JP5384520B2 - 進行方向変更可能なシステム - Google Patents

Description

本発明は、例えばドリル孔の形成に用いられる、進行方向変更可能なシステムに関する。

炭化水素の抽出に用いられるドリル孔の形成分野においては、進行方向変更可能な掘削システムを用いて、ドリル孔の経路の制御を可能にすることが常套的である。多数の進行方向変更可能な掘削システムが知られている。例えば、バイアスユニットがドリルビットの近くに配置されたシステムが知られており、バイアスユニットは、それに差し向けられた横荷重をドリルビットに付与してドリルビットをドリル孔の軸線から遠ざけて所望の方向に推進させるように作動可能である。別の形式の進行方向変更可能な掘削システムは、ドリルビットが取付けられた曲げハウジングを有し、掘削システムの進行方向変更は、ドリルビットが所望の方向に向くように曲げハウジングの向きを制御することによって達成される。いくつかの装置では、ドリルビットの方向及び角度を制御するために、曲げハウジングが調整可能である。他の装置では、曲げハウジングの傾斜が固定されたものであり、ドリルビットが差し向けられる方向の調整は、曲げハウジングの角度方向位置を制御することによって達成される。

本発明の目的は、単純で且つ好都合な形態の進行方向変更可能なシステムを提供することにある。

本発明によれば、進行方向変更可能なシステムであって、回転可能な第１のハウジングと、第１の回転可能なハウジングに調節可能な継手によって連結された回転可能な第２のハウジングと、使用中に回転しないように保持されるカム部材と、カム部材と協働可能であるカムフォロア手段とを有し、カムフォロア手段は、第２のハウジングを第１の回転可能なハウジングに対して上記調整可能な継手を中心に駆動するように移動可能であるシステムを提供する。

かかる構成は、第１及び第２のハウジングを回転させながら、第２のハウジングの回転軸線を実質的に固定された位置に保持することができるという点において有利である。かくして、掘削を行いながら、第２のハウジングによって支持されたドリルビットを所望の向きに保持することができる。

好ましくは、第１のハウジングと第２のハウジングは、第１のハウジングの回転が第２のハウジングに伝達されるように互いに連結される。第２のハウジングに対する第１のハウジングの回転を可能にするように作動可能なクラッチ機構が設けられるのがよく、クラッチ機構は、例えば、噛合いクラッチの形態のものである。

カム部材は、好ましくは、第２のハウジングの向きの調整を可能にするように調整可能である。カム部材は、斜板の形態をなすのが便利である。カム部材は、好ましくは、スリーブに取付けられ、スリーブは、第１のハウジングの少なくとも一部分を包囲し、通常の使用中、回転しないように保持される。例えば、スリーブは、スタビライザを有する。好ましくは、カム部材を支持するよう構成された球軸受が、第１のハウジングに設けられる。好ましくは、スリーブの位置を調整するために、カム部材をスリーブに対して移動させるように駆動する１つ又は２つ以上のリニアアクチュエータが設けられる。リニアアクチュエータは、電動式であってもよいし、変形例として、液圧式であってもよい。

カムフォロア手段は、好ましくは、フォロアピストンを有し、フォロアピストンは、カム部材によって駆動され、駆動ピストンの移動を生じさせるように移動可能である。フォロアピストンは、好ましくは、機械的利点を提供するように、駆動ピストンよりも小さい直径のものである。駆動ピストンの運動は、好ましくは、それに連結されたプッシュロッドによって、第２のハウジングに伝達される。

プッシュロッドは、好ましくは、それに対応するフォロアピストンのいくつかと整列する。かかる構成では、第２のハウジングは、カム部材と同一方向に第１のハウジングに対して傾斜されるが、第２のハウジングの傾斜角は、カム部材の傾斜角よりも小さい。

添付図面を参照して、本発明を例示により更に説明する。

本発明の１つの実施形態の進行方向変更可能なシステムを有する進行方向変更可能な掘削システムの概略図である。 図１の掘削システムの進行方向変更可能なシステムを有する拡大断面図である。

添付図面を参照すると、ドリル孔の形成に用いられる進行方向変更可能な掘削システムが示されている。進行方向変更可能な掘削システムは、多数のダウンホール構成要素を支持するドリルストリング１０を有している。ドリルストリング１０は、地表のところでリグによって支持され、リグは、支持機能を有すると共に、ドリルストリング１０を駆動して回転させる。

