JPH10510892A - 固体成分含有量の少ない高圧の液体を使用して穿孔するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ドリルビット（３）にて終わるドリルストリングが坑井内へ移動される。固体成分含有量の少ない穿孔流体がドリルストリング内のチューブを経て圧送され、ドリルビットより流出せしめられ、穿孔流体は地層物質に衝突し、ドリルビットと共働して地層物質を掘削する。穿孔流体の密度よりも高い密度を有する環状空間流体が、坑井とドリルビットとの間の環状空間（５）内へ連続的に圧送され、環状空間流体は実質的に地表よりドリルストリングの下端まで延在する。穿孔流体及び地層物質の掘削により生じる掘削物はドリルストリング内の実質的に障害物のない管状通路（１７）を経て地表へ戻される。環状空間流体は環状空間内に於いて所定の制御された圧力に維持され、穿孔流体と環状空間流体との間の界面がドリルビットの位置に形成され、該界面に於いて環状空間流体が穿孔流体と混合し、穿孔流体及び掘削物と共に地上へ戻され、穿孔流体が環状空間へ流入することが実質的に防止される。

Description

【発明の詳細な説明】 固体成分含有量の少ない高圧の液体を使用して穿孔するための方法及び装置技術分野 本発明は、地層を穿孔するための方法及び装置に係り、更に詳細には、固体成 分含有量の少ない高圧の液体を使用して石油を回収すべく地層を穿孔するための 方法及び装置に係る。発明の背景 坑井の回転穿孔に於いては、穿孔流体を使用することが従来より行われている 。坑井の側壁を保護し保持すべく、多くの場合穿孔流体はフィルタケーキを形成 する稠密な泥である。泥は管状のドリルストリングを経て圧送され、ドリルビッ トに設けられたノズルより流出し、ドリルストリングと坑井の側壁との間の環状 空間を経て地上へ戻される。この流体はドリルビットを冷却すると共に潤滑し、 ガスキックや吹き出しを防止すべく静水圧の流体コラムを形成し、また坑井の側 壁の地層表面にフィルタケーキを形成する。穿孔流体はノズルを経てドリルビッ トより流出し、ビットの歯により形成された掘削物を迅速に洗い流すに十分な速 度にて坑底に衝突する。特に高速の流体にて除去することが可能な比較的柔らか い地層の場合には、流体の速度が高いほど穿孔速度が高くなることが知られてい る。 高いノズル噴射速度を使用する泥液圧はドリルビットの 掘削速度に好ましい影響を与えることがよく知られているが、一般に穿孔流体は 地層物質の掘削のための主要なメカニズムとしては使用されない。その一つの理 由は、摩耗量を低減する努力が払われてはいるが、従来の穿孔泥は非常に研摩性 が高いということである。穿孔流体中に研摩粒子が存在する場合には、地層物質 を効果的に掘削するに十分な液圧馬力を発生するに必要な圧力により、ドリルビ ット、特にノズル及び対応するドリルストリング部材に過剰な摩擦摩耗が惹起さ れる。清澄な水や研摩性を有しない流体を使用することにより摩擦摩耗の問題が 解消されるものと思われるが、かかる流体は多孔質の地層や泥沼のようになり易 い地層の場合には、その密度や特徴の点からフィルタケーキを形成する稠密な穿 孔泥に置き代わることができない。また高圧のガスが存在しその吹き出しを防止 するために高密度の流体が必要である場合には、清澄な水を使用することができ ない。 フィルタケーキを形成する稠密な穿孔泥と共に固体成分含有量の少ない高圧の 穿孔流体を使用し、それら両方の利点を生かす努力が従来より行われている。例 えば１９６０年９月６日付にて発行された米国特許第２，９５１，６８０号公報 には、膨らませ可能なパッカーがドリルビットの直上にてドリルストリングに回 転可能に連結された二流体式の穿孔システムが開示されている。穿孔工程に於い ては、パッカーが膨らまされ、そのパッカーより上方のドリルス トリングと坑井の壁との間の環状空間が従来の穿孔泥にて充填される。次いでガ ス状の穿孔流体又は低密度の穿孔流体がドリルストリングを経て下方へ圧送され 、ドリルビットに設けられたノズルより流出する。パッカーは穿孔流体と環状空 間流体とが互いに混合することを防止する。掘削物を含む穿孔流体はパッカーよ り下方のドリルストリングの側壁に受けられたポート及びドリルストリング内に 形成された導管を経て地表へ戻される。ドリルストリング内にてドリルビットの 近傍にパッカーが存在するので、設計上及び信頼性の問題がある。更に掘削物を 含む穿孔流体がドリルストリング内の曲りくねった通路を経て戻され、通路は掘 削物にて栓塞され易い。 また１９６６年８月２３日付にて発行された米国特許第３，２６８，０１７号 公報には、二種類の流体を使用して穿孔する方法及び装置であって、互いに同心 の二つのチューブよりなるドリルストリングが使用される方法及び装置が開示さ れている。清澄な水が穿孔流体として使用され、ドリルストリングのインナチュ ーブを経て下方へ圧送され、ドリルビットより流出する。坑井の壁を被覆する穿 孔泥又は穿孔流体はドリルストリングと坑井との間の環状空間に維持される。掘 削物を含む穿孔流体はドリルストリングの互いに同心のインナチューブとアウタ チューブとの間に郭定された環状通路を経て地表へ戻される。ドリルストリング と坑井の壁との間の壁を被覆する穿孔泥のコラムの高さ が検出され、コラムに関連する静水圧の変化により生じる圧力の増大に応答して 穿孔流体の圧力が増大される。ドリルストリング内のインナチューブとアウタチ ューブとの間の環状通路を経て掘削物を含む流体を戻すことは、環状通路が栓塞 され易く栓塞物を除去することが非常に困難であるので問題がある。