JP2013245444A - 油井用高圧管の注水シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】石油・ガスなどの資源採取や、地上の放射線廃棄物の注入などを目的とする深層地下で掘削された井戸からケーシング管に複数の小さな穴明け加工および地層岩盤に毛細血管掘削を行うための密封構造を提供する。
【解決手段】岩盤にセメントで固定されたケーシング管１に内装のチュービング管２の先端部に設けられるパッカーは、トップソケット３、パッキン７，１１とシートリング加圧８、ダウンソケット９などの要素の共通軸をなすパッカーフレーム６から構成される。さらにパッカーフレーム６にはパッキン７，１１を軸方向に圧縮作動するシリンダー１２を設けている。各パッキンにシール圧力をチュービング内圧に対して少なくとも１．５倍以上となる軸方向の圧縮を掛け、チャッキ弁１４の作動により最大内圧のシール作動圧力保持を図る。またパッカーの解放は、破断弁５の作動、またはチュービング２の引き上げによる。
【選択図】図１

Description

深層地下掘削技術分野

地球に存在する有機物化石には、地上の植物が氷河期に地殻変動で地下にバクテリアの働きで石炭と変わり、海中のプランクトンや動植物などが同様に地殻変動で地下に石油となり、さらに高温高圧で有機物が液体・個体で存在できず深層で石油などがガスに分解され、発生ガスの飛散を遮蔽する高密度岩石（シェール層と呼ぶ）に閉じ込められた炭化水素ガス、シェールガスなど地下資源がある。一般的にはこれらの地下資源は５層以上あり、各層は１００ｍから５００ｍ離れて垂直に立地する。
これらの地下資源には生成過程で活躍したバクテリアが作り出した硫化水素（腐食性が著しい最大１％含有ＨＳ２）、分解で生成された炭酸ガス（酸化腐食が生じるＣＯ２）、過去に海底であったことから塩化物（腐食力が大きい）と水が存在する。
一方、地表岩石は硬質なものは花崗岩（日本には多い）であり、掘削量は１〜１０ｍ／日と遅いが、必要掘削深度及び斜坑掘削も時間を掛ければ長さは２０００〜５０００ｍ以上可能である。しかし、必要な資源などは厚い層にピンポイント存在することなく、地層に面となって存在する。すなわち掘削された穴周辺地層での資源採取を効率的な収集するには、掘削穴から岩盤に対して更なる小さな毛細血管的な採掘穴加工が必要である。この毛細血管加工を施す基本的な方法は、地上からの水圧による目的箇所の特定する区間を閉鎖ケーシング管から穴をあけて、内装するチュービング管より深層地下岩石に高圧注水して岩盤破砕、水の浸透などを行うことで毛細血管機能を作り出し、目的の石油・ガスなどを高圧水で掘削した毛細血管から資源を効率的に採掘実行することで、人類の資源有効利用の更なる発展を行う技術思考、この毛細血管作りに必要な構成技術は深層地下の穴あけ（ドリリング）と区間密封（パッカー）設備である。
他方、深層地下の岩盤層の密封特性を利用した核廃棄物などの注入と永久封入などにも同様の技術が利用できることから、従来の垂直・斜坑掘削技術に強化プラスチックなど耐久性のある耐食材料による管材を用いて、パッカー・ドリリング技術が加われば深層地下を人類が活用可能となる。

本発明は、石油・ガス井戸用掘削など深層地下の耐食高圧管用のパッカーシステムに関する。

深層地下で掘削された井戸から岩盤層に封入された石油・ガスなどの資源採取や、地上の放射線廃棄物の注入などを目的とする、掘削された井戸から深層地下で岩盤への拡張毛細管を作るには、まず垂直井戸を掘削、必要あれば深層部で分岐斜坑井戸を掘削して耐久性のある高圧ケーシング管を挿入、ケーシング管と岩盤との間にセメントを注入して硬化ケーシング管を岩盤に封入する。
目的の地層岩盤に毛細血管掘削を行うには、まず特定区間のケーシング管に複数の小さな穴明け加工を行う必要がある。従来の加工法はケーシング管内部から爆薬を爆発させるなどして岩盤への加工を行っていたが、ラインの長い区間に自在に特定箇所を爆薬加工などできない。さらに、作られた加工穴を再加工して密閉なども困難であり、何より必要資源のみの効率的な採取などできない。
一方、何らかの機構でケーシング管に穴あきを行ったとして、ケーシング管とチュービング管の密封が必要である。特に耐久性のある強化プラスチック材料は表面を構成するマトリックス材料が樹脂であることから、表面強度が金属材料に比べて著しく低い。さらに、ケーシング管とチュービング管との隙間は必要上大きく、構造的にパッカーには密封機構上からシールパッキン材には大変形が可能な材料が必要となり、唯一のゴム材が選択される。しかし、ゴム材はプラスチックよりさらに強度が低いため、目的に必要な２０〜４０MPa以上のシール材機能はない。本発明は、このような問題を解決した発明である。

