JP2010531941A - 操縦可能な回転掘削装置 - Google Patents

Abstract

本発明による操縦可能な回転掘削装置は、回転可能なハウジングを有し、ハウジングは、それに取付けられた複数の操縦用アクチュエータを有している。操縦用アクチュエータは、個々に、引込み位置と伸長位置との間を移動可能であり、且つ、電気的に制御される。操縦可能な回転掘削装置は、更に、電力を操縦用アクチュエータに供給するよう構成されたバッテリを有している。操縦用アクチュエータは、二位置安定アクチュエータであるのがよい。

Description

本発明は、ボアホールの掘削に使用される操縦可能な回転掘削装置に関する。

複数のバイアスパッドが取付けられたハウジングを、使用中に回転させるように構成された操縦可能な回転掘削装置が知られている。各バイアスパッドは、引込み位置と伸長位置との間を移動可能である。バイアスパッドが伸長位置にあるとき、バイアスパッドは、ボアホールの壁に当接し、その結果生じた反作用力が、横向きの力をハウジングに付与し、この横向きの力を、操縦を達成する際に使用することができる。使用中、ハウジングが実質的に連続的に回転するとき、横向きに付与される力を実質的に一定の方向に加えるために、複数のバイアスパッドは、ハウジングの回転と同期して順番に伸長され且つ引込められなければならないことを理解すべきである。

バイアスパッドは、典型的には、ピストン装置によって移動させられ、ピストンへの流体の供給を制御する複数の弁が設けられる。過去において、複数の弁は、単一の回転制御弁の中に組込まれていた。回転制御弁の作動を制御する際に使用されるトルク付与装置等は、かなりの量の電力を消費する。必要な電力レベルを得るために、ダウンホール設置型の発電機が使用されてきた。他の構成は、電力をほとんど消費しない、例えば二位置安定性形態の、電磁作動式の弁の使用を含む。

別の形態の操縦可能な掘削装置は、曲げハウジング又はサブに取付けられた回転可能なドリルビットを使用する。曲げハウジング又はサブの角度方向位置を制御することによって、ドリルビットを望ましい掘削の方向に差し向けることができる。

別の形態の操縦可能な掘削装置は、上述した構成のハイブリッド型のものであり、ハイブリッド型のものは、回転可能なカラーと、カラーに取付けられ且つカラーと一緒に回転可能であるスリーブと、カラーに対するスリーブの軸線の角度方向の移動を可能にするユニバーサル継手を有し、それにより、スリーブの軸線をカラーの軸線に対して傾けることを可能にする。アクチュエータは、スリーブの軸線とカラーの軸線との間の相対角度を制御する。カラーが回転している間、スリーブは、アクチュエータの適切な制御によって、実質的に所望の向きに保持される。この種類のハイブリッド装置は、例えば、英国特許第２４０６１１０号明細書に記載されている。

英国特許第２４０６１１０号明細書

本発明によれば、操縦可能な回転掘削装置であって、回転可能なハウジングとバッテリを有し、ハウジングは、それに取付けられた複数の操縦用アクチュエータを有し、アクチュエータは、個々に、引込み位置と伸長位置との間を移動可能であり且つ電気的に制御され、バッテリは、電力をアクチュエータに供給するよう構成される回転掘削装置が提供される。

アクチュエータは、有利には、ピストンと、ピストンへの流体の供給を制御する弁とを有し、弁は、電気的に制御される。好ましくは、アクチュエータは、二位置安定性である。その結果、僅かな電力しか消費されず、且つ、バッテリは、必要とされる電力を供給することができる。バッテリは、例えば地表又はその他の箇所に設置された電源に電気的に接続されることによって、充電可能である。

アクチュエータへの電力の供給に加えて、バッテリは、他の設備に電力を供給するのがよい。例えば、バッテリは、データを地表に又は地表からダウンホールに送るために使用されるアクチュエータに電力を供給するのに使用されることが有利である。

