(57)【要約】地盤掘削のための機械であり、循環する液体を用い、電極間での高電圧パルスによって発生する放電を利用する。それは以下の構成が可能である。すなわち、すべてのボトムホールの位置関係においてすべての電極に対するボトムホールの物理的接触が確保されるように互いに移動可能な電極４を有するドリルビット１、初期切削物を除去するために液体を噴射する尖端流体ノズル、そのノズル７を介する圧力は４ＭＰａ以上、ドリルビット１からの最小距離のダウンホールに配置された高電圧パルスジェネレータ、ボアホールに断面的掘削物が発生する要因となる回転または往復ビット、一または複数の直径上または接線上に沿って配置された電極間での放電、コア貯蔵と共に環状穴を形成するためのボトムホールアッセンブリ、輸送手段、ダウンホール閉ループの放電液循環。放電液貯蔵が組み込まれるようにしてもよい。掘削方法も明示されている。【選択図】  図５ｃ
2007527962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極同士間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面にボアホールを掘削する方法であって、下記の要素の少なくとも１つを含むことを特徴とする掘削方法。
ｉ  すべての電極が当該すべてのボトムホール形状に物理的に接触することを確保するために、相互におよびドリルビットボスに対して移動可能な電極、
ｉｉ  初期切削物を、緩んで直ぐにそれを浮かせて除去するための、ノズルを介して４ＭＰａ以上の圧力増大を有する、循環液のジェット噴射（ホールボトムにジェット衝撃点を有し、ジェットのベクトル方向が実際の放電ギャップに対して固有の関連性を有す）、
ｉｉｉ  ドリルビットから最小に固定された距離にあって、１ＫＶまたはその他の実用的な電圧レベルが地表から供給される最低１台の高電圧パルスジェネレータ、
ｉｖ  ドリルビットボスの回転または往復運動の組み合わせにより、およびビット切羽に１つまたはいくつかの半径と接線に沿って置かれた複数の電極によるボアホール断面の掘削範囲、
ｖ  コア貯蔵、コア輸送、原動力エネルギー供給によるダウンホール閉ループ放電液循環、放電液清浄およびそれに含まれる切削物の貯蔵を伴う、環状ホール形成。
【請求項２】
電極は、掘削方向に、相互にそしてドリルビットボスに沿うか平行して移動可能、または沿うか並行して移動可能な成分を最低１つ持つためすべての電極が当該すべてのボトムホール形状に物理的に接触することが保証されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項３】
一つの電極は、ドリルビットボスに対して固定され、および他のすべての電極は互いにそしてドリルビットに対して移動可能であることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項４】
移動可能な電極は、ドリルビットボスに対して前方に押し出され、それらがホールボトムの底断面に打ち当たることでそれら個別の位置が見出されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項５】
移動可能な電極は、交代する電極の一組または交代する複数の電極の一組がボトムホールの断面に接触し、他はボトムホールの断面との接触から外れたそれらの格納位置に入るように常時操作可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項６】
高電圧放電パルスが、ドリルビット付近に、ドリルビットから固定された距離に、およびボアホールが深くなるにつれ、ドリルビットの後を追うように配置されたダウンホールパルスジェネレータによって生起されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項７】
高電圧放電パルスが、ドリルビット付近に、ドリルビットから固定された距離に、およびボアホールが深くなるにつれ、ドリルビットの後を追うように配置された複数のダウンホールパルスジェネレータによって生起されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項８】
すべての電極ギャップが、同等の条件でパルスジェネレータまたは複数のパルスジェネレータに電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項９】
電極ギャップが、そうでなければ、同等の条件で、時間的に変動する個々に専用のパルスを受けるパルスジェネレータに電気的に直列接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項１０】
電極ギャップが、パルス全体を受ける、または部分的に他の電極ギャップとは独立してパルスを受ける、または所定のパルス分配プログラムに従ってパルスを受ける個々に専用のパルスジェネレータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか、あるいは、請求項７記載の掘削方法。
【請求項１１】
電極ギャップのグループが、グループ内で並列パルスおよびパルス全体を受ける、または部分的に他のグループとは独立してパルスを受ける、またはグループ内で所定のパルス分配プログラムに従ってパルスを受ける個々に専用のパルスジェネレータに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか、あるいは、請求項７記載の掘削方法。
【請求項１２】
各電極の組または組のグループが、それらに個別のケーブルでパルスジェネレータと接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか、請求項７、１０および１１のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項１３】
すべての電極の組またはすべての電極のグループが、全体または部分的に共通のケーブルでパルスジェネレータと接続され、および個々のパルス接続先が切替装置によって与えられることを特徴とする請求項１から５のいずれか、請求項７、１０および１１のいずれかに記載の掘削方法。
【請求項１４】
方向付けされた高圧放電液ジェット噴射が行われ、前記方向がビットボスの正面に実装されたノズルによって達成されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項１５】
ノズルを介して増強されたジェット噴射の圧力が４ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１または１４記載の掘削方法。
【請求項１６】
ジェット噴射が、ホールボトムにおける各電極ギャップに対して特有の衝撃点および方向を有して、初期切削物が岩盤組織中の生来の位置から緩むとそれを直ぐに浮かせて除去することを特徴とする請求項１または１４記載の掘削方法。
【請求項１７】
ビット下から切削物を除去するための優先的方向が定められることを特徴とする請求項１または１４記載の掘削方法。
【請求項１８】
ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、ホールセンタから半径方向外側に向かうことを特徴とする請求項１、１４、１７のいずれか記載の掘削方法。
【請求項１９】
ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、前記半径方向から可能な限り小さな角度を有して外れる直線的ラインまたは可能な限り直線的ライン近くに沿うことで、ビット切羽上の他の電極がビット下からいかなる切削物の排出をも妨害しないまたは前記妨害を最小にすることを特徴とする請求項１、１４、１７、１８のいずれか記載の掘削方法。
【請求項２０】
ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、回転運動方向とは反対に半径方向から角度を有して外れることを特徴とする請求項１、１４、１７，１８、１９のいずれか記載の掘削方法。
【請求項２１】
各ジェットのベクトル方向は、初期切削物が破砕され緩むことに伴って形成されるビット下から切削物を除去するための優先的方向に沿って観察される、亀裂の方向と合致または可能な限り合致することを特徴とする請求項１、１４、１６のいずれか記載の掘削方法。
【請求項２２】
開渠通路または溝がドリルビットボスの表面に刻設されて、ビット下から切削物を除去する優先的方向に沿って前記切削物の通過を許容することを特徴とする請求項１または１４記載の掘削方法。
【請求項２３】
高電圧パルスの発生は、ボアホール内でドリルビットボスから固定された距離で行われ、地表またはその他の位置から実用的な電圧レベルでのエネルギー供給を伴って掘削が進行することを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
【請求項２４】
高電圧パルスの発生は、一つのパルスジェネレータによって行われ、すべての電極のギャップは同等の条件で並列接続されることを特徴とする掘請求項１または２３記載削方法。
【請求項２５】
高電圧パルスの発生は、一つのパルスジェネレータによって行われ、電極ギャップは同等の条件で直列接続され、各パルスがその接続先として専用の電極ギャップを有することを特徴とする請求項１または２３記載掘削方法。
【請求項２６】
高電圧パルスの発生が、一つのパルスジェネレータによって行われ、電極ギャップがパルスジェネレータによって直列で供給されるグループにまとめられており、各グループの電極ギャップは、同等の条件で並列にパルスを受けることを特徴とする請求項１または２３記載の掘削方法。
【請求項２７】
高電圧パルスの発生は、２またはそれ以上のパルスジェネレータによって行われ、電極ギャップは一つまたは複数のグループにまとめられ、各グループは一つのジェネレータに接続され、各グループの電極は並列または直列で供給されることを特徴とする請求項１または２３記載の掘削方法。
【請求項２８】
高電圧パルスの発生は、複数のパルスジェネレータによって行われ、各電極ギャップはその専用のパルスジェネレータによって供給されることを特徴とする請求項１または２３記載の掘削方法。
【請求項２９】
ドリルビットまたはそのドリルビットの一部分が、ホールボトムに対して強制された物理的な運動を与えられる、下記の動作の態様の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の掘削方法
ｉ  等速の１方向回転運動、
ｉｉ  １方向間欠回転運動、
ｉｉｉ  任意に可変速の１方向連続回転運動、
ｉｖ  任意周波数、任意振幅または任意エネルギーレベルの２方向連続往復回転運動、
ｖ  任意周波数、任意振幅、任意エネルギーレベルまたは任意間隔の２方向間欠往復回転運動、
ｖｉ  ボアホールの軸方向へ任意周波数、任意振幅または任意エネルギーレベル、任意間隔またはボールボトムと任意の相互作用の２方向往復線形運動。
【請求項３０】
ビットボスとホールボトムとの間の物理的な相互作用が、切削、擦過、打撃またはその他、任意の物理的相互作用の形でのドリルビットの運動によって生起されることを特徴とする請求項１または２９記載の掘削方法。
【請求項３１】
ドリルビットボスの表面の一部分に、下記の細部の少なくとも１つを特徴とする配置が与えられる請求項１、２９、３０のいずれか記載の掘削方法。
ｉ  ホールボトムと共に効果的な相互作用を生じせしめるためドリルビットボスの面外形
ｉｉ  永続性がありかつ効率的な掘削ならびにホールボトムからの破砕された切削物の除去に寄与するための硬質、鋭利、研磨性、耐久性、あるいは他の好適な設計要素の面挿入。
【請求項３２】
ボアホールが下記の一連の操業によって形成されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
ｉ  固体状のコアのコアバレル内での引き起こしを許容する、有限長を有する環状のボアホール区間の掘削、
ｉｉ  地表に配置されたポンプから、ドリルストリング、環状のドリルビット内に組み込まれたノズルを通ってホール下方へ、ボトムホールアッセンブリおよびドリルストリングを囲む環を遡上して地表の放電液タンクに内蔵された液分離および清浄システムへ、そしてその後、再循環のためのポンプの吸引側へと至る放電液の循環、
ｉｉｉ  コアバレル内でのその根元または根元付近におけるコアの現場切削、
ｉｖ  コアのコアバレルへの取り付き、
ｖ  コア、コアバレルおよびドリルストリングを含む全ボトムホール掘削アッセンブリの地表への引き上げ、
ｖｉ  コアのコアバレルからの除去、
ｖｉｉ  一連の繰り返しのための全ボトムホール掘削アッセンブリのホールボトムへの再降下。
【請求項３３】
ボアホールが下記の一連の操業によって形成されることを特徴とする請求項１記載の掘削方法。
ｉ  固体状のコアのコアバレル内での引き起こしを許容する、有限長を有する環状のボアホール区間の掘削、
ｉｉ  ボトムホールアッセンブリに配置されたポンプから、ドリルストリング、環状のドリルビット内に組み込まれたノズルを通ってホール下方へ、ボトムホールアッセンブリを囲む環を遡上してボトムホールアッセンブリの頂上に配置された切削物バスケットに内蔵された液分離および清浄システムへ、そしてその後、再循環のためのポンプの吸引側へと至る放電液の循環、
ｉｉｉ  コアバレル内でのその根元または根元付近におけるコアの現場切削、
ｉｖ  コアのコアバレルへの取り付き、
ｖ  コア、コアバレルおよび切削物バスケットを含む全ボトムホール掘削アッセンブリの地表への引き上げ、
ｖｉ  コアのコアバレルからの、および切削物の、バスケットからの除去、
ｖｉｉ  一連の繰り返しのための全ボトムホール掘削アッセンブリのホールボトムへの再降下。
【請求項３４】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極同士間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面にボアホールを掘削する掘削機であって、下記の要素の少なくとも一つが機械全体内に組み込まれていることを特徴とする掘削機。
ｉ  すべての電極が当該すべてのボトムホール形状に物理的に接触することを確保するために、相互およびドリルボスに対して移動可能な電極を備えたドリルビット、
ｉｉ  初期切削物を、緩んで直ぐにそれを浮かせて除去するための、ノズルを介して４ＭＰａ以上の圧力増大を有する、循環液をジェット噴射する尖端流体ノズル（ホールボトムにジェット衝撃点を有し、ジェットのベクトル方向が実際の放電ギャップに対して固有の関連性を有す）、
ｉｉｉ  ダウンホール内のドリルビットから最小に固定された距離に配置され、１ＫＶまたはその他の実用的な電圧レベルが地表から供給される最低１台の高電圧パルスジェネレータ、
ｉｖ  ドリルビットボスの回転または往復運動の組み合わせにより、およびビット切羽に１つまたはいくつかの半径と接線に沿って置かれた複数の電極間の放電によりボアホール断面の掘削範囲を生じさせる回転または往復ビット、
ｖ  コア貯蔵、コア輸送、原動力エネルギー供給によるダウンホール閉ループ放電液循環、放電液清浄およびそれに含まれる切削物の貯蔵を伴う、環状ホール形成のためのボトムホールアッセンブリ。
【請求項３５】
掘削機のための、逆極性の最低２つの電極４、５間での高電圧パルスによって生起される放電を利用して地面にボアホールを掘削するための請求項３４記載のドリルビット１であって、
前記ビット１は、好適な放電液をビット１背面の通路導入口２７からビット切羽１に組み込まれた交換可能なノズル７へと流通させるための通路６を組み込んでなるビットボス３と、切削物を逆極性の電極４、５間の各ギャップからビット１の外周へ輸送するためのボス３の表面の開渠通路２６と、電極４、５をボス３に接続する固定具８、１７、１９からなり、前記電極は一組の高電圧電極４と一組の接地電極５とに分かれており、各々がビット１の背面の端子２７に電気的に接続されており、さらに以下によって特徴づけられるドリルビット。
