Three-dimensional steering system

【０００１】
発明の背景本発明は、鉱井のボアホールの掘穿方向を制御するための装置及び方法に関し、詳しくは、ビットの掘穿を三次元で指示するためのステアリングシステム(steering system)に関し、さらに詳しくは、地表から電力が供給され、地表と通信を行い、掘穿中に屈曲角度と方向とを変化させることのできるステアリングアセンブリに関連する。
【０００２】
制御された方向で鉱井にボアホールを掘穿するための従来法では、掘穿中に方向を制御する複数の機構を必要とする。 掘穿方向を制御する一般的な先行技術工具は、ドリルビットと、安定装置と、ドリルカラーと、重量パイプと、屈曲ハウジングを有する容積式モータ（泥水モータ）とで構成されるボトムホールアセンブリである。 ボトムホールアセンブリは、地表まで延在するドリルストリングまたはドリルパイプに接続されている。 屈曲ハウジングの屈曲を特定方向にした状態でアセンブリを（回転ではなく）摺動させて、ボアホール方向を変化させることにより、アセンブリはステアリングを行なう。 アセンブリとドリルストリングとが回転されて、直線状に掘穿される。
【０００３】
別の種類の先行技術工具は、通常は一定の力によりボアホール側面を径方向に押圧するように、ある距離だけドリルビットの上方に位置する非回転安定装置を用いてステアリングを行なうため、前方へ掘穿中にビットが被制御速度で反対方向に掘穿を行ない、ホールの方向が変化する。 この種のステアリング工具は掘穿される１００フィートのホールについて最大約１５度の割合で方向を変化させることができ、回転ドリルストリングとともに又は泥水モータの下で作動されなければならない。 このようなシステムの一つはバルブと作動流体とを用いており、ボアホール壁に係合する調整可能なブレードを延出させて方向を変化させる。
【０００４】
さらに別の先行技術ステアリング工具はある距離だけビットの上方に位置するパドルを用いてステアリングを行なう。 ボアホールの方向を変えるため、ボトムホールアセンブリがホール内で回転すると、パドルが特定の方向にボアホール側面を押圧する。 この種のステアリング工具は掘穿される１００フィートのホールについて最大約１０度の割合で方向を変化させることができ、回転ドリルストリングとともに又は泥水モータの下で作動されなければならない。
【０００５】
他の先行技術ステアリング工具は、ボール継手と、ボール継手およびビットの付近の調整可能なブレードとを備えるハウジングを含み、ブレードの延出により、ハウジングのダウンホール部分がボトムホールアセンブリの残りに対してボール継手の箇所で屈曲する。 屈曲角度または方向を変化させるためにボアホールの壁と接触するステアリングシステム(steerable system)は掘穿中にボアホール壁に不要な抵抗を発生させる。 そのため、この抵抗に打ち勝つためビットにさらに掘穿力を加える必要が生じる。 このような接触は、また、掘穿中にボアホール内でのボトムホールアセンブリの摺動を妨げる。
【０００６】
別の方法はくさびを有するステアリングシステムを含む。 くさびはドリルストリングの全長にわたるカムに対する差圧により作動し、カムを駆動させて掘穿方向を変化させる。 掘穿角度を変化させるには、掘穿を停止しなければならない。
【０００７】
また、先行技術には電気制御された屈曲サブが含まれる。 しかし、これらは工具の一平面における屈曲を制御するに過ぎない。 さらに、先行技術による電気制御式屈曲サブはドリルストリングを回転させずに屈曲方向を制御することはできない。
【０００８】
先行技術による様々なステアリングシステムはダウンホールの屈曲角度を変化させることができるが、屈曲角度と方向をともに変化させられるものは少ない。 掘穿中に屈曲角度及び屈曲方向の両方を制御できる先行技術はない。 屈曲の角度または方向を変化させるには、たいてい、ボトムホールアセンブリ全体をホールから引き出す必要がある。
【０００９】
鋼製のコイル管の外側に取り付けられた連結物を用いて地表から電力と油圧力とを供給する先行技術システムも見られる。 しかし、このようなシステムはコイル管の壁を介して地表から直接的にダウンホール工具に電力を供給するものではない。
【００１０】
本発明は先行技術の欠点を克服する。
【００１１】
発明の概要本発明によるステアリングアセンブリは自在継手により上部ハウジングに取り付けられた下部ハウジングを含み、下部ハウジングをあらゆる方向に４度も屈曲させることができる。 ステアリングアセンブリは、また、掘穿負荷を受けた状態で、下部ハウジングの角度及び方向の両方を上部ハウジングに対して制御する制御機構を含む。 アセンブリへの電力は地表から直接供給することができ、制御機構は地表から遠隔制御することが可能である。 ステアリングアセンブリは、一般的に、ステアリングアセンブリの上方の動力部を有する掘穿モータと、ステアリングアセンブリの下方の軸受パックとを含むボトムホールアセンブリの一部であり、駆動シャフトは動力部と軸受パックとの間においてステアリングアセンブリ内に延在する。 駆動シャフトの端にはドリルビットが接続されている。
【００１２】
自在継手は下部ハウジングに接続されるとともに上部ハウジングのケージ内に取り付けられたナックルボールを有する定速継手である。 ボールはスリーブの一部であり、そのスリーブは下の軸受パックのハウジングに接続されており、スロットと溝とによりケージとボールとの間に保持された軸受を有する。 自在継手はモータ動力部と軸受パックとの間の相対回転を阻止する。
【００１３】
制御機構は自在継手のナックルボールに装着されるかナックルボールの一部であるアングルカムを含む。 アングルカムは軸受パックおよびドリルビットと反対側の上部ハウジングへと突出する。 軸受パックとドリルビットとがある角度及びオフセットに移動させるために自在継手を回転させられると、アングルカムが同じ大きさの角度及びオフセットで反対方向へ移動する。 アングルカムは上部ハウジングの内径の周囲において等間隔で離間した３個のくさび部材により調整される。 すべてのくさび部材がアングルカムと接触した時に３個のくさび部材の各々の軸方向位置により位置が固定されるように、くさび部材はアングルカムの湾曲面と接触するテーパ面を有する。 くさび部材とアングルカムとの接触角度はロックテーパ形状より大きくても小さくてもよいが、非ロックテーパ形状が望ましく、ほぼ１５°以上である。 ３個のくさび部材はくさび体に設けられ、外側の上部ハウジングと内側の１個以上のスリーブとの間に配置されている。
【００１４】
各くさび部材は駆動列に取り付けられている。 駆動列の一種はくさび体の各ピストンについて形成された油圧シリンダを軸方向内側に移動させる１本以上の油圧ピストンを含む。 各くさび部材の油圧ピストン及びシリンダはくさび部材に印加される力を駆動列の上端に印加される力から上昇させる油圧力増幅器である油圧増幅器の一部である。 油圧増幅器はくさび部材に取り付けられた大型ピストンおよびシリンダより総面積の小さい１本以上の小型油圧ピストンおよびシリンダを使用する。 小型ピストンはくさび体の中に配置されたナットにねじ止めされたねじ付スクリュに取り付けられており、スクリュを回転させることによりくさび体ひいては小型ピストンに対するねじ付ロッドの軸方向位置が変化するようになっている。 ねじ付スクリュの反対側の端は摺動スプライン接続を備える伸縮可能部材に接続されている。 伸縮可能部材の他端は電動モータ駆動シャフトに取り付けられている。 摺動スプライン接続はやはり軸方向移動を許容しながらトルクを伝達する係合スプラインを含む。
【００１５】
３台の電動モータは、上部ハウジング内での移動が妨げられるように、上部ハウジング内の所定位置に固定されている。 くさび体も上部ハウジングに固定されているため、その間に移動は生じない。 小型ピストンを移動させるねじ付スクリュを駆動シャフトが回転させるように、各電動モータを始動および停止させることにより、アングルカムの位置が制御される。 小型ピストンの移動により、シリンダ内に印加される油圧力ゆえに大型ピストンが軸方向に移動するため、くさび部材がアングルカムの湾曲面に対して軸方向に近接または離間する。
【００１６】
制御機構全体は外側の上部ハウジングと内側のスリーブとの間でオイルに封入されている。 内径から外径まで２０００ｐｓｉもの高い差圧に対する密封が可能な密封システムの中にオイルが設けられている。 アングルカムの端及び上部ハウジングのスリーブの下端には強化エラストマまたは金属製の可撓性蛇腹が装着されており、システム内でオイルを収容するための室を形成している。 また、電動モータの上方に配置された浮動補正ピストンは起こり得る掘穿泥水の浸入を減少させるためオイル室内の圧力をわずかに上昇させるばねピストンを含む。 小型および大型ピストンの間のシリンダ部分は過圧防止安全システムと連通する独立閉鎖したシステムである。
【００１７】
複合コイル管の壁内の電気導体とデータ送信導体とが電源と地表プロセッサにそれぞれ接続されている場合には、ボトムホールアセンブリは地表まで延在する複合コイル管に接続されることが望ましい。 電気導体はステアリングアセンブリに電力を供給し、データ送信導体は地表とステアリングアセンブリとの間で通信を行なう。 ステアリングアセンブリからのデータは地表に送信され、ここで地表プロセッサにより処理され、そして、例えば、掘穿の屈曲角度と方向とを調整するために、地表からステアリングアセンブリに命令が送信される。 ステアリングアセンブリは、また、屈曲角度及び方向の変化を地表で確認するため返信を行なう。
【００１８】
本発明の他の目的と長所は以下の説明から明らかとなるだろう。
【００１９】
好ましい実施の形態の説明本発明は、掘穿中のビット掘穿軌道の変更を含めて、鉱井にボアホールを掘穿する際のビットの屈曲および方向を制御するための方法及び装置に関連する。 本発明では様々な形の実施の形態が考えられる。 本発明の特定実施の形態について図面に図示し、詳細に説明するが、本開示は発明の原理を例示したものと考えるべきであって、ここに図示および説明されたものに発明を限定する意図はないことを理解すべきである。
【００２０】
特に、本発明の様々な実施の形態はステアリングシステムの多様な構造及び操作方法を提供する。 これらはそれぞれ鉱井用のボアホールを掘穿するのに使用されるものであり、このボアホールには、新しいボアホール、ボアホールの範囲の延長、既設ボアホールの延長、側道ボアホール、分岐ボアホール、既設ボアホールの拡張、既設ボアホールのリーミング、産出区間を掘穿して完成させるための他の種類のボアホールが含まれる。 本発明の実施の形態は、また、本発明によるステアリングアセンブリを使用するための複数の方法を提供する。 所望の結果を達成するために、下記実施の形態の異なる開示内容を個別に使用することもできるし、適当に組み合わせて使用することもできることを十分に理解すべきである。 「上方」「下方」の語は説明を容易にするために使用されるもので、「上方」はビットからの離間を意味し、「下方」はビットへの近接を意味する。
【００２１】
