JP6602376B2 - ダウンホール器具構成要素を製造するためのシステム及び方法 - Google Patents

ダウンホール器具構成要素を製造するためのシステム及び方法 Download PDF

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Description

本開示は、一般に掘削システムに関し、特に石油及びガス探査及び生産操業のために使用される掘削システムに関する。より具体的に、本開示は、漸増的な構築技術及び除去製造技術を使用してダウンホール器具構成要素を製造するための技術を記述する。
ドリル・ストリングは、石油及びガス探査及び生産で使用され、地下の目的地または地層に到達する。ドリル・ストリングは、ドリル・パイプ、トランジション・パイプ、及びボトム・ホール・アセンブリ(「BHA」)を含む管状区間を接合することで掘削作業中に組み立てられる。ドリル・パイプの個々の区間は、当該技術分野で継手と呼ばれ得る。2つ以上の継手の予め組み立てられたグループは、当該技術分野でスタンドと呼ばれ得る。坑井を掘削する場合に、継手またはスタンドは、所望の深度に到達するまで地表からドリル・ストリングへ追加される。BHAは、典型的にドリル・ビット、ドリル・カラー、及びドリル・スタビライザーを含む。ドリル・カラーは、ダウンホール器具を含み得る。ドリル・パイプ及びドリル・カラーは、ねじ継手を使用して互いに接合され得る。サブは、区間を異なるねじで接続するために使用され得る。
ドリル・カラーは、長さ約6〜10ft(1.8〜3m)であり得、ダウンホール・モーター、ロータリー・ステアラブル、または傾斜掘りシステム、掘削時計測(「MWD」)機器、掘削時検層(「LWD」)機器、及びテレメトリ・システムのような、器具を含み得る。継手は、通常、約30ft(9.1m)の長さであり、10:1より大きい深度対孔径比のような、小径及び相対的に長い長さを有する。たとえば、各継手は、1.5〜5inの範囲の直径、及び30ftの長さを有し得る。
ドリル・ストリング内の構成要素またはモジュールは、ドリル・ストリングを介して、ワイヤを配線する、または流体を導くためのコンジットを形成する複雑な内孔機構を含み得る。この孔機構は、ドリル・ストリングを軸方向に通過する中心線に平行に、角度をつけて、及び/または垂直に形成され得る。
既存の製造技術は、「ガン掘削」のような高度な機器を用いて、区間を通して軸方向に細長い通路を試錐する。既存の製造技術は、区間を通してコンジットまたは通路を正確に形成するために特定の角度公差、プロファイル公差、または位置公差を満たさなければならない。結果として、区間の部分的に完成した部分は、設計公差の不具合により破棄され再製造される必要がある場合がある。
本技術の実施態様は、単なる実施例として、添付の図面を参照して、ここに記述される。
本開示の原理に従い構築された掘削システムを備える坑井孔を掘削するための掘削リグの実施形態を図示する部分断面図である。 本開示により複数の層から構築されたセグメントを収容するドリル・パイプを図示する斜視断面図である。 本開示により、図5内に図示されたセグメントに対応する単一層の1つの実施形態の斜視図である。 本開示により、セグメントを形成するために使用された固定具に対応する1つの実施形態の斜視図である。 本開示により、その上に取り付けられたセグメントを含む固定具に対応する1つの実施形態の斜視図であり、セグメントは、複数の層から構築される。 本開示により、複数の融着された層から構築されたセグメントの1つの実施形態の斜視図であり、セグメントは、細長い孔機構を含む。 本開示により、図9で図示されたセグメントに対応する単一層の別の実施形態の斜視図である。 本開示により、セグメントを形成するために使用された固定具に対応する別の実施形態の斜視図である。 本開示により、その上に取り付けられたセグメントを含む固定具に対応する別の実施形態の斜視図であり、セグメントは、複数の層から構築される。 本開示により、複数の融着された層から構築されたセグメントの1つの実施形態の斜視図であり、セグメントは、細長い孔機構を含む。 本開示による例示的な方法のフローチャートである。
説明の簡潔さ及び明瞭さのために、適切な参照番号が異なる図面の中で繰り返され、対応する、または類似する要素を示すことを理解するであろう。加えて、複数の具体的な詳細は、本明細書で記述された実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、当業者は、本明細書で記述された実施形態がこれらの具体的な詳細なしで実施されることが可能であることを理解するであろう。他の実施例において、方法、手順及び構成要素は、記述されている関係する関連特徴を不明瞭にしないために、詳細に記述されていない。また、説明は、本明細書で記述された実施形態の範囲を限定するとみなされないものとする。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、特定の部品の比率は、本開示の詳細及び特徴をより良く図示するために誇張されている。
以下の説明において、本明細書で使用されるような、「上部」、「上方向」、「下部」、「下方向」、「より上に」、「より下に」、「ダウンホール」、「アップホール」、「縦方向」、「側方向」、及び同様のもののような用語は、坑井孔または坑井孔の部分が傾斜する、または水平であり得るが坑井孔周囲の、底部または最遠部の範囲を基準にすることを意味するものとする。これに対応して、横方向、軸方向、側方向、縦方向、半径方向、及び同様の方向は、坑井孔または器具の方向に対する位置を意味するものとする。加えて、右手側が左手側に比べてダウンホールであるような方向であるように図示された実施形態を描写する。
