JP2006504888A - 掘削マッド濾過装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過するフィルタシステムに関する。本発明によるフィルタシステム(10)は、オーバーヘッド式掘削システム(23)と、このオーバーヘッド式掘削システム(23)に連結されるドリルストリング(19)と、掘削マッドを濾過するマッドフィルタとを有している。マッドフィルタは、オーバーヘッド式掘削システム(23)内への掘削マッドの入口箇所からドリルストリング(19)内への掘削マッドの入口箇所まで延びる掘削マッド流路(8)内に配置される。

Description

本発明は、油井又はガス井掘削システムの、本明細書で定義される掘削マッド流路から、ドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過するための改善装置及び方法に関し、より詳しくは、オーバーヘッド式掘削システム、トップドライブ式掘削システム又はパワースイベル(power swivel)の、本明細書で定義される掘削流体流路内に取付けられ又は受入れられるマッドフィルタに関する。

ドリルストリングは、ねじ式に連結されるドリルパイプの複数の接合により構成され、各ドリルパイプは、約３０フィート（９．１４４メートル）の長さを有する。各ドリルパイプの一端（パイプの「ボックス」端）は、雌ねじを有し、各ドリルの反対側の端（パイプの「ピン」端）は、雄ねじを有する。ねじ式に連結されたひと繋がりの３本のドリルパイプは、一般的には、ドリルパイプの「スタンド」と称される。各スタンドは、約９０フィート（２７．４３２メートル）の長さを有する。典型的には、ドリルパイプを使用する準備が整った多数のスタンドが、ドリルフロアによって上下方向に支持されて蓄えられ、一般にフィンガーボードと称する組立体として拘束される。

トップドライブ式井戸掘削装置は、一般に、トップドライブシステム（ＴＤＳ）を有している。ＴＤＳは、管状のメインシャフトを有し、このメインシャフトの下端部はドリルストリングの上端部にねじ式に連結可能である。ＴＤＳは、ドリルストリングを回転させながら打ち込み、掘削作業中にドリルストリングを上下に移動させる。ＴＤＳは、掘削作業中にメインシャフト従ってドリルストリングを打ち込むためのモータを有する。ＴＤＳは、掘削流体を受入れる組立体を有している。掘削作業中、掘削流体（一般に「掘削マッド」又は簡単に「マッド」と称する）は、ＴＤＳの中を通ってドリルストリングに圧送されてからドリルビットに落下し、ドリルビットを潤滑し、それにより、掘削作業を容易にする。しかしながら、掘削中、ドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研磨物（以下、廃棄物という）は、掘削マッド中に蓄積する。廃棄物は、ドリルストリング及びドリルビットの内面及び掘削パラメータ測定装置に大きい摩耗を引起こすことがある。従って、掘削マッドを濾過して、蓄積された廃棄物を除去することが望まれている。

従来の濾過システムでは、マッドフィルタ即ちマッドスクリーンが、ドリルストリングに取付けるべきドリルパイプのスタンドのボックス端内に挿入される。しかしながら、フィルタを挿入するには、油井オペレータ（一般的に「石油採掘労働者」と呼ばれる）は、ドリルパイプのスタンドのてっぺんまで約９０フィート（２７．４３２メートル）持上げられなければならない。これは、典型的には、ライディングベルトと称する装置に石油採掘労働者を乗せることによって行われる。このやり方は非常に危険であり、石油採掘労働者が重傷を負い又は死亡することもある好ましくない高度の危険を生じさせることがある。

