ラジアル振動装置

本発明は、ドリル・ストリング内でダウンホールの使用に適した振動及び/又はハンマリング装置に関する。

このような装置の使用例は、ハンマー、シェーカー、連続チュービング・ドリリング、動けなくなったドリル・ストリングの解放などのような、ダウンホール使用の装置を含むが、これらに限定されることはない。ダウンホールの使用はストリング内のどこでも可能である。

本発明が認識する、ドリリングのために導出される利点は、ドリル・ストリングの部分として、(ドリル・ストリング内の任意の場所、例えば頂端部、中央、底端部など、組み合わせを含む、に位置する)ドリル・ストリングに対して同期部分を有するように位置決めされた状態で、振動動作又はハンマリング動作を行うことにある。

本発明は、種々様々な磁石形状を使用して、2つの磁気アレイをあらゆる形態で位置決めすることにより、所望の効果をもたらすことを想定する。これにより、第1アレイの回転入力下で、第2アレイは(概ね管状の)工具ハウジング内部で軸線方向に往復運動させられる。

ボアホール圧力が極めて低い、浅いボアホール圧力では、大気チャンバ内部に、軸線方向運動可能なアレイを含有することが有利であり得る。ボアホール圧力が相当に高い(実際、これは数千PSIである場合がある)極めて深いボアホールでは、ドリリング流体(砂、岩石粒子などを含有する)が工具内に進入して、結果として軸線方向運動可能なアレイが失速するのを防止するために、標準的な運動用シールを用いることはかなり難しい。

我々の特許文献1において、我々は、各々の端部に磁気アレイを担持するシャトルを使用して、各々の磁気アレイが、シャトルが回転させられるのに伴って専用の相補磁気アレイと位相がずれた状態で相互作用し、これにより相補アレイに関してシャトルのシャトリングに対して軸線方向に振動を発生させることを開示している。

我々の特許文献2において、我々は、種々様々なタイプのハンマリング装置において磁気アレイのこのような縦方向の相互作用を用いることを開示している。

前述の明細書の全内容は、参照することによってここに含まれる。

国際公開第2006/1065155号パンフレット

国際公開第2009/028964号パンフレット

PCT/NZ2011/000057号明細書

PCT/NZ2011/000084号明細書

ニュージーランド国特許出願公開第588092号明細書

ニュージーランド国特許出願公開第589004号明細書

PCT/NZ2011/000056号明細書

本発明のいくつかの目的又は代替目的のうちの1つは、シャフト付きアセンブリの周りに、又はアセンブリの一部としてほぼ周方向に配列された磁石、すなわちあたかもロータのような磁石が、(例えば周囲構造の部分として)周囲に配列された磁石、例えばあたかもステータのような磁石と相互作用することに依存する相対回転作動に反応して生じるシャトリング結果をもたらすことができるアセンブリを提供することである。

本発明は、各々が他方と相互作用するための混合極磁気アレイであって、実質的に、後述する運動を達成し得る形式で(あたかもステータ及びロータのように)相互に回転させられ得る、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイとして形成された、混合極磁気アレイを想定する。

更なる又は代替目的は、相互に回転させられ得る、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとからそれぞれ成る内向きアレイ及び外向きアレイとして形成された磁気アレイ(例えば一方をステータ、そして他方をロータと考えることができ、又はその逆も真である)の間の空間のいくらか又は少なくともいくらかの部分内に、液体内容物又は液体が侵入し得る種類の装置を提供することである。

更なる又は代替目的は、ロータの周りの軸線方向に延びる磁石アレイの周りの磁界透過性材料(例えばインコネル、チタニウム)から成る管を有するアセンブリであって、この管は、管の外側の包囲磁石の磁界と協働するように意図されており、ロータ(すなわちステータ)と一緒に回転しない、アセンブリを提供することである。

更なる又は代替目的は、相互に回転させられ得る、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイの相対回転によって引き起こされる、軸線方向転位に依存することによって、振動出力を発生させることである。

更なる又は代替目的は、相互に回転させられ得る、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイの相対回転によって引き起こされる、軸線方向転位に依存することによって、液体がアレイ間に挿入されるにもかかわらず振動出力を発生させることである。

更なる又は代替目的は、相互に回転させられ得る、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイの相対回転によって引き起こされる、軸線方向転位に依存することによって、高い電気抵抗率の材料(例えばインコネル、チタニウム、プラスチック、又は炭素繊維複合材料など)が挿入される、又は一方又は他方又は両方アレイのカバー又は支持体として挿入されるにもかかわらず、振動出力を発生させることである。

本発明の更なる又は代替目的は、前述の特許明細書に開示されたものよりも少ない部品で出力を達成し得る振動出力をもたらすことができる装置を提供することである。

更なる又は代替目的は、駆動受け装置及び振動出力装置の2つの相互作用する磁気アレイであって、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイが相互に回転させられ得る、磁気アレイを提供することである。

更なる又は代替目的は、駆動受け装置及び振動出力装置の2つの相互作用する磁気アレイであって、少なくともほぼ同心的なより外側のアセンブリとより内側のアセンブリとから成るそれぞれ内向きアレイ及び外向きアレイが相互に回転することができ、一方又は両方のアレイの極性が、これらの相対回転軸線に対して周方向且つ平行に交互に並ぶ(又は他の形式で互い違いであるか又は変化する)、磁気アレイを提供することである。

本発明の更なる又は代替目的は、少なくとも部分的に流体で満たされた振動装置であって、周囲使用環境と、装置内部の少なくともいくらかのゾーンとの間の低減された圧力差でダウンホール又は他の個所で作動することができる、振動装置を提供することである。例えば、ダウンホール・ハンマーのこのような低減された差は、運動面の高圧シーリングの必要を取り除く。

本発明の更なる又は代替目的は、種々異なる様式で、振動数を容易に調節することができる設備を有する、ダウンホール又は他の場所で作動され得る、振動装置を提供することである。

本発明の更なる又は代替目的は、製造誤差が低減された状態で、効果的に作動することができる振動装置又はハンマリング装置又はシェーカー装置を提供することである。

本発明の更なる又は代替目的は、互いに往復運動させられ得るステータとロータとを有する振動装置又はハンマリング装置又はシェーカー装置であって、少なくとも1つの方向における作動は、共通の長手方向軸線[ステータに対するロータの回転軸線である(又はその逆)]により、それぞれ外方へそれぞれ担持された少なくともほぼ同心的な相互作用磁気アレイの結果として生じる、装置を提供することである。このような目的はまた、好ましくは1つ以上の手段によって、一例としては、1行程の終わりで打撃を可能にする、又は1行程の終わりに流体圧搾のための境界を提供するための部材の選択によって、振動出力の調節を可能にするようになる。

本発明の更なる又は代替目的は、ダウンホールにおいて作動され得る振動装置であって、更なるダウンホール・ゾーンに(例えばダウンホール工具の外部へ、又はダウンホール工具へ)達し得る流体のために、磁気アレイを担持するロータを通る流路が設けられている振動装置を提供することである。代替目的は、任意選択的には、相対回転の結果としてシャトリングを引き起こすために[相互作用磁石アレイを担持する]ステータに対してロータを回転させる容積型モータ(PDM)を作動させた後、このような流体をダウンホールにさらに供給することである。

更なる又は代替目的は、液体又は流体(例えばドリリング泥水)を通して別個の流れを提供すること、そして(例えばダウンホールの)外部圧力に抵抗するために振動装置内に拘束液体(例えば油)を有することである。