装置は更に、ダウンホール掘削流体で作動するモータを有することが好ましく、モータは、例えば、ドリルビットを回転駆動し、又は、他のダウンホール用構成要素の向きを変えるのに使用される。

バッテリを地表まで接続することによってバッテリが充電可能である場合、かかる接続を、電線付きドリル管を用いて行うのがよい。

掘削装置は、アクチュエータの作動が１つ又は２つ以上のバイアスパッドをボアホールの表面に打ちつけるために利用され種類のものであるのがよく、その結果生じる反作用力が、回転可能なハウジングをそれに取付けられているドリルビットと一緒に横方向に押しやり、ボアホール中に、偏り部、くの字形部、又は曲がり部を形成する。

変形例として、掘削装置は、ハイブリッド型のものであってもよく、アクチュエータの作動は、カラーの軸線に対するスリーブの軸線の角度方向位置を制御するのに使用される。

操縦可能な掘削装置の一部を示す概略図である。 変形例の掘削装置を示す図である。 変形例の掘削装置を示す図である。

添付図面を参照して、本発明を例示により説明する。

最初に図１を参照すると、操縦可能なダウンホール掘削装置の一部が概略的に示されており、掘削装置は、スリーブ又はハウジング１０を有し、ハウジング１０は、それと結合された複数のピストン１２を有し、各ピストン１２は、それに結合されたバイアスパッド１４を伸長位置（半径方向外方位置）と引込み位置との間で移動させるように移動可能である。ハウジング１０の端部に、ダウンホール用モータ１６が配置され、ダウンホール用モータ１６は、掘削用流体又は泥で動力が供給されるモータの形態であるのが都合よく、ハウジング１０を回転駆動するよう動作可能である。ダウンホール用モータ１６は、ドリルストリング１７によって支持され、ドリルストリング１７は、使用の際、例えば地表に配置されたモータ又はダウンホール用モータによって回転させられる。ドリルビット１８が、ハウジング１０の端部に取付けられ、ハウジング１０の回転により、ドリルビット１８を回転駆動する。

圧力下の掘削用流体を、ピストン１２に結合されたシリンダ２０に供給することによって、ピストン１２をその引込み位置から伸長位置に向かって移動させる。掘削流体がシリンダ２０から制限された速度で、例えば制限された流路２２に沿って逃げることができるようになると、ピストン１２の戻り運動が生じる。

高圧ライン２３からシリンダ２０への流体の供給は、制御弁２４によって制御され、制御弁２４の動作は、例えば傾斜及び方位角センサ２８から得られた情報を用いる制御ユニット２６によって制御される。制御弁２４、制御ユニット２６及び傾斜及び方位角センサ２８は、負荷用電池又はバッテリ３０から電気的に動力が供給される。

使用時、掘削流体を装置に供給することにより、モータ１６が、ハウジング１０及びドリルビット１８を回転駆動する。ドリルビット１８の回転と、ドリルビットに加わる重量負荷との組合せにより、ドリルビット１８が、地層物質を削り又はその他の方法で除去し、形成されるボアホールの長さを増大させる。除去された物質は、掘削流体によって運び去られる。

掘削方向の操縦を達成するために、制御ユニット２６は、制御弁２４を制御して、任意所定の時点においてどのピストン１２及びそれに結合されたパッド１４が伸長位置を占めるかを、必要であれば決定する。バイアスパッド１４のうちの選択された１つをその伸長位置に向かって押しやり、バイアスパッド１４をボアホールの壁に係合させることによって、横方向に作用する反作用力がハウジング１２及びドリルビット１８に付与されることを理解すべきである。ハウジング１０が回転するときにバイアスパッド１４を順々に移動させることによって、反作用力を実質的に一定の方向に付与することができ、それにより、ボアホール内に曲がり部、又は、「くの字」形部(dogleg)の形成を引起こす。

