(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体および第２の流体の個別の独立した流れを可能にするように構成されたドリル・ストリングの端部に連結されることが可能な、多流体掘削システムであって、
前記ドリル・ストリングによって支持されるときに前記ドリル・ストリングを通って流れる第１の流体により動力を提供されるように配置構成されたハンマと、
前記ドリル・ストリングによって支持されるときに前記ドリル・ストリングを通って流れる第２の流体が通って流れ、動力を提供されるように配置構成されたモータと、を備え、
前記モータが、前記ハンマに連結され、前記第２の流体が前記モータを通って流れるときに前記ハンマを回転させるように配置構成されており、
前記掘削システムが、前記第２の流体が前記掘削システムによって掘削中の孔内に流れることができるように配置構成されている、
多流体掘削システム。
【請求項２】
複数の流体によって動力を提供される掘削システムであって、
第１の流体および第２の流体の個別の独立した流れを可能にするように構成されたドリル・ストリングと、
前記ドリル・ストリングによって支持され前記ドリル・ストリングと流体連通し、前記第１の流体により動力を提供される、ハンマと、
前記ドリル・ストリングによって支持され前記ドリル・ストリングと流体連通しており、前記第２の流体が通って流れ動力を提供され、前記ハンマを回転させるように配置構成されたモータと、を備え、
前記掘削システムが、前記第２の流体が前記掘削システムによって掘削中の孔内に流れることができるように配置構成されている、
掘削システム。
【請求項３】
前記ハンマにハンマ・ビットが設けられ、第１の流体が前記掘削システムを通して導かれて、前記ハンマ・ビットに隣接して前記掘削システムから出る、請求項１に記載の掘削システム。
【請求項４】
ハンマにハンマ・ビットが設けられ、前記第２の流体が前記掘削システムを通して導かれて、前記掘削システムから出て前記ハンマ・ビットのビット面を横断して流れる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項５】
ハンマにハンマ・ビットが設けられ、前記第２の流体が前記掘削システムを通して導かれて、前記ハンマ・ビットのビット面のアップ・ホール側で前記掘削システムから出る、請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項６】
前記ハンマを覆って位置付けられ前記ビット面のアップ・ホール側で終端するシュラウドを備え、前記第２の流体が前記シュラウドのダウン・ホール端部から前記掘削システムを出る、請求項５に記載の掘削システム。
【請求項７】
前記モータに実質的な動力を与える前に、または前記モータに動力を与えた後で、前記第２の流体を掘削中の前記孔内へと選択的に流れさせるための、前記モータに関連付けられたポートの配置構成を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項８】
前記第１の流体が前記ドリル・ストリング内に形成された環状の流路内を流れ、前記第２の流体が前記環状の流路によって取り囲まれた内側流路内を流れる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項９】
前記第１の流体が前記ドリル・ストリング内に形成された内側流路内を流れ、前記第２の流体が前記ドリル・ストリング内の環状の流路内を流れ、前記環状の流路が前記内側流路を取り囲む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項１０】
前記ドリル・ストリングと前記ハンマとの間に連結された操向機構を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項１１】
前記操向機構が、前記モータと前記ハンマとの間に位置付けられるか、または前記モータに組み込まれる、請求項１０に記載の掘削システム。
【請求項１２】
前記ドリル・ストリングにトルクを与えることによって前記ハンマを回転させるように配置構成された頂部側回転システムを備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の掘削システム。
【請求項１３】
ハンマを回転させることの可能なダウン・ホール・モータを前記ハンマに連結し、
