穿孔及び穿孔ライニングのための装置

本発明は、請求項1の導入部分に従って、岩盤又は土壌層の中にダウンザホールドリル及びライニング管の設置のために穿孔のための装置に関する。

ドリルは、従来の穿孔装置において、ライニング管の設置のために使用されており、即ち、例えば、緩い岩盤を掘削した後、掘削孔の中にライニング管を恒久的に残す場合や、水又は油等の流体を管内に導く場合などに使用されている。その穿孔装置には、シャフト又はネックを使用するダウンザホールドリルにおけるチャック内に装着される中央パイロットドリルビットが示されており、それからの衝撃がそのパイロットビットに伝達されている。制御手段は、ドリルがライニング管に対して自由に回転できるように、ドリル及びライニング管を互いに関連して案内している。通常、バヨネット連結形式の連結装置は、ドリルと制御手段との間に配置されている。その連結装置は、自由な状態のとき、ドリルを、ダウンザホールドリルと一緒にライニング管を通じて引き戻されることを可能にしている。ドリルは、ライニング管を掘削孔の中に伴って、穿孔することを意図している。ライニング管の先端に溶接されているケーシングシューは、ライニング管をドリルと共に掘削孔内に入れること、そしてドリルからライニング管への衝撃を伝えることを確実なものとしている。ドリルは、フラッシング剤を供給するための内部フラッシング通路を有し、そしてフラッシング剤と一緒に掘削くずを除去するための排出通路を有している。穿孔は、衝撃と回転動作とを組み合わせて行われる。

従来の穿孔装置における、ライニング管に対する衝撃の伝達は、ケーシングシューの後方衝撃面に作用するドリルビットの一部である前方衝撃面を通して、ケーシングシューを介して行われており、ケーシングシューがライニング管に順次伝達される断続的な軸方向の衝撃動作を開始する。この設計に伴う1つの問題は、ケーシングシューとライニング管との間の溶接のつなぎが壊れるほどに衝撃エネルギーが大きくならないように、インパクト機構の一部であるハンマーの出力パワーを制限しなければならないことである。そのため、衝撃エネルギーを伝達する前述の部分の間の溶接のつなぎがウィークポイントとなる。たとえ溶接が高品質であったとしても、ライニング管を設置するときには、衝撃エネルギーは、通常、制限される。インパクト機構が低出力になると、望ましい掘削率が得られず、ライニング管を設置するために使用される設備の全体のキャパシティもまた制限される。

さらに、加える力が小さすぎると、ドリルビットの切削能力がすぐに低下するため、ドリルビットを研磨する必要が生じるという問題も生じる。ドリルビットは、最悪の場合、オーバーヒートが生じることによって壊れる可能性がある。ケーシングシューとライニング管との間の壊れた溶接のつなぎ、又はドリルビットの切削能力のロスにより低減した掘削率を、使用者が確認する機会は制限されていること、及び問題のある設備の修理は、時間がかかり高価であることを理解すべきである。したがって、高い掘削率を得るだけでなく、ドリルビットの研磨を必要とするリスクを低減するために、従来よりも著しく高品質のハンマーパワーを備えた穿孔装置のこのタイプの駆動が可能となることが望まれている。

ドリルは、国際公開第99/34087号及び米国特許出願公開第2004/0104050号明細書から、ケーシングシューを通してパイロットビットからライニング管へ直接衝撃を伝達することにより、孔内にライニング管を入れていることが知られている。ドリルは、独国特許出願公開第4000691号明細書から、ケーシングシューとドリルの固定部分との間の相互作用を通して掘削孔にライニング管を押圧することが知られており、これらの部品は、それらの対向する接触面で回転することはできない。

したがって、本発明の第1の目的は、掘削率を大幅に向上させると同時にケーシングシューとライニング管との間の溶接のつなぎの損傷による故障のリスクを低減することができるライニング管の設置のための穿孔時の装置を実現することである。本発明の第2の目的は、インパクト機構のパワーを大幅に低下させずにライニング管の設置を行うことができる、即ち、実質的にフルパワーのハンマーでライニング管を設置することができる穿孔の装置を実現することである。本発明に係る穿孔装置は、流体駆動のダウンザホールハンマードリルで使用されることが適している。