更に坑井内 の環状空間流体の高さを測定することにより環状空間流体により及ぼされる圧力 を検出することは、環状空間流体や穿孔泥が環状空間（穿孔工程の進行に応じて 坑井の全長に亘り環状空間流体や穿孔泥が維持される必要がある）内へ連続的に 圧送される場合には、非常に困難である。 更に１９８８年１月１２日付にて発行された米国特許第４，７１８、５０３号 公報には坑井を穿孔する方法であって、一対の互いに同心のドリルパイプの下端 に連結されたドリルビットを使用する方法が開示されている。石油や水の如き第 一の低粘性の流体がインナドリルパイプを経て下方へ圧送され、インナドリルパ イプとアウタドリルパイプとの間の環状通路を経て地表へ戻される。坑井の壁と アウタドリルパイプとの間に形成された環状空間には環状空間流体又は穿孔泥の コラムが静的な状態に維持される。ドリルパイプのセクションを追加する必要が 生じると、フィルタケーキを形成する穿孔泥が清澄な穿孔流体に取って代わり、 フィルタケーキを形成する稠密な環状空間流体又は穿孔泥のみが坑井を占有する よう、フィルタケーキを形成す る穿孔泥がインナドリルパイプを経て下方へ圧送される。ドリルパイプのセクシ ョンを追加するためのかかる方法は非常に面倒なものであり、実際非経済的であ る。 従って環状空間内にフィルタケーキを形成する稠密な流体を維持しつつ低密度 の穿孔流体にて穿孔を行う方法及び装置であって、商業的に実施可能な方法及び 装置が必要とされている。発明の概要 本発明の主要な目的は、穿孔中坑井とドリルストリングとの間の環状空間内に 穿孔流体の密度よりも高い密度を有する環状空間流体を維持しつつ、固体成分含 有量の少ない高圧の液体を使用して坑井を穿孔するための改良された方法及び装 置を提供することである。 本発明のこの目的及び他の目的は、ドリルビットにて終わるドリルストリング を坑井内へ移動させることによって達成される。固体成分含有量の少ない穿孔流 体がドリルストリングを経て圧送され、ドリルビットより流出せしめられ、穿孔 流体は地層物質に衝突し、ドリルビットと共働して地層物質を掘削する。穿孔流 体の密度よりも高い密度を有する環状空間流体が、坑井とドリルビットとの間の 環状空間内へ連続的に圧送され、環状空間流体は実質的に地表よりドリルストリ ングの下端まで延在する。穿孔流体及び地層物質の掘削により生じる掘削物はド リルストリング内の実質的に障害物のない管状通路を経て地表へ戻される。 環状空間流体は所定の制御された圧力に維持され、穿孔流体と環状空間流体との 間の界面がドリルビットの位置に形成され、該界面に於いて環状空間流体が穿孔 流体と混合し、穿孔流体及び掘削物と共に地表へ向けて戻され、穿孔流体が環状 空間へ流入することが実質的に防止される。 本発明の好ましい実施形態によれば、環状空間流体を所定の制御された圧力に 維持する工程は更に、穿孔流体、掘削物、及び環状空間流体のリターン流れを地 表に於いて選択的に絞り、該絞りの部分を横切る圧損を制御する工程を含んでい る。穿孔流体も穿孔の進行に応じて穿孔流体と環状空間流体との間の界面を維持 するに十分な流量にてドリルストリング内へ圧送される。穿孔流体と環状空間流 体との間の界面が確実に維持されるよう、環状空間流体の所定の制御された圧力 及び環状空間流体の絞り度合が監視される。 また本発明の好ましい実施形態によれば、本発明の方法は更に、管状通路内の 穿孔流体及び掘削物を含む穿孔流体を地表及びドリルビットの位置に於いてドリ ルストリング内に閉じ込める工程を含んでいる。ドリルストリングの閉じ込め処 理が行われている状態にてドリルストリングに或る長さのドリルパイプが接続さ れ、しかる後ドリルストリングの閉じ込め処理が解除されて穿孔が継続される。 また本発明の好ましい実施形態によれば、穿孔流体は清澄な水又は清澄化され た穿孔泥であり、環状空間流体はフ ィルタケーキを形成する稠密な穿孔泥である。 更に本発明の好ましい実施形態によれば、ドリルストリングは引張り荷重及び 捩り荷重を伝達するアウタ導管を有する複数導管式のドリルパイプを含んでいる 。ドリルパイプの他のセクションをドリルパイプに接続するための手段がアウタ 導管の両端に設けられる。少なくとも一つの大径の導管がアウタ導管内に偏心状 態にて配置され、大径の導管を選択的に遮断する閉止部材が大径の導管内に配置 される。閉止部材は開弁位置に於いては大径の導管の直径を実質的に低減しない 。 本発明の他の目的、特徴、利点は以下の説明を参照することにより明らかとな る。図面の簡単な説明 図１は本発明の好ましい実施形態による方法及び装置の概略を示す図である。 図２は本発明による方法及び装置を制御するプロセスの各工程を示す論理フロ ーチャートである。 図３は本発明の好ましい実施形態による複数導管式のドリルパイプの断面図で ある。 図４は図３の線４−４に沿う長手方向断面図であり、図３に示されたドリルパ イプの一部を示している。 図５は図３の線５−５に沿う長手方向断面図であり、図３に示されたドリルパ イプの一部を示している。 図６Ａ乃至図６Ｈは本発明の好ましい実施形態による複 数導管式のドリルパイプに使用されるクロスオーバスタビライザの長手方向断面 及び横断面を示す図である。 図７Ａ乃至図７Ｄは本発明の好ましい実施形態による複数導管式のドリルパイ プ及びクロスオーバスタビライザに使用される坑底組立体の長手方向断面及び横 断面を示す図である。好ましい実施形態の説明 添付の図面、特に図１には、本発明による坑井を穿孔する方法の概略が図示さ れている。ドリルビット３にて終わるドリルストリング１が坑井５内へ移動され る。低密度の、即ち固体成分含有量の少ない穿孔流体３がスイベルに於いて穿孔 流体入口７を経てドリルストリング１内へ圧送される。穿孔流体は清澄な水又は 清澄化された穿孔泥であってよいが、摩擦摩耗を回避するためには通常の穿孔泥 の密度よりも低い密度を有し少ない固体成分含有量を有するものでなければなら ない。