JP5329561B2 - 掘削システム - Google Patents

Description

本発明は、掘削システムに係り、とりわけ、その後に炭化水素を抽出するためのボアホール(bore hole)の形成において使用するための掘削システムに関する。

ボアホールの形成において典型的に使用される、操縦可能な掘削システムの一形態は、バイアスユニットを搬送するドリルストリング(drill string)すなわちドリルパイプ(drill pipe)を備えている。バイアスユニットは、ボアホールの隣接部分に対して所望の偏位でドリルパイプを保持するよう動作可能なものである。ドリルパイプは、さらに典型的には、回転のためのドリルビット(drill bit)を駆動するよう構成されたダウンホールモーター（down hole motor）を搬送する。バイアスユニットおよびモーターは、典型的には、ドリルパイプに沿った圧力下で供給される掘削流体(drilling fluid)すなわちマッド（mud）を利用して、油圧式に駆動される。

使用中、ビット荷重（ＷＯＢ）負荷が、ドリルパイプを介してビットに加えられる。ビット荷重（ＷＯＢ）負荷は、ビットの回転との組合せにより、ボアホールの端部からビットが物質を掘り、掻き出し、または侵食し、これによってボアホールの長さを増大させるのに役立つ。

バイアスユニットの作用は、ボアホールが所望の経路に沿って掘削されるようドリルビットを操縦するために利用され得る。

本発明の目的は、掘削システムのその他の形態を提供することである。

発明を解決するための手段

本発明によれば、トラクターユニットに連結される、回転可能なドリルパイプと、トラクターユニットに連結されるとともに、トラクターユニットによって移動可能な操縦可能掘削システムと、を備えた掘削システムが提供される。

そのような構成は、使用中、望まれれば、ドリルパイプが連続的に回転され得るようになっており、これによって、ドリルパイプが動けなくなるリスクを低減し、一方、トラクターユニットが、操縦可能掘削システムのための安定なプラットフォームを提供する。

操縦可能掘削システムは、好都合には、ダウンホールモーターを含んでいる。

トラクターユニットを備えることは、ドリルパイプと操縦可能掘削システムとの間における運動および力の伝達を制限または制御するのに役立つ。とりわけ、トラクターユニットは、負荷をドリルパイプに伝達するよりもむしろ、モーターの作動により生成されるトルクに反発する。同様に、ビットにより誘起される反作用のトルクは、ドリルパイプに伝達されず、その振動を低減させる。

トラクターユニットおよび操縦可能掘削システムは、例えばドリルパイプを介して供給される流体を用いることにより、油圧式に動力が供給されてもよい。若しくは、または付加的に、ドリルパイプの回転および／またはドリルパイプで伝達されるＷＯＢ負荷が、これらの構成要素に動力を供給するのに用いられてもよい。さらに、それらは、電気的に動力が供給されてもよい。トラクターユニットおよび操縦可能掘削システムが、同一の動力源を用いる必要はない。

トラクターユニットは、エネルギー変換装置、例えば、その運動を油圧エネルギーに変換する、またはその逆の変換を行う装置を含んでいてもよい。そのような装置は、地表またはダウンホールに配置される制御ユニットにより自動で制御されてもよく、または、手動で制御されてもよい。

掘削中の計測を可能にするため、センサーが、トラクターユニット、または、ドリルパイプとドリルビットの間のその他の位置に設けられてもよい。例えば、ボアホールの形状および直径、ボアホールの安定性パラメータを表示するため、および、掘削の計測の間の圧力を提供するため、トラクターユニットとボアホール壁との間の係合部が使用されてもよい。

図１は、本発明の形態による掘削システムの一部の概略図である。 図２は、その他の形態を示す、図１と同様の図である。

本発明は、付随する図を参照することにより、例示的な方法で、さらに説明される。

図１に示される掘削システムは、ドリルパイプ１２の下端部に連結されるトラクターユニット１０を備えている。ドリルパイプ１２は、ボアホール１４の長さに沿って地表まで延びている。ドリルパイプ１２は、使用中に地表から回転されるように構成されている。またドリルパイプ１２は、圧力下で掘削流体すなわちマッドが供給されるように構成されている。典型的には、ドリルパイプ１２は、動けなくなるのを避けるため、ゆっくりと回転される。