制御弁２４は、好ましくは二位置安定電磁アクチュエータ２４ａを用いて、電磁的に制御されることが便利である。適当な弁及びアクチュエータが、上記特許文献に記載されている。二位置安定アクチュエータ２４ａを使用することは、アクチュエータ２４ａの２つの安定位置の間の切換え中にだけ電力が消費される点で有利であり、アクチュエータ２４ａを安定位置に保持するとき、電力は消費されない。結果として、使用時、僅かな電力しか消費されず、バッテリ３０は、一定の期間にわたってアクチュエータ２４ａに電力を供給することが可能である。

望むとき、バッテリ３０の交換を、例えばバッテリ３０をワイヤで運ぶことによって可能にするように、バッテリ３０は、取外しできるように取付けられるのがよい。かくして、例えば、蓄えられている電力が低くなっていると判定された場合、バッテリを取外し、充電済みのバッテリと交換するのがよい。変形例として、バッテリ３０は、充電可能であり、現場で充電されるよう構成されてもよい。例えば、必要とされるときに地表から下降させられ且つバッテリ３０に接続される電気ケーブルを使用して、バッテリ３０を充電するのがよい。変形例として、地表又はその他の箇所に配置された電源に接続され且つドリルストリング１７内でつなげられた電線付きドリル管を用いて、バッテリ３０を充電してもよい。

バッテリ３０が制御ユニット２６及び制御弁２４に隣接して配置されているように図示されているけれども、バッテリ３０は、制御ユニット２６及び制御弁２４から離れて配置され且つそれらに、例えば電線付きドリル管のつながりを用いて接続されてもよい。

バッテリ電力は、アクチュエータ２４ａ及び制御弁２４に動力を供給するのに使用されると共に、多数のその他の装置を制御し又はそれに電力を供給するのに使用されるのがよい。例えば、バッテリ動力は、圧力センサに動力を供給するのに使用され、圧力センサは、掘削流体中を圧力パルスの形態で伝達されるデータを受取るのに使用される。その代わりに又はそれに追加して、バッテリ電力は、アクチュエータ、有利には二位置安定アクチュエータに動力を供給するのに使用され、アクチュエータは、ハウジング内又はハウジングとボアホールの壁との間の環状部内の何れかにおける掘削流体中で正又は負の圧力パルスを生じさせるのに使用される機構のための液圧動力源又コントローラとして機能し、圧力パルスは、情報を離れた箇所に伝達するのに使用される。上記機構は、使用中にコイルに対して移動することにより電力を発生させる磁石を有するのがよい。

図２及び図３は、操縦可能な掘削装置の変形形態を示し、この掘削装置は、ハイブリッド型の操縦ユニット４０を有し、操縦ユニット４０は、回転可能なドリルストリング４２によって支持され、ドリルビット４４を支持するように構成されている。操縦ユニット４０は、ドリルストリング４２に連結されたカラー４６と、ユニバーサル継手５０によってカラー４６に連結されたスリーブ４８とを有し、その結果、カラー４６の回転運動がスリーブ４８に伝達されると共に、カラー４６の軸線に対して、スリーブ４８の軸線及びスリーブ４８に連結されたドリルビット４４の軸線の角度調節を可能にする。

アクチュエータ５２が、カラー４６に取付けられ、スリーブ４８と協働して、スリーブ４８の角度方向位置を制御する。アクチュエータ４８，５２は、有利には、ピストンと、それに接続された制御弁とを有し、好ましくは二位置で安定であり、電気的に制御され、バッテリ５４から電力を取出す。バッテリ５４は、交換可能であり、及び／又は、任意の上述した技術を用いて充電可能であるのがよい。

バッテリ５４はまた、センサ、例えば、スリーブに取付けられ且つカラー４６とスリーブ４８の相対角度を指示する角度センサに電力を供給するのがよい。角度センサは、電線付きドリル管の結合部と同様であるのがよく、電線付きドリル管の結合部の変化は、角度情報を提供するのに使用されるのがよい。

