충격식 드릴 공구를 위한 드릴 로드

충격식 드릴 공구를 위한 드릴 로드{DRILL ROD FOR PERCUSSION DRILL TOOL}

본 발명은, 다운-더-홀 해머(down the hole hammer)를 포함하는, 충격식 드릴 공구와 같은 유체-동력형(fluid-powered) 장치, 그리고, 특히, 액체-동력형 다운-더-홀 해머를 위한 드릴 로드에 관한 것이다.

다운-더-홀(DTH) 충격식 해머를 이용하여 고강도 바위 내에 홀을 드릴링하는 것은 잘-확립된 기술이다. 매우 다양한 드릴링 적용예를 위한, 상용(常用)의 다양한 그러한 해머가 있다. 이러한 일반적으로 이용되는 해머의 사실상 모두가 "개방 회로" 디자인이고, 그러한 개방 회로 디자인에서, 가압 유체를 이용하여 에너지를 해머로 전달하고 이어서 그 유체는, 일단 충격 메커니즘으로부터 배출된 후에, 드릴 컷팅(cutting)을 드릴링되는 홀로부터 플러시하기(flush; 씻어 내기) 위해서 이용된다. 공기는 그러한 해머에서 가장 일반적으로 이용되는 유체이고, 대부분의 경우에, 매우 적합한 플러싱 매체이다. 그러나, 그러한 공압식으로 동력을 받는 해머는, 특히 작은 직경의 홀을 드릴링할 때, 에너지 비효율적이고 종종 성능 제약을 받는다.

에너지 효율 및 성능을 개선하기 위한 노력에서, 액체-동력형 해머가 개발되었다. 이는 개방 회로 물 동력형 디자인 및 드릴링 "머드(mud)"로 공지된 특별한 유체를 이용하는 디자인 모두를 포함한다. 이러한 액체-동력형 디자인은, 에너지 효율 및 성능 모두와 관련하여, 공압식 디자인 보다 우수한 상당한 장점을 나타냈다. 그러나, 액체 동력형인 경우에도, 개방 회로 디자인의 많은 수의 단점이 존재한다.

제1 단점은, 플러싱 유량 대 충격 메커니즘 유량의 독립적인 제어가 없다는 것이다. 최소의 플러싱 유량이 충격 유량이다. 그러나, 홀을 효율적으로 플러시하는데 필요한 유체 유량이 충격 메커니즘을 효율적으로 구동하는데 필요한 것과 크게 상이할 수 있을 것이다. 2개의 요건들 사이에 큰 차이가 있을 때마다, 에너지가 낭비될 것이고 및/또는 해머 성능이 손상될 것이다.

다른 단점은, 해머를 구동하기 위한 유체의 선택이, 충격 메커니즘을 구동하는 것 및 홀을 플러시하는 것 모두에 적합한 것으로 제한된다는 것이다. 이는, 거의 항상, 양 목적을 위해서 최적이 아닌 유체의 이용을 초래한다. 예를 들어, 오일은, 넓은 작업 온도 범위 그리고 양호한 윤활 및 부식-방지 성질을 가짐에 따라, 충격 메커니즘을 구동하는데 있어서 바람직한 유체이다. 그러나, 명백한 환경적 및 경제적 이유로, 오일은 드릴링된 홀을 플러시하는데 있어서 적합하지 않다. 다른 한편으로, 물은 홀을 플러시하는데 있어서 적합할 수 있을 것이나, 일반적으로 충격 메커니즘에서의 이용에 있어서 좋지 못한 선택이 된다.

개방 회로 시스템의 추가적인 단점은, 해머를 구동하기 위해서 선택된 유체가 많은 양으로 이용될 수 있어야 하거나, 드릴링된 홀을 빠져나간 후에 재순환되어야 한다는 것이다. 이러한 것은 많은 드릴링 적용예에 대해서 상당한 단점이 되는데, 이는 드릴 리그(rig)가 적절한 신선(fresh) 유체의 공급부로 연결되어야 하거나 드릴 리그가 복잡한 유체 포집(capture) 및 여과 시스템을 이용하여야 하기 때문이다. 대부분의 상황에서, 양자 모두가 요구되며, 그에 따라 그러한 리그의 이동성(mobility)을 상당히 감소시킨다.

액체-동력형 해머의 성능 및 에너지 효율의 장점을 유지하면, 이러한 단점을 극복하기 위한 노력에 있어서, "폐쇄-회로" 원리로 동작하는 해머가 제시되었다. 이러한 디자인에서, 플러싱 유체 유동이 해머를 구동하기 위해서 이용되는 압력 유체 유동으로부터 분리된다. 압력 유체는, 드릴링되는 홀 내로 배출되지 않고, 복귀 유체 유동으로서, 재사용을 위해서 원동기(prime mover)로 직접적으로 복귀된다. 이러한 배열의 많은 장점이 존재한다.

제1 장점은, 플러싱 유동 및 압력 유체 유동이 독립적으로 제어될 수 있다는 것이다. 다른 장점은, 기체 플러싱 매체를 이용하는 조합을 포함하여, 충격 유체 유동 및 플러싱 냄 유체 유동의 각각을 위해서 적절한 유체가 선택될 수 있다는 것이다. 대부분의 경우에, 바람직한 조합이 오일/공기일 것이고, 또는 일부 적용예에서, 오일/물일 것이고, 그 양자 모두가 수압식(hydraulic) DTH로서 지칭된다. 추가적인 장점은, 깨끗한 플러싱 유체가 충분한 양으로 이용될 수 없는 경우에, 개방 회로 디자인의 엄격한 청정도 요건이 없이, 유체가 재순환될 수 있다는 것이다. 또 다른 장점은, 드릴 리그 이동성이 개선된다는 것인데, 이는 큰 신선 유체 공급부 또는 재순환 시스템이 요구되지 않기 때문이다.