穿孔流体は固体物質の大きさが７μｍ以下の水であることが好ましい。ま た穿孔流体はビット３に於いて３２００の液圧馬力を与えるよう２００００psig （１４００kg／cm²）の圧送圧力にてドリルストリング１へ供給されることが好 ましい。加圧された水はドリルストリング１内に延在しビット３と流体的に連通 する少なくとも一つの小径の高圧導管９によりドリルストリング１内を経て搬送 される。後に詳細に説明する如き穿孔流体の逆流を防止する逆止弁１１がビット ３の位置又はその近傍に 設けられている。 入口７を経て高圧の穿孔流体が供給されることに加えて、フィルタケーキを形 成する稠密な環状空間流体が、回転式吹き出し防止装置１５の下方の環状空間流 体入口１３を経てドリルストリング１と坑井５との間の環状空間内へ圧送される 。回転式吹き出し防止装置１５は環状空間流体を所定の制御された圧力に維持し つつドリルストリング１が回転されることを可能にする。環状空間流体は穿孔さ れる地層物質の特性及び他の一般的な因子に応じて選定された従来の穿孔泥であ る。環状空間流体は地表よりビット３まで延在する環状空間流体のコラムを維持 するよう環状空間内へ連続的に圧送される。後に詳細に説明する如く、高圧の穿 孔流体及び環状空間流体の圧力及び注入量、即ち圧送供給量は、ビット３の位置 に於いて穿孔流体と環状空間流体との間の界面を維持し、これにより穿孔流体が 環状空間内へ流入してフィルタケーキを形成する稠密な環状空間流体を希釈する ことが実質的に防止されるよう制御され監視される。しかし環状空間流体の一部 は穿孔流体と混合し、リターン導管１７を経て地表へ戻される。本発明の好まし い実施形態による方法は、特に従来の制御装置やデータ処理装置を使用して自動 化されコンピュータにて制御されるよう構成される。 ビット３に於ける高圧の穿孔流体の供給により生じる液圧馬力はビット３の通 常の作用と共働して地層物質をより 一層効率的に掘削する。穿孔流体及び地層物質の掘削により生成される掘削物は 、ドリルストリング１内の実質的に障害物のない管状リターン通路１７を経て地 表へ戻される。「実質的に障害物のない」とは、実質的に流体の流れに対する絞 りが存在しない実質的に直線的な管状通路であって、実質的な量の掘削物を含有 する流体を流すことができ、栓塞等が発生した場合に栓塞部を容易に除去するこ とができる通路を意味する。実質的に障害物のない管状のリターン通路１７は同 心パイプ構造により得られる環状空間とは区別されるべものであり、同心パイプ 構造は栓塞し易く、また栓塞が生じた場合に栓塞部を容易に除去することができ ない。穿孔流体及び掘削物のリターン流れは、穿孔流体と環状空間流体との間の 界面がビット３の位置に維持されるよう、スイベルに設けられた絞り弁２１によ り地表に於いて選択的に絞られる。 リターン導管１７には、ドリルストリング１にドリルパイプの新しいセクショ ンを追加することを容易にするためのボール弁１９がドリルストリング１の実質 的に上端の位置に設けられている。高圧導管９及びリターン導管１７内に存在す る低密度の穿孔流体は、特にポンプの圧送圧力が与えられていない場合やリター ン導管１７内のリターン流れが十分に絞られていない場合に、環状空間流体より の静水圧又は地層の圧力によりドルストリング１より吹き出され易い。穿孔が終 了される場合には、地表に於いてボール 弁１９が閉弁され、これによりリターン導管１７内に穿孔流体が閉じ込められる 。逆止弁１１がそれより上方の穿孔流体の静水圧と共働して高圧導管９を遮断す る。次いでドリルパイプの新しいセクションがドリルストリング１に追加され、 ボール弁１９が開弁されることにより穿孔が開始される。ボール弁１９が開弁さ れる際に於ける圧力サージの発生を回避するためには、ドリルパイプの新しいセ クションがドリルストリング１に接続される前に少なくともリターン導管１７が 流体にて充填されなければならない。同様にドリルストリング１を取り出してビ ット３を交換する目的や同様の他の目的で穿孔を安全に終了させることができる 。 図２は本発明の方法による穿孔工程中に於けるドリルストリング１内の流体の 制御を示すフローチャートである。ブロック５１に於いては、ドリルストリング １の軸線方向速度が検出される。この検出は穿孔工程中にドリルストリング１を 回転させる上端駆動装置（図示せず）に作用するフック荷重及び上端駆動装置の 軸線方向位置を検出することにより達成される。本発明の好ましい実施形態によ れば、ドリルストリング１が下方へ移動しているときには、換言すれば穿孔工程 に関連する条件が存在するときには、環状空間流体及び穿孔流体が圧送される。 穿孔に対応するドリルストリングの下方への移動中には環状空間流体及び穿孔流 体が圧送されなければならないことは明らかである。大 抵の工程に於いては、環状空間流体及び穿孔流体の一方又は両方を圧送すること が好ましくないのはドリルストリング１が移動しておらずその速度が０である場 合のみである。ドリルストリングの速度が０に等しくない場合には、少なくとも 環状空間流体が坑井内へ圧送される。ドリルストリング１の速度が０ではなく穿 孔に関連する工程が行われているときには、環状空間流体がドリルストリング１ の速度に応じて自動的に圧送されることが好ましい。また後に説明する場合を除 き、穿孔流体の圧送はオペレータにより手動的に制御されることが好ましい。 ドリルストリング１が取り出される場合には、ドリルストリング１により占有 されなくなる坑井の体積に置き代わるに十分な流量にて坑井内に環状空間流体が 圧送される。従って坑井は常に保護された状態に維持される。 かくしてドリルストリング１が移動していれば、ブロック５３に於いて少なく とも環状空間流体が坑井内へ圧送される。