JP2019536922A - 混合式回転ガイド装置 - Google Patents

Abstract

混合式回転ガイド装置であって、回転軸を含み、前記回転軸は、回転してツールヘッドを駆動し、かつ上軸部、下軸部、及び方向転換可能部を含み、前記上軸部と前記下軸部とは軸方向に離間しており、前記上軸部と前記下軸部とは前記方向転換可能部によって方向転換可能に連結されており、更に、前記上軸部に取り付けられた少なくとも３つの第１液圧機構と、前記下軸部に取り付けられた少なくとも３つの第２液圧機構とを含み、前記第２液圧機構は、押圧部材を駆動して坑井壁を押圧することでツールヘッドをガイドするよう適合しており、前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とがこのように連結されていることにより、前記第１液圧機構が、前記第２液圧機構を駆動し、ひいては前記押圧部材を駆動することが可能になる、混合式回転ガイド装置。本出願により、指向式ガイドと押圧式ガイドの利点が結合され、地層特性の傾斜率に対する影響が大幅に除去され、より高い傾斜率を提供することが可能になり、エネルギー消費の必要性が大幅に低減される。【選択図】図１

Description

本出願はボーリングの分野に関し、特に、掘削ガイドを制御する混合式回転ガイド装置に関する。

地下に埋蔵されている自然資源を獲得するためには掘削探査を行うことが必要である。非常に多くの状況において、坑井孔と坑井櫓に、互いの位置を整合させずに一定のずれ（偏移）又は湾曲を形成することが、必要になる。このように水平方向若しくは垂直方向のずれ、又はその他の典型的な入り組んだ坑井孔を形成するプロセスは、傾斜掘削と称される。傾斜掘削プロセスにおいて、ドリルビット方向に対して方向制御を行うプロセスは、ガイドと称される。現在、ガイド掘削には摺動ガイドと回転ガイドという２つの種類がある。摺動ガイドで掘削を行う時には、掘削柱は回転せず、ダウンホールモータ（ターボドリル、スクリュードリル）を用いてドリルビットを回転させる。スクリュードリルと掘削柱の一部、及びセントラライザ（扶正器）は、坑井壁に当接しており、坑井壁面で上下に摺動することができるだけである。これの欠点は、摩擦が大きく、有効な掘削圧力、トルク、及び効率が低く、掘削スピードが遅く、ドリル穴（井眼）がらせん状になって滑らかにきれいにはならず、坑井の品質が悪く、事故が発生しやすく、掘削盤を作動させて「複合掘削」を使用せざるを得なくなることがよくあり、更に、この「複合掘削」は、限定的に使用されることしかできないことが多い、ということである。摺動ガイドの坑井の深さは最大でも約４０００ｍを下回る。坑井傾斜の方向位置を比較的大きく変更することが必要な時には、ドリルを起動して掘削柱構造を変更しなければならない。回転ガイドの掘削システムは、回転盤が掘削柱の回転を駆動し、掘削柱や回転ガイドツールなどが坑井壁面においてローリングし、ローリングの摩擦抵抗は小さい。回転ガイドの掘削システムは、掘削中に、その傾斜形成及び配向の性能を制御し、調整することが可能であり、掘削と共にリアルタイムで、傾斜形成、傾斜増大、傾斜保持、傾斜減少を完成させることができ、かつ、摩擦が小さく、トルクが小さく、掘削スピードは速く、ドリルビットの進行距離が長く、時間当たりの効率が良く、コストは安く、坑井は滑らかで、坑井軌道の制御が容易である。限界掘削深度が１５ｋｍに達することが可能であり、入り組んだ構造の坑井、並びに、沖合坑井関連坑井及び超大偏距坑井（１０ｋｍ）を掘削する、新たな有効手段となる。