本発明の更なる又は代替目的は、振動装置であって、 ステータ(磁気アレイを含む)が、(1)ハウジング、ビット・ハウジング、工具、又は工具ハウジングなど、及び(2)ロータ(磁気アレイを含む)の両方に対する「シャトル」であり、そして 振動を発生させるのは、ハウジング、ビット・ハウジング、工具、又は工具ハウジングなどの少なくとも1つの衝撃ゾーンに対する直接又は間接のステータの作用である、 振動装置を提供することである。例えば、装置はダウンホール・シェーカー又は連続チュービング・ドリリング・システムであり得る。

更なる又は代替目的は、ロータに対してステータを軸線方向に動かすために、近接する相互作用アレイの軸線方向オーバラップ範囲の環状相互作用ゾーン全体にわたる、ロータによって担持された磁気アレイと、ステータによって担持された磁気アレイとの相互作用に依存することである。

更なる又は代替目的は、本明細書中に記載されているような相互作用を利用すること、及び/又は本明細書中に記載されているような、内側及び/又は外側アレイ、ロータ、ステータ、及び/又は付属の装置を提供することである。

高いボアホール圧力の環境内で使用される多くのダウンホール工具の場合、いかなる大気チャンバも、上記の圧力差シーリングの問題ができるだけ回避される場所にある。しかしながら、動的(運動)構成部分を有する他のこのような工具は; 1. ドリリング流体(泥水)による全ボアホール圧力に晒され、そしてこのような粘性・研磨性の環境内で耐えうるように設計される(例えば泥水潤滑型軸線受け、又は泥水駆動型流体ハンマー)か、又は、 2. キャビティ内に閉じ込められたきれいな流体、例えば水(又は同様のもの)を使用する、 のいずれかである。

更なる又は代替目的は、流体で満たされたキャビティ、及び動的に運動する構成部分の双方をきれいな、そしてシールされた環境内に有することである。

更なる又は代替目的は、運動構成部分(軸線方向に往復運動する磁気アレイ)のボディを横切る流体抵抗を最小化することである。この目的に対処するためには、 1) 流線状に設計され組み立てられた磁気アレイを有すること(例えば半径方向の整列) 2) 軸線方向の往復運動磁気アレイが最小限の抵抗で流体柱を通って運動するのを可能にするように提供された流通孔を有することが望ましい。

このような特徴がなければおそらくは、抵抗が工具の性能を著しく低下させるか、或いは最悪の場合には軸線方向往復運動磁気アレイを液圧的に失速させると、我々は考える。

更なる又は代替目的は、(1つ又はいくつかの)圧力補償ピストンを提供することである。

実際には、磁気アレイ・キャビティをきれいな流体(工具内部に空気が取り込まれない)で100%満たすためにあらゆる努力が為されてはいるが、或る範囲においてこれは不可能なことであり、工具ハウジング内部の圧力補償ピストンが充填不足に対処することができる。

実際には、工具内部に取り込まれたいかなる空気も、ボアホール圧力に晒されることになる。気泡が(本質的に)ボアホール圧力下で潰れるのに伴って、補償ピストンはきれいな流体をキャビティ内に押し込み、消耗した空気体積の代わりにきれいな流体を入れる。

従って我々は、工具の内部キャビティを満たすために、低粘度の(実質的に)非圧縮性の流体を使用することを提案する。その結果、前記流体はある程度工具の性能を低下させるものの、高い圧力差シーリングの難題をほとんど排除し、ドリリング流体が工具に入るのを防止するためには、標準的な「ワイパー」型シールしか必要とならない。

この問題を取り扱う他のさほど望ましくはない方法はさらに、 − 予想ボアホール圧力と部分的(又は全体的)に一致させるために、大気チャンバの表面に圧縮ガスを予め装填するか、又は − 特許文献3に記載されているような追従型磁石駆動装置を利用する。

更なる又は代替目的は、後述のストップ/スタート反応に対処することである。

この目的に対する工具の開発は、PDM(又は他の回転入力部、例えば表面からの機械的接続部)と磁気ハンマーとの間の入力駆動部に焦点を当てている。磁気ハンマーの固有の特性のうちの1つは、これが駆動メカニズム内部でコギング反応を発生させること、すなわち、回転作動させられた磁気アレイが、回転を拘束された磁気アレイから「離される」と、磁気誘導型のトルク反応が生じることである。こうなると所要トルクは著しく大きいことがある。しかし、数度回転運動した後には、回転作動されたアレイは、回転を拘束されたアレイ上で次の極(対極)に向かって加速する。

このような動作は、入力駆動部(PDM−機械的接続部など)内でストップ/スタート型の反応を発生させる。このような反応は、下記の理由、すなわち; 1. これは回転入力部を一時的に失速させ、これにより衝撃動作に不都合な影響を及ぼし、これによりハンマーがその構成により最大能力まで進展するのを許容しないこと、 2. これは入力駆動部への疲労損傷を引き起こすことがあること、 3. これは駆動メカニズム内部の望ましくないねじれ共鳴を引き起こすことがある(表面から機械的に作動される場合にはその確率がより高い)こと、 から役に立たないことがある。

従って我々は、 1. 入力駆動部(PDMなど)と磁気ハンマーとの間に、長手方向の機械的フライホイールを収納するか、或いは、 2. 入力駆動部(PDMなど)と磁気ハンマーとの間に、磁気的フライホイールを収納する ことを提案する。

いずれの機器も磁気ハンマーとの関連において使用される(必ずというわけではない)ことが好ましい。いずれの装置も円筒形ハウジング内部に好ましく収納される。

機械的フライホイールは、好ましくは前記ボディ内部に回転質量を組み込み、(好ましくは)フライホイールを通る中断なしの流体路(ドリリング泥水などのため)を好ましくは有することにより、中断なしの流れがハンマー及びビットに流れるのを可能にする。

磁気的フライホイールは、交互の極を有する磁石が取り付けられた(埋め込まれた)回転長手方向部材を有することができる。これらの磁石は、回転時に下記のいずれかに反応する; ・固定された磁気アレイ(外側ケーシングと関連したとき以外は、軸線方向にも回転方向にも動くことはできない)−これらのアレイは、磁気ハンマー内部で磁気アレイと180度位相がずれている、又は、 ・周囲のボディ内部の金属リブに対して反応する(これらのリブは、いくつかの磁気吸引力をもたらすのに対し、これらの間の切欠きはこれをもたらさない)。

いずれのタイプのメカニズムも、磁気的ハンマーが発生させるコギング作用を平滑化して、いかなる不都合な影響をも少なくするために役立つ。

この工具の別の利点は、ドリリング流体送出メカニズムが均一で非制約的な性質を有することである。この性質は工具全体にわたる圧力低下を制限する。このことは、ドリル・ビット又はホール清浄化などのための、他のダウンホール工具にとって利用可能な液圧流体動力を最大化するために重要である。

1態様において、本発明は、 使用中に、アップホール又はダウンホールに振動出力を提供することができるアセンブリの振動装置であって、 前記装置は、第1アセンブリ及び第2アセンブリを具備するか又は含み、第1アセンブリ及び第2アセンブリは、前記回転軸(「共通軸」)を中心として相対回転させられ、結果として共通軸に沿った又は共通軸に対して平行な往復直線運動が出力されるようにする振動を呈するようになっており; 前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、前記共通軸から外れているが、前記共通軸の周りに且つ前記共通軸の長手方向に設けられた磁気アレイを有しており; そして、前記共通軸の長手方向に相対駆動をもたらし、前記振動が、往復直線運動を生じるようにするのは、相対回転の結果として前記磁気アレイの間の長手方向に延びる環状空間にわたって前記磁気アレイの間に生じる相互作用である、振動装置である。

