JP2007519839A - 横穴のダウンホール掘削 - Google Patents
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Abstract
メインウエルから分岐する横穴を掘削するシステムである。本システムは、回転トルクを発生するためのモータ(412)、軸線方向力を発生する軸線方向スラスター(411)、モータ及び軸線方向スラスターを掘削穴内に固定するブロックシステム(410)を含むモータアッセンブリ(415)を含む。モータアッセンブリは更に、回転トルクを伝達する駆動シャフト(414)を含む。システムは更に、回転トルク及び軸線方向力をモータアッセンブリからドリルストリングアッセンブリに伝達するための第1及び第2のコネクタ(402,404)を含む。第1コネクタは、軸線方向力だけをドリルパイプ(401)に伝達するように及び回転トルクをドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフト(405)に伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。第2コネクタ(402)は、軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプ(401)に伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。
Description
本発明は、全体として、メインウエル(主井;main well)から横穴を掘削することに関する。
横穴掘削が井戸(well)を形成するための新たな掘削方法となってきている。横穴掘削により、地下貯層、例えば炭化水素貯層又は帯水層の大きなゾーンにアクセスできる。横穴掘削方法は、炭化水素の粘度が高い場合、地層の透過性が低い場合、何層にも重なった貯層である場合、等で有用であることがわかっている。更に、横穴掘削方法により、例えば海洋石油掘削用プラットホームのように掘削スロットが限られている場合に貯層に到達できる。
メインウエルから分岐する横穴を掘削するのに掘削リグが一般的に使用されている。表面で回転トルクを発生し、これを掘削穴内のドリルストリングに伝達する。更に、回転トルクは、液圧コンバータによって掘削穴内で発生してもよい。この際、ポンプを表面で使用する。ドリルストリングの一端のドリルビットに加えられるべき軸線方向力は、ドリルストリングの重量によって、メインウエルの垂直部分又は斜行部分に沿って発生されてもよい。
更に、横穴を掘削するためにコイル状チューブを使用してもよい。噴射ヘッドがコイル状チューブをメインウエルに押し込む。代表的にはドリルカラー、配向工具、操向可能モータ、及びドリルビット等の幾つかの工具をコイル状チューブの一端に配置してもよい。回転トルク及び軸線方向力はドリルビットに加えられる。回転トルクは、操向可能モータの液圧コンバータによって発生される。この際、ポンプを表面で使用する。軸線方向力は、工具の重量によって、又は場合によってはコイル状チューブによっても発生される。軸線方向力は、表面で噴射ヘッドによって発生してもよい。
小さな横穴を掘削するための幾つかの現在のシステムは、電動モータで回転トルクを掘削穴内で発生する。多くの場合、横穴の掘削が二つの工程で行われる。第1工程中、第1掘削システムを使用して短半径の湾曲した穴を掘削する。所望の方向に達した後、第1掘削システムを横穴から取り出し、第2掘削システムが横穴を所定の方向に従って掘削する。
第1掘削システムは湾曲に従って掘削できるように曲がった操向可能モータであってもよい。
操向可能モータ
図1は、従来技術による操向可能モータの概略図を示す。操向可能モータ101は、ドリルパイプ105、及びドリルビット107が連結された伝動シャフト103を含む。ドリルパイプ105は、湾曲した穴を掘削できるように曲がっている。掘削中、掘削した穴の底壁に操向可能モータ101を押し付ける。湾曲した穴の指令半径(command radius)は、3つの接触箇所102の相対的な位置で決まる。
図1は、従来技術による操向可能モータの概略図を示す。操向可能モータ101は、ドリルパイプ105、及びドリルビット107が連結された伝動シャフト103を含む。ドリルパイプ105は、湾曲した穴を掘削できるように曲がっている。掘削中、掘削した穴の底壁に操向可能モータ101を押し付ける。湾曲した穴の指令半径(command radius)は、3つの接触箇所102の相対的な位置で決まる。
柔らかい地層の場合には、操向可能モータ101は断面が比較的大きなボアを掘削する。従って、結果的に得られた湾曲した穴の有効半径は指令半径よりも大きい。有効半径を制御するため、接触箇所102を比較的小さい指令半径と対応する位置に設けてもよい。操向可能モータ101は、角度モード又は直線的モードのいずれかで使用してもよい。
角度モードでは、操向可能モータ内に配置された液圧コンバータ104、例えば漸増キャビティモータが掘削流体(図示せず)の循環を使用して伝動シャフト103を回転する。従って、ドリルビット107が回転する。ドリルパイプ105は同じ方位角位置に止まり、軸線方向力を伝達する。伝動シャフト103の下部分は、軸線方向力をドリルパイプ105からドリルビット107に伝達するため、ベアリング106によって支持されている。その結果、結果的に得られた湾曲した穴は指令半径よりも大きいか或いはこれと同じ有効半径で湾曲する。
有効半径が所望の半径よりも小さい場合には、操向可能モータ101を直線的モードで使用してもよい。即ち、ドリルパイプ105自体を回転させてもよい。曲がり角度のため好ましい方向に向かうことができず、実質的に真っ直ぐな大きな穴が掘削される。角度モードと組み合わせた場合、直線的モードにより湾曲した穴の有効半径を制御できる。
掘削方向の制御
掘削中、操向可能モータ等のボトムホールアッセンブリは、スタビライザーを備えでいてもよい。スタビライザーにより、穴内にドリルパイプを位置決めできる。更に、スタビライザーにより、上方方向又は下方方向に掘削を行うことができる。
掘削中、操向可能モータ等のボトムホールアッセンブリは、スタビライザーを備えでいてもよい。スタビライザーにより、穴内にドリルパイプを位置決めできる。更に、スタビライザーにより、上方方向又は下方方向に掘削を行うことができる。
図2は従来技術のスタビライザーを示す。スタビライザー202は、ドリルストリング201を取り囲むブレードを含む。これらのブレードは、掘削した穴の内壁204に当接する。従って、スタビライザー202は、ドリルストリング201の中心を掘削した穴の断面のほぼ中央に維持する。ドリルストリングの重量により、ドリルストリングが変形しうる。従って、ドリルストリング201により、スタビライザーの相対的長さ方向位置及びドリルストリング201の重量で決まる方向に従って掘削できる。
図3Aは、横穴を掘削するための従来技術によるボトムホールアッセンブリの直線的形体を示す。ドリルビット303がボトムホールアッセンブリのドリルストリング301の一端に配置されている。三つのスタビライザー(302a、302b、302c)がドリルストリング301を様々な位置で取り囲んでいる。これらのスタビライザー(302a、302b、302c)は、掘削が比較的直線的に行われるように、ドリルビット303の中心を掘削した穴304の断面の中心に維持する。
図3Bは、横穴を掘削するための従来技術によるボトムホールアッセンブリの下降形体を示す。第1スタビライザー302a及び第2スタビライザー302bがドリルストリング301を取り囲んでいる。第1スタビライザー302a及び第2スタビライザー302bが、ドリルストリングの一端のドリルビット303から比較的大きな距離のところに配置されているため、ドリルストリング301は自重で撓み、かくしてドリルビット303は下方方向に沿って穴304を掘削する。
図3Cは、横穴を掘削するための従来技術によるボトムホールアッセンブリの上向形体を示す。第1スタビライザー302a及び第2スタビライザー302cがドリルストリング301を取り囲んでいる。第1スタビライザー302a及び第2スタビライザー302cは互いから比較的大きく間隔が隔てられて配置されており、第2スタビライザー302cはドリルストリング301の一端のドリルビット303の比較的近くにある。スタビライザー(302a、302c)間のドリルストリング301の部分の重量により、ドリルストリング301がスタビライザー間で下方に弾性的に撓む。従って、ドリルビット303は上方に押され、上方方向に掘削を行う。
方向を変更する必要がある場合には、ドリルストリングを井戸から引き出してスタビライザーの位置を変える必要がある。ドリルストリングを引き出さなくても済むようにするため、可変直径スタビライザーを設置してもよい。可変直径スタビライザーの直径を位置によって変えてもよい。位置の変更には機械的システムが必要であり、直径が異なる可変直径スタビライザーをボトムホールアッセンブリに一つだけ設置してもよい。位置の変更は表面から指令してもよい。
可変直径スタビライザーの設定は、代表的には、機械的イベント及び流れイベントによって制御され、例えば軸線方向力を加えること、回転トルクをなくすこと、流体の流れを加えること、流れを加えることによる圧力降下等によって制御される。機械的イベント及び流れイベントの時間的順序により適正なスタビライザー位置を設定できる。例えば機械システムは、代表的には、ボトムホールアッセンブリの周囲に沿った内部スロット内で摺動できるキーを含む。このキーは、機械的イベント及び流れイベントの時間的順序に応じて上方位置と下方位置との間で摺動できる。キーが上方位置にあるとき、伝動システムにより可変直径スタビライザーのブレードを引っ込めることができる。キーが下方位置にあるとき、伝動システムはブレードを掘削した穴の壁に押し付ける。伝動システムは、ブレードに間接的に連結されたシャフトであってもよいし、円錐形形状の内側チューブであってもよい。
従って、掘削が直線的方向又は他の方向に沿って行われているかどうかを表面から決定できる。他の方向は、可変直径スタビライザーの長さ方向相対位置に応じて、上方方向であってもよいし下方方向であってもよい。
可変直径スタビライザーを持つボトムホールアッセンブリは、図3Aに示すように三つのスタビライザーを含んでいてもよく、これらの三つのスタビライザーのうちの一つのスタビライザーが可変直径スタビライザーである。可変直径スタビライザーは、ドリルビットスタビライザーに最も近いスタビライザーであってもよい。この場合、可変直径スタビライザーの直径を縮めることによって図3Bに示すのと同様の形体を提供する。従って、可変直径スタビライザーの直径に応じて直線的方向又は下方方向に従って掘削できる。
同様に、直径スタビライザーは、他のスタビライザー間に配置されていてもよい。この場合、可変直径スタビライザーの直径を縮めることによって図3Cに示すのと同様の形体を提供する。従って、可変直径スタビライザーの直径に応じて直線的方向又は上方方向に従って掘削できる。
掘削方向の監視
更に、ドリルビットの掘削方向を監視するため、横穴の掘削方向を制御する必要がある。このような監視は、通常は、ボトムホールアッセンブリに計測用ホワイト掘削(Measurement White Drilling: MWD)工具を設けることによって行われる。MWD工具は、加速度計システム及び磁力計システムを含んでいてもよい。加速度計システムは少なくとも一つの加速度計を含む。この加速度計により、ドリルパイプの傾斜を地球の重力ベクトルに対して計測できる。磁力計システムにより、ドリルパイプの方位角を地球の磁界に対して計測できる。
更に、ドリルビットの掘削方向を監視するため、横穴の掘削方向を制御する必要がある。このような監視は、通常は、ボトムホールアッセンブリに計測用ホワイト掘削(Measurement White Drilling: MWD)工具を設けることによって行われる。MWD工具は、加速度計システム及び磁力計システムを含んでいてもよい。加速度計システムは少なくとも一つの加速度計を含む。この加速度計により、ドリルパイプの傾斜を地球の重力ベクトルに対して計測できる。磁力計システムにより、ドリルパイプの方位角を地球の磁界に対して計測できる。
加速度計システムは三つの加速度計を備えていてもよく、これにより、ドリルパイプの位置の三つの方向での計測値を提供するように三つの別個の傾斜を地球の重力ベクトルに対して計測できる。
磁力計システムは三つの磁力計を備えていてもよく、これにより、三つの別個の方位角を地球の磁界に対して計測できる。MWD工具は、更に、三つの加速度計及び三つの磁力計の両方を備えていてもよい。
MWD工具は、代表的には、音響的遠隔測定を使用して表面と通信する。MWD工具は、代表的には、ドリルビットから比較的遠い距離のところ、例えば25mのところに配置される。この距離のため、MWDが提供する計測値は精度が比較的低い。これは、MWDよりも下の横穴の湾曲が分からないためである。
極短半径の掘削
極短半径の掘削を行う場合には、メインウエル内にブロックされたモータ,及び回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達できる可撓性シャフトを使用できる。可撓性シャフトは、メインウエルと掘削した横穴との間のエルボのところで実質的に垂直に曲がっている。エルボのところで回転トルク及び軸線方向力を伝達できるように、ガイドシステムがメインウエル内に設けられる。
極短半径の掘削を行う場合には、メインウエル内にブロックされたモータ,及び回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達できる可撓性シャフトを使用できる。可撓性シャフトは、メインウエルと掘削した横穴との間のエルボのところで実質的に垂直に曲がっている。エルボのところで回転トルク及び軸線方向力を伝達できるように、ガイドシステムがメインウエル内に設けられる。
ガイドシステムには、可撓性シャフトとホイップストックとの間の接触応力をなくすように、潤滑剤が提供される。
ガイドシステムは、代表的にはホイップストックである。
国際特許出願WO99/29997には、可撓性シャフトの回転及び軸線方向移動を可能にすると同時に可撓性シャフトを撓ませ且つ回転させるため、エルボ内でブッシュを使用するシステムが記載されている。
流れ及び掘削片の管理
穴の掘削により、処理を必要とする掘削片が発生する。これは、例えば、以下に説明するように行われる。表面にあるポンプが中空掘削工具を通して掘削流体、例えば掘削泥水を噴射する。掘削流体は掘削工具のドリルビットに達し、掘削工具と掘削された穴との間の環状部を通して排出される。掘削流体は、ドリルビットのところで発生した掘削片を表面まで搬送するのに十分に粘性である。表面に配置されたシェールシェーカーにより、掘削片を掘削流体から分離できる。
