JP6551001B2 - フロートバルブサブ - Google Patents

Description

本発明はドリルストリングに用いるフロートバルブサブに関し、例えば、ボトムホール・アセンブリの内側にフロートバルブアセンブリを着脱可能に設けたフロートバルブサブに好適に利用できるものである。

地層のサンプルコアを採取する技術が知られている。当該技術では、例えば、ドリルストリングと呼ばれる筒状構造物の端部円周上にドリルビットが設けられている。ドリルストリングは、回転などにより、地層内に侵入する。その後、ドリルストリングを地層から抜き出すことで、ドリルストリングの内側から円柱状の地層サンプルが採取される。このように採取された地層サンプルを解析することで、地層の構造や空隙率などの物理特性をより詳細に知ることが可能となる。この技術は、例えば油ガス層評価や地震に係る研究への寄与などが期待されている。

ドリルストリングで地層を掘削する際、地層流体が坑井内に流入するキックや暴墳と呼ばれる現象が発生する可能性がある。例えば、ドリルストリングの先端が達した先に地下水脈、油ガス層等の液層があった場合に、地層の間隙圧によっては地層流体がドリルビットから逆流しドリルストリングの内側を通り、船上もしくは地上へ噴出し、掘削の継続が困難になる可能性が考えられる。このようなキック・暴墳が発生しそうな場合には、これを適切に防止する防墳装置を、ドリルストリングの内側に予め設け坑井抑制（ウェルコントロール）対策を図ることが望ましい。

上記に関連して、特許文献１および特許文献２には、フラッパ型フロートバルブの発明が開示されている。これらの発明では、いずれの場合も、フラッパ型の蓋を用いるフロートバルブがドリルストリングの内側に設けられている。

米国特許第２１６２５７８号明細書 米国特許第３０６６６９３号明細書

掘削作業の観点からは、ドリルストリングの外径をより細くしたい。その一方で、地層解析の観点からは、より大きい直径の地層サンプルを採取するために、ドリルストリングの内径をより広げたい。しかし、従来技術によるフラッパ型フロートバルブでは、フラッパ型の蓋をドリルストリングの内部に設けた結果、ドリルストリングのフロートバルブを設置した部分の最大外径に対するフロートバルブの最小内径の比率が大幅に低下している。この問題は、後述する２層構造のドリルストリングではより顕著になる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

一実施の形態によれば、フロートバルブサブ２は、アウターバレルアセンブリ（１００）と、フロートバルブアセンブリ（２００）とを有する。ここで、フロートバルブアセンブリ（２００）は、アウターバレルアセンブリ（１００）の内側に、着脱可能に配置される。このフロートバルブアセンブリ（２００）は、第１端部（２０１）と、第２端部（２０２）と、フロートバルブ中間部（２０３）と、蓋部（２３０）とを有する。ここで、第１端部（２０１）と、第２端部（２０２）とは、それぞれ、筒型の形状を有する。フロートバルブ中間部（２０３）は、第１端部（２０１）および第２端部（２０２）の間に配置される。蓋部（２３０）は、第１端部（２０１）に取り付けられており、第１位置および第２位置の間で回動自在である。ここで、蓋部（２３０）は、第１位置においては第１端部（２０１）の流路（２２１）を閉鎖し、第２位置においては第１端部（２０１）の流路としてのフロートバルブ第１開口部（２２１）を解放する。フロートバルブ中間部（２０３）は、蓋部（２３０）の一部（２３３）が通過可能な側方開口（２２３）を有する。アウターバレルアセンブリ（１００）は、第１部分（１１０）と、第２部分（１２０）と、アウターバレル中間部（１３０）とを有する。ここで、第１部分（１１０）は、第１端部（２０１）を受け入れ、第１端部（２０１）の外周面と相補的な内周面形状を有する。第２部分（１２０）は、第２端部（２０２）を受け入れ、第２端部（２０２）の外周面と相補的な内周面形状を有する。アウターバレル中間部（１３０）は、第１部分（１１０）と、第２部分（１２０）との間に配置される。アウターバレル中間部（１３０）は、第２位置にある蓋部（２３０）を受け入れ可能な凹部（１０３）を有する。ここで、第１部分（１１０）の最小内径（ＤＯ１）は、第２部分（１２０）の最小内径（ＤＯ２）よりも大きく、かつ、環状凹部（１０３）の内径（ＤＯ３）は、第１部分（１１０）の最小内径（ＤＯ１）よりも大きい。

前記一実施の形態によれば、フラッパ型フロートバルブをドリルストリング内に設置した際の、ドリルストリングのフロートバルブを設置した部分の最大外径に対する、フロートバルブの最小内径の比率を向上させることが出来る。

図１は、海底を掘削するコアリングシステム（ボトムホール・アセンブリの一種）の一構成例を示す図である。 図２Ａは、ワイヤライン回収方式で用いるドリルストリングの遠位端部に設けられたコアバレルの一構成例を示す部分断面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示したコアバレルのうち、アウターバレル部の一構成例を示す断面図である。 図２Ｃは、図２Ａに示したコアバレルのうち、インナーバレル部の一構成例をより詳細に示す断面図である。 図３Ａは、図２Ａ〜図２Ｃに示したコアバレルを用いたコア採取の手法の一例の第１段階を示す図である。 図３Ｂは、コア採取の手法の一例の第２段階を示す図である。 図３Ｃは、コア採取の手法の一例の第３段階を示す図である。 図４は、図２Ａ〜図２Ｃに示したドリルストリングにケーシングパイプを組み合わせたコア採取の手法の一例を示す図である。 図５Ａは、一実施形態によるフロートバルブサブを用いるコアバレルの一構成例を示す断面図である。 図５Ｂは、一実施形態によるフロートバルブサブの、他のサブとの接続関係を示す部分断面図である。 図６は、一実施形態によるフロートバルブサブのうち、アウターバレルアセンブリの一構成例を示す断面図である。 図７Ａは、一実施形態によるフロートバルブアセンブリの一構成例の、フラッパ蓋が第１位置にある状態を示す図である。 図７Ｂは、一実施形態によるフロートバルブアセンブリの一構成例の、フラッパ蓋が第２位置にある状態を示す図である。 図７Ｃは、図７Ｂに示した状態のフロートバルブアセンブリの側面図である。 図８Ａは、図７Ａおよび図７Ｂに示したフロートバルブアセンブリのフラッパ蓋を示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示したフラッパ蓋の、断面線Ａ−Ａによる断面図である。 図８Ｃは、図８Ａに示したフラッパ蓋の、断面線Ｂ−Ｂによる断面図である。 図９は、一実施形態による環状凹部の内径と、フロートバルブ第１開口部の外径との幾何学的な関係を示す図である。 図１０は、ライザー掘削システムを用いたコアリングシステムの一構成例を示す図である。

