(57)【要約】      （修正有）【課題】石油ガス井戸の掘削設備を自動制御で運転することにより、工期の短縮と省人と省エネ化を図る。【解決手段】回転ビット４１の駆動及び掘削管２５の昇降動力を回転駆動と昇降できるレール３１上に一体構造にして、管の最上部に固定、管内部に掘削に必要な高圧水を接続、地上には管のねじ接続時に回転固定するためのクランプ３５を設けて、ビットの回転制御及び昇降運転に必要な運転情報と必要な運転出力制御を同時に行うことができる少なくとも昇降動力にスピンドルモータ３０、またはサーボモータを使用、さらに管との接続を地上で行うことを可能とするための水平方向への傾斜ができる蝶番機能を持たせるようにした。【選択図】図４
2015030965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油ガス、地熱発電、温泉などに必要な深井戸掘削設備において、回転ビットの駆動及び掘削管の昇降動力を回転駆動と昇降できるレール上に一体構造にして、管の最上部に固定、管内部に掘削に必要な高圧水を接続、地上には管のねじ接続時に回転固定するためのクランプを設けて、ビットの回転制御及び昇降運転に必要な運転情報と必要な運転出力制御を同時に行うことができる少なくとも昇降動力にスピンドルモータ、またはサーボモータを使用、さらに管との接続を地上で行うことを可能とするための水平方向への傾斜ができる蝶番機能を持つことを特徴とする最適自動制御によるトップドライブの連続掘削設備。
【請求項２】
上記設備の地下掘削時に必要なケーシング管の敷設、掘削完了後の内部チュービング管の敷設など同一設備で必要作業を行うために、配管敷設工事に必要な継手ねじ込、解体の必要作業をスピンドルの下部に配管チャックを取付、必要に応じて配管の固定に雄型はソケットねじ込による固定、雌型はソケット外部を分割カバーでスプリングバックによるロックすることで管上部を強固にチャッキ、井戸上部（地上）に管を外部から分割カバーでスプリングバックによるロック機能を用いて固定、スピンドルの駆動制御でねじのくいこみ角度と回転と降下位置と必要トルクなど必要最適な締め込み条件を自動制御することを特徴とする掘削と配管施工が可能な設備。
【請求項３】
上記掘削と配管施工設備にあって、昇降設備には必要強度を有するチェンを上部から昇降チェンホイールを介して必要駆動のチェンピッチ数を確保し、一方の地上チェン端部に必要なテンションを付加してチェンを固定、昇降設備に固定するチェンに直接メカ摩擦ブレーキを持ったゼロ回転角度まで制御可能なスピンドルモータまたはサーボモータを用いて、昇降レールに車輪などメタルで上下方向以外に脱線がなく保持昇降可能な設備に、必要によってはモータによるチェンピッチの精密な長さ情報と、温度・荷重情報を加えて、施工管の正確な施工長さ（深さ）と荷重情報が得られることを特徴とする掘削及び配管敷設施工の設備。
【請求項４】
同上設備であって、掘削時においてビットにより粉砕された岩石を高圧水の循環により、井戸掘削材を搬出、汚泥として分離された土砂のみを連続的に取り除き、さらに、最適な掘削条件を維持するためのビットへの駆動モータ制御による回転数と昇降駆動モータによる荷重制御（配管重量を加味した上下負荷制御）を行うことを可能とする掘削設備。
【請求項５】
同設備を用いた弱いねじトルクを必要とするＦＲＰ管や２重管の同時施工などを行うために、追加地上設置をして摩擦式パワートング設備の併設が効果的である。この併設用のあるいはＦＲＰ配管施工用のパワートングにあって、左右対称な摩擦駆動シャフト上下各２本を観音開きに施工管に水平に配置、摩擦シャフトの中心から動力を伝達して、ウレタンなど摩擦があり強度のあるゴム材からなる摩擦シャフトを油圧などの動力ではさみ、必要なデリケートな管のねじ込トルクを油圧の摩擦力制御と回転駆動モータ制御によって実施、さらに下部には管をロックできる同様の固定のための挟み込みクランプを併設することを特徴としたパワートング設備。
【請求項６】
掘削及び配管施工を自動で行うには、地上でのスピンドル端部と配管端部の固定が必要不可欠である。請求項１の設備にあって、スピンドルの傾斜と井戸センターからのねじ長さ分持ち上げ移動機能が必要であり、平行四辺形を２辺の平行を保ち、辺の距離を長くすることで、スピンドルの引き上げと移動が同時可能となりと一辺に蝶番機構を取り付けることにより９０°傾斜可能とし、動力には少なくとも２本以上のシリンダーを用いて、必要な位置・角度を得ることができる特徴を持つ掘削設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
