JP2758614B2 - ドリル・ストリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、炭化水素坑井の掘削に関し、そして特に、
水平部分、又は垂直から実質的な角度をなす部分を有す
る坑井掘削の分野における新領域に関する。石油技術者
は、１つの掘削及び生産プラットフォームが大領域を開
発するために使用される沖合操業、又は他の状況におい
て、特別な貯蔵所条件が坑井を必要とするために、これ
らの坑井を使用し、費用を低く抑えた。

発明の先行技術と背景 発明は、主に、傾斜又は変更掘削の分野に適用され
る。さらに具体的には、発明はまた、そのような技術に
おいて使用される如く、ダウンホール・モーターに関す
る使用のために適用される。これらの分野、即ち傾斜掘
削とダウンホール・モーターは、各々、独自に十分に開
発され、このためその応用に関して発明の部分を形成す
るが、発明自体の部分ではない。

さらに具体的には、本発明は、水平又は高度に偏向し
た部分に対して、垂直な坑井の発端から曲がりを作成す
るドリル・ストリング部材に関する。これを達成するた
めに公知の先行技術のドリル部材と技術があるが、これ
らの技術の総ては、本発明によって克服される多数の不
都合を有する。不都合の中には、高度に特殊かつ高価な
装置を使用することなしに、比較的短半径においてその
ような曲がりを作成することが、今まで公知でなかった
ことがある。従来の掘削及び偏向掘削は、両方共、表面
においてパイプの接合部を付加することにより、ドリル
・ストリングを長くすることに依存する。寿命を短縮す
る傾向がある傾斜掘削において、ドリル・パイプにおけ
る非常に増大された応力のために、先行技術の掘削技術
におけるそのような曲がりは、常に、比較的緩やかな曲
がりを生成する比較的長半径において作成される。これ
らの曲がりは、掘削時間と装置において「高価」であ
り、制御が容易ではなく、そして技術における熟練者に
は非常に公知の多数の他の不都合を有する。

こうして、本発明は、比較的柔軟なドリル・ストリン
グ部材を提供し、特に、制限的ではないがダウンホール
・モーターでの使用と、掘削間測定（MWD）技術に関す
る使用のために適合される。発明は、比較的低費用にお
いて、高度に有効な方法により、傾斜掘削とMWD技術の
利点の最大使用を許容し、非常に短半径のせん孔におい
て曲がりの作成を許容し、同時に先行技術の不都合の総
てを克服する。

発明の要約と利点 発明は、外側表面において螺旋形を使用する。この思
想は、一般に、技術において公知である。例えば、先行
のFoxへの米国特許第２、999、552号と、ChanceとKoven
skyへの米国特許第４、460、202号（本発明と同一所
有）を参照せよ。しかし、螺旋形は、以下にさらに議論
される如く、新しい方法と新しい思考により使用され
る。

さらに、ランド外径から部材内径に測定された本体の
壁厚の少なくとも40％、好ましくは、その55％乃至85％
の範囲における発明の螺旋形溝付けの比較的大きな深さ
により、そして他の因子により、発明により作成された
部材は、ドリル・カラー、重量ドリル部材、ChanceとKo
venskyの特許第４、460、202号の部材、及びドリル・パ
イプの間の特殊重量範囲にあてはまる。発明は、同時
に、ドリル・パイプとドリル・カラーの両方の利点を維
持し、泥水からの実質的な内部圧力を含みながら動作
し、かつ応力、圧縮、捩り、曲げ、そして傾斜掘りの厳
密さによって要求される如く、ドリル・ストリングの性
能に関して非常に要求されるこれらの力の総ての組み合
わせにおいて動作する。

螺旋形溝付けのために、発明は、特徴の有益な効果を
先行技術と共有し、そして幾つかの場合に、これらの利
点を高める。螺旋形溝付けは、発明の部材の表面におけ
る領域が、他のそのような領域に関する差分的な方式で
ボアホールと接触しないことを保証しようとする。これ
は、発明のドリル・ストリング部材が、ボアホールに固
着する傾向がないことを意味する。別の利点は、好まし
くは右旋性の螺旋形が、実際、底部がモーメントに垂直
又は水平に整列されたとしても、ビットを穴の「底部」
に「ねじ込む」ことである。この「ねじ込み（screwing
down）」効果は、ドリル・ストリングの重量によって
作成されたビットにおける標準圧力が、ドリル・ストリ
ングが垂直から偏向される時、そして特にボアホールが
傾斜において水平である時、最小化されるために、傾斜
掘りの発明の環境において特に重要である。

発明のさらに別の利点は、螺旋形が、泥水を激しくか
きまわす傾向があり、これは、掘削作業全体の効率を高
めるということである。再び、重力が泥と浮遊した掘削
の削りを穴の底部において収集させる傾向があり、これ
は、泥がかきまわされ、かつ穴から流出するのでないな
らば、問題をさらに悪化させるために、偏向及び水平穴
において特に重要である。

関連した利点は、掻き混ぜが、ボアホール壁において
一様の厚さの泥のケークを保持する傾向があり、これに
より汚染物質が生産形成に押し出されるのを防止するこ
とである。

