Drill bit shaft structure of drilling unit

本発明は、油井、ガス井などの掘削に用いる掘削装置に関し、特に、掘削方向を変えるために容易に屈曲させることのできるドリルビット構造に関する。

ドリルビットシャフト（ドリルパイプ）を曲げて掘削方向を変更する掘削装置では、曲げやすいドリルビットシャフトが必要である。 しかしながら、ドリルビットシャフトは掘削トルクを先端のドリルビットに伝達しなければならず、所定のアキシャル荷重に耐える必要があり、さらに、その中空部内に掘削液（泥水）を通す必要がある。 このために、ドリルビットシャフトは肉厚の厚い曲げ剛性の高いシャフトを用いざるを得ない。 剛性の高いドリルビットシャフトを曲げると大きな曲げ応力が発生する。 したがって、回転曲げ疲労限度を超えないようにするために、ドリルビットシャフトを大きく曲げることができない。

なお、特許文献１には、ドリルビットシャフトの連結部分にユニバーサルジョイントなどのジョイント部を設けることが提案されている。 また、特許文献２においては、ドリルビットシャフトを、所定の長さのフレキシブルジョイントを介して連結し、曲げによる過剰応力がドリルビットシャフトに作用しないようにしている。

特開平０９−２１７５７６号公報

特開平０８−２７０３６９号公報

本発明の課題は、大きな曲げ応力を発生させることなく、ドリルビットシャフトを屈曲できるようにした掘削装置のドリルビットシャフト構造を提案することにある。

本発明の掘削装置のドリルビットシャフト構造は、
中空のドリルビットシャフトの一部を所定長さに亘って両側のシャフト部分に比べて肉厚の薄い薄肉シャフト部分とし、
この薄肉シャフト部分を取り囲む状態に、自在継手構造を備えた筒状体を配置し、
前記筒状体の両端部を前記薄肉シャフト部分の両側の前記シャフト部分に連結し、
前記薄肉シャフト部分および前記筒状体を曲げることにより掘削方向を制御することを特徴としている。

ここで、前記筒状体の自在継手構造には、オルダム継手構造を用いることができる。 この代わりに、所定太さの金属製の線材を渦巻き状に多層に巻くことにより形成したものとしてもよい。

また、前記薄肉シャフト部分の内径を両側の前記シャフト部分と同一とし、当該薄肉シャフト部分の外径を両側の前記シャフト部分よりも小さくすることが望ましい。 このようにすれば、ドリルビットシャフトの中空部は同一径のままとなり、中空部内の流体の流れがスムーズになる。 また、薄肉シャフトの外周面と、これを取り囲む筒状体の内周面との間に隙間ができ、これらを曲げた状態において、薄肉シャフトと筒状体態が接触してしまうことも防止できる。

薄肉シャフトと筒状体の接触を確実に防止するためには、前記薄肉シャフト部分と前記筒状体の間に、耐熱ゴムなどの樹脂材料からなる緩衝材を配置しておけばよい。

本発明の掘削装置のドリルビットシャフト構造では、ドリルビットシャフトの一部に所定長さの薄肉シャフトを形成してドリルビットシャフトを曲げやすくしてある。 また、薄肉シャフトを形成することによる掘削トルクなどの伝達性能の低下を、薄肉シャフトを取り囲む状態に配置した自在継手構造の筒状体によって補うことができるようになっている。

したがって、全体としては肉厚の厚い十分な剛性を備えたドリルビットシャフトを用いることができ、筒状体で囲まれた薄肉シャフト部分は過剰な応力を発生させることなく容易に曲げることができる。 また、自在継手構造の筒状体によって掘削トルクなどの伝達性能も維持できる。

以下に、図面を参照して本発明を適用した掘削装置のドリルビットシャフト構造の実施の形態を説明する。

図１は掘削装置の全体構成を示す説明図である。 掘削装置１は、ドリルビットシャフト２を連結したドリルストリングを備え、その先端にはドリルカラー３が同軸状態で連結され、その先端にドリルビット４が支持されている。 ドリルストリングの後端側には、これを回転させるための回転駆動装置（図示せず）が配置されている。

ドリルストリングを構成しているドリルビットシャフト２は、掘削穴５に沿って所定の間隔で配置した複数の支持ベアリング機構６によって掘削穴５と同軸状となるように回転自在に支持されている。 また、ドリルビットシャフト２の途中位置においては、他の支持ベアリング機構６による支持位置に対して偏った位置において偏心支持ベアリング機構７によって回転自在の状態で支持されている。

ドリルビットシャフト２は、偏心支持ベアリング機構７によって支持されている部位が、その両側において支持されている部位に対して偏った位置にある。 したがって、ドリルビットシャフト２は全体として曲げられており、支持ベアリング機構６から先端側に突出しているシャフト部分は掘削穴５の中心軸線５ａに対して僅かに傾斜した方向に延びている。 したがって、ドリルビットシャフト２の先端側に取り付けられているドリルビット４の掘削方向は、中心軸線５ａに対して傾斜した方向になる。

