(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆極性の地下穴の電極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掘削穴を掘削する方法であって、
その中を好適な放電液が循環し、
すべての前記電極がすべての関係する地下穴の形状に物理的に接触することを確実にするため、前記電極が相互におよびドリルビット突起部に対して移動可能であり、
放電エネルギーおよび機械的エネルギーが組み合わされて、出力を増加するための亀裂を生起する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記亀裂から切り離される時に初期切削物を浮かせて除去するため、ノズルを介して４ＭＰａ以上の圧力増大を有する前記循環する放電液のジェット噴射が向けられる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ドリルビットから最小の固定距離にある、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、少なくとも１台の高電圧パルス発生機が地下穴に配備される、ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記掘削穴断面の掘削範囲は、前記ドリルビット突起部の回転または往復運動の組み合わせ、および、１個又は２−３個の半径と接線に沿ってビット表面に置かれた電極によりカバーされること、を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
すべての前記電極がすべての前記地下穴の形状に物理的に接触することを確保するため、前記電極が相互におよびドリルビット突起部に対して掘削方向に平行に移動すること、を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
一つの前記電極がドリルビット突起部に対して固定され、他のすべての前記電極は互いにそしてドリルビットに対して移動する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
移動可能な前記電極は、ドリルビット突起部に対して前方に押し出され、それらが穴の底面の底面形状に打ち当たることで、それらの個別の位置を見出すことが可能となる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
移動可能な前記電極は、交代する電極の一組または交代する一群の電極の組が穴の底面に接触し、他は穴の底面との接触から外れたそれらの格納位置にあるように常時作動される、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
高電圧放電パルスが、ドリルビットの後方に配置された少なくとも１台の地下穴パルス発生機によって生起される、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
すべての電極ギャップが、同等の条件でパルス発生機または複数のパルス発生機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９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記電極ギャップが、同等の条件でパルス発生機に電気的に直列接続され、時間的にずらされて個々に専用のパルスを受ける、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記電極ギャップが、既定のパルス分配プログラムに従って、全くまたは部分的に他の電極ギャップとは関係なく、それぞれパルスを受ける専用のパルス発生機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９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、掘削軸から半径方向外側に向かう、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ビット下から切削物を除去するための前記優先的方向は、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実質的直線的ラインに沿い、他の電極がビット下からのいかなる切削物の排出の妨害とならない方向に向けられ、ビット下から切削物を除去するための優先的方向は、回転移動方向とは反対側で半径方向からある角度を有する方向である、ことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
各ジェットのベクトル方向は、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見た場合、初期切削物が切り離される時に形成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１３記載の方法。
【請求項１６】
前記ドリルビットまたは前記ドリルビットの一部分が、穴の底面に対して強制された物理的な運動を与えられ、
ｉ  等速の１方向回転運動と、
ｉｉ  １方向間欠回転運動と、
ｉｉｉ  任意に可変速の１方向連続回転運動と、
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と、
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と、
ｖｉ  掘削穴の軸方向へ、任意周波数、任意振幅または任意エネルギーレベル、任意間隔または穴の底面と任意の相互作用の２方向往復線形運動と、
からなる動作モードの内、少なくとも一つを有する、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記ビット突起部と前記穴の底面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１６記載の方法。
【請求項１８】
前記掘削穴が下記の一連の動作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掘削穴区間の掘削、
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、穴底面組立体およびドリルストリングを囲む環を遡上して地表へ、放電液タンク、それ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地下穴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地下穴掘削アッセンブリの穴の底面への降下。
【請求項１９】
前記掘削穴が下記の一連の動作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掘削穴区間の掘削、
ｉｉ  地下穴装置に配置されたポンプから、環状のドリルビット内のノズルを通って、地下穴装置を囲む環を遡上して地下穴装置の頂上に配置された切削物バスケットのエントリ区間へ、バスケットへおよびそれ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掘削液の循環、
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地下穴掘削装置の地表への引き上げ、
ｖｉ  コアのコアバレルからの除去、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地下穴掘削装置の穴の底面への降下。
【請求項２０】
逆極性の電極間での高電圧パルスによって生起される放電を与えるための手段と、掘削領域に好適な放電液を循環させるための手段によって地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、
すべての電極がすべての関係する地下穴形状に物理的に接触するように、互いおよびドリルビット突起部に対して、移動可能な電極を有し、底面に亀裂を生成するため機械的衝撃を与え、初期切削物が切り離されるとすぐに切削物を浮かして除去するよう、穴の底面に対するジェット衝撃ポイントと実際の放電ギャップに対して固有のジェットベクトル方向を有する、循環液をノズル噴射するための油圧ノズル７からさらになる、ことを特徴とする、掘削装置。
【請求項２１】
開渠通路または溝が前記ドリルビットの突起部の表面に切削され、前記切削物のビット下からの除去の優先方向に沿った切削物通過を可能にする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ 地下穴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少なくとも１台の高電圧パルス発生機、
ｉｉ  ドリルビット突起部の回転または往復運動の組み合わせにより、およびビット表面に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掘削穴断面の掘削範囲を生じさせる回転または往復ビット、
ｉｉｉ  コア貯蔵、コア輸送、原動力エネルギー供給による地下穴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穴底面組立体。
【請求項２２】
逆極性の少なくとも２つの電極４、５間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掘削穴を掘削するためのドリルビット１を有する請求項２０記載の掘削装置であって、
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からビット表面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突起部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突起部３の表面の開渠通路２６と、電極４、５を突起部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、さらに以下を特徴とする掘削装置。
ｉ  電極４、５は、すべてが相互におよびドリル突起部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地下穴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、すべての電極がすべての関係する地下穴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２３】
電極動作のモードが、下記の選択肢の一つまたは組み合わせによる、ことを特徴とする請求項２２記載の掘削装置。
ｉ  力または力の合成に起因する掘削方向に平行で、軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有する、すべての移動可能な電極４、５の前進だけの運動、
ｉｉ  電極４，５各々を負荷された衝撃に応じて動かす、掘削方向に平行で軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有する、移動可能な電極４、５各々の制御された前進および後進の運動、
ｉｉｉ  すべての電極が前記すべての地下穴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２４】
電極運動のモードが掘削方向に平行で軸に沿う、または少なくともその運動の成分を有し、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２２から２３のいずれかに記載の掘削装置。
ｉ  すべての移動可能な電極４、５は、前方に移動して、掘削穴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よう設けられ、
ｉｉ  個別に前進または後退可能な移動可能電極で、電極は通常、但し限定はされないが、完全に格納された位置にあるか、前進して掘削穴の底面と接触する位置にある。
【請求項２５】
電極動作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２０から２４のいずれかに記載の掘削装置。
ｉ  掘削穴内の各移動可能な電極の前進方向への１方向動作、
ｉｉ  掘削穴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２６】
電極動作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２０から２５のいずれかに記載の掘削装置。
ｉ  各移動可能な電極４、５の掘削穴内の１方向油圧前進駆動で、前記電極４、５は油圧シリンダ固定具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突起部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油圧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方向油圧駆動で、前記電極は油圧シリンダ固定具８におけるピストンとして構成され、シリンダ８はドリルビット突起部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油圧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２７】