発明のドリル・ストリング部材を支持する基礎の工学
は、従来のドリル・ストリング部材の設計と建造におい
て使用されたものとかなり異なるアプローチに基づく。
従来のドリル・ストリング部材、特にドリル・カラーと
重量ドリル・パイプの如く、大形重量部材に関連した実
質的な経費のために、これらの部材は、反復された再使
用のために設計され、こうして比較的厚い壁から作成さ
れ、かつ一般に重くかつ強い。多分30又は40回以上も従
来のドリル・カラーの再使用を期待することができ、こ
れは、先行技術において非常に経済的である。しかし、
そのような従来の部材はまた、非常に硬直であり、傾斜
掘りにおいて使用されるドリル・ストリングから必要さ
れた柔軟な品質とは正反対である。

発明のアプローチは、機械的特性の最大限界において
機能する如く、ドリル・ストリング部材を設計すること
である。再使用は、柔軟性に対して「売買される」。即
ち、発明を使用する部材は、多分６又は８又は10又はそ
れ以上再使用され、そして幾つかの曲げ半径に対して、
多分より少ない回数再使用されることが予期される。し
かし、これらの発明部材は、曲げ、小半径の作成等に関
してずっと良好に機能することができる。発明を使用す
る部材は、従来の他のドリル・ストリング部材に一般に
見られる如く、スリップ又はエレベータ領域（slip or
elevator areas）を有さない。さらに、工具接合部
は、制限された再使用のみが予期されるために、工具接
合部の反復された再仕上げが必要とされず、新しい従来
のドリル・ストリング部材に比較して短い。

これを別な方式で見てみると、発明の教えは、ランド
外径から部材内径に測定された本体の壁厚の少なくとも
40％、そして好ましくはその55％乃至85％の範囲におい
て、螺旋形溝領域における最適量の金属を除去すること
が望ましいということであり、そのため、ランドと溝の
間に適度な応力平衡を提供し、これによりそのように溝
付けされた発明の部材の受容される使用寿命を提供す
る。これは、最大限界の設計に関して、上記の議論の別
の見地である。それは、従来のドリル・ストリング部材
の設計と製造に適用された工学原理に完全に反対であ
る。先行技術のドリル・ストリング部材は、大きな安全
因子とずっと大きな「過多」を有し、即ち、それらは、
重く、強力で、剛性であるように設計され、そして多く
の再使用のために、かつ一般原則として、総ての部品に
おいてより多くの金属を使用する。

スリップ及びエレベータ領域の不在は、工具接合部領
域への螺旋形溝の優しい「フェザリング」を許容し、ス
リップ又はエレベータ領域において発生する如く、応力
と歪みを集中させるよりも、ドリル・ストリング部材の
全体にわたってそれらをより均等に広げることにより、
発明の部材の寿命を長くする。

上記の如く、傾斜掘りにおいて、発明のドリル・スト
リング部材を含むドリル・ストリング部材は、あらゆる
可能な種類の周期的応力、張力、圧縮、捩れ、及び曲げ
にさらされる。曲げの回りでは、ドリル・ストリング部
材は、これらの力の総てに同時にさらされる。最終的に
故障を引き起こすのは、主に周期的な曲げ引っ張り応力
であることが見いだされた。発明の教えは、溝付けが、
使用寿命を達成しながら、できる限りの深さ、即ち、ラ
ンド外径から部材内径に測定された本体の壁厚の少なく
とも40％、好ましくは、その55％乃至85％の範囲におい
て実施されることを必要とする。

発明のオプションの特徴は、溝を圧縮応力にさらすこ
とであり、螺旋形溝の底部におけるドリル・ストリング
部材の寿命をランドにおける発明のドリル・ストリング
部材の寿命にほぼ等しくさせる。このオプションの特徴
は、ショットピーニング、浸炭、又は他の公知の技術に
よって溝に置かれる。

発明の別の重要な見地は、リグ、発明が使用されるあ
らゆる種類の従来のドリル・ストリング部材、傾斜掘り
技術、及びMWD技術を含む、全先行技術の従来の掘削技
術と完全に両立的であることである。これは、発明の重
要な利点である。掘削技術における多数の他の提案され
た改良は、従来の技術の完全に新しい又は少なくとも相
当に実質的な改定を必要とする。これは、実現するため
に困難かつ高価であり、確定技術で満足している分野の
人々の側に反対を生み、そのため全体の本システム及び
同等物を廃棄することに積極的でない。欠点の総ては、
克服されるか、又は本発明には存在せず、発明は、完全
に現存技術に両立的である。

発明は、そのような技術と両立的であるだけでなく、
また、発明の先行の技術の両方から最良の利点を得るた
めに、協同する。例えば、下方穴モーター駆動ビットが
曲げの回りを進む時、技術は、ドリル・ストリングの回
転動作が存在又は不在であることを必要とする。そのよ
うな回転がない場合、これは、発明のドリル・ストリン
グ部材に対する付加的な利点であり、その時点において
余分の周期的な回転応力にさらされず、単に曲げ応力に
さらされる。同様に、下方穴モーターは、下方穴モータ
ー駆動ビットが直線において掘削する間、直線の方向
（垂直、水平、又はそれらの間）に拘わらず、ドリル・
ストリングが回転することを必要とする。しかし、発明
における使用のために、ドリル・ストリングは、表面に
おけるリグがそれを回転させると同程度に低速に回転す
る。こうして、再び、ドリル・ストリングが低速に回転
されればされるほど、発明のドリル・ストリング部材か
ら引き出された寿命のサイクル数は小さくなるために、
協同効果がある。

