JP2000507659A - 井戸用ビットに適用する掘削条件を調整する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 所定の井戸用ビットに適用する掘削条件を調整する方法は、前記ビットによって掘削される区間における、地質の圧縮強度の検査を含む。前記所定のビットと同じサイズ及び設計の臨界ビット構造が、前記検査された圧縮強度とほぼ同一の圧縮強度の物質を掘削した後の摩耗を、摩耗した構造に対する各掘削データと共に分析する。前記分析から、前記各圧縮強度に対して、望ましくないビットの過剰な摩耗が発生する可能性が高くなる上限である、パワー制限を決定する。所定のビットを動作させる回転速度及びビット荷重のような掘削条件を、パワー制限以下の所望のパワー動作を維持するように調整する。いくつかの実現可能な回転速度／ビット荷重の組み合わせから所望の動作パワーが得られる場合、これらの条件を最適化する。

Description

【発明の詳細な説明】 井戸用ビットに適用する掘削条件を調整する方法 発明の背景 本発明は、掘削条件、具体的には、井戸用ビット(well bit)に適用される回転 速度及びビット荷重(weight-on-bit)の調整、更に好ましくは最適化に関するも のである。尚、ここで用いる場合、「井戸用ビット」という用語は、通常の井戸 掘削ビット（刃）及びコア掘りビット(coring bit)を含むものとする。 過去において、かかる掘削条件の調整は、科学というよりも技巧（又は勘によ る作業とも言える）の問題であることが多かった。 本発明者の知るところによれば、このような調整に対してより科学的な手法を 採用しようとした努力の成果が少なくともいくつかは見られる。例えば、米国特 許第５，４４９，０４７号は、掘削システムの「自動」制御を開示している。そ の基本的な手法は、単に所定の範囲の岩石圧縮強度に対して、所定の切削深度( 回転当たりの)を経験的に維持するに過ぎない。 E.M.Galle（Ｅ．Ｍ．ゲール）及びH.B.Woods（Ｈ．Ｂ．ウッズ）による"Best Constant Weight and Rotary Speed for Rotary Rock Bits"（回転式岩石ビット のための最良一定荷重及び回転速度）(API Drilling and Production Practice ，1963，第４８〜７３頁)は、所定の掘削作業のいずれにおいても、ビット荷重 が変化した場合、回転速度もそれに応じて自動的に変化し（あるいは、その逆と なり）、ビット荷重と回転速度との積は当該掘削作業全体を通して一定である、 という仮定の下で動作する方法について記載する。（これらの変数の１つが変化 すると、他の変数に応答的な変化を生じるが、２つの積が常に一定であるという 仮定は有効でないことを、本発明者は発見した。）この仮定の下で進めると、こ の方法は、研究室における検査の使用し、ビットの破損(failure)を招くビット 荷重及び回転速度の組み合わせを見出し、これらの組み合わせを回避することを 含んでいる。H.Word（Ｈ．ワード）及びM.Fisbeck（Ｍ．フィスベック）によっ て１９７９年オクラホマ州Tulsaにおける34th Annual Petroleum Mechanical Engineering Conference（第３４回年に一度の石油機械技術会議）において発表 された"Drilling Parameters and the Journal Bearing Bit"（掘削パラメータ 及びジャーナル軸受ビット）という別の技術論文は、最後に述べた論文を更新し たが、基本的な想定及び方法論を変化させた訳ではない。 上述の方法はいずれも、掘削作業全体を最適化するのではなく、またその可能 性もない。 発明の概要 本発明は、少なくとも破局的なビットの摩耗を回避するための、普遍性を高め た有効な評価基準を提供しようとするものであり、本発明の好適な実施形態では 、容認できない程加速するビット摩耗率を回避し、ビットの寿命と食込み率 (penetration rate)のようなその他のパラメータとの間のバランスを取ることを 可能とするものである。究極的な調整対象となる掘削条件は、回転速度及びビッ ト荷重であることが好ましいが、前述の評価基準は、その一方でも、他方でも、 これらのパラメータ自体の双方でもなく、その代わりにパワーとしている。パワ ーを基本的な評価基準として用いることにより、本発明の好適な形態では、所望 のパワーを得る回転速度及びビット荷重の組み合わせの選択を行い、更にこの範 囲内で最適化するための更に別の評価基準を用いることが可能となる。 本発明の最も基本的な形態では、ビットによって掘削される区間における地質 の圧縮強度を検査する。所定のビットと同じサイズ及び設計の臨界ビット構造が 、そのように検査された圧縮強度とほぼ同一の圧縮強度の物質を掘削した後の当 該臨界ビット構造の摩耗を、摩耗した構造に対する各掘削データと共に分析する 。この分析から、それぞれの圧縮強度に対して、望ましくないビットの摩耗が発 生する可能性が高くなる上限として、パワー制限を決定する。本発明の非常に基 本的な形態では、「望ましくない」ビットの摩耗として、破局的なビットの破損 を選択することができる。しかしながら、更に非常に好適な実施形態では、不当 に加速された摩耗率を望ましくないものと考え、パワー制限を用いることによっ てこれを回避する。 いずれの場合でも、これを行うには、所定のビットを動作させて、パワー制限 以下の望ましい動作パワーを維持するように、掘削条件を調整する。 このように分析した「臨界構造」は、所定のビット設計において、おそらく最 も速く摩耗する構造、及び／又は最初に破損する構造として定義し、この構造を ビット寿命の制限要因とする。例えば、多結晶ダイアモンド・コンパクト（「Ｐ ＤＣ：polycrystaline diamond compact」）型ドラッグ・ビットでは、カッター 即ち多結晶ダイアモンド・コンパクトは常に臨界構造となる。一方、ローラ・コ ーン型ビットでは、臨界構造は、典型的に、ベアリング又はジャーナル構造であ る。 本発明の好適な実施形態では、複数のかかる構造及びそれらの各掘削データを 、同様に分析する。これらの分析から、第１タイプの電気信号の相関対の系列を 発生する。かかる各対の２つの信号は、それぞれ、前述の構造のそれぞれに対す る、摩耗率及び動作パワーに対応する。第１タイプの系列のこれらの信号から、 パワー制限を求める。多数の臨界構造を分析し、かかる信号の相関対の系列を発 生することの利点は、（完全な破損とは異なり）過剰な加速摩耗が発生するパワ ー制限を判定する際の確信度が非常に高いことである。したがって、これらの好 適な実施形態は、単に破局的なビット摩耗を回避する以上のことが可能であり、 食い込み率のような他の要因に対して、合理的な摩耗率のバランスを取る（した がって、ビットの寿命のバランスを取る）ことが可能となる。 ここで、信号又は数値に関して「対応する」というのは、「機能的に関連する 」ことを意味し、対象の関数は、単純な同等関係の可能性もあるが、そうでなく てもよいことは理解されよう。「正確に対応する」が電気信号に関して用いられ る場合、当該信号が対象のパラメータそのものの値に直接変換されることを意味 する。ビット部分の「摩耗率」は、単位時間毎の長さ（新しい部品の外形から測 定する）として、又は単位時間毎の（部品の）材料体積のいずれかを単位として 定義することができる。 調整対象の掘削条件は、回転速度及びビット荷重であることが好ましい。通常 、安全係数を組み込むことが好ましい、即ち、パワー制限よりいくらか低いパワ ー・レベルであるが、合理的に可能な限り、この制限近くのパワー・レベル周囲 を維持することが好ましい。したがって、例えば、「合理的に」とは、前述の安 全係数の使用、及び調整対象の掘削条件に対する種々の現実的な制約に対する調 節を 含む。より具体的な例として、所定のリグには、安全係数を考慮にいれても、理 論的に望ましいパワー制限近くでの動作が許されない、回転速度の制限を有する ものもある。同様に、未ださほど深くない孔では、十分なビット荷重を与えて、 理論的に望ましいパワー制限に近付けて動作させることは、実際上不可能である 。 