穴の掘削により、処理を必要とする掘削片が発生する。これは、例えば、以下に説明するように行われる。表面にあるポンプが中空掘削工具を通して掘削流体、例えば掘削泥水を噴射する。掘削流体は掘削工具のドリルビットに達し、掘削工具と掘削された穴との間の環状部を通して排出される。掘削流体は、ドリルビットのところで発生した掘削片を表面まで搬送するのに十分に粘性である。表面に配置されたシェールシェーカーにより、掘削片を掘削流体から分離できる。
第1の特徴では、本発明はメインウエルから分岐する横穴を掘削するためのシステムを提供する。このシステムは、回転トルクを発生するためのモータを含むモータアッセンブリ、軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター、及びモータ及び軸線方向スラスターを掘削穴内に固定するためのブロックシステムを含む。モータアッセンブリは、更に、回転トルクを伝達するための駆動シャフトを含む。システムは、更に、回転トルク及び軸線方向力をモータアッセンブリからドリルストリングアッセンブリまで伝達するためのコネクタを含む。ドリルストリングアッセンブリは、ドリルパイプ及びドリルビットを含む。コネクタは、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネルを形成する。コネクタは、第1コネクタ又は第2コネクタの一方である。第1コネクタは、軸線方向力だけをドリルパイプに伝達するように、及び回転トルクをドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフトに伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。第2コネクタは、軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプに伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。
第1の好ましい実施形態では、モータはメインウエル内に配置される。
第2の好ましい実施形態では、システムはドリルストリングアッセンブリを更に含む。ドリルストリングアッセンブリはコネクタに連結されている。ドリルストリングアッセンブリは、軸線方向力を伝達するためのドリルパイプ、及び回転トルクを伝達するための別の駆動シャフトを含む。この別の駆動シャフトは、ドリルパイプ内に位置決めされている。システムは、更に、ドリルビットを含む。
第3の好ましい実施形態では、横穴の一部は、所定の曲率半径を持つ湾曲した穴を含む。ドリルストリングアッセンブリは、掘削した横穴の壁と接触する三つの接触箇所を含む。これらの三つの接触箇所は、湾曲した穴を掘削できるようにドリルパイプ角度を画成する。
第4の好ましい実施形態では、システムは、軸線方向力をドリルパイプからドリルビットに伝達するスラストベアリングを更に含む。ドリルビットは、別の駆動シャフトの一端に配置されている。システムは、更に、ドリルパイプ内の別の駆動シャフトの撓みを支持するための平らなベアリングシステムを含む。
第5の好ましい実施形態では、モータは電動である。
第6の好ましい実施形態では、システムは、ドリルストリングアッセンブリを更に含む。ドリルストリングアッセンブリは、コネクタに連結されている。ドリルストリングアッセンブリは、軸線方向力及び回転トルクの両方を伝達するためのドリルパイプを含む。システムは、更に、ドリルビットを含む。
第7の好ましい実施形態では、システムは、ドリルビットを横穴の断面内に位置決めするための少なくとも一つの可変直径スタビライザーを更に含む。システムは、更に、一組のスタビライザーパラメータのうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを遠隔の位置から機械的に制御するための制御手段を含む。スタビライザーパラメータの組は、決定された可変直径スタビライザーの直径の大きさ、第1スタビライザーと横穴の内側の別個のスタビライザー又はドリルビットのうちの任意の一方であるマーク装置との間の距離、少なくとも二つの可変直径スタビライザーの協働引っ込め、及び決定された可変直径スタビライザーの方位角半径を含む。
第8の好ましい実施形態では、システムは、スタビライザーパラメータの組のうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを制御するための単一の制御ユニットを更に含む。
第9の好ましい実施形態では、システムは、形体スロット、及び制御手段によって変位できる形体プロットを含む。形体プロットにより、一組の設定位置のうちから所望の設定位置を選択できる。設定位置の組は少なくとも三つの設定位置を含む。各設定位置は、少なくとも一つのスタビライザーパラメータの決定された値と対応する。
第10の好ましい実施形態では、システムは、協働するように設置できる二つの可変直径スタビライザーを含む。
第11の好ましい実施形態では、システムは、二つの可変直径スタビライザーのうちの一方の直径を計測するためのホール効果センサを更に含む。
第12の好ましい実施形態では、システムは、ドリルビットと近接した少なくとも一つのマイクロセンサを更に含む。少なくとも一つのマイクロセンサにより、基準方向に対するドリルビットの配向を計測できる。
第13の好ましい実施形態では、ドリルパイプは、回転トルク及び軸線方向力を伝達する際に曲がることができるように可撓性である。システムは、ドリルパイプを屈曲部のところで支持するための回転支持体を備えた曲げガイドを更に含む。
第14の好ましい実施形態では、回転支持体は、プーリによって支持されたベルトである。
第15の好ましい実施形態では、システムは、掘削流体を圧送するために掘削穴内に配置されたポンプを更に含む。
第16の好ましい実施形態では、掘削流体は、メインウエルからドリルビットまで、掘削された横穴とドリルストリングアッセンブリとの間の環状部を通して循環できる。掘削流体は、ドリルビットからメインウエルまで流体連通チャンネルを通して循環できる。
第17の好ましい実施形態では、ドリルビットは、ドリルビットのところで発生した掘削片をドリルビットを通して排出できるビット穴を含む。ドリルビットは、切削作用を保証するための主ブレードを含む。
第18の好ましい実施形態では、システムは、横穴の出力部のところに配置された通路を更に含む。この通路により、横穴からメインウエル内への掘削流体の流れを案内できる。
第19の好ましい実施形態では、システムは、通路を通して掘削流体を強制的に循環するシーリング装置を更に含む。
第20の好ましい実施形態では、通路は下方に配向されている。
第21の好ましい実施形態では、システムは、掘削流体から掘削片を分離するためのフィルタ装置を更に含む。フィルタ装置は掘削穴内に配置される。
第22の好ましい実施形態では、システムは、濾過した掘削片を定期的に圧縮するためのコンパクターをフィルタ装置内に備えている。
第23の好ましい実施形態では、システムは、濾過した掘削片がフィルタ装置を詰まらせることがないように、濾過した掘削片をそれらの大きさに応じて分類するため、適合システムをフィルタ装置内に備えている。
第24の好ましい実施形態では、システムは、掘削片を横穴の下に集めるため、メインウエル内にコンテナを備えている。
第25の好ましい実施形態では、システムは、ハウジング、及び掘削片をハウジングに引き入れるためのスクリューを含む掘削片コレクタユニットを更に含む。
第26の好ましい実施形態では、システムは、チューブに沿って二次循環流を発生するための表面ポンプを更に含む。二次循環流により、ドリルビットのところで発生し且つ一次循環流によってドリルビットから二次循環流まで搬送された掘削片を表面まで搬送できる。
第27の好ましい実施形態では、システムは、掘削片の沈降が起こらないように、一次循環流を横穴とチューブとの間で比較的高い流速で循環できる流れガイドを更に含む。
第28の好ましい実施形態では、モータは、掘削された横穴内に配置される。
第2の特徴では、本発明は、メインウエルから分岐する横穴を掘削するための方法を提供する。この方法は、モータ及び軸線方向スラスターを掘削穴内にブロックする工程を含む。モータ及び軸線方向スラスターの夫々により、回転トルク及び軸線方向力を発生できる。回転トルク及び軸線方向力を、モータアッセンブリからドリルストリングアッセンブリまで伝達するためのコネクタを提供する。モータアッセンブリは、モータ、軸線方向スラスター、及び駆動シャフトを含む。ドリルストリングアッセンブリは、ドリルパイプ及びドリルビットを含む。コネクタは、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネルを提供する。コネクタは第1コネクタ又は第2コネクタのいずれか一方である。第1コネクタは、ドリルパイプに軸線方向力だけを伝達するように、及びドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフトに回転トルクを伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。第2コネクタは、軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプに伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる。
第29の好ましい実施形態では、ドリルパイプは軸線方向力を伝達し、別の駆動シャフトは回転トルクをドリルビットに伝達する。
第30の好ましい実施形態では、本方法は、横穴の湾曲した穴の有効半径を制御する工程を更に含む。制御は、角度モードを直線的モードと組み合わせることによって行われる。角度モード中、湾曲した穴を掘削できるように、ドリルストリングアッセンブリの三つの接触箇所が、掘削した横穴の壁と接触する。直線的モード中、ドリルパイプを第1角度回転する工程、回転トルク及び軸線方向力を第1の所定の持続時間に亘ってドリルビットに伝達する工程、ドリルストリングアッセンブリを所定距離に亘って引き戻す工程、ドリルパイプを第2角度回転する工程、回転トルク及び軸線方向力を第2の所定の持続時間に亘ってドリルビットに伝達する工程が実施される。
第31の好ましい実施形態では、制御は、角度モード及び直線的モードを噴流モードと組み合わせることによって行われる。噴流モードは、流体の噴流を提供し、決定された方向の地層(formation)を優先的に侵蝕する工程を含む。
第32の好ましい実施形態では、ドリルパイプは、回転トルク及び軸線方向力の両方をドリルビットに伝達する。
第33の好ましい実施形態では、方法は、一組のスタビライザーパラメータのうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを遠隔の位置から機械的に制御する工程を更に含む。スタビライザーパラメータの組は、決定された可変直径スタビライザーの直径の大きさ、第1スタビライザーと任意の一つの別個のスタビライザー又はドリルビットであるマーク装置との間の距離、少なくとも二つの可変直径スタビライザーの引っ込め、及び決定された可変直径スタビライザーの方位角半径を含む。
第34の好ましい実施形態では、方法は、少なくとも三つの設定位置を含む一組の設定位置のうちの所望の設定位置を選択するように形体プロットを形体スロット内で変位する工程を更に含む。各設定位置は、少なくとも一つのスタビライザーパラメータの決定された値と対応する。
第35の好ましい実施形態では、回転トルク及び軸線方向力を伝達する際に曲がることができるように、ドリルパイプは可撓性である。ドリルパイプは、回転支持体を含む曲げガイドによって屈曲部のところで支持される。
第36の好ましい実施形態では、方法は、少なくとも一つの基準方向に対するドリルビットの配向をドリルビットと近接して配置された少なくとも一つのマイクロセンサで監視する工程を更に含む。
第37の好ましい実施形態では、方法は、掘削穴内に配置されたポンプでドリルビットへの掘削流体の循環を発生する工程を更に含む。
第38の好ましい実施形態では、掘削流体は、掘削された横穴とドリルストリングアッセンブリとの間の環状部を通してドリルビットまで循環する。掘削流体は、ドリルビットから流体連通チャンネルを通って循環する。
第39の好ましい実施形態では、方法は、掘削流体を横穴の出力部のところで所定の配向を持つ通路を通って案内する工程を更に含む。
第40の好ましい実施形態では、掘削流体は下方に案内される。
第41の好ましい実施形態では、方法は、掘削流体から掘削片を掘削穴内で濾過する工程を更に含む。
第42の好ましい実施形態では、濾過した掘削片をフィルタ装置の内側で圧縮する工程を更に含む。
第43の好ましい実施形態では、濾過した掘削片がフィルタ装置を詰まらせることがないように、濾過した掘削片を大きさに従って分類する工程を更に含む。
第44の好ましい実施形態では、方法は、掘削片を掘削穴内で横穴の下の位置に集める工程を更に含む。
第45の好ましい実施形態では、チューブに沿って二次循環流を発生する工程を更に含む。二次循環流により、ドリルビットのところで発生し且つ一次循環流によってドリルビットから二次循環流まで搬送された掘削片を表面まで搬送できる。
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
図4は、本発明の第1実施形態による横穴を掘削するためのシステムの一例を示す。このシステムは、回転トルクを発生するためのモータ412、軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター411、モータ412及びスラスター411を掘削穴内に固定するためのブロックシステム410、及び回転トルクを伝達するための駆動シャフト414を含むモータアッセンブリ415を含む。このシステムは、更に、モータアッセンブリ415からドリルストリングアッセンブリまで回転トルク及び軸線方向力を伝達するためのコネクタ(402、404)を含む。ドリルストリングアッセンブリは、ドリルパイプ401及びドリルビット403を含む。
コネクタは、モータアッセンブリ415とドリルパイプ401の内側との間に流体連通チャンネル416を形成する。流体は、第2モータ(図4には示さず)によって駆動されるポンプ(図4には示さず)によって、流体連通チャンネル416を通して移動されてもよい。ポンプ及び第2モータは、代表的には、モータ412の上に設置される。
第1の変形例では、コネクタは、軸線方向力をドリルパイプ401だけに伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結できる第1コネクタ404であってもよい。第1コネクタ404を使用するとき、モータ412のところで発生した回転トルクは、ドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフト405に伝達される。軸線方向力は、軸線方向ベアリング406を備えたドリルビット403に伝達されてもよい。第1コネクタ404は、モータアッセンブリ415のハウジング409に連結されていてもよい。掘削流体は別の駆動シャフト405とドリルパイプ401との間の環状部を通してドリルストリングアッセンブリ内を循環してもよい。このような2つの伝動形体により、湾曲した穴を掘削できる。ドリルパイプ401は、回転トルクが別の駆動シャフト405によって伝達されるため、曲げ応力を比較的容易に支持できる。