ｉ  電極４、５は、すべてが相互におよびドリルボス３に対して移動可能であることにより、すべての電極が当該すべてのボトムホール形状に接触することが常時確保されるようになり、
ｉｉ  電極４、５は、１つを除くすべてが相互におよびドリルビット３に対して個別に移動可能であることにより、すべての電極が当該すべてのボトムホール形状に接触することが常時確保されるようになる。
【請求項３６】
電極運動のモードが、下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とするドリル請求項３５記載のビット。
ｉ  力または力の合成によって成され、掘削方向に平行な軸に沿う、または少なくともその運動の成分が沿う、すべての移動可能な電極４、５の前進運動のみ
ｉｉ  電極４，５各々を負荷された衝撃に応じて動かす、掘削方向に平行な軸に沿う、または少なくともその運動の成分が沿う、移動可能な電極４、５各々の制御された前進および後進個々の運動、
ｉｉｉ  すべての電極が前記すべてのボトムホール形状に接触することが常時確保されるようになる、他の方法のまたはそれらの組み合わせによる運動。
【請求項３７】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
電極運動のモードが掘削方向に平行な軸に沿う、または少なくともその運動の成分が沿うものであり、かつ下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項３４から３６のいずれかに記載のドリルビット。
ｉ  前方に移動して、ボアホールの底断面上で各々の接触点に打ち当たることで個々の位置を見出す、すべての移動可能な電極４、５、
ｉｉ  移動可能な電極を個別に前進させるまたは後退させて格納する、電極は通常、但し必ずしも限定はされないが、その完全に格納された位置にあるか、前進してボアホールのボトム断面との接触によって個々の位置にある。
【請求項３８】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
電極を操業するための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項３４から３７のいずれかに記載のドリルビット。
ｉ  ボアホール内の各移動可能な電極の前進方向への１方向動作、
ｉｉ  ボアホール内の各移動可能な電極の前進方向および後退方向への２方向動作。
【請求項３９】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
電極を操業するための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
ｉ  ボアホール内の各移動可能な電極４、５の前進方向への１方向流体動作で、前記電極４、５は流体シリンダ固定具８におけるブランジャとして構成され、シリンダはドリルビットボス３に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、そこではプランジャはその背後から流体圧力が印加されると前進する、
ｉｉ  各移動可能な電極４、５の２方向流体動作で、前記電極４、５は流体シリンダ固定具８におけるピストンとして構成され、シリンダ８はドリルビットボス３に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、そこではピストンはその背後から流体圧力が印加されると前進し、圧力がその目的で組み込まれた環の表面に逆方向に印加されると後退する。
【請求項４０】
掘削機のためのドリルビット１において、
電極を操業するための手段が、各移動可能な電極４、５のボアホール内での前進方向への１方向機械的動作で、前記電極はシリンダ状、環状、柱状またはその他の断面形状のボディとして構成され、中空固定具８内に配置され、その全表面の流体圧力は均一化されており、前記固定具は前記電極と同様の断面を有しかつ螺旋状または他の被圧縮ばね１７がそのボトムと前記電極との間に組み付けられており、そして前記中空固定具はドリルビットボス３に軸方向に掘削方向と平行して固定されており、前記被圧縮ばね１７は電極を外力または固定具の開口付近に組み込まれた停止端５４によって停止されるまで前方へと移動させることを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
【請求項４１】
掘削機のためのドリルビット１において、
電極運動のための手段が下記の選択肢の一つまたは組み合わせによることを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
ｉ  各移動可能な電極４、５のボアホール内での前進方向への１方向流体的動作で、前記電極４、５は、ドリルビットボス３にヒンジで取り付けられかつドリルビットボス３に固定された流体シリンダ固定具８内でプランジャ５５に接続されたアーム１９の一部を成す部品として構成され、前記アーム１９は、流体圧力がその背後に印加されることに伴ってプランジャ５５がシリンダ内で前進方向に動かされるときに電極４、５の運動が掘削方向に対して平行な軸方向前方への成分を有するように軸の周りを回転する、
ｉｉ  各移動可能な電極４、５のボアホール内での２方向流体的動作で、前記電極４、５は、ドリルビットボス３にヒンジで取り付けられかつドリルビットボス３に固定された流体シリンダ固定具８内でピストン２１に接続されたアーム１９の一部を成す部品として構成され、前記アーム１９は、流体圧力がその背後に印加されることに伴ってピストン２１がシリンダ内で前進方向に動かされるときおよびその目的で組み込まれた圧力チャンバ内で圧力が反対方向に印加されることに伴ってピストン２１がシリンダ内で後退方向に動かされるときに電極４、５の運動が掘削方向に対して平行な軸方向の前進または後退の成分を有するように軸の周りを回転する。
【請求項４２】
掘削機のためのドリルビット１において、
電極運動のための手段が、各移動可能な電極４、５の前進方向への１方向機械的動作で、前記電極４、５は、ドリルビットボス３にヒンジで取り付けられかつシリンダ状、環状、柱状またはその他の断面形状のボディ５８に接続されて中空固定具８内に配置されたアーム１９の一部を成す部品として構成され、その全表面の流体圧力は均一化されており、前記固定具は前記ボディ５８と同様の断面を有しかつ螺旋状または他の被圧縮ばね１７がそのボトムと前記ボディ５８との間に組み付けられており、そして前記中空固定具はドリルビットボス３に固定されており、前記アーム１９は、前記被圧縮ばねがボディ５８を外力または固定具の開口付近に組み込まれた停止端５４によって停止されるまで前方へと押すことで、電極４、５の運動が掘削方向に対して平行な軸方向の前進または後退の成分を有して軸の周りを回転することを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
【請求項４３】
掘削機のためのドリルビット１において、
電極運動のための手段が、各移動可能な電極４、５の前進方向への１方向機械的動作で、前記電極４、５はアーム１９の一部を成す部品として構成され、前記アーム自体は、電極４、５の運動は、前記ばねアームがホールボトム形状に接触して停止されるまで、またはばねがそれ自体無負荷になるので停止されるまでその弾性力を開放する方向に動くので、最低掘削方向に対して平行な軸前進方向の成分を有するように、これに限定されないが、板ばねのような特性を有するばねとして構成され、そしてドリルビット３に固定されていることを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
【請求項４４】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
ビット切羽の掘削方向に対する法線面への投影が、１つの円、１つの多角形または一閉曲線を特徴とする他の種類の輪郭線で特徴づけられる輪郭線を有していることを特徴とする請求項３５記載のドリルビット。
【請求項４５】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
ビット切羽の掘削方向に対する法線面への投影が、２つの円、２つの多角形または他の閉曲線の組み合わせの形態で環状断面を描くように１つの曲線が他の曲線内部に存在する２つの閉曲線で特徴づけられる輪郭線を有していることを特徴とする請求項３５記載のドリルビット。
【請求項４６】
掘削機のためのドリルビットにおいて、
開渠通路２６は、すべての切削物が岩盤組織６１から初期分離後に可能な限り迅速に領域２を離れるように、初期切削物がドリルビット１に起因して開渠通路を通過するに十分な大きさの断面領域５９および方向１３を有し、前記方向１３が、ドリルビット１上の各電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向を構成し、但しこれらのみには限定されないが、下記の基準の一つまたは組み合わせによって定義されることを特徴とする請求項３４から３８のいずれかに記載のドリルビット。
ｉ  ビット１のセンタからその外周の方向へと向かう直線半径方向の切削物の運動
ｉｉ  半径方向外側への方向から可能な限り最小の角度を有して外れる、およびさらに切削物にとってのそれらが生起された電極ギャップからビット１外周へのそれらの軌跡上に存在する電極４、５、ノズル７のような、但しこれのみには限定されないが、任意の潜在的障害との衝突を回避するまたは衝突を最小限にする、一方向または複数方向の組み合わせにおける切削物の運動の直線的ラインまたは可能な限り直線的なライン
ｉｉｉ  特定ビット各々に依存することがあるが、回転方向もしくは隣接した稼動電極ギャップまたは稼働中の複数ギャップから離れた掘削物の運動。
【請求項４７】
掘削機のためのドリルビット１において、
逆極性の最低２つの電極間の高電圧パルスによって発生される放電を利用して地面にボアホールを掘削するための前記ビット１は、ボス３からなり、そこには好適な放電液をビット１の後方の通路取入口２７からビット１の表面に組み込まれた交換可能なノズル７へと流す通路６が組み込まれ、そして逆極性の電極４、５間の各ギャップからビット１の外周への切削物を輸送するための断面領域５９を有する開渠通路２６がボス３の表面に刻設されており、前記電極は一組の高電圧電極４と一組の接地電極５とに分けられて、各々がビット１後方の端子２７に電気的に接続され、ドリルビットボス３の表面には交換可能なノズル７が実装されていて、ノズルから生起する位置およびベクトル方向１４、１５、１６を有する液ジェット５２は各初期切削物が即座に引き起こされてその生来の岩盤組織５１としての場所から緩むとそれを直ぐに浮かせてドリルビット下の領域５０から除去するための最大の可能性が得られることを意図した方向に向くことを特徴とする請求項３４記載のドリルビット。
【請求項４８】
掘削機のためのドリルビット１において、
前記岩盤組織から緩むとそれを直ぐに浮かせておよび除去するための前記最大の可能性は、切削物が直ぐに破砕され緩むことで切削物と岩盤組織との間に生じる亀裂への最低一つの液ジェット５２による直接的な衝撃を与えるようなノズル７の配置および方向によって確保されることを特徴とする請求項４７記載のドリルビット。
【請求項４９】
掘削機のためのドリルビット１において、
衝撃の瞬間における液ジェットのベクトル方向１５、１６は、前記ベクトル方向でみられる初期切削物の表面輪郭に対する衝撃点の接線方向に沿うまたは前記接線に実際上可能な限り近づくことを特徴とする請求項４７または４８記載のドリルビット。
【請求項５０】
掘削機のためのドリルビット１において、
衝撃の瞬間における液ジェットのベクトル方向１５、１６は、２つのベクトル成分からなり、その一つが対象電極ギャップのためのビット下から切削物の輸送への優先方向であり、前記平行方向の成分は望ましくは、但し必ずしも必須ではないが、２つの成分の主成分であることを特徴とする請求項４６または４７記載のドリルビット。
【請求項５１】
掘削機のためのドリルビット１において、
前記ノズル７は、下記の原則の一つまたはそれらの組み合わせに従って構成されていることを特徴とする請求項４７記載のドリルビット。
ｉ  前記ノズル７の各々は、その液体の流れが永続的にビットボス３に対して同一の方向に向けられている、
ｉｉ  前記ノズル７の各々は、その液体の流れを２つまたはさらにそれ以上の方向に分け、前記方向の各々は永続的にビットボス３に対して同一の方向に向けられている、
ｉｉｉ  前記ノズル７は、それらから発する液ジェットが、異なる時期に、異なる初期切削物を浮かせておよび除去する、またはその切削物を除去する経路の優先的方向に沿って初期切削物のジェット噴射のように、但しこれのみには限定されないが、異なる時期の異なる方向に向けられるように構成される。
【請求項５２】
掘削機のためのドリルビット１において、
ノズル７を通しての液の流れは、それらの空洞からの流体的衝撃時に直ぐに初期切削物を浮かせるまたは最小の時間で浮かせるために十分な流体力を与えられて各ノズルを介して最低３．５ＭＰａの圧力低下を生じせしめる、前記流体力Ｐは、すべてのノズル７を組み合わせて数学的表記ＰＫＷ＝５３０ｏＤ２，３によって与えられるが、ここでＤ（ｍ）はボアホール直径を表していることを特徴とする請求項４７記載のドリルビット。
【請求項５３】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極４、５同士間の高電圧パルスによって発生される放電による掘削を利用して、地面にボアホール掘削するためのボトムホールアッセンブリ４２であって、
パルスジェネレータ３１または個々のパルスジェネレータ３１がドリルビット１からの固定された軸方向の距離およびその掘削方向から見て後方に実装されていて、必要上、但しこれらのみに限定されないが、電気的、流体的および機械的に接続され、そして前記距離は可能な限り短くかつボアホールの深さに関わらず一定である請求項３４または４６記載のうちの一つまたは両方によるドリルビット１および高電圧パルスジェネレータまたは複数の同様なパルスジェネレータ３１が組み込まれていることを特徴とする請求項３４記載のドリルビットアッセンブリ。
【請求項５４】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極４、５間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面にボアホールを掘削するためのボトムホールアッセンブリ４２であって、請求項３４または３６記載の一つまたは両方のドリルビット１および高電圧パルスジェネレータまたは同様な複数のジェネレータ３１が、掘削の進行につれて前記ビットおよびジェネレータまたは複数のジェネレータが短距離を隔てて互いに固定された位置または固定された位置付近に保たれるように組み込まれ、かつ但しこれに限定されないが下記の項目のすべてまたはいくつかを組み合わせのような複数の下位構成を特徴とする請求項３４記載のボトムホールアッセンブリ。
ｉ  一方向の一定または可変速度の回転、任意の往復、間欠的、回転または往復もしくは任意の回転、または他の運動の形でドリルビット１の回転運動を生ずるためのモータであって掘削の進行につれてドリルビットに対して前記ビットおよびモータがそれらの間に短距離を隔てて互いに固定された位置にまたは固定された位置付近に保たれるように配置されて流体力、電気力またはその他によって駆動されるモータによって作り出される回転動力３３、
ｉｉ  コアカッタ３７をそのボトム付近におよびコア把持装置３８組み込んでなる固定された長さのコアバレル３６、前記コアバレルのユニットはドリルビットに対して、掘削の進行につれて前記ビットおよびコアバレルが互いに隣接し、固定されたまたは固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置される、
