(57)【要約】本発明は、ソニックドリル即ち音波掘削装置に関する。本発明によるソニックドリルは、シリンダ室(3)内に設けられたワークピストン(5)を有する。ワークピストン(5)をボア内で強制的に往復動させるやり方で加圧下の流体をワークピストン(5)の上側及び下側のボア(38)に交互に送り込むことによって、起振力を得る。シリンダ室(3)は、加圧下の流体をワークピストン(5)の第１面の上側のボア(38)に流す入口ダクト(12)と、流体をワークピストン(5)の第２面の下側のボア(38)から逃がす排出ダクト(16)を有する。ワークピストン(5)の往復動中、ボア(38)内の圧力の過剰な増大を阻止する減圧用バイパス路(37)が設けられている。
2005533665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置であって、
ボア、入口ギャラリ及び排出ギャラリを備えた室を含むシリンダを有し、
室のボア内で往復動するようになっていて、室内での往復動中、室のボアの壁に密着する半径方向壁を備えたワークピストンを有し、
ワークピストンは、ワークピストンの一端部のところに位置する第１のランド及びワークピストンの第２の端部のところに位置する第２のランドを有し、
加圧下の流体を入口ギャラリからワークピストンの第１のランドの上方でシリンダのボア内へ導き、そしてピストンの第２のランドの下でボアから排出ギャラリ内へ排出してワークピストンをボア内で動かすようにし、これと交互に、加圧下の流体を入口ギャラリからワークピストンの第２のランドの下でシリンダのボア内に導き、そしてピストンの第１のランドの上方でボアから排出ギャラリ中へ排出してピストンをボア内で往復動させるようにする手段を有し、
ワークピストンに連結されていて、ピストンの往復動により生じた力をマンドレルに伝えるようになったピストンシャフトを有していることを特徴とする装置。
【請求項２】
ピストンの各入口ギャラリは、加圧流体がギャラリに流入できるようにする入口ポートを有し、前記入口ギャラリは、ボアの壁の表面で終端しているポートを介してシリンダのボアと連通していることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項３】
室は、ワークピストンの第１の半径方向フェースの上方でシリンダのボアに開口した第１の端部を備えると共にワークピストンの第２の半径方向フェースの下でシリンダのボアに開口した第２の端部を備えるリリーフボアを有し、前記リリーフボアは、往復動可能なリリーフピストンを有し、前記リリーフピストンの運動は、シリンダ室からリリーフボアに出入りする流体の運動によって定められることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項４】
室内に設けられたリリーフボアと、リリーフボア内に設けられていて、ボア内での往復動を行い、往復動中、リリーフボアの壁に密着するようになったリリーフピストンと、ワークピストンの一端部でシリンダのボアの一部及びリリーフピストンの一端部のところでリリーフボアと連通する第１のリリーフバイパスと、ワークピストンの第２の端部のところでシリンダのボアの一部及びリリーフピストンの第２の端部のところでリリーフボアと連通する第２のリリーフバイパスとを有し、ワークピストンがシリンダのボア内で一方向に動くと、シリンダの第１の端部のところでボア内に存在する流体が第１のリリーフバイパスを通ってリリーフボアの第１の端部内へ押し込まれ、それによりリリーフボア内のリリーフピストンを移動させてリリーフボアの第２の端部内の流体を加圧すると共に第２のリリーフバイパスを通って流体をシリンダのボアの第２の端部内へ流入させるような構成及び配置になっていることを特徴とする請求項３記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項５】
各入口ギャラリは、室の壁周りに３６０°にわたって延びていることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項６】
