(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の計算モデルの演算パラメータをコンピュータ制御で決定する方法であって、
前記ボアホール装置は、回転駆動システムと、ドリルビットと前記回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、前記駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備え、
本方法は、
−前記ドリルストリングを駆動中に、前記駆動システムによって提供されるトルクをある期間に亘って変動させるように前記駆動システムを制御するステップと、
−前記期間中に前記ドリルストリングの回転頂端駆動速度を獲得するステップと、
−前記変動するトルクと前記獲得した回転頂端駆動速度とから、推定トルク−速度伝達関数を計算するステップと、
−前記推定トルク−速度伝達関数と、前記ボアホール装置の前記計算モデルから計算されたトルク−速度伝達関数と、をマッチングさせるステップと、
−マッチングされた前記推定トルク−速度伝達関数と前記計算されたトルク−速度伝達関数とから前記演算パラメータを決定するステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記速度制御装置は、トルク制御信号を前記駆動システムに提供し、前記駆動システムによって提供される前記トルクは、時間変動信号周波数を有するトルク制御信号を適用することによって変動させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記速度制御装置は、設定トルク制御信号を前記駆動システムに提供し、前記駆動システムによって提供される前記トルクは、前記設定トルク制御信号に時間変動信号周波数を有するトルク制御信号を重畳することによって変動させられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記トルク制御信号は、設定期間に亘って指数関数的に変動する信号周波数を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記トルク制御信号は、それぞれの信号が、設定期間に亘って変動する信号周波数の異なるものを有する複数の信号の前記設定期間に亘る重畳であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記マッチングは、前記推定トルク−速度伝達関数と等価なトルク−速度伝達関数との振幅と位相のマッチングを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記演算パラメータは、前記適用した変動するトルクと前記獲得された頂端駆動速度が所定のコヒーレンス度に達する場合に決定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記変動するトルクと頂端駆動速度が所定のコヒーレンス度に達しない場合、前記制御するステップ、前記獲得するステップ、前記計算するステップおよび前記マッチングさせるステップを繰り返して、この繰り返しから前記演算パラメータを決定することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記駆動システムによって与えられた前記トルクは、前記期間に亘って変動させられて、前記ドリルストリングの前記回転頂端駆動速度の限定された変動を提供することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記ボアホール装置は、前記ボトムホールアセンブリがオフボトムの状態で作動することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記計算モデルは、前記ボアホールが掘削される実際の地中構造を表したものを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記ドリルストリングが遭遇する減衰は、マッチングされた前記推定トルク−速度伝達関数と前記計算されたトルク−速度伝達関数とから決定されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記演算パラメータの前記決定は、前記ドリルストリングの一部が変更された後に繰り返されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記演算パラメータの前記決定は、周期的に繰り返されることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記計算モデルは、状態空間モデル、等価電気回路モデル、等価な機械的なねじり−ばね慣性モデル、セグメント化モデル、連続時間モデル、離散時間モデル、周波数領域モデル、および機械的および電気的伝送線路モデルを含む波動伝播モデルのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記ボアホール装置から離れたコンピュータシステム内で実行されることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
調整パラメータは、決定された演算パラメータから前記速度制御装置に提供されることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の計算モデルの演算パラメータをコンピュータ制御で決定する装置であって、
前記ボアホール装置は、回転駆動システムと、ドリルビットと前記回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、前記駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備え、
本装置は、
−前記ドリルストリングを駆動中に、前記駆動システムによって提供されるトルクがある期間に亘って変動させるように前記駆動システムを制御し、
−前記期間中に前記ドリルストリングの回転頂端駆動速度を獲得し、
−前記変動するトルクと前記獲得した回転頂端駆動速度とから、推定トルク−速度伝達関数を計算し、
−前記推定トルク−速度伝達関数と、前記ボアホール装置の前記計算モデルから計算されたトルク−速度伝達関数と、をマッチングさせ、
−前記マッチングされた推定トルク−速度伝達関数と前記計算されたトルク−速度伝達関数とから前記演算パラメータを決定する、ように構成されたコンピュータ制御の演算パラメータ制御システムを備えることを特徴とする装置。
【請求項１９】
前記演算パラメータ制御システムは、請求項２から１６のいずれかに記載の方法に従って前記演算パラメータを決定するように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記演算パラメータ制御システムは、前記速度制御装置に作動可能に接続されて、決定された演算パラメータから調整パラメータを前記速度制御装置に提供するように構成されていることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記演算パラメータ制御システムは、前記駆動システムによって提供されるトルクをある期間に亘って変動させる時間変動周波数信号を生成するように構成された信号発生部を備えることを特徴とする請求項１８から２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の回転駆動システムの回転駆動速度を制御する電子制御装置であって、
前記ボアホール装置は、ドリルビットと回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、前記駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備え、
本電子制御装置は、
時間変動周波数トルク制御信号を提供するデータを受け取るデータ入力と、
請求項１〜１６のいずれかに記載の方法に従って決定された演算パラメータから得られた調整パラメータを受け取るデータ入出力と、を備えることを特徴とする電子制御装置。
【請求項２３】
前記時間変動周波数トルク制御信号を提供する信号発生部を備えることを特徴とする請求項２２に記載の電子制御装置。
【請求項２４】
地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置であって、
回転駆動システムと、
ドリルビットと前記回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、
前記駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、
前記速度制御装置に調整パラメータを提供するために前記速度制御装置に作動可能に接続されて、請求項１８から２１のいずれかに従って演算パラメータをコンピュータ制御で決定する装置と、を備えることを特徴とするボアホール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置に関する。本発明は、より具体的には、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の代表的な計算モデルの演算パラメータ、とりわけ、こうしたボアホール装置の速度制御装置で使用される調整パラメータの決定方法と装置、および、この方法、装置または速度制御装置を備えこれらに従って作動するボアホール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
用語「ボアホール」は一般に、下端にドリルビットを備えるドリルストリングを用いた、地中での垂直、水平およびまたはその他の方向の掘削作業の結果を指す。ドリルストリングは、その上端すなわち頂端において、トップドライブまたはロータリテーブルと呼ばれる地表面の駆動システムによって駆動される。トップドライブまたはロータリテーブルは、電動モータまたは他の任意のタイプの駆動モータで駆動されて、ボアホール内のドリルビットに回転運動を与える。
【０００３】
典型的には、ドリルストリングは、互いにネジで接続された複数の管またはパイプから成る構造体である。典型的なドリルストリングの長さは、数百ｍまたは数千ｍであり得る。
【０００４】
ドリルストリングの下方部はボトムホールアセンブリ（ＢＨＡ）と呼ばれ、ドリルビットとも呼ばれるボアホールを掘削する切削工具が接続されている。
【０００５】
ドリルストリングは中空のため、潤滑の目的で掘削流体をボトムホールアセンブリに向けて、およびノズルを通してビット内に送り込める。掘削流体は、アニュラスすなわちドリルストリングの外周とボアホール壁間の空間を後方上部に循環して、切削物をドリルビットから地表面に運ぶ。
【０００６】
