JP2020526684A - ロータリーステアラブルデバイス - Google Patents

Abstract

ツールビット（５）を回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部（４）を備える回転軸（１）と、回転軸（１）がツールビット（５）を回転駆動する際に、周方向において回転軸（１）に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体（２）及び第２非回転体（３）と、第１非回転体（２）及び第２非回転体（３）を連結し、第１非回転体（２）と第２非回転体（３）との間の相対方向を変えるように実質的に軸方向に沿う駆動力を発生することにより、ツールビット（５）の方向を変えるのに適するステアリング駆動機構（６）とを備えるロータリーステアラブルデバイス。
【選択図】図１

Description

本願は、掘削探査分野に関し、特に掘削ステアリングを制御するロータリーステアラブルデバイスに関する。

地下に埋蔵されている天然資源を得るためには掘削探査する必要があり、多くの場合では、坑井孔とやぐらとは整列しておらず、ある程度の偏距又は曲がりを形成する必要があり、このように水平偏距や垂直偏距又は他のタイプの複雑な坑井孔を形成するプロセスが方向性掘削と呼ばれる。方向性掘削においてビットの方向を制御するプロセスがステアリングと呼ばれる。現在のステアリング掘削にはスライドモードとロータリーモードとの２種類がある。スライドモードによる掘削時は、ドリルストリングを回転させずに、坑底の動力掘削具（タービン型掘削具、スクリュー型掘削具）でビットを回転させる。スクリュー型掘削具及びドリルストリングの一部とセントラライザーとが坑壁に密着して坑壁を上下に摺動することしかできない。その欠点としては、摩耗抵抗が大きく、有効ビット荷重、トルク及びパワーが小さく、掘削速度が低く、坑跡が螺旋状となって滑らかではなく、清潔ではなく、坑井の品質が悪く、事故が起こりやすいので、しばしばやむをえずにロータリーテーブルを起動して「複合掘削」を採用するが、「複合掘削」には限りがある。スライドモードの限界掘削深度が約４０００ｍ未満である。坑井の傾斜・方位を大きく変えるには、揚管してドリルストリングの構造を変更する必要がある。ロータリーステアラブルシステムは、ロータリーテーブルがドリルストリングを回転駆動し、ドリルストリング及びロータリーステアラブルツールなどが坑壁を転動し、転動時の摩擦抵抗が小さく、ロータリーステアラブルシステムは、掘進中にその傾斜掘削機能と指向掘削機能とを制御調整することができ、傾斜、増角、沿角、減角を掘削とともにリアルタイムに達成することができ、摩耗抵抗が小さく、トルクが小さく、掘削速度が高く、ビット掘削距離が多く、効率が高く、コストが低く、坑井が滑らかで、坑井の軌跡のコントロールが容易である。限界掘削深度が１５ｋｍに達し、複雑構造坑井、沖合坑井及び超大偏距坑井（１０ｋｍ）を掘削する新規な機器である。

一般的に使用されているロータリーステアラブル技術には、指向式ステアラブル技術及び押し付け式ステアラブル技術の２種類がある。米国ハリバートン社が取得した中国登録特許ＣＮ１０４６１９９４４Ｂには、モジュラーアクチュエータ、ステアリングツール及びロータリーステアラブルシステムを提供しており、モジュラーアクチュエータが、ハウジングの外周に結合されるように構成されるカートリッジを備え、流体リザーバがカートリッジ内に収容され、油圧作動式アクチュエータがカートリッジ内にスライド可能に設けられて、作動位置と非作動位置との間で移動することで、アクチュエータピストンが駆動軸の傾斜面を選択的に押圧することによってドリルストリングの方向を変える指向式ステアラブルツールが開示されている。米国特許出願第ＵＳ２０１４０２０９３８９Ａ１号には、非回転体と、偏向可能ユニットを備える回転軸とを備え、偏芯ブッシュの周方向位置を制御することにより偏向可能ユニットを偏向させ、ビットの掘削方向を調整するロータリーステアラブルツールが開示されている。上記の２種のステアラブル技術がいずれも指向式ステアラブル技術に属し、米国特許出願第ＵＳ２０１７０１０７７６２Ａ１号には、ドリルパイプの周囲に設けられた押し付け部材と、これらの押し付け部材を駆動するための油圧駆動システムとを備え、油圧駆動システムは、押し付け位置と非押し付け位置との間での押し付け部材の移動を選択的に駆動することができ、押し付け位置では押し付け部材が坑壁を叩くように押し付けてステアリング力を発生させて掘削方向を変えることができる他種類のロータリーステアラブル技術である押し付け式ロータリーステアラブル技術が開示されている。