好ましくは、各々の磁気アレイは、磁石からなり、各々の磁石は、前記環状空間に対して又は向かって、少なくともほぼ半径方向に単一の極を配置し又は示す。

好ましくは、長手方向に延びる環状面を横断する相互作用は、各々がその単一の極を示す、各々のアレイの個々の磁石による。

好ましくは、磁気アレイの間の長手方向に延びる環状空間を横断する相互作用は、磁石によるものであり、各々の磁石は、少なくとも、環状空間を横断して近傍で相互作用する環状空間に対して、又は向かってほぼ半径方向に示された少なくとも一つの極性を有する。

好ましくは、環状空間を横断して近接して相互作用する単一の極として示された、1つの極性タイプの各々の磁石は、そのアレイの中で、そのような極性タイプのらせん状位置にある。

好ましくは、前記長手方向に延びる環状空間は、流体を含む。

任意選択的には、流体は、液体である。

好ましくは、該振動装置に対する流体供給、又は他の好適な駆動部が、前記相対回転を引き起こし得る。

好ましくは、前記流体供給は、該振動装置を通過することができる。

PDM、タービン、又は他の好適な駆動部への流体供給は、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリの最も内側を回転させる。これにより、流体供給は、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリの最も内側を通過することができ、前記アセンブリの最も外側は、ドリル・ストリングの外側ケーシングにスプライン結合されているか、又は前記外側ケーシングに対して他の形式で回転不能であり、前記ドリル・ストリングの振動装置の外側ケーシングは、前記共通軸を中心とした相対回転を引き起こすための部分である。

好ましくは、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリは共通のチャンバ内に封入されている。

好ましくは、前記共通のチャンバが液体を含む。

任意選択的には、前記アセンブリのうちの一方又は他方に磁気引きずり駆動部が提供されており、前記特定のアセンブリは、他方のアセンブリをも含むエンクロージャ内に位置している。

任意選択的には、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、別個の閉じられたチャンバ内に位置しており、前記チャンバの少なくとも一方、そして好ましくは両方は液体を含んでいる。

好ましくは、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリのうちの一方への回転駆動入力部を含むフライホイールが設けられている。

好ましくは、前記フライホイールが機械的フライホイール、又は磁気的フライホイール、つまりさもなければ発生するかもしれないコギング作用を平滑化するという意味で磁気的フライホイールである。

好ましくは、前記フライホイールは、駆動部と、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリのうちの一方との間に位置している。

好ましくは、前記駆動部は、PDM、タービン、機械式駆動部、又は電気式駆動部である。

好ましくは、前記アセンブリ間に挿入された液体が、周囲のダウンホール圧力に抵抗するのを支援しているか又は支援するようになる。

好ましくは、振動装置は、ハンマリング装置である。

任意選択的に、本発明の装置は、(一例として)下記ダウンホール用途: ・弁のシフト、 ・プラグの設置、 ・スクリーンの設置、 ・スクリーン内の砂防、 ・ミリング、 ・スケールの除去、 ・セメンティング、 ・コア・サンプリング、 ・ドリリング、 ・動けなくなった工具のフィッシング、 ・ワイヤ・ライン用途、 ・ドリル・ストリング及び/又はその付属のドリル・ストリングに対する振動/揺動、 のうちのいずれか1つ以上と関連して使用されることができる。

別の態様においては、本発明は、ダウンホール・アセンブリのアップホールが使用されたときに、先に規定された振動装置である。 別の態様においては、本発明は、アップホール又はダウンホールであっても、ドリル・ストリングの一部として作動可能である、振動装置である。 前記装置は、 細長いケーシングと、細長い外側アセンブリと、細長い内側アセンブリと、を具備するか又は含み、 前記細長い外側アセンブリは、ケーシングの中で、ほぼ同軸で配置されて、ケーシングに関して、長手方向の往復直線運動ではなく、回転に対して拘束され、前記細長い外側アセンブリと同軸且つ長手方向に磁石のアレイを有し、前記アレイの各磁石は、前記磁気アレイの中で、混合されても混合されなくても、内方に面する単一の極を有し、 前記細長い内側アセンブリは、前記細長い外側アセンブリの中で、少なくともほぼ同軸に配置され、少なくとも部分的に該振動装置の長手方向に流体をダクトに通すようにされて、前記細長い内側アセンブリと同軸且つ長手方向に磁気アレイを提供し、少なくともほぼ前記細長い外側アセンブリの中で、前記細長い外側アセンブリと同軸であるが離間されており、前記細長い内側アセンブリの磁石の各々が、前記磁気アレイの中で、混合されても混合されていなくても、外方に面する単一の極を有し、 前記細長い内側又は外側アセンブリは、他の前記細長いアセンブリと対して回転するように、駆動部の作用の下で回転可能であり、前記磁気アレイの間の細長い環状空間を横切る複数の磁気相互作用の結果として、前記細長い内側アセンブリと外側アセンブリの間に相対的な往復直線運動を引き起こし; 細長い内側アセンブリと細長い外側アセンブリとの相対回転と、その結果として生じる往復直線運動は、該振動装置から振動出力を提供し;並びに 細長い前記環状空間からその流体が排出されるが、このような空間が別の流体を含むか否かに関わらず、直接または間接的に、細長い前記内側アセンブリと外側アセンブリの相対回転を引き起こすために、駆動部は前記流体から入力を得る。

好ましくは、本発明は、ドリル・ストリングの一部としてダウンホールで作動可能な装置である。

好ましくは、環状空間を横断して近接して相互作用する単一の極として示された1つの極性タイプの各々の磁石は、アレイの中でそのような極性タイプのらせん状位置にある。

好ましくは、往復運動は、衝撃を伴う。

他の態様において、本発明は、 使用中にダウンホールにおける振動出力を提供することができる、ダウンホール・アセンブリの振動装置、又はダウンホール・アセンブリに適した振動装置であって、 該装置は、第1アセンブリ及び第2アセンブリを具備するか又は含み、第1アセンブリ及び第2アセンブリは、前記回転軸線(「共通軸線」)を中心として相対回転させられ、そして結果として、共通軸線に沿った又は共通軸線に対して平行な往復直線運動が出力されるようにする振動を示すようになっており; 前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、前記共通軸線から外れているが、前記共通軸線の周りに且つ前記共通軸線の長手方向に設けられた磁気アレイを有しており; そして前記共通軸線の長手方向に相対駆動をもたらすのは、相対回転の結果として前記磁気アレイ間の長手方向に延びる環状空間にわたって前記磁気アレイ間に生じる相互作用である、振動装置である。

好ましくは、該振動装置に対する前記流体供給が、前記相対回転を引き起こし得る。

好ましくは、前記流体供給は該振動装置を通過することができる。

好ましくは、PDM、タービン、又は他の駆動部へ、流体供給が行われているか又は行われ得るようにしてよく、これにより、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリの最も内側を回転させ、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリの最も内側を通過することができ、前記アセンブリの最も外側は、ドリル・ストリングの外側ケーシングにスプライン結合されているか、又は前記外側ケーシングに対してその他の形式で回転不能であり、前記ドリル・ストリングの振動装置は、それ自体前記共通軸線を中心とした相対回転を引き起こすための部分である。

任意選択的には、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリは共通のチャンバ内に封入されている。

好ましくは、前記共通のチャンバが液体を含む。

任意選択的には、前記アセンブリのうちの一方又は他方に磁気引きずり駆動部が提供されており、前記特定のアセンブリは、他方のアセンブリをも含むエンクロージャ内に位置している。