電線付きドリル管が設けられる上述した任意の構成において、電線付きドリル管は、ダウンホール用ツール全体のための電力及び／又は信号バスを形成するように使用されるのがよい。電線付きドリル管は、図２及び図３に示す種類の構成において、電力及び／又は信号を、泥動力式モータ等のダウンホール用モータを横切って伝達するのに且つ／又はスリーブに伝達するのに使用されるのがよい。バッテリは、電線付きドリル管に動力を供給し、電線付きドリル管は、電力及び／又は信号を伝達する。

上述した構成において、電線付きドリル管の連結は、データ又はプログラム情報をダウンホール用ツールにアップロードし又はそれからダウンロードするのに使用されてもよい。

操縦を制御するのに使用する上述した構成のアクチュエータは、掘削流体中で圧力波を発生させるように作動可能なアクチュエータを有し、圧力波は、離れた箇所で検出され、それにより、データをボトムホール組立体から例えば地表に伝達することを可能にする。変形例として、かかるアクチュエータは、別のハウジング又はサブ内に配置されてもよいし、電線付きドリル管の連結を介して接続され、それに電力及び／又はデータ信号を供給することを可能にしてもよい。

上述した任意の構成において、バッテリは、掘削機構モジュールに電力を供給するのに使用されるのがよく、掘削機構モジュールは、電線付きドリル管のデータバスを介して接続され、それにより、操縦ツールから離れて配置されるのがよい。

流量を測定するために、電線付きドリル管に連結された絞り前後の掘削流体の圧力変化を監視する圧力変換器が設けられるのがよい。例えば詰まってしまったノズルにより、過剰圧力現象が検出された場合、二位置安定アクチュエータが、ピストンへの掘削流体の供給を遮断するのに使用されるのがよい。

上述した任意の構成において、二位置安定アクチュエータ制御ユニット及びパルサーは、直径７５ｍｍ以上のカラー内に収まるように寸法決めされるのがよい。

図面に示していないけれども、図２及び図３の構成は、カラー４６、スリーブ４８及びドリルビット４４を回転させるように作動可能なモータを有するのがよい。例えば、カラー４６は、モータの駆動シャフトに取付けられ又はその他の仕方で連結され、ラジアル軸受及びスラスト軸受に横方向に支持されるのがよい。アクチュエータ５２内で使用される加圧掘削流体は、モータの遠い方の端部から、モータのロータ内に形成され且つ駆動シャフトの中に形成された通路を経て供給されるのがよい。駆動シャフトは、有利には、可撓性チタン材料で作られる。

変形形態では、アクチュエータ５２は、モータのステータに取付けられてもよく、アクチュエータ５２のための制御ユニットは、モータの上方に配置され、圧力下の流体を、ステータ内に形成された通路を通してアクチュエータ５２に運ぶ。モータのロータに連結された可撓性駆動シャフトが、ラジアル軸受に支持されたユニバーサル継手を貫通し、スリーブ４８上のスラスト軸受に支持されたドリルビット４４を駆動してもよい。

変形例として、スリーブ４８は、モータのロータに連結され、それにより、ドリルビットを回転させてもよい。かかる構成では、アクチュエータ５２とスリーブの間に摺動接触が存在し、アクチュエータ５２は、掘削流体又は油による潤滑軸受によって支持される。かかる構成では、カラー４６に対するスリーブ４８の角度を測定するセンサを設けることが望ましく、センサは、有利には、モータのステータに取付けられる。