添付図面を参照して、本発明によるフロートバルブサブを実施するための形態を以下に説明する。

海底の地層からサンプルを採取するコアリング技術について説明する。図１は、海底を掘削するコアリングシステムの一構成例を示す図である。ここで、コアリングシステムとは、ボトムホール・アセンブリ１の一種である。図１に示した例では、まず、掘削したい海底１５の直上の海面１４に掘削リグ１２を用意する。掘削リグ１２は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：グローバルポジショニングシステム）衛星１８などを利用して、自身の位置を掘削位置の直上に保持し続けることが望ましい。掘削リグ１２は、ドリルストリング１１を継ぎ足しては海１３に降ろす工程を繰り返す。ドリルストリング１１の先端が海底１５下の地層１６内に到達すると（掘削孔１７を参照）、掘削リグ１２はドリルストリング１１を制御して海底１５の地層１６から地層サンプルとしてのコアを採取する。

しかしながら、海面１４から海底１５までの距離は数千メートルに達する場合があり、このような場合にも１本のコアを採取するたびにドリルストリング１１の全体を昇降していては作業効率が悪い。そこで、ドリルストリング１１による掘削を開始したらその後は揚管せずに、ドリルストリングのアウターバレル部の内側に挿入されるインナーバレル部を用いて、コアを掘削リグ１２に連続的に回収する技術が知られている。このような技術の１つに、ワイヤライン回収方式がある。

なお、図１に示したコアリングシステムは、海底掘削のみならず、陸上における地層掘削にも使用可能である。

図２Ａは、ワイヤライン回収方式で用いるドリルストリング１１の遠位端部に設けられたコアバレル１０の一構成例を示す断面図である。図２Ａに示したコアバレル１０は２層構造であり、外側にアウターバレル部３０を有し、内側にインナーバレル部５０を有している。アウターバレル部３０は筒状であり、その内側をインナーバレル部５０が、コアバレル１０の長手方向（図２Ａに示した座標の±Ｚ方向）に移動可能である。

なお、図２Ａでは、アウターバレル部３０についてはその断面図を示し、インナーバレル部５０についてはその側面図を概略的に示している。アウターバレル部３０はドリルストリング１１の遠位端に設けられている。

図２Ｂは、図２Ａに示したコアバレル１０のうち、アウターバレル部３０の一構成例を示す断面図である。図２Ｂに示したアウターバレル部３０は、コアビット３１と、ニアビットサブ３２と、ドリルカラーサブ３３と、ランディングサブ３４と、ヘッドサブ３５と、ランディングリング３６と、ラッチ部３７とを有している。

コアビット３１は、アウターバレル部３０の遠位端に設けられている。コアビット３１の上端部には、ニアビットサブ３２が接続されている。ニアビットサブ３２の上端部には、ドリルカラーサブ３３が接続されている。ドリルカラーサブ３３の上端部には、ランディングサブ３４が接続されている。ランディングサブ３４の上端部には、ヘッドサブ３５が接続されている。ランディングリング３６は、ドリルカラーサブ３３の内壁の、上端側開口部の付近に設けられている。ラッチ部３７は、ランディングサブ３４の内壁を中ぐりして設けられた空間を含む。

図２Ｃは、図２Ａに示したコアバレル１０のうち、インナーバレル部５０の一構成例をより詳細に示す図である。図２Ｃに示したインナーバレル部５０は、インナーチューブ５１と、コアライナー５２と、長さ調節機構５３と、スイベル機構５４と、ランディング機構５５と、ラッチ機構５６と、フィッシングネック５７とを有している。ここで、長さ調節機構５３は、ロックボルト５８を有している。

インナーチューブ５１は、インナーバレル部５０の遠位端に設けられている。インナーチューブ５１の内側には、コアライナー５２が設けられている。インナーチューブ５１の上端部側には、長さ調節機構５３が設けられている。長さ調節機構５３の上端部側には、スイベル機構５４が設けられている。スイベル機構５４の上端部側には、ランディング機構５５が設けられている。ランディング機構５５の上端部側には、ラッチ機構５６が設けられている。ラッチ機構５６の上端部側には、フィッシングネック５７が設けられている。

フィッシングネック５７は、掘削リグ１２から伸びるワイヤラインに、インナーバレル部５０を着脱可能に接続する。ワイヤラインおよびフィッシングネック５７の着脱は、掘削リグ１２がワイヤラインを制御して行う。

ラッチ機構５６は、ラッチ部３７に嵌合することによってインナーバレル部５０をアウターバレル部３０に固定する。ラッチ機構５６がアウターバレル部３０に固定されると、アウターバレル部３０の回転運動がインナーバレル部５０に伝達される。また、ラッチ機構５６は、インナーバレル部５０がワイヤラインを介して掘削リグ１２に回収される際には、ラッチ部３７との嵌合が解除される。

ランディング機構５５は、インナーバレル部５０と、アウターバレル部３０との、ドリルストリング１１の長手方向における位置関係を調節する。図２Ｃに示した例では、ランディング機構５５の外径は、ランディングリング３６の内径よりも大きい。ここで、インナーバレル部５０が掘削リグ１２からアウターバレル部３０の端部まで落下する際、ランディング機構５５の下面がランディングリング３６の上面に載ることによって、インナーバレル部５０と、アウターバレル部３０との位置関係が決定しても良い。

