JP2007521424A - チューブラーのメイクアップの制御システム - Google Patents

Abstract

第１チューブラー（１０６）と第２チューブラー（１１４）の間のねじ接続を行うためのメイクアップコントロールの方法とシステム（１００）が提供される。このシステム（１００）は第１チューブラー（１０６）に接続されたトップドライブ（１０１）と、少なくとも１つの命令信号をトップドライブに送る、トップドライブに作用上接続されたコントローラー（１０２）とを含む。トップドライブ（１０１）は少なくとも１つの命令信号に応答してトルクと回転スピードを発生し、トルクと回転スピードは第１チューブラーと第２チューブラーの間のメイクアッププロセスの間第１チューブラー（１０６）に加えられる。トップドライブ（１０１）はまたコントローラー（１０２）に伝達されるトルクフィードバック信号を発生し、コントローラーはメイクアッププロセスの間、第１チューブラー（１０６）に加えられるトルクと回転スピードを監視することができる。
コントローラー（１０２）はあらかじめ決定されたトルクリミットに到達した場合にはメイクアッププロセスを停止する。

Description

本発明は一般に油井及びガス井戸の掘削システムの分野に関し、特に、トップドライブを使用して、ドリルケーシングのようなねじ付きチューブラーの間のねじ接続のメイクアップを行うための、コントロールシステムに関する。

油井やガス井戸の掘削システムは、普通「チューブラー」と呼ばれる多数のタイプの配管を有している。チューブラーは掘削管、ケーシング、その他のねじ接続ができる油井構造物やガス井戸構造物を含む。つながったチューブラーの長い「ストリング」は普通、井戸穴を掘削しかつ掘削後の井戸穴の崩壊を防止するために用いられる。いくつかのチューブラーは一方の端部がオスねじで、他方の端部がメスねじで作られている。他のチューブラーは両端部がオスねじで、チューブラー間の接続は２つのメスねじを有するねじ付きカラーを用いて行われる。１連のチューブラーを互いに接続して「ストリング」を作る操作は「メイクアップ」プロセスとして知られている。

ねじ付きチューブラーのメイクアップの一方法は、技術を持ったオペレーターを必要とし、「パワートング」として知られる油圧駆動の道具を使用する、多段階プロセスを含む。油圧パワートングは様々な制約を有する。メイクアッププロセスのいくつかの部分の最中、油圧パワートングは、接続を完全にメイクアップするために、ねじ付きチューブラーに大きなトルクを加えることができなければならない。しかし、メイクアッププロセスの他の部分では、油圧パワートングはもしチューブラーが不注意にクロススレッドしていたら、チューブラーを損傷から保護するために、トルク制限されなければならない。更に、メイクアッププロセスのいくつかの部分では、パワートングは、ねじ付きチューブラーのねじ接続を開始するためにはねじ付きチューブラーをゆっくり回転させることができなければならず、接続をさせるためにはねじ付きチューブラーをすばやく回転させることができなければならない。

これらの特徴をいくつか備えた実用的な油圧パワートングを設計することは可能であろうが、これらの特徴をすべて備えた設計は、油井掘削リグの過酷な条件で実施するのは実用的でない。更に、チューブラーの繰り返しの多いプロセスは、技術を持ったオペレーターを疲労させ、退屈させ、メイクアッププロセスに対して不注意にさせる結果を引き起こすであろう。したがって、自動運転でき、トルクと回転スピードの両方に関して大きな動的範囲を有するメイクアップシステムに対する要求が存在する。

本発明はトップドライブモーターを使用して第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためのメイクアップ制御システムに関する。本発明のコントロールシステムは、メイクアッププロセスの間、トップドライブによって第１チューブラーに加えられる回転の数のうちの少なくとも１つと、トルクと、回転スピードを監視し、トルクリミットに到達したらメイクアッププロセスを停止する。トップドライブは油井及びガス井戸の構造物で、普通１またはそれ以上のチューブラーと接続され、井戸穴の掘削の間、チューブラーにトルクを与え、回転スピードを制御する。トップドライブは、接続されるチューブラーのねじの損傷を防ぐためには精密な制御が必要なことから、普通メイクアッププロセスの間は使用されない。そこで、本発明の制御システムは、メイクアッププロセスの間、チューブラーのねじを損傷から保護するために、トップドライブがチューブラーに加えるトルクと回転スピードを綿密に監視し、制御する。

１実施例では、本発明は第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためのメイクアップコントロールシステムに関し、このメイクアップコントロールシステムは第１チューブラーに接続されたトップドライブと、少なくとも１つの命令信号をトップドライブに送る、トップドライブに作用上接続されたコントローラーを備えている。トップドライブは少なくとも１つの命令信号に応答して、トルクと回転スピードを発生し、好ましいトルクと回転スピードが、メイクアッププロセスの間第１チューブラーに加えられる。トップドライブはまたトルクフィードバック信号を発生し、トルクフィードバック信号はコントローラーに伝達される。コントローラーはこのフィードバック信号を利用して、メイクアッププロセスの間、第１チューブラーに加えられるトルクと回転スピードを監視する。コントローラーはあらかじめ決定されたトルクリミットに到達した場合にはメイクアッププロセスを停止する。