従来装置におけるように、モータ駆動装置は、ボアホール内において、ドリル管、コイルチューブ材、複合チューブ材、ワイヤーライン、牽引装置、又はこれらの任意の組合せに吊下げられることが有利である。ボアホールは、任意適当な温度又は圧力で掘削され、装置は、任意適当な密度又は粘度を有する泥、懸濁液、及びガスによって駆動される。ボアホール圧力は、地層圧力よりも低くてもよいし、それと等しくてもよいし、それよりも高くてもよく、装置は、ＬＣＭに晒されてもよい。装置は、いかなる地層の掘削に使用されてもよく、ボアホールは、いかなる所望の直径のものであってよく、不平衡な掘削条件で使用されてもよい。ツールは、所望ならば、地層評価ツールと一緒に作動されてもよい。二位置安定アクチュエータは、モータのロータの中心に沿って延びるバイパスチャネルに連結され、このバイパスチャネルを通る流体の流れを遮ることによって作られる圧力を使用して、情報を地表に伝達してもよい。

バッテリを充電するのに、小型タービンが使用されてもよく、小型タービンは、地表からのダウンリンク情報を受取るのがよい。

モータよりも下方に位置する設備に取付けられた回転速度センサが、ダウンリンク情報を受取ってもよく、このことは、モータの作動速度の変化を監視し、表面における掘削流体流量の変化を、穴を掘り下げるときの回転速度の変化に変換することによって行われるのがよい。

上述した本発明の実施例又は実施形態への広範囲の改造及び変形を、本発明の範囲から逸脱することなしに行ってもよいことを理解すべきである。

Claims (15)

1. 操縦可能な回転掘削装置であって、
   回転可能なハウジングを有し、前記ハウジングは、それに取付けられた複数の操縦用アクチュエータを有し、前記操縦用アクチュエータは、個々に、引込み位置と伸長位置との間を移動可能であり、且つ、電気的に制御され、
   更に、電力を前記操縦用アクチュエータに供給するよう構成されたバッテリを有する、回転掘削装置。
2. 前記操縦用アクチュエータは、ピストンと、前記ピストンへの流体供給を制御する弁とを有する、請求項１に記載の回転掘削装置。
3. 前記弁は、電気的に制御される、請求項２に記載の回転掘削装置。
4. 前記操縦用アクチュエータは、２つの位置で安定である、請求項１に記載の回転掘削装置。
5. 前記バッテリは、充電式である、請求項１に記載の回転掘削装置。
6. 前記バッテリは、地表又はその他の箇所に配置される電源に電気的に接続されることによって充電可能である、請求項５に記載の回転掘削装置。
7. 前記バッテリは、電力を他の機器にも供給する、請求項１に記載の回転掘削装置。
8. 前記バッテリは、電力を通信機器に供給する、請求項７に記載の回転掘削装置。
9. 更に、流体で作動されるダウンホール掘削用モータを有する、請求項１に記載の回転掘削装置。
10. 更に、連結された電線付きドリル管を有し、それにより、電力及び／又はデータ信号が回転掘削装置の構成要素間で送られる、請求項１に記載の回転掘削装置。
11. 前記操縦用アクチュエータの動作は、１つ又は２つ以上のバイアスパッドをボアホールの表面に向かって打ちつけるために使用され、その結果生じた反作用力が、回転可能な前記ハウジングとそれに取付けられたドリルビットを一緒に側方に押しやり、ボアホール中において偏り部、「くの字」形部、又は曲がり部を形成する、請求項１に記載の回転掘削装置。
12. 前記回転掘削装置は、ハイブリッド型のものであり、前記操縦用アクチュエータの動作は、カラーの軸線に対するスリーブの軸線の角度方向位置を制御するように働く、請求項１に記載の回転掘削装置。
13. 更に、ダウンホール用モータが、前記スリーブに連結され、ドリルビットを回転駆動するように動作可能である、請求項１２に記載の回転掘削装置。
14. 更に、ダウンホール用モータが、前記カラーに連結され、前記スリーブを前記カラーに対して回転駆動するよう動作可能である、請求項１２に記載の回転掘削装置。
15. 更に、ダウンホール用モータが、前記カラーを回転駆動するよう動作可能である、請求項１２に記載の回転掘削装置。

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