石油ガス油井、地熱発電などに使用される井戸掘削用の設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の掘削設備は図１に示す掘削設備の多くを地上に置き、鉄塔上部から滑車による地上巻き上げ機によるワイヤーロープを用いた管の井戸からの出し入れと、管先端に付けた掘削のための回転ビットを地上のドライブユニットで駆動する方法を採用していた。大型の深井戸掘削など向けには、タワー上部に設置した管のトップで管を回転させるトップドライブの開発も進められている。これらは、基本的には回転ドライブのみを管の先端に取り付けて、長時間連続ドライブを可能にしたに過ぎず、全自動化を可能にするまでには至っていない。
【０００３】
本発明は、図１に示すように掘削には約２万回もの管継手の解放組立と出し入れが必要な数百回のビット交換作業をするのが主体の掘削工事において、その作業をロボット化して、さらに高速掘削を行うことを目的にする。ロボット化に必要な機械化には、岩盤を掘削するビットに必要な圧縮荷重と破砕に必要な回転トルク、破砕した岩石の搬送のためとビット冷却のための水の注水、さらに掘削した穴の崩壊を防止するケーシング管の設営、最終的にケーシング管内部に石油ガス採掘用のチュービング管を敷設する機能が必要。さらに、必要によってはビットに加わる岩盤に押圧破砕に必要な荷重が、従来は管の重量と管外面に取り付ける別の負荷管で十分な荷重を引き上げ力を作動させながらかけて掘削などをしていたが、非能率であり昇降機により押圧荷重制御を可能にする必要がある。
【０００４】
さらに、掘削工事期間の短縮とコストダウンには、掘削ビットに最適な荷重と回転力を地上でパワーコントロールして、必要作業量を高速で自動化することが必要である。これには、掘削位置深さ・温度・圧力荷重・負荷トルクなど必要な情報を得るとともに、精密で迅速な制御を可能とする制御システムも必要である。これらを可能にするには、複雑で大量にある作業を個別に行うことなしに、同時複合的な作動を可能にして同一の設備で２つの大きな機能である掘削と配管施工ができる自動制御されたシステムを構築することが望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、掘削に必要な機能２つを共通な機能設備で、同時に複合作業可能な設備とするため、まず、掘削機能のビット回転と掘削管（ドリルパイプ）の昇降機能と、ケーシング管ネジ継手の締め込みによる接続、昇降機による押し込み機能を同じ設備で同時作動を可能にするために、昇降機能とパワードライブ機能（回転機能）を共通で管の上部先端から作用させる、トップドライブ方式を採用する。そして、掘削時に用いる掘削管の接続解体ネジ締め回転機能と、岩盤掘削回転機能を併用できるドライブシステムを構築、必要なビット回転掘削の圧縮荷重を昇降機により、可能な押し込み荷重も与えられる昇降機能を持つ。これらの機能を有効にするために地上で配管継手ネジ接続時に必要なクランプ機能、さらにねじの締め込み制御に必要なトルク制御を可能にして、掘削回転制御も同一のパワードライブ機能で可能にすることで、ねじしめ機（パワートング）機能も併用する。
すなわち、ビット掘削に必要な機能と配管施工に必要なパワートング機能を併用するドライブ駆動を可能にして、掘削時の昇降機能と配管敷設に必要な昇降機能を可能にすることができる図２〜図６に示す掘削配管施工設備を発明した。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回転機能の掘削と配管施工機能（ねじの開閉）を併用するには、両者の必要回転パワー制御と回転数や角度に至る制御の必要性はあまりにも異なる。掘削回転数は通常約３０RPMで約数トンの回転トルクを数百本の各ネジ接続の掘削管を接続した汚泥水が入るケーシング内に吊り下げ、自重が最大１００トンの垂直管両端からの負荷と動力の遅延する伝達を的確に目的ビットに伝達するための制御を必要とする。一方、管の接続作業における機能は、管ねじに初期に衝撃荷重を与えないための１ｍｍ単位の位置制御と角度制御と最小２０kg・mのＦＲＰ管に必要な締めつけトルク制御、さらには２０ｋｇ/本の自重が接触するねじ込初期の制御が必要である。これらの駆動する物体の質量差は大きく異なり精密度が全く異なる制御が要求される。さらに、回転駆動するモータは、正確な回転と停止維持機能の他に電気出力特性から負荷荷重などの情報出力なども必要である。