第１の流体および第２の流体を、ドリル・ストリングを通してそれぞれ前記ハンマおよび前記モータへと個別に互いに独立して送達し、前記第１の流体は、前記ハンマが掘削中の孔の先端に周期的に衝撃を与えることができるように前記ハンマに動力を提供し、
前記第２の流体は、前記ダウン・ホール・モータが前記ハンマを回転させることができるように、前記第１の流体とは別個に前記ダウン・ホール・モータに動力を提供し、
前記第２の流体が前記ハンマによって掘削中の孔内に流れることを可能とする、
孔の掘削方法。
【請求項１４】
前記ハンマを動作させた後で前記第１の流体を前記孔内へと導く、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ハンマのビットのビット面を横断する場所、前記ビット面のアップ・ホール側の場所、および前記ハンマのアップ・ホール側の場所のうちの少なくとも１つから、前記第２の流体を前記孔内へと導く、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
ハンマに連結された操向機構を使用して掘削中の孔の方向を変更させる、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記掘削中の孔の前記方向を変更するときに、前記ハンマを回転させるように前記ダウン・ホール・モータを動作させる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ダウン・ホール・モータを、前記第１の流体および前記第２の流体をそれぞれ前記ハンマおよび前記モータに送達することを可能にするように配置構成されるドリル・ストリングに連結し、前記ドリル・ストリングを介して表面回転テーブル又は回転ヘッドから前記ハンマにトルクを伝達する、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の流体および前記第２の流体が少なくとも１つの異なる特性を有するそれぞれの液体の形態であり、前記特性は、比重、粘度、レオロジー、圧力、および流量を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の掘削システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
地盤に孔を掘削するためのシステムおよび方法を開示する。孔はたとえば、限定するものではないが、炭化水素、もしくは地下熱源利用のための探査または産出孔、または廃棄物貯留孔である。
【背景技術】
【０００２】
特定の目的のためにおよび個別の地盤状態において孔を掘削するために、多くの種類の地盤掘削システムを利用可能である。ある種類のダウンホール・ドリル・システムは、ドリルの前進を支援するために、加圧された流体を利用する。流体は、関連するドリル・ストリングに連結された掘削工具を駆動することまたは掘削中の孔からドリル掘削屑を洗い流すことのいずれか、または両方を行うように働き得る。流体は、空気もしくは窒素などの気体、水もしくは掘削泥などの液体／スラリ、または気体と液体の組み合わせとすることができる。
【０００３】
石油およびガスの探査に関しては、取り付けられたローラ・ビットに回転を提供するために、掘削泥などの高い比重の流体によって駆動されるダウンホール・モータを使用するのが一般的である。この泥は、孔から掘削屑を取り除きダウンホール圧力制御を提供するようにも働き得る。加えて、マッド・モータを通る泥の体積流量は、必要な場合にウェルを埋めるのに十分であり得る。しかしながら、特に方向性のあるもの（すなわち鉛直でない孔）を用いる、硬い物質の掘削に関しては、限界が存在する。これは、岩石を破砕し経済的な速度で掘削を進めるのに十分なダウンホール引き下げまたはビット荷重（「ＷＯＢ」）を加えることができないことに起因して生じる。
【０００４】
硬い物質における貫通の限界は、ダウン・ザ・ホール（ＤＴＨ）ハンマの使用によって克服し得る。ＤＴＨハンマは流体によって駆動される。空気が一般的な駆動流体であるが、これはダウンホールおよび地圧の制御を可能にはしない。また多くの場合、ハンマを効果的に駆動するために、一般的なダウン・ホール環境を基準とした場合の十分な圧力差を提供するために必要とされる圧力および体積を空気に提供することが、可能ではない。
【０００５】