電極動作のための手段が、各移動可能な電極４、５の掘削穴内での前進方向への１方向機械的駆動で、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、その全表面の油圧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がその底面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突起部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２０ら２６のいずれかに記載の掘削装置。
【請求項２８】
電極動作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２０から２７のいずれかに記載の掘削装置。
ｉ  各移動可能な電極４、５の掘削穴内での前進方向への１方向油圧駆動で、前記電極４、５は、ドリルビット突起部３にヒンジで取り付けられかつドリルビット突起部３に固定された油圧シリンダ固定具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、油圧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２方向油圧駆動で、前記電極４、５は、ドリルビット突起部３にヒンジで取り付けられかつドリルビット突起部３に固定された油圧シリンダ固定具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、油圧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２２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２９】
電極動作のための手段が、各移動可能な電極４、５の掘削穴内での前進方向への１方向機械的駆動で、前記電極４、５は、ドリルビット突起部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、その全表面の油圧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がその底面と前記ボディ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突起部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前進方向の成分を有するように軸の周りを回転することを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載の掘削装置。
【請求項３０】
電極動作のための手段が、各移動可能な電極４、５の掘削穴内での前進方向への１方向機械的駆動で、前記電極４、５はアーム１９と一体的に構成され、前記アーム自体は望ましくは板ばねのようなばねとして構成され、そしてドリルビット３に固定され、ばねが弾性力を開放する方向に穴の底面形状に接触して停止されるまで又は弾性力を全て開放するまで動くとき、電極４、５の運動は少なくとも掘削方向に対して平行な軸前進方向の成分を有する、ことを特徴とする請求項２０から２４のいずれかに記載の掘削装置。
【請求項３１】
前記ビット表面の掘削方向に対する法線面への投影が、１つの円、１つの多角形または他の種類の輪郭線として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３０記載の掘削装置。
【請求項３２】
前記ビット表面の掘削方向に対する法線面への前記投影が、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、２つの円、２つの多角形または他の閉曲線の組み合わせで環状断面を描く、ことを特徴とする請求項３０記載の掘削装置。
【請求項３３】
前記開渠通路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ドリルビットの下の領域２を離れるように、初期切削物がドリルビット１に起因する開渠通路を通過出来る大きさの断面領域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、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、但し限定されない、ことを特徴とする請求項２０から２５のいずれかに記載の掘削装置。
ｉ  ビット１の中心からその外周の方向へと向かう、切削物の半径方向の直線運動
ｉｉ  半径方向外側方向から可能な限り最小の角度を有し、さらに切削物が、ビットの表面に存在する任意の潜在的障害、電極４、５、ノズル７、但し限定されない、との衝突を回避するまたは衝突を最小限にする、一つの方向または複数方向の組み合わせからなる直線的ラインまたは可能な限り直線的なラインの、生来の電極からビットの外周に至る切削物の運動
ｉｉｉ  回転方向から、もしくはそれぞれの特定ビットに関連する隣接した稼動電極ギャップから離れる方向の掘削物の運動。
【請求項３４】
逆極性の少なくとも２つの電極間（４，５）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掘削穴を掘削するための前記ビット１は、突起部３を有し、前記突起部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が突起部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、ドリルビット突起部３の表面には交換可能なノズル７が実装されていて、その結果、位置およびベクトル方向１４、１５、１６を有するノズルから生起する液ジェット５２は、各初期切削物が岩盤組織５１から分離すると直ぐに、その生来の前記組織の一部としての場所から即座に浮かせて除去し、ドリルビット下の領域５０からできるだけ早く流出させるための最大の可能性が得られるような方向を向く、ことを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
【請求項３５】
前記初期切削物を前記組織から分離すると直ぐに浮かせて除去するための前記最大の可能性は、最初に切削物が切り離されることで切削物と岩盤組織との間に生じる亀裂への少なくとも１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２０記載の掘削装置。
【請求項３６】
衝撃の瞬間における前記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て、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３４または３５記載の掘削装置。
【請求項３７】
衝撃の瞬間における前記液ジェットの前記ベクトル方向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ビット下からの切削物の輸送の優先方向に平行であり、前記平行方向の成分は好適には、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３４記載の掘削装置。
【請求項３８】
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３４記載の掘削装置。
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突起部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突起部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、それらから生起する油圧ジェットが、異なる時期に切り離される、異なる初期切削物を浮かせて除去する、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を広範囲に噴射する、但し限定されない、のように、異なる時期に異なる方向へ向けられるように構成される。
【請求項３９】
前記ノズル７を通しての油の流れは、それらの空洞からの油圧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油圧力を与えられて、各ノズルを介して最低３．５ＭＰａの圧力低下を生じせしめる、前記油圧力Ｐは、すべての前記ノズル７を組み合わせて数学的表記ＰＫＷ＝５３０．Ｄ２，３によって与えられるが、ここでＤ（ｍ）は掘削穴直径を表していることを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
【請求項４０】
少なくとも１台の高電圧パルス発生機３１が、ドリルビット１から軸方向に実質的に一定距離離れて取り付けられ、特に電気的、油圧的および機械的手段により前記ドリルビットに接続され、前記距離は、短く、掘削穴の深さに関わらず一定であることを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
【請求項４１】
地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、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、ドリルビット１、及び少なくとも１台の高電圧パルス発生機３１が組み込まれ、前記高電圧パルス発生機は、互いに実質的に固定された位置に配置され、
かつ、限定されないが下記の複数の下位構成を有することを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ  前記ドリルビット１の回転運動を作り出すための回転動力３３と、
前記回転運動は、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あり、そして油圧的または電気的モータまたは他の駆動により実現され、
ｉｉ  底面付近のコアカッタ３７とコア把持装置３８を組み込む固定長のコアバレル３６と、
前記コアバレルのユニットはドリルビットに対し実質的に固定位置に配置され、
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、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掘削穴底面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、前記ビット、前記切削物分離および一時貯蔵システムは互いに対して、掘削の進行中、固定又はほぼ固定位置に保たれ、
ｉｖ  放電液の循環ポンプ３９と、それにより放電液が掘削穴に対して略軸方向で地下穴に向かる流れ経路の地下穴の閉ループ内で循環し、地下穴循環ポンプ３９の圧力側から、穴底面組立体の構成部品を貫通または通過して、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を貫通または通過し、モータ３３を貫通または通過し、パルス発生機３１または複数のパルス発生機３１を貫通または通過し、ドリルビット１突起部を貫通または通過し、ノズル７を貫通して穴の底面上に出て、優先的切削物出口方向１３のドリルビット表面上の開渠通路に沿って、方向転換して戻り、前記新しい方向は底面から離れて、掘削穴に対して略軸方向で穴底面組立体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、または掘削穴および前記穴底面組立体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穴の底面に向かって掘削穴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略固定位置に配置され、
ｖ  掘削工程制御ユニット５７と、ここに前記掘削工程制御ユニットは、限定されないが掘削穴情報の試料採取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を有し、前記制御およびアクチュエータシステム３２は、限定されないが電極４、５の管理および位置決め、油圧衝撃方向へのノズル７の制御、および電極放電の調整による管理などの、掘削操業のためのコンピュータに基づく電気油圧又は他の手段によるシステムであり、
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位置に配置され、
ｖｉ  地表へのパイプ導管４４のための接続ターミナル５５と、
前記ターミナルは放電液の輸送を促進し、さらに電気動力および信号伝送器４５、４６を穴底面組立体に組み込むことを特徴とし、
ｖｉｉ  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と、前記ターミナルは、地表から穴底面組立体への電気動力および信号電送器４５、４６のための設備を組み込んでいる。
【請求項４２】
地面に掘削穴を掘削するための掘削装置であって、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、ドリルビット１、及び少なくとも１台の高電圧パルス発生機３１が組み込まれ、前記高電圧パルス発生機は、前記ドリルビットに対して前記ビットおよび１つ又は複数の発生機がそれらの間にコアバレルのみを隔てて互いに実質的に固定された位置に配置されることを特徴とし、