【０００７】
一方、ビットに必要な荷重を付け加えるための負荷管などの設置は非能率であるため、必要圧縮追加荷重を昇降機能で与える。昇降機は高速運転から低速運転に加えて引き揚げと押し込み機能が必要となり、同時に昇降位置制御と配管施工深さなど正確な距離の積算、位置制御には停止維持機能を含む停電時の停止保持機能も必要となる。また、通常の掘削時の注水管接続機能と、掘削、ケーシング、チュービングなど施工管すべてで必要とされるチャッキング作業、さらに鋼管とは異なり表面強度がほとんどないために鋼管のパワートングなどでは破損するために適用できない耐食性に優れたＦＲＰ管のパワートングが必要となる。そして、自動化が困難な作業管の接続を，高所作業を伴う縦置き接続をせずに、地上横置きで引き揚げ、高速接続作業ができる掘削機のスピンドル・チャック機能が要求される。これらすべての必要機能を持つ設備を掘削井戸の作業現場に設置稼働が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの機能を有効にするために地上で配管継手ネジ接続時に必要なクランプ機能、さらにねじの締め込み制御に必要なトルク制御を可能にして、掘削回転制御も同一のパワードライブ機能で可能にすることで、ねじしめ機（パワートング）機能も併用する。
すなわち、ビット掘削に必要な機能と配管施工に必要なパワートング機能を併用するドライブ駆動を可能にした。そして、掘削時の昇降機能と配管敷設に必要な昇降機能を可能にすることができる図２〜図６に示す掘削配管施工設備を発明した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を実施することにより、従来約３か月を要した掘削作業を１か月の１/３工期短縮と作業員２名による自動制御オペレーションが可能となり、施工設備は従来の設備重量の約２０％で占有面積が約１/３で稼働でき、動力エネルギーが約３０％省エネとなる。さらに、従来の運転技術では動力源から遅延するビット運転の制御が困難であったためにビットの損傷と最適運転が困難であったが、本発明による制御で優しい運転制御ができるため、高価なビットの損傷が少なくなり、自動化などが加わりその成果は掘削コストの低下につながる。さらにこの万能掘削設備機能は耐食ＦＲＰ管にも適用できるとともに井戸のメンテナンス施工工事にも適用できる。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１０】
掘削機の機能構成は、基本的には図１に示す掘削管（ドリルパイプ）の先端に付く回転による岩盤に押圧して岩盤を破砕する掘削用ビットを地中に押し込み、垂直方向に掘削するための設備である。掘削機には、掘削に必要なドリル管を内装するケーシング管の挿入機能、掘削完成後のケーシング管に内挿の石油ガスなどを採取するためのチュービング管の挿入搬出機能と管の接続ねじの締め込み解放機能を併せ持つ。そのため、管の保持（チャック機能）と回転（スピンドル機能）を構成する回転ドライブ部と管の出し入れ用の昇降機能部（巻き上げドラムによる駆動）と、必要な管のねじ締め付け開放及び掘削くずの排出を行う注水機能を併せ持ち、掘削井戸中心に垂直に作業するためのタワーフレームから構成される。
【００１１】
図２は本発明を構成する掘削機の主体を成す、トップドライブの基本構造（配管施工用チャック取付時）を示す。掘削機能の原点は掘削管・ケーシング管・チュービング管など共通して掘削作業はこれらの施工管を介して行い、共通して管の上部端からの回転と昇降機能によって実施される共通点があることから、従来の地上設置機能をすべて施工管の上部端に設けることにした。図２はその主要部の施工管の回転機能を構成する、４  トップドライブ昇降フレーム接続ピンを介して、昇降機能を持つ２  トップドライブフレームに取り付けられた１  掘削用スピンドルサーボモータの動力を５  ドライブギヤーの大小２対などによって減速、６  スピンドルに回転動力が伝達、垂直方向から自在に傾斜することができるように１２  スピンドルピンを介して、施工管の１８  ケーシング管などを１０  チャック摩擦材（保持するレンチ機能）を介して、保持開放を１１  管ロックハンドルで行い、７  チャックフレームを介して６  スピンドルに接続、３  ドライブシャフトと目的によって交換可能な１９  スピンドル接続ねじや１３  スピンドルロックにより接続できる構造にして、１４  スピンドルメタル（ベアリングメタル）で回転機能を維持し、１５  スピンドルシールと１６  スピンドル接続管を接続して３  ドライブシャフト内に施工管にドライブ中に注水接続を可能にする構造を持つ。