驚くべきことに、ドリルビットの前方で効率的に水をフラッシングすることにより潤滑効果が得られ、ほぼすべての場合において、土壌層における空洞の周壁とライニング管との間の摩擦を低減することを達成し、掘削孔内にライニング管を入れるために、従来のドリルがケーシングシューを通してライニング管に加えられる衝撃力は、必要としないことが証明された。ダウンザホールハンマードリルの適切に選択された固定部分を通して伝達され得る(衝撃ではない)圧力は、ほぼすべてのケースにおいて、十分である。本発明におけるケーシングシューは、衝撃要素として機能していないので、その機能性により、ライニング管のカラー、即ちケーシングカラーとして知られている本質的において正確なものである。

本発明の2つの目的は、請求項1で特定される特有の機能及び特徴を明示している、ライニング管の設置を伴うダウンザホール穿孔のための穿孔装置によって達成される。穿孔装置は、基本的に、特別に設計されたドリルと、ダウンザホールハンマードリルとの組み合わせを含む。さらに、本発明の利点は、従属請求項によって明らかにされている。

本発明の実施形態は、以下、添付図面を参照して、より詳細に述べる。

図1は、本発明に係る穿孔時の装置の前方部分の斜視図を示している。

図2は、穿孔装置の一構成要素であるリングビットの一部は破断した斜視図を示しており、そして[シンタックス、誤記「aは何処?」]ケーシングシューがライニング管の前方端で連結され、それによってドリルの一構成要素であるパイロットドリルビットがリングビットから自由になっており、ライニング管から一定の距離後ろへ引き下がっている。

図3は、本発明に係るドリルの縦断面図を示している。

図4は、分解部品で本発明に係る穿孔装置の断片的なX線図を示しており、それにより、ドリルの一部であるインパクト機構の構成要素である部品を、明確にするという理由で除外した。

図1−4に示した穿孔装置は、2つの主要な構成要素の組み合わせであり、即ち、ライニング管を設置するためのドリル1と、DTHドリルとして知られており、図3及び図4によって最も明確に示されている水力駆動のダウンザホールハンマードリル100との組み合わせである。ダウンザホールハンマードリルは、ドリルが孔の中を降下し、そして、掘削孔の底でドリルビットが直接作業する点でトップハンマーと異なる。ダウンザホールドリルは、通常、単独で衝撃機能を実行するため、ドリルストリングの回転及び送りは、孔の外部にある装置を用いて行われる。ダウンザホールハンマードリルの一例として、商品名Wassara(登録商標)で市販されており、他の文献、スウェーデン特許第526252号(SE526252)の中で述べられている水力駆動型モデルを参照することができる。

以下で述べられているドリル1は、本質的には既に知られている。この部分においては、本発明が、複数の異なる種類の既知のドリルに適用することができるものであり、例示の目的で以下で述べられている種類のものだけでなく、そしてこれを取り囲むリングビットを備えた中央パイロットドリルビットを示すものだけではなく、利用可能な偏心システムの種類にも適用できることは理解されるべきであり、その偏心システムは、リングビットをなくし、放射状に延びることができるスペーサを使って作業し、ドリル及びライニング管を相互に案内するために、ドリルビットとライニング管との間で作動する分離制御手段を備えるものである。

図1及び図2を参照すると、本穿孔装置の構成要素であるドリル1が示されており、ドリルは2つの部分から構成されており、そのうちのドリルビットは、破砕手段を備えている。これらの破砕手段は、耐摩耗性を有する硬い金属又は他の材料のインサートによって構成されており、岩盤を破砕するタスクを有する。粉砕手段は、ドリルビットの端面に存在する窪みに固定されている。ドリル1は、中央パイロットドリルビット2と、これを取り囲むリングビット3と、を含んでおり、各ビットは幾何学的中心軸に対して回転対称である基本形状を有するとともに、それらは先端と後端とを含み、ビットは、それらを分離可能な方法で連結装置によって互いに連結されており、バヨネット連結で設計されているその連結装置は、掘削孔が完成したとき、パイロットビットをリングビットから自由にし、掘削孔から引き出すことが可能となる。