従って、石油採掘労働者を負傷させる危険を生じさせないで、油井又はガス井掘削システムにおいて掘削マッドを濾過する改善方法及び装置が要望されている。

本発明は、油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドから、ドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過するフィルタシステムに向けられている。
一つの実施形態では、フィルタシステムは、オーバーヘッド式掘削システムと、この掘削システムに連結されたドリルストリングと、掘削マッドを濾過するマッドフィルタとを有している。かかる実施形態では、マッドフィルタは、オーバーヘッド式掘削システム内への掘削マッドの入口箇所からドリルストリング内への掘削マッドの入口箇所まで延びる掘削マッド流路内に配置されることが好ましい。
他の実施形態では、フィルタシステムは、セイバーサブ（saver sub）を更に有し、このセイバーサブは、オーバーヘッド式掘削システムに連結される上端部と、ドリルストリングに連結される下端部を有している。この実施形態では、マッドフィルタはセイバーサブ内に受入れられる。

本発明の他の実施形態は、油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過する方法に向けられている。
一つの実施形態では、本発明の方法は、ドリルストリングを準備する工程と、ドリルストリングを回転駆動するオーバーヘッド式掘削システムを準備する工程と、掘削マッドを濾過するマッドフィルタを準備する工程と、オーバーヘッド式掘削システム内への掘削マッドの入口箇所からドリルストリング内への掘削マッドの入口箇所まで延びる掘削マッド流路内にマッドフィルタを配置する工程とを有している。
他の実施形態では、本発明の方法は、更に、掘削マッド流路の一部分を形成する内部流路を有するセイバーサブを準備する工程と、セイバーサブの上端部をオーバーヘッド式掘削システムに取付ける工程と、セイバーサブの下端部をドリルストリングに取付ける工程と、マッドフィルタの少なくとも一部分をセイバーサブの内部流路内に配置する工程とを有している。

本発明の上記及び他の特徴及び長所は、添付図面に関連して述べる以下の詳細な説明を参照することにより一層良く理解されよう。
本発明は、油井又はガス井掘削システムの、以下に定義される掘削マッド流路から、ドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削屑（以下、廃棄物と称する）を濾過する改善装置及び方法に関し、より詳しくは、オーバーヘッド式掘削システム、トップドライブ式掘削システム又はパワースイベルの、以下に定義する掘削マッド流路内に取付けられ即ち受入れられるマッドフィルタに関する。

図１は、油井又はガス井の掘削作業に使用されるトップドライブ式井戸掘削装置１０を示す。掘削装置１０は、デリック(derrick)１１により構造的に支持されている。掘削装置１０は、複数の機械構成要素を有し、機械構成要素は、フック１３、フック１３に取付けられたトップドライブシステム（ＴＤＳ）又はオーバーヘッド式掘削システム２３、ＴＤＳ２３に取付けられたセイバーサブ(saver sub)２４、セイバーサブ２４に取付けられたドリルストリング１９、ドリルストリング１９に取付けられたドリルビット２０を含んでいる。一つの実施形態では、図１に示すように、ＴＤＳ２３は、ウォッシュパイプボンネット１４と、ウォッシュパイプボンネット１４から延びるグースネック１５と、グースネック１５に連結されたＳ字形パイプ１８と、メインシャフト１６と、モータハウジング１７とを有している。

図１に示す実施形態では、機械構成要素は、集合的に移動ブロック１２から吊下げられており、移動ブロック１２は、機械構成要素の上下移動を案内するためにデリック１１に連結されたレール２２上において、機械構成要素を上下方向に移動させることを可能にする。メインシャフト１６は、モータハウジング１７の中を通って延び、かつ、ドリルストリング１９に連結されている。

作業中、モータハウジング１７内に収容されたＴＤＳ用モータは、メインシャフト１６を回転させ、それにより、ドリルストリング１９及びドリルビット２０を回転させる。ドリルビット２０の回転により、井戸孔２１が形成される。Ｓ字形パイプ１８に連結されたロータリホース２５（図８参照）から圧送された掘削流体（掘削マッド（mud）又はマッドとも称する）は、ドリルビット２０に移動し、ドリルビット２０を潤滑し、掘削作業を容易にする。本発明によるマッドフィルタ２６は、掘削マッド流路８内に配置され、掘削作業中に掘削マッド流路８内に蓄積される廃棄物を収集する。