スイベル機構５４は、採取途中のコアが、掘削される地層に対して捩じれないように、スイベル機構の遠位側に配置されているコアライナー５２を、アウターバレル部３０の回転運動に伴って回転しないようにする目的で設けられている。図２Ｃに示した例では、スイベル機構５４は、インナーバレル部５０の上端側に接続される外側部分と、下端側に接続される内側部分と、外側部分および内側部分の間に設けられたベアリングとを有する。スイベル機構５４の存在によって、アウターバレル部３０の回転運動は、インナーバレル部５０のうち、スイベル機構５４より下側に配置される構成要素には伝達されない。

長さ調節機構５３は、インナーバレル部５０の全長を調節するために設けられている。長さ調節機構５３は、インナーバレル部５０の上端側に接続される内側部分と、下端側に接続される外側部分と、内側部分および外側部分を接続するロックボルト５８とを有する。内側部分および外側部分のそれぞれは、ロックボルト５８を通す穴を複数有している。長さ調節機構５３の内側部分および外側部分のそれぞれにおいて、ロックボルト５８を通す穴を適宜に選択することによって、インナーバレル部５０の長さを調節することが出来る。

インナーチューブ５１は、その内側にコアライナー５２を支持している。コアライナー５２は、採取するコアを格納する。インナーチューブ５１は、図示しないコアキャッチャーおよびコアリフターを有していることが望ましい。ここで、コアキャッチャーおよびコアリフターは、採取されるべきコアを地層から切り離す。また、コアキャッチャーおよびコアリフターは地層１６から切り離したコアを支持してその落下を防止する。なお、コアキャッチャーおよびコアリフターは、どちらか一方だけを用いても良い。

なお、図２Ａ〜図２Ｃに示したアウターバレル部３０およびインナーバレル部５０は、ロータリーコアバレルと呼ばれ、採取したい地層１６が比較的硬い場合に用いられる。採取したい地層１６が比較的柔らかい場合は、他の構成によるインナーバレル部５０を用いても良い。

図３Ａ〜図３Ｃは、図２Ａ〜図２Ｃに示したドリルストリング１１を用いたコア採取の手法の一例の各段階を示す図である。

図３Ａに示した第１段階では、サンプルを採取したい地層１６に向けてドリルストリング１１を延ばし、ドリルストリング１１の内部を通してインナーバレル部５０をアウターバレル部３０に向けて降ろす。このとき、アウターバレル部３０の先端に設けられたコアビット３１の開口と、インナーバレル部５０の先端に設けられたコアライナー５２の開口とが、ドリルストリング１１の掘削進行方向に重なり合うことが望ましい。なお、ドリルストリング１１の掘削進行方向は、ドリルストリング１１の長手方向に一致し、また、ドリルストリング１１の回転軸方向にも一致する。

図３Ｂに示した第２段階では、ドリルストリング１１が回転軸まわりに回転して地層１６を掘り進む。このとき、地層１６の一部が、コアビット３１の開口を介してコアライナー５２の内部に入る。

図３Ｃに示した第３段階では、掘削リグ１２が、ワイヤラインをアウターバレル部３０の内部に伸ばしてインナーバレル部５０のフィッシングネック５７に接続し、ワイヤライン共々、インナーバレル部５０を引き上げる。このとき、コアライナー５２の内部に入っている地層１６の一部は、コアキャッチャーおよびコアリフターによって地層１６からの切り離しおよび支持をされ、地層サンプルのコア４０として採取される。

その後、掘削リグ１２に引き上げられたインナーバレル部５０からコア４０が取り出されると、第１段階から第３段階までの各段階が繰り返される。こうすることで、アウターバレル部３０を含むドリルストリング１１を揚菅することなく、コア４０を連続的に採取することが可能となる。

より深く掘削を行うために、ケーシングパイプを用いる手法が知られている。ドリルストリング１１を用いて地層１６を掘り進めていくと、掘削孔１７を囲む地層が崩れるなどして、ドリルストリング１１の回転や掘進が妨げられ、掘削の継続が困難になる可能性がある。これを防ぐために、ある程度の深度まで掘削した後に、ドリルストリング１１を防護するケーシングパイプで掘削孔１７の内壁を補強することが考えられる。

掘削孔１７に挿入可能なケーシングパイプの外径は、この掘削孔１７を掘削したコアビット３１の外径と同等であるので、ケーシングパイプで補強された掘削孔１７をさらに掘り進めるためには、別のより外径の小さいコアビット３１が必要となる。また、より外径の小さいコアビット３１で掘り進めた掘削孔１７は、別のより細いケーシングパイプで補強されることになる。このような段階を繰り返すことで、より深い掘削が可能となる。

図４は、図２Ａ〜図２Ｃに示したドリルストリング１１にケーシングパイプを組み合わせたコア採取の手法の一例を示す部分断面図である。

図４に示した断面図は、地層１６と、ドリルストリング１１と、第１ケーシングパイプ７１と、第２ケーシングパイプ７２と、第３ケーシングパイプ７３と、第４ケーシングパイプ７４とを含んでいる。

第１ケーシングパイプ７１〜第４ケーシングパイプ７４は、それぞれ、太さおよび長さが互いに異なる円筒状の構造物である。第１ケーシングパイプ７１の外径が最も太く、第２ケーシングパイプ７２の外径がその次に太く、第３ケーシングパイプ７３の外径はさらにその次に太く、第４ケーシングパイプ７４の外径が最も細い。また、第１ケーシングパイプ７１が最も短く、第２ケーシングパイプ７２がその次に短く、第３ケーシングパイプ７３はさらにその次に短く、第４ケーシングパイプ７４が最も長い。

第１ケーシングパイプ７１〜第４ケーシングパイプ７４は、掘削孔１７の直上から見ると同心円状に配置されて、地層１６に埋められている。第１ケーシングパイプ７１〜第４ケーシングパイプ７４のそれぞれにおいて、上端部は地層１６の表面に位置していても良い。

複数のケーシングパイプを用いることで、掘削可能な深度が向上する半面、使用可能なコアビット３１の太さ（外径）は段階的に細くなる。したがって、使用可能なドリルストリング１１の外径および内径も段階的に小さくなってしまう。

さらに、暴墳を防ぐフロートバルブをドリルストリング１１の内部に設けると、ドリルストリング１１の部分的な内径が、さらに減少してしまい、したがってドリルストリング１１の外径に対する内径の比率がさらに減少してしまうことが考えられる。