ハンマを駆動するために、空気の代わりに、水および添加剤、たとえば掘削泥を用いることができる。このことは、高い地圧に対抗するためのより高い掘削圧力が提供されることを可能にする。しかしながら、その本来的な性質に起因して、掘削泥はハンマの内側表面を短時間で摩耗させ、頻繁な交換の必要性をもたらす。これは、ドリル・ストリングを移動させる非常に時間を消費する工程を含む。また従来のハンマ・ドリルは、危険な過圧力状態の場合にウェルを埋める（すなわちウェルを短時間で溢れさせて気体の流れおよび他の危険なウェル状態を制御または停止する）のに十分な体積流量を可能としない。
【発明の概要】
【０００６】
広い観点からは、複数の流体を利用して個別のダウンホール・デバイスを駆動する、掘削システムおよび方法を開示する。個別のダウンホール・デバイスは、ハンマおよびダウンホール・モータを含み得る。ハンマ・ビットはハンマに取り付けられ、このハンマはモータの下流にある。掘削システムは、ドリル・ストリングのダウンホール縁部に連結される。ドリル・ストリングは、第１の流体および第２の流体の個別の独立した流れを可能にするように配置構成される。第１の流体は、ハンマに動力を提供するために使用される。第２の流体は、モータに動力を提供するために使用される。どちらの流体も液体であってよい。液体は異なる特徴を有してよく、また多くの場合有することになる。この違いは、それらの比重、粘度、レオロジー、圧力、および流量のうちの１つまたは複数に関するものであってよい。
【０００７】
ダウンホール・モータは、ハンマを回転させるために使用され得る。但し、ダウンホール・モータへの第２の流体の流れを止めることも可能であり、この場合、モータはハンマを回転させないことになる。この場合、ハンマの回転は、たとえば表面回転テーブルまたは回転ヘッドの使用によりドリル・ストリングを回転させることによって提供され得る。さらなる代替形態では、ダウンホール・モータおよび表面回転テーブルまたは回転ヘッドの両方によって、ビットにトルクが提供され得る。
【０００８】
ドリル・ストリングのダウンホール端部とハンマとの間に、操向可能な接合部またはサブが提供されてよい。この場合、操向可能な接合部またはサブは、ストリングの端部とモータとの間、またはモータとハンマとの間のいずれかに存在することができる。但し、代替の実施形態では、ダウンホール・モータは、内蔵された調節可能な屈曲部の組み込みによって、それ自体が操向可能であってよい。
【０００９】
システムは、第２の流体が掘削中の孔内へとハンマ・ビットの面を横切って放出され得るように構成される。別法として、第２の流体は、ビットの面に近い場所から、またはハンマ・ドリルのアップ・ホール側の場所から、孔内へと放出されてよい。
【００１０】
複数の流体の使用は、システムおよび方法を、これらの様々な特定の要件を満たすように流体を適切に選択することによって最適化することを可能にする。たとえば、第１の流体は、ハンマを動作させることに関して、動力、速度、効率、および寿命といった観点から、最適化され得る。他方で、第２の流体は、モータを動作させること、および孔からドリル掘削屑を取り除くこと、孔の安定性、および、単独で、またはハンマの動作後に排液された孔内に第１の流体が入る場合に第１の流体と混合されたとき、のいずれかで、所望のダウンホール圧力状態を提供すること、といった観点から、最適化されてよい。第２の流体に関して選択され得るパラメータまたは特性は、限定するものではないが、アップ・ホール速度、粘度、および比重を含む。
【００１１】
第１の流体は、「動力流体」と呼ばれる場合があるが、その理由は、これがダウン・ザ・ホール・ハンマ・ドリルを駆動するための動力を提供する流体だからである。ハンマのポート配置構成を通って流れて、ハンマのハンマ・ビットに周期的に衝撃を与えるピストンを往復運動させるのは、この動力流体である。様々な実施形態において、第１の流体は、液体もしくは気体またはこれらの組み合わせ、たとえば限定するものではないが、水、油、空気、窒素ガス、またはこれらの組み合わせを含んでよい。
【００１２】
