JP6855572B2 - 径方向の駆動力に基づく回転誘導装置 - Google Patents

Description

本出願は、ボーリングの領域に関し、特に、径方向の駆動力に基づく回転誘導装置に関する。

地下に埋蔵されている天然資源を獲得するためには、掘削調査を行うことが必要である。非常に多くの場合、井戸／抗井と抗井櫓は整列していないため、一定のずれ（偏移）又は湾曲を形成することが必要になる。このように水平方向若しくは垂直方向のずれ又はその他の種類の入り組んだ井戸／抗井を形成する工程は、方向性掘削と称される。方向性掘削工程において、ドリルビットの方向に対して方向制御を行う工程は、誘導と呼ばれる。現在、誘導掘削には、摺動誘導と回転誘導の２つの種類がある。摺動誘導で掘削を行うときに、掘削柱は回転せず、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。スクリュードリルと掘削柱の一部、及びセントラライザー（扶正器）は、抗井壁に当接しており、抗井壁面で上下に摺動することができるだけである。これの欠点は、摩耗が大きく、有効な掘削圧力、トルク、及びパワーが小さく、掘削スピードが遅く、ドリルホール（井眼）がらせん状になって滑らかにきれいにはならず、抗井の品質が悪く、事故が発生しやすく、掘削盤（ロータリーテーブル）を起動して「複合掘削」を使用せざるを得なくなることがよくあり、更に、この「複合掘削」は、限定的に使用されることしかできないことが多い、ということである。摺動誘導の坑井の深さは最大でも約４０００ｍを下回る。抗井傾斜の方向位置を比較的大きく変更することが必要なときに、ドリルを引き上げて掘削柱の構造を変更しなければならない。回転誘導掘削システムは、回転盤が掘削柱の回転を駆動し、掘削柱や回転誘導ツールなどが抗井壁面においてローリングし、ローリングの摩擦抵抗は小さく、回転誘導掘削システムは、掘削中に、その傾斜形成機能と方向付け機能を制御調整し、リアルタイムで、その傾斜形成、傾斜増大、斜面安定化、傾斜減少を実現することができ、且つ、摩擦が小さく、トルクが小さく、掘削スピードは速く、ドリルビットの進行距離が長く、時間当たりの効率が良く、コストは安く、抗井は滑らかで、抗井軌道の制御が容易である。限界掘削深度は１５ｋｍに達することが可能であり、入り組んだ構造の抗井、並びに、海底油田関連抗井及び超大偏距抗井（１０ｋｍ）を掘削する、新たな有効手段となる。

一般的に使用されている回転誘導技術には更に２つの種類があり、その１つは指向式誘導であり、もう１つは寄掛り接触式誘導である。米国の会社であるハリーバートン（Halliburton）が取得した中国特許CN104619944Bは、指向式誘導ツールを開示しており、これは、モジュール化されたアクチュエータ、誘導ツール、及び回転式誘導掘削システムを提供し、モジュール化されたアクチュエータはカートリッジを備え、カートリッジはハウジングの外周に連結されるように構成されている。畜液器がカートリッジ内に収容され、液圧によって作動するアクチュエータはカートリッジ内で摺動するように設けられ、作動位置と非作動位置との間で移動し、アクチュエータのピストンが駆動軸のスロープ面を選択的に押し出すことにより、掘削柱の方向が変わる。米国特許出願文献US20140209389A1は、回転誘導ツールを開示しており、当該ツールは、非回転体と、偏向可能なユニットを含む回転軸とを含み、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ユニットを偏向させることができ、ひいてはドリルビットの穿孔方向を調整する。米国特許出願文献US20170107762A1は、別の種類の回転誘導技術、すなわち、寄掛り接触式回転誘導技術を開示しており、これは、掘削ロッドの周囲に設けられた寄掛り接触部材及びこれらの寄掛り接触部材を駆動するのに用いられる液圧駆動システムを含み、液圧駆動システムは、寄掛り接触位置と非寄掛り接触位置との間で移動するように寄掛り接触部材を選択的に駆動することができ、寄掛り接触位置にあるときに寄掛り接触部材は抗井壁を叩くように寄掛り接触する（押し付ける）ことにより、誘導力を生成し穿孔方向を変更することができる。

