JP4654324B2 - 水底削岩システム及び水底下方の地層を削岩する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に水底下の地層の削岩の分野に関する。より特別には、海底に位置決めされた遠隔操作式の削岩装置に関する。

水底下の地層を通しての削岩は、一般に、運搬船又は船舶に、また水深の大きい場所では削岩用の船又は半ば潜水可能な浮遊式の削岩用プラットフォームに配置された削岩用装置の使用が必要である。かかる削岩は、特に、削岩の際に井筒からの削岩用流体のための戻り導管を提供するするため、浮遊している削岩用構造から海底に削岩用ライザーを延ばさねばならない場合、これは複雑でかつ費用の大きい作業である。かかるライザーを使用する削岩は、費用に加えて、ビット重量の正確な管理、ドリルストリングの安定（動きの補償）及びボアホール内の工具の正確な位置決めを必要とする削岩作業にはうまく適合しない。削岩用ライザーが使用されるときは、海底のボアホールの上方の海面の船の位置決めが決定的に重要である。浮遊している削岩用プラットフォームの位置を要求される安定度に維持するには、多数のアンカー又は動的な位置決めが要求される。水中におけるライザーの重量が、ライザーを配置し得る水深を限定する。深い水中用の長いライザーを扱い得る浮遊式の削岩用プラットフォームは非常に大きい船であることが必要である。

深海での削岩の上記の状況を最小化するために、幾つかの海底削岩システムが開発され現在運転されている。［ＢＭＳ ＃１」及び「ＢＭＳ ＃２」はＪＯＧＭＥＣ（日本）の所有であり、「ＰＲＯＤ」はＢｅｎｔｈｉｃ Ｇｅｏｔｅｃｈ Ｐｔｙ．Ｌｔｄ．（オーストラリア）の所有であり、「ＭｅＢｏ」はブレーメン大学（ドイツ）の所有であり、そして「ＲＤ２」はＢｒｉｔｉｓｈ Ｇｅｏｌｏｇｉｃ Ｓｕｒｖｅｙの所有である。以上の遠隔作業システムは、海底、特に深海の海底内に効果的に削岩するすることが確かめられている。これらは、全てが削岩用ライザーではなくて可撓性の補給管を使用するので、かかるシステムの水中重量は一般的には２０トン以下であり、その結果、削岩作業は長さ５０メートルの近さでしか船から管理することができない。船に対するステーション保持（位置の安定）の要求はライザーを使用する浮遊式削岩用プラットフォームに対するものより当然厳しく、多くの場合、水深の約２０％の作動監視範囲が適切である。削岩用システムは、削岩中、海底に配置され、そして必然的にドリルストリングを前進させるに十分な反応用質量を提供するに十分に重いので、ボアホール内に配置された工具の安定性が優れている。船の運動からのドリルストリングの運動の完全な分離が達成される。

かかる遠隔作業式の海底削岩システムの全ては、水底の下方の地層のコア標本を採取するために使用されるとき、ロッドコア採取方法に依存する。コアバレルがドリルストリングの底部に配置される。コアバレルは、一般的に、ドリルパイプ又はストリングの一つのセグメントと同じ長さである。削岩によりボアホールが延ばされるとき、コアバレルが満たされ、次いで内部のコアを抜き出すためにボアホールから回収しなければならない。かかる方法は、コアバレルの回収の都度、ドリルストリング全体を引き上げなくてはならない。海底に配置された削岩用ユニットから作業される上記の方法は、浮遊している削岩用プラットフォームから海底に伸びている削岩パイプライザーを無くすが、かかるコア採取技術により要求される広範囲の工具取り扱いのため、約３０メートルより深いボアホールを完成するためにはかなりの作業時間を必要とする。標準の３メートルのコアバレルとドリルロッドとによるロッドコア採取法を使用する１個の１００メートル深さのボアホールは、全部で２０００回以上の工具の取り扱い作業と１００時間以上とが必要である。ステ
ーションにおける長い時間と多数回の工具の取り扱いのため、深海における浅いホールを除いてロッドコア採取の削岩の全てが非実際的である。