協同効果の別の因子は、発明が、非鉄金属から作成さ
れたドリル・ストリング部材に関する使用に向いている
ということである。MWD技術は、ビットの次のドリル・
ストリングの最初の長さが少し非鉄であることを必要と
し、その結果形成データが集積され、そしてMWD工具に
よって生成されたデータは、下方穴モーターを制御する
ために、表面に明確に戻される。発明は、この点におい
てオプションを提供する、即ち、発明の部材は、非鉄金
属から作成される。

こうして、発明は協同するだけでなく、また従来の技
術と発明の教えの間に協同性効果があり、最大全体効率
を達成し、かつ両方の利点を高める。

泥ケークは、掘削における重大な問題であり、そして
偏向及び水平穴における特に重大な問題である。掘削泥
は、潤滑のために坑井を通ってポンプで揚げられた粘性
の流体であり、掘削チップを表面に運び上げ、そして下
方穴モーターのために、動力伝達媒体として作用する。
この泥は、穴に集積する傾向があり、そして摩擦と数量
を増大させ、そして一般に、泥で厚く覆われることを許
容されるならば、全体掘削動作の効率に有害な効果を有
する。事実、極端において、泥ケークは、ドリル・パイ
プの固着を引き起こし、克服するために非常に高価な問
題である。総ての螺旋形ドリル・ストリング部材は、ケ
ークの蓄積を防止するために、泥をかきまわす際にある
効果を有する。しかし、本発明は、比較的大量の溝付き
領域が、対応する少量のランド領域を生成するために、
螺旋形ドリル・ストリング部材の固有の利点を高める。
こうして、泥がドリル・ストリングの回りを移動するた
めにより多くの余地があり、そして掻き混ぜ効果は、一
般に高められる。少量のランドが壁に接触すると、かき
まぜられた泥が移動するより多くの溝付き領域があり、
こうして掻き混ぜの効率は増大される。

類似な利点は、差分的な固着を処理することである。
差分的固着は、他方の側における圧力とは異なるパイプ
の一方の側における圧力によって作成された現象であ
り、圧力におけるこの差は、パイプを坑井の壁に固着さ
せ、そして偏向又は水平行程の場合には、重力に関して
下側に固着させる。本発明において、他の螺旋形ドリル
部材と共通に、この欠点は、溝の比較的大きな全体領域
が、他の螺旋形ドリル・ストリング部材の場合よりも、
より有効な方法により、発明の部材の下側に静水力を到
達させるために、改良された方法により克服される。こ
うして、発明は、総ての螺旋形ドリル・ストリング部材
に存在する差分的固着に関して固有の有益な効果を改良
する。

こうして、これらの２つの特徴に関して全体として、
削りを除去する効率は、高められ、ポンプは、同量の坑
井削りをポンプで排出するためにより少しのエネルギー
を費やし、ドリル・ストリングを回転させるために必要
とされたトルクは、減少され、抗力は減少され、そして
全体として、掘削作業の効率は、ドリル・ストリングに
おける発明のドリル・ストリング部材の存在により改良
される。

発明が、坑井掘削において使用されるドリル・ストリ
ング部材の環境に対して開発されたが、発明は、その方
式に制限されない。例えば、発明の技術は、衝撃サブ
（shock sub）、即ち、硬い又は不規則な形成を掘削す
る時、ビットがさらされる衝撃を弱めるために使用され
たドリル・ストリングと掘削ビットの間のドリル・スト
リングの終端に置かれた装置において使用される。これ
は、下方モーター駆動ビットを使用する高度に偏向又は
傾斜した掘削の発明の主要環境と共に、従来の回転掘削
の環境である。

油田の領域の完全に外部で、発明は、自動車、トラッ
ク、又は鉄道車両の如く、車両において使用されるトー
ションバーの製作における如く、他の領域において使用
される。

こうして、発明は、傾斜及び水平掘削のために設計さ
れた螺旋形中重量ドリル・ストリング部材を提供し、張
力、圧縮、曲げ、捩れ、掘削流体及び使用における同等
物からの内部圧力に高度に耐性がある。発明の部材は、
最大特性と、高度に改良された方法によるが、縮小数の
耐久サイクルに対し、機能するように設計される。特徴
の組み合わせは、特に、傾斜掘削環境のために適合され
る。別な方式で見ると、発明のドリル・ストリング部材
は、重量のある壁付きドリル・パイプの品質に接近する
伸縮性品質を有し、同時に薄い壁付き管の品質よりも優
れたたわみ品質を有する。

従って、発明により、先行技術における多数の欠点を
克服する改良されたドリル・ストリング部材が提供さ
れ、傾斜掘りの過酷さに特に適合され、環境の工学要求
に特に適し、従来の総ての油田掘削技術、手順、及び現
在使用される装置と十分に協同することができ、そして
意図された目的のために非常に都合が良くかつ実際的で
ある。

発明の上記と他の利点は、次の詳細な説明、特許請求
の範囲、及びこの開示の一部を形成する添付の図面にお
いて、指摘され、又は明らかになるであろう。

好ましい実施態様の詳細な説明 今第１図を参照すると、直角において曲がり12を有
し、かつ半径Ｒ′によって規定された坑井又はボアホー
ル10が示される。第１図は、傾斜坑井の最も厳しい場合
を示し、即ち、この場合坑井は、長さＸ′を有する垂直
セクションと、500フィート以上の次元における水平セ
クションとから作成される。もちろん、発明は、坑井を
掘削するために使用され、この場合曲がり12は、90度以
上、例えば120度である。