本開示を通して適用するいくつかの語義は、ここで提示される。用語「連結される」は、直接であるか、または介在する構成要素を通して間接であるか、に関わらず、接続されるとして定義され、必ずしも物理的な接続に限定されない。この接続は、オブジェクトが永久的に接続される、または脱着可能に接続されるようなものであることが可能である。用語「通信または連通可能に連結される」は、直接であるか、または介在する構成要素を通して間接であるかのいずれか一方で、接続されるとして定義され、これらの接続は、必ずしも物理的な接続に限定されないが、そのように記述された構成要素間で、データ、流体、または他の物質の移送に対応する接続である。用語「外側」は、物理的なオブジェクトの最も外側の境界を越える領域を指す。用語「内側」は、オブジェクトにより形成された境界内に領域の少なくとも部分を部分的に含むことを示す。用語「実質的に」は、構成要素が正確である必要がないように、「実質的に」変更する特定の、寸法、形状または他のものへ本質的に準拠するように定義される。たとえば、実質的に円筒形は、オブジェクトが円筒形に類似しているが、真の円筒形から1つ以上の偏位を有することが可能であることを意味する。用語「comprising(含む)」、「including(含む)」、及び「having(含む)」は、本開示で交換可能に使用される。用語「comprising(含む)」、「including(含む)」、及び「having(含む)」は、含むが、必ずしもそのように記述されたものに限定されないことを意味する。
用語「半径方向の」及び/または「半径方向に」は、オブジェクトが正確な円形若しくは円筒形ではなくても、オブジェクトの半径方向沿いの1方向を、またはオブジェクトの半径方向沿いの1方向の方向成分を有することを実質的に意味する。用語「軸方向に」は、オブジェクトの軸の方向沿いを実質的に意味する。指定されない場合、用語軸方向には、それがオブジェクトのより長い軸を指すようなものである。
さまざまな実施形態のいずれかに記述されたドリル・ストリングは、ダウンホールに延伸し掘削作業を支援する、流体コンジットを画定するさまざまな機器を含み得る。ドリル・ストリングは、たとえば、ドリル・ビット、ドリル・カラー、及びドリル・スタビライザーを含む、ドリル・パイプ、トランジション・パイプ、ならびにBHAを含み得る。ドリル・ストリングは、ダウンホールに延伸し掘削若しくは改修作業を支援する、個々の継手、連続コイル・チュービング、または任意の他のコンジットから形成されたドリル・パイプを含み得る。特定の作業または現場で使用される各ドリル・ストリングは、地質(たとえば、岩石の種類、密度、摩耗能などを有する地層の組成)、どの機器が適切であるかを制限する予算及び他の考慮事項、ならびに当業者が周知である他の要因のような、坑井または現場へ特定の要因に基づきドリル・ストリングの器具を選択するため、一般的に固有である。ドリル・パイプの個々の区間は、当該技術分野で継手と呼ばれ得る。
本明細書で使用されるような「プロセッサ」は、入力に基づき決定を行える電子回路であり、用語「コントローラ」と互換性がある。プロセッサは、特に、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、及び中央処理装置を含むことが可能である。単一のプロセッサを使用できるが、本開示は、器具内に設けられたローカル・コントローラ、またはドリル・パイプ沿いに設けられたセンサを含む、複数のプロセッサを介して実装できる。
1つの実施例により、裸坑作業は、坑井構築中に用いられる。裸坑作業は、サーフェス・ケーシング及び中間ケーシングのような、ケーシング・ストリングを形成することを典型的に含む。坑井が実現可能であると判定される場合は、坑井仕上げは、ケースド・ホール作業のためのプロダクション・ケーシングを形成することを含み得る。
ドリル・ストリングは、特定の作業または現場のためにカスタム選択された、さまざまな管状構成要素、及び他の機器のいずれかを含むことが可能であるため、用語「セグメント」は、ドリル・ストリングの任意の部分を指すために本開示を通して一般的に使用される。たとえば、セグメントは、ダウンホール・モーター、ロータリー・ステアラブルまたは傾斜掘りシステムの構成要素、掘削時計測(「MWD」)機器の構成要素、掘削時検層(「LWD」)機器の構成要素、及びテレメトリ・システムの構成要素を含むダウンホール油田器具を指し得る。特定のセグメントは、たとえば、10:1より大きい深度対孔径比のような、小径、及び相対的に長い長さを有し得る。1つの実施例により、そのセグメントまたは構成要素は、実質的に円筒形の外形を有し得、複雑な内部機構及び形状を有し得る。内部機構は、セグメントを軸方向に通過する中心線へ、平行に、垂直に、または角度をつけて指向され得る。当業者は、セグメントの内部及び外部機構を任意の形状で提供し得ることを容易に理解するであろう。
本開示は、機械加工コスト及び製造の複雑さを軽減するために、ドリル・ストリングについてのセグメントを設計して製造する新規のシステム及び方法を記述する。本開示は、複数のスライスまたは層からセグメントを製造することを記述する。1つの実施例により、これらの層は、セグメントの軸方向へ垂直な方向にスライスされ得る。製造工程中に、複数の層は、予め選択された順序で配置され、複数の層を互いに融着し、以下でより詳細に記述されるようなソリッド・セグメントを形成する溶接工程にさらされ得る。製造工程は、工場、倉庫、または同様のもののような、標準的な環境で実行され得る。換言すれば、製造工程は、真空状態、温度制御、または同様のものを必要としない。
本開示は、生産中に設計公差の漸増的な監視を可能にする層製造のような漸増的な構築技術を使用してセグメントを製造するシステム及び方法を提供する。さらに、本開示は、生産中に部分的に組み立てられたセグメントの部分を再製造するシステム及び方法を提供する。1つの実施例により、セグメントは、複雑な内部機構を有する長い部品を含む。たとえば、内部機構は、狭い電線路を形成し、ワイヤまたは同様のものを導き通過させる、細長い孔を含み得る。あるいは、または加えて、内部機構は、液圧流体、試錐孔流体、地層流体、または同様のものを導き通過させる狭い液圧通路を形成する細長い孔を含み得る。あるいは、または加えて、内部機構は、制御弁、コネクタ、ゲージ、センサまたは同様のもののような、構成要素を受容するキャビティを含み得る。当業者は、他の内部機構をドリル・ストリング内に設けてもよいことを容易に理解するであろう。
図1Aは、掘削システム100で坑井孔を掘削するための掘削リグの部分断面図である。掘削システム100は、本明細書で記述されたダウンホール器具を含むドリル・ストリング112を用いて、1つの実施例により地下の坑井を形成する。地下の坑井は、ドリル・ストリング112上に設けられたドリル・ビット110を使用して地表面106から地中104に掘削された坑井孔102とともに図示される。例示的な目的のために、坑井孔102の頂部は、適所にセメントで固着される、掘削後の坑井孔102を画定して固定させるサーフェス・ケーシング107を含む。また坑井孔102は、セメントで固定され得る、中間ケーシング(図示せず)を含み得る。ケーシング107は、坑井孔崩壊を防ぐこと、地中の層間で物理的な分離を維持すること、流体移動を防ぐバリアを提供すること、安全性を高めること、及び地中の層をどのような汚染物質からも保護すること、または同様のことを含む、いくつかの機能を実行する。