かつ、限定されないが下記の複数の下位構成を有することを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ  コアカッタ３７をその底面付近に組み込む固定長のコアバレル３６、およびコア把持装置３８と、
前記コアバレルのユニットは前記ドリルビットに対して、互いに隣接する実質的に固定した位置に配置され、
ｉｉ  前記ドリルビット１の回転運動を作り出すための回転動力３３と、
前記回転運動は、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あり、そして油圧的または電気的モータまたは他の駆動により実現され、
前記モータは、前記ドリルビットに対し、掘削の進行中、前記モータが前記１つ又は複数のパルス発生機に隣接する位置に固定または略固定されることを特徴とし、
ｉｉｉ  掘削工程制御ユニット５７と、ここに前記掘削工程制御ユニットは、限定されないが掘削穴情報の試料採取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を有し、前記制御およびアクチュエータシステム３２は、限定されないが電極４、５の管理および位置決め、油圧衝撃方向へのノズル７の制御、および電極放電の調整による管理などの、掘削操業のためのコンピュータに基づく電気油圧又は他の手段によるシステムであり、
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およびモータ３３に対して固定位置に配置され、
ｉｖ  放電液の循環ポンプ３９と、それにより放電液が掘削穴に対して略軸方向で地下穴に向かる流れ経路の地下穴の閉ループ内で循環し、地下穴循環ポンプ３９の圧力側から、穴底面組立体の構成部品を貫通または通過して、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を貫通または通過し、モータ３３を貫通または通過し、パルス発生機３１または複数のパルス発生機３１を貫通または通過し、コアバレル３６を貫通または通過し、ドリルビット１突起部を貫通または通過し、ノズル７を貫通して穴の底面上に出て、優先的切削物出口方向１３のドリルビット表面上の開渠通路に沿って、方向転換して戻り、前記新しい方向は底面から離れて、掘削穴に対して略軸方向で穴底面組立体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、または掘削穴および前記穴底面組立体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穴の底面に向かって掘削穴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、前記ポンプは掘削プロセス制御ユニット５７に隣接する、ドリルビットに対して略固定位置に配置され、
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、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掘削穴底面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ドリルビットから見て放電液循環ポンプ３９と隣接した実質的に固定した位置に保たれ、
ｖｉ  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と、
前記ターミナルは、地表から穴底面組立体への電気動力および信号電送器４５、４６のための設備を組み込んでおり、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に隣接する位置に保たれ、従ってドリルビット側から見て穴底面組立体の終端を構成する。
【請求項４３】
穴底面組立体４２を持つ掘削装置であって、
パルス発生機または複数の発生機３１は、放電液の流れを許容し、下記の選択肢の組み合わせを有する、ことを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ  内側導管と、前記内側導管は、液体が発生機ボディまたは連続した前記ボディを通って掘削穴へ入り、そして掘削穴と発生機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掘削穴から出ることを許容し、
ｉｉ  輪状、環状または任意の断面形状の外側導管と、前記外側導管は、液体が１つ又は複数の発生機ボディの周囲から掘削穴に流れ込み、そして掘削穴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発生機ボディの外周面とで形成される環を通って掘削穴から出ることを許容する。
【請求項４４】
地表から好適な放電液が循環し、逆極性の電極間の高電圧パルスにより発生する放電を利用して、地面に掘削穴を掘削するための掘削装置４３であって、
穴底面組立体４２及び、限定されないが、下記の項目の全てまたはいくつかを組み合わせた複数の下位構成を有する、ことを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ  穴底面組立体の上部延長５５を地表に接続するパイプ導管４４と、前記導管は、放電液の輸送を促進し、穴底面組立体への電気動力および信号伝送器４５、４６を組み、
ｉｉ  穴底面組立体の上部延長５５を地表に接続する鋼鉄製ワイヤロープ６５と、前記ワイヤロープは、地表および穴底面組立体の間での電気動力および信号伝送器４５、４６の伝送を促進し、
ｉｉｉ  放電液循環ポンプ６２または類似の複数のポンプ６２と、前記複数のポンプは、ドリルビット１の動作特性および掘削穴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、掘削穴上方の地表に配置され、
ｉｖ  掘削穴内において、穴底面組立体４２および掘削穴パイプ導管４４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定常的に行う、掘削穴上方の地表に配置される、昇降および処理能力４８、４９および電力４７と、
ｖ  掘削穴上方の地表に配置される、全ての穴底面組立体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と、ここに前記穴底面組立体４２の電力は、掘削穴中を、具体的数値のみには限定されないが、１０００ＶＡＣのような実用的な電圧レベルで伝送され、
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と、ここにおいて前記放電液は、下記の物質の一つまたは組み合わせが混合されており、
ｉ  掘削穴圧力制御のための、限定されないが重晶石のような、好適な鉱物の形での、放電液比重調整と、
ｉｉ  限定されないがポリマー成分のような、地表に切削物を効率よく浮かせるための粘性調節と、ここに前記掘削液の貯蔵および処理設備は掘削穴上方の地表に配置され、
ｖｉｉ  放電液流れ機構と、前記放電液流れ機構は、地表からドリルビット１へ、そして地表へ戻る流路を持ち、前記流路は、チューブ４４の内部にあり、前記穴底面組立体４２の上方延長におけるターミナル接続５５を通って掘削穴を下降し、モータ３３を貫通または通過し、掘削プロセス制御およびアクチュエータシステム３２を貫通または通過し、パルス発生機３１または複数のパルス発生機３１を貫通または通過し、ドリルビット１突起部を貫通または通過し、ノズル７を貫通し、優先的切削物出口方向１３内のビット表面上の開渠通路に沿って方向を転換して戻り、新たな方向は掘削穴に対して略軸方向で穴の底面から離れ地表へと戻り、前記掘削穴と前記穴底面組立体４２とで囲まれた環内の穴底面組立体４２を通過し、前記掘削穴と地表へ切削物をそれと共に運ぶチューブ４４とで囲まれた環内の前記チューブ４４を通過し、
そして前記放電液流れ機構は、掘削穴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低下で完遂するに十分な量のエネルギー充足を受け、
ｖｉｉｉ  掘削穴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と、
ｉｘ  掘削穴上方の地表に圧力制御システムが配置されることを特徴とする、過剰な掘削穴圧力の処理のために必要と考えられうる掘削穴圧力制御および管理システム５６と、
ｘ  掘削穴上方の地表に配置される、掘削穴情報の試料収集、処理システムおよび掘削工程制御用設備。
【請求項４５】
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掘削穴を掘削するための掘削装置であって、
地表掘削サポート機構４７、４８、５３、５６を有し、
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の組み合わせを組み込んでいる、ことを特徴とする請求項２０記載の掘削装置。
ｉ  前記掘削穴内において、穴底面組立体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定常的に行う昇降および処理システム４８、５３と、ここにおいて前記昇降および処理システムは、前記掘削穴上方の地表に配置されており、
ｉｉ  すべての地下穴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と、ここに発電システムは前記掘削穴上方の地表に配置されており、
ｉｉｉ  掘削穴情報の試料収集および処理能力５６、ならびに前記掘削穴上方の地表に配置される掘削工程制御のための設備であって、地下穴にある類似の掘削制御システムと共働する設備と、
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と、
必要な場合には掘削穴圧力制御のための、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と、
必要な場合には、地表に切削物を効率よく浮かせるための粘性調節、それは、限定されないがポリマー成分、および、必要に応じて他の任意の組成要素からなり、
前記昇降および処理システムと、
掘削穴上方の地表に配置され、地下穴循環システムに対する補助的役割を担う貯蔵システムと、
ｖ  掘削穴上方の地表に配置される放電液処理システム６１、
ｖｉ  掘削穴上方の地表に配置される、掘削穴の過剰圧力の処理のために必要と考えられる掘削穴圧力制御および管理システム５６、
そしてさらに、放電液循環は、穴の底面における特定のループのみで行われるように配置され、前記循環ループは、前記底部から前記穴底面組立体４２の略頂上まで広がっており、掘削穴の残りの部分は、空になっているか、または、掘削穴の周囲により必要とされ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、または、地面にドリルで掘削するまたは穴を掘る電気パルスまたは放電方法とも呼ばれる方法に関し、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、地中の穴の掘削に関するもので、放電液の掘削穴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、掘削穴（ボーリングによる穴）の外部に設けられた１つの高電圧パルス発生機、掘削穴入口への高電圧配置、１つのドリルパイプおよび１つのドリルパイプガイド、ならびにドリルパイプの下端に搭載された１つのドリルビットから成る掘削機を記載している。ドリルパイプは電気絶縁体によって隔てられた２つの同心パイプを内蔵し、内側のパイプは高電圧パイプを構成し、外側のパイプは接地パイプを構成しており、掘削の進行を推進するために共にガイドの内部を軸方向に移動可能である。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、接地パイプは他の１組の電極に接続されており、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対して固定した配置に置かれ、１つは穴の中心に配置され、電極は一緒に軸方向に前進する。他の唯一の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通過してドリルパイプの上端へ行き、そして下りは、同心配置の２つのドリルパイプの環の間を通過し高電圧パイプ区間及び絶縁体を通過し、ビット下に広く自由に排出し、次に流れの中に掘削された切削物を運びながら接地パイプと掘削穴の壁面との間の環内を遡上し、そして最終的に掘削穴上端の偏流ニップルを通過しホースおよびパイプを通ってリザーバへと戻る。リザーバでは、液体が再循環される前に切削物が分離される。このように放電液が循環される。ビットの外では高電圧パイプ液体の内部液体流だけが方向性手段に従うが、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。環の流れは全く自由であり、またそのより大きな断面は全く前者を問題にしていない。
【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「従来技術」と呼ばれるが、多くの欠点を包含する。掘削穴の外部のパルス発生機の配置は、掘削穴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多くの場合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、またすべての深い穴での絶縁体破壊の観点から脆弱であるという可能性がある。内環が絶縁のため必要とされる同心２本１対パイプの思想は、切削物がそこを通過する外環の断面積を侵害し、それによりが必要圧力を増大させ、切削物の寸法を制約し、場合によって流れの停止に寄与する。