本発明の好適な実施形態は、更に、第２タイプの電気信号の相関対の系列を発 生することを含む。各対のそれぞれの信号は、回転速度値及びビット荷重値に対 応し、各対の回転速度及びビット荷重値から、理論的に、パワー制限に対応する パワーが得られる。言い換えると、一定の岩石強度及びビットの摩耗条件につい ても、理論的に前述の制限におけるパワーとなり得る、回転速度及びビット荷重 の多数の異なる組み合わせがある。ビットは、この第２系列における信号対の１ つに対応する回転速度及びビット荷重で動作させることが好ましい。「対応する 」とは、機能的に関連付けることを思い出せば、これは、例えば、ある程度のビ ット振動は殆ど常に発生しているので、信号対の１つに正確に対応する回転速度 及びビット荷重値よりも多少低い値で動作させればよく、これによって、安全係 数が含まれることを意味することが理解されよう。 また、ピーク軸方向及び横方向振動やビットのふれまわりのような、実質的に 不利なビット運動特性が発生する可能性が高くなるパワー制限に対する回転速度 制限を決定することも可能である。このように、この速度制限を超えての動作に よって望ましいパワーが得られる場合もあるとしても、この回転速度の制限未満 でビットを動作させることが好ましい。同様に、ピークねじれ振動やいわゆる「 スティック・スリップ」のような、他の種類の非常に不利なビット運動特性が発 生する可能性が高くなるパワー制限に対するビット荷重制限を決定することが可 能である。同様に、この後者の制限未満のビット荷重でビットを動作させること が望ましい。 好適な実施形態では、前述の回転速度制限未満の限界回転速度を、パワー制限 に対して決定する。これを超えると、軸方向及び横方向の振動増大のような望ま しくないビット運動特性が発生する可能性が高くなる。同様に、前述のビット荷 重制限未満であり、ねじれ振動の増大のような他の種類の望ましくないビット運 動特性が発生する可能性が高くなる、限界ビット荷重をパワー制限に対して決定 することも好ましい。明らかに、この限界回転速度以下の回転速度、及び限界ビ ット荷重以下のビット荷重でビットを動作させることは、更に一層好ましいこと である。 更に、ほぼ最適な回転速度にできるだけ近く、そして限界ビット荷重に合理的 にできるだけ近いビット荷重の組み合わせで、動作させることは更にまた好まし いことである。 また、複数のかかる信号の第２系列を発生することも好ましい。各系列は異な るビット摩耗度に対応するが、同じ岩石強度に対するものである。更に、ビット 摩耗のモデリング又は監視を行い、これら他の第２タイプの系列を用いることに よって、ビット荷重を増大させ、対応してビットが摩耗するにつれて回転速度を 変更することが好ましい。同様に、対象のビットが、圧縮強度が異なる複数の地 質層即ち地層を貫通して掘削することが予測される場合が多い。このような場合 、かかる圧縮強度各々について、かかる第１及び第２タイプの信号系列をそれぞ れ発生し、地質を貫通するビットの前進を監視し、当該ビットが現在掘削してい る地質の圧縮強度に対するそれぞれの信号系列にしたがって、ビットの動作を周 期的に変更することが好ましい。 本発明の更なる詳細及びその実施方法は、その様々な卓越した特徴、目的及び 利点と共に、以下の詳細な説明並びに図面及び請求の範囲によって明白となろう 。 図面の簡単な説明 図１は、入力データを発生することができ、本発明を適用可能な、コンピュー タに関連付けた掘削作業を示す概略図である。 図２は、パワー限度を示すグラフである。 図３は、比較的軟質な岩石に対する第２タイプの信号系列を示すグラフである 。 図４は、図３と同様であるが、比較的硬質な岩石に対するグラフである。 図５は、本発明に使用可能な摩耗モデリング・プロセスを概略的に示す図であ る。 図６は、作業関係評価(rated work relationship)を示すグラフである。 図７は、地質摩耗性(formation abrasivity)による作業損失を示すグラフであ る。 詳細な説明 図１は、地球の地質１０を示す。ここでは、所定の井戸用ビット１８が、当該 ビット１８と同じサイズ及び構造のビット２４及び２６によって既に掘削された 掘削区間２０及び２２にほぼ対応する、地質１０の区間１４を掘削する場合につ いて検討する。 ビット１８で各孔（図示せず）の穿孔を開始する前に、ビット１８によって掘 削することを望む地質区間の圧縮強度を検査(assay)する。これは、当技術分野 において公知の方法で都合よく行うことができ、近隣の孔区間２０及び２２から の、井戸の経過記録(well log)、放出された掘削物の分析、及びコアの分析のよ うな、２８及び３０で図式的に示す掘削データを分析する。説明のこの部分では 、検定結果が、区間１４全体にわたって一定の圧縮強度を示すという、非常に単 純な場合を想定する。 次に、パワー制限を発生する。図２を参照すると、本発明者の研究が示されて おり、動作パワーが増大するに連れて、いずれの所定のビットの摩耗率もかなり 予測可能なパターンを追従する傾向があることがわかる。曲線ｃ₁は、比較的軟 質な岩石、即ち、圧縮強度が比較的低い岩石に対するこのパターンを表す。摩耗 率は、点ｐ_Lまではパワーの増大と共にほぼ線形に増大することがわかる。パワ ーがそれ以上増大すると、摩耗率は更に急速に、即ち指数的に増大し始める。こ れらの激しい摩耗率は、摩擦力の増大、温度上昇、及び振動強度（インパルス負 荷）の増大によるものである。最後に、摩耗率は、破局的ビット破損を表す点ｅ_L に到達する。この破局的な摩耗は、実際の現場での掘削における定常状態の下 では、この終点におけるパワーで生ずるが、過剰な振動による衝撃負荷が大きい 場合には、更に低いパワー、即ち、ｐ_L及びｅ_Lの間のどこかで発生する可能性も ある。曲線ｃ₂は、圧縮強度が比較的高い岩石に対する同様の曲線である。この 場合も、摩耗率は、パワー増大と共にほぼ線形に増大し（曲線ｃ₂の傾斜によっ て示されるように、より高い率で、かつ点ｐ_Hまでであるが）、その後摩耗率は 、点ｅ_Hの破局的破損に至るまで、更に急速に増大し始める。 適切なパワー制限を発生するためには、ビット１８と同様の形式の臨界構造 (critical structure)を分析する。さほど好適ではない本発明の実施形態では、 かかる分析は、例えば、適切な基板上に装着された単一の多結晶ダイアモンド・ コンパクト(diamond compact)を、研究室において地質区間１４について検査し たものとほぼ同じ圧縮強度の物質に対して実施し、破損が観察されるまで、動作 パワーを徐々に増大させていく。しかしながら、この破損は、例えば、このよう に分析された特定のカッターのある特異性の関数というように、異常である可能 性があり、いずれの場合でも、点ｅ_H又はｅ_Lのような破局的破損に対するパワー 値のみを与える。本発明では、かかる破局的な破損を回避するだけでなく、曲線 の点p_H及びｅ_H間並びに点p_L及びｅ_L間の部分に例示されるような、摩耗率の指数 的増大を生ずるパワー・レベルでの動作も回避することが好ましい。 したがって、好適な実施形態では、ビット１８と同じサイズ及び設計の複数の 臨界構造が、前述のように検査したのとほぼ同じ圧縮強度の物質を掘削し、各掘 削データの分析を行う。これらの構造は、特に、ビット１８がＰＤＣドラッグ・ タイプであり、その臨界構造がカッターである場合、研究室の条件で摩耗し分析 した、別個のビット部分即ちサブアセンブリ(subassemblies)である場合がある 。しかしながら、そのように分析された構造の少なくともいくつかが、現場の掘 削で摩耗した完全なビットの中に組み込まれていれば、役に立つ。例えば、これ らは、孔２０及び２２からのビット２４及び２６を含むことができ、これらを、 それぞれの掘削データ３２及び３４と共に分析する。これら後者のビット及びそ れぞれの掘削データは、以下で説明する、本発明の更に別の態様にもデータを与 えることができる。 いずれの場合でも、このように分析された臨界構造からのデータから、対応す る電気信号を発生し、コンピュータ３６において処理して、第１タイプの一連の 電気信号の相関対を発生する。 