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JPS5914159B2 - Vertical drilling equipment - Google Patents

Vertical drilling equipment

Info

Publication number
JPS5914159B2
JPS5914159B2 JP13179380A JP13179380A JPS5914159B2 JP S5914159 B2 JPS5914159 B2 JP S5914159B2 JP 13179380 A JP13179380 A JP 13179380A JP 13179380 A JP13179380 A JP 13179380A JP S5914159 B2 JPS5914159 B2 JP S5914159B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
drill
bearing
jacket
motor
passage
Prior art date
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Expired
Application number
JP13179380A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5761185A (en
Inventor
ウイリアム・シ−・マウラ−
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MAURAA ENG Inc
Original Assignee
MAURAA ENG Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by MAURAA ENG Inc filed Critical MAURAA ENG Inc
Priority to JP13179380A priority Critical patent/JPS5914159B2/en
Publication of JPS5761185A publication Critical patent/JPS5761185A/en
Publication of JPS5914159B2 publication Critical patent/JPS5914159B2/en
Expired legal-status Critical Current

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はターボドリル或はモータにより駆動されるドリ
ルのような垂直せん孔モータに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a vertical drilling motor, such as a turbo drill or motor driven drill.

垂直せん孔モータは100年前に発明され、1920年
代に広範に試用された。
Vertical drilling motors were invented 100 years ago and were widely used in the 1920's.

垂直せん孔モータはターボドリルがソ連邦で使用されだ
した1950年代迄広範な用途を見い出せなかった。
Vertical drilling motors did not find widespread use until the 1950s, when turbo drills began to be used in the Soviet Union.

1960年代の初期において、ソ連邦内の井戸の85係
がターボドリルによってせん孔されたものと推定される
It is estimated that 85 wells in the Soviet Union were drilled with turbo drills in the early 1960s.

垂直せん孔モータは直進孔用として米国において広く用
いられたが、軸受及びシール上の欠点のため垂直孔用と
しては余り使用されなかった。
Vertical drilling motors were widely used in the United States for straight drilling, but were rarely used for vertical drilling due to bearing and sealing deficiencies.

商業用の垂直せん孔モータは、ローラビットが50〜1
50rpmで最も効率よく作動するのに反し、300〜
11000rpの速度範囲で作動する。
Commercial vertical drilling motors have roller bits of 50 to 1
It works most efficiently at 50rpm, but from 300rpm
It operates in a speed range of 11000 rpm.

モータが高速のため、低速では200時間は使用可能な
ローラ軸受が5〜15時間で破損してしまう。
Since the motor operates at high speed, the roller bearing, which can be used for 200 hours at low speed, will break in 5 to 15 hours.

垂直せん孔モータは、ラジアル及ヒスラスト軸受、潤滑
システム、タービン効率、外被構造等について問題があ
ったため、油井その他の用途について使用が事実上制限
されていた。
Vertical drilling motors have been effectively restricted from use in oil wells and other applications due to problems with radial and hysterus bearings, lubrication systems, turbine efficiency, jacket construction, etc.

垂直せん孔モータは、1960年代における回転式せん
孔装置の出現直後に発明された。
Vertical drilling motors were invented shortly after the advent of rotary drilling equipment in the 1960's.

米国特許第174922号には極めて原始的なターボド
リルが示されている。
A very primitive turbo drill is shown in US Pat. No. 174,922.

米国特許第292888号には現在のターボドリルに幾
つかの点において類似している単段軸流式ターボドリル
が示されている。
U.S. Pat. No. 2,928,888 shows a single stage axial flow turbodrill that is similar in some respects to current turbodrills.

米国特許第1482702号には現在用いられているタ
ーボドリルの先駆をなす多段式ターボドリルが示されて
いる。
U.S. Pat. No. 1,482,702 shows a multi-stage turbo drill that was a precursor to the turbo drills currently in use.

このターボドリルはスラスト軸受をオイル又はグリース
中で作動させるための潤滑システムを含んでいる。
The turbo drill includes a lubrication system for operating the thrust bearing in oil or grease.

浮動ピストンに作用するせん乱流体がシステム内の潤滑
油を加圧している。
The turbulent fluid acting on the floating piston pressurizes the lubricating oil in the system.

現在のターボドリルの軸受はせん孔マッド内で作動する
ため、短時間で破損し、応用範囲が限定されている。
Current turbo drill bearings operate in the drilling mud, which causes them to break in a short period of time, limiting their range of applications.

米国特許第1681094号には、単段ギヤ式ターボド
リルが示されており。
US Pat. No. 1,681,094 shows a single gear turbo drill.

このターボドリルはソ連邦において1924年から19
34年に渉って広く使用された。
This turbo drill was used in the Soviet Union from 1924 to 1995.
It was widely used for 34 years.

幾多の問題があったが、1940年代から1950年代
において多段式ターボドリルが完成され、ソ連邦の井戸
の80〜90係が軸流ターボドリルによりせん孔される
に到った。
Although there were many problems, multistage turbo drills were perfected in the 1940s and 1950s, and 80 to 90 wells in the Soviet Union were drilled using axial flow turbo drills.

ターボドリル技術についての実施許諾が米国、フランス
、ドイツ、及びオーストリアに与えられた。
Licenses for turbodrill technology were granted to the United States, France, Germany, and Austria.

ターボドリルはまだ商業上充分受は入れられず、直進孔
用として主に用いられた。
Turbo drills were not yet fully accepted commercially and were mainly used for straight drilling.

全ての垂直せん孔モータは実質上次の四つの基本部分か
ら成り立っている。
All vertical drilling motors essentially consist of four basic parts:

即ち、(1)モータ部分 (2)スラスト軸受部分 (3)ラジアル軸受部分 (4)回転シール部分 である。That is, (1) motor part (2) Thrust bearing part (3) Radial bearing part (4) Rotating seal part It is.

軸受及びシールはモータ部分に独立したユニットとして
配置することができ、又どのようなタイプのモータにも
使用可能である。
The bearings and seals can be placed as a separate unit in the motor section and can be used with any type of motor.

モータは次の二つの型式に分けられる。Motors are divided into the following two types.

(1)ターボドリル (2)確動モータ(PO8ITIVE DISPLAC
EMENT)ターボドリルは、ビットを回転させるトル
クを発生すべくタービンドリルを流れるせん乱流体(マ
ッド)のモーメント変化を利用している。
(1) Turbo drill (2) Positive motor (PO8ITIVE DISPLAC
A turbo drill uses the moment change of the turbulent fluid (mud) flowing through the turbine drill to generate the torque that rotates the bit.

ローラヒツトが約15orpm以下の速度において効率
的に作動し得るにもかかわらず、モータは600〜10
00 rpmで回転するので、はとんどのターボドリル
にダイヤモンドビットが使用されている。
Even though the roller hit can operate efficiently at speeds below about 15 orpm, the motor
Diamond bits are used in most turbo drills because they rotate at 0.00 rpm.

確動モータは固定された容積変位をもち、速度は流量に
直接比例する。
Positive motors have a fixed volumetric displacement and speed is directly proportional to flow rate.

現に使用され或は開発中の確動モータは次の三つのタイ
プに分類される。
Positive motors currently in use or under development are classified into the following three types.

1、MOINEAUモータ 2、可撓ベーンモータ 3、滑動ベーンモータ これらのモータは大きな容量変位をもち、低速で大トル
クを発生する。
1. MOINEAU motor 2, flexible vane motor 3, sliding vane motor These motors have large capacity displacement and generate large torque at low speed.

垂直せん孔モータのスラスト軸受の欠点は、ビットの作
動及びドリルストリングの振動によって生じる大きな動
荷重に起因する。
The disadvantage of thrust bearings in vertical drilling motors is due to the large dynamic loads caused by bit operation and drill string vibration.

成る大きな石油会社が孔の底部に記録計を置いて、動荷
重がしばしばビット重量を50係以上も超過することを
発見した。
A large oil company placed a recorder at the bottom of the hole and discovered that the dynamic loads often exceeded the bit weight by more than 50 factors.

ドリルビットの重量が40000ポンドのとき、ビット
が底部ではねて120000ポンドの過剰荷重を発生す
ることが偶然発見された。
It was accidentally discovered that when a drill bit weighs 40,000 pounds, the bit bounces off the bottom and creates an excess load of 120,000 pounds.

かかる大きな荷重のためスラスト軸受は短期間で破損し
、ために軸受の過剰設計が必要であった。
Such large loads caused thrust bearings to fail in a short period of time, requiring over-design of the bearings.

垂直せん孔モータとして次の二つの型式の軸受が用いら
れていた。
Two types of bearings were used in vertical drilling motors:

(1)ゴム摩擦軸受 (2)ボール又はローラ軸受 これらの軸受は研磨性のせん孔マッド中で作動するので
通常20〜100時間で磨耗する。
(1) Rubber friction bearings (2) Ball or roller bearings These bearings typically wear out in 20 to 100 hours since they operate in an abrasive drilling mud.

更に、コム摩擦軸受はターボドリルの出力トルクの30
〜40係を摩擦で吸収してしまう。
In addition, the comb friction bearing can reduce the output torque by 30% of the turbo drill's output torque.
~40 units will be absorbed by friction.