少ない工具取り扱いと運転時間とによりコア標本を取得できる海底式の削岩用ユニットについての要求が存在する。

本発明の一態様による水底削岩システムは、水底に停止するような形状にされたフレームを備える。支持構造体がフレームに運動可能に結合される。支持構造体は、支持構造体に取り付けられたドリルヘッドの少なくも垂直方向運動が可能であるような形状にされる。ウインチが支持構造体に可動に結合され、かつ支持構造体に取り付けられたウインチの横方向運動が可能な形状にされる。ウインチはケーブルを備える。ケーブル端部は、ドリルストリングの下端に配置されたコアバレルの上端の上にラッチするような形状にされたラッチ装置を備える。ドリルロッド用及びコアバレル用の貯蔵区域がフレームと組み合わせられる。各コアバレルは、ドリルストリングの最下方のドリルロッドと解放可能に組み合うような形状にされたラッチを備える。各コアバレルは、ケーブル端部のラッチ装置と組み合うような形状にされたラッチを備える。少なくも１個のクランプがフレームと組み合わせられ、そしてドリル穴の上方のドリルストリングの垂直方向の位置を固定するように配列される。

水底の下方の地層の削岩方法は、水底に削岩システムを置くことを含む。内部にラッチされた第１のコアバレルを有する第１のドリルロッドを回転させ、かつドリルロッドを長手方向で前進させることにより地層が削岩される。選定された長手方向位置において、第１のドリルロッドの上端が開かれ、そして端部にラッチ装置を有するケーブルが第１のドリルロッド内に下降される。ウインチは、第１のコアバレルを回収するために回収される。第１のコアバレルが第１のドリルロッドから横方向に移動される。第１のドリルロッド内に第２のコアバレルが挿入され、そしてこの中にラッチされる。第１のドリルロッドの上端に第２のドリルロッドが固定される。第１及び第２のドリルロッドを長手方向に前進させ、かつ回転させることにより地層の削岩が再開される。以上の手順は、一番上のドリルロッドの上端を開き、ウインチを使用してコアバレルを回収し、回収されたコアバレルを移動し、新しいコアバレルを、これが第１のドリルロッド内でラッチされるまでドリルストリング内に挿入し、新しいドリルロッドをドリルストリングの上端に追加して取り付け、そして削岩を再開することにより繰り返すことができる。

本発明のその他の態様及び利点は付属図面及び特許請求の範囲より明らかになるであろう。

水底において削岩システムを使用している船を示す。 本発明に従った例示の削岩システムの平面図を示す。 図２に示された削岩システムの側面図を示す。 図２に示された削岩システムの端面図を示す。 本発明に従った削岩システムによる削岩方法の一例を示す。 ドリルロッドの内部にラッチされたコアバレルの断面図を示す。

図１は、海洋のような水４の表面上にあってウインチ３又は同様な巻き上げ装置を有する船又は船舶２を示す。ウインチ３は、削岩システムを１０水底１１に配置するために使用される配置用ケーブル６及び補給用ケーブル３４の巻き上げ及び巻きほぐしをすることができる。配置用ケーブル６は、補給ケーブル３４と同じ物理的ケーブルの部分とすることができ、又はそうでなくてもよい。海底式削岩システム１０はケーブル６を使用して設置され、そして水底１１に置かれる。削岩作業が完了すると、システム１０は、これを、回収され船舶２に戻すことができる。

例示の削岩システムの平面図が図２に示される。システム１０は、システム１０の種々の構成要素を支持するフレーム１２に取り付けられる。フレーム１２は、システム１０が水底に配置されたときにフレーム１２を適切な向きに維持するために二つのコーナーに配置された支持脚１４を持つ。フレームの反対側に高さの調節が可能な水平合わせ用の脚１６を配置することができる。或いは、全ての脚１４、１６を高さ調整可能にすることができる。電気及び油圧式の動力ユニット３０が、システム１０から海面上の船舶（図１の２）に伸びる供給ケーブル（図１の３４）を介して電力及び／又は油圧の動力を受け入れることができる。フレーム１２は、船舶（図１の２）上に設置されたウインチ（図１の３）又は同様な装置を使用してシステム１０を水中で下降させるために使用される１個又はそれ以上の特有の設備を持つことができる。システムの設置は本技術において知られる海底設置の削岩システムを使用するシステムと同様とすることができ、そしてシステム１０の設置方法が本発明の範囲を限定することは意図されない。動力ユニット３０によりこのユニットを通して供給される電力及び／又は油圧動力が、以下に説明されるようなフレーム１２上に配置された種々の装置を作動させることができる。動力ユニット３０は、削岩作業用のフラッシング用流体を循環させるために流体ポンプ（分離して示されない）を備えることができる。

フレーム１２は、ドリルヘッド支持構造１８を備えることができる。かかる構造は、ドリルヘッド（図３の３２）をドリルストリングに結合できるようにドリルヘッドを垂直方向で昇降させるため及びドリルヘッドをフレーム１２に沿って横方向に動かすための装置を備え、更に以下に説明される幾つかの作業をドリルストリング上で、又はドリルストリング内で行うことができるようにドリルストリングの通路外に動かすことができる。