ワークピストンの本体は、本体を長手方向に貫通して延びていて、ワークピストンの往復動中、所定時間の間、ワークピストンの半径方向壁を介して前記入口ギャラリと連通し、更に、ワークピストンの第１の半径方向フェースを介してシリンダのボアと連通する第１の移送ギャラリを有していることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項７】
ワークピストンの本体は、本体を長手方向に貫通して延びていて、ワークピストンの往復動中、所定時間の間、ワークピストンの半径方向壁を介して前記入口ギャラリと連通し、更に、ワークピストンの第２の半径方向フェースを介してシリンダのボアと連通する第２の移送ギャラリを有していることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項８】
室は、２つの排出ギャラリを有し、第１の排出ギャラリは、ワークピストンの第１の半径方向フェースの上方でシリンダ室と連通し、第２の排出ギャラリは、ワークピストンの第２の半径方向フェースの下でシリンダのボアと連通し、第１及び第２の排出ギャラリは、ギャラリ内の流体をシリンダのボアから遠ざけて導くことができるようにする出口ポートを有していることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項９】
ワークピストンの半径方向壁に設けられた第１の移送ギャラリの開口部の位置は、ワークピストンの半径方向の壁に設けられた第２の移送ギャラリの開口部の位置に対し長手方向にずれていることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項１０】
シリンダは、リグによって支持され、ワークピストンは、マンドレルに連結可能なピストンシャフトを有していることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【請求項１１】
シリンダ室は、バラスト重りを有するドリルヘッドの一部をなしていることを特徴とする請求項１記載のマンドレルに加えることができるよう正弦圧力波を発生させる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソニックドリル即ち音波掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波掘削（ソニックドリリング）は、起振力を生じさせ、生じた振動をマンドレルに加えることによりマンドレル又はパイプを地中、例えば地層に打ち込み又は半固形物体に打ち込む技術である。起振力は一般に、マンドレルの共振周波数に合わされた又はこれに近い最高約２００Ｈｚの強力な正弦音波振動から成る。音波振動の効果は、マンドレルの直ぐ周りに位置する土の部分を流動化させることにあり、荷重をマンドレルに加えると、音波振動は、地層中へのマンドレルの通過を容易にする。マンドレルの周囲の土は、共振的に振動するシステムの一部をなさず、それどころか、土の粒子は、互いに対してランダムな振動を生じ、この流動化は、当初マンドレルを地層中に通りやすくし、最終的には、振動を除くと、マンドレルの周りでの土の押し固めの原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
共振形ソニックドリルは、主要構成要素として、正弦縦圧力波を発生させることができる振動子の形態をしたドリルヘッドを有し、正弦縦圧力波は、マンドレルに伝達され、マンドレルは、その自由端部のところにドリルビット又はその類似物を有している。マンドレルに加えられる圧力波を発生させる種々の手段が知られており、かかる手段の１つは、米国特許第５，４１７，２９０号明細書（バロー）に開示されている。この米国特許明細書は、ヘッド内に設けられた軌道レース内で逆回転方向に高速で回転する１対の偏心ローラを有するソニックヘッドを記載している。ソニックヘッドは、マンドレルの頂部に固定され、それにより、生じたエネルギ衝撃又はインパルスがマンドレルに伝達される。
また、音波エネルギを生じさせてこれをマンドレルに加えるよう利用する他の方法が、米国特許第３，３７５，８８４号明細書（ボディン）、第３，３７９，２６３号明細書（ボディン）、第４，８３６，２９９号明細書（ボディン）、第４，５２７，６３７号明細書（ボディン）、第５，５４９，１７０号明細書（バロー）、第５，５６２，１６９号明細書（バロー）及び国際公開第ＷＯ０１／８３９３３号パンフレット（バー−コーエン）に開示されている。