スラスト軸受ノ寿命を、ビット重量と流体推力とを平衡
させて、軸受から荷重の大部分を取り去ることにより、
増加させることができる。
Extend the life of thrust bearings by balancing bit weight and fluid thrust, taking most of the load off the bearing.
can be increased.

ラジアル軸受はせん孔モータの両側及びスラスト軸受の
両側に必要である。
Radial bearings are required on both sides of the drilling motor and on both sides of the thrust bearing.

これらのラジアル軸受は通常スラスト軸受よりも低い荷
重を受け、従って寿命が長い。
These radial bearings typically experience lower loads than thrust bearings and therefore have a longer life.

ラジアル軸受は次の二つに分けられる。Radial bearings can be divided into the following two types.

(1)舶用軸受 (2)ボール又はローラ軸受 大部分のモータは黄銅、ゴム、又は同様の軸受機から成
る舶用軸受を含んでいる。
(1) Marine Bearings (2) Ball or Roller Bearings Most motors include marine bearings made of brass, rubber, or similar bearings.

舶用軸受は循環マッド流によって冷却される。Marine bearings are cooled by circulating mud flow.

回転シールは垂直モータの最も弱い部分である。The rotating seal is the weakest part of the vertical motor.

改良されたシールは軸受を潤滑油中にシールし、その寿
命を長くし、かつ、ビットより高圧下で作動させること
を可能とするので、大巾にせん孔速度を増大させる。
The improved seal seals the bearing in lubricating oil, increasing its life and allowing it to operate under higher pressure than the bit, greatly increasing drilling rates.

シールとして次の六つのものが試験されている。The following six seals have been tested:

(1)バッキングシール (2)フェイスシール (3)ラビリンスシール (4)ラジアルリップシール (5)圧縮シール(摩擦軸受、舶用軸受)(6)流量計
測シール 現在のせん孔モータはせん孔マットが連続的に回転シー
ルを通りもれるので、砂その他の研磨性粒子が回転シー
ルへ入り、シールを短期間で損耗させる。
(1) Backing seal (2) Face seal (3) Labyrinth seal (4) Radial lip seal (5) Compression seal (friction bearing, marine bearing) (6) Flow rate measurement seal Current drilling motors have a continuous drilling mat. As they pass through the rotating seal, sand and other abrasive particles enter the rotating seal and wear it out over a short period of time.

小量のもれも許さないシール、及び、望ましくは上、下
部シールへの圧力を平衡させるための手段がターボドリ
ルの改良には必要である。
A turbodrill improvement requires a seal that does not permit even small amounts of leakage, and preferably a means to balance the pressure on the upper and lower seals.

本発明の要旨は次に述べる通りである。The gist of the present invention is as follows.

ドリルパイプのストリングに接続されたドリルモータが
、回転ビット又は高速用硬質ダイヤモンドビット等のド
リルビットを駆動する回転軸を有する。
A drill motor connected to a string of drill pipes has a rotating shaft that drives a drill bit, such as a rotary bit or a high speed hard diamond bit.

タービン部は、最大タービン効率を得るため14度〜2
3度の出口角をもつ、断面が三日月状の固定及び回転ブ
レードを備えている。
The turbine section is heated between 14 degrees and 2 degrees for maximum turbine efficiency.
It has stationary and rotating blades of crescent-shaped cross section with an exit angle of 3 degrees.

ドリルモータは確動モータであっても良い。The drill motor may be a positive motor.

支承軸(ヘアリングシャフト)には、半径方向及び軸方
向の推力を支承する回転軸受の下方に位置する山形回転
シールが設けられている。
The bearing shaft (hairing shaft) is provided with an angle-shaped rotary seal located below a rotary bearing that supports the radial and axial thrust forces.

潤滑油が回転シールから軸受上方の所定位置迄充填され
ている。
Lubricating oil is filled from the rotary seal to a predetermined position above the bearing.

ピストンが潤滑室をシールし、かつ、装置内を流れるせ
ん孔マットにより加圧されている。
A piston seals the lubrication chamber and is pressurized by a perforation mat flowing through the device.

潤滑油の層が第1ピストンの上方にあり、かつ、潤滑油
を被覆すると共にせん孔マッドから、軸受部を囲んでい
る潤滑油へ圧力を伝達する第2ピストンを有する。
A layer of lubricating oil is above the first piston and has a second piston covering the lubricating oil and transmitting pressure from the drilling mud to the lubricating oil surrounding the bearing.

ドリルマッド流は、ドリルピッドを回転させるための流
れと、ドリルピッドを通過する流れとに分岐する。
The drill mud flow branches into a flow for rotating the drill pid and a flow for passing through the drill pid.

ドリルビット部の圧力低下はせん孔モータ部の圧力低下
に等しく、これにより、軸受シール両側の圧力が平衡に
保たれる。
The pressure drop across the drill bit is equal to the pressure drop across the drilling motor, which balances the pressure on both sides of the bearing seal.

以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described in detail below based on the drawings.

先ず第1A図乃至第1D図に、符号10としてターボド
リルが示されている。
First, a turbo drill is shown at 10 in FIGS. 1A to 1D.

ターボドリル10はその直径に比して軸方向が極めて長
く、第1A図は一部を省略してはいるが、全体を示すた
めに、第1A図、第1B図、第1C図、及び、第1D図
を必要とする。
The turbo drill 10 is extremely long in the axial direction compared to its diameter, and although a portion is omitted in FIG. 1A, in order to show the whole, FIGS. 1A, 1B, 1C, and Requires Figure 1D.

この種の代表的なターボドリルは、直径が7.75イン
チで、長さが約20.5フイートである。
A typical turbo drill of this type is 7.75 inches in diameter and approximately 20.5 feet long.

タービン部がターボドリルの全長の略半分を占めている
ため、多段タービンの大部分を省略しである。
Since the turbine section occupies approximately half of the total length of the turbo drill, most of the multi-stage turbine is omitted.

ターボドリル10の上端には、ドリルストリング14の
下端とねじ部13を形成するねじ部12が設けられてい
る。
A threaded portion 12 that forms a threaded portion 13 with the lower end of the drill string 14 is provided at the upper end of the turbo drill 10 .

固定外被11には、ドリルストリング14の開口部と連
通ずる通路15が設けである。
The stationary jacket 11 is provided with a passage 15 communicating with an opening in the drill string 14.

固定外被11は、固定外被19の端部と、符号17で示
すように螺合するねじ部16を有する。
The fixed jacket 11 has a threaded portion 16 that is threadedly engaged with the end of the fixed jacket 19 as indicated by the reference numeral 17 .

固定外被部18は、組み立てられたときに、固定外被1
1のねじ部16に設けた環状溝21と合致する環状溝2
0を有する。
The fixed jacket part 18, when assembled,
An annular groove 2 that matches the annular groove 21 provided in the threaded portion 16 of No. 1
has 0.

ロックリング22が、固定外被11.19の事故による
分離を阻止すべく、環状溝20.21で構成されろ環状
空間に挿入されている。
A locking ring 22 is inserted into the annular space formed by the annular groove 20.21 to prevent accidental separation of the fixed jacket 11.19.

固定外被部18には、更に、固定外被11から固定外被
19を分離する際にロックソング22へ圧力を加えるた
めの、均一な間隔で配設された孔23が設けられている
The fixation jacket part 18 is further provided with uniformly spaced holes 23 for applying pressure to the locking song 22 during separation of the fixation jacket 19 from the fixation jacket 11.

この構造の詳細は、出願臼1977年11月9日、出願
番号84.9979号の米国出願の第6図及び第7図に
示されている。
Details of this construction are shown in FIGS. 6 and 7 of the US application no. 84.9979, filed Nov. 9, 1977.

螺合部は溝25に配置したオーリング24でシールされ
ている。
The threaded portion is sealed with an O-ring 24 placed in the groove 25.

ターボドリルのタービン部は、固定外被11と連接する
ジヨイント部17の直下において固定外被19中に配置
されている。
The turbine section of the turbo drill is arranged in the stationary jacket 19 directly below the joint part 17 that connects with the stationary jacket 11 .

タービンの固定部は複数個の固定子26を有する。The fixed part of the turbine includes a plurality of stators 26 .

これらは出願臼1977年11月9日、出願番号849
976号の米国出願の第3図、第3A図、第4図、第5
図に詳細に説明されている。
These are filed on November 9, 1977, application number 849.
Figures 3, 3A, 4 and 5 of the '976 U.S. Application
It is explained in detail in the figure.

固定子26はベーン又はブレード27を備えた環状の構
造を有する。
Stator 26 has an annular structure with vanes or blades 27 .

固定子26は、固定外被19の内面と適合する滑動子を
有する外側表面を備えている。
Stator 26 has an outer surface with slides that match the inner surface of stationary jacket 19 .

又、固定子26は固定外被19内で軸方向に積層されて
いる。
Furthermore, the stators 26 are stacked in the axial direction within the stationary jacket 19.

代表的な、直径7.75インチのターボドリルは50の
固定子と回転子とを有する。
A typical 7.75 inch diameter turbo drill has 50 stators and rotors.

