JPH11508650A - ドリルストリング用油圧スラスター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力を発生する油圧スラスター（１）を提供する。該スラスターはドリルストリングの上部に連結可能な第１の部材（３）と、ドリルストリングの下部に連結可能な第２の部材（５）を含み、これらの部材は相互に入れ子式に配置され、掘削中にドリルストリングの上部と下部の間でトルクを伝達することができる。掘削液がドリルストリングを通ってドリルビットまで流れるように前記部材（３，５）を貫通する流路（９）と、掘削中にドリルストリングの上部と下部の間でトルクが伝達されると前記部材の内方向入れ子反応を生じる手段（１１，１５）も設ける。

Description

【発明の詳細な説明】 ドリルストリング用油圧スラスター 本発明はドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力を発生す る油圧スラスターに関する。油圧スラスターは一般に、ドリルビットにより鑿井 の底に加えられる力である所望のビット荷重（ＷＯＢ）を発生するため、又は底 部掘削孔アセンブリからドリルストリングの軸方向振動を分離するために利用さ れる。特に傾斜した鑿井や水平鑿井では、ドリルストリングの相当量の軸方向力 がドリルストリングと鑿井壁の間の摩擦により散逸されるため、所望のＷＯＢを 発生するためにスラスターを利用する必要がある。慣用スラスターは、ドリルス トリングの上部に連結された固定部材と、下げ孔アセンブリに連結された移動部 材との２つの入れ子部材から構成され、軸方向スプライン／溝装置により２部材 間にトルクを伝達している。スラスターは下げ孔アセンブリをドリルストリング の上部に対して軸方向に移動させる。従って、発生する推力はドリルストリング の軸方向位置から独立しており、更に推力は鉛直配置と水平配置の間で変動し得 るドリルストリングの傾斜からも独立している。更に、ＷＯＢはスラスターの有 効横断面積と、スラスターの内液圧と外液圧の差に依存するので正確に制御する ことができる。スラスターは更に、ドリルビットをドリルストリングから軸方向 に分離することにより、アセンブリの動的挙動を改善する。 米国特許第４，９０１，８０６号は、ドリルビットに加えられる力（即ちＷＯ Ｂ）を制御し、ドリルストリングに作用する軸方向振動を分離するためにドリル ストリングで使用する装置、従って、実際にスラスターを形成する装置を開示し ている。この公知スラスターは、ドリルストリングの上部に連結可能な第１の部 材とドリルストリングの下部に連結可能な第２の部材を相互に入れ子式に配置し 、掘削中に上部部材と下部部材の間に捩り力を伝達できるようにすると共に、前 記部材を貫通する流路を設け、掘削液がドリルストリングを通ってドリルビット まで流れるようにしている。 この公知スラスターに伴う１つの問題は、掘削液圧の変動によりＷＯＢ変動が 生じることである。このような圧力変動は例えば掘削中の測定時に発生する圧力 パルスによって発生し得る。液圧変動は装置の外方向入れ子移動を誘導し、ＷＯ Ｂの変動を生じる傾向がある。ドリルビットを駆動するためにスラスターとドリ ルビットの間に下げ孔掘削モーターを配置する場合には問題は一層悪化する。例 えばドリルビットにおける摩擦力の増加により下げ孔モーターのトルクが増加す ると、モーターの液体入口の液圧は増加し、従って、スラスター内の液圧も増加 する。その結果、スラスターの外方向入れ子傾向は更に増し、従って、ＷＯＢが 増加し、これに対応してモーターのトルクも増加する。モータートルクが増加す ると、モーター入口の液圧は更に増加し、従って、スラスターの液圧も増加し、 スラスターの外方向入れ子傾向は一層増すといったプロセスが続く。このプロセ スはスラスター／モーター／ビット組み合わせの無制御な挙動を招き、その結果 、システムが停止しかねない。こうして掘削の進展は著しく妨げられ、コンポー ネントの１個以上の損傷を生じる恐れがある。 