傾斜掘削の現技術において、半径Ｒ′は、通常500フ
ィートの次元である。本発明は、50−100フィートの範
囲の半径においてそのような曲がりを作成することがで
きることが予期され、そして発明の一層の発展により、
25−50フィートの次元におけるさらに鋭い曲がりが可能
であることが予期される。

100−500フィートの範囲における曲がりに対して、現
技術は、「あいまいな」領域にある。500フィートを超
えると、現技術は、本発明よりも使用がより経済的にな
る。こうして、本発明に対する動作の論理的範囲と領域
は、総て500フィートよりも小さな半径であり、そして2
5フィートの短い半径が予期される。

今、第２図と第３図を参照すると、螺旋形が提供され
る方法を除いて、互いに類似する２つのドリル・ストリ
ング部材が示される。

第３図と第４図に示された発明の部材14の多様な部品
は、「Ａ」に従われた同一参照番号により、第２図にお
いて示される。

部材14と14Aは、総ての点において互いに類似してい
るが、第２図と第３図から明らかな如く、螺旋形が作成
される方法に関して異なる。両方の部材14と14Aは、約1
5フィートの長さであり、それらは両方、ドリル・カラ
ーから旋削され（第一開始ドリル・カラーが両方の場合
において使用される）、そして各々は、箱端部工具接合
16と16Aと、ピン端部工具接合18と18Aとを提供される。
これらの工具接合端部16と18は、通常の新工具接合より
も短いことを除いて、従来通りである。短さを除いて、
接合16と18は標準であり、ピンと呼ばれる雄端部18は、
箱と呼ばれる雌端部16にねじ込められ、所望の長さのド
リル・ストリング部材を作成するために、ドリル・スト
リング部材の端部対端部を一緒に連結する。接合16と18
は、他の総ての従来の部材における類似の工具接合と嵌
合し、その結果発明の部材は、総ての標準ドリル・スト
リング部材と総ての種類の装置と協同する。

第２図のバージョンは、旋削された薄いセクション22
によって分離された一連の比較的短い螺旋形セクション
20を有する。セクション22は、使用可能であると予期さ
れるパイプの最大厚さに旋削された。第３図の発明のバ
ージョン14は、全体長さにわたって螺旋形にされる。

第３図と第４図の発明のドリル・ストリング部材14
は、螺旋形溝24を提供され、そしてこれらの溝は、遷移
ゾーン26を通過し、この場合それらは、工具接合部分16
と18に連結する。第５図と第６図は、遷移ゾーンをより
明確に示す。

比較的短く厚い螺旋形セクション20と、薄い螺削セク
ション22の交互から作成された14Aバージョンは、第３
図と第４図の発明の部材14の重量よりも小さな全体重量
を有する。縮小重量のこの利点にも拘わらず、全体長さ
にわたって螺旋形にされた発明の部材14は、図の14Aの
バージョンよりもより柔軟であることが、検査の後、見
いだされた。それが発生する方法又は理由は、全く理解
されない。多分交互の厚いセクション20と薄いセクショ
ン22により、結果して生ずる複数の遷移ゾーンが、たわ
み性に有害な効果を有した。

今第４図を参照すると、発明の部材14の断面が示され
る。部材14は、内径28と外径30によって規定されること
が見られる。好ましい実施態様において３つの螺旋形溝
24が、提供される。仮線は、溝が切り取られる前の外径
30を示す。実線の残余部分は、ランドと呼ばれ、そして
これらは、使用においてボアホール10に接触する部材14
の部分である。

第４図はまた、螺旋形溝24の底部によって規定された
表面32を示う。上記の如く、本発明のドリル・ストリン
グ部材は、傾斜掘りと偏向掘削状況における過酷な使用
のために設計され、こうして捩れ、圧縮、曲げ、引っ張
り、及びドリル・ストリングの内側に保持された掘削流
体の圧力からの破壊圧の組み合わせからの莫大な応力に
さらされる。

組み合わせ周期的応力は、溝の底部において最高であ
ることが見いだされ、そして発明の部材の最も薄い部分
は、螺旋形溝24の底部であるために、これは、最も臨界
的なゾーンであることが予期される。

発明の部材の使用寿命を延ばすために、オプションの
特徴は、表面32の溝の底部における圧縮応力の適用であ
る。これは、第８図に関して以下に詳細に説明される。
いづれにせよ、処理又はより正確には、前処理により、
表面32は、この所望効果を有する。必ずしも外径30にお
いて残余するランドではない表面32は、ショットピーニ
ング又は他の等価手段によって処理される。これは、表
面32を圧縮の性質における応力にさらす。ショットピー
ニングは、そのような圧縮応力が表面32に適用される唯
一の方法ではない。代替的方法は、熱処理を含み、溝の
底部において表面32を硬化させる効果を有する。硬化表
面は、引っ張り負荷に関してより優れた応答を有し、実
際、それらは、発明において、圧縮応力の如く作用す
る。別の代案は、浸炭であり、一種の表面合金を作成す
ることに関与し、そしてこれは、熱処理と同一効果を有
する。しかし、ショットピーニングは、多分、表面32に
おいて圧縮応力を作成するための最も有効かつ最も経済
的な方法であることが、現在考えられる。そのような圧
縮応力は、使用寿命において法外に有益な効果を有する
ことが予期される。さらに具体的には、理論により、発
明の部材の使用寿命は、溝24の底部の表面32における圧
縮応力の付加により、４の因子だけ、発明の部材の使用
寿命を増大させることが示される。即ち、表面処理のな
い発明の部材が、一定数の耐久寿命サイクルを有するな
らば、それは、そのような表面処理を有する多数の耐久
寿命サイクルの４倍を有することが予期される。さら
に、溝のそのような表面処理は、処理された発明の部材
の柔軟性又は他の性能特性に有害な効果を有さないこと
が予期される。