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、互いに対して固定して配置され、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つの電極も底面と接触する見込みが殆ど無い。与えられたパルスによりどちらか一方が、電極の固定的な配置に起因して、底面から小さなあるいは大きな液体の隙間により分離され、それにより、一部は液中でそして一部は底面の材質の中でパルスを消滅させ、その結果エネルギー効率を低下させ、掘削の進行を遅らせる。この目的に対する従来技術の唯一つ解決方法は、扇状回転が許容されることであるが、ビットと穴の底面との間の物理的接触を通して適合を推進することが仮定されており、吟味を経た判定では、これは最良でも効果が些少か、あるいは全く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思想は、別の欠点を含んでいる。それは断面がカバーする範囲の観点から、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」組になり、全体的な進行速度を引き上げる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、逆極性の電極のペアの穴の底面での接触が発生することが見落されている。しかしそのような距離で、所与のパルス電圧では火花は飛ばないか液体中を飛び、それにより、効率および掘削の進行速度を低下させる。
【０００６】
従来技術における電極の一貫した配置は、通常、掘削穴の中心に高電圧電極を配置することが特定の欠点を有している。そこではパルス放電が全く生じないことを意味する。穴の底面の地形の用語では、「頂上」は繰り返し掘削穴の中央に成長し、不安定になり、または任意の原因により故障するまで上記のメカニズムによって掘削進行を支える。ほとんどの従来技術のプラズマ掘削の実際の掘削速度が、そのような穴の中央部でのシナリオによって決まっていると信じられるには理由がある。
従来技術のプラズマ掘削による花崗岩のように乾いた硬い岩塊の切削物の解析は、掘削プロセスにおいて物理的な力がごく僅かまたは全く存在していないことを示している。これは、２つの良好に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では、切削物または切削物の集合体は、空洞内に切削物としてその場所に正確に適合して配置され、空洞底面とその周辺は、直前には一体で固い穴の底面であった、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思想における深刻な欠点は、それに組み込まれた切削物を原産の空洞から排出する対策が全くないか最小の対策しかないことである。ビット下からの放電液の軸方向の自由な流れが唯一の解決策である。それは、他の掘削法や地下で掘られたはるかに少ない切削物を取り除くためにそこで使用される油圧エネルギーと比べれば、全く不適切なように見受けられる。それゆえ、従来技術の放電掘削では、切削物は、破砕後相当の時間一定の場所に留まり、反復パルス放電を受けて小さな破片に粉砕され、最終的に穴の底面から排出されると考えるのは合理的である。穴の底面の掃除効率が悪いことが、掘削進行の遅速化の主要な要因であることは、掘削の実用例から広く知られている。これらの実例では、油圧、切削、および打撃に加えて機械的手段を掃除を促進するために共通して使用している。
【０００７】
切削物の環状の油圧輸送は循環する液体の流速および粘性を必要とし、それは長年の掘削の実際を通して確認されている。大きな切削物および花崗岩のような高密度の硬い岩塊ではその必要性は最大になる。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の使用は、従来の放電掘削技術をそれらの必要性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、また現在のものよりも油圧機構を高い圧力差に保たねばならない。同様に、従来技術は、切削物を繰り返し破砕した後に、その切削物をビットの周辺に移動させ、そこからスラグが形成されるまで暫定的循環流を環のすぐ先に形成し、その時には、切削物は上昇してスラグの形で表面に姿を現す。
これは不適切な穴の底面の掃除の別の面であり、掘削速度を遅速化することで深刻な欠点を成す。
英国の特許明細書（Ｔｙｌｋｏ１９６６）では、アークプラズマが熱源として用いられ、循環液は、残渣すなわち掘削の切削物の除去に加えて、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】米国特許  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く、従来よりも顕著に速くかつ効果的な掘削能力を有する、未公開の掘削組立体を、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請求項に記載されている。
本発明は、電気パルスの思想に基づいた掘削機を、あらゆる種類の岩盤または同様の材質の人工物の掘削のための、以下掘削と呼ぶ穴形成の形態により、垂直、斜め、水平もしくはそれらを組み合わせた方向で、またあらゆる直径または長さにおいて提供する。ここにおいて電気パルスの思想は、放電液の循環、及び、対象物の破砕のために必要なパルスエネルギーを有し、高周波数で高電圧のパルスが穴の底面に存在することを組み込んでいる。高周波数、高電圧、および十分なエネルギーの定義は、すべて前述の文献を参照するが、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詳細は、電極の形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る。電極は、穴の底面に常に接触し、掘削穴の方向制御を含み、穴の底面が体系的に掘削されるように、個数を決められ、配置され、操作される。ドリルビットは掘削穴の全断面または環状断面のみを掘削する。
本発明はさらに、高電圧パルスの伝送距離が大きく減少され、又、掘削穴を通過する、又地表におけるエネルギー移送の安全な電圧レベルが促進される、穴の底面でのパルス発生機またはそのような複数の発生機の思想を含んでいる。
本発明の新規性はまた、掘削プロセスにおける油圧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、ポンプは、本発明の一形態では穴の下に位置し、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、ノズルを介してドリルビットに組み込まれ、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、それにより穴の底面を効果的に掃除し、前記の循環ループは、最終的にドリルビット回りの環状の空間を通り、放電液を掃除し、また切削物を除去し、貯蔵システムへと戻る帰還フローを含んでおり、貯蔵システムは本発明の一態様では穴の下に位置しており、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掃除の後に掘削穴へと再循環され、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、コアとして掘削穴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、最後に、掘削および掘削材料における機械的相互作用、ここでは切削物除去プロセスと呼ぶ、のための一体化した手段、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。切削物除去プロセスは、
物理的接触、回転、軸方向、その他もしくはそれらを組み合わせた運動を適用し、ドリルビット突起部に実装された擦過、切削、打撃、または類似の装置の動作による。
【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を有する。各組の電極は個数が同じで、掘削穴の全断面の掘削のための上述の従来技術と同様の方式に基づいて配置されているが、電極設計が異なる。各電極は、または一つを除く各電極は、限定された運動の自由度が許容されるが、その運動は、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、または少なくともその方向の運動成分を有している。穴の底面に下げられたこの種のビットは、最も前方に移動した位置にある電極により最初に穴の底面に打ち当たるが、そのとき重量がビットに印加されるので、この電極は後方へと押され、それから最も前方に移動した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、一つがその最も格納された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１つの電極が穴の底面に打ち当たるまで、穴の底面に押し付けられる。このとき、異なる其々の電極は、最も格納された位置または最も前方に移動した位置に対して個々に別々の位置をとる。すべての電極は底面に接触し、その接触は、穴の底面の形状の最大の起伏がほぼ電極のストローク長の範囲内にとどまる限り永続する。全てが可動な電極の態様と、一つを除くすべてが可動な電極の態様との違いは、後者では、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を前提とすれば、ビット上の重量が常に特定の識別された１つの場所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、ドリルビット突起部に固定され、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油圧、またはそれら２つの方法の組み合わせ、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。油圧の場合には、電極は、圧力が電極の両側に印加され、電極がピストンのように強制的に掘削方向で前方、および反対方向、以降これを後退方向と呼ぶ、の両方に動くことを可能にするように構成されうる。あるいは、その運動は、ヒンジでドリルビット突起部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作動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。ここでは一つだけの運動成分が軸方向であり、またはその電極運動がそれら２つの方式の組み合わせであり得る、もしくはその他の種々の方式やそれらの組み合わせであり得ることを理解すべきである。
【００１２】
任意の隆起を有する穴の底面の形状を前提とすると、穴の底面の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。
各電極の前進に限定された軸方向運動の自由度の第１の目的は、各電極にとって常に底面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底面から持ち上げる傾向にあることとなり、通常、掘削組立体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底面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。この思想に基づく穴の底面接触のシナリオは、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底面における最低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穴の底面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、ドリルビット突起部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、この電極を穴の底面を越えたビット位置に定め、また他の電極をしてその底面接触を穴の底面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、が穴の底面の形状の軸方向の起伏を超えるとすれば、穴の底面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、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穴の底面への常時接触は、すべての電極のギャップが電気的に並列に接続されているが、常に抵抗と同等またはほぼ同等の回路要素を構成することを意味し、それによりより大きな通過電荷量を可能にし、従来よりも大きなパルスエネルギー供給を必要とする。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オーダーと同じオーダーで掘削速度を従来の速度に比べて増加させることができる。
【００１４】