図2及び図4が明確にしているように、パイロットビット2は、中心軸Cと同心であって、先端9と後端10との間を延びる円筒面8と回転対称である基本形状を有している。先端は、中央の平端面11だけでなく、それを取り囲む円錐端面12を含む。リング状のバルジ又はガードル13は、先端から一定の距離で形成され、ガードルは、前方と後方のリング状端面14、15によって軸方向に制限されている。図3の左側の詳細な拡大図によって明らかにされているように、前方のリング状面14は、リングビットで、対応する衝撃面14bと相互に作用することが意図される衝撃面14aが形成されている。パイロットビット2が、穿孔中に、図1における矢印Rの方向に回転することが意図されている。

図2及び図4によって明らかにされているように、リングガードル13は、3つの通路21によって分断されており、それらの通路はリングガードルの周囲に均等に配置され、その外周を分割している。

パイロットビット2は、直方体の形状を有するフックの基本形状を本質的に備えるL字型の突起として形成された3つのキャリアを有しており、これらのキャリアは、表面8の周囲に均等に配置されている。キャリア24は、第1部分24aを示しており、第1部分24aは、パイロットビットの長手方向軸に沿って延び、横方向の第2部分24b内のパイロットビットの先端9で終端する。この横方向の第2部分24bは、バヨネット連結内で機能するフックを形成している。各キャリア24は、2つの側面26、27、及び外面と一緒に、パイロットビットの先端9の一部を形成する先端表面を含む。図1の参照文字Aは、回転によって変位したリングガードル13内の通路21に関するキャリア24が外周周りに変位した場合の円弧範囲を表している。

図3によって明らかにされるように、パイロットビット2の後端10は、内部にフラッシング剤のための通路の一部を形成するホール31を開口しており、その通路は、パイロットビットの先端で、2つの隣接するキャリアと、端面11に開口する通路の第3部分32cとの間で、パイロットビット3の表面に開口する通路の2つの半径方向部分32a、32bを含む。

図1を参照すると、フラッシング通路の部分32cが、パイロットビットの平端面11に開口しており、供給されたフラッシング水が開口32cから面11全体に散布されることが明らかにされている。

図1及び図4を参照して、リングビット3は、パイロットビット2と同様に、中心軸Cと同心であり、わずかに円錐状である面37を含むことによって、回転対称性を有する基本的な形状を有し、それとともにリングビットの先端及び後端を形成する2つの対向するリング状面38、39を有する。参照符号40によって示されている1つの内面は、円筒形である。円錐形の端面41は、平面リング状の先端面38の外側に配置されている。図1及び図2は、硬い金属のインサートの形式の破砕手段が、平端面38と円錐状端面41との両方にどのように設けられているかを示している。図3及び図4のドリルにおいては、明確にする理由から前述した破砕手段を表していないことに留意するべきである。

図4に示すように、面37によって覆われている前方材料部分42は、後方材料部分43よりも大きい直径を有する。環状溝45は、これらの材料部分の間の面44に、このように形成されている。内面40の複数の凹部がリングビット3の内部に形成されている。より具体的には、120°で分割した3つの第1溝46は、凹部として形成されており、溝はリングビットの先端及び後端との間を軸方向に延びている。これらの溝46は、それぞれの前方でそれぞれポケット47内に移行する。ポケット47は、関連する溝から側方に拡がっており、中心軸Cに直交する底面(図示せず)によって部分的に制限されているとともに、軸方向の接触面(図示せず)によって部分的に制限されている。溝46及びポケット47は、キャリア24a、24bとともに、前述の冒頭において述べたバヨネット連結を形成している。

第2溝50が、隣接する第1溝46の間の領域に形成されており、第2溝は、第1溝と同様に、120°で分割して、リングビットの先端と後端38、39との間で軸方向に延びていることにさらに留意すべきである。そのようなそれぞれの第2溝50は、リッジ又は分割壁51を用いて隣接する第1溝46から分割されており、その内面は、リングビットの内面40の一部を形成している。さらに、肩の特徴を有する部分は、リングビット3の後方平端面39のより小さい直径を有しており、パイロットビット2での衝撃面14aがリングビット3での衝撃面14bと相互作用するように意図されている。