指向式ステアラブル技術及び押し付け式ステアラブル技術にはそれぞれの特徴があり、一般的には、指向式ステアラブル技術の傾斜増角率が安定しており、ビット荷重及び地層条件に影響されることが少ないが、その傾斜増角率の極値が低く、高い傾斜増角率が必要な場合に要求を満たすことができず、これに対し、押し付け式ステアラブル技術の傾斜増角率があまり安定しておらず、ビット荷重及び地層条件に大きく影響され、ビット荷重が低くて地層の硬度が適切である場合に、傾斜増角率が大きく、坑井の軌跡を迅速に調整できるが、非常に軟質の地層ではステアリング能力の低下が顕著となる。

それに、坑内の測定制御の難しさ及びエネルギー消費問題は、同様に非常に重要であり、坑内の部材がドリルパイプとともに回転する際に、対応する部材の測定が困難となることは無視できない問題であり、データ測定をいかに簡単にするかは重要な課題となる一方、坑内のエネルギーは主に泥水発電に由来し、坑内の電気部品の作動を確保するとともに、ステアリング駆動装置に必要なエネルギーを供給する必要があり、どのようにしてできる限り低い消費電力でステアリング駆動を提供するかも同様に非常に重要である。

したがって、従来技術では、制御の難しさを低減でき、高い傾斜増角率が得られる、掘進中に用いるロータリーステアラブル技術を必要とする。

上記の問題を解決するために、本願は、
ツールビットを回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部を備える回転軸と、
回転軸がツールビットを回転駆動する際に、周方向において回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体及び第２非回転体と、
第１非回転体及び第２非回転体を連結し、第１非回転体と第２非回転体との間の相対方向を変えるように実質的に軸方向に沿う駆動力を発生することにより、ツールビットの方向を変えるのに適するステアリング駆動機構とを備えるロータリーステアラブルデバイスを提供する。

さらに、偏向可能部は、ユニバーサル伝動部材又はフレキシブルシャフトを備える。

さらに、ステアリング駆動機構は、周方向に等間隔で配置されている少なくとも３つの油圧駆動機構を備える。

さらに、ステアリング駆動機構はさらに、第１非回転体と第２非回転体との間の相対方向を変えるように実質的に径方向に沿う駆動力を発生することにより、ツールビットの方向を変えるのに適する。

さらに、ステアリング駆動機構は、回転軸の径方向に沿って移動して坑壁を押し付けることによってツールビットの方向を変えるのに適する少なくとも３つの押し付け部材を備える。

さらに、ステアリング駆動機構は、第１非回転体内に設けられた第１ピストンシリンダと、第２非回転体内に設けられた第２ピストンシリンダとを備え、第１ピストンシリンダと第２ピストンシリンダとが連結ロッドを介して連結され、第２ピストンシリンダが押し付け部材を移動駆動するのに適する。

さらに、連結ロッドが第１ピストンシリンダ及び第２ピストンシリンダとそれぞれヒンジ連結され、第２ピストンシリンダの一端が連結ロッドと連結され、第２ピストンシリンダの他端が押し付け部材と連結される。