ドリル・ビット110は、ドリル・ストリング112の底部の、遠位端部に設置される。掘削作業中に、ドリル・ビット110を含む付属のBHAを備えるドリル・ストリング112は、典型的に地表面からドリル・ストリング112を回転させることで、掘削リグ120により地中104に推進する。掘削リグ120は、図示されるように陸上で直接に、または海である場合に中間プラットフォームで支持され得る。
地中の層内へダウンホールに延伸するように図示される坑井孔102、及び坑井孔102の内側の任意の構成要素は、地下の目的地または地層から生じる静水圧を受ける。
ドリル・ストリング112の下端部は、ドリル・ビット110の近位に設けられたドリル・カラーを含み得る。ドリル・ビット110は、当該技術分野で既知の、ローラー・コーン・ビット、フィックスド・カッター・ビット、または任意の他の種類のビットであり得る。仕上げ目的のために、図1Aは、意図され、本開示の文脈内にある、コイルド・チュービング150及びワイヤライン152の展開を本開示が支援することを図示する。
図1Bは、以下でより詳細に記述されるような複数の融着された層181a〜181nから構築されたセグメント180を収容するドリル・ストリング112の区間の斜視断面図である。ドリル・ストリング112及びセグメント180は、直接接触しているように図示されるが、当業者は、中間構成要素をドリル・ストリング112及びセグメント180間に設けてもよいことを容易に理解するであろう。たとえば、シール、ベアリング、摩耗スリーブ、及び他の中間構成要素をドリル・ストリング112及びセグメント180間に設けてもよい。
図2は、図5の実施例として図示されるような、他の単一層200と融着されるときに、融着された層181a〜181nを含むセグメント180を生成する、単一層200の斜視図である。1つの実施例により、単一層200は、大きい開口部202、及び小さい開口部204を含み得る。単一層200は、開口部202、204を含むように図示されるが、当業者は、単一層200が任意の数の開口部、任意のサイズの開口部、任意の形状の開口部を含み、所望の設計目標を達成し得ることを容易に理解するであろう。
1つの実施例により、単一層200は、他の除去製造技術の中で、旋削加工、フライス加工、鍛造、放電加工(「EDM」)のような、既知の機械加工技術を使用して形成され得る。たとえば、単一層200は、板金成形またはスタンピング工程を使用して形成され得る。単一層200を生成すると、追加の除去製造技術を使用して、単一層200内に機構を画定してもよい。当業者は、単一層200を形成して生成するための適切な技術が所望の厚さの単一層200、所望の寸法の単一層200、単一層200内の所望の寸法の機構、及び所望の寸法公差、または同様のもののような要因に基づき得ることを容易に理解するであろう。
図2をさらに参照して、単一層200のさまざまな表面205、207、209、211は、融着された層181a〜181nを含むセグメント180内へ融着される前に、大気にさらされる。その結果、これらのさまざまな表面205、207、209、211は、セグメント180内へ融着される前に容易にアクセスされ得る。たとえば、これらのさまざまな表面205、207、209、211は、従来のスプレー技術を使用してアクセスされ得、熱、腐食性流体、または同様のものとの有害な接触から保護するためにスプレー・コーティングされ得る。これらの表面をスプレー・コーティングすることにより、耐摩耗性の向上、耐食性の向上、または同様のもののような有益な品質を提供し得る。加えて、単一層200は、所望の処理が行われたことを確認するために、融着される前に迅速に検査され得る。対照的に、10:1より大きい深度対孔径比を有する材料から機械加工される従来のセグメントは、セグメントの内部機構にアクセスするために特殊な機器を必要とする寸法で形成される。特殊な機器が所望の作業を実行するために利用可能であると仮定すると、任意の所望の検査も特殊な機器を必要とする。その結果、本明細書に記述された単一層構築は、10:1より大きい深度対孔径比を有する材料を使用して、ダウンホール器具構成要素を製造する既存の技術を上回る利点を提供する。
本明細書で記述されるような複数の単一の融着された層181からセグメント180を組み立てる別の利点は、センサ、アンテナ、及び電気配線のような構成要素が製造中に部分的に組み立てられたセグメント180の任意の部分内に埋め込まれ得ることである。その結果、セグメント180内の構成要素配置の制約は、製造中に構成要素をセグメント180の全容積にわたり広げてもよいため緩和される。このようにして、構成要素の干渉を低減するために、器具またはセグメント180内での構成要素の離隔距離を長くしてもよい。さらに、本明細書で記述された製造技術は、製造中に軸方向沿いに構成要素を積み重ねることを可能にする。対照的に、既存の製造技術は、除去製造技術を使用する製造後に容易に到達されるセグメントの周辺領域へ構成要素の配置を制限する。このようにして、既存の製造技術は、セグメント表面へ近位である領域へ製造後に構成要素の配置を制限することでより高密度の構築を提供する。
図1Aに戻り、センサ・サブユニット130、132は、坑井のケーシングされた部分内に示され、本明細書に記述された技術を使用して対応するセグメント180内に埋め込まれ得る。センサ・サブユニット130、132は、ドリル・ストリング、地層流体、ケーシング、及び周囲の地層、または同様のものの、特性及び状態を近くで感知することが可能になるMWD及びLWD器具の構成要素であり得る。感知された状態及び特性に対応するデータは、本明細書に記述された技術を使用して対応するセグメント180内に埋め込まれ得るプロセッサ(図示せず)でのような、後のダウンロードのためにダウンホールで記録され得る。あるいは、データは、地表ワイヤ138までリピーター134、136を使用して有線で、または本明細書で記述された技術を使用して対応するセグメント180内へ埋め込まれた構成要素を使用して無線でのいずれか一方で地表へ通信され得る。無線の場合、ダウンホール・トランシーバ(アンテナ)134を利用して、地表トランシーバ(アンテナ)142を介して、データをローカル・プロセッサ140へ送信し得る。これらの構成要素は、本明細書で記述された技術を使用して対応するセグメント180内へ埋め込まれ得る。データは、プロセッサ140で処理されるか、またはさらにワイヤ146を介して、若しくはアンテナ142及び148を介して無線でリモート・プロセッサ144に向かい送信されるかのいずれか一方であり得る。地表設備170を提供し、リピーター134、136を介して坑井へ、及び坑井からデータを送受信し得る。データは、地層静水圧、背圧静水圧、坑井深度、温度、または同様のもののような坑井状態を含み得る。