ドリルパイプ１２は、所定の範囲の形態をとることができる。例えば、ドリルパイプ１２は、らせん状の管形材料またはその他の配管器具を含むことができる。

トラクターユニット１０は、連結用装置１６を有しており、これによって、ドリルパイプ１２がトラクターユニット１０へ案内される。連結用装置１６は、ドリルパイプ１２を介してトラクターユニット１０にマッドが供給されるのを可能にするよう構成される。連結用装置１６は、さらに、通常使用中にはドリルパイプ１２の回転がトラクターユニット１０には伝達されず、しかし望まれる場合には、その動作モードが、トラクターユニット１０をドリルパイプ１２とともに回転させ、または、ドリルパイプ１２よりも低い速度で回転させるよう切り替えられるよう、構成されている。好都合には、ドリルパイプとトラクターユニットとの間の相対的な動きをモニターするとともに、この情報を蓄積して、そしてこの情報を制御ユニットに伝達するセンサーが動作可能となっている。この場合、制御ユニットは、例えば、望まれない運動または振動を減衰させるようシステムの動作を制御するために使用され得る。

ドリルパイプ１２がトラクターユニット１０から独立して回転するのを可能にすることにより、ドリルパイプ１２は、望まれるのであれば、連続的に回転され得る。このことは、ドリルパイプ１２が動かなくなるリスクを低減する。さらに、ドリルパイプ１２の回転は、ボアホールに沿って通る流体を撹拌するよう使用され得る。これによって、ボアホール内において、掘削されたものの蓄積を低減することができる。連結用装置１６は、独立した回転を可能にするが、しかしながら、例えば、トラクターユニット１０が所定位置で渋滞し、またはトラップされるようになった場合にトラクターユニット１０の開放を手助けするため、ドリルパイプ１２がトラクター１０へトルクを加えるべく使用され得るよう、連結用装置１６がロック可能であることが好ましい。システムは、好ましくは、電源異常のイベントのときにこの設定に戻るよう構成される。

トラクターユニット１０は、好都合にはマッドで動力が供給されるモーターの形態によるダウンホールモーター１８を支持する。マッドで動力が供給されるモーター１８の出力は、操縦制御ユニット２０に伝達される。この操縦制御ユニット２０は、ドリルビット２２に連結されている。使用中、モーター１８の作動が、ドリルビット２２を回転させ、操縦制御ユニット２０が、ドリルビット２２によりとられている向きまたは姿勢を制御し、これによって、使用中に、ボアホールが伸ばされる方向を制御することが理解されるであろう。

ドリルパイプ１２を、モーター１８、操縦制御ユニット２０およびドリルビット２２を支持し、またこれらに負荷を加えるために使用するよりもむしろ、トラクターユニット１０が、モーター１８、操縦制御ユニット２０およびドリルビット２２を支持するとともに、以下に説明されるように、ドリルビット２２にビット荷重（ＷＯＢ）負荷を加えるために使用され得る。このため、ドリルパイプ１２は、その自重を支持し、加えられた流体圧力に耐え、そして、トラクターユニット１０を引っ張るのに使用される場合に加えられた負荷を運搬するよう、十分に強くなっている通常のドリルパイプに比べて、より薄い壁で仕切られていてもよく、また、より増大された直径からなっていてもよい。

ビット２２の回転速度を増大させるため、ギヤボックスが設けられていてもよい。流体連結または遊星ギヤボックスまたは等速ギヤボックスが、トルクおよび回転速度、従ってビット２２へのパワーを調整するために設けられていてもよい。

トラクターユニット１０は、ボアホール１４の壁をとらえ、そして、内部の牽引システムによってボアホール１４の長さに沿って移動可能となっている。牽引システムは、しゃくとり虫に基づいており、若しくは、軌道(track)、ホイール、差動ピストン、回転する環状面（rolling toroid）またはスクリュー式に作動される装置を備えていてもよい。さらに、これらの技術の任意の組合せが、ボアホール１４に対する移動のためにトラクターユニット１０を駆動するのに使用され得る。トラクターユニット１０の牽引システムの動作は、使用中、ＷＯＢ負荷をドリルビット２２に加えるのに使用され得るということ、および、ドリルビット２２の回転と組み合わせてのＷＯＢ負荷の適用は、ドリルビット２２がボアホール１４の端部から物質を掻き出し、侵食し、または掘ることを引き起こし、これによって、操縦ユニット２０により制御される方向におけるボアホール１４の軸方向の長さを増大させるまたは伸ばすということが理解されるであろう。トラクターユニット１０は、制御システムに含まれるルールに従って、ビットの前進を制御する。ルールは、ビットのタイプ、地質の特徴、掘削およびボアホールの状態、およびマッドシステムを考慮して選択され得る。またルールは、適切なセンサーから導かれる情報に応じて働くよう選択され得る。ユニット１０は、さらに、ビット２２の侵入速度を制御し、また、モーター１８の動作を制御することにより回転速度を制御する。ドリルビット２２により取り除かれる物質は、典型的には、ドリルパイプ１２とボアホール１４の壁との間に画定される環状の通路に沿って地表に向かって移動する掘削流体すなわちマッドの戻り流によってボアホール１４の下端から押し流される。