この電気信号の相関対の第１タイプ系列について入念に調べる前に、図１の簡 略化及び明確化のために、２つの摩耗したビット及びそれらの各孔及び掘削デー タのみについて示すことを注記しておく。しかしながら、好適な実施形態では、 信号の第１タイプ系列は、これよりも多数の摩耗したビット及びその各掘削デー タから発生する。これらは、同じ地質１０からでも、比肩し得る圧縮強度の地層 を有する他の現場及び／又は多数の研究所の検査からのものを用いることもでき る。 電気信号の相関対の第１タイプ系列では、各対の２つの信号が、それぞれ、各 摩耗ビットの摩耗率及び動作パワーに対応する。 図２は、これらの信号間の関係を示す、数学的な表現、具体的にはグラフであ る。曲線ｃ₁は、比較的圧縮強度が低い岩石に対する前述の第１タイプの系列を 表す。曲線ｃ₁に対応する信号の系列を処理することにより、コンピュータ３６ は、対象の低圧縮強度に対するパワー制限、例えば、点ｐ_Lにおけるパワー値に 対応する電気パワー制限信号を発生することができる。このパワー制限を超える と、過剰な摩耗が発生する可能性が高い。 同様に、比較的高い圧縮強度に対して、第１タイプの信号の相関対の第２タイ プ系列も発生し、これらの信号間の関係のグラフ表現を、曲線Ｃ₂に示す。この 場合も、これらの信号から、電気パワー制限信号を発生することができ、この信 号は臨界点ｐ_Hにおけるパワー制限に対応する。臨界点ｐ_Hでは、摩耗率がパワー の増大と共に線形に増大するのを停止し、指数的に増大し始める。 本発明の好適な実施形態によれば、信号の相関対から成る、第１タイプの追加 系列を、中間の圧縮強度について発生する。かかる各系列の信号から、各圧縮強 度に対するパワー制限信号を発生する。これら他の系列は、図の簡略化及び明確 化のために、図２にはグラフとして示さないことにする。これらを図示した場合 、ｐ_L及びｐ_Hのようなパワー制限値として選択した点、及び全ての曲線のパワー 制限点が繋がってしまい、その繋がりの結果、曲線ｃ₃は、所望の範囲における 事実上全ての圧縮強度に対するパワー制限を与えることになってしまうことがわ かる。コンピュータ３６は、これら種々の系列を処理し、曲線ｃ₃に対応する信 号の他のタイプの系列を得るように構成されていることは認められよう。曲線ｃ₁ が所望の範囲における最低の圧縮強度に対するものであり、曲線ｃ₂が最高の圧 縮強度に対するものであると仮定すると、P_lim-min及びP_lim-maxの値は、対象の ビット設計に対して実現性のあるパワー範囲のパワー制限を表す。尚、曲線ｃ₃ は、理論的に、カッター（又は歯）の冶金学及びダイアモンドの品質の関 数として見なすことも可能であるが、これらの要因は、実際の問題としては、無 視し得るものであることを注記しておく。 本発明の最も基本的な態様は、所定のビット１８を動作させ、当該ビットによ って現在掘削されている岩石について検査した圧縮強度に対するパワー制限以下 の所望の動作パワー・レベルを維持する、掘削条件を調整することを含む。好ま しくは、選択するパワー制限は、摩耗率が指数的に増大し始める、Ｐ_Lのような 点である。しかしながら、さほど好適でない実施形態では、更に高くすることも 可能である。このように、範囲中最も軟質な岩石を掘削する場合、条件を調整し 、パワーＰ_lim-max以下のパワーを維持する。好ましくは、パワーをパワー制限 未満に維持し、安全係数を備える。しかしながら、パワーは、ほぼパワー制限に 対して合理的にできるだけ近くに保持することが望ましい。「合理的にできるだ け近い」とは、前述の安全係数を考慮するだけでなく、実際の制限、例えば、ト ルク制限、流速制限等のような、使用する掘削リグ(drilling rig)の制限をも考 慮することを意味する。この表現を「周囲(about)」によって変更している。そ の理由は、本発明の好適な形態のこの態様の精神は、機能し得る様々な変形を含 むことを意味し、その最大値は、例えば、動作時間の制約(cost)又は適切な安全 係数に対する所定のオペレータの評価によって変動し得るからである。 パワー制限に合理的に可能な限り近づけて動作させることによって、パワーに 直接比例する食込み率が最大に高くなる。余りに速く掘削し始めたために、生じ た切削の品質が有効泥重量(effective mud weight)を、地質の断裂傾度(fractur e gradient)を超過する可能性がある点まで増大させるというような極端な場合 を除いて、通常、食込み率を最大に高めることは望ましいことである。 このように調整される掘削条件は、ビットに適用される条件、即ち、回転速度 及びビット荷重を含む。ビットの振動は、既知の手段を通じて掘削する間に検出 可能であり、ビットによって地質に伝達される力が、掘削中又は掘削すべき区間 の小さな増分域において変動する原因となる場合がある。このような場合、例え ば、平均伝達力ではなく、これらの変動間のピーク伝達力を参照して、適用する 条件を調整することが好ましい。 本発明の好適な形態の他の態様によれば、回転速度及びビット荷重には多数の 組み合わせがあり、そのいずれでも、パワー制限に対応するパワーが得られる。 本発明は、選択した特定の組み合わせを最適化する方法を含む。 図３は、対象の設計の新たなビットに対する、第２タイプの系列の信号対に対 応する値を表す曲線ｃ₄を含む。曲線ｃ₄に対応する系列は、以下で更に詳しく説 明するように、ビット１８と同じサイズ及び設計の多数のビットからの履歴デー タから発生し、区間１４について検査したのとほぼ同じ圧縮強度の掘削地層を有 する。ｃ₄のような曲線は、個々の履歴データからの回転速度値をビット荷重値 に対してプロットし、次いで外挿補間によって連続曲線を得ることによって得る ことができる。当履歴データの回転速度及びビット荷重値にそれぞれ対応する電 気信号の相関対に、同等の処理を実行するようにコンピュータ３６をプログラム することができ、更にコンピュータ３６は曲線ｃ₄のようなグラフ表現も生成可 能であることは、当業者には認められよう。履歴データを用いて、コンピュータ ３６に入力する対応する電気信号を発生することができ、次いでコンピュータ３ ６は、かかる信号対の十分な追加信号対を、元の入力からのパターンとの一貫性 を保って発生し、ビット荷重及び回転速度信号の相関対の第２タイプの系列を得 る。この第２の系列から、グラフ表現ｃ₄を外挿補間することができる。実際に は、コンピュータ３６が発生する。 曲線ｃ₄（及び／又は対応する信号列）を、履歴掘削データ（又は対応する信 号）と相関付けることにより、回転速度値Ｎが限界所望値(marginal desirable value)、即ち、望ましくないビット動作特性が発生する可能性が高い値となる点 ｐ_N-marを判定することができる。具体的には、回転速度が余りにも高すぎるこ と、及び／又は対応するビット荷重が余りにも小さすぎることのために、不可避 な横方向及び／又は軸方向振動が増大し始める。回転速度が更に高くなる他の点 ｐ_N-limでは、これらの望ましくないビット運動特性、即ち、軸方向及び／又は 横方向振動のピークが、例えば、ビットのふれまわり(bit whirl)によって発生 する。したがって、ｐ_N-lim付近又はそれ以上で動作させることは、更に一層望 ましくない。ｐ_N-limにおけるビット荷重は、かかる振動を減衰させるために必 要な最少ビット荷重であり、ここではときとして「スレショルド」ビット荷重と も呼ぶことにする。 同様に、ビット荷重ｗが限界所望値となり、この点を超えると、他の種類の望 ましくないビット動作特性、即ち、ねじれ振動の増大が発生する点ｐ_w-marを突 き止めることも可能である。 ｐ_w-limでは、これら望ましくない動作のピーク及び（連続的なビット回転で はなく律動的な）「スティック・スリップ(stick-slip)」が発生するので、ｐ_{w- lim} におけるビット荷重付近又はそれを超える荷重で動作させることは、更に一 層望ましくない。 通常、曲線ｃ₄上のいずれの点も、対象の圧縮強度及び新しいビットに対する パワー制限に対応する回転速度及びビット荷重を含むが、点ｐ_N-mar及びｐ_w-mar 間の範囲内で動作させることが望ましいのは明白である。