他の実施例では、本発明はメイクアッププロセスにおいて第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためにトップドライブを利用する方法であり、トップドライブを備え、第１チューブラーをトップドライブに接続し、コントローラーをトップドライブに作用上接続することを含む。このような実施例では、コントローラーは、例えばモーター駆動システムを介して、コントローラーからトップドライブへ命令信号を伝達する。トップドライブは命令信号に応答してトルクと回転スピードを第１チューブラーに加える。トップドライブはまた、トルクフィードバック信号をコントローラーに伝達する。次にコントローラーはフィードバック信号を利用して、メイクアッププロセスの間、第１チューブラーに加えられるトルクを監視する。あらかじめ決定されたトルクリミットは、メイクアッププロセスのさまざまな段階のうちの少なくとも１つに対して設定され、コントローラーは、あらかじめ決定されたトルクリミットの少なくともどれか１つが超過した場合にはメイクアッププロセスを停止する。

図１から図１０に示すように、本発明の実施例は複数の段階を有するメイクアッププロセスの間、チューブラー間のねじ接続を行うために使用できるメイクアップコントロールシステムである。

１実施例では、メイクアップコントロールシステムはトップドライブを有し、トップドライブはコントローラーに作用上接続され、メイクアッププロセスの間、回転の数と、トルクと、回転スピード制御を与える。このような実施例では、回転チューブラーはコントローラーの制御の下でトップドライブによって回転され、静止チューブラーとのねじ接続を行う。

メイクアッププロセスにはいくつもの標準段階がある。例えば、初めに、メイクアップコントロールシステムはねじマッチング段階の間、回転チューブラーを回転チューブラーのねじのねじ切り方向と反対方向に回転させることによって、チューブラーのねじをマッチさせる。いったんチューブラーのねじがマッチしたら、メイクアップコントロールシステムは初期ねじ接続段階の間、回転チューブラーをねじ方向に回転させてチューブラーのねじ接続を開始する。ねじ接続が開始された後は、メイクアップコントロールシステムは主ねじ接続段階の間、回転チューブラーの回転スピードを増加する。メイクアップコントロールシステムは次に最終ねじ接続段階の間、ねじ接続の完成に近い回転チューブラーの回転スピードを減速し、チューブラーが突然停止しないようにする。メイクアップコントロールシステムは次にねじ締め付け段階の間、ねじ接続が最終トルク値まで締まるまで、回転チューブラーに加えられているトルクを徐々に増加する。

メイクアッププロセスの上述の各段階の間、メイクアップコントロールシステムは、トップドライブが回転チューブラーに加えることを許されている回転の数か又はトルクリミットを設定する。メイクアップコントロールシステムは次に、メイクアッププロセスの各段階の間、トップドライブによって回転チューブラーに加えられた回転の数、トルク、及び／又は回転総数を監視する。上記パラメータのうちの１つがその段階に対するリミットを超えた場合には、メイクアッププロセスに、クロススレッド、ねじ損傷、又は、ねじコンパウンドの過剰供給、その他起こりうるエラーの中からエラーが表示される。

図１は本発明の好ましい実施例によるメイクアップコントロールシステム１００の概略図である。メイクアップコントロールシステム１００はコントローラー１０２に作用上接続されたトップドライブシステム１０１を含む。トップドライブ１０１はコントローラー１０２から命令信号１０４を受け、回転チューブラー１０６に加えられるトルクと回転数を発生することによって命令信号１０４に応答する。１実施例では、トップドライブ１０１はケーシング駆動工具１０７に接続され、次に、回転チューブラー１０６に接続され、トップドライブ１０１から回転チューブラー１０６にトルクと回転スピードを伝達する。

運転中、トップドライブ１０１はフィードバック信号１０８を発生し、フィードバック信号１０８はコントローラー１０２に伝達される。フィードバック信号１０８はトルクフィードバック信号と回転スピードフィードバック信号を含む。コントローラー１０２はフィードバック信号１０８を利用してメイクアッププロセスの間、トップドライブ１０１の運転を監視する。コントローラー１０２の機能は、コントローラー１０２に記憶された一式のプログラム命令１１０に記述されている。

１実施例では、回転チューブラー１０６は複数の段階を有するメイクアッププロセス３００（図３を参照して以下に詳述）の間、トップドライブ１０１によって回転され、静止チューブラー１１４とねじ接続を行う。そのような実施例では、回転チューブラー１０６はねじ部１１２を有し、ねじ部１１２は静止チューブラー１１４の対応するねじ部１１６と係合してねじ接続を形成する。上述の説明は係合する接続部を有するチューブラーについてであるが、チューブラーは対応するメス両端部を有する接続継手を介して接続されたオス両端部を有するケーシングであってもよいことが理解されなければならない。

図２は本発明の好ましい実施例によるメイクアップコントロールシステム１００のブロック線図である。このような実施例では、上述のようにメイクアップコントロールシステム１００はトップドライブ１０１とコントローラー１０２を含む。更に、メイクアップコントロールシステム１００は電動モーター２０２と作用上接続されたモーターコントローラー２００を含むことができる。ＤＣモーターを使用するそのような１実施例では、モーターコントローラー２００はＡＣ電源２０８から高電圧／大電流のＡＣ電力２０６を受け、このＡＣ電力を電動モーター２０２のために調整し制御されたＤＣ電力に変換する。次に電動モーター２０２は、メイクアッププロセス３００の間、ＤＣ電力を受け、トップドライブ１０１にトルクを加え、トルクは回転チューブラー１０６に伝達される。モーターコントローラー２００は、電動モーター２０２に加えられる電圧を制御することにより、電動モーター２０２のスピードを制御し、電動モーター２０２に供給される電流の大きさを調整することによって、電動モーター２０２によって加えられるトルクの大きさを調整する。ＤＣモーターのみ上述したが、ＡＣモーターもまた利用できる。このような実施例では、コントローラーはＡＣモーターに加えられる電力の周波数を調整することによって、ＡＣモーターのトルクとスピードを調整する。