（第１実施形態）
本実施形態では、ドリルストリングの内部にフロートバルブを設けても、外径に対する内径の比率の減少を抑制出来る構成を提案する。

図５Ａは、本実施形態によるフロートバルブサブを用いるアウターバレル部３０の一構成例を示す断面図である。図５Ａに示したアウターバレル部３０は、図２Ａ〜図２Ｃに示したアウターバレル部３０に、本実施形態によるフロートバルブサブ２を追加したものに等しい。フロートバルブサブ２は、ドリルカラーサブ３３と、ニアビットサブ３２との間に配置されており、その内側をインナーチューブ５１が通過している。

なお、本実施形態によるフロートバルブサブ２は、アウターバレル部３０の別の場所に配置されても良い。例えば、本実施形態によるフロートバルブサブ２を、コアビット３１と、ニアビットサブ３２との間に配置しても良い。あるいは、フロートバルブサブ２を、ランディングサブ３４と、ドリルカラーサブ３３との間に配置しても良い。さらなる変形例としては、インナーチューブ５１を取り外さない、いわゆるコンベンショナル型のロータリーコアバレルにも、本実施形態によるフロートバルブサブ２を設けることが可能である。

図５Ａに示したアウターバレル部３０に含まれるその他の構成要素については、図２Ａ〜図２Ｃの場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

なお、ドリルストリング１１が安定的に回転するためには、フロートバルブサブ２を含む各サブの形状が、ドリルストリング１１の回転軸に対して、なるべく高い回転対称性を有することが望ましい。また、各サブは、その成形や加工を、より容易に、かつ、より高精度で実現するためにも、やはりなるべく高い回転対称性を有することが望ましい。このような理由により、以降の説明では様々な部分に円、円盤、円柱、円筒などの回転体が登場する。ただし、これらの回転体は、幾何学的に厳密な円、円盤、円柱、円筒などとは限らず、ドリルストリング１の安定的な回転や、各サブの組み立てなどを妨げない程度の現実的な範囲内での変形を含んでも構わない。

図５Ｂは、本発明によるフロートバルブサブ２の、他のサブとの接続関係を示す部分断面図である。

図５Ｂに示したフロートバルブサブ２は、外筒アセンブリとしてのアウターバレルアセンブリ１００と、フロートバルブアセンブリ２００とを有する。フロートバルブアセンブリ２００は、アウターバレルアセンブリ１００の内部に配置されている。図５Ｂではアウターバレルアセンブリ１００の断面図を示している。

図５Ｂに示したフロートバルブサブ２は、その上端側に、上側サブ３００が接続されている。また、図５Ｂに示したフロートバルブサブ２は、その下端側に、下側サブ５００が接続されている。上側サブ３００およびフロートバルブサブ２の接続と、フロートバルブサブ２および下側サブ５００との接続とには、例えば、水密性に優れるテーパーねじを用いることが望ましい。

図６は、本実施形態によるフロートバルブサブ２のうち、アウターバレルアセンブリ１００の一構成例を示す断面図である。

外筒アセンブリとしてのアウターバレルアセンブリ１００は、強度や水密性の観点から、単一の部材を加工して形成することが望ましい。アウターバレルアセンブリ１００は、アウターバレル第１部分１１０と、アウターバレル第２部分１２０と、アウターバレル中間部１３０とを備える。

アウターバレル第１部分１１０は、アウターバレルアセンブリ１００の近位側の端部である。アウターバレル第２部分１２０は、アウターバレルアセンブリ１００の遠位側の端部である。アウターバレル中間部１３０は、アウターバレル第１部分１１０と、アウターバレル第２部分１２０との間に配置されている。

アウターバレル第１部分１１０は、アウターバレル第１接続部１１１と、アウターバレル第１受け入れ部１１２とを備える。また、アウターバレル第１部分１１０の内側の空間を、アウターバレル第１開口部１０１と呼ぶ。

アウターバレル第１接続部１１１は、上側サブ３００の下端側接続部と接続される。図５Ｂおよび図６に示した構成例では、アウターバレル第１接続部１１１の内側にテーパー雌ねじが形成されており、これが上側サブ３００の下端側接続部の外側に形成されたテーパー雄ねじと嵌合する。

アウターバレル第１受け入れ部１１２の内周面は、フロートバルブアセンブリ２００の上側端部（上側端部の外周面）と相補的な形状を有しており、フロートバルブアセンブリ２００の上側端部を受け入れて支持する。なお、アウターバレル第１受け入れ部１１２は、フロートバルブアセンブリ２００をアウターバレルアセンブリ１００に装着する際に、フロートバルブアセンブリ２００の全体がアウターバレル第２受け入れ部１２２まで通過出来る形状を有している。

同様に、アウターバレル第２部分１２０は、アウターバレル第２接続部１２１と、アウターバレル第２受け入れ部１２２とを備える。また、アウターバレル第２部分１２０の内側の空間を、アウターバレル第２開口部１０２と呼ぶ。

アウターバレル第２接続部１２１は、下側サブ５００の上端側接続部と接続される。図５Ｂおよび図６に示した構成例では、アウターバレル第２接続部１２１の外側にテーパー雄ねじが形成されており、これが下側サブ５００の上端側接続部の内側に形成されたテーパー雌ねじと嵌合する。

アウターバレル第２受け入れ部１２２の内周面は、その内周面に、フロートバルブアセンブリ２００の下側端部と（下側端部の外周面）相補的な形状を有しており、フロートバルブアセンブリ２００の下側端部を受け入れて支持する。なお、アウターバレル第２受け入れ部１２２は、フロートバルブアセンブリ２００が通り過ぎてアウターバレルアセンブリ１００の下側サブ側に落下しないような形状を有している。このような形状の一例として、図６に示した構成例では、アウターバレル第２部分１２０の最小内径ＤＯ２が、アウターバレル第１部分１１０の最小内径ＤＯ１よりも小さい。なお、この最小内径ＤＯ２は、少なくともインナーチューブ５１が内側を貫通出来る、フロートバルブアセンブリ２００の最大外径よりも小さな寸法である。