図示のように、曲線ｃ₄ は、正確にパワー制限に対応する。したがって、前述の安全機構(safety feature)を含ませるためには、点p_N-mar又はp_w-marのいずれよりも狭い範囲で動 作させることが更に一層望ましい。更に一層好ましくは、ビット荷重値ｗが、p_{w -mar} におけるビット荷重値未満であるが、合理的にほぼこれにできるだけ近いの 値となる、曲線ｃ₄上の点に対応する値で動作させる。その理由は、回転速度が 高い程、ドリル・ストリング(drill string)の潜在的な振動に使われ得るエネル ギが増大するからである（ビット自体とは逆である）。 図３は比較的軟質な岩石に関連することを念頭におくと、合理的にできるだけ ｐ_w-marに近付けるということは、この場合、実際にはｐ_w-marからむしろ離れる ということがわかるであろう。これは、非常に軟質な岩石では、ビット荷重値が ｐ_w-marにおけるビット荷重値よりもかなり低いｐ_dcにおいて、ビットは切削の 最大深さに到達し、そこでビットの切削構造が完全に岩石内に埋め込まれるから である。ＰＤＣ及びローラ・コーン・ビット(roller cone bits)では、カッター が完全に埋め込まれる以上に、追加の荷重をビットに加えることは、不合理であ り無駄である。ダイアモンド含浸ビットでは、ビット荷重をｐ_dcにおけるよりも いくらか大きめで動作させることが望ましい場合がある。これは、ダイアモンド が含浸されているマトリクス・ビット本体を部分的に埋め込む。したがって、マ トリクスはダイアモンドと共に摩耗するので、ダイアモンドは常にマトリクスよ りもいくらか突出することになる（時として「自己刃付け(self-sharpening)」 と呼ばれる状態）。したがって、最適な回転速度及びビット荷重値は、点ｐ_dc又 はその付近におけるものとなる。 追加の履歴掘削データから、第２タイプの相関信号の別の系列を、対象のタイ プのひどく摩耗したビットについて発生することができ、これらは曲線ｃ₅に対 応する。摩耗の度合いが低い、この第２タイプの中間系列も発生することができ るが、図の簡略化及び明確化のために、図３にはその曲線を示していない。いず れの場合でも、コンピュータ３６は、当技術分野では公知の方法で、これら種々 の信号列を処理し、曲線ｃ₆，ｃ₇，ｃ₈，ｃ₉，及びｃ₁₀に対応する、第３タイプ の信号系列を発生するように構成することができる。曲線ｃ₆は、ｐ_N-limタイプ の値が摩耗と共に変化していくことに対応する。曲線ｃ₇は、ｐ_dcタイプの値が 、ビットの摩耗と共に変化していくことに対応する。曲線ｃ₈は、ｐ_cdタイプの 値が、ビットの摩耗と共に変化していくことに対応する。曲線ｃ₉は、ｐ_w-mar型 の値が、ビットの摩耗と共に変化していくことに対応する。曲線ｃ₁₀は、ｐ_{w-li m} タイプの値が、摩耗と共に変化していくことに対応する。このように、掘削が 進む際に、ビット１８の摩耗の測定及び／又はモデル化を行い、周期的にビット 荷重を増大させ、対応して回転速度を変化させることが望ましく、また、曲線ｃ₆ 及びｃ₁₀の間の範囲に止めることが好ましく、曲線ｃ₇及び曲線ｃ₉の間はより 好ましく、曲線ｃ₈又はその付近が更に一層好ましい。 図４は図３と同様であるが、比較的硬質な（圧縮強度が高い）岩石についての 信号の系列を表す。ここでも、新ししくかつひどく摩耗したビットに対する第２ タイプの信号の系列にそれぞれ対応する２本の曲線ｃ₁₁及びｃ₁₂を示す。この硬 質の岩石では、点ｐ_w-marを過ぎると、ビット荷重の増大は望ましくないねじれ 振動を生ずるが、この点ｐ_w-marは、点ｐ_dcよりも小さなビット荷重値を有し、 したがってｐ_w-limにおけるよりも小さい荷重値を有する。このように、硬質の 岩石では、安全係数を考慮しても、軟質の岩石の場合よりも、ｐ_w-marに大幅に 近いｐ_optにおいて得られる最適な値の対で動作することが可能である。ビット 摩耗の度合いを変化させるために、ｐ_optと類似の他の値の対を見出すことがで きる。これらに対応する信号から、電気信号対の系列を発生し、対応する曲線ｃ₁₃ をコンピュータ３６によって外挿補間することができる。 これまでと同様、「合理的にできるだけ近く」とは、安全係数のみでなく、実 際の制限も考慮することを意味する。例えば、理論的に最適な回転速度及びビッ ト荷重値の対が、特定のドリル・ストリングの幾何学的形状(drill string geometry)又は孔の幾何学的形状に関しては、ドリル・ストリングの共振を生ず る場合もあり、これは回避しなければならない。 他のかなり異常な例では、岩石が余りに硬く、しかもモータのトルク発生能力 が余りに低いために、リグが十分なビット荷重を与えることができず、ｐ_N-lim におけるスレシホルド・ビット荷重にさえも到達しないという場合が考えられる 。この場合、ｐ_N-lim及びｐ_w-1im間に止まることさえも不可能である。このため 、この範囲周囲に合理的にできるだけ近くで、例えば、ｐ_N-limにおけるそれよ りも小さなビット荷重及び対応して高い回転速度で動作させることになろう。 また、図３及び図４における種々の曲線上に示すような値は、通常有効である が、特定の掘削作業における異常な状態(aberrant condition)のために、理論的 には発生しないはずの回転速度及びビット荷重において、望ましくないビット及 び／又はドリル・ストリングの運動が発生する場合があることにも留意されたい 。したがって、かかる運動をリアル・タイムで（掘削中に）検出し、かかる運動 が検出されたときはいつでも適切な補正処置を施す、当技術分野では公知の手段 を備えて、状態を補正しつつ、最適値のできるだけ近くに止まるようにすること が望ましい。 上述の一般的な概念を念頭に入れて、次に、図３及び図４における曲線に対応 するタイプの信号の系列を得るための信号処理方法の一例について説明する。 対象の岩石強度σについて、履歴経験的摩耗及びパワー・データを用いて、対 応する電気信号を発生し、これらの信号をコンピュータ３６によって処理し、ｃ₁ 又はｃ₂のような制限パワー曲線に対応する、第１タイプの信号対の系列を発生 する。 次に、履歴経験的データ、例えば、トルク及び振動測定値を示す孔２０及び２ ２からの経過記録から、制限トルク値を判定することができる。即ち、横方向及 び軸方向振動が最大となるトルク値Ｔ_N-lim、即ち、対象のσ及び摩耗条件に対 するｐ_N-Limに対応する値、及びねじれ振動が最大となる（「スティック・スリ ップ」を生ずる）トルク値Ｔ_w-lim、即ち、対象のσ及び摩耗条件に対するｐ_{w-l im} に対応する値を判定する。好ましくは、対象のσ及び摩耗条件に対するｐ_{N-ma r} 及びｐ_w-marにそれぞれ対応するトルク値Ｔ_N-mar及びＴ_w-marを同様に判定する 。 好ましくは、対象のσ及び摩耗条件に対してたくさんのトルク及び振動データ があるとよい。これらは、対応する電気信号に変換され、コンピュータ３６に入 力される。これらの信号はコンピュータ３６によって処理され、トルク値Ｔ_{N-li m} 、Ｔ_N-mar、Ｔ_w-mar及びＴ_w-limに対応する信号を生成する。 少なくともσが小さい場合、即ち、岩石が軟質の場合、そしてこ好ましくはい ずれの場合でも、切削の最大深さに到達する（即ち、切削構造が完全に埋め込ま れる）トルクに対応するトルク値Ｔ_dcも判定する。この値及びその対応する電気 信号もｐ_dcに対応することがわかるであろう。 Ｔ_dcを判定するデータは、研究室の検査によって得ることができる。あるいは 、現場における実際の掘削作業では、Ｔ_dCは、固定の回転速度及び最小ビット荷 重で掘削し始め、次いでトルク及び食い込み率を監視しながら、ビット荷重を徐 々に増大させていくことによって判定することも可能である。食い込み率は、そ れが水平となるか、あるいは低下する点まで、ビット荷重と共に上昇する。この 点におけるトルクがＴ_dcである。 前述のトルク値の各々について、対応する電気信号を処理し、対応する回転速 度及びビット荷重値に対応する信号を生成し、こうして、図３及び図４に示すよ うな曲線上の対応する点を突き止めることが可能である。 