第２の流体は、モータに動力を提供することに加えて、様々な環境下で同時にまたは個別に行われ得る他の機能を有する。たとえば、第２の流体は、孔からおよび特にハンマ・ビットのビット面の近くから掘削屑を洗い流すための、洗浄流体として機能し得る。第２の流体は、ダウンホール圧力を制御するために使用されてもよい。この理由により、第２の流体は、「洗浄流体」または「制御流体」とも呼ばれ得る。第２の流体はほとんどの事例において、液体、たとえば限定するものではないが、水、掘削泥、またはたとえば危険な過圧力状態下では、セメント／グラウトである。第２の流体として水が使用される場合、その水が自体にかなりの割合の粒子状物質を担持しているかどうかは、ハンマの動作寿命にとってそれほど重要なことではない。すなわち、モータを動作させるために、汚れた水が使用されてよい。一方ハンマ用には、好ましくはきれいな水が使用される。
【００１３】
第１の態様では、第１の流体および第２の流体の個別の独立した流れを可能にするように構成されたドリル・ストリングの端部に連結されることが可能な、多流体掘削システムであって、
ドリル・ストリングによって支持されるときにドリル・ストリングを通って流れる第１の流体がハンマ・ドリルに動力を提供できるように配置構成されたハンマと、
ドリル・ストリングによって支持されるときにドリル・ストリングを通って流れる第２の流体がモータを通って流れモータに動力を提供できるように配置構成されたモータと、を備え、
モータが、ハンマに連結され、第２の流体がモータを通って流れるときにハンマを回転させるように配置構成されているシステムを、開示している。
【００１４】
第２の態様では、
第１の流体および第２の流体の個別の独立した流れを可能にするように構成されたドリル・ストリングと、
ドリル・ストリングによって支持されドリル・ストリングと流体連通しているハンマであって、第１の流体がハンマに動力を提供できる、ハンマと、
ドリル・ストリングによって支持されドリル・ストリングと流体連通しており、第２の流体がモータを通って流れモータに動力を提供でき、ハンマを回転させるように配置構成されたモータと、を備える、多流体掘削システムを開示している。
【００１５】
第３の態様では、
ハンマ・ドリルを回転させることの可能なモータをハンマに連結し、
第１の流体および第２の流体を、ドリル・ストリングを通してそれぞれハンマおよびモータへと個別に互いに独立して送達し、第１の流体は、ハンマが掘削中の孔の先端に周期的に衝撃を与えることができるようにハンマに動力を提供し、
第２の流体は、モータがハンマを回転させることができるように、第１の流体とは別個にモータに動力を提供する、孔の掘削方法を開示している。
【００１６】
「発明の概要」に明記されたようなシステムおよび方法の範囲に属し得る任意の他の形態に関わらず、ここで特定の実施形態が、添付の図面を参照して、例示としてのみ記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】開示された多流体掘削システムの第１の実施形態を概略的に表したものである。
【図２】開示された多流体掘削システムの第２の実施形態を概略的に表したものである。
【図３】開示された多流体掘削システムの第３の実施形態を概略的に表したものである。
【図４】開示された多流体掘削システムの第４の実施形態を概略的に表したものである。
【図５】開示された多流体掘削システムの第５の実施形態を概略的に表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、孔またはウェル１１を掘削する開示された多流体掘削システム１０の１つの実施形態を例示している。システム１０は、二重壁ドリル・ストリング１２に連結される。ドリル・ストリング１２は、円によって描写される第１の流体１４および矢印によって描写される第２の流体１６の個別の流れを可能にするように構成される。この事例では、第１の流体１４は、ドリル・ストリング１２の外側環状の経路またはチャネル１８内を流れ、一方、第２の流体１６は、内側チャネルまたは流路２０を通って流れる。システム１０は、ハンマ２２およびダウンホール・モータ２４を備える。ハンマ２２およびモータ２４はどちらも、ドリル・ストリング１２によって支持されかつこれに連結される。モータ２４は、ハンマ２２のアップホール側にある。
【００１９】
ハンマ２２は、ドリル・ストリング１２によって支持されるときに、ドリル・ストリング１２を通って流れるときの第１の流体１４がハンマ２２へと流れてこれに動力を提供できるように、配置構成される。モータ２４はハンマ２２とドリル・ストリング１２との間に配設されているので、第１の流体１４は、モータ２４を通って流れることもできる。この目的のために、モータ２４は、第１の流体がドリル・ストリング１２からハンマ２２へと流れることを可能にするための、チャネル２５を有する。チャネル２５は、第１の流体１４のための流路または導管の一部として働く。
