JP3547452B2 - ウエートオンアースドリルビットの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、地層にボアホールを穿孔する穿孔アセンブリのウエートオンビットを制御する装置に関する。坑井穿孔の技術においてはドリルビットとボアホールの下端部との間の圧縮力のことを一般にウエートオンビット（WOB）という。これは回転ドリルビットの地層内への貫入を達成するために必要な力である。他にドリルビットの貫入速度を左右する要因には、たとえば、ビットの種類とサイズ、ビットの回転速度および岩石層の硬さがある。垂直のボアホールにおいては、ウエートオンビットは主にドリルストリングの重量、掘削流体圧力および地表でドリルストリングにかけられる垂直方向の張力である。甚だしく外れたボアホールもしくは水平なボアホールにおいては、かなりの量の軸方向の力がドリルストリングとボアホール壁との間の摩擦力によって散逸し、その結果地表での垂直方向の張力、すなわちフックロード（hook load）からウエートオンビットに関する正確な情報を得られない。その場合には一般にスラスタを使用して必要なウエートオンビットを与える。スラスタを用いるにせよ用いないにせよ、掘削流体圧力はウエートオンビットを決める重要なパラメータである。
坑井の掘削においてしばしば起こる問題は、ドリルストリング内の掘削流体圧力の変動によりウエートオンビットが変わることである。その圧力変動は、たとえば、ドリルビットを駆動するハイドロリックダウンホールモータのトルクの変動、あるいは掘削中測定（measurement while drilling（MWD））の間に生ずる流体圧力パルスによって起こる。この流体圧力の変動によってドリルストリングが伸び、その結果ウエートオンビットが変動する。明らかに、ドリルストリングが伸びる傾向があることはスラスタをドリルストリングに導入した場合によく言われる。ダウンホールモータを用いてドリルビットを駆動する場合には、ウエートオンビットの変動によってダウンホールモータが機能停止し、そのために掘削が妨げられ、終いにはモータを損傷するにいたることがある。
アメリカ特許第1,558,511号が地層内にボアホールを掘削する掘削アセンブリのウエートオンビットの制御装置を開示しており、同装置は、ポンプにより屈削アセンブリに送る掘削流体の流体路と、前記流体路内の掘削流体の流体抵抗を制御する制御手段とを備える。制御手段はシリンダ内を移動してバイパス路を徐々に隠しあるいは現われるようにするピストンにより構成する。ばねをシリンダ内に配置して、バイパス路がピストンにより隠れる位置にピストンをバイアスし、流体圧力がピストンの両側に作用する。公知の装置のウエートオンビットはアセンブリの最下端部のウエートにばねの圧縮力を加えたものに限定される。
本発明の目的は、十分に高いウエートオンビットを適用できる、改良された、ウエートオンビットの制御装置を提供することにある。
本発明によれば、地層内にボアホールを掘削する掘削アセンブリのウエートオンビットを制御する装置が提供され、同装置は、
−ポンプにより掘削アセンブリに送られる掘削流体の流体路と、
−前記流体路内の掘削流体の流体抵抗を、下部流体路の流体圧力が減少したときに前記流体抵抗が増しかつ下部流体路の流体圧力が増したときに前記流体抵抗が減少するように制御する制御手段と、
を備える。
したがって下部流体路の流体圧が減少すると流体路全体の圧力低下の増加が、かつ逆に、下部流体路の流体圧力が増加すると流体路全体の圧力低下の減少が達成される。したがって下部流体路の圧力変動によって上部流体路の圧力変動は減少するか、あるいは無くなることさえあり、したがってドリルストリングが伸びる傾向も減少する。
掘削アセンブリの伸張傾向が減少する恩恵を最大にするには、装置を掘削アセンブリの下部に置くことが好適である。
ドリルビットを駆動するダウンホールモータは掘削アセンブリの、装置とドリルビットとの間に配置するのがよい。