그러나, 그들의 장점에도 불구하고, 폐쇄 회로 액체-동력형 해머가 오늘날까지 일반적으로 이용되지 않고 있다. 이에 대한 주요 이유는, 그러한 해머로 공급하기 위해서 요구되는 드릴 로드가 복잡하기 때문이고 그리고 많은 수의 요건을 충족시켜야 하기 때문이다. 첫 번째로, 드릴 로드는 연결시에 압력, 복귀 및 플러싱 유체를 위한 3개의 구분된(discrete) 유체 유동 경로를 동시적으로 생성하여야 하고, 동작 중에 여러 유동 경로들 사이에서 신뢰 가능하게 밀봉을 하여야 한다. 또한, 로드가 전형적인 드릴링 환경에서 적절한 서비스 수명을 제공할 수 있을 정도로 반드시 강건하여야 한다. 수압식 해머에서 즉, 충격 유체가 오일인 해머에서 이용하기 위한 드릴 로드의 경우에, 드릴 로드는, 분리되었을 때, 누설이 없이, 작업 유체를 내부적으로 저장할 수 있어야 하고, 연결되거나 분리되는 동안에 상당한 양의 작업 유체의 손실이 없어야 한다. 로드는 또한 사용 중에 모두 3개의 유체 유동에 대한 최소 한정(restriction)을 제공하여야 하는데, 이는, 연속적인 드릴 로드들 사이의 압력 손실이 과다한 경우에, 해머의 에너지 절감 특징이 그 효과를 상실하기 때문이다.

유럽 특허출원 공개 제0 571 346호는, 액체 구동형 다운-더-홀 드릴과 함께 이용될 수 있는 3개의 동축적인 관을 가지는 드릴 스트링 구성요소를 개시한다. 3개의 관은 해머의 동작을 위해서 요구되는 3개의 유동을 반송한다. 로드들이 연결되는 동안에 유동들 사이의 교차 누설을 중단시키도록, 인접한 로드들의 관들 사이에 밀봉 배열체가 존재한다. 그러나, 인접한 로드들이 일단 분리되면 작업 유체를 저장하기 위한 것이 제공되지 않으며, 이는 본 문헌에서 개시된 드릴 로드가 수압식 DTH에 적합하지 않게 한다.

독일 특허 제DE 40 27 414호는, 분리 시의 유체 손실을 방지하기 위해서 밀봉 배열체를 가지는 동심적인-스타일의 드릴 로드를 개시한다. 그러나, 그러한 디자인은, 압력 유체 경로 및 복귀 유체 경로를 각각 밀봉하기 위한, 로드 연결부의 각각의 절반 내의 2개의 이동 부분을 필요로 한다. 이는 수압식 구성요소들 사이의 연결의 강도를 감소시켜, 그들의 신뢰성에 유해한 영향을 미친다. 또한, 수압식 구성요소가 외측 관 내에서 완전히 둘러싸이지 않으며, 이는 그러한 구성요소가 손상에 대해서 민감하게 한다.

국제특허출원 공개 제WO 96/08632호는, 로드 연결부의 각각의 절반 내의 하나의 이동 부분을 가지는 나란한(side-by-side) 유체 경로들을 가지는 드릴 로드를 개시하며, 여기에서 수압식 연결부는 외측 관에 의해서 완전히 둘러싸인다. 이는 또한, 로드들이 탈착될 때 수압식 유체 전달 경로를 폐쇄하고 로드들이 서로 연결될 때 그 경로를 자동적으로 개방하는 폐쇄 수단을 포함한다. 그러나, 그러한 디자인은 수압식 구성요소의 매우 긴 결합 길이를 가지고, 구성요소들이 결합될 때 구성요소의 동심성 및 각도 정렬을 보장하는 적절한 수단을 가지지 않는다. 이러한 단점은, 구성요소들이 결합될 때 연결부 내의 밀봉부가 포트 위를 쓸고 지나가고, 그에 의해서 연결의 신뢰성을 감소시킨다는 사실에 의해서 추가적으로 확대된다. 매우 춥거나 매우 더운 기후 조건에서, 연결부는, 허용되지 않는 여러 구성요소의 상이한 열 팽창의 부정적인 효과에 노출된다. 또한, 연결부의 각각의 절반 내에 단지 하나의 이동 구성요소만이 존재하는 한편, 하나의 절반 내에서 이는 가장 내측의 구성요소이고, 다른 절반 내에서 이는 둘러싸는 구성요소이다. 이는, 동작 중에 연결부에 걸친 압력 손실이 용인 가능한 한계 내에 있도록 보장하기 위해서 충분한 개방 면적을 유지하기 어렵다는 것을 의미한다.

본 발명의 양태에 따라서, 유체-동작형 장치를 위한 드릴 로드가 제공되고, 그러한 드릴 로드는:

제1 단부에서의 제1 연결 인터페이스 및 제2 단부에서의 제2 연결 인터페이스로서, 제1 연결 인터페이스가 드릴 로드를 유사한 드릴 로드의 제2 연결 인터페이스로 또는 장치로 연결하기 위한 것이고, 제2 연결 인터페이스가 드릴 로드를 유사한 드릴 로드의 제1 연결 인터페이스로 또는 유체 전달 디바이스로 연결하기 위한 것인, 제1 연결 인터페이스 및 제2 연결 인터페이스;

드릴 로드를 통한 복수의 구분된 유체 유동 채널;

제1 연결 인터페이스 내에 이동 가능하게 장착되는 제1 부재;

제2 연결 인터페이스 내에 이동 가능하게 장착되는 제2 부재를 포함하는 드릴 로드에 있어서;

제1 이동 가능 부재가 제1 연결 인터페이스 내의 최내측 구성요소이고, 제2 이동 가능 부재가 제2 연결 인터페이스 내의 최내측 구성요소이며, 드릴 로드가 유사한 드릴 로드로 또는 장치로 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 단지 제1 및 제2 이동 가능 부재의 이동에 의해서 적어도 2개의 유체 유동 채널이 유사한 드릴 로드 또는 장치 또는 유체 전달 디바이스의 상응하는 채널과 유체 연통되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

본원에서 이용된 "최내측"이라는 용어는, 이동 가능 부재의 각각이 드릴 로드의 중심선에 가장 근접한 그 각각의 연결 인터페이스 내의 구성요소라는 것, 즉 다른 구성요소가 이동 가능 부재 내에 배치되거나 수용되지 않는다는 것을 나타낸다.