最初に図１Ａを参照すると、ここには本発明の動作環境の一例が図示されている。 コイル管作動システム５１０は電源５１２と、地表プロセッサ５１４と、コイル管スプール５１６とを含む。 インジェクタヘッドユニット５１８はコイル管５２０をスプール５１６から鉱井５２２へ送り出す。 コイル管５２０は後述する複合コイル管であることが望ましいが、本発明は複合コイル管に限定するものではなく、鋼製コイル管に連結物が取り付けられた鋼製コイル管でもよいことを理解すべきである。 ボトムホールアセンブリ１０が図示されている。 これは複合コイル管５２０の下端に取り付けられ、分岐または水平ボアホール５２４まで延びている。 本実施の形態は例示を目的として説明されていること、及び本発明は開示された特定のボアホールに限定されないことを理解すべきであり、本発明は様々な鉱井計画に使用してよいことを理解すべきである。
【００２２】
図１Ｂは、ガイド５２８を越えてインジェクタ５１８とストリッパ５３２とを通って複合管５２０を送るためにスプール５１６を用いるコイル管ユニット５２６を示す。 複合コイル管５２０はインジェクタ５１８により噴出防止装置５３４を通って鉱井５２２へ送り込まれる。 電源５１２は電気導管５３８，５４０により複合コイル管５２０の壁の電気導管に電気接続されている。 さらに、地表プロセッサ５１４はやはり複合コイル管５２０の壁に収容されたデータ送信導管に接続されたデータ送信導管５４２，５４４を含む。 複合管の壁に収容された電力導管５３８，５４０及びデータ送信導管５４２，５４４は複合コイル管５２０の全長にわたって延びており、図１５に関して後述するように、ボトムホールアセンブリ１０に配置された監視モジュール５８０に接続されていることを理解すべきである。 電力導管及びデータ導管は撚り銅線などの安価で抵抗の低い導電材料を含むことが望ましい。 １９９８年５月２０日に出願された「掘穿システム」という名称の米国特許出願第０９／０８１，９６１号を参照されたい。 この出願はここにおいて文献援用される。
【００２３】
図１Ｃに示されるように、本発明のステアリングシステムは駆動シャフト１４に取り付けられたビット１２と、軸受アセンブリ１６と、ステアリングアセンブリ２０と、上部定速（ＣＶ）サブ６１６と、ワイヤサブを備える動力部２２と、チェックバルブ６１８と、抵抗サブ６２０と、電気断路器６２２とを有するボトムホールアセンブリ１０を含む。 ステアリングアセンブリ２０は電子機器部１８及び、好ましくは、傾斜計および磁力計を有するビット付近配向センサ５５６を含む。 ボトムホールアセンブリ１０は、また、配向パッケージ５５４を含むセンササブ６２４を含む。 さらに、ダウンホールアセンブリ１０は後述する追加センサ５５２とダウンホール制御装置５５８とを含んでもよい。 ボトムホールアセンブリ１０は、また、下部トラクタ背圧制御モジュール６６０と下部引張／圧縮サブ６６２と圧力測定サブ６６４と上部トラクタ背圧制御モジュール６６６と上部引張／圧縮サブ６６８と監視サブ６７２とフラッパボールドロップ６７４とを含む推進システム６７０を含むことが望ましい。
【００２４】
ボトムホールアセンブリ１０は鉱井５２２の地表１１まで延在するワークストリング２５に接続されている。 ステアリングアセンブリ２０はコイル管、複合コイル管５２０、ドリルパイプなど、いかなる種類のワークストリングとともに使用されてもよいし、ワイヤラインと使用されてもよい。 複合管を用いても、鋼製管を用いても、ボトムホールアセンブリ１０は回転しない。 ボトムホールアセンブリ１０に他の工具が含まれてもよいことを理解すべきである。 ボトムホールアセンブリ１０を構成する工具は使用される掘穿システムと掘穿されるボアホールとに応じて変化する。 本発明は特定のボトムホールアセンブリには限定されず、他の代替アセンブリも使用できることを理解すべきである。 例えば、ステアリングアセンブリ２０は動力部２２から分離されていてもよいし、動力部２２より上に位置していてもよい。 ボトムホールアセンブリ１０の個々の部品及びそれらの動作についてのさらなる詳細は１９９７年１０月２７日に出願された「掘穿システム」という名称の米国仮出願第６０／０６３，３２６号、及び１９９８年５月２０日に出願された「掘穿システム」という名称の米国特許出願第０９／０８１，９６１号に開示されている。 これらの出願はここにおいて文献援用される。
【００２５】
ステアリングアセンブリ２０は自在継手３０により下部ハウジングつまりノーズ２８に接続された上部ハウジング２６と、上部ハウジング２６の上端に接続された圧力ハウジング２７とを含む。 下部ハウジング２８は駆動シャフト１４の下端とビット１２とに接続されてこれらを支持する軸受パック１６に接続されている。 圧力ハウジング２７には電子機器部１８とビット付近配向センサ５５６とが収容されることが望ましい。 圧力ハウジング２７より上の動力部２２は、一般的に、しばしば泥水モータとも呼ばれる容積式モータであり、図３Ａに示されるようにステアリングアセンブリ２０と軸受パック１６とを通って延びるフローボア１２０内を通って延びる駆動シャフト１４に動力を供給する。
【００２６】
ボトムホールアセンブリ１０が複合コイル管５２０上でホール内を進む場合、アセンブリ１０は掘穿トラクタなどの推進システム６７０も含む。 金属製のコイル管が使用されるならば、トラクタは必要ない。 ボトムホールアセンブリ１０は非回転ワークストリング２５上で作動することが望ましい。
【００２７】
軸受パック１６は駆動シャフト１４の下端を支持し、駆動シャフト１４の他端はビット１２に取り付けられている。 軸受パック１６は回転する駆動シャフト１４を支持するラジアルスラスト軸受を含む。 駆動シャフト１４の上端は動力部２２の下端のスラスト・ラジアル軸受パッケージから懸架されている。 軸受パック１６は従来のもので当該技術では周知である。 様々な種類の軸受パックがステアリングアセンブリ２０の下に取り付け可能であることを理解すべきである。
【００２８】
ここで図２及び３Ａを参照する、図２は図３Ａ〜Ｅに図示されたステアリングアセンブリ２０の様々な断面を示す。 図３Ａから最もよく分かるように、上部および下部ハウジング２６，２８は定速継手である自在継手３０により接続されている。 上部および下部ハウジング２６，２８は相互に回転しないが、自在継手３０により下部ハウジング２８の屈曲角度と方向とを上部ハウジング２６に対して変化させることができる。 下部ハウジング２８はステアリングアセンブリ２０の下流端における可動ノーズとして機能する。
【００２９】
自在継手３０は下方に延在する管状部材またはスリーブ３４を備えた球形ヘッド３２、たとえば、ナックルボールや球体を含む。 ナックルボール３２は下部ハウジング２８の箱形上部終端３８に取り付けられたナックル継手ハウジング３６内に配置されている。 ナックル継手ハウジング３６は下部ハウジング２８の箱形終端３８の凸面４２と旋回可能に係合する外側凹面４０を有する。 面４０，４２の間を密封するシール４４はワイパーシールでよい。
【００３０】
ナックル継手ハウジング３６はナックルボール３２の外側球面４８と旋回可能に係合するのに適した内側凸面４６を含む。 密封部材５０が面４６，４８の間を密封する。 ナックル継手スリーブ３４はねじ山５２などにより下部ハウジング２８の箱形端部３８に接続されている。 面４０，４２と４６，４８の間を正しく旋回可能に係合させるため、箱形端部３８の底にはスペーサ５４が設けられている。 ナックル継手ハウジング３６はナックルボール３２の面４８の球形切欠き６２にも配置される軸受５８を各々が収容する複数の各スロット５６を含む。 これにより、スラストと負荷が印加された際に、ナックルボールハウジング３６の凸面４６内でナックルボール３２が完全に回転できる。
【００３１】
自在継手３０は、さらに、上部ハウジング２６の下端にケージ６０を含む。 ケージ６０は球面４８に係合する下向き凹面６４を有する。 ケージ６０はナックルボールハウジング３６にねじで挿入される外ねじ小径部６６を含む。 スペーサ６８は面６４，６６間の旋回可能係合に正しい間隔を与える。 こうして、ナックルボール３２はナックルボールハウジング３６とケージ６０との間に保持されて、自在継手３０を形成する。
【００３２】
ナックルボール３２がナックルボールハウジング３６内に回転可能に取り付けられているので、ノーズつまり下部ハウジング２８は上部ハウジング２６の下端で旋回する。 下部ハウジング２８が上部ハウジング２６に対して旋回すると、下部ハウジング２８の軸線７２が上部ハウジング２６の軸線７４と一致しなくなるので、上部および下部ハウジング２６，２８の間に屈曲が生じる。 軸線７２と７４との間の点１００付近に形成される角度は屈曲角度と呼ばれる。 さらに、軸線７４を中心とする別の方位角でも、屈曲部が生じる。 ハウジング２６，２８間の屈曲角度を軸線７４を中心とする特定の角方向とすることにより、工具面の方向と角度が変化し、それにより、ビット１２の掘穿軸線７２が変化するとともにボアホールの経路が変化する。 自在継手３０はモータ動力部２２と軸受パック１６との間の相対回転を妨げる。
【００３３】
ここで図３Ａ，４，５を参照すると、屈曲方向と屈曲角度をともに変化させるために、ステアリングアセンブリ２０には方向探知機構７０が設けられている。 方向探知機構７０はアングルカム８０と、ビット１２の掘穿方向と角度とを制御するための複数のカム部材または方向くさび部材９０とを含む。 アングルカム８０とくさび部材９０とはビット１２の軸線７２をボトムホールアセンブリ１０の残り部分の軸線７４に対して変化させる。
【００３４】
アングルカム８０は拡大ヘッド８４を備える管状体８２を有するカム部材である。 拡大ヘッド８４は方位角が１２０°ずつ離間した３個の上向きカム面８６ａ，８６ｂ，８６ｃを有する。 カム面８６ａ，８６ｂ，８６ｃは図５に示されるようにアングルカム８０の全周にわたって延びているのでなく、図３Ａに示されるように各々がアングルカム８０の略軸方向に延びる湾曲面を有する。 カム面８６の半径はナックルボール３２の中心線１０１上の点から１２インチ、旋回点１００より下に約１０．５インチであることが望ましい。 アングルカム８０の管状体８２はナックルボール３２内の拡大ボア９２に収容される。 壁形成ボア９２及び管状体８２はそれらの間の相対回転を防止するために、９４において係合スプラインを有する。 伸張可能リング９７がアングルカム８０をナックルボール３２と接続して、アングルカム８０をナックルボール３２の延出部のようにしている。 密封部材９８はアングルカム８０とナックルボール３２との間を密封する。 アングルカム８０が旋回すると、下部ハウジング２８とともに、ひいては軸受パック１６およびビット１２とともに回転する。 アングルカム８０は自在継手３０の旋回点１００より所定距離だけ突出しており、下部ハウジング２８が、アングルカム８０と一方向にカム係合することによって、軸受パック１６およびビット１２とともに反対方向に移動する。 なお、本明細書において「方位角」とは、ｘｙ平面を底面としｚ軸を中心軸とする円柱座標におけるｘｙ平面内に形成される角度を示すものとする。 一方、単に「角度」または「屈曲角度」とする場合はｚ軸を含む平面内に形成される角度を示すものとする。
【００３５】
さて図３Ａ，４，６Ａ〜Ｃを参照すると、アングルカム８０の３個のカム面８６ａ，８６ｂ，８６ｃのそれぞれに係合するくさび面９６ａ，９６ｂ，９６ｃをそれぞれ有する３個のくさび部材９０ａ，９０ｂ，９０ｃが示されている。 各くさび面９６ａ，９６ｂ，９６ｃは対応するカム面８６ａ，８６ｂ，８６ｃとある範囲にわたって接触しており、図５と６Ｃに最もよく示されるように、くさび部材９０とアングルカム８０との間に３個の接触範囲２６０，２６２を形成している。 くさび部材９０が湾曲面８６上を移動する際の接触範囲の軌跡は直線を成す。 アングルカム８０上の３個の接触範囲２６２は平面を成す。 くさび部材９０によりこの平面が移動する際にナックルボール３２がハウジング３６およびケージ６０内で旋回して掘穿方向を変化させるように、下部ハウジング２８の軸線７２はこの平面と垂直である。 動作時において、ナックルボール３２がボールハウジング３６およびケージ６０内で移動すると、下部ハウジング２８もボールハウジング３６と下部ハウジング２８との界面の弓形面４０，４４を移動する。