特に図4を参照すると、ケーシングシュー4は、それぞれが円筒形であって中心軸Cと同心である前方及び後方の面53a、53bと回転対象である基本形状を含む。ケーシングシューは、リング状端面54、55の形態で先端と後端との間を延びている。表面の前方部分53aは、後方部分53bの直径よりも大きい直径を有する。やや大きい内径を有する溝状の凹部57は、ケーシングシュー4の円筒状の内面56上に形成されている。より小さい直径を有する、ケーシングシュー4の後端53bは、軸方向の長さと、外径とを与えられており、それらは参照符号58によって示されたライニング管の内径に対して選択されており、後方部分が、筒状接続片として設計されており、ライニング管の前方部分の内側に嵌合して塞ぐことができ、接触面59aは、ライニング管58の中心軸Cに向かって突出するように半径方向に延び、対向する接触面59bとして機能するダウンザホールハンマードリルの固定部分と相互作用するように意図されて、形成されている。前方部分53aと後方部分53bとの間の遷移は、ケーシングシュー4とライニング管58の先端との間で溶接接合するための凹部53cを形成するために、円錐形であることに留意すべきである。図3の詳細な右側拡大図で明らかなように、筒状接続のケーシングシュー4のリング状の後端面55は、ライニング管の下部に同心円状に配置されたダウンザホールハンマードリル100の固定部分(パーカッシブ部分ではない部分)と相互作用するように意図された軸方向接触面59aを形成しており、固定部分は、この場合、ダウンザホールハンマードリルの先端に配置されたドライバチャックシース112によって構成されている。しかし、例えば、機械のハウジング又はダウンザホールハンマードリルの後方部分などの任意の他の適切な部品によって構成することもできる。本発明のこの部分については、以下でより詳細に説明する。

本穿孔装置は、その組み立てられた状態で図3に示されており、それによって、中央に向かって半径方向に向けられ、小さくされた内径を備えるリング状突起56が、ケーシングシュー4の先端面54と、溝の形状を有する凹部57の前方の軸方向制限壁との間で制限される。このリング状突起56は、リングビットの面44内に形成された円周溝45に嵌合して配置され、これらの部分は共に、参照符号5で一般的に示される、ドリルと、互いに関連するライニング管とを案内する制御手段を形成する。したがって、リング状突起56及び溝状凹部57は共に、制御手段5を形成し、ケーシングシュー4がリングビット3を軸方向に共に動き、ケーシングシューに対してリングビットが回転できるようにしている。言い換えれば、制御手段5は、パイロットビット2及びリングビット3を構成するドリルと、互いに関連する管をライニングするライニング管と、を案内することを可能にしている。円周溝45の軸方向幅は、ケーシングシュー4とリングビット3とが互いに軸方向に共に動くように適合されているが、ケーシングシュー4に対してリングビット3が自由に回転することが可能である間、ケーシングシューは基本的にパイロットビット2が互いに作用する衝撃面14a、14bを介してリングビット3に及ぼす衝撃によって影響を受けない。円周溝45の幅とリング状突起56の幅とは、互いに相互に適合し、リングビット3が、前述した障壁の影響の下、衝撃の振幅よりもやや大きい特定の距離をケーシングシューに対して軸方向に移動できるようになっており、例えば、リング状突起56が円周溝45に対して、ある程度自由に移動することが提供されている。リング状突起56及び円周溝45は、リングビットとケーシングシューとを円周方向でなく軸方向にのみを一体化しているので、リングビット3がケーシングシュー4に対して自由に回転することができる。

冒頭で述べられたように、本穿孔装置は、一般的な参照符号100を付されているダウンザホールドリルを使用している。

図3によって最も良く明らかになっているように、パイロットビット2のネック2aが前述したダウンザホールドリルの構成要素であるチャック内に保持する形式で配置されており、チャックは、ライニング管58内に同心円状に配置されている。ダウンザホールドリル100は、従来の形式で、機械ハウジング管111を備えた機械ハウジング、例えば、パイプに螺刻されたねじを介して機械ハウシング管の先端に固定されたドライバチャック112、及びドリルストリングアダプタ(図示せず)の形式の後端片、好ましくは、内部にねじ込まれることにより機械ハウジングパイプの後端に取り付けられている後端片を示している。接続されたドリルロッドから形成されたドリルストリング(図示せず)は、公知の方法で端片に固定することができる。したがって、ダウンザホールドリル100のドリルストリングは、軸方向に、かつ接続されたライニング管のストリングの内部に同心円状に延在する。ドライバチャック112は、パイロットビット2のネック2aを保持している。ネック2aは、ドライバチャック112に対するスプライン連結118と、スプラインを有さない部分119とを備えている。リング120は、ブッシング112と機械管111との間でクランプされ、ドリルビットが抜け落ちることを抑制している。リング120は、軸方向にそれを取り付けることができるように分割される。したがって、パイロットドリルビット2は、ブッシング112の端に対して支持するヘッド2cとともにそれが示されている後端位置と、ネック2aのスプラインの後方部分21がリング20上にある前方位置との間で軸方向に移動することができる。パイロットドリルビットは、フラッシング流体を供給するため、そのネック2aからビットの先端へ通過する中央フラッシング通路31を有する。