アウターバレル中間部１３０の内側には、フロートバルブアセンブリ２００を受け入れるための空間がある。この空間の上側には、アウターバレル第１開口部１０１が繋がっている。この空間の下側には、アウターバレル第２開口部１０２が繋がっている。この空間の外周、かつ、アウターバレル中間部１３０の内周面には、環状凹部１０３がある。環状凹部１０３は、アウターバレルアセンブリ１００の内壁を中ぐり加工するなどの方法で形成しても良い。環状凹部１０３は、後述するように、フロートバルブアセンブリ２００の筒形状部からはみ出るフラッパ蓋を受け入れるために設けられる。環状凹部１０３の内径ＤＯ３は、アウターバレル第１部分１１０の最小内径ＤＯ１よりも大きい。

アウターバレル中間部１３０の上側の、アウターバレル第１部分１１０との境界における内径は、アウターバレル第１受け入れ部１１２の内径Ｄ０１に等しい。そして、アウターバレル中間部１３０の環状凹部１０３の内径ＤＯ３は、アウターバレル第１受け入れ部１１２の内径ＤＯ１よりも大きい。ここで、アウターバレル中間部１３０の上側内周面において、内径がＤＯ１からＤＯ３に連続的に変化する領域があっても良い。

同様に、アウターバレル中間部１３０の下側の、アウターバレル第２部分１２０との境界における内径は、アウターバレル第２受け入れ部１２２の内径Ｄ０１に等しい。そして、アウターバレル中間部１３０の環状凹部１０３の内径ＤＯ３は、アウターバレル第２受け入れ部１２２の内径ＤＯ１よりも大きい。ここで、アウターバレル中間部１３０の下側内周面において、内径がＤＯ３からＤＯ１に連続的に変化する領域があっても良い。

なお、本実施形態では、アウターバレル中間部１３０の下側の、アウターバレル第２部分１２０との境界における内径を、アウターバレル第１受け入れ部１１２の内径Ｄ０１と同サイズとしているが、前者を後者より小さくすることも可能である。

ドリルストリング１１のドリルパイプの最小肉厚をＴｍｉｎと表記する。ここで、ドリルパイプとは、ドリルストリング１１のうち、ロータリーコアバレルより掘削リグ１２側の部分の、外壁部分であって、掘削リグ１２からロータリーコアバレルまで回転運動を伝達する機能などを担う。一般的にアウターバレルアセンブリ１００の外径はドリルパイプの外径より大きいため、ドリルストリング１１を構成する構造体の一部であるアウターバレルアセンブリ１００に要求される強度は、アウターバレルアセンブリ１００のどの部分においても、その厚さが最小厚さＴｍｉｎ以上であれば保障される。したがって、アウターバレルアセンブリ１００の側壁のうち、環状凹部１０３の厚さをＴと置くとき、厚さＴは最小厚さＴｍｉｎ以上であることが望ましい。なお、厚さＴとして、最小厚さＴｍｉｎ以上の値を確保出来ない場合は、アウターバレルアセンブリ１００の材質を、より強度の高い材質に変更しても良い。

図７Ａは、本実施形態によるフロートバルブアセンブリ２００の一構成例の、フラッパ蓋２３０が第１位置にある状態を示す図である。図７Ｂは、本実施形態よるフロートバルブアセンブリ２００一構成例の、フラッパ蓋２３０が第２位置にある状態を示す図である。図７Ｃは、図７Ｂに示した状態のフロートバルブアセンブリ２００の側面図である。図７Ａおよび図７Ｂにおいては、フロートバルブアセンブリ２００の内部を説明するために、外壁の一部を断面図として示している。

図８Ａは、図７Ａ〜図７Ｃに示したフロートバルブアセンブリ２００のフラッパ蓋２３０を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示したフラッパ蓋２３０の、断面線Ａ−Ａによる断面図である。図８Ｃは、図８Ａに示したフラッパ蓋２３０の、断面線Ｂ−Ｂによる断面図である。

図７Ａ〜図７Ｃに示したフロートバルブアセンブリ２００は、フロートバルブボディ２１０と、フラッパ蓋２３０と、ヒンジ２４０と、付勢部材２５０と、密閉用シーリング部材２２４と、リテーナ２２５と、固定用シーリング部材２１１、２１２とを有している。

図７Ａ〜図７Ｃに示したフロートバルブボディ２１０は、上側のフロートバルブ第１端部２０１と、下側のフロートバルブ第２端部２０２と、フロートバルブ中間部２０３とを備える。ここで、フロートバルブ中間部２０３は、フロートバルブ第１端部２０１と、フロートバルブ第２端部２０２との間に配置されている。

なお、別々に形成したフロートバルブ第１端部２０１と、フロートバルブ第２端部２０２と、フロートバルブ中間部２０３とを組み立てることによってフロートバルブボディ２１０を形成しても良い。

フロートバルブ第１端部２０１は、ボディ側ヒンジ支持部２１３と、ボディ側付勢部材支持部２１４と、フロートバルブ第１開口部２２１とを有している。フロートバルブ第２端部２０２は、フロートバルブ第２開口部２２２を有している。フロートバルブ中間部２０３は、側方開口２２３を有している。

図７Ａ〜図７Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃに示したフラッパ蓋２３０は、平面部２３１と、インナーチューブガイド２３２と、側端部２３３と、蓋側ヒンジ支持部２３４と、蓋側付勢部材支持部２３５とを有する。

図７Ａ〜図７Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃに示した各構成要素の接続関係について説明する。

フロートバルブ第１端部２０１は、筒型の形状を有している。リテーナ２２５も筒型の形状を有しており、フロートバルブ第１端部２０１の内側に嵌合されている。密閉用シーリング部材２２４は、弾性材質で環状の形状を有しており、フロートバルブ第１端部２０１と、リテーナ２２５との間に配置されている。ただし、密閉用シーリング部材２２４は、その環状の端面が、フロートバルブボディ２１０の内側の空間に向けて露出している。フロートバルブ第１端部２０１と、リテーナ２２５と、密閉用シーリング部材２２４との集合体も筒状の形状を有しており、その内側の空間をフロートバルブ第１開口部２２１と呼ぶ。このとき、密閉用シーリング部材２２４は、その露出部分が、フロートバルブ第１開口部２２１の、下側の開口面を囲むように配置されている。なお、フロートバルブ第１開口部２２１は、その内側をインナーチューブ５１が貫通出来るサイズおよび形状を有する。ここで、フロートバルブ第１開口部２２１の内径をＤＦ２とする。なお、本実施形態において、ＤＦ２は、厳密にはリテーナ２２５の内径である。