【００３６】
３個の各くさび部材９０の軸方向長さを制御および調整し、それによって、接触範囲２６０，２６２により形成された平面その平面に垂直な軸線７２に対して変化させ、アングルカム８０を介してナックルボール３２の方向を変化させることによって、掘穿の角度と方向を変化させることができる。 例えば、１個のくさび９０ａが下方に移動すると、別のくさび９０ｂが上方に移動して、軸線７４を中心とする任意の方位角と軸線７２，７４間の任意の屈曲角度で、アングルカム８０によってナックルボール３２が旋回させられる。
【００３７】
こうしてステアリングアセンブリ２０はビット１２を三次元で案内する。 くさび部材９０により、掘穿方向は３６０°の方位角が可能で、傾斜または屈曲角度は４°までである。 方向変化はナックルボール３２の旋回点１００を中心として行われる。
【００３８】
さて図２２〜２７を参照すると、アングルカムとくさび部材の代替実施の形態が図示されている。 特に図２２〜２４を参照すると、代替方向探知機構４６０は、ビット１２の掘穿方向と角度とを制御するために、アングルカム４７０と、アングルカムスリーブ４７２と、複数のカム部材または方向くさび部材４８０とを含む。 アングルカム４７０は４７４のスプラインにより自在継手３０のナックルボール３２に接続されている。 アングルカム８０とは異なり、アングルカム４７０はカムスリーブ４７２が配置された球形ヘッド４７６を含む。 カムスリーブ４７２はカムハウジング４７８を含む。 このカムハウジング４７８はアングルカム４７０の球形ヘッド４７６を摺動および回転可能に収容するための弓形曲面４８２を有する。 カムハウジング４７８はアングルカム４７０のヘッド４７６において軸受レース４８６と反対側に配置された軸受レース４８４を含み、それらの間にボール軸受４８８を収容されている。 カムスリーブ４７２はねじ山４９４の係合によってカムスリーブ４７２内にヘッド４７６を保持するための弓形面４９２を有する保持リング４９０を含む。 軸受レース４７８はアングルカム４７０の球形ヘッド４７６上でのカムスリーブ４７２の限定的回転運動を許容する横方向弓形の寸法を含む。 アングルカムスリーブ４７２は上向きで内方テーパ状のカム面４９６ａ，ｂ，ｃを３個含む。 カム面４９６ａ，ｂ，ｃは、図２４に示されるように、アングルカムスリーブ４７２の全周にわたって延びているのではなく、図２３に示されるように、アングルカムスリーブ４７２の略軸方向に延びる半径方向の面(radiused surface)を各々が有している。
【００３９】
さて図２２と２５〜２７を参照すると、アングルカムスリーブ４７２のカム面４９６ａ，ｂ，ｃのそれぞれに係合するために、３個のくさび部材４８０ａ，ｂ，ｃはそれぞれくさび面４９８ａ，ｂ，ｃを含む。 各くさび面４９８は、例えば、Duralon（商標名）軸受材料などの軸受材料５００によって被覆されている。 各くさび面４９８ａ，ｂ，ｃは、くさび部材４８０とアングルカムスリーブ４７２との間に３個の接触範囲が設けられるように、ある範囲にわたって対応のカム面４９６ａ，ｂ，ｃと接触する。 軸受レース４７８によって、カムスリーブ４７２は、 図２３に示されるように、限定角度５０２にわたって回転する。
【００４０】
さて図３Ａ〜Ｅを参照すると、上部ハウジング２６はケージ６０に取り付けられるか又はケージと一体的な下側終端を有する下部管状部材１０２と、上部モータハウジング１０４とを含む。 モータハウジング１０４は下部管状部材１０２と正しく整合されなければならない。 このように、上部モータハウジング１０４は、正しい整合を維持するように、ターンバックル１０６（図３Ｄ）によって下部管状部材１０２に接続されている。 モータハウジング１０４の下側終端及び下部管状部材１０２の上側終端はターンバックル１０６のねじ付ピン１１２，１１４に対してそれぞれねじ係合するためのねじ付ボックス１０８，１１０をそれぞれ有する。 ターンバックル１０６の外側スリーブ１１６が回転すると、接続がねじで固定される。 ピン／ボックスねじ山の一方は左側にあり、他のピン／ボックスねじは右側にある。 上部モータハウジング１０４との接続中においては、ターンバックル１０６のみが回転して、下部管状部材１０２は静止したままである。
【００４１】
中央フローボア１２０がステアリングアセンブリ２０の全長にわたって延びている。 掘穿流体はフローボア１２０内をビット１２まで流れ、泥水モータ２２に動力を供給するのにも使用される。 図１２に図示された駆動シャフト１４もフローボア１２０内を通って延びる。 上部ハウジング２６内のフローボア１２０は下部内側スリーブ１２２と、 下部スペーサスリーブ１２４と、中間スペーサスリーブ１２６と、上部スペーサスリーブ１２８と、モータハウジング１０４内のボア１３２とによって形成される。 下部内側スリーブ１２２と下部管状部材１０２とは環状範囲１３０を形成する。 この環状範囲は後に詳述する閉鎖流体室３２０の一部であり、自在継手３０からモータハウジング１０４まで延びる。
【００４２】
伸縮可能なシール部材１３６は内側スリーブ部材１２２の下側終端からアングルカム８０の上側終端まで延びている。 シール部材１３６は金属製蛇腹や可撓性ゴムブーツなどの補強エラストマまたは金属の可撓性蛇腹である。 また、部材１２２とアングルカム８０との間を延びている各端部にシールを備えるシリンダも部材１３６の代用品として使用できる。 部材１３６はオイル量補正装置として作用する。 部材１３６は内側スリーブ１２２の下側ピン終端１４０とアングルカム８０のカウンタボア１４４に収容された下部ピン端部１４２とを収容する部材１３６の上部箱形端部１３８を含む。 この接続を密封するためにシール１４６ａと１４６ｂが設けられ、スナップリング１４８ａ，ｌ４８ｂがこの接続を維持する。 部材１３６は外側環状範囲１３０内のオイルなどの流体を中央フローボア１２０を通って流れる掘穿流体及び駆動シャフト１４の周囲を流れる掘穿流体（図３には図示されていない）から隔離する。 このため、閉鎖流体室３２０に収容された後述する可動部品は中央フローボア１２０を流れる掘穿流体によって汚染されることがない。 フローボア１２０を流れる掘穿流体の圧力は閉鎖流体室３２０内の流体の圧力とほぼ同じなので、部材１３６は隔離バリヤとしてのみ作用する。 シール部材１３６の内外に生じる差圧は偶然のものである。
【００４３】
図６Ａ〜Ｃを再度参照すると、各くさび部材９０は長形弓形体１３８を含む。 この弓形体１３８はその下端に当接くさび面９６を有し、その上端にＴ字形ヘッド１４２を有する。 Ｔ字形ヘッド１４２には後述するような駆動列を装着するための一対の孔１４４ａ，１４４ｂが穿設されている。 当接くさび面９６はロックテーパ形状より大きくても小さくてもよいが、非ロックテーパ形状が望ましく、ほぼ５°と３０°の間である。 一般的に、１５°未満のテーパはロックテーパと考えられるので、当接くさび面９６は１５°以上であることがより望ましい。 アングルカム８０の移動を可能にするために、４０°などの間隙テーパ１４６も設けられる。
【００４４】
さて図７，８，９を参照すると、各くさび部材９０の軸方向長さを変化させるのには、様々な駆動機構つまり駆動列が使用される。 図７は図３に図示された好適な実施の形態の駆動列１５０を示す。 これは機械油圧式駆動列である。 図８は機械式駆動列１５２を示し、図９は油圧式駆動列１５４を示す。 各々は電動モータ１７４により電力の形態で動力供給される。 電力は複合コイル管５２０内を通って延びる図１５に図示された電気導管５６２，５６４により地表から供給されるか、又はボトムホールアセンブリ１０に収容されたバッテリから供給される。
【００４５】
特に、図３Ａ〜Ｃ，７，１０を参照すると、くさび部材９０ａ，９０ｂ，９０ｃの各々を個別に作動させるための機械式／油圧式駆動列１５０が図示されている。 ほぼ管状のくさび体１５６は閉鎖流体室３２０に収容され、下端から突出する複数のフィンガ１５８を含む。 くさび部材９０を摺動支持するために、フィンガ１５８には支持スリーブ１６０が取り付けられている。 ３本の弓形フィンガ１５８はくさび部材９０の端を越えて下方に延出し、その終端はケージ６０の上端で上向き環状肩部１５９に係合する。 ３本のフィンガ１５８は３個のくさび部材９０の間を延びて、それらの間にスロットを形成し、その中でくさび部材９０が摺動できるようになっている。
【００４６】
くさび部材９０ａ，９０ｂ，９０ｃを作動させるための３個の各駆動列１５０を収容するために、 周方向に離間した３個の孔１６２が下部内側スリーブ１２２の外側のくさび体１５６を通り、さらに、 下部スペーサスリーブ１２４、中間スペーサスリーブ１２６、上部スペーサスリーブ１２８及びモータハウジング１０４を通って延びている。 各駆動列１５６は同一であるので、一つの駆動列のみについて詳細に説明する。
【００４７】
駆動列１５０は油圧増幅器１７０と機械増幅器１７２とモータ１７４の形の動力源とを含む。 油圧増幅器１７０は小型ピストン１７８と連動する一対の大型ピストン１７６を含む。 一対の大型ピストン１７６は大型シリンダ１８０に配置され、小型ピストン１７８は小型シリンダ１９４に配置され、シリンダ１８０，１９４は周方向に１２０°離間したくさび体１５６の弓形のセグメントである。 各くさび部材９０は一対の大型ピストンに取り付けられている。 ３組の大型ピストン１７６および小型ピストン１７８が存在する。 すなわち、３個のくさび部材９０ごとに１組ずつの大型ピストン１７６および小型ピストン１７８が存在する。 各大型ピストン１７６の下端はくさび部材９０のＴ字形ヘッド１４２の孔１４４ａ，１４４ｂを通過する小径シャフト１８２を有する。 くさび部材９０のＴ字形ヘッド１４２の各側には、上側および下側の皿ばね組１８４，１８６が配置されている。 上側ばね１８４は大型ピストン１７６の下向き肩部１８８とＴ字形ヘッド１４２の上部終端との間に保持され、下側ばね１８６はＴ字形ヘッド１４２の下側とシャフト１８２のねじ付下端にねじ込まれたナット１９０との間に保持され、ばね付勢接続を形成する。 シリンダ１８０の円筒壁との密封係合のために、大型ピストン１７６の周囲にはＯリング溝と運動用シール１９２とが配置されている。 皿ばね１８４，１８６により、大型ピストン１７６とくさび部材９０との間には限定的な相対軸方向運動が可能となる。
【００４８】
小型ピストン１７８が収容されたシリンダ１９４はくさび体１５６の上部小径ボアである。 小型ピストン１７８も小径シリンダ１９４の円筒壁との密封係合のための溝と運動用シール１９６とを含む。 シリンダ１９４には小型ピストン１７８と大型ピストン１７６との間において非圧縮性流体が充填されており、閉鎖油圧システムを形成している。 シリンダ１８０，１９４内の非圧縮性流体の一つはオイルである。 後述する過圧防止安全システム３４０は小型ピストン１７８と大型ピストン１７６との間のシリンダ１９４，１８０部分と連通する。
【００４９】