またドリルストリング１の速度が穿孔 工程が行われていることを示す正の値であれば、環状空間流体及び穿孔流体の両 方の流体が坑井内へ圧送される。穿孔流体は７０００〜１５０００フィート（２ １００〜４６００ｍ）の深さに於いては坑底面積の１平方inch（１inch＝２．５ ４cm）当たり２０〜４０の液圧馬力を発生するに十分な圧力にてドリルストリン グ１内へ圧送される。図３乃至図７Ｄとの関連で説明するドリルストリング１の 寸法及び他の運転パ ラメータに基づき、穿孔流体は２００００psig（１４００kg／cm²）の圧力及び ２００ガロン／min（０．７５ｍ³／min）の流量にて地表に於いてドリルストリ ング１内へ供給される。 ドリルストリング１が軸線方向へ移動しているときには、環状空間流体はドリ ルビット３を通過して環状空間流体を連続的に掃引する流量にて環状空間内へ圧 送される。通常の穿孔工程中には、この流量はドリルビット３の周りを通過する 環状空間流体の連続的な流れを維持し、坑井の下端に界面を維持するだけではな く、環状空間より掘削物や他の小片を除去する。環状空間流体の注入流量はドリ ルストリング１の軸線方向下方への速度の関数として設定される。好ましい典型 的な注入流量はドリルストリング１の速度の２倍の速度にて移動する環状空間流 体を維持する流量である。この注入流量はドリルストリング１が移動していると きには常に維持される。 圧送流量、即ち注入流量に加えて、所定の正の圧力が地表に於いて環状空間流 体に維持され、この圧力は回転式吹き出し防止装置１５の直下に於いて検出され る。この所定の圧力は或る一つの特定の圧力ではなく、好ましくは約６０〜７０ psig（４．２〜４．９kg／cm²）の圧力範囲である。この圧力は吹き出し防止装 置１５に設けられた従来の圧力検出装置により検出される。 ブロック５５に於いては、所定の正の圧力を確実に維持 すべく、環状空間の圧力が測定され所定の圧力と比較される。環状空間の圧力が 所定の圧力よりも高いときには、環状空間の圧力が低減される。環状空間の圧力 を低減する方法には下記の三つの方法がある。 （１）リターン導管１７に設けられた絞り弁２１を開き、絞り弁２１を横切る圧 損を低減する。 （２）穿孔流体の注入流量、即ち圧送流量を低減する。 （３）環状空間流体の注入流量、即ち圧送流量を低減する。 絞り弁２１を開くことは環状空間の圧力を所定の範囲に低減するのに好ましい 方法である。もしこの方法が有効でなければ、オペレータにより設定された注入 流量に拘らず穿孔流体の注入流量が自動的に低減又は制限される。最終的な手段 として、環状空間流体の注入流量がドリルストリングの速度に基づいて所定の流 量以下に低減される。地表よりドリルビット３まで延在する希釈されていない環 状空間流体のコラムを維持する必要があるので、環状空間流体の注入流量を低減 することは環状空間の圧力を低減するための最終手段である。環状空間流体の注 入流量を低減することを環状空間の圧力を低減するための最終手段とすることに より、穿孔流体が環状空間流体と混合しこれを希釈する虞れが低減される。 ブロック５７に於いて環状空間の圧力が所定の圧力よりも低い旨の判別が行わ れると、ブロック６１に於いて環状空間の圧力が増大される。環状空間の圧力を 増大させる方 法には下記の三つの方法がある。 （１）環状空間流体の注入流量を所定の流量に戻るよう増大させる。 （２）穿孔流体の注入流量をオペレータにより選定された流量になるよう増大さ せる。 （３）リターン導管１７に設けられた絞り弁２１を閉弁し又は絞り、これにより 絞り弁２１を横切る圧損を増大させる。 何らかの理由により注入流量が環状空間流体の速度をドリルストリング１の速 度よりも高い値、好ましくはドリルストリングの速度の２倍に維持するに十分な 流量である場合には、上述の第一の方法が行われる。環状空間流体の注入流量が 十分である場合には、第二の方法が行われてよい。しかし穿孔流体のポンプはそ のピーク出力又はその近傍にて作動しており、穿孔流体の注入流量を十分に増大 させることができないものと考えられる。その場合にはリターン導管１７に設け られた絞り弁２１を閉弁する第三の方法が行われる。 環状空間の圧力が所定の範囲内にあるときには、何等の対処も行われず、ドリ ルストリング１の速度及び環状空間の圧力が連続的に検出される。穿孔工程が終 了する場合やオペレータが穿孔流体の注入流量を低減する場合には、環状空間の 圧力が低下し、絞り弁２１が自動的に閉弁し、これにより次の動作が行われるま でドリルストリング１及び 坑井が効果的に閉じ込められた状態に維持される。 図３は本発明の方法の実施に使用される好ましい装置による複数導管式ドリル パイプ１０１の横断面を示す断面図である。ドリルパイプ１０１はアウタチュー ブ１０３を含み、アウタチューブ１０３は作動中ドリルパイプ１０１に与えられ る引張り荷重及び捩り荷重を担持する作用をなす。アウタチューブ１０３は７− ５／８inch（１９．４ｃｍ）の外径を有し、Ｓ１３５の定格強度になるよう熱処 理されたＡＰＩ材料にて形成されることが好ましい。アウタチューブ１０３内に は複数個のインナチューブが偏心状態且つ非対称にて収容されており、流体を搬 送する導管、電気導管等として作用する。 これらのインナチューブは外径３−１／２inch（９cm）のリターンチューブ１ ０５を含み、リターンチューブ１０５は実質的に図１に示されたリターン導管１ ７に対応している。リターンチューブ１０５は非常に高い圧力の流体を搬送した り高い耐食性を有するよう設計されていないので、Ｌ８０の定格強度になるよう 熱処理されたＡＰＩ材料にて形成される。２−３／８inch（６．