任意選択的には、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、別個の閉じられたチャンバ内に位置しており、前記チャンバの少なくとも一方、そして好ましくは両方が液体を含んでいる。

好ましくは、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリのうちの一方への回転駆動入力部を含むフライホイールが設けられている。

任意選択的には、前記フライホイールが機械的フライホイール、又は磁気的フライホイール、すなわち発生するかもしれないコギング作用を平滑化するという意味で磁気的フライホイールである。

任意選択的には、前記フライホイールは、PDMと、前記第1アセンブリ及び第2アセンブリのうちの一方との間に位置している。

好ましくは、前記アセンブリ間に挿入された液体が周囲のダウンホール圧力に抵抗するのを支援する、又は支援することになる。

任意選択的には、振動装置はハンマリング装置である。

別の態様において、本発明は、[例えば前述のようなドリル・ストリングの部分などとしての]ダウンホールで使用するのに適した振動及び/又はハンマリング装置であって、 該装置は、 ダウンホール軸線に対して整列された細長いケーシングと、 任意選択的には、ケーシング・アセンブリの端部に設けられた工具と、 ケーシング・アセンブリが回転させられたときに回転するように担持された第1磁気アレイと、 磁気アレイの相互作用の結果として、相対的な軸線方向の往復運動をもたらすように、前記第1磁気アレイに対して相対回転するように担持された第2磁気アレイと、 任意選択的には、前記相対運動はケーシング・アセンブリの内部の衝撃ゾーンに衝撃を与えるためのものであり)、 任意選択的には、運動逆転を支援するためのエネルギー回収ばねと、 PDM又は他の入力部から成る駆動部と を含み、前記駆動部は、任意選択的には、(i)フライホイール特徴及び/又は(ii)実質的なコギング作用を平滑化するように、他の磁石又は少なくとも強磁性材料に作用するための磁石の一方又は両方を任意に有している。

1つの又は別の態様において、本発明は、振動出力(例えばハンマリング又はシェーキング出力)として出力され得る相対直線運動を引き起こすように、少なくともほぼ同心的な磁気アレイを相互作用させるために支持体間で生じる相対回転に依存する振動装置である。このような相対回転を引き起こすための駆動部と、直線運動、ひいては振動出力のうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを受けるための装置(例えばこれは振動装置自体であってよい)とが設けられている。

任意選択的には、下記の事項、すなわち; − 磁気アレイの環境は、流体環境であること、 − 流体環境は、抵抗を低減するために流通孔を設けられること、 − 「ワイパー」型シールは、前記流体環境と周囲ドリル環境流体との間をシールすること、 − 駆動部は、フライホイール特徴を含むように増強されること、 − 駆動部は、1つの磁気システムからこれに追従するシステムへの入力を許すための従属型の磁気駆動部であってよく、しかし異なるシール環境の場合、この従属型磁気システムは、一方の磁気アレイの他方の磁気アレイに対する機械的な相対回転を可能にすること、 − 前記磁気アレイの位相ずれした磁気相互作用は、[磁石−磁石間でアレイ、磁石−強磁性材料でアレイ]コギング作用の平滑化を可能にすること、 のうちの1つ又は2つが当てはまる。

1つの又は別の態様において、本発明は、振動出力(例えばハンマリング又はシェーキング出力)として出力され得る相対直線運動を引き起こすように、少なくともほぼ同心的な磁気アレイ、各々の支持体に1つのアレイを相互作用させるために支持体間で生じる相対回転に依存する振動装置である。このような相対回転を引き起こすための駆動部と、直線運動、ひいては振動出力のうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを受けるための装置(例えばこれは振動装置自体であってよい)とが設けられている。

1つの又は別の態様において、本発明は、 振動を受けるための装置(これは工具、ビット、アンビル、周囲、ドリル・ストリング・ケーシングに基づくアセンブリ、ビット・ハウジング、工具ハウジングなどであり得るが、以後、その形体又は機能とは無関係に、「ハウジング・アセンブリ」と呼ぶ)、 (1行程又は各々の行程の終了時の衝撃によって、又は他の形でその運動エネルギーの少なくともいくらかを放出することによって)振動を提供するためにハウジング・アセンブリの少なくとも一部に対して往復運動し得るより外側のアセンブリ、 より外側のアセンブリ及びハウジング・アセンブリの両方に対して回転するように作動させられ得る、ハウジング・アセンブリ内部且つより外側のアセンブリの内側に位置する、より内側のアセンブリ を具備し、含む振動装置であり、 より外側のアセンブリ及びより内側アセンブリのそれぞれは、相対回転軸線の周りに、その軸線に沿うが、その軸線の外側に磁石の相互作用アレイを有しており、これらの磁石アレイは、往復運動を引き起こすために、相対回転時に一方のアレイと他方のアレイとを相互作用させるようにされている。

任意選択的には、下記のもののうちの1つ又は2つが当てはまる: − 磁気アレイの環境は、流体環境である。 − 流体環境は、抵抗を低減するために流通孔を設けられる。 − 「ワイパー」型シールは、前記流体環境と周囲ドリル環境流体との間をシールする。 − 駆動部は、フライホイール特徴を含むように増強される。 − 駆動部は、1つの磁気システムからこれに追従するシステムへの入力を許すための従属型の磁気駆動部であってよく、しかし異なるシール環境の場合、この従属型磁気システムは、一方の磁気アレイの他方の磁気アレイに対する機械的な相対回転を可能にする。 − 前記磁気アレイの位相ずれした磁気相互作用は、[磁石−磁石間でアレイ、磁石−強磁性材料でアレイ]コギング作用の平滑化を可能にする。

1つの又は別の態様において、本発明は、 振動を受けるための装置(これはドリル・ストリング・ケーシングに基づくアセンブリ、ビット・ハウジング、工具ハウジングなどであり得るが、以後、その形体又は機能とは無関係に、「ハウジング・アセンブリ」と呼ぶ)、 (1行程又は各々の行程の終了時の衝撃によって、又は他の形でその運動エネルギーの少なくともいくらかを放出することによって)振動を提供するためにハウジング・アセンブリの少なくとも一部に対して往復運動し得るステータ・アセンブリ、 ステータアセンブリ及びハウジング・アセンブリの両方に対してそれぞれ回転するように作動させられ得る、ハウジング・アセンブリの内側且つステータ・アセンブリ内部に位置するロータ・アセンブリ、 を具備し、又は含む振動装置であり、 ステータ・アセンブリ及びロータ・アセンブリのそれぞれは、環状ゾーンにわたって、相対回転軸線の周りでその軸線に沿うが、その外側に磁石の相互作用アレイを有しており、これらの磁石アレイは、往復運動を引き起こすために、ロータ・アセンブリとステータ・アセンブリとの相対回転時に一方のアレイと他方のアレイとを相互作用させるようにされている。

1つの又は別の態様において、本発明は、振動出力を提供することができる振動装置であり、該装置は、第1アセンブリ及び第2アセンブリを具備するか又は含み、第1アセンブリ及び第2アセンブリは、前記回転軸線を中心として相対回転させられることにより、共通軸線に沿った又は共通軸線に対して平行な軸線方向の往復相対運動が(該装置の部分内へ、又は他の形式で)出力されるようにする振動を示すようになっており; 前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、前記共通軸線から外れているが、前記共通軸線の周りに且つ前記共通軸線の長手方向に設けられた磁気アレイを有しており; そして前記共通軸線の長手方向に相対駆動をもたらすのは、相対回転の結果として前記磁気アレイ間に生じる相互作用である。