本明細書で使用する用語「掘削マッド流路」は、掘削作業中に掘削マッドが通る通路であって、ＴＤＳ２３内への掘削マッド入口から延び、ＴＤＳ２３に取付けられたドリルストリング１９のボックス端内への掘削マッド入口で終端する通路をいう。例えば一つの実施形態では、掘削マッド流路８は、ロータリホース２５とＳ字形パイプ１８との連結部から延び、Ｓ字形パイプ１８、グースネック１５、ウォッシュパイプ１４、ＴＤＳ２３、メインシャフト１６及びセイバーサブ２４をの中を通って、セイバーサブ２４とドリルストリング１９との連結部で終端している。しかしながら、本発明の変形実施形態では、上述した例に示した１つ以上の構成要素を省略してもよい。例えば、一つの実施形態では、ＴＤＳ２３は、セイバーサブ２４を用いないで、ドリルストリング１９に直接連結されていてもよい。

図２に示すように、セイバーサブ２４が掘削装置に設けられている本発明の一つの実施形態では、ＴＤＳ２３は、セイバーサブ２４にねじによって連結され、セイバーサブ２４は、ドリルストリング１９にねじによって連結されている。ＴＤＳ２３は、ドリルストリング１９に直接連結されてもよいが、殆どの作業において、ＴＤＳ２３のねじを「保護する（save）」ために、セイバーサブ２４はＴＤＳ２３とドリルストリング１９との間に連結される。

例えば、ＴＤＳ２３がドリルストリング１９に直接連結されていると、ＴＤＳ２３のねじが損傷を受け、摩損し、そうでなくても連結不能になり、ＴＤＳ２３のメインシャフト１６を交換しなければならくなる。これに対し、セイバーサブ２４のねじが摩損し、損傷を受け又は連結不能になった場合、セイバーサブ２４は、容易に交換可能な消耗部品となる。その結果、セイバーサブ２４は、ＴＤＳ２３とドリルストリング１９との間に連結されて、ＴＤＳ２３のねじ山を保護し且つＴＤＳ２３の有効寿命を延長させる。一つの実施形態では、セイバーサブ２４は、高合金鋼等の非常に硬い材料、例えば、ＡＩＳＩ ４３４０で作られる。

図２、図３及び図５に示すように、セイバーサブ２４は、ほぼ円筒形の中空内部４２を有するほぼ円筒形のチューブであり、掘削マッド流路８の一部を形成する内部流路を構成する。セイバーサブ２４は、その寸法が変化してもよいが、一般的には、約１４〜１７インチ（３５．５６〜４３．１８センチメートル）の範囲の長さを有する。図２に示す実施形態では、セイバーサブ２４は、ＴＤＳ２３の雌ねじ付き下端部２８と螺合する雄ねじを有する上端部２７と、ドリルストリング１９の雌ねじ付き上端部（ボックス端）３２と螺合する雄ねじを有する下端部３０とを含んでいる。図示のように、セイバーサブ２４に構造的強度を付与するための本体部分３４が、セイバーサブ２４のねじ付き部分２７、３０の間に配置されるのがよい。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、一つの実施形態では、マッドフィルタ２６はほぼには円筒形であり、マッドフィルタ２６の上端部３６から下端部４６まで延びる長手方向キャビティ４４を有している。長手方向キャビティ４４は、マッドフィルタ２６の側壁４８間の空間によって構成されている。マッドフィルタ２６の側壁４８は、その上端部３６から下端部４６まで延びて、底壁５０で終端している。

マッドフィルタ２６は、掘削マッドが通過することを許すけれども廃棄物が通過することを防止するために、少なくとも一部分が多孔構造である。マッドフィルタ２６のための例示の多孔構造は、例えば、適当な構造のなかでとりわけ、金属メッシュ材料、複数の溶接金属棒、又は複数の貫通開口を有するほぼ中実の材料を含む。