セグメント180の全容積にわたり埋め込まれる構成要素の保守性に関して、これらのより低密度のセグメント180は、修理ではなく交換用に製造され得る。換言すれば、より低い構成要素の密度を提供するために軸方向に積み重ねられた構成要素を含む任意のセグメント180は、修理ではなく交換用に製造され得る。たとえば、これらのセグメント180は、より小さいサイズのものであることができ、ドリル・ストリングからの簡単なアクセス及び脱着のために位置決めされ得る。さらに、軸方向に積み重ねられた構成要素を含むこれらのセグメント180が信頼性を向上させ、より安価で製造される場合には、これらのセグメント180は、故障の前に所定のスケジュールで交換され得る。さらに、これらのセグメント180は、リサイクル施設に送られ得、選択された部分は、本明細書で記述された組み立て工程中に新規のセグメント内に組み込まれ得る。
別の実施例により、構成要素は、対応する構成要素を保持するように設計されたキャビティが実質的に仕上がりこの構成要素を支持するときに、セグメント180内へ埋め込まれてもよい。その結果、この構成要素は、組み立て中に検査されテストされ、たとえば、品質管理を向上させ得る。対照的に、既存の技術は、組み立て中にセグメント内へ構成要素を埋め込むことを支援しない。たとえば、複数の単一層を使用してセグメントを組み立てるために付加製造を用いる既存の技術は、組み立て中に構成要素の検査及びテストを可能にしない。典型的に、既存のシステムは、構成要素を保持するように設計された予め形成されたキャビティにアクセスするために孔をあけるような除去製造技術を必要とする。上記で説明されるように、既存の製造技術は、除去製造技術を使用する製造後に到達可能である領域への構成要素の配置を制限する。さらに、本明細書の本開示と比較して、既存のシステムは、予め形成されたキャビティ内に構成要素を配置するための追加のステップを必要とする。
図3は、図2で図示された複数の単一の融着されない層200からセグメントを組み立てるために使用され得る固定具300の斜視図である。固定具300は、大きいロッド304、及び小さいロッド306のようなアライメント機構を支持する基部302を含む。大きいロッド304は、開口部202に対応する寸法で形成され得る。小さいロッド306は、開口部204に対応する寸法で形成され得る。加えて、大きいロッド304、及び小さいロッド306は、単一層200上で開口部202、204の相対的な位置決めで一直線になるように基部302上で指向され得る。
1つの実施例により、チューブまたはインサートは、大きいロッド304、及び/または小さいロッド306上に嵌合するように提供され得る。たとえば、複数の単一の融着されない層200から開口部204が液圧通路のような流体通路を形成するために設けられる場合は、ソリッド・チューブ310は、小さいロッド306上に挿入され、開口部204の内側に連続したライニングを提供し得る。この場合に、開口部204は、チューブ310の外径上に嵌合する周囲で機械加工され得る。チューブ310は、圧入を使用して通路内に固定され得る。あるいは、チューブ310は、溶接により通路内に固定され得る。作業中に、単一の融着された層181のいずれかが液密通路を形成しない場合に、チューブ310は、流体が流体通路外に漏れるのを防止し得る。たとえば、開口部204により形成された狭い孔へごく近位で溶接作業を実行しない場合に、単一の融着された層181は、液密通路を形成しない場合がある。1つの実施例により、溶接作業は、開口部204の変形を避けるために、開口部204へ近位に実行されない場合がある。
図4は、その上に取り付けられた、複数の融着されない単一層200a〜200n(以下200)を含む固定具300の斜視図である。示されるように、大きいロッド304は、複数の融着されない単一層200の開口部202により受容され、小さいロッド306は、複数の融着されない単一層200の開口部204により受容される。1つの実施例により、固定具300は、わずか2の自由度で複数の融着されない単一層200の移動を可能にするように設計される。この事例において、固定具300は、長手方向または軸方向(y方向)に複数の融着されない単一層200の移動を可能にするように設計される。つまり、固定具300は、x及びz方向で複数の融着されない単一層200の移動を制限するように設計される。
融着されない単一層200のいずれかが組み立て中に不具合があると識別される場合は、損傷した単一層200は、組み立て中に破棄され、別の単一層200と交換され得る。換言すれば、融着されない単一層200、または複数の融着されない単一層200は、損傷した場合に破棄され得る。しかしながら、融着されない単一層200のうちの1つ以上が損傷したと識別されるときに、融着されないセグメント全体は、破棄されない。その結果、本明細書で記述された製造プロセスは、従来のダウンホール器具製造技術と比較してほとんど無駄を生じない。
1つの実施例により、固定具300は、セグメント化され得るため、セグメント180の異なる部分は、同時に製造され得る。たとえば、セグメント180の一方の部分が電気技術者により検査され、同一のセグメント180の他方の部分が機械技術者により検査される場合には、電気技術者により検査された部分は、機械技術者により検査された部分とは別個に組み立てられ得る。各部分が承認された後に、別個の部分は、互いに接合され、または融着され、完成したセグメント180を形成し得る。この方式で、製造工程は、シリアル方式よりもパラレル方式で動作することで促進され得る。たとえば、シリアル動作において、電気技術者または機械技術者のうちの一方が、デバイスを最初に検査するならば、電気技術者または機械技術者のうちの他方は、同一のデバイスを検査する。製造工程は、セグメントの異なる部分を同時に製造することを可能にすることで促進され得る。
