JP6676218B2 - 非回転スリーブの回転防止装置及び回転誘導装置 - Google Patents

Description

本出願は、ボーリングの領域に関し、特にボーリングの回転誘導の制御の領域に関する。

地下に貯蔵された自然資源を獲得するためには、坑井掘削調査を行う必要がある。多くの場合、井戸孔とデリック（井戸掘り櫓）は整列していないため、一定のオフセット又は湾曲を形成することが必要である。水平又は垂直なオフセット或いはその他の種類の複雑な井戸孔を形成するプロセスは、方向掘削と呼ばれる。一定方向で掘削する工程の間、ドリルビットの方向に方向制御を行う工程は、誘導と呼ばれる。現在の誘導掘削には、摺動誘導と回転誘導の２つの種類がある。摺動誘導掘削する際には、ドリルステムは回転せず、ダウンホール・モータ（ターボドリル、スクリュードリル）を用いて、ドリルビットを回転させる。スクリュードリル及びドリルステムの一部、並びにセントラライザーは、井戸壁に対して上下に摺動することしかできない。その欠点として、摩耗が大きく、有効な掘削圧力、トルク及び仕事率が低くなり、掘削速度が低下し、ドリル穴（井眼）がらせん状になって滑らかにきれいにはならず、坑井の品質が悪く、事故が生じやすいことが挙げられる。ドリルプレートを採用して、「複合ボーリング」を行わざるを得ないことが多いが、「複合ボーリング」は、使用が限定されることが多い。摺動誘導の坑井深さの限度は、約４０００ｍ未満である。井戸傾斜の向きを大きく変える必要がある場合は、ドリルステムの構造を変える必要がある。回転誘導掘削システムは、回転盤がドリルステムを回転駆動させ、ドリルステムと回転誘導ツール等は、井戸壁上で転動し、転がり摩擦の抵抗力は少ない。回転誘導掘削システムは、掘削中に傾斜形成及び配向機能を制御調整することができる。回転誘導掘削システムは、掘削中に、斜面を生じさせ、斜面を増やし、斜面を安定化させ、斜面を減らす。そして、摩擦が少なく、トルクが低く、掘削速度が速く、ドリルビットの掘削進度が速く、寿命が長く、コストが低く、掘削孔が平滑であり、且つ井戸の軌道は制御し易い。回転誘導掘削システムは、限界掘削深度が１５ｋｍに達することが可能であり、複雑な構造の井戸、沖合油田、及び超大型の変位井戸（１０ｋｍ）にとって、新しい種類の武器である。

米国特許文献ＵＳ２０１４０２０９３８９Ａ１は、回転誘導工具を開示している。当該工具は、非回転スリーブ、及び偏向器を含む回転軸を備えており、偏向器は、偏心軸スリーブの周方向位置を制御することにより偏向を行い、ドリルビットの穿孔方向を調整する。全体的な誘導工程の間、制御システムは、非回転スリーブの姿勢を絶えず測定する必要があり、姿勢パラメータに従って制御コマンドを出力する（姿勢測定システム及び制御ユニットは、概して、非回転スリーブ内に取り付けられている）。しかしながら、ドリルシステムの作動工程の間、非回転スリーブは、慣性及び無視できない摩擦作用によってドリルシステムと共に回転する。非回転スリーブの回転速度は駆動軸を下回るが、回転している非回転スリーブは、依然として姿勢測定を妨げるものであり、測定速度の精度を保証することが困難になり、制御システムの制御精度に影響を与え、全体の誘導操作に影響を与える恐れがある。

したがって、現状の技術では、ドリルアセンブリの回転に伴う非回転スリーブの回転を効果的に阻止し、それにより、精度の高い姿勢測定と誘導制御のための基礎をもたらす技術が必要とされている。

上述の問題を解決するために、本出願は、非回転スリーブの回転防止装置を提供する。回転防止装置は、周方向作用力を非回転スリーブに伝達して非回転スリーブの回転を阻止するように、非回転スリーブに連結され、回転防止装置は、回転防止部材及び弾性部材を備え、回転防止部材は、非回転スリーブのほぼ径方向に移動することができ、弾性部材は、回転防止部材に作用して、回転防止部材にほぼ径方向外向きの力を加える。

好ましくは、回転防止装置は、
非回転スリーブに連結された本体、及び
本体に取り付けられた回転防止部材座体
をさらに備え、回転防止部材は、回転防止部材座体に取り付けられ、弾性部材は、本体に取り付けられ、弾性部材は、回転防止部材座体に作用して、回転防止部材座体により、径方向外向きの作用力が加えられる。