第2の変形例では、コネクタは、ドリルストリングアッセンブリに連結できる第2コネクタ402であってもよい。第2コネクタ402は、軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプ401に伝達できる。ドリルパイプ401への軸線方向力伝達は、軸線方向ベアリング407及び中間パイプ408によって行われてもよい。このような回転伝達形体は直線的方向に従って掘削を行うのに特に適している。湾曲した掘削穴の場合には、回転するドリルパイプは掘削した横穴又はメインウエルの壁と接触してしまい、かくして掘削効率を低下する。第2コネクタ402は、モータハウジング415のハウジング409に連結されてもよい。回転伝達形体では、掘削流体はドリルパイプ401を通して及び中間パイプ408を通してドリルストリングアッセンブリ内で循環してもよい。
本発明によるシステムは、掘削穴内にブロックされたモータ412を含む。ドリルビット403への回転トルク及び軸線方向力の伝達は、掘削対象、代表的には掘削されるべき穴の所望の半径で決まるようになっている。本発明によるシステムは、湾曲した穴又は直線状の穴のいずれかを掘削するように形成されていてもよい。湾曲した穴については、好ましくは、デュアル伝動形体を使用する。第1コネクタ404はモータアッセンブリ415に連結されてもよい。直線状の穴については、第2コネクタ402がモータアッセンブリ415に連結されてもよい。しかしながら、直線状の穴を掘削するために第1コネクタを使用し、湾曲した穴を掘削するために第2コネクタ402を使用してもよい。後者の場合、即ち第2コネクタ402を湾曲した穴の後に直線状の穴を掘削するために使用する場合、回転ドリルパイプ401又は回転中間パイプ408を穴の壁と接触してもよい。回転ドリルパイプ401又は回転中間パイプ408は、メインウエルから横穴まで、又は横穴内で曲がっていてもよい。別の段落で説明する本発明の第5実施形態により、湾曲した穴を曲がった回転ドリルパイプで掘削できる。
好ましくは、モータをメインウエル内にブロックし、ドリルビットが横穴を掘削する。
別の態様では、モータを横穴内にブロックする。比較的短いドリルストリングを使用してもよく、これにより、横穴を更に掘削する際に短いドリルストリングが掘削した穴の湾曲した区分内で回転しないようにできる。
回転トルクの伝達は、回転の伝達をトルクの伝達と組み合わせて含む。
ブロックシステムは、スラスターをブロックできる第1横アーム組を含んでいてもよい。第1横アーム組は、スラスターの一端に配置されている。第2横アーム組が、ドリルビットの近くに設けられていてもよい。ドリルビットが十分な大きさの相対的変位を有する場合、第2横アーム組がドリルビットをブロックする。次いで、第1横アーム組を閉鎖し、スラスターのブロックを解除する。スラスターは、ドリルビットまでの距離を減少するように作動してもよく、第1横アーム組を開放してスラスターを再度ブロックし、第2横アーム組を閉鎖する。この作動により、ドリルストリングの軸線方向変位に拘わらず、軸線方向力を加えることができる。
図5は、横穴を掘削するための本発明によるシステムのデュアル伝動形体の一例を示す。システムの一部しか示してない。第1コネクタ504がドリルパイプ501をハウジング509に連結する。
ハウジング509は、スラスター(図示せず)のところで発生した軸線方向力を伝達する。従って、ドリルパイプ504は、ドリルパイプ501の一端に配置されたドリルビット(図示せず)に軸線方向力を伝達する。
モータ(図示せず)のところで発生した回転トルクは、駆動シャフト514によって、一端にドリルビットが取り付けられた別の駆動シャフト505に伝達される。従って、駆動シャフト514及び別の駆動シャフト505の両方が回転される。駆動シャフト514は、ハウジング509内に保持されたベアリング(図5には示さず)で案内される。
第1コネクタ501は、掘削流体を循環するための流体連通チャンネル516を提供する。掘削作業中、システムを通して掘削流体を圧送してもよい。流体連通チャンネル516を通して掘削流体を循環し、ドリルビットに届かせ、システムと掘削された穴との間の環状部を通して排出してもよい。図5の大きな矢印は、掘削流体の可能な循環を示す。
図6は、横穴を掘削するための本発明によるシステムの回転伝動形体の一例を示す。システムの一部しか示してない。第2コネクタ602がパイプ601をハウジング609に連結する。
ハウジング609は、スラスター(図示せず)のところで発生した軸線方向力を伝達する。第2コネクタ602は、軸線方向ベアリング607を介して軸線方向力を中間パイプ608に伝達する。中間パイプ608は、一端にドリルビット(図示せず)が取り付けられたドリルパイプ601に軸線方向力を伝達する。
駆動シャフト614が、モータ(図示せず)のところで発生した回転トルクを中間パイプ608及び従ってドリルパイプ601に伝達する。かくして、駆動シャフト614、中間パイプ608及びドリルパイプが回転する。ドリルパイプ601はドリルビットに軸線方向力及び回転トルクの両方を伝達する。
第2コネクタ602は、掘削流体を循環するための流体連通チャンネル616を提供する。掘削作業中、掘削流体がシステムを通して圧送される。掘削流体は流体連通チャンネル616を通して循環し、ドリルビットに届き、システムと掘削された穴との間の環状部を通して排出される。図6の大きな矢印は、掘削流体の可能な循環を示す。
このような回転伝動形体は、直線方向で掘削を行うのに特に適している。
本発明の掘削システムは、メインウエルから分岐する横穴内にモータがブロックされた横形体(図示せず)で使用することもできる。横形体では、ドリルストリングの長さが比較短い。デュアル伝動形体及び回転伝動形体の両方を使用できる。しかしながら、回転伝動形体の方が好ましい。掘削システムのブロックシステムは、パッドを持つ伸張アームを含んでいてもよい。パッドにより、掘削した横穴の壁に掘削機をクランプできる。パッドは、接触応力が小さくなるように、表面積が比較的大きい。
掘削システムは、更に、ドリルビットとメインウエルとの間で掘削流体を循環できる流れチャンネルを含んでいてもよい。
操向可能装置
図1に示す操向可能モータ(steerable motor)は、ドリルパイプ内に液圧コンバータを含む。液圧コンバータは掘削流体の循環を使用して回転トルクを発生し、及び従って比較的長く、例えば3mである。液圧コンバータは、損傷なしに曲げることができない比較的剛性の部品を含む。操向可能モータのドリルパイプもまた比較的長く、そのため半径が比較的短く、例えば10m以下の湾曲した穴を掘削することができない。半径が短い湾曲した穴を掘削できる操向可能な装置が必要とされている。
図1に示す操向可能モータ(steerable motor)は、ドリルパイプ内に液圧コンバータを含む。液圧コンバータは掘削流体の循環を使用して回転トルクを発生し、及び従って比較的長く、例えば3mである。液圧コンバータは、損傷なしに曲げることができない比較的剛性の部品を含む。操向可能モータのドリルパイプもまた比較的長く、そのため半径が比較的短く、例えば10m以下の湾曲した穴を掘削することができない。半径が短い湾曲した穴を掘削できる操向可能な装置が必要とされている。
図7は、本発明の第2実施形態による操向可能な装置(steerable device)の一例を示す。操向可能装置701は、湾曲したドリルパイプ705及びこのドリルパイプ705の一端に設けられたドリルビット707を含む。ドリルビット707は、回転トルクを伝達することによって回転される。回転トルクは、メインウエル709内に配置されたモータ704が発生する。回転トルクをメインウエル709内で発生する場合、操向可能装置701の長さは従来技術におけるよりも短く、及び従って、小半径の湾曲した穴710を地層713内に掘削できる。
回転トルクは、ドリルパイプ705を通って延びる駆動シャフト703によってドリルビット707に伝達されてもよい。軸線方向スラスター714のところで発生した軸線方向力を、ドリルパイプ705を使用して伝達してもよい。軸線方向力は、ドリルビットに直接伝達されるか或いは、図7に示すように軸線方向ベアリングシステム708、例えばスラストベアリングシステムを介して駆動シャフト703に伝達されるのかのいずれかである。
駆動シャフト703は、曲げられた状態で高速回転を支持しなければならない。従って、駆動シャフト703は曲げにおいて可撓性であるが、モータ704からドリルビット707まで回転トルクを伝達できる。駆動シャフト703がドリルパイプ705の内側で湾曲するとき、ドリルパイプ705は低摩擦ガイドシステム711、例えば平ベアリングシステムを含んでもよい。代表的には、ベアリング711はドリルパイプ705に沿って実質的に均等に間隔が隔てられている。ベアリング711は、駆動シャフト703とドリルパイプ705との間で掘削流体を循環できる通路(図示せず)を含んでいてもよい。駆動シャフト703はチタニウムで形成されていてもよく、ガイドシステム711は青銅で形成されていてもよい。
ドリルパイプ705は、曲げられた状態で軸線方向力を伝達する。ドリルパイプ705の形状は、穴の湾曲と対応し、掘削した穴に接する。変形は塑性領域で生じてもよい。
モータ704は、メインウエル内に配置されているため、電線に接続されていてもよく、モータ704は電動モータであってもよい。
操向可能モータは、好ましくは、回転トルクをモータから駆動シャフトに第1コネクタ(図示せず)を介して伝達するモータ駆動シャフト(図示せず)を含んでいてもよい。この場合、駆動シャフトは別の駆動シャフトである。第1コネクタは、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネルを提供してもよく、モータアッセンブリは、モータ、軸線方向スラスター、ブロックシステム、及びモータ駆動シャフトを含む。第1コネクタを第2コネクタ(図示せず)と交換してもよい。第2コネクタもまた、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネルを提供する。第2コネクタは、回転トルク及び軸線方向力の両方をドリルパイプに伝達できる。
しかしながら、図7の操向可能モータ701は、モータ704からドリルビット707に回転トルクしか伝達できない単一の駆動シャフト703、及び軸線方向力をドリルビット707に伝達する単一のドリルパイプ705を含む。操向可能モータ701は、掘削されるべき穴の所望の半径に応じて、ドリルビット707に回転トルク及び軸線方向力を伝達するように、第1コネクタ又は第2コネクタを取り外し自在に連通することはできなくてもよい。
操向可能モータ701により、小半径の湾曲した穴710を掘削できる。ドリルパイプ705が曲がっており、ドリルパイプ及び駆動シャフトを含むドリルストリングアッセンブリに三つの接触箇所702が配置されている。湾曲した穴710を掘削するとき、接触箇所702が掘削した横穴の壁と接触する。三つの接触箇所702は、湾曲した穴710を掘削できるようにドリルパイプ角度を決める。接触箇所702の位置が、湾曲した穴710の指令半径を決定する。
しかしながら、比較的軟質の地層では、ドリルビットは、ドリルビットと比較して過大な穴を掘削する。従って、掘削した穴は直径が比較的大きく、従って、掘削した穴の壁は予想した壁よりも下にある。操向可能装置701が掘削した穴の底壁に載るため、掘削した湾曲した穴の有効曲率半径の値は、ドリルパイプ角度と対応する指令半径よりも大きくなる。
有効半径の制御は、このような角度モードを直線的モードと組み合わせることによって行ってもよい。直線的モード中、操向可能装置701自体を第1角度で配向する。モータ704のところで発生した回転トルク及び軸線方向力を、デュアル伝動形体に従ってドリルビット707に第1の所定の持続時間に亘って伝達する。これにより、第1方向を持つ第1穴を第1部分に亘って掘削できる。操向可能装置701を所定距離に亘って、例えば第1部分に亘って引き戻す。この所定距離は、第1部分の長さよりも大きくてもよいし小さくてもよい。次いで、操向可能装置701を第2角度で配向する。回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに第2の所定の持続時間に亘って伝達することにより、第1穴を拡げる。
このような工程は任意の順序で行うことができ、例えば第2角度の回転を引き戻し前に行ってもよい。操向可能装置の第1角度での回転を、第1角度の値をゼロにして行ってもよく、即ちこの工程の実行中に操向可能装置を一回だけ第2角度で回転してもよい。
図8A及び図8Bは、直線的モード中に掘削した穴の断面の例を示す。図8Aの断面は、上文中に説明した工程を行うことによって掘削された穴の断面を示す。代表的には、第2角度はほぼ180°に等しく、第2の所定の持続時間は第1の所定の持続時間と実質的に等しく、これにより楕円形の穴81を形成する。これらの工程を繰り返すと、操向可能装置は楕円形の穴81を所定の長さに亘って掘削する。楕円形の穴の断面はドリルビットの直径よりも大きく、方向が比較的一定である。
図8Bは、直線的モード中に掘削した穴の断面の第2の例を示す。この例では、ドリルビットへの回転トルク及び軸線方向力の伝達が4回行われた。例えば、第2角度はほぼ180°に等しく、第2の所定の持続時間は第1の所定の持続時間と実質的に等しく、これにより楕円形の穴81を形成する。次いで、操向可能装置を引き戻し、第3角度だけ回転する。この第3角度は、ほぼ90°に等しい。第3の掘削の後、操向可能装置を引き戻し、第4角度だけ回転する。この第4角度はほぼ180°に等しい。回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達し第4の掘削を行う。このような作業を繰り返してもよい。結果的に得られた断面82はドリルビットの直径よりも大きい。
直線的モードにより、比較的一定の方向に従って掘削でき、これにより所定距離に亘って比較的真っ直ぐな掘削穴を形成する。角度モードと組み合わせると、指令半径が所望の半径よりも小さい場合、直線的モードにより湾曲した穴の有効半径を制御できる。
別の態様では、ドリルパイプを一方の方向から反対方向に連続的に揺動してもよい。この揺動によりドリルパイプを一回転に亘って回転し、かくして、ドリルビットの断面よりも大径の円筒形の穴を掘削できる。
