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제15항 있어서, 상기 진동헤드로부터 상기 드릴 스트링(23)으로 가해지는 진동의 출력은 비회전 진동 구성요소(a non rotating but vibrating component)로부터 직접적으로 또는 간접적으로 회전 가능한 회전 구성요소로의 천이(transition)를 통해 나오는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
드릴 스트링(23)에 부착되거나 부착 가능하며, 왕복 축 둘레를 회전하며 회전 도중에 다른 자기효과들(magnetic effects)과 상호작용함으로써 왕복할 수 있는 회전 가능 구동형(rotatably driven) 셔틀(30)을 구비하고, 진동출력은 상기 셔틀(30) 그 자체로부터는 나오지는 않는 진동헤드,

상기 진동 헤드를 유연하게 지지하는 지지체(28), 및

상기 지지체에 결합되어, 상기 진동헤드와 상기 또는 임의의 부착 드릴 스트링(23)의 무게를 지탱하고 그리고 상기 드릴 스트링과 상기 진동헤드의 움직이는 결합체와 상기 지지체를 격리시키는(insulate) 유연 수단(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제17항에 있어서, 상기 유연 수단(25)으로서 적어도 하나의 가스 백이 상기 진동헤드의 일부와 상기 지지체(28) 사이에 개재되어(interposed) 있는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
제18항에 있어서, 상기 진동헤드를 상기 지지체(28)에 대하여 속박시키는 것을 특징으로 하는 드릴링 장치.
셔틀(30)을 가지되 진동출력이 상기 셔틀(30)로부터 직접적으로 취출되지는 않는 진동헤드,

상기 셔틀(30)의 작동 동안에 상기 진동헤드가 유연하게 진동하도록 탑재되어 있는 조종가능 지지체(28),

상기 진동헤드로부터 나오는 진동 출력취출로부터 지지되는 베어링(24),

상기 베어링(24)에 의해 지탱되는(carried) 드릴 스트링 커넥터, 및

상기 드릴 스트링 커넥터에 대한 회전 구동장치(44)를 포함하고,

상기 셔틀(30)은 상기 셔틀(30)의 구동 동안에 회전함에 따라 자신의 양 단부 각각에서 사용 중에 자기적으로 상호작용하고 그와 같은 상호작용의 효과 하에서 왕복하는 것을 특징으로 하는 진동 드릴링 장치.
진동출력을 제공하도록 그리고 제공할 수 있도록 된 진동장치로서, 상기 진동장치는 보조구조물들(26, 27) 사이에서 왕복 가능한 셔틀(30)을 가지는 조립체를 구비하거나 포함하고, 상기 보조구조물들(26, 27) 중 적어도 하나는 상기 진동출력을 제공하고,

상기 셔틀(30)을 회전시키기 위한 기계적 구동장치(a mechanical drive, 42)를 구비하고, 각 보조구조물(26, 27)과의 상호작용, 그리고 상기 셔틀(30)에 대한 상기 보조구조물들(26, 27)의 위상 맞추기가 이뤄지도록 회전하는 상기 셔틀(30)과 상기 보조구조물들(26, 27) 간에 자기적 상호작용들이 있으며, 교호적인 자기적 상호작용이 상기 셔틀(30)의 왕복운동을 일으키는 점에서 특징이 있는 진동장치.