０cm）の外径を 有する一対の高圧チューブ１０７がアウタチューブ１０３内に配置されており、 実質的に図１に示された高圧導管９に対応している。高圧チューブ１０７は非常 に高い圧力の流体を搬送しなければならないので、Ｓ１３５の定格強度になるよ う熱処理されたＡＰＩ材料にて形成される。アウタチュ ーブ１０３内には電気導管等として機能する他のチューブ１０９が設けられてよ い。チューブ１１１は実際にはチューブではなく、図５を参照して後に詳細に説 明する逆止弁組立体の一部である。 図４は互いに固定された本発明による一対のドリルパイプ１０１を示す図３の 線４−４に沿う長手方向断面図である。図４より解る如く、アウタチューブ１０ ３、リターンチューブ１０５、高圧チューブ１０７が上端部材１１３にねじによ り固定されている。上端部材１１３は従来のツールジョイントと同様に形成され ており、実質的にリターンチューブ１０５と整合された外径３−１／２inch（９ ．０cm）、定格圧力１００００psig（７０３kg／cm²）のボトムシール式ボール 弁１１５を含んでいる。ボール弁１１５は約２−３／８inch（６．０cm）の内径 を有し、リターンチューブ１０５内に実質的な流れの障害物、即ち流れの絞りを 与えない。またボール弁１１５は図１に示されたボール弁１９、即ち閉止部材に 対応している。 アウタチューブ１０３の下端は実質的に従来のツールジョイントとして形成さ れた下端部材１１７にねじにより固定されている。シールリング１１９が下端部 材１１７内に受け入れられており、リターンチューブ１０５及び高圧チューブ１ ０７に対しドリルパイプ１０１の内部をシールする作用をなす。複数個の分割リ ング１２１がリターンチューブ１０５及び高圧チューブ１０７に設けられた周溝 に係 合しており、ロックリング１２３、１２５及びアウタチューブ１０３により下端 部材１１７内に固定されている。分割リング１２１及びロックリング１２３、１ ２５はドリルパイプ１０１の他の部分に対し相対的に軸線方向へ運動しないよう インナチューブを拘束する作用をなす。ドリルパイプ１０１のインナチューブが ドリルパイプの両端に於いて軸線方向へ運動しないよう固定されなければ、チュ ーブは作動中に高圧の流体や振動に起因する不適当な変形作用を受ける。 ドリルパイプ１０１のセクションを追加する場合には、インナチューブ（リタ ーンチューブ１０５及び高圧チューブ１０７のみが図示されている）の下端が上 端部材１１３内に受け入れられ、従来のエラストマシールによりシールされる。 ロックリング１２７が上端部材１１３及び下端部材１１７のねじ接続部を互いに 機械的に連結する。ロックリング１２７が上端部材１１３にねじにより担持され た状態にて下端部材１１７より完全に離脱し得るよう、下端部材１１７には上端 部材１１３のピッチ円直径よりも大きいピッチ円直径を有するねじが設けられて いる。ロックリング１２７のねじは上端部材１１３と下端部材１１７との間に約 １００万ポンド（約４５０トン）の軸線方向の接触力を発生するよう形成されて いる。ドリルパイプ１０１の各セクションは４５フィート（１３．７ｍ）の長さ を有していることが好ましい。 図５はドリルパイプ１０１のインナチューブ１０５、１０７とアウタチューブ １０３との間の二つの内部環状空間の間にて流体を下方へ通す逆止弁構造を示す 図３の線５−５に沿う長手方向断面図である。上端部材１１３に設けられた孔内 には逆止弁組立体が配置されている。逆止弁組立体はコイルばね１３１により上 方へ付勢されドリルパイプ１０１を通る流体の下方への流れを許すが上方への流 れを阻止する従来の弁部材１２９を含んでいる。 同様の逆止弁組立体が下端部材１１７に設けられている。この逆止弁組立体は ポペット部材１３３とスリーブ１１１内に配置されたコイルばね１３５とを含み 、スリーブ１１１はリターンチューブ１０５と同様に下端部材１１７に固定され ている。上端部材１１３内の逆止弁組立体とは異なり、下端部材１１７内に設け られた逆止弁組立体の機能は、ドリルパイプ１０１の二つのセクションの連結が 解除される場合にドリルパイプの内部より流体が流出することを防止することで ある。二つのセクションが連結される場合には、ポペット部材１３３の延長部が 上端部材１１３に設けられたラグ、即ちボス１３７に係合してポペット部材１３ ３が開弁され、これによりドリルパイプ１０１の一連のセクションのアウタチュ ーブ１０３の内部が流体的に連通接続される。 この逆止弁構造により、アウタチューブ１０３の内部、即ち内部環状空間を環 状空間流体等にて充填することがで き、またアウタチューブ１０３を通る下向きに一方向の流体通路を形成すること ができる。この流体通路は任意の深さに於けるドリルパイプ１０１の内部と外部 との間の差圧を等しくするために必要である。差圧を等しくすることは少量の流 体をドリルストリング１０１の内部環状空間内へ圧送し、流体が逆止弁を経て下 方へ導かれ圧力を等しくすることによって達成される。 図６Ａ乃至図６Ｈは本発明の好ましい実施形態によるドリルパイプ１０１に使 用されるクロスオーバスタビライザ２０１の断面図である。特に図６Ａはクロス オーバスタビライザ２０１の縦断面図であり、図６Ｂ乃至図６Ｈは図６Ａの長さ に沿って互いに隔置された対応する切断線に沿う横断面図である。クロスオーバ スタビライザ２０１は穿孔中測定（ＭＷＤ）装置との干渉を回避すべく非磁性材 料製の一つの部材にて形成される。またクロスオーバスタビライザ２０１は図４ 及び図５との関連で上述した如くドリルパイプ１０１の一つのセクションの下端 に連結される。 クロスオーバスタビライザ２０１にはそれを貫通する複数個の孔２０５及び２ ０７が形成されており、図６Ｂに示されている如くそれぞれドリルパイプ１０１ の高圧チューブ１０７及びリターンチューブ１０５に対応している。