図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態では、マッドフィルタ２６は、複数の貫通開口５２を有するステンレス鋼等の中実鋼材を含んでいる。この実施形態では、マッドフィルタ２６は、その上端部３６に向かって環状空間が増大するように下方にテーパしており、それにより、マッドフィルタ２６を通過する掘削マッドの流れの改善を可能にする。一つの実施形態では、開口は、ほぼ円形であり、約２〜４インチ（５．０８〜１０．１６センチメートル）の範囲の直径を有する。セイバーサブ２４と同様、マッドフィルタは、その寸法が変化してもよいが、一般的には、約１２〜１８インチ（３０．４８〜４５．７２センチメートル）の範囲の長さを有している。

本発明によるマッドフィルタ２６は、掘削マッド流路８内の任意の場所に配置される。例えば一つの実施形態では、図５に示すように、マッドフィルタ２６は、セイバーサブ２４内に受入れられる。この実施形態では、マッドフィルタ２６の上端部３６は、環状リング３８を含み、この環状リング３８は、セイバーサブ２４の上端部２７の環状凹部４０とかみ合わさる。一つの実施形態では、マッドフィルタ２６の環状リング３８は、セイバーサブ２４の環状凹部４０に押付けられて流体密封シールを形成するОリングシール（図示せず）等のシーリング要素を有するのがよい。

他の実施形態では、マッドフィルタ２６の環状リング３８とセイバーサブ２４の環状凹部４０との間の公差を、廃棄物が環状リング３８と環状凹部４０との間を流れてマッドフィルタ２６を通過することを防止するのに十分小さくしてもよい。例えば、廃棄物の漏れを確実になくすために、環状リング３８と環状凹部４０との間の公差を約±０．００２〜０．００５インチ（０．０５０８〜０．１２７ミリメートル）にしてもよい。

マッドフィルタ２６は、その底壁５０がセイバーサブ２４の下端部３０から突出するようにセイバーサブ２４内に受入れられてもよいけれども、マッドフィルタ２６の底壁５０がセイバーサブ２４の下端部３０から突出しない実施形態では、セイバーサブ２４がトップドライブ式井戸掘削装置１０に取付けられるとき、それから取外されるとき、又は、掘削装置１０の周囲で移動されるとき、底壁５０が損傷を受ける可能性はより少ない。

本発明の他の実施形態では、例えば図６に示すように、マッドフィルタ２６はウォッシュパイプ１４内に受入れられる。マッドフィルタ２６は、セイバーサブ２４内へのマッドフィルタ２６の位置決めに関して上述したように、ウォッシュパイプ１４内に受入れられるのがよい。マッドフィルタ２６をウォッシュパイプ１４内に配置することにより、セイバーサブ２４内に配置する場合よりも、マッドフィルタ２６の長さを長くできるという長所が得られる。例えば、マッドフィルタ２６がウォッシュパイプ１４内に配置される実施形態では、マッドフィルタ２６は、長さ約１２〜３６インチ（３０．４８〜９１．４４センチメートル）の範囲であってもよい。

図７は、非多孔構造の上部２９と、多孔構造の下部３１とを有するマッドフィルタ２６の一つの実施形態を示す。下部３１の多孔構造は、前述の任意の多孔構造を含む。この実施形態は、例えば、マッドフィルタ２６がウォッシュパイプ１４内に受入れられ且つウォッシュパイプ１４の上部が湾曲したグースネック１５を有している場合に有用である。グースネック１５の湾曲により、掘削マッドの流れの中に乱流の増大が引起こされる。その結果、掘削マッドの乱流がマッドフィルタ２６を破壊しないようにマッドフィルタ２６の上部２９の構造的強度を増大させるために、マッドフィルタ２６の上部２９が非多孔構造材料で構成されることが有利である。

図８は、マッドフィルタ２６がＳ字形パイプ１８内に受入れられる構成の他の実施形態を示す。マッドフィルタ２６は、セイバーサブ２４内へのマッドフィルタ２６の位置決めに関して上述したように、Ｓ字形パイプ１８内に受入れられるのがよい。