地層が軟質である場合には、噴流モードを角度モード又は直線的モードと既に組み合わされた角度モードと組み合わせてもよい。図7は、このような噴流作動の一例を示す。流体噴流712を提供し、地層713を所定の方向で侵蝕する。図7の例では、ドリルビットには非対称噴流形体が備えられている。ドリルビットを回転させていないが、流体噴流712を好ましい方向に配向するようにモータ704が駆動シャフト703を配向する。流体噴流712の方位角方向とモータ704の基準方向との間のオフセット角度を計測してもよい。噴流により、軟質の地層でも湾曲した穴を所定の軌道に従って、ドリルビット707の回転を使用する掘削よりも正確な方向で掘削できる。
掘削方向の制御
有効掘削方向を制御するため、横穴の所定の区分内にドリルビットを位置決めするため、スタビライザーを設置してもよい。詳細は、掘削システムのボトムホールアッセンブリのところに設けた可変直径スタビライザーにより、掘削が直線方向に従って行われるか或いは方向を変えるのかを遠隔の位置から決定できる。方向を変えることにより、ボトムホールアッセンブリのスタビライザーのうちの可変直径スタビライザー形態に応じて掘削を上方方向に行うことができ、又は下方方向に行うことができる。
有効掘削方向を制御するため、横穴の所定の区分内にドリルビットを位置決めするため、スタビライザーを設置してもよい。詳細は、掘削システムのボトムホールアッセンブリのところに設けた可変直径スタビライザーにより、掘削が直線方向に従って行われるか或いは方向を変えるのかを遠隔の位置から決定できる。方向を変えることにより、ボトムホールアッセンブリのスタビライザーのうちの可変直径スタビライザー形態に応じて掘削を上方方向に行うことができ、又は下方方向に行うことができる。
オペレータが掘削方向の変更を決定したとき、機械的プロセスにより可変直径スタビライザーに決定が伝達され且つ設定され、かくして二つの可能な方向のうちの一方を選択できる。しかしながら、方向を第3の別個の方向、例えば垂直方向が下方方向である場合の上方方向へ変更する必要がある場合、ボトムホールアッセンブリを井戸から取り外す必要がある。かくして、更に融通性が高い方向制御システムが必要とされている。
図9は、本発明の第3実施形態による第1の可能なシステムの一例を示す。
ボトムホールアッセンブリのドリルストリング901の一端のドリルビット903により、横穴904を掘削できる。ドリルストリング901は複数のスタビライザー(902、905、906)によって取り囲まれており、少なくとも一つのスタビライザーが可変直径スタビライザー(905、906)である。少なくとも一つの可変直径スタビライザー(905、906)により、ドリルビット903を横穴904の断面内に位置決めできる。本発明の第3実施形態によるシステムは、更に、一組のスタビライザーパラメータのうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを遠隔の位置から機械的に制御するための制御手段を含む。一組のスタビライザーパラメータには、所定の可変直径スタビライザー(図9には示さず)の直径の大きさ、第1スタビライザー(図9には示さず)とマーク装置(図9には示さず)との間の距離が含まれる。マーク装置は、別個のスタビライザーであってもよいし、ドリルビットであってもよい。一組のスタビライザーパラメータには、更に、少なくとも2つの可変直径スタビライザー(905、906)の引っ込め、及び所定の可変直径スタビライザー(図9には示さず)の方位角半径が含まれる。
図9に示す第1の可能なシステムにより、遠隔の位置、例えば表面から、2つの可変直径スタビライザー(905、906)の引っ込めを制御できる。
2つの可変直径スタビライザー(905、906)は協働して設定されてもよい。図9に示す第1の可能なシステムにより、二つ以上の方向に従って掘削を行うことができる。
第1の可能なシステムは、一方が可変直径の二つのスタビライザーだけを含んでいてもよい。別の態様では、図9に示すように、第1の可能なシステムは三つのスタビライザーを有し、このうちの二つが可変直径スタビライザーであってもよい。代表的には、第1可変直径スタビライザー906はドリルビット903の近くに配置され、第2可変直径スタビライザー905は二つの他のスタビライザー(902、906)の間に配置される。
第1の可能なシステムは、二つ以上の設定位置を持つ制御システム(図9には示さず)を含む。各設定位置は、スタビライザーパラメータの関連した値と対応する。図9に示すように三つのスタビライザー(902、905、906)を備えた形体では、スタビライザーパラメータは、少なくとも二つの可変直径スタビライザー(905、906)の引っ込め及び伸張を決める。従って、対応する制御手段は、少なくとも三つの設定位置を有する。即ち、
−第1可変直径スタビライザー906及び第2可変直径スタビライザー905のフルゲージ(full-gauge)位置と関連した第1設定位置;
−第1可変直径スタビライザー906のアンダーゲージ(under-gauge)位置及び第2可変直径スタビライザー905のフルゲージ位置と関連した第2設定位置;及び
−第1可変直径スタビライザー906のフルゲージ位置及び第2可変直径スタビライザー905のアンダーゲージ位置と関連した第3設定位置を有する。
−第1可変直径スタビライザー906及び第2可変直径スタビライザー905のフルゲージ(full-gauge)位置と関連した第1設定位置;
−第1可変直径スタビライザー906のアンダーゲージ(under-gauge)位置及び第2可変直径スタビライザー905のフルゲージ位置と関連した第2設定位置;及び
−第1可変直径スタビライザー906のフルゲージ位置及び第2可変直径スタビライザー905のアンダーゲージ位置と関連した第3設定位置を有する。
第1可変直径スタビライザー906及び第2可変直径スタビライザー905の両方の引っ込めと関連した第4設定位置もまた、制御手段内に含まれる。
第1設定位置を選択した場合、第1可変直径スタビライザー906及び第2可変直径スタビライザー905はフルゲージ位置にある。従って、第1可変直径スタビライザー906及び第2可変直径スタビライザー905は横穴904の壁に接触応力を加え、掘削は比較的真っ直ぐな方向で行われる。
第2設定位置を選択した場合、第1可変直径スタビライザー906だけが引っ込められ、これにより図3Bに示すのと同様の形体を提供する。ドリルビット903の中心がドリルストリング901の重量により下方方向に差し向けられる。掘削は、下方方向で行われる。
第2可変直径スタビライザー905だけをアンダーゲージ位置に設定し、即ち第2可変直径スタビライザー905だけを引っ込めると、これにより図3Cに示すのと同様の形体を提供する。ドリルビット903の中心はドリルストリング901の重量により上方方向に差し向けられる。掘削は、上方方向に行われる。
二つの可変直径スタビライザーのうちの一方の直径を計測するように、ホール効果センサ907が設けられていてもよい。ホール効果センサ907は、可変直径スタビライザーのピストンの引っ込めを検出してもよい。別の態様では、二つの可変直径スタビライザーの直径を計測してもよい。
両可変直径スタビライザー(905、906)の設定を調整し、所望の形体を得る。掘削されるべき穴が比較的小さい場合には、二つの可変直径スタビライザー(905、906)を一つのドリルカラー区分(図9には示さず)に設けてもよく、これにより、スタビライザーパラメータの組のうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを制御する単一の制御ユニットを提供できる。
本発明の第3実施形態による第2の可能なシステム(図示せず)により、少なくとも一つの決定された可変直径スタビライザーの直径の大きさを調節できる。従って、決定された可変直径スタビライザーは二つ以上の位置を含んでもよい。例えば、決定された可変直径スタビライザーを拡げてもよく、引っ込めてもよく、又は中間位置に置いてもよい。
第2の可能なシステムは、少なくとも三つの設定位置を持つ制御手段を含む。各設定位置は、形体スロット、例えばJ形スロット内に位置決めした形体プロット、例えばキーを介して選択してもよい。各設定位置は、決定された可変直径スタビライザーの位置と対応する。
第2の可能なシステムにより、掘削方向を従来技術のシステムよりも正確に調節できる。
図10Aは、本発明の第3実施形態による第3の可能なシステムの断面図である。第3の可能なシステムの半分だけが示してある。第3の可能なシステムにより、二つの可変直径スタビライザー(1001;1002)を調整された態様で設定できる。これらの可変直径スタビライザー(1001;1002)の各々は、引っ込め位置、中間位置、又は伸張位置のいずれかにある。従って、第3の可能なシステムにより、上方方向又は下方方向に従って掘削を行うことができ、掘削方向を比較的高い精度で調節できる。
第3の可能なシステムは、6個の設定位置(i、j、k、l、m、n)を持つ制御手段を含む。各設定位置は、スタビライザーパラメータの関連した値と対応し、例えば、図10Aに示すように、上側の可変直径スタビライザー1001を拡げ、下側の可変直径スタビライザー1002を引っ込める。制御手段により、複数のイベント、例えば軸線方向力の前に流れが加えられる相対的時間的順序で設定位置から別の位置までシフトできる。
各可変直径スタビライザー(1001;1002)は、関連したピストン(1003;1004)の伸張及び引っ込めに応じて伸張されたり引っ込められたりする。制御手段により、上ピストン1003及び下ピストン1004を、上制御スリーブ1010及び下制御スリーブ1007の夫々によって、カラー1000の外側に向かって押すことができる。決定されたピストンに押圧力が加えられていない場合には、決定されたピストンは引っ込められている。
各ピストン(1003;1004)に設けられたリング1005により、ピストンを井戸ボアで無くさないようにする。
下ピストン1004を下制御スリーブ1007の傾斜上で摺動することにより、カラー1000の外側に向かって押してもよい。下制御スリーブは、カラー1000内で軸線方向に摺動してもよい。ピン1008により、下制御スリーブ1007が回転しないようにする。下ばね1040は、下制御スリーブ1007を上方に押す。下制御スリーブ1007は、上側の可変直径スタビライザー1001の近くまで上方に伸びている。下制御スリーブ1007は、従って、長さが比較的長く、例えば数mに及ぶ。
下制御スリーブ1007の摺動は、上制御スリーブ1010のフィンガ1009によって制御される。上制御スリーブ1010は、カラー1000内で軸線方向に摺動してもよく、一方の方向に回転してもよい。ラチェットシステム1011が上制御スリーブ1010の逆回転を防ぐ。
図10Bは、本発明の第3実施形態による第3の可能なシステムのラチェットシステム1011の一例を示す。ラチェットシステム1011は、一方向だけに有効移動を可能にするため、爪1041が落とし込まれる歯1042を含む。
図10Aを再び参照すると、ラチェットシステム1011により、上制御スリーブ1010をカラー1000内で摺動させることができる。
フィンガ1009は、上制御スリーブ1010の方位角位置に応じた様々な接触領域(1012、1013、1014、1043、1044、1045)によって下制御スリーブ1007を押す。
図10Cは、本発明の第3実施形態による第3の可能なシステムの下制御スリーブ1007の一例を示す。下制御スリーブは、複数の接触領域(1012、1013、1014、1043、1044、1045)を含む。
フィンガ1009がフルゲージ接触領域(1012;1044;1045)と整合している場合には、上制御スリーブ1007は、カラー1000の内側に押される。その結果、下ピストン1004は伸張位置にある。
フィンガ1009が中間ゲージ(middle-gauge)接触領域(1013;1043)と整合している場合には、下ピストン1004は中間位置にある。
フィンガ1009がアンダーゲージ接触領域1014と整合している場合には、下ピストン1004は引っ込め位置にある。
従って、下スタビライザー1002の直径は、フィンガ1009が整合した接触領域で決まる。
次に図10Aを参照すると、上制御スリーブ1010は、上ピストン1003が載止する三つの傾斜(1015、1016、1017)を含む。これらの傾斜は、別個の方位角位置を有する。
図10Dは、本発明の第3実施形態による第3の可能なシステムの上制御スリーブ1010の一例を示す。上制御スリーブ1010は、同じ傾斜角の三つの傾斜(1015、1016、1017)を含む。これらの傾斜(1015、1016、1017)は上制御スリーブ1010の別個の軸線方向位置で開始する。
図10Aを再び参照すると、上ピストン1003が第1傾斜1017に載る軸線方向位置を上制御スリーブ1010が有する場合には、上ピストンを外側に伸張位置まで押してもよい。第2傾斜1016により上ピストン1003を中間位置に位置決めでき、第3傾斜1015により、上ピストン1003を引っ込めることができる。
上制御スリーブ1010は、下ピストン1004の大きさを制御するフィンガ1009を含む。各接触領域は、上制御スリーブ1010の所与の高さと組み合わせられる。各設定位置(i、j、k、l、m、n)は、決定された接触領域(1012;1044;1045)及び決定された傾斜(1015、1016、1017)の組み合わせと関連している。
図10Eは、図10Aに示す第3の可能なシステムの設定表を示す。例えば、フルゲージ接触領域1012は第1傾斜1017と組み合わせられる。この組み合わせは第1設定位置iと関連しており、これは、両ピストン(1003;1004)の伸張と対応し、これによりドリルは直線的方向に従って移動できる。
第3設定位置kは、アンダーゲージ接触領域1014、即ち下ピストン1004が引っ込められた状態と、第1傾斜1017、即ち上ピストン1003が伸張された状態との組み合わせと関連する。第3設定位置kにより、下方方向に従って掘削できる。
第2設定位置jは、中間ゲージ接触領域1013、即ち下ピストン1004が引っ込められた状態と、第1傾斜1017、即ち上ピストン1003が伸張された状態との組み合わせと関連する。第2設定位置jにより、中間下方方向に従って移動できる。
他の3つの設定位置(l、m、n)は、図10Eの設定表に例示してある。
図10Aを再び参照すると、上制御スリーブ1010の方位角位置は、形体スロット、例えばJ−スロット1025内での形体プロット、例えばキー1021の位置によって制御される。J−スロット1025は、J−スロットスリーブ1018に配置されている。キー1021は上マンドレル延長部1022に取り付けられている。
図10Fは、図10Aに示す第3の可能なシステムのJ−スロットの一例を示す。J−スロット1025により、一方の設定位置(i、j、k、l、m、n)から他方の設定位置までシフトできる。
