(57)【要約】  坑底組立体（４）のジョイント（６）を傾動させることができる少なくとも１つのアクチュエータ（３４，３６）からの排出圧力を用いて傾動可能なジョイント（６）が向いている方向（２６）（例えば、向き、角変位及び／又は傾き及び方位）を求めることができる。一実施形態では、既知の排出圧力を既知の向き及び／又は角変位に相関させるのが良く、そして測定した排出圧力を既知の排出圧力と比較すると、向き及び／又は角変位を求めることができる。別の実施形態では、アクチュエータ（３４，３６）から排出された流体の流量を排出圧力から導き出すことができる。次に、排出流量を用いると、作動状態を計算することができ、それにより傾動可能ジョイント（６）の角変位量を求めることができる。坑底組立体（４）に関する向き及び／又は角変位量に基づいて、地層に対する傾き及び方位を解明することができる。
2010535302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの向きを求める方法であって、
前記傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、
前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの既知の向きを、前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの１組の既知の排出圧力と相関させるステップと、
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの前記流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、
前記１組の排出圧力と前記相関した１組の既知の排出圧力を比較して、前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの向きを求めるステップとを有する、方法。
【請求項２】
地層に対する前記坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、
前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの前記向き並びに前記地層に対する前記坑底組立体の前記傾き及び前記方位に基づいて、前記地層に対する前記傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記坑底組立体のボアから前記流体を供給するステップを更に有し、前記流体は、掘削泥水である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、
前記排出圧力から、前記流体供給圧力及び前記流体戻り圧力のうちの前記少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて、前記１組の排出圧力を得るステップとを更に有する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの角変位を求める方法であって、
前記傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、
前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの既知の角変位を、前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの１組の既知の排出圧力と相関させるステップと、
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの前記流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、
前記１組の排出圧力と前記相関した１組の既知の排出圧力を比較して、前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの角変位を求めるステップとを有する、方法。
【請求項７】
地層に対する前記坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、
前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの前記角変位並びに前記地層に対する前記坑底組立体の前記傾き及び前記方位に基づいて、前記地層に対する前記傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを更に有する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記坑底組立体のボアから前記流体を供給するステップを更に有し、前記流体は、掘削泥水である、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、
前記排出圧力から、前記流体供給圧力及び前記流体戻り圧力のうちの前記少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて、前記１組の排出圧力を得るステップとを更に有する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力である、請求項６記載の方法。
【請求項１１】
坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの角変位を求める方法であって、
前記傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの前記流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、
前記１組の排出圧力から１組の排出流量を導き出すステップと、
前記１組の排出流量から前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに関する作動状態データセットを計算するステップと、
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの前記作動状態データセットから前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの前記角変位を求めるステップとを有する、方法。
【請求項１２】
前記作動状態データセットを計算する前記ステップは、前記１組の排出流量を所与の時間間隔にわたって積分するステップを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記作動状態データセットを計算する前記ステップは、
前記１組の排出流量を所与の時間間隔にわたって積分して１組の体積データを作るステップと、
排出された流体の既知の体積を、既知のアクチュエータ変位量と相関させるステップと、
前記１組の体積データ及び前記既知のアクチュエータ変位量と相関した排出流体の前記既知の体積に基づいて、前記作動状態データセットを生じさせるステップとを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記角変位から角変位の変化率を計算するステップを更に有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