値ｗ、即ち、対象のトルクＴに対応するビット荷重を決定し、対応する信号を 発生しコンピュータ３６に入力することができる。 あるいは、信号系列又は系列群を展開し特定のビットに対する完全な事前ガイ ドライン(advance guideline)を得る場合、現場のデータから、摩耗と共に変化 する値μを定義すると役立つ場合がある。 μ＝（Ｔ−Ｔ₀）／（ｗ−ｗ₀） （１） ただし、Ｔ₀＝スレショルド・ビット荷重に対するトルク ｗ₀＝スレシホルド・ビット荷重 次に、コンピュータ３６はＴ，Ｔ₀，ｗ₀及びμ信号を処理し、次の式を解くこ とに等しい電子的動作を行い、 ｗ＝（Ｔ−Ｔ₀）／μ＋ｗ₀ （２） これにより、対象のトルクに対応するビット荷重に対応する信号を生成する。 次に、コンピュータ３６は、以下の式を解くことに等しい電子的動作を行なう 。 Ｎ＝Ｐ_lim／（２πμ＋ｄｃ）ｗ６０ （３） 又は、軸方向成分及びねじれ成分の双方を用いることが望ましい場合（横方向成 分は無視することができる）は、 Ｎ＝Ｐ_lim／（２π＋ｄ_c／μ）Ｔ６０ （３ａ） ただし、Ｎ＝回転速度 Ｐ_lim＝前述のように予め決定されているパワー制限 ｄ_c＝１回転当たりの食い込み（又は「切削の深さ」） あるいは、ねじれ成分のみを用いることが望ましい場合、これらの式は以下のよ うになる。 Ｎ＝Ｐ_lim／１２０Πμｗ （４） 又は Ｎ＝Ｐ_lim／１２０ΠＴ （４ａ） コンピュータは、式（３）、（３ａ）、（４）又は（４ａ）における変数及び 定数に対応する信号を処理することによって、これを行なう。 こうして、対象のトルクＴに対応するビット荷重w及び回転速度Ｎにそれぞれ 対応する信号、即ち、曲線ｃ₄，ｃ₅，ｃ₁₁，及びｃ₁₂によって表される第２タイ プの系列に対する第１の信号対を得たことになる。例えば、用いたトルクがＴ_{N- lim} であった場合、点Ｐ_N-limを突き止めることができる。 同じビット摩耗条件及び岩石強度σについて追加のトルク信号を同様に処理す ることにより、全ての基準点ｐ_N-lim、ｐ_N-mar、ｐ_dc、ｐ_w-mar及びｐ_w-limを含 む、ｃ₄のような曲線に対応する、第２タイプの対の系列全体に展開することが できる。 次に、対象の強度σの岩石において、対象のサイズ、設計及び摩耗条件のビッ トを用いて掘削する場合、ｐ_dcにおいてｐ_w-lim＞ｗでなければ、ｐ_N-lim及びｐ_w-lim 間の範囲に含まれるこの系列内にある１対の信号に対応する回転速度及び ビット荷重で動作させる。ｐ_dcにおいてｐ_w-lim＞ｗの場合、ｐ_N-lim及びｐ_dcの 間の値で動作させる。 更に好ましくは、ｐ_N-mar及びｐ_w-marの間、又はｐ_N-mar及びｐ_dcの間のいず れか小さい範囲を与える方で動作させる。更に一層好ましくは、ｐ_dc又はｐ_{w-ma r} の内ビット荷重が低い方のいずれかの周囲に、合理的にできるだけ近づけて動 作させる。ｐ_dcの方がビット荷重が低く、ビットがＰＤＣ即ちローラ・コーン型 である場合、所望の安全係数に応じて、ｐ_dcにおける値又はそれよりもいくらか 低めで動作させる。しかしながら、ビットがダイアモンド含浸型の場合、ｐ_dc又 はそれよりも多少高めで動作させる方がよい場合もある。 同じ岩石強度σであるが異なる摩耗条件についての信号を同様に処理すること によって、第２タイプの信号対の系列群に展開することができる。これらは、曲 線ｃ₁₁及びｃ₁₂間の領域のように、曲線群又は領域として図示することができる 。 次に、例えば、曲線ｃ₈及びｃ₁₃に対応する、第３タイプの系列に展開するこ とができる。更に、ビットの摩耗の監視又はモデリングを行うことによって、ビ ットの摩耗に連れて適用するビット荷重ｗを増大させ、対応して回転速度Ｎを調 節することによる最適化を行うことができる。 さほど好適でない実施形態では、例えば、Ｔ_dc又はＴ_w-marのいずれか小さい 方に合理的にできるだけ近いトルクＴ_optを単純に選択し、次いで先に説明した ように処理して、対応するｗ及びＮを得てもよい。異なる摩耗条件についてこれ を繰り返せば、例えば、曲線ｃ₁₃に対応する、第３タイプの系列を単純に発生す ることができる。 しかしながら、仮説的な最適動作条件の変更のためのガイドラインを与えるた めには、図３及び図４に示すような範囲に展開することが好ましい。例えば、特 定のストリング及びホールの幾何学的形状でｐ_optにおいて動作させると、スト リングに共振が発生する場合、オペレータはｐ_N-mar及びｐ_w-mar間の別の条件集 合を選択することができる。 データを発生し処理して信号系列を発生するには、多くの代替方法が可能であ り、前述のものは一例に過ぎないことは、当業者には理解されよう。 前述のように、この点までは、σが区間１４にわたって一定であると仮定した 。しかしながら、実際の掘削作業では、σは１つのビットによって掘削される区 間にわたって変動する可能性がある。したがって、所定の岩石強度に対する第２ 及び第３タイプの信号系列に展開するために用いる方法には無関係に、対象のビ ットが切削するように設計された、他の岩石強度について、前述のプロセスを繰 り返すことが望ましい。例えば、所定のビットについて、ビットが掘削すること が予測される最も軟質な岩石について、図３に示すような曲線に対応する信号系 列、最も硬質な岩石について、図４に示すような曲線に対応する他の信号系列、 及び中間の岩石強度についての更に他のかかる系列に展開するとよい。これによ って、現場にいるオペレータに、対象のビットの最適使用について、一層詳細な 情報を提供することができる。 次に、例えば、当該ビットによって掘削される区間の検査が異なる岩石強度の 地層を含む場合、これらの地層の各々における動作を最適化することができる。 更に別の例として、検査が隣接する孔に基づくものである場合、ＭＷＤ測定は、 何らかの理由で、異なる強度の岩石が対象の孔の中で遭遇していることを示し、 それに応じて動作条件を変更することができる。 更に一層好適な実施形態では、比較的小さな深さの増大と共にσが変化するに 連れて、リアル・タイムでσをモデリングすることが可能である。これは、本願 と同時に出願された、"Method of Assaying Compressive Strength of Rock"（ 岩石の圧縮強度の検査方法）と題する本発明者の同時係属中の米国特許出願第号 に説明されている。その内容はこの言及により本願にも含まれるものとする。 前述のように、本発明を最大限利用するためには、ビットが掘削する区間全体 においてビットの摩耗が進展する際のビットの摩耗をモデリングし、あるいは利 用可能な技術によって、ビットの摩耗又はそれをリアル・タイムで示すなんらか のパラメータを測定することにより、ビット荷重及び回転速度を周期的に、当該 ビットの現摩耗条件に対する新しい最適値に調節可能とすることが賢明である。 米国特許第３，０５８，５３２号、第２，５６０，３２８号、第２，５８０， ８６０号、第４，７８５，８９５号、第４，７８５，８９４号、第４，６５５， ３００号、第３，８５３，１８４号、第３，３６３，７０２号、及び第２，９２ ５，２５１号のような、米国特許は、直接ビット摩耗をリアル・タイムで検出す ることを趣旨とする種々の技術を開示する。 Holbrook（ホルブルック）の米国特許第５，３０５，８３６号は、リアル・タ イムでビット摩耗をモデリングする技法を開示する。 ビット摩耗をモデリングする他の方法に、以下のようなものがある。 図５を参照する。摩耗モデリングは、ビット１８と同一サイズ及び設計の、２ ４のような井戸掘削ビットの動作検査から開始する。図１におけると同様、少な くとも部分的にビット２４を用いて、井戸穿孔即ち孔部２０を掘削する。より具 体的には、ビット２４は、開始点Ｉ及び終点Ｔの間で孔２０を掘削し終えている 。この例示実施形態では、開始点Ｉは、ビット２４が最初に孔２０で作業を始め た点であり、終点Ｔは、ビット２４を引き抜いた点である。しかしながら、作業 自体を検査する目的のために、点Ｉ及びＴは、ビット２４が掘削した間、及び後 述の必要なデータを発生可能な間で識別可能ないずれかの２点とすることができ る。 