本発明の目的は、制御されたＷＯＢを提供し、公知スラスターの問題を解決す る改善されたスラスターを提供することである。 本発明によると、ドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力 を発生する油圧スラスターが提供され、該スラスターはドリルストリングの上部 に連結可能な第１の部材とドリルストリングの下部に連結可能な第２の部材を相 互に入れ子式に配置し、掘削中にドリルストリングトルクを伝達できるようにす ると共に、掘削液がドリルストリングを通ってドリルビットまで流れるように前 記部材を貫通する流路と、掘削中にドリルストリングトルクが伝達されると前記 部材の内方向入れ子反応を生じる手段を含む。 トルクの伝達時の内方向入れ子反応は、液圧変動によりスラスターが外方向に 入れ子移動する傾向を相殺し、こうして従来技術スラスターの液圧、ＷＯＢ及び トルクの無制御な連鎖的増加が避けられる。 好ましくは、前記内方向入れ子反応を生じる手段は、前記部材の少なくとも一 方に設けた少なくとも１個の螺旋スプラインから構成され、該スプラインを前記 部材の他方に設けた対応する螺旋溝に嵌合させ、掘削中にスプラインと溝が協働 してドリルストリングの上部と下部の間でトルクを伝達するようにする。 内側部材と外側部材の間の界面に沿って複数の前記スプライン及び溝を一定間 隔で分配すると適切である。 本発明によるスラスターは、ドリルビットを駆動する下げ孔モーターをスラス ターとドリルビットの間に配置したドリルストリングに適用すると有利である。 以下、添付図面を参考に本発明をより詳細に説明する。 尚、図１は本発明による油圧スラスターの１態様の概略縦断面図であり、図２ は図１のスラスターの概略斜視図であり、図３は本発明によるスラスターの別の 態様の概略図であり、図４は本発明によるスラスターの更に別の態様の概略部分 横断面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線における断面図である。 図１は、円筒形外側部材３と該外側部材３の内側に入れ子式に配置した円筒形 内側部材５を含むスラスター１を示し、前記内側部材５には外側部材３の内面か ら適当なシールにより環状ピストン７がシールされている。部材３，５はスラス ター１を流れる掘削液の共通流路９をもつ。外側部材３の上端はドリルストリン グ（図示せず）の上部に連結されており、内側部材５の下端は油圧下げ孔モータ ー（図示せず）を含むドリルストリングの下部に連結されている。内側部材５は ピストン７から内側部材５の長さの実質的部分に沿って延びる螺旋スプライン１ １をその外面に備える。外側部材３は、内側部材５のスプライン１１に対応し且 つこれと共働する螺旋溝１５をその下部１３に備える。図２（分かり易くするた めに外側部材３の下部のみを示す）に示すように、スプライン１１と溝１５はス ラスター１の長手方向軸１４に対して螺旋角βの角度に向いている。螺旋角は、 掘削中のスラスター１の右回り回転中に外側部材３から内側部材５にトルクが伝 達されると、スプライン１１と溝１５が部材３，５に内方向入れ子反応を誘導す るように設定される。更に、図１中、Ａ_iは有効スラスター面積を表し、ｒはス プライン／溝の平均半径を表す。 スラスター１の平常運転中、掘削液はドリルストリングとスラスターを通り、 ドリルビットを駆動する下げ孔モーターの液体入口までポンプ給送される。スラ スターの外側の液圧をＰ_o、スラスターの内側の液圧をＰ_iとするならば、液圧に より誘導される推力は、 Ｆ_t＝（Ｐ_i−Ｐ_o）．Ａ_i （１） であり、ＷＯＢは、 ＷＯＢ＝Ｆ_t＋Ｆ_g−Ｔｔａｎ（β）／ｒ （２） ［式中、Ｆ_gはドリルストリングの下部（即ち移動部）の重力であり、Ｔはモー タートルクである］である。モータートルクＴは下式： Ｔ＝ｋ_m（Ｐ_i−Ｐ_mo） （３） （式中、ｋ_mはモーター通過による単位圧力降下当たりに生じる単位トルクとし て定義されるモーター定数である。）により、モーター入口の液圧Ｐ_iとモータ ー出口の液圧Ｐ_moに依存する。