図3を続けて参照して、機械ハウジング管111の先端が従来の形式で雌ねじ111aとともに提供され、ドライバチャック112の後方部分が対応する雄ねじ112aとともに提供され、ドライバチャックは、ねじ止めによって機械管111の先端に固定できるようになっている。ドライバチャック112は、リング状面、ライニング管の内径に適合された外径、及びライニング管58の内面と共にスライド可能な方法で表面が接触できるように選択された軸方向への広さ、を定義するフランジのような前方の半径方向延設部112bを示しており、このような方法において掘削孔の外側に配置された穿孔設備を用いて従来の方法で行うドリルストリングの回転及び送りの影響によって、回転され、ライニング管内に軸方向に配置される。したがって、中心Cから半径方向外側に向けられたドライバチャック112のフランジ112bは、掘削孔の底に向かって軸方向に向けられた接触面59bを形成しており、接触面は、ライニング管58の内部とケーシングシュー4の筒状接続部の一部として設けられた半径方向接触面59aと接触するように意図されている。ピストン127は、ドリルビット2の後方に配置されており、ピストンは、外側チューブ111の軸方向内部において前後に変位させることができる。ピストン127は、軸方向に延びる掘削くぼみが設けられており、それは、フラッシング剤のための中央通路31aを形成しており、フラッシング剤の流れがパイロットビット2の開口に向かう。パイロットドリルビット2のネック2aとドライバチャック112との間の回転伝達は、シャフトの外面とドライバチャックのキャビティの壁との双方にある前述のスピンドルを用いて達成される。掘削くずとともにフラッシング剤を排出及び除去するために、半径方向に延びるドライバチャック3のフランジのような部分112bは、軸方向に向けられた一連の通路112cによって貫通されており、掘削の形式の通路は、その部分の円周の周りに均等に配置され、外周において分けられている。ダウンザホールドリルの機械管ハウジング111の外面であって、接続されたドリルロッドから形成されたドリルストリング(図示せず)の一端での外面と、ライニング管の内面との間で、リング状通路34は、掘削孔から掘削くずが流れ出るのを導くために制限されている。掘削孔の回転装置外側の作用を通して、回転動作が機械管ハウジング111に伝達されるドリルストリングに伝達される。ドライバチャック112は、回転動作をドリルビット1に伝達し、これがそれぞれの衝撃に関連した所定の回数を回転するようにしている。

穿孔装置は、部品が分離されたX線ビューで図4に示されている。特に、図は、ケーシングシュー4がライニング管の先端に溶接されることが意図されていること、及びドライバチャック112が、ドリルの機械ハウジング管111に取り付けられ、固定されていることを明確にしている。さらに、図は、中央パイロットドリルビット2及びリングビット3が、ある方法で接続できることを示しており、その方法は、穿孔が完成したとき、パイロットビットをリングビットから自由にし、油圧ドリルと一緒に掘削孔とライニング管とから引き抜くことができるバヨネット連結を用いてそれらを分離可能にする方法である。

上述したライニング管を設置するための穿孔装置は、以下のやり方で機能する。

ライニング管を岩盤又は土壌に設置する目的で穿孔する場合、まず、関連するライニング管58は、溶接によってケーシングシュー4と一体化されている。次の工程において、リングビット3がケーシングシュー4に接続される。ドリル100は、次の工程で、ドリルの機械ハウジング管111の先端に固定されたドライバチャック112と、ドリルの構成要素であるチャックに挿入されるような保持方法で接触させられたパイロットビット2のネック2aと、によって準備される。最終工程において、リングビット3は、パイロットビット2に接続される。これは、ライニング管58に挿入されたドリル100と、軸方向に挿入されたパイロットビット3のキャリア24とを通して行われ、それらがリングビットの先端でポケット47の高さに配置される。その後、パイロットビットは、工具の回転Rの方向に回転し、キャリア24での駆動面26がポケット47の一部である接触面49と接触するようになっている。この状態におけるドリルは、すでに掘削作業の準備ができている。したがって、ドリルは、ライニング管58内に挿入され、同心円状に配置されている。

