KR20010031162A - 방향성 드릴링 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암석내의 방향성 드릴링을 위한 회전-충격 장치에 관한 것으로서, 암석이나 유사한 경화 매질내에서 특히 효율적인 방향성 드릴링과 백리밍 작동을 제공할 수 있도록 형상화되고 구성된 완전한 드릴링 공구를 제공하는 것이다.

충격 해머를 하우징하면서 실질적으로 원통형이며 회전 가능한 본체 부분(15)과 본체 부분의 전방상에서 편심되어 장착된 절두원추형 헤드를 구비하며, 헤드의 최소 직경 면은 본체 부분에 인접하며, 헤드의 축은 본체의 축과 평행하나 오프셋되어 있으며, 헤드의 전면은 끌 형상을 하며 본체 축에 관하여 헤드 축의 오프셋 방향과 동일한 방향으로 전방으로 경사진 적어도 하나의 경사면을 구비하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치가 개시된다.

Description

방향성 드릴링 공구{Directional drilling tool}

암석에의 사용을 위한 종래의 드릴은 롤러 비트(roller bit)를 갖는 드릴링 헤드(drilling head)가 부착된 드릴 로드(drill rod)를 구비하고, 상기 롤러 비트는 용접 결합된 경화 금속(예를 들어,텅스텐 카바이드) 팁과 함께 세 개의 치를 가진 원추형 강철 요소를 구비한다. 드릴 로드는 공동(空洞)으로 되어 있어, 드릴 작업 동안 세척액(드릴링 머드(drilling mud)라 지칭됨)이 로드를 통하여 펌프 공급되며, 롤러 비트 주위에서 빠져 나와 드릴 홀(drill hole)을 통해 다시 귀환한다. 드릴링 머드를 재순환시키고자 하는 시도들이 있어왔으나, 이는 복잡한 여과 장비를 요구하며, 드릴링 머드의 처리는 환경 문제를 제기한다.

암석내에서의 방향성 드릴링, 특히 수평 드릴링은 회전과 충격 장치의 조합을 채용할 수 있다. 충격 장치는 공압 작동의 충격 해머일 수 있다. 그러한 장치들은 쐐기 형상의 헤드를 채용할 수 있다. 직선 드릴링(straight-line drilling)의 경우에, 헤드는 회전되도록 야기되며, 암석은 드릴링 공구상의 전진 압박 작용과 더불어 회전과 충격 작용의 조합에 의하여 드릴링된다. 회전이 정지되면, 충격과 압박 작용은 공구로 하여금 쐐기 형상 헤드의 관점에서 전진 굴곡을 그리게 한다. 그러한 공구는 일반적으로 전자 송신기(존데:sonde) 등을 구비하고, 상기 전자 송신기는 계속적으로 공구의 위치와 방향을 결정하는데 있어서 지면위의 수신기와 협동한다.

보통의 절차는 먼저 파이럿 보어(pilot bore)를 뚫는 것이다. 이 보어는 그런 다음 그것을 통하여 지나갈 파이프, 케이블 등을 수용하기 위하여 넓혀질 수 있다. 넓힘 작업은 "백리밍(backreaming)", 즉 공구(리머)를 파일럿 보어를 통하여 후방으로 통과시키는 것에 의하여 수행될 수 있다. 컴팩팅 리머(compacting reamer)는 쐐기 또는 원추형의 공구로서, 상기 리머는 선택적으로 회전과 함께, 파일럿 보어를 통하여 뒤로 인출되어질 수 있다. "플라이(fly)" 리머는 외부 날을 가진 튜브 혹은 봉으로서, 상기 리머도 역시 회전과 함께 파이럿 보어를 통하여 뒤로 인출될 수 있다. 컴팩팅 리머는 일반적으로 암석 내에서는 작업을 할 수 없고, 플라이 리머는 단단한 암석을 깍아 내는데 있어 늦을 수 있다. 컴팩팅 리머를 가진 충격 해머를 백리머용 드릴 로드에 부착시키는 것이 알려져 있으나, 이는 연한 지면에 대해서만 효과적이다.