ボアホールは、水や他の液体（油など）あるいはガス（天然ガスなど）の採取、地質工学的調査、環境サイトアセスメント、鉱物調査または測温などの一部としてあるいは、例えばピア設置や地下ユーティリティ用のパイロット穴として、などの多くの異なる目的で掘削され得る。
【０００７】
ボトムホールアセンブリは、その長さが比較的短く厚肉のため、ねじり方向において剛である。ボトムホールアセンブリは、使用時には、圧縮力により横たわみを生じる。ドリルストリングは、その長さが長く肉厚が比較的薄いために、細長く柔軟な構造体である。掘削中、ボアホール装置および特にドリルストリングには多くの振動が発生する。回転ドリルストリングとボトムホールアセンブリには、ねじり振動、軸振動および縦振動または横振動が生じ得る。
【０００８】
一般に、軸振動によってビットバウンスが生じ得、ビットカッターやベアリングが破損し得る。横振動は非常に破壊的であり得、ボトムホールアセンブリがボアホール壁に激突時に、大きな衝撃が生じ得る。横振動によってシステムは後方旋回に駆動されて、高周波で大振幅の曲げモーメント変動が生じ、部品疲労や接合部疲労が高率で生じ得る。組立体のアンバランスによって、ドリルストリングが遠心力により曲がって前方旋回を生じて、部品の偏摩耗が生じ得る。ねじり振動は、特に、ドリルストリングのボアホールに沿ったスティックスリップ運動または振動を生じる。
【０００９】
スティックスリップは、地中構造表面またはボアホールの内壁面に接触するドリルビットおよびまたはドリルストリングの表面間の摩擦力によって生じる現象である。一方の側のドリルビットおよびまたはドリルストリングの表面と、他方の側の地中構造とボアホールの表面は、摩擦力の対応する変化に応じて、互いに張り付くかあるいは互い上を摺動し得る。
【００１０】
実際には、この摩擦力は非線形挙動を示し、極端な場合には、摩擦が非常に大きくなって、ドリルビット、すなわちボトムホールアセンブリが一時的に、スティックモードと呼ばれる完全な停止状態になる。スティックモードの間、駆動システムの継続する回転駆動速度あるいは動きによって、ドリルストリングが巻かれる。ドリルストリングに形成されるトルクが静止摩擦を乗り越える大きさになると、ボトムホールアセンブリは再び、スリップモードと呼ばれる回転状態に入る。しかしながら、これによって、ドリルビットの動きの角加速度が突然飛躍的にあるいは段階的に上昇する可能性があり、とりわけ、ドリルストリングとボトムホールアセンブリが遭遇する動摩擦が静止摩擦より小さい点において、その部分に過度の摩耗が生じ得る。スティックモードとスリップモードは、規則的・周期的に互いにかなり頻繁に繰り返し得る。
【００１１】
スティックスリップが生じると、掘削プロセスの有効性に影響が出て、計画された掘削作業に数日間もの遅延が生じる可能性があり、ペナルティフィーなどのリスクが伴う。
【００１２】
特に、ドリルストリングにおけるねじり振動と共振による衝撃およびスティックスリップ動作と振動の発生と衝撃を緩和するために、ボアホール装置の駆動システムの回転駆動速度を速度制御装置で制御し、そのパラメータは、ボアホール装置の関連する演算パラメータに設定して合わせる。「緩和する」とは、制御する、軽減する、低減する、和らげる、穏やかにする、取り除くなどの、最高でねじり振動とスティックスリップ振動を回避することを含む意味を含むように解釈されるものとする。
【００１３】
ボアホール装置の演算パラメータは、特に、頂端駆動または表面駆動の機械的特性とストリング形状とに依存する。実際には、ばね形状パラメータは、例えば、ドリルストリング管またはパイプの内径、外形および長さやドリルビットが置かれているボトムホールアセンブリのドリルカラーを、掘削者がスプレッドシートなどから速度制御装置の入出力インターフェースのキーパッドを通して入力することによって提供されなければならない。ボアホール装置自体の機械的特性を入力する代わりに、スプレッドシートや表などから、使用される特定のドリルストリング形状に基づいて既に計算された速度制御装置のパラメータ値を入力してもよいことは理解されるであろう。
【００１４】
掘削の進行に伴って、ストリング形状すなわち管の長さと機械的特性は、ドリルストリングの延長によって変化し、およびまたはボトムホールアセンブリ内で変化する。理解されるように、例えば、２〜３個のドリルパイプ単一継手を備えるスタンドでドリルストリングを延長する度に、ボアホール装置の動力学は変化する。このために実際には、例えば掘削距離がおよそ１００〜２００ｍ毎に、速度制御装置のパラメータの再調整が必要になる。
【００１５】
掘削が進行している間、ボアホール装置の演算パラメータまたは同等値を都度決定し速度制御装置に手動で入力することは、掘削者にとっては面倒であり、またエラーが起こる可能性があり、そのために、ボアホール装置の貫入速度（ＲＯＰ）（単位：ｍ／ｈ）が低くなり得る。
【００１６】
上述のように、ボアホール装置のドリルストリングにおけるねじり振動と共振には、摩擦が関連している。従って、ボアホール装置の内部機械的特性に加えて、地中構造の種類、垂直か水平かまたは斜めかなどの掘削されるボアホールの種類、使用する泥水の種類などの外的側面はすべて、ボアホール装置の実際の運転と、掘削の間に生じ得るねじり振動、ドリルストリング共振周波数およびスティックスリップ動作の発生とその強さと、に影響を及ぼす。
【００１７】
実際には、特にボアホール装置による掘削作業を技術的および経済的観点の両方から最適に制御するために、特に、地中構造中にボアホールを掘削する間、代表的な計算モデルによってボアホール装置を自動的にモデル化することが求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明のある目的は、特に、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の速度制御装置に使用される調整パラメータを提供するために、該ボアホール装置の計算モデルの演算パラメータを自動的に決定する方法を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、特に、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の速度制御装置に使用される調整パラメータを提供するために、該ボアホール装置の演算パラメータを自動的に決定する装置を提供することである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の回転駆動システムの回転速度を制御する電子制御装置であって、本発明に従って提供される演算パラメータまたは調整パラメータで自動的に作動するように構成された電子制御装置を提供することである。
【００２１】
また、本発明のある目的は、地中構造中にボアホールを掘削ずるボアホール装置であって、こうした方法に従って作動し、およびまたはこうした装置が装備されて、ボアホール装置またはこうした電子制御装置の演算パラメータを自動的に決定するボアホール装置を提供することでもある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
第１の態様では、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置の計算モデルの演算パラメータをコンピュータ制御で決定する方法が提供される。ボアホール装置は、回転駆動システムと、ドリルビットと回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備える。該方法は、
−ドリルストリングを駆動中に、駆動システムによって提供されるトルクをある期間に亘って変動させるように駆動システムを制御するステップと、
−前記期間中にドリルストリングの回転頂端駆動速度を獲得するステップと、
−前記変動するトルクと前記獲得した回転頂端駆動速度とから、推定トルク−速度伝達関数を計算するステップと、
−前記推定トルク−速度伝達関数とボアホール装置の計算モデルから計算されたトルク−速度伝達関数とをマッチングさせるステップと、
−マッチングされた前記推定トルク−速度伝達関数と前記計算されたトルク−速度伝達関数とから、演算パラメータを決定するステップと、を備える。
【００２３】
該方法は、ボアホール装置の計算モデルのうちの、特に、頂端駆動または表面駆動、ストリング形状およびボトムホールアセンブリの機械的特性に依存する演算パラメータは、プラントとも呼ばれる駆動システムの計算された伝達関数、すなわち、トップドライブ、ドリルストリングおよびボトムホールアセンブリで構成されるボアホール装置の動力学の計算モデルに従って計算された伝達関数と、駆動システムに適用される変動するトルク制御信号と、この変動するトルク制御信号に応じて得られるドリルストリングの回転頂端駆動速度と、から推定される伝達関数と、をマッチングさせることによって近似できるという洞察に基づいている。
【００２４】
本発明の方法によって、掘削が開始されている間に、ボアホール装置の、特にドリルストリングとボトムホールアセンブリの関連する代表的な動的モデルを完全に明らかにできる。これによって、実際の掘削作業の間に、こうした動的な計算モデルからボアホール底部におけるドリルビットの実動作を計算しシミュレートすることが可能になるために、掘削オペレータにとって非常に強力な分析ツールが提供される。ドリルビットの実動作における頂端の駆動速度変化の影響は、例えば、掘削効率を常にあるいは連続的に最大化する目的で確実に計算されて、分析のために掘削オペレータに提供できる。
【００２５】
該方法は自動的におよび自立的に行なうことができ、こうして決定された演算パラメータは、例えば、オペレータや他の熟練者の介在なしに速度制御装置を設定する調整パラメータとして提供でき、これによって、調整パラメータの手動での決定や入力による誤りが回避される。
【００２６】
該方法は掘削が開始されている間に実行できるので、速度制御装置は、特に、ボトムホールアセンブリ起源の力学的エネルギーを減衰させることによって、ドリルストリングにおけるねじり振動と共振による衝撃と、スティックスリップ動作と振動の発生および衝撃と、を緩和する目的で、自動的に、本質的には瞬間的に、ボアホール装置の関連する演算パラメータに適合および調整できる。
【００２７】
該方法のある実施例では、駆動システムによって提供されるトルクは、時間変動信号周波数を有するトルク制御信号を適用することにより変動させられる。すなわち、信号の周波数は時間と共に変動する、すなわち時間と共に増加または減少する。この種の信号も掃引信号と呼ばれる。
【００２８】
速度制御装置によって設定トルク制御信号が駆動システムに提供されるある実施例では、駆動システムによって提供されるトルクは、設定トルク制御信号に、時間変動信号周波数を有するトルク制御信号を追加または重畳することによって変動させられる。しかしながら、変動するトルク制御信号を駆動システムに直接に適用してもよい。