掘削は、衝撃と回転動作の組み合わせを通して行われ、岩盤がドリルビットの破砕手段によって破砕される。より具体的には、衝撃は、パイロットビット2の破砕手段へ直接伝達され、パイロットビットの影響によって衝撃面を通してリングビット3の破砕手段に部分的に伝達される。ケーシングシュー55のリング状の下部端面55が、ダウンザホールハンマードリルのドライバチャックによって構成される固定部分59b(衝撃を与えない部分)と接触する接触面59aを形成するので、ライニング管は、そのドライバチャックを通してドリルと共に掘削孔に入れられる。パイロットビットとリングビットとの間での衝撃動作の伝達は、ケーシングシューの影響を全く受けずに行われ、ケーシングシューは、必要な自由度を有してリングビットに沿って軸方向に移動でき、ケーシングシューの半径方向内側に面する突起56と、リングビット3の面における円周溝44との接触を通して案内されるとともに接続される。ケーシングシュー、及びライニング管に対するリングビットの回転は、リングビットの構成要素である破砕手段を断続的に変位させるためにリングビットがパイロットビットに一緒に付いてくることを必要としており、その回転はリングビットのポケット47との接触で保持されるキャリア24を用いて行われる。

掘削中に、キャリア24がポケット47に相互に作用するとき、フラッシング水及びそれに伴う掘削くずは、リングビット3の内面におけるチャンネル50によって一方の側が制限されると共に、パイロットビット2の面8によって他方の側を制限する通路を通って排出される。この位置におけるチャンネル50は、軸方向に配置され、パイロットビット2上のリングガードルを通って後方通路21に位置合わせされる。これは、ドリルを通るフラッシング水の流れが第2チャンネル50の形での通路を通って行われることを意味し、それは第1チャンネル46から分離されており、ロックされた駆動条件におけるバヨネット連結のキャリア24の用途に必要とされる。つまり、汚染された水のそれぞれの流れは、チャンネル50と、リングガードル13内の軸方向の後方通路21とを通って直線状に導かれる。パイロットビット2がリングビット3から自由になり、掘削孔から引き出される場合、掘削孔が完成したとき又は監視及びモニタリングを行わなければならないとき、パイロットビットは、回転の方向Rと反対の方向の円弧範囲で回転させられる。キャリア24は、この方法において、チャンネル46に沿った位置に配置され、これらを通って後方へ引き抜くことができるとともに、更に掘削孔に残るライニング管58からダウンザホールドリル100とともに引き抜くことができる。

本発明の重要な利点は、ハンマー機構からの衝撃の力が、基本的にバヨネット連結のキャリア24を通ってパイロットビット2からリングビット3へのみ伝達されることである。したがって、ケーシングシュー4には、原則的に衝撃が及ばない。その代わりに、ライニング管58が、本発明の場合においてドリルのドライバチャック112によって構成される固定部分を通るドリル100を伴った状態で掘削孔に入れられる。インパクト機構からの衝撃を受けないケーシングシュー4とライニング管58との間で溶接接合することによって、ドリルは、実質的にフルパワーで駆動することができ、掘削率の増大及び全体のキャパシティの著しい向上にも寄与する。ドリルビットの前方のフラッシング水によって、潤滑効果が得られるため、先行技術の装置と同様に駆動するためにケーシングシューを通じて加えられるパーカッシブ力が必要ない程度まで、キャビティとライニング管との間の摩擦を低減しており、ダウンザホールドリルのドライバチャックとの接触を介してライニング管に加えられる圧力(パーカッションではない)の力で十分である。

本発明は、上述されたもの及び図面に示されたものに限定されるものではなく、それは添付の特許請求の範囲によって定義された革新的な概念の範囲内で、いくつかの異なる方法で変更および変形が可能である。