本発明のさらなる側面によれば、伸縮する上部メンバと下部メンバを備えるハイドロリックスラスタが提供され、同スラスタに本発明による装置を備える。その装置は前記下部メンバ内に設けるのが好適である。
本発明によるスラスタでは、スラスタ下部の流体圧力が増加する、たとえば、ダウンホールモータの流体入口の流体圧力を増加しても、必ずしもスラスト力が増加することにはならない。逆に、モータ入口の流体圧力が減少しても必ずしもスラスト力が減少することにはならない。
以下に本発明を実施例により添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
第１図は本発明による装置の一実施例の概略図である。
第２図は本発明の装置を備えるスラスタの概略図である。
第３図は本発明の装置を備える代替スラスタの概略図である。
第４図は本発明の装置の別の実施例の概略図である。
第５図は本発明の装置の別の実施例の概略図である。
第６図は本発明の装置を備える別のスラスタの概略図である。
第７図は本発明の装置を備える、またさらなるスラスタの概略図である。
図面では、同様の特徴もしくは同様の機能を持つ特徴は類似する符号により示してある。
第１図は本発明による装置を備えるドリルストリング１の縦断面図を示す。この装置には環状プレート10によりドリルストリング１に接続する開口上端を有するシリンダ９を含む。シリンダ９の下端は閉じており、流体路12によりシリンダ９の下端とドリルストリング１の外部との間が流体連通している。内部シリンダ９の壁の上端の隣に開口14を設けてある。ピストン16を内部シリンダ９内で縦方向に移動可能とし、同ピストン16は螺旋ばね18により上向きにバイアスし、ショルダ20に当接する。ピストン16はシリンダ９の内面との接触をシール22によって封止する。第１図の位置ではピストン16が開口14を閉じており、それによってドリルストリング１の内部によって装置上部に形成された空間24とドリルストリング１の内部によって装置下部に形成された空間26との間の流体連通を防いでいる。
装置の通常操作中は、掘削流体をポンプでドリルストリング１に送り、それによってばね18の力に抗してピストン16の下向き移動を強制し、その結果開口14は少なくとも一部分ピストン16で隠れなくなる。掘削流体は空間24から開口14を経て空間26に流れ、かつさらにドリルストリング１の下端部に配置したドリルビット（図示せず）に流れ、その後ドリルストリング１とボアホール（図示せず）との間の環状空間を経て地表に戻る。選択肢として、ダウンホールモータ（downholemotor）（図示せず）をドリルストリングに含め、ドリルビットを駆動して掘削流体を空間26からダウンホールモータの入口に流すこともある。ドリルストリング１内の掘削流体にはドリルストリング１周囲の掘削流体より高い圧力が加わっているので、ドリルストリングは弾性的に伸びる傾向がある。この傾向がウエートオンビットに影響し、それによってウエートオンビットがドリルストリング１内外部間の圧力差の増加にともなって増加する。その圧力差は、とりわけ、掘削流体の開口14における流体抵抗、ダウンホールモータ前後の圧力低下、およびドリルビットノズル（図示せず）のサイズに依存することは明らかであろう。ピストン16がどれだけ下向きに移動するかは、ばねの力と、空間24およびスラスタ１の外部間の圧力差に依存する。空間26内の流体圧力がダウンホールモータのトルク増加やビット／地層相互作用の変化等により増加すると、空間24、26が開口14を介して連通しているために、空間24内の流体圧力も増加する。したがって、空間24とスラスタ１の外部との間の圧力差が増加してピストン16はさらに下向きに移動し、それによって開口14がさらに現れ、かつ両開口の流体の流体抵抗が減少する。その結果、空間24とストリング１の外部との間の圧力差の増加は、空間26とストリング１の外部との間の圧力差の増加より少なくなる。したがって、ドリルストリング１が伸びる傾向、およびウエートオンビットは本発明の装置を使用しない従来のドリルストリングに比べて少ない。このウエートオンビット制御は、ピストン16により開口14が一杯に現れてないかぎりにおいて達成されることが明らかであろう。その後はさらなる補償は起こらず、開口14の大きさとばねの力は予想される運用条件によって選択すべき設計パラメータであることは明白である。