ｉｉｉ  切削物分離４１および一時貯蔵システム４０、これは切削物バスケットと呼ばれるが、そこでは切削物が放電液から分離され、清浄化された放電液がボアホールのボトム区間にある再循環のための吸引タンクへと導かれる間、一時的に貯蔵され、前記システムはドリルビットに対して、掘削の進行につれて前記ビットおよび切削物分離および一時貯蔵システムが互いに固定された位置にまたは固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置される、
ｉｖ  流れの経路がボトムホールに向かいボアホールに対して略軸方向で、ボトムホール循環ポンプ３９の圧力側から、ボトムホールアッセンブリの構成部品を通るまたは通過してホールボトムへと向かうように特徴づけられる、ボトムホールの閉ループ内で放電液が循環する放電液の循環ポンプ３９、その流れの経路は、但し必ずしもこのような系列のみには限定されないが、モータ３３を通るまたは通過し、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム３２を通るまたは通過し、パルスジェネレータ３１または複数のパルスジェネレータ３１を通るまたは通過し、ドリルビット１ボスを通るまたは通過し、ノズル７を通ってホールボトム上に出て、優先的切削物出口方向１３のドリルビット切羽上の開渠通路に沿って、方向を転換して戻り、前記方向はボトムホールから離れてボアホールに対して略軸方向で、ボトムホールアッセンブリ４２の前記構成部品内でこの目的のために作られた通路を通り、またはボアホールおよび前記ボトムホールアッセンブリ４２によって囲まれた環の中の前記構成部品を通過し、切削物をそれと共に運びながら切削物バスケット４０の頂上まで持ち上げられ、本来の流れの経路に向かうように再び方向を転換し、前記の新しい方向はホールボトムに向かってボアホールに対して略軸方向で、切削物が液体から分離され、バスケット４０で一時的に貯蔵するため隔離され切削物バスケット４０の液体清浄化区間４１を通り、最終的に清浄放電液吸収タンク５８を通り、そこから放電液はポンプ３９の吸引側に戻るが、前記ポンプはドリルビットに対して掘削の進行につれてそのビットおよびポンプが互いにされた位置にまたは固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置される、
ｖ  ボアホール情報サンプリングおよび処理システムならびに制御およびアクチュエータシステム３２、但しこれのみには限定されないが、電極４、５の管理および位置決めのためのコンピュータに基づく電気流体的または他の掘削操業、但しこれのみには限定されないが、ノズル７の流体的衝撃方向の制御および電極構成による管理を含む掘削プロセス制御ユニット５７、前記放電液エネルギーおよび流量はビットの運動およびコアバレル３６管理に連動しまたは独立しており、前記制御ユニットはドリルビットに対して掘削の進行につれて前記ビットおよび制御ユニットが互いにわずか短い距離を隔て固定された、または略固定された位置に保たれることを特徴とする位置に配置される、
ｖｉ  地表へのパイプ導管４４のための接続ターミナル５５、前記ターミナルは放電液の輸送さらに電気動力および信号伝送器４５、４６を組み込んで放電液のホールボトムアッセンブリへの輸送を促進する、
ｖｉｉ  但しこれらに限定されないが、一体化した電源および信号ケーブル４５、４６を備えた鋼鉄製のワイヤロープ６５のようなライン導管への接続ターミナル５５、前記ターミナルは地表からボトムホールアッセンブリへの電力および信号の伝送のための設備を組み込んでなることを特徴とする。
【請求項５５】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極４、５間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して、地面にボアホールを掘削するためのボトムホールアッセンブリ４２であって、請求項４４、４６の一つまたは両方に記載のドリルビット１および高電圧パルスジェネレータまたは同様の複数のジェネレータ３１はドリルビットに対して掘削の進行につれて前記ビットおよびジェネレータまたは複数のジェネレータがそれらの間にコアバレルのみを隔てて互いに固定された位置または固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置されるように組み込まれ、かつこれらに限定されないが下記の複数の下位構成を特徴とする請求項３４記載のボトムホールアッセンブリ。
ｉ  コアカッタ３７を、そのボトム付近におよびコア把持装置３８を組み込んでなる固定された長さのコアバレル３６、前記コアバレルのユニットはドリルビットに対して、掘削の進行につれて前記ビットおよびコアバレルが互いに隣接し固定された位置または固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置される、
ｉｉ  ドリルビットに対して掘削の進行につれてビットおよびコアバレルが固定または略固定された位置に保たれるような位置にプレジェネレータに隣接して配置された、一方向の一定または可変速度の回転、任意の往復、間欠的な回転または往復もしくは任意の回転、または他の運動の形で流体的、電気的、またはその他によって駆動される、好適なモータによって利用できるようにドリルビット１の回転運動を作り出すための回転動力３３、
ｉｉｉ  ボアホール情報サンプリングおよび処理システムならびに制御およびアクチュエータシステム３２、但しこれらのみには限定されないが、電極４、５の管理および位置決めのためのコンピュータに基づく電気流体的または他の掘削動作、但しこれのみには限定されないが、ノズル７の流体的衝撃方向の制御および電極構成による管理を含む掘削プロセス制御ユニット５７、前記放電液エネルギーおよび流量は、ビットの運動およびコアバレル３６管理に連動しまたは独立しており、前記制御ユニットはドリルビットに対して固定された位置または固定された位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置され、前記位置は掘削の進行につれてドリルビットから見てモータ３３と隣接してまたは密接しているおよびその上部である、
ｉｖ  ボトムホールの閉ループ内で放電液が循環する放電液の循環ポンプ３９、その流れの経路は、流れの経路がボトムホールに向かいボアホールに対して略軸方向で、ボトムホール循環ポンプ３９の圧力側から、ボトムホールアッセンブリの構成部品を通るまたは通過して、但し必ずしもこのような系列のみには限定されないが、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム３２を通るまたは通過し、モータ３３を通るまたは通過し、パルスジェネレータ３１または複数のパルスジェネレータ３１を通るまたは通過し、コアバレル３６を通るまたは通過し、ドリルビット１ボスを通るまたは通過し、ノズル７を通ってホールボトム上に出て、優先的切削物出口方向１３のドリルビット切羽上の開渠通路に沿って、方向転換して戻り、前記方向はボトムホールから離れてボアホールに対して略軸方向でボトムホールアッセンブリ４２の前記構成部品内でこの目的のために作られた通路を通り、またはボアホールおよび前記ボトムホールアッセンブリ４２によって囲まれた環の中の前記構成部品を通過し、切削物をそれと共に運びながら切削物バスケット４０の頂上まで持ち上げられ、本来の流れの経路に向かうように再び方向を転換し、前記の新しい方向はホールボトムに向かってボアホールに対して略軸方向で、切削物が液体から分離され、バスケット４０で一時的に貯蔵するために隔離され、切削物バスケット４０の液体清浄化区間４１を通り、最終的に清浄放電液吸収タンク５８を通り、そこから放電液はポンプ３９の吸引側に戻るが、前記ポンプはドリルビットに対して前記ポンプが固定された位置または略固定された位置；付近に保たれることを特徴とする位置に配置され、前記位置は、掘削プロセス制御ユニット５７に隣接している、およびその上部である、
ｖ  切削物分離４１および一時貯蔵システム４０、これは切削物バスケットと呼ばれるが、そこでは切削物が放電液から分離され、清浄化された放電液がボアホールボトム区間にある再循環のための吸引タンクへと導かれる間、一時的に貯蔵され、前記システムはドリルビットに対して、切削物分離および一時貯蔵システムが固定された位置、固定されて位置付近に保たれることを特徴とする位置に配置され、前記位置は、掘削の進行につれてドリルビットから見て放電液循環ポンプと隣接してまたは密接しているおよびその上部である、
ｖｉ  但しこれらのみには限定されないが、一体化した電源および信号ケーブル４５、４６を備えた鋼鉄製ワイヤロープ６５のような、ライン導管への接続ターミナル５５、前記ターミナルは、地表からボトムホールアッセンブリへの電源および信号の伝送のための設備４５、４６を組み込んでおり、そしてさらにそのターミナルはある位置に保たれていることによって特徴づけられるが、前記位置は、ドリルビットから見て切削物分離および一時貯蔵システム４１に隣接してまたは密接しているおよびそれらの上部であり、従ってドリルビット側から見てボトムホールアッセンブリの終端を構成する。
【請求項５６】
ボトムホールアッセンブリ４２であって、
パルスジェネレータまたは複数のジェネレータ３１は、下記の選択肢の一つまたは組み合わせに従って放電液の流れを許容するように作られていることを特徴とする請求項５４記載のボトムホールアッセンブリ。
ｉ  ジェネレータボディまたは連続したボディを通ってボアホールへ入り、そしてボアホールとジェネレータボディまたは連続したボディの外周面とで形成される環を通ってボアホールから出る液体の流れを許容する内側導管、
ｉｉ  ジェネレータボディまたは複数のボディの周囲からボアホールに流れ込み、そしてボアホールの壁面と前記外側液体導管または連続したボディを含むジェネレータボディの外周面とで形成される環を通ってボアホールから出る液体の流れを許容する輪状、環状または任意の断面形状の外側導管。
【請求項５７】
好適な放電液が循環し、逆極性の電極４、５間の高電圧パルスにより発生する放電を利用して、地面にボアホールを掘削するための掘削機４３であって、
請求項５３記載のボトムホールアッセンブリ４２によって特徴づけられ、かつ、これらのみには限定されないが、下記の項目、のすべてまたはいくつかを組み合わせてなる下位構成を特徴とする請求項３４記載の掘削機。
ｉ  ボトムホールアッセンブリの上部延長５５を地表に接続するパイプ導管４４、
さらに前記導管は、放電液の輸送を促進し、ボトムホールアッセンブリへの電力および信号伝送４５、４６を組み込んでなることで特徴づけられる、
ｉｉ  ボトムホールアッセンブリの上部延長５５を地表に接続する鋼鉄製ワイヤロープ６５、
さらに前記ワイヤロープは、地表およびボトムホールアッセンブリの間での電力および信号伝送４５、４６の伝送を促進することで特徴づけられる、
ｉｉｉ  放電液循環ポンプ６２または同様な複数のポンプ６２、前記複数のポンプは、ドリルビット１の動作特性およびボアホールの寸法によって規定される必要な圧力で放電液の流量を供給するに十分な能力を有し、そしてさらに前記ポンプは、ボアホール上方の地表に配置されている、
ｉｖ  ボアホール内におよびボアホールから地表へボトムホールアッセンブリ４２およびボアホールパイプ導管または鋼鉄製のワイヤロープ６５の降下および引き上げを日常的に行う昇降および処理能力４８、４９、および電力４７、そしてさらに前記昇降および処理設備は、ボアホール上方の地表に配置されていることにより特徴づけられる、
ｖ  すべてのボトムホールアッセンブリ４２の機能および地表での電力の要求に対応した電力供給に十分な発電および変圧能力４７、前記ボトムホールアッセンブリ４２の電力は、ボアホール中を１０００ＶＡＣのような、但しこの具体的数値のみには限定されないが、実用的な電圧で伝送され、そしてさらに前記発電および変圧設備は、ボアホール上方の地表に配置されていることにより特徴づけられている、
ｖｉ  ディーゼルまたは変圧器油もしくは同様の誘電率を有する別の油あるいは混合油からなる放電液、そして下記の物質の一つまたは組み合わせが混合されている、
ｉ  ボアホール圧力制御のためおよび、但しこれに限定されないが、重晶石のような、好適な鉱物の形での放電液比重調整、
ｉｉ  但しこれに限定されないがポリマー成分のように地表に切削物を効率よく浮かせるための粘性調節、前記放電液は、その貯蔵および処理設備がボアホール上方の地表に配置されていることでさらに特徴づけられる、
ｖｉｉ  放電液流れ機構が地表からドリルビット１へ、そして地表へ戻る流路により特徴づけられ、前記流路は、チューブ４４の内部にあり前記ボトムホールアッセンブリ４２の上方延長におけるターミナル接続５５を通ってボアホールを下降し、モータ３３を通るまたは通過し、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム３２を通るまたは通過し、パルスジェネレータ３１または複数のパルスジェネレータ３１を通るまたは通過し、ドリルビット１ボスを通るまたは通過し、ノズル７を通ってホールボトム上に出て、優先的切削物出口方向１３内のドリルビット切羽上の開渠通路に沿って方向を転換して戻り、新たな方向はボアホールに対して略軸方向でホールボトムから離れ地表へと戻り、前記ボアホールと前記ボトムホールアッセンブリ４２とで囲まれた環を外へと向かい、ボアホールと前記ボトムホールアッセンブリ４２とで囲まれた環の中、ボトムホールアッセンブリ４２を通過し、切削物をそれと共に運びながら地表まで持ち上げられ、そして前記放電液流れ機構は、ボアホールの上方の地表のポンプから、その流れのループを必要な流量および圧力で完遂するに十分な量のエネルギー充足を受ける、
ｖｉｉｉ  保健上および環境保護基準ならびに関連の法律に従ってボアホール上方の地表に配置される、放電液の清浄、攪拌および保持システム６１、
ｉｘ  ボアホール上方の地表に圧力制御システムが配置されることで特徴づけられる過剰なボアホール圧力の処理のために必要と考えられるボアホール圧力制御および管理システム５６、
ｘ  ボアホール上方の地表に情報サンプリングおよび処理、ならびに掘削制御システムが配置されることで特徴づけられる、掘削プロセス制御５６のためのボアホール情報サンプリングおよび処理システム、ならびに設備。
【請求項５８】
逆極性の電極４、５間の高電圧パルスにより発生される放電を利用して地面にボアホールを掘削するための掘削機４３であって、
請求項５４記載のボトムホールアッセンブリ４２および地表掘削サポート機構４７、４８、５３、５６によって特徴づけられ、そして前記地表掘削サポート機構が、下記の下位構成のすべてまたはいくつかを組み合わせを組み込んでいることを特徴とする請求項３４記載の掘削機。
ｉ  ボトムホール内に、およびボアホールからボトムホールアッセンブリ４２および鋼鉄製ワイヤロープ６５の降下および引き上げを日常的に行う昇降および処理システム４８、５３、ならびにボアホールに対する投入および取り出しの手筈を有する、そしてさらに前記昇降および処理システムは、ボアホール上方の地表に配置されている、
ｉｉ  すべてのボトムホールおよび地表での電力需要に十分な発電および変圧能力４７、そしてさらに発電システムはボアホール上方の地表に配置されている、
ｉｉｉ  ボアホール情報サンプリングおよび処理能力５６ならびに同様のダウンホール掘削制御および舵取システムと共働する掘削プロセス制御のための設備、そしてさらに前記制御システムは、ボアホール上方の地表に配置されている、