上述のような２方向油圧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、電極稼働ギャップ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方向油圧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働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。一つの操作モードでは、一瞬または短時間で、一つを除く全てのＡ３構成の電極の組は格納され、前記１つの電極の組だけが穴の底面に接触し、既定の長さの一つのパルスもしくは一連のパルスが穴の底面の既定の場所に発せられる。その後前記１組の電極は、次のパルス又は一連のパルスが発せられる前に別の１組の電極、例えば、但し必ずしも限定されないが、近くの１組の電極に交代される。そしてコンピュータ制御または同様の手段による、連続的な油圧電極制御によって体系的に稼働電極の組を交代する。それは穴の底面全体が電気パルスで走査されるまで、回転ビットと殆ど同様のやり方で、但しこの場合ビットは回転を停止した状態で、行われる。一連のパルスの長さは、主要切削物の粉砕のために必要と推定される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、両方の電極が底面に完全に接触することが保障され、従来技術に対し掘削効率が大幅に進歩する可能性があり、かつパルスエネルギーが穴の底面の断面領域全体に供給されるため、十分な方向安定性を持つ。
【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への曲げモーメント、および上方に作用する反作用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従来の方向から逸脱させる要因となり、曲った軌道が発生する原因となる。このことは、上述したような両方向作動の油圧ピストンによってすべての電極を可動としたビットの思想と組み合わせて、建設的に利用することが可能である（Ａ３）。一つの中心から外れた電極が油圧により固定され、固定電極として機能し、それにより所望の方向に曲がった軌道を発生させる、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させることが出来る。
上記の電気パルスが、適切な放電液中に置かれ穴の底面に接触する２つの電極間で放電するとき、破砕された穴の底面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正確に定義される、長さは０．６〜０．８Ｓに等しく、幅は０．３〜０．５Ｓ、および厚さは０．２〜０．３Ｓであり、ここにＳは電極間距離である。初期切削物は、端部はあまり丸まっていないが、厚さ方向の軸に沿って切断した断面が楕円形状である。
【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、初期切削物を、もともと有った空洞から穴の底面の断面領域の外周部へ、そしてそこから掘削穴の円環を上って、迅速に除去することに極めて大きく依存することが判明した。切削物のビットからの対応する優先的運動方向は一般に、掘削穴内の半径方向である。この運動の方向は、ビット突起部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、ビットの下からの初期掘削物の主たる流れにより歪められ、その角度は、掘削穴中心から外周方向に見たときに、切削物が第１に隣接した接線方向の電極ギャップを通って直進出来るのに十分な径方向からの角度を成す。上記経路は、特定の電極配置の要請により第１に隣接した電極ギャップの組を通り、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な経路である。思想Ａ３の場合では、追加された優先性は、切削物の優先的運動方向は、次の稼働電極ギャップから遠ざかる方向であることである。
半径方向、接線または他の方向に向いたすべての電極ギャップに当てはまる一般的条件は、初期切削物の運動ベクトルの方向が、電極間の元の連結線に対して可能な限り直角であり、また妥当であれば次の稼働電極ギャップから離れているべきである。しかしそれらは、他の電極による閉塞の危険性が最小の、または全くない外周への直進経路を画定するため、十分にそして出来るだけ僅かに妥協される。
【００１７】
本発明は、セラミック化合物、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突起部を有し、そこから電極が最小距離突出し、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。前記通路は分離したそして交換可能なノズルが挿入出来る出口の構造、および其々の電極に特有のノズル出口の配置ならびに方向を有しており、その配置と方向は、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油圧ノズルジェットによる打撃を可能な限り促進するためであり、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、または可能な限り平行方向な方向を有しており、かつ前記の打撃はまた、特定の電極ギャップに対し切削物の運動の主方向に沿うベクトルの主方向成分を有している。本発明の特徴はまた、ノズルに伝達された油圧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、その正確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、ビット突起部の表面上に解放通路切り口を有し、前記通路は初期切削物が通過するのに十分広い断面領域と、切削物運動の主方向と一致した方向性を有している。
【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、そのような発生機は、１ＫＶＡＣレベルの入力を用い、一般に掘削穴の外側に配置され、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掘削穴全体を通過する伝送は、ドリルストリングの設計に極めて厳しい制約と高い失敗の危険性を意味し、前記の制約は、ある程度、他の設計要求と相反している。例示される制約は、高電圧ストリングすなわち、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、かつ掘削穴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発生機が並行して動作する時間があり、各々が専属の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、発生機から電極ギャップへと、一つの切替装置を介して同じ経路で伝送される。
【００１９】
本発明は、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、電気パルス発生機を有している。それは穴直径および放電液経路のような地下穴配置の制約に従い、かつ地下穴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、前記の地下穴パルス発生機は、一つのシングルパルス発生機から、または複数のパルス発生機から構成され、そのような複数の発生機は、互いに時間間隔の空いた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専属の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して働き、または順番に同一の電極ギャップまたは電極ギャップの組に対して働き、そのような発生機または複数の発生機は、ビットの直ぐ後ろの、または最低でもビット付近の、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、および掘削穴の深さと関係なく設定され、掘削穴全長を通してのエネルギー伝送は１ＫＶＡＣ、あるいは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、地上に配置され油圧および機械的に地下穴のパルス発生機およびドリルビットに、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る。ドリルストリングは、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、それ自体は導管として機能し、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルの適切な電気エネルギーを伝送するためのケーブルを導管に組み込み、前記ドリルビットは掘削穴の全断面領域を掘削し、切削物は循環して地表に戻され、そこで放電液から取り除かれ、その後に放電液は掘削穴へ再循環される。
【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行うビット突起部、およびビット突起部前面に配置され、直線、曲線または不規則な一つの線、または２つまたは複数の線に配置された複数の電極から構成される。実施形態Ｂは、ビット突起部表面上で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せず、また中央に電極が配置されていない前記突起部の中央を横切る１つの線を組み込んでいて、前記の電極は２組の電極をさら有し、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いる。前記の線の構成および電極の配置は、少なくとも一つの電極ギャップが、ビット突起部の回転により穴の底面の何らかの単位断面領域を横断して移動し、それにより全掘削穴の断面掘削を促進する。前記の電極または一つを除くすべての電極は、ビット突起部に対し限定された運動自由度を許容され、前記運動は掘削の方向によって定義される軸方向に沿うか又は平行で、もしくは少なくともその方向の運動成分を有する。
実施形態Ｂの特徴によれば、それは小さめの掘削穴に好適であるが、半径方向の電極ギャップが２つの対向する半径に沿って位置し、第１の電極は一つの半径の外周部に配置され、第２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、そして第４の電極が、回転方向とは反対方向の外周上に第１の電極から距離Ｓを隔てて配置され、最後に第５の電極が、回転方向とは反対方向の外周上の第３の電極から距離Ｓを隔てて配置され、これら５つの電極が全体としてビットの下から見てＳ字に概ね似たパターンを形成し、反時計回りの回転方向を与えられる。好ましい実施形態では、前記電極は、さらに２組の電極、一方は高電圧で一方は接地、を有し、各組の電極は、隣接する電極が一貫して逆極性であるように配置される。前記の線の構成および電極の配置は、１つの半径上の電極が中心の周りを、他の１つの反形状にある電極が従う円形パターンとは異なる円形パターンに従うときに、少なくとも一つの電極ギャップが、ビット突起部の回転により穴の底面の何らかの単位断面領域を横断して移動し、それにより全掘削穴の断面掘削を促進する。前記の電極または一つを除くすべての電極は、ビット突起部に対し限定された運動自由度を許容され、前記運動は掘削の方向によって定義される軸方向に沿うか又は平行で、もしくは少なくともその方向の運動成分を有する。
【００２１】
実際的には、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突起部に固定して、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油圧またはそれら２つの方式の組み合わせ、又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。油圧の場合には、圧力が電極の両側に印加され、それにより電極が強制された運動によって、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出来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突起部にヒンジで取り付けられたアームに実装し、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ことで促進され得る。但しここでは、その一つの運動成分のみが軸方向であればよく、あるいは電極運動は、２つの方式の組み合わせ、他の方式、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、または直径の要求によりさらに多数電極、の構成は、異なった放電密度の穴の底面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で直径２０ｃｍの掘削穴における３０ＲＰＭ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、稼働電極ギャップに組み込まれる形での標準カバー範囲に含まれない単位領域は残らない。
各電極の軸方向運動が前進方向に限定されている主要な目的は、電極を掘削穴内において電極が永続的に掘削穴に物理的に接触する状態を保つことである。操作上は、電極を前方に押す合力が、ドリルビットを底面から引き離す傾向があり、ビット上の重量が働かなければならないが、それは一般には掘削組立体の重力によるが、必ずしもそれに限定されず、そのようなビット上の重量はビットを底面に対して押すため、前記の合力を超えるように供給される。この思想に基づく穴の底面接触のシナリオは、以降これをＢ１と呼ぶが、シリンダ内の完全に格納された底面位置にある最低１つの電極を意味し、前記電極はそのビット上の重量の案分された部分以上を担い、そしてその他の多数の電極は、穴の底面の形状によって可能な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案分された部分以下を担い、シリンダに対する前記電極の位置は、回転および穴の底面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突起部に対して動かないように固定することも可能である。この場合の動作モードは、以降これを実施形態Ｂ２と呼ぶが、この電極に、穴の底面の上方にビット位置を画定させ、他のすべての電極に、穴の底面の形状および回転によって許容されるシリンダ内の前進運動によって底面接触を実現させることである。