フレーム１２は、ワイヤーラインウインチ２０も支持する。このウインチは、ある選定された長さの外装ケーブル２２（図５Ｄの２２Ａ）を備えることができる。このケーブルは、その中に１個又はそれ以上の絶縁された電気導体を持ち又は持たないことができる。ケーブル２２は、スリックライン（ｓｌｉｃｋｌｉｎｅ）、ワイヤーロープ又は合成繊維ラインとすることもできる。ウインチ２０及びケーブル２２の目的は、図５Ａないし５Ｈを参照し、以下、更に説明されるであろう。ウインチ２０は、ウインチ２０をフレームに沿って横方向に動かすことができる支持構造２３上に取り付けられる。支持構造１８、２３のいずれか又は両者は、油圧ラム（図示せず）のような装置を備え、この装置は削岩ヘッド及びウインチを、それぞれ横方向運動をさせることができる。横方向運動の能力を提供するその他の装置の例は、ラック歯車及びモーター駆動の平歯車を有することができる。支持構造１８、２３を横方向に動かすために使用される特有の設備が、本発明の範囲を限定することことは意図されない。

フレーム１２は、ドリルロッド用２４及びコアバレル用２６のそれぞれの貯蔵区域２１を有することができる。工具取り扱い用の移動起重機２８がフレーム１２に結合され、そして貯蔵区域２１からドリルロッド（図５Ａの６０）を取り出し、又は貯蔵区域２１にドリルロッド２４を戻すように配列される。工具取り扱い用の移動起重機２８は、コアバレル（図５Ａの６２）を貯蔵区域に又は貯蔵区域２１から動かすようにも配列される。工具取り扱い用の移動起重機２８は、典型的に、工具取り扱い用アーム（図３の４４）上のジョー又はグリッパーによりドリルロッド及びコアバレルを保持できるようにこれらを動かすであろう。このジョー又はグリッパーは、コアバレル及びドリルロッドのそれぞれの内部に接近可能であるように、コアバレル及びドリルロッドがそれぞれの外表面から握持される。

システム１０の側面図が図３に示される。ドリルヘッド３２は、ドリルストリングの内部で作動し得るその停止位置において示される。フレーム１２の下方部分が、整列クランプ４８、上方フットクランプ５０、下方フットクランプ５２及びケーシングクランプ５４を支持する。ドリルストリングの要素に追加のドリルロッドを加え、又はこれから取り去るとき、ドリルストリングの要素を定位置に固定するために種々のクランプが使用される。工具取り扱い用の移動起重機（図１の２８）はオーバーサイズの削岩用工具用のグラッバー４２も備えることができる。工具取り扱い用の移動起重機２８は、上に説明されたような取り扱い用のアーム及びジョー４４も備えることができる。削岩用工具はそれぞれ工具マガジン４６内に貯蔵することができる。

システムの端面図が図４に示される。

海底配置式の削岩システムの基本的な構成要素が説明されたが、更に図５Ａないし５Ｈを参照し、かかるシステムの作業方法を説明することとする。まず、図５Ａを参照すれば、削岩作業の出発点において、ドリルロッド６０及びドリルロッド６０の内側にラッチされたコアバレル６２の組立体がドリルヘッド３２に結合され、そして海底１１の上方で吊り下げられる。幾つかの設備においては、ドリルヘッド３２は、ドリルロッド６０を回転させるために油圧作動式モーター又は電気モーター（いずれも図示されず）を備えることができる。ドリルヘッド３２は、削岩作業中、特にドリルロッド６０の回転中、ドリルロッド６０の内部を通してフラッシング用流体を圧送できるように、流体用回り継手（図示せず）を備えることもできる。その他の設備として、１個又はそれ以上のクランプのの直前でフレームに結合されたドリルロッド６０回転用の手段を備えることができる（図３参照）。ドリルロッド６０の回転方法はシステム設計者の決定に委ねられ、そして本発明の範囲を限定することは意図されない。地表下の岩層を削岩するために、ドリルロッド６０の底部に環状の開口しているコアビット６３が配置され、ドリルストリングが水底１１の下方で下向きに進むと、かかる岩層の実質的に円柱状のコアがコアバレル６２の内部に動かされる。ドリルロッド６０及びコアバレルの第１の組立体を使用するボアホール１３のかかる削岩の開始が図５Ｂに示される。