1つの又は別の態様において、本発明は、振動出力を提供することができる振動装置であって、該装置は、第1アセンブリ及び第2アセンブリを具備するか又は含み、第1アセンブリ及び第2アセンブリは、[例えば好ましくは(例えばPDMへの)流体供給によって]前記回転軸線(「共通軸線」)を中心として相対回転させられ、そして結果として、共通軸線に沿った又は共通軸線に対して平行な往復直線運動が出力されるようにする振動を示すようになっており; 前記第1アセンブリ及び第2アセンブリはそれぞれ、前記共通軸線から外れているが、前記共通軸線の周りに且つ前記共通軸線の長手方向に設けられた磁気アレイを有しており; そして、前記共通軸線の長手方向に相対駆動をもたらすのは、相対回転の結果として前記磁気アレイ間に生じる相互作用である。

別の態様において、本発明は、ステータと、ロータと、前記ステータ及びロータの両方のための少なくとも部分ハウジング(例えば前記のようなハウジング・アセンブリ)とを有するハンマリング・アセンブリ又はダウンホール・ハンマリング装置であり; ステータは (i)ハウジング内で往復運動すること、及び (ii)往復運動軸線の軸線方向に少なくとも1つの軸線方向で運動させられることによって、ハウジングに又はハウジング[又はこれに依存する構造]上にハンマリング又はシェーキング効果を提供すること に依存するか又はこれが可能であり; そして、ハウジングに対するステータの往復運動は、ロータ及びステータの相対回転軸線の相対回転の結果であり、それぞれはそのアレイを両方とも相対回転軸線の長手方向に有し、回転軸線を包囲しており、また、相対回転時に往復運動を提供するように他方のアレイと相互作用することができる。

別の態様において、本発明は、ロータの、スリーブ、周囲、又は同等のものの形態を成すステータに依存する振動装置であり; ステータは、往復運動可能であり、そして往復運動軸線の軸線方向に少なくとも1つの軸線方向で運動させられることが可能であり、これにより、少なくともほぼ同軸線的な内向き磁気アレイと外向き磁気アレイとがそれぞれステータ及びローラの軸線を中心として相対回転する結果として、ハンマリング作用、シェーキング作用、又は他の振動出力作用を提供する。

さらに別の態様において、本発明は、少なくともほぼ同軸線的な磁気アレイ間の相対回転時のハンマリング作用又はシェーキング作用に依存するダウンホール・ハンマー又はシェーカーアセンブリであり、各々の磁気アレイは、相対回転軸線の長手方向に位置するが相対回転軸線から外された互いに同心的なアレイとして延びており、 (i)ドリル・ストリング内部で往復運動可能なステータであるハンマーの磁気アレイと、 (ii)ハンマーの長手方向駆動部を提供するための、ステータ内部のロータの磁気アレイと が設けられている。

本発明の別の態様において、ステータとロータとの相対的な軸線方向の往復運動の結果として振動を出力することができる種類の振動装置であり、該装置は、往復運動位置に対して少なくともほぼ平行な回転軸線上でのロータとステータとの相対回転の結果として、少なくとも部分的なケーシング又はハウジング内部で往復運動するように、スプライン結合されたステータを具備するか又は含み、 (I) ステータとしては、少なくとも (a) ロータの周囲と、 (b) 前記周囲の一部として直接又は間接に担持され、ロータの周りに長手方向且つ周方向に配列されたステータ磁石と が設けられており、 (II) ロータとしては、少なくとも (i) ロータとステータとの相対回転を引き起こすことができる、ステータ磁石ゾーンを通って延びる駆動部の回転シャフト付きアセンブリと、 (ii) シャフト付きアセンブリの一部として担持され、長手方向且つ少なくともほぼ周方向に配列されたロータ磁石と、 が設けられている。

本発明は、別の態様において、回転可能に取り付けられたロータのシールド型又は非シールド型のほぼ周方向の磁気アレイを使用することであって、回転軸線の軸線方向に、相補的な周囲の磁気アレイを有するステータを作動し、これにより(ステータ又はその延長部による打撃の有無を問わず)振動、ハンマリング、及び/又はシェーキング出力を全体的に、又はロータがそれに対して相対回転する装置に提供するための、磁気アレイの使用である。

別の態様において本発明は、ロータ及び/又はステータ及び/又はロータ及びステータの両方、ここに記載した振動装置の全てを収納するための装置である。

別の態様において本発明は、 外側部材又はアセンブリと、 外側部材又はアセンブリの内側でこれに対して相対的に往復運動し、そしてそのシャトリング運動からの運動エネルギーを外側部材又はアセンブリ内に伝えることができる中間部材又はアセンブリと、 外側部材又はアセンブリとの連携から、そして作動下で、前記中間部材又はアセンブリを通る回転軸線上で回転することができる内側部材又はアセンブリと、 を含む振動装置であり; (例えばそれぞれステータ及びロータとして形成された)中間及び内側部材及び/又はアセンブリのそれぞれは、回転軸線に対して長手方向に延びるほぼ同心的な磁気アレイを有しており; そして、アレイの相対回転は、内側及び外側部材及び/又はアセンブリに対する中間部材及び/又はアセンブリの往復運動を引き起こす。

前述の態様において、好ましくは、磁気アレイを有する中間部材又はステータは、実質的に管状の相互作用ゾーンの長手方向で往復運動することができる。

好ましくは、中間部材は、ステータであり、そして外側部材又はアセンブリ又はハウジングによって好ましくは担持された衝撃ゾーンを打撃することによって、ハンマーとして作用する。逆も可能である(ステータが回転させられ、ロータがシャトリングさせられることも可能である)。

好ましくは、衝撃ゾーンは、少なくとも衝撃を引き起こす方向において可能な行程を制限するために変化させることができる構造によって形成される。

好ましくは、行程の他方の端部に、ストップ板が設けられている。任意選択的には、上方に向かう行程に対して設けられた一方のエンド・ストップ板には、実質的に本明細書中に記載されているような反跳・メカニズムが(ステータとそのエンド・ストップ板との間に)挿入されている。

好ましくは、ロータ又はロータであるアセンブリとして形成された内側部材又はアセンブリは、環状ゾーンにわたってロータの回転軸線の長手方向に、永久磁石アレイを担持している。

2つのアレイのそれぞれは、同じ極性を有しているが、実質的に図面を参照しながら後述するような運動を提供するように、互い違いに配置することができる。

いくつかの態様では、混合極性を使用することができる。各々の磁気アレイ内部及び/又は磁気アレイ間に存在し得る形態又は極性アレイがどのようなものであれ、好ましくは、相対回転から単純に、本明細書中で軸線方向駆動と(例えば図面を参照することによって)呼ばれるものが生じるように構成されている。

単純なアレイは、各々のアレイに関して、相対回転軸線の周方向に且つ相対回転軸線に対して平行に極性が交互に形成されているものである。これは、個々のN極磁石の交差するらせん状位置が、同様のS極磁石の交差するらせん状位置によって介入された状態をもたらすことができる。もちろん、ハイブリッドアレイは、全く違うアレイとして働くこともできる。

上述のように、利用される永久磁石は、前述の特許明細書に開示された種類のうちのいずれかであってよい。

好ましくは、ロータ又は内側部材の磁石アレイは、2つの磁気アレイ間の相互作用を妨げることのない材料から成る管又は他のケーシングによって少なくとも取り囲まれている。一例は金属管、例えばインコネル又はチタニウムである。広範囲の非金属材料並びに他の合金を含む他の例も存在する。

