Boring device and torque support therefor

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地面ボアホール掘削のためのボーリング装置に関し、特に、ボーリングツールから離れた地面ボアホール中のボーリングロッド上のある点でトルクを取出すボーリング装置及びそれに適応可能なトルクサポートに関する。

【０００２】

【従来の技術】特にボーリングツールとして使用するローラビットによるボアホールの掘削とコア穿孔において、穿孔屑の経路において、地面を崩すために使用するボーリングツールを常時洗浄し、この屑をボアホールの底から出して輸送し、穿孔プロセスを最適に連続させることが必要である。

【０００３】このため、ボーリングツールを収容するボーリングヘッドを空気またはフラッシング流体いずれかで直接的に洗浄（パージ）するか、または空気式運搬プロセスまたは吸入穿孔プロセスによって間接的にパージすることが通例である。 このような処理を実施するに当たって、空気またはパージ用流体は、作業面からボアホールの底まで、ボーリングストリングに沿ったチャンネルを介してホースへ導かれる。 常設ポンプまたは圧縮機と、ボーリングツール内で回転する回転式ボーリングストリングとの間の異なった相対運動は、外置ロータリードライブ上のパージングヘッドによって処理される。 地面ボアホールを掘削するこれら周知の装置は、ボーリングストリング、それに取付けられた捩り剛性ボーリングツール、ボーリングストリング回転駆動のためのドライブ、ポンプ機構と、流体管路をもち、前記流体管路は、
ポンプ機構からボーリングツールまで延びて、ボーリングツールの位置でポンプ機構による流体フローを生じさせる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】こうしたボーリング装置においては、パージングヘッドを介してボーリングツールまで加圧下のパージ用媒体を輸送しなければならないという欠点がある。 このため、パージングヘッドでのシール性の問題や対応する圧力損失が起こり得る。 更に、ケリーボーリング等の間欠ボーリング操作のためのボーリング装置においては、ボーリングサイクルごとにパージング管路の設置や取り外しに多大な労力を必要としていた。

【０００５】本発明の目的は、ボーリングツールから穿孔屑を単純且つ省エネルギにて除去することを可能にするボーリング装置を考案することである。 別の目的は、
補助装置の駆動用トルクを地面ボアホール中のボーリングストリングから取出すことができるボーリング装置のためのトルクサポートを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による装置は、ポンプ機構が、ボーリングストリングに保持されるホースを備え、前記ホースはボーリングストリングに対して回転が防止されるように固定されていると共に、一定距離で少なくとも部分的にボーリングストリングまわりに配置され、一方側においてボーリングストリングまわりで回転可能に位置され、他方側において地面ボアホールの壁に相対して位置されて回転を防止するポンプ固定子を備え、当該ポンプ固定子がボーリングストリングに対して半径方向に延びる固定子アームを備え、固定子アームがボーリングストリングとホースの間に配置され、固定子アームがホースに相対して帯状に押付けて存在し、そこで固定子アームがボーリングストリングと共に回転するホースをこすって通過する。

【０００７】本発明の基本的な着想によれば、単純なホースポンプは、ボアホール中のボーリングツールの後部に取付けられる。 このポンプはその後ボーリングストリング、例えば、ケリーロッドの回転によって駆動される。 ポンプ機構は適切な保持装置を介してボーリングストリングに取付けられるホースを備える。 こうしたホースは、ボーリングストリングと共に回転し、ポンプ機構の回転子を形成する。 ボーリングストリングが回転すれば、ホースは、ホースに相対して押付けるよう配置される固定子の固定子アーム上を通過する。 よって、固定子はボアホールの壁に相対して支持されて、回転運動しない。 固定子と回転子との相対的移動を通じて、ポンピング作用は穿孔時に発生する。 回転の方向に応じて、こうした圧力はボーリングツールをパージするために誘導でき、または吸引作用は穿孔屑を吸込むために誘導できる。

【０００８】ホースの一端はボーリングツールに導く流体管路に接続される一方で、ホースの他端は、周囲空気またはパージ用液体を溜めることのできる流体溜に接続される。 ホースの一端は、ボアホールの外部に配置されたタンクに接続することもできる。 いずれにしても、追加の固定エネルギ発生器からボーリング装置の回転するボーリングツールへのエネルギ輸送は、本発明によれば不要である。