図５Ｃにおいて、第１のドリルロッドが削岩システム内の恐らくは最下方の位置に動かされ、ボアホール１３が掘られ、そしてボアホール１３を延ばし続ける。このとき、ドリルストリングの上端に追加のドリルロッド６０を結合することによりドリルストリングを長くすることが要求される。図５Ｃにおいて、ドリルストリングが持ち上げられ、ドリルロッド６０がフットクランプ５０内に確り固定される。ドリルヘッド３２は、ドリルロッド６０の上端から取り外すことができる。かかる取り外しは、ドリルロッドの回転方向における固定とドリルヘッド３２の逆回転とにより、或いはドリルヘッド３２の回転方向の固定とフットクランプ５０内のブレークアウト装置（図示せず）を使用したドリルロッド６０の回転とにより行われる。或いは、ドリルヘッド３２は、油圧チャックを有する頂部駆動装置を備えることができる。ドリルヘッド３２とドリルロッド６０との間及び隣接し相互に連結されたドリルロッド６０間の連結を断続させる方法が本発明の範囲を限定することは意図されない。ドリルヘッド３２がドリルロッド６０から外された後、ドリルヘッド３２は、これを、例えば図１に１８で示された装置を使用して横方向に置き換えることができる。ドリルヘッド３２を横方向に置き直すことにとり、ドリルロッド６０の内部の装置を動かすことができ及び／又は部分的にボアホー１３ル内に配置されたドリルロッド
６０に追加のドリルロッドを結合することができる。ボアホール１３内に配置されたドリルロッド６０に１個又はそれ以上の追加のドリルロッドが結合されたとき、この組立体は「ドリルストリング」と呼ばれる。横方向の置き直しに代わる方法として、ケーブル２０によるドリルロッド６０の内部へのアクセスを提供するために、ドリルヘッド３２をドリルロッドの上方でウインチを動かし得るに十分なドリルロッド６０の上端の上方の高さに動かすことができる。

図５Ｄにおいて、ケーブル２２Ａの端部が、フットクランプ５０内に固定されたドリルロッド６０の真っすぐ上方に配置されるようにウインチ２２が横方向で置き直される。次いで、ウインチ２２は、本技術において知られる適宜形式のオーバーショット５６がドリルロッド６０の内部の中に下げられるように運転され、次いでてコアバレル６２の上端の適合した器具（図６）と組み合わせられる。次いで、オーバーショット５６の作動によってラッチを外すことにより、ドリルロッド６０の内部からコアバレル６２を取り出すことができる。次いで、先にドリルロッド０の内部から回収されたコアバレル６２が工具のアーム（図３の４４）により握持され、そして貯蔵区域（図１の２６）内に貯蔵するために動かされるようにウインチ２２が横方向で置き直される。

図５Ｅにおいては、別のコアバレル６２が貯蔵区域（図２の２６）から回収され、そしてドリルヘッド３２に結合される。かかる結合は、コアバレルを、まだボアホール１３内にあるドリルロッド６０の上方の横方向の位置に保持し、そしてその上端にドリルヘッド３２を取り付けるように工具取り扱い装置（図２の２８）を使用することにより行うことができる。ドリルヘッド３２は、新しいコアバレル６２がドリルロッド６０の内部にくるように下げられる。次いで、新しいコアバレル６２は、ドリルロッド６０の底部に圧送され、そしてドリルロッド６０内の定位置に固定することができる。

図５Ｆにおいて、ドリルヘッド３２に追加のドリルロッド６０が結合され、そして追加のドリルロッド６０がまだフットクランプ５０内に固定されているドリルロッド６０に取り付けられるように、追加のドリルロッド６０が下げられる。次いで、フットクランプ５０が解放され、そして図５Ｇに示されるように、ドリルストリングを回転させ、かつ長手方向に前進させることにより削岩を再開することができる。削岩は、典型的に、図５Ｈに示されるように、一番上のドリルロッドがシステムの可能最低位置に達するまで続けられる。図５Ｃないし５Ｆを参照した以上の説明された手順を繰り返すことができ、そしてボアホール１３が意図された深さに延ばされるまで、追加のドリルロッドの各がドリルストリングに順次結合され、削岩を続けることができる。

上述のようにワイヤーラインオーバーショット５６を使用して最下方のドリルロッド６０からコアバレル６２を回収することにより、コアバレルの回収のたびに、ドリルストリング全体を回収する必要なしに、ボアホール１３から連続したコア標本を引き出すことができる。かかる能力は、工具の作業回数と水底の下方にボアホールを削岩するに要する時間とをかなり減少させる。