上述の装置は全て、正弦圧力波を生じさせる機械的手段、例えば逆回転ローラを利用しており、したがって、摩擦の問題及び構成要素に及ぼされる大きな機械的加重によりかなり長い稼働停止時間を生じがちである。
【０００４】
正弦圧力波を発生させる別の方法が、国際公開第ＷＯ０１／８３９３３号パンフレットに記載されている。この方法では、圧電スタックを振動を発生させるためのアクチュエータとして利用する。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、シリンダ内のピストンに直接作用する高圧流体を利用して正弦圧力波を発生させる改良型手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、１つの側面では、マンドレルに加えるための正弦圧力波を発生させる装置であって、ボア、入口ギャラリ及び排出ギャラリを備えた室を含むシリンダと、室のボア内で往復動するように構成されたワークピストンとを有し、ワークピストンは、室内での往復動中に室のボアの壁に対してシールする半径方向壁と、第１の端部のところに位置する第１のランドと、第２の端部のところに位置する第２のランドとを有し、更に、ワークピストンをボア内で移動させるために、加圧下の流体を入口ギャラリからワークピストンの第１のランドの上側のシリンダのボア内に通じさせると共にワークピストンの第２のランドの下側のボアから排出ギャラリに排出することと、ワークピストンをボア内で往復動させるために、加圧下の流体を入口ギャラリからワークピストンの第２のランドの下側のシリンダのボア内に通じさせると共にワークピストンの第１のランドの上側のボアから排出ギャラリに排出することとを交互に行う手段と、ワークピストンに連結されたピストンシャフトとを有し、ピストンシャフトは、ワークピストンの往復動によって生じた力をマンドレルに伝えるように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
好ましくは、ワークピストンの各入口ギャラリは、加圧流体が入口ギャラリに流入することを可能にする入口ポートを有し、入口ギャラリは、ボアの壁の表面で終端しているポートを介してシリンダのボアと連通している。
好ましくは、室はリリーフボア又は減圧用ボアを有し、このリリーフボアは、ワークピストンの第１の半径方向面の上側のシリンダのボアに開口した第１の端部と、ワークピストンの第２の半径方向面の下側のシリンダのボアに開口した第２の端部とを有し、リリーフボアは、往復動可能なリリーフピストン又は減圧用ピストンを収容し、リリーフピストンの運動は、シリンダ室からリリーフボアに出入りする流体の運動によって定められる。
【０００８】
好ましくは、装置は、更に、室内に設けられたリリーフボアと、リリーフボア内に設けられたリリーフピストンとを有し、リリーフピストンは、ボア内で往復動を行い且つ往復動中にリリーフボアの壁に対してシールするように構成され、更に、ワークピストンの第１の端部のところのシリンダのボアの一部と連通し且つリリーフピストンの第１の端部のところのリリーフボアと連通する第１のリリーフバイパス路又は減圧用バイパス路と、ワークピストンの第２の端部のところのシリンダのボアの一部と連通し且つリリーフピストンの第２の端部のところのリリーフボアと連通する第２のリリーフバイパス路とを有し、ワークピストンがシリンダのボア内で一方向に動くと、シリンダの第１の端部のところのボア内に存在する流体が、第１のリリーフバイパス路を通ってリリーフボアの第１の端部に押し込まれ、リリーフボア内のリリーフピストンを移動させ、リリーフボアの第２の端部の流体を加圧し、流体を第２のリリーフバイパス路から第２の端部のところのシリンダのボアに流入させるように構成されている。
好ましくは、各入口ギャラリは、室の壁周りに３６０°にわたって延びている。
【０００９】
好ましくは、ワークピストンの本体は、本体を貫いて長手方向に延びる第１の移送ギャラリを有し、第１の移送ギャラリは、ワークピストンの往復動中の所定時間、ワークピストンの半径方向壁を介して入口ギャラリと連通し、ワークピストンの第１の半径方向面を介してシリンダのボアと連通する。