地層に対する前記坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、
前記坑底組立体に対する前記傾動可能ジョイントの前記角変位並びに前記地層に対する前記坑底組立体の前記傾き及び前記方位に基づいて、前記地層に対する前記傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを更に有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記坑底組立体のボアから前記流体を供給するステップを更に有し、前記流体は、掘削泥水である、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、
前記排出圧力から前記流体供給圧力及び前記流体戻り圧力のうちの前記少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて前記１組の排出圧力を得るステップとを更に有する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力である、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ツールフェースが向いている方向を求める方法、特に坑底組立体の傾動可能なジョイントの向き及び／又は角変位を求める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば後で油又はガスの産出に用いられる地層の掘削坑井に用いられる操向性（かじ取り可能）システムが周知である。操向性システムの一つは、回転式の操向性掘削システムであり、この掘削システムでは、ドリルストリングの実質的に連続した回転が行われる場合がある。回転式操向性システムは、「ポイント・ザ・ビット（point-the-bit）」システム、「プッシュ・ザ・ビット（push-the-bit）」システム又は例えば米国特許第７，１８８，６８５号明細書（発明の名称：Hybrid Rotary Steerable System）に記載されているハイブリッドシステムに分類可能である。ポイント・ザ・ビット型回転式操向性システムの例及びこれらの動作原理は、米国特許出願公開第２００２／００１１３５９号明細書、同第２００１／００５２４２８号明細書並びに米国特許第６，３９４，１９３号明細書、同第６，３６４，０３４号明細書、同第６，２４４，３６１号明細書、同第６，１５８，５２９号明細書、同第６，０９２，６１０号明細書及び同第５，１１３，９５３号明細書に記載されており、これら特許文献の全てを参照により引用しこれら記載内容を本明細書の一部とする。プッシュ・ザ・ビット型回転式操向性システムの例及びこれらの動作原理は、米国特許第５，２６５，６８２号明細書、同第５，５５３，６７８号明細書、同第５，８０３，１８５号明細書、同第６，０８９，３３２号明細書、同第５，６９５，０１５号明細書、同第６，６８５，３７９号明細書、同第５，７０６，９０５号明細書、同第５，５５３，６７９号明細書、同第５，６７３，７６３号明細書、同第５，５２０，２５５号明細書、同第５，６０３，３８５号明細書、同第５，５８２，２５９号明細書、同第５，７７８，９９２号明細書、同第及び同第５，９７１，０８５号明細書に記載されており、これら特許文献の全てを参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。
【０００３】
操向性システムの形式の如何にかかわらず、掘削システムの坑底組立体は、傾動可能なジョイントを有する場合がある。このジョイントは、例えば、坑井が進む方向を制御することができるツールフェースを所望の方向に向けるために使用できる。坑底組立体に対するジョイントの運動、例えば、傾動可能ジョイントが向いている方向は、主として、かじ取りアクチュエータにより及ぼされる力によって制御され、これら操向性アクチュエータは、掘削泥水を動力とするものである場合がある。これら力は、回転式坑底組立体に対してではなく、地層に固定されたフレーム構造に対して関連づけられる場合があり、したがって、アクチュエータが傾動可能ジョイントを差し向ける力を慣例的に基準にしている場合がある。
【０００４】
未知の力、例えば坑底動力学、曲げ、坑底組立体と地層の摩擦接触、ドリルビット反力、ジョイント摩擦、ビットに加わる重さ等は、傾動可能ジョイント、例えばツールフェースが向く方向を不安定にするよう働く。ツールフェースは向いている方向を求めること又は特に坑底組立体の傾動可能ジョイントの向き及び／又は角変位を求めることが望ましい場合がある。
【０００５】
坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの向き及び／又は角変位を傾動可能ジョイントに設けられたリゾルバ又は角度電位計並びに／或いは２つの非同一平面内における傾動可能ジョイントと坑底組立体の相対運動を測定するギャップセンサ（誘導性、容量性等）によって直接測定できる。しかしながら、かかる装置を設けることは、例えば厳しい公差に鑑みて不可能であり又は望ましくない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，１８８，６８５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／００１１３５９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００１／００５２４２８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，３９４，１９３号明細書
【特許文献５】米国特許第６，３６４，０３４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，２４４，３６１号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１５８，５２９号明細書
【特許文献８】米国特許第６，０９２，６１０号明細書
【特許文献９】米国特許第５，１１３，９５３号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，２６５，６８２号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，５５３，６７８号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，８０３，１８５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，０８９，３３２号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，６９５，０１５号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，６８５，３７９号明細書