本発明はまた、上記装置を使用して掘削マッドを濾過する方法に関する。この実施形態では、掘削作業中、掘削マッドは掘削マッド流路８を通して圧送される。掘削マッドがマッドフィルタ２６の長手方向キャビティ４４に流入すると、マッドフィルタ２６は、その側壁４８及び底壁５０をマッドが通過することを許容するが、その側壁４８及び底壁５０を廃棄物が通過することを許容しない。廃棄物がマッドフィルタ２６の長手方向キャビティ４４内に蓄積すなわち「堆積」するにつれて、掘削マッドの圧力が増大する。マッドフィルタ２６の長手方向キャビティ４４が廃棄物によって実質的に占領されたことを示すレベルに、掘削マッドの圧力が到達したとき、新しいマッドフィルタ２６を、掘削マッド流路内、例えばウォッシュパイプ１４、Ｓ字形パイプ１８又はセイバーサブ２４内に挿入す。マッドフィルタ２６の取付け及び交換の工程を、掘削中、必要に応じて繰り返してもよい。

以上、トップドライブシステムを説明したが、他の実施形態では、パワースイベルのような任意の適当なオーバーヘッド式掘削システムを使用できる。本明細書に図示しかつ説明した実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものと解してはならないことを理解すべきである。本発明の精神及び範囲に従って種々の変更を行ってもよい。従って、本発明の範囲は、開示した好ましい実施形態の特定の特徴により定められるものではなく、特許請求の範囲の記載により定められるものである。

トップドライブシステム、セイバーサブ及びドリルストリングを有するトップドライブ式掘削装置の概略図である。 トップドライブシステムの下端部、セイバーサブ及びドリルストリングの上端部を示す、図１の一部分の概略図である。 図１のセイバーサブの正面図である。 本発明によるマッドフィルタの正面図である。 図４Ａのマッドフィルタの縦断面図である。 図３のセイバーサブ内に配置された図４のマッドフィルタの縦断面図である。 マッドフィルタが配置されたウォッシュパイプの一部分の断面図である。 本発明によるマッドフィルタの他の実施形態の正面図である。 Ｓ字形パイプ内に配置されたマッドフィルタを有するトップドライブ式掘削装置の概略図である。

Claims (34)