固定子は硬質のべIJ IJウム銅合金でつくられてい
て、耐摩耗性を有しかつ錆性の固定外被19よりやや高
い膨張係数をもっている。
The stator is made of a hard aluminum copper alloy, which is wear resistant and has a slightly higher coefficient of expansion than the rust-resistant stationary jacket 19.

固定子26の積層体は膨張して固定外被19の内面とつ
っばりあうので一定の圧縮力を常に受け、すべりを生じ
ることがない。
Since the laminated body of the stator 26 expands and is tightly pressed against the inner surface of the fixed jacket 19, it is constantly subjected to a constant compressive force and does not slip.

又、高い熱膨張係数をもっているので、固定子26はタ
ーボドリルの使用中に発生する高熱により増々膨張しよ
うとしてより固定外被19へ圧着し、すべりは効果的に
防止される。
Further, since it has a high coefficient of thermal expansion, the stator 26 tends to expand more and more due to the high heat generated during use of the turbo drill, and is pressed against the fixed jacket 19, thereby effectively preventing slippage.

固定外被19の上端には、固定外被部11の終端と関連
する最上端の固定子26に位置する環状スペーサ28が
設けられている。
The upper end of the stationary jacket 19 is provided with an annular spacer 28 located at the uppermost stator 26 associated with the terminal end of the stationary jacket 11 .

固定外被19の下端には、ねじ継手31にスリーブ30
を受は入れている。
A sleeve 30 is attached to the threaded joint 31 at the lower end of the fixed jacket 19.
The reception is included.

内面にねじの切っである筒部29が設けられている。A threaded cylindrical portion 29 is provided on the inner surface.

スリーブ30の下端は、レンチでねじ継手31ヘスリー
ブ30を強くねじ込むためのノツチ32が設けられてい
る。
The lower end of the sleeve 30 is provided with a notch 32 for firmly screwing the sleeve 30 into the threaded joint 31 with a wrench.

スリーブ30が図示の位置へ固着されると、その上端は
最下端の固定子26と接合し、固定子26の積層体及び
環状スペーサ28を押圧する。
When the sleeve 30 is secured in the position shown, its upper end joins the lowermost stator 26 and presses against the stack of stators 26 and the annular spacer 28.

スリーブ30が完全に締めつけられると固定子26の積
層体は圧縮力を充分に受は固定外被19の内面へ圧接せ
しめられるので作動中にすべりを生じることがない。
When the sleeve 30 is completely tightened, the laminated body of the stator 26 receives a sufficient compressive force and is brought into pressure contact with the inner surface of the fixed jacket 19, so that no slippage occurs during operation.

固定外被19の筒形部29の下端は、ベアリング部35
の上端ねじ部34と、ねじ継手33内において結合して
いる、ねじ継手33の直下には、ベアリング部35に設
けた環状溝21a及び固定外被19に設けた環状溝20
aが位置しており、そこへスプリング係止リング22a
が事故による分離を阻止すべ(はめ込んである。
The lower end of the cylindrical portion 29 of the fixed jacket 19 is connected to a bearing portion 35.
An annular groove 21a provided in the bearing portion 35 and an annular groove 20 provided in the fixed jacket 19 are directly below the threaded joint 33 that are connected to the upper end threaded portion 34 in the threaded joint 33.
a is located, and the spring locking ring 22a is located there.
should prevent accidental separation.

固定外被下端には、係止リング22aに圧力を加えてね
し継手33を分離せしめるための孔23aが設けである
A hole 23a is provided at the lower end of the fixed jacket for separating the screw joint 33 by applying pressure to the locking ring 22a.

溝25aに設けたオーリング24aによりねじ継手33
からの流体のもれは防止される。
Threaded joint 33 by O-ring 24a provided in groove 25a
Fluid leakage is prevented.

ベアリング部35は、ねじ継手33から下端筒形部36
へとのびていて、下端筒形部36はベアリング補助部3
8をもつねじ継手37を有する。
The bearing part 35 extends from the threaded joint 33 to the lower end cylindrical part 36.
The lower end cylindrical part 36 extends to the bearing auxiliary part 3.
It has a threaded joint 37 with 8.

ベアリング部36はスリーブ30の内径と等しい内径の
内側面39をもち、ベアリング部35の上端のやや下方
において円錐面41を介して拡張された潤滑室が構成さ
れている。
The bearing portion 36 has an inner surface 39 with an inner diameter equal to the inner diameter of the sleeve 30, and a lubrication chamber is formed slightly below the upper end of the bearing portion 35 via a conical surface 41.

円錐面41の下方には、各種のラジアル及びスラスト軸
受を収容した拡張内側面43へ続く円錐部42が設けら
れている。
Below the conical surface 41 is a conical section 42 that leads to an enlarged inner surface 43 that accommodates various radial and thrust bearings.

内側面43はベアリング部35の下端筒形部36の内面
のねじ部で終了している。
The inner surface 43 terminates in a threaded portion on the inner surface of the lower end cylindrical portion 36 of the bearing portion 35 .

ターボドリルの上端かつ固定外被19の内部には、ねじ
部46の上端と、ねじ部47の下端との間に位置する筒
状外側面45をもつ回転軸44が設けられている。
A rotating shaft 44 having a cylindrical outer surface 45 located between the upper end of the threaded part 46 and the lower end of the threaded part 47 is provided at the upper end of the turbo drill and inside the fixed jacket 19 .

回転軸44は積層された複数の回転子48及び固定ベー
ン27と共に整列せしめられたブレード又はベー749
を有する。
The rotating shaft 44 has blades or vanes 749 aligned with a plurality of stacked rotors 48 and fixed vanes 27.
has.

固定子26は、円周方向に均等に配置されたブレード又
はベー727を間に有する外部スリップ50及び内部ス
リーブ51を含んでいる。
Stator 26 includes an outer slip 50 and an inner sleeve 51 having circumferentially evenly spaced blades or bays 727 therebetween.

外部スリーブ50の外面は固定外被19の内面に固定子
が固定外被に対しスリップしないように圧接している。
The outer surface of the outer sleeve 50 is pressed against the inner surface of the stationary jacket 19 to prevent the stator from slipping against the stationary jacket.

内部スリーブ51の内面は、回転子48を滑らかに回転
運動させるための軸受面を構成している。
The inner surface of the inner sleeve 51 constitutes a bearing surface for smoothly rotating the rotor 48.

回転子48は、ブレード又はベーン49が突出している
バブ52及びスリーブ53を有する。
The rotor 48 has a bub 52 and a sleeve 53 from which blades or vanes 49 project.

スリーブ53の外面54は、固定子26の内部スリーブ
51の内側軸受面と適合する軸受面を形成している。
The outer surface 54 of the sleeve 53 forms a bearing surface that mates with the inner bearing surface of the inner sleeve 51 of the stator 26 .

スリーブ53と・・ブ52の内面55に滑らかな面であ
って、回転軸44とに回転子48を支持するための溝(
図示せず)を有している。
The inner surface 55 of the sleeve 53 and the sleeve 52 has a smooth surface and a groove (for supporting the rotor 48 on the rotating shaft 44).
(not shown).

ブレード又はベーンは通常断面が三日月状に構成されて
いる。
The blades or vanes are usually crescent-shaped in cross-section.

ベーン部材49は、流体即ち泥を受は入れるための入口
である上端部と、流体を吐出するための出口である下端
部とを備えている。
The vane member 49 has an upper end that is an inlet for receiving fluid, ie mud, and a lower end that is an outlet for discharging fluid.

ブレード又はベーンの形状はターボドリルの設計上重要
である。
The shape of the blade or vane is important in the design of a turbo drill.

特に、ブレード又はベーンの出口角度は、タービン内に
最大トルクを発生させるためには、極めて狭い範囲内に
設定されなげればならない。
In particular, the exit angle of the blades or vanes must be set within a very narrow range in order to generate maximum torque within the turbine.

ブレード又はベーンの出口角は、ベーン部材49の内部
曲線と外部曲線の間の中間点上の曲線の接線と、回転子
の中心線に対する垂直線との間の角度として測定される
The exit angle of a blade or vane is measured as the angle between the tangent to the curve at the midpoint between the inner and outer curves of vane member 49 and a line perpendicular to the rotor centerline.

出口角は14度から23度の間でなければならず、特に
18度から21度の間が望ましい。
The exit angle should be between 14 and 23 degrees, preferably between 18 and 21 degrees.

この出口角において最大の回転トルクが得られる。Maximum rotational torque is obtained at this exit angle.

固定子26のベーン部材27の構造はベーン部材49の
鏡像をなしている。
The structure of vane member 27 of stator 26 is a mirror image of vane member 49.

回転子48は、固定子26のベーン部材27と共に配列
されたベーン部材49と共に、回転軸44上に積層され
ている。
The rotor 48 is stacked on the rotating shaft 44 together with a vane member 49 arranged together with the vane member 27 of the stator 26 .

回転子48は、キー溝と共に回転軸44に位置し、かつ
、回転軸44の縦溝と共に一列に並んでいる。
The rotor 48 is located on the rotating shaft 44 together with the keyway, and is aligned with the longitudinal groove of the rotating shaft 44 .