油圧増幅器１７０は上部管状部材１０２のくさび体１５６内の所定位置にロックされている。 下部スペーサ１２４と中間スペーサ１２６とを係合および整合させるために、整合ピン（図示せず）が使用される。 中間スペーサ１２６はキーとスロット１９８によって下部管状部材１０２と整合されている。 油圧増幅器１７０は、くさび部材９０のテーパ状くさび面９６と正しく係合するために、アングルカム８０の弓形カム面８６に対して特定の配向で整合されている。
【００５０】
小型ピストン１７８は大型ピストン１７６といっしょに油圧増幅を行なう。 大型ピストン１７６はその下端で大型シリンダ１８０を閉鎖し、小型ピストン１７８はその上端で小型シリンダ１９４を閉鎖し、それによって、それらの間に閉鎖油圧システムを形成する。 小型ピストン１７８が小型シリンダ１９４内で下方に移動すると、小型ピストン１７８は一対の大型ピストン１７６を駆動する。 シリンダ１９４，１８０は方向と角度とを変更するのに必要な相対運動をくさび部材９０とアングルカム８０とに与えるのに十分な長さを有する。 一対の大型ピストン１７６は小型ピストン１７８の小型ピストン面積と比較してピストン面積を最大化する。 ２本の大型ピストン１７６に対する小型ピストン１７８の増幅はほぼ５対１である。
【００５１】
本発明は、各くさび部材９０に設けられた一対の大型ピストンに限定されるわけではないことを理解すべきである。 １本のみの大型ピストンでもよいし、複数のピストンでもよい。 各大型ピストンのピストン面積も変化させ得ることは明らかである。
【００５２】
特に、図３Ｃ〜Ｅ及び７を参照すると、油圧増幅器１７０は機械式増幅器１７２に接続されている。 機械式増幅器１７２は駆動シャフトジャックねじ２００などのねじ付ロッドを含む。 ジャックねじ２００はその下端が小型ピストン１７８に接続され、その上端が下部二重定速継手２０２に接続されている。 下部二重定速継手２０２は伸縮可能部材２０４にねじ２００を接続している。 この部材２０４はその上端で上部二重定速継手２０６に接続されている。 上部二重定速継手２０６は、組合せラジアルスラスト軸受２１０によって、伸縮可能部材２０４ひいてはねじ２００を電動モータ１７４の駆動シャフト２０８に接続している。 プラグ２１２は駆動シャフト２０８の周囲に設けられ、上部スペーサ１２８の上部終端に当接している。 モータ１７４は減速歯車も含む。 電気導管２２８は室２２９を通過して、電子機器パッケージ１８に接続された電気コネクタ２３０にモータ１７４を接続する。 電動モータ１７４は地表からの電力をほとんど必要としない。
【００５３】
電動モータ１７４は電子機器パッケージ１８から制御される。 電動モータ１７４はブラシタイプでもブラシレスタイプでもよい。 ブラシタイプのモータの場合、電動モータ１７４の上に収容された動作センサ（図示せず）はモータシャフトの上端に配置される。 動作センサはモータによる一方向又は他方向への回転数を判断する。 しかし、ブラシレスタイプモータが望ましい。
【００５４】
ねじ２００にはねじ山が形成され、くさび体１５６の上端にあるボア１６２の拡大ボア２１６に配置されるナット２１４を含む。 拡大ボア２１６内でのナット２１４の回転を防止するために、ボア２１６内のスロットには複数のボール２１８が配置されている。 ナット２１４は下部スペーサ１２４の上向き肩部２２０と下部終端２２２とによって所定位置にロックされる。 こうして、駆動シャフトねじ２００がボア１６２及びねじ付ナット２１４内で回転すると、ねじ山により駆動シャフトねじ２００がくさび体１５６内で軸方向に移動する。 駆動シャフトねじ２００の下端は２２１で小型ピストン１７８に取り付けられているので、シリンダ１９４内の油圧流体圧力が変化すると、大型ピストン１７６への油圧力を変化させる。 こうして、駆動シャフトねじ２００が回転すると、ナット２１４のねじ山が駆動シャフトねじ２００を上方または下方へ移動させ、それによって、小径シリンダ１９４内で小型ピストン１７８を上下動させることが分かる。 ねじ２００は約１６対１の増幅を有する。
【００５５】
くさび部材９０は、また、ビット１２における側方負荷変化が油圧増幅器１７０に現れることを防止し、運動用シールによる過圧が発生しないようにする。 油圧増幅器１７０はねじ付ねじ２００の移動に必要な軸方向負荷の量を減少させ、これにより、ジャックねじとして作用するねじ２００を移動させるのに必要な摩擦損失を減少させる。 これは、また、負荷の減少によって伸縮可能部材２０４の軸方向移動から生じる摩擦損失を低下させる。
【００５６】
特に、図３Ｄを参照すると、伸縮可能部材２０４は上部二重定速継手２０６に接続された上端を有するスプラインシャフト２２４と、下部二重定速継手２０２に接続された下端を有する外側部材２２６とを含む。 スプラインシャフト２２４は外側部材２２６のスプラインボアに収容され、内側スプラインシャフト２２４の外側部材２２６内における摺動を許容している。 シャフト２２４上のスプラインと外側部材２２６との係合によって、それらの間にトルクが伝達され、シャフト２２４と外側部材２２６とがともに回転し、同時に、シャフト２２４が外側部材２２６内で摺動すると、伸縮可能部材２０４が軸方向に伸縮する。 スプライン部材２２４，２２６はトルクを伝達するように設計され、また、軸方向相対運動を行なう。 ナット２１４上のねじ山は駆動シャフトねじ２００と外側スプライン部材２２６とを軸方向に引き下げる。 二重定速継手２０２，２０６によって伸縮可能部材２０４の角オフセットが可能となる。 これは、掘穿がボアホール５２４内で進行する際に、ステアリングアセンブリ２０の屈曲によって生じる。
【００５７】
ステアリングアセンブリ２０がホール内で立ち往生した場合、すなわち、たとえば、動力停止が生じて、ステアリングアセンブリ２０が３〜４°など大きな傾斜を有する場合、ステアリングアセンブリ２０をホールから引き出せるように、アセンブリは可撓性を有する設計である。 ステアリングアセンブリ２０が前傾しても、定速継手２０２，２０６によって、ステアリングアセンブリ２０は依然として作動できる。 定速継手２０２，２０６がないと、例えば、ステアリングアセンブリ２０が前傾した場合には、伸縮可能接続２０４が固着する。 駆動シャフト１４は撓曲する。 部材２２４，２２６上の摺動スプラインが結合しないように、定速継手２０２，２０６は十分な側方動作を行なう。 下部定速継手２０２は、また、駆動シャフトねじ２００のねじ山の固着を阻止する。
【００５８】
動作時に電動モータ１７４は外側スプライン部材２２６と駆動シャフトねじ２００とを回転させる内側スプライン部材２２４を回転させる。 駆動シャフトねじ２００がねじ付ナット２１４内で回転すると、外側スプライン部材２２６と駆動シャフトねじ２００とが軸方向に移動し、モータ１７４の回転方向に応じて小型ピストン１７８を軸方向上方または下方に移動させる。 例えば、小型ピストン１７８が小径シリンダ１９４内で下方に移動すると、大型ピストン１７６も下方に移動してくさび９０を下方に移動させる。 これが接触範囲２６０，２６２におけるくさび部材９０とアングルカム８０との係合を変化させ、それにより、接触範囲２６０，２６２と垂直軸線７２とにより形成される平面を移動させる。 当然のことながら、これがビット１２の掘穿方向を変化させる。
【００５９】
油圧増幅器１７０は約５対１の増幅を有し、機械増幅器１７２は約１６対１の増幅を有する。 この増幅はくさび部材９０の面９６からアングルカム８０の面８６へ約１，５００ｐｓｉの軸方向力を発生させ、また、くさび角度の機械的効果のために、くさび面９６からアングルカム８０の面８６へ約５０００ポンドというより高い垂直方向力を発生させる。
【００６０】
くさび部材９０の軸方向移動には他の種類の駆動機構を使用できることを理解すべきである。 再度図８及び９を参照すると、図８にはボール動力ねじまたはローラねじ２３４に接続されたくさび体２３２を含む機械式駆動列１５２が図示されている。 動力ねじ２３４の駆動シャフト２３６はスラスト軸受２３８に支持され、モータ１７４の出力シャフト２０８に取り付けられている。 軸方向力を分散することによって動力ねじ２３４をより良好に支持するために、動力ねじ２３４の各側にはスラスト軸受が配置される。 図９は１本以上の大型ピストン２４４を収容する大型シリンダ２４２を有するくさび体２４０を含む油圧式駆動列１５４が図示されている。 小径シリンダ２４６は小型ピストン２４８を収容する。 小型ピストン２４８は複動式油圧ポンプピストン２５２に接続されたシャフト２５０に取り付けられている。 ポンプピストン２５２はポンプシリンダ２５４に収容されており、ピストン２５２の片側または反対側に油圧流体圧力を供給することによって、油圧ポンプ２５６による往復動作が行なわれる。 ポンプ２５６に動力を供給するには、電動モータ１７４を使用できる。
【００６１】
本発明によるステアリングアセンブリ２０は掘穿中にビット１２の方向を変化させることができる。 皿ばね１８４，１８６によって、くさび部材９０に予荷重を加えるばね付勢接続が行なわれる。 この皿ばね力によって、一方のくさび９０がアングルカム８０から離間して軸方向上方に移動する際、および／または別のくさび９０が軸方向下方に移動してアングルカム８０に下方向の力を印加する際に、カム面８６，９６が接触したままになる。 大型ピストン１７６への油圧力が解除されると、下の皿ばね組１８６がばね付勢接続の片側を伸張させる。 大型ピストン１７６への油圧力が増加すると、上の皿ばね組１８４がばね付勢接続の反対側を伸張させる。
【００６２】
皿ばね１８４，１８６は、掘穿方向を変化させる間に、くさび部材９０のくさび面９６によりアングルカム８０のカム面８６に加えられる所定量の負荷を維持し、ビット１２により生じる振動がボトムホールアセンブリ１０を分解させないようにする。 掘穿中において、ビット１２の掘穿動作によりくさび部材９０には高い動的衝撃負荷が印加される。 例えば、ビット１２は掘穿の際に、地盤をつかんで離そうとする。 アングルカム８０の角度と方向を調整する際に、皿ばね１８４，１８６はくさび部材９０の面９６とアングルカム８０の面８６との間に負荷を加え続ける。 面８６，９６の接触が維持されないと、ビット１２の掘穿動作がカム面８６，９６を破損させてしまう。
【００６３】
くさび部材９０によりアングルカム８０に印加される負荷が大きすぎる場合には、皿ばね１８４，１８６がくさび部材９０をアングルカム８０から離間させ、アセンブリがくさび止めすなわちロックされるようになる。 ビット１２が動かなくなった場合には、くさび部材９０がアングルカム８０から離間する。 くさび角度は１０°以上であるため、くさび部材９０がアングルカム８０にロックされる点が存在する。 ステアリングシステムが失速を開始するか停止すると、くさび部材９０に循環的負荷が印加され、くさび部材９０が動かされる。 皿ばね１８４，１８６はくさび部材９０を約０．０２５インチ移動させ、システムがくさび止めされないようにする。 ビット１２からの衝撃負荷はくさび部材９０を戻して、システムのロックを外す傾向がある。 くさび部材が外れると、電動モータ１７４がくさび部材９０を上方の非接触状態へと移動させる。
【００６４】
非使用時には、皿ばね１８４，１８６は完全収縮位置に付勢されている。 収縮位置における皿ばね１８４，１８６のばね負荷は約６００ポンドである。 例えば、ステアリングアセンブリ２０が新たな方向及び屈曲角度へ移動すると、皿ばね１８４，１８６は底に到達する。 これは、くさび部材９０がいったん設定位置に達すると皿ばね１８４，１８６がビット振動に必要なくなるためである。 この時、皿ばね１８４，１８６は補助を行なわない。 さらに、掘穿が停止している間に方向変化が行なわれる場合には、皿ばね１８４，１８６は必要ない。