１実施例では、上述の命令信号１０４は回転方向命令信号２１０、トルクリミット信号２１２、及びスピード命令信号２１４を含む。この実施例では、モーターコントローラー２００はメイクアップシステムコントローラー１０２によって伝達された回転方向命令信号２１０を受け、電動モーター２０２の回転方向を設定することによって回転方向命令信号２１０に応答する。電動モーター２０２はまた電動モーター２０２の回転方向を逆にするために回転方向スイッチ２０４を有する。
このようにして、この実施例のメイクアップシステムコントローラー１０２は、回転方向命令信号２１０を発生し、回転方向命令信号２１０をモーターコントローラー２００に伝達することによって、回転チューブラー１０６の回転方向を制御できる。

このような実施例では、モーターコントローラー２００はまた、メイクアップシステムコントローラー１０２によって伝達されたトルクリミット信号２１２を受けることができる。この実施例のモーターコントローラー２００は、電動モーター２０２に供給される電流の最大値を調整するためにトルクリミット信号２１２を利用する。電動モーター２０２に供給される電流の最大値は電動モーター２０２によって回転チューブラー１０６に加えられるトルクの最大値を決定するので、メイクアップシステムコントローラー１０２は、メイクアッププロセス３００の間、電動モーター２０２によって回転チューブラー１０６に加えられるトルクの大きさを制限する。

モーターコントローラー２００はまた、メイクアップシステムコントローラー１０２によって伝達されるスピード命令信号２１４を受けることができる。このような実施例のモーターコントローラー２００は、電動モーター２０２に加えられる電圧／周波数を調整するためにスピード命令信号２１４を利用する。電動モーター２０２の回転スピードは電動モーター２０２に加えられる電圧／周波数によって決定されるので、メイクアップシステムコントローラー１０２はメイクアッププロセス３００の間、電動モーター２０２が回転チューブラー１０６に伝える回転スピードを決定する。１実施例では、モーターコントローラー２００はまた、電動モーター２０２に加えられる電流と電圧（又は周波数）を個別に調整するシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むことができる。

１実施例では、上述のフィードバック信号１０８はトルクフィードバック信号２１６を含む。この実施例では、モーターコントローラー２００はトルクフィードバック信号２１６を発生し、この信号をメイクアップシステムコントローラー１０２に伝達する。トルクフィードバック信号２１６は電動モーター２０２を流れる電流に比例し、したがって電動モーター２０２によって加えられるトルクに比例する。メイクアップシステムコントローラー１０２はメイクアッププロセス３００の間、電動モーター２０２によって回転チューブラー１０６に加えられるトルクの大きさを監視するために、トルクフィードバック信号２１６を利用する。

１実施例では、電動モーター２０２はまた回転エンコーダー２１８に機械的に結合される。このような実施例では、回転エンコーダー２１８は回転フィードバック信号２２０を発生し、回転フィードバック信号２２０は電動モーター２０２の回転総数に比例する。電動モーター２０２はトップドライブ１０１に機械的に結合されており、トップドライブ１０１は上述のようにケーシング運転工具１０７を介して回転チューブラー１０６に接続することができる。そこで、電動モーター２０２の回転総数はまた回転チューブラー１０６の回転総数に比例する。回転フィードバック信号２２０を利用することによって、メイクアップシステムコントローラー１０２はメイクアッププロセス３００の間、回転チューブラー１０６の回転総数を決定することができる。

図３は本発明の好ましい実施例によるメイクアッププロセス３００のプロセスフローダイヤグラムである。メイクアッププロセス３００は回転チューブラーと静止チューブラーの間のねじ接続を行うために、メイクアップコントロールシステム１００によって実行される。１実施例では、図示のように、メイクアッププロセス３００は複数の段階を有するプロセスであり、この複数の段階を有するプロセスはねじマッチング段階４００、初期ねじ接続段階５００、主ねじ接続段階６００、最終ねじ接続段階７００、そしてねじ締め付け段階８００を含み、それぞれ以下に詳述される。

１実施例では、メイクアッププロセス３００はねじマッチング段階４００で始まる。図４は本発明の好ましい実施例によるねじマッチング段階４００のプロセスフローダイヤグラムである。ねじマッチング段階４００の間、メイクアップコントロールシステム１００は回転チューブラー１０６のねじを静止チューブラー１１４のねじとマッチさせる。

図示した実施例では、コントローラー１０２は回転チューブラー１０６の回転方向を回転チューブラー１０６のねじのねじ切り方向と逆方向へ設定４０１をする。例えば、回転チューブラー１０６のねじが右ねじである場合には、回転チューブラー１０６はねじマッチング段階４００の間、反時計回りに回転される。

コントローラー１０２はまた、上述のようにスピード命令信号２１４を発生し、スピード命令信号２１４をモーターコントローラー２００に伝達することにより、トップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることを許されている最大回転スピードの設定４０２を行う。例えば、１実施例では、回転チューブラー１０６の最大回転スピードは約8 RPMである。

コントローラー１０２は次に、例えばモーターコントローラー２００を介して、トップドライブ１０１に命令信号１０４を伝達し、回転チューブラー１０６の回転開始４０５をする。ねじマッチング段階４００の間ずっと、コントローラー１０２は上述のように、モーターコントローラー２００と回転エンコーダー２１８からそれぞれコントローラー１０２に伝達される回転フィードバック信号２２０を監視することによって、回転チューブラー１０６の回転総数の監視４０６をする。