ｉｖ  ディーゼルまたは変圧器油もしくは他の同様の誘電率を有する油あるいは混合油からなる放電液の貯蔵供給、必要な場合にはボアホール圧力制御のための重晶石のような、但しこれのみには限定されないが、適合する鉱物の形での比重調節、必要な場合には、時々に応じて要求されるように、切削物の地表への改善された引き上げのためのポリマー成分のような、但しこれのみには限定されないが、粘性調節、そしてさらに前記昇降および処理システムは、ボアホール上方の地表に配置され、そしてさらに前記貯蔵システムは、ボアホール上方の地表に配置されて、ダウンホール循環システムに対する補助的役割を担う、
ｖ  放電液処理システム６１は、保健上の要請および環境保護基準ならびに関連の法律従ってボアホール上方の地表に配置される、
ｖｉ  ボアホールの過剰圧力の処理のために必要と考えられるボアホール圧力制御および管理システム５６、そしてさらに前記昇降および処理システムは、ボアホール上方の地表に配置される、
そしてさらに前記放電液循環は、ホールのボトムにおける特定のループのみで行われ、前記循環ループは、前記ボトムから前記ボトムホールアッセンブリ４２の略頂上まで広がっており、ボアホールの残りの部分は空になっているかまたはボアホールの周囲によって要求のある場合またはその他の配慮がある場合には液体で満たされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はプラズマ掘削方法、また地面における掘削またはボーリング穴の電気パルスまたは放電方法とも呼ばれるが、およびそのような掘削やボーリング用の機械に関する。換言すればこの発明は固形の絶縁性材質の掘削、石油やガスを含む鉱物の採掘、および土木工学ならびに建設業に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削方法および掘削者が高電圧パルスを使用することは、従来から知られている。例えば、電気的パルスによる岩塊および人工建造物の破砕のための最適化は、ＶＦ  Ｖａｊｏｒ  ｅｔ  al  ｉｎ  “ＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．４”Ｔｏｍｓｋ  Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｒｕｓｓｉａ)１９９６に開示されている。他の一例は、Ｓｔｒａｔｃｈｃｌｙｄｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｓｃｏｔｌａｎｄ  ＵＫ２００１の研究によるもので、そこでは高電圧パルスはドリル領域の前方の岩塊の内部でのプラズマチャネル形成を作り出すために使われた。このプラズマチャネルの岩塊内での極めて速い拡大は、百万分の１秒未満のうちに起こり、その局所的な領域での岩塊の破砕および破断を引き起こす。
【０００３】
この既知の掘削または掘削方法によれば、ドリルビットは岩塊上の放電液の中に配置される。ドリルビットはその表面に電極が内蔵されている。高電圧パルスはマイクロ秒の時間的間隔で電極に印加され、放電が岩塊を通過してそれを破砕および破断することを可能ならしめる。岩塊が破砕されるまでに要求される時間は電極同士の距離によって決定される。
他の既知の方法（特許文献１）は、地中のホールの掘削に関するもので、放電液のボアホールへの供給およびドリルビットの表面上に適切な配置で配設された複数組の電極間で繰り返される放電が組み込まれたもので、前記の放電は絶え間ない高電圧パルスによって３つのうちの少なくとも１つのパラメータに対応して引き起こされるが、掘削のために要求される電力消費の最小化のための最適値に設定される、前記のパラメータは、ｉ)掘削すべき物質の破砕に要する負荷電圧、ｉｉ)１パルスのエネルギー、ｉｉｉ)放電液の流量である。
そのパラメータの最適値を見積るための計算式が与えられており、それはその最適値が掘削のエネルギー消費効率および前進に顕著に影響を与えることに基づいている。
【０００４】
それら既知の方法の例のうちの後者は、関連するボアホールの外部に設けられた高電圧パルスジェネレータ、高電圧ボアホール入口導入配置、ドリルパイプおよびドリルパイプガイド、ならびにドリルパイプのボトム側終端に実装されたドリルビットから成る掘削機を示唆している。ドリルパイプは電気絶縁体によって隔てられた２つの中心パイプを内蔵し、その内部は高電圧パイプを構成し外部は接地パイプを構成しており、掘削の進行を円滑にするために共にガイドに沿って軸方向に移動可能であり、前記の高電圧パイプはドリルビット上の１組の電極に接続され接地パイプは他に接続されており、複数組の電極は共に上記の複数の電極を構成している。２組の電極の数は必ずしも等しくなくてもよいが、すべての電極は互いに固定されて配置され、１つはホールセンタに配置され、それらは共に軸方向に前進するが、他の唯一の連携した運動はドリルビット全体の掘削の進行軸を中心とした扇状回転運動である。
この後者の掘削機の放電液の液体循環システムは、その液は通常ディーゼルまたは変圧器油が適用されるが、放電液リザーバ、放電液ポンプ、および放電液ホースならびにパイプを含む。その循環システムは、リザーバを通過し、ポンプおよび放電ホースならびにパイプを貫通してドリルパイプの上端へ、そして下って同心配置の２つのドリルパイプ区間の環の間を貫通し高電圧パイプ区間は勿論のことさらに絶縁体を通過し、ビット下に広く自由に出て掘削された切削物をその流れの中に沿って運びながら接地パイプとボアホールの壁面との間の環内でボアホールを遡上し、そして最終的にボアホール上端の偏流ニップルを貫通しホースおよびパイプを通って、液体が再循環される前に切削物が分離されるリザーバへと戻るように、放電液を循環させる。ビットの外では初期の高電圧パイプ液体の流れだけが方向の措置に従うが、それは極めて限られており、ノズルは全く内蔵されていない。環流は全く自由であり、またそのより大きな断面は全く以前から取り残されたままである。
【０００５】
報告された方法および機械は、上記の掘削機を含めて、正しく多くの欠点を含んだ「従来技術」と呼ばれるであろう。ボアホールの外部のパルスジェネレータの配置は、ボアホールの全長に亘る高電圧の送電および例えば石油やガスの掘削の際のような可燃物が屡々存在するドリルデッキにおける高電圧の取り扱いを意味する。機械はそれゆえ、安全性の観点に反するものとなる可能性があり、またすべてのより深いホールの観点から絶縁体破壊に対して脆弱であるという可能性がある。内環が絶縁体の要請によって決定される同軸２本パイプの発想は、切削物がそこを通過する外環の断面領域が必要圧力を増大させること、切削物の大きさの制約、および流れの停止に寄与する可能性に抵触する。
２つの組に分けられた複数の電極は、一方は高電圧で他方は接地であり、互いに固定して配置され、掘削進行軸を中心としたユニットとしての小さな扇状回転のみ許容されているが、パルスエネルギー利用あるいは別の言葉で言えばパルスエネルギー管理の観点から、別の深刻な欠点を意味する。
いくらか掘削が行われた後のボア前面でのランダム配置を推定すると、どの２つの電極もボトム接触を持つことには明らかに見込みが無いことが結論付けられる。一つはおそらく、そして一つまたは与えられたパルスにとって他の半分の組を構成するために転じられるいずれもが、電極の固定的な配置に起因して、ボトムから小さなあるいは大きな液体ギャップを間に置いて分離され、液中およびボトム組織で部分的にパルスを強いて消さしめ、エネルギー効率を弱体化させて掘削の進行を遅らせるであろう。この用途の従来技術の擁している唯一つの救済は、扇状回転が許容されていることで、ビットとホールボトム面との間での物理的接触を通しての適合を容易にすることが明らかに推定されるが、吟味を経た判定ではこれはたとえ最良でも効果の点で重要でないか、あるいは全く効果が無いことを示している。
各組の電極が複数の電極であるという発想は、別の欠点を含んでいる。それは断面的範囲の観点、およびどの２つの逆極性の電極の組も遅かれ早かれ「熱い」組になるであろうという理由付けから想起されたものと解せられる。しかしながら、それとは別に逆極性の電極の組のホールボトムでの接触が発生するであろうこと、而してそれらの間でのスパークが与えられたパルス電圧では飛ばないようなまたは液体中を飛ぶような距離を置くと効率および掘削進行を低下させることが見落されている。
【０００６】
従来技術における電極の一定の配置は、通常、ボアホールセンタの高電圧電極が特別な欠点を有している。そこではパルス放電が全く生じないであろうということである。ホールボトム配置の観点から、「頂上」はそれゆえ繰り返しボアホールの中央に露出し、上記のメカニズムによって不安定になるまでまたは任意の原因の突破に向って掘削進行を支える。実際のほとんどの従来技術のプラズマ掘削の掘削速度はそのようなホールセンタの構成によって制約されていると信じられる理由がある。
従来技術のプラズマ掘削の花崗岩のように乾いた硬い岩塊の切削物の解析は、物理的な力がその掘削プロセスにおいてごく僅かしか存在していないまたは全く存在していないことを示している。これは、２つの良く配置された電極の間にパルスが印加された後の初期段階は、空洞内にそのままの形で切削物として位置する切削物または切削物の集合体であり、その空洞とそれに囲まれたものは、直前には一体で稠密なホールボトムであったということを結論付ける理由を与える。従来技術の電気的パルス掘削の発想における深刻な欠点は、それに組み込まれた切削物をその生来の空洞から排出させる対策が全くないか最小の対策しかないことである。ビット下から軸方向での放電液の自由流が唯一の対策である。それは、他の掘削の場合およびそこで地下で掘られたさらに少ない切削物を取り除くために利用されている流体的エネルギーの場合と比較して、全体的に適切でないように見受けられる。それゆえ、従来技術の放電掘削は、依然として破砕解放に相当の時間が残されており反復されるパルス放電を受けることで最終的にホールの底からそれらが掘り起こされる前に小さな破片に粉砕されると結論付ける理由かある。ボトムホール清浄の効率の欠如は、一般に掘削進行の遅速化の要因として掘削の実用例から広く知られている。これらの実用例は共通して流体的な擦過、切削、および打撃に加えて機械的手段を清浄のために適用する。
【０００７】
切削物の環状の流体的輸送は環流の流速および粘性を要求することが、長年の掘削の実際を通して確認されている。大掛かりな切削および花崗岩のような高密度の硬い岩塊についてはその要求は最大になる。放電液としての純粋な変圧器油またはディーゼルオイルは従来の放電掘削技術をそれらの要求から著しく遠いものにしている。適合するためには、粘性は増大されなければならず、また現在使用のものよりも流体機構をより高圧差動に保たねばならない。同様に、従来技術は、繰り返される切削物の破砕の後にその切削物を一時的にスラグが上に移動してスラグの流れの形で現れるときまで、その環の短い距離だけ上に形成している流れの循環からビットの外面へと堆積されるまで動かす。これは掘削速度を遅速化することで深刻な欠点を成す不十分なボトムホール清浄の別の面である。
英国の特許明細書（Ｔｙｌｋｏ１９６６）では、残渣すなわち掘削の切削物の除去に加えてアークプラズマが熱源として用いられ、かつ循環液が冷却作用を有している。アークプラズマ掘削は高速作業には未だ成功していない。
【特許文献１】ＵＳ  Ｐａｔ  ６．１６４．３８８
【発明の開示】
【０００８】
本発明は上記のような先行技術における欠点を鑑みて成されたものである。本発明の目的は電気パルス掘削概念に基づいた未だ開示されていない掘削アッセンブリを、従来よりも顕著に速くかつ効果的に掘削を可能にして提供することにある。
【０００９】
本発明の主要な特徴は請求項１に記載されている。他の特徴および変形例は従属項に記載されている。
本発明は、種々の岩盤または同様の材質の人工物の掘削のための電気パルスの発想に基づいた掘削機を、以下に掘削と呼ぶホール形成の形態で提供するが、垂直、錐状、または水平もしくはそれらの組み合わせ、および種々の直径または長さが可能であり、前記の電気パルスの発想は、放電液の循環、目的の材質の破砕のための高周波数および十分なパルスエネルギーでの高電圧パルスのホールボトムにおける能力を含む。高周波数、高電圧、および十分なエネルギーの定義は、すべて前述の材質に依存するが、典型的には、周波数１〜２０Ｈｚ、２５０〜４００ＫＶ、および１〜５ＫＪである、但しこれらの数値範囲のみには限定されない。
【００１０】
本発明に盛り込まれた特徴は、ホールボトムに常に接触し、その個数、配置、およびボアホールの方向制御および操縦を含んでホールボトムが体系的に掘削されるように操作される電極の形態において新規の特徴を有する電気パルスドリルビットであり、前記のドリルビットはボアホールの全断面または環状だけの断面を掘削する。
本発明はさらに、それによって高電圧パルスのための伝送距離、およびボアホールとその地表との間のエネルギー移送のための安全な電圧レベルのさらなる低減が促進されるボトムホールパルスジェネレータまたはそのような複数のジェネレータの発想を含んでいる。
本発明の新規性はまた、掘削プロセスにおける流体的エネルギーの相互作用であり、ポンプからの流れに対する高圧下での放電液のための循環ループからなり、前記のポンプは、本発明の一形態ではダウンホールに位置し、他の態様では地表に位置して適切なホースまたはパイプによってドリルビットに接続され、ドリルビットに組み込まれたノズルに連なり、前記のノズルは、ビット下からの切削物の除去のための新規の配置および方向を有し、それによりホールボトムを効果的に清浄し、前記の循環ループは、最終的にドリルビットの周囲の環状の空間を通って放電液清浄化および切削物除去ならびに貯蔵のシステムへと戻る帰還フローを含んでおり、それは本発明の一態様ではダウンホールに位置しており、他の態様では地表に位置しており、そしてそこから液体は清浄化の後にボアホールへと再循環され、前記の切削物除去システムは、環状断面の掘削の場合、その環が掘削された後にコアとしてボアホールに残され一体で地表に引き上げられるべき円筒状の多量の切削物を切削および引き上げるための配置を含んでいる。
本発明は、ドリルビットボスに実装された装置による擦過、切削、打撃、または同様の動作により、ここで物理的接触および回転、軸方向、その他もしくはそれらの組み合わせを適用して、掘削および掘削材料における機械的相互作用のための一体化した手段、ここでは切削物除去プロセスと呼ぶ、を備えた電気パルスドリルビット構成を組み込んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施形態は、以降これを実施形態Ａと呼ぶが、一方は高電圧、他方は接地電圧という２組の電極を構成する複数の電極であり、各組の電極は個数が同じで全ボアホール断面の掘削のための上述の従来技術と同様の原則に基づいて配置されているが、電極設計の異なる電極を含んでいる。各電極は、または一つを除く各電極は、運動の限定自由度が許容されるが、前記の運動は、掘削の方向によって定義される軸に沿ったまたは平行した運動、または少なくとも最低運動成分を有している。ホールボトムに対して、低位置にあるこの種のビットは、最先端位置にある電極が最初に打ち当たることとなるが、そのとき重量はビットに印加されるので、この電極は後方へと押され、それから最先端の運動位置にある他の電極もまた、すべての電極が可動の場合には、一つがその全格納位置に押されるまで、または一つを除くすべての電極が可動の場合にはその固定された電極がホールボトムに打ち当たるまで、ホールボトムに押し付けられる。このとき、異なった電極は、完全格納位置または最先端押圧位置に対して個々に独立して位置することとなる。すべての電極はボトム接触を有し、電極のストローク長の範囲内にホールボトムの形状の最も突出した部分が大雑把にとどまる限り永く残される。全可動と一つを除くすべての可動の電極との態様の違いは後者にあって、電極のストローク長およびストローク位置の適正な設計によってビット上の重量が常に特定の１スポットに掛かり続けていることにある。