【０００９】本発明の好ましい装置は、ポンプ固定子がボーリングストリング上で軸方向に固定されて位置することにある。 こうしてポンプ固定子は連続ボーリング時にホースをなぞることができる。

【００１０】ポンプ機構の特に単純な運転が行われるための装置が構成される。 つまり、ポンプ固定子はトルクサポートを備える。 ボーリング時にトルクサポートは地面ボアホールの壁に相対してしっかり接し、かつボーリングストリングの縦軸方向にスライドできる。 ポンプ固定子は、ボーリングストリング上に特に容易に取付けることができると共に、ボーリング操作の進行に応じてボーリングストリングに追随できる。

【００１１】ポンプ機構の適切なサイズと性能に関して、本発明によるボーリング装置の別の実施態様においては、ボーリングツールが、チャンネルを有するコアボーリング管を備えると共に、ホースとチャンネルを接続して流体管路を形成することが好ましい。

【００１２】パージ用流体および穿孔屑を入れるためのタンクがボーリングツール上に配置され、ボーリングツールにおいてタンクと地面掘削装置との間に管が備えられているのであるならば、穿孔時に特に良好な進行が保証される。 穿孔屑は、例えば、この管でタンクに吸込むことができる。 従って、よってタンクは準備されたボアホールからボーリングツールを取出せば、空にすることができる。 タンクはパージ用流体溜としても使用できる。

【００１３】本発明の別の好ましい実施態様は、固定子アームがその自由端でローラを備え、当該ローラはホースを押付け、ホースはボーリングストリングの縦軸方向に平行なローラシャフトのまわりで回転するよう位置している。 ローラによって、固定子アームに対する相対的な運動によって引き起こされるホースに発生する摩耗は大部分は防止される。

【００１４】ポンプ固定子がその周辺まわりに均等に配置された複数の固定子アームを有し、均一圧力生成のための装置が構成される。 特に２つの固定子アームは、互に１８０°の角度で配置されて設けられる。

【００１５】本発明の更に別の実施態様では、複数のポンプ機構をボーリングストリングに配置することが有利である。 この場合、複数のホースと複数の固定子アームが軸方向で前後に配置される。 複数のポンプ機構によって、相対的に大きいポンプ能力を設定することができる。 このため、回転子として機能する共通のキャリアの上下に複数のホースを置くこともできる。

【００１６】本発明の第二の目的は、ボーリングツールから離れた地面ボアホールにおいてボーリングストリング上のある点でトルクを取出すためのボーリング装置のトルクサポートによって解決される。

【００１７】その構成は、ボーリングストリングの挿通部のための中央に配置されたオリフィスを備える本体と、ボーリングストリング上で本体を回転可能にするためにオリフィスに設けられたベアリング機構と、オリフィスを通過するボーリングストリングの縦軸に対して半径方向に離れて延びると共に、本体上に互いに離れて配置される少なくとも３つのホルダと、オリフィスを通して出て行くボーリングストリングの縦軸にそれぞれ垂直に配置され、ホルダの回転の方向に対する接線に沿ったシャフトのまわりで回転可能に位置されている各ホルダに設けられる少なくとも１つのローラボディと、本体から半径方向に離れたローラボディでホルダを本質的に押付ける圧力を生成するための圧力装置とから構成される。

【００１８】本発明によるトルクサポートに基づいて、
有効なゾーンでボーリングストリングによって生成するトルクは、地面ボアホールの掘削時に消すことができる。 ボーリングストリングに取付けられ、さらに、ボーリングストリングに対して静止しているトルクサポートを通して、機械的動力を取出すことができ、必要に応じて、動力を必要な二次ドライブまたは補助装置に供給することができる。 こうした補助装置は、特にボアホールの底から穿孔屑を輸送するために使用されるポンプであり得る。 ボーリング装置または動力回転ヘッドの駆動力は、ボーリング工程で必要な動力より通常大きい。 結果として、ボーリングストリング自体を介して二次ドライブのために必要な動力の必要な量（パーセンテージ）を従属点まで送出すことが装置の変更なしに可能である。