まず、耐久性のある材料を開発することから始める。従来の耐食鋼管材料は、金属であることからエロージョン（電気腐食）など耐久性に問題と高価なクロム鋼が採掘コストと耐久性の実用面を阻害するため、ケーシング管やチュービング管を目的深層環境条件の破壊耐圧８０〜１００ＭＰａ・１５０℃に耐える強化プラスチック材の開発が必要である。これには５０％Ｖｏｌ以上の充填率の均一テンションからなる直線状に配列してなるガラス繊維を周方向と軸方向に２対１比から１対１．５比に直交異方に配列したＦＲＰ管に内面樹脂耐食層に少なくとも０．５〜２ｍｍの熱変形温度が８０℃以上で破断伸びが９％以上のウレタン変性エポキシポリエステルなど樹脂９５〜１００％含有層を設けた管を採用することで、目的耐圧性能管が得られる。次に、ケーシング管とチュービング管との特定区間密閉（パッカー）は、図１に示す構造材料は管体同様の強化プラスチック材料を用いる。必要なパッキン材料は表面層には強化繊維を内挿することで表面強度を１００ＭＰａまで補強する複合材料からなるゴムを用いる。さらにパッキン材に加わるシール圧力は、図１、１２．加圧シリンダーにより目的圧入耐圧の１．５倍以上を常に確保可能な構造にして、パッカーの解放はチュービング管の引き抜きまたは所定圧以上の内圧による７．破壊弁の作動により解放することで、図２に示す２つのパッカーで結ぶ間に穴あきチュービング管からの高圧インジェクションを可能にする。また、パッキンシールの圧力保持は図１の１４．チャッキ弁により得られ、作られた毛細血管から抽出されるガスなどを回収する。
一方、ケーシング管の穴あけ設備は図５、６に示す平行する管と垂直に多数配列するドリルを管と平行な管内で十分長いバーに設けられた歯車で、ドリルに回転のために設けられた歯車にバーを噛みこませてドリルの押し込みと同時に切削をバーを１回引くことですべて完了して穴が開き、さらにバーを内圧により戻すことで、ドリルが収納される構造を用いることで、ケーシング管に内部から穴明けを可能にする。

耐久性のある設備の深層地下での垂直・斜坑掘削管から毛細血管的な特定岩盤層に加工が可能になった。その結果、耐久性も増加したことから長期間の使用が可能となり、利用コストが低下し、従来は技術的と経済的に掘削採集ができなかった石油・ガスなど埋蔵量の大多数が採取できるようになり、資源の有効利用限界が著しく増加した。また広く多く採集ができるようになることから、強固な岩盤に含有するシェールガスなどの掘削に適し、地下資源の有効利用を飛躍的に増加する。さらに、岩盤への高圧注入による浸透利用は深層地下に核廃棄物や劇物・毒物など有害物質の廃棄密封が可能となった。