軸線方向力を加える前に遠隔のポンプ(図示せず)からの流れが起こった場合には、J−スロットスリーブ1018は、流れによって発生した圧力降下によって下方に押圧される。下方へのストローク中、キー1021がJ−スロット1025内で移動し、かくしてJ−スロットスリーブ1018を回転させる。
次に図10Aを参照すると、歯1019により、J−スロットスリーブ1018の回転時に上制御スリーブ1010を回転させることができる。しかしながら、歯1019の係合に応じて、J−スロットスリーブ1018が上制御スリーブ1010に対して自由に回転してもよい。
上制御スリーブ1010が下方に移動するとき、上ピストン1003が載った傾斜(1015、1016、1017)に応じて上ピストン1003が押されてもよい。
上制御スリーブ1010の回転により、フィンガ1009を所定の接触領域(1012、1013、1014、1043、1044、1045)と整合し、かくして下可変直径スタビライザー1002の直径を制御できる。
流れの前に軸線方向力が加えられた場合には、上マンドレル1023の端部1046が下マンドレル1026の末端1047と接触するまで上マンドレル1023が下方に移動する。上マンドレル延長部1022がJ−スロットスリーブ1018を押すため、J−スロットスリーブ1018と上マンドレル延長部1023との間で相対移動が起こらない。従って、J−スロットスリーブ1018は回転しない。
J−スロットスリーブ1018が回転したときに上制御スリーブ1010が回転するように歯1019が係合している場合には、軸線方向力の前に流れを加えることによって、一方の設定位置(i、j、k、l、m、n)から他方の設定位置へのシフトが行われる。シフトするのが望ましくない場合には、流れの前に軸線方向力を加える。適当な条件下では、キー1021を変位することによって、一組の設定位置(i、j、k、l、m、n)のうちから所望の設定位置を選択できる。
本発明の第3実施形態による第3の可能なシステムは、更に、位置インジケータ1028を含んでもよい。上マンドレル1023を下マンドレル1026に下方に押し込んだとき、位置インジケータ1028は下方に移動する。ばね1030により、位置インジケータ1028の変位をJ−スロットスリーブ1018の機械式ストップ1029によって制限できる。機械式ストップ1029の長さは、J−スロットスリーブ1018の方位角位置で決まる。その結果、位置インジケータ1028の変位はJ−スロットスリーブ1018の方位角位置で決まる。位置インジケータ1028のノズルのところでの圧力降下が位置インジケータの変位で決まるため、この圧力降下を監視することによって、J−スロットスリーブ1018の方位角位置を検出できる。
上制御スリーブ1010に対するJ−スロットスリーブ1018の可能な自由回転を考慮に入れてもよい。従って、可変直径スタビライザー(1001、1002)の直径を評価できる。
スプライン及び溝(図10Aには示さず)により、上マンドレル1023が下マンドレル1026に対して回転しないようにできる。逆に、上マンドレル1023の端部を下マンドレル1026の末端1047と接触させることによって、軸線方向力を上マンドレル1023から下マンドレル1026に伝達する。掘削した穴からシステムをホイストで出すとき、後側接触部1033により、上マンドレル1023から下マンドレル1026に伸張力を伝達できる。
本発明の第3実施形態の第4の可能なシステム(図示せず)により、決定された可変直径スタビライザーの方位角半径を遠隔の位置から制御できる。決定された可変直径スタビライザーは、複数のピストン、例えば図2に示す三つのピストンを含む、方位角調節可能スタビライザーであってもよい。各ピストンは所定の方位角を有する。
第4の可能なシステムでは、各ピストンを互いに独立して設定してもよい。第4の可能なシステムは、少なくとも三つの設定位置を持つ制御手段を含む。これらの設定位置の各々は、スタビライザーパラメータの決定された値、例えば第1ピストンだけを伸張する、と対応する。
ドリルビットと近接した方位角調節可能スタビライザーの決定されたピストンを掘削した穴に押し付けたとき、ドリルビットは、決定されたピストンの決定された方位角方向とは逆方向に掘削を行う。決定されたピストンを押すこととボトムホールアッセンブリのドリルストリングの可能な回転とを同期させるのに特定の注意を払うのがよい。
方位角調節可能スタビライザーの各ピストンを独立して設定できるため、掘削を任意の方向、例えば水平方向で行うように注文できる。
本発明の第3実施形態による第5の可能なシステムにより、マーク装置に対する第1スタビライザーの長さ方向位置を遠隔の位置から、例えば表面から制御できる。マーク装置は、ボトムホールアッセンブリに取り付けてもよく、例えば、マーク装置は、別個のスタビライザー又はドリルビットであってもよい。第1スタビライザー可変直径スタビライザーであってもよいし、ドリルストリングの中心を掘削した穴、例えばスタビライザーの断面の中心に位置決めできる任意の装置であってもよい。
ドリルビットに対するスタビライザーの長さ方向位置の調節は、摺動区分の大きさを調節することによって行ってもよいし、又はスタビライザーをドリルストリングに沿って変位することによって行ってもよい。二つのスタビライザー間の距離を調節することによって、二つのスタビライザー間のドリルストリングの変形を調節でき、及び従って掘削方向を調節できる。
図11は、本発明の第3実施形態による第5の可能なシステムを示す。第5の可能なシステムにより、スタビライザー1102とドリルビット1101との間の距離を調節でき、及び従って、掘削方向を調節できる。このシステムは、ドリルストリング1105を含み、このドリルストリング内に摺動マンドレル1104が配置されている。ドリルビット1101は摺動マンドレル1104の一端に配置されている。
掘削方向は、スタビライザー1102とドリルビット1101との間の距離に亘る摺動マンドレル1104の弾性変形で決まる。
シーリング−ブロックシステム1103は、摺動マンドレル1104を所定位置に維持するように、係止手段、例えば内スリップを含む。シーリング−ブロックシステム1103は、更に、掘削流体の循環が摺動マンドレル1104の内側を介してドリルビット1101に達するように密封状態を保証するため、シール、例えばゴム製エレメントを含んでいてもよい。
内スリップを物理的パラメータ、例えば制御シャフト1106の圧力によって制御してもよい。伝達システム1107により、制御シャフト1106を摺動マンドレル1104及びシーリング−ブロックシステム1103と連通できる。伝達システム1107により、代表的には、内スリップを設定でき、制御シャフト1106の変位を伝達できる。伝達システム1107は、摺動マンドレル1104を通して掘削流体を循環できるように、少なくとも一つの穴を有する。
内スリップが固定されていない場合には摺動マンドレルを移動できる。制御シャフト1106を引っ張ることにより、スタビライザー1102とドリルビット1101との間の距離を縮めることができる。制御シャフト1106を押すことにより、スタビライザー1102とドリルビット1101との間の距離を大きくすることもできる。
シーリング−ブロックシステム1103は、更に、回転トルク及び軸線方向力をドリルストリング105から摺動マンドレル1104に伝達できる。別の態様では、回転トルクは別のシャフト(図示せず)からドリルビット1101に伝達される。
本発明の第3実施形態による方向制御システムは、掘削システムのドリルストリングアッセンブリ内に設けられる。好ましくは、ドリルストリングアッセンブリは、モータアッセンブリにコネクタで取り外し自在に連結される。モータアッセンブリは、回転トルクを発生するためのモータ、軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター、モータ及び軸線方向スラスターを掘削穴内に固定するためのブロックシステム、及び回転トルクをドリルストリングアッセンブリに伝達するための駆動シャフトを含んでもよい。
コネクタにより、回転トルク及び軸線方向力をモータアッセンブリからドリルストリングアッセンブリに伝達できる。ドリルストリングアッセンブリは、ドリルビット及びドリルパイプを含む。コネクタは、モータアッセンブリとドリルパイプの内部との間に流体連通チャンネルを形成する。
コネクタは第1コネクタ又は第2コネクタのいずれかを含む。第1コネクタは、軸線方向力をドリルパイプにだけ伝達し、回転トルクをドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフトに伝達するようにドリルストリングアッセンブリに連結されていてもよい。ドリルビットはドリルパイプの内側に配置された別の回転駆動シャフトの一端に配置され、ドリルパイプは軸線方向力を伝達する。複数のスタビライザーが駆動シャフトを取り囲んでいる。詳細には、本発明の第3実施形態の第4の可能なシステムで非回転ドリルパイプを使用してもよい。
このようなデュアル伝動形体は、曲線に従って掘削を行うのに特に適している。
更に、第2コネクタがドリルストリングアッセンブリに連結されていてもよい。第2コネクタにより、軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプに伝達できる。ドリルパイプは回転トルク及び軸線方向力の両方をドリルビットに伝達する。このような回転伝達形体は、実質的に直線的方向に従って掘削を行うのに特に適している。ドリルストリングの適切な案内を保証するため、複数のスタビライザーがドリルパイプを取り囲んでいる。
別の態様では、掘削システムは、回転トルクをモータからドリルビットに伝達するための単一の駆動シャフト、軸線方向力をドリルビットに伝達するための単一のドリルパイプを含んでもよい。単一のドリルパイプは、単一の駆動シャフトと別個でなくてもよい。掘削システムは、掘削されるべき穴の所望の半径に応じて回転トルク及び軸線方向力を伝達するように、第1コネクタ又は第2コネクタを取り外し自在に連結できなくてもよい。
掘削方向の監視
掘削軌道を制御するには、ドリルビットの配向を監視することが必要である。監視は、通常は、地球の重力ベクトルに対するドリルストリングの傾斜を計測する少なくとも一つの加速度計を含む加速度計システムで行われる。少なくとも一つの磁力計を含む磁力計システムにより、地球の磁界に対するドリルストリングの方位角を計測できる。加速度計システムを磁力計システムと関連してもよい。しかしながら、従来技術のシステムでは、磁力計システム及び加速度計システムは、ドリルビットから比較的長い距離、例えば25mのところに配置される。ドリルビットの配向を更に正確に計測できるシステムが必要とされている。
掘削軌道を制御するには、ドリルビットの配向を監視することが必要である。監視は、通常は、地球の重力ベクトルに対するドリルストリングの傾斜を計測する少なくとも一つの加速度計を含む加速度計システムで行われる。少なくとも一つの磁力計を含む磁力計システムにより、地球の磁界に対するドリルストリングの方位角を計測できる。加速度計システムを磁力計システムと関連してもよい。しかしながら、従来技術のシステムでは、磁力計システム及び加速度計システムは、ドリルビットから比較的長い距離、例えば25mのところに配置される。ドリルビットの配向を更に正確に計測できるシステムが必要とされている。
図12は、本発明の第5実施形態によるボトムホールアッセンブリを示す。このボトムホールアッセンブリは穴を掘削するためのドリルビット1201を含む。このボトムホールアッセンブリは、更に、ドリルビット1201の直ぐ近くに設けられた少なくとも一つのマイクロセンサ(1207、1208)を含む。少なくとも一つのマイクロセンサ(1207、1208)により基準方向に対するドリルビット1201の配向を計測できる。
少なくとも一つのマイクロセンサは、マイクロ磁力計1207であってもよく、これにより地球の磁界に対するドリルビット1201の配向を計測できる。このようなマイクロ磁力計は、マイクロ オプトエレクトロ メカニカル システムズ(MOEMS)社に属するものであってもよい。
好ましくは、地球の磁界に対するドリルビットの三つの配向を計測するように、三つのマイクロ磁力計がドリルビットの直ぐ近くに設けられる。従って、ドリルビットの配向の3次元計測が行われる。
マイクロ磁力計1207は、マイクロ加速度計1207であってもよい。マイクロ加速度計1207により、地球の重力ベクトルに対するドリルビット1201の配向を計測できる。マイクロ加速度計は、マイクロ エレクトロ メカニカル システムズ(MEMS)社に属するものであってもよい。
好ましくは、地球の重力ベクトルに対するドリルビットの三つの配向を計測するように、三つのマイクロ加速度計がドリルビットの直ぐ近くに設けられる。従って、ドリルビットの配向の3次元計測が行われる。
システムは、更に、三つのマイクロ加速度計及び三つのマイクロ磁力計を含んでいてもよい。
マイクロ加速度計及びマイクロ磁力計自体は従来の加速度計及び従来の磁力計よりも精度が劣る。しかしながら、本システムは、マイクロセンサをドリルビットの直ぐ近くに設けることにより、ドリルビットの配向の計測値を従来技術のシステムよりも高精度で得ることができる。
少なくとも一つのマイクロセンサによりドリルビット1201の配向を監視できる。マイクロ磁力計1207及びマイクロ加速度計1207は、ドリルビット1201の近くのサブアッセンブリ1206内に配置してもよい。
電動モータ(図示せず)は、ドリルビット1201を回転させることができる回転トルクを発生する。電動モータの長さは液圧モータの長さよりも短い。
本発明によるボトムホールアッセンブリは、小さなチューブ1204をドリルストリング1202の中心に備えていてもよい。小さなチューブ1204により、メインサブ(図示せず)とマイクロセンサ(1207、1208)との間を通信できる。メインサブは、ボトムホールアッセンブリを使用して横穴が掘削されるメインウエル内に配置されていてもよい。メインサブは、ボトムホールアッセンブリの長さ方向軸線に沿ってドリルビット1201から比較的長い距離のところに配置された計測用ホワイト掘削工具であってもよい。
通信は、電線1205によって行われてもよい。
通信は、小さなチューブ1204を通してマイクロセンサ(1207、1208)に伝達され且つこれらのマイクロセンサ(1207、1208)からドリルストリングを通して伝達される電気信号によって行われてもよい。
好ましくは、本発明によるボトムホールアッセンブリは、本発明の第1実施形態による掘削システムの部分である。
別の態様では、変形例の掘削システムのドリルビットの直ぐ近くにマイクロセンサを配置する。この場合、変形例の掘削システムは、掘削されるべき穴の所望の半径に応じて回転トルク及び軸線方向がドリルビットに伝達されるように、第1コネクタ又は第2コネクタを取り外し自在に連結することができない。
変形例の掘削システムは、操向可能モータ、操向可能装置、掘削リグシステム、コイル状チューブシステム、又は任意の他の掘削システムであってもよい。