본 발명은 방향성(directional) 드릴링 공구에 관한 것이며, 보다 상세하게는 암석내의 방향성 드릴링을 위한 회전-충격 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 구현예에 의한 회전-충격 공구의 헤드와 목 부분의 부분적으로 단면인 측면도이다.

도 2는 도 1에 따른 측면도이다.

도 3은 도 1의 선 Ⅲ-Ⅲ상의 횡단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 구현예에 의한 회전-충격 장치의 부분적으로 단면인 측면도이다.

도 5는 도 4에 대응하는 단부도이다.

도 6은 헤드와 목 부분의 또 다른 구현예의 측면도이다.

도 7은 도 6에 따른 정면도이다.

도 8은 헤드와 목 부분의 또 다른 구현예의 측면도이다.

도 9는 도 8에 따른 단부 정면도이다.

도 10, 도 11 및 도 12는 각각 본 발명의 구현예에 의한 백리밍 공구의 단부 정면도, 측면도 및 단부 배면도이다.

본 발명의 목적은 암석이나 유사한 경화 매질내에서 특히 효율적인 방향성 드릴링과 백리밍 작동을 제공할 수 있도록 형상화되고 구성된 완전한 드릴링 공구를 제공하는 것이다.

본 발명은 암석내에서의 방향성 드릴링과 백리밍용 회전-충격 장치를 제공한다. 파이럿 보어 드릴링을 위해서 상기 회전-충격 장치는 충격 해머를 하우징하는 실질적으로 원통형인 회전 가능한 본체 부분 및, 본체 부분의 전방에 편심되어 장착된 절두원추형 헤드(frustoconical head)구비하며, 상기 헤드의 최소 직경 표면은 상기 본체 부분에 인접하고, 상기 헤드의 축은 상기 본체의 축과 평행하나 오프셋되어 있으며, 상기 헤드의 전면은 끌 형상이면서 본체 축에 대한 헤드 축의 오프셋과 동일한 방향으로 전방을 향하여 경사진 적어도 하나의 경사 평면을 구비한다.

하나의 공기통로가 바람직하게는 본체 그리고 선택적으로 헤드를 통해 통과하고, 본체의 전면이나 헤드의 최전방 절반 부분내에서 빠져 나온다. 장치의 사용에 있어서, 가압 공기가 상기 공기통로를 통과하고, 전면에서 빠져 나와, 드릴 홀을 통하여 역방향으로 통과함으로써, 암석과 흙(분쇄물)의 분쇄된 파편을 상기 공기와 함께 운반한다. 드릴링 머드의 사용은 그에 따라서 회피된다.

헤드는 목 부분과 일체일 수 있으며, 상기 목 부분은 본체의 최전방 부분내에 슬라이딩되어 수용된다. 복수개의 (예를 들면 텅스텐 카바이드로 이루어진) 경화 스터드가 바람직하게는 헤드의 전면에, 적어도 최전방의 절반 부분에 배치된다.

종방향으로 연장되는 외주상의 슬롯이나 홈이 단속적인 절단면을 형성하고 공기나 분쇄물의 통과를 허용하기 위하여 헤드내에 존재할 수 있다.

헤드의 전면은 경사 평면을 형성하는 단일의 평탄한 표면을 구비할 수 있고, 상기 평면의 최전방측은 본체 축으로부터 헤드 축으로의 오프셋과 같은 방향으로 중심으로부터 오프셋되어져 있다. 이와는 달리, 헤드의 전면은 오프셋측상에서 경사지지 않거나 혹은 단지 약간만 경사진 최전방 부분과 오프셋으로부터 떨어진 측면상에서 더욱 경사진 부분을 구비할 수 있다.