【特許文献１６】米国特許第５，７０６，９０５号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，５５３，６７９号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，６７３，７６３号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，５２０，２５５号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，６０３，３８５号明細書
【特許文献２１】米国特許第５，５８２，２５９号明細書
【特許文献２２】米国特許第５，７７８，９９２号明細書
【特許文献２３】米国特許第５，９７１，０８５号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態では、坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの向きを求める方法は、傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの既知の向きを複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの１組の既知の排出圧力と相関させるステップと、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、１組の排出圧力と相関した１組の既知の排出圧力を比較して坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの向きを求めるステップとを有するのが良い。この方法は、地層に対する坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの向き並びに地層に対する坑底組立体の傾き及び方位に基づいて地層に対する傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを有するのが良い。
【０００８】
この方法は、坑底組立体のボアから流体を供給するステップを有するのが良い。流体は、掘削泥水であるのが良い。この方法は、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、排出圧力から流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて１組の排出圧力を得るステップとを有するのが良い。１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力であるのが良い。
【０００９】
別の実施形態では、坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの角変位を求める方法は、傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの既知の角変位を複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの１組の既知の排出圧力と相関させるステップと、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、１組の排出圧力と相関した１組の既知の排出圧力を比較して坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの角変位を求めるステップとを有するのが良い。
【００１０】
この方法は、地層に対する坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの角変位並びに地層に対する坑底組立体の傾き及び方位に基づいて地層に対する傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを有するのが良い。この方法は、坑底組立体のボアから流体を供給するステップを有するのが良い。流体は、掘削泥水であるのが良い。この方法は、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、排出圧力から流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて１組の排出圧力を得るステップとを有するのが良い。１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力であるのが良い。
【００１１】
更に別の実施形態では、坑底組立体に連結された傾動可能なジョイントの角変位を求める方法は、傾動可能ジョイントを傾動させるよう流体により駆動される複数個の半径方向に配置されたアクチュエータを用意するステップと、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータのうちの少なくとも１つからの流体の排出圧力を測定して１組の排出圧力を得るステップと、１組の排出圧力から１組の排出流量を導き出すステップと、１組の排出流量から複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに関する作動状態データセットを計算するステップと、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータの作動状態データセットから坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの角変位を求めるステップとを有するのが良い。
【００１２】
作動状態データセットを計算するステップは、１組の排出流量を所与の時間間隔にわたって積分するステップを含むのが良い。作動状態データセットを計算するステップは、１組の排出流量を所与の時間間隔にわたって積分して１組の体積データを生じさせるステップと、排出された流体の既知の体積を既知のアクチュエータ変位量と相関させるステップと、１組の体積データ及び既知のアクチュエータ変位量と相関した排出流体の既知の体積に基づいて作動状態データセットを生じさせるステップとを含むのが良い。この方法は、角変位から角変位の変化率を計算するステップを有するのが良い。
【００１３】
この方法は、地層に対する坑底組立体の傾き及び方位を提供するステップと、坑底組立体に対する傾動可能ジョイントの角変位並びに地層に対する坑底組立体の傾き及び方位に基づいて地層に対する傾動可能ジョイントの傾き及び方位を解明するステップとを有するのが良い。この方法は、坑底組立体のボアから流体を供給するステップを有するのが良い。流体は、掘削泥水であるのが良い。この方法は、複数個の半径方向に配置されたアクチュエータに対して局所的な流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方を測定するステップと、排出圧力から流体供給圧力及び流体戻り圧力のうちの少なくとも一方と関連した圧力損出を差し引いて１組の排出圧力を得るステップとを有するのが良い。１組の既知の排出圧力は、１組の既知のピーク排出圧力であるのが良い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による傾動可能なジョイントを備えた坑底組立体を有する回転式操向性システムの概略断面図である。