【００２９】
本発明の目的のために、例えば、該信号のスペクトル成分が、システムの固有振動数を含む対象の周波数範囲をカバーしていれば、時間変動周波数信号の種類は任意に選択されてもよい。実際には、周波数範囲が０〜３Ｈｚであれば、十分演算パラメータを獲得できる。いわゆるホワイトまたはピンクノイズ信号を用いてもよい。例えば１０分間などの設定期間に亘って指数関数的に変動する信号周波数は、正確なパラメータ値を提供することが証明されている。しかしながら、本発明の目的のために、例えば、最小周波数値と最大周波数値間をリニアに変動する周波数あるいはランダムに変動する周波数などの各タイプの掃引信号を適用してもよい。
【００３０】
例えば最高６０分間のように、掃引間隔を延ばすことによって、決定される演算パラメータ値は、掘削作業中に生じるノイズの影響をより受けないであろう。しかしながら、実際には掘削条件が比較的速く変化し得るので、掃引継続時間６０分は、調整パラメータの決定には長すぎる可能性がある。
【００３１】
例えば、比較的遅い周波数変動信号と比較的早い周波数変動信号を含むように、マルチトーン掃引信号、すなわち、複数の信号の重畳として構成されるトルク制御信号を設定期間に亘って適用することによって、例えば１０分などの制限された測定期間内で正確な結果が得られることが分かった。
【００３２】
本発明のある例では、伝達関数のマッチングには、ボアホール装置の動力学の計算モデルによる駆動システムの推定伝達関数と、計算された伝達関数あるいはスペクトル領域における等価なトルク−速度伝達関数と、のマッチングが含まれる。すなわち、ボアホール装置の動的部分の選択された計算モデルの関連するパラメータは、それぞれの伝達関数の振幅と位相曲線がマッチングするように、すなわち可能な限り最大に互いをカバーするように適合される。当業者には理解されるように、マッチングは、例えばＭＡＴＬＡＢ（登録商標）などの市販の計算およびシミュレーションツールでプログラムされた適切なソフトウェアルーチンで実施できる。
【００３３】
ドリルストリングが遭遇する機械的減衰、すなわち、掘削泥水と、ドリルストリングとボアホール壁の係合と、の結果としての減衰は、マッチングされた推定トルク−速度伝達関数と計算されたトルク−速度伝達関数から効果的に決定できる。
【００３４】
ドリルストリングの頂端駆動速度は、例えば速度センサーを用いて駆動システムのモータ軸の回転速度を測定することによって直接に得ることができ、あるいは、例えば電気系統駆動モータに供給される電圧と電流からセンサーを使用しない間接的な方法で得ることができる。
【００３５】
本発明による方法における制御するステップ、獲得するステップ、計算するステップおよびマッチングさせるステップは、例えば設定間隔で周期的に繰り返すことができる。入出力信号、すなわち、変動するトルクと頂端駆動速度がそれぞれ所定のコヒーレンス度に達すると、演算パラメータ値を決定しなければならない。それは、入出力信号間の因果関係が示され得るかどうかである。これによって、掘削中に生じ得る異常によってもたらされる、測定結果における作為とノイズによるエラーが低減される。
【００３６】
コヒーレンス度は、推定伝達関数と等価伝達関数とが得られる周波数値で決定されてもよい。
【００３７】
本発明による方法によって実際の掘削作業の擾乱を回避するために、駆動システムによって与えられるトルクを期間に亘って変動させて、例えば、ドリルストリングの設定回転頂端駆動速度の１０〜１５％未満の変動などの、ドリルストリングの頂端駆動速度の限定された変動を提供する。
【００３８】
オフボトム動作の間の、低減された減衰でもたらされるドリルストリングの線質係数は、オンボトム動作の間のそれより約１０以上高いので、ボアホール装置がボトムホールアセンブリのオフボトム状態で作動している間に、本発明の制御するステップ、獲得するステップ、計算するステップおよびマッチングさせるステップを適用すれば、非常に正確な結果が得られる。これは、例えば、ドリルストリングの長さをスタンドで延長した直後に実施できる。
【００３９】
速度制御装置の調整パラメータは、少なくとも、ドリルストリングの一部が変更される都度決定されるが、掘削が開始されている間に自動的および周期的に決定されてもよい。
【００４０】
計算モデルは、状態空間モデル、等価電気回路モデル、等価な機械的ねじりばね−慣性モデル、セグメント化モデル、連続時間モデル、離散時間モデル、周波数領域モデルおよび波動伝播モデルのうちの少なくとも１つである。計算モデルには、ボアホールが掘削される実際の地中構造を表すものが含まれていてもよい。
【００４１】
本発明による方法は、掘削場所にあるコンピュータまたは処理装置で実施されてもよく、およびまたは、ボアホール装置から遠く離れたコンピュータシステム内で実施されてもよい。
【００４２】
第２の態様では、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置であって、回転駆動システムと、ドリルビットと回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備えるボアホール装置の計算モデルの演算パラメータをコンピュータ制御で決定する装置であって、
−ドリルストリングを駆動中に、駆動システムによって提供されるトルクをある期間に亘って変動させるように駆動システムを制御し、
−前記期間中にドリルストリングの回転頂端駆動速度を獲得し、
−前記変動するトルクと測定された回転頂端駆動速度とから、推定トルク−速度伝達関数を計算し、
−前記推定トルク−速度伝達関数とボアホール装置の計算モデルから計算されたトルク−速度伝達関数とをマッチングさせ、
−マッチングされた前記推定トルク−速度伝達関数と前記計算されたトルク−速度伝達関数とから、演算パラメータを決定する、ように構成されたコンピュータ制御の演算パラメータ制御システムを備える装置が提供される。
【００４３】
さらなる実施形態では、演算パラメータ制御システムは、上記に開示された例のいずれかの方法に従って演算パラメータを決定するように構成されている。
【００４４】
ある実施形態では、演算パラメータ制御システムは、速度制御装置に作動可能に接続され、決定された演算パラメータから調整パラメータを速度制御装置に提供するように構成されている。
【００４５】
別の実施形態では、演算パラメータ制御システムは、駆動システムによって提供されるトルクをある期間に亘って変動させる時間変動周波数信号、すなわち掃引信号を生成するように構成された信号発生部を備える。このタイプの発生器は当業者には既知であり、本発明の目的のために、さらなる説明は不要である。
【００４６】
第３の態様では、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置であって、ドリルビットと回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、を備えるボアホール装置の回転駆動システムの回転駆動速度を制御する電子制御装置であって、時間変動周波数トルク制御信号を提供するデータを受け取るデータ入力と、上記に開示の方法に従って決定された演算パラメータから得られた調整パラメータを受け取るデータ入出力と、を備える電子制御装置が提供される。
【００４７】
電子制御装置のある実施形態では、時間変動周波数トルク制御信号を提供する信号発生部が設けられる。
【００４８】
本発明の第４の態様では、地中構造中にボアホールを掘削するボアホール装置であって、回転駆動システムと、ドリルビットと回転駆動システムに接続された頂端とを備えるボトムホールアセンブリを有するドリルストリングと、駆動システムの回転駆動速度を制御する速度制御装置と、上記に開示したように、速度制御装置に調整パラメータを提供するために速度制御装置に作動可能に接続され、演算パラメータをコンピュータ制御で決定する装置と、を備えるボアホール装置が提供される。
【００４９】
提示された実施例では、選択された計算モデルの伝達関数を計算するため、および該伝達関数をマッチングさせるためにＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を用いた特定のコンピュータソフトウェアが言及されているが、本出願における発明の概要部分で開示した方法、装置、電子制御装置およびボアホール装置は、この種のコンピュータソフトウェアプログラムに限定されるように解釈されるものではない。それとは反対に、本発明は、動的システムの伝達関数を計算しマッチングさせる任意の市販のコンピュータプログラムおよび、例えばＣ、Ｃ＋またはＣ＋＋で書かれた独占所有権のあるソフトウェアプログラムにより適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】地中構造中にボアホールを掘削する従来のボアホール装置の概略図である。
【図２】図１に示したボアホール装置の単純化された力学モデルを示す。
【図３】本発明による駆動システムにより適用されるトルクを変動させる、図２によるボアホール装置のシステムモデルを示す。
【図４】計算目的のためにさらに単純化された図３のシステムモデルを示す。
【図５】ボアホール装置の計算モデルの演算パラメータを自動的に決定し、こうした演算パラメータから本発明に従って得られた調整パラメータで速度制御装置を作動させる、簡略化されたフローチャート図を示す。
【図６】本発明に従って、図１のボアホール装置の動力学のトルク−速度伝達関数を計算する計算モデルを形成する電気的等価回路の概略図である。
【図７ａ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の例を示す。
【図７ｂ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の例を示す。
【図８ａ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の別の例を示す。
【図８ｂ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の別の例を示す。
【図８ｃ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の別の例を示す。
【図８ｄ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の別の例を示す。
【図８ｅ】本発明で使用される時間変動信号周波数を有するトルク制御信号の別の例を示す。
【図９】図８ａ、８ｂおよび８ｃに示す時間変動周波数信号の周波数スペクトルを両対数目盛で示す。
【図１０ａ】それぞれ、図６のボアホール装置の、推定トルク−速度伝達関数および計算モデルまたは等価回路図から計算されたトルク−速度伝達関数の振幅と位相を示す。