そのような運動は、各電極をシリンダ内のプランジャのように実装することで促進されるが、そのシリンダは、ドリルビットボスに固定され、電極カムプランジャがシリンダ内に配置されたつる巻ばね、または電極の背後のシリンダに印加される流体圧力、またはそれら２つの原則の組み合わせ、もしくはその他の種々の手法によって前方へと押し出される。流体の場合には、電極は、圧力がその両側に印加されて電極がピストンのように強制力で前方、掘削方向、およびそれとは反対の方向、以降これを後退方向と呼ぶが、の両方に動くことを許容し得るように構成されることが可能である。あるいは、その運動は、ヒンジでドリルビットボスに取り付けられて上記に例示されたような方法および手段によって強制動作されるアームに各電極を実装することによって促進され得るが、ここではその運動の一つだけの成分が軸方向にあり、またはその電極運動がそれら２つの原則の組み合わせであり得る、もしくはその他の種々の原則やそれらの組み合わせであり得る。
【００１２】
任意の隆起を有するホールボトムの形状を前提とすると、ボトムホール電極の接触は種々の場合が考えられるであろうが、接線方向運動および半径方向運動の組み合わせによって軸方向の運動なしでも得られるので、これはまた本発明の実際上の適用範囲内に含まれる。
各電極の限定軸方向前進運動の自由度の第１の目的は、各電極にとって常にボトム接触を確保することである。動作上、電極を前方へと押す合力がドリルビットをボトムから持ち上げる傾向にあることとなり、通常、掘削アッセンブリの重力によってビット上の重量は補足されるべきであるが、必ずしもそうではなく、そのようなビット上の重量がボトム上の電極をその場に保たせるために前記の合力を超えるべきである。この発想に基づくホールボトム接触の想定は、以降これを実施形態Ａ１と呼ぶが、シリンダにおける完全格納ボトムにおける最低１つの電極を意味し、前記の電極（または複数）はその（それらの）所定比率以上のビットの重量部分を担持し、そしてその他の電極はホールボトムの形状に許容されたその運動に従ってシリンダ内で前方に多少運動、それらの電極は所定比率以下のビットの重量部分を担持する。
あるいは、１つの電極は、ドリルビットボスに対して動かないように固定されることも可能である。この場合の連続稼動モードでは、以降これを実施形態Ａ２と呼ぶが、この電極をホールボトムを越えたビット位置に定め、また他の電極をしてそのボトム接触をホールボトム形状によって許容されるシリンダ内での前進運動によって遂行させる。
【００１３】
このようにして操業されることで、軸方向の限定運動、以降これを各電極のストローク長と呼ぶ、がホールボトムの形状の軸方向の起伏を超えるとすれば、ホールボトムとすべての電極との接触が効果的に確保され、そして一つを除くすべての電極が可動である実施形態の場合には、固定された電極に対しては正確な位置が得られる。前記の起伏は、切削物の推定サイズに基づいて推定される。すなわち、電気パルス掘削では電極間距離の関数であると認識されているので、電極の常時接触のために十分なストローク長を得る基準となる。
このようなすべての電極のホールボトムへの常時接触は、すべての電極のギャップが電気的に平行に対になっているが、常時の電気抵抗と同等またはほぼ同等の電気回路を構成することを意味する、それゆえ通過すべきより大きな電荷量を許容し、また従来よりも大きなパルスエネルギー供給を要求する。このような供給を受けて、この新しいドリルビットは、パルスエネルギー供給の増加した同じオーダーの要因によって従来に経験されていた速度よりも増加された掘削速度の促進を可能とする。
【００１４】
上述のような２方向流体的電極制御を組み込んだ形態では、新しい電気パルスドリルビットの発明は、電極稼動ギャップの制御の可能性を含んでおり、以降これを実施形態Ａ３と呼ぶ。
上述のような２方向流体的電極制御を組み込んだ形態では、新しい電気パルスドリルビットは電極稼動ギャップの制御の可能性を含んでいて、以降これをＡ３と呼ぶ。一つの運動モードでは、Ａ３構成における一つの瞬間または一つの短時間での一つを除くすべての電極の組は格納されて前記の組および一つのパルスもしくは所定の長さでホールボトムにおける所定の場所で発せられる一連のパルスによってボトム接触を生じさせることとなるが、前記の電極の組は、次のパルスが発せられる別の組に交代される、例えば、但し必ずしも限定されないが、隣り合った組、そしてコンピュータ制御または同様の手段によるこのような連続的な流体的な電極の運動によってホールボトム全体が電気パルスで走査されるまで、さらに回転ビットとしては同様の手法で、但しこの場合にはビットは回転的に停止状態にあるが、体系的に稼働中の組み合わせを交代する。その一連の長さは、初期切削物の粉砕のために必要と推定されたパルス数によって決定される。この回転の態様は、従来のパルスエネルギー以上のエネルギーを全く要求しないが、それにも関わらず両方の電極の全ボトムコンタクトを確保し、而して掘削効率において従来技術に対する卓越した進歩の可能性を持ち、かつパルスエネルギーの全ボトムホール断面領域に亘る均一な供給を以て、全方位での方向安定性を持つ。
【００１５】
上述した一つの固定された電極を持つビットの場合(Ａ２)、方向安定性を促進するために、この電極は中央電極でなければならない。他のいずれかの電極を固定された電極として設計することは、下方へと動くビット上の重量によるドリルストリングスへの曲げモーメントおよびその反作用としての情報への運動を発生させる要因となり、そしてこのモーメントは掘削の方向をその本来の方向から逸脱させる要因となり、曲った軌道を展開させる要因となる。このことは、上述したようなダブルアクションの流体的ピストンによってすべての電極を可動としたビットの発想との組み合わせで建設的に利用することが可能である（Ａ３）。一つの中心外電極が流体的に固定電極として機能する位置に固定されることが可能となっており、それゆえ所望の方向に軌道を展開する要因となる、あるいは方向安定性が損なわれた場合には所望の掘削方向に修正する要因となる。
上記のように詳述された電気パルスが適切な放電液中に置かれた２つの電極同士の間で発火およびホールボトムに接触するとき、破砕されたホールボトムの素材と共に切削物が形成される、以降これを初期切削物と呼ぶ。従来技術による初期切削物は、大きさおよび形状が比較的よく定義されるが、長さは０．６〜０．８Ｓに等しく、幅は０．３〜０．５、および厚さは０．２〜０．３Ｓであり、ここにＳは電極間およびエッジがあまり丸まっていないときの厚さ方向の軸に沿って切断した際の楕円状断面の直線距離である。
【００１６】
本発明のための準備作業において、電気パルス掘削効率は本質的にそれが所属する空洞からホールボトム断面領域の外面への初期切削物の迅速な除去に極めて大きく依存することが判明した。その対応する切削物のビットからの運動の優先的方向は一般に、ボアホール内で半径方向である。この運動の方向は、ビットボスの外周に位置する接線方向に向いた電極ギャップから初期切削物に直接的に振り向けられる。半径方向に向いた電極ギャップの場合、または他の方向の電極ギャップの場合、この一般的な優先的方向は、ボアホールセンタから外周方向において見られるように、または特定の電極配置としての第１に隣接した電極ギャップの組が要求するように、もしくは前記の電極ギャップを通って直線経路に最も近くなるように、その切削物をして第１に隣接した接線方向の電極ギャップを通って直進せしめるに十分な直径方向に対する角度を成す初期切削物のビット下から外れる運動によって修正された優先的方向に曲げられる。発想Ａ３の場合では、追加された優先性は切削物の運動の優先的方向が隣接した稼動電極ギャップから外れるように存在する。
すべての電極ギャップ、半径方向、接線または他の方向に当てはまる一般的条件においては、初期切削物の運動のベクトル方向が、電極同士の元々の関連線に対して可能な限り直角であるべきであるということで、適切であれば隣接した稼動電極ギャップから離れているべきである。いずれにしても、他の電極による閉塞の危険性を最小にまたは全くない外周への直進経路を定義するために十分にそしてさらに可能な限り妥協される。
【００１７】
本発明は、そこから電極が最小の距離で突出しかつその内部に放電液の流れのための掘設された通路が組み込まれている、セラミックコンパウンド、エポキシ、または同様の材料のような電気的絶縁性材料からなるドリルビットボスを組み込んでいて、前記通路は分離したそして交換可能なノズルが挿入されることを許容する出口の構造、および初期切削物が破砕され緩んだ際には常に発生される亀裂への流体的ノズルジェットによって各電極ギャップに対して可能な限りの明確な打撃を促進するための特有のノズル出口の配置ならびに方向を有しており、前記の打撃またはジェット衝撃は、そのジェットが当る初期切削物の表面に対して平行な方向か、または可能な限りそのような平行方向に近い方向を有しており、かつ前記の打撃はまた、その特別な電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向に沿うベクトル方向の主成分を有している。本発明の特徴はまた、ノズルを通して増大される流体圧力は実用上可能な限り高くなければならず、４ＭＰａ以上であるべきであり、その厳密な値は適切な流量に基づいて選択されたノズル直径によって定まる。本発明はまた、ビットボスの表面上に刻設された開渠通路を組み込んでいて、前記の通路は初期切削物が通過するのに十分広い断面領域および切削物運動の優先的方向に一致した方向を有している。
【００１８】
従来技術はよく知られた電気パルスエネルギー貯蔵を用いたマークス機構、または磁気パルスエネルギー粒子貯蔵を用いた加速器型を採用しているが、そのようなジェネレータは、１ＫＶＡＣレベルの入力を用い、一般にボアホールの外側に配置され、フル電圧レベルでのその全長に亘るパルス伝送を伴う。指示された電圧およびエネルギーレベルの電気パルスのボアホール全体を通しての伝送は、ドリルストリングスの設計および失敗の高い危険性についての極めて厳しい制約を意味し、前記の制約は、ある程度、他の設計要求とは対照的である。例示される制約は、高電圧ストリングの必要性である。すなわち、パイプ、ケーブル、あるいはその他、そして同様の構成の接地ストリングの存在も必要とされ、その２つは多数の絶縁体によって分離されなければならならず、かつボアホール全体を通してそれらの間に電極ギャップＳと同じ規模の距離を保たなければならない。
従来技術による個々の電気パルスは、持続時間＝１０μＳを有することが知られている。示された運転周波数の範囲内で、２つまたはそれ以上のパルスジェネレータと並行して動作する時間、各々が割り当てられた電極ギャップに供給する、または連続して同一または同一組の電極ギャップに供給するが、すべてのパルスエネルギーは、ジェネレータから電極ギャップへと、一つの切替装置を通る同じ経路で伝送される。
【００１９】
本発明の既知の電気的機構、例えば１ＫＶＡＣまたは他の実用的なレベルの入力を用いた電気的または磁気的貯蔵機構のような、電気パルスジェネレータを組み込んでいて、それはホール直径および放電液経路のようなダウンホール配置の制約に従い、かつダウンホールの力学的および熱的強度の要求およびその他の要求に見合うように構成されており、前記のダウンホールパルスジェネレータは、一つのシングルパルスジェネレータから、または複数のパルスジェネレータから構成され、そのような複数のジェネレータは、互いに間隔を持つパルスを有しており、かつ切替装置を通して各々が並行してその対応する電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、または連続して同様の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、そのようなジェネレータまたは複数のジェネレータは、ビットの直ぐ後ろまたは最低ビット付近のドリルストリングに組み込まれ、パルス伝送導管は可能な限り短く、およびボアホールの深さから独立させる一方、ボアホール全長を通してのエネルギー伝送は１ＫＶＡＣあるいはその他の実用的なレベルにある。
上述の形態（実施形態Ａ）において本発明は地表に配置され流体的および機械的にダウンホールパルスジェネレータまたはジェネレータおよびドリルビットに好適なパイプ、ホースまたはパイプとホースとの組み合わせで構成されたドリルストリングによって接続された循環ポンプを有する全体の掘削機の一部として適用され、前記ドリルストリングそれ自体は導管として機能する、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルでの十分な電気エネルギー伝送のためのケーブルのような導管が組み込まれ、前記のドリルビットはボアホールの全断面領域を掘削し、切削物は循環して地表に戻されて、その後に放電液がボアホールへ再循環される前にそこで放電液から取り除かれる。
【００２０】
本発明のさらなる特徴は、以降これを実施形態Ｂと呼ぶが、強制された回転運動を有するビットボス、およびビットボス前面に直線、曲線または波線の一つの線、またはそのような２つまたは複数の直線、曲線または波線が線状になるように配置された複数の電極を組み込んでいる。実施形態Ｂは、ビットボス表面上に外周から外周へと伸び、しかし必ずしも外周に終端点を有しない、および中央に電極が配置されていない状態で前記ボスの中央で交差するような１つの線を組み込んでいて、前記の電極は２組の電極をさらに含んでおり、一組は高電圧、一組は接地であるが、その各組の電極は最も近隣の一つの電極または複数の電極が常に逆極性であるように配置されており、前記のラインの構成および電極の配置は、ビットボスの回転あたり少なくとも一つの電極ギャップがホールボトムの何らかの断面の掘削領域を横断して移動することを促進し、それゆえ全ボアホール断面掘削を実現するが、前記の電極または一つを除くすべての電極は、ビットボスに対する運動の限定自由度を許容され、前記の運動は掘削の方向によって定義される軸に沿うまたは平行する、もしくは最低限その運動の成分を有する。
実施形態Ｂの特徴によれば、それは小さめのボアホールに好適であるが、半径方向に向いた電極ギャップが２つの対向する半径に沿って位置し、一つの電極は一つの半径の外周部に配置され、その次の電極は同じ半径上の中央付近に配置され、そして第３の電極は対向する半径上に、最初の２つの間の距離Ｓと等しい距離Ｓを第２の電極から隔てて配置され、そして外周上の一つの電極が第１の電極から距離Ｓを隔てた回転方向とは反対方向に配置され、最終的に外周上の一つの電極が第３の電極から距離Ｓを隔てた回転方向とは反対方向に配置され、第５の電極が連帯してビット下からの視点および所与の反時計回りの回転方向でＳ状とおおよそ同様のパターンを形成し、前記の好ましい実施形態の電極は、さらに２組の電極、一方は高電圧で一方は接地、を含んでおり、各組の電極は、隣接する電極または複数の電極が一貫して逆極性であるように配置されており、前記のラインの構成および電極の配置は、電極が一つの半径上に配置されて他の半径上の電極が辿る円形パターンとは異なる中央の周囲を廻る円形パターンを辿ることに伴うビットボスの回転につきホールボトムのあらゆる断面の掘削ユニット領域での最小の電極ギャップの移動を促進して、ボアホール中心の掘削を含む全ボアホール断面掘削を実現する、前記の電極またはすべての電極は、しかし一つは軸方向運動の限定自由度を上述のように許容されることとなるが、前記の運動は掘削の方向によって定義される軸と平行する、もしくは最低限その運動の成分を有する。
【００２１】
実際の問題として、このような運動は各電極をシリンダ内のプランジャのように実装しそのシリンダをドリルビットボスに固定して、シリンダ内に設置された巻ばね、電極の背後のシリンダに印加される流体圧力またはそれら２つの原則の組み合わせもしくは他の同様な手段によって電極を前方に押すことで、促進され得る。流体的な異型の場合には、圧力がその両方に印加され、それにより電極に強制的な運動によって、掘削の方向に対して前進または後退の両方向でピストンのように動くことを許容するように電極を構成することが可能である。あるいはその運動は、各電極をドリルビットボスにヒンジで取り付けられた、上記に例示した方法および手段によって強制的に動かされるアームに実装することで促進され得るが、但しここではその一つの運動の成分のみが軸方向であればよく、あるいは電極運動は２つの原則の組み合わせまたは他の原則もしくはそれらの組み合わせが可能であることは勿論である。