ビットトルクＴは下式： Ｔ＝Ａ_b．ＷＯＢ （４） （式中、Ａ_bはビット／岩石摩擦係数である）により、ＷＯＢに実質的に線形に 依存する。ビットノズルの通過による液圧降下は下式： ΔＰ＝０．５ρｖ² （５） （式中、ρは掘削液密度であり、ｖはノズル中の平均液体速度である。）により 表すことができる。 ΔＰ＝Ｐ_mo−Ｐ_o （６） ｖ＝Ｑ／Ａ_n （７） （式中、Ｑは液体流速であり、Ａ_nはノズルの有効横断面積である）であるなら ば、式（１）〜（７）から、 ＷＯＢ＝α^-1（ρＱ²Ａ_i／２Ａ_n ²＋Ｆ_g） （８） ［式中、α＝１−（Ａ_iＡ_b／ｋ_m）＋（Ａ_bｔａｎ（β）／ｒ）］が導かれる。パ ラメーターＡ_i及びｋ_mは正確に選択できるデザインパラメーターである。他方、 ビット／岩石摩擦係数Ａ_bはビットと岩層の性質に依存し、大幅な変動を示す。 この問題は、 ｔａｎ（β）／ｒ−Ａ_i／ｋ_m （９） を選択することにより解決でき、従って、 ＷＯＢ＝（ρＱ²Ａ_i＋２Ａ_n ²＋Ｆg） （１０） となり、ＷＯＢのビット／岩石摩擦係数依存性を解消できる。こうして、ビット と岩石の間の変動性摩擦の大きさを測定せずにこのような変動性摩擦の影響を免 れることができる。 例えば、外径０．１６５１ｍ（６．５”）、Ａ_i＝０．０１３ｍ²、ｒ＝０．０ ６５ｍのスラスターと、モーター定数ｋ_m＝０．０００９ｍ³のモーターを使用す るならば、式（９）からβ＝４３°である。 以上の説明では式（１）〜（１０）が正確であると仮定した。しかし、実際に はパラメーターの一部が多少変動することもあるが、螺旋角βを 0.8 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.2 arctan（r.A_i/k_m） （１１） の範囲で選択するならば、ＷＯＢのビット／岩石摩擦依存性の十分な低減を達成 できることが判明した。螺旋角βを 0.95 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.05 arctan（r.A_i/k_m） （１２） の範囲で選択するのがより好ましい。 式（９）、（１１）及び（１２）から明らかなように、螺旋角βはモーター定 数ｋ_mに依存するので、モーターの型に応じてスラスターを選択すべきである。 図３に示すように、本発明によるスラスターの別の態様ではモーター型依存性を 低減できる。このスラスター２０は螺旋角の変動する１組の螺旋スプラインを備 える内側部材２２と、１組の対応する溝２８を備える外側部材２６をもつ。 スラスター２０の平常使用は図１及び２に関して説明したスラスターの平常使 用と同様であるが、適用するモーター型に応じてドリルストリングを昇降させる ことにより有効螺旋角を随意に変化できるという付加的な特徴がある。 図４に示す本発明によるスラスターの別の態様では、図３の態様のように固定 溝２８を用いず、スラスター外側部材３４の対応する凹部３２に複数の案内３０ を配置し、各案内３０に溝３６を設け、この溝にスラスター内側部材４０のスプ ライン３８を配置している。各案内３０は外側部材３４に固定式に連結されたラ ジアルシャフト４２の周囲を回転可能である。こうして、外側部材３４の溝３６ の螺旋角をスプライン３８の変動螺旋角に一致させることができる。案内３０を 外側部材３４に連結するのでなく、案内を内側部材に連結し、外側部材にスプラ インを設けてもよいことが理解されよう。 本発明による油圧スラスターとドリルビットの間に下げ孔モーターを配置する のでなく、油圧スラスターを下げ孔モーターとドリルビットの間に配置してもよ い。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年７月３１日 【補正内容】 補正明細書 このプロセスはスラスター／モーター／ビット組み合わせの無制御な挙動を招き 、その結果、システムが停止しかねない。こうして掘削の進展は著しく妨げられ 、コンポーネントの１個以上の損傷を生じる恐れがある。 