スチールワイヤが回転軸44と回転子48の合致溝(図
示せず)へ回転子を固定すべく挿入されている。
A steel wire is inserted into mating grooves (not shown) between the rotating shaft 44 and the rotor 48 to secure the rotor.

回転子の積層体の下端は、スプライン継手部材の上端6
5に位置する回転スペースリング64に当接している。
The lower end of the rotor stack is connected to the upper end 6 of the spline joint member.
It is in contact with the rotating space ring 64 located at 5.

回転軸44の上端には、内面にねじ部67を有しかつ回
転軸44のねじ部46とでねじ継手を構成するキャップ
66が設けられている。
A cap 66 having a threaded portion 67 on its inner surface and forming a threaded joint with the threaded portion 46 of the rotating shaft 44 is provided at the upper end of the rotating shaft 44 .

キャップ66が強く締めつげられた位置にあるとき、そ
の下端68は、最上部の回転部材48に当接し、かつ、
回転軸44上に回転部材の積層体を強く押圧する。
When the cap 66 is in the tightened position, its lower end 68 abuts the top rotating member 48 and
The stack of rotating members is strongly pressed onto the rotating shaft 44.

キャップ66は中心開口166と、作動中にキャップ6
6が緩むことのな℃゛ようにするための止めねじ70を
設けた一つ又はそれ以上のねじ孔69を有する。
The cap 66 has a central opening 166 and, during operation, the cap 6
6 has one or more threaded holes 69 with set screws 70 to prevent loosening.

タービン部の下端には、最下端の回転ベーンに隣接して
、流体を吐出するため固定外被19の壁部に設けた一つ
又はそれ以上の開口235が設けられている。
At the lower end of the turbine section, adjacent to the lowermost rotating vane, there are one or more openings 235 in the wall of the stationary jacket 19 for discharging fluid.

又選択的に、開口235の外側にシールド236が設け
られる。
Optionally, a shield 236 is also provided outside the opening 235.

上記スプライン部材71は、回転スペースリング64と
当接する上端部65を有する。
The spline member 71 has an upper end 65 that abuts the rotating space ring 64 .

スプライン部材71は内面にねじ部を有し、回転軸44
の下端47とねじ継手72を構成している。
The spline member 71 has a threaded portion on its inner surface, and the rotation shaft 44
It forms a threaded joint 72 with the lower end 47 of.

スプライン部材71は中空で、環状通路を形成するため
の、スリーブ30の内面から離隔した外面73を有する
Spline member 71 is hollow and has an outer surface 73 spaced from the inner surface of sleeve 30 to define an annular passageway.

スプライン部材71の下端は環状のスプラインスペーサ
76と当接している。
The lower end of the spline member 71 is in contact with an annular spline spacer 76 .

スプライン部材71は、スプラインピン78を受は入れ
る下端筒状部75内に複数の溝77を有する。
The spline member 71 has a plurality of grooves 77 in the lower end cylindrical portion 75 into which the spline pins 78 are received.

下部スプライン部材79は、スプラインビン78の他の
側を受は入れる溝81を備えた上部ピン80を有する。
Lower spline member 79 has an upper pin 80 with a groove 81 that receives the other side of spline bin 78 .

スプライン79はスペーサ部材76の下端を受は入れる
段部82を有する。
Spline 79 has a stepped portion 82 into which the lower end of spacer member 76 is received.

スプライン部材79の下端筒状部83は、ねじ継手部8
5において、支承軸84の上端を受は入れるべく内面に
ねじ部を有する。
The lower end cylindrical portion 83 of the spline member 79 is connected to the threaded joint portion 8
5 has a threaded portion on the inner surface to receive the upper end of the support shaft 84.

止めねじ86が動作中におけるねし継手85のゆるみを
防止すべく設けられている。
A set screw 86 is provided to prevent the threaded joint 85 from loosening during operation.

スプライン部材79は、部材710通路74を介して一
端が開口166と、他端が支承軸84の通路88と、夫
々連通している。
The spline member 79 communicates with the opening 166 at one end and with the passage 88 of the support shaft 84 at the other end via the passage 74 of the member 710.

スプライン部材71.79及びスプラインビン78は、
回転軸44と支承軸84とのスプライン継手を形成して
いる。
The spline members 71, 79 and the spline bin 78 are
A spline joint between the rotation shaft 44 and the support shaft 84 is formed.

支承軸84はその上端がスプライン部材79の下端と、
又、その下端が他の軸受スリーブ90と夫々接触してい
る。
The upper end of the support shaft 84 is connected to the lower end of the spline member 79,
Further, their lower ends are in contact with other bearing sleeves 90, respectively.

スリーブ89の外面は軸受部35の内面から、環状通路
91を形成すべく、離間しており、環状通路91には、
潤滑グリース又はオイル、及び、浮動ピストン対92.
93が収容されている。
The outer surface of the sleeve 89 is spaced apart from the inner surface of the bearing portion 35 to form an annular passage 91, and the annular passage 91 includes:
Lubricating grease or oil and floating piston pair 92.
93 are accommodated.

ピストン92は一側に山形シールを、他側に弾性のある
圧縮可能なレール96を設けたピストン本体94を含ん
でいる。
Piston 92 includes a piston body 94 with a chevron seal on one side and a resilient compressible rail 96 on the other side.

シール95゜96はキャップネジで保持されるキャップ
97によって圧縮されている。
Seals 95 and 96 are compressed by caps 97 held by cap screws.

ピストン92のシールは周知の構造を有し中心スペーサ
と、キャップ97とでシールを圧縮する端部スペーサと
を含んでいる。
The seal of piston 92 is of known construction and includes a center spacer and end spacers that compress the seal with cap 97.

ピストン93はピストン92と同様の構造を有する。Piston 93 has a similar structure to piston 92.

ピストン92.93は、軸受部35の内面とスリーブ8
9の外面との間に滑動自在に配設され、潤滑グリース又
はオイルがピストン間及びピストン93の下方に充填さ
れている。
The pistons 92 and 93 are connected to the inner surface of the bearing portion 35 and the sleeve 8.
The lubricating grease or oil is filled between the pistons and below the piston 93.

潤滑室91の底部は、スリーブ90と環状スペーサ98
の上端によって構成されている。
The bottom of the lubrication chamber 91 includes a sleeve 90 and an annular spacer 98.
It is made up of the upper end of the .

潤滑室91の下端には、室91へ潤滑油を供給するパイ
プ99゜100を接続した一対の開口が設けられている
A pair of openings are provided at the lower end of the lubrication chamber 91 to which pipes 99.degree. 100 for supplying lubrication oil to the chamber 91 are connected.

部材98の下端は拡張された段部101を形成し、段部
101は軸受部35の段部42と接合している。
The lower end of the member 98 forms an enlarged step 101 , and the step 101 joins the step 42 of the bearing section 35 .

スペーサ98の下端は軸受部のスペーサ102と接合し
ている。
The lower end of the spacer 98 is joined to the spacer 102 of the bearing section.

ラジアルシールによってドリルの底部における潤滑油の
もれを防止されていル一連のラジアル及びスラスト軸受
力、スリーブ90とスペーサ102の下方に設けられて
いる。
A series of radial and thrust bearings are provided below the sleeve 90 and spacer 102 to prevent lubricant leakage at the bottom of the drill by radial seals.

上部のラジアル軸受は、等間隔に配置されたローラ軸受
104を支承する外側リング103からなる。
The upper radial bearing consists of an outer ring 103 bearing equally spaced roller bearings 104.

軸受リング105が支承軸84上に位置し、ラジアル軸
受体を完成させている。
A bearing ring 105 is located on the bearing shaft 84 and completes the radial bearing body.

この種のラジアル軸受は上述した高速ターボドリルに対
し適している。
This type of radial bearing is suitable for the high-speed turbo drill mentioned above.

7.75インチのターボドリルに向くラジアル軸受は、
Mc G il l Ma nufacturing
Co、 。
Radial bearings suitable for 7.75 inch turbo drills are:
McGill Ma nufacturing
Co.

Inc、 (Valparaiso、 Indiana
46383 )製造に係るMR−64及びMR−88
型軸受である。
Inc. (Valparaiso, Indiana)
46383) MR-64 and MR-88 related to production
It is a type bearing.

軸受スリーブ106は支承軸84上に位置し、かつ、支
承軸84と共に回転すべく取り付けられた軸受リング1
05の下端に接合している。
The bearing sleeve 106 is located on the bearing shaft 84 and the bearing ring 1 is mounted to rotate with the bearing shaft 84.
It is joined to the lower end of 05.

リング107は軸受部35の内側に固定され、かつ、ス
リーブ107が回転し得るようにスリーブ107から充
分に離れている。
Ring 107 is fixed inside bearing portion 35 and is sufficiently spaced from sleeve 107 to allow sleeve 107 to rotate.

リング10γの上端は同様に軸受部35内に固定された
軸受リング103の下端と接合している。
The upper end of the ring 10γ is similarly joined to the lower end of a bearing ring 103 fixed within the bearing portion 35.

リング107の下端には、圧縮スプリング109な収容
した一対の溝108が設けられている。
The lower end of ring 107 is provided with a pair of grooves 108 in which compression springs 109 are housed.