【図１０ｂ】それぞれ、図６のボアホール装置の、推定トルク−速度伝達関数および計算モデルまたは等価回路図から計算されたトルク−速度伝達関数の振幅と位相を示す。
【図１１】対象の周波数範囲での適用した変動トルク信号と得られた頂端駆動速度間の、スペクトル領域におけるコヒーレンスを示す。
【図１２】それぞれ、本発明に従って得られた、マッチングされた推定伝達関数および計算された伝達関数の第１モード、第２モードおよび第３モードでの振幅を示す。
【図１３】それぞれ、本発明に従って得られた、マッチングされた推定伝達関数および計算された伝達関数の第１モード、第２モードおよび第３モードでの振幅を示す。
【図１４】それぞれ、本発明に従って得られた、マッチングされた推定伝達関数および計算された伝達関数の第１モード、第２モードおよび第３モードでの振幅を示す。
【図１５】駆動システムの回転速度を制御する電子速度制御装置を有する、本発明に従って作動するように装備されたボアホール装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１は、地中構造中にボアホールを掘削する掘削リグの典型的なボアホール装置１０の概略図である。切削工具すなわちドリルビット１７は、ドリルストリング１２の底端１３でボトムホールアセンブリ（ＢＨＡ）１１に接続している。ドリルストリング１２は、その頂端１４でトップドライブまたはロータリテーブルとも呼ばれる回転駆動システム１５に接続されており、これは次に、掘削リグ（図示せず）のデリックまたはシャーシによってボアホールが掘削される地中構造の表面に固定されている。
【００５２】
ドリルストリング１２は、互いの端部をネジ式に接続された中空の管すなわちドリルパイプの長さを含む。典型的なドリルストリングの長さは、０〜１０ｋｍなどのように数ｋｍであり、ドリルパイプの外径は約１００〜３００ｍｍであり得、肉厚は約１０〜５０ｍｍであり得る。ＢＨＡ１１は、例えば、外径が約２５０〜５００ｍｍであり得、肉厚が約１００ｍｍであり得る重いパイプから成る。ＢＨＡの長さは、典型的には１００〜３００ｍの範囲である。ドリルストリング１２は長さに比して非常に細長い。
【００５３】
図示していないが、実際の掘削作業では、掘削流体は、ドリルビット１７を冷却し潤滑するために、ドリルストリング１２のドリルパイプを通ってドリルビット１７に向けて送り込まれる。掘削作業による切削物は、ドリルストリング１２の外周とボアホール（図示せず）間に形成されたアニュラス内を流れる掘削流体によって表面に戻される。
【００５４】
ボトムホールアセンブリ１１は、数個のセンサーと、トランスミッタ１６と、垂直方向、水平方向、ある角度で偏位した方向あるいは勿論これらの組み合わせなどの地中構造中の一定方向にボアホールを掘削するために、ボトムホールアセンブリ１１を方向付ける指向性ツール（図示せず）と、を備える。
【００５５】
掘削データと情報は、ディスプレイまたは他のデータ出力装置（図示せず）と、ドリルビット１７の回転速度を制御するために、速度制御装置２０に対する調整パラメータを入力することによって、およびまたは、駆動システム１５に対してトルク限度を設定することによって、掘削者が介在する速度制御装置２０を通して駆動システム１５の回転速度を制御し得る入力装置（キーボード、タッチスクリーンなど（図示せず））と、を備えるコンソール１９で表示される。
【００５６】
駆動システム１５は、ドリルストリング１２、ＢＨＡ１１およびそれによってドリルビット１７を回転させる回転駆動システムモータ１８を備える。駆動システムモータ１８とドリルストリング１２の間には、特定のギア減速またはギア減速範囲を有する変速器２２が任意に接続されてもよい。
【００５７】
最近では、駆動システムモータ１８は一般に電動モータであり、例えば、電力変換装置によって動力が供給される８００ｋＷの誘導電動機である。しかしながら、本発明は、同期機、ブラシ付き直流機、ディーゼルエンジン、油圧モータなどでも同様に適用できる。ドリルストリング１２の回転速度は、その頂端１４において回転計または速度センサー２１で測定されてもよく、その測定信号は速度制御装置２０に入力される。しかしながら、電気駆動システムモータの場合、ドリルストリングの頂端駆動速度は、速度制御装置２０によって、例えば、センサーを使用せずに、電気系統駆動モータ１８に供給される電圧と電流から得てもよい。
【００５８】
ドリルストリング１２は使用時には、その頂端１４において、くみ上げ機とも呼ばれる巻上機（図示せず）によって上方へ引っ張られていてもよい。オンボトム時には、ＢＨＡ１１は底端１３上にあるか、ドリルビット１７によって地中構造と接している。これは、ドリルビット１７がボアホールの底部で地中構造と接していないＢＨＡ１１のオフボトム位置とは反対である。ドリルストリング１２の細長いドリルパイプは絶えず引っ張られているが、ＢＨＡ１１の厚肉の下部は部分的には圧縮されている。ドリルパイプは引っ張られていることによって、その部分の座屈が回避される。しかしながら、ドリルパイプ部のねじり剛性は、細長い構造のために比較的小さい。
【００５９】
実際には、数種類の速度制御装置２０が開発・使用されており、その制御操作は、ある種の比例動作Ｐとある種の積分動作Ｉとを提供するように操作可能な周知のＰＩ制御装置にコンパイルできる。電動システムモータ１８の場合、例えば、速度制御装置２０は、駆動モータの電流と回転速度およびそれらの変動などの測定変数のいずれかあるいはすべてからのフィードバックで作動するように構成されていてもよい。これは、例えば、これらの変数のうちのいずれかまたはその両方を制御することによって、駆動システム１５のエネルギー流れを制御するものであり、また、駆動モータ１８によってもたらされるドリルストリング１２の頂端１４での回転速度を測定するためである。
【００６０】
駆動システム１５は、所謂スピニングモードやメークアップモードなどの異なるモードで作動し得るが、本発明は、掘削者が、ドリルビット１７を押して旋回させ、またボアホールを掘削流体または泥水で洗い流すことによって、地中構造または地質構造から材料を有効に研磨あるいは切削することを狙ったドリルモードに係る。
【００６１】
トップドライブ、ドリルストリングおよびボトムホールアセンブリで構成される動的システムは、状態空間モデル、等価電気回路モデル、等価な機械的ねじりばね−慣性モデル、セグメント化モデル、連続時間モデル、離散時間モデル、周波数領域モデル、および機械的または電気的伝送線路モデルなどの波動伝播モデルのうちの１つまたはそれらの組み合わせで表せる。
【００６２】
図２は、本発明を説明する目的で、図１のボアホール装置１０の単純化された力学モデルを示す。ドリルストリング１２は、ねじりばね２５でモデル化される。速度制御装置２０は、ドリルストリング１２の回転振動エネルギーを吸収することによってその回転振動を減衰させる減衰動作を提供するように一斉に作動する、ねじりばね２４と回転ダンパー２３でモデル化される。掘削リグのデリックまたはシャーシは、参照番号２６で表される。このひとまとめの力学モデルは、大部分の用途に対して十分に正確であることが証明されていなければならない。
【００６３】
ＢＨＡ１１の慣性はＪｂ［ｋｇｍ２］であり、ドリルストリング１２、すなわち等価なねじりばね２５のねじれ剛性はＫｓ［Ｎｍ／ｒａｄ］である。駆動システム１５の慣性はＪｄ［ｋｇｍ２］である。速度制御装置２０のねじりばね２４のねじれ剛性はＫｆ［Ｎｍ／ｒａｄ］であり、ダンパー２３の減衰はＣｆ［Ｎｍｓ／ｒａｄ］である。本発明の目的のために、ボトムホール慣性Ｊｂ、ドリルストリングのねじれ剛性Ｋｓ、駆動システム慣性Ｊｄ、速度制御装置のねじれ剛性Ｋｆおよび減衰Ｃｆは、図２に示すボアホール装置のひとまとめの力学モデルの演算パラメータを形成する。
【００６４】
作動時、速度制御装置２０は、トップドライブ共振周波数を制御することによってボアホール装置の駆動モビリティを拡大させるように作動する。ここで、トップドライブ共振周波数は本質的に、速度制御装置２０のねじれ剛性Ｋｆと駆動システム１５の慣性Ｊｄによって決定され、ドリルストリング１２とボトムホールアセンブリ１１の共振周波数に近いかまたは等しい。これは、速度制御装置２０の減衰項Ｃｆによってドリルストリング共振を減衰させるためである。すなわち、駆動システム側のＫｆとＪｄは、スティックスリップを緩和する適切な減衰を有するドリルストリングの共振周波数に速度制御装置２０を合わせることによって、ドリルストリング側のＫｓとＪｂに適切にマッチしなければならない。図２の例において、Ｋｓ、ＪｂおよびＪｄは、速度制御装置２０のパラメータであるＫｆとＣｆを設定する調整パラメータである。
【００６５】
実際には、速度制御装置２０は、比例動作Ｐと積分動作Ｉを有するＰＩ制御装置として、あるいは、例えば二重積分動作を有するＰＩＩ制御装置として作動する。
【００６６】
図２の力学モデル表示では、摩擦力などによる駆動システム１５とドリルストリング１２の損失は、明示的にモデル化されていない。
【００６７】
図３は、本発明を説明する目的で、ドリルストリング１２とＢＨＡ１１を回転させる駆動システムによって適用されるトルクのトルク−速度伝達関数と、ドリルストリング１２の頂端１４でのその回転駆動速度と、を計算するための、図２のボアホール装置の力学システムモデル表示の計算上のスペクトル領域モデル表示を例として示す。スペクトル領域は、周知のラプラス変換に続く複素引数または演算引数によって表される。変速器２２は存在しないとみなされる。
【００６８】
図３のシステムモデルでは、参照番号３２、３３、３４は加算演算を表す。参照番号２９、３０は、速度制御装置２０のパラメータＫｆとＣｆをそれぞれ表す。速度制御装置２０の等価ねじりばね２４のスペクトル領域における動作２８は、ラプラス演算１／ｓでモデル化される。
【００６９】
掘削の間、速度制御装置２０が作動して、駆動システムモータ１８を制御するトルク制御信号が生成され、速度制御装置２０の入力３１において速度信号ω＊によって設定される回転速度で、ドリルストリング１２の頂端１４が回転するようにトルクを提供する。信号Ｔ＊は、駆動システムモータ１８の入力におけるトルク制御信号を表わす。駆動システムモータ１８によって提供される実際のトルクをＴ［Ｎｍ］とする。
【００７０】
スペクトル領域では、プラントとも呼ばれる駆動システム１５の動作は、その慣性Ｊｄの逆数３７と、ラプラス演算３６すなわち１／ｓと、でモデル化される。
【００７１】
例えば、ドリルストリング１２の頂端１４において速度センサー２１で測定された、該頂端１４における実回転速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］を代表する速度信号ωと、加算演算３４によって形成される設定回転速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］を代表する入力速度信号ω＊と、の間の差、すなわちε＝ω＊−ωを表す信号εは、Ｋｆ２９とＣｆ３０それぞれのパラメータとラプラス演算２８によって表される速度制御装置２０に供給される。