好ましくは、ワークピストンの本体は、本体を貫いて長手方向に延びる第２の移送ギャラリを有し、第２の移送ギャラリは、ワークピストンの往復動中の所定時間、ワークピストンの半径方向壁を介して入口ギャラリと連通し、ワークピストンの第２の半径方向面を介してシリンダのボアと連通する。
【００１０】
好ましくは、室は、２つの排出ギャラリを有し、第１の排出ギャラリは、ワークピストンの第１の半径方向面の上側でシリンダ室と連通し、第２の排出ギャラリは、ワークピストンの第２の半径方向面の下側でシリンダのボアと連通し、第１の排出ギャラリ及び第２の排出ギャラリは、出口ポートを有し、各出口ポートはそれぞれ、第１及び第２の排出ギャラリ内の流体をシリンダのボアから遠ざけるように通じている。
好ましくは、ワークピストンの半径方向壁に設けられた第１の移送ギャラリの開口部の位置は、ワークピストンの半径方向壁に設けられた第２の移送ギャラリの開口部の位置に対し長手方向にずれている。
好ましくは、シリンダは、リグによって支持され、ワークピストンは、マンドレルに連結可能なピストンシャフトを有している。
好ましくは、シリンダ室は、バラスト重りを有するドリルヘッドの一部をなしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、添付の図面を利用して本発明の好ましい形態を説明する。
図１に概略的に示されているように、本装置は、地面２の上に位置し、当業者には明らかなやり方でリグ（図示せず）内に適当に支持されたドリルヘッド１を有している。ドリルヘッド１は、シリンダ室３を有し、シリンダ室３の上に、バラスト重り４が取り付けられている。ワークピストン５が、シリンダ室３のボア内で長手方向往復動を行い、このワークピストン５は、ピストンシャフト６に連結され、このピストンシャフト６は、第１の端部６ａのところで、バラスト重り４内に形成されているスリーブ４ａに案内されている。適当な流体シール８が、シリンダ室３のボアと周囲との間の適当な密封状態を保証するようにスリーブ４ａ内に配置されている。ピストンシャフト６の第２の端部６ｂは、ワークピストン５の下側のシリンダ室３のボアを周囲から密封できるように、シリンダ室３の端板１０内に設けられたシール９を貫通している。ピストンシャフト６は、当該技術分野において知られているように岩心のサンプル採取を容易にするよう中空であるのがよい。
【００１２】
図１に示す形態では、ピストンシャフト６は、マンドレル１１又はドリルストリングを支持し又はその一部を構成し、このマンドレル１１又はドリルストリングは、図示のように、一部が地面２に埋め込まれている。ドリルストリングに採用されるねじ込み式継手の一体性を確保するために、また、ドリルストリングの分解及び作動中のドリルストリングの制御された案内を容易にするために、当業者に知られているように、ドリルストリング又はマンドレル１１を回転させる手段（図示せず）も設けられる。
【００１３】
特に図２、図３及び図４に示すように、シリンダ室３は、高圧流体源を連結できる入口ポート１３を備えた入口ギャラリ又はダクト１２を有している。シリンダ室３は、出口ポート１５を備えた第１の排出ギャラリ１４及び出口ポート１７を備えた第２の排出ギャラリ１６を更に有している。
ワークピストン５は、このワークピストン５を長手方向に貫通して延びる第１の移送ギャラリ２０を有し、この第１の移送ギャラリ２０は、ワークピストン５の軸線方向面に設けられた開口部２１と連通し、ワークピストン５のランド２３の符号２２で示すところで開口している。図示のように、開口部２１は、ワークピストン５の長手方向中心からずれている。ワークピストン５は、更に、第２の移送ギャラリ２５を有し、その一方の端部は、ワークピストン５の軸線方向壁に設けられたポート３０を介して符号２６のところで開口し、その他方の端部は、ワークピストン５のランド２８の符号２７のところで開口している。第２の移送ギャラリ２５の開口部２６は、第１の移送ギャラリ２０の場合と同様、開口部２１の距離と等しいが逆向きの長さの距離、ピストンの長手方向中心からずらされている。
【００１４】
本装置は、非常に好ましい形態では、シリンダ内に長手方向に形成されたボア３６を含み、ダクト３７を介してピストンの上下両方のシリンダ室３８と連通した流体バイパス路を更に有している。往復動バイパスピストン４０が、ボア３６内で長手方向に自由運動を行い、適当な流体シール４１が、シールを越える流体の通過を阻止するようにピストン４０の各端部のところに設けられている。