スプリングワッシャ110が圧縮スプリング109に対
し設けてありかつワッシャ110は最上部のスラスト軸
受の軸受リング111と接合している。
A spring washer 110 is provided for the compression spring 109 and the washer 110 joins the bearing ring 111 of the top thrust bearing.

スラスト軸受は上部軸受リング111、下部軸受リング
112、及び均等に配置された複数の軸受ローラ113
とから構成されている。
The thrust bearing includes an upper bearing ring 111, a lower bearing ring 112, and a plurality of evenly spaced bearing rollers 113.
It is composed of.

上部軸受リング111は軸受部35に密接し、スリーブ
106に対し間隙を有する。
The upper bearing ring 111 is in close contact with the bearing portion 35 and has a gap with respect to the sleeve 106.

下部軸受リング112はスリーブ106に密接し、軸受
部35の内面に対し間隙を有する1スラスト軸受のスペ
ーサリング114は支承軸84と密接し、軸受部35に
対し間隙を有する。
The lower bearing ring 112 is in close contact with the sleeve 106 and has a gap with the inner surface of the bearing portion 35. The spacer ring 114 of one thrust bearing is in close contact with the bearing shaft 84 and has a gap with the bearing portion 35.

スペーサ114の上端には、下部の軸受リング112を
押圧する圧縮スプリング116が位置する一対の溝11
5が設けられている。
The upper end of the spacer 114 has a pair of grooves 11 in which a compression spring 116 that presses the lower bearing ring 112 is located.
5 is provided.

スペーサ114の下端はスリーブ117と接合し、圧縮
スプリング119を内蔵した一対の溝118が設けられ
ている。
The lower end of the spacer 114 is joined to the sleeve 117 and is provided with a pair of grooves 118 in which a compression spring 119 is housed.

スペーサ114の下端は又下部のスラスト軸受の上部リ
ングと接合している。
The lower end of spacer 114 also joins the upper ring of the lower thrust bearing.

下部のスラスト軸受は、スリーブ117と密接する上部
リング120を含み、軸受部35の内面に対し微小の間
隙を有する。
The lower thrust bearing includes an upper ring 120 that is in close contact with the sleeve 117 and has a small gap with respect to the inner surface of the bearing portion 35 .

同様に下部軸受リング121及び軸受レースによって支
承される均等に配置されたローラとが設けられている。
There is also a lower bearing ring 121 and equally spaced rollers supported by the bearing race.

下部軸受リング121は軸受部35と密接し、スリーブ
117に対し間隙を有する。
The lower bearing ring 121 is in close contact with the bearing portion 35 and has a gap with respect to the sleeve 117.

下部軸受リング121の直下には、リング126と上部
内の溝125で支承される圧縮スプリング124を押圧
するワッシャ123が設けられている。
Immediately below the lower bearing ring 121 is a washer 123 which presses against a compression spring 124 which is supported in a ring 126 and a groove 125 in the upper part.

リング126は方向が逆である点を除きリング107と
同一である。
Ring 126 is identical to ring 107 except in the opposite direction.

リング126及びスリーブ117の下方には中間ラジア
ルスラスト軸受が位置している。
An intermediate radial thrust bearing is located below the ring 126 and sleeve 117.

この軸受は、回転運動に対し軸受ローラ128を支承す
る外側軸受リング127を含んでいる。
The bearing includes an outer bearing ring 127 that supports bearing rollers 128 for rotational movement.

内側リング129は支承軸84で支承されている。Inner ring 129 is supported on bearing shaft 84 .

中間ラジアル軸受の下方には、軸受部35の内面に密着
しているスペーサ130が設けられており、又、支承軸
の段部133と接合する段部132をもつスペースリン
グ131が設けられている。
A spacer 130 that is in close contact with the inner surface of the bearing portion 35 is provided below the intermediate radial bearing, and a space ring 131 that has a step 132 that joins with a step 133 of the support shaft is provided. .

スペーサ130,131間の間隙は潤滑油の下部ラジア
ル軸受への通路として充分なものである。
The gap between spacers 130 and 131 is sufficient to allow lubricating oil to pass to the lower radial bearing.

スペーサ130.131は最上部のラジアル軸受の上端
と接合している。
Spacers 130, 131 join the top end of the top radial bearing.

この軸受は、等間隔に配置されたローラ135を有する
外側リング134と内側リング136とから成る。
This bearing consists of an outer ring 134 and an inner ring 136 with equally spaced rollers 135.

外側リング134は軸受部35の内面に密接し、内側リ
ング136は支承軸84と密接している。
The outer ring 134 is in close contact with the inner surface of the bearing portion 35, and the inner ring 136 is in close contact with the bearing shaft 84.

軸受部35の下端には、軸受補助部材38が、最下端の
ラジアル軸受の軸受リング134の下端に対し締めつげ
られている。
At the lower end of the bearing portion 35, a bearing auxiliary member 38 is tightened against the lower end of the bearing ring 134 of the lowest radial bearing.

支承軸84には、一端が軸受リング136の下端と接合
し、他端が、支承軸の下端140の段部139と密接し
ているリング138と接合している軸受シールスリーブ
137が位置している。
A bearing sealing sleeve 137 is located on the bearing shaft 84 and has one end joined to the lower end of the bearing ring 136 and the other end joined to the ring 138 which is in close contact with the step 139 of the lower end 140 of the bearing shaft. There is.

軸受補助部38は係止リング22bを含む合致溝20b
、21bによってねじ継手部が外れないよう固定されて
いる。
The bearing auxiliary part 38 has a matching groove 20b including a locking ring 22b.
, 21b, the threaded joint portion is fixed so as not to come off.

孔23bは係止リング22bを解除すべく圧力を加える
ためのものである。
The hole 23b is for applying pressure to release the locking ring 22b.

補助部38にはオーリング25bを位置せしめた溝24
bが設けである。
The auxiliary part 38 has a groove 24 in which the O-ring 25b is positioned.
b is a provision.

動的(dynam ic )ラジアルシールが補助部3
8とシールスリーブ137の間に、軸受から潤滑油がも
れないように設けである。
Dynamic radial seal is auxiliary part 3
8 and the seal sleeve 137 to prevent lubricating oil from leaking from the bearing.

シールは上下部支持リング141.142をもつ山形シ
ールである。
The seal is a chevron seal with upper and lower support rings 141,142.

シールの中央はスペース部材143である。At the center of the seal is a space member 143.

スペーサ部材の上下部には、ターボドリルの動作中に軸
受から潤滑油をもらさないように圧縮状態に維持された
複数の山形シールが設けられている。
The upper and lower portions of the spacer member are provided with a plurality of chevron seals that are maintained in a compressed state to prevent lubrication from the bearings during operation of the turbo drill.

上部スペーサ部材141は係止リング145と接合し、
その位置に維持される。
The upper spacer member 141 is joined to the locking ring 145,
maintained in that position.

スペースリング142は溝147内の圧縮スプリング1
46と接合している。
Space ring 142 compresses spring 1 in groove 147
It is connected to 46.

下部拡張部140は符号148で示すように内部にねじ
が設けられている。
Lower extension 140 is internally threaded as shown at 148 .

このねじつき開口は、通路151をもつ、ドリルビット
150の中空接続部を受は入れる。
This threaded opening receives a hollow connection of a drill bit 150 having a passageway 151.

ターボドリルは回転式ドリルビット150を駆動するも
のとして図示されている。
A turbo drill is shown driving a rotary drill bit 150.

しかしながら容易に理解し得るように、どのような型式
のドリルビットでも使用可能である。
However, as can be readily understood, any type of drill bit can be used.

特に米国特許第3971450号に示されている硬質ダ
イヤモンドピットを備えたターボドリルが有効である。
Particularly effective is a turbo drill equipped with a hard diamond pit as shown in US Pat. No. 3,971,450.

以下本発明に係るせん孔装置の動作を説明する。The operation of the drilling device according to the present invention will be explained below.

ターボドリルは第1A図乃至第1D図に示すように組み
立てられる。
The turbo drill is assembled as shown in FIGS. 1A-1D.

装置は幾つかの部分に分割されているがねし継手により
結合されている。
The device is divided into several parts, which are connected by screw joints.

ターボドリルの外被は静止状態に維持され、ドリルは高
速で駆動され、ねじ継手を外す方向へトルクが作用する
The jacket of the turbo drill remains stationary and the drill is driven at high speed, applying torque in the direction of disengaging the threaded joint.

過去においては、ねじ継手は止ねしによって保護されて
いた。
In the past, threaded joints were protected by setscrews.

然しながう、止ねじは時としてそれ自体が緩み、希望す
る保護状態を得ることが困難であった。
However, the set screws sometimes loosened themselves, making it difficult to obtain the desired protection.

この構造では、ねじ継手は係止リングにより保護されて
いる。
In this construction, the threaded joint is protected by a locking ring.

装置の組立の際に、ターボドリルによって発生する温度
に充分耐え得る潤滑油が下部開口100を介してターボ
ドリルの下部へ供給される。
During assembly of the device, a lubricating oil sufficient to withstand the temperatures generated by the turbo drill is supplied to the lower part of the turbo drill through the lower opening 100.