基本的な理論的根拠は、以下の公知の関係を用いることによって、作業を検査 することである。 Ω_b＝Ｆ_bＤ （５） ただし、Ω_b＝ビットの作業 Ｆ_b＝ビットにおける総合力 Ｄ＝掘削した距離 点Ｉ及びＴ間の孔２０の区間の長さは、ライン５０によって概略的に示すよう に、孔２０の掘削時に発生可能な多数の井戸データの１つとして、判定し記録す ることができる。これを適切な形態に変換し、コンピュータ３６に入力して処理 するためには、この長さ、即ち、点Ｉ及びＴ間の距離を、多数の、例えば、各々 １／２フィート程度の小さな距離増分域に再分割することが好ましい。ライン５ ２で示すように、これらの増分距離値の各々について、対応する電気増分距離信 号を発生し、コンピュータ３６に入力する。 作業（ワーク）を判定するために、各々点Ｉ及びＴ間の距離の各増分域におけ るビットの力に対応する、複数の増分有効力電気信号(electrical incremental actual force signal)も発生する。しかしながら、全ビット力を直接判定するこ とに固有の難点のために、５２に示すように、井戸データ５０からの他のパラメ ータに対応する信号を、各距離の増分域について入力する。これらは、理論的に は、加えられた軸方向の力、ねじれ力、及び加えられたあらゆる横方向の力を含 む、真の全ビット力を判定することができる可能性がある。しかしながら、横方 向の力は、故意に加えられたのでない（故意に加えられたのであれば、それは既 知である）場合、即ち、スタビライザが底面孔構造体(bottom hole assembly)に はない場合、横方向力は非常に小さいので、無視することができる。 一実施形態では、増分有効力信号を発生するために用いられる井戸データは次 の通りである。 −例えば、ポンドを単位とするビット（ｗ）上の荷重 −例えば、ポンドを単位とする、掘削流体の油圧衝撃力（Ｆ_i） −ｒｍｐ（Ｎ）を単位とする、回転速度 −例えば、フィート^*ポンドを単位とする、トルク（Ｔ） −例えば、フィート／時間を単位とする、食い込み率（Ｒ） −適用可能な場合、例えば、ポンドを単位とする、横方向力（Ｆ_l） ５２に示すように、各増分域に対するこれらのデータをそれぞれ対応する信号 に変換し、入力することにより、コンピュータ３６のプログラミング又はコンフ ィギュレーションを行い、以下の式を解くことに等しい電気的動作を行うことに よって、増分有効力信号を発生する。 Ω_b＝［（ｗ＋Ｆ_i）＋１２０ΠＮＴ／Ｒ＋Ｆ_l］Ｄ （６） ただし、横方向力Ｆ_lは無視することができ、その項及び対応する電気信号を除 去する。 驚くべきことに、この力のねじれ成分が最も支配的であり重要であることが発 見され、さほど好適でない実施形態では、作業の検査は、この力の成分のみを用 いて行うことができる。その場合、対応する式は以下のようになる。 Ω_b＝［１２０ΠＮＴ／Ｒ］Ｄ （７） 別の実施形態では、増分有効力信号を発生する際、コンピュータ３６は、以下 の式の電気的同等物を用いてもよい。 Ω_b＝２０ΠＴＤ／ｄ_c （８） ここで、ｄは、１回転当たりの切削の深さを表し、以下の関係で定義される。 ｄ_c＝Ｒ／６０Ｎ （９） 次いで、増分有効力信号及びそれぞれの増分距離信号を処理し、ブロック５４ に示すように、点Ｉ及びＴ間の掘削においてビット２４が行った全作業に対応す る電気信号を生成するように、コンピュータ３６のプログラミング又はコンフィ ギュレーションを行う。ライン５６で示すように、この信号は、公知の方法で、 人間が認知し得る数値に容易に変換し、コンピュータ３６によって出力すること ができる。 全作業５４を生成するための増分有効力信号及び増分距離信号の処理は、いく つかの異なる方法で行うことができる。 例えば、一形態では、コンピュータは、増分有効力信号及び増分距離信号を処 理し、始点及び終点間においてビットが与えた力の加重平均に対応する電気的加 重平均力信号を生成する。「加重平均」とは、１つ以上の増分有効力信号に対応 する各力値に、力を加えた距離増分域の数によって「重み付け」することを意味 する。次に、コンピュータは、単に、加重平均力に点Ｉ及びＴ間の全距離を乗算 することに等しい電気的処理を行い、全作業値に対応する信号を生成する。 別の形態では、各増分域に対するそれぞれの増分有効力信号及び増分距離信号 を処理し、それぞれの電気増分実作業信号を生成し、その後、これらの増分実作 業信号を蓄積し、全作業値に対応する全作業電気信号を生成する。 更に別の形態では、コンピュータは、増分有効力信号及び増分距離信号から、 力対距離の関数を導出し、その関数を積分することに等しい電気的処理を行うこ とも可能である。 前述の３種類の方法は、信号を処理して全作業信号の同等物を生成するだけで はなく、これらは、本発明の種々の部分を形成し以下で説明する他のプロセスと の関連において同等物と見なされる、多種類の別の処理の例示でもある。 今や、掘削中にビットが過度に振動するときを判定するための技術が利用可能 である。点Ｉ及びＴの間の区間の少なくとも一部でこれが発生したと判定された 場合、適切にコンピュータ３６のプログラミング及び入力を行い、対象の増分域 についてそれぞれの増分有効力信号を生成することが好ましい場合があり得る。 増分有効力信号の各々は、各増分域に対する平均ビット力に対応する。これは、 増分有効力信号の判定に用いる変数の各々に対して平均（平均）値を用いること によって行うことができる。 ドリル・ビットの摩耗は、関数的に、ビットによって行われた作業の累積に関 係する。点Ｉ及びＴ間の掘削においてビット２４が行った作業を判定することに 加えて、この区間を掘削した際のビット２４の摩耗を測定する。対応する電気信 号を発生し、履歴データ５８，５２の一部としてコンピュータに入力する。（し たがって、この目的のために、点Ｉはビット２４を最初に孔２０で作業を開始し た点とし、点Ｔはビット２４を除去する点でなければならない。）追加の孔２２ 及び６０、並びにそれらの各ビット２６及び６２について、同じ処理を行う。 図６は、かかるデータに対応する信号を用いて、コンピュータ３６が電気的に 何をすることができるかを表す図である。図６は、ビットの摩耗対作業を示す図 である。前述のデータを用いて、コンピュータ３６は対応する信号を処理し、そ れぞれの作業及び摩耗信号を相関付け、孔２０，２２及び６０の各々に対するこ のグラフ上の点、及びその各々のビットを突き止めることに等しい電子的処理を 行うことができる。例えば、点２４’は、ビット２４に対して相関付けられた作 業及び摩耗を表すことができ、点２６’は、ビット２６に対して相関付けられた 作業及び摩耗を表すことができ、点６２’は、ビット６２に対して相関付けられ た作業及び摩耗を表すことができる。他の点ｐ₁，ｐ₂及びp₃は、図５には示され ていない、同じ設計及びサイズの更に他のビットに対する作業及び摩耗を表す。 これらの点に対応する信号を処理することによって、コンピュータ３６は、適 切な電気信号によって定義される関数を発生することができる。この関数は、グ ラフで表現すると、概略的に曲線ｃ₂₀の形態のスムーズな曲線の形状となる。か かる曲線は、スムーズな連続曲線を発生するために、特定の経験的データに対応 する個々の点全てを正確に通過しない場合もあり得ることは認められよう。この 連続的な「作業関係評価(rated work relationship)」は、それ自体の右側の出 力６４とすることができ、摩耗のモデリングにも使用することができる。 ビットが実際にはもはや有用でなくなる前に耐久可能な最大ビット摩耗を表す 終点ｐ_maxを判定し、作業関係評価から対応する作業量を判定することは有用で ある。したがって、点ｐ_maxは、最大摩耗最大作業点を表す。ここでは、ときと してこれを、対象のビット形式の「作業等級(work rating)」と呼ぶ。また、曲 線ｃ₂₀の鏡像即ち曲線ｃ₂₂によって表される関係に展開することも役立つことが ある。この曲線は、前述の信号から得られる、残余の有効ビット寿命対作業の関 係をプロットする。 