일 실시예에서, 제1 연결 인터페이스가 암형(female) 연결 인터페이스이고, 제2 연결 인터페이스가 수형 연결 인터페이스이다. 대안적인 실시예에서, 이러한 배열이 반전될 수 있을 것이다. 본 발명의 드릴 로드는 수압식 다운-더-홀 해머와 같은 유체-동작형 충격 드릴 공구와 함께 이용하기에 이상적으로 적합하나, 원격적으로 동작할 필요가 있는 임의의 다른 유체-동력형 디바이스와 함께 또한 이용될 수 있을 것이다. 유체 전달 디바이스가 또한 회전 디바이스일 수 있을 것이다.

이러한 배열의 장점은, 이동 가능 부재를 드릴 로드의 중심선을 따라서 위치시키는 것에 의해서, 적어도 2개의 유체 유동 채널이 유체 연통되게 배치되도록 인접한 드릴 로드들이 연결될 때, 유체가 가능한 한 드릴 로드의 중심선에 근접하여 유동한다는 것이다. 이는 유지하고자 하는 드릴 로드의 최대 강도를 허용하는 한편, 유체가 통과하여 유동할 수 있는 지역을 또한 최대화하며, 그에 따라 압력 손실을 최소로 유지한다.

특정 실시예에서, 드릴 로드가 유사한 드릴 로드로 또는 장치로 연결될 때, 드릴 로드의 축방향(길이방향)으로 이동 가능 부재들 사이의 중첩이 실질적으로 존재하지 않는다.

이는, 예를 들어, 제1 및 제2 이동 가능 부재의 어느 것도 그 중 다른 것(the other)의 내부에 수용되지 않는다는 것 또는 축방향(길이방향)으로 그 중 다른 것과 중첩하지 않는다는 것을 의미한다. 바람직한 실시예에서, 제1 이동 가능 부재가 실질적으로 평면형인 단부 면을 가지고 제2 이동 가능 부재가 실질적으로 평면형인 단부 면을 가지며, 드릴 로드가 유사한 드릴 로드 또는 장치로 연결될 때, 평면형 단부 면들이 서로 경계를 접한다(abut).

이러한 배열의 장점은, 이동 가능 구성요소들 사이에 중첩이 없기 때문에, 이동 가능 구성요소에 의해서 취해지는 드릴 로드의 횡단면 면적이 최소화되고, 그에 의해서 개방 면적(즉, 유체가 통과할 수 있는 면적)이 최대화될 수 있게 한다는 것이다. 이는, 각각의 연결 인터페이스에서의 압력 손실이 최소로 유지될 수 있게 보장한다.

실시예에서, 제1 이동 가능 부재가 제1 연결 인터페이스 내에서 편향적으로(biasedly) 장착되고 제2 이동 가능 부재가 제2 연결 인터페이스 내에서 편향적으로 장착되며, 그에 따라 드릴 로드가 유사한 드릴 로드로부터 또는 장치로부터 또는 유체 전달 디바이스로부터 분리될 때, 적어도 2개의 유체 유동 채널이 제1 및 제2 이동 가능 부재에 의해서 밀봉된다. 그에 따라, 드릴 로드가 로드의 제1 단부에서 유사 드릴 로드 또는 유체 동작형 장치로부터 분리될 때, 적어도 2개의 유체 유동 채널이 제1 이동 가능 부재에 의해서 밀봉된다. 드릴 로드가 로드의 제2 단부에서 유사 드릴 로드로부터 또는 유체 전달 디바이스로부터 분리될 때, 적어도 2개의 유체 유동 채널이 제2 이동 가능 부재에 의해서 밀봉된다.

이러한 배열의 장점은, 드릴 로드가 분리될 때, 각각의 드릴 로드 내에 수용된 유체가 그 내부에서 저장되고, 그에 의해서 분리 시에 유체 손실을 방지한다는 것이다.

발명의 실시예에서, 복수의 구분된 유체 유동 채널이 적어도 드릴 로드의 길이의 상당한 부분에 걸쳐서 동심적으로 배열된다. 이는, 각각의 유체 경로가 가능한 한 직선이 될 수 있게 하고, 그에 의해서 드릴 로드를 통한 압력 손실을 방지할 수 있게 한다.

복수의 구분된 유체 유동 채널이 적어도 압력 유체 채널 및 복귀 유체 채널을 포함할 수 있을 것이고, 드릴 로드가 유사한 드릴 로드로 또는 장치로 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 단지 제1 및 제2 이동 가능 부재의 이동에 의해서 압력 유체 채널 및 복귀 유체 채널이 유사한 드릴 로드 또는 장치 또는 유체 전달 디바이스의 상응하는 채널과 유체 연통 배치될 수 있을 것이고, 드릴 로드가 유사 드릴 로드 또는 장치 또는 유체 전달 디바이스로부터 분리될 때, 압력 및 복귀 유체 채널이 제1 및 제2 이동 가능 부재에 의해서 밀봉될 수 있을 것이다.

발명의 실시예에 따라서, 드릴 로드가:

외측 관;

외측 관 내에 동심적으로 장착된 중간 관; 및

중간 관 내에 동심적으로 장착된 중심 관을 더 포함하고;

그러한 관들이 드릴 로드를 통해서 3개의 구분된 유체 유동 채널을 제공하고, 외측 관은 중간 관 및 중심 관의 단부를 지나서 축방향으로(길이방향으로) 연장한다.