第２図は、ドリルストリング１の上部に上端を接続した上部メンバ1Aと、ドリルビット（図示せず）を駆動するダウンホールモータ（図示せず）を含むドリルストリング１の下部に下端を接続した下部メンバ1Bとを備えるハイドロリックスラスタを備えたドリルストリング１を示す。二つのメンバ1A、1Bは本質的に管状で、かつ下部メンバ1Bは上部メンバ1A内に延伸し同メンバと伸縮配置されている。スプライン装置等の適当なトルク伝達手段（図示せず）を設けてトルクを二つのメンバ間に伝える。下部メンバ1Bに第１図の装置を備え、プレート10をメンバ1Bの上端に接続する。
第２図の装置の通常操作は第１図に関して説明した装置の通常操作と同様である。
ただし、このスラスタによってウエートオンビットの制御がさらにできるようになり、かつ下部メンバ1Bの伸縮移動によって緩衝装置の機能を果たすことができる。本発明による装置は、空間26、すなわちドリルストリング１の下端部で生じる圧力変動が空間24、すなわちドリルストリング１の上端部では減少する（もしくは除去される）という点で流体圧力の調節装置となる。スラスタの送出するスラスト力は空間24とドリルストリング外部との間の圧力差に依存するので、空間26内の圧力変動によるスラスト力の変動は本装置を適用することによって減少する（もしくは除去される）。
第３図は第２図に示したスラスタに実質上類似の代替スラスタで、伸縮する上部メンバおよび下部メンバ2A、3A、シリンダ9A、開口14A、ピストン16A、螺旋ばね18A、ショルダ20A、圧力連通路12A、空間24Aおよび26Aを含み、これらの特徴の機能はすべて第２図に示した実施例の対応する特徴に同様である。
第３図の実施例はさらに第二の螺旋ばね28を含み、その一端を上部メンバ2Aに固定した管状部材30に対してバイアスし、他端をピストン16Aに対してバイアスし、それによってばね18Aの力を打ち消している。第二のばね28は棒32周囲にめぐらせ、棒32はピストン16Aに固定し、管状部材30により軸方向に案内する。ばね28の寸法は、メンバ2A、3Aを完全に縮めたときのばねの力が、ピストン16Aをショルダ20Aに当接したときのばね18Aの力より小となる寸法とする。
第３図の実施例の通常使用は第２図の実施例の通常使用に概ね同様である。ただし、ばね28により、開口14Aがピストン16Aによって現れる度合いをどれだけ制御できるかというと、ドリルオペレータがドリルストリングの上部を軸方向にボアホールから動かし、ばね28を圧縮または減圧することによってピストン16Aに作用するばねの全力を制御できるということである。ばね28の圧縮度がピストン16Aに作用するばねの全力に影響を及ぼし、またピストン16Aの開口14Aに対する位置にも影響を及ぼす。
第４図は本発明による装置の別の実施例を示す。装置は圧力調節器36を形成し、これに各々直径の異なる三つの部分38、40、42を有するシリンダ9Bを含む。ピストンアセンブリ16Bを内側シリンダ9B内に配置し、同アセンブリ16Bは、シリンダ部38に置いた下方ピストン44、シリンダ部40に置いた中間ピストン46およびシリンダ部42に置いた上部ピストン48を含み、ピストン44、46、48はロッド50により相互接続されている。螺旋ばね18Bにより、ピストンアセンブリ16Bを上部シリンダ部42に設けた管状ショルダ20Bに対してバイアスする。シリンダ部40にポート52、54を設け、シリンダ9Bの空間56、58および掘削アセンブリの選択された箇所を流体連通する。たとえば、ポート52を第２図および第３図に示した実施例の空間24または24Aに接続することができる。