固定用シーリング部材２１１、２１２は、それぞれ、環状の形状を有しており、フロートバルブ第１端部２０１の外周を囲むようにして配置されている。ここで、フロートバルブ第１端部２０１は、固定用シーリング部材２１１、２１２の位置を位置決めするために、その外周に溝を有していても良い。

なお、固定用シーリング部材２１１、２１２は、上記とは異なる構成でも実現可能である。例えば、フロートバルブ第１端部２０１の、上側サブ３００と接する面に溝を設け、この溝に密閉用シーリング部材２２４を配置しても良い。

フロートバルブ第２端部２０２は、筒状の形状を有しており、その内側の空間をフロートバルブ第２開口部２２２と呼ぶ。フロートバルブ第２開口部２２２は、その内側をインナーチューブ５１が貫通出来るサイズおよび形状を有する。ここで、本実施形態では、フロートバルブ第２開口部２２２の内径を、フロートバルブ第１開口部２２１の内径と同じＤＦ２とする。なお、フロートバルブ第１開口部２２１の内径と、フロートバルブ第２開口部２２２の内径とは、インナーチューブ５１が貫通さえ出来れば、必ずしも同じでなくても良い。

フロートバルブ中間部２０３は、筒型の形状を有しており、その上側端部にはフロートバルブ第１端部２０１が接続されており、その下側端部にはフロートバルブ第２端部２０２が接続されている。フロートバルブ中間部２０３の内側の空間は、上側においてはフロートバルブ第１開口部２２１に繋がっており、下側においてはフロートバルブ第２開口部２２２に繋がっている。

フロートバルブ中間部の側面には側方開口２２３が設けられている。側方開口２２３は、フラッパ蓋２３０が第１位置および第２位置の間で移動する際に通過できる程度に広い。

フロートバルブ第１端部２０１と、フラッパ蓋２３０とは、ヒンジ２４０を介して接続されている。ヒンジ２４０は、円柱状の形状を有し、ボディ側ヒンジ支持部２１３と、蓋側ヒンジ支持部２３４とを、自身の長手方向に貫通している。ここで、ヒンジ２４が抜け落ちないように、ヒンジ２４は、ボディ側ヒンジ支持部２１３または蓋側ヒンジ支持部２３４に対してねじ止めするなどして固定されることが望ましい。

フラッパ蓋２３０は、ヒンジ２４０の長手方向に設定される回転軸の周囲を回転して第１位置および第２位置の間を移動することが出来る。ここで、第１位置とは、フラッパ蓋２３０が密閉用シーリング部材２２４に密着してフロートバルブ第１開口部２２１（流路）を閉鎖する位置である。また、第２位置とは、フラッパ蓋２３０がフロートバルブ第１開口部２２１の流路を解放し、かつ、フロートバルブアセンブリを通過するインナーチューブ５１に干渉しない退避位置である。第２位置とは、例えば、フラッパ蓋２３０の全体が、アウターバレルアセンブリ１００の長手方向に見て、フロートバルブ第１開口部２２１（またはフロートバルブ第２開口部２２２）に重ならない位置である。

付勢部材２５０は、フラッパ蓋２３０を第１位置に向けて付勢する。本実施形態において、付勢部材２５０はコイル状のねじりばねであって、そのコイル部分はヒンジ２４０の周囲に配置されており、その一端はボディ側付勢部材支持部２１４に接触し、その他端は蓋側付勢部材支持部２３５に接触する。ここで、本実施形態によるボディ側付勢部材支持部２１４は、付勢部材２５０の一端が外れないように、周囲のフロートバルブボディ２１０の部分に対して、付勢部材２５０から負荷が加えられる方向に、凹んでいる。同様に、本実施形態による蓋側付勢部材支持部２３５は、付勢部材２５０の他端が外れないように、周囲のフラッパ蓋２３０の部分に対して、付勢部材２５０から負荷が加えられる方向に、凹んでいる。

本実施形態によるフロートバルブサブ２の、組み立てに係る動作について説明する。

フロートバルブアセンブリ２００がアウターバレルアセンブリ１００の内側に装着される際、フロートバルブ第１端部２０１がアウターバレル第１受け入れ部１１２によって受け入れられて固定され、また、フロートバルブ第２端部２０２がアウターバレル第２受け入れ部１２２によって受け入れられて支持される。このとき、フロートバルブ第２開口部２２２は、アウターバレル第２開口部１０２に繋がる。

フロートバルブアセンブリ２００がアウターバレルアセンブリ１００の内側に装着された際、固定用シーリング部材２１１、２１２は、フロートバルブ第１端部２０１と、アウターバレル第１受け入れ部１１２とを、液密にシールする。ここで、フロートバルブアセンブリ２００の外径をＤＦ１とするとき、ＤＦ１はアウターバレル第１部分１１０の最小内径ＤＯ１にほぼ等しく、ただしＤＯ１以下であることが望ましい。

フロートバルブアセンブリ２００を装着したアウターバレルアセンブリ１００に上側サブ３００を装着する際、フロートバルブ第１開口部２２１は、上側サブ３００の下側開口部に繋がる。このとき、フロートバルブアセンブリ２００は、上側サブ３００との接続によって、その上側を固定される。この状態において、インナーチューブ５１は、上側サブ３００と、フロートバルブ第１開口部２２１と、フロートバルブ第２開口部２２２と、アウターバレル第２開口部１０２とを通過出来る。

本実施形態によるフロートバルブサブ２の、フラッパ蓋２３０がフロートバルブ第１開口部２２１を閉鎖する動作について説明する。

インナーバレル部５０が掘削リグ１２によって引き上げられるなどして、インナーチューブ５１がフロートバルブボディ２１０の内部から退出すると、付勢部材２５０の働きによって、フラッパ蓋２３０が図７Ａに示す第１位置に移動する。