【００６５】
さらに、フェイルセーフシステムもステアリングアセンブリ２０の一部とすることができる。 その場合においては、アングルカム８０を制御するためのくさび部材９０の移動に関して問題が起こった場合には、全てのくさび部材９０が離脱してアングルカム８０から離間することができる。 このシステムはビットの側方負荷によってアングルカム８０に生じる過剰な負荷を取り除くことができるため、くさび部材９０を再調整するのに使用される力つまり電動モータトルクがはるかに小さくなる。 フェイルセーフシステムは電動モータ１７４の上に配置された油圧ピストンでもよい。 このピストンは泥水ピストンハウジングの内径に対して密封された大きな外径を有し、この大径の下により小さな外径部分を有し、これもハウジングに密封されており、また、泥水ピストンハウジングは外側へ通じる開口部を有し、２個の密封面の間にはボアホール圧力が印加されている。 ピストンはおそらく密封面の間においてコイルばねによって掘穿モータ動力部へと付勢されている。 ピストンは少なくとも３本のロッドにより下のくさび体１５６に接続されており、所定の圧力低下が生じた時に（ノズル付のビットを下に備えるボトムホールアセンブリに対しては、通常、ツール内を流れる泥流速度で）、ピストンはストッパへと押圧されて、くさび体を３個のくさび部材とともに２インチから１／３２インチの間の所定距離だけ移動させる。 フェイルセーフシステムは上方に配置されたピストンでもよい。 このピストンは電動モータ１７４間をピストンからくさび体１５６まで延びる単数または複数の管によってくさび体１５６に油圧式に接続されている。 くさび体１５６はハウジング２６及び内径スリーブに密封され、ストッパがさらなる軸方向移動を阻止するまで、上のピストンからの油圧力がくさび体１５６を下方へ押圧するようになっている。
【００６６】
さらに別のフェイルセーフシステムはくさび部材９０と油圧増幅器１７０の大型ピストン１７６との間にばねおよび／または緩衝装置を含む。 これらは、大型ピストン１７６によってくさび部材９０に加えられるいずれかの方向の力によってそれらの間に所定量の移動が許容されるように配置されている。 電動モータはわずかな量の動作を可能にする能力によって、くさび部材９０に所望の方向の力を付与し、ホールでの振動から地盤へのビットの側方負荷が瞬間的に低下した時に、くさび部材９０が若干量移動できるようになっている。 電動モータ１７４が必要に応じてくさび部材９０を移動させられるように、電動モータ１７４は周期的に起動してくさび部材９０に軸方向負荷を加え、ビットの側方負荷が十分小さくなるまでその動作を継続させる。
【００６７】
屈曲角度および／または軸線７２を中心とする方位角などの掘穿方向を変化させる際には、くさび部材９０の軸方向位置に暫定的な調整が加えられる。 例えば、一方のくさび部材９０がアングルカム８０から完全に離脱せず、別のくさび９０が下方へ移動して、アングルカム８０に印加する力を増大させる。 係合の変化はスモールステップで漸増的に行なわれる。
【００６８】
組立時には、くさび部材９０の３個のくさび面９６ａ，９６ｂ，９６ｃがすべてアングルカム８０のテーパ面８６ａ，８６ｂ，８６ｃにそれぞれ完全に付勢され、面８６，９６はそれぞれ接触範囲２６０，２６２で相互に接触する。 くさび部材９０がすべて下方位置で面８６に付勢されている時には、皿ばね１８４，１８６の収縮によって０．０２５インチまでの軸方向移動が可能である。 例えば、一つのくさび９０がアングルカム８０から離間すると、皿ばね１８４，１８６により所定の負荷が維持されたまま接触範囲２６０，２６２がシフトする。 次に、駆動列１５０により１個以上のくさび部材９０が個別に軸方向に調整されて、ビット１２が所望の方向と角度となる。 例えば、皿ばね１８４，１８６がアングルカム８０に抗して接触範囲２６０，２６２でくさび部材９０に連続的な力を加え続けたまま掘削が行われているときには、一つのくさび９０が上方に０．０２０インチ移動してから、別のくさび９０が下方に０．０２０インチ移動する。
【００６９】
ビット１２を所望の方向と屈曲角度とするために、３個のくさび部材９０の相対位置が地表プロセッサ５１４により決定される。 例えば、地表プロセッサ５１４はビット１２が特定の屈曲角度と軸線７４を中心とする方位角を有するある掘穿方向に各々が対応する３００または４００の方向位置を有するルックアップテーブルを含む。 各掘穿方向は３個のくさび部材９０の各々について特定の軸方向位置集合を有する。 地表プロセッサ５１４は、また、新たな掘穿方向と角度にするため、３個のくさび部材９０の相対的軸方向調整を行なう。 こうして、特定の掘穿方向と角度についてのルックアップテーブルによって、くさび部材９０の位置集合が指示される。
【００７０】
ステアリングアセンブリ２０は無限に変化するが、ロックアップテーブルはビット１２について有限数の方向位置しか持たない。 方向掘穿自体は精密技術でないので、ビット１２の位置は有限数で十分である。 また、ビット１２が所望の方向に確実に掘穿を行なうように、ステアリングアセンブリ２０にたいして多数の調整を行うことができる。
【００７１】
再度図３Ａ〜Ｅを参照すると、各くさび部材９０の正確な位置を判断して確認するために、各くさび部材９０の付近の上部ハウジング２６には電位差計２７０が収容されている。 図３Ｂから最もよく分かるように、線形電位差計２７０はくさび体１５６の軸方向ボア２７２に配置されている。 電位差計のロッド２７４は電位差計の本体２７０から下方に延出して、ロッド２８４の下端は締結装置２７６によりくさび部材９０の一つに取り付けられている。 電位差計２７０の上端は別の締結装置２７８によりくさび体１５６内に取り付けられている。 １本以上の電気導体（図示せず）が通る孔２８０が下部スペーサ１２４と中間スペーサ１２６と上部スペーサ１２８とを通って延びている。 電気導体はモータハウジング１０４の電動モータ１７４の周囲から電動モータ１７４の上に位置する電気コネクタ２３０まで、さらに、電子機器パッケージ１８まで延びている。 くさび９０が軸方向に移動すると、取り付けられた電位差計のロッド２７４も移動して、電位差計２７０内の抵抗を変化させる。 各電位差計２７０は各くさび部材９０の長手方向位置についての信号を地表に提供し、ハウジング２６に対するくさび部材９０の移動の測定値を提供する。 こうして３個の電位差計９６はくさび部材９０とアングルカム８０との間の接触範囲２６０，２６２によって形成される面を決定するくさび部材９０の相対位置を示す。
【００７２】
特定の電位差計２７０からの信号は、次に、電子機器パッケージ１８により地表１１に送信される。 信号は図１５に図示された複合コイル管５２０のデータ送信導体５８４，５８６を介して地表１１に送信されることが望ましい。 また、湿潤経路(wet path)により信号を地表に送信することも可能である。 送信には様々な送信器が使用される。 図１１Ｃから最もよく分かるように、アセンブリ１０の上部湿潤スタブコネクタ２８２には四つの金属リング２８４が設けられている。 接続が行なわれると、各リング２８４により接触が生じて、当該技術で周知のように地表への湿潤経路送信が可能となる。 次に、地表プロセッサ５１４により信号が地表で処理されて、３個の各くさび部材９０の位置が判断され、その後、接触範囲２６０，２６２により形成される面の三角法が決定される。 傾斜計２４により判断された実際の垂直線と方位角とに対するこの面の位置によって、実際の掘穿角度と方向が設定される。 また、アングルカム８０に対するくさび部材９０の位置がハウジング２６に固定された線形電位差計により監視され、ピストン１７６，１７８の動作または駆動シャフトねじ２００の動作が測定され得ることを理解すべきである。
【００７３】
電位差計２７０は３個のくさび部材９０により形成される面を判断するが、現実には、ビット１２が正しいホールを掘穿していないこと、すなわち、所望の方向に掘穿していないことがある。 これは、地盤のボアホール内で摺動しているため、例えば、軟弱な地盤で掘穿を行なうためである。 このように、３個のくさび部材９０が正しい位置にあっても、その方向位置がビット１２の実際の掘穿方向を反映していないことがある。 そのため、ボトムホールアセンブリ１０にビット付近配向センサ５５６を使用して、ボトムホールアセンブリ１０の垂直面からの傾斜を監視してアセンブリの方位角を監視し、掘穿中にビット１２付近のボアホール経路を調整して掘穿経路を所望方向付近すなわち鉱井経路に維持するようにすることが望ましい。
【００７４】
電位差計２７０はくさび部材９０の軸方向長さを測定するに過ぎないが、ビット付近配向センサ５５６の傾斜計は大地の重力に基づいて方向を測定する。 傾斜と方位角とが容易かつ正確に検知されるように、ボトムホールアセンブリ１０は非磁性金属で製作される。 配向パッケージ５５４は掘穿方向を正確に記録するための勾配調査機器を含み、また、ビット付近配向センサ５５６と電位差計２７０の方向に対する実際掘穿方向をチェックするものとしても機能する。 配向パッケージ５５４はビット１２がどこに位置しているかを正確に示す。 言い換えると、電位差計２７０は掘穿方向を理論的に示してビット付近配向センサ５５６はおおよその掘穿方向を示すのに対して配向パッケージ５５４は実際の掘穿方向を示す。
【００７５】
くさび部材９０の位置を監視するために、他のセンサまたは検知システム５５２を使用してもよい。 例えば、幾つかの検知装置の一つを電動モータ１７４の駆動シャフト２０８の回転方向と回転数とをカウントするのに使用し、くさび部材９０の軸方向位置を判断することができる。 また、ハウジング２６に対するくさび部材９０の位置は油圧増幅器１７０を介して間接的に監視できる。 さらに、くさび部材９０の位置はくさび体１５６のストッパにくさび部材９０を当接させて電動モータ１７４の回転を再びゼロにすることによって周期的に直接判断される。 圧力センサなどのより単純なセンサが大型ピストン１７８に印加される圧力の測定に使用することができる。
【００７６】
図３Ｄ及び１２を参照すると、上部スペーサ１２８の下部終端にあるカウンタボア２９２に配置された集中化装置２９０は中間スペーサ１２６の上部終端によって所定位置に保持される。 集中化装置２９０は駆動シャフト１４の中央付近でハウジング２６に配置されている。 駆動シャフト１４は図１２に図示されたアップセット１５を有する。 これは、集中化装置２９０の中央で係合するようにシャフト１４に配置されている。 これにより、集中化装置２９０は駆動シャフト１４を中央部付近で支持できる。 電気導体を通すための孔２９１が図示されている。
【００７７】
図１１Ａ〜Ｃを参照すると、ステアリングアセンブリ２０の閉鎖流体室３２０における圧力変化を補正するために、ステアリングアセンブリ２０はモータハウジング１０４の上端に取り付けられた流体圧力補正システム３００を含む。 補正システム３００は３０４にねじ山が形成されて３０６でモータハウジング１０４の上端に対して密封された圧力ハウジング３０２を含む。 圧力ハウジングスリーブ３１０はハウジング３０２に収容されており、傾斜計２４と電子機器パッケージ１８と様々な電気導体とを含むビット付近配向センサ５５６を収容するためのキャビティ３０８を形成している。
【００７８】