【００２０】
ハンマ２２は全体として従来の構造のものであり、特に、ハンマ・ビット２６、ピストン２８、および中心管３０を含む。ハンマ２２は、第１の流体１４が中を通って流れるポート配置構成（図示せず）も含む。ポート配置構成は、ピストン２８上およびポート・スリーブ（図示せず）の内周表面上に形成される、複数の面を備える。ピストン２８は、ポート配置構成を通過する流体１４の作用によって、中心管３０に沿って往復運動させられる。このことは、ビット２６上に衝撃力を与える。流体１４は次いで、ビット２６の外側とハンマ２２の外側ケーシング３２との間で全体に排液される。
【００２１】
モータ２４は、第２の流体１６の流れによって駆動される。第２の流体１６は、モータ２４を通過するときに、モータ２４内のロータ（図示せず）を、対応するステータ（図示せず）に対して回転させる。ロータはハンマ２２に連結される。したがって、流体１６がモータ２４を通過するとき、関連するハンマ・ビット２６を含むハンマ２２が回転する。
【００２２】
本実施形態では、第２の流体１６は、中心管３０を通って、および次にハンマ・ビット２６内の内部通路を通って流される。この通路は、ビット面３４上へと開いている。流体１６はその結果、ビット面３４を横断して流れ、および次にシステム１０により掘削中の孔／ウェル１１を上に戻るように流れることができる。流体１４および１６は、これらが孔／ウェル１１を上に戻るように移動する際に混合する。
【００２３】
図２は、開示されるシステム１０ａの第２の実施形態を例示している。上記のシステム１０の特徴を記載するために図１において使用されている同じ参照符号を、システム１０ａの同じ特徴を示すために図２において使用する。システム１０ａはシステム１０と実質的に同じであるが、第１の流体１４は、本実施形態では内側チャネル２０を通って流れ、一方、第２の流体１６は、環状のチャネル１８を通過する。この結果として、システム１０ａは、ドリル・ストリング１２とモータ２４との間に、クロスオーバサブ３５も含む。クロスオーバサブ３５は、ドリル・ストリング１２からモータ２４へと第１の流体１４および第２の流体１６の流路を交差させ、この結果、第２の流体１６は引続きモータ２４のチャネル２５を通って、および次にハンマ２２の内側の管３０を通って流れ、また第１の流体１４は、ハンマ２２のポート配置構成へと導かれる。
【００２４】
図３は、１０ｂとして指定される開示されたシステムのさらなる実施形態を例示している。上記のシステム１０の特徴を記載するために図１において使用されている同じ参照符号を、システム１０ｂの同じ特徴を示すために図３において使用する。システム１０ｂは、第２の流体１６用の出口または流出箇所によってのみ、システム１０と異なっている。システム１０ｂでは、第２の流体１６は、ハンマ２２の近くの但しアップホール側で、システム１０から出る。このことは、モータ２４内に、第２の流体１６がハンマ２２のアップホール側でモータ２４から出て掘削中の孔の中へと流れることを可能にする、ポート３６を提供することによって達成される。本実施形態では、第１の流体１４はモータ２４を通ってハンマ２２へと流れ続けて、ピストン２８の往復運動を引き起こし、この結果、ハンマ・ビット２６に衝撃力を与える。流体１４は、外側ハウジング３２とビット２６との間からシステム１０ｂを出る。この場合も、流体１４および１６の両方が孔１１内で混合し、上向きに流れてドリル掘削屑を地表へと運ぶことになる。
【００２５】
図４は、システム１０ｃとして指定されるさらなる実施形態を描写している。システム１０ｃはシステム１０ｂの変更例である。変更点は、ポート３６の軽微な構成変更および外部シュラウド３８の追加にある。シュラウド３８は、ハンマ２２の外側ハウジング３２を覆って延在する。シュラウド３８および外側ハウジング３２は、これらに間に環状の流路４０を形成するように構成される。ポート３６は、流路４０を通って流れるように流体１６を導くよう配置構成される。第２の流体１６は次いで、ハンマ・ビット２６のヘッドに隣接して但しビット面３４の上流から、システム１０ｃを出る。第１の流体１４も、外側ハウジング３２の下端部とハンマ・ビット２６との間から、システム１０ｃを出る。したがってこの事例では、流体１４および１６のどちらも、ドリル・システム１０ｃの実質的に同じ場所から外に出て、上向きに流れてドリル掘削屑を地表へと運ぶ。