他の様態では、本願はさらに、ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスを提供しており、ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスは、
ツールビットを回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部を備える回転軸と、
回転軸がツールビットを回転駆動する際に、周方向において回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体及び第２非回転体とを備え、
第１非回転体及び第２非回転体内にピストンシリンダがそれぞれ設けられており、第１非回転体及び第２非回転体内のピストンが連結ロッドの両端とそれぞれヒンジ連結され、第２ピストンシリンダが、押し付け部材が第１位置と第２位置との間で移動するように押し付け部材を駆動するのに適し、第２位置では、各押し付け部材が坑壁を押し付ける合力から第１ステアリング力が発生し、各連結ロッドが第２非回転体に作用する合力から第２ステアリング力が発生する。

本願に係るロータリーステアラブルデバイスにより、制御システムの測定制御の難しさを低減させることができ、力付与部材が通常の油圧駆動を用いればよく、方向制御では、ドリルパイプの回転から独立してビットの方向を制御案内することができる一方、本願に係る２つの非回転体によるステアラブルデバイスにより、ハイブリッドステアリングモードでは、より大きな選択可能な傾斜増角率の範囲を提供し、異なる地層の要求を満たすことができる。

ここで説明する図面は本願をよりよく理解するために提供され、本願の一部を構成する。本願の例示的実施例及びその説明は本願を説明するためのものであり、本願を不当に限定するものではない。

は本願の第１実施例に係るロータリーステアラブルデバイスである。 は本願の第２実施例に係るロータリーステアラブルデバイスである。

本願の全体的な構想をより明確に説明するために、以下、明細書の図面を参照して例示的に詳細に説明する。なお、この明細書では、「第１」及び「第２」などのような関係用語は、１つの実体又は操作を他の実体又は操作と区別するためのものに過ぎないので、これらの実体又は操作の間にそのような実際の関係若しくは順序が存在することを必ずしも要求又は示唆するわけではない。さらに、用語「備える」、「含む」又は他の任意の類似する記載は、非排他的な包含をカバーするように意図しており、これによって、一連の要素を含むプロセス、方法、物品又はデバイスは、単にこれらの要素を含むだけでなく、明示的に挙げられていない他の要素も含み、又はそのようなプロセス、方法、物品又はデバイスに固有される要素も含む。これ以上に制限がない場合に、「…を備える」という文言などによって限定される要素は、前記要素を含むことに加えて、他の同じ要素を含むことを排除するものではない。

本願に開示されているロータリーステアラブルデバイスは油田掘削又は他の探査掘削の適用性に関し、やぐらシステム、動力システム及び信号システムのようなロータリーステアラブルデバイスに関連する他のシステム部品が周知であるため、ここではその説明を省略する。

第１実施例
図１に示すように、本実施例はロータリーステアラブルデバイスを提供しており、該実施例において、ロータリーステアラブルデバイスは全体的に指向式ロータリーステアラブル技術に属し、具体的には、該ステアラブルデバイスは、一端が動力システムに連結され、他端がツールビット５に連結される回転軸１を備え、回転軸１がツールビット５を回転駆動して地層への掘削を実現し、掘削中において、上部セントラライザー９が下部セントラライザー８とともに掘削編成のために安定性を維持してオフセットを減少する作用力を提供する。回転軸１は少なくとも１つの偏向可能部４を備え、回転駆動中に偏向可能部４がトルクを伝達することができるほか、該偏向可能部４がツールビットのステアリングに条件を提供し、具体的には、偏向可能部４が回転軸１に対して所定のテーパ角の範囲内に偏向自由度を提供することができ、該テーパ角の大きさがステアラブルデバイスの傾斜増角率により決まり、傾斜増角率が大きければ大きいほど、偏向可能部４の可動するテーパ角の範囲が大きくなる。