米国特許第１，６８８，９９４号はドリルストリングの下端に配置されたドリ ルビットへの推力を発生する油圧スラスターを開示しており、該スラスターはド リルストリングの上部に連結可能な第１の部材とドリルストリングの下部に連結 可能な第２の部材を相互に入れ子式に配置し、掘削中にドリルストリングトルク を伝達できるようにすると共に、掘削液がドリルストリングを通ってドリルビッ トまで流れるように前記部材を貫通する流路と、掘削中にドリルストリングトル クが伝達されると前記部材の内方向入れ子反応を生じる手段を含み、該手段は前 記部材の少なくとも一方に設けた少なくとも１個の螺旋スプラインから構成され 、該スプラインを前記部材の他方に設けた対応する螺旋溝に嵌合させ、掘削中に スプラインと溝が協働してドリルストリングの上部と下部の間でトルクを伝達す るようにしている。この公知スラスターのＷＯＢは大幅な変動を示すビット／岩 石摩擦係数に依存する。 本発明の目的は、制御されたＷＯＢを提供し、公知スラスターの問題を解決す る改善されたスラスターを提供することである。 本発明によると、ドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力 を発生する油圧スラスターが提供され、該スラスターはドリルストリングの上部 に連結可能な第１の部材とドリルストリングの下部に連結可能な第２の部材を相 互に入れ子式に配置し、掘削中にドリルストリングトルクを伝達できるようにす ると共に、掘削液がドリルストリングを通ってドリルビットまで流れるように前 記部材を貫通する流路と、掘削中にドリルストリングトルクが伝達されると前記 部材の内方向入れ子反応を生じる手段を含み、各スプライン（１１）がスラスタ ーの長手方向軸に対して、 0.8 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.2 arctan（r.A_i/k_m） （式中、ｒ＝スラスターの平均外径、Ａ_i＝スラスターの有効横断推力面積、ｋ_m ＝モーター通過による単位圧力降下当たりのモータートルクとして定義される モーター定数である）の螺旋角βで配置されていることを特徴とする。 トルクの伝達時の内方向入れ子反応は、液圧変動によりスラスターが外方向に 入れ子移動する傾向を相殺し、こうして従来技術スラスターの液圧、ＷＯＢ及び トルクの無制御な連鎖的増加が避けられる。 内側部材と外側部材の間の界面に沿って複数の前記スプライン及び溝を一定間 隔で分配すると適切である。 補正請求の範囲 １．ドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力を発生する油圧 スラスター（１）であって、ドリルストリングの上部に連結可能な第１の部材（ ３）とドリルストリングの下部に連結可能な第２の部材（５）を相互に入れ子式 に配置し、掘削中にドリルストリングトルクを伝達できるようにすると共に、掘 削液がドリルストリングを通ってドリルビットまで流れるように前記部材を貫通 する流路（９）と、掘削中にドリルストリングトルクが伝達されると前記部材の 内方向入れ子反応を生じる手段を含み、該手段が前記部材の少なくとも一方に設 けた少なくとも１個の螺旋スプライン（１１）から構成され、該スプラインを前 記部材の他方に設けた対応する螺旋溝（１５）に嵌合させ、掘削中にスプライン と溝が協働してドリルストリングの上部と下部の間でトルクを伝達するように構 成し、各スプライン（１１）がスラスターの長手方向軸に対して、 0.8 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.2 arctan（r.A_i/k_m） （式中、ｒ＝スラスターの平均外径、Ａ_i＝スラスターの有効横断推力面積、ｋ_m ＝モーター通過による単位圧力降下当たりのモータートルクとして定義されるモ ーター定数である）の螺旋角βで配置されていることを特徴とする前記油圧スラ スター。 ２．前記第１の部材が外側部材（３）を形成し、前記第２の部材が内側部材（５ ）を形成する請求項１に記載のスラスター。 ３．内側部材と外側部材（３，５）の間の界面に沿って一定間隔で分配した複数 の前記スプライン（１１）及び溝（１５）を含む請求項２に記載のスラスター。 ４．各スプライン（１１）がスラスターの長手方向軸に対して、 0.95 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.05 arctan（r.A_i/k_m） の螺旋角βで配置されている請求項３に記載のスラスター。 ５．各スプライン（１１）及び溝（１５）の螺旋角がスラスターの長さに沿って 変動する請求項１から４のいずれか一項に記載のスラスター。 ６．各スプライン（３０）及び各溝（３６）の少なくとも一方が、その螺旋角を 各スプライン（３０）及び各溝（３６）の他方の螺旋角に一致させるように径方 向軸（４２）の周囲に回転可能である請求項５に記載のスラスター。 ７．各スプライン（１１）が内側部材（５）に設けられ、各溝（１５）が外側部 材（３）に設けられている請求項１から６のいずれか一項に記載のスラスター。 ８．ドリルストリングがドリルビットを駆動する下げ孔モーターを含み、該下げ 孔モーターがスラスターとドリルビットの間に配置されている請求項１から７の いずれか一項に記載のスラスター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ドリルストリングの下端に配置されたドリルビットへの推力を発生する油圧 スラスターであって、ドリルストリングの上部に連結可能な第１の部材とドリル ストリングの下部に連結可能な第２の部材を相互に入れ子式に配置し、掘削中に ドリルストリングトルクを伝達できるようにすると共に、掘削液がドリルストリ ングを通ってドリルビットまで流れるように前記部材を貫通する流路と、掘削中 にドリルストリングトルクが伝達されると前記部材の内方向入れ子反応を生じる 手段を含む前記油圧スラスター。 ２．前記第１の部材が外側部材を形成し、前記第２の部材が内側部材を形成する 請求項１に記載のスラスター。 ３．前記内方向入れ子反応を生じる手段が、前記部材の少なくとも一方に設けた 少なくとも１個の螺旋スプラインから構成され、該スプラインを前記部材の他方 に設けた対応する螺旋溝に嵌合させ、掘削中にスプラインと溝が協働してドリル ストリングの上部と下部の間でトルクを伝達するようにした請求項１又は２に記 載のスラスター。 ４．内側部材と外側部材の間の界面に沿って一定間隔で分配した複数の前記スプ ライン及び溝を含む請求項３に記載のスラスター。 ５．各スプラインがスラスターの長手方向軸に対して、 0.8 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.2 arctan（r.A_i/k_m） （式中、ｒ＝スラスターの平均外径、Ａ_i＝スラスターの有効横断推力面積、ｋ_m ＝モーター通過による単位圧力降下当たりのモータートルクとして定義されるモ ーター定数である）の螺旋角βで配置されている請求項３又は４に記載のスラス ター。 ６．各スプラインがスラスターの長手方向軸に対して、 0.95 arctan（r.A_i/k_m）＜β＜1.05 arctan（r.A_i/k_m） の螺旋角βで配置されている請求項５に記載のスラスター。 ７．各スプライン及び溝の螺旋角がスラスターの長さに沿って変動する請求項３ から６のいずれか一項に記載のスラスター。 ８．各スプライン及び各溝の少なくとも一方が、その螺旋角を各スプライン及び 各溝の他方の螺旋角に一致させるように径方向軸の周囲に回転可能である請求項 ７に記載のスラスター。 ９．各スプラインが内側部材に設けられ、各溝が外側部材に設けられている請求 項３から８のいずれか一項に記載のスラスター。 １０．ドリルストリングがドリルビットを駆動する下げ孔モーターを含み、該下 げ孔モーターがスラスターとドリルビットの間に配置されている請求項１から９ のいずれか一項に記載のスラスター。 １１．図面に関して実質的に明細書に記載したスラスター。