【００２３】
このように操業することで、限定軸方向運動、以後各電極の「ストローク長」と呼ぶ、が穴の底面の形状の軸方向の起伏を超えるならば、穴の底面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では、固定された電極に対して正確な配置が得られる。前記の起伏は、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切削物の推定サイズに基づいて推定されうる。それにより電極の常時接触のための必要な「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、この構成は、その電極が少ないことが、一般的に穴の底面との接触の頻度を従来技術より低下させるため適切である。
【００２４】
上記の２方向油圧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における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、底面接触は前記１組のみによって発生し、穴の底面の所定位置に１パルスが放出される。前記１つの電極の組は、次のパルスが発振される前に他の組、例えば隣接する組、但しこれに限定されない、に交代される。こうしてコンピュータまたは同様の手段により制御される連続する電極の油圧操作により、体系的に稼働中の組を交代し、穴の底面全体を電気パルスによって掃引する。この交代は、穴の底面を横切る稼働電極ギャップの範囲が適切になるよう回転に対して調整される。この動作モードは、従来よりも多いパルスエネルギーは必要ないが、両電極の完全な穴の底面接触を確保する必要が有り、それにより従来と比較して掘削効率の大幅な改善の可能性が得られ、またパルスエネルギーが穴の底面の全断面に亘って均等に印加されることにより、十分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、一つの中心の外に置かれた電極が固定電極として機能する位置に油圧で固定される。この場合には、コンピュータ制御によって、固定された電極が掘削穴の底面上で固定された半径上に現れるように、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る。こうしてドリルストリングにおける固定またはほぼ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し、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。
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、その輸送は上記で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出発するが、その生来の位置から底面母岩のまとまった部分として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の位置から穴の底面の断面領域の外周へ、そしてそこから掘削穴の環への迅速な除去のための対策を定義する。掘削穴における切削物の移動方向は、通常半径方向である。前記半径方向の運動は、ビット突起部の外周に位置し接線方向に向いた電極ギャップからの初期切削物に対し直接適用される。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、この一般的な優先方向は、半径方向から回転とは反対方向に曲げられ、掘削穴中心から外周方向に見て、切削物が最も隣接する接線方向の電極ギャップ、または特定の電極構成が要求する最も隣接する電極ギャップの組、もしくは前記電極ギャップを通る直線的経路に出来るだけ近い電極ギャップ、を通過する直線経路を切削物がとるのに十分な程度、修正される。
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は、運動の始まった場所では、電極同士の連結線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば、隣接した稼働電極ギャップから離れる方向で、或いは回転方向と反対方向であるべきである。いずれにしても、外周への直進経路を画定するために十分かつ最小限に修正され、他の電極により妨害される危険性を最小又は無くする観点から、経路は選択される。
【００２６】
実施形態Ｂは、ドリルビット突起部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、ここでは切削物の除去プロセスと呼ぶ、のための一体化した手段を備えたドリルビット突起部を組み込んでいる。
本発明は、セラミック化合物、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突起部を組み込んでいて、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くり抜かれた通路が組み込まれている。その通路は分割および交換可能なノズルの挿入を可能にするための出口構成を有しており、ノズル出口の配置および方向は各電極ギャップに特定の方向であり、油圧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、そして前記打撃はまた、その特定の電極ギャップに対し、切削物の運動の優先的方向に沿った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油圧は、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、ビット突起部の表面に刻設された開放通路または溝を含んでおり、前記溝は初期切削物が通過出来るほど十分に広い断面領域を有し、また初期切削物の運動の優先的方向と同じ方向に向いている。
本発明は、１ＫＶＡＣ、又は上述の他の実用的な電圧の入力、を用いた電気的または磁気的な貯蔵機構のような、既知の電気的構成の電気パルス発生機を組み込んでいる。それは穴の直径および放電液の経路のような地下穴の配置の制約に従い、かつ地下穴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、一つのシングルパルス発生機または複数のパルス発生機から構成される。複数のパルス発生機は、互いに間隔を持つパルスを有しており、切り替え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、または順次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する。そのような発生機はビットの直ぐ後または少なくとも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、また掘削穴の深さとは無関係に設定される。一方、掘削穴の全長を通してエネルギー移送は１ＫＶＡＣ又は他の実用的な電圧で行われる。
【００２７】
実施形態Ｂは、ドリルビットが回転する掘削システムの全体構成を含み、回転は地表または掘削穴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のパルス発生機の上方または下方に組み込まれ、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力または油圧動力によって動かされるが、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、地表に配置された循環ポンプを含み、それは油圧および機械的に地下のパルス発生機、適用できる場合はモータ、およびドリルビットに、ドリルストリングにより接続される。ドリルストリングは、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り、前記ドリルストリングは、それ自体が導管として機能し、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルの適切な電気エネルギーの伝送用ケーブルのような導管を組み込み、前記ポンプは放電液を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、そこで切削物は放電液から除去され、掃除された液は再循環のためポンプに戻される。
【００２８】
本発明の実施形態Ｃは、２つの電極または複数の電極を含み、それらは、２組の電極を構成し、一方は高電圧、一方は接地であり、各組の電極は、個数は必ずしも同様でなくとも類似で、それにより複数の電極の組を構成し、各組はドリルビット突起部に実装されたときに連結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突起部は半径方向に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、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があるため最小になっている。この実施形態では、各電極または一つを除く各電極は、その突起部に対して限定された運動自由度を与えられ、その運動は少なくとも掘削方向に平行な運動成分を有する。
このような動きは、各電極をあたかもプランジャのようにシリンダ内に実装し、そのシリンダをドリルビット突起部に固定して、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、電極の背後のシリンダに印加される油圧または、それら２つの方式の組み合わせ、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。油圧の場合には、圧力がその両方に印加され、電極が強制された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突起部にヒンジで取り付けられたアームに実装して、上記で例示した方法および手段によって強制されて動く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１つの成分が軸方向であればよく、または他の方式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。各電極の限定された軸方向運動の自由度の主要な目的は、電極を確実に常時底面接触させることにある。
【００２９】
実施形態Ｃ１は、強制された回転運動をし、１組だけの電極を有する環状ビット突起部からなる。その内の一つは固定されてもよく、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、強制された回転運動をし、ビット突起部上で互いに反対の位置に配置された２組の電極を有する環状ビット突起部からなる。選択肢として一つの電極が固定されてもよいが、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、本発明は、強制された回転運動をし、３，４，５およびさらに多数の組の電極を有する環状ビット突起部からなる。そのうちの一つは固定されてもよいが、これらをＣ３Ｆ、Ｃ４Ｆ、Ｃ５Ｆ等と呼ぶ。電極の各組は他の組と分離され、または一つの共通電極を有し、前記強制された回転運動は適用されるが、しかし実施形態Ｃｎでは突起部は均等な間隔で配置された電極をその全外周に有し、前記の回転運動は固定された回転方向または往復の形である。
合力が電極を前方に押すことで、ドリルビットを底面から引き上げる傾向となり、ビット上の重量は強化されなければならず、それは通常掘削組立体の重力によるが、必ずしもそうではない。そのようなビット上の重量は底面上にビットが維持されるように前記の合力を超えるべきである。
【００３０】
このように実施形態に基づく穴の底面との接触のシナリオは、実施形態Ｃ１およびＣ１Ｆにとっては、シリンダ内の底面位置に一つの電極（実施形態Ｃ１）、または固定電極により画定される穴の底面より上方のビット突起部位置（Ｃ１Ｆ）、および穴の底面の形状によって可能な運動によりシリンダ内で多少前進方向に移動した他の電極を意味する。実施形態Ｃ２．．．Ｃｎにとっては、シリンダ内の底面位置に常にある時々刻々と移動する少なくとも一つの電極、または固定された電極により画定される穴の底面の上方のビット突起部の位置（実施形態Ｃ２Ｆ、Ｃ３Ｆ、Ｃ４Ｆ等）、移動する電極または固定された電極はビット重量の案分された比率以上の部分を担い、そして他の全ての電極が回転運動によって可能な運動および穴の底面の形状に従ってシリンダ内で多少前方に運動し、それらの電極はビット重量の案分された比率以下の部分を担うことを意味する。
このように操作されることで、もし限定された軸方向運動、これをここで各電極の「ストローク長」と呼ぶが、穴の底面の形状の軸方向の起伏を超えるならば、穴の底面とすべての電極とが効果的に接触する。起伏は、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切削物の推定サイズに基づいて推定されるので、電極の常時接触のために十分なストローク長の基準となる。