【００２２】
パルス周波数および回転速度の異なった組み合わせを選択することにより、この５つの電極ギャップまたは直径が要求するならばさらに多数電極の構成は、異なった放電密度のホールボトムを完全にカバーするようになされうる。例えば、１６Ｈｚのパルス周波数と接線方向の電極ギャップＳ＝８ｃｍで３０ＲＰＭ・直径２０ｃｍのボアホールとの組み合わせの場合、外周または接線方向の電極の変位が１パルスあたり正確に１Ｓつまり６０ＲＰＭだったとすると、それは１／２Ｓであり、ユニット領域あたり２倍のエネルギーが放電されることとなる。中央に電極が無く、かつ中央から異なった距離の各半径上の中間電極を有する場合、稼動電極ギャップを組み込む形式における規則的な範囲なしでユニット領域は残されない。
各電極の軸方向運動の限定自由度の主要な目的は、電極をボアホール内における永続する物理的にボアホールの接触状態に保つということである。実質的に合力が電極を前方に押すので、ドリルビットをボトムから引き離しがちな傾向になり、一般に掘削アッセンブリの重力によってビット上への重量を増やさねばならないが、かならずしもそれのみには限定されず、そのようなビット上の重量はビットをボトムに対して押すために前記の合力を超えるように供給される。この発想に基づくホールボトム接触の展開は、以降これをＢ１と呼ぶが、こうしてそのシリンダ内のボトム位置に完全に格納される最低１つの電極を意味し、前記の電極（または複数）はその（それらの）ビット上の重量の所定の部分以上を担い、そしてその他の多数の電極は、ホールボトムの形状によって許容される運動に従ってシリンダ内で多少前方に動き、それらの電極はビット上の重量の所定の部分以下を担い、シリンダに対する前記の電極の位置は、回転およびホールボトムの形状に従って時々刻々と移動する。
あるいは、一つの電極がドリルビットボスに対して動かないように固定されるようにすることも可能である。この場合の実際的態様は、以降これを実施形態Ｂ２と呼ぶが、この電極をホールボトム上方のビット位置に定め、他のすべての電極のボトム接触を、ホールボトムの形状および回転によって許容されることで、それらのシリンダ内での前進運動によって実現する。
【００２３】
このような手法で操業されることで、もし限定軸方向運動、これをここで各電極のストローク長と呼ぶ、がホールボトムの形状の軸方向の起伏を超えるとすれば、ホールボトムとすべての電極間の接触が効率的に確保され、そして一つを除くすべての電極が可動である実施形態の場合には、固定された電極に対しては正確な位置が得られる。前記の起伏は、切削物の推定サイズ基づいて推定される。電気パルス掘削では電極間距離の関数と認識されているので、電極の常時接触のために十分なストローク長を得る基準となる。
あるいは、すべての電極が固定されることも可能であり、以降これを実施形態Ｂ３と呼ぶが、前記の構成は、その少数の電極が一般に低頻度のボトムホール接触を従来技術と比較して少なくさせるように関連付けられる。
【００２４】
上述したような２方向流体電極制御を組み込んだ実施形態においては、本発明は電極ギャップ制御の可能性を含むが、以降これを実施形態Ｂ４と呼ぶ。動作の１モードにおいては、実施形態Ｂ４の一つを除くすべての電極の組は、一瞬または短時間に格納されるであろうが、前記の組のみによってボトム接触を発生させ、ホールボトムの所定位置に１パルスが放出される、前記の電極の組は、例えば隣接する組のような、但しこれのみには限定されないが、次のパルスが発振される前に他の組に交代され、こうしてコンピュータ制御または同様の手段によって管理される電極の連続する流体的な動作により、ホールボトム全体が電気パルスによって掃引されるまで体系的に稼働中の組を交代するが、前記の交代は、回転と共にホールボトムを横切る稼動電極ギャップの適切な範囲が促進されるように調整される。この動作モードは、従来よりも多いパルスエネルギーは要求することなく、而して両電極の完全なボトムホール接触を確保し、こうして掘削効率における従来と比較しての偉大な改善の可能性が得られ、またパルスエネルギーが全ボトムホール断面に亘って均等に印加されることで、完全な方向安定性が得られる。
【００２５】
実施形態Ｂ４のギャップ制御は、一つのオフセンタに置かれた電極が流体的に固定電極として機能する位置に固定され、この場合には固定された電極がボアホールボトム上における固定された半径上に現れるように、コンピュータ制御によってその電極の軸方向の固定をその回転に連れて一つの電極から他の電極へと切り替えて行き、こうしてドリルストリングにおける固定されたまたは略固定された曲げモーメントを維持し、所望の方向に曲線軌道を確実に形成する、または方向安定性が損なわれた場合には、所望の掘削方向に修正する要因となるという動作の態様に用いられる。
本発明はビットからの切削物の輸送の優先的方向を定義し、前記の輸送は上記に定義された初期切削物が放出されたときに作られる空洞から発しているが、ボトム組織中の一部を成すその生来の位置から引き上げられるわけではない、また本発明は初期切削物の生来した位置からホールボトム断面領域の外周およびそこからボアホールの環への迅速な除去のための対策を定義するが、前記の切削物の移動方向は通常、ボアホールにおける半径方向である。前記の運動の半径方向は、ビットボスの外周に位置した接線方向に向いた電極ギャップから初期切削物へ直接に付与される。半径方向に向いた電極ギャップの場合、または他の方向のギャップの場合、この一般的な優先的方向は、回転とは反対の方向における半径方向から角度を成し外周方向におけるボアホールセンタから見てその切削物の最初の隣接する接線方向の電極ギャップ、または特別の電極構成が要求する際には最初の隣接する電極ギャップの組を通る直線的経路、もしくは前記の電極ギャップを通る可能な限り直線的経路に近い経路を切削物に許容するのに十分な修正された優先的方向に歩み寄る。
すべての電極ギャップの方向、半径方向、接線または他の方向に当てはまる一般的条件においては、初期切削物の運動のベクトル方向が、電極同士の本来の関連線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば隣接した稼動電極ギャップから離れているべきである。いずれにしても、外周への直進経路を定義するために十分にそしてさらに可能な限り妥協され、他の電極による閉塞の危険性を最小にまたは全くないようにする観点からそのような通路は選択される。
【００２６】
実施形態Ｂは、ドリルビットボスに実装された装置による擦過、切削、打撃または同様の動作により、物理的な接触および回転、軸方向、その他もしくはそれらの組み合わせの動作を適用して掘削および掘削物における機械的相互作用のための一体化した手段、ここでは切削物の除去プロセスと呼ぶ、を備えたドリルビットボスを組み込んでいる。
本発明は、その表面から電極が最小の距離で突出し、その内部には放電液の流れのための掘設された通路が組み込まれている、セラミックコンパウンド、エポキシ、または同様の材料の電気絶縁性材料からなるドリルビットボスを組み込んでいて、前記の通路は分割および交換可能なノズルの挿入を許容するための出口の構成を有しており、ノズル出口の配置および方向は各電極ギャップに特化された方向で、流体的ノズルジェットを初期切削物が破砕され緩んだ際に常にできる亀裂に可能な限り正確に打撃することを促進し、前記の打撃またはジェット衝撃はジェットが打撃する初期切削物の表面に対して平行な方向、または可能な限り同様な並行方向に近い方向を有し、そして前記の打撃はまた、その特別な電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向に沿うベクトルの主成分を有している。
本発明によれば、ノズルを通して増大される流体圧力は実用上可能な限り高く４ＭＰａ以上でなければならないことがまた明確にされるが、厳密な値は適正な流量に基づいて選択されたノズルの直径によって決定される。本発明はまた、ビットボスの表面に刻設された開渠通路または溝を含んでおり、前記の溝は十分に広い断面領域を有して、初期切削物が通過することおよび初期切削物の運動の優先的方向に一致した方向を許容する。
本発明は、既知の電気的構成を有し１ＫＶＡＣまたは上述したような他の実用的なレベルの入力を用いた電気的または磁気的な貯蔵機構のような電気パルスジェネレータを組み込んでいてそれはホール直径および放電液の経路のようなダウンホール配置の制約に従い、かつダウンホールの機械的および熱的強度を満たすように構成されており、前記のダウンホールパルスジェネレータは一つのシングルパルスジェネレータまたは複数のパルスジェネレータから構成され、そのような複数のパルスジェネレータは、互いに間隔を持つパルスを有しており、切替装置を通して各々が並行してその対応する電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、または連続して同様の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して機能し、そのようなジェネレータまたは複数のジェネレータはビットの直ぐ後または最低ビット付近のドリルストリングに組み込まれ、パルス伝送管は可能な限り短くし、およびボアホールの深さから独立させる。一方、ボアホールの全長を通してエネルギー移送は１ＫＶＡＣあるいは他の実用的なレベルにある。
【００２７】
実施形態Ｂは、ドリルビットの回転を有する掘削システムの全体構成を含み、前記の回転は地表またはボアホールの内部に配置された回転モータによって行われる。本発明の実施形態Ｂによる望ましい態様では、回転モータはビット付近のドリルストリングにおけるパルスジェネレータの上方または下方に組み込まれ、前記の回転モータは１００００ＲＰＭを上限としてビットを回転させるのに十分な電気的または流体的な動力によって動かされるが、その実際の回転速度は実際の目的および状況に応じて選択される。本発明はまた、地表に配置され流体的および機械的に適用可能の場合、モータおよびドリルビットに適合したパイプ、ホース、またはパイプとホースとの組み合わせからなるドリルストリングにより接続された循環ポンプを含む場合、前記のドリルストリングそれ自体が導管として機能する、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルの適当な電気エネルギーの伝送のためのケーブルのような導管が組み込まれ、前記のポンプは放電液が
ドリルストリングを通って流下させ、ビット内に組み込まれたノズルを通って流出させ、そして切削物を運びながらドリルストリングを囲む環を通って地表に帰還させるが、そこでそれは再循環のために清浄な液がポンプに戻される前に放電液から除去される。
【００２８】
本発明の実施形態Ｃは、２つの電極または２組の電極を構成する複数の電極を含むが、一方は高電圧、一方は接地であり、その各組の電極は同様で、但し個数は必ずしも同様でなくともよい、それゆえ電極の組を構成し、各組はドリルビットボスに実装されてそれらの関連線が接線方向を有するように配置され、前記のドリルビットボスは半径方向の小さな広がりを持つ環状の断面領域を有するが、一つの好ましい実施形態では前記の半径方向の広がりはその表面上の電極および放電液ノズルの存在により要求される最小になっている。この実施形態では、各電極または一つを除く各電極は、そのボスに対して運動の限定自由度を許容され、前記の運動は少なくとも掘削方向に平行な運動の成分を有する。
このような動きは、各電極をあたかもシリンダ内のプランジャのように実装しそのシリンダをドリルビットボスに固定して、その電極またはプランジャを、シリンダ内に置かれた巻ばね、電極の背後シリンダに印加される流体圧力または、それら２つの原則の組み合わせ、またはその他同様の手法によって、電極を前方に押すことで促進され得る。流体的な異型の場合には、圧力がその両方に印加され、電極が強制的な運動によって掘削方向に対して前進または後退の両方向でピストンのように動作し得るように構成することが可能である。あるいはその運動は各電極をドリルビットボスにヒンジで取り付けられたアームに実装して、上述に例示した方法および手段によって強制的に動かされるようにすることで促進され得るが、但しここではその運動の成分のみは軸方向であればよく、または他の原則もしくはそれらの組み合わせが可能であることは勿論である。各電極の軸方向運動の限定自由度の主要な目的は、電極を確実に常時ボトム接触させることにある。
【００２９】
実施形態Ｃ１は、強制的な回転運動を有する環状ビットボスおよび１組だけの電極を含んでおり、その一つは固定されているが、以降これを実施形態Ｃ１Ｆと呼ぶ。もう一つの実施形態は、以降これをＣ２と呼ぶが、それは電極強制的な回転運動を有する環状のビットボスおよびビットボス上で互いに反対の位置に配置された２組の電極を含んでいるが、一つの固定された電極の選択肢として、以降これを実施形態Ｃ２Ｆと呼ぶ。他の実施形態では、以降これをＣ３、Ｃ４、Ｃ５．．．Ｃｎと呼ぶが、本発明では強制的な回転運動および３，４，５およびさらに多数の電極の組を持ちそのうちの一つは固定されている環状のボスを含み、これらをＣ３Ｆ、Ｃ４Ｆ、Ｃ５Ｆ等と呼ぶが、各組は他の組または一つの共通電極とは分離されており、前記の強制的な回転運動は、しかし実施形態Ｃｎではボスは均等な間隔を置かれた電極をその全外周に有するが際に適用する、前記の回転運動は固定された回転方向または往復の形を成す。
合力が電極を前方に押すことで、ドリルビットをボトムから引き上げる傾向となり、ビット上の重量は通常、掘削アッセンブリの重力によって強化されなければならなくなるが、しかし必ずしもそうとは限らない。そのようなビット上の重量はボトム上にビットが保たれるように前記の合力を超えるべきである。
【００３０】
これらの実施形態によるホールボトム接触の構想は、このようにして実施形態Ｃ１およびＣ１Ｆにとってそのシリンダ内ボトム位置での一つの電極（実施形態Ｃ１）または固定電極によって定義されるホールボトム上方のビットボス位置（Ｃ１Ｆ）およびホールボトムの形状によって許容された運動によりシリンダ内で多かれ少かれ前進方向に運かされる他の電極、実施形態Ｃ２．．．Ｃｎについてはシリンダ内ボトム位置に常にある最低一つの電極、その電極は時々刻々と移動するが、またはホールボトム上方でのビットボスの位置が固定された電極によって定義され（実施形態Ｃ２Ｆ、Ｃ３Ｆ、Ｃ４Ｆ等）、前記の移動する電極または前記の固定された電極が所定比率以上のビット重量の部分を担い、そして他のすべての電極が回転運動によって許容される運動およびホールボトムの形状に従ってシリンダ内で多少前方に運動、それらの電極が所定比率以下のビット重量の部分を担うことを意味する。
このような手法で操業されることで、もし限定軸方向運動、これをここで各電極のストローク長と呼ぶ、がホールボトムの形状の軸方向の起伏超えるとすれば、ホールボトムとすべての電極とが効果的に接触する。前記の起伏は切削物の推定サイズに基づいて推定される。すなわち、電気パルス掘削では、電極間距離の関数であると認識されているので、電極の常時接触のために十分なストローク長を得る基準となる。
このようなすべての電極の常時のホールボトム接触では、意味するすべての電極ギャップは、電気的に平行に組み合わされていて、常時の電気抵抗と同等またはほぼ同等の回路要素を構成しており、それゆえ、より大きな電荷が通過することを許容し、また従来よりも大きなパルスエネルギーの供給を要求することを意味する。このような供給により、この新規のドリルビットは、従来経験されていた速度よりもパルスエネルギーの供給量と同じ規模の倍率で加速された掘削速度を実現することを可能とした。
【００３１】