【００１２】
特に、１  のドライブモータには停電時に摩擦ブレーキ機能を持ち、減速機で目的の回転速度を得る機能と、最も重要な停止から変動する回転トルクで低速、停止維持トルクが大きく取れ、さらに管のねじの開閉時に必要な微細なトルク制御を可能にする機能を併せ持ち、さらに回転角度至る角度制御を持つ動力源が要求される。この機能を有するモータには小型で巨大出力から微小出力までコントロールできる数十から１００kwの出力を持つ交流スピンドルサーボモータまたはサーボモータなどが使用される。これらの駆動モータは、ロボット機能には必要不可欠の自らの出力情報をフィードバック制御する機能があり、自在な動作機能を生み出すことができることから目的の掘削ドライブ機能と配管施工のねじ開閉ドライブ機能（パワートング駆動機能）を併せ持つことができる。
【実施例２】
【００１３】
図３はトップドライブのボトム構造（配管施工時の２種のチャック含む）を示す。トップドライブ設備は昇降機能を有することから、配管施工時に例えば押し込んだ管（１８  ケーシング管）と接続する管のねじ開閉には押し込んだ管の地表の上端部を固定するソケット部と管部の２３  2段クランプ機能が必要である。
２３  ２段クランプは、２０  外ケーシング管のフランジに取り付けられ、１８  ケーシング管やチュービング管などと掘削管に対応するため、2段の手動またはエア駆動する１１  ロックハンドルで開閉機能を持つ。さらに、多目的の異種間をクランプする必要から、2分割の挟み込み構造を採用して、２４  クランプ開閉軸で２０  外ケーシング管と固定される。そして、内部摩擦部は各種径に対応する外径基準部材を共通フレームに装着できる構造にしている。同時に２３  ガイドが設けられて上部からの管の導入を自動サポートする。
【００１４】
図３上部に示す2種のチャックは、共通にケーシング管やチュービング管の配管サポートの共通使用可能な６  スピンドルに取りつく。７  チャックフレームは１２  チャックピンを介して上部は共通で、２０  継手ネジ長さ自由スプリングの機能でもって管の自重の異なり特性に自由度を与えるための（柔軟にする）昇降機能をサポートする。チャックは管外部固定タイプと管内部ねじを利用した固定タイプの2種がある。何れも２２  ソケット部を保持する。内部固定以外は、１１  ロックハンドルにより開閉機能を持つ。そして、いずれも７  チャックフレームは垂直方向とは自在に管を保持開放できる１２  スピンドルピンの機能により、地上で管端部を保持開放作業ができる機能がある。
【実施例３】
【００１５】
図４は本発明の主たる掘削機能の全体構成を示す。地表から図に記載されていないがタワーまたはクレーンポールを垂直に設営して、３１  昇降レールをサポート、３２  エレバータ車輪を介して２６  昇降エレバータが、２７昇降ドライブチェンの２９  昇降チェン固定具から下部の４  ロック完了点に至間にテンションを保ち、２８  昇降チェンホイルから３０  スピンドルサーボ昇降モータにより、トップドライブ装置を昇降停止コントロールされる。２７  昇降チェンの使用目的は上下方向の駆動と固定のピッチを持つことからモータ駆動による精密真位置情報が得られるためである。なお、３０  昇降駆動モータは、停電時に摩擦ブレーキ機能を持ち、減速機で目的の回転速度を得る機能と、最も重要な停止から変動する回転トルクで低速、停止維持トルクが大きく取れ、さらに管のねじの開閉時に必要な微細な昇降を行う制御を可能にする機能を併せ持ち、回転角度至る角度制御を持つことが要求される。この機能を有するモータには小型で巨大出力から微小出力までコントロールできる数十から１００kwの出力を持つ交流スピンドルサーボモータモータまたはサーボモータなどが使用される。これらの駆動モータは、ロボット機能には必要不可欠の自らの出力情報をフィードバック制御する機能があり、自在な動作機能を生み出すことができることから目的の掘削ドライブ機能と配管施工のねじ開閉ドライブ機能（パワートング駆動機能）を併せ持つことができる。