【００１９】ドライブ用に必要な駆動力がボアホールに対し外部（の地点）から電気、空気または油圧エネルギの形で補助装置に供給される従来型の装置と対照的に、
本発明によるトルクサポートは長所を明確に提供する。
結果として、静止エネルギ発生器から回転ツールへのエネルギ伝達の高価な態様は必要でなくなる。 更に、本発明によるトルクサポートは、ボーリングツール後部のボアホール中で配置できることから、特に穿孔時にケリーロッドを使用する場合、ボアを深くする際の動力線の長さに関する適応問題は該当しなくなる。

【００２０】発明による装置においては、ボアの種々の直径に適応するためにホルダが本体に対してスライドできる。

【００２１】直径の変動への自動的適応は、本発明の実施態様によって達成される。 つまり、圧縮装置がスプリング機構を持ち、地面ボアホールの壁に対して所定圧縮力でそのスプリング機構がローラボディと共にホルダを押付けるものである。 本発明によるトルクサポートは、
地面ボアホールの管状壁または非管状壁に接触してスプリング力によって常時保持される。 例えば、ボアパイプからボアホールの逃げまでの遷移における直径の変動は、ローラボディの半径方向動作ストロークによって補償することができる。

【００２２】ボーリングストリングの縦軸に平行に向いている本体上のピンのまわりにそれぞれ揺動可能にホルダが位置している。 ホルダの好ましい揺動可能性がこうして実現される。

【００２３】この設計態様は次に記載する有利な方法で更に改善される。 各ホルダは、内側に突出した半径方向突出アームを持ち、圧縮スプリングの半径方向で外側に位置するホルダを押付ける圧縮スプリングをレバーアームと本体との間に配置する方法である。 本発明によるトルクの伝達は、円周方向の摩擦による自動締まりの原理に基づいてこうして達成される。 これを実施するに当たって、この方法は、軸方向でローラボディによる自動締まりを利用しない従来型の機械機能、すなわち「フリーランニング」とは異なる。 圧縮スプリングにより発生する圧力は、トルクサポートの摩擦力をスラストの方向で可能な限り小さく維持するように設定される。 例えば、
ケリーボアロッドの使用時の穿孔において、穿孔操作時に振動運動はほとんど目立たない。

【００２４】本発明による更に別の実施態様では、次のような装置が構成される。 本体上のホルダごとにストッパを組込み、穿孔時にそのストッパに相対してホルダが存在する。 このストッパはホルダをその位置に固定する。 ボーリングストリングの回転の方向を逆にすれば、
ストッパに相対して位置するホルダのレバーアームはストッパから離れて摺動し、このため機構の自動締まり作用は開放される。 この結果として、ドライブ、例えば、
ポンプは許された一つの回転方向でロックされるだけである。 更に、この設計形式では、トルクサポートは上方移動の前にボーリングストリングの短い逆回転により締め圧力（bracing strain）から開放される。

【００２５】ローラボディがスイングしてもよい最大許容直径を設定するために、本発明によるトルクサポートは更に改善されている。 調整機構が各ストッパで備えられ、それによりそれぞれのホルダのスイングは穿孔時に設定することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図1によれば、本発明によるボーリング装置１０は、ポンプ機構１１を備えている。 これには、図示した実施態様において、地面２１において準備された地面ボアホール２０内に存在するある点で、ケリーボーリングロッドであるボーリングストリング１３
が取付けられている。 ボーリングストリング１３に接して、ボーリングツール１４もポンプ機構１１の下に取付けられている。 図示した実施態様において、ボーリングツール１４は、地面掘削のためのローラビット２２を有する円筒形コアボーリング管として設計されている。

【００２７】流体管路１２は、ポンプ機構１１からヘッドエンドに配置されたローラビット２２までボーリングツール１４に沿ったチャンネル１９を経由して導かれている。 ローラビット２２は、矢印Ｐ２で通り方向を示した流体のフローによって穿孔屑２４をパージされる。

【００２８】穿孔屑２４は矢印Ｐ３とＰ４で示すように、ボーリングストリング１３に平行なボーリングツール１４に取付けられた管２５を経由してボーリングツール１４上のタンク２６に向け運び上げられる。 穿孔屑２
４は、地面ボアホール２０からボーリングツール１４を抜き出す間にそこから除去することができる。