上述の２方向流体的電極制御を含んだ形では、本発明は電極の稼動ギャップ制御の可能性を含み、それは実施形態Ｃに適用可能であるが、Ｃ２．．．Ｃｎの実施形態のみには適用されない。
動作の一態様においては、一例として実施形態Ｃｎ-ゼロの一つを除くすべての電極の組は一瞬または短時間に格納されるのであろうが、前記の組のみによってボトム接触を発生させ、それにより、ボトムホールの所定位置に1パルスまたは一連のパルスを発振する、前記電極の組は、例えば隣接の組のような、但しこれのみには限定されないが、次のパルスまたは一連のパルスが放出される前に、他の組に交代され、コンピュータ制御または同様の手段によって管理される電極の流体的動作により、ホールボトム全体が電気的パルスで掃引されるまで稼動中の組を体系的に交代し、回転ビットと同様な手法で行われる、しかしこの場合、ビットの回転は停止状態にある。その一連の長さは、初期切削物の破砕に必要と推定されたパルス数によって決定される。この動作の態様は、従来のパルスエネルギー以上は要求しないが、それでも両電極によって完全なボトム接触を確実なものとし、こうして従来技術を卓越した莫大な掘削効率の向上の可能性を得、またボトムホール断面全体に亘る均一なパルスエネルギーの印加を以て完全な方向安定性を得る。
【００３２】
実施形態Ｃ２．．．Ｃｎでは上述したように２方向流体的電極制御を含むが、その新規の電気パルスドリルビットの発明は環状のボアホールの外周を巡る選択的な負荷位置の可能性を含む。実施形態Ｃｎでは、一つの電極が固定された電極として働くような位置に流体的に固定されることが可能で、それゆえ所望の方向への曲線軌道が描かれる要因となる、または方向安定性が損なわれた場合には、所望の掘削方向に修正される。実施形態Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４では、固定される電極は一つから別の一つへと切り替えられて、固定される電極が外周上における同じ位置に常に保たれるようにされ、所望の方向に曲線軌道が描かれる、または方向安定性が損なわれた場合には所望の掘削方向に修正される。
【００３３】
実施形態Ｃのドリルビットに適用される発明では、環の内部にコアが原形を保って残される。その結果、ビット上方のドリルストリングはコアバレルとして構成されなければならず、前記のコアバレルは許される条件下で信頼性が保たれる可能な限り薄い壁面の厚さを有して、信号およびエネルギーのビットへの伝送のための導管を許容する。コアバレルの全長は、実用上の取り扱いの観点から決定されるが、一例としてコアバレル要素に分解して投入される１００ｍで、２５ｍの長さの４要素を従来技術から知られている適切なパイプコネクタによって繋ぎ合せる。
この形態における本発明の動作上の側面は、コアバレルの長さと等しい環状ボアホールの長さに掘削され、そしてその基部でコアが切削されボアホールの外部へと引き上げられるが、そのためにコア切削およびコア把持の機構がビットの直ぐ上のバレルに組み込まれ、前記のコア切削機構は例えばビットのシリンダ上の壁面に組み込まれて、方向づけされた電気的、流体的または他の衝撃によって発火する一つまたはそれ以上の小さな炸薬として形成され、そしてコア把持の機構は例えばコアバレル内壁の内側に向って拡張する区間として形成され、それは開放された後で引き上げが始まる前のコアを拡張して保持する。
【００３４】
上記に詳述されたような電気パルスが適切な放電液中に浸されホールボトムに接触した２つの電極間に発振して、上述のような大きさ、形状および位置に切削物、ここでは初期切削物と呼ばれる、が形成され得るが、前記の初期切削物のそれ自身が本来所属していた空洞からホールボトムの断面領域の外周およびそこからボアホールの環へ上昇する迅速な除去に、掘削効率が依存する。
本発明は、その掘削効率の重要性に鑑みて、ビットからの切削物の輸送の優先的方向を定義し、前記輸送は上記で詳述されたように初期切削物が放出され、しかしボトム組織に包含されているその生来の位置から引き上げられていないときに作られる空洞の方向、および初期切削物の生来の位置からホールボトムの断面領域の外周およびそこからボアホールの環へ上昇する迅速な除去対策から生起しており、前記の切削物運動の方向は通常ボアホール内で半径方向である。、一つの特別な実施形態Ｃでは、狭い環が対応する切削物の優先的方向の上に電極を配置される一つだけの半径を許容するとき、ビットからの運動は専ら外側へと向かう半径方向になる。
すべての電極ギャップ、放射状、接線または他の方向に当てはまる一般的条件においては、初期切削物の運動のベクトル方向が、電極同士の元々の関連線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば隣接した稼動電極ギャップから離れているべきである。いずれにしても、外周への直進経路または可能な限り直進通路付近を定義するために十分にそしてさらに可能な限り妥協され、他の電極による閉塞の危険性を最小にまたは全くないようにする観点からそのような通路は選択される。
【００３５】
実施形態Ｃは、ドリルビットボスに実装された装置による擦過、切削、打撃、または同様の動作、物理的接触および回転、軸方向、その他もしくはそれらの組み合わせを適用した掘削および掘削材料における機械的相互作用のための一体化した手段、ここで切削物除去プロセスと呼ぶ、を備えたドリルビットボスを組み込んでいる。
本発明は、電極が最小の距離で突出し、その内部に放電液の流れのための堀設された通路が組み込まれている、セラミックコンパウンド、エポキシ、または同様の材料のような電気的絶縁性材料からなるドリルビットボスを組み込んでいて、前記の通路は分離したそして交換可能なノズルが挿入されることを許容する出口の構造、および初期切削物が破砕された際には常に発生される亀裂への流体的ノズルジェットによって各電極ギャップに対して可能な限りの明確な打撃を促進するための特有のノズル出口の配置ならびに方向を有しており、前記の打撃またはジェット衝撃は、そのジェットが当る初期切削物の表面に対して平行な方向か、または可能な限りそのような平行方向に近い方向を有しており、かつ前記の打撃はまた、その特別な電極ギャップへの切削物の運動の優先的方向に沿う主なベクトル成分を有している。本発明の一つの特徴はまた、ノズルを通して増大される流体圧力は実用上可能な限り高くなくてはならず、４ＭＰａ以上であるべきであり、その厳密な値は適切な流量に基づいて選択されたノズルの直径によって定まる。本発明はまた、ビットボスの前面上に刻設された開渠通路を組み込んでいて、前記の通路は十分広い断面領域を有しており、初期切削物が通過して切削物の優先的方向に一致した方向へと移動することを許容している。
本発明は、上述したような所定レベルおよび継続時間の連続した一連のパルスを出力する電気パルスジェネレータを含み、理論的には１ＫＶＡＣまたはその他の実用的レベルでの電気的または磁気的な蓄積の設計に従い、ホール直径および放電経路のようなダウンホール配置の制約に応じるように構成され、そしてダウンホールの機械的および熱的強度ならびにその他の要求に適合し、前記のダウンホールパルスジェネレータは、一つのシングルパルスジェネレータまたは複数のパルスジェネレータで構成され、そのような複数のパルスジェネレータは一度に互いに間隔を置かれ切替装置を通して各々がその割り振られた電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して並行して機能する、または同じ電極ギャップもしくは電極ギャップの組に対して連続的に機能し、そして左様なジェネレータまたは複数のジェネレータはビット直後またはビットの最も近隣にパルス伝送路を最短にするようにドリルストリングに組み込まれており、ボアホールの深さに関わらず、ボアホールの全長に亘るエネルギー移送は１ＫＶＡＣまたは他の実用的なレベルである。
【００３６】
実施形態Ｃは、上述の全システムに適用されるが、地表に配置され流体的および機械的にダウンホールパルスジェネレータまたはジェネレータおよびドリルビットに好適なパイプ、ホースまたはパイプとホースとの組み合わせで構成されたドリルストリングによって接続された循環ポンプを有する掘削機として適用され、前記のドリルストリングそれ自体は導管として機能する、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルでの十分な電気エネルギー伝送のためのケーブルのような導管が組み込まれ、前記のドリルビットはボアホールの全断面領域を掘削し、切削物は地表に循環して戻されて、そこでその後にボアホールへ再循環される前に放電液から取り除かれる。
実施形態Ｃの一つの特別な形態は、パルスジェネレータ直上および切削物清浄、貯蔵ユニットの直下のダウンホールに配置された循環ポンプと共に構成され、前記の後者のユニットは、コアバレル長と等しい環状ホール長から発せられる切削物を保持するための十分な容量を有する切削物チャンバおよび例えばしかしこれのみには限定されないが沈殿ピットまたは複数の沈殿ピット、網または複数の網もしくは遠心分離機のような放電液清浄装置から構成される。それらすべてはダウンホール配置および切削物チャンバと共に一括配置されて、その中に浮遊する切削物と共にボアホールを遡上する環状の放電液が切削物と共に清浄システムを通して案内され、その間に切削物が沈殿されて、清浄な放電液がポンプ吸引口へと向けられる。
この実施形態Ｃの望ましい態様では、全ボトムホール掘削アッセンブリは地表に一つの鋼鉄ワイヤロープで接続され、前記のロープはその内部に信号伝送および実用的な電圧での電力伝送のための電気ケーブルが内蔵され、ボアホールはそれが圧力形成および安定性を要求する場合には液体が注ぎ込まれる。乾いた硬い岩塊を掘削する際には、本発明の実施形態によって掘削されるホールは、切削物チャンバの頂上または僅かな上にのみ液体が注ぎ込まれる。いずれの場合でも、循環はビットおよびコアバレルを合せた長さに対応したボアホールの長さ、パルスジェネレータまたは複数のジェネレータおよびポンプならびに切削物チャンバおよび清浄システムに制約され、前記の合せた長さはコアバレルの長さの２〜３倍と推定される。エネルギー消費、流体的およびそれに関連したビットエネルギーは、地表への循環を有する全断面ボアホール掘削と比較して大幅に低減されるであろう。
（図面の簡単な説明）
【００３７】
図１ａは、本発明による第１の実施形態Ａの装置用のドリルビットの端面図である。
図１ｂは、図１ａのドリルビットの軸方向断面図である。
図２ａは、本発明による第２の実施形態Ｂの装置用のドリルビットの端面図である。
図２ｂは、図２ａのドリルビットの軸方向断面図である。
図２ｃは、本発明による第３の実施形態Ｃの装置用のドリルビットの端面図である。
図２ｄは、図２ｃの別の実施形態のドリルビットの端面図である。
図２ｅは、図２ｃのドリルビットの長手方向断面図である。
図２ｆは、非回転動作のための第３の実施形態Ｃのドリルビットの端面図である。
図３ａは、第１の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図３ｂは、第２の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図３ｃ−ｆは、さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
図４ａは、第１の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
図４ｂは、第２の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
図４ｃは、第３の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
図４ｄは、第４の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
図５ａは、非回転ボトムホールアッセンブリを有する掘削装置の拡大側面図である。
図５ｂは、図５ａに対応する回転ボトムホールアッセンブリを有する掘削装置の拡大側面図である。
図５ｃは、図４ｄに対応するボトムホールアッセンブリを有する移動可能な掘削装置の拡大側面図である。
【００３８】
図１ａは、本発明実施形態Ａによるドリルビット１を示す端面図であり、ビット回転なしで岩盤組織５１を放電掘削するボアホール２すべてのための複数の電極４、５を有しており、前記ビット１は流体シリンダ８として埋め込まれた電極ホルダを有するボス３または機械的装置１７、１９、もしくはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を含んで埋め込まれ、必要なケーブル線１２が付設されてホルダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７を備えて放電液のための通路６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給に接続するための終端２７から構成されている。
【００３９】
図１ｂは、本発明の実施形態Ａによる図１ａのドリルビット１の断面図であり、ビット回転なしで岩盤５１を全ボアホール２の放電掘削するための複数の電極４、５を備えており、前記ビット１は流体シリンダ８として埋め込まれた電極ホルダを有するボス３または機械的装置１７、１９、もしくはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を含んで埋め込まれ、必要なケーブル線１２が付設されてホルダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７を備えて放電液のための通路６、ビット下に組み込まれた領域５０から切削１３に沿ってビットボスの表面に刻設された断面的領域５９を有する開渠通路２６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給を連結するための終端２７から構成されている。
【００４０】
本発明の実施形態Ｂによるドリルビット１の、図２ａは端面図、図２ｂは断面図であり、示されているように回転方向２９または往復運動３１を有し、ビット回転に伴って全ボアホール２の断面的放電をカバーするためにＳの字状に沿ってビットボス３の表面上に配置された複数の電極４、５が配置され、前記ビット１は、流体シリンダ８に埋め込まれた電極ホルダを有するボス３または機械的装置１７、１９、もしくはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を含んで埋め込まれ、必要なケーブル線１２が付設されてホルダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７を備えた放電液のための通路６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給に接続するための終端２７から構成されている。
【００４１】
図２ｃは、本発明の実施形態Ｃによるドリルビット１を示す端面図であり、示されているように回転方向２９を有し、環状のボアホール２を断面積を掘削し、ビットボス３の表面上１組の電極４、５が配置され、好適な速度で回転するときに前記面積に完全な放電範囲を提供するために、前記ビット１は、流体的または機械的シリンダ８、１７に埋め込まれた電極ホルダ、ヒンジ付アーム１９またはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を有し、必要なケーブル線１２が付設されてホルダに実装された１つの高電圧電極４と１つの接地電極５、ノズル７を備えて放電液のための通路６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給ならびに機械的擦過器またはカッタもしくは同様の装置６６へ接続するための終端２７から構成されている。
【００４２】