コントローラー１０２は回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転されたかどうかの決定４１２を行う。回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転された場合には、コントローラー１０２はねじマッチング段階４００の終了４１４をする。さもなければ、コントローラー１０２は回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転されるまで、ねじマッチング段階４００の継続４１６を行う。１実施例では、ねじマッチング段階４００の間の回転チューブラー１０６のあらかじめ決定された回転総数は１回転半である。

ねじマッチング段階４００は、回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転された場合には、完了する。ねじマッチング段階４００の間、回転チューブラー１０６は約5 RPMから約10 RPMのレンジのスピードで、約678 N・m（約500 ft-lbs）から約2034 N・m（約1500 ft-lbs）のレンジのトルクで回転されることが好ましい。ねじマッチング段階４００が完了した場合には、メイクアップコントロールシステム１００は初期ねじ接続段階５００へ進む。

図５は本発明の好ましい実施例による初期ねじ接続段階５００のプロセスフローダイヤグラムである。初期ねじ接続段階５００の間、メイクアップコントロールシステム１００は回転チューブラー１０６と静止チューブラー１１４の間のねじ接続を開始する。

１実施例では、コントローラー１０２は、回転チューブラー１０６のねじ切り方向に回転チューブラー１０６の回転方向の設定５０１をする。例えば、もし回転チューブラー１０６のねじが右ねじならば、回転チューブラー１０６は初期ねじ接続段階５００の間、時計回り方向に回転される。コントローラー１０２はまた、上述のようにスピード命令信号２１４を発生し、スピード命令信号２１４をモーターコントローラー２００に伝達することによって、回転チューブラー１０６の最大回転スピードの設定５０２を行う。メイクアップコントロールシステム１００はまた、上述のようにトルクリミット信号２１２を発生し、トルクリミット信号２１２をモーターコントローラー２００に伝達することによって、トップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることが許されているトルクのリミットの設定５０４を行う。例えば、１実施例では、回転チューブラー１０６の最大回転スピード及びトルクリミットはそれぞれ約8 RPMと約2034 N・m（約1500 ft-lbs）である。

コントローラー１０２は次に命令信号１０４をトップドライブ１０１に伝達し、回転チューブラー１０６の回転開始５０５を行う。初期ねじ接続段階５００の間ずっと、コントローラー１０２は、上述のようにモーターコントローラー２００及び回転エンコーダー２１８からそれぞれコントローラー１０２に伝達されるトルクフィードバック信号２１６と回転フィードバック信号２２０を監視することによって、回転チューブラー１０６に加えられたトルクと回転総数の監視５０６を行う。

コントローラー１０２はトルクリミットに到達したかどうか決定５０８を行う。もしトルクリミットに到達したら、初期ねじ接続段階５００において、ねじのクロススレッドのようなエラーを表示し、コントローラー１０２はメイクアッププロセス３００の停止５１０を行い、回転チューブラー１０６の回転をやめる。

もしトルクリミットに到達しなかったら、コントローラー１０２は回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転されたかどうかの決定５１２を行う。回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転された場合には、コントローラー１０２は初期ねじ接続段階５００の終了５１４を行う。さもなければ、コントローラー１０２は、トルクリミットに到達するか又は回転チューブラー１０６があらかじめ決定された回転総数まで回転されるまで初期ねじ接続段階５００の継続５１６をする。１実施例では、初期ねじ接続段階５００の間での回転チューブラー１０６のあらかじめ決定された回転総数は２回転である。

初期ねじ接続段階５００は、回転チューブラー１０６が初期ねじ接続段階５００のトルクリミットを超えることなく、あらかじめ決定された回転総数まで回転された場合には、成功のうちに完了する。初期ねじ接続段階５００の間、回転チューブラー１０６は好ましくは、約5 RPMから約10 RPMのレンジのスピードで、約1356 N・m（約1000 ft-lbs）から約2712 N・m（約2000 ft-lbs）のレンジのトルクで回転される。初期ねじ接続段階５００が完了した場合には、メイクアップコントロールシステム１００は主ねじ接続段階６００へ進む。

図６は本発明の好ましい実施例による主ねじ接続段階６００のプロセスフローダイヤグラムである。主ねじ接続段階６００の間、コントローラー１０２は回転チューブラー１０６に加えられる回転スピードの、初期ねじ接続段階５００の間回転チューブラー１０６に加えられた回転スピードからの増加６０１を行う。回転チューブラー１０６に加えられる回転スピードの増加は、ねじの回転の抵抗力の増加をもたらし、トップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることを許されているトルクのリミットにおいて、対応する増加６０２を必要とする。すなわち、コントローラー１０２は、トップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることを許されているトルクのリミットを増加することによって、より高い回転スピードでのねじの接続に対して増加した抵抗力を補う。例えば、１実施例では、回転チューブラー１０６のトルクリミットは約9491 N・m（約7000 ft-lbs）である。

主ねじ接続段階６００の間ずっと、コントローラーは、上述のように、モーターコントローラー２２０及び回転エンコーダー２１８からそれぞれコントローラー１０２に伝達されるトルクフィードバック信号２１６と回転フィードバック信号２２０を監視することにより、回転チューブラー１０６に加えられたトルクと回転総数の監視６０４を継続する。

主ねじ接続段階６００は、加えられたトルクがトルクリミットに近いことと結びついて回転スピードが減速したことをコントローラー１０２が検出６０６するまで続く。加えられたトルクがトルクリミットに近いことと結びついた回転スピードの減速は、チューブラーのねじが完全なねじ接続に近い場合に、抵抗力が増加することによって生じる。この状態が発生した場合には、主ねじ接続段階６００は完了し、コントローラー１０２は最終ねじ接続段階７００へ進む６０８となる。