曲線ｃ₂₀及びｃ₂₂によって表される関数に対応するコンピュータ内の電気信号 は、好ましくは、図６に示すように、６４において出力される場合、視覚的に 認知可能な形態に変換することが好ましい。 別の関連で既に述べたが、ビットの振動は、ビット力が個々の増分域において 大きく変動する原因となり得る。作業関係評価に展開する際、このような場合に は、かかる各増分域におけるビットの最大力に対応する各ピーク力信号を発生す ることが好ましい。当該増分域の岩石強度に対する最大許容力に対応する制限値 も、以下に説明するように判定することができる。曲線ｃ₁を得る際に使用する ことが潜在的に考慮されるいずれのビットについても、ピーク力信号に対応する 値を、この制限値と比較し、当該値が制限値以上である場合、各ビットを、作業 関係評価信号を発生するためのビットから除外すべきである。この比較は、勿論 、前述の制限値に対応する制限電気信号を利用して、コンピュータ３６によって 電子的に行うことができる。 前述の制限値を判定するための理論的根拠は、図２に関連して先に説明したパ ワー制限を基本とする。一旦適切な岩石強度に対する制限パワーをこのように判 定したなら、単にこのパワーを食い込み率で除算することによって、対応する最 大力制限を外挿補間することができる。 あるいは、実際のビット・パワーを直接パワー制限と比較することも可能であ る。 いずれの場合でも、処理はコンピュータ３６によって電子的に行うことができ る。 他の要因が振動強度に影響を及ぼす可能性もあり、これらも好適な実施形態に おいて考慮することができる。かかる他の要因には、ドリル・ストリングの幾何 学的形状及び剛性、孔の幾何学的形状、及びドリル・ストリング内の中性点より 下の底面孔構造体の質量が含まれる。 ピータ力信号を発生する方法は、振動の問題がない場合の増分域について、増 分有効力信号を発生する際に先に説明した方法と同じでよい。即ち、例えばｗの ような変数の各々について、対象の区間に対する当該変数の最大即ちピーク値を 用いることを除いて（最大値を用いるべきＲは除外する）、式（５）、（６）又 は（７）＋（８）の電子的同等物を用いる。 作業関係評価６６は、６８に示すように、摩耗性に関する情報を発生する際に 用いることができる。一方、摩耗性は、摩耗のモデリングを改良するため、及び ／又はパワー制限を調節するために用いることができる。即ち、摩耗性を検出し た場合、掘削中の区間の当該部分について、パワー制限を低下させるべきである 。 摩耗性自体に関しては、追加の履歴データ、即ち、摩耗性データ７０を、「ハ ード・ストリンガ(hard stringer)」７４のような摩耗性地層(abrasive stratum )を貫通して掘削された追加の井戸即ち孔７２、及びハード・ストリンガ７４を 含む区間を掘削したビット７６から得る必要がある。 尚、ここで用いる場合、地層の一部分が「摩耗性」であるという表現は、対象 の岩石が、頁岩と較べると、例えば、石英又は砂岩のように比較的摩耗性である という意味であることを注記しておく。岩石の摩耗性は、本質的に、岩石表面形 状及び岩石強度の関数である。形状係数を必ずしも粒度に関連付けることはない が、むしろ粒成角(grain angularity)即ち「鮮鋭度(sharpness)」に関連付ける 。 再び図５に移り、摩耗性データ７０は、データ５０と同じ形式の井戸７２から のデータ７８、即ち、作業を判定するために必要な井戸データ、及びビット７６ に対する摩耗測定値８０を含む。加えて、摩耗性データは、ビット７８によって 掘削される摩耗性媒体７４の体積８２も含む。後者は、全体としてブラック・ボ ックス８４で示すように、孔７２からの井戸の経過記録の分析によって、公知の 方法で判定することができる。 本発明の他の態様に関して、８６に示すように、データをそれぞれの電気信号 に変換し、コンピュータ３６に入力する。コンピュータ１６は、これらの信号を 処理することによって摩耗性を定量化し、次の式を解くことと同等の電子的処理 を行う。 λ＝（Ω_rated−Ω_b）／Ｖ_abr （１０） ここで、λ＝摩耗性 Ω_b＝実際のビット作業（ビット５６の摩耗量に対する） Ω_rated＝作業評価（同じ量の摩耗に対する） Ｖ_abr＝掘削した摩耗性媒体の体積 例えば、あるビットが１，０００トン−マイルの作業を行い、摩耗性媒体を２ ００立方フィート掘削した後、５０％の摩耗を伴って引き抜かれたと仮定する。 また、図７に示すように、この特定のビットについての履歴作業関係評価が、摩 耗は１，０００トン−マイルにおいて４０％のみでなければならず、１，２００ トン−マイルの作業では５０％でなければならないことを示すと仮定する。言い 換えると、１０％過剰な摩耗(abrasive wear)が、２００トン−マイルの作業の 追加に対応する。摩耗性は、掘削する摩耗性媒体２００立方フィート毎に２００ トン−マイル、即ち、１（トン^*マイル／ｆｔ³）のビット寿命短縮として定量化 される。この測定単位は次元的に研究所の摩耗性検査と同等である。摩耗性媒体 の体積百分率は、岩質成分の留分(fraction)を定量化する井戸の経過記録から判 定することができる。掘削された摩耗性媒体の体積は、掘削された岩石全体の体 積に摩耗性成分の体積部分を乗算することによって、判定することができる。あ るいは、岩質データは、ブラッタ・ボックス８４で示すように、掘削技法を使用 する間の測定によって、孔７２からのログから取ることも可能である。 作業関係評価６６、及び適切であれば、摩耗性６８は、更に、ビット１８が孔 １４を穿孔する際の、ビット１８の摩耗を遠隔的にモデリングするためにも用い ることができる。図５に示す例示の実施形態では、ビット１８によって穿孔され る孔１４の区間は、表面から硬質の地質７４を貫通し、更にこれを越えて延びて いる。 掘削技法を使用する間の測定、及び他の使用可能な技術を用いると、５０にお いて発生したタイプのデータは、８８に示すように、井戸１４の現基準に基づい て発生することができる。このデータが現基準に基づいて発生するので、ここで は「リアル・タイム・データ」と呼ぶことにする。９０に示すように、リアル・ タイム・データをそれぞれの電気信号に変換し、コンピュータ３６に入力する。 履歴データに関して同じプロセス、即ち、５４で示すプロセスを用い、コンピュ ータは、ビット１８によって掘削される各増分域毎に、増分有効力信号及び対応 する増分距離信号を発生することができる。更に、コンピュータは、ビット１８ に対する増分有効力信号及び増分距離信号を処理し、ビット１８によって掘削さ れる各増分域毎に、それぞれの増分実作業電気信号を生成し、周期的にこれらの 増分実作業信号を累積する。一方、これによって、現在ビット１８によって行わ れていた作業に対応する現作業電気信号を生成する。次に、作業関係評価６６に 対応する信号を用いて、コンピュータは定期的に現作業信号を、使用中のビット 、即ち、ビット１８の摩耗を示す現摩耗電気信号に変換することができる。 これらの基本ステップは、ビット６８が硬質のストリンガ５４又はその他の摩 耗性地層を掘削しているとは考えられない場合でも実行する。好ましくは、現摩 耗信号が、対象のサイズ及び設計のビットに対する作業定格(work rating)又は それ未満における値に対応する所定の制限に到達した場合、ビット６８を引き出 す。 井戸７０は井戸５２の近くにあるので、前述の摩耗性の例で説明したように、 ビット６８が硬質のストリンガ５４を掘削し、４８において生成された摩耗性信 号を処理して、７４において生成された現摩耗信号を調節すると結論付けること は、したがって、論理的である。 再度繰り返すが、使用中のビット１８の過剰な振動を監視することも役に立つ 場合がある。かかる振動を検出した場合、前述のように、かかる過剰な振動が発 生したそれぞれの増分域について、それぞれのピーク力信号を発生すべきである 。この場合も、これらの増分域各々の岩石強度に対する最大許容力に対応する制 限も判定し、対応する信号を発生する。コンピュータ３６は、電子的にかかるピ ーク力信号の各々をそれぞれの制限信号と比較し、現摩耗信号に対応するそれを 超過する可能性のある摩耗を検査する。修正処置を取ることができる。