【００２９】ボーリングツール１４の周辺でのローラビット２２と吸込管２５の配置は、図４によって図示できる。

【００３０】ポンプ機構１１の構造と機能を図１、図２
および図３によって更に説明する。 ポンプ機構１１の回転子として、ボーリングストリング１３に対してキャリア１６を回転させないように取付けられているホース１
５を使用する。 ホース１５は、一定距離で本質的に部分円形状にボーリングストリング１３を取囲んでいる。 ホース１５の出口１８は下方に向いており、流体管路１２
に接続している。 これに対して、ホース１５の入口１７
は、ボアホールから離れる方向で上方に向けられ、矢印Ｐ１の方向で流体を輸送する。 流体は空気またはパージ用液体であってもよい。

【００３１】ホース１５中にフローを起こすために、ベアリング装置３１から半径方向に外側に延びる２つの固定子アーム３２を有するポンプ固定子３０が備えられている。 ２つの固定子アーム３２の自由端には、柔軟ホース１５に相対して、当該柔軟ホース１５を押付けるローラ３３がそれぞれ配置されている。 ローラ３３は、ボーリングストリング１３の縦軸に平行に配置されると共に固定子アーム３２に位置するシャフトによって回転可能である。

【００３２】ポンプ固定子３０は、ベアリング装置３１
によってボーリングストリング１３に沿って位置し、回転可能にするが、軸移動は起こさない。 ポンプ固定子３
０は、地面ボアホール２０の壁２７に相対して支持されており、ベアリングスリーブ３１から半径方向に外側に延びている互いに直角に配置された４つのホルダ４１を有するトルクサポート４０によって前記壁による回転を防止されている。 穿孔操作の深さの進行に合わせて地面ボアホール２０中のトルクサポート４０とポンプ固定子３０を軸方向に移動させるために、ローラボディ４２が４つのホルダ４１の自由端上に配置され、ローラボディ４２はそれぞれ、水平に向いたシャフト４３のまわりで回転可能である。 更に、ホルダ４１は、それぞれのスプリング機構４４によって半径方向に移動可能とし、地面ボアホール２０の直径の変動を補償することができる。

【００３３】こうして支持されたポンプ固定子３０とポンプ回転子としてボーリングストリング１３と共に回転するホース１５の間に相対的な運動がある。 このために、固定子アーム３２上のローラ３３は、ホースの押付けられた表面に沿って移動し、流体管路１２への出口１
８の方向にホース内部の流体を圧縮する。 このようにして、適切な流体圧が比較的遅い回転速度で本発明によって達成され、ボーリングツール１４から穿孔屑２４がパージされる。 その結果、流体圧を設けるための追加のエネルギー移動が必要ではない。 ポンプ能力を高めるために、ボーリングストリング１３の前後にもう一つ必要であれば、追加のポンプ機構１１を備えることができる。
これを達成するために、ボーリングストリング１３に合わせて適切に設計された接合部４５が有効である。 ここで、追加のポンプ機構１１はボーリングストリング１３
に簡単に取付けることができる。

【００３４】図５において、矢印Ｄで示した回転方向を有する図示した設計態様において、流体フローは、ボーリングツール１４に向かって下向きに発生している。 回転の方向を逆にすれば、図示したボーリング装置１０を用いて流体管路１２で減圧さえも導くことができ、その結果、この減圧は、流体管路１２を介してポンプ機構１
１に向かった方向で穿孔屑２４を吸い上げさせる。

【００３５】先に述べたボーリング装置１０に使用できる他の構成のトルクサポート１４０を図５から図７と組合わせて説明する。 トルクサポート１４０は、中央オリフィス１５６を通るボーリングストリング１１３に関して、ベアリング１１９によって回転するよう位置している本体１４５からなっている。 ベアリング１１９は、スラストベアリングとラジアルベアリングであり、このためボーリングストリング１１３に対する本体１４５の軸ずれは防止されている。

【００３６】本体１４５は互いに平行に配置された２枚のプレート１４６，１４７から構成されており、それらの間にはローラボディ１４２を有するホルダ１４１が取付けられている。