トラクターユニット１０の牽引システムと組み合わせて連結装置１６を備えることは、ドリルパイプ１２よりもむしろ地質に対して伝達される、モーターおよびビットにより誘起される反作用力を生じさせ、ドリルパイプ１２の振動を低減させる。

マッドで活性化され、軸方向に延びるピストン２４（図２参照）は、ＷＯＢ負荷を制御し、および、ＷＯＢ負荷をビット２２に加えるため、および／または、モーター１８、操縦制御ユニット２０およびドリルビット２２を軸方向の振動から切り離すため、トラクターユニット１０上に設けられてもよい。軸方向の振動は、例えば、ドリルパイプ１２において生じうるものであり、ＷＯＢ負荷を加えるため利用されるものである。ピストン２４は、ダウンホールまたは地表に配置されたコンピュータにより適切なセンサーの出力を用いて制御される、ダウンホールに配置された釣り合いバルブを用いて制御されてもよい。そのような構成において、トラクターユニット１０の牽引システムは、ピストン２４により加えられる負荷に反発する。

トラクターユニット１０により全体的に、または、ピストン２４などにより、または、これらの影響の組合せとしてＷＯＢ負荷が加えられる場合、加えられるＷＯＢ負荷の大きさは、好都合には、全体的な掘削速度、石盤のタイプ、ビットの設計、支配的な衝撃および振動の状態、およびビットの振動などの要因を考慮する制御アルゴリズムからの出力に応じて制御される。

モーター１８および操縦制御ユニット２０を備えるトラクターユニット１０および操縦可能な掘削システムのための主要な動力源は、ドリルパイプ１２を介して運ばれるマッドの供給を用いて油圧式に得られる、ということが考えられる。電気的な動力が、タービンを駆動し、また電気発電機を駆動するためのマッドの供給を利用することにより生成されてもよい。しかしながら、その他の駆動技術が利用されてもよいことが理解されるであろう。例えば、トラクターユニット１０に対するドリルパイプ１２の回転は、電気発電機を駆動するための、または油圧式の動力を加えるダウンホール流体を加圧するマッドモーターを駆動するための相対的な回転を利用することにより、電気的なエネルギーまたは油圧式のエネルギーに変換され得る。発電機の動作を制御することにより、ドリルパイプのねじり荷重が、制御され、また望まれるのであれば地表へ信号を伝達するために使用され得る。望まれるのであれば、この効果を高めるため、ドリルパイプの下端を積極的に駆動することも可能である。若しくは、ドリルパイプ１２により加えられるビット荷重負荷が、動力を供給するために利用されてもよい。さらなる変形は、電気ケーブルでつながれたドリルパイプ、または、高電流伝導体を運搬することができる複合管材を介して、電気的な動力を供給することである。もちろん、これらの技術の組合せも利用され得る。エネルギー変換システムが設けられている場合、変換システムは、ダウンホールに配置されたコントローラー、または地表に配置されたコントローラーを介して自動的に制御され得る。さらに、変換システムは、地表に位置するオペレータにより、部分的にまたは全体的に手動で制御されてもよい。

前述のように、トラクターユニット１０は、ボアホール１４の長さに沿って駆動され得る。またトラクターユニット１０は、ボアホール１４の内側の所望の位置における運動に対して保持され得る。また、トラクターユニット１０は、ＷＯＢ負荷をドリルビット２２に加えるよう利用され得る。トラクターユニット１０の牽引システムは、さらに、ボアホール１４に対する回転運動に対してトラクターユニット１０を固定するよう利用されてもよい。ボアホール１４に対するトラクターユニット１０の軸方向位置をモニターすることは、ドリルビット２２の位置の表示を提供するよう利用され得る、ということが理解されるであろう。さらに、ボアホール１４の壁にトラクターユニット２０が係合するのをモニターすることにより、ボアホール１４の直径および形状がモニターされ、また、掘削測定の間の圧力が形成され得る。マッドの固まり(mud cake)のひずみが、ボアホール１４のための安定性パラメータを決定するために利用され得る。

上述のように、掘削流体すなわちマッドの戻り流は、ドリルビット２２により取り除かれた物質を洗い流すために利用され得る。望まれるのであれば、トラクターユニット１０が、ボアホール１４の壁とともに圧力シールを形成し、戻り流を遮蔽してもよい。そのような環境における戻り流を制御するため、トラクターユニット１０において、通路およびバルブが設けられてもよい。