圧縮応力が溝に適用される時、ランドはまた、少なく
とも部分的に圧縮応力を受けることが可能である。ラン
ドにおけるそのような圧縮応力は、発明の部材の性能を
害する又は補助することはないと考えられる。こうし
て、発明は、ランドと溝の両方に適用された圧縮応力を
含む。ランドと溝において発明の部材に圧縮応力を適用
すると、他の利点の中でも圧縮応力動作を促進にする。

今第５図と第６図を参照すると、発明の螺旋形部材14
の本体と、工具接合端部16の間の遷移ゾーンが、詳細に
示される。類似の状況は、接合18の他方の端部において
存在する。

全体として、工具接合16と18に「フェザリング」する
螺旋形溝24の端部の可能な限り滑らかな遷移を提供する
ことが、発明のこの部分の意図である。この目的は、厚
い工具接合部分から薄い本体部分への応力の変化に対し
て、一様な領域を提供することである。遷移部分26によ
る滑らな遷移は、発明の部材に対する改良された柔軟性
と全体性能に結果することが見いだされた。

３つのそのような螺旋形溝が最適であることが信じら
れる。以下の第８〜11図の議論から明らかな如く、螺旋
形溝のフライト数は、性能において効果を有する。唯一
の溝が提供されたならば、それは、所望の応力関数が捨
てられる小ピッチを有さなければならない。２つの螺旋
形は、不規則な断面、又は過度に大きなランドを有する
断面を生成する。４つの螺旋形は、方形断面を生成し、
そして螺旋形の底部において十分に薄い壁を得るために
ランド幅を削減することを必要とする。すぐ下で議論さ
れる理由のために、方形断面は、望ましくない。適正な
掘削のためにランドの最小寸法を有することが必要であ
る。４つを超える螺旋、５つ又は６つ又はさらに多くの
螺旋が作動可能であり、そして十分なランド幅の問題を
生成するが、特に３の倍数の螺旋が、作動可能である。
このため、これらの理由の総てのために、３つの螺旋形
が、現在、発明の部材14のために最適であるように見え
る。

３つの螺旋の最適品質を見る別の方法は、３つの溝を
有する好ましいバージョンにおいて、部材14の所与の偏
向を生産するために必要とされた所与の力が、自身の軸
の回りの部材14の方向がいづれであろうとも、即ち、力
に面するランド又は力に面するフラットがあろうと、常
に同一であるということである。４又は２の倍数の螺旋
形溝により、横断面における断面形状は、必ず対称であ
る。こうして、ランドに対して作業する時所与の偏向を
生産するために必要とされた力は、溝に対して作業する
時同一偏向を生産するために必要とされた力よりもかな
り大きい。こうして発明は、非常に望ましい曲げ力の一
様性を生成し、そして３つの螺旋形溝に対する本優先の
理由の一部である。

しかし、付加的な検査が行われ、そして１つを超える
任意の数の螺旋形溝が発明により動作することが、多様
な他の理由である。

第７図は、発明の別の見地、即ち、螺旋形溝24の深さ
を示す。基本的に、最大限度の特性を実施するために、
部材14を設計するための発明の工学概念に従うと、螺旋
形溝24は、可能な限り深くなされ、同時に受容可能な最
小数の耐久サイクルを有するドリル・ストリング部材を
生産する。この深さは、ランド外径から部材内径に測定
され本体の壁厚の少なくとも40％であり、そして好まし
くは、その55％乃至85％の範囲にある。

第７図と関連した数値表現は、自明であると信じられ
る。ドリル・パイプに関連した０数字が、提供される
が、これは、すでに比較的薄い壁付き部材であるため
に、ドリル・パイプを螺旋形にすることは通常でないた
めである。ドリル・パイプは、第７図における種々の部
材の溝付けの種々の深さをより劇的に示すように、例と
して使用される。

相当な開発作業と検査が、第３図に示された如く、発
明を現在状態に持ち込むために先行する。これらのデー
タは、第８〜11図と以下の情報の表に抽出された。これ
らの図と表は、発明の多様な特徴と、先行技術に対する
利点、等を示す。

表１は、発明を開発する際に実施された検査に基づい
て、多量の検査データと、外挿された他のデータを相関
させる。

列１と２は、使用者によって選択された可変パラメー
ターである。列３は、発明を開発かつ改良する際に実施
された検査に基づいた実測定値を示す。列４、５と６
は、最初の３つの列に基づいて計算される。特定の注意
は、第５列の「耐久サイクル」に向けられるが、これ
は、技術における熟練者に最も知られた寿命の測定であ
る。第６列は、「坑井数」であり、便宜上計算され、そ
して「耐久サイクル」に直接に数値的に相関し、耐久サ
イクル・データは、「坑井数」を生成するために、単に
定数によって割り算される。

表１において、坑井は、第１図の構成において、即
ち、曲げの後の比較的短い距離から、上記の如く、特定
半径の回りに垂直から水平に、掘削されることが仮定さ
れ、そしてそれから掘削は停止される。この結果とし
て、掘削された坑井の全フィートは、短半径に対してよ
りも、長半径に対してより長い。しかし、直線方向にお
ける掘削時ではなく、曲げにおける回転時に生産された
応力は、発明のドリル・ストリング部材に対して破壊的
因子であると考えられるために、これは、取るに足らな
いと考えられる。掘削された全体長は、ビット自身に効
果を有するが、それは、本発明の主要な考慮ではない。