好ましくは、回転防止部材座体は、第１の取り付けピンにより、本体にピン接合され、回転防止部材は、第２の取り付けピンにより、回転防止部材座体に回転可能に取り付けられる。

好ましくは、回転防止部材座体は、斜面を備え、斜面が回転防止部材に作用することにより、径方向の外向き作用力が加えられる。

好ましくは、本体にリミット突起部が設けられ、リミット突起部は、回転防止部材の径方向移動を制限するように適合されている。

好ましくは、回転防止装置は、第３の取り付けピンであって、本体が、第３の取り付けピンによって非回転スリーブと連結される、第３の取り付けピンをさらに備え、回転防止装置は、径方向駆動装置、及び本体に設けられた延伸部をさらに備え、径方向駆動装置は、本体を第３の取り付けピンの周りで回転するように駆動することにより、延伸部と第２の非回転スリーブとの作用を引き起こすように適合されている。

別の態様では、本出願は、第１の非回転スリーブ、第２の非回転スリーブ、及び上述の回転防止装置を含む回転誘導装置をさらに開示しており、第１の非回転スリーブと回転防止装置とが連結され、回転防止装置と第２の非回転スリーブとが連結される。

好ましくは、回転防止装置と第２の非回転スリーブとの連結とは、具体的には、
回転防止装置が延伸部を備え、延伸部と第２の非回転スリーブが、軸方向上で重畳部分を備えることである。

本出願は、非回転スリーブの回転防止装置及び回転誘導装置を提供することにより、一態様では、ドリルアセンブリの全体的な寸法を拡大せずに、非回転スリーブの速すぎる回転を防止することが可能であり、非回転スリーブの可能な限り低い回転又は非回転により、精度の高い姿勢測定と誘導制御のための基礎をもたらす。別の態様では、本出願は、２つの非回転スリーブに基づく誘導装置を提供することにより、１つの回転防止装置のみを使用して、２つの非回転スリーブの高速回転を実現することが可能であり、それと同時に、回転防止装置は、最小限の構造的寸法に基づいた誘導駆動力を提供することが可能である。

本明細書の添付図面は、本出願のさらなる理解をもたらし、本出願の一部を構成する。本出願の概略的な実施例及びその説明は、本出願を説明するためのものであり、本出願を限定するものではない。

本出願の回転防止装置のドリルアセンブリの構造の概略図である。 本開示の回転防止装置の部分分解図である。 本出願の回転防止装置の一構造の概略図である。 本出願の回転防止装置の別の一構造の概略図である。 本出願の回転防止装置の延伸部における断面図である。 本出願の回転防止装置のニュートラルモードの概略図である。 本出願の回転防止装置の誘導モードの概略図である。

本出願の全体的な概念をより明確に説明するために、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を行う。本明細書中、「第１の」及び「第２の」などの関係性に関する用語は、ある実体又は動作を別の実体又は動作と区別するために使用され、実体又は動作の間に、そのような実際の関係性や順序があることを必ずしも要求したり暗示したりするわけではないことを留意されたい。さらに、用語「備える」、「含む」、又はその他の任意の類似する表現は、一連のプロセス、方法、物品、又は装置がこれらの要素に限定されないように、非排他的に網羅することが意図されており、その上、明示的に列挙されていない他の要素、或いは、そのようなプロセス、方法、物品、又は装置に固有の要素も含む。さらに多くの限定がない場合、「１つを含む」など語句によって限定される要素は、その要素以外に同じ要素がさらに含まれることを排除するものではない。

本出願に開示された装置は、油田掘削又は他の探査掘削の応用例に関し、デリックシステム、動力システム、及び信号システムなどの回転誘導装置に関するその他のシステム構成要素は、周知技術として本明細書では広範には説明されていない。