【００２６】
図３および図４にそれぞれ示すシステム１０ｂおよび１０ｃの各々は、流体１６にモータ２４を動作させるのではなく、モータ２４を本質的に迂回させこの結果流体１６が掘削中の孔の中に直接ポンプ送給されるようにする様式に、さらに修正され得る。システム１０ｂおよび１０ｃをこの様式で動作するよう修正するために、どちらもさらなる流出ポート４２を必要とする。ポート４２はポート３６の上流にある。
【００２７】
これらの修正された実施形態では、ポート３６および４２の各々には、それぞれ弁３７および４３も設けられる。弁３７および４３は、選択的および独立的に開閉され得る。
【００２８】
上流ポート４２内の弁４３を閉じ、下流ポート３６内の弁３７を開くことによって、システム１０ｂおよび１０ｃは、前述したように動作する。しかしながら、ポート３６内の弁３７が閉じられ、ポート４２内の弁４３が開かれている場合には、流体１６はモータ２４を実質的に迂回させられ、掘削中の孔の中へと直接流れる。結果的に、モータ２４はハンマ２２に、あるとしても非常に僅かな回転トルクしか提供しないことになる。その場合、ハンマ２２および対応するハンマ・ビット２６の回転は、ドリル・ストリング１２に連結されたアップホール回転ヘッドまたは回転台によって提供されてよい。どちらの事例でも、流体１６は、孔／ウェル１１内へとポンプ送給されることになる。
【００２９】
図５は、ここでは１０ｄとして指定される開示されるシステムのさらなる実施形態を示している。上記のシステム１０の特徴を記載するために図１において使用されている同じ参照符号を、システム１０ｄの同じ特徴を示すために図５において使用する。システム１０ｄは、操向機構５０を含んでいることによって、先のシステム１０〜１０ｃと異なっている。操向機構５０は本実施形態では、ハンマ２２とモータ２４との間に配設されているものとして例示されている。但し代替の実施形態では、操向機構５０は、ドリル・ストリング１２の端部とモータ２４との間に位置付けられてよい。但し、操向機構を、可能な限りビット面３４の近くに有するのが一般に好ましい。その最も単純な形態では、操向機構は、モータ２４内の屈曲したハウジングとして、または屈曲したサブもしくは偏心スタビライザを使用することによって、組み込まれてよい。したがって、操向機構５０はモータ２４とは別個のものとして示されているが、これはモータ２４の一部として組み込まれてもよい。
【００３０】
操向機構５０を提供することは、掘削システム１０ｄが指向性の掘削のために使用されることを可能にする。その場合、（たとえば屈曲部の前後の）孔の直線部分を掘削するとき、ハンマ２２／ハンマ・ビット２６は、ドリル・ストリング１２を回転させることによって回転される。一実施形態では、掘削の方向を変えることが要求されるとき、第２の流体１６がストリング１２を通してモータ２４へと送達される。このことは、操向機構を作動させて、ハンマ２２および関連するビット２６の掘削の線を、ドリル・ストリング１２の線と比較して偏向させることになる。適切な屈曲部が掘削されると、第２の流体１６の送達は止まることができ、たとえばドリル・ヘッドまたは回転台を使用してストリング１２を回転させることによって、回転が再び提供される。但し、掘削中の孔／ウェル１１の方向制御を提供するために、第２の流体１６の流れを止める必要なく作動される、他の知られている屈曲したサブまたは操向可能なサブ／接合部が使用されてよい。実際にはこれは、所望のダウン・ホール圧力、および連続的な洗い流し、および孔／ウェル１１の安定性を維持するために、ほとんどの環境において好ましい。
【００３１】
操向機構５０は、上記したシステム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃの各々の中に導入されてよい。特に弁制御ポート３６および４２を有するシステム１０ｂまたは１０ｃの修正された形態と併せて使用されるとき、孔／ウェル１１内に屈曲部または曲がりを形成中であるかどうかに関係なく、孔／ウェル１１内への第２の流体１６の流れを維持することが可能である。操向機構は、全ての実施形態において、モータ２４の一部としてとして組み込まれてよい。
【００３２】