ステアラブルデバイスはさらに、回転軸１がツールビット５を回転駆動する際に、周方向において回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体２及び第２非回転体３を備える。第１非回転体２及び第２非回転体３がそれぞれ軸受１０及び軸受１１を介して回転軸１に取り付けられ、回転軸１が回転する際に、第１非回転体２及び第２非回転体３が実質的に周方向に静止しており、厳密に言えば、回転軸１の微小な摩擦力に駆動されて、第１非回転体２及び第２非回転体３が低い速度で回転する。

ステアラブルデバイスはさらに、第１非回転体２及び第２非回転体３を連結し、第１非回転体２と第２非回転体３との間の相対方向を変えるように実質的に軸方向に沿う駆動力を発生することにより、ツールビットの方向を変えるのに適するステアリング駆動機構６を備える。図１に示すように、第１非回転体２及び第２非回転体３が偏向可能部４の両側にそれぞれ配置され、ロータリーステアリングの時に、ステアリング駆動機構６が偏向可能部４の左側の第１非回転体２を向きとして軸方向駆動力を出力し、該軸方向駆動力と回転軸１の軸線とが重ならない場合に、該軸方向駆動力が第２非回転体３から偏向可能部４の右側の軸に伝達されることにより、偏向可能部４を支点とするトルクを発生することができ、ロータリーステアリングを実現する。

図１に示される実施形態では、偏向可能部４はユニバーサル伝動部材の様態として実現され、該ユニバーサル伝動部材が２つの非回転体のほぼ中間位置に位置する。当業者であれば、偏向可能部４はさらに、回転軸１の一部をフレキシブルシャフトとして設けるような他の様態として実現されてもよいことを理解されるべきであろう。

図１に詳細に示されていない好ましい実施形態において、ステアリング駆動機構は、周方向に等間隔で配置されている少なくとも３つの油圧駆動機構６を備える。各油圧駆動機構６は、連結ロッド６−１と、スライダ６−２と、ピストン６−３と、油室６−４とをそれぞれ備え、油室６−４内の液体がピストン６−４を移動駆動することによってスライダ６−２及び連結ロッド６−１を移動駆動し、連結ロッド６−１の左側がスライダ６−２とヒンジ連結され、連結ロッド６−１の右側が第２非回転体３とヒンジ連結される。第１非回転体２内には油圧ユニット７及び回路室１１をさらに備える。

軸方向に沿う駆動力は、少なくとも３つの油圧駆動機構６の合力から発生されるものであり、例えば、ステアリング駆動機構は、それぞれ１２０度離間する３つの油圧駆動機構６を備え、３つの油圧駆動機構６の駆動力が０〜Ｆの間に任意に変化することができ、三者それぞれが第２非回転体３に、偏向可能部４に対して、回転軸の横断面における方向が０〜３６０度である所定のトルクを発生させることができ、三者が発生するトルクの合計が実際のステアリング駆動トルクとなることは理解されるべきである。ステアリング中に、第１非回転体２及び第２非回転体３が共に駆動軸に対して実質的に非回転となるので、両者に対するデータ測定に利便性を提供している。

第２実施例
図２に示すように、好ましい実施形態として、第２実施例はハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスを提供しており、第１実施例とは異なるのは、ステアリング駆動機構６はさらに、第１非回転体と第２非回転体との間の相対方向を変えるように実質的に径方向に沿う駆動力を発生することにより、ツールビットの方向を変えるのに適する。