操縦可能掘削システムは、形態における所定の範囲をとることができる。例えば、操縦制御ユニット２０は、所望の方向で横向きに作用する負荷をドリルビット２２に対して加えて、それを所望の方向へと駆り立てるよう動作可能なバイアスユニットを備えていてもよい。また、操縦制御ユニット２２は、曲げられたハウジング（bent housing）と、ドリルビット２２を所望の方向に向けるため、曲げられたハウジングを所望の方向に配向させるよう動作可能な機械と、を含むことができる。その他のシステムも可能である。例えば、非回転の摺動スリーブの回転操縦可能なシステムが用いられてもよく、または、プッシュザビット（push the bit）, ポイントザビット（point the bit）, または組合せの操縦原理を含む操縦掘削システムが利用され得る。

ドリルビット２２は、形態における所定の範囲をとることができる。例えば、ドリルビット２２は、従来の回転ドラッグタイプのドリルビットを備えていてもよい。しかしながら、その他の形態のビットも利用され得る。

ワイヤで接続されたドリルパイプシステムが、地表とトラクターユニット１０との間でのデータ通信を可能とするよう利用されてもよい。そのようなシステムはまた、若しくは代替として、上述のように電気的なパワーをトラクターユニット１０に供給するために利用され得る。

拡張された範囲での応用における制御をアシストするためのドリルパイプ（図２参照）の長さに沿って、１つまたはそれ以上のさらなる類似のトラクターユニットを含むことが望まれてもよい。トラクターユニットは、好ましくは所要の通信速度を実現するようワイヤで接続されたドリルパイプを用いて、好ましくは一斉に制御される。これによって、先に概説された利点を実現することができる。

要約すれば、トラクターユニット１０は、掘削および操縦のための安定なベースを提供する。従って、より高いレベルのＲＯＰが達成され、また、操縦がより正確に制御され得る。ＲＯＰの改善は、ビット２２のＷＯＢ、トルクおよび回転速度に関する改善された制御から生じる増大された即座のスピードの結果として、直接的なものであり、また、より安定でないプラットフォームからの掘削により引き起こされる問題から回復するときの中断時間を、避けるまたは低減することによる。

本発明の範囲から逸脱することなく、ここに記載された構成に対する、広い範囲における修正および変形がなされ得ることが理解されるであろう。

Claims (15)

1. （１）連結具によってトラクターユニットに連結される、回転可能なドリルパイプであって、前記連結具は、回転可能なドリルパイプとトラクターユニットとの間の相対的な回転を、
   （ａ）トラクターユニットが回転に関して静止している間に回転可能なドリルパイプが回転することを可能にするモード、
   （ｂ）トラクターユニットを、回転可能なドリルパイプとともに同一の回転速度で回転させるモード、および、
   （ｃ）トラクターユニットの回転を、回転可能なドリルパイプとは異なる回転速度で生じさせるモード
   という（ａ）〜（ｃ）を含む相対的な回転の様々なモードが可能となる態様で制御するよう、選択的に調整可能となっている、回転可能なドリルパイプと、
   （２）回転可能なドリルパイプとトラクターユニットとの間の相対的な回転をモニターし、かつ、相対的な回転に関するデータを制御ユニットに提供するセンサーと、
   （３）トラクターユニットに連結されるとともに、トラクターユニットにより移動可能な操縦可能掘削装置と、
   を備えたことを特徴とする掘削システム。
2. 回転するドリルパイプによって動力が生成されることを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
3. トラクターユニットのために動力が生成されることを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
4. 操縦可能掘削装置のために動力が生成されることを特徴とする請求項３に記載の掘削システム。
5. ダウンホールモーターをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
6. トラクターユニットおよび操縦可能掘削装置のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に油圧式に動力を供給されることを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
7. 油圧式の動力が、ドリルパイプを介して供給される流体を使用して供給されることを特徴とする請求項６に記載の掘削システム。
8. トラクターユニットおよび操縦可能掘削装置のうちの少なくとも１つが、電気的に動力を供給されることを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
9. 電気的なエネルギーが、ケーブル、配線されたドリルパイプ装置、および複合ドリルパイプに設けられた伝導体のうちの少なくとも１つを介して供給されることを特徴とする請求項８に記載の掘削システム。
10. 掘削中の測定を可能とするため、トラクターユニット上、または、ドリルパイプとドリルビットとの間のその他の位置に設けられた複数のセンサーをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
11. 複数のセンサーは、ボアホールの直径および形状のうちの少なくとも１つ、並びにボアホールの安定化パラメータをモニターすることを可能とすることを特徴とする請求項１０に記載の掘削システム。
12. トラクターユニットは、ボアホールに係合する牽引手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
13. 牽引手段は、しゃくとり虫装置、軌道、ホイール、スクリューまたは圧力差動ピストン手段を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の掘削システム。
14. トラクターユニット上に設けられ、操縦可能掘削装置を移動させるよう作動可能なピストンをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。
15. ドリルパイプに沿った一部分に位置する少なくとも１つのさらなるトラクターユニットをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の掘削システム。

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