このようなすべての電極が常時穴の底面と接触することは、意味する電気的に並列に接続される全ての電極ギャップは、常に同等またはほぼ同等の電気抵抗を有する回路要素を構成し、それにより、より大きな電荷が通過することを可能にし、また従来よりも大きなパルスエネルギーの供給を必要とすることを意味する。このような供給があれば、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の増加倍率と同じオーダーの倍率で加速された掘削速度を実現可能である。
【００３１】
上述の２方向油圧電極制御を含んだ形では、本発明は電極の稼働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の実施形態のみに適用されるわけではない。
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、底面接触は前記１組のみによって発生し、穴の底面の所定位置に１パルス又は既定の長さのパルスの列が放出される。前記１つの電極の組は、次のパルス又はパルス列が発振される前に他の組、例えば隣接する組、但しこれに限定されない、に交代される。こうしてコンピュータまたは同様の手段により制御される連続する電極の油圧操作により、体系的に稼働中の組を交代し、穴の底面全体を、回転するビットと同じように、電気パルスによって掃引する。しかしこの場合、ビットの回転は停止状態にある。その列の長さは、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、従来以上のパルスエネルギーを必要としないが、それでも両電極の十分な底面接触を確保し、それにより従来技術を卓越した大きな掘削効率の向上の可能性を得、また穴の底面断面全体に亘る均一なパルスエネルギーの印加により十分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方向油圧電極制御を含むが、その新規の電気パルスドリルビットの発明は環状の掘削穴の外周周りの選択的な負荷配置の可能性を含む。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油圧で固定されることが可能で、それにより所望の方向への曲線軌道を描かせ、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。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のドリルビットが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、コアバレルは支配的な条件の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のスペースを許容する。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１００ｍで、それは２５ｍの長さの４つのコアバレル要素に分解して投入され従来技術の適切なパイプコネクタによって繋ぎ合わされる。
この形態の本発明の動作上の側面では、コアバレルの長さと等しい長さに環状掘削穴を掘削し、そしてその基部でコアを切断し、掘削穴の外部へと引き上げる。そのためにコア切断と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、コア切断機構は例えばビット又はバレルの環状壁面に組み込まれた一つ以上の小さな炸薬の形態であり、コアが切断される時、指向性の電気的、油圧または他の衝撃によって発火する。コア把持機構は、例えばコアバレル内壁の内側に拡張可能な部位の形態であり、それは開放されると、引き上げが始まる前に起動されて拡張し、コアを保持する。
【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、穴の底面に接触した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、掘削効率は、前記の初期切削物自身が元々有った空洞から穴の底面の断面領域の外周へ、そしてそこから掘削穴の環へ上昇する迅速な除去に依存する。
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画定し、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た時の空洞から出発し、しかし底面母岩の塊としてその生来の位置から引き上げられず、解決策として、初期切削物の生来の位置から穴の底面の断面領域の外周へ、そしてそこから掘削穴の環を上昇する。掘削穴内の切削物の運動方向は、通常半径方向である。一つの特定の実施形態Ｃでは、狭い環によりビットからの切削物移動の優先方向に配置される電極に対し、一つだけの半径が可能な場合、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は、運動の始まった場所では、電極同士の連結線に対して可能な限り直角であるべきで、適切であれば、隣接した稼働電極ギャップから離れる方向で、或いは回転方向と反対方向であるべきである。いずれにしても、外周への直進経路を画定するために十分かつ最小限に修正され、他の電極により妨害される危険性を最小又は無くする観点から、経路は選択される。
【００３５】
実施形態Ｃは、ドリルビット突起部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、ここで切削物除去プロセスと呼ぶ、のための一体化した手段、を備えたドリルビット突起部を組み込んでいる。
本発明は、セラミック化合物、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突起部を組み込んでいて、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くり抜かれた通路が組み込まれている。その通路は分割および交換可能なノズルの挿入を可能にするための出口構成を有しており、ノズル出口の配置
は、環状のドリルビットの内周に沿って、１組の電極をなす２つの電極の中間点又はその近くに位置し、ノズルの方向は、初期切削物が破砕された際には常に発生される亀裂へ油圧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正確な打撃を促進するため、各電極毎に特定されており、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か、または出来るだけそれに近い方向を有しており、かつ前記の打撃はまた、その特定の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油圧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、ビット突起部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発生機を含み、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、穴直径および放電経路のような地下穴配置の制約に応じるように構成され、そして地下穴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、前記の地下穴パルス発生機は、一つのシングルパルス発生機または複数のパルス発生機で構成される。複数のパルス発生機は、互いに間隔を持つパルスを有しており、切り替え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、または順次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する。そのような発生機はビットの直ぐ後または少なくとも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、また掘削穴の深さとは無関係に設定される。一方、掘削穴の全長を通してエネルギー移送は１ＫＶＡＣ又は他の実用的な電圧で行われる。
【００３６】
実施形態Ｃは、上述の全システムに適用されるが、本発明はまた、地表に配置された循環ポンプを含み、それは油圧および機械的に地下のパルス発生機、適用できる場合はモータ、およびドリルビットに、ドリルストリングにより接続される。ドリルストリングは、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り、前記ドリルストリングは、それ自体が導管として機能し、またはその中に１ＫＶＡＣまたは他の実用的な電圧レベルの適切な電気エネルギーの伝送用ケーブルのような導管を組み込み、切削物は地表に循環して戻されて、そこで放電液から取り除かれ、放電液はその後掘削穴へ再循環される。
実施形態Ｃの一つの特別な形態は、地下穴のパルス発生機の直上かつ切削物の掃除、貯蔵ユニットの直下に配置された循環ポンプを含んで構成され、切削物の掃除、貯蔵ユニットは、コアバレル長と等しい環状穴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、例えばしかし限定されないが沈殿ピットと、網と、そして遠心分離機のような放電液掃除装置から構成される。それらすべては地下穴に配置され、切削物チャンバと共に一括して配置され、掘削穴を遡上する浮遊切削物を含む環状の放電液が掃除システムを通過して案内され、その間に切削物が切削物チャンバに沈殿されて、そして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、穴の底面の全ての掘削組立体は地表に一つの鋼鉄ワイヤロープで接続され、前記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、掘削穴はそれが圧力形成および安定性のため必要な場合に限り液体で満たされる。乾いた硬い岩塊を掘削する際には、本発明の実施形態において掘削される穴は、切削物チャンバの頂上または僅かに上まで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、パルス発生機およびポンプならびに切削物チャンバおよび掃除システムを合せた長さに対応した掘削穴の長さに制約され、その合計長さはコアバレルの長さの２〜３倍と推定される。油圧およびそれに関連したビットエネルギーのエネルギー消費は、地表への循環を有するフルプロファイ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の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図４ｂは、第２の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図４ｃは、第３の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図４ｄは、第４の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
図５ａは、非回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
図５ｂは、図５ａに対応する回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
図５ｃは、図４ｄに対応する穴底面組立体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から掘削穴２の全断面を放電掘削するための複数の電極４、５を有する。前記ビット１は油圧シリンダ８または機械的装置１７、１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７が組み込まれた放電液のための穴通路６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給に接続するための端末終端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の断面図である。ドリルビット１は、ビット回転なしで岩盤組織５１から掘削穴２の全断面を放電掘削するための複数の電極４、５を有する。前記ビット１は油圧シリンダ８または蝶番式のアーム１７、１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７を有する放電液のためのビットの突起部を貫通する穴通路６、ビット下に組み込まれた領域５０から好適な切削出口１３の方向に沿ってビットの突起部の表面に刻設された断面的領域５９を有する開渠通路２６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給に接続するための端末終端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は断面図である。回転方向２９または往復運動３１が示される。ビット回転に伴って全掘削穴２の断面を放電でカバーするため、Ｓの字状に沿ってビット突起部３の表面上に配置された複数の電極４、５を有する。前記ビット１は油圧シリンダ８または機械的装置１７、１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７が組み込まれた放電液のための穴通路６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給に接続するための端末終端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、回転方向２９を有する。