図１で示されるように、掘削作業で用いるドリルアセンブリは、２つの非回転スリーブを備えており、２つの非回転スリーブの間の作用力の伝達により、ツールヘッドの誘導駆動が実現する。具体的には、ドリルアセンブリは、上方駆動軸１を備えており、上方駆動軸１の前端と駆動システムとが連結され、上方駆動軸１内には、概して、幾つかの電気回路デバイスの格納に用いられる電気回路ハウジング１８が設けられ、上方駆動軸１の後端には、第１の非回転スリーブ１７が取り付けられ、第１の非回転スリーブ１７は、第１の非回転ベアリング２を介して、上方駆動軸１に取り付けられ、上方駆動軸１は、自在継ぎ手１０を介して、下方駆動軸１１と駆動連結され、上方駆動軸１は、自在継ぎ手１０との連結を介して、掘削の軸方向圧力と周方向トルクを下方駆動軸１１に伝達する。当該実施例では、ドリルアセンブリは、第２の非回転スリーブ９をさらに備えており、第２の非回転スリーブ９は、第２の非回転ベアリング１２を介して、下方駆動軸１１に取り付けられる。上方駆動軸１がツールヘッドを駆動させる工程の間、回転防止作用がない状況で、第１の非回転スリーブ１７及び第２の非回転スリーブ９は、必然的に上方駆動軸１の回転速度より遅く回転する。本実施例の１つの目的は、ドリルアセンブリの一体的構造の寸法を拡大せずに、第１の非回転スリーブ１７及び第２の非回転スリーブ９の回転を阻止することである。それにより、測定システム、特に、第１の非回転スリーブ１７及び第２の非回転スリーブ９の姿勢測定システムの測定難度が下がり、測定精度が向上し、制御システムの精度の高い制御が保証される。

以下、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る回転防止装置を例示的に詳しく説明する。図２は、回転防止装置の全体構造及び動作原理を例示する回転防止装置の部分分解図である。当該実施形態では、回転防止装置は、おおよそ円形状の回転防止部材と、おおよそ棒状の本体部とを含む。回転防止部材は、本体に可動に取り付けられ、バネの作用によって径方向外側に延出する傾向を維持し得る。回転防止部材が本体から延出すると、回転防止部材は井戸壁と接触することが可能であり、回転防止部材は、バネの一定の作用力によって接触状態を保持する。当然ながら、井戸壁の反作用によってさらに回転防止部材を引っ込める傾向がもたらされる。バネの作用は、両方の傾向の間で均衡を保つ。回転防止部材は、全体的にシート状の外形であり得、回転防止部材が井戸壁に当接すると、井戸壁が回転防止部材の回転の発生を阻止することができる。

本実施形態の動作原理をさらに詳細に理解するため、以下では図３を参照する。図３は、本出願の実施形態を例示しており、当業者は、実施形態が特許請求の範囲として特に限定されるべきではないことを理解すべきである。

図３では、図示の回転防止装置４は、全体的に棒状の本体（参照番号なし）を含み、本体の左端部にピンホールが設けられる。回転防止装置４は、全体的に、ピンホール内に取り付けられた取り付けピン３により、第１の非回転スリーブ１７に連結される。本体には、本体と取り付けピン３とを互いに固定する固定ねじ（図示せず）がさらに設けられている。第１の非回転スリーブ１７には、取り付けピン３を受け入れるための、対応するピンホールが設けられている。取り付けピン３は、第１の非回転スリーブ１７のピンホール内で回転可能である。回転防止装置４は、締め付けばね５を備えており、締め付けばね５は、ばね座１６によって、駆動軸のほぼ軸方向に沿って本体上に取り付けられる。この取り付け方法は、回転防止装置４が、構造体の径方向寸法を拡大しないことを確実なものとする。回転防止装置４は、おおよそ円盤状の回転防止部材７をさらに備えており、回転防止部材７は、取り付けピン１４により、座体６に取り付けられる。座体６には、ピンホールが設けられ、座体６は、ピンホール内に取り付けられた取り付けピン１５によって回転可能に本体に取り付けられる。締め付けばね５の左側が、本体の側壁に当接し、右側が、座体６の側壁に作用する。締め付けばね５の作用により、回転防止部材７が取り付けられた座体６は、取り付けピン１５の周りで回転する傾向があり、それにより、回転防止部材７は、本体から外側に延出して井戸壁に接触する。おおよそ円盤状の回転防止部材７は、取り付けピン１４によって座体６に取り付けられることにより、ボーリング工程中、井戸壁により回転防止部材７に作用する軸方向力は、過度に回転防止装置及び駆動軸に伝達されない。回転防止部材７に作用する径方向力は、回転防止部材７及び座体６が締め付けばね５を内側に圧縮させる傾向をもたらす。締め付けばね５の弾力が大きくなるにつれて、回転防止部材７が井戸壁に作用する力が大きくなり、弾力が小さくなるにつれて、井戸壁に作用する力が小さくなる。したがって、回転防止部材７と井戸壁とが接触する作用力が大きくなるにつれて、回転防止部材７に対して井戸壁が周方向回転を阻止する力が大きくなり、非回転スリーブに対する回転防止装置の回転防止効果が向上するが、回転防止部材７と井戸壁との作用力が過大になると、回転防止装置の剛性を過大ならしめることがあり、井戸壁の長期的作用によって破損しやすくなり、地層の種類に基づいて、適切な弾性部材を選択することができる。当然ながら、本実施形態で使用するばねは、弾性部材であり、当業者であれば、例えば、ディスクスプリングやフラットスプリング等のその他の種類の弾性部材を使用しても、同様に相応の技術的効果を実現することが可能であることを理解されよう。同様に、当業者であれば、本発明の構想では、回転防止装置４内での回転防止部材７の取り付けには、様々な代替案があることを理解されよう。