好ましくは、振動装置は、下記のようにされた2つの流体システム: (i) 含有された液体を拘束状態にしておく(例えば、動くことが必要であっても)、例えばかき回された状態にしておくためのシステム、及び (ii)液体の流過を許すためのシステム(例えば、液体及び/又はドリリング泥水を作動するPDM) のうちの少なくとも一方を有する装置である。

好ましくは、ロータ又は内側部材又はアセンブリは、シャフトを有しており、シャフト軸線を通る通路が設けられている。これにより、流体はロータ・アセンブリを通過させることができ(例えばダウンホール工具の場合、シャフトを直接又は間接に回転させ得るPDMから)、そして流体はそこから、外側部材又はハウジング・アセンブリの部分である管状ケーシングによって担持されたビット又は工具へ、そしてそこから外に出ることができる。

本発明の2つの独立した流体システムが設けられているか、又は設けられていてよい。

ロータの中心を通して提供された1つの流体システム、例えば外部から供給された流体(例えば、ドリル・ビット又は工具に流下することによって、動作中、掘削屑を押し退ける、PDMに動力供給するのに使用されることもあるドリリング泥水など)の流路が設けられている。

第2流体システムは、拘束液体又は含有された液体(例えば軽油又は水性組成物)のための流体押し退け路を提供する。この含有液体は、磁気アレイの活性(相対的なシャトリング及び回転運動)によって磁気アレイの周り及び軸線アレイ間に押し退けられる。

拘束液体は、相対回転する磁気アレイ間、又は一方のアレイのカバーと他方のアレイとの間、又は各々のアレイのカバー間を単純に潤滑することができる。

拘束液体が相対的な軸線方向運動をロックしないように、押し退け通路を設けることができる。

当業者には明らかなことであるが、気体状内容物ではなく液体でローディングされた環境は、メカニズムのために望まれるシーリングに関する難題を小さくすることができる。磁気相互反応は、非磁性シールドによって保護された長手方向に延びる環状ゾーンを通って外方及び内方に向けられる。このゾーン内のこのような液体のいかなる存在も、シャトリング作用に対してさほど有害ではない。十分な行程及び運動エネルギーの効果的な転移を可能にするのに十分な流通孔があるならば、任意の好適な流路などを利用することができる。さらに、外側磁気アレイとロータのシールド型磁気アレイとの間になんらかの潤滑状態が存在することを保証することによって、圧力差を低減し、又は後述の利点のうちのいくつかを提供することができる。

任意選択的には、下記のもののうちの1つ又は2つが当てはまる: − 磁気アレイの環境は、流体環境である。 − 流体環境は、抵抗を低減するために流通孔を設けられる。 − 「ワイパー」型シールは、前記流体環境と周囲ドリル環境流体との間をシールする。 − 駆動部は、フライホイール特徴を含むように増強される。 − 駆動部は、1つの磁気システムからこれに追従するシステムへの入力を許すための従属型の磁気駆動部であってよく、しかし異なるシール環境の場合、この従属型磁気システムは、一方の磁気アレイの他方の磁気アレイに対する機械的な相対回転を可能にする。 − 前記磁気アレイの位相ずれした磁気相互作用は、[磁石−磁石間でアレイ、磁石−強磁性材料でアレイ]コギング作用の平滑化を可能にする。

本発明の装置は、回転動力源の上方又は下方に位置決めすることができる。

本発明の装置は(下記のものに限定されず)下記ダウンホール用途: ・弁のシフト、 ・プラグの設置、 ・スクリーンの設置、 ・スクリーン内の砂防、 ・ミリング、 ・スケールの除去、 ・セメンティング、 ・コア・サンプリング、 ・ドリリング、 ・動けなくなった工具のフィッシング、 ・ワイヤ・ライン用途、 ・ドリル・ストリング及び/又はその付属のドリル・ストリングに対する、振動/往復運動、 と関連して使用することができる。

本発明の装置は、動力源が二重回転出力部を有し、これにより、振動装置が回転動力源の上方に配置され、そして何らかの他の工具(例えばドリル・ビット/ミリング工具など)が動力源の下方に配置されるのを可能にする。

本明細書中に使用されるように、「磁気アレイ」又は「磁石アレイ」(又はこれらの用語の変更形)は、少なくともほぼ個別の磁石として、又はロータ/ステータ共通軸線に対して傾斜した一連の(1つにまとまった、又は他の形式の)磁石として配列された任意の永久磁石材料を含む。

材料は、永久磁石から選択することができる(具体的には高い磁気密度の希土類磁石、例えばネオジム磁石、例えばNdFeB磁石は、190℃まで安定であることが可能であり、またサマリウム・コバルト磁石(FmCo)は400℃まで使用することができる)。

将来開発され得る磁石を含めて、他の磁石形態を利用することもできる。

ステータ及びロータのうちの一方又は他方、或いは両方のために、同じ極、異なる極、又は混合極の数多くの他のアレイを用いることができる。

本明細書中に使用される名詞の後の(s)という用語は、単数形又は複数形のうちの一方又は両方を意味する。

本明細書中に使用される「及び/又は」という用語は「及び」又は「又は」を意味する。いくつかの状況ではこれは両方を意味することができる。

本発明は、大まかに言えば、出願明細書に言及又は指示された部分、エレメント、及び特徴から個別に、又は集合的に、そして前記部分、エレメント、及び特徴のうちのいずれか2つ又は3つ以上のあらゆる組み合わせで構成されていると言うこともできる。本発明が関連する分野において周知の等価物を有する具体的な完全体が言及される場合には、このような周知の等価物は、個別に示されたものであるかのように本明細書中に組み込まれるものと考えられる。

本発明の好ましい形態を添付の図面を参照しながらここに説明する。

図1は、ダウンホール・ハンマリング装置を参照することにより、1使用例を、(a)ロータと(b)ハウジング・アセンブリ/工具ハウジングにスプライン結合されたステータとの相対回転の長手方向の共通軸線を通る断面図である。ロータのシャフトをステータ及びハウジングに対して相対回転させることができ、これにより、相互作用可能な磁石アレイ間の回転相対性をもたらし、そして結果として相対軸線運動を引き起こす。

図1Aは、図1の領域Bの流路をより詳細に示す図である。

図2Aは、あたかもシリンダ周りに配列され、シリンダ内に設けられているかのような状態で(しかも磁石をシールドしていない)、任意選択的には斜めの個別磁石列を、所望の場合にはロータ上に任意の集合を成して、どのように配列し得るかを示す図である。

図2Bは、図2Aに示されているものを半分に断面したものを、シャトルの個別磁石の最適な配置(任意に相補的又は効果的なアレイを成す)を示す、シャトル断面の内側を背景として示した図である。

図3Aは、担持された磁気アレイが回転中に、その傍らの担持された他方の磁気アレイと相互作用する様子を、(三次元ではなく二次元における説明として)示している。図示のように理論上、平らにして二次元にすると、これは一方のアレイと他方のアレイとの実質的に正弦波状の相対運動を示す。

図3Bは、担持された磁気アレイが回転中に、その傍らの担持された他方の磁気アレイと相互作用する様子を、(三次元ではなく二次元における説明として)示している。図示のように理論上、平らにして二次元にすると、これは一方のアレイと他方のアレイとの実質的に正弦波状の相対運動を示す。

図3Cは、担持された磁気アレイが回転中に、その傍らの担持された他方の磁気アレイと相互作用する様子を、(三次元ではなく二次元における説明として)示している。図示のように理論上、平らにして二次元にすると、これは一方のアレイと他方のアレイとの実質的に正弦波状の相対運動を示す。