図２に詳細に示されていない好ましい実施形態において、ステアリング駆動機構は、回転軸の径方向に沿って移動して坑壁を押し付けることによってツールビットの方向を変えるのに適する少なくとも３つの押し付け部材８を備える。各押し付け部材が油圧駆動機構とそれぞれ駆動連結される。図２に示される実施形態において、押し付け部材８が坑壁に作用してステアリング駆動力を提供するとともにセントラライザーの役割を果たすこともできる。ステアリング駆動機構は、第１非回転体２内に設けられた第１ピストンシリンダと、第２非回転体３内に設けられた第２ピストンシリンダとを備え、第１ピストンシリンダと第２ピストンシリンダとが連結ロッド６−１を介して連結され、第２ピストンシリンダが押し付け部材を移動駆動するのに適する。連結ロッド６−１が第１ピストンシリンダ及び第２ピストンシリンダとそれぞれヒンジ連結され、第２ピストンシリンダの一端が連結ロッド６−１と連結され、第２ピストンシリンダの他端が押し付け部材８と連結される。具体的には、第２非回転体３内に第２ピストンシリンダが設けられており、第２ピストンシリンダのピストン６−６が押し付け部材８を駆動するために用いられ、第２非回転体３には、押し付け部材８の可動範囲を規制するための位置規制構造又は位置規制装置（図示せず）が設けられていることで、押し付け部材８が所定の範囲内で径方向に可動できる。ステアリング駆動時に、油圧によりピストン６−３を移動駆動することによってスライダ６−２及び連結ロッド６−１を移動させ、連結ロッド６−１がスライダ６−５を移動させることによってピストン６−６を押動し、ピストン６−６が押し付け部材８を径方向に外方に移動駆動して、坑壁を押し付けて、ステアリング駆動力を発生させる。例えば、ステアリング駆動機構は３つの油圧駆動機構６及び３つの押し付け部材８を有し、３つの油圧駆動機構６はそれぞれ、第２非回転体３に、偏向可能部４に対して所定のトルクを発生させることができ、三者が発生するトルクの合計が実際の軸方向駆動トルクとなる一方、３つの押し付け部材もそれぞれ径方向の作用力を発生させることができ、これらの径方向作用力が偏向可能部４に対するトルクを同様に発生させることができ、偏向可能部４に作用するトルクの合計が現在のステアリング駆動力を形成する。

この実施例によるハイブリッド式ステアリング駆動は、指向式ステアラブル技術及び押し付け式ステアラブル技術の利点を組み合わせるとともに、地層の特性による傾斜増角率への影響を大幅に削減することができるとともに、この実施例の駆動構造は、単一の駆動系において発生する軸方向駆動力及び径方向駆動力によるトルクの方向が一致しており、傾斜増角率が両者の合わせであるので、より高い傾斜増角率を提供することができるという点で、傾斜増角率の向上に非常に有利である。

他の様態では、本願はさらに、ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスを提供しており、ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスは、
ツールビットを回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部を備える回転軸と、
回転軸がツールビットを回転駆動する際に、周方向において回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体及び第２非回転体とを備え、
第１非回転体及び第２非回転体内にピストンシリンダがそれぞれ設けられており、第１非回転体及び第２非回転体内のピストンが連結ロッドの両端とそれぞれヒンジ連結され、第２ピストンシリンダが、押し付け部材が第１位置と第２位置との間で移動するように押し付け部材を駆動するのに適し、第２位置では、各押し付け部材が坑壁を押し付ける合力から第１ステアリング力が発生し、各連結ロッドが第２非回転体に作用する合力から第２ステアリング力が発生する。

本願に係るロータリーステアラブルデバイスにより、制御システムの測定制御の難しさを低減させることができ、力付与部材が通常の油圧駆動を用いればよく、方向制御では、ドリルパイプの回転から独立してビットの方向を制御案内することができる一方、本願に係る２つの非回転体によるステアラブルデバイスにより、ハイブリッドステアリングモードでは、より大きな選択可能な傾斜増角率の範囲を提供し、異なる地層の要求を満たすことができる。

明細書における各実施例は、漸進的に記載されており、各実施例は、他の実施例との相違点について重点的に説明し、各実施例の間の同じ又は類似する部分について、互いに参照すればよい。特に、システムの実施例は、方法の実施例と大体類似しているため、その説明は比較的簡単であり、関連する説明は、方法の実施例の一部の説明を参照すればよい。