操向可能装置(図示せず)の場合には、マイクロセンサが駆動シャフト内に配置されていてもよい。
方向制御システム(図示せず)を持つボトムホールアッセンブリの場合には、マイクロセンサは、例えば制御ユニット(図示せず)内に配置されていてもよい。
非常に短い半径の掘削
メインウエルから分岐する非常に短い半径の湾曲を持つ横穴を掘削するための掘削システムは、メインウエルと掘削された横穴との間のエルボのところで実質的に垂直方向に曲がった可撓性ドリルパイプを含んでもよい。モータ及び軸線方向スラスターは、メインウエル内にブロックされていてもよく、可撓性ドリルパイプが回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達する。従来技術の掘削システムは、回転トルク及び軸線方向力をエルボのところで伝達できるように、ホイップストック又はブッシュのいずれかを含む。
メインウエルから分岐する非常に短い半径の湾曲を持つ横穴を掘削するための掘削システムは、メインウエルと掘削された横穴との間のエルボのところで実質的に垂直方向に曲がった可撓性ドリルパイプを含んでもよい。モータ及び軸線方向スラスターは、メインウエル内にブロックされていてもよく、可撓性ドリルパイプが回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達する。従来技術の掘削システムは、回転トルク及び軸線方向力をエルボのところで伝達できるように、ホイップストック又はブッシュのいずれかを含む。
しかしながら、比較的長い横穴の場合には、回転トルク及び軸線方向力の伝達は比較的困難である。これは、可撓性ドリルパイプに沿った軸線方向力の強さのためである。
ホイップストックは、軸線方向スラスターからの軸線方向力及びドリルビットからの圧縮力を支持しなければならない。ホイップストックに作用する反作用力は、軸線方向力及び圧縮力のベクトルの和として計算できる。
さらに、掘削中、ドリルパイプは、掘削された横穴が大きくなるにつれてホイップストック上で摺動する。しかしながら、掘削中、ドリルパイプの接線方向速度は摺動速度よりも高い。代表的には、接線方向速度と摺動速度との間の比は100以下である。従って、接線方向速度及び摺動速度のベクトル和から得られた組み合わせ速度は、接線方向速度とほぼ等しい。
反作用力及び組み合わせ速度は、大きな摩擦損及び磨耗をもたらす。これには、ホイップストック又はホイップストックの後側の岩石地層が、可撓性シャフトによって伝達された応力により爆発する危険がある。
回転トルク及び比較的大きな軸線方向力を可撓性シャフトに沿ってこの可撓性シャフトの湾曲部のところで伝達できるシステムが必要とされている。
図13Aは、本発明の第5実施形態による掘削システムの一例を示す。ドリルパイプ1301の一端のドリルビット1307がメインウエル1303から分岐する横穴1302を掘削する。ドリルパイプ1301は、回転トルク及び軸線方向力の両方をドリルビット1307に伝達する。ドリルパイプ1301は可撓性であり、回転トルク及び軸線方向力を伝達する際に曲がることができる。掘削システムは、ドリルパイプ1301を屈曲部のところで支持するための回転支持体1306を持つ曲げガイド1305を更に含む。
横穴はメインウエルから実質的に垂直方向に分岐してもよい。
回転トルク及び軸線方向力は、夫々、モータ1312及び軸線方向スラスター1311によって発生されてもよい。モータ1312は電動モータであってもよい。
ガイドマンドレル1304は、曲げガイド1305をメインウエル内にブロックするように設けられていてもよい。ガイドマンドレルは、掘削が適正な方位角方向に従って行われるように、曲げガイドの方位角方向を設定し計測する配向サブ(図示せず)を含んでいてもよい。ガイドマンドレル1304は、電線システム(図示せず)を使用してモータ1312の近くに配置された制御サブ(図示せず)と通信してもよい。この場合、回転しているドリルパイプ1301から電線システムを保護するために特定の注意を払ってもよい。別の態様では、電磁的又は音響的遠隔測定等のワイヤレス通信システム(図示せず)を使用して制御サブと通信してもよい。
ポンプにより、ドリルストリング内へ、及び掘削した横穴とドリルストリング1301との間の環状部内で掘削流体を循環してもよい。
曲げガイド1305により、回転トルク及び軸線方向力を伝達しながらドリルパイプ1301を実質的に垂直に曲げることができる。
図13Bは、第5実施形態による曲げシステムの第1例の断面を示す。ドリルパイプ1301は、回転トルク及び軸線方向力の両方を伝達する。回転支持体1306、例えばローラーにより、ドリルパイプ1301を比較的容易に回転できる。
しかしながら、曲げシステムの第1例ではドリルパイプ1301はローラー1306の比較的小さな接触領域によって支持されている。軸線方向力が非常に大きい場合には、ドリルストリングが局所的に変形する危険がある。
図14A及び図14Bは本発明の第5実施形態による曲げシステムの第2例を示す。図14Aが曲げシステムの断面を示すのに対し、図14Bは曲げシステムの側面図を示す。ドリルパイプ1401は、二つの曲げガイド(図示せず)間で曲げられる。ドリルパイプ1401は、回転支持体のネット、例えばベルト1406と接触している。ベルト1406は、ドリルパイプ1401及び可撓性支持体例えばプーリ1407上に渡してある。このようなプーリシステムにより、各ベルト1406について適当な配向を保証できる。ベルト1406は、ドリルパイプ1401の回転に従って移動する。
ベルト1406は、反作用力をドリルパイプ1401からプーリ1407に伝達する。ベアリング(図示せず)が可撓性支持体1407の両端に設けられていてもよい。ベアリングにより、ドリルパイプの回転時に可撓性支持体を回転できる。ベアリングは、ドリルパイプからの反作用力に抵抗するようにメインウエル内にブロックされていてもよい。
ベルト1406は比較的可撓性である必要がある。ベルト1406は、プーリ1407に取り付けられたロープ又は織製構造であってもよい。
ベアリングシステムの第2例により、ドリルパイプ1401を比較的大きな表面積に亘って支持できる。
好ましくは、本発明による掘削システムはモータアッセンブリを含む。このモータアッセンブリは、回転トルクを発生するためのモータ、軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター、モータ及び軸線方向スラスターをメインウエル内に固定するためのブロックシステム、及び回転トルクを伝達するための駆動シャフトを含む。
掘削システムにより、掘削されるべき穴の所望の半径に応じて回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達するように、第1コネクタ又は第2コネクタを取り外し自在に連結できる。第1コネクタはドリルパイプに軸線方向力だけを伝達し、回転トルクはドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフトに伝達される。これとは逆に、第2コネクタは軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプに伝達する。
第1コネクタ及び第2コネクタの両方が、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間で掘削流体を循環するための流体連通チャンネルを提供してもよい。
第2コネクタはメインウエル内に配置されていてもよく、ドリルパイプは、実質的に垂直に曲がると同時に回転トルク及び軸線方向力を伝達できるように十分に可撓性であってもよい。横穴の掘削は、メインウエルから実質的に直線的方向に従って行ってもよい。
別の態様では、図13Aに示すように、本発明の第5実施形態による掘削システムは、モータ及び軸線方向スラスターから回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達する単一の掘削パイプ1301を含む。モータ及び軸線方向スラスターはメインウエル内に配置されていてもよいし、横穴内に配置されていてもよい。掘削システムは、掘削されるべき横穴の所望の半径に応じて回転トルク及び軸線方向力をドリルビットに伝達するように、第1コネクタ又は第2コネクタを取り外し自在に連結できる。
流れ及び掘削片の管理
穴を掘削すると、処理しなければならない掘削片が発生する。従来技術のシステムは、表面に配置されたポンプを含み、このポンプが掘削流体、例えば掘削泥水を掘削工具を通して噴射する。掘削流体は掘削工具のドリルビットに達し、掘削工具と掘削した穴との間の環状部を通して排出される。掘削流体は、ドリルビットのところで発生した掘削片を表面まで搬送するのに十分に粘性である。表面に配置されたシェールシェーカーにより、掘削片を掘削流体から除去する。
穴を掘削すると、処理しなければならない掘削片が発生する。従来技術のシステムは、表面に配置されたポンプを含み、このポンプが掘削流体、例えば掘削泥水を掘削工具を通して噴射する。掘削流体は掘削工具のドリルビットに達し、掘削工具と掘削した穴との間の環状部を通して排出される。掘削流体は、ドリルビットのところで発生した掘削片を表面まで搬送するのに十分に粘性である。表面に配置されたシェールシェーカーにより、掘削片を掘削流体から除去する。
掘削流体を圧送するために掘削穴内にポンプを配置したワイヤラインシステムでは、掘削片は表面に達しなくてもよい。掘削穴内にポンプが設けられたシステムの場合、掘削流体及び掘削片の流れを処理する必要がある。
図15は、本発明の第6実施形態による掘削システムの一例を示す。掘削システムは、ドリルストリングアッセンブリ1503を含むドリルビット1507が、メインウエル1502から分岐する横穴1501を掘削する。掘削流体は、掘削した横穴1501とドリルストリングアッセンブリ1503との間の環状部1504を通してドリルビット1507まで循環する。掘削流体はドリルビット1507から流体連通チャンネル1506を通ってメインウエルまで循環し、かくして、ドリルビット1507のところで発生した掘削片を搬送する。
ドリルストリングアッセンブリ1503の断面がメインウエルのケーシング(図示せず)よりも小さい場合には、掘削流体は流体連通チャンネル1506を通って比較的急速に循環し、これにより、掘削片が重力で沈降することがないようにする。
掘削片を流体連通チャンネル1506を通して搬送するのに必要な圧送出力は、掘削片を環状部1504を通して搬送する従来の循環におけるよりも小さい。
更に、流体連通チャンネル1506により、掘削片を別の分離装置に適切に導くことができる。
横穴1501の掘削によって発生した掘削片は、流体連通チャンネル1506を通して搬送される。従って、ドリルビット1507は、掘削片を通すことができる大きな穴を備えている必要がある。
図16は、本発明の第6実施形態によるドリルビットの一例を示す。ドリルビット1607は、フィッシュテール形状であってもよい。ドリルビット1607は、切削作用を保証する主ブレード1601を備えていてもよい。ドリルビット1607による掘削中に発生した掘削片は、ビット穴1603を通して掘削流体を循環することによって排出してもよい。ビット穴1603の断面は、ドリルビット1607を通して掘削片を排出できるように比較的大きい。ドリルビットは、更に、掘削した穴内で側方を案内し、掘削方向を安定させるため、ガイドブレード1602を更に含んでいてもよい。主ブレード1601及びガイドブレード1602はカッター1604を含んでいてもよい。
主ブレード1601は、図16に示すようにドリルビット1607の直径に従って真っ直ぐであってもよい。別の態様では、主ブレードは、ドリルビット1607の断面の中心を通過する湾曲した形状を備えていてもよい。
別の態様では、ドリルビットは複数のブレードを含んでもよく、この場合、少なくとも一つのブレードがドリルビットの断面を横切る。
ドリルは、掘削方向を安定させるためのセンタリングスパイク(図示せず)を備えていてもよい。
好ましくは、本発明による掘削システムはモータアッセンブリを含む。モータアッセンブリは、回転トルクを発生するためのモータ、軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター、モータ及び軸線方向スラスターをメインウエル内に固定するためのブロックシステム、及び回転トルクを伝達するための駆動シャフトを含む。
掘削システムは、掘削されるべき穴の所望の半径に応じてドリルビットに回転トルク及び軸線方向力を伝達するようになった第1コネクタ又は第2コネクタに取り外し自在に連通されていてもよい。第1コネクタは、軸線方向力をドリルパイプだけに伝達し、回転トルクはドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフトに伝達される。逆に、第2コネクタは軸線方向力及び回転トルクの両方をドリルパイプに伝達してもよい。
第1コネクタ及び第2コネクタの両方により、モータアッセンブリとドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネルを形成できる。
図17は本発明の第7実施形態による掘削システムの一例を示す。この掘削システムは、ドリルストリングアッセンブリ1701を含む。ドリルビット1707により、メインウエル1703から分岐する横穴1702を掘削できる。ドリルストリングアッセンブリ1701の内側の流体連通チャンネル1708を通して掘削流体をドリルビット1707に循環してもよい。掘削流体は、ドリルストリングアッセンブリ1701と掘削した横穴の1702の内壁との間の環状部1709を通して横穴1702から排出される。掘削流体は、所定の配向を持つ通路1704によって横穴1702の出力部のところで案内される。
通路1704を通して掘削流体を強制的に循環するため、パッカー1705及びシールカップ1706を持つシーリング装置が横穴1702の出力部のところに設けられていてもよい。
通路により、横穴1702からひとたび排出された掘削流体の循環を制御できる。代表的には、通路1704は掘削流体を掘削穴内で更に処理するため、下方に配向されていてもよい。掘削流体は、確かに、ドリルビット1707のところで発生した掘削片を含んでいる。
図18は、本発明の第8実施形態による掘削システムの一例を概略に示す。この掘削システムは、ドリルストリングアッセンブリ1801を含む。ドリルビット1807により、メインウエル1803から分岐する横穴1802を掘削できる。ドリルストリングアッセンブリ1801の内側の流体連通チャンネル1808を通して掘削流体をドリルビット1807に循環してもよい。掘削流体は、ドリルストリングアッセンブリ1801と掘削した横穴の1802の内壁との間の環状部1809を通して横穴1802から排出される。このシステムは、掘削片を掘削流体から分離するためのフィルタ装置1805を更に備えている。