第２列の「貫入率」は、種々の形成、種々のビット重
量、及び技術における熟練者に公知の他の因子を収容す
る。要するに、ある時には高速に掘削し、そして別の時
には、比較的低速に掘削し、そしてこの列は、この現実
を収容する。表１に示された如く、全表のデータの総て
は、40rpmに基づく。40rpmは、発明が以下に詳細に議論
される理由のために使用される実際速度であり、そして
それが、表１と第８図の値の選択に対する理由である。
公知の如く、もちろん、掘削の速度は、rpmと共に、時
間当たりの貫入の実フィートの関数である。同様に、応
力のサイクル数は、貫入率と共に、rpmの関数である。
発明の目的のために、より大きな速度が望ましい。坑井
がより高速に掘削されればされるほど、ビットはより高
速に回転する。こうして、発明による各ドリル・ストリ
ング部材がより高速であればあるほど、曲げをより高速
に進み、こうして各部材における応力サイクル数は少な
くなる。縮小された応力は、発明の部材の生産寿命を増
大させる。下方モーター駆動掘削におけるビットのrpm
は、ドリル・ストリングのrpmとは異なる。発明の目的
のために、重要なのは、曲げにおけるドリル・ストリン
グの回転サイクルのみである。これはまた、下方モータ
ーが使用されない傾斜の応用分野においてあてはまる。

発明により構築されたドリル・ストリング部材は、匹
敵するドリル・パイプよりも高価である。しかし、この
点における発明の利点は、発明の部材が、坑井の垂直行
程中使用される必要はないが、曲げの回りと水平行程に
おいて使用されるということである。こうして、第１図
の例において、穴は、表面よりも低い深さであるが、発
明のドリル・ストリング部材の中さは、約500フィート
と、曲げを進むために必要とされた距離との和に等し
い。これは、下方モーター駆動ビットが曲げの回りを進
む時、ドリル・ストリングは全く回転しないことが必要
とされるためである。そのような下方モーター駆動ビッ
トが直線方向、垂直、水平、又は角度をなして掘削をす
る時、それらは、ドリル・ストリングが回転することを
必要とする。このため、曲げを完了すると、坑井の非垂
直部分の行程に等しい発明部材から作成されたドリル・
ストリングの長さが必要とされる。

ドリル・ストリングの回転率は、できる限り低くすべ
きである。40rpmは、表面装置がドリル・ストリングを
回転させる通常の最低速度である。この値が表１の列２
に対する標準として選択されたのは、その理由のためで
ある。

第８図は、80フィートの半径検査データに部分的に基
づいた２つの曲線のセットである。円形によって指示さ
れたデータが規定する曲線は、検査サンプルの溝におい
て測定された応力を示し、そして星形によって指示され
た相曲線は、ランドにおける測定応力を指示する。Ｘ軸
は、検査サンプルに対して使用された種々のピッチを指
示する。二重星形印は、実検査値を指示する。総ての他
の値は、外挿される。

第８図に示された２つの曲線の交差点の右側にある製
造点を選択することが望ましい。溝の間のランドは、交
差の右側にある動作点を選択することにより、使用にお
いて摩耗するために、この摩耗に対して許容量が作成さ
れる。即ち、ランドが摩耗すると、仮想垂直線によって
表現される発明のドリル・ストリング部材の動作点は、
元の選択点の左側、即ち、交差点の方に移動する。状況
は、ズボンが購買される時に必要なものよりも、僅かに
長い若い成長期の少年のために家族がズボンを購入する
場合に類似する。これは、少年がそのようなズボンに
「成長する」余地を与える。これは、正確に、発明の部
材を設計する際に物理的特性を選択する思考である。こ
うして、交差の右側の点を選択することにより、設計者
は、できる限り長く望ましい応力関係を維持しながら、
ランドにおいて摩耗を許容する。

上記の如く、発明のオプションの特徴は、圧縮応力の
性質において螺旋形溝の底部に前処理を適用することで
ある。これは、交差点を右側に移動させる効果を有し、
発明の部材に対する物理的特性を初期的に選択する際の
上記の効果に正確に同一である。別な方式で見ると、そ
のような表面処理は、溝における応力の曲線（円形によ
って指示された曲線）を第８図において下方に移動させ
る効果を有し、こうして交差点を実際に右側に移動させ
る。

表１と第８図の如く、データと曲線の他の表と、他の
図と表は、他の材料が使用されるならば、生成される。
発明に対して行われた検査とデータの総ては、油田の管
状製品において使用される如く、通常等級の鋼に基づ
く。MWD技術の要求事項のために、非磁気ステンレス
鋼、銅、モネルメタル、及び他の材料がまた、使用され
る。発明の教えは、技術における熟練者によって、その
ような他の材料に開示に基づいて適用される。

発明は、ランドにおける最大応力と溝における最大応
力の間の差が、43、000psi以下である時常に適正に機能
すると、現在信じられる。例により、第８図を参照する
と、これは、図面の左極端から、15インチと13インチの
２つのピッチの間に規定された点までの曲線の総ての部
分を含む。