一般的に使用される回転ガイド技術には更に２つの種類があり、その１つは指向式ガイドであり、もう１つは押圧式ガイドである。米国企業のＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎが獲得した中国特許ＣＮ１０４６１９９４４Ｂは、指向式ガイドツールを開示しており、これは、モジュール化されたアクチュエータと、ガイドツールと、回転式ガイドによる掘削システムとを提供するものである。モジュール化されたアクチュエータは、ケースの外周部に接続されるための構造を有する筒状部を備える。液圧アキュムレータ（蓄液器）が筒状部の中に置かれ、液圧によって作動するアクチュエータが、摺動するように筒状部内に配置され、作動位置と非作動位置との間で動くことで、アクチュエータがピストン運動を行って駆動軸のスロープ面を選択的に押し出し、掘削柱の方向を変化させる。米国特許出願第ＵＳ２０１４０２０９３８９Ａ１号は、回転ガイドツールを開示しており、これは、非回転体と、偏向回転可能ユニットを含む回転軸とを含むものであり、偏心軸受けの周方向位置を制御することによって偏向回転可能ユニットを偏向回転させ、ひいては、ドリルビットの掘削方向を調整する。米国特許出願第ＵＳ２０１７０１０７７６２Ａ１号は、別種の回転ガイド技術、すなわち押圧式回転ガイド技術を開示しており、これは、掘削ロッドの周囲に配置された押圧部材と、かかる押圧部材を駆動するための液圧駆動システムとを含み、液圧駆動システムは、押圧部材を選択的に駆動して、押圧位置と非押圧位置との間で動かすことができ、押圧位置にある時に、押圧部材は、坑井壁を叩くように押圧することにより、ガイド力を発生させ、かつ掘削の方向を変化させることが可能である。

指向式ガイドと押圧式ガイドはそれぞれの特徴を備えている。一般的に言うと、指向式ガイドの傾斜率は比較的安定しており、掘削圧力及び地層条件から受ける影響が比較的小さいが、その傾斜率の極値は比較的低く、高い傾斜率が必要とされる状況においては要求を満たすことが難しい。これに対して、押圧式ガイドでの傾斜率はむしろあまり安定せず、掘削圧力及び地層条件から受ける影響は比較的大きい。掘削圧力が低くかつ地層の硬度が適切である時には傾斜率が大きくなり、ドリルホールの軌跡を迅速に調整することが可能であるが、軟性の地層に遭遇すると、ガイド能力が明らかに低下する。

最近、混合式のガイドツールを提案した人もいるが、駆動力を提供する駆動方式について、良好な実行形態はまだ得られていない。この他には、坑井内における測定制御の難しさとエネルギー消費問題は同じように非常に重要である。一方で、坑井内の部材が掘削ロッドと共に回転すると、それに対応して部材の測定が困難になるということも無視できない問題であり、どうすればデータ測定が簡単になるかは重要な課題である。他方では、坑井内のエネルギーは主に泥発電によるものであり、坑井内の電子部品の作動を保証する以外にも、ガイド駆動装置が要するエネルギー量を提供することも必要である。どうすれば可能な限り少ない消費電力でガイド駆動を行うかということも、同じく十分に重要なことである。

そのため、従来技術では、制御の難度を低減することが可能であり、かつ傾斜率が大きい、ドリルの回転に伴ってガイド駆動を行う技術が、必要とされている。

上述の問題を解決するために、本出願は、混合式回転ガイド装置であって、
回転軸を含み、前記回転軸は、回転してツールヘッドを駆動し、かつ上軸部、下軸部、及び方向転換可能部を含み、前記上軸部と前記下軸部とは軸方向に離間しており、前記上軸部と前記下軸部とは前記方向転換可能部によって方向転換可能に連結されており、
更に、前記上軸部に取り付けられた少なくとも３つの第１液圧機構と、前記下軸部に取り付けられた少なくとも３つの第２液圧機構とを含み、前記第２液圧機構は、押圧部材を駆動して坑井壁を押圧することでツールヘッドをガイドするよう適合しており、前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とがこのように連結されていることにより、前記第１液圧機構が、前記第２液圧機構を駆動し、ひいては前記押圧部材を駆動することが可能になる、混合式回転ガイド装置を提示している。

好ましくは、前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とは、連結ロッドによって連結されており、前記連結ロッドの両端はそれぞれ、第１液圧機構と前記第２液圧機構にヒンジ連結されている。

好ましくは、前記第１液圧機構は、前記上軸部に配置された第１液圧キャビティと、前記第１液圧キャビティ内に配置された第１ピストンとを含み、前記第１ピストンは、前記連結ロッドの一端を駆動して軸方向に動かすよう適合しており、
前記第２液圧機構は、前記下軸部に配置された第２液圧キャビティと、前記第２液圧キャビティ内に配置された第２ピストンとを含み、前記連結ロッドは、前記押圧部材を駆動してほぼ径方向に動かすよう適合している。

好ましくは、前記第１液圧機構は前記第１液圧キャビティ内に配置された第１スライドブロックを更に含み、前記第１ピストンは前記第１スライドブロックを駆動するよう適合しており、
前記第２液圧機構は前記第２液圧キャビティ内に配置された第２スライドブロックを更に含み、前記第２スライドブロックは前記第２ピストンを駆動するよう適合しており、
前記連結ロッドの一端と前記第１スライドブロックとはヒンジ連結されており、前記連結ロッドの他端と前記第２スライドブロックとがヒンジ連結されている。