【００１６】
掘削時の運転状態は、２５  掘削ドリル管内部に３９  掘削汚泥水による循環と４０沈殿汚泥の除去を３６  掘削循環水ポンプにより水循環により可能にして掘削汚泥を取り出す構造を採用する。２５  掘削ドリル管の接続は、上部スピンドルへのチャックをねじ込ソケット形式で行い水循環を可能にして、地上から接続管を引き上げるために  ３６  掘削管の取付傾斜を自在にして地表で配管のネジ取付を行う。  地下深くに位置する４１  掘削ビット付管の接続最上部先端は、管の落下防止機能のある３４  掘削管のか擦材をネジ接続荷には、１１  ロックハンドルで３５  掘削管のボトムクランプ固定することで、つり上げられた接続管のネジ込接続を１  スピンドルサーボモータにより行う。
そして、接続完了後に３１  昇降エレベータによる上昇と１１  ロック解放、３４  摩擦材の解放に水循環の開始で、４１  掘削ビットへの圧縮荷重と回転作動で掘削が続けられる。連続する掘削は接続管の地上接続昇降可能長さ分である。なお、掘削開始と停止の回転制御は振動発生を防止するために徐々に速度を上げる。一方、緊急停止などの場合は、接続ネジの緩みを防止するために、反転回転制御なども行う。
【実施例４】
【００１７】
図５は、ボトム設置の強化プラスチック管用パワートング設備の構造である。使用時には５９  パワートング架台の約１ｍ井戸から離れた軸中心から、旋回してその目的機能を発揮する構造にして、最下部には必要によっては５６  パイプフックエレベータによる管の吊り上げ。吊り下げを可能にして、５１  パワートング固定足を５５  フレーム水準器で計測して水平保持を５６  水平調整シリンダーで行い、６１  ＦＲＰ管ボトムクランプで固定した４５  強化プラスチック管に、全軸を４９  チェンと４６  駆動ギヤーにより駆動する２対の管を５４  摩擦作動シリンダーで４７  摩擦ロール挟み、４４  摩擦ロールにより５０  管継手ネジ締め解放をサーボモータの駆動により行う。  各シリンダーへの動力供給は５８  油圧ユニットでおこない、独立運転を可能にするために制御を５８  コントロールユニットと５３  コントロールパネルで行う。必要によっては、パワートングを９０°傾けて掘削装置とは分離した状態にして、配管材の２本一体化接続やメンテナンス施工に使用する。
【実施例５】
【００１８】
図６は、接続管の地上ハンドリング機能を有効とするトップドライブのスピンドル傾斜・センター位置移動機構である。地上での接続管の３  スピンドルへの接続作業にはトップドライブのスピンドル傾斜駆動構造図に示す、３  スピンドルを最大９０°傾斜して、接続ネジの締め込みを１  スピンドルサーボモータにより行い、傾斜駆動は６２  取付傾斜駆動シリンダーにより行う。一方、接続管の解体作業時はトップドライブのスピンドルセンター位置移動駆動構造図に示す平行四辺形フレームの斜め移動特徴を用いた２６  昇降エレバータ構造により６３  軸心移動シリンダーに作動による必要移動機能を得る。
この機能により、地中から引き出された接続管は、最初に地上で継手先端部をスピンドルのチャックに固定されて昇降設備で引き揚げられ、地上のクランプ閉めて地上部の接続ネジを解放、回転を停止して昇降設備で地上に接続管を下して、チャックを解放することで、再び最初に戻った継手先端部をスピンドルのチャック固定、繰り返しのロボット作業的に作業で行われる、同様に接続管（掘削管、ケーシング管、チュービング管）の解体と接続作業が行われる。
ここで、スピンドルに接続されるチャックは、目的により異なる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の掘削設備概容。
【図２】トップドライブの基本構造（配管施工用チャック取付時）。
【図３】トップドライブのボトム構造（配管施工時、２種のチャック）。
【図４】トップドライブ掘削ドリル管使用時の全体構造図。
【図５】ボトム設置の強化プラスチック管用パワートング機構。
【図６】管のハンドリング機能を有効とするトップドライブのスピンドル傾斜・センター位置移動機構。
【００２０】
図中の詳細な部材名称は、図中に表示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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