指向式誘導と寄掛り接触式誘導は各々の特徴を有し、一般的には、指向式誘導の傾斜増角率は比較的穏やかであり、掘削圧力と地層条件から受ける影響が比較的小さいが、その傾斜増角率の極値は比較的低く、高い傾斜増角率が必要となる状況では要求を満たすことが困難であり、比較して言うと、寄掛り接触式誘導の傾斜増角率はあまり穏やかではなく、掘削圧力と地層条件から受ける影響が比較的大きく、掘削圧力が比較的低く且つ地層の硬度が適当であるときに、傾斜増角率は比較的大きく、ドリルホールの軌跡を素早く調整することができるが、軟らかい地層に遭遇したときに誘導能力の低下が顕著である。

近頃、何人かの人々がハイブリッド式の誘導ツールを提案したが、駆動力を提供するための駆動方式は一貫して好適な実施方法を有するに至っていない。これ以外に、抗井内における測定制御の難しさとエネルギー消費の問題も同様に重要であり、一方では、抗井内の部材が掘削ロッドにつれて回転すると、それに対応して部材の測定が困難になるということも無視できない問題であり、どうすればデータ測定が簡単になるかは重要な課題であり、他方では、抗井内のエネルギーは主として泥発電から来るものであり、抗井内の電子機器の稼働を保証する以外にも、誘導駆動装置が要するエネルギーを提供することが必要であり、どうすれば比較的低いエネルギー消費量の誘導駆動装置を提供できるかも同じく非常に重要である。

そのため、既存の技術は、構造がコンパクトであり、制御の難しさを低減させることができ、且つ傾斜増角率が大きい、ドリルの回転に伴って誘導駆動を行う技術を必要としている。

上述の問題を解決するために、本出願は、以下のものを含む径方向の駆動力に基づく回転誘導装置を提供する。すなわち、
回転軸であって、前記回転軸が駆動ツールヘッドを回転させ、前記回転軸が上軸部、下軸部、及び可変方向部を含み、前記上軸部と前記下軸部とが前記可変方向部を介して方向変更可能に連結している、回転軸と、
前記上軸部に装着された非回転体であって、前記非回転体は前記回転軸が前記ツールヘッドを回転駆動するときに前記回転軸対して周方向に概ね非回転状態を呈し、前記下軸部が前記非回転体の少なくとも一部分と軸方向に重なり合う環状部を含み、前記非回転体が周方向に均一に分布した少なくとも３つの液圧駆動機構を含み、前記少なくとも３つの液圧駆動機構はそれぞれ径方向の駆動力を制御可能に生成するために用いられ、前記径方向の駆動力は前記非回転体が重なり合う環状部に作用し、それによって、前記下軸部が前記可変方向部に対して偏向を生成する、非回転体とである。

好ましくは、前記可変方向部は万能軸或いは可撓性軸を含む。

好ましくは、前記下軸部にはセントラライザーが設けられ、前記セントラライザーは前記液圧駆動機構が前記環状部を偏向させるように設けられたときに、前記セントラライザーが前記下軸部に前記可変方向部に対して偏向を生成させるように抗井壁に寄掛り接触するように適合されている。

好ましくは、前記液圧駆動機構及び前記セントラライザーはそれぞれ可変方向部の両側において設けられている。

好ましくは、前記非回転体と前記下軸部との間において設けられた万能軸受けを更に含み、前記万能軸受けは概ね軸方向において前記液圧駆動機構と重なり合う位置に設けられ、前記可変方向部は前記液圧駆動機構及び前記セントラライザーの前記ツールヘッド側から離間した側に設けられている。

好ましくは、前記セントラライザーは前記下軸部と着脱可能に連結されている。

好ましくは、前記非回転体と前記下軸部との間において設けられた万能軸受けを更に含む。

好ましくは、前記液圧駆動機構は、径方向沿って配置された液圧シリンダと、前記液圧シリンダ内に配置されたピストンとを含み、前記ピストンは前記環状部との間に設けられた押圧球を有し、前記ピストンは前記押圧球を介して前記環状部を押す。