フラッパ蓋２３０は、少なくともその主面の周辺領域に、平坦な平面部２３１を有している。平面部２３１は、フラッパ蓋２３０が第１位置に移動した際、密閉用シーリング部材２２４と接触する。そして、フラッパ蓋２３０は、フロートバルブ第１開口部２２１の流路を閉鎖する。その結果、ドリルストリング１の内部空間のうち、フロートバルブサブ２より上側の部分と下側の部分とは、フラッパ蓋２３０によって隔離される。この状態において、ドリルストリング１の内部にフロートバルブサブ２より下側の部分から流体が流入しても、フロートバルブサブ２より上側には漏れず、暴墳を防ぐことが出来る。

発明者は、本実施形態によるフロートバルブサブ２の第１状態においてフロートバルブ第２開口部側から水圧を印加する実験を行った結果、９８．５ミリメートルの内径を有するフロートバルブサブ２が約２０メガパスカルの圧力までの耐久性が得られることを確認した。なお、この実験結果はあくまでも一例であって、本発明の権利範囲を限定するものではない。

本実施形態によるフロートバルブサブ２の、フラッパ蓋２３０がフロートバルブ第１開口部２２１を解放する動作について説明する。

インナーバレル部５０がアウターバレル部３０の端部まで挿入されるなどして、インナーチューブ５１がフロートバルブボディ２１０の内部に進入する際、インナーチューブ５１がフラッパ蓋２３０を押す力が付勢部材２５０の力を上回り、フラッパ蓋２３０は図７Ｂに示す第２位置に移動する。

フラッパ蓋２３０は、第２位置に移動するとき、その一部が側方開口２２３を通ってフロートバルブボディ２１０の外部にはみ出る。このはみ出る部分を、説明を簡単にするために、側端部２３３と呼ぶ。図８Ｃに示すように、側端部２３３は、アウターバレルアセンブリ１００の環状凹部１０３の内部に収まる寸法および形状を有している。

図８Ｃに示したように、フラッパ蓋２３０が備えるインナーチューブガイド２３２は、フロートバルブ第２開口部２２２の外周面（フロートバルブ第２端部２０２の内周面）と同様の湾曲面を有している。フロートバルブ第２端部２０２の内周面は、円柱状部材であるインナーチューブ５１の側面と相補的な湾曲面を有しているので、インナーチューブガイド２３２の湾曲面もインナーチューブ５１の側面と相補的な形状である。この湾曲面により、インナーチューブガイド２３２は、フラッパ蓋２３０が第２位置にある際に、インナーチューブ５１のより安定的な挿抜を可能にする。

本実施形態による環状凹部１０３の内径について説明する。

図９は、本実施形態による環状凹部１０３の内径ＤＯ３と、フロートバルブ第１開口部２２１の径ＤＦ２との幾何学的な関係を示す図である。まず、フラッパ蓋２３０の平面部２３１に注目すると、その寸法は、最低でもフロートバルブ第１開口部２２１の径ＤＦ２以上である必要がある。次に、第２位置に移動したフラッパ蓋２３０を、インナーチューブ５１に干渉しないように環状凹部１０３に格納するためには、環状凹部１０３の内径ＤＯ３が、直径ＤＦ２の円に外接する正方形の対角線より長い必要がある。すなわち、長さＤＯ３は、長さＤＦ２の、２の平方根倍以上である必要がある。言い換えれば、長さＤＯ３の二乗は、長さＤＦ２の二乗の２倍以上である必要がある。厳密には、ヒンジ２４０の太さや、フラッパ蓋２３０の厚みなども勘案する必要があるので、長さＤＯ３およびＤＦ２に係る上記の関係は、以下の数式で表すことが出来る。
ＤＯ３＞ＤＦ２×√２
または、
ＤＯ３×ＤＯ３＞２×ＤＦ２×ＤＦ２

長さＤＯ３の最低値は上記のように求まる。なお、長さＤＯ３の最高値は、上述のとおり、フロートバルブサブ２に求められる強度に依存する。すなわち、求められる強度を満たすアウターバレルアセンブリ１００の側壁部分の厚さの最低値をＴｍｉｎ１と置き、アウターバレルアセンブリ１００の外径をＤＯ４と置くとき、長さＤＯ３の最大値は、ＤＯ４とＴｍｉｎ１の２倍との差に等しい。したがって、長さＤＯ３に係る数値限定は、以下の数式で表すことが出来る。
ＤＯ４−２×Ｔｍｉｎ１≧ＤＯ３＞ＤＦ２×√２

（第２実施形態）
第１実施形態では、構成要素を簡略化するために、いわゆるライザーレス掘削システムを前提とした説明を行った。ここでは、第２実施形態としていわゆるライザー掘削システムを前提とした説明を行う。

ライザー掘削システムでは、掘削孔１７を泥水で満たすことで、「地層圧＜泥水圧＜地層破壊圧」の条件を満たし、掘削孔１７を囲む内壁が崩壊することを防ぐ。

なお、ケーシングしていない裸孔では、「地層圧＜泥水圧＜地層破壊圧」の条件を満たしているものの、掘り進めるにつれて地層圧が上昇していくため、これに合わせて泥水圧も上げる必要がある。ケーシングなしで掘り進み過ぎると、そのうち裸孔の上部では泥水圧が地層破壊圧を上回り、泥水が地層を破壊して地層が崩れてきてしまう。ライザー掘削システムでは、そうなる前にケーシングを行うことで崩壊を防いでいる。その結果、ライザー掘削システムでは、このような手法を用いないいわゆるライザーレス掘削システムと比較して、掘削可能な深度が飛躍的に向上している。

ライザー掘削システムで用いる泥水は、物理的に、かつ、化学的に、適宜な調整を必要とする。このように調整された泥水は、地層１６を掘削して生じる泥と、周囲の海水とを、ライザーパイプによって掘削リグ１２まで汲み上げ、掘削リグ１２に搭載された泥水調整装置でその特性を調整することで生成される。調整された泥水は、ドリルストリング１１の内側を通って掘削孔１７の底部まで送られる。