【００７２】
信号δは、駆動システムモータ１８によって適用されるトルクＴと、加算演算３３によって形成される、ＢＨＡ１１における実負荷トルクＴｌと、の差、すなわちδ＝Ｔ−Ｔｌを表す。
【００７３】
図３に示すシステムモデルでは、本発明に従って、ドリルストリング１２を回転させる駆動システムモータ１８によって適用されるトルクＴは、実際の掘削作業に応じて速度制御装置２０によって提供されるトルク制御信号に、加算演算３２によって加算または重畳された可変トルク制御信号Ｔｓを適用することによって、駆動システムモータ１８におけるトルク制御信号Ｔ＊を変化させて変動させられる。
【００７４】
計算を楽にし、また、その理解を深めるために、図４に示すボアホール装置のシステムモデルを参照する。このモデルは、図３のシステムモデルを簡略化したものである。
【００７５】
図４において、参照番号４０は、速度制御装置２０の伝達関数Ｃ（ｓ）を表わす。参照番号４１は、駆動システムモータ１８の伝達関数Ｄ（ｓ）を表わす。参照番号４２は、トップドライブ１５のプラント伝達関数Ｐ（ｓ）を表し、参照番号４３は、ドリルストリングとＢＨＡの伝達関数Ｚ（ｓ）を表す。以下、それぞれＣ、Ｄ、Ｐ、Ｚと記す。
【００７６】
ドリルストリング１２の頂端１４における駆動速度ωは、下式で記述できる：
【数１】
0006360837.tif 000002
および
【数２】
0006360837.tif 000003
式中、Ｆ（ｓ）＝基準トラッキング伝達関数（以下、Ｆと記す）
Ｈ（ｓ）＝可変トルク伝達関数（以下、Ｈと記す）
Ｍ（ｓ）＝擾乱反応または移動度関数（以下、Ｍと記す）。
すなわち、
【数３】
0006360837.tif 000004
【数４】
0006360837.tif 000005
【数５】
0006360837.tif 000006
【００７７】
従って、式（４）は以下のように書き換えられる：
【数６】
0006360837.tif 000007
【００７８】
式（３）から、│ＣＤＰ’│＞＞１である限り、基準トラッキング伝達関数Ｆは単位元に接近し、｜Ｃ｜が比較的大きく見える比較的低周波で有効であることが結論として成立する。表記│ｘ│は、ｘの絶対値または係数を指す。
【００７９】
理想的なまたは完全な駆動システムモータでは、モータ伝達関数Ｄは、対象のすべての周波数に対して単位元に接近する、すなわち
【数７】
0006360837.tif 000008
である。しかしながら実際には、Ｄには、ある遅延、例えば１０ｍｓ以上が含まれていることが多く、一次ローパスフィルタのように作用する。Ｄのクロスオーバー周波数は、５Ｈｚと低いものであり得る。
【００８０】
完全な駆動システムモータ伝達関数、すなわちＤ＝１と仮定すると、式（４）と（５）から、Ｍ＝−Ｈであることがわかる。│ＣＤＰ’│＞＞１およびＤ＝１の場合、式（４）と（５）から、移動度関数Ｍと可変トルク伝達関数Ｈは、速度制御装置の伝達関数の逆数に近似する、すなわち
【数８】
0006360837.tif 000009
および
【数９】
0006360837.tif 000010
が結論として成立する。
【００８１】
│ＣＤＰ’│＜＜１およびＤ＝１の場合、式（４）と（５）から、移動度関数Ｍと可変トルク伝達関数Ｈは共に伝達関数Ｐ’に近似する、すなわち
【数１０】
0006360837.tif 000011
および
【数１１】
0006360837.tif 000012
であることが結論として成立する。
【００８２】
理想的な速度制御装置を仮定すると、パラメータＫｆ２９とＣｆ３０で表されるその伝達関数Ｃと、積分演算２８読み取り（図３参照）は、下式で読める：
【数１２】
0006360837.tif 000013
【００８３】
トップドライブが無負荷、すなわちドリルストリングが取り付けられていない場合、Ｚは０であり、式（２）から、プラントモデルの伝達関数Ｐｕｎｌｏａｄｅｄ、すなわち、速度イン、トルクアウトは伝達関数Ｐ’と等しく、純慣性（図３参照）で近似できることが結論として成立する：
【数１３】
0006360837.tif 000014
【００８４】
トップドライブが有負荷、すなわちドリルストリングが駆動システムに取り付けられている場合、ドリルストリングとＢＨＡの伝達関数Ｚはプラントの一部であり、その場合は全く異なる。有負荷のプラント伝達関数Ｐｌｏａｄｅｄは、下式で表される：
【数１４】
0006360837.tif 000015
【００８５】
ねじれ剛性Ｋｓから成る理想的なドリルストリング１２と慣性がＪｂの理想的なＢＨＡ１１を仮定すると、スペクトル領域におけるドリルストリングとＢＨＡの伝達関数は、ねじれ剛性Ｋｓとラプラス演算１／ｓ、すなわちＫｓ／ｓと、ラプラス演算１／ｓを有するＢＨＡ１１の慣性Ｊｂ、すなわち１／（ｓＪｂ）と、でモデル化されたドリルストリング１２の等価ねじりばね２５の動作によって表される。
【００８６】
このモデルから、ドリルストリングとＢＨＡについて以下の伝達関数Ｚが得られる：
【数１５】
0006360837.tif 000016
【００８７】
ドリルストリングの伝達関数Ｚは、式（９）の分母が０となる周波数に対して共振挙動を示す。ｓ＝ｊωとすると、共振周波数ω０は、式（９）から下式となる：
【数１６】
0006360837.tif 000017
【００８８】
より低周波数、すなわち、ｓ＜＜ｊω０の場合、式（１０）は下式のように表される：
【数１７】
0006360837.tif 000018
【００８９】
すなわち、より低周波数では、ドリルストリング１２とＢＨＡ１１の伝達関数Ｚは、本質的にＢＨＡ１１の慣性Ｊｂによって決定される。
【００９０】
共振周波数より十分に高い周波数、すなわち、ｓ＞＞ｊω０の場合、式（９）は下式のように表される：
【数１８】
0006360837.tif 000019
【００９１】
すなわち、より高周波数では、ドリルストリング１２とＢＨＡ１１の伝達関数Ｚは、本質的にドリルストリング１２のねじれ剛性Ｋｓによって決定される。
【００９２】
摩擦成分などはいずれも無視した理想的な有負荷のプラント伝達関数Ｐｌｏａｄｅｄ、伝達関数は、式（９）に式（１０）を代入することによって算出され、下式が得られる：
【数１９】
0006360837.tif 000020
【００９３】
式（１４）から、いくつかの興味ある所見が得られる。共振以下、すなわちｓ＜＜ｊω０における負荷条件下では、プラント伝達関数は下式に近似する：
【数２０】
0006360837.tif 000021
【００９４】
上式は、ＪｂとＪｄの合計から成る単一の慣性と等価である。共振周波数、すなわちｓ＝ｊω０では、プラント伝達関数Ｐｌｏａｄｅｄ＝０である。
【００９５】
上記に開示したように、│ＣＤＰ│＜＜１およびＤ＝１の場合、式（４）から、可変トルク伝達関数Ｈ、すなわち
【数２１】
0006360837.tif 000022
は、プラント伝達関数Ｐ、すなわち
【数２２】
0006360837.tif 000023
に近似することが結論として成立する。
【００９６】
上記から、ボアホール装置の動的部分の演算パラメータ、すなわち、ドリルストリングのねじれ剛性Ｋｓ、ボトムホールアセンブリの慣性Ｊｂおよび駆動システム１５の慣性Ｊｄは、システム測定から推定されたプラント伝達関数と、トップドライブ、ドリルストリングおよびＢＨＡで構成されるボアホール装置の動的部分の計算された伝達関数（上記のプラント伝達関数式（１４）など）と、をマッチングさせることにより容易に求められることは理解されるであろう。
【００９７】
例えば、ドリルストリングの共振において最適な減衰Ｃｆを提供するための速度制御装置２０の設定または調整では、ねじれ剛性Ｋｆと駆動システム慣性Ｊｄは、ドリルストリングのねじれ剛性ＫｓとＢＨＡ慣性Ｊｂに合わせられなければならない。従って、マッチング作業で決定される演算パラメータＫｓとＪｂは、速度制御装置２０を調整する調整パラメータとして使用できる。
【００９８】
図５は、図１、２、３および４を参照した本発明の例に従って、駆動システムにおける変動するトルク制御信号Ｔｓとドリルストリングの頂端の取り込まれた回転駆動速度ωを適用することから、例えば、ボアホール装置の駆動システムを制御する速度制御装置を設定するためなどのボアホール装置の演算パラメータに近似させるために、ディジタル処理装置、コンピュータまたは他のデータ処理装置により処理されるステップを、簡略化したフローチャート５０で示す。
【００９９】
フローの方向は、このシートの上から下とする。他の指示はそれぞれの矢印によって示される。
【０１００】
第１のステップとして、駆動システムすなわちトップドライブ１５と、ドリルストリング１２と、ＢＨＡ１１とで構成されるボアホール装置１０の動的部分を表わす適切な計算モデルを選択する、すなわち、ブロック５１の「ボアホール装置の動的部分の計算モデルを選択する」である。
【０１０１】
選択された計算モデルは、実際のボアホール装置を表す任意の適切なモデルであってもよく、例えば、状態空間モデル、等価電気回路モデル、等価な機械的なねじりばね−慣性モデル、セグメント化モデル、連続時間モデル、離散時間モデル、周波数領域モデルおよび波動伝播モデルなどであってもよい。一般に、この計算モデルは一度選択される。
【０１０２】
次に、ブロック５２で示すように、複数秒の順の期間などの特定の測定期間の間に、「ボアホール装置に時間変動周波数トルク制御信号を適用する」、例えば、トルク制御信号Ｔｓを駆動システム１５に、すなわち、実際のボアホール装置１０の駆動システムモータ１８に適用する。トルク制御信号Ｔｓの信号周波数は時間と共に変動して、駆動システム１５によって供給されるトルクＴを変動させる。トルク制御信号Ｔｓの信号周波数は、必ずしも、特定の機能や変化に従って時間と共に変動する必要はない。トルク制御信号Ｔｓの振幅、すなわち、それによって引き起こされる実際のトルク変動の振幅は、ある最小のトルク変動（例えば最小１ｋＮｍなど）がドリルストリング１２の頂端１４に与えられるように選択されなければならない。しかしながら、この最小の実際の値は、実際のボアホール装置と使用される掘削用途に応じて変わり得る。実際の掘削作業では、設定掘削トルクの小さい順のトルク変動は、有用な測定結果に達するように与えられなければならない。適用されるトルク制御信号Ｔｓの振幅は一定であってもよく、あるいは測定間隔に亘って変動してもよい。
【０１０３】
時間変動周波数トルク制御信号Ｔｓ、すなわち、時間変動信号周波数を有するトルク制御信号が適用されている間、ドリルストリング１２の頂端１４の回転駆動速度ωは、該測定期間の間、関数Ｔｓとして獲得・登録され、すなわち、相互に関連付けられる、すなわち、ブロック５３の「ドリルストリングの頂端駆動速度を獲得する」である。図１に示すように、ドリルストリング１２の回転頂端駆動速度は、例えば、回転計または速度センサー２１によりその頂端１４で測定される。しかしながら、センサーを用いずに、電気駆動システムモータ１８に供給される電圧と電流から頂端駆動速度を推定するなどの、他の適切な速度測定技術または装置の任意のものを用いてもよい。