主ねじ接続段階６００の間、回転チューブラー１０６は好ましくは、約10 RPMから約20 RPMのレンジのスピードで、最終トルクリミット（以下に述べる）の約15から30パーセントのレンジのトルクで回転される。例えば１実施例では、最終トルクリミットが33,895 N・m（25,000 ft-lbs）で、主ねじ接続段階６００の間のトルクリミットが約5084 N・m（約3750 ft-lbs）から約10,169 N・m（約7500 ft-lbs）である。主ねじ接続段階６００が完了した場合には、メイクアップコントロールシステム１００は最終ねじ接続段階７００へ進む。

図７は本発明の好ましい実施例による最終ねじ接続段階７００のプロセスフローダイヤグラムである。最終ねじ接続段階７００の間、コントローラー１０２は、回転チューブラー１０６に加えられた回転スピードの、主ねじ接続段階６００の間回転チューブラー１０６に加えられていた回転スピードからの減速７０１を行う。スピードの減速は、回転チューブラー１０６と静止チューブラー１１４に損傷を与えることなく回転チューブラー１０６が静止チューブラー１１４とねじ接続を形成することを可能にする。

例えば、１実施例では、チューブラー１０６と１１４の各々は、ねじ部１１２と１１６それぞれに隣接して肩部を有し、これら肩部はねじ接続が形成された場合には、互いに係合する。この場合、これら肩部が接触したときに回転チューブラー１０６を早すぎる回転スピードで回転することは、係合したチューブラー１０６と１１４の肩部及び／又はねじ部に損傷を与えるかもしれない。

従って、最終ねじ接続段階７００の間、回転チューブラー１０６は好ましくは、約3 RPMから約8 RPMのレンジのスピードで、最終トルクリミット（以下に述べる）の約15から30パーセントのレンジのトルクで回転される。例えば、１実施例では、最終トルクリミットが33,895 N・m（25,000 ft-lbs）で、最終ねじ接続段階７００の間のトルクリミットが約5084 N・m（約3750 ft-lbs）から約10,169 N・m（約7500 ft-lbs）である。好ましくは、回転チューブラー１０６のトルクリミットは約9491 N・m（約7000 ft-lbs）である。

最終ねじ接続段階７００の間ずっと、コントローラー１０２は回転チューブラー１０６に加えられたトルクと回転総数の監視７０３を行う。トルクリミットに到達した場合には、コントローラー１０２は、よい接続ができたことを確認するために、あらかじめ決定された時間の間、加えられたトルクの保持７０６をする。もし回転チューブラー１０６がトルクリミットで回転をやめれば、このことは回転チューブラー１０６と静止チューブラー１１４の間によい接続がされ、最終ねじ接続段階７００が完了したことを示す。最終ねじ接続段階７００が完了した場合には、メイクアップコントロールシステム１００は締め付け段階８００へ進む。

図８は本発明の好ましい実施例による締め付け段階８００のプロセスフローダイヤグラムである。締め付け段階８００の間、コントローラー１０２は最終トルクリミットの設定８０１を行う。コントローラーは次にトップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることを許されているトルクのリミットを、最終ねじ接続段階７００の間設定されていたトルクリミットから最終トルクリミットへ徐々に増加８０２する。

締め付け段階８００の間ずっと、コントローラーは回転チューブラー１０６に加えられたトルクの監視８０３をする。増加トルクのリミットに到達するまで回転が継続する。増加トルクのリミットに到達した場合には、コントローラーは最終トルクリミットに達したかどうかの決定８０５を行う。もし最終トルクリミットに達しなければ、トップドライブ１０１が回転チューブラー１０６に加えることを許されているトルクのリミットは再び新たな増加トルクのリミットまで徐々に増加８０７される。このプロセスは最終トルクリミットに到達するまで続く。

最終トルクリミットに到達した場合には、コントローラー１０２は最終接続を確認するために、あらかじめ決定された時間の間、加えられたトルクを保持８０６する。コントローラー１０２は次に回転チューブラー１０６の回転の監視８０７を行い、回転が継続しているかどうかの決定８０８をする。もし回転チューブラー１０６があらかじめ決定された時間の間最終トルクリミットで回転を継続していれば８１２へ進み、これはメイクアップエラーを示す。もし回転チューブラー１０６がトルクリミットで回転をやめていれば８１０へ進み、これは回転チューブラー１０６と静止チューブラー１１４の間でよい接続がされていることを示し、締め付け段階８００の完了を示す。

締め付け段階８００の間、最終トルクリミットは好ましくは約10,847 N・m（約8000 ft-lbs）から約47,454 N・m（約35,000 ft-lbs）のレンジ内で、増分トルクリミットの各増分の増加は約68 N・m（約50 ft-lbs）から約271 N・m（約200 ft-lbs）のレンジ内にある。例えば、１実施例では、最終トルクリミットは約33,895 N・m（約25,000 ft-lbs）で、増分トルクリミットの各増分トルクの増加は約136 N・m（約100 ft-lbs）である。

上述のようにメイクアッププロセス３００の間ずっと、メイクアップコントロールシステム１００は回転チューブラー１０６に加えられるトルクを監視し、記録し、報告する。１実施例では、メイクアップコントロールシステム１００は、この情報をトルク対回転のグラフ（以下簡単にトルク・回転グラフと呼ぶ）を作成するために利用できる。