図４は、別の回転防止装置の構造を開示しており、当該構造は、全体的に図３に示す構造と類似している。異なる点は、回転防止部材７の駆動が、くさび形の座体６と回転防止部材７の斜面との嵌合を通して、ばね５によって、径方向に実現する点である。したがって、回転防止部材７に対する井戸壁の作用がさらにくさび形の座体６を通してばね５を圧縮する。

図１及び図３を参照すると、場合によっては、ドリルアセンブリは、２つの非回転スリーブを備えることが可能であり、第１の非回転スリーブから第２の非回転スリーブへの誘導作用力を通して、第２の非回転スリーブの方向が変わり、さらに、連動して下方駆動軸及びツールヘッドの方向が変わり、ドリルの回転誘導が実現する。本実施形態が解決すべき別の技術問題は、如何にコンパクトな構造で２つの非回転スリーブの回転防止を実現するかであり、同時に回転誘導の駆動の問題を解決することが望ましい。

このために、発明者は、回転防止装置及びドリルアセンブリに対して、一歩進んだ改良を施した。具体的には、回転防止装置の一端を取り付けピン３により第１の非回転スリーブ１７に取り付け、回転防止装置の他端を第１の非回転スリーブ１７に対して自由に可動させ、それにより、取り付けピン３を支点として、揺動構造を形成する。さらに解決すべき技術的問題にとって特に重要なのは、本実施形態の回転防止装置が径方向駆動部材８をさらに備えることであり、径方向駆動部材８は、油圧シリンダ又は電気駆動プランジャーであってよく、当該径方向駆動部材８は、回転防止装置の本体と上方駆動軸との間に取り付けられる。図面を見ると、回転防止装置の本体には、径方向駆動部材８を受け入れる凹部が設けられ、径方向駆動部材８は、回転防止装置を取り付けピン３の周りで揺動駆動することが可能である。回転防止装置の本体が第２の非回転スリーブ９に当接する一端に延伸部１３が設けられており、当該延伸部は、少なくとも部分的に第２の非回転スリーブ９と径方向に重なり合い、それにより、径方向駆動部材８が、回転防止装置を全体的に外側に揺動するように押し出すと、延伸部は、第２の非回転スリーブ９の内壁に当接し得る。

以下で図５、図６ａ、及び図６ｂを合わせてさらに詳細に説明すると、概して、本実施形態の回転防止装置は、３つ又は４つあってもよく、３つ又は４つの回転防止装置は、周方向に均等に分散され、図５に示す実施形態では、本出願は、３つの均等に分散した回転防止装置を有する。必要に応じて、本実施形態の回転防止装置は、少なくとも２つの任意の動作モードを有する。図６に示すように、ニュートラルモードでは、３つの回転防止装置の径方向駆動部材８が、それぞれ、外側に同じ作用力を加え、各延伸部１３は、同じ作用力で第２の非回転スリーブ９の内壁に当接させられる。各径方向駆動部材８の作用力は同じであり、したがって、延設部１３を介して非回転スリーブ９に作用する、均等に分配された複数の回転防止装置の合力はゼロとなり、第２の非回転スリーブ９は方向を変えることができない。延伸部３が第２の非回転スリーブ９の内壁に一定の作用力で当接するので、回転防止装置が第１の非回転スリーブ１７の回転を防止している間、一緒に当接された第２の非回転スリーブ１７も同様に回転が阻止される。図６ｂに示すように、誘導駆動モードでは、均等に分散した３つ又は４つの回転防止装置のそれぞれの径方向駆動部材８は、異なる作用力を加えることが可能であり、すべての径方向駆動部材８が加える作用力の合力は、第２の非回転スリーブ１７の方向を変える作用力、すなわち、誘導駆動力であり、第２の非回転スリーブ１７が方向を変えた後、自在継ぎ手１０を介して上方駆動軸１に連結された対応する下方駆動軸１１の方向も変えられ、最終的にツールヘッドの方向の変更が実現する。