ドリルストリング１０は、多数の中間スタビライザ（安定装置）ユニット１２を支持し、下端部のところで、ボトムホール組立体１４を支持している。ボトムホール組立体１４は、ダウンホールモータ１６と、進行方向変更可能なシステム１８と、ドリルビット２０を有している。使用の際、ダウンホールモータ１６は、ドリルビット２０を駆動して回転させるように作用する。ドリルビット２０の回転とドリルビット２０に付与されるビット荷重に作用する重量との組合せにより、ドリルビット２０は、ドリル孔が形成されている地層から材料を削り、掻き取り又は研磨し、ドリル孔を延長させる。

図示の構成は、ダウンホールモータを使用しているけれども、ドリルビットがドリルストリングの回転によって駆動される構成も可能である。

進行方向変更可能なシステム１８は、掘削が行われている間、ドリルビット２０を所望の向きに保持することを確保するように作用し、かくして、ドリル孔を延長する方向を制御する。

図２に最も良く示すように、進行方向変更可能なシステム１８は、ダウンホールモータ１６の出力部に連結されるように構成された回転可能な第１のハウジング２２を有し、それにより、第１のハウジングを駆動して回転させる。回転可能な第２のハウジング２４が、調整可能な継手２６によって第１のハウジング２２に連結され、継手２６は、例えば、ユニバーサル継手又はスイベルの形態のものである。継手２６は、部分的に球形のスラスト軸受２８を含み、かくして、軸方向に差し向けられた荷重を第１のハウジング２２からの第２のハウジング２４に伝達することを可能にしながら、第２のハウジング２４の軸線２４ａの角度を第１のハウジング２２の軸線に対して調整することを可能にする。

噛合いクラッチ３０の形態をした解除可能なトルク伝達装置が、第１のハウジング２２と第２のハウジング２４の間に設けられ、従って、所望のとき、第１のハウジング２２のその軸線を中心とする回転を、第２のハウジング２４に伝達することができ、噛合いクラッチ３０の解除により、第１のハウジング２２が第２のハウジング２４と独立して回転することを可能にする。

軸線方向に延びる通路３２が、第１のハウジング２２及び継手２６の中を通って、第２のハウジング２４内に設けられている通路３４まで延び、かくして、掘削流体又は泥を進行方向変更可能なシステム１８の中を通して供給することを可能にする。

スタビライザ（安定装置）スリーブ３６が、第１のハウジング２２の一部分を包囲している。スタビライザスリーブ３６は、ドリル孔の壁に当接し、使用中、回転しないで実質的に固定されたままである。スタビライザスリーブ３６は、第１のハウジング２２に、シールとしても作用する軸受３８によって取付けられ、それにより、スタビライザスリーブ３６が回転しないで固定されたままであるにも関わらず、第１のハウジング２２が回転することを可能にする。スタビライザスリーブ３６と第１のハウジング２２は一緒になって、チャンバ４０を構成し、斜板４２の形態のカム部材がチャンバ４０内に収容される。斜板４２は、スタビライザスリーブ３６にキー又はスプラインによって取付けられ、その結果、通常の使用中、斜板４２は、回転しないように保持される。斜板４２とスタビライザスリーブ３６の間の連結の性質は、斜板４２の角度方向の向きを調節することができるようなものである。球軸受４４が、斜板４２の内側部分と第１のハウジング２２のうちの斜板４２の内側部分と隣接した部分との間に設けられ、それにより、玉軸受４４は、斜板４２を支持しながら上記運動に順応する。一連のリニアアクチュエータ４６が、スタビライザスリーブ３６に取付けられ且つ斜板４２に係合し、リニアアクチュエータ４６は、適当な制御システム（図示せず）の制御下で、スタビライザスリーブ３６に対する斜板４２の向きを調整するように作動可能である。リニアアクチュエータ４６は、或る範囲の形態をとるのがよい。例えば、リニアアクチュエータは、電動式又は電磁式であってもよいし、変形例として、液圧式であってもよい。

斜板４２のうちのリニアアクチュエータ４６と協働する面と反対側の面は、一連のカムフォロア手段４８に係合する。カムフォロア手段４８は各々、比較的小さい直径のフォロアピストン５０を有し、フォロアピストン５０は、斜板４２に当接し、第１のハウジング２２に形成されたそれぞれの孔５２内で往復動可能である。孔５２は、フォロアピストン５０よりも大きい直径の孔５４に開口し、フォロアピストン５０よりも大きい直径の駆動ピストン５６が、孔５４内を往復動可能である。かかる構成であれば、フォロアピストン５０の運動により、それに対応する駆動ピストン５６にそれと同じ方向の運動を生じさせることを理解すべきである。駆動ピストン５６は、フォロアピストン５０よりも短い距離にわたってしか運動しないけれども、かかる構成により得られた機械的利点により、フォロアピストン５０よりも大きい力を付与することができる。