図９は本発明の好ましい実施例による、メイクアップコントロールシステムへ加えられたトルク、トルクリミット、回転方向、回転スピード、及び、回転の数の間の関係を図示した好ましいトルク・回転グラフ９００である。ねじ付き接続をメイクアップするのに必要な実際の回転の数、加えられる実際のトルク、リミットを設定されたトルクは、接続されるねじ付きチューブラーのタイプに依存しており、従って、グラフ９００に示した値は説明目的のみのための値であり、これらの各パラメーターはメイクアップコントロールシステムへのユーザーインプットにより変更でき、又はプログラムで修正することができる。グラフ９００の上側部分９０１は回転する右ねじ付きチューブラーのトルク９０３対回転９０４を示し、グラフ９００の下側部分９０２は回転する右ねじ付きチューブラーの回転スピード９０５対回転９０４を示す。

前述のように、ねじマッチング段階４００の間、ねじ付きチューブラーのねじは、ねじ付きチューブラーを反時計方向へ回転することによって、受け入れ側ねじ付きチューブラーのねじとマッチさせられる。グラフ９００に示すように、ねじマッチング段階４００の間、回転スピードは反時計方向にポイント９０６まで増加し、第２ポイント９０７まで一定に保持され、次に第３ポイント９０８での停止まで戻される。ねじマッチング段階４００の間、ねじ付き回転チューブラーは反時計方向に全部で１回転半、回転される。

初期ねじ接続段階５００の間、メイクアップコントロールシステムはねじ付きチューブラーのねじ接続を開始する。メイクアップコントロールシステムは、選定した回転スピードが第４ポイント９０９に到達するまで、ねじ付き回転チューブラーの回転を時計方向に開始する。回転スピードはねじ付き回転チューブラーを全部で２回回転して第５ポイント９１０に到達するまで一定値に保たれる。また初期ねじ接続段階５００の間、前述のメイクアップコントロールシステムによって、トルクリミットが第１トルクリミットＥに設定される。ねじ付きチューブラーに加えられた実際のトルクは、次にメイクアップコントロールシステムによって監視される。もし加えられたトルクが第１トルクリミットＥを超えたら、メイクアップコントロールシステムはねじ付き回転チューブラーの回転を停止する。

主ねじ接続段階６００の間、回転スピードは第６ポイント９１１で最大値に到達するまで増加される。また主ねじ接続段階６００の間、ねじ付きチューブラーに加えられる実際のトルクは、より多くのねじ山が係合して、係合したねじ間の摩擦が増加するにつれ、ポイントＢからポイントＢ’に示すように増加する。これを補うために、許容トルクリミットは第２トルクリミットＦまで増加される。主ねじ接続段階６００は、加えられたトルクが第２トルクリミットＦに近づき、これとともに回転スピードが減速したことをコントローラーが検出するまで継続する。このことは第７ポイント９１２でグラフ上に示されている。

最終ねじ接続段階７００の間、回転スピードは第７ポイント９１２から第８ポイント９１３まで減速する。最終ねじ接続段階７００の間、ねじの肩部がねじ接続プロセスの最後に接触した場合に起こりうるようないかなる損傷をも最小にするために、回転スピードは減速される。

締め付け段階８００の間、ねじ付きチューブラーの間の接続はトルク増加プロセスで最終トルク値Ｇまで締められる。ポイントＣからポイントＤまで、許容トルクリミットはゆっくりと増加される。トルクリミットまでの各増加で、回転チューブラーへ回転力を供給する前述の電動モーターが、加えられたトルクがトルクリミットに到達するまで回転チューブラーを回転し、このトルクリミットのポイントで電動モーターは失速し、ねじ付き回転チューブラーの回転をやめる。トルクリミットの各増加では、電動モーターはねじ付き回転チューブラーを回転の数の一部について回転し、次に失速する。このプロセスは最終トルク値Ｇに到達するまで繰り返される。ねじ付き回転チューブラーのトルク増加回転の間、回転スピードは第８ポイント９１３から第９ポイント９１４まで減速される。

図１０は本発明の１実施例によるコントローラー１０２のブロック線図である。この実施例において、コントローラー１０２はプロセッサー２０００を含み、プロセッサー２０００は中央処理ユニット（ＣＰＵ）２００２と、メモリーキャッシュ２００４と、バスインターフェイス２００６とを備える。バスインターフェイス２００６はシステムバス２００８を介して主メモリー２０１０及びインプット／アウトプット（Ｉ／Ｏ）インターフェイスコントロールユニット２０１２と作用上連結されている。Ｉ／Ｏインターフェイスコントロールユニット２０１２はローカルバス２０１４を介してストレージコントローラー２０１６、及び外部装置と信号の伝達、受け入れのためのＩ／Ｏインターフェイス２０１８と作用上連結されている。ストレージコントローラー２０１６は、メイクアップコントロールシステム１００の前述した機能を実行するプログラム命令１１０の記憶のための記憶装置２０２２と作用上連結されている。

運転では、プロセッサー２０００はプログラム命令１１０を取り込み、主メモリー２０１０にプログラム命令１１０を記憶する。プロセッサー２０００は次に、前述したメイクアップコントロールシステム１００の機能を実行するために、主メモリー２０１０に記憶されたプログラム命令１１０を実行する。プロセッサー２０００はプログラム命令１１０を使用して前述の命令信号１０４を発生し、外部Ｉ／Ｏ装置２０１８を介して前述のトップドライブ１０１に命令信号１０４を伝達する。トップドライブ１０１は命令信号１０４に応答し、前述したフィードバック信号１０８を発生し、フィードバック信号１０８はコントローラー１０２に伝達されて戻される。プロセッサー２０００は外部Ｉ／Ｏ装置２０１８を介してフィードバック信号１０８を受け取る。プロセッサー２０００はフィードバック信号１０８とプログラム命令１１０を使用して、前述のようにトップドライブ１０１へ伝達するために追加の命令信号、命令信号２１０、２１２、及び２１４を発生する。