好ましくは、前記下軸部に位置を限定するための構造が設けられており、前記位置限定構造は、前記押圧部材の径方向の移動範囲を制限する。

好ましくは、前記方向転換可能部は、全方向伝動部材又は可撓性軸を含む。

本出願により提示されている混合式回転ガイド装置によって、より広い、選択可能な傾斜率範囲を提供することが可能になり、異なる地層による要件が満たされる。それと同時に、混合式ガイドにおける押圧部分について言うと、押圧部分がドリルアセンブリ全体と連動することはない。必要なのは、下軸部に方向転換可能部を取り巻かせて、回転ガイドを行うことだけであり、坑井内でガイドを行うためのエネルギー消費が大いに削減される。

本書の説明の添付図面は、本出願についての更なる理解を提供するためのものであり、本出願の一部分を構成している。本出願の例示的な実施例及びそれらについての説明は、本出願を解説するためのものであり、本出願に対する不当な限定を構成するものではない。

混合式回転ガイド装置に関する、本出願の第１実施例である。

本出願の全体構想をより明確に解説するために、下記では、明細書添付図面により例示されている態様と結びつけて、詳細な説明を行う。なお、本書において、「第１」や「第２」などといった関係を示す用語は、ある実体又は動作と別の実体又は動作とを区別するためにのみ用いられており、必ずしも、かかる実体又は動作同士の間に実際にこのような関係又は順序が存在することが求められる、又は暗示される、ということではない。また、「含む（包括／包含）」という用語、又は他の任意の類似した表現は、開放的な包含も対象とすることを意図しているので、一連のプロセス、方法、物品、若しくは設備を「含む」ことは、かかる要素を含むというだけでなく、明示されていないその他の要素も含むこと、又は、このようなプロセス、方法、物品、若しくは設備に用いられる、固有な要素を更に含むことでもある。更なる制限がない状況においては、「１つを含む（包括一个）」などの語句によって限定される要素は、この要素を含むこと以外に、同一の別の要素が更に含まれることを排除するものではない。

本出願により、油田掘削又はその他の探査掘削という応用場面に関する回転ガイド装置が開示されている。回転ガイド装置と相互関連しているその他のシステム（坑井櫓システム、動力システム、及び信号システムなど）の部材は、公知の技術常識と見なして、本書ではあまり詳細に記述しない。

実施例
図１に示しているように、本実施例は回転ガイド装置を提示しており、当該実施例において、回転ガイド装置は混合式回転ガイドに属するものである。具体的には、当該混合ガイド装置は、回転軸であって、上軸部１と、下軸部２と、方向転換可能部３とを含む回転軸を含む。図１に示しているように、前記上軸部１と前記下軸部２とは軸方向に離間しており、このように離間していることによって、前記下軸部２が前記上軸部１に対して回転するための空間の提供が可能になり、前記上軸部１と前記下軸部２とは、前記方向転換可能部３により、方向転換可能に連結されている。したがって、駆動力が作用している状態では、ツールヘッドＢの下軸部２が連結されていることにより、局所的運動の様態でガイドを行うことが可能になり、ドリルアセンブリ全体を駆動することが不要になる。

図１に示しているように、当該混合ガイド装置は、前記上軸部１に取り付けられた少なくとも３つの第１液圧機構と、前記下軸部に取り付けられた少なくとも３つの第２液圧機構とを更に含み、前記第２液圧機構は、押圧部材８を駆動して坑井壁を押圧することでツールヘッドＢをガイドするよう適合しており、前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とがこのように連結されていることにより、前記第１液圧機構が、前記第２液圧機構を駆動し、ひいては前記押圧部材９を駆動することが可能になる。前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とのかかる連結様態により、第１液圧機構が駆動を行うプロセスにおいて、その駆動力は、一方で、指向式ガイドの作用力を提供しうる。他方では、第１液圧機構の駆動力は、第２液圧機構に動力を提供し、ひいては前記押圧部材９を駆動することも可能である。

掘削プロセスにおいて、前記押圧部材９は、押圧力を提供すること以外に、それと同時にセントラライザー１２と一緒に協働してセントラライザーの役割を果たし、ドリルアセンブリに安定したセンタリング作用力を提供し、保持することも、可能である。特に、ツールヘッドが目下の状態及び方向を保持する必要がある時に、液圧機構は、押圧部材９の各々に同一の作用力を提供し、押圧部材を坑井壁に押し付けることで、ドリルアセンブリの方向を保持すことが可能である。