1. 油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過するフィルタシステムであって、
   オーバーヘッド式掘削システムと、
   前記オーバーヘッド式掘削システムに連結されるドリルストリングと、
   掘削マッドを濾過するマッドフィルタと、を有し、
   前記マッドフィルタは、前記オーバーヘッド式掘削システム内への掘削マッドの入口箇所から前記ドリルストリング内への掘削マッドの入口箇所まで延びる掘削マッド流路内に配置されることを特徴とするフィルタシステム。
2. 前記マッドフィルタは多孔構造を有する、請求項１に記載のフィルタシステム。
3. 前記多孔構造は、複数の開口が設けられた中実材料を有する、請求項２に記載のフィルタシステム。
4. 前記中実材料は金属である、請求項３に記載のフィルタシステム。
5. 前記多孔構造は金属メッシュ材料を有する、請求項２に記載のフィルタシステム。
6. 前記多孔構造は複数の溶接金属棒を有する、請求項２に記載のフィルタシステム。
7. 前記マッドフィルタは、非多孔構造の上部と多孔構造の下部とを有する、請求項１に記載のフィルタシステム。
8. 油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削屑を濾過するフィルタシステムであって、
   オーバーヘッド掘削システムと、
   前記オーバーヘッド掘削システムに連結される上端部とドリルストリングに連結される下端部とを有するセイバーサブと、
   掘削マッドを濾過するマッドフィルタと、を有し、前記マッドフィルタが前記セイバーサブ内に受入れられることを特徴とするフィルタシステム。
9. 前記セイバーサブは、その上端部から下端部まで延びる内部流路を有し、前記マッドフィルタは、前記セイバーサブの内部流路内に取付けられる、請求項８に記載のフィルタシステム。
10. 前記セイバーサブは、環状凹部を備えた内面を有し、前記マッドフィルタは、前記セイバーサブの環状凹部に係合する環状リングを有する、請求項８に記載のフィルタシステム。
11. 前記マッドフィルタの下端部は前記セイバーサブの下端部から突出する、請求項８に記載のフィルタシステム。
12. 前記マッドフィルタは多孔構造を有する、請求項８に記載のフィルタシステム。
13. 前記多孔構造は、複数の開口が設けられた中実材料を有する、請求項１２に記載のフィルタシステム。
14. 前記中実材料は金属である、請求項１３に記載のフィルタシステム。
15. 前記多孔構造は金属メッシュ材料を有する、請求項１２に記載のフィルタシステム。
16. 前記多孔構造は複数の溶接金属棒を有する、請求項１２に記載のフィルタシステム。
17. 前記マッドフィルタは、非多孔構造の上部と多孔構造の下部とを有する、請求項８に記載のフィルタシステム。
18. 油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過する方法であって、
    ドリルストリングを準備する工程と、
    前記ドリルストリングを回転駆動するオーバーヘッド式掘削システムを準備する工程と、を有し、前記オーバーヘッド式掘削システムは、その中への掘削マッドの入口箇所から前記ドリルストリング内への掘削マッドの入口箇所まで延びる掘削マッド流路を有し、
    更に、掘削マッドを濾過するマッドフィルタを準備する工程と、
    前記掘削マッド流路内にマッドフィルタを配置する工程と、を有することを特徴とする方法。
19. 前記マッドフィルタは多孔構造を有する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記多孔構造は、複数の開口が設けられた中実材料を有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記中実材料は金属材料を有する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記多孔構造は金属メッシュ材料を有する、請求項２０に記載の方法。
23. 前記多孔構造は複数の溶接金属棒を有する、請求項２０に記載の方法。
24. 前記マッドフィルタの上部は非多孔構造であり、前記マッドフィルタの下部は多孔構造である、請求項１８に記載の方法。
25. 油井又はガス井掘削システムの中に通される掘削マッドからドリルビット切り屑、削り屑及びその他の研削物を濾過する方法であって、
    ドリルストリングを準備する工程と、
    前記ドリルストリングを回転駆動するオーバーヘッド式掘削システムを準備する工程と、
    内部流路を有するセイバーサブを準備する工程と、
    前記セイバーサブの上端部を前記オーバーヘッド式掘削システムに取付ける工程と、
    前記セイバーサブの下端部を前記ドリルストリングに取付ける工程と、
    掘削マッドを濾過するマッドフィルタを準備する工程と、
    前記マッドフィルタの少なくとも一部分を、前記セイバーサブの内部流路内に配置する工程と、を有することを特徴とする方法。
26. 更に、前記マッドフィルタを前記セイバーサブの内部流路内に取付ける工程を有する、請求項２５に記載の方法。
27. 前記セイバーサブは、その内面に環状凹部を有し、前記マッドフィルタは、前記環状凹部に対応する環状リングを有し、
    更に、前記セイバーサブの環状凹部と前記マッドフィルタの環状リングとを係合させる工程を有する、請求項２５に記載の方法。
28. 前記マッドフィルタは、その下端部が前記セイバーサブの下端部から突出するように前記セイバーサブの内部流路内に配置される、請求項２５に記載の方法。
29. 前記マッドフィルタは多孔構造を有する、請求項２５に記載の方法。
30. 前記多孔構造は、複数の開口が設けられた中実材料を有する、請求項２９に記載の方法。
31. 前記中実材料は金属材料を有する、請求項３０に記載の方法。
32. 前記多孔構造は金属メッシュ材料を有する、請求項２９に記載の方法。
33. 前記多孔構造は複数の溶接金属棒を有する、請求項２９に記載の方法。
34. 前記マッドフィルタの上部は非多孔構造であり、前記マッドフィルタの下部は多孔構造である、請求項２５に記載の方法。

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