【００３７】本体１４５の周辺まわりに均等に配置された全３つのホルダ１４１は、ローラボディ１４２の位置において、ボーリングストリング１１３の縦軸に垂直であると共に、ボーリングストリング１１３の回転運動の方向を向いているシャフト１４３を持っている。 したがって、穿孔Ｖの方向にトルクサポート１４０を動かすために必要な力は小さくてすむ。

【００３８】ホルダ１４１は本体１４５上に位置するピン１４８を介してそれぞれ揺動可能である。 それぞれのピン１４８の軸の中心は、ボーリングストリング１１３
の縦軸からローラボディ１４２の中心まで引かれた半径方向線１４９に対して距離ｅだけ外れている共に、ボーリングストリング１１３の回転方向Ｄに対して逆方向の位置にある。 偏心距離ｅを設ける構造設計することで、
押付力と摩擦力の大きささに容易に影響を与えることができる。

【００３９】図示した設計の実施態様において、地面２
１の地面ボアホール２０へと入っている間中、中空管である壁２７とローラボディ１４２を接触させるために、
圧縮スプリング１５０を有する圧縮装置１４４を設けている。 これらは、本体１４５上で支持プレート１５１に相対した一方側で支持されると共にそれぞれのホルダ１
４１の半径方向内側に突出したレバーアーム１５２に相対した他方側で押付ける。 したがって、ホルダ１４１の一定のスプリング事前の付勢力は、自動締め作用として機能する。

【００４０】ホルダ１４１の揺動軸の最長経路を設定するため、調整機構１５３が備えられている。 これは、本体１４５にしっかりと固定したストッパ１５４とその中に位置するセットスクリュー１５５からなる。 回転方向Ｄでのトルクサポート１４０の回転時に、レバーアーム１５２は、セットスクリュー１５５に相対して押え付け、このためローラボディ１４２を有するホルダ１４１
は、それら半径方向に突出した位置で固定される。 回転方向とは逆に、ホルダ１４１は、圧縮スプリング１５０
の押付方向に相対して引張られた位置から開放される。
適切な接続装置を介して、カンチレバーは、トルクサポート１４０に取付けることができ、こうしてカンチレバーは、回転子に関してトルクを取出すための固定子の役をなす。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、ボーリングツールから穿孔屑を単純且つ省エネルギにて除去することのできるボーリング装置を得ることができる。 また、補助装置の駆動用トルクを地面ボアホール中のボーリングストリングから取出すことができるボーリング装置のためのトルクサポートを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 地面ボアホールにおける本発明によるボーリング装置の横断面図である。

【図２】 図１の断面Ａ−Ａによる断面図である。

【図３】 図１の断面Ｂ−Ｂによる断面図である。

【図４】 図１の断面Ｃ−Ｃによる断面図である。

【図５】 地面ボアホールにおける本発明によるトルクサポートに関する断片の断面図である。

【図６】 図５の断面Ａ−Ａによる断面図である。

【図７】 図５の断面Ｂ−Ｂによる断面図である。

【符号の説明】

１０ ボーリング装置、１１ ポンプ機構、１２ 流体管路、１３ ボーリングストリング、１４ ボーリングツール、１５ ホース、１６キャリア、１７ホースの入口、１８ ホースの出口、１９ チャンネル、２０ 地面ボアホール、２１ 地面、２２ ローラビット、２４
穿孔屑、２５ 管、２６ タンク、２７ 壁、３０
ポンプ固定子、３１ ベアリング装置、３２ 固定子アーム、３３ ローラ、４０ トルクサポート、４１ ホルダ、４２ ローラボディ、４３ シャフト、４５ 接合部、１１３ ボーリングストリング、１１９ ベアリング、１４０ トルクサポート、１４１ ホルダ、１４
２ ローラボディ、１４３ シャフト、１４４ 圧縮装置、１４５ 本体、１４６，１４７ プレート、１４８
ピン、１４９ 半径方向線、１５０ 圧縮スプリング、１５１ 支持プレート、１５２ レバーアーム、１
５３ 調整機構、１５４ ストッパ、１５５セットスクリュー、１５６ 中央オリフィス。

【手続補正書】

【提出日】平成１０年４月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図７】

【図６】