ドリルビットシャフト２は、全体として一定の肉厚の中空シャフトであり、その一部には他の部分に比べて容易に屈曲可能なフレキシブルシャフト部分１０が形成されている。 偏心支持ベアリング機構７によって、ドリルビットシャフト２のフレキシブルシャフト部分１０が大きく曲げられている。

図２はドリルビットシャフト２のフレキシブルシャフト部分１０を示す概略部分断面図である。 フレキシブルシャフト部分１０では、中空のドリルビットシャフト２の一部が所定長さに亘って両側のシャフト部分２２、２３に比べて肉厚の薄い薄肉シャフト部分２１とされている、この薄肉シャフト部分２１を取り囲む状態に、自在継手構造を備えた筒状体３０が同軸状に配置されている。

薄肉シャフト部分２１の両端部２１ａ、２１ｂは肉厚が徐々に増加して両側のシャフト部分２２、２３の隣接部分２２ａ、２３ａに連続している。 また、薄肉シャフト部分２１の内径は両側のシャフト部分２２、２３の内径と同一であり、ドリルビットシャフト２は同一内径の中空部２ａが内部を貫通して延びている。 したがって、薄肉シャフト部分２１の外径は両側のシャフト部分２２、２３よりも小さく、その分、肉厚が薄い。

筒状体３０は薄肉シャフト部分２１よりも長く、その両端部が薄肉シャフト部分２１の両側のシャフト部分２２、２３の隣接部分２２ａ、２３ａに連結固定されている。 筒状体３０は内径および外径が同一であり、その内周面３１と、薄肉シャフト部分２１の外周面２１ｃとの間には環状の隙間２４が形成されている。

筒状体３０は自在継手構造を備えている。 本例ではオルダム継手構造を備えており、同一径の複数個のオルダムリングが同軸状態に連結されている。 詳細に説明すると、筒状体３０は、その両端部が広幅のオルダムリング３２、３３によって規定されており、これらの間には、オルダムリング３４、３５が同軸状に交互に連結されている。 オルダムリング３４は、その一方の円形端面において点対称の位置に形成した一対のキー溝３４ａ、３４ａと、他方の円形端面において点対称の位置に形成した一対のキー溝３４ｂ、３４ｂとを備えている。 キー溝３４ａ、３４ａと、キー溝３４ｂ、３４ｂとは９０度オフセットした位置に形成されている。 他方のオルダムリング３５は、その一方の円形端面において点対称の位置に形成した一対のキー３５ａ、３５ａと、他方の円形端面において点対称の位置に形成した一対のキー３５ｂ、３５ｂとを備えている。 キー３５ａ、３５ａと、キー３５ｂ、３５ｂとは９０度オフセットした位置に形成されている。 これらのオルダムリング３４、３５が交互に半径方向に僅かに相対移動可能な状態で連結されている。

ここで、ドリルビットシャフト２の回転方向は一定であるので、オルダム継手構造において回転方向にガタ付きを無くす場合には、予め、ドリルビットシャフト２の回転方向にガタ付きが生じないように、各オルダムリングを相対的に回転方向に寄せて隙間を無くした状態で連結しておけばよい。

このように構成したフレキシブルシャフト部分１０を備えたドリルビットシャフト２では、薄肉シャフト部分２１および筒状体３０からなるフレキシブルシャフト部分１０を他のシャフト部分２２、２３に比べて容易に曲げることができる。 したがって、大きな曲げ応力がドリルビットシャフト２に作用することを防止できる。 また、薄肉シャフト部分２１の掘削トルク伝達性能は他のシャフト部分２２、２３に比べて低いものの、筒状体３０によって掘削トルクなどの伝達性能の低下が補填され、他のシャフト部分２２、２３と同程度の応力伝達特性を維持できる。

次に、図３は筒状体の別の例を示す説明図である。 この図に示す筒状体４０は、所定の太さの金属線を渦巻き状に多層に巻いて筒状に形成したものである。

ここで、図４に示すように、薄肉シャフト部分２１と筒状体３０の間には、耐熱ゴムなどの樹脂材料からなる円筒状の緩衝材５０を配置しておいてもよい。 このようにすれば、薄肉シャフト部分２１と筒状体３０の接触を防止できる。

本発明を適用した掘削装置の概略構成図である。

ドリルビットシャフトのフレキシブルシャフト部分を示す説明図である。

筒状体の別の例を示す説明図である。

緩衝材を備えたフレキシブルシャフト部分を示す説明図である。

符号の説明

１ 掘削装置２ ドリルビットシャフト３ ドリルカラー４ ドリルビット５ 掘削穴５ａ 中心軸線６ 支持ベアリング機構７ 偏心支持ベアリング機構１０ フレキシブルシャフト部分２１ 薄肉シャフト部分２１ａ、２１ｂ 端部２２、２３ シャフト部分２２ａ、２３ａ 隣接部分３０ 筒状体３１ 内周面３２、３３、３４、３５ オルダムリング４０ 筒状体５０ 緩衝材