あるいは、セグメント180内に埋め込まれる構成要素のうちの1つがインベントリから外れる場合には、キャビティを開けたままにすることができ、セグメント180の残りの部分を完成させ得る。構成要素がインベントリに戻されれば、構成要素は、構成要素キャビティ内に挿入され得、セグメント180は、互いに融着され得る。このようにして、製造工程は、セグメント180の特定の部分を融着することを可能にすることで促進され得、セグメント180の他の部分は、適切な構成要素が利用可能になるまで融着されないままにする。
1つの実施例により、固定具300は、セグメント180についての設計公差を維持するアライメント機構を含む。たとえば、アライメント機構は、角度公差、プロファイル公差、及び位置公差、または同様のもののような設計公差を維持し得る。設計公差を維持し、セグメント180を通してコンジットまたは通路を正確に形成する。図4を参照して、アライメント機構は、大きいロッド304、及び小さいロッド306を含み得る。これらのアライメント機構は、セグメント180を通してコンジットまたは通路を正確に形成するために、他の公差の中で角度公差、プロファイル公差、及び位置公差を維持する。当業者は、他のアライメント機構を固定具300に提供し、セグメント180へ所望の設計公差を維持し得ることを容易に理解するであろう。
図5は、本明細書で記述された製造工程から製造された10:1より大きい深度対孔径比を有する融着されたセグメント180の斜視図である。1つの実施例により、融着されたセグメント180は、100:1の深度対孔径比を有し得る。融着されない単一層200が図4で描写されるように固定具300を使用して一直線に並べられた後に、適切な金属接合工程を用いて、融着されない単一層200を互いに接合する。たとえば、電子ビーム溶接を用いて、融着されない単一層200を互いに接合し得る。1つの実施例により、電子ビーム溶接を使用して、4in(100mm)の厚さを超えるワークピースを溶接し得る。1つの実施例において、電子ビーム溶接は、1回のパス中に2.36in(60mm)の深度まで溶け込み得る。電子ビーム溶接は、溶接後に最小限の変形を生じること、正確なコンピュータ数値制御を可能にすること、及び高い深さと幅の比を有するワークピースで良い結果を生じることのような、さまざまな利点をもたらす。当業者は、レーザ焼結、接着剤結合、または同様のものを有する他の金属接合工程を使用してもよいことを容易に理解するであろう。当業者は、金属接合工程の選択が最終製品の所望の強度、コスト、及び完成した融着されたセグメントの使用目的を有するいくつかの要因に依存することを容易に理解するであろう。1つの実施例により、融着されたセグメント180は、高強度ステンレス鋼のようなロータリー式掘削に適切な、またはこれと互換性のある任意の材料から形成され得る。
1つの実施例により、セグメント180は、金属接合工程を使用して互いに融着される複数の融着された層181a〜181nから構築され得る。金属接合工程を実行する前に、複数の融着された層181a〜181nは、予め選択された順序で配列され、図4で描写されるように固定具300のアライメント機構を使用して一直線に並べられ得る。金属接合工程を実行した後に、融着されない単一層200a〜200nは、互いに融着されるようになり、ソリッド・セグメント180を形成する。加えて、複数の融着された層181a〜181n内に画定された開口部は、互いに融着され、セグメント180を通して軸方向に延伸する孔184、186を形成する。上記で説明されるように、チューブ310は、組み立て工程中に任意の流体通路内に挿入され、流体が流体通路から外へ漏れることを防止し得る。
別の実施例により、融着されたセグメント180は、追加の機械加工、または二次加工を受けてもよい。たとえば、融着されたセグメント180は、ケース硬化、またはコーティングの適用を受けてもよい。追加の機械加工は、複数の液圧及び電気経路を含むインサートのような、複数の複雑な断面プロファイルを形成するために提供され得る。当業者は、選択された機構が金属接合工程を実行する前に構築され得、他の機構が金属接合工程を実行した後に構築され得ることを容易に理解するであろう。たとえば、融着されたセグメント180を通して軸方向に伸びる細長い通路は、金属接合工程を実行する前に構築され得る。対照的に、石油充填ポートのための孔は、金属接合工程を実行した後に機械加工され得る。
再び図1Aを参照して、掘削流体(泥水)160は、暴噴を防止し坑井孔102の崩壊を防止するような、機構を実行する比較的制限されず妨げられない方式の掘削構成要素を通して循環され得る。1つの実施例により、掘削流体160は、ドリル・ストリング112、ドリル・ビット110、及びアニュラス109を介して掘削作業中に循環され得る。1つの実施例により、孔184は、掘削流体160の流れを導くノズルを含むドリル・ビット110へドリル・ストリング112を介して延伸し得る。掘削構成要素を通過した後に、掘削流体160は、地表面106へ循環し得、それは、フィルタ(図示せず)を通過し、ざくまたは同様のもののような、任意の掘削デブリを除去する。1つの実施例により、フィルタは、シェール・シェーカー、または同様のものを含み得る。濾過された掘削流体160は、掘削構成要素を介して再循環のためにタンク162に収集され得る。掘削流体160は、ドリル・ビット110を潤滑すること、ドリル・ビット110を冷却すること、ドリル・ビット110から離れて坑井孔102及びドリル・ストリング112間に形成されたアニュラス109を介して地表面106へ上方向に岩石のような掘削デブリを洗い流すこと、ならびにドリル・ストリング112及び坑井孔102間の摩擦を減少させること、または同様のことを含む、他の機構を実行するように策定され得る。
図1Aは、掘削方向制御装置またはシステムとも呼ばれ得る、例示的なロータリー・ステアラブル掘削装置111を図示する。ロータリー式掘削装置111は、ドリル・ビット110を含むドリル・ストリング112上に位置決めされる。しかしながら、当業者は、ドリル・ストリング112での、及びドリル・ストリング112での他の構成要素に関連する、ロータリー・ステアラブル掘削装置111の位置決めが本開示の範囲内にありながら、修正され得ることを認識するであろう。ロータリー・ステアラブル掘削装置111は、掘削作業中に、ロータリー・ドリル・ビット110へ、及びロータリー・ドリル・ストリング112へ連結される、または取り付けられる回転可能な掘削シャフトを含み得る。