好ましくは、掘削システムは、掘削流体をフィルタ装置1805に案内するように、横穴1802の出力部のところに所定の配向を持つ通路1810を含んでいてもよい。
別の態様では、掘削システムはシーリング装置を全く備えていない。
フィルタ装置1805により、掘削片を掘削流体から分離できる。分離された掘削片1806はフィルタ装置1805内に蓄えることができ、掘削流体は、掘削穴内に配置されたポンプ1804によって圧送できる。
フィルタ装置1805は、図18に示すように、メインウエル内で横穴の下に配置してもよく、又は任意の他の掘削穴位置に配置してもよい。更に、フィルタ装置は、掘削機内に配置されていてもよく、図18では、随意のフィルタ1812が掘削機1813内に配置されている。これは、ポンプ1804を更に含む。
図19は、本発明の第9実施形態によるフィルタ装置の一例を示す。フィルタ装置1901により、掘削片を掘削流体から分離できる。フィルタ装置1901内のコンパクター(1903、1904)により、濾過した掘削片(1906、1905)を定期的に圧縮できる。
コンパクター(1903、1904)により、フィルタ装置1901の充填を効率的に行うことができる。従って、フィルタ装置1901は従来のフィルタ装置よりも交換頻度が少ない。これは、フィルタ装置1901を掘削穴内に配置する場合に特に有用である。ダウンホール(掘削穴内)フィルタ装置は、確かに、交換に時間がかかる。更に、ダウンホールフィルタ装置の場合、フィルタ装置は、井戸の形状に良好に適合した長さ方向形状を備えていてもよい。従って、コンパクターは、掘削片が長さ方向フィルタ装置内に自然に充填するのでは最適でないため、特に有用である。
掘削流体は、フィルタ装置入力部1907を通ってフィルタ装置1901に進入してもよい。掘削流体からの掘削片の分離は、遠心力によって行われてもよく、即ちフィルタ装置を長さ方向軸線を中心として回転させてもよい。
本発明の第10実施形態によるフィルタ装置により、掘削片を掘削流体から分離できる。図19はこのようなフィルタ装置を示す。濾過した掘削片(1905、1906)がフィルタ装置1901を詰まらせることがないように、フィルタ装置1901内の適合システム(1902、1909)により、濾過した掘削片(1905、1906)を大きさに応じて分類することができる。
粒子を均等な大きさに再区分することにより、所定のコンテナをできるだけ効率的に充填できることは既知である。本発明による適合システム(1902、1909)により、濾過した掘削片(1905、1906)を均等な大きさに再区分でき、及び従って、フィルタ装置1901が詰まらないようにできる。かくして、掘削流体は、濾過した掘削片(1905、1906)が小さな掘削片1905及び大きな掘削片1906に分類されるため、濾過した掘削片(1905、1906)を通って循環できる。
適合システム(1902、1909)は、少なくとも一つの第1定置フィルタ装置1902を含んでもよい。この少なくとも一つの第1定置フィルタ装置1902により、濾過した掘削片(1905、1906)を分類することができ、大きな掘削片1906は少なくとも一つの第1定置フィルタ装置1902の中央に保持される。第2定置フィルタ装置1909により、小さな掘削片がフィルタ装置1901から逃げないようにできる。
図19に示すフィルタ装置は、コンパクター(1903、1904)及び定置フィルタ装置(1902、1909)の両方を含む。従って、コンパクターは、大掘削片コンパクター1904及び小掘削片コンパクター1903を含んでいてもよい。大掘削片コンパクター1904及び小掘削片コンパクター1903はフィルタ装置1901の長さ方向軸線に沿って摺動できる。
フィルタ装置1901はメインウエル内に配置されていてもよく、これに対し掘削片は、メインウエルから分岐する横穴の掘削によって発生する。本発明のフィルタ装置1901は掘削システム(図19には示さず)の部分であってもよい。
掘削システムは、横穴の出力部に通路を備えていてもよい。この通路は、フィルタ装置1901を通して掘削流体を圧送するように所定の配向を備えている。
好ましくは、本発明の第7実施形態、第8実施形態、第9実施形態、及び第10実施形態によるシステムは、本発明の第1実施形態による掘削システムで使用され、又は第1実施形態による掘削システムの部分である。
図20は、本発明の第11実施形態による掘削システムの一例を示す。この掘削システムは、メインウエルから分岐する横穴2001を掘削するためのドリルストリング2003及びドリルビット2007を含む。掘削片は、横穴の外に排出される。メインウエル内に配置されたコンテナ2004により、掘削片を横穴の下に集めることができる。
横穴の掘削中、掘削片は、横穴から排出されるとき、メインウエル内に廃棄される。掘削片は、その重量のため、メインウエル内に沈降する。コンテナ2004により、廃棄された掘削片を集めることができる。この図の黒塗りの矢印は、掘削片の循環を示す。
コンテナ2004は、メインウエルの形状又はメインウエルの構成要素、例えばケーシングの形状に適合するように長い円筒形形状を備えていてもよい。
コンテナは、本発明の第9実施形態によるフィルタ装置であってもよい。掘削片は、横穴からフィルタ装置内に落下する。
コンテナは、更に、定置フィルタ装置であってもよい、このフィルタ装置は、フィルタ装置を通過する掘削流体の流れから掘削片を分類する装置である。
コンテナは、掘削片によるコンテナの効率的充填を保証する掘削片コレクタユニット(図20には示さず)を含んでいてもよい。
図21Aは、本発明の第12実施形態による掘削片コレクタユニットの一例を示す。掘削片コレクタユニット2100は、回転により掘削片をハウジング2102内に引き込む長いスクリューの形状を持つ圧縮ユニット2101を含む。掘削片コレクタユニット2100は、代表的には、掻き取った掘削片をその沈降後に井戸から除去するのに使用される。代表的な作動では、スクリューは、掘削片の密度が低下しないように掘削片をゆっくりと引出すように、ゆっくりと回転する。
掘削片コレクタユニット2100は、掘削作業後に使用してもよい。掘削片コレクタユニット2100は、代表的には、掘削機に取り付けられる。ハウジング2102は、掘削機が掘削片コレクタユニットを押すことができるように、掘削システムの非回転連結部分、例えば第1コネクタの外側部分に固定されていてもよい。スクリューは、掘削機の回転自在の部分、例えば第1コネクタの内側部分に取り付けられていてもよい。
掘削片コレクタユニット2100は、井戸のチューブを通過するような長さ方向形状を有する。掘削片コレクタユニット2100により掘削片を集めることができ、掘削片は図20に示すようにコンテナ内に沈降する。掘削片は、別の態様では、井戸の底に直接置いてもよい。
スクリューは、ハウジング2102の上区分が掘削片で一杯になったとき、スクリューの回転をブロックすることなく適正な圧縮が行われるように、ハウジング2102の先端近くが円錐形形状をしていてもよい。
図21Bは、本発明の第12実施形態による掘削システムの一例を示す。この掘削システムは、掘削機2115、ドリルストリング2103、及びメインウエル2111から分岐する横穴2114を掘削するためのドリルビット2107を含む。掘削により、ドリルビット2107のところで掘削片が発生する。掘削片は、掘削流体によって横穴2114の外に運び出される。横穴2114の出力部のところにあるシーリング装置2113が掘削流体を通路2110を通して下方に強制的に循環する。掘削片は、メインウエル2111内に沈降し、掘削片床2112を形成する。図21Bに示すようにメインウエル2111が傾斜している場合には、掘削片床2112は、メインウエル2111の側部に置かれる。
掘削機2115、ドリルストリング2103、ドリルビット2107、シーリング装置2113、及び通路2110は、掘削後にメインウエル2111の外に取り出される。次いで、掘削片集合ユニット(図21Bには示さず)を掘削機2115に取り付けてもよい。掘削機2115及びこれに取り付けられた掘削片集合ユニットは、メインウエル2111内に下ろすことができる。
掘削片集合ユニットは、図21Aに示すようなスクリューの形状を持つ圧縮ユニットを含む。圧縮ユニットは、掘削片床2112の沈降した掘削片を掻き取ってメインウエル2111の外に出すようにゆっくりと回転する。
好ましくは、第12実施形態による掘削システムは、本発明の第1実施形態の特徴、又は本発明の任意の他の実施形態の特徴を含む。
図22は、本発明の第13実施形態による流れ循環システムの一例を示す。ドリルストリング2203の一端に設けられたドリルビット2207により、メインウエル2202から分岐する横穴2201を掘削できる。掘削穴内に配置された掘削機2212は、ポンプ2205を含む。ポンプ2205は一次循環流(矢印2208で示す)を発生する。一次循環流により、ドリルビットのところで発生した掘削片を掘削機2212まで搬送できる。表面ポンプ2204により、チューブ2207とメインウエル2201との間の環状部2210内に二次循環流(矢印2209で示す)を発生する。二次循環流により、一次循環流によって搬送された掘削片を表面まで搬送できる。
本発明による流れ循環システムにより、掘削流体を掘削片とともに表面まで搬送できる。表面で行われる掘削流体の処理が当該技術分野で既知である。
表面ポンプ2204は、流体を表面から井戸の環状部2210内に送出する。パッカー2206は、チューブ2207の底端のところで環状部2210をブロックできる。従って、表面から送出された流体は、スライディングドアバルブ2211を通って環状部2210を出る。表面から送出された二次循環流からの流体はチューブ2207内を上方に流れることができる。
一次循環流によって搬送された掘削片の大部分は、更に処理するため、二次循環流によって表面に向かって持ち上げられる。
ポンプ2205、及びモータ等の他の掘削工具(図示せず)は、スライディングドアバルブ2211の近くでチューブ2207に配置されていてもよい。好ましくは、ポンプ2205は、一次循環流及び二次循環流が良好に混合されるように、スライディングドアバルブの上方に配置されている。別の態様では、中空部材(図22には示さず)により、一次循環流をスライディングドアバルブまで上方に延長してもよい。
スライディングドアバルブは、二次循環流の発生を開始する前に開放しておく必要がある。これは、代表的には、スリックライン(slick-line)作動によって行われる。
表面流体は、掘削泥水、仕上げ流体、浄化した流体、又は別の組成物を含む流体であってもよい。表面流体は、掘削流体と同じ組成であってもよい。
掘削片が二次循環流によって更に持ち上げられることを保証するように、一次循環流により、掘削片をドリルビット2207からスライディングドアバルブまで輸送する。しかしながら、メインウエル2202の断面は、通常は、横穴2201の断面よりも遙かに大きい。メインウエル2202を通る一次循環流の速度は横穴2201を通る一次循環流の速度よりも遙かに小さい。輸送された掘削片が重力の作用でメインウエル2202内に落下する危険がある。
図23は、本発明の第14実施形態による流れガイドの一例を示す。流れガイド2301により、横穴2303とチューブ2304との間で一次循環流を比較的高い速度で循環でき、これにより掘削片が沈降しないようにする。掘削片は、掘削システムのドリルビット(図示せず)のところで発生する。
流れガイドを通して掘削流体を強制的に循環するため、流れガイド2301は横穴2303内に延びていてもよい。流れガイドは、ホイップストック(図示せず)又は任意の他の支持システムによって支持されていてもよい。掘削システムのドリルストリングが流れガイド2301を通過していてもよい。ドリルストリングの挫屈効果による側方への変形を制限するように、流れガイド2301をメインウエル2302のケーシングに押し付けてもよい。
流れガイドは、一端、例えば横方向出力部がパッカー装置によってシールされていてもよい。
掘削片は、二次循環流によって表面まで更に持ち上げるため、一次循環流によってスライディングドアバルブまで搬送される。二次循環流は、上文中に説明したように、表面に配置された表面ポンプによって発生されてもよい。
本発明による流れ循環システム内で流れガイドを使用してもよい。流れガイド及び流れ循環システムの両方を、メインウエルから分岐する横穴を掘削するための掘削システムと組み合わせて使用してもよい。
好ましくは、第14実施形態による掘削システムは、本発明の第1実施形態の特徴、又は本発明の任意の他の実施形態の特徴を含む。
「掘削流体」という用語は、掘削穴内を循環し掘削片を輸送できる任意の流体を意味する。掘削流体は掘削片を含んでいてもよい。掘削流体は浄化してあってもよい。
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、当業者は、本開示を読むことによって、本明細書中に開示した本発明の範囲を逸脱しない他の実施形態を考案できるということを理解するであろう。更に、当業者は、開示の実施形態を互いに組み合わせてもよいということを理解するであろう。
従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって限定されるべきである。
Claims (49)
- メインウエルから分岐する横穴を掘削するためのシステムにおいて、
モータアッセンブリ(415)であって、
回転トルクを発生するためのモータ(412)、
軸線方向力を発生するための軸線方向スラスター(411)、
前記モータ及び前記軸線方向スラスターを掘削穴内に固定するためのブロックシステム(410)、及び
前記回転トルクを伝達するための駆動シャフト(414、514、614)、を含む、モータアッセンブリ(415)と、
前記回転トルク及び前記軸線方向力を前記モータアッセンブリからドリルストリングアッセンブリに伝達するためのコネクタ(402、404、504、602)であって、前記ドリルストリングアッセンブリは、ドリルパイプ(401、501、601)及びドリルビット(403)を含み、前記コネクタは、前記モータアッセンブリと前記ドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネル(416、516、616)を提供し、前記コネクタは、第1コネクタ(404、504)又は第2コネクタ(402、602)の一方であり、前記第1コネクタは、前記軸線方向力だけを前記ドリルパイプに伝達するように、及び前記回転トルクを前記ドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフト(405、505)に伝達するように、前記ドリルストリングアッセンブリに連結でき、前記第2コネクタは、前記軸線方向力及び前記回転トルクの両方を前記ドリルパイプに伝達するように前記ドリルストリングアッセンブリに連結できる、コネクタ(402、404、504、602)と、を備えたシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記モータ(412)は前記メインウエル内に配置される、システム。