潤滑油は開口100を介して軸受及びラジアルシールへ
浸透する。
Lubricating oil penetrates the bearing and radial seal through opening 100.

潤滑油が同様に開口99をあげてそこから破線位置のピ
ストン93の上部の空間へ充填され、破線位置のピスト
ン92を上昇させる。
Similarly, lubricating oil is filled into the space above the piston 93 at the dashed line position by raising the opening 99, thereby raising the piston 92 at the dashed line position.

ピストンが実線で示す位置に到達するのに充分な潤滑油
が充填された後、開口99.100が閉じられる。
After the piston has been filled with sufficient lubricant to reach the position shown in solid lines, opening 99.100 is closed.

ターボドリルがドリルストリング14(第1A図)へ接
続されたら、せん孔マッドをドリルス) IJン夛を介
して大流量で送り込む。
Once the turbo drill is connected to the drill string 14 (FIG. 1A), the drilling mud is pumped through the drill string 14 (FIG. 1A) at a high flow rate.

せん孔マッド流は通路15を通過した後、通路166へ
の流れと、タービン部の上端の環状空間への流れとに分
流される。
After passing through passage 15, the drilling mud flow is divided into flow into passage 166 and flow into the annulus at the upper end of the turbine section.

せん孔マッドは各タービン部を流れタービンを高速回転
させる。
The drilling mud flows through each turbine section and causes the turbine to rotate at high speed.

せん孔マッドの一つの流れは固定子26の各ベーン27
を通り、高速で回転子48のベーン49へ流れる。
One flow of drilling mud flows through each vane 27 of stator 26.
and flows to the vanes 49 of the rotor 48 at high speed.

固定子及び回転子のベーンの形状は既に詳説した通りで
ある。
The shapes of the stator and rotor vanes are as already described in detail.

ベーンの形状、特に出口角度は、回転子に最大の推力を
、又回転軸に最大のトルクを与えるように設計されてい
る。
The shape of the vanes, particularly the exit angle, is designed to provide maximum thrust on the rotor and maximum torque on the rotating shaft.

既に述べたようにタービン部は多数のタービン部材によ
って形成されている。
As already mentioned, the turbine section is formed by a large number of turbine members.

代表的な7,75インチのターボドリルにおいては、5
0組の固定子及び50組の回転子が用いられており、回
転軸44に高トルク及び高速回転を与える。
In a typical 7.75 inch turbo drill, 5
0 sets of stators and 50 sets of rotors are used to provide high torque and high speed rotation to the rotating shaft 44.

せん孔マッドはタービン部を通って通路235からター
ボドリルの周囲へ排出される。
The drilling mud is discharged from passage 235 through the turbine section and around the turbodrill.

排出部におけるせん孔マッドの圧力は孔内の水圧と略等
しい。
The pressure of the drilling mud at the discharge section is approximately equal to the water pressure inside the hole.

高速で回転する回転軸44はスプライン継手を介して支
承軸84へ接続されている。
A rotating shaft 44 rotating at high speed is connected to a support shaft 84 via a spline joint.

せん孔マッドの幾分かはタービン部から、支承軸の上端
でスプライン継手の周囲の環状空間へ流れ、ピストン9
2の上端へ圧力を加える。
Some of the drilling mud flows from the turbine section into the annular space around the spline joint at the upper end of the bearing shaft, where it passes through the piston 9.
Apply pressure to the top of 2.

従ってピストン92は、タービン部から排出されるせん
孔マッド流の流体圧力下に維持される。
Piston 92 is thus maintained under fluid pressure of the borehole mud flow exiting the turbine section.

ピストン92への圧力は空間91内の潤滑油を押圧する
ので、ピストン93を介して、ピストン93の下方の潤
滑油及び軸受とラジアルシール周辺の潤滑油は実質的に
流体圧に維持される。
The pressure on piston 92 presses on the lubricating oil in space 91, so that, via piston 93, the lubricating oil below piston 93 and around the bearing and radial seal is maintained at substantially fluid pressure.

過去において、浮動ピストンがターボドリル内の潤滑シ
ステムを加圧するのに用いられていたが、せん孔マッド
がピストンを浸食し、軸受及びシール領域へ侵入してタ
ーボドリルの動作部が破壊されることがあった。
In the past, floating pistons have been used to pressurize the lubrication system within turbo drills, but drilling mud can erode the piston and penetrate bearing and seal areas, destroying the working parts of the turbo drill. there were.

本発明の構造では、ピストン間に流体を介在させた潤滑
システムを備えた2重ピストン構造が、せん孔マッドに
よる汚染を防止し、シールに保護及び長寿命を与えてい
る。
In the construction of the present invention, a dual piston construction with a fluid lubrication system between the pistons prevents contamination from drilling mud and provides protection and longevity to the seals.

ターボドリルの作動上、軸受及びシールの構造は極めて
重要である。
The structure of bearings and seals is extremely important for the operation of turbo drills.

従来技術におけるターボドリルの軸受及びシールは事故
の最も多い部分であった。
The bearings and seals of turbo drills in the prior art were the most accident prone parts.

ラジアル軸受には、ラジアル荷重がスラスト荷重に比し
かなり小さく又、スペース上の制約も大きくはないため
、大きな問題はなく、既述の通り、ここでは、ローラ型
式のラジアル軸受が用いられている。
With radial bearings, the radial load is considerably smaller than the thrust load, and there are no major space constraints, so there are no major problems, and as mentioned above, roller-type radial bearings are used here. .

特にMcGi11社のMR−64及びMR−88型軸受
が適している。
Particularly suitable are McGi11's MR-64 and MR-88 type bearings.

ターボドリルにおけるスラスト軸受は構造上の重要点で
ある。
The thrust bearing in a turbo drill is an important structural point.

上部のスラスト軸受はせん孔中の上部推力を受は持ち、
下部のスラスト軸受がモータ静止時の荷重を受は持つ。
The upper thrust bearing carries the upper thrust during drilling,
The lower thrust bearing carries the load when the motor is stationary.

望ましいスラスト軸受は2つの環状リングで支承される
ローラ型スラスト軸受である。
The preferred thrust bearing is a roller type thrust bearing supported by two annular rings.

本発明の実施例において望ましいスラスト軸受として用
いられているものは、Andrews Bearing
Corp、 (Spart anburg jSou
th Carolina 29304 )製造のATH
734型スラスト軸スラスト軸受の軸受は122000
ポンドの動荷重に耐えることができる。
The preferred thrust bearing used in the embodiment of the present invention is the Andrews Bearing.
Corp, (Spart anburg jSou
th Carolina 29304) Manufacturing ATH
734 type thrust shaft thrust bearing is 122000
Capable of withstanding dynamic loads of pounds.

既に述べたように、軸受部のシール及び潤滑システムは
極めて重要である。
As already mentioned, the bearing seal and lubrication system is extremely important.

従来技術における軸受はせん孔マッドに直接さらされて
いたため寿命が極めて短かかった。
Bearings in the prior art had extremely short lifespans because they were directly exposed to the drilling mud.

改良された本装置においては、全軸受部は浮動ピストン
によって加圧された潤滑油を含むシールされた潤滑シス
テムと共に作動する。
In the improved device, all bearing sections operate with a sealed lubrication system containing lubricating oil pressurized by a floating piston.

軸受部から潤滑油がもれないようにするシールも極めて
重要である。
Seals that prevent lubricating oil from leaking from the bearings are also extremely important.

従来は通常シールとしてバッキング型式のもの又は圧縮
ゴムシールが用いられていたが、いづれも回転軸の回転
を困難なものとする程の圧力を加えることが必要であっ
た。
Conventionally, backing type seals or compressed rubber seals have been used as seals, but in either case it was necessary to apply pressure to the extent that it was difficult to rotate the rotating shaft.

改良された本装置においては、軸受に対する回転シール
として、潤滑油の損失を防止しかつせん孔マッドの軸受
への侵入を防止する多段山形シールが用いられ、軸受及
びドリルの寿命を増大させている。
In this improved device, a multi-stage chevron seal is used as a rotary seal to the bearing to prevent loss of lubricating oil and prevent drilling mud from entering the bearing, increasing the life of the bearing and drill.

通路166.74.88及び151を通りドリルビット
の隣接空間へ排出されるせん孔マッドの圧力は孔底部の
圧力と平衡しており、その圧力が底部シールに加えられ
ている。
The pressure of the drilling mud discharged through passages 166, 74, 88 and 151 into the space adjacent to the drill bit is in equilibrium with the pressure at the bottom of the hole, and that pressure is applied to the bottom seal.

従ってシール間の圧力低下はない。Therefore there is no pressure drop between the seals.

動作理論は次の通りである。The theory of operation is as follows.

せん孔マッドはモータ内を2つの流れとして通過する。The drilling mud passes through the motor in two streams.

大部分のマッドQtはタービンブレードを通り回転シー
ル上方の環状部へ流出する。
Most of the mud Qt flows through the turbine blades into the annulus above the rotating seal.

残りのマッドQbが回転子及びドリルピッドな通過する
The remaining mud Qb passes through the rotor and drill pit.

2つの流路を流れる割合はピッドの通路15151内の
ノズルの直径により制御される。
The rate of flow through the two channels is controlled by the diameter of the nozzle in the pit passage 15151.