表２は、発明のドリル・ストリング部材の３つの異な
るサイズに対して、螺旋形溝の底部において最も薄い部
分において、受容可能な最小サイズを示す。他のサイズ
が、将来のために熟慮されるが、これらは、現在、製造
と商業化のために熟慮された最も普及したものである。

ランド外径から部材内径への本体の壁厚の溝深さ＝72
％に基づく。

総ての寸法は、特に指定がなければ、インチである。

第９図は、表１におけるデータから類似の方式におい
て引き出された曲線の比較的大きな属を表現する。

第９図は、貫入率が上昇する時、使用寿命が対数的に
増大することを示す。同一効果は、異なる半径に関して
発生する。そして事実、半径変化は、ずっと劇的な効果
を生成し、そして商業的により重要である。例えば、70
フィート半径において比較的高速の毎時20フィートの貫
入率を考慮すると、約８つの標準坑井が期待される。し
かし、半径が90フィートに増大されたならば、坑井数は
約100に等しいために、10倍を超える寿命の増大が、達
成される。

上記の説明の如く、「標準坑井」パラメーターは、単
に便宜である。それはまた、表１に示された如く、耐久
サイクルにおいて表現される。

発明部材は、上記の如く、多数の点において先行技術
から特異的である。これらの中に、それは、他の今まで
公知な形式の油田の管状製品とは異なる単位長さ当たり
の重量を有するという事実がある。この点は、次の表に
示される。

次の表は、多様な性能特性に基づいて、商業的受容観
点からの発明の利点を示す。もちろん、最初の「柔軟
性」は、上記に詳細に議論された如く、短半径において
傾斜穴の掘削に関する重要なものである。

第10図は、最大の機械的性質に設計する小面を示す曲
線の要約形式である。発明部材と先行技術の部材に対し
て「使用寿命」とマークされた線と、受容可能な寿命サ
イクルにおける差に注意せよ。第10図の提示は、Ｘ方向
とＹ方向の両方において対数のスケールである。

第11図は、第10図に類似するが、それは、同様に発明
の設計「縁方向」小面を示し、今度は曲げ半径を降伏応
力と比較し、Ｙ軸における値「100」は、故障に対応す
る。

発明が詳細に記載されたが承認された保護は、発明の
精神と特許請求の範囲内にのみ制限されることが理解さ
れる。

本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。

1.ビット端部におけるモーター駆動とビットと、上方端
部におけるドリル・パイプとの間のドリル・ストリング
に介置される、傾斜穴を掘削するためのドリル・ストリ
ング部材であって、該ドリル・ストリング部材は、該ド
リル・パイプよりも僅かに大きな単位長さ当たりの重量
を有し、該ドリル・ストリング部材は、各端部の工具接
合部材とそれらの間の主要本体部分とからなり、該工具
接合部材は各々、該ドリル・パイプにおける従来の嵌合
工具接合手段よりも実質的に小さな軸方向長さを有し、
該ドリル・ストリング部材の該主要本体部分は少なくと
も１つの螺旋形溝を形成され、該螺旋形溝は、フライト
の間に該主要本体部分におけるランドを規定し、そして
残余材料が最小である如く該主要本体部分に形成され、
そして該ドリル・ストリング部材は、該ランドと該溝に
おける最大応力における差が、43,000psiと等しいかそ
れ以下である方法により作製されるドリル・ストリング
部材。

2.該溝及び／又はランドは、圧縮応力を与えられる上記
１に記載のドリル・ストリング部材。

3.該圧縮応力は、ショットピーニングによって形成され
る上記２に記載のドリル・ストリング部材。

4.該少なくとも１つの螺旋形溝は、３つのそのような螺
旋形溝の整数倍に等しい上記１に記載のドリル・ストリ
ング部材。

5.該少なくとも１つの螺旋形溝の端部を該工具接合部分
に滑らかにフェザリングするための手段を有する上記１
に記載のドリル・ストリング部材。

6.該ドリル・ストリング部材は、鉄材料から形成される
上記１に記載のドリル・ストリング部材。

7.該ドリル・ストリング部材は、掘削中測定装置及び技
術と共に、使用のために適合される上記１に記載のドリ
ル・ストリング部材。

8.該ドリル・ストリング部材は、非磁気ステンレス鋼、
銅、及びモネルメタルを含むグループから選択された非
鉄材料から形成される上記７に記載のドリル・ストリン
グ部材。

9.該螺旋形溝の深さは、該ランドの外径から該部材の内
径に測定された該本体の壁厚の少なくとも40％である上
記１に記載のドリル・ストリング部材。

10.該螺旋形溝の深さは、該ランドの外径から該部材の
内径に測定された本体の該壁厚の約55％乃至約85％の範
囲である上記９に記載のドリル・ストリング部材。

11.ドリル・ストリング部材を用意する段階と、該ドリ
ル・ストリングのビット端部におけるモーター駆動ビッ
トと、該ドリル・ストリングの上方端部におけるドリル
・パイプとの間のドリル・ストリングに該ドリル・スト
リング部材を介置する段階と、該ドリル・パイプよりも
僅かに大きな単位長さ当たりの重量を該ドリル・ストリ
ング部材に備える段階と、各端部における工具接合部材
と、それらの間の主要本体部分とを該ドリル・ストリン
グ部材に備える段階と、該ドリル・パイプにおける従来
の嵌合工具接合手段よりも実質的に小さな軸方向長さを
該工具接合手段の各々に備える段階と、少なくとも１つ
の螺旋形溝を該ドリル・ストリング部材の該主要本体部
分に備える段階と、フライトの間の該主要本体部分にお
いてランドを規定するように該螺旋形溝を構成する段階
と、該ドリル・ストリング部材における残余材料が最小
である如く該主要本体部分において該少なくとも１つの
螺旋形溝を形成する段階と、該ランドと該溝における最
大応力の差が43,000psi以下である如く該少なくとも１
つの螺旋形溝と該ドリル・ストリング部材を作製する段
階とを含む傾斜穴を掘削するための方法。