도 1, 도 2 및 도 3은 절두원추형 헤드(2)와 일체화된 목 부분(1)을 나타낸다. 목 부분(1)은 본체 부분(미도시)중 관형(管形) 최전방 부분내에 슬라이딩되어 수용되며, 상기 본체 부분은 다시 충격 해머와 무선 탐지 장치 즉 존데를 하우징하며, 그중 후자는 진동에 대하여 격리되어져 있다. 존데는 일반적으로 그 형상에 있어서 원통형이며, 종방향 챔버내에 하우징되어 있다. 압축 스프링은 존데의 각 단부와 챔버의 인접한 단부벽 사이에 진동을 방지할 수 있도록 배치되어 있다. 절두원추형 헤드(2)는 목 부분(1)과 인접하는 최소 직경의 단면(3)과 공구의 전면을 형성하는 최대 직경의 단면(4)을 가지고 있다. 목 부분(1)의 종축(5)(상기 종축은 본체 부분의 종축과 동일선상에 있다)과 절두원추형 헤드(2)의 종축(6)은 평행하나 서로 오프셋되어 있으며, 따라서 헤드(2)는 목 부분(1)(따라서 본체 부분)의 전방에서 편심되어 장착되어진다. 헤드의 축(6)은 축(5)과 목 부분 외주 사이에 있다. 본체 축(5)으로부터 헤드 축(6)의 변위는 바람직하게는 목 부분(1)의 외부 반경의 15 내지 93%, 더욱 바람직하게는 20 내지 80%의 범위이다. 헤드 표면(3)의 반경은 각각의 경우에 목 부분의 반경에 기초하여 바람직하게는 115 내지 225%, 더욱 바람직하게는 125 내지 200%이다. 절두원추형 헤드(2) 측면의 경사 각도는 바람직하게는 0 내지 30。, 더욱 바람직하게는 5 내지 25。이다.

헤드(2)의 전면(4)은 끌 형상이다. 따라서, 표면(4)은 경사면으로서 형성되어져 있으며, 상기 경사면은 본체 축(5)에 대하여 헤드 축(6)의 오프셋과 동일한 방향으로 전방을 향하여 경사지어져 있다. 전면(4)의 최전방 부분은 그러므로 본체 부분의 축(5)으로부터 가장 큰 변위를 갖는 헤드(2) 외주의 부분과 인접하게 된다.

공기통로(7)는 목 부분(1)을 통하여 종방향으로 통과함으로써, 본체 부분으로부터 공기를 전달하며, 헤드(2)를 통하여 표면(4)상에서 빠져나가는 공기통로(8)와 통한다. 표면(4)상의 공기통로(8) 출구는 최전방 부분내의 외주와 근접한다. 공구가 작동중인 때에는, 가압 공기가 공기통로(7,8)를 통하여 통과하고, 전면(4)상에서 빠져나간다.

다른 대안으로서는, 공기통로(들)는 본체 부분의 전면에서 종료될 수 있다. 종방향으로 연장되는 외주상의 슬롯 또는 홈(16)은 그러한 경우 전방으로의 공기 통과와 분쇄물의 후방 통과를(도 6 내지 9에 도시된 바와 같이) 위하여 헤드에 존재한다. 슬롯과 홈은 바람직하게는 분쇄물에 의한 장애를 제공할 수 있도록 후방을 향하여 확대되어진다.(도 6과 도 7에서처럼)

목 부분(1)과 헤드(2)는 경화 강으로서 만들어진다. 헤드의 전면(4)은 텅스텐 카바이드로 된 수 개의 돌출 스터드를 수반한다. 스터드는 적어도 전면(4)의 최전방 절반 부분내에 존재하나, 전면(4)의 전부분에 걸쳐 존재할 수도 있다.

경사면(4)은 바람직하게는 축(6)에 수직인 표면과 5。내지 45。, 보다 바람직하게는 7。내지 30。의 각도를 형성한다.

목 부분(1)의 외부 표면은 본체 부분(미도시)의 최전방 관형 부분안의 내부 돌출부와의 체결을 위하여 종방향으로 홈이 파여져 있다.