図６Ｃに示 されている如く、一方の高圧孔２０７より他方の高圧孔へ高圧の穿孔流体を導く クロスオーバポート２１１が一方の高圧孔２０７の側壁に形成されている。 図６Ｄに示されている如く、一方の高圧孔２０７を栓塞する取り外し可能なプ ラグ２１３がポート２１１の下方にて孔２０７内に配置されている。孔２０７の プラグ２１３より下方の部分は従来の取り外し可能な指向性のＭＷＤ装置を収容 している。プラグ２１３は高圧の穿孔流体がＭＷＤ装置に衝撃を与えること防止 する作用をなす。プラグ２１３より下方に於いては、孔２０５及び２０７の直径 が低減され、これにより図６Ｅに示されている如く孔２０７に実質的に対向して 配列された他の一つの高圧穿孔流体孔２１３のための空間を与えている。図６Ｆ に示されている如く、高圧の穿孔流体が実質的に互いに対向して配列された一方 の高圧孔２０７及び他方の高圧孔２１３により高圧の穿孔流体が導かれるよう、 クロスオーバ孔２１５が孔２０７を孔２１３に接続している。 孔２０７及び２１３が互いに対向して配列されていることにより、これらの孔 により搬送される高圧の流体によって曲げモーメントが発生されることが抑制さ れる。前述の如く、他方の高圧孔２０７は図６Ｇに示されている如くＭＷＤ装置 を収容している。クロスオーバスタビライザ２０１は坑底組立体３０１の上端部 分に接続されており、坑底組立体３０１は図４及び図５との関連で上述したドリ ルパイプのセクションと実質的に同様のドリルパイプのセクションであって、図 ６Ｈに示されている如くクロスオーバスタビライザ２０１の孔２０５、２０７、 ２１３に対応して 配列されたインナチューブを有するドリルパイプのセクションを含んでいる。 図７Ａ乃至図７Ｄは本発明の好ましい実施形態による坑底組立体３０１及びド リルビット４０１の断面図である。特に図７Ａは坑底組立体３０１及びドリルビ ット４０１の縦断面図であり、図７Ｂ乃至図７Ｄは図７Ａの長さに沿って互いに 隔置された対応する切断線に沿う横断面図である。図７Ａ及び図７Ｂより解る如 く、坑底組立体３０１は図４及び図５との関連で上述した如くクロスオーバスタ ビライザ２０１に連結された上側アウタチューブ３０３Ａを含んでいる。拡径さ れた下側アウタチューブ３０３Ｂが上側アウタチューブ３０３Ａに連結され、坑 底組立体３０１内により大きい空間を与えている。下側アウタチューブ３０３Ｂ はインナチューブ３０７及び３１３を受け入れ得るようその下端に於いてねじ切 りされており、インナチューブ３０７及び３１３はクロスオーバスタビライザ２ ０１により設定された互いに対向する位置関係を維持している。リターンチュー ブ３０５が回転可能であると共に組み立てを容易にするよう下側アウタチューブ ３０３Ｂとシール係合している。ポート３１５がリターンチューブ３０５の側壁 に設けられており、図５との関連で上述した逆止弁組立体と同様の逆止弁組立体 ３１７を介して下側アウタチューブ３０３Ｂ及びその内部のチューブとの間に郭 定された内部環状空間と流体的に連通している。かくして内部環状空間内 の流体は該内部環状空間よりリターンチューブ３０５内へ圧送され、しかもリタ ーンチューブ３０５内の流体が内部環状空間へ流入することが防止される。 ソレノイド駆動式のフラッパ弁３１９がリターンチューブ３０５内に配置され ており、このフラッパ弁はその下方に圧力を維持し得るよう１万psig（７０００ kg／cm²）の定格を有する。フラッパ弁３１９はドリルストリング１が取り出さ れる場合にはリターンチューブ３０５内に流体を捕捉するよう閉弁される。一対 の逆止弁３２１が下側アウタチューブ３０３Ｂの下方部に形成され高圧チューブ ３０７、３１３と連通する通路内に配置されている。図１との関連で上述した如 く、逆止弁３２１は穿孔流体が高圧チューブ３０７、３１３内を上方へ逆流する ことを防止する。リターンチューブの延長部３２３がリターンチューブ３０５と 流体的に連通する状態にて下側アウタチューブ３０３Ｂの下方部にねじ込まれて いる。 固定カッタ型のアースボーリングビット４０１が従来のねじ式のピン及びボッ クス接続により下側アウタチューブ３０３Ｂの下端部に固定されている。ビット ４０１は従来のブレード構造にて配列された複数個の硬質の、好ましくはダイヤ モンド製のカッタを有するビット面４０３を含んでいる。リターン通路４０５が ビット面４０３の偏心した位置よりビット４０１を貫通して延在し、リターンチ ューブの延長部３２３及びリターンチューブ３０５と流体的に 連通しており、これにより穿孔流体、掘削物、これらと混合された環状空間流体 のためのリターン導管を形成している。 径方向に互いに隔置された四つの高圧通路４０７がビット４０１を貫通して延 在し、実質的に横方向の通路４０９と交差しており、通路４０９はねじ止め、ろ う付け又は溶接により固定されたプラグ４１１により栓塞されている。複数個の ノズル４１３が横断方向の通路４０９より延在し、高圧の穿孔流体を坑底へ供給 するようになっている。ノズル４１３の合計の流路断面積は０．０４０inch²（ ０．２６cm²）であることが好ましい。またビットは７−７／８inch（２０cm） の外径を有するドリルパイプ１０１との関連で使用されるＡＰＩ製の９−７／８ inch（２５．１cm）のゲージのビットであることが好ましい。 本発明による方法及び装置によれば多数の利点が得られる。特に本発明によれ ば、穿孔の進行につれて環状空間内に稠密なフィルタケーキを形成する流体を維 持しつつ固体成分含有量の少ない穿孔流体を使用して穿孔を行う方法及び装置が 得られる。本発明の方法及び装置は従来の方法や装置に比して商業的実施可能性 に優れている。更に本発明による方法は自動化やコンピュータによる制御に特に 適している。 