외측 관이 중간 관 및 중심 관을 지나서 연장하기 때문에, 중간 관 및 중심 관에 대한 잠재적인 손상이 방지된다.

실시예에서, 제1 연결 인터페이스가 외측 관의 제1 단부에서 테이퍼형 나사산(tapered thread)을 가지는 암형 공구 조인트를 포함하고, 제2 연결 인터페이스가 외측 관의 제2 단부에서 테이퍼형 나사산을 가지는 수형 공구 조인트를 포함하며, 암형 공구 조인트는 유사한 드릴의 수형 공구 조인트 또는 장치에 대한 드릴 로드의 나사산형 연결을 위한 것이고, 수형 공구 조인트는 유사 드릴 로드의 암형 공구 조인트 또는 유체 전달 디바이스에 대한 나사산형 연결을 위한 것이다. 대안적인 실시예에서, 암형 나사산이 제1 연결 인터페이스 내에 제공될 수 있을 것이고, 숫놈 나사산이 제1 연결 인터페이스 상에 제공될 수 있을 것이다.

이러한 배열의 장점은, 드릴 로드들이 함께 합쳐질 때, 테이퍼형 나사산이 드릴 로드들을 정렬시키는 효과를 가지며, 그에 따라 상당한 축방향 오정렬이 있을 때에도 드릴 로드들이 서로 결합될 수 있게 한다는 것이다.

일 실시예에서, 드릴 로드가:

드릴 로드를 통해서 압력 유체를 반송하도록 구성되고 외측으로 지향된 단부에서 압력 유체를 위한 배출구를 가지는, 제1 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소; 및

드릴 로드를 통해서 압력 유체를 반송하도록 구성되고 외측으로 지향된 단부에서 압력 유체를 위한 유입구를 가지는, 제2 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소를 더 포함하고;

드릴 로드가 유사 드릴 로드로, 또는 장치로, 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 압력 유체가 제1 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소로부터 제2 연결 인터페이스 내의 수압식 구성요소로 유동하고, 드릴 로드의 축방향(길이방향)으로 수압식 구성요소들 사이에 중첩이 존재하지 않는다.

본원에서 사용된 "수압식 구성요소"라는 용어는, 작업 유체가 통과하여 유동할 수 있는 구성요소를 나타낸다. 본원에서 사용된 "외측"이라는 용어는 드릴 로드의 (반경 방향이 아니라) 축방향 또는 길이방향을 따른 외측을 나타낸다.

이러한 배열의 장점은, 제1 및 제2 연결 인터페이스 내의 수압식 구성요소들 사이에 중첩이 없기 때문에, 연결 인터페이스들이 함께 합쳐질 때, 연결 인터페이스들의 동심성을 주의 깊게 제어할 필요성이 제거된다는 것이다. 구성요소들이 중첩하지 않기 때문에, 반경방향 밀봉이 요구되지 않으며 그에 따라 구성요소들이 서로의 위에서 이동함에 따라 그러한 밀봉에 대한 손상이 더 이상 문제가 되지 않는다.

실시예에서, 제1 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소가 제1의 실질적으로 평면형인 단부 면을 가지고; 제2 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소가 제2의 실질적으로 평면형인 단부 면을 가지며; 드릴 로드가 유사 드릴 로드로, 또는 장치로, 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 제1 및 제2 평면형 단부 면들이 서로에 대해서 근접하게 서로 접근된다. 그에 따라, 드릴 로드가 제1 단부에서 유사 드릴 로드, 또는 유체 동작형 장치로 연결될 때, 드릴 로드의 제1 평면형 단부 면이 유사 드릴 로드의 제2 평면형 단부 면으로, 또는 유체 동작형 장치로 근접하여 접근된다.

또한, 드릴 로드가 제2 단부에서 유사 드릴 로드로, 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 드릴 로드의 제2 평면형 단부 면이 유사 드릴 로드의 제1 평면형 단부 면으로, 또는 유체 전달 디바이스로 근접하여 접근된다. 바람직하게, 2개의 면이 로드의 연결에 의해서 접촉되지 않고, 서로 거의 경계를 접한다(almost abut). 대안적인 실시예에서, 유체 동작형 장치 및 유체 전달 디바이스가 평면형 단부 면을 가지는 인터페이스 구성요소를 추가적으로 구비한다.

실시예에서, 드릴 로드를 유사 드릴 로드로, 장치로 또는 유체 전달 디바이스로 연결할 때, 압력 유체 채널 내의 압력이 복귀 유체 채널 내의 압력 보다 높은 동안에, 드릴 로드의 제1 평면형 단부 면이 유사 드릴 로드의 제2 평면형 단부 면과, 또는 장치와 또는 유체 전달 디바이스와 접촉되어 유지되도록, 제1 및 제2 평면형 단부 면이 배열된다. 수압식 구성요소의 가압(pressurisation)은 2개의 평면형 면이 서로 접촉되게 한다.

바람직하게, 면 밀봉부가 제1 및 제2 평면형 단부 면 중 적어도 하나 내에 제공되어, 대향 단부 면과의 밀봉을 달성한다. 면 밀봉부는, 밀봉 표면이 밀봉의 축에 대해서 수직인 밀봉부이고, 다시 말해서, 이는 제1 단부 면과 제2 단부 면 사이에서 길이방향 또는 축방향으로 주로 상호작용하는 것에 의해서 밀봉을 달성한다. 면 밀봉부가 제1 또는 제2 평면형 단부 면 상의 환형 함몰부 내에 제공될 수 있을 것이다. 면 밀봉부가 압력 유체를 위한 배출구 또는 압력 유체를 위한 유입구 중 적어도 하나를 둘러쌀 수 있을 것이다.