ノズルを小くするとドリルを流れるマッド量は少くなる
The smaller the nozzle, the less mud will flow through the drill.

マッドがタービンブレードの底から環状部へ直接排出さ
せるという事実が、環状部のマッド圧力を潤滑室の浮動
ピストンへ加えることを可能とする。
The fact that the mud is discharged directly from the bottom of the turbine blade into the annulus allows the mud pressure in the annulus to be applied to the floating piston in the lubrication chamber.

従って、回転シールは環状部のマッド圧力に両側をさら
され、回転シールからマッドの圧力差は除去される。
Thus, the rotary seal is exposed on both sides to the mud pressure of the annulus, and the mud pressure differential is removed from the rotary seal.

この構造はターボドリルを作動させるのに必要なポンプ
圧力を減少させる。
This construction reduces the pump pressure required to operate the turbo drill.

何故なら、通常のターボドリルにおいてはビット圧力と
タービン圧力とが直列的であるのに反し、本発明の装置
においては並列的であるからである。
This is because the bit pressure and turbine pressure are connected in series in a normal turbo drill, but in the device of the present invention, they are connected in parallel.

全流量なQとすると、 Q=Qt+Qb (1)但し、
Qtはターボドリルの通路235の流量、Qbはドリル
ビットの通路151の流量である。
If Q is the total flow rate, then Q=Qt+Qb (1) However,
Qt is the flow rate in the passage 235 of the turbo drill, and Qb is the flow rate in the passage 151 of the drill bit.

ドリルビットとターボドリルをよぎる圧力低下は両者が
並列であるから等しい。
The pressure drop across the drill bit and turbo drill is equal since they are both in parallel.

即ち、Pb=Pt (2)
付加的な圧力抵抗をターボドリル及びビットに直列に加
えて夫々の流量を変化させてもよい。
That is, Pb=Pt (2)
Additional pressure resistance may be applied in series with the turbo drill and bit to vary the flow rates of each.

この圧力抵抗の大きさをモータに特定の動作特性を与え
るべく自動的に制御することができる。
The magnitude of this pressure resistance can be automatically controlled to provide the motor with specific operating characteristics.

例えば流量比、圧力低下、トルク、ビット重量又は回転
速度の関数として制御することができる。
For example, it can be controlled as a function of flow ratio, pressure drop, torque, bit weight or rotational speed.

但しに1は次式で定まる定数である。However, 1 is a constant determined by the following equation.

但し W=マッド濃度(lb/ρ4) Qb=ビットの流量(GPM) C=ノズル係数(七〇、95) A=ノズル面積(in2) タービン圧力低下ptは P t=に2WQ2t (4)
但し K2=設討係数 W=マッド濃度(/b/gal) Qt=ターボドリルのマッド流tc(GPM)式(2)
(3X4)から 式(6)はターボドリルとビットを流れる流量比がノズ
ル面積に逆比例すること及び流量に無関係であることを
示している。
However, W = Mud concentration (lb/ρ4) Qb = Bit flow rate (GPM) C = Nozzle coefficient (70, 95) A = Nozzle area (in2) Turbine pressure drop pt is P t = 2WQ2t (4)
However, K2 = Design coefficient W = Mud concentration (/b/gal) Qt = Turbo drill mud flow tc (GPM) Formula (2)
From (3X4), equation (6) shows that the ratio of flow rates through the turbo drill and the bit is inversely proportional to the nozzle area and is independent of the flow rate.

従って一旦ビットノズルが選択されたらこの比は一定で
ある。
Therefore, once a bit nozzle is selected, this ratio remains constant.

これにより圧力平衡ターボドリルの動作は単純化される
This simplifies the operation of the pressure balanced turbo drill.

式(1)へ式(6)を代入すると、 式(7)はAをOとすると全てのマッドはターボドリル
へ流れ、ターボドリルへの流れはAが増大するにつれ減
少することを示している。
Substituting equation (6) into equation (1), equation (7) shows that when A is O, all mud flows to the turbo drill, and the flow to the turbo drill decreases as A increases. .

ドリル孔を侵食から防止する手段が必要であり、これは
出口通路235を傾斜させるか、又は流体を上方へ指向
させるべくモータの囲りにスリーブ236を設けること
により達成できる。
A means of protecting the drill hole from erosion is required and this can be accomplished by sloping the outlet passage 235 or by providing a sleeve 236 around the motor to direct fluid upwardly.

第2A図乃至第2D図には他の実施例が示されている。Another embodiment is shown in FIGS. 2A-2D.

この実施例においては、軸受シールへの圧力を平衡させ
るため、異なる通路構造が用いられている。
In this embodiment, a different passage structure is used to balance the pressure on the bearing seals.

符号は第1A図乃至第1D図におけるものと略同−のも
のが用いられており、異る特徴部分についてのみ他の符
号が使用されている。
The symbols used are substantially the same as those in FIGS. 1A to 1D, and other symbols are used only for different features.

本実施例においては、固定外被19の開口235及びシ
ールド236が除去されている。
In this embodiment, the opening 235 and the shield 236 in the fixed jacket 19 have been removed.

スプライン部材71は、ターボドリルのタービン部から
の流体を内部へ通過せしめるための複数の通路63を有
する。
Spline member 71 has a plurality of passages 63 for allowing fluid from the turbine section of the turbo drill to pass therethrough.

チューブ62がキャップ66の開口166内に位置しか
っオーリング61でシールされている。
A tube 62 is located within the opening 166 of the cap 66 and is sealed with an O-ring 61.

チューブ62は、該チューブ62が突出している通路の
径よりも小い直径をもち、その周囲に環状のマッド通路
が形成されている。
The tube 62 has a diameter smaller than the diameter of the passageway from which the tube 62 projects, and an annular mud passageway is formed around it.

チューブ62の底部はドリルビット150の通路61の
上端内側に位置している。
The bottom of the tube 62 is located inside the upper end of the passage 61 of the drill bit 150.

チューブ62は通路61においてオーリング60により
シールされている。
The tube 62 is sealed in the passage 61 by an O-ring 60.

チューブ62は両端にねじを設けてねじ継手によりその
位置へ固定してもよく、この場合オーリングは用いられ
ず単なるシールが用いられる。
The tube 62 may be threaded at both ends and secured in place by a threaded joint, in which case no O-ring is used, but a simple seal.

支承軸の下端140の中空部59は、ドリルビット15
0の通路58を介して、又は、支承軸の拡大部140の
通路5Tを介して、外部と連通している。
The hollow portion 59 of the lower end 140 of the bearing shaft is connected to the drill bit 15
0 or via the passage 5T of the enlarged portion 140 of the bearing shaft.

通路57がもし用いられるならば、通路57は孔の浸食
を防止するため上方へ傾斜して設けられる。
If a passageway 57 is used, the passageway 57 is sloped upwardly to prevent hole erosion.

本実施例の動作は次の通りである。The operation of this embodiment is as follows.

せん孔マッドは2つの流れとしてターボドリル内を流れ
る。
The drilling mud flows through the turbo drill in two streams.

マッドの大部分Qtは、タービンブレード、スプライン
部材71の通路63を通ってチューブ62の外周の環状
空間を通過する。
Most of the mud Qt passes through the annular space around the outer periphery of the tube 62 through the turbine blade and the passage 63 of the spline member 71 .

更に軸受部を通り支承軸の拡大部140の内部空間59
へ流れ、ドリルビットの通路58又は拡大部1400通
路57を通って孔へ排出される。
Furthermore, the inner space 59 of the enlarged part 140 of the bearing shaft passes through the bearing part.
and is discharged into the hole through the drill bit passage 58 or the enlarged section 1400 passage 57.

タービン部を流れるこのマッド流により、タービンがド
リルを回転させる。
This mud flow flowing through the turbine section causes the turbine to rotate the drill.

マッドの他の細流はチューブ62へ流れドリルビット1
50の通路61から孔へ放出される。
Another trickle of mud flows into tube 62 and drill bit 1
50 is discharged from the passage 61 into the hole.

開口61と、通路58又は通路57との流量比はノズル
の直径によって制御される。
The flow ratio between opening 61 and passage 58 or passage 57 is controlled by the nozzle diameter.

通路61のノズルが小さければドリルビットを流れるマ
ッド流は少い。
The smaller the nozzle in passage 61, the less mud flow will flow through the drill bit.

タービンブレードの底部から孔の底部ヘマツドが放出さ
れるという事実により、孔の底部の圧力が潤滑室の浮動
ピストンへ作用していることが分る。
The fact that the bottom hem of the hole is discharged from the bottom of the turbine blade shows that the pressure at the bottom of the hole acts on the floating piston of the lubrication chamber.

底部の潤滑シールも同様に孔の底部の圧力にさらされる
The bottom lubricating seal is similarly exposed to the pressure at the bottom of the hole.

従って回転シールの両端に圧力差は生じない。Therefore, there is no pressure difference between the ends of the rotary seal.