前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とは、連結ロッド６によって連結されており、前記連結ロッド６の両端はそれぞれ、第１液圧機構と前記第２液圧機構にヒンジ連結されている。連結ロッド６による連結を通じて、前記第１液圧機構の駆動力は、押圧部材９が作用力を提供するように、前記第２液圧機構内へと伝わりうる。また、前記連結ロッド６の両端がそれぞれ第１液圧機構と前記第２液圧機構にヒンジ連結されていることによって、前記下軸部２が、前記上軸部１に対して、ガイド可能な自由度を有するものになる。

前記第１液圧機構は、前記上軸部１に配置された第１液圧キャビティと、前記第１液圧キャビティ内に配置された第１ピストン４とを含み、前記第１ピストン４は、前記連結ロッド６の一端を駆動して軸方向に動かすよう適合している。前記第２液圧機構は、前記下軸部２に配置された第２液圧キャビティと、前記第２液圧キャビティ内に配置された第２ピストン８とを含み、前記連結ロッド６は、前記押圧部材９を駆動してほぼ径方向に動かすよう適合している。

前記第１液圧機構は、前記第１液圧キャビティ内に配置された第１スライドブロック５を更に含み、前記第１ピストン４は前記第１スライドブロック５に当接しており、液圧キャビティ内の液圧により前記第１ピストン４が駆動されて右方向に動く時に、前記第１ピストン４は、前記第１スライドブロック５を駆動して右方向に動かし、ひいては、連結ロッド６を動かしうる。前記第２液圧機構は前記第２液圧キャビティ内に配置された第２スライドブロック７を更に含み、前記第２スライドブロック７は前記第２ピストンを駆動するよう適合している。前記連結ロッド６の一端と前記第１スライドブロック５とはヒンジ連結されており、前記連結ロッド６の他端と前記第２スライドブロック７とがヒンジ連結されている。

図示していない部分では、前記下軸部２に位置を限定するための構造が設けられており、前記位置限定構造は、前記押圧部材の径方向の移動範囲を制限する。前記の位置限定構造により、押圧部材９は、径方向において上限位置と下限位置の両方を有することになり、押圧部材９に駆動力が作用していない時には、押圧部材９は自由状態となり、坑井壁による作用力が、押圧部材９を介して下軸部２に対する反作用力を発生させることにはならない。押圧部材９に駆動力が作用している時には、押圧部材９は外向きに突出して坑井壁に作用し、坑井壁による作用力が下軸部２に対する反作用力を発生させることが可能になる。

図１に示している方向転換可能部は全方向伝動部材であり、前記方向転換可能部が可撓性軸でありうることを、当業者は理解可能である。

図１に示しているように、前記上軸部１には、液圧ユニット１０及び回路収納部１１が更に含まれる。

図１に詳細に示してはいない好ましい実施形態において、ガイド駆動機構は、少なくとも３つの押圧部材９を含み、前記押圧部材９は、前記回転軸の径方向に沿って動いて坑井壁を押圧することにより、前記ツールヘッドの方向を変化させるのに適している。押圧部材９の各々はそれぞれ、前述した液圧駆動機構と駆動連結されている。図１に示している実施形態では、前記押圧部材９は、坑井壁に作用してガイド駆動力を提供すると共に、セントラライザーの役割も担うことも可能である。ピストン４は、スライドブロック５を駆動し、連結ロッド６にスライドブロック７を駆動させ、ひいてはスライドブロック８を駆動させることによって、押圧部材９を駆動する。

前記下軸部２には、前記の押圧部材９の運動範囲を制限するための位置限定構造又は位置限定装置（図示せず）が設けられ、これにより、前記押圧部材９は、限定された範囲内において径方向に運動することが可能になる。ガイド駆動の際に、ピストン８は、押圧部材９を駆動して径方向外向きに動かし、かつ坑井劇を押圧して、ガイド駆動力を発生させる。例を挙げると、前記ガイド駆動機構は、３つの液圧駆動機構と３つの押圧部材９とを有しうる。一方で、３つの液圧駆動機構はそれぞれ、下軸部２と方向転換可能部３との間に一定のねじれを発生させることが可能であり、これら３つにより発生するねじれの総和はすなわち、実際の軸方向駆動のねじれとなる。他方では、３つの押圧部材９が別々に、径方向の作用力を発生させることも可能であり、かかる径方向の作用力も同様に、方向転換可能部３に対するねじれを発生させることが可能であり、方向転換可能部３において作用するねじれの総和が、その時点でのガイド駆動力を形成する。