上記した実施形態の各々において、第１の流体１４は、気体または液体（すなわち圧縮可能なまたは圧縮不可能な流体）とすることができる。第１の流体１６は、孔の深さおよび圧力差が、空気がハンマ２２を動作させるのに十分な圧力および流量／体積で送達され得るようなものである場合、空気などの気体とすることができる。別法として、第１の流体１４は液体（すなわち圧縮不可能な流体）、たとえば限定するものではないが水とすることができる。このことは、ハンマ２２を動作させるための圧力差を提供するために深い孔を掘削するときに、有益である場合がある。ハンマ２２を動作させるかまたはこれに動力を提供する際の第１の流体１４に関連する「水」という用語は、きれいな水、または許容可能な程度に小さい割合の小さい粒子状物質を有する比較的きれいな水を指すものであることを意図する。たとえば水は、５μの純度を有し得る。これは、本質的においてかなりの割合の比較的大きい粒子状物質と混合された水である、汚れた水または泥と区別されるべきである。ダウン・ホール・ハンマに泥を用いることが実際には知られている。しかしながら、そのようなハンマは、泥がハンマの内部機構、特にポート表面に対して擦過効果を有するので、耐用年数が短い。このことは、性能の急速な低下およびハンマ２２を定期的に交換する必要性につながる。
【００３３】
第１の流体１４とは別個に流れる第２の流体１６は、モータ２４を駆動するための動力を提供することに加えて、ダウンホール状態を制御するための特性を有し、ビット面３４に潤滑をもたらし、孔／ウェル１１から掘削屑を洗い流すように選ばれ得る。流体１６は、限定するものではないが、気体、水、汚れた水、掘削泥、掘削添加剤、潤滑剤、およびこれらのうちの２つ以上の組み合わせを有し得る。
【００３４】
第１の流体１４は、ダウンホール圧力状態の制御の観点からは決定的に重要なものではないが、その濃度および粘度は、流体１４および１６の混合物が所望のダウンホール圧力状態を提供するように第２の流体１６を選択するときに、考慮され得る。たとえば、第１の流体１４を考慮に入れるがこれを変えることは何ら必要とせずに、所望のダウンホール状態を提供するように第２の流体１６の特性を選択または修正することができる。
【００３５】
危険な状態が検出される場合、第２の流体１６をウェルを埋めるのに十分な体積および流量で提供することが可能である。これは、従来のダウン・ホール流体ハンマの場合よりもかなり大きい体積の液体を提供する、第２の流体１６が送達される手法により実現される。
【００３６】
上記のシステム１０〜１０ｄは、流体作動ハンマ２２を隣接するトルクを提供する流体作動モータとともに使用して、地盤に孔またはウェルを掘削する方法を可能にする。ハンマ２２およびモータ２４を駆動するために、個別の流体１４および１６が使用される。流体は、一般的なダウン・ホール状態に合わせて、ならびに／またはハンマおよび／もしくはモータ２４が最適に動作するように、適合されてよい。流体１４および１６は、二重循環流体入口スイベルを使用して、ドリル・ストリング１２のアップ・ホール端部内へとポンプ送給されてよい。システムおよび関連する掘削方法の上記した実施形態は、特に、但し排他的にではないが、石油およびガス、もしくは硬い地盤構成における地熱井の掘削、または、たとえば５０００ｍ超の深さなどの非常に深い孔の掘削に適している。特に、開示されたシステムおよび方法の実施形態は、硬い物質の掘削に非常に良好に適しているダウン・ザ・ホール・ハンマの形態のダウン・ザ・ホール掘削工具の使用を可能にするが、掘削工具の寿命とダウン・ホール圧力を制御し孔の安定性を維持する能力との間のトレードオフに起因して、石油／ガスのための掘削時には好ましくない。たとえば、標準的なダウン・ホール・ハンマを用いるときに限界加圧で掘削するために、比較的高い比重の流体を用いてハンマを動作させることが要求される場合がある。これは、ハンマを駆動するために泥またはスラリを使用することを含む。しかしながら、泥またはスラリはまさにその本質により、ハンマを擦過し摩耗させる粒子を包含するものである。結果として、摩耗したハンマを交換するために、ドリル・ストリングをより頻繁に移動させることが必要となる。孔が数キロメートルの深さであるとき、ドリル・ストリングの移動は、最大２４時間かかる、またはこれを超える場合がある。しかしながら、より低い比重のハンマ駆動流体が使用される場合、特定の圧力状態を提供する能力が失われる場合がある。システムおよび方法の実施形態は、作動および洗浄流体のパラメータおよび特性の個別の提供および制御を可能にし、このことにより、ダウン・ホール工具の最大の効率および寿命を可能にすると同時に、ダウン・ホール圧力および孔の安定性に対する制御も提供する。