図6は、他の単一層600と融着されるときに図9で図示されるようにセグメント900を製造する、単一層600の第二実施例の斜視図である。1つの実施例により、単一層600は、角が丸い正方形の開口部602を含み得る。単一層600は、正方形の開口部602を含むように図示されるが、当業者は、単一層600が所望の設計目標を達成するために、任意の数の開口部、任意のサイズの開口部、任意の形状の開口部を含み得ることを容易に理解するであろう。
1つの実施例により、単一層600は、他の除去製造技術の中で、旋削加工、フライス加工、鍛造、放電加工(「EDM」)のような既知の機械加工技術を使用して形成され得る。たとえば、単一層600は、板金成形またはスタンピング工程を使用して形成され得る。単一層600を生成すると、追加の除去製造技術は、単一層600内に機構を画定するために使用され得る。当業者は、単一層600を形成し生成するための適切な技術が所望の厚さの単一層600、所望の寸法の単一層600、単一層600内の所望の寸法の機構、及び所望の寸法公差、または同様のもののような要因に基づき得ることを容易に理解するであろう。
図7は、図6で図示された複数の融着されない単一層600からセグメント900を組み立てるために使用され得る固定具700の斜視図である。固定具700は、らせん形状のアライメント機構を画定する。固定具700は、正方形の開口部602に対応する寸法に形成され得る。
図8は、その上に取り付けられた複数の融着されない単一層600a〜600nを含む固定具700の斜視図である。示されるように、固定具700は、複数の融着されない単一層600a〜600nの正方形の開口部602により受容される。1つの実施例により、固定具700は、わずか2の自由度で複数の融着されない単一層600a〜600nの移動を可能にするように設計される。この事例において、固定具700は、長手方向または軸方向(y方向)に複数の融着されない単一層600a〜600nの移動を可能にするように設計される。換言すれば、固定具700は、x及びz方向への複数の融着されない単一層600a〜600nの移動を制限するように設計される。
融着されない単一層600a〜600nのいずれかを組み立て中に不具合があると識別される場合は、損傷した融着されない単一層600は、組み立て中に破棄され、別の融着されない単一層600により交換され得る。換言すれば、融着されない単一層600、または複数の融着されない単一層600は、損傷した場合に破棄され得る。しかしながら、セグメント900の全体は、融着されない単一層600a〜600nのうちの1つ以上が損傷したと識別されるときに破棄されない。その結果、本明細書に記述された製造工程は、従来の製造技術と比較してほとんど無駄を生じない。
1つの実施例により、固定具700は、セグメントについて設計公差を維持するらせん形状のアライメント機構を画定する。たとえば、らせん形状のアライメント機構は、セグメントを介するコンジットまたは通路を正確に形成するために、角度公差、プロファイル公差、及び位置公差のような設計公差を維持し得る。当業者は、固定具700が他のアライメント機構を画定し、セグメントについて所望の設計公差を維持し得ることを容易に理解するであろう。
図9は、本明細書に記述された製造工程から生じる10:1より大きい深度対孔径比を有する融着されたセグメント900の斜視図である。融着されない単一層600a〜600nが図8に描写されるような固定具700を使用して一直線に並べられた後に、適切な金属接合工程を用いて、単一層600a〜600nを互いに接合する。上記で説明されるように、電子ビーム溶接を用いて、融着されない単一層600a〜600nを互いに接合し得る。当業者は、レーザ焼結、接着剤結合、または同様のものを含む他の金属接合工程を使用してもよいことを容易に理解するであろう。当業者は、金属接合工程の選択が最終製品の所望の強度、コスト、及び完成した融着されたセグメント900の意図された使用を含むいくつかの要因に依存することを容易に理解するであろう。1つの実施例により、セグメント900は、高強度ステンレス鋼のようなロータリー式掘削に適切でこれと互換性のある任意の材料から形成され得る。
1つの実施例により、セグメント900は、金属接合工程を使用して互いに融着される複数の融着された層901a〜901nから構築され得る。金属接合工程を実行する前に、複数の融着されない層600a〜600nは、予め選択された順序で配列され、図8に描写されるように固定具700のアライメント機構を使用して一直線に並べられ得る。金属接合工程を実行した後に、個々の融着されない層600a〜600nは、互いに融着されるようになり、ソリッド・セグメント900を形成する。加えて、複数の融着された層901a〜901n内に画定された正方形の開口部は、互いに融着され、セグメント900を介して軸方向に延伸する孔902を形成する。上記で説明されるように、チューブ310は、組み立て工程中に任意の流体通路内に挿入され、流体が流体通路から外に漏れることを防止し得る。
別の実施例により、構築された融着されたセグメント900は、追加の機械加工または二次加工を受けてもよい。たとえば、構築された融着されたセグメント900は、ケース硬化またはコーティングの適用を受けてもよい。追加の機械加工は、複数の液圧及び電気経路を含むインサートのような、複数の複雑な断面プロファイルを形成するように提供され得る。当業者は、金属接合工程を実行する前に選択された機構を構築してもよく、金属接合工程を実行した後に他の機構を構築してもよいことを容易に理解するであろう。たとえば、融着されたセグメント900を介して軸方向に伸びる細長い通路は、金属接合工程を実行する前に構築され得る。対照的に、石油充填ポートのための孔は、金属接合工程を実行した後に機械加工され得る。
セグメントを設計し製造する方法は、コンピュータ支援設計(「CAD」)ソフトウェアのようなコンピュータ・ファイルを用いて、セグメントの3次元構造を画定することを含む。CADソフトウェアは、複数の層にセグメントまたはダウンホール器具をスライスするようにプログラミングされる。1つの実施例により、各複数の層は、等しい厚さであり得る。あるいは、各複数の層は、異なる厚さを有し得る。たとえば、層厚は、他の層厚の中で、1mmより薄い、10mmより薄い、100mmより薄くてもよい。