例えば、 動作パワー・レベル、即ち、ビット上の荷重及び／又は回転速度を低下させると よい。 いずれの場合でも、現摩耗信号９２は、９４に示すように、ある種の視覚的に 認知可能な形態で、出力することが好ましい。 前述の例は、摩耗時間の実モデリング・プロセスを例示するものである。同様 の電子処理方法論を用いるが、ビット１８によって掘削される肉眼岩石 (lithology)はビット７６によって掘削されたものと同一であるとの仮定の下で 動作させることによって、予測摩耗モデルを予め生成することも可能であること は理解されよう。次に、ビットの摩耗を考慮するためのビット荷重及び回転速度 の 前述の調節は、この予測モデルを基準とすることができる。非常に好適な実施形 態では、事前予測モデルを備え、しかしながらリアル・タイム摩耗モデリングも 行って、事前予測モデルの確認及び／又は調節を行い、更に対応する回転速度及 びビット荷重の調節を行う。 前述の実施形態に対する多数の変更が、当業者には想起されるであろう。した がって、本発明の範囲は、以下に続く請求の範囲によってのみ限定されることを 意図するものである。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年１１月１６日（１９９８．１１．１６） 【補正内容】 【図１】 【図２】【図３】 【図４】【図５】【図６】【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の井戸用ビットに適用される掘削条件を調整する方法であって、 前記ビットによって掘削される区間における地質の圧縮強度を検査するステッ プと、 前記所定のビットと同じサイズ及び設計の臨界ビット構造が、前記検査された 圧縮強度とほぼ同一の圧縮強度の物質を掘削した後の前記臨界ビット構造の摩耗 を、前記摩耗した構造に対する各掘削データと共に分析するステップと、 前記分析から、前記各圧縮強度に対して、望ましくないビット摩耗が発生する 可能性が高くなる上限として、パワー制限を決定するステップと、 前記所定のビットを動作させて、前記パワー制限以下の所望の動作パワーを維 持するように掘削条件を調整するステップと から成ることを特徴とする方法。 ２．請求項１記載の方法において、 複数の構造及びそれぞれの掘削データが同様に分析され、 更に、前記分析から、電気信号の相関対の第１タイプの系列を発生するステッ プを含み、前記各対の２つの信号が、それぞれ、前記構造の各１つに対する摩耗 率と動作パワーとに対応し、 前記パワー制限が、前記第１タイプの系列の前記信号から発生される ことを特徴とする方法。 ３．請求項２記載の方法において、前記構造の少なくとも１つが、前記所定の ビットに用いられるサイズ及び設計の別個の部分であり、研究室条件で同様に分 析されることを特徴とする方法。 ４．請求項２記載の方法において、前記構造の少なくとも１つが、前記所定の ビットと同じサイズ及び設計の完全なビットであり、現場の掘削において同様に 摩耗されることを特徴とする方法。 ５．請求項２記載の方法において、前記掘削条件は、前記所望の動作パワーを 前記パワー制限未満であるが、合理的にできるだけその周囲に維持するように調 整されることを特徴とする方法。 ６．請求項２記載の方法において、前記掘削条件が、前記所定のビットに適用 される条件を含み、ビットの振動が、前記ビットによって地質に伝達される力を 、前記区間の小さな増分域において変動させ、前記適用する条件が、ピーク伝達 力を参照して前述のように調整されることを特徴とする方法。 ７．請求項２記載の方法において、前記調整される条件が、回転速度とビット 荷重であることを特徴とする方法。 ８．請求項７記載の方法において、該方法は、更に、電気信号の相関対の第２ タイプの系列を発生するステップを含み、各対のそれぞれの信号が、回転速度値 とビット荷重値に対応し、各対の前記回転速度及びビット荷重値から、理論的に 、前記パワー制限に対応するパワーが得られ、 前記ビットが、前記第２タイプの系列における信号の前記対の１つに対応する 回転速度及びビット荷重で動作される ことを特徴とする方法。 ９．請求項８記載の方法において、該方法は更に、実質的に不利なビット運動 特性が発生する可能性が高くなる前記パワー制限に対して、回転速度制限を決定 するステップを含み、前記ビットを前記回転速度制限未満の回転速度で動作させ ることを特徴とする方法。 １０．請求項９記載の方法において、該方法は更に、実質的に不利なビット運 動特性が発生する可能性が高くなる前記パワー制限に対して、ビット荷重制限を 決定するステップを含み、前記ビットを前記ビット荷重制限未満のビット荷重で 動作させることを特徴とする方法。 １１．請求項１０記載の方法において、該方法は更に、 前記パワー制限に対して、前記回転速度制限より低く、望ましくないビット運 動特性が発生する可能性が高くなる、限界回転速度を決定するステップと、 前記パワー制限に対して、前記荷重ビット制限よりも低く、望ましくないビッ ト運動特性が発生する可能性が高くなる、限界荷重ビットを決定するステップと 、 前記限界回転速度以下の回転速度、及び前記限界ビット荷重以下のビット荷重 で前記ビットを動作させるステップと を含むことを特徴とする方法。 １２．請求項１１記載の方法において、該方法は更に、前記限界ビット荷重に 合理的にできるだけ近い範囲で、回転速度及びビット荷重で前記ビットを動作さ せるステップを含むことを特徴とする方法。 １３．請求項１２記載の方法において、該方法は更に、切削の最大深度が得ら れる荷重ビットと回転速度の組み合わせを判定し、前記切削の最大深度に対応す るビット荷重又は前記限界ビット荷重の内小さい方に近いビット荷重、又はそれ に等しいビット荷重で、前記ビットを動作させるステップを含むことを特徴とす る方法。 １４．請求項１０記載の方法において、該方法は更に、 前記パワー制限に対して、前記回転速度制限よりも低く、望ましくないビット 動作特性が発生する可能性が高くなるように、限界回転速度を決定するステップ と、 前記パワー制限に対して、前記ビット荷重制限未満であり、望ましくないビッ ト動作特性が発生する可能性が高くなるように、限界ビット荷重を決定するステ ップと、 前記パワー制限に対して、前記ビットに対して切削の最大深度を得るビット荷 重を判定するステップと、 前記限界回転速度以下の回転速度、並びに前記切削の最大深度に対応するビッ ト荷重又は前記限界ビット荷重の内小さい方に近いビット荷重、又はそれに等し いビット荷重で、前記ビットを動作させるステップと を含むことを特徴とする方法。 １５．請求項８記載の方法において、該方法は更に、前記パワー制限に対して 、実質的に不利なビット運動特性が発生する可能性が高くなるように、荷重ビッ ト制限を決定し、前記荷重ビット制限未満の荷重ビット制限で前記ビットを動作 させるステップを含むことを特徴とする方法。 １６．請求項８記載の方法において、該方法は更に、複数の前記第２タイプの 信号系列を、各々異なる摩耗量に対して同様に発生し、前記第２タイプの適切な 系列に応じて、前記ビットが摩耗するに連れて、前記ビット荷重を周期的に増大 させるステップを含むことを特徴とする方法。 １７．請求項１６記載の方法において、該方法は更に、前記ビット荷重を増大 させるに連れて、前記回転速度を変化させるステップを含むことを特徴とする方 法。 １８．請求項１７記載の方法において、該方法は更に、前記ビットの摩耗をリ アル・タイムで測定又はモデリングするステップを含むことを特徴とする方法。 １９．請求項８記載の方法において、前記圧縮強度検査が、異なる圧縮強度の 複数の地質層を含み、該方法は更に、 圧縮強度の各々について、それぞれかかる第１及び第２タイプの信号系列を同 様に発生するステップと、 前記地質を貫通する前記ビットの前進を監視するステップと、 前記ビットが現在掘削中の地質の圧縮強度に対して、前記各信号系列に応じて 、前記ビットの動作を周期的に変更するステップと を含むことを特徴とする方法。 ２０．請求項１記載の方法において、前記圧縮強度は、前記ビットを用いて前 記区間を掘削しつつリアル・タイムでモデリングを行うことによって、検査する ことを特徴とする方法。