図１１Ａ〜Ｃ及び１３Ａ〜Ｃを参照すると、閉鎖流体室３２０は圧力ハウジングスリーブ３１０の上端からモータハウジング１０４と上部スペーサ１２８と中間スペーサ１２６とを通って図１３Ｃに図示された下部スペーサ１２４まで延びるオイル通路３１２を含む。 オイル通路３１２は、さらに、下部スペーサ１２４とくさび体１５６との間の界面のシールプラグ３１４を通ってくさび体１５６の壁へと通じる。 シール３１８はくさび体１５６とハウジング２６との間を密封する。 オイルはオイル通路３１２の下端３１６からくさび部材９０の下端及びアングルカム８０の回りの環状範囲１３０まで流れる。
【００７９】
閉鎖流体室３２０は、また、環状範囲１３０をくさび体１５６のオイル通路３２２と連通させる。 これは、下部スペーサ１２４及びくさび体１５６との間の界面のシールプラグ３２４を介してオイル室３２６へと続く。 室３２６内に配置されたオイル隔離ピストン３３０は室３２６の壁に対して密封するためのシール３２８を含む。 オイル室３２６のピストン３３０より上のこの部分３２７は駆動列１５０と電位差計２７０をそれぞれ収容するボア１６２，１７４と連通する。 オイル隔離ピストン３３０は駆動シャフト２００の動作を補正するために往復する。 閉鎖流体室３２０は閉鎖流体室３２０とフローボア１２０を流れる掘穿流体との間の２０００ｐｓｉと高い差圧に抗して密封を行なうことができる。
【００８０】
図１４を参照すると、油圧増幅システム１７０の小型ピストン１７８と大型ピストン１７６との間でシリンダ１９４，１８０によって形成される閉鎖油圧システム内の過圧を緩和するために、くさび体１５６のボア３４２には過圧防止安全システム３４０が収容されている。 過圧防止安全システム３４０はくさび体１５６の室３４５と流体連通した下端を有する逃がしバルブ３４４を含む。 室３４５は連通ボア３４６などを介して閉鎖油圧シリンダ１８０，１９４と流体連通している。
【００８１】
過圧防止安全システム３４０は、また、バルブ３４４の上端の３５２に密封状態で取り付けられた下端を有するマンドレル３５０を含む。 マンドレル３５０は下端からバルブ３４４まで延在する流体ポート３５６を有するシリンダ３５４を含む。 上部室３６６と下部室３６８とを形成するシリンダ３５４内の３５８には補正ピストン３６０が密封状態で配置されている。 下部室３６８は連通ボア３５６ひいてはバルブ３４４と流体連通している。 シリンダ３５４の上端はプラグ３６２を通る逃がしポート３５５により室３２６（隔離ピストンより上）と流体連通し、シリンダ３５４内に配置されたばね３６４はプラグ３６２およびピストン３６０の片側と当接している。
【００８２】
過圧防止安全バルブ３４４は、“１８７ Ｚｅｒｏ Ｌｅａｋ Ｃｈｅｋ”バルブなどのチェックバルブ３７０と、“２５０ ＴＲＩ”バルブなどの高圧バルブ３７２とを含む。 チェックバルブ３７０の上端は、ポート３７４とポート３５６とを介して下部室３６８と連通し、チェックバルブ３７０の下端は、ポート３４６と、小型ピストン１７８と大型ピストン１７６のためのシリンダ１８０，１９４と連通する。 チェックバルブ３７０により、下部室３６８からくさび室３４５への流体圧力を軽減できる。 高圧バルブ３７２は、くさび室３４５から下部室３６８への高い流体圧力を軽減できる。
【００８３】
動作時においては、油圧増幅システム１７０とくさび室３４５との圧力がダウンホール温度により所定リミットを越えると、たとえば、高圧逃がしバルブ３７２が開いて流体を下部室３６８へ流入させる。 これにより補正ピストン３６０が上部室３６６で上方に移動するため、ばね３６４を収縮され、くさび室３４５およびシリンダ１８０，１９４内の過圧が軽減される。 圧力が上昇した上部室３６６の流体はピストン３３０より上のオイル室３２６部分に流出する。 くさび部材９０がアングルカム８０から離間するなどによって、くさび室３４５とシリンダ１８０，１９４の圧力が低下すると、チェックバルブ３７０により下部室３６８からの流体圧力がくさび室３４５とシリンダ１８０，１９４とに流れる。 過圧防止安全システム３４０は、くさび室３４５内及び小型ピストン１７８と大型ピストン１７６との間のシリンダ１８０，１９４の閉鎖油圧システム内において、一定量を維持する。
【００８４】
代替過圧防止安全システムも使用できることを理解すべきである。 例えば、上部室３６６にスペーサ部材を配置して、皿ばねなどの付勢部材がスペーサ部材をばね３６４に付勢させると、それにより補正ピストン３６０がスペーサ部材に係合するようにくさび室３４５とシリンダ１８０，１９８とから流出が生じた場合に、追加流体を流出させるのに圧力上昇が必要となる。
【００８５】
再度図１１Ｃを参照すると、補正システム３００は圧力ハウジングスリーブ３１０の上端の３８４に密封状態で取り付けられた補正シリンダ３８２と、シリンダ内３８２に往復運動可能に取り付けられた補正ピストン３８６とを含む。 閉鎖スリーブ３８８はシリンダ３８２の上端に収容され、３９２で圧力ハウジングスリーブ３１０と密封係合する。 閉鎖スリーブ３８８及びピストン３８６は掘穿流体を通過させるためのシリンダ部材である。 ピストン３８６は、また、シリンダ３８２の壁と密封係合状態にあるシール３９２を収容する環状フランジ３９０を含む。 ピストン３８６はピストン３８６と密封係合したシール３９６を有するシリンダ３８２のカウンタボア３９４に配置された下端を有する。 閉鎖スリーブ３８８とシリンダ３８２とはピストン３８６の環状フランジ３９０に当接するばね４００を収容する環状範囲３９８を形成する。 シリンダ３８２は上向き環状肩部４０２を形成し、フランジ３９０は下向き環状肩部４０４を形成し、これらはシリンダ３８２およびピストン３８６とともに補正流体容器４１０を形成する。 共通の連通フローリンク４０６は補正流体容器４１０から閉鎖流体室３２０の一部を成すオイル通路３１２まで下向きに延びる。 ばね４００はピストン３８６を下方に付勢し、ピストン３８６にオイル容器４１０内のオイルへ所定の小さい圧力を印加させる。 オイル容器は閉鎖流体室３２０と流体連通し、ステアリングアセンブリ２０の可動部材はすべて閉鎖流体室３２０に収容されている。
【００８６】
ばね４００はピストン３８６に若干量の下向き圧力を印加し、環状範囲１３０と環状オイル室３２６との圧力を中央フローボア１２０を流れる掘穿流体の圧力より確実に高くする。 それにより、掘穿流体または鉱井流体が閉鎖流体室３２０へ流入するよりもオイルが閉鎖流体室３２０から流出する。 こうして、閉鎖流体室３２０内ではわずかな正圧が維持される。
【００８７】
ステアリングアセンブリ２０の組立中には、整合が非常に重要であることが分かるだろう。 アングルカム８０を所定位置に配置した時には、その上のすべての部品がアングルカム８０のカム面８６に対して正しく整合されなければならない。 そのため、回転接続ではなく主として軸方向挿入により組立が行なわれる必要がある。 アングルカム８０のカム面８６は、最初に、下部ハウジング２８に接続されたナックルボール３２の係合スプライン９４と最初に整合される。 次に、くさび体１５６がくさび部材９０のカム面９６とともにアングルカム８０の弓形カム面８６と整合されなければならない。 くさび体１５６と油圧増幅器１７０とスペーサ１２４，１２６，１２８と伸縮可能接続２０４とはすべてパッケージとして一緒に組み立てられる。 パッケージが組み立てられると、これらの部品は、パッケージを上部ハウジング２６へ軸方向に挿入することによって、パッケージとして上部ハウジング２６に取り付けられる。 次に、ターンバックル１１６によって、上部ハウジング２６が下部ハウジング２８と接続される。
【００８８】
本発明によるステアリングアセンブリ２０は、ドリルビット１２が掘穿中に、ビット１２より上流における軸線７４を中心とする下部ハウジング２８の屈曲角度と方位角とを制御することによって、ステアリングを行なう。 ボトムホールアセンブリ１０の屈曲をドリルビット１２より上のオフセットとして用いることで、ボトムホールアセンブリ１０を使用してビット１２をボアホールへ押圧できる。 また、ビット１２とボトムホールアセンブリ１０との間にはある角度が形成されるため、ビット１２はボアホールが掘穿される方向へ指向される。 ボアホールに対する側方負荷が生じるように角度を大きくすることによって、大き過ぎる（ドリルビット１２より大きい）ホールを補うように角度を大きくすることによって、屈曲からのオフセットは増大される。
【００８９】
本発明によるステアリングシステム２０はダウンホールセンサからの方向データを監視して掘穿の角度と方向とを変化させるようにステアリングアセンブリ２０に命令を送る通信システムを含む。 地表プロセッサ５１４による分析のため、及び地表プロセッサ５１４がステアリングアセンブリ２０に命令を送って所望のボアホール方向でビット１２の掘穿をステアリングするように必要に応じてくさび部材９０を調整するために、通信システムによりデータは地表に送られる。 このような調整は、実際のくさび部材位置と掘穿の角度および方位角と実際のビット１２の方向とを所定のボアホール経路または他の何らかのパラメータと比較することによって、または、地表に送信された命令を受け取ることによって行なわれる。 また、特定のホールおよび／または掘穿される地盤についての前の設定と結果を比較することによって、所望の方向を得るのに必要な設定を学習する能力をシステムが備えていてもよい。 こうして、通信システムは、好ましくは、複合コイル管５２０の壁の電気導体５８４，５８６を介した地表とステアリングアセンブリ２０との間の通信を可能にし、本発明が電気制御による屈曲サブとなるようにしている。
【００９０】
例えば、図１５を参照すると、特に、ステアリングシステム２０を含むボトムホールアセンブリ１０に使用される電子制御システム５３０の概略が示されている。 システム５３０はセンサ５５２、配向パッケージ５５４、ビット付近配向センサ５５６などの複数のダウンホールデータ獲得装置を含む。 また、装置５５８及びステアリングアセンブリ２０など複数の制御装置も含まれる。 センサ５５２と制御装置５５８とはここに述べたセンサと制御装置を含むだけでなく、当該技術で周知の他のデータ収集・測定センサ及び制御装置を含むことを理解すべきである。 電源５１２は電力導線５６２と電力戻り線５６４とを介して配電モジュール５８１に電力を供給し、その長さの大部分は複合コイル管５２０の壁を通って延びる。 配電モジュール５８１は電力バス５８２を介してボトムホールアセンブリ１０の様々な部品５５２〜５６０，５８０に電力を分配する。
【００９１】
「低速」データバス５７６は様々な部品５５２〜５６０，５８１と監視サブ６７２に収容されることが望ましい監視モジュール５８０との間の命令・データ通信経路となる。 各部品のマイクロコントローラは低速バス５７６を介して相互に通信できる。 監視モジュール５８０と配向パッケージ５５４やセンサ５５２などのデータ獲得装置との間には「高速」データバスも設けられている。 適当な高速データバスの例はワイヤラインでよく使われる１５５３ワイヤラインデータバスである。
【００９２】
低速データバス５７６と高速データバス５７８とはすべてのダウンホールデータ獲得装置と制御装置とのダウンホール制御装置として作用する監視モジュール５８０に接続されている。 監視モジュール５８０は、トランス５８８によって、複合コイル管５２０の壁を通って地表の第２トランス５９０まで延びるデータ導管５８４，５８６に結合されている。 複合コイル管５２０の上端では、トランス５９０が地表プロセッサ５１４に収容されたディジタル信号プロセッサ５９２にデータ導管５８４，５８６を結合する。 トランス５８８，５９０はデータ導管５８４，５８６の電気的故障からホール外またはダウンホール電子機器を保護するための直流絶縁を行なう。