以上に於いては本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれ らの実施形態に限定されるものでは なく、本発明の範囲内にて修正や変更が加えられてよいものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＭ，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＥＥ，ＧＥ，Ｊ Ｐ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＸ，ＮＯ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＵＡ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．坑井を穿孔する方法にして、 ドリルビットにて終わるドリルストリングを坑井内へ移動させる工程と、 穿孔流体が地層物質に衝突し前記ドリルビットと共働して地層物質を掘削する よう、固体成分含有量の少ない穿孔流体を前記ドリルストリングを経て圧送し前 記ドリルビットより流出させる工程と、 地層物質を穿孔しつつ前記坑井と前記ドリルストリングとの間の環状空間内へ 前記穿孔流体の密度よりも高い密度を有する環状空間流体を連続的に圧送し、前 記環状空間流体が実質的に地表より前記ドリルビットの下端まで延在するように する工程と、 前記ドリルストリング内の実質的に障害物のない管状通路を経て前記穿孔流体 及び地層物質の掘削により生じる掘削物を地表へ戻す工程と、 前記穿孔流体と前記環状空間流体との間の界面が前記ドリルビットの位置に形 成され、前記界面に於いて前記環状空間流体が前記穿孔流体と混合し、前記穿孔 流体及び前記掘削物と共に地表へ向けて戻され、前記穿孔流体が前記環状空間へ 流入することが実質的に防止されるよう、前記環状空間内にて前記環状空間流体 を所定の圧力に維持する工程と、 を含んでいることを特徴とする方法。 ２．前記環状空間流体を所定の圧力に維持する前記工程は更に、 前記穿孔流体、前記掘削物、前記環状空間流体のリターン流れを地表に於いて 選択的に絞り、該絞りの部分を横切る圧損を制御する工程と、 穿孔の進行に応じて前記穿孔流体と前記環状空間流体との間の界面を維持する に十分な流量にて前記穿孔流体を前記ドリルストリング内へ圧送し前記ドリルビ ットより流出させる工程と、 前記環状空間流体の前記所定の圧力及び前記穿孔流体の絞り度合を監視する工 程と、 を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記管状通路内の前記穿孔流体及び前記掘削物を含む前記穿孔流体を地表及 び前記ドリルビットの位置に於いて前記ドリルストリング内に閉じ込める工程と 、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理が行われている状態にて前記ドリルスト リングに或る長さのドリルパイプを接続する工程と、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理を解除して穿孔を継続する工程と、 を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ４．前記穿孔流体は清澄な水であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ５．前記穿孔流体は清澄化された穿孔泥であることを特徴 とする請求項１に記載の方法。 ６．前記環状空間流体はフィルタケーキを形成する稠密な穿孔泥であることを特 徴とする請求項１に記載の方法。 ７．坑井を穿孔する方法にして、 ドリルビットにて終わるドリルストリングであって、内部に少なくとも一つの 高圧導管と少なくとも一つのリターン導管とを有するドリルストリングを坑井内 へ移動させる工程と、 穿孔流体が地層物質に衝突し前記ドリルビットと共働して地層物質を掘削する よう、固体成分含有量の少ない穿孔流体を前記高圧導管を経て圧送し前記ドリル ビットより流出させる工程と、 地層物質を穿孔しつつ前記坑井と前記ドリルストリングとの間の環状空間内へ 前記穿孔流体の密度よりも高い密度を有する環状空間流体を連続的に圧送し、前 記環状空間流体が実質的に地表より前記ドリルビットの下端まで延在するように する工程と、 前記ドリルストリング内の前記リターン導管を経て前記穿孔流体、地層物質の 掘削により生じる掘削物、過剰の環状空間流体を地表へ戻す工程と、 前記穿孔流体と前記環状空間流体との間の界面が前記ドリルビットの位置に形 成され、前記界面に於いて前記環状空間流体が前記穿孔流体と混合し、前記穿孔 流体及び前記掘削物と共に地上へ向けて戻され、前記穿孔流体が前記環 状空間へ流入することが実質的に防止されるよう、前記環状空間内にて前記環状 空間流体を所定の圧力に維持する工程と、 地表及び前記ドリルビットの位置に於いて前記穿孔流体を前記ドリルストリン グ内に周期的に閉じ込める工程と、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理が行われている状態にて前記ドリルスト リングに或る長さのドリルパイプを接続する工程と、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理を解除して穿孔を継続する工程と、 を含んでいることを特徴とする方法。 ８．