다른 구현예가 도 4와 도 5에 도시되어져 있으며, 상기 도면에서 대응하는 부분들은 도 1, 도 2 및 도 3에서와 같이 동일한 기호를 가진다. 다시, 절두원추형 헤드(2)는 원통형의 본체 부분(15)의 전방에 편심되어 장착되어져 있으며, 이는 본체 부분(15)의 관형 전방 부분안에 슬라이딩되어 수용되는 일체화된 목(1)에 의해 이루어진다. 그러나, 이 경우에는 헤드(2)의 전방 표면은 비경사 표면(1)과 경사 표면(11)을 구비한다. (그러한 특성은 도 8과 9에서도 역시 존재한다.) 경사지지 않은 표면(10)은 헤드의 최전방 부분이며 본체 축(5)에 관하여 헤드 축(6)의 오프셋측상에서 근사적으로 전방 표면의 절반을 구성한다. 경사 표면(11)은 표면(10)으로부터 헤드의 외주쪽으로 후방을 향하여 경사진 절삭된 부분을 구성하며, 축(6)에 직각을 이루는 평면과 5 내지 45。, 보다 바람직하게는 7 내지 30。까지의 각을 형성한다. 텅스텐 카바이드 스터드(12)는 적어도 표면(10)상에 존재한다. 도 4와 도 5에서는 도시되지 않았지만, 전과 동일하게 역시 공기통로가 존재한다. 본체 부분(1)은 충격 해머를 하우징하고, 무선 탐지 장치를 하우징하는 후반 본체 부분(12)과 연결되어져 있다.

본 발명에 따른 공구를 사용함에 있어, 다음 세 가지 힘 즉 회전, 충격 및 압박 작용의 협동에 의하여 드릴링이 달성된다. 방향 조정은 회전 작용을 감소시키거나 정지시킴으로서 달성된다. 공구는 처음으로 드릴링 머드나 유사한 유체를 사용함이 없이 암석과 다른 경화 물질을 통해서 방향성 드릴링이 가능하도록 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 관형 본체 부분(15)은 최전방 부분내에 있으며, 헤드의 후반면(3)과 맞닿아 있다. 충격과 압박 작용은 이 위치에서 헤드로 전달된다. 연한 지면을 통해 드릴링 할 때에는, 관형 본체 부분은 더 이상 헤드의 후반 표면에 맞닿지 않도록 수축한다. 그러나, 헤드는 이 위치에서 여전히 회전하도록 야기된다. 헤드는 따라서 본체 부분내에서 효율적으로 "부양(float)"한다.

관련 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자들의 현재 관점은, 물과 벤토나이트 혼합물과 같은 습식 드릴링 액체(wet drilling fluids) 대신에 공기를 사용하는 드릴링, 특히 암석 드릴링 작업중에는 제어가 가능하지 않다는 것이며, 그 이유는 해머링과 드릴링 작업에 의하여 발생되는 열이 무선 존데를 과열시키고 수명이 다하게 함으로서 드릴링 기계(rig)에서 안내 시스템(guidance system)이 결여되게 만들기 때문이다. 일반적으로 현재 구입 가능한 존데는 약 85℃를 초과하는 온도에 노출되어져서는 안 된다. 공기를 압축하고 그 공기를 드릴 로드와 존데 하우징을 통하여 통과시킴으로서 도달되는 온도 그리고 드릴링 작업에 의하여 생성되는 열은 현재 존데의 한계를 훨씬 초과하는 것으로 믿어진다. 공기는 압축될수록 온도가 증가하고 시스템을 통과하면서 마찰에 의하여 더욱 증가한다는 것이 사실이다. 그러나, 팽창되는 경우 공기 온도는 급격히 감소하고 또한 제어되지 않는 경우에는 빙점 이하의 온도에 매우 급격히 도달할 수 있다.

본 발명의 특색은 존데를 냉각하는데 압축 공기를 사용한다는 것이며 이는 존데 주위의 챔버를 공기 공급 홀의 보어보다 크게 함으로서 이루어진다. 따라서, 고온의 압축 공기가 홀을 통하여 챔버로 통과하는 때에 공기는 팽창하고 급격하게 냉각된다. 온도는 공기 공급 홀이나 존데주의의 챔버를 축소시키거나 확대시킴으로서 조절된다.