図１０は、ライザー掘削システムを用いたコアリングシステムの一構成例を示す図である。図１０は、図１に示したライザーレス掘削システムを用いたコアリングシステムに、ライザーパイプ１９および噴出防止装置２０を追加したものと同等である。なお、掘削リグ１２に搭載している泥水調整装置については、図示を省略する。

図１０に示した構成例では、ライザーパイプ１９はドリルストリング１１の周囲に設けられており、海底１５から掘削リグ１２まで延びている。なお、海底１５には、掘削孔１７と、ライザーパイプ１９とを接続する噴出防止装置２０が設けられている。

泥水は、掘削リグ１２から掘削孔１７の底部まで移動する際に、インナーバレル部５０を挿入していない状態のドリルストリング１１の内部を通過する。このとき、フロートバルブサブ２の内部も通過することになるが、フラッパ蓋２３０は上側から進入する泥水に押されればフロートバルブ第１開口部２２１を解放する方向に移動出来るので、泥水の通過の妨げにはならない。

このように、本発明によるフロートバルブサブ２は、ライザー掘削システムにも容易に適用可能である。

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

例えば、環状凹部１０３について、これまでの説明ではその形状がドリルストリング１１の回転軸を中心とする回転体である場合について説明した。この説明は、環状凹部１０３を旋盤加工によって形成したり、上側サブ３００を着脱する際などにフロートバルブアセンブリ２００がアウターバレルアセンブリ１００に対して回転したりする可能性を考慮したものである。しかしながら、環状凹部１０３は、前述のとおり、フロートバルブアセンブリ２００の筒形状部からはみ出るフラッパ蓋２３０を受け入れる機能さえ実現出来れば、実際には回転体の形状を有する必要までは無く、任意の拡張部、削り込み部、切り込み部など、その他の形状を有する凹部であっても構わない。

１ ボトムホール・アセンブリ
２ フロートバルブサブ
１０ コアバレル
１１ ドリルストリング
１２ 掘削リグ
１３ 海
１４ 海面
１５ 海底
１６ 地層
１７ 掘削孔
１８ ＧＰＳ衛星
１９ ライザーパイプ
２０ 暴墳防止装置
３０ アウターバレル部
３１ コアビット
３２ ニアビットサブ
３３ ドリルカラーサブ
３４ ランディングサブ
３５ ヘッドサブ
３６ ランディングリング
３７ ラッチ部
４０ コア
５０ インナーバレル部
５１ インナーチューブ
５２ コアライナー
５３ 長さ調節機構
５４ スイベル機構
５５ ランディング機構
５６ ラッチ機構
５７ フィッシングネック
５８ ロックボルト
７１ 第１ケーシングパイプ
７２ 第２ケーシングパイプ
７３ 第３ケーシングパイプ
７４ 第４ケーシングパイプ
１００ アウターバレルアセンブリ
１０１ アウターバレル第１開口部
１０２ アウターバレル第２開口部
１０３ 環状凹部
１１０ アウターバレル第１部分
１１１ アウターバレル第１接続部
１１２ アウターバレル第１受け入れ部
１２０ アウターバレル第２部分
１２１ アウターバレル第２接続部
１２２ アウターバレル第２受け入れ部
１３０ アウターバレル中間部
２００ フロートバルブアセンブリ
２０１ フロートバルブ第１端部
２０２ フロートバルブ第２端部
２０３ フロートバルブ中間部
２１０ フロートバルブボディ
２１１ 固定用シーリング部材
２１２ 固定用シーリング部材
２１３ ボディ側ヒンジ支持部
２１４ ボディ側付勢部材支持部
２２１ フロートバルブ第１開口部
２２２ フロートバルブ第２開口部
２２３ 側方開口
２２４ 密閉用シーリング部材
２２５ リテーナ
２３０ フラッパ蓋
２３１ 平面部
２３２ インナーチューブガイド
２３３ 側端部
２３４ 蓋側ヒンジ支持部
２３５ 蓋側付勢部材支持部
２４０ ヒンジ
２５０ 付勢部材
３００ 上側サブ
５００ 下側サブ

Claims (4)

1. 外筒アセンブリと、
   前記外筒アセンブリの内側に着脱可能に配置されるフロートバルブアセンブリと
   を具備し、
   前記フロートバルブアセンブリは、
   筒形状を有する第１端部と、
   筒形状を有する第２端部と、
   前記第１端部と前記第２端部との間に配置されるバルブアセンブリ中間部と、
   前記第１端部に取り付けられた蓋部と
   を備え、
   前記蓋部は、前記第１端部の流路を閉鎖する第１位置と、前記第１端部の前記流路を開放する第２位置との間で、回動自在であり、
   前記バルブアセンブリ中間部は、前記蓋部の一部が通過可能な側方開口を備え、
   前記外筒アセンブリは、
   前記第１端部を受け入れ、前記第１端部の外周面と相補的な内周面形状を有する第１部分と、
   前記第２端部を受け入れ、前記第２端部の外周面と相補的な内周面形状を有する第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に配置される外筒アセンブリ中間部と
   を備え、
   前記外筒アセンブリ中間部は、前記第２位置にある前記蓋部を受け入れ可能な凹部を備え、
   前記第１部分の最小内径は、前記第２部分の最小内径よりも大きく、
   前記凹部の内径は、前記第１部分の最小内径よりも大きい
   フロートバルブサブ。
2. 前記外筒アセンブリ中間部の前記凹部の内径は、前記フロートバルブアセンブリの前記第２端部の内径の、２の平方根倍よりも大きい
   請求項１に記載のフロートバルブサブ。
3. 前記蓋部は、前記第１端部の前記流路を閉鎖可能な上面を備え、
   前記上面は、前記第１端部の前記流路を通過可能な円柱状部材の側面と相補的な湾曲面を備える
   請求項１または２に記載のフロートバルブサブ。
4. 前記第１端部の内周面上に配置される環状のリテーナと、
   前記リテーナと、前記第１端部との間に配置される環状のシール部材と
   をさらに備え、
   前記シール部材は、前記第１位置にある前記蓋部を液密にシールする
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフロートバルブサブ。
   

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