本発明の実施形態Ｃによるドリルビット１およびコアバレル３６の、図２ｄは端面図、図２ｅは断面図であり、示されているように回転方向２９または往復運動３０を有し、環状のボアホール２断面積を掘削し、好適な速度で回転するときに前記面積に完全な放電範囲を提供するためにビットボス３の表面上に２組の電極４、５が配置され、前記ビット１は、流体的または機械的シリンダ８、１７に埋め込まれた電極ホルダ、ヒンジ付アーム１９またはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を有し、必要なケーブル線１２が付設されてホルダに実装された２つの高電圧電極４と２つの接地電極５、ノズル７を備えた放電液のための通路６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給ならびに機械的擦過器またはカッタもしくは同様の装置６６に接続するための終端２７から構成されている。
【００４３】
図２ｆは、本発明の実施形態Ｃによる非回転ドリルビット１の端面図であり、どの電極４、５も所与のビットの放電ギャップに対応し、距離Ｓを隔てた逆極性の電極を有し、それにより環状のボアホール２の断面領域を掘削する、および回転運動なしで前記領域に完全な放電範囲を提供するようにビットボス３の表面の全外周に亘って複数の電極４、５が配置され、前記ビット１は、流体的または機械的シリンダ８、１７に埋め込まれた電極ホルダ、ヒンジ付アーム１９またはその他、適用可能な位置に供給ライン１０、２３を有史、必要なケーブル線１２を付設されてホルダに実装された１組の高圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７および切削物輸送の好ましい方向が組み込まれ放電液のために堀設された通路６、およびビットボスの頂上に位置して流体的および電気的な供給接続するための終端２７から構成されている。
【００４４】
図３ａは、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態の詳細を示すもので、流体的に操業される電極のプランジャ型の異型を示していて、一つの電極４の断面図であり、シリンダ８およびその運動２８の掘削２９の方向への直線的方向が掘削２９と同軸方向であり、電極４の前進方向運動のための流体圧力チャンバ９、ビットの背後の掘削アッセンブリに圧力チャンバ内の液体のための流体液供給ライン１０および流体液ポンプ１１が配置され、さらに電気ケーブル１２が電極４に接続されており、そのシリンダ８への嵌入およびビットボス３の頂上におけるその終端２０の設定を示している。シールは６８で示されている。
【００４５】
図３ｂは、機械的に操業される電極４の螺旋状ばね型の変形例を示す、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態の詳細を示すもので、シリンダ８および掘削方向２９と同軸の運動２８の直線的方向、電極および端部停止５４の前進運動のための螺旋状ばね１７、電極４、５の前方と後方とでの圧力均一化のための通路１８、さらにその電極に接続された電気ケーブル１２およびビットボス３の頂上におけるその終端２０を示している。
【００４６】
図３ｃは、機械的に操業される電極の螺旋状ばね型の変形例を示す、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態の詳細を示すもので、機械的に操業されるヒンジアーム型の電極４の変形例を示す、成形されたヒンジアームとしての電極４の断面図であり、シリンダ８およびその運動２８の掘削２９の方向への直線的方向が掘削方向２９と同軸方向であり、そのアームリフタ５８と並設されビットボス３の内部のホルダ８内に配置されたヒンジアーム１９および電極４の前進運動のための螺旋状ばね１７、さらにその電極に接続された電気ケーブル１２およびビットボス３の頂上における終端２０を示している。
【００４７】
図３ｄは、機械的に操業されるダブルアクションピストン型の電極４の変形例におけるドリルビット１の一つの好ましい実施形態の詳細を示すもので、成形されたヒンジアームとしての電極４、５を示す断面図であり、ヒンジアーム１９およびビットボス３に各々接続されるようにそのシリンダ８に内設されたプランジャ５５、電極の前進運動のための液体圧力チャンバ９、その圧力チャンバ内の液体のための流体液供給ライン１０およびビットの背後の掘削アッセンブリに配置された流体液ポンプ１１ならびにそのシリンダ８への嵌入の設定およびビットボス３の頂上におけるその終端２０を示している。
【００４８】
図３ｅは、流体的に操業される電極の稼動制御のための変形例における一つのドリルビット１の詳細を示すもので、一体化したピストン部２１およびシリンダ８を有する一つの電極４を示す断面図であり、電極の前進および後退運動のための液体圧力チャンバ９、２２、その圧力チャンバ内の液体のための流体液供給ライン１０、２３、シリンダ圧力および流体液ポンプ１１の動作のための電気的配線を含むバルブマニホールド２４、その２つの後者の詳細はビットの背後の掘削アッセンブリの内に配置されており、さらに電極に接続された電気ケーブル１２およびそのシリンダ８への嵌入の設定およびビットボス３の頂上におけるその終端２０を示している。シールは６８で示されている。
【００４９】
図３ｆは、ヒンジアーム支持された電極の稼動制御のためのダブルアクション型の実施形態を示すドリルビットの詳細を示すもので、電極４、５を有する１つのヒンジアーム１９を示す断面図であり、前記ヒンジアーム１９は、ピストンの前進および後退のための液体圧力チャンバ９、２２を有するように配置されたダブルアクションピストン２５に接続されており、前記シリンダ８および流体液をドリルビットボス３に組み込まれた圧力チャンバへ輸送するための流体液供給ライン１０、２３、シリンダ圧力および流体液ポンプ１１の操業のための電気的配線を含むバルブマニホールド２４、その２つの後者の詳細がビットの背後の掘削アッセンブリの内に配置されており、さらにその電極に接続された電気ケーブル１２およびそのシリンダ８への嵌入の設定およびビットボス３の頂上におけるその終端２０を示している。
【００５０】
図４ａは、フルプロファイルボアホールの非回転掘削に関するもので、ビットボス３、電極４、５、およびノズル７を有するドリルビット１、さらに一または複数のダウンホールパルスジェネレータ３１、電極の位置制御のための流体アクチュエータシステム３２、ドリルストリング４４への接続ターミナル５５を含み、さらにアクチュエータ３２を貫通または通過し一つのまたは複数のパルスジェネレータ３１を貫通または通過しドリルビットボス３を貫通しノズル７および開渠通路２６を通って穴底部の領域５０上へと出て選択された切削出口方向１３内でのビット面上で後退して穴を遡上し穴底部のアッセンブリを囲う環状体３５内の表面へと沿う放電液流３４のための通路を含む。
【００５１】
図４ｂは、フルプロファイルボアホールの回転または往復掘削に関するもので、ビットボス３、電極４、５、およびノズル７を有するドリルビット１を含み、さらに一または複数のダウンホールパルスジェネレータ３１、電極の位置制御のための流体アクチュエータシステム３２、回転または往復モータ３３、ドリルストリング４４への接続ターミナル５５を含む掘削プロセス制御システム５７を含んでおり、さらにアクチュエータ３２を貫通または通過し一つのまたは複数のパルスジェネレータ３１を貫通または通過しドリルビットボス３を貫通しノズル７および開渠通路２６を通って穴底部の領域５０上へと出て選択された切削出口方向１３内でのビット面上で後退して穴を遡上し穴底部のアッセンブリを囲う環状体３５内の表面へと沿う放電液流３４のための通路を含む。
【００５２】
図４ｃは、環状ボアホールの非回転、回転または往復掘削に関するもので、ビットボス３、電極４、５、およびノズル７を有するドリルビットを含み、さらにその下部付近にコアカッタ３７およびコアホルダ３８が組み込まれた複数のダウンホールパルスジェネレータ３１、電極の位置制御およびコアの運行のための流体アクチュエータシステム３２、適用可能ならば回転または往復モータ３３、ドリルストリング４４への接続ターミナル５５を含む掘削プロセス制御システム５７を含んでおり、さらにアクチュエータ３２を貫通または通過し一つのまたは複数のパルスジェネレータ３１を貫通または通過しドリルビットボス３を貫通しノズル７および開渠通路２６を通って穴底部の領域５０上へと出て選択された切削出口方向１３内でのビット面上で後退して穴を遡上し穴底部のアッセンブリ４２およびドリルストリング４４を囲う環状体３５内の表面へと沿う放電液流３４のための通路を含む。
【００５３】
図４ｄは、閉ループダウンホール循環を有する、非回転、回転または往復環状ボアホール掘削に関するもので、ビットボス３、電極４、５、およびノズル７を有するドリルビット１を含み、コアカッタ３７をその底部付近に、およびコアホルダ３８が組み込まれたコアバレル３６さらにまた一つまたは複数のダウンホールパルスジェネレータ３１、電極の位置制御およびコアの運行のための流体アクチュエータシステム３２、回転または往復モータ３３、放電液循環ポンプ３９、放電液清浄システム４１およびポンプへの帰循環のための貯蔵タンク５８を含む切削物バスケット４０、ドリルストリング５２への接続ターミナル５５を含む本発明のボトムホールアッセンブリ４２を示し、さらにモータ３３を貫通または通過し一つまたは複数のジェネレータ３１を貫通または通過しドリルビットボス３を貫通しノズル７および開渠通路２６を通って穴底部の領域５０の外上で選択された切削出口方向１３内でのビット面上で後退して穴を遡上し穴底部のアッセンブリ４２を囲う環状体３５および切削物バスケット４０ならびに貯蔵タンク５８を通って放電液清浄システム４１の入口へと続く放電液流３４のための通路を含む。
【００５４】
図５ａは、フルプロファイルボアホールまたは環状ボアホールの非回転掘削に関するもので、図５ａまたは図５ｃによるボトムホールアッセンブリ４２、接続されたパイプからなるドリルストリング４４、コイルチューブまたは２本の電気ケーブル４５および２本の信号ケーブル４６を内蔵する適切なホースとして知られる巻回された鋼鉄製のチューブを含む掘削機４３全体を示しており、さらに地表に電源４７のための必要な手段、昇降４８、適用される場合にはドリルストリングリール４９、放電液清浄６１およびポンプ６２ならびにこれのみには限定されないが例えば圧力制御システム５６のようなすべての関連する補助システムを含む。
【００５５】
図５ｂは、フルプロファイルボアホールまたは環状ボアホールの回転または往復掘削に関するもので、図５ｂまたは図５ｃによるボトムホールアッセンブリ４２、接続されたパイプからなるドリルストリング４４、コイルチューブまたは２本の電気ケーブル４５および２本の信号ケーブル４６を内蔵する適切なホースとして知られる巻回された鋼鉄製のチューブを含む掘削機４３全体を示しており、さらに地表に電源４７のための必要な手段、昇降４８、適用される場合にはドリルストリングリール４９、放電液清浄６１およびポンプ６２ならびにこれのみには限定されないが例えば圧力制御システム５６のようなすべての関連する補助システムを含む。
【００５６】
図５ｃは、閉ループダウンホール循環を有する、環状ボアホールの非回転、回転または往復掘削に関するもので、図５ｄによるボトムホールアッセンブリ４２、２本の信号ケーブル４６が内蔵された２本の電気ケーブル４５を付設してなる鋼鉄製のワイヤロープからなるドリルストリング６５を含む掘削機４３全体を示しており、さらに地表に電源４７のための必要な手段、昇降４８、およびこれのみには限定されないが例えば圧力制御システム５６のようなすべての関連する補助システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１ａ】本発明による第１の実施形態Ａの装置用のドリルビットの端面図である。
【図１ｂ】図１ａのドリルビットの軸方向断面図である。
【図２ａ】本発明による第２の実施形態Ｂの装置用のドリルビットの端面図である。
【図２ｂ】図２ａのドリルビットの軸方向断面図である。
【図２ｃ】本発明による第３の実施形態Ｃの装置用のドリルビットの端面図である。
【図２ｄ】図２ｃの別の実施形態のドリルビットの端面図である。
【図２ｅ】図２ｃのドリルビットの長手方向断面図である。
【図２ｆ】非回転動作のための第３の実施形態Ｃのドリルビットの端面図である。
【図３ａ】第１の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図３ｂ】第２の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図３ｃ】さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図３ｄ】さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図３ｅ】さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図３ｆ】さらに他の実施形態のドリルビットの軸方向断面図である。
【図４ａ】第１の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
【図４ｂ】第２の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
【図４ｃ】第３の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
【図４ｄ】第４の実施形態のボトムホールアッセンブリの軸方向断面図である。
【図５ａ】非回転ボトムホールアッセンブリを有する掘削装置の拡大側面図である。
【図５ｂ】図５ａに対応する回転ボトムホールアッセンブリを有する掘削装置の拡大側面図である。
【図５ｃ】図４ｄに対応するボトムホールアッセンブリを有する移動可能な掘削装置の拡大側面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１    ビット  ２    ボアホール  ３    ドリルビットボス
４、５    電極  ６    通路    ７    ノズル
８    流体シリンダ    ９    流体圧力チャンバ
１０    流体液供給ライン  １１    流体液ポンプ
１２    電気ケーブル
【図１ａ】
2007527962.tif 000003
【図１ｂ】
2007527962.tif 000004
【図２ａ】
2007527962.tif 000005
【図２ｂ】
2007527962.tif 000006
【図２ｃ】
2007527962.tif 000007
【図２ｄ】
2007527962.tif 000008
【図２ｅ】
2007527962.tif 000009
【図２ｆ】
2007527962.tif 000010
【図３ａ】
2007527962.tif 000011
【図３ｂ】
2007527962.tif 000012
【図３ｃ】
2007527962.tif 000013
【図３ｄ】
2007527962.tif 000014
【図３ｅ】
2007527962.tif 000015
【図３ｆ】
2007527962.tif 000016
【図４ａ】
2007527962.tif 000017
【図４ｂ】
2007527962.tif 000018
【図４ｃ】
2007527962.tif 000019
【図４ｄ】
2007527962.tif 000020
【図５ａ】
2007527962.tif 000021
【図５ｂ】
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【図５ｃ】
2007527962.tif 000023
【国際調査報告】
2007527962.tif 000024
2007527962.tif 000025
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