이러한 배열의 장점은, 서로 경계를 접하는 2개의 단부 면들 사이의 면 밀봉부의 이용이, 종래 기술에서의 반경방향 밀봉부 보다, 연결 시에 인접한 드릴 로드들 사이의 축방향 (평행한) 오정렬에 대해서 상당히 더 큰 내성을 갖는다는 것이다. 이는, 인접한 로드들의 중앙 축들이 연결 시에 서로 오프셋되는 경우에도, 신뢰 가능한 밀봉이 여전히 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 면 밀봉부가 또한 반경방향 밀봉부 보다 연결 중에 덜 손상 받기 쉽다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 유체-동작형 장치를 위한 드릴 로드가 제공되고, 그러한 드릴 로드는:

제1 단부에서의 제1 연결 인터페이스 및 제2 단부에서의 제2 연결 인터페이스로서, 제1 연결 인터페이스가 드릴 로드를 유사한 드릴 로드의 제2 연결 인터페이스 또는 장치로 연결하기 위한 것이고, 제2 연결 인터페이스가 드릴 로드를 유사한 드릴 로드의 제1 연결 인터페이스로 또는 유체 전달 디바이스로 연결하기 위한 것인, 제1 연결 인터페이스 및 제2 연결 인터페이스;

드릴 로드를 통해서 압력 유체를 반송하도록 구성되고 외측으로 지향된 단부에서 압력 유체를 위한 배출구를 가지는, 제1 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소; 및

드릴 로드를 통해서 압력 유체를 반송하도록 구성되고 외측으로 지향된 단부에서 압력 유체를 위한 유입구를 가지는, 제2 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소를 더 포함하고;

드릴 로드가 유사 드릴 로드로, 또는 장치로, 또는 유체 전달 디바이스로 연결될 때, 압력 유체가 제1 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소로부터 유사 드릴 로드의 제2 연결 인터페이스 내의 적어도 하나의 수압식 구성요소 또는 장치 또는 유체 전달 디바이스로 유동하고, 드릴 로드의 축방향으로 수압식 구성요소들 사이에 중첩이 존재하지 않는다.

일 실시예에서, 제1 연결 인터페이스가 암형 연결 인터페이스이고, 제2 연결 인터페이스가 수형 연결 인터페이스이다. 대안적인 실시예에서, 이러한 배열이 반전될 수 있을 것이다. 본 발명의 드릴 로드는 수압식 다운-더-홀 해머와 같은 유체-동작형 충격 드릴 공구와 함께 이용하기에 이상적으로 적합하나, 원격적으로 동작할 필요가 있는 임의의 다른 유체-동력형 디바이스와 함께 또한 이용될 수 있을 것이다. 유체 전달 디바이스가 또한 회전 디바이스일 수 있을 것이다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 발명의 실시예를 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 드릴 로드를 포함하는, 수압식 다운-더-홀 드릴링 시스템의 횡단면도이다.
도 2는, 분해된 상태에서, 본 발명의 실시예에 따른 드릴 로드의 구성요소의 횡단면도이다.
도 3은 조립된 도 2의 드릴 로드의 횡단면도이다.
도 4는 연결을 위해서 함께 가까워진 2개의 인접한 드릴 로드의 횡단면도이다.
도 5는 부분적으로 결합된, 도 4의 드릴 로드의 횡단면도이다.
도 6은 완전히 결합된, 도 4의 드릴 로드의 횡단면도이다.
도 7은, 연결부를 통한 압력 유체 유동 경로를 도시한, 도 6의 드릴 로드의 일부의 횡단면도이다.
도 8은, 연결부를 통한 복귀 유체 유동 경로를 도시한, 도 6의 드릴 로드의 일부의 횡단면도이다.
도 9a는 선 AA를 따라서 취한, 도 6의 횡단면도이다.
도 9b는 선 BB를 따라서 취한, 도 6의 횡단면도이다.
도 9c는 선 CC를 따라서 취한, 도 6의 횡단면도이다.

본 발명에 따른 2개의 드릴 로드(2, 3)를 포함하는 수압식 다운-더-홀 드릴링 시스템이 도 1에 도시되어 있다. 그러한 시스템은 해머(1)를 포함하고, 해머로 압력 유체 및 플러싱 유체가 공급되고 해머는 드릴 로드(2, 3)를 통해서 복귀 유체를 방출한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 드릴 로드(2)를 도시한다. 드릴 로드(2)가 제1 단부(101)에서 암형 연결 인터페이스(100)를 그리고 제2 단부(103)에서 수형 연결 인터페이스(102)를 갖는다. 암형 연결 인터페이스(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 드릴 로드(2)를 유사 드릴 로드(3)의 수형 연결 인터페이스(102)로 또는 해머(1)로 연결하기 위한 것이다. 드릴 로드(2)가 동심적인 관 구조에 의해서 제공되는 복수의 구분된 유체 유동 채널(4, 6, 8)을 갖는다. 드릴 로드는, 압력 유체를 반송하고, 중간 관(5)에 의해서 둘러싸인, 중심 관(4)을 포함한다. 복귀 유체가 중심 관(4)과 중간 관(5) 사이의 환형 채널(6) 내에서 반송된다. 중간 관이 외측 관(7)에 의해서 둘러싸인다. 플러싱 유체가 중간 관(5)과 외측 관(7) 사이의 환형 채널(8) 내에서 반송된다.

암형 연결 인터페이스(100)는 외측 관(7)의 제1 단부로 용접된 강화된 하우징 또는 암형 공구 조인트(10)를 포함한다. 암형 공구 조인트가 일반적으로 원통형 형태이고 내부에 제공된 내부 보어를 갖는다. 테이퍼형 나사산이 공구 조인트의 내측 벽 상에 제공된다. 수형 연결 인터페이스(102)는 외측 관(7)의 제2 단부로 용접된 강화된 하우징 또는 수형 공구 조인트(9)를 포함한다. 암형 공구 조인트가 일반적으로 원통형 형태이고 외측 벽 상에 제공된 테이퍼형 나사산을 갖는다. 암형 공구 조인트(10)는 유사 드릴의 수형 공구 조인트(10)에 대한 또는 해머(1)에 대한 드릴 로드(2)의 나사산 연결을 위한 것이고, 수형 공구 조인트(9)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 유사 드릴 로드(3)의 암형 공구 조인트(10)에 대한 또는 회전 디바이스에 대한 나사산 연결을 위한 것이다. 대안적인 실시예에서, 공구 조인트가 용접 이외의 수단에 의해서 외측 관으로 고정될 수 있을 것이다.