【００９３】
ディジタル信号プロセッサ５９２は地表でモデム（変調装置／復調装置）として機能する地表プロセッサ５１４のプログラマブルな装置である。 ディジタル信号プロセッサ５９２は受信した信号を次の処理のためにディジタルの形に変換するためのアナログ−ディジタル変換回路を含む。
【００９４】
各ダウンホールデータ獲得装置および制御装置はデータバス５７６，５７８からのユニークなアドレスを有するモデムを有する。 各モデムはそのユニークアドレスを用いて地表プロセッサ５１４と個々に直接的に通信を行なう。 地表プロセッサ５１４はユニークアドレスにメッセージを送ることによって特定装置のモデムとの通信を開始する。 モデムは地表に肯定応答を送ることで応答する。 これにより、地表はダウンホール制御装置およびデータ獲得装置の各々と通信できるのである。 ダウンホールと地表との通信はデータ導管５８４，５８６を介して直列で行なわれることが望ましい。 配電モジュール５８１への命令信号によって、適切に指定されたダウンホール装置へ電力が送られる。
【００９５】
概して、データ獲得装置からのデータが地表に送られることを要求する信号がダウンホールに送信されることはない。 一般的に、データ獲得装置からのデータは、常に、所望通りに地表で読み込みまたは無視されるコード化ストリームの形で地表に送信される。 高速データバス５７８は、通常、データ通信専用である。 このデータはすべてディジタル形式である。
【００９６】
地表からダウンホール制御装置への命令はデータ導管５８４，５８６上の時間または周波数多重チャネルで送られることが望ましい。 また、このような通信が電線５６２，５６４で送られてもよいことを理解すべきである。 最も単純な形では、命令は単なるオン・オフ信号である。 また、信号が電力導管５６２，５６４での電力送信と干渉を起こさないように、これらの命令は電力導線で周波数多重化されてもよい。
【００９７】
電気導管５６２，５６４の電力は直流の形で供給されることが望ましい。 電力導線５６２，５６４は電力のみに使用され、データと命令はすべてデータ導管５８４，５８６で送られることが望ましい。
【００９８】
ダウンホールの装置の幾つかではある量のデータ処理が行われるが、データ処理の大部分は地表で行われることが望ましい。 データの一部が地表へ送信される前にダウンホールで最初に調整されてもよい。 ダウンホールの各制御装置は制御装置として作用するマイクロプロセッサを含む。 これらのマイクロプロセッサは、通常、データの処理には使用されない。 すべてのデータを処理のため地表に送るのに適切な帯域よりも広い帯域が設けられているので、このようなダウンホール処理が不必要なのである。
【００９９】
ダウンホール装置はすべて地表から電力を供給され、すべて電力により作動する。 ダウンホール制御装置の一部は油圧部品を有するが、このような部品は電気制御されることが望ましい。
【０１００】
地表プロセッサ５１４はステアリングアセンブリ２０の３台の電動モータ１７４に命令し、油圧増幅器１７０に電力を供給して作動させる。 これらの油圧増幅器１７０はステアリングアセンブリ２０のノーズ２８とビット１２の屈曲角度と方向とを調整するため、アングルカム８０に係合する３個の各くさび部材９０を作動させ往復運動させる。 各くさび部材９０はアングルカム８０との係合により三角形を成す様々な位置を有し、ビット１２の工具面の特定屈曲角度と方向とを指示する。
【０１０１】
ビット付近配向センサ５５６はステアリングアセンブリ２０のハウジングに配置されることが望ましい。 ビット付近配向センサ５５６はビット１２の掘穿方向について初期表示を提供する傾斜計と磁気計とを含むことが望ましい。 ビット付近配向センサ５５６は、また、ビット１２の工具面の角度および／または方向を変える命令がダウンホールに送られた後に掘穿方向の変化を確認する。 約１０秒ごとに、ビット付近配向センサ５５６からのデータが低速直列バス５７６と監視モジュール５８０とデータ導管５８４，５８６とを介して地表へ送られる。 ビット付近配向センサ５５６からのデータは掘穿方向の進行チェックとして使用される。
【０１０２】
ビット付近配向センサ５５６の一般的には３０または４０フィート上には、調査グレード配向パッケージ５５４が配置されている。 調査グレード配向パッケージ５５４はＨＤＡＳ(Develco)配向センサを含む。 配向パッケージ５５４は、一般的に、３台の磁気計と３台の傾斜計を含み、それとともに温度や他のダウンホール特徴を判断するための他のセンサを含む。 配向パッケージ５５６からのデータは、一般的に、三つの磁気計測定値と三つの傾斜計測定値と温度とを含む。 このデータは、およそ１秒に１回、高速バス５７８を介して地表へ送られる。
【０１０３】
監視モジュール５８０はボトムホールアセンブリ１０の制御装置として機能する。 監視モジュール５８０は基本的にバスマスタとして機能し、ダウンホール活動のハブと考えられる。 このモジュールは地表から命令を受け取り、これを各ダウンホール装置に再送信する。 監視モジュール５８０は、また、各ダウンホール装置から肯定信号とデータとを受け取り、これを地表の地表プロセッサ５１４に再送信する。 命令とデータとは監視モジュールがフレームを効率的に多重化して所望の目的地へ送ることができるフレーム形式で提供されることが望ましい。 監視モジュール５８０は直角位相振幅変調器（ＱＡＭ）を用いて地表へ情報を送信することが望ましいが、他の変調方式も考えられる。 現在、ＱＡＭ変調は秒送信速度ごとに６５キロビットを提供するが、毎秒１６０キロビット以上の送信速度の達成が可能であると予想される。 地表プロセッサ５１４から監視モジュール５８０へ送信された命令は、約２４００ボーの送信速度をサポートする周波数変位（ＦＳＫ）変調方式を用いて送られることが望ましい。
【０１０４】
地表プロセッサ５１４はダウンホールにおけるドリルビット１２の工具面の屈曲角度と方位角とを計算するための一つ以上のアルゴリズムを有するコンピュータを含む。 地表プロセッサ５１４のこれらのアルゴリズムはノーズ２８の屈曲角度と方向とを調整するように各モータ１７４とステアリングアセンブリ２０とに命令するのに使用される。 地表プロセッサ５１４のアルゴリズムはダウンホールマイクロプロセッサのアルゴリズムよりも書き込みと修正が容易であると好都合である。 特定の屈曲角度と方向とを得るのに望ましいステアリングアセンブリ２０のくさび部材の各位置を判断するために、地表プロセッサ５１４にルックアップテーブルが組み込まれていることを理解すべきである。
【０１０５】
地表プロセッサ５１４はデータ獲得装置とダウンホール制御装置との間に「ループ閉鎖」方法を提供する。 地表プロセッサ５１４はダウンホール制御装置に動作を実施するように命令し、その結果を観察する。 結果が予想されたものと異なる場合、またはデータ獲得装置が別の動作の必要性を示している場合には、地表プロセッサ５１４は制御装置に命令して、それに応じた動作を調整することができる。 この形のフィードバックにより、精密な制御及び掘穿条件の変更への高速の応答が可能となる。
【０１０６】
代替例として電力は地表から供給されるのでなくダウンホールで発生されてもよいことを理解すべきである。 例えば、泥流がタービンを流れると電気を発生する電気タービンをボトムホールアセンブリに配置してもよい。
【０１０７】
図１６を参照すると、地表プロセッサ５１４により実行されるプロセスについての流れ図が示されている。 ブロック６０２において地表プロセッサ５１４は、様々な部品の設定と使用可能性とを確認してこれらの部品を所望の初期構成に置くように、ボトムホールアセンブリに命令を発する。 センサ５５２と配向パッケージ５５４とビット付近配向センサ５５６とは地表プロセッサ５１４にデータを送る。 地表プロセッサ５１４はブロック６０４において送信された情報を復調および解読し、ブロック６０６において、地表プロセッサ５１４は周知のアルゴリズムおよびテーブルに照らし合わせてこのデータを処理および分析し、様々なダウンホール条件を判断する。 分析によって、ビット１２のダウンホール位置と配向とを指定する「実際」パラメータの集合が決定される。
【０１０８】
地表プロセッサ５１４は鉱井のボアホールの目標経路を明らかにする所定の「鉱井計画」に基づいた目的パラメータ集合を含むことが望ましい。 ブロック６０８において、地表プロセッサ５１４は実際のダウンホールパラメータを目的パラメータと比較する。 実際パラメータが目的パラメータの範囲内にある場合、すなわち、ドリルビット１２が目標鉱井経路に沿って掘穿している場合には、何の動作も行なわれずに地表プロセッサ５１４はステップ６０４に戻る。 抵抗、ガンマ、岩石学的測定値などの実際データがダウンホールから受け取られると、鉱井計画が連続的に更新される。
【０１０９】
例えば、ビット１２が目標の方向に掘穿していないことと掘穿方向の変更が正当化されることが比較から分かる場合、地表プロセッサ５１４はステップ６１４において、掘穿方向を変更するようにダウンホールに命令を送る。 地表プロセッサ５１４は実際パラメータと目的パラメータとの間の差を補正するために、ボトムホールアセンブリ１０の制御モジュールに命令を発する。 例えば、鉱井計画の目的から外れた掘穿が行なわれていることを実際パラメータが示す場合には、地表プロセッサ５１４は新たなビット１２の掘穿角度／方向を決定する。 次に、補正措置を行なうようにダウンホールのステアリングアセンブリ２０に命令が送られる。 次に、３台のモータ１７４のうち１台以上が作動して、ビット１２を新たな角度および／または方向に配向し直す。 いずれの場合も、地表プロセッサ５１４はブロック６０４から始まるプロセスを繰り返す。
【０１１０】
新たな角度と方向に到達すると、ビット１２は短距離だけさらにボアホールを掘穿し、ビット付近配向センサ５５６に新たな位置に到達したかどうかを判断させるとともに、これを示す信号を地表に送らせる。 変化が生じた後、ブロック６１２において、地表プロセッサ５１４は実際パラメータを目的パラメータと再度比較し、変化を確認する。 新たな位置に到達していないならば、ビット１２の工具面の角度と方向とをさらに変えるために、ダウンホールに追加命令が再度送られる。
【０１１１】
極めて硬質の地盤に出くわした時など、特定方向に掘穿中に、問題のあるダウンホール条件のために掘穿方向を変更するために、いつでも地表で手動による介入が行なわれ得ることを理解すべきである。 地盤の条件のため鉱井経路の継続が物理的に不可能だと判明することもある。 さらに、ビットが鉱井経路上で掘穿を行なっていても、好適な地盤内での掘穿ではないために掘穿方向の変更が望ましいと判断されるかもしれない。
【０１１２】
本発明によるステアリングアセンブリ２０は、コイル管より下のボトムホールアセンブリの一部として、または、スイベル継手を備えて掘穿モータ２２の回転を行なわないか周期的に行なう能力を有する回転掘穿ストリングの下のボトムホールアセンブリ１０の一部として使用できる。 動作のための電力消費量は少ないため、回転掘穿システムを用いている時には、必要に応じて、ダウンホールタービンまたはバッテリを使用してステアリングアセンブリ２０に動力を供給できる。
【０１１３】