1つの実施例により、コンピュータ・アルゴリズムを用いて、層厚を選択し得る。層厚は、対応する層と関連した内部機構の複雑さに基づき選択され得る。たとえば、層厚は、層内に設けられた開口部の数、層内に設けられた開口部により画定された領域、予め選択されたサイズより小さい層内の最小の開口部サイズ、予め選択されたサイズより大きい層内の最大の開口部サイズ、または同様のもののような、基準に基づき選択され得る。加えて、層厚は、セグメントを形成するために使用された材料の種類、選択された接合工程の種類、または同様のものに基づき選択され得る。当業者は、他の基準が層厚を決定するために使用され得ることを容易に理解するであろう。
1つの実施例により、CADソフトウェアは、複数の層の幾何学的形状を判定するスライス機能を用いてもよい。幾何学的形状を判定した後に、複数の層は、本明細書に記述されたさまざまな技術を使用して製造され得る。製造される層数は、各層の厚さ、及びセグメントの全長に依存する。複数の層を製造した後に、アライメント機構を複数の層の対応する開口部内に挿入し、固定具上に複数の層を積み重ねる。本明細書に記述されるように、固定具は、長手方向または軸方向(y方向)のような、わずか2の自由度内で複数の層の移動を可能にするように設計される。複数の層をアライメント機構上で適切に位置決めし、任意の内部構成要素を埋め込んだ後、つぎに接合工程を実行し、複数の層を互いに融着してもよい。
図10は、本開示による例示的な方法1000のフローチャートである。方法1000は、上記で説明された構成要素のうちの1つ以上を使用して実装され得る。たとえば、方法1000は、固定具を使用して実装され得る。固定具は、2以下の自由度へ複数の層の移動を制限するアライメント機構を含み得る。
方法1000は、セグメントの選択された長さに基づき複数の層を取得し、各複数の層は、その中に形成された開口部を含み得る(ブロック1002)。たとえば、五百(500)層の個々の層は、所望のセグメントを形成するために取得され得る。さらに方法1000は、アライメント機構上に各複数の層からの開口部を受容する(ブロック1004)ことを含み得る。たとえば、各500層の個々の層は、互いに関して500層の個々の層を適切に一直線に並べるアライメント機構上に挿入される開口部を含み得る。アライメント機構は、上記で説明されるように構築され得る。また方法1000は、複数の層の移動を2以下の自由度へ制限する(ブロック1006)ことを含んでもよい。たとえば、アライメント機構を有する固定具は、長手方向または軸方向(y方向)内で500の個々の層の移動を可能にするように設計される。加えて、方法は、複数の層を接合する接合工程を実行する(ブロック1008)ことを含み得る。この方式で、500層の個々の層は、互いに融着され、固く融着されたセグメントを形成する。
複数の実施例は、本開示の理解を向上させるために本明細書に提供される。特定の一連の実施例を以下のように提供する。第一実施例において、方法は、複数の層から構築されたドリル・ストリングのセグメントを組み立てるために開示され、この方法は、セグメントの選択された長さに基づき複数の層を取得することを含み、各複数の層は、その中に形成された開口部を含み、アライメント機構上に各複数の層からの開口部を受容し、複数の層の移動を2以下の自由度に制限し、複数の層を接合する。
第2実施例において、前述の第1実施例により本明細書に開示された方法があり、アライメント機構上に各複数の層内に形成された開口部を受容することは、予め選択された順序で複数の層を受容することを含む。
第3実施例において、前述の実施例、第一から第二のいずれかにより本明細書に開示された方法があり、少なくとも1層で不具合が識別されるとアライメント機構からこの少なくとも1層を除去することをさらに含む。
第4実施例において、前述の実施例、第一から第三のうちのいずれかにより本明細書に開示された方法があり、除去された少なくとも1層を少なくとも1層の交換層と交換することをさらに含み、各少なくとも1層の交換層は、アライメント機構上に受容される開口部を含む。
第5実施例において、前述の実施例、第一から第四のいずれかにより本明細書に開示された方法があり、少なくとも1層の交換層をアライメント機構上に受容した後に複数の層の接合を実行する。
第6実施例において、前述の実施例、第1から第5のいずれかにより本明細書に開示された方法があり、複数の層のうちの選択された層は、ダウンホール器具内にキャビティを形成するために設けられたキャビティ開口部を含む。
第7実施例において、前述の実施例、第1から第6のうちのいずれかにより本明細書に開示された方法があり、キャビティ開口部は、セグメントの組み立て中にその中に構成要素を受容する。
第8実施例において、前述の実施例、第1から第7のうちのいずれかにより本明細書に開示された方法があり、複数の層は、電子ビーム溶接、レーザ焼結、及び接着剤結合のうちの少なくとも1つを使用して接合される。
第9実施例において、方法は、複数の層から構築されたドリル・ストリングのセグメントを組み立てるために開示され、この方法は、セグメントの選択された長さに基づき複数の層を取得し、各複数の層がその中に形成された開口部を含むこと、アライメント機構上に各複数の層からの開口部を受容すること、複数の層の移動を2以下の自由度に制限すること、少なくとも1層内で不具合が識別されるとアライメント機構からこの少なくとも1層を除去すること、この除去された少なくとも1層を少なくとも1層の交換層と交換し、各少なくとも1層の交換層がアライメント機構上に受容される開口部を含むこと、ならびに複数の層及び少なくとも1層の交換層を接合することを含む。
第10実施例において、第9実施例により本明細書に開示された方法があり、アライメント機構上に各複数の層内に形成された開口部を受容することは、予め選択された順序で複数の層を受容することを含む。
第11実施例において、実施例、第九及び第十により本明細書に開示された方法があり、複数の層のうちの選択された層は、セグメント内にキャビティを形成するために設けられたキャビティ開口部を含む。
第12実施例において、実施例、第9及び第11により本明細書に開示された方法があり、キャビティ開口部は、セグメントの組み立て中にその中に構成要素を受容する。
第13実施例において、実施例、第9及び第12により本明細書に開示された方法があり、構成要素は、センサ、アンテナ、及び電気配線のうちの少なくとも1つを含む。
第14実施例において、システムは、ドリル・ストリングのセグメントを形成するために提供され、このシステムは、その中に形成された開口部を含む各複数の層、複数の層を受容し、複数の層の移動を2以下の自由度に制限するアライメント機構、及び複数の層を接合し融着されたセグメントを形成するファスナーを含む。