別の態様では、本出願は、第１の非回転スリーブ１７、第２の非回転スリーブ９、及び上述の回転防止装置４を含む、非回転スリーブに基づく回転誘導装置をさらに開示しており、第１の非回転スリーブ１７と回転防止装置４とが連結され、回転防止装置４と第２の非回転スリーブ９とが連結される。

上記の回転防止装置４と第２の非回転スリーブ９との連結とは、具体的には、上記の回転防止装置と第２の非回転スリーブが、軸方向上で重畳部分を備えることである。当該重畳部分は、回転防止装置上の軸方向延伸部１３であり得る。軸方向延伸部１３は、第２の非回転スリーブ９の内部に延伸するように進入する。

明細書中の各実施例は、漸進的に説明されており、各実施例間の相似部分は、互いに参照することが可能であり、各実施例は、その他の実施例との相違点が重点的に説明されている。特に、システム実施例は、方法の実施形態と基本的に同様であるので、説明は比較的簡単であり、関連部分は、方法の実施例の説明を参照することができる。

以上の説明は、本出願の実施例に過ぎず、本出願を限定するものではない。当業者にとっては、本出願は、様々な変更及び修正を施すことができる。本出願の精神及び原理の範囲内で行われる任意の改変、等価置換、変形等は、全て本出願の権利範囲内に含まれる。

１ 上方駆動軸
２ 第１の非回転ベアリング
３ 第３の取り付けピン
４ 回転防止装置
５ 締め付けばね
６ 回転防止部材座体
７ 回転防止部材
Ｐ リミット突起部
８ 径方向駆動部材
９ 第２の非回転スリーブ
１０ 自在継ぎ手
１１ 下方駆動軸
１２ 第２の非回転ベアリング
１３ 延伸部
１４ 第１の取り付けピン
１５ 第２の取り付けピン
１６ ばね座
１７ 第１の非回転スリーブ
１８ 電気回路ハウジング

Claims (6)

1. 非回転スリーブの回転防止装置であって、
   前記非回転スリーブは、第１の非回転スリーブ、及び前記第１の非回転スリーブに隣接する第２の非回転スリーブを含み、
   前記回転防止装置が、
   前記第１の非回転スリーブに取り付けられた本体と、
   前記本体内に備えられた弾性部材、前記弾性部材の一端に取り付けられた回転防止部材座体、及び前記回転防止部材座体に取り付けられた回転防止部材を備え、前記回転防止部材が、前記第１の非回転スリーブのほぼ径方向に移動することができ、前記回転防止部材座体が、前記弾性部材による前記第１の非回転スリーブの軸方向の作用力を、前記回転防止部材に対するほぼ径方向外向きの作用力に変換するように構成され、
   前記回転防止装置が、
   第３の取り付けピン、
   前記本体に設けられた凹部に配置された径方向駆動装置、及び
   前記本体の前記第２の非回転スリーブ側の端部に設けられた延伸部
   をさらに備え、
   前記本体は、前記第３の取り付けピンによって前記第１の非回転スリーブと接続され、
   前記径方向駆動装置が、前記本体を前記第３の取り付けピンの周りで回転するよう駆動することにより、前記延伸部を前記第２の非回転スリーブの内壁と当接させるように用いられていることを特徴とする、回転防止装置。
2. 前記回転防止部材座体が、前記回転防止部材座体に設けられたピンホール内の第２の取り付けピンにより、前記本体にピン接合され、
   前記回転防止部材が、第１の取り付けピンにより、前記回転防止部材座体に回転可能に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の回転防止装置。
3. 前記回転防止部材座体が、斜面を備え、前記斜面が前記回転防止部材に作用することにより、前記径方向外向きの作用力が加えられることを特徴とする、請求項１に記載の回転防止装置。
4. 前記本体にリミット突起部が設けられ、前記リミット突起部が、前記回転防止部材の径方向移動を制限するように用いられていることを特徴とする、請求項１に記載の回転防止装置。
5. 回転誘導装置であって、
   第１の非回転スリーブ、第２の非回転スリーブ、及び請求項１から４のいずれか一項に記載の回転防止装置を備え、
   前記第１の非回転スリーブと前記回転防止装置とが連結され、前記回転防止装置と前記第２の非回転スリーブとが連結されることを特徴とする、回転誘導装置。
6. 前記回転防止装置と前記第２の非回転スリーブとの連結は、
   前記回転防止装置が延伸部を備え、前記延伸部と前記第２の非回転スリーブが、軸方向上で重畳部分を備えることであることを特徴とする、請求項５に記載の回転誘導装置。

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