好ましくは、前記非回転体内には電気回路区画が含まれ、前記電気回路区画は前記液圧駆動機構と接続されている。

本出願が提供する回転誘導装置によって、径方向の駆動力を提供することができる液圧駆動機構を介して環状板を押し、てこの原理を利用してツールヘッドに対して誘導力を生成する。同時に、本出願の誘導装置はより広い選択可能な傾斜増角率の範囲を提供することができ、異なる地層の要求を満たし、同時にハイブリッド式で誘導中の寄掛り接触部分に対して述べると、それはもはやドリルアセンブリ全体によって動かされることはなく、下軸部を可変方向部の周りで連動して回転誘導することのみが必要であり、抗井内の誘導エネルギー消費を大幅に節約することができる。

本明細書の添付図面は、本出願の更なる理解をもたらし、本出願の一部を構成し、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。図面は、以下の通りである。

本出願の第１の実施例による回転誘導装置である。 本出願の第２の実施例による回転誘導装置である。 本出願の第３の実施例による回転誘導装置である。

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」などといった関係を示す用語は、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。更に、用語「備える」、「含む」、又はその他の任意の類似する表現は、一連の工程、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、そのような工程、方法、物品、又は装置に固有の要素も含む。更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更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回転誘導装置は、油田掘削又は他の探査掘削という用途に関し、抗井櫓システム、動力システム、及び信号システムなどの回転誘導装置と相互関係しているその他のシステムの部材は、公知の技術常識とみなして、本明細書ではあまり詳細に説明されていない。

実施例１
図１で示されているように、本実施例は径方向の駆動力に基づく回転誘導装置を提供し、該実施例中、回転誘導装置はハイブリッド式の回転誘導に属するものであり、具体的に述べると、該ハイブリッド式の誘導装置は、上軸部１、下軸部６、及び可変方向部８を含む回転軸であって、ツールヘッドＢを回転駆動する回転軸を含む。図１で示されているように、前記上軸部１と前記下軸部６は軸方向に間隔が空けられ、該間隔距離は前記上軸部１に対して前記下軸部６が回転するための空間を提供し、前記上軸部１と前記下軸部６は前記可変方向部８を介して方向を変えることができるように連結している。駆動力が作用している状態では、連結ツールヘッドＢの下軸部６は局部的運動の様態で誘導を提供することができるので、ドリルアセンブリ全体を駆動する必要はもうない。

回転誘導装置は前記上軸部１に装着された非回転体２を含み、前記非回転体２は前記回転軸が前記ツールヘッドを回転駆動するときに前記回転軸に対して周方向に概ね非回転状態を呈し、実際の稼働環境では、前記非回転体２は摩擦力と慣性が作用するために、比較的低い速度で回転し得る。前記下軸部６は前記非回転体２の少なくとも一部分と軸方向に重なり合う環状部６１を含む。図１で示されているように、前記非回転体２は周方向に均一に分布した少なくとも３つの液圧駆動機構５を含み、一般的な状況下では、上記の液圧駆動機構は３つ或いは４つであってよい。前記少なくとも３つの液圧駆動機構５はそれぞれ径方向の駆動力を制御可能に生成するために用いられ、前記径方向の駆動力は前記非回転体が重なり合う環状部に作用し、それによって、前記下軸部が前記可変方向部対して偏向を生成する。既存の技術とは異なり、本実施例中で利用される液圧駆動機構５の伝導力は前記環状部に向けて能動的に駆動力を加え、それによって、てこの作用力を制御可能に生成することができ、駆動工程における能動部材と受動部材との間に冗長な自由度はなく、同時に軸方向に重なり合うように径方向に配置された液圧シリンダによって生成される、てこの駆動はドリルアセンブリ内にコンパクトな駆動構造を形成する。前記液圧駆動機構は、径方向に沿って配置された液圧シリンダと、前記液圧シリンダ内に配置されたピストンとを含む。