コアバレル６２を有するドリルロッド６０の断面図が図６に示される。コアバレル６２は、オーバーショット（図２の５６）と組み合うような形状にされた銛状部材６４を備えることができる。コアバレル６２は、コアバレル６２をドリルロッド６０から回収すべきとき、ケーブル（図１の２２）により加えられる上向きの力により解放し得るラッチ６８を備えることができる。ドリルロッド６０の内側のショルダー６６は、コアバレル６２がドリルロッド６０内に圧送されるとき、コアバレル６２を保持するための座を提供することができる。

本発明は限定された数の実施例に関して説明されたが、本開示の便益を得る本技術の熟
練者は、ここに明らかにされた本発明の範囲から離れることなくその他の具体例を考案し得ることが明らかであろう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (8)

1. 水底に停止するように形成され、ドリルロツド及びコアバレルのための貯蔵区域を有するフレーム、
   フレームに運動可能に結合された支持構造体であって、支持構造体に取り付けられたドリルヘッドの少なくも垂直方向運動が可能であるように形成された支持構造体、
   支持構造体に運動可能に結合され、かつ支持構造体に取り付けられたウインチの横方向運動が可能に形成されたウインチであって、ケーブルを有し、ケーブル端部が、ドリルストリングの下端に配置されたコアバレルの上端の上にラッチされるような形状にされたラッチ手段を有しているウインチ、
   を具備し、貯蔵区域における各コアバレルは、ドリルストリングの最下方のドリルロッドと解放可能に組み合うように形成されたラッチを有し、かつ貯蔵区域における各コアバレルはケーブル端部のラッチ装置と組み合うように形成されたラッチを有しており、及び
   フレームと組み合わせられ、かつドリル穴の上方のドリルストリングの垂直方向の位置を固定するように配列された少なくも１個のクランプ、
   を具備した水底削岩システム。
2. 支持構造体が、ドリルヘッドの垂直方向及び横方向の運動を可能とするように形成された請求項１記載の水底削岩システム。
3. ケーブルが、外装ケーブル、ワイヤーロープ、及び合成繊維ロッドの一つからなる請求項１記載の水底削岩システム。
4. 水底に削岩システムを配置する工程と、
   内部にラッチされた第１のコアバレルを有する第１のドリルロッドを回転させ、かつドリルロッドを長手方向で前進させることにより地層を削岩する工程と、
   選定された長手方向位置において第１のドリルロッドの上端を開き、そして端部にラッチ装置を有するケーブルを第１のドリルロッド内に下降させ、第１のドリルロッドの上端の開口からドリルヘッドを取り出す工程と、
   第１のコアバレルを回収するためにケーブルを回収する工程と、
   第１のコアバレルを第１のドリルロッドから横方向に移動する工程と、
   第１のドリルロッド内に第２のコアバレルを挿入し、かつこの第２のコアバレルを第１のドリルロッドの中にラッチする工程と、
   第１のドリルロッドの上端に第２のドリルロッドを固定する工程と、更に
   第１及び第２のドリルロッドを長手方向に前進させ、かつ回転させることにより地層の削岩を再開する工程と、
   から成る水底下方の地層を削岩する方法。
5. 選定された長手方向位置において、第２のドリルロッドの上端を開き、そして端部にラッチ装置を有するケーブルを第２のドリルロッド内に下降させる工程と、
   第２のコアバレルを回収するためにケーブルを回収する工程と、
   第２のコアバレルを第１及び第２のドリルロッドから横方向に移動する工程と、
   第１及び第２のドリルロッド内に第３のコアバレルを挿入し、そしてこれらを第１のドリルロッド内にラッチする工程と、
   第２のドリルロッドの上端に第３のドリルロッドを固定する工程と、更に
   第１、第２及び第３のドリルロッドを長手方向に前進させ、かつ回転させ地層の削岩を再開する工程と、
   から更に成る請求項４記載の方法。
6. 回転が、第１のドリルロッドに結合されたドリルヘッド内のモーターの運転による請求項４記載の方法。
7. ドリルヘッドの取り出しが、ドリルヘッドを、ケーブルによる第１のドリルロッドの内部へのアクセスを可能にするに十分な量の、垂直方向及び横方向の少なくも一方における移動による請求項４記載の方法。
8. 第１のドリルロッドを削岩により作られたボアホールの底から持ち上げる工程と、及び
   第１のドリルロッドの上端を開くより前に第１のドリルロッドの垂直方向位置を固定する工程と、
   から更に成る請求項４記載の方法。

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