以上は本願の実施例にすぎず、本願を限定するものではない。当業者であれば、本願に対して様々な変更や変形を行うことができる。本願の精神及び原則から逸脱しない限り行われたすべての修正、同等な置き換え、改良などは、いずれも本願の特許請求の範囲に含まれるべきである。

１：回転軸
２：第１非回転体
３：第２非回転体
４：偏向可能部
５：ツールビット
６：ステアリング駆動機構
６−１：連結ロッド
６−２：スライダ
６−３：ピストン
６−４：油室
７：油圧ユニット
８：下部セントラライザー
９：上部セントラライザー
１０：軸受
１１：軸受

Claims (8)

1. ツールビットを回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部を備える回転軸と、
   前記回転軸が前記ツールビットを回転駆動する際に、周方向において前記回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体及び第２非回転体と、
   前記第１非回転体及び前記第２非回転体を連結し、前記第１非回転体と前記第２非回転体との間の相対方向を変えるように実質的に軸方向に沿う駆動力を発生することにより、前記ツールビットの方向を変えるのに適するステアリング駆動機構とを備えることを特徴とする、ロータリーステアラブルデバイス。
2. 前記偏向可能部は、ユニバーサル伝動部材又はフレキシブルシャフトを備えることを特徴とする、請求項１に記載のロータリーステアラブルデバイス。
3. 前記ステアリング駆動機構は、周方向に等間隔で配置されている少なくとも３つの油圧駆動機構を備えることを特徴とする、請求項１に記載のロータリーステアラブルデバイス。
4. 前記ステアリング駆動機構はさらに、前記第１非回転体と前記第２非回転体との間の相対方向を変えるように実質的に径方向に沿う駆動力を発生することにより、前記ツールビットの方向を変えるのに適することを特徴とする、請求項１に記載のロータリーステアラブルデバイス。
5. 前記ステアリング駆動機構は、前記回転軸の径方向に沿って移動して坑壁を押し付けることによって前記ツールビットの方向を変えるのに適する少なくとも３つの押し付け部材を備えることを特徴とする、請求項４に記載のロータリーステアラブルデバイス。
6. 前記ステアリング駆動機構は、前記第１非回転体内に設けられた第１ピストンシリンダと、前記第２非回転体内に設けられた第２ピストンシリンダとを備え、前記第１ピストンシリンダと前記第２ピストンシリンダとが連結ロッドを介して連結され、前記第２ピストンシリンダが前記押し付け部材を移動駆動するのに適することを特徴とする、請求項５に記載のロータリーステアラブルデバイス。
7. 前記連結ロッドが前記第１ピストンシリンダ及び前記第２ピストンシリンダとそれぞれヒンジ連結され、前記第２ピストンシリンダの一端が前記連結ロッドと連結され、前記第２ピストンシリンダの他端が前記押し付け部材と連結されることを特徴とする、請求項６に記載のロータリーステアラブルデバイス。
8. ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイスであって、
   ツールビットを回転駆動し、少なくとも１つの偏向可能部を備える回転軸と、
   前記回転軸が前記ツールビットを回転駆動する際に、周方向において前記回転軸に対して実質的に非回転状態となっている第１非回転体及び第２非回転体とを備え、
   前記第１非回転体及び前記第２非回転体内にピストンシリンダがそれぞれ設けられており、前記第１非回転体及び前記第２非回転体内のピストンが連結ロッドの両端とそれぞれヒンジ連結され、前記第２ピストンシリンダが、押し付け部材が第１位置と第２位置との間で移動するように前記押し付け部材を駆動するのに適し、前記第２位置では、各前記押し付け部材が坑壁を押し付ける合力から第１ステアリング力が発生し、各連結ロッドが第２非回転体に作用する合力から第２ステアリング力が発生することを特徴とする、ハイブリッド式ロータリーステアラブルデバイス。

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