傾斜率を強めることの非常に有利な点は、本実施例で提供している混合式のガイド駆動が、指向式ガイドと押圧式ガイドの利点の結合を可能にし、かつ、地層特性の傾斜率に対する影響を大幅に除去しうることである。これと同時に、本実施例の駆動構造では、単一の駆動連鎖において発生する軸方向の駆動力と径方向の駆動力によって生じるねじれの方向が一致し、傾斜率はこの両方を重ね合わせたものになることから、より高い傾斜率が提供されうる。他方では、本実施例が提供するガイド駆動では、坑井を押圧する時にドリルアセンブリ全体を押圧することは不要であり、必要なのは下軸部を押圧することだけであり、エネルギー消費の必要性が大幅に低減される。

明細書中の各実施例はいずれも、漸進的に態様を表出しており、各実施例同士の間の同一部分／類似部分は相互参照することが可能であり、実施例のそれぞれで重点的に説明されているのは全て、他の実施例と異なっているところである。特に、システムの実施例について言うと、それが方法の実施例と基本的に類似していることから、比較的簡単に表出されており、相互関連しているところは、方法の実施例を参照して部分的に説明することができる。

上記は本出願の単なる実施例にすぎず、本出願を制限するものではない。当業者から見れば、本出願は、様々な修正及び変更がなされうるものである。本出願の本質及び原理において行われる、あらゆる修正物、均等物、改良物などは全て等しく、本出願の特許請求の範囲内に包含されるべきものである。

Claims (6)

1. 混合式回転ガイド装置であって、
   回転軸を含み、前記回転軸は、回転してツールヘッドを駆動し、かつ上軸部、下軸部、及び方向転換可能部を含み、前記上軸部と前記下軸部とは軸方向に離間しており、前記上軸部と前記下軸部とは前記方向転換可能部によって方向転換可能に連結されており、
   更に、前記上軸部に取り付けられた少なくとも３つの第１液圧機構と、前記下軸部に取り付けられた少なくとも３つの第２液圧機構とを含み、前記第２液圧機構は、押圧部材を駆動して坑井壁を押圧することでツールヘッドをガイドするよう適合しており、前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とがこのように連結されていることにより、前記第１液圧機構が、前記第２液圧機構を駆動し、ひいては前記押圧部材を駆動することが可能になる、
   ことを特徴とする、混合式回転ガイド装置。
2. 前記第１液圧機構と前記第２液圧機構とは、連結ロッドによって連結されており、前記連結ロッドの両端はそれぞれ、第１液圧機構と前記第２液圧機構とにヒンジ連結されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の混合式回転ガイド装置。
3. 前記第１液圧機構は、前記上軸部に配置された第１液圧キャビティと、前記第１液圧キャビティ内に配置された第１ピストンとを含み、前記第１ピストンは、前記連結ロッドの一端を駆動して軸方向に動かすよう適合しており、
   前記第２液圧機構は、前記下軸部に配置された第２液圧キャビティと、前記第２液圧キャビティ内に配置された第２ピストンとを含み、前記連結ロッドは、前記押圧部材を駆動してほぼ径方向に動かすよう適合している、ことを特徴とする、請求項２に記載の混合式回転ガイド装置。
4. 前記第１液圧機構は前記第１液圧キャビティ内に配置された第１スライドブロックを更に含み、前記第１ピストンは前記第１スライドブロックを駆動するよう適合しており、
   前記第２液圧機構は前記第２液圧キャビティ内に配置された第２スライドブロックを更に含み、前記第２スライドブロックは前記第２ピストンを駆動するよう適合しており、
   前記連結ロッドの一端と前記第１スライドブロックとはヒンジ連結されており、前記連結ロッドの他端と前記第２スライドブロックとがヒンジ連結されている、ことを特徴とする、請求項３に記載の混合式回転ガイド装置。
5. 前記下軸部に位置限定構造が設けられており、前記位置限定構造が、前記押圧部材の径方向の移動範囲を制限する、ことを特徴とする、請求項１に記載の混合式回転ガイド装置。
6. 前記方向転換可能部が全方向伝動部材又は可撓性軸を含む、ことを特徴とする、請求項１に記載の混合式回転ガイド装置。

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