【００１５】
作用を説明すると、流体を加圧下でポート１３に導くと、この流体は、好ましくはシリンダ壁周りに３６０°にわたり延びる入口ギャラリ１２に流入する。ワークピストン５が図３に示す位置にあるとき、加圧流体は、矢印で指示するように第１の移送ギャラリ２０に流入し、ワークピストン５の軸線方向面の開口部２２を通って室３８内に流出する。この位置では、第２の排出ギャラリ１６の排出ポート１７は閉じられ、第１の排出ギャラリ１４の排出ポート１５は開かれていて、ワークピストン５の上側の室の内部が、第１の排出ギャラリ１４に通じるようになっている。ワークピストン５の上下両方の室３８がダクト３７及びボア３６に対して、常時、開放状態のままであることに注目すべきである。
【００１６】
流体の圧力は、ワークピストン５のランド２３に作用し、これにより、ワークピスト５ンを矢印Ａ−Ａ（図３参照）の方向に移動させる。次いで、ワークピストン５の運動により、第１の移送ギャラリ２０の開口部が入口ギャラリ１２に対して小刻みに閉じられると共に、シリンダ室３８が第１の排出ギャラリ１４に対して小刻みに閉じられる。第１の移送ギャラリ２０の開口部２１が入口ギャラリ２０に対して閉じられ且つ室３８が排出ギャラリ１４に対して閉じられる段階にワークピストン５が達すると、ワークピストン５の上側の室内の流体は、ダクト３７内へ流れ、そしてボア３６内へ流れる傾向がある。したがって、圧力がバイパスピストン４０の端面に及ぼされ、バイパスピストン４０を矢印の方向に移動させる。これにより、室３８内が減圧され、ワークピストン５の上側の室３８内での過剰な圧力増大が阻止され、それにより、ワークピストン５がその行程を完了することを可能にする。
【００１７】
ワークピストン５が図３の矢印Ａ−Ａの方向の運動を続行すると、第２の移送ギャラリ２５の開口部２６は、入口ギャラリ１２と位置が合い始め、加圧下の流体が第２の移送ギャラリ２５を通り、ワークピストン５のランド２８の開口部２７から流出して、ワークピストン５の上側の室３８内に流入する。ワークピストン５の上方運動は、ワークピストン５が図４に示す位置に達するまで続き、その段階で、第２の移送ギャラリ又はダクト２５の開口部２７を介してシリンダ室３８に流入している流体の圧力が、ワークピストン５を戻し始め、動作の第２サイクルになる。
【００１８】
したがって、図３及び図４に示すピストンの後退運動及び前進運動は、加圧下の流体が入口ギャラリ１２内で得られ、流体が排出ギャラリ１４、１６から流出できる限り、ドリルストリングの共振ばね質量系と関連して自動的に続いていく。当然のことながら、入口ギャラリ１２及び排出ギャラリ１４、１６は、好ましくは、所要の流体圧力を発生させるように適当なポンプが組み込まれたループ中に接続されることを理解するべきである。
したがって、構成部品の相対的容量及び流体の圧力に応じて、かなり大きな往復動力を発生させることができ、ピストンの往復速度は、流体の圧力に依存するだけでなく、ポート切替え構成の相対的なタイミング及びマンドレル／ドリルストリングの共振周波数にも依存している。
また、流体の好ましい形態は一般に、作動油又はこれに類似した油であるが、流体は任意公知の圧力発生システムにより適当な量及び圧力で供給されるガス、例えば空気又は蒸気であってもよいことを理解すべきである。かかる圧力発生システムの１つは、例えば内燃機関の形態をしていてもよい。
本発明の好ましい形態を説明したが、特定の好ましい実施形態の改造及び変形を行うことができ、これらは本発明の一般的な思想に依然として属することは当業者には明らかであろう。かかる改造例及び変形例は全て、本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるソニックドリルの基本形態の概略的な部分断面図である。
【図２】シリンダ内にある中立位置のピストンを示す概略的な断面図である。
【図３】第１方向の行程の開始時におけるピストンを示す図２と同様の断面図である。
【図４】第２方向の行程の開始時におけるピストンを示す図２と同様の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2005533665.tif 000008