全流量をQとすると Q=Q t +Q b (1
)但し、Qt=通路63及び通路58(父は57)の流
量 Qb−通路61の流量 ドリルビット及びターボドリル部の圧力低下はこれらが
並列であるため等しい。
If the total flow rate is Q, then Q=Q t +Q b (1
) However, Qt = flow rate Qb of passage 63 and passage 58 (father is 57) - flow rate of passage 61 The pressure drop in the drill bit and turbo drill part are equal because they are parallel.

Pb=Pt (2)付加的
に圧力抵抗を流量比を変化させるためターボドリル又は
ビットに直列に接続してもよい。
Pb=Pt (2) Additionally, a pressure resistor may be connected in series with the turbo drill or bit to change the flow rate ratio.

これらの圧力抵抗の大きさをモータに特別の動作特性を
与えるべく自動制御することができる。
The magnitude of these pressure resistances can be automatically controlled to provide specific operating characteristics to the motor.

例えば、流量、圧力低下、トルク、ビット重量、又は、
回転速度の関数として変化させることができる。
For example, flow rate, pressure drop, torque, bit weight, or
It can be varied as a function of rotational speed.

ビットの圧力低下は次のように示される。The pressure drop across the bit is shown as:

但し、K1は次式で示される定数である。However, K1 is a constant expressed by the following equation.

■ 拘=1T「罰で 但し、W=マッド濃度(#/gal) Qb−ビット部の流量(GPM) C=ノズル係数(0,95) A=ノズル面積(1n2) タービン部の圧力低下は次式で示される。■ Restraint = 1T “Punishment However, W = mud concentration (#/gal) Qb-Bit flow rate (GPM) C=nozzle coefficient (0,95) A = nozzle area (1n2) The pressure drop in the turbine section is expressed by the following equation.

P t =に2WQ2t (4
)但し、K2=設計定数 W−マッド濃度(#/gad) Qt=ターボドリル部の流量(GPM) 式(2X3X4)から 式(6)は流量比がノズル面積に逆比例し、流量とは無
関係であることを示している。
P t = 2WQ2t (4
) However, K2 = Design constant W - Mud concentration (#/gad) Qt = Flow rate of turbo drill part (GPM) From formula (2X3X4) to formula (6), the flow rate ratio is inversely proportional to the nozzle area and is unrelated to the flow rate. It shows that.

従って、一旦ノズルが選択されると、この比は一定であ
る。
Therefore, once a nozzle is selected, this ratio remains constant.

これにより圧力平衡ターボドリルの動作は簡明になる。This simplifies the operation of the pressure balanced turbo drill.

式(6)を式(1)へ代入すると、上式により、AがO
のとき、全流量がターボドリルを流れ、Aが増大するに
つれターボドリル部の流れが減少することが分る。
Substituting equation (6) into equation (1), the above equation shows that A becomes O
It can be seen that when , the entire flow flows through the turbo drill, and as A increases, the flow in the turbo drill section decreases.

上述の構造によりターボドリルの軸受シールへの圧力を
平衡させることができる。
The above structure makes it possible to balance the pressure on the bearing seals of the turbo drill.

流体通路の構造は確動型(PO3ITIVE DISP
LACEMENTTYPE)のせん孔モータに対しても
効果的に作用する。
The structure of the fluid passage is a positive type (PO3ITIVE DISP
It also works effectively on drilling motors (LACEMENT TYPE).

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1A図は、軸受シール両側に平衡圧力を与えるための
構造を示した、ターボドリルの上部の一部切欠正面図、
第1B図は、タービンシールを示すための、ターボドリ
ルの連続部分の一部切欠正面図、第1C図は、シール及
び軸受を示すための、ターボドリルの更に下方の連続部
分の一部切欠正面図、第1D図は、ドリルモータとドリ
ルビットの継手部を示すための、ターボドリルの最下端
部部の一部切欠正面図、第2A図は、軸受シール両側に
平衡圧力を与えるための他の構造を示した、ターボドリ
ルの上部の一部切欠正面図、第2B図は、他の態様のタ
ーボドリルを示すための、ターボドリルの連続部分の一
部切欠正面図、第2C図は、第2B図のターボドリルの
更に下方へ連続部分を示すための一部切欠正面図、第2
D図は、第2B図のターボドリルの最下端部を示すため
の一部切欠正面図である。 10はターボドリル、11.19は固定外被、35は軸
受部、44は回転軸、235は通路、92.93は浮動
ピストン対、91は潤滑室、150はドリルビット、1
41はシール。
FIG. 1A is a partially cutaway front view of the upper part of the turbo drill, showing the structure for applying balanced pressure to both sides of the bearing seal;
FIG. 1B is a partially cutaway front view of a continuous portion of the turbo drill to show the turbine seal, and FIG. 1C is a partially cutaway front view of a further lower continuous portion of the turbo drill to show the seal and bearing. 1D is a partially cutaway front view of the lowest end of the turbo drill to show the joint between the drill motor and the drill bit, and FIG. FIG. 2B is a partially cutaway front view of the upper part of the turbo drill showing the structure of the turbo drill; FIG. Partially cutaway front view to show the continuous part further downward of the turbo drill in Fig. 2B, 2nd
FIG. D is a partially cutaway front view showing the lowermost end of the turbo drill of FIG. 2B. 10 is a turbo drill, 11.19 is a fixed jacket, 35 is a bearing part, 44 is a rotating shaft, 235 is a passage, 92.93 is a floating piston pair, 91 is a lubrication chamber, 150 is a drill bit, 1
41 is a sticker.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 筒状外被部、 上記筒状外被部内で支承され、かつドリルビットを支持
すべく突出している回転軸、 せん孔流体(ドリルマッド)によって作動されかつ上記
回転軸を駆動する、上記筒状外被部内に設けられたモー
タ、 上記回転軸を支承するための筒状外被部内の軸受手段、 筒状外被部の外部におけるドリルマットの圧力にさらさ
れる、軸受手段の下方において、回転軸と外被部との間
に位置せしめた第1回転シール、軸受手段の上方におい
て、回転軸と外被部との間に位置せしめた第2回転シー
ル、 両シール間の軸受手段の周囲に充填された潤滑油、 モータの入口側から、モータ及び回転軸を介して、トリ
ルヒツトに隣接する外被部の外側の一点へ連通せしめた
第一通路、及び モータの出口端に隣接する一点から、外被部の壁面を介
して、該壁面の外側の一点へ連通し、かつ、第2回転シ
ールを外被部の外側のドリルマッド圧力にさらすべく、
第2回転シールへ関連せしめた第2通路 を含み、上記第1、第2通路が並列に接続され、かつ、
モータ部の圧力低下が第1通路部の圧力低下に等しく、
これにより、第1、第2回転シールへ加えられる圧力が
平衡していることを特徴とする一端をドリルストリング
の下端に、他端をドリルビットへ接続すべく構成されて
いる垂直せん孔装置。 2 第2通路が斜め後方へ突出していることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項に記載の装置。 3 放出されたドリルマッドを外被部の後方へ指向させ
るため、第2通路の出口部に、環状に配設されたシール
ドを有することを特徴とする特許請求の範囲第1項の装
置。 4 回転軸に支承され、かつ、第1通路の一部を形成す
る通路を設けたドリルビットを含むことを特徴とする特
許請求の範囲第1項の装置。 5 複数の固定タービンブレードを有する固定子と、回
転軸を駆動すべくドリルマッドを指向させるため、固定
ブレードと協動する複数の回転ブレードを有する回i軸
とからなるモータを含むターボドリルであることを特徴
とする特許請求の範囲第1項の装置。
[Scope of Claims] 1. A cylindrical jacket, a rotary shaft supported within the cylindrical jacket and protruding to support a drill bit, a rotary shaft actuated by drilling fluid (drill mud) to support the rotary shaft. a motor disposed within the cylindrical jacket for driving; bearing means within the cylindrical jacket for supporting the rotating shaft; bearing means exposed to the pressure of a drill mat outside the cylindrical jacket; a first rotary seal located between the rotary shaft and the outer sheath below the bearing means, a second rotary seal located between the rotary shaft and the sheath above the bearing means, and a second rotary seal between the two seals. A lubricating oil filled around the bearing means, a first passage communicating from the inlet side of the motor through the motor and the rotating shaft to a point on the outside of the jacket adjacent to the trill hit, and an outlet end of the motor. communicating from an adjacent point through a wall of the jacket to a point outside the wall and exposing the second rotary seal to drill mud pressure outside the jacket;
a second passage associated with a second rotary seal, the first and second passages being connected in parallel;
The pressure drop in the motor section is equal to the pressure drop in the first passage section,
A vertical drilling device configured to connect one end to the lower end of a drill string and the other end to a drill bit, whereby the pressures applied to the first and second rotary seals are balanced. 2. The device according to claim 1, wherein the second passage projects diagonally rearward. 3. The device of claim 1, further comprising an annularly disposed shield at the outlet of the second passage for directing the ejected drill mud to the rear of the jacket. 4. Apparatus according to claim 1, characterized in that it includes a drill bit supported on a rotating shaft and provided with a passageway forming part of the first passageway. 5. A turbo drill including a motor consisting of a stator having a plurality of fixed turbine blades and a rotary i-axis having a plurality of rotating blades that cooperate with the fixed blades to orient the drill mud to drive the rotating shaft. The device according to claim 1, characterized in that:
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