【００３７】
本明細書で開示されているシステムおよび方法の実施形態は、ドリル・ストリング１２の底部までおよび多くの実施形態ではウェル／孔１１までずっと、２つの個別の流体の流れを使用する。最終的に、流体１４および１６は、ビット面３４すなわちウェル１１の底部において、またはその非常に近くで、混合することになる。このことは、最大限の効果および安全性でのウェルの制御を、ならびに、ビット面でのまたはその非常に近くでの両方の流体の混合を、可能にする。
【００３８】
第１の流体１４と第２の流体１６との間の比率は、１０／９０から３０／７０の間であってよい。すなわち、１０％の第１の流体１６および９０％の第２の流体１８である。これは、たとえば、５．５インチのドリル・パイプを使用する８．５インチのウェルの掘削中、開示されたハンマ２２の実施形態が、第１の流体１６として合計ウェル体積の１０％から３０％を使用することになることを意味する。
【００３９】
流体の体積および圧力の観点から見ると、たとえば例として、掘削を行い掘削屑を上昇させるのに必要とされる流体の合計体積は、５，０００ｐｓｉの圧力でポンプ送給される毎分１，０００リットルである。ハンマ２２は、この合計体積の１００から３００リットルを毎分使用することになる。第２の流体は、約４，０００ｐｓｉでポンプ送給されることになり、流量は毎分９００から７００リットルになることになる。
【００４０】
したがって、開示されたシステムおよび方法の実施形態は、たとえば一般的な動作のウォータ・ハンマと比較して、非常に効率的である。同等のダウンホール環境および深さでは、一般的な動作のウォータ・ハンマであれば通常、毎分１，０００リットル超、および最大で毎分２，０００リットルを使用するであろう。これは、開示されたシステムおよび方法の実施形態の毎分１００〜３００リットルよりも、かなり大きい。
【００４１】
開示されたシステムおよび方法では、モータおよびハンマへの個別の流体の流れの提供が、掘削工程の「調整」を可能にし、この場合、ハンマ・ビットの回転速度／トルクおよび衝撃エネルギーが、個別に制御され得る。ハンマ・ビット２６の回転速度／トルクは、モータ２４を駆動する第２の流体１６の流れおよび他の特性を制御することによって、制御され得る。ハンマ・ビット２６の衝撃エネルギーは、第１の流体１４の流れおよび他の特性を制御することによって、制御され得る。したがってたとえば、低いビット回転速度および高いビット衝撃エネルギー衝突速度、または高いビット回転速度および低いビット衝撃エネルギー、または実際上より一般的には任意の組み合わせのビット回転速度およびビット衝撃エネルギーで、掘削することが可能である。
【００４２】
モータ２４は、ベーンまたはタービン型のモータの形態であってよい。そのようなモータは、ハンマ２２に連結されてハンマ２２を回転させる、中心駆動シャフトを有する。中心駆動シャフトには、チャネル２５を形成する空洞が設けられている。別法として、駆動シャフトには、チャネル２５を形成する空洞、および内側回転分離スリーブが設けられてもよい。
【００４３】
システムおよび方法の実施形態は、地上のまたは海上のリグに対して使用されてよい。以下の特許請求の範囲においておよび前述する本発明の説明において、明示的な文言または必然的な示唆により、そうでないことが文脈から必然である場合を除いて、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という単語または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という変形は、包括的な意味において、すなわち、述べられた特徴の存在を明示するが、開示されたシステムおよび方法の様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在または追加を除外しないように、使用されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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