【０１０４】
ブロック５４の「関連付けられた測定と時間変動周波数トルク信号からトルク−速度伝達関数を推定する」に示すように、こうして得られた測定結果から、ボアホール装置の動的部分のトルク−速度伝達関数、すなわちω／Ｔｓを推定する。こうした推定には、例えば、推定トルク−速度伝達関数の振幅（ｒａｄ／Ｎｍｓ）とその位相（°）のグラフ表示が含まれていてもよく、これらは共に、時間変動周波数トルク制御信号Ｔｓの周波数範囲あるいはその一部（Ｈｚ）に対するものである。
【０１０５】
ブロック５１で選択した計算モデルに続いて、ボアホール装置の動的部分のトルク−速度伝達関数を計算する、すなわち、ブロック５５の「計算モデルからトルク−速度伝達関数を計算する」である。この計算には、例えば、計算されたトルク−速度伝達関数の振幅とその位相のグラフ表示が含まれていてもよく、これらは共に、実際に適用される時間変動周波数トルク制御信号Ｔｓの周波数範囲またはその一部に対するものである。
【０１０６】
その後、こうして得られた推定トルク−速度伝達関数と計算されたトルク−速度伝達関数をマッチングさせる、すなわち、ブロック５６の「推定トルク−速度伝達関数と計算されたトルク−速度伝達関数をマッチングさせて演算パラメータを決定する」である。このマッチングには、対象の周波数範囲に亘る推定速度−トルク伝達関数と計算された速度−トルク伝達関数の振幅と位相のグラフ表示でのフィッティングが含まれていてもよい。例えば、ドリルストリングのねじれ剛性Ｋｓ、ボトムホールアセンブリの慣性Ｊｂおよび駆動システムの慣性Ｊｄを選択することによって、推定されたトルク−速度伝達関数と計算されたトルク−速度伝達関数間の複素平面内での距離が、各測定点において最小化される。
【０１０７】
図２のボアホール装置の力学システム計算モデル表示のスペクトル領域システムモデル表示から、例えば式（１４）から、ボアホール装置の計算モデルの演算パラメータ、すなわち、ドリルストリングのねじれ剛性Ｋｓ、ボトムホールアセンブリの慣性Ｊｂおよび駆動システムの慣性Ｊｄは、ドリルストリングの頂端駆動速度の測定から推定されたトルク−速度プラント伝達関数と、ボアホール装置の動的部分の計算モデルに従って計算されたトルク−速度伝達関数と、をマッチングさせることによって容易に求められることが結論として成立する。
【０１０８】
実際には、トルク−速度伝達関数を推定するための、またモデル伝達関数を計算するための、また伝達関数をマッチングさせるためのコンピュータソフトウェアアプリケーション、プログラムおよびツールは市販されており、当業者には周知である。ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）は、動的プラントシステムのスペクトル挙動を分析するこうした市販のコンピュータソフトウェアプログラムの一例である。しかしながら、本発明は、この種のモデルとコンピュータソフトウェアプログラムに限定されるように解釈されるべきではなく、また、グラフ表示での推定や計算、周波数分析あるいはスペクトル領域分析に限定されるようにも解釈されるべきではない。
【０１０９】
当業者であれば、頂端駆動速度の変化は、適用されるトルク変動とは別に、他のいくつかの掘削事象に起因し得ることは理解するであろう。従って、得られた頂端駆動速度信号が因果的結果であるか否か、すなわち、適用した時間変動周波数トルク信号の、すなわち該事象の影響であるか否かが品質尺度としてチェックされる。因果関係とは、第１の事象（原因）と第２の事象（結果）間の関係であり、第２の事象は、第１の事象の結果として理解される。
【０１１０】
ある実施形態では、例えば、得られた因果指標が設定閾値より大きいか否か、すなわち、判定ブロック５７の「因果関係＞閾値？」がチェックされる。判定ブロック５７での結果が「Ｙｅｓ」の場合、こうして得られた演算パラメータは十分に正確であり、例えば、速度制御装置２０のパラメータ、すなわち、こうして得られたドリルストリングのねじれ剛性Ｋｓ、ボトムホールアセンブリの慣性Ｊｂおよび駆動システムの慣性Ｊｄを用いて図２に示すＫｆとＣｆを設定し、ボアホール装置の速度制御装置２０を作動させるために使用してもよい、すなわち、ブロック５８の「調整パラメータとして決定された調整パラメータを用いて速度制御装置を作動させる」である。
【０１１１】
例えば、因果関係度が所定の設定因果関係閾値より小さい場合、すなわち、判定ブロック５７の結果が「Ｎｏ」の場合、ブロック５１〜５６で示すステップによるプロセスを繰り返してもよい。因果指標は、例えばコヒーレンス測定から得てもよい。
【０１１２】
スペクトル領域におけるコヒーレンスは、通常、伝達系の入出力間の動力伝達の推定に用いられる。２つの値または信号ｘ、ｙ間のコヒーレンスＲｘｙ（振幅二乗コヒーレンスとも呼ばれる）は、下式で定義される実数値関数である：
【数２３】
0006360837.tif 000024
【０１１３】
式中、Ｇｘｙは、ｘとｙ間のクロススペクトル密度であり、ＧｘｘとＧｙｙは、それぞれｘとｙの自動スペクトル密度であり、｜Ｇ｜は、スペクトル密度の振幅を表す。
【０１１４】
Ｒｘｙが０超〜１未満の場合、それは、測定にノイズが入っているか、あるいは、ｙが入力Ｘおよび他の入力による出力を生成しているか、のいずれかを表す。コヒーレンスが０の場合、それは、ｘとｙが完全に無関係であることを表す。従って、複数の選択された周波数値で計算された、認識された回転頂端駆動速度信号と適用される時間変動周波数トルク信号間のコヒーレンスを、本発明に従った信号間の因果関係決定に用いてもよい。
【０１１５】
実際の速度制御装置によって駆動システムをその作動トルク上限で作動させる場合、速度制御装置の動的挙動は、線形のオペレーティングシステムとしてはもはや正確にはモデル化され得ないことが実際に観察されている。それは特に、速度制御装置に実装されている所謂アンチワインドアップ手段または技術と、実際のシステムの飽和の影響、すなわちクリッピング効果によるものである。このような場合、コヒーレンスも低くなるであろう。救済手段として、実際の時間変動周波数トルク信号を含む実際の非線形システムの出力から、シミュレートされた理想の線形速度制御装置の出力を差し引くことによって、是正された時間変動周波数トルク信号が得られ得る。実際のシステムがその作動上の境界内で作動する限り、是正された時間変動周波数トルク信号は、実際の時間変動周波数トルク信号に等しくなる。クリッピングの場合には、是正された時間変動速度信号は、線形のオペレーティング速度制御装置の前提を満たし続ける。
【０１１６】
本発明の目的のために、２つの値または信号間のコヒーレンス度の決定に、上記の式（１７）に従って計算されたＲｘｙの代わりに、当業者には既知の他の計算を使用してもよいことは、注目される。
【０１１７】
掘削中、ドリルストリング１２はより多くのドリルパイプで延長され、ドリルビットの角方向と遭遇する地中構造の材料特性は変化し得る。
【０１１８】
図５のフローチャートを参照して、掘削作業の間、例えばドリルストリング１２の長さが長くなった場合、あるいは、掘削環境が著しく変化した場合、すなわち、判定ブロック５９の「掘削環境／装置が変化？」の結果が「Ｙｅｓ」の場合、ボアホール装置の演算パラメータを自動で決定するために、また、掘削作業の変化後のそれぞれの演算パラメータに適合した調整パラメータセットを用いて速度制御装置を自動で作動させるために、ブロック５２〜５８で示したプロセスが繰り返される。そうでなければ、すなわち、判定ブロック５９の結果が「Ｎｏ」であれば、速度制御装置の調整パラメータが変化しない間、掘削作業を継続してもよい。実際には、ドリルパイプ長さが長くなる毎に、自動調整プロセスが繰り返されてもよい。掘削環境におけるこうした変化を、例えば、頂端駆動速度が０に近づいたかどうかをモニターすることによって自動で検知してもよい。
【０１１９】
ドリルストリングが拡張されるごとに、駆動システム１５の慣性Ｊｄおよびボトムホールアセンブリ１１の慣性Ｊｂを新たに確立する必要はないであろうことは理解されるであろう。駆動システムの慣性Ｊｄは、例えば、マッチングプロセスをかなり楽にするなどのために、ボアホール装置のオペレータによって提供されるデータから事前に分かっていてもよい。こうした場合、本発明に従って決定されるＪｄ値と、Ｊｄの既知の値との比較は、本発明に従って決定される演算パラメータの精度のチェック役立ち得る。
【０１２０】
本発明のある実施形態では、判定ブロック５９はさらに、ボアホール装置の演算パラメータを決定するプロセスと、設定された繰り返し時間間隔後の掘削中の、例えば作業１０分毎のブロック５２〜５８による自動調整プロセスを繰り返すように構成されていてもよく、その場合、判定ブロック５９は、例えば、「繰り返し時間間隔後に掘削環境／装置変更」と読めるであろう。これは、掘削中の診断ツールとして有用である。
【０１２１】
本発明のある例では、ボトムホールアセンブリがオフボトムの間、すなわち、ドリルビットがボアホールの底部で地中構造に接触していない時は、速度制御装置の調整パラメータを自動的に決定する方法が実行されてもよい。例えば、ドリルストリングの長さが延長された後で掘削作業が開始される直前に実行されてもよい。こうした場合、プラントシステムの動的部分の線質係数すなわちＱ係数は、ボトムホールアセンブリがオンボトム時、すなわち、ドリルがボアホールの底部で地中構造に接触している時よりはるかに高くなり、これによって、オフボトム時よりはるかに高い減衰項が可能になることは理解されるであろう。オフボトムプロセスの結果は、オンボトムプロセスの結果より良好なコヒーレンスを示す。
【０１２２】
速度制御装置２０のパラメータを得られた演算パラメータに設定、すなわち合わせる方法は、特定の掘削作業と、特定のボアホール装置と、例えば、米国特許第５，１１７，９２６号で開示されたＳＯＦＴ  ＴＯＲＱＵＥ（登録商標）として既知のものなどの市販の制御ソフトウェアを使用してスティックスリップ振動を緩和するなどの達成すべき目標と、に依存する。
【０１２３】
上述のボアホール装置の力学計算モデルの代替として、図６は、本発明に従って図２のボアホール装置の一次計算モデルを形成する電気素子を含む電気的等価回路の概略図である。
【０１２４】
図６の計算モデルでは、ドリルストリング１２は、インダクタンス値がＬ２＝１／Ｋｓ［Ｈ］のインダクタＬ２によってモデル化される。駆動システム１５の慣性は、容量値がＣ１＝Ｊｄ［Ｆ］のコンデンサＣ１によってモデル化される。ボトムホールアセンブリは、容量値Ｃ２＝Ｊｂ［Ｆ］（Ｊｂは、ボトムホールアセンブリ１１の慣性）のコンデンサＣ２によってモデル化される。特に、ドリルストリング１２のドリルパイプ内をドリルビット１７に向かって下方におよび後部上方に送り込まれる掘削流体または泥水によって引き起こされるドリルストリング１２とボトムホールアセンブリ１１の回転の減衰は、抵抗値がＲ２［Ω］であり、コンデンサＣ２と並行に接続された抵抗器Ｒ２によってモデル化される。図６のモデルでは、インダクタＬ２は、コンデンサＣ１とＣ２を直列接続している。