단부 피스(13)가 중심 관(4)의 제1 단부에 제공된다. 중심 관(4)의 제2 단부에서, 밀봉 캐리어(11)가 관으로 용접되고 그러한 밀봉 캐리어(11)로 밀봉부(12)가 피팅된다. 유사하게, 단부 피스(16)가 중간 관(5)의 제1 단부로 용접되고, 밀봉부(15)가 피팅된 밀봉 캐리어(14)가 중간 관(5)의 제2 단부로 용접된다. 대안적인 실시예에서, 단부 피스가 용접 이외의 수단에 의해서 중심 관 및 중간 관으로 고정될 수 있을 것이다.

삽입체(17)의 단부가 암형 공구 조인트(10) 내의 내측으로 지향된 쇼울더와 경계를 접할 때까지, 먼저 암형 수압식 삽입체(17)를 암형 공구 조인트(10) 내로 밀어 넣는 것에 의해서, 드릴 로드(2)가 조립된다. 이어서, 밀봉부 캐리어(14)가 수형 공구 조인트(9) 내의 내측으로 지향된 쇼울더(18)와 경계를 접할 때까지, 중간 관(5)이 수형 공구 조인트(9)를 통해서 외측 관(7) 내로 공급된다. 밀봉부(15)가 공구 조인트(9)의 내부 벽과 결합된다. 중간 관(5)이 제 위치에 있을 때, 그 단부 피스(16)가, 암형 공구 조인트(10)의 내부 벽 내의 원주방향 홈 내에 제공된 반경방향 밀봉부(19)와 결합한다. 이어서, 수형 수압식 삽입체(20)가, 밀봉부 캐리어(14)와 경계를 접할 때까지, 수형 공구 조인트(9) 내로 밀어 넣어진다. 이어서, 중심 관의 밀봉 캐리어(11)가 수압식 삽입체(20) 상에 제공된 내측으로 지향된 쇼울더(21)와 결합할 때까지, 중심 관(4)이 수형 수압식 삽입체(20)를 통해서 공급된다. 중심 관이 제 위치에 일단 있을 때, 그 단부 피스(13)가, 수압식 삽입체(17) 내의 원주방향 홈 내에 제공된 반경방향 밀봉부(28)와 결합한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 관들이 조립될 때, 외측 관(7)이 축방향으로 중간 관 및 중심 관의 단부들을 지나서 연장한다.

드릴 로드가 암형 연결 인터페이스(100) 내에 이동 가능하게 장착된 암형 제어 스풀(23) 및 수형 연결 인터페이스(102) 내에 이동 가능하게 장착된 수형 제어 스풀(22)를 더 포함한다. 암형 제어 스풀(23)이 스프링(25)에 의해서 암형 연결 인터페이스(100) 내에 편향적으로 장착되고, 수형 제어 스풀이 스프링(24)에 의해서 수형 연결 인터페이스(102) 내에 편향적으로 장착된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 암형 제어 스풀(23)이 암형 연결 인터페이스(100) 내의 최내측 구성요소이고, 수형 제어 스풀(22)은 수형 연결 인터페이스(102) 내의 최내측 구성요소이며, 다시 말해서, 다른 구성요소가 제어 스풀(22, 23) 내에 배치되거나 수용되지 않는다.

조립을 완료하기 위해서, 스프링(24, 및 25)을 가지는 제어 스풀(22 및 23)이 수형 수압식 삽입체(20) 및 암형 수압식 삽입체(17) 내로 각각 공급되고, 수형 스풀 정지부(26) 및 암형 스풀 정지부(27)가 각각 수형 수압식 삽입체(20) 및 암형 수압식 삽입체(17) 내로 나사체결된다. 각각의 스풀 정지부(26, 27)가 실질적으로 평면형인 단부 면을 갖는다. 스풀 정지부(27)가 그 단부 면 내에 압력 유체를 위한 배출구를 가지고, 스플 정지부(26)는 그 단부 면 내에 압력 유체를 위한 유입구를 갖는다. 면 밀봉부(34)가 스풀 정지부(26)의 평면형 단부 면 내의 환형 함몰부 내에 제공되고, 면 밀봉부(34)는 압력 유체를 위한 유입구를 둘러싼다. 스풀 정지부(26, 27)가 축방향으로 작은 양으로 이동할 수 있도록, 이러한 스풀 정지부(26, 27) 상의 나사산이 부가적인 축방향 간극(clearance)을 가지고 만들어 진다. 압력의 인가에 의해서 '에너지화될(energised)' 때, 스풀 정지부(26, 27)가 서로 접촉된다. 제어 스풀(22, 23) 상의 밀봉부(29 및 30)는, 드릴 로드가 다른 드릴 로드로부터 분리될 때 중심 관(4) 내에 수용된 오일이 드릴 로드로부터 외부로 누출될 수 없도록 보장한다. 제어 스풀(22 및 23) 상의 밀봉부(31, 및 32)는, 분리 시에 환형 복귀 유동 경로(6) 내에 수용된 오일이 외부로 누출될 수 없도록 보장한다. 그에 따라, 드릴 로드가 유사 드릴 로드 또는 드릴 공구로부터 분리될 때, 압력 및 복귀 유체 유동 채널이 수형 및 암형 제어 스풀에 의해서 밀봉된다.