12.該溝及び／又はランドに圧縮応力を与える段階を有
する上記11に記載の方法。

13.ショットピーニングによって該圧縮応力を形成する
段階を有する上記12に記載の方法。

14.該ランド外径から該部材の内径に測定された該本体
の壁厚の少なくとも40％の深さに該少なくとも１つの螺
旋を形成する段階を有する上記11に記載の方法。

15.該溝深さは、ランド外径から該部材の内径に測定さ
れた該本体の壁厚の約55％乃至約85％の範囲の深さに形
成される上記14に記載の方法。

16.3つのそのような螺旋形溝の整数倍として、該少なく
とも１つの螺旋形溝を備える段階を有する上記11に記載
の方法。

17.該少なくとも１つの螺旋形溝の端部を該工具接合部
分に滑らかにフェザリングする階段を有する上記11に記
載の方法。

18.鉄材料の該ドリル・ステンレス部材を形成する段階
を有する上記11に記載の方法。

19.掘削中測定装置及び技術と共に、該ドリル・ステン
レス部材を使用する段階を有する上記11に記載の方法。

20.非磁気ステンレス鋼、銅、及びモネルメタルを含む
グループから選択された非鉄材料の該ドリル・スセンレ
ス部材を形成する段階を有する上記19に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

第１図は、発明が掘削するために特に適合されたボアホ
ールの種類を示す土壌の断面を示す側面図。 第２図は、本発明の開発中構築されたドリル・ステンレ
ス部材の側面図。 第３図は、発明の部材を示す第２図に類似する図。 第４図は、第３図のライン４−４において取られた断面
図。 第５図は、螺旋形溝を工具接合端部にフェザリングする
方法を示す、発明の部材の本体部分と工具接合端部の間
の接合部の拡大断面図。 第６図は、第５図のライン６−６において取られた断面
図。 第７図は、第４図に一般に類似し、螺旋形溝において関
与したカット工学概念の深さを示す仮想断面図。 第８−11図は、発明のドリル・ストリング部材において
使用された工学概念と考察を理解する際に使用される曲
線図。 10……抗井、12……曲り、14……ドリル・ストリング部
材、16、16A……箱端部工具接合、18、18A……ピン端部
工具接合、20……螺旋形セクション、22……旋削セクシ
ョン、24……螺旋形溝、26……遷移ゾーン、28……内
径、30……外径、32……表面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・ウイリアム・シユニトカー アメリカ合衆国テキサス州77489ミズー リシテイ・エルクウツド 1407 (72)発明者 グレン・エリツク・ビーテイ アメリカ合衆国テキサス州77062ヒユー ストン・シルバーパインズ 1541 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21B 17/00 E21B 17/22 E21B 7/08 E21B 10/44

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】傾斜穴の掘削に使用され、ドリル・ストリ
   ングに配置される中空のドリル・ストリング部材であっ
   て、 主要本体部分の端部の各々の工具接合部を有し、 該主要本体部分が、少なくとも１つの螺旋形溝が形成さ
   れており、 該螺旋形溝が、その側部の各々にランドを有するドリル
   ・ストリング部材において、 該螺旋形溝が、該工具接合部の間において、連続的に、
   該主要本体部分の全長にわたって延びており、 該螺旋形溝の深さが、外径から内径までを測定した該本
   体の壁厚の55％から85％までの範囲にある ことを特徴とするドリル・ストリング部材。
2. 【請求項２】該溝が、圧縮元応力を有する請求項１のド
   リル・ストリング部材。
3. 【請求項３】上記元応力が、シヨットピーニング又は加
   炭によって提供されている請求項２のドリル・ストリン
   グ部材。
4. 【請求項４】該螺旋形溝の数が、３の倍数である請求項
   １、２又は３のドリル・ストリング部材。
5. 【請求項５】ドリルパイプと、 主要本体部分の端部の各々の工具接合部を有し、該主要
   本体部分が、少なくとも１つの螺旋形溝が形成されてお
   り、該螺旋形溝が、その側部の各々にランドを有するド
   リル・ストリング部材であって、該螺旋形溝が、該工具
   接合部の間において、連続的に、該主要本体部分の全長
   にわたって延びており、該螺旋形溝の深さが、外径から
   内径までを測定した該本体の壁厚の55％から85％までの
   範囲にあるドリル・ストリング部材と を具備するドリル・ストリングであって、 （ａ）該ドリル・ストリング部材の単位長さ当たりの重
   さが、該ドリルパイプの単位長さ当たりの重さよりもわ
   ずかに大きいこと、 （ｂ）該工具接合部の各々の軸線方向長さが、該ドリル
   パイプの工具接合部のよりも実質的に短いこと、 （ｃ）該ドリル・ストリング部材の該ランド及び該溝に
   おける最大応力の差異が、曲げ半径80フイート（24.4
   m）において43000psi（296N/mm²）以下であること という特徴（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の１つ又は２つ以
   上を有することを特徴とするドリル・ストリング。