一連のプッシュロッド５８が駆動ピストン５６に当接し、駆動ピストン５６の運動を第２のハウジング２４に伝達する。

使用の際、図２に示す位置では、斜板４２が第１のハウジング２２に対して傾斜し、且つ、第２のハウジング２４が第１のハウジング２２に対して、斜板４２と同じ方向であるがそれよりも小さい角度だけ傾斜していることを理解すべきである。この位置から、ダウンホールモータ１６の作動によって生じる第１のハウジング２２の回転により、フォロアピストン５０は、斜板４２の上に乗って移動し、フォロアピストン５０は各々、斜板４２上におけるフォロアピストン５０の運動によって、それぞれの孔５２の中に更に押される。フォロアピストン５０の運動は、それに対応する駆動ピストン５６に孔５２，５４内の流体によって伝達され、プッシュロッド５８を延長させ、第２のハウジング２４を、継手２６を中心に傾斜させるように押す。このように達成された第２のハウジング２４の傾斜運動は、プッシュロッド５８を駆動し、また、進行方向変更可能なシステムの半径方向反対側に位置する駆動ピストン５６及びフォロアピストン５０を引込み位置に向かってプッシュロッド５８と逆方向に駆動する。この作用により、第１のハウジング２２及び第２のハウジング２４を回転させている間、第２のハウジング２４の回転軸線２４ａを適所に実質的に固定した状態で確実に保持することを理解すべきである。その結果、掘削が行われている間、ドリルビット２０は所望の向きに保持される。

リニアアクチュエータ４６による斜板４２の位置の適当な調節は、第１のハウジング２２に対する第２のハウジング２４の傾斜角度を調整すること、及び、第１のハウジング２２に対する第２のハウジング２４の回転軸線２４ａの方向又は向きを調整することに使用されるのがよい。かくして、リニアアクチュエータ４６を用いた斜板４２の位置の適正な制御によって、進行方向変更可能な掘削システムの掘削方向を制御すればよいことを理解すべきである。

カムフォロア手段の性質による機械的利点は、たとえ上述した運動に抵抗する大きな荷重が第２のハウジング２４に付与された場合であっても、第２のハウジング２４を所望の方向に逸らせ又は傾斜させるのに十分に大きい磁力が利用可能であることを確保することにある。

本明細書に記載した構成に対する広範な改造例及び変形例を、本発明の範囲から逸脱することなしに構成することができることを理解すべきである。

Claims (15)

1. 進行方向変更可能なシステムであって、
   回転可能な第１のハウジングと、
   調節可能な継手によって前記第１のハウジングに連結された回転可能な第２のハウジングと、
   使用中に回転しないよう保持されるカム部材と、
   前記カム部材と協働可能であるカムフォロア手段と、を有し、
   前記カムフォロア手段は、前記第２のハウジングを前記第１のハウジングに対して前記調整可能な継手を中心に駆動するように移動可能であり、
   前記カムフォロア手段は、フォロアピストンを有し、前記フォロアピストンは、前記カム部材によって駆動され、前記駆動ピストンの移動を生じさせるように移動可能である、システム。
2. 前記第１のハウジングと前記第２のハウジングは、前記第１のハウジングの回転が前記第２のハウジングに伝達されるように互いに連結される、請求項１に記載のシステム。
3. 更に、前記第２のハウジングに対する前記第１のハウジングの回転を可能にするように作動可能なクラッチ機構を有する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記クラッチ機構は、噛合いクラッチを含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記カム部材は、前記第２のハウジングの向きの調整を可能にするように調整可能である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記カム部材は、スリーブに取付けられ、前記スリーブは、前記第１のハウジングの少なくとも一部分を包囲し、通常の使用中、回転しないように保持される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記スリーブは、スタビライザを有する、請求項６に記載のシステム。
8. 更に、前記カム部材を前記スリーブに対して支持するように構成された球軸受を有する、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 更に、前記カム部材の位置を調整するために、前記カム部材を前記スリーブに対して移動させるように駆動する１つ又は２つ以上のリニアアクチュエータを有する、請求項６〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記リニアアクチュエータは、電動式、電磁式又は液圧式である、請求項９に記載のシステム。
11. 前記カム部材は、斜板の形態をなす、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記フォロアピストンは、機械的利点を提供するように、前記駆動ピストンよりも小さい直径のものである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記駆動ピストンの運動は、それに連結されたプッシュロッドによって前記第２のハウジングに伝達される、請求項１又は１２に記載のシステム。
14. 前記プッシュロッドは、それに対応する前記フォロアピストンのいくつかと整列する、請求項１３に記載のシステム。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載された種類の進行方向変更可能なシステムの第１のハウジングを駆動して回転させるように構成されたモータと、
    前記進行方向変更可能なシステムの第２のハウジングに取付けられたドリルビットと、を有する、進行方向変更可能な掘削システム。

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