図3Dは、担持された磁気アレイが回転中に、その傍らの担持された他方の磁気アレイと相互作用する様子を、(三次元ではなく二次元における説明として)示している。図示のように理論上、平らにして二次元にすると、これは一方のアレイと他方のアレイとの実質的に正弦波状の相対運動を示す。

図3Eは、担持された磁気アレイが回転中に、その傍らの担持された他方の磁気アレイと相互作用する様子を、(三次元ではなく二次元における説明として)示している。図示のように理論上、平らにして二次元にすると、これは一方のアレイと他方のアレイとの実質的に正弦波状の相対運動を示す。

図4Aは、本明細書中で、後述するように性能に影響を与えるために、アレイをどのように変更できるかを、図3A〜3Eと同様に示す図である。

図4Bは、本明細書中で、後述するように性能に影響を与えるために、アレイをどのように変更できるかを、図3A〜3Eと同様に示す図である。

図4Cは、本明細書中で、後述するように性能に影響を与えるために、アレイをどのように変更できるかを、図3A〜3Eと同様に示す図である。

図4Dは、本明細書中で、後述するように性能に影響を与えるために、アレイをどのように変更できるかを、図3A〜3Eと同様に示す図である。

図4Eは、本明細書中で、後述するように性能に影響を与えるために、アレイをどのように変更できるかを、図3A〜3Eと同様に示す図である。

図5は、本発明の特徴を具体化する好ましいアセンブリを(2つの部分として)示す図である。

図2A〜4Eにおいて、異なる極性に関する単純な図面が与えられている。例えばシングル・クロスハッチで示された磁石をS極と考え、そしてダブル・クロスハッチで示された磁石をN極と考えることができ、或いはその逆も可能である。

本発明の好ましい形態は、図1及び5に示されており、ここでは、任意選択的に、工具3を担持しうる整列させられた工具ハウジング部材2を担持するようにされた管状の種類(例えばドリル・ストリング・タイプ)のハウジング構成要素又はケーシング1が設けられている。符号3で示された工具は、周知の形式で装着することができるビットである。

外側ボディ又はハウジング1によってステータ・ボディ4が担持されており、ステータ・ボディ4はハウジング1に対してスプライン結合されている。このボディ4は、外側アレイのステータ磁石5を担持する。

ステータ(すなわち外側部材1に対して相対的に回転するようには意図されていない)としてのこのシャトルは、図1に関して、左右に往復運動することができ、これにより、ステータ・シャトル4の衝撃面7のエンド・ストップ部材6に衝撃を加えることができる。他の方向では、好ましくは、例えば上側エンド・ストップ8には衝撃は加えられない。このことに関して、好ましくは特許文献4に開示されているような反跳アレスタ9が設けられている。

言うまでもなく、本発明は、作動可能であるためにこの反跳アレスタを利用することを必要とはしない。従って、シャトルの衝撃は、反跳アレスタの代わりに設けることができるエンド・ストップ上に直接に加えられるようなる。更なる実施態様では、シャトルによって提供される衝撃ショックは、アップホールにおいてのみ又はダウンホールにおいてのみ生じ得ることは明らかである。

図面から判るように、PDM(図示せず)は、シャフト付きロータ10の上側端部領域に(直接又は間接に)動力を供給することにより、流体が符号11のところから流入し、部分12を介してビットを通り、そして符号13のところでビットから出るのを可能にする。

ロータは、概ね単一の材料から形成することができる。ロータは、符号14で示された内側磁気アレイを含む。

好ましくは、ロータの回転磁気アレイの完全性を保証するために、例えば磁界透過性材料(例えばインコネルその他)から成る管状部材16が提供される。

しかし図面から判るように、ステータと外側ボディとの間を流体が流過するのを可能にするための複数の流通孔を設けることができる。

図面では、極性は、アレイのそれぞれにおいて、磁石のクロスハッチングに応じて異なるものと考えられたい。各々の磁束透過カバーは、1つは、内側アセンブリと一緒に回転し、そして、1つは外側アセンブリと一緒に回転するものと考えられたい。カバー間の液体(例えば油)のチャンバ(例えば環状チャンバ)又は膜(環状膜)が、振動出力の前に、往復運動をロックアップしないように、各々の端部領域にプールされた液体が[例えば経路を介して]動かされる(かき回される)ようになっていると考えられたい。

また、外側アレイの外側に(例えば磁界含有材料、例えば鉄で)、及び同様の任意の場所に覆い(shrouding)を設けることにより、磁束経路を阻止することも考えられたい。

簡単な組み立て及び分解に役立つ二部分サブアセンブリが期待される我々の以前の特許明細書のハンマーを凌ぐように、本発明を組み立てるために必要とされる、相当な部品点数削減(例えば記載の実施態様では最大80%の削減)が期待される。部品点数が少なくなると、本発明は、製造及び組み立てがより低廉になるとともに、部品点数及びサブアセンブリ数が減少することによって、信頼性が著しく高くなる。

本発明の好ましい実施態様が作動するダウンホール環境で、均等化圧力が達成されるように、本発明のハンマー区分を拘束流体で浸すことができるので、ハンマーが作動し得る圧力に対する潜在的な制限はないと予想される。具体的には、ハンマーが作動し得る制限的な要因は、ハンマーの構成材料によって決定されると想定される。

相互作用磁石アレイの選択肢は次のことを含む: −相互作用磁気アレイは、半径方向の分離を超えて相互作用するように同心的に(例えばほぼ円筒形の内側及び外側アレイによって)配置される。或いは −相互作用磁気アレイは、軸線方向の分離を超えて相互作用するように、同一円周上に(しかし軸線方向に間隔を置いて)配置される。 −相互作用磁気アレイは、シャトリング効果を達成するために360度を通して回転することを必要としない。所要のシャトリングを達成するために部分回転も想定される。 −同じシャトリングは、種々の組み合わせ又はパターンで相互作用磁気アレイを配列することによって達成することができる。

内側アレイと外側アレイとのこのような相互作用のために、シャトリングの振動数及び振幅を下記のうちのいずれか1つ以上[組み合わせの有無を問わない(例えばハンマーの磁気アレイと他方の磁気アレイとの組み合わせ)]によって変更することができる: − 磁気アレイが不変である場合、相対回転の差を増大させるためにより多くの入力パワーを供給することによって、運動振動数の増大の恩恵を受けて軸方向の相対運動の振幅が低減され、及び/又は、 − 磁気アレイのパワーが増大するならば、同じ運動振動数においての振幅を増大させることができ、及び/又は、 − (例えば、軸線方向に延びるゾーンにわたって同じ極性の磁石をグループ化することによって)各々の磁気相対作用の軸線方向継続時間を延長させたいならば、このことは、軸方向の相対運動の振幅を増大させることによって行うことができる。

一例として、図3A〜3Eは、内側アレイ及び外側アレイの両方に関して、一組の極の規則性を示している。ダブル・クロスハッチングはN極であり、そしてシングル・クロスハッチングはS極である。

一例として、図4A〜4Eは、同じより暗いN/より明るいSの描写を用いて、軸線方向の両アレイに形成されたNN及びSSの対を示している。

磁気アレイが本発明のハンマー区分内部に半径方向に配置されている結果として、ハンマーは機械的により堅牢であり、そしてハンマーの有効直径は、著しく低減される。このことは我々の以前のハンマーを凌ぐ、下記のものを含む数多くの利点をもたらす: − 固定的な断面積に対して、1直線メートル当たりのパワー密度が増大することによって、出力パワーが等価であるハンマーがより小型化し、そして − 製造誤差が、著しく低減される。