ビット突起部３の表面上に位置し、環状の掘削穴２の断面領域を掘削し、好適な速度で回転するときに前記領域を完全な放電範囲とするための、１組の電極４、５が配置される。前記ビット１は油圧または機械的シリンダ８、１７、蝶番式のアーム１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７が組み込まれた放電液のための穴通路６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給、機械的スクレーパ、またはカッタもしくは同様の装置６６に接続するための端末終端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、示されている回転方向２９または往復運動３０を有する。ビット突起部３の表面上に互いに対向して位置し、環状の掘削穴２の断面領域を掘削し、好適な速度で回転するときに前記領域を完全な放電範囲とするための、２組の電極４、５が配置される。前記ビット１は油圧または機械的シリンダ８、１７、蝶番式のアーム１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された２組の高電圧電極４および２組の接地電極５、ノズル７が組み込まれた放電液のための穴通路６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給、機械的スクレーパ、またはカッタもしくは同様の装置６６に接続するための端末終端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の端面図である。ビット突起部３の表面の全外周に亘って複数の電極４、５が配置され、どの電極４、５も、所与のビットの放電ギャップに一致する距離Ｓを隔てた最近接の隣に逆極性の電極を有し、それにより環状の掘削穴２の断面領域を掘削し、回転運動なしに前記領域を完全な放電範囲とする。前記ビット１は油圧または機械的シリンダ８、１７、蝶番式のアーム１９もしくはその他の形態の電極穴ダと可能な場合内部に埋め込まれる供給ライン１０、２３を有する突起部３と、必要なケーブル線１２が付設されて穴ダに実装された１組の高電圧電極４および１組の接地電極５、ノズル７が組み込まれた放電液のための穴通路６、およびビットの突起部の頂上に位置して油圧および電気の供給に接続するための端末終端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、油圧で稼動される電極のプランジャ型を示す断面図である。ドリルビット１は、１つの電極４と、シリンダ８と掘削方向２９と同軸であるシリンダ８の運動の直線的方向２８と、電極４の前進方向運動のための液圧チャンバ９と、圧力チャンバ内の液体のための油圧液供給ライン１０およびビットの背後の掘削組立体に配置される油圧液ポンプ１１と、さらに電極４に接続される電気ケーブル１２と、そのシリンダ８およびビット突起部３の頂部の終端２０への嵌入の配置を有する。シールは６８で示される。
【００４５】
図３ｂは、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態における機械的に駆動される電極４の螺旋状ばね型の例の断面図を示す。１つの電極４と、シリンダ８と掘削方向２９と同軸であるシリンダ８の運動の直線的方向２８と、電極４の前進方向運動のための螺旋状ばね１７、および端部停止部５４、電極４、５の前方と後方の圧力均一化のための通路１８、さらに電極に接続された電気ケーブル１２、およびビット突起部３の頂上におけるその終端２０を示している。
【００４６】
図３ｃは、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態における、機械的に操業される電極の螺旋状ばね型のヒンジアーム変形例例の断面図である。成形されたヒンジアームとしての電極４、シリンダ８の前進運動のための螺旋状ばね１７、およびアームリフタ５８を有しビット突起部３の内部のホルダ８に配置された電極４、電極に接続された電気ケーブル１２およびビット突起部３の頂上における終端２０を示している。
【００４７】
図３ｄは、ドリルビット１の一つの好ましい実施形態における、油圧で操業される電極のプランジャ型のヒンジアーム変形例の断面図である。ヒンジアーム１９の成形された先端部としての電極４、５、ヒンジアーム１９とビット突起部３に各々接続されるシリンダ８内のプランジャ５５、電極の前進運動のための油圧チャンバ９、油圧チャンバ内の油のための油圧液供給ライン１０、およびビットの背後の掘削組立体に配置された油圧液ポンプ１１、さらに電極に接続した電気ケーブル１２、シリンダ８への嵌入のアレンジメント、およびビット突起部３の頂上にある終端２０、を示している。
【００４８】
図３ｅは、油圧で稼動される電極の稼働制御におけるダブルアクションピストン変形例における一つのドリルビット１の断面図である。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、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、圧力チャンバ内の油のための油圧液供給ライン１０、２３、シリンダ圧力の動作のための電気的配線を含むバルブマニホルド２４、および油圧液ポンプ１１、２つの後者はビット背後の掘削組立体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、シリンダ８への嵌入のアレンジメントおよびビット突起部３の頂上にある終端２０、を示している。シールは６８で示されている。
【００４９】
図３ｆは、ヒンジアームに搭載された電極の稼働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１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、シリンダ８のダブルアクションピストン２５に接続されており、ピストンの前進および後退のための油圧チャンバ９、２２、前記シリンダ８および油圧チャンバ９、２２は、油圧液をドリルビット突起部３に組み込まれた圧力チャンバへ輸送するためであり、シリンダ圧力の操業のための電気的配線を含むバルブマニ穴ド２４、および油圧液ポンプ１１、２つの後者はビットの背後の掘削組立体の内に配置され、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への嵌入のアレンジメント、およびビット突起部３の頂上にある終端２０を示している。
【００５０】
図４ａは、フルプロファイル掘削穴の非回転掘削に関するもので、ビット突起部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地下穴パルス発生機３１、電極の位置制御のための油圧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発生機３１を貫通または通過しドリルビット突起部３を貫通し、穴底部の領域５０上へと出て、ノズル７を通り、切削物の優先的出口方向１３で開渠通路２６を通り、穴底部の組立体を囲う環状体３５表面に沿って穴を遡上する、放電液流３４のための通路を含む。
【００５１】
図４ｂは、フルプロファイル掘削穴の回転または往復掘削に関するもので、ビット突起部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地下穴パルス発生機３１、電極の位置制御のための油圧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発生機３１を貫通または通過しドリルビット突起部３を貫通し、ノズル７を通り、切削物の優先的出口方向１３で開渠通路２６を通り、穴底部の組立体を囲う環状体３５表面に沿って穴を遡上する、放電液流３４のための通路を含む。
【００５２】
図４ｃは、環状掘削穴の非回転、回転または往復掘削に関するもので、ビット突起部３、電極４、５、およびノズル７を有するドリルビット１を有する穴底面組立体を示し、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が組み込まれたコアバレル３６、複数の地下穴パルス発生機３１、電極の位置制御およびコアの運行のための油圧アクチュエータシステム３２を含むドリル工程制御システム５７、必要により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、さらにアクチュエータ３２を貫通または通過し、パルス発生機３１を貫通または通過し、ドリルビット突起部３を貫通し、ノズル７を通過し、切削物の優先的出口方向１３で開渠通路２６を通り、穴底部の組立体４２およびドリルストリング４４を囲む環状体３５表面に沿って穴を遡上する、放電液流３４のための通路を含む。
【００５３】
図４ｄは、閉ループ地下穴循環を有する、非回転、回転または往復環状掘削穴掘削に関するもので、ビット突起部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、およびコア穴ダ３８が組み込まれたコアバレル３６、さらに地下穴パルス発生機３１、電極の位置制御およびコアの運行のための油圧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、放電液掃除システム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を含む本発明の穴底面組立体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発生機３１を貫通または通過しドリルビット突起部３を貫通しノズル７を通り、穴底部の領域５０に出て、切削物の優先的出口方向１３で開渠通路２６を通り、穴底部の組立体４２を囲う環状体３５を通って遡上し、放電液掃除システム４１の入口部分、切削物バスケット４０と貯蔵タンク５８と続く放電液流３４のための通路を含む。
【００５４】
図５ａは、フルプロファイル掘削穴または環状掘削穴の非回転掘削に関するもので、図５ａまたは図５ｃによる穴底面組立体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、放電液掃除６１およびポンプ６２ならびに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、フルプロファイル掘削穴または環状掘削穴の回転または往復掘削に関するもので、図５ｂまたは図５ｃによる穴底面組立体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、放電液掃除６１およびポンプ６２ならびに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、閉ループ地下穴循環を有する、環状掘削穴の非回転、回転または往復掘削に関するもので、図５ｄによる穴底面組立体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の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
【図４ｂ】第２の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
【図４ｃ】第３の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
【図４ｄ】第４の実施形態の穴底面組立体の軸方向断面図である。
【図５ａ】非回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
【図５ｂ】図５ａに対応する回転穴底面組立体を有する掘削装置の拡大側面図である。
【図５ｃ】図４ｄに対応する穴底面組立体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    掘削穴  ３    ドリルビット突起部
４、５    電極  ６    通路    ７    ノズル
８    油圧シリンダ    ９    油圧チャンバ
１０    油圧液供給ライン  １１    油圧液ポンプ
１２    電気ケーブル

【図１ａ】
0004703571.tif 000002
【図１ｂ】
0004703571.tif 000003
【図２ａ】
0004703571.tif 000004
【図２ｂ】
0004703571.tif 000005
【図２ｃ】
0004703571.tif 000006
【図２ｄ】
0004703571.tif 000007
【図２ｅ】
0004703571.tif 000008
【図２ｆ】
0004703571.tif 000009
【図３ａ】
0004703571.tif 000010
【図３ｂ】
0004703571.tif 000011
【図３ｃ】
0004703571.tif 000012
【図３ｄ】
0004703571.tif 000013
【図３ｅ】
0004703571.tif 000014
【図３ｆ】
0004703571.tif 000015
【図４ａ】
0004703571.tif 000016
【図４ｂ】
0004703571.tif 000017
【図４ｃ】
0004703571.tif 000018
【図４ｄ】
0004703571.tif 000019
【図５ａ】
0004703571.tif 000020
【図５ｂ】
0004703571.tif 000021
【図５ｃ】
0004703571.tif 000022