圧力調節器36の通常操作は第１図について説明の装置の通常操作に同様である。ただし、ポート52、54によって、ピストン48により開口14Bが現れる度合いをさらに制御する手段が得られる。その制御はポートを選択された圧力の箇所に接続することによって達成される。
第５図は本発明による装置のさらなる実施例を圧力調節器60として示す。圧力調節器60は各々直径の異なる二つの部分62、64を有するシリンダ9Cを含む。ピストンアセンブリ16Cを内側シリンダ9Cに配置し、同アセンブリ16Cにシリンダ部62内に置いた下部ピストン66とシリンダ部64内に置いた上部ピストン68とを含み、ピストン66、68はロッド70により相互接続されている。螺旋ばね18Cによりピストンアセンブリ16Cを上部シリンダ部64内に設けた環状ショルダ20Cに対してバイアスする。シリンダ部62にポート72、74を設けて内側シリンダ9Cの空間76、78および掘削アセンブリの適当な箇所との間を流体連通する。空間78はシリンダ部62の壁、下部ピストン66および仕切ディスク80により画設し、同ディスクはシリンダ部62、64間の転移部に配置し、かつロッド70が貫通する中央開口を設ける。シール82によりディスク80とロッド70との接触を封止する。したがって空間84はシリンダ部分64の壁、ディスク80および上部ピストン68との間に画設し、同空間84は選択された圧力の箇所とポート86を介して流体連通している。
圧力調節器60の通常操作は第１図について説明した圧力調節器の通常操作と同様であるが、ポート72、74、86により、ピストン68によって開口14Cが現れる度合いをさらに制御する手段が得られる。その制御はポートを選択された圧力の箇所に接続することによって達成される。
第６図は本発明による装置を設けたさらなるスラスタ1Dを示す。スラスタ１は第２図に示したスラスタと概ね同様で、伸縮する上部メンバおよび下部メンバ2D、3D、シリンダ9D、環状プレート10D、ピストン16D、螺旋ばね18D、ショルダ20D、圧力連通路12D、および空間24Dおよび26Dを含み、これらの特徴の機能はすべて第２図について説明した対応する特徴に同様である。内側シリンダ9D、ばね18Dおよびピストン16Dにより圧力調節器アセンブリを形成する。スラスタ1Dが第２図のスラスタと異なるところは主に内側シリンダがポート90を介してスラスタの外部、すなわちスラスタ1Dとボアホール壁（図示せず）との間の環状空間に連通していることである。ポート90はピストン16Dが最も高い位置にあるときにピストン16Dによって完全に隠れているが、空間24Dとスラスタ1Dの外部との間の圧力差の増加によりピストン16Dが下方に押されるにつれ、徐々に現れる。さらに第２図の実施例と異なるのは、環状プレート10Dにポート92を設けたことである。
通常操作中は掘削流体をポンプでスラスタ1Dに送り、同流体の大部分は空間24Dからポート92を経て空間26Dに流れる。ピストン16Dによりポート90が徐々に現れると、掘削流体のわずかの部分がポート90からスラスタの外部に流れる。このようにして、スラスタ1Dによって掘削流体を大きい流量で使用することが可能となり、また、空間24Dとスラスタ外部との間の圧力差が増すとピストン16Dによりポート90が現れることによって掘削流体の流体抵抗が減少し、圧力差が減少すればその逆になるので、圧力調節も同時に達成される。
第７図は本発明による装置を備えたさらに別のスラスタを示すが、これは要するに第２図および第６図の実施例の組合せである。装置はスラスタ1Eに組み込まれており、同スラスタは概ね第６図に示したスラスタ1Dに同様であるが、環状プレート10Eに流体ポートを設けてないことと、シリンダ9Eに開口14Eを設けて空間24Eおよび26E間を流体連通するところが異なる。第２図のスラスタと同様に、ピストン16Eが環状リング20Eに対してバイアスしているときは開口14Eがピストンにより完全に隠れている。空間24Eとスラスタ1Eの外部との間の圧力差が増すにつれピストン16Eが押し下げられ、それによって開口14Eが徐々に現れ、掘削流体が空間24Eから開口14Eを経て空間26Eに流れる。開口14Eが完全に現れ圧力差がさらに増すと、ピストン16Eがさらに押し下げられ、それによってポート90Eが徐々に現れ、掘削流体の一部が空間24Eからスラスタ1Eの外部に流れる。