回転掘穿システムとともに使用する時には、泥水パルス遠隔測定法など、他の方法を使用してもよいことを理解すべきである。 システムは、また、目標とするホールボア経路を制御および維持するのに、ステアリングアセンブリ２０のために地表から何の命令も必要としないという点で、閉ループシステムであってもよい。
【０１１４】
本発明は掘穿技術に対して様々な長所を有する。 掘穿を中断せずに屈曲角度の量と方向、そして傾斜と方位角とを制御する能力を有する。 ビット１２をオフセットさせてビットの方向を掘穿中の方向へ変更するという能力があるため、寸法の大きすぎるホールでボアホール方向をステアリングする能力を有する。 ３〜３／４インチもの小さなホールおよびさらに大きなボアホールを掘穿できるアセンブリでは、上記能力を全て備えている。 過剰な側方負荷が加えられないように方向を変化させるのに必要な正確な量の屈曲とオフセットが用いられるため、さらに、ボアホールの掘穿中にホールを監視できるため、掘穿のステアリングに必要な方向変化によってボアホールがスムーズに移行できる。
【０１１５】
ステアリングアセンブリ２０の上部ハウジング２６に対する下部ハウジング２８の屈曲角度と方向の変化を実施および制御するための方向探知機構の好適な実施の形態について図示および説明したが、ビット１２の掘穿方向を変化させるように下部ハウジング２８を自在継手３０上で屈曲および回転させるための他の装置と方法も使用できることを理解すべきである。
【０１１６】
図１７及び１８を参照すると、ナックルボール３２に４０６でねじ止めされた延出部材４０４に係合する複数のピストン４０２ａ，ｂ，ｃを含む代替方向探知機構４００が図示されている。 一つ以上の油圧ポート４０８がピストン４０２ａ〜ｃと連通してピストンをシリンダ４１０内で往復運動させる。 油圧動作は図７または９に図示されたような駆動機構を用いて電動モータ１７４により行なわれる。 例えば、図７に関して述べると、大型ピストン１７６は油圧ポート４０８に作用し、又は図９に関して述べると、ポンプ２５２などの油圧ポンプは油圧ポート４０８から作動流体をポンプ供給してピストン４０２ａ〜ｃを作動させる。 また、図１９及び２０に示されるように、ピストン４０２ａ〜ｃの代わりにアクチュエータ４２０ａ〜ｃを使用して、図７，８，９について説明した駆動機構の一つに取り付けられたリンク機構４２２によって、図１９に図示されたように、機械的に作動させてもよい。 アクチュエータ４２０はナックルボール３２にねじ止めされた延出部材４２４に係合する。 ピストン４０２またはアクチュエータ４２０がそれぞれ延出部材４０４，４２４に係合した状態で往復運動を行なうと、延出部材４０４，４２４により下部ハウジング２８が上部ハウジング２６の軸線７４に対して下部ハウジング２８の軸線７２をシフトさせ、ビット１２の屈曲および／または方向を変化させる。
【０１１７】
図２１を参照すると、本発明による方向探知機構のさらに別の代替実施の形態が図示されている。 方向探知機構４３０はナックルボール３２に４３４で回転可能に取り付けられた延出部材４３２を含む。 ナックルボール３２はナックル継手ハウジング３６と上部ハウジング４３８に取り付けられたケージ部材４３６との間に支持されている。 延長部材４３２は、延出部材４３２がナックルボールの中で回転できるように、ナックルボール３２に取り付けられている。 位置決めシリンダ４４０は、軸受４４２と密封保持部材４４４とによって、上部ハウジング４３８内に回転可能かつ往復可能に取り付けられている。 延出部材４３２から離間するように位置決めシリンダ４４０を付勢するために、ケージ部材４３６と密封保持部材４４４との間にはばね４４６が配置されている。 位置決めシリンダ４４０には延出部材４３２の上部テーパ端部４４８が挿入される。 延出部材４３２は位置決めシリンダ４４０に取り付けられたカムピン４５２を各々が収容する複数のカムスロット４５０を含む。 カムスロット４５０は並行カム面４５４ａ，ｂを含み、カムピン４５２がカムスロット４５０内で移動すると、延出部材４４０が旋回して屈曲角度を変化させる。 位置決めシリンダ４４０は位置決めシリンダを回転させるモータ１７４などの電動モータに取り付けられている。 位置決めシリンダ４４０が回転すると、カムスロット４５０内のカムピン４５２が延出部材４３２を回転させることにより方向を変化させる。 動作時においては、地表から掘穿流体をポンプ供給しているポンプが停止すると、図２１に図示されたばね４４６によって、位置決めシリンダ４４０が軸方向上方に移動する。 ポンプが作動すると、位置決めシリンダ４４０はケージ部材４３６の肩部４５６へと下方に移動する。
【０１１８】
別の代替方向探知機構は下部ハウジング２８の延出部材に係合して上部ハウジング２６内で回転し、上部ハウジング２６の軸線７４に対する屈曲角度と方位角とを延出部材により変化させる複数のカム面を有することが望ましい偏心輪を含む。 このような偏心輪は電動モータ、より好ましくは、好適な実施の形態で説明された電動モータ１７４により回転することが分かるだろう。 偏心輪が回転すると、上部ハウジング２６の軸線７４に対して下部ハウジング２８の軸線７２がシフトする。 下部ハウジング２８は自在継手３０上で上部ハウジング２８に対してシフトすることが分かるだろう。
【０１１９】
別の代替方向探知機構では、屈曲角度の変化と方位角の変化とを行なうための２個の別々の装置がステアリングアセンブリに含まれる。 これらの装置の一方は屈曲角度を変化させるための装置であり、他方は方位角を変化させるための装置である。 油圧バルブとピストンの組は延出部材に係合して屈曲角度を変化させ、回転部材は軸受アセンブリとモータといっしょに上部ハウジング２６に対して下部ハウジング２８を回転させて配向を変化させる。 屈曲角度の変化と方位角の変化は相互に無関係である。
【０１２０】
本発明の特徴の多くは、上部ハウジング２６に対して下部ハウジング２８の屈曲角度と方位角とを変化させるために、ボアホール壁に係合するステアリングアセンブリへの使用に適していることを理解すべきである。 上述したように、ボアホール壁で必要な抵抗のため、このような実施の形態がそれほど望ましくないことがある。 このような装置と方法の一つは、ステアリングアセンブリのハウジングに調整可能なブレードを延出させるために、バルブと掘穿流体を使用しており、上部ハウジング２６の軸線７４に対して下部ハウジング２８が下部ハウジング２８の軸線７２の屈曲角度と方向とが変化している。
【０１２１】
さらに別の方向探知機構はステアリングアセンブリの上部ハウジング２６に偏心中央カムを収容することを含む。 偏心輪上のカムが上部ハウジング２６内で回転すると、偏心輪は上部ハウジング２６内で駆動シャフト１４に係合して、駆動シャフト１４を偏向させる。 上部ハウジング２６内で駆動シャフトが偏向すると、駆動シャフト１４の下流端が下部ハウジング２８に係合して、下部ハウジング２８を上部ハウジング２６に対して偏向させる。 下部ハウジング２８が駆動シャフト１４により偏向されると、屈曲角度と方位角とが変化して新たな掘穿角度と方向が得られる。 この方法は偏心部材上のカムにより側方負荷が駆動シャフトに印加されるので、あまり望ましくない。
【０１２２】
ステアリングシステムの他の実施の形態は１９９７年１０月２７日に出願された「掘穿システム」という名称の米国仮出願第６０／０６３，３２６号、１９９８年５月２０日に出願された「掘穿システム」という名称の米国特許出願第０９／０８１，９６１号、及び１９９９年７月１４日に出願された「ステアリング可能な回転掘穿装置と指向性掘穿方法」という名称の米国特許出願第０９／３５３，５９９号に開示されている。 これらの出願はいずれもここにおいて文献援用される。
【０１２３】
本発明の好適な実施の形態はボアホール壁に係合して掘穿中に抵抗を発生させる外部の調整可能部材を含まず、駆動シャフトに側方負荷を加えて側方負荷とトルクの両方を駆動シャフトに伝達することがないという長所を有する。
【０１２４】
本発明の好適な実施の形態について図示および説明したが、当業者には発明の趣旨から逸脱しない変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明の好適な実施の形態を詳細に説明するため、以下、添付図面を参照する。
【図１Ａ】 鉱井の一例を示す概略図である。
【図１Ｂ】 鉱井の地表装置を示す図１Ａの部分概略拡大図である。
【図１Ｃ】 本発明によるステアリングアセンブリを含む図１Ａに図示されたボトムホールアセンブリの拡大図である。
【図２】 図３Ａ〜Ｅ、図１１Ａ〜Ｃ、図１３Ａ〜Ｃの断面を示す図１のステアリングアセンブリの上端図である。
【図３Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ】 自在継手から電動モータまでのステアリングアセンブリを示す図２の３−３線断面図である。
【図４】 くさび部材とアングルカムとを示す図３Ａの４−４線断面図である。
【図５】 図３Ａに図示されたアングルカムの斜視図である。
【図６Ａ】 図３Ａに図示されたくさび部材の上面図である。
【図６Ｂ】 図６Ａの６−６線におけるくさび部材の断面図である。
【図６Ｃ】 図６Ａのくさび部材を示す底面図である。
【図７】 アングルカムに係合するくさび部材のための図３Ａ〜Ｅに図示された機械油圧式駆動列を示す部分断面概略図である。
【図８】 アングルカムに係合するくさび部材のための代替機械式駆動列を示す部分断面概略図である。
【図９】 アングルカムに係合するくさび部材のための別の代替油圧式駆動列を示す部分断面概略図である。
【図１０】 図３Ｂの１０−１０線における油圧増幅器の大型ピストンの下端を示す断面図である。
【図１１Ａ〜Ｃ】 電動モータからステアリングアセンブリの上端まで延在する圧力補正システムの別の一部を示すステアリングアセンブリの図２の１１−１１線断面図である。
【図１２】 図３Ｄの１２−１２線におけるモータ駆動シャフト集中化装置の断面図である。
【図１３Ａ〜Ｃ】 アングルカムから中央スペーサまでの圧力補正システムの一部を示すステアリングアセンブリの図２の１３−１３線断面図である。
【図１４】 図３Ｂ〜Ｃに図示された油圧増幅器の過圧防止安全システムを示す断面図である。
【図１５】 ステアリングアセンブリの電子制御装置を示す機能的ブロック図である。
【図１６】 データの処理と、地表プロセッサと電子センサとの間の命令の伝達と、ステアリングシステムの制御とについてのフローチャートである。
【図１７】 油圧ピストンを用いて下部ハウジングを作動および制御するための代替装置を示す断面図である。
【図１８】 作動装置を示す図１７の１８−１８線断面図である。
【図１９】 機械式てこ装置を用いて下部ハウジングを作動および制御するための別の代替装置を示す側面図である。
【図２０】 図１７の１８−１８線断面と同様の平面における図１９の作動装置を示す断面図である。
【図２１】 下部ハウジングを作動および制御するためのさらに別の代替装置を示す断面図である。
【図２２】 自在継手に配置された代替アングルカムとくさび部材とを示す図２の２−２線断面図である。
【図２３】 図２２のアングルカムに配置されたカムスリーブの断面図である。
【図２４】 図２３の２４−２４平面におけるカムスリーブの断面図である。
【図２５】 図２２に図示されたくさび部材の正面図である。
【図２６】 図２５に図示されたくさび部材の端面図である。
【図２７】 図２５に図示されたくさび部材の底面図である。
【符号の説明】
２２ 泥水モータ２７０ 本体４２０ａ〜４２０ｃ アクチュエータ５１４ 地表プロセッサ５２０ コイル管５８４，５８６ 導体