일단 완전히 조립되면, 중심 관(4) 및 중간 관(5)의 단지 수형 연결 인터페이스(102) 내의 각각의 쇼울더(21 및 18)와의 결합으로 인해서, 중심 관(4) 및 중간 관(5)이 제 위치에서 고정된다. 관의 대향 단부들에 위치되는 단부 피스(13 및 16)가 밀봉부(28 및 19) 내에서 축방향으로 자유롭게 이동한다. 이는, 관이 개별적으로 대체되는 경우에 그러한 관의 약간의 길이 변동을 허용하며, 보다 중요하게, 동작 중에 여러 관의 길이의 상이한 열 및 압력 유도된 변화를 또한 허용한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 드릴 로드(3) 상의 암형 공구 조인트(10)의 나사산을 드릴 로드(2) 상의 수형 공구 조인트(9)의 나사산과 결합시키는 것에 의해서, 그리고 로드(3)를 로드(2)에 대해서 회전시키는 것에 의해서, 인접한 드릴 로드들(2, 3)이 함께 결합된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 로드들이 함께 합쳐짐에 따라, 제어 스풀(22 및 23)이 서로 접촉된다. 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 제어 스풀이 실질적으로 평면형인 단부 면을 가지고, 드릴 로드들이 함께 합쳐질 때, 평면형 단부 면들이 서로 경계를 접한다. 스프링(25)은, 스프링(24)이 수형 스풀(22)로 인가하는 것 보다 큰 예비하중(preload) 힘을 암형 제어 스풀(23)로 인가한다. 드릴 로드들 사이의 나사산형 연결의 계속된 결합은, 추가적인 이동이 가능하지 않은 지점인, 중심 관(4) 상의 밀봉 캐리어(11)와 접촉할 때까지, 수형 스풀(22)이 그 스풀 정지부(26)로부터 멀리 이동하도록 유도한다. 연결부의 추가적인 결합은, 암형 제어 스풀(23)이 그 스풀 정지부(27)로부터 멀리 이동하도록 유도한다. 도 5에 도시된 지점에서, 수형 제어 스풀(22)이 가능한 한 멀리 이동되고 밀봉부 캐리어(11)와 접촉하며, 암형 제어 스풀(23)은 스풀 정지부(27)로부터 막 분리되려 한다. 암형 연결 인터페이스가 연결부의 상류 측에 있음에 따라, 암형 스풀(23)이 스풀 정지부(27)를 이동시킬 때, 중심 관(4)으로부터의 오일이 로드(3)로부터 방출되어 연결 지역으로 범람할 것이다. 이는, 연결 지역이, 그 이동의 최종 부분에 앞서서 양호하게 윤활되게 보장한다. 이러한 동일한 위치에서, 암형 수압식 삽입체(17)의 외측 벽 상의 원주방향 홈 내에 제공된 반경방향 밀봉부(33)가 수형 공구 조인트(9)의 돌부(nose)와 결합하여, 연결 지역을 범람하는 유체가 외부로 누출될 수 없도록 보장한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 연결부가 완전히 결합될 때, 2개의 스풀 정지부(26, 27)가 서로 매우 근접하여 접근한다. 스풀 정지부의 평면형 단부 면들이 서로 경계를 접하고, 도면에서 도시된 바와 같이, 이동 가능한 제어 스풀(22, 23) 또는 스풀 정지부(26, 27) 사이에서 길이방향 또는 축방향으로 중첩이 존재하지 않는다. 수형 스풀 정지부(26) 상의 면 밀봉부(34)가 수형 스풀 정지부(27)의 평면형 단부 면과 결합하고 드릴 로드들(2, 3) 사이의 인터페이스에서 압력 유체 유동 경로 주위의 밀봉부를 제공한다. 도 6에 도시된 위치에서, 암형 스풀(23)은 수형 스풀(22)이 그 정지부(26)로부터 이동된 것과 동일한 거리만큼 그 정지부(27)로부터 이동되었고, 그에 따라 드릴 로드(3)의 압력 유체 유동 채널(4) 및 복귀 유체 유동 채널(6)이 단지 제어 스풀의 이동에 의해서 드릴 로드(2)의 상응하는 채널과 유체 연통되게 배치된다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 유동 채널이 실질적으로 대칭적이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 스풀의 정지부(26, 27)로부터의 스풀(22, 23)의 이동이 압력 및 복귀 유체 유동 경로를 실질적으로 동시적으로 개방한다. 압력 유체가 드릴 로드(3)의 중심 관(4) 및 암형 제어 스풀(23)을 통해서 그리고 드릴 로드(2)의 수형 제어 스풀(22) 및 중심 관(4) 내로 유동한다. 복귀 유체가 드릴 로드(2) 내의 환형 채널(6)로부터, 제어 스풀(22)의 외측 벽 내의 함몰부 내로, 수압식 삽입체(20) 내의 복수의 드릴링 및 이어서 수형 공구 조인트(9)와 수압식 삽입체(20 및 17) 사이를 통해서, 드릴 로드(3) 내의 수압식 삽입체(17) 내의 드릴링을 통해서, 제어 스풀(23)의 외측 벽 내의 함몰부 내로, 그리고 드릴 로드(3) 내의 환형 채널(6) 내로 유동한다. 분리 시에, 반대로 이루어지고, 수형 공구 조인트(9)의 돌부가 밀봉부(33)로부터 분리되기 직전에, 유동 경로들이 실질적으로 동시적으로 폐쇄된다. 이는, 각각의 연결/분리 사이클에서 수압식 유체의 상당한 손실이 없도록 보장한다.

도 9a 내지 도 9c의 횡방향 횡단면은 수형 공구 조인트(9) 및 암형 공구 조인트(10)를 통한 길이방향 드릴링 형태의 플러싱 채널 및 수압식 삽입체(17, 20) 내의 복귀 채널 드릴링을 도시한다.

전술한 바와 같이, 각각의 연결 인터페이스, 다시 말해서 제어 스풀 내에 하나의 이동 가능 구성요소만이 존재하고, 축방향으로 제어 스풀들 사이의 중첩이 존재하지 않고, 즉 이동 가능 구성요소가 다른 이동 가능 구성요소 내에 수용되지 않는다. 각각의 이동 가능 구성요소가 연결 인터페이스의 최내측 구성요소이다. 제어 스풀의 이동이 연결부의 각각의 절반 내의 양 작업 유체 유동을 제어한다.