パッカー構造 岩盤にセメントで固定された深層地下で、１．ケーシング管に内装の ２．チュービング管を用いて、パッカーを構成するチュービングと接続する ３．トップソケットと７．Ｕ−パッキンと８．シートリング加圧、１１．Ｄ−パッキン、９．ダウンソケットの内部と共通軸をなす６．パッカーフレームから構成する。６．には１０．Ｏ−リングでシールされた軸方向に１２．チュービング内圧によってパッキンを圧縮作動するシリンダーを設けて、各パッキンにシール圧力をチュービング内圧に対して少なくとも１．５倍以上となる軸方向の圧縮を掛け、１４．チャッキ弁の作動により最大内圧のシール作動圧力保持を図るようにしている。 パッカーのシール圧力の解放（設置開放）は、５．破壊弁を作動させる極限圧を加えて解放、または２．チュービングを引出軸方向に作動させることで、各パッキンが軸力移動でシール機能を解放され、シリンダー圧力が下がりパッカーの機能開放となる構成を採用している。 ２つのパッカー間に穴あき注水管の設置による岩盤への高圧注入 穴あき加工されたケーシング管の穴外位置両端に図１の１６．上部パッカーと１８．下部パッカーを設置、２．チュービングを介して、１７．注水管よりケーシング管を介して、岩盤層に高圧注入を行い岩盤に亀裂などを広範囲に生じさせて、目的の毛細血管的な岩盤に対しての掘削を行う。 パッカー間からの採油・ガスの採集に利用 その後に圧力を下げて、注入した水を除去などして亀裂から１９．油・ガスなどを収取する。ガス田においては、同一ケーシング管に多くのパッカーを直列に定間隔に設けて、岩盤に内在するガスを収集する。 パッカーの解放機構 役目を終えた１７．注入穴及び毛細血管的な亀裂、あるいは廃棄物の注水が目的の採掘用掘削亀裂や穴１９は、密閉する必要があるときは、２．チュービングよりセメントを注入、封入する。封入後は、パッカーを解放作業する。７．破壊弁の作動のための瞬間加圧による破壊、または、チュービングの引き上げによるシール圧力解放により、パッカーを解放する。 ケーシング管の穴加工ドリル機構 ２２．ケーシング管の内から垂直方向に配置してなる多数の２３．ケーシング管穴加工ドリルを２７．平歯車を介して両側に配置、平歯車と一体で２４．軸作動棒も連結してなる２５．連結作動板を２８．ドリルフレーム内に設置する周方向の構造を持つ。 ケーシング管内部ドリル収納構造 図５に示すＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ断面の構成は、軸方向に作動させて、複数個の穴加工を同時に行うように、２７．平歯車は軸方向に定幅で左右反対に傾斜して２４．軸作動棒に連結されて、２６．駆動歯車形状をなし、２８．ドリルフレーム内を２５．連結作動板の軸方向出し入れすることで、２２．ケーシング間に２３．穴加工ドリルを回転しながら押し込み穴明けを行いチュービング内に注水することで、２８．ドリルフレームが引き込み、ドリルを収納する機構。

発明したパッカーシステムは、深層地下掘削に必要な油井掘削機器、水圧ポンプ、採油ポンプ、 地上で使用するパワートング（ねじしめ機）、管の落下防止器、吊り上げフック（エレベータ）、ウインチなどではない。掘削した管からさらに油層など岩盤層に毛細血管的な岩盤亀裂など生じさせる特殊な掘削加工を行うための器具である。
必要なのは、ケーシング管、チュービング管、管の継手と、ケーシング穴開けドリル、穴部に高圧注水をするための、ケーシング管とチュービング管のシール（パッカー）機材である。これらは、必要な耐圧と耐食性、機能に関する高い信頼性が必要。
すなわち、シートリングのシール機材は、２５〜４０ＭＰａ以上の高圧に耐えるパッキンが必要となるが、既存のゴム製品では耐えない。さらに、パッカーは、セットと解放が可能でなければならず、チュウビング管の出し入れと破壊弁の内圧破壊によるシートリングに加わる加圧機能解除により、作動する機能を確保した。内圧破断弁の設定作動圧は約５０ＭＰａが適当である。なぜなら通常の注水圧は約２０ＭＰａで掘削注水は〜最大で約４０ＭＰａであるため。すなわち、適用するチュービング管の耐圧は８０ＭＰａが最適である。
これらの設定された作動特性を持つパッカーの最適作動は、チュービング内圧を一般使用圧の約２倍として、４０ＭＰａでまずパッキング機能を作動させ、定常使用圧力の４０ＭＰａ以下のシール機能をもたせて、目的の岩盤層の掘削を行う。なお、最大圧力でパッカーを設定すればそのシール保証は逆止弁の取付により機能維持できる。シールの解放を必要とするときには、より高圧力の５０ＭＰａを瞬間内部に加えて破裂弁を破壊することで、シール圧の解放ができる。他の一つの併用機能には、通常のチュービング配管に作用するテンションは約３トンであるが、管は約５倍のテンションに耐える設計で作られる。よって、約６トンで管を引き抜くと、強制的にパッカーシールが解放される機能を合わせ持つ構造を採用している。なお、管の破壊最大必要テンションは、通常作用テンションの約５倍、３−１／２インチ管では約２０トンが最適である。
また、破壊弁の作動破壊圧力は、パッカー使用最大圧力の約１．５倍（シール理論の必要条件）以上で作動が必要から、地上圧力で５０ＭＰａ以上の設定が最適である。