도 10, 11 및 12는 본 발명의 구현예에서 백리밍이 어떻게 이루어질 수 있는가를 도시한다. 두 개 또는 그 이상의 충격 해머(20)가 매니홀드(21)를 통해서 드릴 로드(22)에 부착되어져 있다. 이 단계에서는 방향 조절은 필요하지 않기 때문에, 해머는 전술한 바와 같은 끌 형상의 전면과는 대조적으로 평탄한 전면을 가진 헤드(23)를 가지고 있다. 공기 통로는 전면상의 개구(24)에서 배출구가 있으며, 상기 전면은 전과 동일하게 경화 스터드(12)가 제공된다. 절단 헤드와 공기 시스템은 암석을 절삭하고 보어로부터 분쇄물을 제거한다. 보어는 따라서 확장되며, 그 때문에 파이럿 보어에 의해 허용되어질 수 있는 것보다 더 큰 파이프 또는 파이프 및/또는 케이블 다발의 설치를 가능하게 한다.

Claims (13)

1. 충격 해머를 하우징하면서 실질적으로 원통형이며 회전 가능한 본체 부분(15); 및 본체 부분의 전방상에서 편심되어 장착된 절두원추형 헤드(2);를 구비하며, 헤드의 최소 직경 면(3)은 본체 부분에 인접하며, 헤드의 축(6)은 본체의 축(5)과 평행하나 오프셋되어 있으며, 헤드의 전면(4)은 끌 형상을 하며 적어도 하나의 경사면(11)을 구비하며 상기 경사면(11)은 본체 축에 관하여 헤드 축의 오프셋 방향과 동일한 방향으로 전방으로 경사진 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 본체 그리고 선택적으로 상기 헤드를 통하여 통과하며, 상기 본체나 상기 헤드의 전면(4)상에서 배출구를 가지는 공기통로를 가지는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 공기통로는 상기 헤드의 전면의 최전방 절반 부분에서 배출구가 있는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
4. 제 2항에 있어서,

   종방향으로 연장되는 외주상의 슬롯 혹은 홈(16)이 헤드내에 존재하여 단속적인 절단면을 형성하고 공기나 분쇄물의 통과를 허용하는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드(2)는 목 부분(1)과 일체화되고, 상기 목 부분(1)은 본체 부분(15)의 최전방 부분내에 슬라이딩되어 수용되는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드의 전면(4)상에 복수의 경화 스터드(12)를 갖는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드의 전면(4)은 실질적으로 하나의 평탄한 표면을 구비하며, 상기 표면은 경사면을 형성하고, 상기 표면의 최전방측은 본체 축에 대한 헤드 축의 오프셋과 동일한 방향으로 중심으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 암석 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
8. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드의 전면(4)은 본체 축에 관하여 헤드 축의 오프셋측상에서 경사지지 않은 최전방의 부분(10)과 오프셋으로부터 이격된 측의 경사 부분(11)을 가지는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,

   본체 부분은 두 부분으로 되어있으며, 전방 부분은 충격 해머를 하우징하고, 후방 부분은 존데를 하우징하는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    후방 부분은 존데를 충격 해머로부터 발생되는 진동으로부터 보호하기 위하여 충격 감쇠 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,

    상기 헤드는 본체의 전방 부분상에 동축적으로 장착되어져 있으며, 상기 전방 부분은 후방 부분상에 편심되어 장착되어져 있는 것을 특징으로 하는 수정된 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
12. 제 1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤드는 본체상에 동축적으로 장착되어져 있으며, 상기 본체는 드릴 로드 상에서 편심되어 장착되어진 것을 특징으로 하는 수정된 암석내 방향성 드릴링용 회전-충격 장치.
13. 드릴 로드;

    상기 드릴 로드의 외주둘레에 장착되고 상기 드릴 로드 축과 평행한 축을 가진 두 개 또는 그 이상의 충격 해머; 및

    상기 해머의 헤드상의 공기 출구;를 구비하며,

    공구가 파이럿 보어를 통하여 보어를 확장하도록 최초 드릴링 방향과 반대 방향으로 통과하게끔 적합화된 것을 특징으로 하는 암석 드릴용의 백리밍 공구.