装置は、振動装置として利用することができる(工具上のハンマーである必要は必ずしもない)。

装置は、連続コイル・タイプのダウンホール又は他の用途のために振動を提供することができる。

本発明の付加的な用途は: − ダウンホールで動かなくなった設備の解放、 − ドリリング、 − ドリル・ストリング又はドリル・ストリングに結合された工具に対する振動/往復運動、 − 震動衝撃の発生、 − ダウンホール「延長リーチ (extended reach)」用途における摩擦の最小化、 − 振動ダウンホールのセメンティング用途、 − 固有の流通設計に基づく砂利充填坑井スクリーン、 を含む。

ドリル・ストリング及び/又は連続コイルとともに、又はこれにおいて使用するときには、振動装置は、複数のユニットを提供するという選択肢とともに、ドリル・ストリング・コイル内のいかなる場所にも配置することができる。

言うまでもないことであるが、本発明の製造に際しては、磁石は、シャトル及びケーシング・ボディ内に形成された孔内部の緩衝材料、例えばゲル内に取り付けることができ、ひいては磁石の衝突を防止し、そして破損に基づく磁石の後の交換を可能にする。

本発明は、端部空間のいずれか又はこれらの組み合わせによって、及び/又は表面ポンプからの泥水送出量を変更することによって、振動数を調節することができる。

図5は、ケーシング・アセンブリ17における装置の変更形を示している(ゾーン18は、共通して図5の頂部から図5の底部までである)。

この配置構成において、エネルギー回収ばね19が、相互作用磁気アレイ20及び21の上方に設けられており、相互作用磁気アレイは、それぞれ他の実施態様に関して前述したように相互作用する。

好ましくは、外側磁気アレイは、ケーシング・アセンブリにキー溝結合されているが、衝撃ゾーン23で作用を及ぼすために往復運動する(例えば約16mm)ことができるアセンブリ22である。

工具24は、好ましくは中心導管25を介してドリリング泥水を供給される、任意の工具であってよい。このようなドリルストリングを上がるドリリング泥水は、PDMを作動するためにすでに使用されてきた。

磁気アレイの相互作用は、シーリングをより良好に可能にするための低抵抗液体中で生じる。流体ポート26は、ロックアップを防止するのに十分にその液体がかき回されるのを可能にすることができる。

他の流体(例えば、低粘度圧力を補償する液体又は流体27)を使用することができる。それぞれ符号29及び28として示された軸受け及び/又はばね(衝撃又はショックから軸受けを切り離すために使用される)は、圧力補償ピストン31によって仕切られた潤滑油充填環境30内に位置することができる。

手短に上述した装置は、数多くの異なる用途、そして具体的には、下記ダウンホール工具において使用することができるが、当業者には明らかなように、下記例は、包括的なリストではない。

第1の用途では、軸線方向に往復運動する磁気アレイは、工具ボディに衝撃を与え、これにより、高いエネルギーショックをドリル・ビットに伝えることができる。このタイプの衝撃は、衝撃が岩石破壊を引き起こすのに十分な力を発揮する岩石形成物中のドリリング時に有益であることが判っている。

このタイプの用途に使用されるドリル・ビットは固定ボディ・「ハンマー」タイプのビット、又は好ましくはハイブリッド・ドリル・ビットであってよい(特許文献5、6)。

この工具は、ドリル・ストリングの下端部に配置されるのが好ましいが、(ドリル・ストリングの長さを介してドリル・ビットへ衝撃を加えるトップ・ハンマーとして)ドリル・ストリングの始動時に使用できる状況もある。或いは、この工具は、ドリル・ストリング内部のビットなしに、ショック工具(ドリリング・ジャー)として使用することによって、動かなくなったパイプ又はケーシングを取り外すのを助けることができる。この工具は、前述のフライホイールとの関連において使用してよい。

この磁気装置を使用することのできる別の例は、我々のワイヤ・ライン回収可能なコア・サンプリング・ハンマー・システム(特許文献7参照)に従うものであり、この場合、ハンマーは、磁気的性質を有することができる。このタイプの用途において使用されるドリル・ビットは、固定ボディのダイヤモンド・コア・ビット、又は好ましくはハイブリッド・ドリル・ビット(前述の特許文献5参照)であってよい。

この工具は好ましくはドリル・ストリングの下端部で使用される。

この工具は、前述のフライホイールとの関連において使用することができる。

この磁気装置を使用することのできるさらに別の例は、岩石を貫通するための前述のハンマリング装置と類似したものであるが、しかしこの例では、2つの機械的入力部が設けられている。

2つのドリル・ロッド(一方が他方の中にある)が(好ましくは)表面装着型の駆動装置から互いに独立して回転させられる。内側ロッドは、回転駆動型の磁気アレイを回転させて、第2軸線方向の運動磁気アレイが工具ボディ及びドリル・ビットをハンマリングするようにするために使用される。第2軸線方向の往復運動磁気アレイは、外側ドリル・ロッドと一緒に同期回転させられる。外側ドリル・ロッドの回転はまた、ドリル・ビットに加えられる力を制御し、そしてドリル・ビットが回転して新しい岩石をハンマリングするのを可能にするために必要となるビットの回転速度を制御するために用いられる。

このタイプの用途に使用されるドリル・ビットは、固定ボディ・「ハンマー」タイプのビット、又は好ましくはハイブリッド・ドリル・ビット(前述の特許文献5、6参照)、又は任意のタイプの適合性のあるビット、例えばローラ・コーンビットであってよい。

この工具は、好ましくはドリル・ストリングの下端部で使用される。

この工具は、前述のフライホイールとの関連において使用することができる。

備考 この装置の前述の例の全ては、次の性質のうちのいくつか又は全てを有している。 1. 好ましくは、高い圧力差のシーリングの問題を最小化するために低粘度流体とともに使用する。 2. 回転磁気アレイによって「励磁」されたときに軸線方向の往復運動を誘発する任意の磁気アレイを使用することができる。実際には任意の形状の磁石を使用することができる。 3. 磁石という用語は、好ましくはいわゆる希土類成分を使用する任意の磁石を意味するが、しかし超電導体であってもよい。 4. これらは、望ましくないショックを最小化し、さもなければ失われてしまうかもしれない運動エネルギーを再利用するための従動性メカニズム(例えばばね)を使用してよい。 5. 全ては上記「流体路」、すなわち軸線方向運動磁石アレイが力損失を最小限しか伴わずに流体膜を通って往復運動するのを可能にする流体路を、有することも有さないこともある。 6. 全ては圧力補償ピストンを、使用することも使用しないこともある。 7. 回転する磁石群及び軸線方向の磁石アレイの両方の内部に保持された全ての磁石は好ましくは、高い電気抵抗性を有する材料(例えばインコネル、モネル、チタン、オーステナイト・ステンレス鋼、カーボンファイバなど)内部に「収納」されている。 8. 回転作動型の磁気アレイを回転させるために、好適な回転入力部(例えばPDM、ドリリング・タービン、又は電気式、空気圧式、液圧式、又はその他)が設けられている。 9. 全ては好ましくは、ドリル・ストリングと一緒に同期回転させられる磁石アレイのうちの少なくとも1つを有している。 10. 全ては、軸線方向の往復磁気アレイと外側ボディとを(ドリル・ストリングまで延ばすことによって)同期的に結合し、そして回転磁気アレイからの影響を受けて往復動作が発生するのを可能にするスプライン結合(又は同様のもの)を好ましくは必要とする。 11. 上記装置全てが、機械的又は磁気的フライホイールと一緒に使用されることがある。