上述の説明は本発明の様々な実施例を参照して示された。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は上述の構造及び操作方法における修正、変更が本発明の理論、精神、及び範囲から有意に離れることなく実行されうることを認めるであろう。

例えば、例示した装置や方法は特定の機構や方法の工程を有するが、別の実施例は特定の用途の要求に応じて、より少ない工程やより多い工程を備えうる。従って、上述の説明は、ここで述べられ、また添付図面に示された詳細な構造にのみ属すると解釈してはならず、最も完全かつ広範な範囲を有すべき本出願の請求項と合致し、または請求項を補助するものと解釈されなければならない。

本発明の好ましい実施例によるメイクアップコントロールシステムの概略図。 本発明の好ましい実施例によるメイクアップコントロールシステムのブロック線図。 本発明の好ましい実施例によるメイクアッププロセスのプロセスフローダイヤグラム。 図３のメイクアッププロセスのねじマッチング段階のプロセスフローダイヤグラム。 図３のメイクアッププロセスの初期ねじ接続段階のプロセスフローダイヤグラム。 図３のメイクアッププロセスの主ねじ接続段階のプロセスフローダイヤグラム。 図３のメイクアッププロセスの最終ねじ接続段階のプロセスフローダイヤグラム。 本発明の好ましい実施例によるねじ締め付け段階のプロセスフローダイヤグラム。 本発明の好ましい実施例によるメイクアップコントロールシステムのトルク、回転方向、回転、の間の関係を示すグラフ。 本発明の好ましい実施例によるコントローラーのブロック線図。

Claims (21)