最適パッカー構造に必要な、発明した最適ケーシング管ドリルの構造は、図５〜６に示す。基本的にはケーシング管の内面からのリモート穴あけ設備を意味する。原理は、多数本１８０℃対向してドリルを配置、軸方向に歯車を移動させて、周方向にドリルを回転させながら押し込む、特徴は同時に多くの穴があけられること、さらに深層地下環境で作動させる必要から、不純物が充満された環境でのドリル作動である。基本構造は、駆動は歯車で歯車の引出によるドリルの回転は、中央に置く軸作動棒により引きぬき時に、穴をあけ、チュービングに内圧を加えることで軸作動棒の復帰押し込みでドリルが収納される。
これらの穴あけは必要に応じて適正な位置のケーシング管に施され、個別にパッカーを作動させて岩盤に毛細血管状の掘削を行った後、パッカーを解放して、改めて石油・ガス生産用にパッカーを選択して複数個が直列に配置するなどしたパッカーの設置で岩盤から目的の石油・ガスの抽出を行う。

図１〜４は、開発されたパッカーシステムを示す。シール方式は、前部６．パッキンには内圧の１．５倍のシール部加圧と１１の後部にはそれ以上の圧力が作動するメカニズムとなっている。内圧によりシリンダーに作用する軸力が各シール材を加圧、ＤシールにＵシールより大きなシール圧力が作用するように、トップソケットやシートリング加圧形状が定められている。各シール材は表面材料のゴムにガラス繊維またはナイロン繊維織布で補強され、この補強により、シール材表面層強度は６ｋｍ／ｍｍ^２以上に確保され、６０ＭＰａのパッキンシール性能を可能にする。一方、シール材６と１１は連動するシリンダーの変位で加圧され、シートリングは軸方向に応力開放されれば、加圧シリンダー内部圧力を同時にリークして加圧を解放するため、誤って破壊弁を破壊解放せずにも、パッカーの解体ができるため、パッカー長期間使用での溶着などの解放不可の事故にはならない。
これらの構成機器すべてが耐食ＦＲＰからなることから、耐久性に優れたシステムが構築される。

ガス田の注水（シェールガスなど含む）。
ガス田の採掘層は、斜坑が多く、２０００〜３０００ｍ地下の岩盤に放射線状に掘削した管の内部に穴をあけて、ガス含有岩盤を高圧注水により毛細血管状の亀裂を生じさせて、ガスを抽出させるため、注水圧力は２５ＭＰａ以上を必要とする。さらに、収量と生産期間（設備耐久性）を長く必要とするため、ケーシング管にあける穴は、順次増加するなど必要がある。
これら、注水管とパッカーシステムは、硬質岩盤に多く存在するシェールガスと呼ばれる天然ガス掘削には適合する。すなわち、多くに適用されることから地下資源の採掘にはこの重要な意味を持つ。なお、ここで記載した以外に、従来からある低圧のパッカー（継手管に内圧によるゴム風船の膨張シール）、チャッキ弁、ポンプ、その他は採掘時には必要付帯品である。

ＭＰａ 物理単位メガパスカル

Claims (4)

1. 深層地下に埋蔵する化石燃料の採掘及び地上廃棄物の深層地下封入装置にあって、垂直または斜坑掘削された深層井戸の特定区間の岩盤層に地上からの高圧注水でもって亀裂を生じさせて、岩盤層に広大な毛細管状の掘削を行う設備において、耐久性のあるFRP製ケーシング管にFRPチュービング管を設置して、チュービング管の先端にパッカーを取付、かかるパッカーにはチュービング内圧がケーシング管とのシール圧力を１．５倍以上に増加となるように、軸方向に加圧シリンダー機能を持たせ、加圧保持機能にチャッキ弁と保持開放に瞬間高圧による破壊弁とを持たせたことを特徴とするパッカー設備の構造。
2. 請求項１において、ピストン型パッカーフレームにチュービングソケットを両端に持ち、パッキン表面に強化繊維を入れたゴム製の２つのパッキンを用いて、パッキン間に内圧で生じる軸力を順次伝達するように軸方向に直線状に配置したことを特徴とするパッカー構造。
3. 請求項１において、同じ機能を有するパッカーを直列に穴付チューブ管と連結して、最後尾を閉鎖して、配置、チュービング管内に高圧注水することによって、岩盤に亀裂など発生させて毛細血管状の広範囲への岩盤掘削を行い、パッカーの解体はチュービングの引き抜きでもってパッキン圧力保持シール機能を抹殺することによるパッカー解体機能付パッカーの構造。
4. パッカーシステムに必要なケーシングの穴加工において、先端にドリル、中央に回転伝達の平歯車、両端にはドリルの押し込み引き下がりのためのリブを持ち、リブ幅の連通作動板にドリル回転用の歯車を両面に互いに反対に傾斜させ、フレーム中心に配置して、軸方向に複動運転可能にしたケーシング管内加工ドリル構造。

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