도면에 도시되고 전술된 실시예에서, 압력 유체가 하나의 드릴 로드 내의 암형 연결 인터페이스로부터 인접하는 드릴 로드 내의 수형 연결 인터페이스로 유동한다. 대안적인 실시예에서, 압력 유체가 하나의 드릴 로드 내의 수형 연결 인터페이스로부터 인접하는 드릴 로드 내의 암형 연결 인터페이스로 유동하도록, 연결 인터페이스가 반전될 수 있을 것이다. 이러한 실시예를 위해서 드릴 로드에 대해서 요구되는 유일한 변경이 스프링(24 및 25)의 반전이 될 것이다.

이러한 디자인과 연관된 많은 수의 장점이 있다. 이는, 산업 표준 테이퍼형 나사산을 이용한, 강한 공구 조인트 구성을 허용하며, 이는, 초기의 평행한 오정렬이 있는 경우에도, 공구 조인트들이 연결부와 함께 결합하고 안내할 수 있게 한다. 상당한 각도 오정렬이 있는 경우에도, 대향하는 공구 조인트가 나사산 결합의 적어도 처음 80% 동안 그들과 접촉할 수 없도록, 공구 조인트 내의 수압식 삽입체가 제조될 수 있다. 만약 이러한 구성요소들 사이의 접촉이 가능하지 않다면, 마모 또는 손상이 유발되지 않을 수 있고, 이는 종래 기술 디자인 보다 연결부의 신뢰성을 크게 개선할 수 있다. 전술한 바와 같이 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 수형 공구 조인트(9)의 돌부가 암형 수압식 삽입체(17) 상의 밀봉부(33)와 결합하는 지점인, 수형 제어 스풀이 그 완전히 변위된 위치에 도달할 때까지, 수형 공구 조인트와 암형 수압식 삽입체 사이의 결합이 존재하지 않는다. 또한, 최소의 횡단면적이 제어 스풀에 의해서 취해지기 때문에, 수압식 삽입체가 매우 강하게 제조될 수 있을 것이고, 스풀 조인트의 횡단면적 및 굽힘 강도와 비교될 수 있는 횡단면적 및 굽힘 강도를 가질 수 있을 것이다. 이는 신뢰성을 추가적으로 향상시킨다. 공구 조인트에서, 각각의 유동 경로가 이용할 수 있는 면적이, 신뢰성을 손상시키지 않고, 공구 조인트의 전체 내부 횡단면적의 20% 정도로 높게 유지될 수 있다. 이는 인접한 드릴 로드들 사이의 각각의 연결부에서의 압력 손실을 감소시킨다.

압력 유동 경로 연결부에서 반경방향 밀봉부 대신에 면 밀봉을 이용하는 것은 많은 수의 추가적인 장점을 제공한다. 결합 중에 손상 또는 마모에 대해서 훨씬 덜 민감한데, 이는 밀봉부 위에서의 구성요소의 이동이 없기 때문이다. 이는, 반경방향 밀봉부 보다, 상당한 평행한 오정렬, 및 보다 큰 각도 오정렬에 대해서 내성을 가질 수 있다. 연결부가 오정렬될 때에도, 밀봉부와 결합하는 암형 제어 스풀 정지부의 표면이 임의의 다른 구성요소와 결코 터치하지 않는다. 이는, 스풀 정지부들 사이의 밀봉부의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있는 마모 또는 손상의 문제를 가지지 않을 수 있도록 보장한다. 압력 하에 있는 동안 서로 접촉하기 위한 스풀 정지부(26, 27)의 (약간의) 축방향 이동은, 면 밀봉부(34)가 압출 갭(extrusion gap)이 없이 동작하도록 보장하고, 이는 그 신뢰성을 더 향상시킨다.

수압식 삽입체(17)의 외측 벽의 반경방향 밀봉부(33)가 낮은 압력 복귀 유체 만을 받고, 수형 공구 조인트와의 그 결합 길이가 로드 직경의 약 10%로 매우 짧다. 이러한 것은 밀봉부의 신뢰성을 개선하는데, 이는, 수형 공구 조인트가 전체 나사산 결합 길이의 작은 부분에 대해서만 밀봉부 위에서 이동하기 때문이다.

관(4 및 5)의 단부 피스가 반경방향 밀봉부 내에 수용되고 제 위치에서(in place) 고정되지 않기 때문에, 그러한 디자인은 이러한 구성요소의 상이한 열 팽창을 허용한다.

드릴 로드가 완전히 모듈형이고, 각각의 구성요소가 필요에 따라서 개별적으로 교체될 수 있다.

동심적인 관 구조는, 동작 중에 압력 채널로부터 누출되는 임의의 작은 양의 유체가 복귀 채널 내에 완전히 수용되도록 보장하고, 그에 의해서 작업 유체가 손실되지 않도록 보장한다. 이러한 배열은 또한 압력 채널 내의 임의 개소의 밀봉 실패의 경우에 작업 유체를 또한 수용한다.

"포함한다/포함하는"이라는 단어 및 "구비하는/가지는"이라는 단어는, 본 발명을 참조하여 본원에서 이용될 때, 기재된 특징, 정수, 단계, 또는 구성요소의 존재를 구체화하기 위한 것이나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소, 또는 그 그룹의 존재나 부가를 배제하는 것은 아니다.

명료함을 위해서, 별개의 실시예들의 맥락으로 설명된 본 발명의 특정 특징들이 또한 하나의 실시예에서 조합되어 제공될 수 있을 것이다. 역으로, 간결함을 위해서, 단일 실시예의 맥락으로 설명된 발명의 여러 가지 특징이 또한 별개로 또는 임의의 적합한 하위-조합으로 제공될 수 있을 것이다.