前記閉じ込め処理の工程は、 前記ドリルストリングの前記リターン導管に設けられた弁部材を地表に於いて 閉弁させる工程と、 前記ドリルストリング内の全ての流体が実質的に前記ドリルストリングより流 出することが防止されるよう、前記ドリルビットに近接して前記ドリルストリン グの前記高圧導管に設けられた弁部材を閉弁させる工程と、 を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の方法。 ９．前記環状空間流体を所定の圧力に維持する前記工程は更に、 前記リターン導管を地表に於いて選択的に絞り、該絞りの部分を横切る圧損を 制御する工程と、 穿孔の進行に応じて前記所定の圧力を維持すると共に前 記穿孔流体と前記環状空間流体との間の界面を維持するに十分な流量にて前記穿 孔流体を前記高圧導管内へ圧送し前記ドリルビットより流出させる工程と、 前記環状空間流体の前記所定の圧力及び前記穿孔流体の絞り度合を監視する工 程と、 を含んでいることを特徴とする請求項７に記載の方法。 １０．穿孔流体は清澄な水であることを特徴とする請求項７に記載の方法。 １１．前記穿孔流体は清澄化された穿孔泥であることを特徴とする請求項７に記 載の方法。 １２．前記環状空間流体はフィルタケーキを形成する稠密な穿孔泥であることを 特徴とする請求項７に記載の方法。 １３．坑井を穿孔する方法にして、 ドリルビットにて終わるドリルストリングであって、内部に少なくとも一つの 高圧導管と少なくとも一つのリターン導管とを有するドリルストリングを坑井内 へ移動させる工程と、 穿孔流体が地層物質に衝突し前記ドリルビットと共働して地層物質を掘削する よう、固体成分含有量の少ない穿孔流体を前記高圧導管を経て圧送し前記ドリル ビットより流出させる工程と、 掘削の進行に応じて前記穿孔流体と該穿孔流体よりも高い密度を有する環状空 間流体との間の界面を維持するに十分な流量にて前記穿孔流体を前記高圧導管内 へ圧送すると 共に前記環状空間流体を前記ドリルストリングと前記坑井との間の環状空間内へ 圧送することにより、前記環状空間内にて前記環状空間流体を所定の圧力に維持 する工程と、 前記穿孔流体が前記環状空間へ流入することを実質的に防止する前記穿孔流体 と前記環状空間流体との間の界面が前記ドリルビットの位置に形成されるよう、 前記ドリルストリング内の前記リターン導管を経て前記穿孔流体及び地層物質の 掘削により生じる掘削物を地表へ戻す工程と、 前記リターン導管を地表に於いて選択的に絞り、該絞りの部分を横切る圧損を 制御する工程と、 前記所定の圧力、絞り度合、流量を監視する工程と、 を含んでいることを特徴とする方法。 １４．地表及び前記ドリルビットの位置に於いて前記穿孔流体を前記ドリルスト リング内に周期的に閉じ込める工程と、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理が行われている状態にて前記ドリルスト リングに或る長さのドリルパイプを接続する工程と、 前記ドリルストリングの閉じ込め処理を解除して穿孔を継続する工程と、 を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載の方法。 １５．前記閉じ込め処理の工程は、 前記ドリルストリングの前記リターン導管に設けられた弁部材を地表に於いて 閉弁させる工程と、 前記ドリルストリング内の全ての流体が実質的に前記ドリルストリングより流 出することが防止されるよう、前記ドリルビットに近接して前記ドリルストリン グの前記高圧導管に設けられた弁部材を閉弁させる工程と、 を含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の方法。 １６．穿孔流体は清澄な水であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。 １７．前記穿孔流体は清澄化された穿孔泥であることを特徴とする請求項１３に 記載の方法。 １８．前記環状空間流体はフィルタケーキを形成する稠密な穿孔泥であることを 特徴とする請求項１３に記載の方法。 １９．前記環状空間流体を所定の圧力に維持する前記工程は更に、前記穿孔流体 が前記ドリルストリング内へ圧送される際の流量を選択的に変更する工程を含ん でいることを特徴とする請求項１３に記載の方法。 ２０．地層を穿孔するために使用される複数導管式ドリルパイプにして、 捩り荷重を伝達するアウタ導管と、 前記アウタ導管の両端に設けられドリルパイプの他のセクションを前記ドリル パイプに接続するための手段と、 前記アウタ導管内に偏心状態にて配置され、前記ドリルパイプを経て高圧の流 体を導く少なくとも一つの小径の導管と、 前記アウタ導管内に偏心状態にて配置され、前記小径の 導管の直径よりも大きい直径を有する少なくとも一つの大径の導管と、 前記大径の導管内に配置され、前記大径の導管を選択的に遮断する閉止部材で あって、開弁位置に於いては前記大径の導管の直径を実質的に低減しない閉止部 材と、 を含んでいることを特徴とする複数導管式ドリルパイプ。 ２１．一対の小径の導管と、 前記アウタ導管内に偏心状態にて配置され、前記ドリルパイプ内に導電体を配 設する電気導管と、 を含んでいることを特徴とする請求項２０に記載の複数導管式ドリルパイプ。 ２２．前記閉止部材は前記ドリルパイプの外部より操作可能なボール弁であるこ とを特徴とする請求項２０に記載の複数導管式ドリルパイプ。 ２３．前記アウタ導管内に配置された各導管は両端に於いて前記アウタ導管に固 定されていることを特徴とする請求項２０に記載の複数導管式ドリルパイプ。 ２４．前記アウタ導管の両端に設けられ、対応する小径の導管を有するドリルパ イプの他のセクションが前記ドリルパイプに接続されないときには閉弁され、ド リルパイプの他のセクションが前記ドリルパイプに接続されるときには開弁され る閉止部材を含んでいることを特徴とする請求項２０に記載の複数導管式ドリル パイプ。