【０１２５】
図６によるボアホール装置の計算モデルでは、図３の速度制御装置２０は、従来のＰＩ制御装置としてモデル化される。設定速度信号ω＊は、電圧値がＶ０＝ω＊［Ｖ］であり、中間の並列インダクタ／抵抗回路、すなわち、インダクタンス値がＬ１＝１／Ｋｆ［Ｈ］であり積分Ｉ動作（ねじれ剛性Ｋｆと等価）を表すインダクタＬ１と、抵抗値がＲ１［Ω］であり比例１／Ｐ動作（速度制御装置２０によって供給される減衰Ｃｆと等価、すなわち、
【数２４】
0006360837.tif 000025
）を表す抵抗器Ｒ１によって、コンデンサＣ１とインダクタＬ２に直列接続されたＤＣ電源Ｖ０によって表わされる。
【０１２６】
該モデルすなわち図６の等価回路図では、ドリルストリング１２の頂端１４における実際の駆動速度ωは、コンデンサＣ１間の電圧Ｖ１で表わされる。ドリルビット１７に与えられる負荷トルクＴｌは、コンデンサＣ２に並列に接続された電流源Ｉ２と電流Ｉ２［Ａ］によってモデル化される。駆動システム１５によって提供されるトルクは、コンデンサＣ１に並行に接続された電流源Ｉ１と電流Ｉ１［Ａ］によってモデル化される。コンデンサＣ２間の電圧Ｖ２は、ドリルビット１７の速度を表わす。
【０１２７】
適用される時間変動周波数トルク制御信号の本発明によるモデル化については、例えば、電流源Ｉ１と並列の、時間変動周波数電流値Ｉ０［Ａ］を提供する制御電流源Ｉ０を用いてもよい。しかしながら、適用される時間変動周波数トルク制御信号を本発明に従ってモデル化するために、代替として、ＤＣ電源Ｖ０に直列接続され、変動電圧値Ｖ３［Ｖ］を提供する制御電源Ｖ３を用いてもよい。これを図６に破線で概略的に示す。図３を参照して、後者は、トルク変動が設定速度信号ω＊の変動を通して適用されることを意味する。図６の計算モデルは、例えば、駆動システムモータ１８を明確にモデル化することによってさらに強化され得る。
【０１２８】
当業者であれば、図６の等価回路図のスペクトル領域のプラント伝達関数は、式（１）−（１５）を参照して上記に開示したように計算されることは理解するであろう。
【０１２９】
第１の近似では、ドリルストリングの動的部分の線形コンピュータシミュレーションモデルを用いてもよい。こうした線形モデルによって、コンピュータ処理能力と記憶容量には厳しい要件が求められないというメリットが実際に得られることがわかった。より精巧な方法では、図６を参照して、例えば、垂直からある角度逸れてボアホールを掘削する場合であって、例えば、掘削流体およびまたは地中構造との接触からドリルストリングによってもたらされる減衰をモデル化するために、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ２のように接続された異なるインダクタンスおよびコンデンサと、それぞれのコンデンサに並列接続された異なる抵抗器Ｒ２と、こうしたインダクタンスＬ２に並列接続された抵抗器と、の複数のカスケード接続によって、ドリルストリングの異なる部分をモデル化してもよい。
【０１３０】
図７ａと７ｂは、正確な縮尺ではないが、実際的なボアホール装置の演算パラメータの決定に使用される正弦波反復の時間変動周波数トルク制御信号の例を示す。同図において、横軸は時間ｔ［ｓ］を表す。
【０１３１】
図７ａは、本発明の目的のための単一の正弦波反復の時間変動周波数トルク制御信号６０、すなわち、掃引信号を示す。縦軸は、該信号の振幅Ａを示す。
【０１３２】
図７ａから分かるように、適用される時間変動周波数トルク制御信号の振幅は、スタート値０から一定値まで数サイクルで増加し、ゼロ交差、すなわち振幅値０で終了する。こうして、継続的にまた反復的に適用される時間変動周波数トルク制御信号６０の振幅値遷移は回避されて、滑らかな周波数スペクトルが得られる。
【０１３３】
各信号６０の周波数ｆは、時間ｔの増加と共に減少する。図７ｂの縦軸［Ｈｚ］は、図７ａの信号の時間変動周波数ｆ６１を示す。図７ａから分かるように、この例では、継続時間６０秒の掃引の間、信号の周波数ｆは、２Ｈｚから０．１Ｈｚまで指数関数的に減少する。
【０１３４】
図７ａと７ｂの掃引時間、振幅および周波数値は、例示的に提供されたことは理解されるであろう。特に、掃引時間は、６０秒より短く設定されても長く設定されてもよい。実際には、掃引時間は、例えば１０分と長くてもよい。さらに、反復信号は、必ずしも互いに直接に続いている必要はない。実際には、次の掃引は、１０分または１５分後などのように数分後に適用されてもよい。
【０１３５】
本発明の方法で決定された演算パラメータの精度は、トルク制御信号の周波数が時間と共に変動する程度に依存する。比較的遅い周波数変動によって、時間と共に比較的速く変動する周波数の場合に比べてより正確な結果が得られる。これは、比較的遅い変動によって、マッチング目的としては広がりが少ない測定結果が比較的より多く得られるためである。得られた演算パラメータの精度は、ボアホール装置の線質係数Ｑにも依存する。実際には、ボアホール装置の典型的な線質係数Ｑが５〜１５の場合、本発明による方法によって正確な結果が得られる。
【０１３６】
周波数は、線形的、指数関数的あるいは他の任意の方法などの適切な方法で、時間と共に変動してもよい。しかしながら、掃引間隔に亘って指数関数的に変動する周波数によって、それが増加する場合であっても減少する場合であっても、掘削が開始されている間に、適用信号と測定信号間の優れたコヒーレンスが得られることがわかった。
【０１３７】
本発明のある例では、実際のボアホール装置の演算パラメータの決定に使用するために、
時間変動周波数トルク制御信号は、図８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄおよび８ｅに概略的に示すように、異なる時間変動周波数を有する２つの時間変動周波数信号の重畳によって構築される。これらの図において、横軸は時間ｔ［ｓ］を表す。
【０１３８】
図８ａは、図７ａと同様に、縦軸に沿って示される一定の振幅ＡＨＦを有する、第１の正弦波反復の比較的速い時間変動周波数信号（信号ＨＦと表記）の信号波形６２を示す。図８ｂは、図７ａと同様に、一定の振幅ＡＬＦを有する、第２の正弦波反復の比較的遅い時間変動周波数信号（信号ＬＦと表記）の信号波形６３を示す。図８ｃは、図７ａと同様に、振幅ＡＬＦ＋ＨＦを有する、実際の反復時間変動周波数トルク制御信号（信号ＬＦ＋ＨＦと表記）（該信号は信号ＨＦと信号ＬＦが重畳されたもの）、すなわち、一対の周波数指数関数的トルク制御掃引信号の信号波形６４を示す。
【０１３９】
この例において、信号ＨＦと信号ＬＦのそれぞれの周波数変動は、一対の周波数指数関数的トルク制御掃引信号６４での振幅遷移を回避するために、図８ｃに示すように、掃引間隔の開始と終了時で、両方の信号が共通のゼロ交差を有するように選択される。当業者であれば、さらに改善されたマッチングのために、同様な方法で、３つまたは４つ等々の時間変動周波数トルク制御信号が構成され得ることは理解するであろう。
【０１４０】
図８ｄは、図７ｂと同様に、図８ａと８ｂそれぞれの信号ＨＦ６５と信号ＬＦ６６の時間変動周波数の周波数変動を示す。縦軸は周波数ｆ［Ｈｚ］を示す。図８ｄから分かるように、継続時間６０秒の掃引の間に、信号ＨＦの周波数６５は２Ｈｚから０．３５Ｈｚに指数関数的に減少し、点線で示す信号ＬＦの周波数６６は０．３５Ｈｚから０．１Ｈｚに指数関数的に減少する。
【０１４１】
図８ｅは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いて計算した複数の離散周波数成分に対して、重畳した時間変動周波数信号、すなわち、図８ｃに示す信号ＬＦ＋ＨＦの周波数スペクトルを示す。図８ｅの横軸は周波数ｆ［Ｈｚ］を示し、縦軸は、それぞれの周波数成分の振幅ＸＬＦ＋ＨＦを示す。この図から分かるように、重畳された信号の周波数ｆは、約０．０５Ｈｚ〜約２Ｈｚの周波数範囲に亘って変動している。
【０１４２】
図９は、図８ａ、８ｂおよび８ｃにそれぞれ示した時間変動周波数信号ＨＦ、信号ＬＦおよびトルク制御信号ＬＦ＋ＨＦそれぞれの周波数スペクトルを両対数目盛で示す。すなわち、信号ＨＦは破線６７で表され、信号ＬＦは点線６８で表され、重畳された信号ＬＦ＋ＨＦは実線６９で表わされる。図９の横軸は周波数ｆ［Ｈｚ］ｗ示し、縦軸は、振幅ＸＨＦ、ＸＬＦおよびＸＬＦ＋ＨＦそれぞれの振幅を示す。
【０１４３】
信号ＨＦと信号ＬＦは、掃引間隔の開始および終了時において、共通のゼロ交差を有するように選択されていることから、重畳された一対の周波数掃引信号ＬＦ＋ＨＦ（実線６９）は、周波数スペクトルを有する時間連続の掃引信号であり、この信号は、時間変動周波数信号、すなわち信号ＨＦと信号ＬＦのそれぞれのギブス効果が比較的大きいにもかかわらず、約０．０５〜２Ｈｚの範囲では本質的に水平である。
【０１４４】
図１０ａと１０の点線はそれぞれ、上記で議論し時間変動周波数トルク制御信号Ｔｓとして図８ｃに示す単一で一対の周波数掃引トルク制御信号６５を実際のボアホール装置１３に適用することにより、また、ボアホール装置１３のドリルストリング１２の回転頂端駆動速度ωを獲得することにより、式（１６）に従って得られた推定トルク−速度伝達関数Ｈの、図１０ａの縦軸で示される振幅｜Ｈ｜［ｒａｄ／Ｎｍｓ］７０と、図１０ｂの縦軸で示される位相Φ［°］７１を示す。
【０１４５】
実際には、図１０ａと１０ｂのグラフは、例えば１０分間などの期間の間に、図８ｃに示す一対の周波数掃引信号６５を繰り返し適用することによって得られた、積み重ねの測定結果を平均して得てもよい。
【０１４６】
図１０ａと１０ｂの実線はそれぞれ、図６に示し上記で議論したボアホール装置１０の計算モデルまたは等価回路図における、ドリルストリング１２の頂端１４における駆動速度ωを表わすコンデンサＣ１間の電圧Ｖ１の伝達関数ｈと、時間変動周波数トルク制御信号Ｔｓを表わす電流源Ｉ０の電流Ｉ０と、の振幅｜ｈ｜［Ｖ／Ａ］７２と位相φ［°］７３を示す：
【数１】
0006360837.tif 000026
【０１４７】
実際のボアホール装置に適用されるものと同じ一対の周波数掃引トルク制御信号に対して計算される。
【０１４８】
推定伝達関数Ｈと計算された伝達関数ｈとを、振幅グラフ７０と７２および位相グラフ７１と７３がそれぞれ、少なくとも低周波ｆについて、できるだけ多く互いにカバーするようにマッチングすることによって、最終的には、ボアホール装置の演算パラメータを表す図６の等価回路成分の値が得られる。これは、インダクタンス値がＬ２＝１／Ｋｓのドリルストリングを表すインダクタＬ２と、駆動システムの慣性を表し容量値がＣ１＝ＪｄのコンデンサＣ１と、ボトムホールアセンブリを表し容量値がＣ２＝Ｊｂ、インダクタンス値がＬ１＝１／Ｋｆおよび抵抗値がＲ１＝１／ＣｆとＲ２のコンデンサＣ２である。