1. 第１チューブラーに接続されたトップドライブと、
   少なくとも１つの命令信号をトップドライブに送る、トップドライブに作用上接続されたコントローラーであって、前記トップドライブは少なくとも１つの命令信号に応答してトルクと回転スピードを発生し、前記トルクと回転スピードが第１チューブラーと第２チューブラーの間のメイクアッププロセスの間第１チューブラーに加えられるコントローラーとを備え、
   前記トップドライブはまた前記コントローラーに伝達されるトルク信号又は回転フィードバック信号のうちの少なくとも１つを発生し、前記コントローラーは前記少なくとも１つのフィードバック信号を監視し、メイクアッププロセスの間、第１チューブラーに加えられるトルクと回転の数のうち少なくとも１つを決定し、
   前記コントローラーはあらかじめ決定されたトルクリミット又は回転リミットのうちの１つに到達した場合には前記メイクアッププロセスを停止する、
   第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためのメイクアップコントロールシステム。
2. 前記トップドライブが電動モーターである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記モーターに作用上接続されたモーターコントローラーを更に備え、前記モーターコントローラーは、前記トップドライブに加えられている電圧の大きさを制御することにより、前記トップドライブが第１チューブラーに加える回転スピードを制御する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記トップドライブに作用上接続されたモーターコントローラーを更に備え、前記モーターコントローラーは、前記トップドライブに加えられている電流の大きさを制御することにより、前記トップドライブが第１チューブラーに加えるトルクを制御する、請求項１に記載のシステム。
5. 第１チューブラーに加えられるあらかじめ決定された最大許容トルクリミットを制御するモーターコントローラーを更に備えた、請求項１に記載のシステム。
6. 前記メイクアッププロセスの間、第１チューブラーの回転の大きさを監視し、回転フィードバック信号を発生し、回転フィードバック信号を前記コントローラーに伝達する回転エンコーダーを更に備えた、請求項１に記載のシステム。
7. トップドライブを備える工程と、
   第１チューブラーを前記トップドライブに接続する工程と、
   コントローラーを前記トップドライブに作用上接続する工程と、
   コントローラーからトップドライブへ命令信号を伝達する工程と、
   トップドライブでは命令信号に応答してトルクと回転スピードを発生し、前記トルクと回転スピードを第１チューブラーと第２チューブラーの間のメイクアッププロセスの間トップドライブを介して前記第１チューブラーに加える工程と、
   トルクフィードバック信号又は回転フィードバック信号のうち少なくとも１つをトップドライブからコントローラーに伝達し、前記コントローラーは前記フィードバック信号を利用して、メイクアッププロセスの間、第１チューブラーに加えられるトルク又は回転の数のうち少なくとも１つを監視する工程と、
   メイクアッププロセスの段階のうちの少なくとも１つにおいて、あらかじめ決定されたトルク又は回転リミットの少なくとも１つを設定し、前記コントローラーは、あらかじめ決定されたトルク又は回転リミットの少なくともどれか１つが到達した場合にメイクアッププロセスを停止するためにトップドライブに命令を送る工程とを備え、
   メイクアッププロセスにおいて第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためにトップドライブを利用する方法。
8. トップドライブが電動モーターである、請求項７に記載の方法。
9. 前記トップドライブに作用上接続されたモーターコントローラーを備える工程を更に備えた、請求項７に記載の方法。
10. トップドライブに加えられている電圧の大きさを制御することにより、前記トップドライブが第１チューブラーに加える回転スピードを制御する工程と、
    トップドライブに加えられている電流の大きさを制御することにより、前記トップドライブが第１チューブラーに加えるトルクを制御する工程とを更に備えた、請求項７に記載の方法。
11. メイクアッププロセスの間にトルク対回転のデータを採取する工程と、前記データを解析して第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続が好ましい接続かどうか決定する工程とを更に備えた、請求項７に記載の方法。
12. ねじマッチング段階を更に備え、ねじマッチング段階は第１チューブラーのねじ部分を第２チューブラーのねじ部分とねじ接続させるために芯合わせする工程を備えた、請求項７に記載の方法。
13. あらかじめ決定された初期ねじ接続段階トルクリミットを設定する工程と、
    第１チューブラーの回転総数を監視する工程と、
    第１チューブラーに加えられたトルクを監視し、第１チューブラーが初期ねじ接続段階トルクリミットを超えることなくあらかじめ決定された大きさまで回転された場合に前記初期ねじ接続段階が完了する工程とを備えている初期ねじ接続段階を更に備えた、請求項１２に記載の方法。
14. 第１チューブラーの回転スピードを増加する工程と、
    初期ねじ接続段階トルクリミットを主ねじ接続段階トルクリミットまで増加する工程とを備えている主ねじ接続段階を更に備えた、請求項１３に記載の方法。
15. 第１チューブラーに加えられたトルクが主ねじ接続段階トルクリミットに接近していることと結びついて第１チューブラーの回転スピードが減速したことを前記コントローラーが検知した場合に主ねじ接続段階が完了する、請求項１４に記載の方法。
16. 第１チューブラーに加えられた回転スピードを、主ねじ接続段階の間に設定された回転スピードよりも下の回転スピードに減速する工程と、
    主ねじ接続段階トルクリミットを最終ねじ接続段階トルクリミットまで増加させる工程とを備えている最終ねじ接続段階を更に備えた、請求項１５に記載の方法。
17. 最終ねじ接続段階トルクリミットに到達した場合に最終ねじ接続段階が完了する、請求項１６に記載の方法。
18. 最終トルクリミットを設定する工程と、
    最終トルクリミットに到達するまで最終ねじ接続段階トルクリミットを徐々に増加する工程とを備えている締め付け段階を更に備えた、請求項１７に記載の方法。
19. 第１チューブラーに加えられたトルクが最終トルクリミットに到達し、回転が止まる場合に締め付け段階が完了する、請求項１８に記載の方法。
20. トップドライブを備える工程と、
    第１チューブラーを前記トップドライブに接続する工程と、
    コントローラーを前記トップドライブに作用上接続する工程と、
    コントローラーからトップドライブへ命令信号を伝達する工程と、
    命令信号に応答してトルクと回転スピードを発生し、前記トルクと回転スピードを第１チューブラーと第２チューブラーの間のメイクアッププロセスの間トップドライブを介して前記第１チューブラーに加える工程と、
    トルクフィードバック信号又は回転フィードバック信号のうち少なくとも１つをトップドライブからコントローラーに伝達し、前記コントローラーは前記フィードバック信号を利用して、メイクアッププロセスの間、第１チューブラーに加えられるトルク又は回転の数のうち少なくとも１つを監視する工程と、
    ねじマッチング段階を開始する工程であって、ねじマッチング段階が第１チューブラーのねじ部分を第２チューブラーのねじ部分とねじ接続させるために芯合わせする工程を備えているねじマッチング段階を開始する工程と、
    初期ねじ接続段階を開始する工程であって、初期ねじ接続段階が、
    あらかじめ決定された初期ねじ接続段階トルクリミットを設定する工程と、
    第１チューブラーの回転総数を監視する工程と、
    第１チューブラーに加えられたトルクを監視し、第１チューブラーが初期ねじ接続段階トルクリミットを超えることなくあらかじめ決定された大きさまで回転され場合に、前記初期ねじ接続段階が完了する工程とを備えている初期ねじ接続段階を開始する工程と、
    主ねじ接続段階を開始する工程であって、主ねじ接続段階が、
    第１チューブラーの回転スピードを増加する工程と、
    初期ねじ接続段階トルクリミットを主ねじ接続段階トルクリミットまで増加する工程であって、第１チューブラーに加えられたトルクが主ねじ接続段階トルクリミットに接近していることと結びついて第１チューブラーの回転スピードが減速したことを前記コントローラーが検知した場合に主ねじ接続段階が完了する工程とを備えている主ねじ接続段階を開始する工程と、
    最終ねじ接続段階を開始する工程であって、最終ねじ接続段階が、
    第１チューブラーに加えられた増加された回転スピードを減速する工程と、
    主ねじ接続段階トルクリミットを最終ねじ接続段階トルクリミットまで増加させる工程であって、最終ねじ接続段階トルクリミットに到達した場合に最終ねじ接続段階が完了する工程とを備えている最終ねじ接続段階を開始する工程と、
    締め付け段階を開始する工程であって、締め付け段階が
    最終トルクリミットを設定する工程と、
    最終トルクリミットに到達するまで最終ねじ接続段階トルクリミットを徐々に増加する工程であって、第１チューブラーに加えられたトルクが最終トルクリミットに到達し、回転が止まる場合に締め付け段階が完了し、締め付け段階が完了した場合にチューブラー間のねじ接続が完了する工程とを備えている締め付け段階を開始する工程とを備えた、
    メイクアッププロセスにおいて第１チューブラーと第２チューブラーの間のねじ接続を行うためにトップドライブを利用する方法。
21. メイクアッププロセスの間にトルク対回転のデータを採取する工程と、前記データを解析して前記ねじ接続が好ましい接続かどうか決定する工程とを更に備えた、請求項２０に記載の方法。

Images