図１の中で示されている実施形態では、前記可変方向部が万能回転機構８であり、当業者は、類似の機構が、上述の万能回転機構の代わりになることができる誘導機能の機構、例えば可撓性軸を提供することができることを理解し得る。

好ましくは、前記下軸部６にはセントラライザー７が設けられ、前記セントラライザー７は、前記液圧駆動機構が前記環状部を駆動して偏向させるときに、前記セントラライザー７が前記下軸部に前記可変方向部に対して偏向を生成させるように抗井壁に寄掛り接触するように適合されている。前記セントラライザー７の外表面には耐摩耗性材料、例えば硬質合金材料或いはポリダイヤモンド複合材料が塗布され、一方では、本実施例中、セントラライザー７はドリルその他の部分がボーリング工程中に側壁と接触しないことにより摩耗を免れるように保護することができ、また他方では、本実施例について回転誘導が、液圧駆動機構が環状板６１に向けて径方向の作用力を加えたときに、先ず下軸部６が可変方向回転部材８の中心を支点として回転し、一定程度移動した後で、外側に向けて偏向する片側のセントラライザー７と抗井壁との寄掛り接触が発生し、支点はセントラライザー７と側壁との間の接点となり、図１で示されているように、液圧駆動機構５と前記セントラライザー７はそれぞれ可変方向回転部材８の両側に配置され、それによって、下軸部６に作用する径方向駆動力によって生成されるトルクは側壁に作用するセントラライザー７によって生成されるトルクの方向と一致することが非常に重要である。つまり、セントラライザー７は指向式誘導作用の制限構造として作用を生成し、同時に可変方向回転部材の受力状態を改善し、その使用寿命を増加させる。

図中において詳細に示していない実施形態では、前記セントラライザー７が下軸部６上に着脱可能に装着されており、且つ、上記の下軸部６上に装着されたセントラライザー７の外径は任意であり、回転誘導するときに、上記のセントラライザー７の外径は非常に大きな程度で回転誘導の指向角（すなわち、ツールヘッドと上軸部が生成する偏向の角度）の大きさを決定し、セントラライザー７の直径が大きくなればなるほど、生成される指向角を大きくすることができ、セントラライザー７の直径が小さくなればなるほど、生成される指向角を小さくすることができ、それによって、異なる傾斜増角率の要求に基づいて、異なる直径のセントラライザー７を選択することができる。

実施例２
本実施例中の回転誘導装置は全体的に実施例１の誘導装置と類似し、主な違いは前記非回転体と前記下軸部との間に設けられた万能軸受け１１を含むことであり、前記万能軸受け１１は軸方向において前記液圧駆動機構と概ね重なり合う位置に設けられ、前記可変方向部８は前記液圧駆動機構及び前記セントラライザーの前記ツールヘッドから離間した側に設けられ、具体的には、可変方向部８の位置は液圧駆動機構５とセントラライザー７の左側に設けられ、これと同時に、非回転体２の支持構造の液圧駆動機構５側には万能軸受け１１が設けられており、上記の万能軸受け１１は径方向及び軸方向の力に耐えそれらを伝達することができる。液圧駆動機構５が径方向の作用力を生成したときに、下軸部６上にそれぞれ指向式と寄掛り接触式の作用を生成することができ、例えば、図２中の上方の液圧駆動機構５が外側に向けて駆動するときに、液圧シリンダが外向きに延伸する工程中、先ず液圧駆動機構５は非回転体２と万能軸受け１１を介して下軸部６のコアに下向きの作用力を伝達することができ、この作用力が下軸部６のコアに作用して下軸部６を可変方向回転部材８の周りで偏向させることができ、指向式誘導を生成することができ、下軸部６が偏向するにつれて、上方のセントラライザー７が抗井壁と逐次接触且つ寄掛り接触し、下向きの反作用力を生成し、それによって、更に下軸部６を可変方向回転部材８を中心に下向きに偏向させるトルクを生成し、寄掛り接触式の誘導を生成する。