【０１４９】
推定伝達関数Ｈにマッチング時の計算された伝達関数ｈに対して、図１０ａと１０ｂから以下の演算値を適用する：
Ｋｓ＝４５１Ｎｍ／ｒａｄ
Ｊｄ＝１１９０ｋｇｍ２
Ｊｂ＝６６７ｋｇｍ２。
【０１５０】
ボアホール装置の共振周波数ｆ０は，式（１１）とｆ０＝ω０／２πから計算される（ここで、πは数学定数であり約３．１４１５９である。）上記で得られたＫｓとＪｂ値から、共振周波数ｆ０＝０．１３０８Ｈｚが得られる。図１０ａと１０ｂのグラフにおいて、これは、伝達関数の振幅と位相の第１の落ち込み、すなわち図１０ａと１０ｂにおいてｆ０で示される落ち込みが生じる周波数に対応する。
【０１５１】
ドリルストリングの特性インピーダンスＺ０は、下式から計算される：
【数２６】
0006360837.tif 000027
【０１５２】
得られた演算値から、特性インピーダンスＺ０は０．００１８２ｒａｄ／Ｎｍｓと計算される。
【０１５３】
以下の表１は、得られたドリルストリングパラメータと、１０分の間に図８ｃに示した一対の周波数掃引信号を適用した上述の発明例との比較を示しており、このドリルストリングパラメータは、ボアホール装置１０の特定のドリルストリング形状に対して、掘削オペレータからスプレッドシートや表などで提供されるものである。
【表１】
0006360837.tif 000028
【０１５４】
上記に開示の本発明の例で得られた結果と、掘削オペレータによって提供されたパラメータとの差は、全体として約１０％以内である。
【０１５５】
図１１のグラフ７４は、スペクトル領域における時間変動周波数トルク入力信号と得られた頂端駆動速度出力信号間のコヒーレンスＲｘｙを視覚化したものである。図１１の横軸は周波数ｆ［Ｈｚ］を示し、縦軸は、式（１７）を用い０〜１間の尺度として計算されたコヒーレンスＲｘｙを示す。
【０１５６】
計算されたコヒーレンスは、概して１かまたはそれに近く、このことは、マッチングされた伝達関数は極めて可干渉性であることを意味する。このコヒーレンスは、共振周波数ｆ０において著しく低減するが、これは、共振周波数においては、ノイズと他の擾乱信号は、ドリルストリングの動作に比較的著しい衝撃を及ぼすであろうということから生じるものである。トルク−速度伝達関数における高次モードは、図１１におけるコヒーレンスの落ち込みから同様に特定できる。
【０１５７】
表１に記載したパラメータ値は、ボアホール装置の動的部分を代表するより詳細な計算モデルを使用することによって、図６の一次線形モデルと比較してさらに高い精度で得られる。例えば、図６の回路図では、ドリルストリングは、図示のように接続された単一のインダクタＬ２でモデル化されている。本発明の目的のために、既に上記で明らかにされているように、ドリルストリングの異なる部分は、適切なインダクタンス値を有するインダクタと、適切な容量値を有する直列コンデンサと、インダクタおよびまたはコンデンサＣに並列に接続されドリルストリングによってもたらされる減衰を表す抵抗器と、によってモデル化されてもよい。異なる地中構造特性、地中構造中のドリルストリングの経路、ドリルパイプの機械的特性などを考慮に入れて、いくつかのこうした部分がモデル化されてもよい。
【０１５８】
図１２、図１３および図１４はそれぞれ、比較として、周波数ｆ０における第１のモード７２だけでなく、周波数ｆ１における第２のモード７５と周波数ｆ２における第３のモード７６を考慮して、図１０ａを参照して上記したように得られた、マッチングした伝達関数ｈとＨの振幅｜ｈ｜と｜Ｈ｜を示す。図１２は図１０ａと同じだが、伝達関数ｈとＨの振幅｜ｈ｜７２と｜Ｈ｜７０および周波数ｆは、両対数目盛で表示されている。
【０１５９】
図１２、１３および１４から、より詳細なマッチングとボアホール装置の動的部分の代表的な計算モデルを用いることによって、特に、掘削中にドリルストリングが遭遇する減衰の計算に対して、より高次の影響が推定できることが容易に観察される。図６の計算モデルに示されるように、抵抗器Ｒ２の抵抗値Ｒ２は、ドリルストリングが遭遇する機械的減衰、すなわち、掘削泥水と、例えば、ドリルストリングに作用する圧縮力によるドリルストリングの横たわみによって生じるドリルストリングとボアホール壁との係合と、の結果としての減衰に対する尺度である。
【０１６０】
図６に示す計算モデルを参照して、例えば、計算モデルの演算パラメータが決定される間、種々の信号分析技術と処理技術を適用して、適用される制御信号の変化の衝撃を計算しシミュレートでき得ることは理解されるであろう。こうしたものとしては、例えば、設定頂端駆動速度Ｖ０の変化によって生じ、コンデンサＣ２間の電圧で表される、ドリルビットの実作業速度での衝撃などが挙げられる。
【０１６１】
特に、波動伝播モデルを用いることによって、優れた結果を得ることができる。このモデルは、ドリルストリングのより正確でより代表的なモデル化に特に適している。
【０１６２】
波動伝播モデルのある例では、ドリルストリング１２は、単位長さ当たりで減衰する粘性のボアホール壁と、単位長さ当たりで減衰する内部材料と、ドリルストリング長さと、極慣性モーメントと、で構成される演算パラメータを有する均一の機械式伝送線路モデルとしてモデル化される。ＢＨＡ１１とドリルビット１７は、底端１３で集中したまたは効果的な慣性と摩擦によって表わされる。地表面では、ボアホール装置は、駆動システム１５におけるトップドライブ慣性と時間遅延（駆動システムモータ１８に動力を供給する可変周波数駆動装置により導入される時間遅延など）によって表わされる。実際の掘削作業の間に、前述の８つの演算パラメータは本発明による方法で正確に決定でき、ボアホール装置の性能は、この特定の伝送線路モデルから非常に正確に計算・シミュレートされることが分かった。
【０１６３】
図１５は、オンボトムまたはオフボトムのいずれかで作動されるボアホール装置１０の計算モデルの演算パラメータを自動的に決定する装置８０を概略的に示す。図１に示すボアホール装置１０に加えて、演算パラメータ制御システム８１が設けられている。制御システム８１は、コンピュータまたは電子処理装置８２、キーボードなどの入力インターフェース８３、ボアホール装置１０の動的部分の代表的な計算モデルを選択し、ボアホール装置１０の速度制御装置２０（使用されていれば）の調整パラメータなどの既知のパラメータ値を設定するタッチスクリーンなど、を備える。処理装置８２によって推定および計算された演算パラメータと伝達関数は任意に、グラフ式ディスプレイ、プリンターまたはプロッター、あるいは、得られた演算パラメータを評価するデータ評価モジュールなどの出力インターフェース８４に設けられてもよい。本発明による計算モデル、演算パラメータ、調整パラメータおよび他の値は、制御システム８１からアクセス可能なデータベース８５に蓄積およびそこから検索されてもよい。データベース８５は、制御システム８１から遠くにあってもよく、例えば通信ネットワーク８６で接続されてもよい。
【０１６４】
制御システム８１は、図７ａと８ｃにそれぞれ示した単一または一対の周波数掃引信号などの時間変動周波数信号を生成するように構成された信号発生部８７を備えており、該時間変動周波数信号は、トルク制御信号としてデータ入力８８を通じて速度制御装置２０に適用される。信号発生部８７の作動は、処理装置８２によって制御される。例えば、回転計または速度センサー２１によってドリルストリング１２の頂端１４で測定されたドリルストリング１２の回転頂端速度は、処理装置８２に提供される（８９）。本発明で使用される信号発生部は当業者には既知であり、さらなる詳細は不要である。また、信号発生部８７は、処理装置８２の一体型部品であってもよい。また、該発生部８７の時間変動周波数信号は、時間変動周波数信号を速度制御装置２０の入力に適用する代わりに、駆動システム１５に直接適用してもよいことは注目される。
【０１６５】
処理装置８２は、ドリルストリング１２を駆動中に、駆動システム１５によって提供されるトルクがある期間に亘って変動するように信号発生部８７を制御することによって、また、この期間に、回転計または速度センサー２１により提供されるドリルストリング１２の回転駆動速度を測定することによって、ボアホール装置の動的部分の調整パラメータを自動で決定するように適切にプログラムされている。駆動システム１５に提供されるトルクは、既知の方法で期間に亘って変動することが好ましく、これによってコヒーレンスが向上する。
【０１６６】
処理装置８２はさらに、適用される変動トルク信号と測定される回転駆動速度とから推定トルク−速度伝達関数を計算するように、また、推定トルク−速度伝達関数とボアホール装置１０の選択された代表的な計算モデル、すなわち、速度制御装置、駆動システム、ドリルストリングおよびボトムホールアセンブリから計算されたトルク−速度伝達関数とをマッチングさせることによって、ボアホール装置１０の演算パラメータと速度制御装置２０の調整パラメータとを決定するようにプログラムされている。こうして決定された演算パラメータから得られた調整パラメータを、速度制御装置２０を所望の制御モードに設定するデータ入出力９０を通じて、こうして得られた調整パラメータに依存する速度制御装置２０に直接供給してもよい。
【０１６７】
さらなる例では、処理装置８２は、本発明および添付の請求項の方法に従って作動するように適切にプログラムされていてもよい。
【０１６８】
図１５の破線で概略的に示すように、速度制御装置２０に加えて、時間変動周波数信号を速度制御装置２０に対するトルク制御信号として受け取るデータ入力８８と、調整パラメータを受け取り、およびまたは制御システム８１にフィードバックを提供するデータ入出力９０と、制御システム８１の代わりにあるいはこれに加えて、信号発生部８７と、を備える電子制御装置９１を設けてもよい。
【０１６９】
制御システム８１は、速度制御装置２０または電子制御装置９１との接続８８、８９および９０が、有線または無線の、単一のデータネットワーク接続として、または電気通信ネットワークとの接続として構成され得るように、ボアホール装置１０から遠くに構成または配置されてもよい。
【０１７０】
本発明は、上記に開示した実施形態に限定されるものではなく、発明的スキルを適用する必要なしに添付の請求項に開示の本発明の範囲内で、当業者により修正および改良され得る。
【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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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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