本発明による装置、または本発明によるハイドロリックスラスタとドリルビットの間にダウンホールモータを配置するのに代えて、ダウンホールモータとドリルビットとの間に本装置またはハイドロリックスラスタを配置することもできる。

Claims (13)

1. 掘削流体が掘削アセンブリを経て流れる流体路と、
   前記流体路内の掘削流体の流体抵抗を、流体路内の流体圧力が減少したときに前記流体抵抗が増しかつ流体路内の流体圧力が増したときに前記流体抵抗が減少するように制御する制御手段において、前記制御手段が前記流体路を流れる掘削流体の流れ制限箇所を少なくとも一つ包含し、制御手段が各流れ制限箇所の断面面積を流体路内の流体圧力に依存して変える手段を含むことを特徴とする制御手段と、
   を備える、地層内にボアホールを掘削する掘削アセンブリのウエートオンビットを制御する装置。
2. 前記流れ制限箇所がシリンダの壁内の開口を含み、かつ流れ制限箇所の断面面積を変える前記手段に、開口がピストンにより相当に隠れる位置と開口がピストンにより相当に現れる位置との間でシリンダ内を軸方向に移動可能なピストンを備える、請求項１に記載の装置。
3. 開口が、ピストンによって相当に隠れる位置にピストンをバイアスするばね手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 開口が、ピストンによって相当に隠れる位置にピストンをバイアスする力を制御する手段をさらに備える、請求項２または３に記載の装置。
5. 前記ピストンが一次ピストンを形成し、かつ前記の力を制御する手段が少なくとも一つの二次ピストン／シリンダアセンブリを含み、同アセンブリにその前後の圧力差により作動する二次ピストンを含み、同二次ピストンは前記一次ピストンにしたがって動く、請求項４に記載の装置。
6. 前記の力を制御する手段が、一方の端をピストンに対してバイアスしかつ他方の端をピストンに関して伸縮する掘削アセンブリの上部に対してバイアスした螺旋ばねを含み、同螺旋ばねの長さを掘削アセンブリの前記上部の移動によりボアホールを通じて制御可能である、請求項４または５に記載の装置。
7. 前記流れ制限箇所が装置上部掘削アセンブリの内部と装置下部掘削アセンブリの内部との間を流体連通する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. ドリルビットを駆動するダウンホールモータを装置とドリルビット間に配置した請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記流れ制限箇所が装置上部掘削アセンブリの内部と、ダウンホールモータおよびドリルビット間の掘削アセンブリの内部との間を流体連通する、請求項８に記載の装置。
10. 前記流れ制限箇所が装置上部掘削アセンブリの内部と、掘削アセンブリおよびボアホール壁間の環状空間との間を流体連通する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも二つの前記流れ制限箇所を包含し、第１の流れ制限箇所が装置上部掘削アセンブリの内部と装置下部掘削アセンブリ内部との間を流体連通し、かつ第２の流れ制限箇所が装置上部掘削アセンブリの内部と、ダウンホールモータおよびドリルビット間の掘削アセンブリの内部との間を流体連通する、請求項１から10のいずれか一項に記載の装置。
12. 装置を掘削アセンブリの下端部内に配置した請求項１から11のいずれか一項に記載の装置。
13. 伸縮する上部メンバおよび下部メンバを包含し、下部メンバに請求項１から12のいずれか一項に記載の装置を設けたハイドロリックスラスタ。

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