実施例３
本実施例中の回転誘導装置は全体的に実施例１の誘導装置と類似し、主な違いは可変方向部としての可変方向部材８が別個の部材であることであり、可変方向部材８は上軸部１と下軸部６とに軸方向に回転可能に連結されており、例えばキーを介して連結された方式が回転伝達を実現し、同時に、下軸部６は前記可変方向回転部材８に対して偏向を生成することができ、前記可変方向回転部材８と前記下軸部６との間に密封部材１１が設けられている。

前記上軸部１の前記非回転体２の近くの位置には電気回路区画１２、すなわち、一次回路区画が設けられており、前記非回転体２に設けられた電気回路区画３（すなわち、二次回路区画）は前記上軸部の端部の近くに設けられ、一次回路区画１２と二次回路区画３との間で電力の伝送とデータ通信とを実現することができ、稼働工程中、それによって、非回転体２と上軸部１との間に相対運動が存在し、一次回路区画１２内の電力は非回転体２内の二次回路区画３に直接供給することができず、本願では上軸部１と非回転体２との間に伝送装置（図示せず）が装着され、この伝送装置はポイントスリップリングへの接触式マルチコアであってよく、それはまた、非接触式の電力及び信号の伝送の一次側および二次側であってよく、電磁誘導原理を利用した一次回路区画１２と二次回路区画３との間の電力及びデータの通信を実現する。

他方では、前記液圧駆動機構は、径方向に沿って配置された液圧シリンダと、前記液圧シリンダ内に配置されたピストンとを含み、前記ピストンは前記環状部との間に設けられた押圧球５１を有し、前記ピストンは前記押圧球５１を介して前記環状部６１を押す。

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、変形などは、全て本出願の権利範囲内に含まれる。

Claims (7)

1. 径方向の駆動力に基づく回転誘導装置であって、
   回転軸であって、前記回転軸が駆動ツールヘッドを回転させ、前記回転軸が上軸部、下軸部、及び可変方向部を含み、前記上軸部と前記下軸部とが前記可変方向部を介して方向変更可能に連結している、回転軸と、
   前記上軸部に装着された非回転体であって、前記非回転体は前記回転軸が前記ツールヘッドを回転駆動するときに前記回転軸に対して周方向に概ね非回転状態を呈し、前記下軸部が前記非回転体の少なくとも一部分と軸方向に重なり合う環状部を含み、前記非回転体が周方向に均一に分布した少なくとも３つの液圧駆動機構を含み、前記少なくとも３つの液圧駆動機構はそれぞれ径方向の駆動力を制御可能に生成するのに適しており、前記径方向の駆動力は前記非回転体が重なり合う前記下軸部の環状部に作用し、それによって、前記下軸部が前記可変方向部に対して偏向を生成する、非回転体とを含み、
   前記下軸部にはセントラライザーが設けられ、前記セントラライザーは前記液圧駆動機構が前記環状部を駆動して偏向させるように設けられたときに、前記セントラライザーが前記下軸部に前記可変方向部に対して偏向を生成させるように抗井壁に寄掛り接触するように適合されている、ことを特徴とする、回転誘導装置。
2. 前記可変方向部は万能軸或いは可撓性軸を含む、ことを特徴とする、請求項１に記載の回転誘導装置。
3. 前記液圧駆動機構及び前記セントラライザーはそれぞれ前記可変方向部の両側において設けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載の回転誘導装置。
4. 前記非回転体と前記下軸部との間において設けられた万能軸受けを更に含み、前記万能軸受けは概ね軸方向において前記液圧駆動機構と重なり合う位置に設けられ、前記可変方向部は前記液圧駆動機構及び前記セントラライザーの前記ツールヘッドから離間した側において設けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載の回転誘導装置。
5. 前記セントラライザーは前記下軸部と着脱可能に連結されている、ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回転誘導装置。
6. 前記液圧駆動機構は、径方向に配置された液圧シリンダと、前記液圧シリンダ内に配置されたピストンとを含み、前記ピストンは前記環状部との間に設けられた押圧球を有し、前記ピストンは前記押圧球を介して前記環状部を押す、ことを特徴とする、請求項１に記載の回転誘導装置。
7. 前記非回転体内には電気回路区画が含まれ、前記電気回路区画は前記液圧駆動機構と接続されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の回転誘導装置。

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