- 請求項2に記載のシステムにおいて、
前記コネクタに連結された前記ドリルストリングアッセンブリであって、
前記軸線方向力を伝達するための前記ドリルパイプ(401、501)、及び
前記回転トルクを伝達するための、前記ドリルパイプ内に配置された前記別の駆動シャフト(405、505)、を含むドリルストリングアッセンブリと、
前記ドリルビット(403)と、を更に備えたシステム。 - 請求項3に記載のシステムにおいて、
前記横穴の一部は、所定の曲率半径を持つ湾曲した穴(710)を含み、
前記ドリルストリングアッセンブリは、掘削した横穴の壁と接触する三つの接触箇所を含み、これらの三つの接触箇所は、前記湾曲した穴を掘削できるようにドリルパイプ角度を画成する、システム。 - 請求項4に記載のシステムにおいて、
前記軸線方向力を前記ドリルパイプ(705)から前記別の駆動シャフト(703)の一端に配置された前記ドリルビット(707)に伝達するスラストベアリング(708)、及び
前記ドリルパイプ内の前記別の駆動シャフトの撓みを支持するための平らなベアリングシステム(711)を更に含む、システム。 - 請求項5に記載のシステムにおいて、前記モータ(704)は電動である、システム。
- 請求項2に記載のシステムにおいて、
前記コネクタ(402、602)に連結された前記ドリルストリングアッセンブリであって、軸線方向力及び回転トルクの両方を伝達するための前記ドリルパイプ(401、601)を含む、ドリルストリングアッセンブリ、と、
前記ドリルビット(403)と、を更に含む、システム。 - 請求項1又は2に記載のシステムにおいて、
前記ドリルビット(903)を前記横穴(904)の断面内に配置するための少なくとも一つの可変直径スタビライザー(905、906、1001、1002)と、
一組のスタビライザーパラメータのうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを遠隔の位置から機械的に制御するための制御手段であって、前記一組のスタビライザーパラメータは、決定された可変直径スタビライザーの直径の大きさ、第1スタビライザーと前記横穴の内側のマーク装置との間の距離であって、前記マーク装置は、別個のスタビライザー又はドリルビットのうちの任意の一方である、距離、少なくとも二つの可変直径スタビライザー(905、906、1001、1002)の協働引っ込め、及び決定された可変直径スタビライザーの方位角半径を含む、制御手段と、を更に含む、システム。 - 請求項8に記載のシステムにおいて、
スタビライザーパラメータの組のうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを制御するための単一の制御ユニットを更に含む、システム。 - 請求項9に記載のシステムにおいて、
形体スロット(1025)、
前記制御手段によって変位できる形体プロット(1021)であって、一組の設定位置(i、j、k、l、m、n)のうちから所望の設定位置を選択できる形体プロット(1021)を含み、
前記一組の設定位置は少なくとも三つの設定位置を含み、
各設定位置は、少なくとも一つのスタビライザーパラメータの所定の値と対応する、システム。 - 請求項10に記載のシステムにおいて、二つの可変直径スタビライザー(905、906、1001、1002)を含み、前記二つの可変直径スタビライザーは、協働するように設置できる、システム。
- 請求項11に記載のシステムにおいて、前記二つの可変直径スタビライザー(905、906)のうちの一方の直径を計測するためのホール効果センサ(907)を更に含む、システム。
- 請求項1乃至12のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記ドリルビット(1201)と近接した少なくとも一つのマイクロセンサ(1207、1208)を更に含み、前記少なくとも一つのマイクロセンサにより、基準方向に対する前記ドリルビットの配向を計測できる、システム。
- 請求項1、2、又は7に記載のシステムにおいて、
前記ドリルパイプ(1301、1401)は、前記回転トルク及び前記軸線方向力を伝達する際に曲がることができるように可撓性であり、
前記システムは、前記ドリルパイプ(1301、1401)を屈曲部のところで支持するための回転支持体(1306、1406)を備えた曲げガイド(1305)更に含む、システム。 - 請求項14に記載のシステムにおいて、
前記回転支持体はプーリ(1407)によって支持されたベルト(1406)である、システム。 - 請求項2に記載のシステムにおいて、
掘削流体を圧送するために掘削穴内に配置されたポンプ(1804)を更に含む、システム。 - 請求項16に記載のシステムにおいて、
前記掘削流体は、前記メインウエル(1502)から前記ドリルビット(1507)まで、前記掘削された横穴(1501)と前記ドリルストリングアッセンブリ(1503)との間の環状部(1504)を通って循環でき、
前記掘削流体は前記ドリルビットから前記メインウエルまで前記流体連通チャンネル(1506)を通って循環できる、システム。 - 請求項17に記載のシステムにおいて、
前記ドリルビット(1607)は、前記ドリルビット(1607)のところで発生した掘削片を前記ドリルビット(1607)を通して排出できるビット穴(1603)を含み、
前記ドリルビット(1607)は、切削作用を保証するための主ブレード(1601)を含む、システム。 - 請求項16に記載のシステムにおいて、
前記横穴(1702、1802)の出力部のところに配置された通路(1704、1810)を更に含み、前記通路により、前記横穴から前記メインウエル(1703、1803)内への掘削流体の流れを案内できる、システム。 - 請求項19に記載のシステムにおいて、
前記通路(1810)を通して前記掘削流体を強制的に循環するシーリング装置(1811)を更に含む、システム。 - 請求項19又は20に記載のシステムにおいて、前記通路(1704)は下方に配向されている、システム。
- 請求項16、19、20、又は21のいずれか一項に記載のシステムにおいて、
掘削流体から掘削片を分離するためのフィルタ装置(1805、1901)を更に含み、前記フィルタ装置は掘削穴内に配置される、システム。 - 請求項22に記載のシステムにおいて、濾過した掘削片(1905、1906)を定期的に圧縮するためのコンパクター(1903、1904)が前記フィルタ装置(1901)内に設けられている、システム。
- 請求項22又は23に記載のシステムにおいて、
前記濾過した掘削片(1905、1906)が前記フィルタ装置を詰まらせることがないように前記濾過した掘削片をそれらの大きさに応じて分類するため、前記フィルタ装置(1901)内の適合システム(1902、1909)を更に含む、システム。 - 請求項16、19、20、又は21に記載のシステムにおいて、
掘削片を前記横穴(2001)の下に集めるため、前記メインウエル(2002)内のコンテナ(2004)を更に含む、システム。 - 請求項16又は25に記載のシステムにおいて、
ハウジング(2102)、及び掘削片を前記ハウジングに引き入れるためのスクリュー(2101)を含む掘削片コレクタユニット(2100)を更に含む、システム。 - 請求項16に記載のシステムにおいて、
チューブ(2207)に沿って二次循環流を生成するための表面ポンプ(2204)を更に含み、前記二次循環流により、前記ドリルビット(2207)のところで発生し且つ一次循環流によって前記ドリルビットから前記二次循環流まで搬送された掘削片を表面まで搬送できる、システム。 - 請求項26に記載のシステムにおいて、
掘削片の沈降が起こらないように、前記一次循環流を前記横穴(2303)と前記チューブ(2304)との間で比較的高い流速で循環できる流れガイド(2301)を更に含む、システム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記モータ(412)は、前記掘削された横穴内に配置される、システム。
- メインウエルから分岐する横穴を掘削するための方法において、
回転トルク及び軸線方向力を夫々生成できるモータ(412)及び軸線方向スラスター(411)を掘削穴内にブロックする工程、及び
前記回転トルク及び前記軸線方向力を、前記モータ、前記軸線方向スラスター、及び駆動シャフト(414、514、614)を含むモータアッセンブリ(415)から、ドリルパイプ(401、501、601)及びドリルビット(403)を含むドリルストリングアッセンブリまで伝達するためのコネクタ(402、404、504、602)を提供する工程を含み、
前記コネクタは、前記モータアッセンブリと前記ドリルパイプの内側との間に流体連通チャンネル(416、516、616)を提供し、
前記コネクタは第1コネクタ(404、504)又は第2コネクタ(402、602)のいずれか一方であり、前記第1コネクタは、前記ドリルパイプに前記軸線方向力だけを伝達するように、及び前記ドリルパイプ内に配置された別の駆動シャフト(405、505)に回転トルクを伝達するように、前記ドリルストリングアッセンブリに連結でき、前記第2コネクタは、軸線方向力及び回転トルクの両方を前記ドリルパイプに伝達するように前記ドリルストリングアッセンブリに連結できる、方法。 - 請求項30に記載の方法において、前記モータ(412)は前記メインウエル内に配置されている、方法。
- 請求項31に記載の方法において、前記ドリルパイプ(401、501)は軸線方向力を伝達し、前記別の駆動シャフト(405、505)は回転トルクを前記ドリルビット(403)に伝達する、方法。
- 請求項32に記載の方法において、
角度モードを直線的モードと組み合わせることによって行われる、前記横穴の湾曲した穴(710)の有効半径を制御する工程を更に含み、
角度モード中、湾曲した穴を掘削できるように、前記ドリルストリングアッセンブリの三つの接触箇所(702)が、掘削した横穴の壁と接触し、
直線的モード中、
前記ドリルパイプ(705)を第1角度回転させる工程、
前記回転トルク及び前記軸線方向力を第1の所定の持続時間に亘って前記ドリルビット(707)に伝達する工程、
前記ドリルストリングアッセンブリを所定距離に亘って引き戻す工程、
前記ドリルパイプを第2角度回転させる工程、
前記回転トルク及び前記軸線方向力を第2の所定の持続時間に亘って前記ドリルビットに伝達する工程が実施される、方法。 - 請求項33に記載の方法において、前記制御は、前記角度モード及び前記直線的モードを噴流モードと組み合わせることによって行われ、前記噴流モードは、決定された方向の地層(713)を優先的に侵蝕するために流体の噴流(712)を提供する工程を含む、方法。
- 請求項31に記載の方法において、前記ドリルパイプ(401、601)は、前記回転トルク及び前記軸線方向力の両方を前記ドリルビット(403)に伝達する、方法。
- 請求項30又は31に記載の方法において、
一組のスタビライザーパラメータのうちの少なくとも一つのスタビライザーパラメータを遠隔の位置から機械的に制御する工程であって、前記一組のスタビライザーパラメータは、決定された可変直径スタビライザーの直径の大きさ、マーク装置に対する第1スタビライザーの距離であって、前記マーク装置は任意の一つの別個のスタビライザー又はドリルビットである、距離、少なくとも二つの可変直径スタビライザー(905、906、1001、1002)の引っ込め、及び決定された可変直径スタビライザーの方位角半径を含む、工程を更に含む、方法。 - 請求項36に記載の方法において、
少なくとも一つのスタビライザーパラメータの決定された値と各々対応する、少なくとも三つの設定位置を含む一組の設定位置(i、j、k、l、m、n)のうちの所望の設定位置を選択するように、形体プロット(1021)を形体スロット(1025)内で変位させる工程を更に含む、方法。 - 請求項30、31、又は35に記載の方法において、
前記回転トルク及び前記軸線方向力を伝達する際に曲がることができるように、前記ドリルパイプ(1301、1401)は可撓性であり、
前記ドリルパイプは、回転支持体(1306、1406)を含む曲げガイド(1305)によって屈曲部のところで支持される、方法。 - 請求項30乃至38のうちのいずれか一項に記載の方法において、少なくとも一つの基準方向に対する前記ドリルビット(1201)の配向を、前記ドリルビットと近接して配置された少なくとも一つのマイクロセンサ(1207、1208)で監視する工程を更に含む、方法。
- 請求項31に記載の方法において、
掘削穴内に配置されたポンプ(1804)で前記ドリルビット(1807)への掘削流体の循環を生成する工程を更に含む、方法。 - 請求項40に記載の方法において、
掘削流体は、掘削された横穴(1501)と前記ドリルストリングアッセンブリ(1503)との間の環状部(1504)を通って前記ドリルビット(1507)に循環し、
掘削流体は前記ドリルビットから前記流体連通チャンネル(1506)を通って循環する、方法。 - 請求項40に記載の方法において、
掘削流体を前記横穴(1702、1802)の出力部のところで所定の配向を持つ通路(1704、1810)を通して案内する工程を更に含む、方法。 - 請求項42に記載の方法において、掘削流体は下方に案内される、方法。
- 請求項40、41、42、又は43に記載の方法において、掘削流体から掘削片を掘削穴内で濾過する工程を更に含む、方法。
- 請求項44に記載の方法において、濾過した掘削片(1905、1906)をフィルタ装置(1901)の内側で圧縮する工程を更に含む、方法。
- 請求項44又は45に記載の方法において、前記濾過した掘削片(1905、1906)が前記フィルタ装置(1901)を詰まらせることがないように、前記濾過した掘削片(1905、1906)を大きさに従って分類する工程を更に含む、方法。
- 請求項40、42、又は43に記載の方法において、
掘削片を掘削穴内で前記横穴(2001、2114)の下の位置に集める工程を更に含む、方法。 - 請求項40に記載の方法において、
チューブ(2207)に沿って二次循環流を生成する工程を更に含み、前記二次循環流により、前記ドリルビット(2207)のところで発生し且つ一次循環流によって前記ドリルビットから前記二次循環流まで搬送された掘削片を表面まで搬送できる、方法。 - 請求項30に記載の方法において、前記モータ(412)は前記掘削した横穴内に配置される、方法。
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2006
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