第15実施例において、前述の第14実施例により本明細書に開示された継手があり、アライメント機構は、予め選択された順序で複数の層を受容する。
第16実施例において、前述の第14及び第15実施例により本明細書に開示された継手があり、アライメント機構は、少なくとも1層内で不具合が識別された際の、この少なくとも1層の除去を可能にする。
第17実施例において、前述の第14及び第16実施例により本明細書に開示された継手があり、アライメント機構は、少なくとも1層の交換層と少なくとも1層の交換を可能にし、各少なくとも1層の交換層は、アライメント機構上に受容される開口部を含む。
第18実施例において、前述の第14及び第17実施例により本明細書に開示された継手があり、ファスナーは、電子ビーム溶接機、レーザ焼結機、及び接着剤ボンダーのうちの少なくとも1つを含む。
第19実施例において、前述の第14四及び第18実施例により本明細書に開示された継手があり、複数の層のうちの選択された層は、セグメント内にキャビティを形成するために設けられたキャビティ開口部を含む。
第20実施例において、前述の第14及び第19実施例により本明細書に開示された継手があり、キャビティ開口部は、その中に構成要素を受容する。
上記に示され説明された実施形態は、単なる実施例に過ぎない。本開示の構造及び機能の詳細とともに、本技術の複数の特徴及び利点が前述の説明に記載されているが、本開示は、例示に過ぎず、添付の特許請求の範囲内に使用された用語の広範の一般的な意味により示された最大限の範囲へ本開示の原理内で、特に形状、サイズ及び部品の配置に関して、詳細内で変更を行ってもよい。したがって、上記で説明された実施形態を添付の特許請求の範囲内で変更してもよいことが理解されるであろう。

Claims (20)

  1. 複数の層から構築されたドリル・ストリングのセグメントを組み立てるための方法であって、
    前記セグメントの選択された長さに基づき複数の層を配列することを含み、各前記複数の層がその中に形成された開口部を含み、
    前記方法は、さらに、アライメント機構上に各前記複数の層からの前記開口部を受容することと、
    前記複数の層の移動を2以下の自由度へ制限することと、
    前記複数の層を接合することと、
    ことを含む、前記方法。
  2. 前記アライメント機構上で各前記複数の層内に形成された前記開口部を受容することは、予め選択された順序で前記複数の層を受容することを含む、請求項1による前記方法。
  3. 少なくとも1層で不具合が識別されると前記アライメント機構から前記少なくとも1層を除去することをさらに含む、請求項1による前記方法。
  4. 前記除去された少なくとも1層を少なくとも1層の交換層と交換することをさらに含み、各前記少なくとも1層の交換層は、前記アライメント機構上に受容される開口部を含む、請求項3による前記方法。
  5. 前記少なくとも1層の交換層が前記アライメント機構上に受容された後に、前記複数の層の接合が実行される、請求項4による前記方法。
  6. 前記複数の層のうちの選択された層は、ダウンホール器具内にキャビティを形成するために設けられたキャビティ開口部を含む、請求項1による前記方法。
  7. 前記キャビティ開口部は、前記セグメントの組み立て中にその中に構成要素を受容する、請求項6による前記方法。
  8. 前記複数の層は、電子ビーム溶接、レーザ焼結、及び接着剤結合のうちの少なくとも1つを使用して接合される、請求項1による前記方法。
  9. 複数の層から構築されたドリル・ストリングのセグメントを組み立てるための方法であって、
    前記セグメントの選択された長さに基づき複数の層を取得することを含み、各前記複数の層がその中に形成された開口部を含み、
    前記方法は、さらに、
    アライメント機構上に前記各複数の層からの前記開口部を受容することと、
    前記複数の層の移動を2以下の自由度へ制限することと、
    少なくとも1層内で不具合が識別されると前記アライメント機構から前記少なくとも1層を除去することと、
    前記除去された少なくとも1層を少なくとも1層の交換層と交換することと、を含み、各前記少なくとも1層の交換層が前記アライメント機構上に受容される開口部を含み、
    前記方法は、さらに、
    前記複数の層、及び前記少なくとも1層の交換層を接合することを含む、
    ことを含む、前記方法。
  10. 前記アライメント機構上で各前記複数の層内に形成された前記開口部を受容することは、予め選択された順序で前記複数の層を受容することを含む、請求項9による前記方法。
  11. 前記複数の層のうちの選択された層は、前記セグメント内にキャビティを形成するために設けられたキャビティ開口部を含む、請求項9による前記方法。
  12. 前記キャビティ開口部は、前記セグメントの組み立て中にその中に構成要素を受容する、請求項11による前記方法。
  13. 前記構成要素は、センサ、アンテナ、及び電気配線のうちの少なくとも1つを含む、請求項12による前記方法。
  14. ドリル・ストリングのセグメントを形成するためのシステムであって、
    中に形成された開口部を含む複数の層と、
    前記複数の層の移動を2以下の自由度へ制限する、前記複数の層を受容するアライメント機構と、
    前記複数の層を接合し、融着されたセグメントを形成するファスナーと、
    を備える、
    前記システム。
  15. 前記アライメント機構は、予め選択された順序で前記複数の層を受容する、請求項14による前記システム。
  16. 前記アライメント機構は、少なくとも1層内で不具合が識別されると前記少なくとも1層の除去を可能にする、請求項14による前記システム。
  17. 前記アライメント機構は、少なくとも1層の交換層と前記少なくとも1層の交換を可能にし、前記少なくとも1層の各交換層は、前記アライメント機構上に受容される開口部を含む、請求項16による前記システム。
  18. 前記ファスナーは、電子ビーム溶接機、レーザ焼結機、及び接着剤ボンダーのうちの少なくとも1つを含む、請求項17による前記システム。
  19. 前記複数の層のうちの選択された層は、前記セグメント内にキャビティを形成するように設けられたキャビティ開口部を含む、請求項14による前記システム。
  20. 前記キャビティ開口部は、その中に構成要素を受容する、請求項19による前記システム。
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