【図２】図１の傾動可能ジョイントを備えた坑底組立体の概略側面図である。
【図３】本発明の一実施形態としてのアクチュエータの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、一般に、一般に、ツールフェースが向いている方向を求める方法、特に坑底組立体の傾動可能なジョイントの向き及び／又は角変位を求める方法に関する。本明細書で用いられる「向き」という用語は、特定の平面又は物体に対する位置、例えば物体が或る１つの場所又は別の物体に対してずれている方向を意味している。「角変位」という用語は、特定の場所又は物体に対する位置（即ち、向き）並びに位置相互間のずれ又は位置の変化の大きさ又は量、例えば物体の別の物体に対するずれの数値を意味している。
【００１６】
図１及び図２は、本発明の方法を利用することができる特定の一実施形態を示しているが、かかる方法は、これには限定されない。図１は、本発明の一実施形態として傾動可能なジョイント６を備えた坑底組立体４を有する回転式操向性システム２の概略断面図である。図２は、図１の坑底組立体４の傾動可能ジョイント６の概略側面図である。全体が符号４で示された図１の坑底組立体（ＢＨＡ）は、管状ドリルストリング８の端部に連結され、このドリルストリングは、地層１４中に坑井１２を掘削するよう地表に設けられた掘削リグ１０によって回転可能に駆動できる。ドリルストリング８を回転させる原動力をもたらすことに加えて、掘削リグ１０は、掘削泥水１６を例えば圧力下で管状ドリルストリング８を通って坑底組立体４に供給することができる。掘削しながら方向制御を達成するため、坑底組立体４のコンポーネントは、傾動可能ジョイント６及び／又は例えば回転式操向性システム２の１つ又は２つ以上のドリルカラースタビライザ（１８，２０）を含む場合がある。坑底組立体４の上方部分２２は、回転式操向性システム２の制御のためのエレクトロニクス及び／又は他の装置を収容するのが良い。
【００１７】
図１及び図２に示されている坑底組立体４の傾動可能ジョイント６は、遠位端部にドリルビット２４を有している。ドリルビット２４は、当該技術分野において知られている任意種類のものであって良い。図２は、現在の作動状態においてフェースツール２８が見ている全体的な方向２６を示しており、ツールフェース２８の全体方向２６（例えば、中心軸線）は、ずれの大きさＡだけ坑底組立体４の中心軸線３０からずれており又は斜めになっている。使用にあたり、坑底組立体の傾動可能ジョイント６により、ツールフェース２８を坑底組立体４の中心軸線３０からずらすことができ、例えば、ドリルビット２４のビット軸線方向２６が坑井１２の形成方向を定めるようになっている。
【００１８】
図１及び図２のこの実施形態における坑底組立体４の傾動可能ジョイント６は、自在継手であるのが良いスイベル（回り継手）３２を有する。スイベル３２それ自体は、トルクをマッドモータ又はドリルストリング８からドリルビット２４に伝達することができ、或いは、トルクは、他の装置を介して別々に伝達可能である。適当なトルク伝達装置としては、多くの周知の装置、例えばスプライン付きカップリング、歯車装置、自在継手及びボール循環式装置が挙げられる。一実施形態では、スイベル３２は、ジョイント６に対して３６０°の回動点をもたらすことができる。スイベル３２は、２自由度継手であるのが良い。本明細書で用いる「傾動可能（な）ジョイント」という用語は、一端部をもう一方の端部に対して可変的に傾け又は斜めにする任意の装置を有している。傾動式ジョイントの非限定的な例としては、例えば米国特許出願第１０／２４８，０５３号明細書に記載されている傾動ヘッドドリルビット及び傾動スリーブが挙げられ、この米国特許出願を参照により引用しその記載内容を本明細書の一部とする。
【００１９】
傾動可能ジョイント６を坑底組立体４に対して傾動させるための力は、当該技術分野において知られている１つ又は２つ以上のアクチュエータ（３４，３６）によって提供できる。アクチュエータ（３４，３６）は、流体、例えば掘削泥水１６を原動力として駆動できる。油圧アクチュエータとしては、ダンプ弁アクチュエータ、例えば米国特許出願第１１／６０９９９６号明細書に記載されているのと同一の双安定アクチュエータ及び掘削システムが挙げられる。アクチュエータ（３４，３６）としては、原動力となる流体によって駆動されるピストン付きシリンダが挙げられる。
【００２０】
図２の実施形態を参照すると、２つのアクチュエータ（３４，３６）が示されているが、例えば傾動に対して所望レベルの制御を達成するのに任意個数のアクチュエータを利用することができる。この実施形態は、スイベル３２によって坑底組立体４のマンドレル４０に設けられたスリーブ３８を有する。スリーブ３８は、例えば坑底組立体４全体をドリルストリング８の回転速度で回転させることができる状態でツールフェース２８が向いている全体的方向２６を特定の方向に能動的に維持するために、坑底組立体４に対してスイベル３２回りに１つ又は２つ以上のアクチュエータ（３４，３６）によって間欠的に変位可能である。「能動的に傾けられ」という表現は、公知の一定変位（変位量が固定されている）ユニットと比較して、回転式操向性システム２を動的に差し向けることができるということを区別表現することを意味している。「能動的に傾けられ」という表現は、向き（例えば、ツールフェースが向いている方向）及び／又は角変位（ツールフェースが所与の方向に向いている量）が固定された状態には設定されていない回転式操向性システム２に関している。向き及び／又は角変位は、回転式操向性システム２を作動させているとき動的に変化することができる。
【００２１】
坑底組立体４及び／又は地層１４に対するツールフェース２８の向き及び／又は角変位を確認することが望ましい場合がある。例えば、ツールフェース２８を静止として（対地球静止）配向状態に能動的に維持することが望ましい場合がある。図１及び図２の実施形態では、坑底組立体４に対するドリルビット２４のツールフェース２８の位置は、主として、ドリルビット２４が遠位端部に取り付けられているスリーブ３８をアクチュエータ（３４，３６）により傾動させることによって制御される。坑底組立体４が回転しているときにアクチュエータ（３４，３６）を順次作動させるのが良く、その結果、ドリルビット２４の傾きが掘削中の地層１４に対して所望の向きに能動的に維持されるようになる。代替的に又は追加的に、坑底組立体４が回転しているときに、過激なかじ取りを減ずるようにするためにアクチュエータ（３４，３６）をランダムな仕方で又は方向に重み付けされたセミランダムな仕方で間欠的に作動させても良い。また、掘削中、アクチュエータ（３４，３６）の組み合わせ、若しくは全てを同時に作動させ或いはアクチュエータをどれも作動させないようにすることが望ましい事態が存在する。
【００２２】
回転式操向性システム２では、ドリルストリング８を常時回転させるのが良く、かくして地層１４中における坑井１２の形成をかじ取りするには、坑底組立体４の固定されたフレーム構造に対してではなく、地層１４に固定されたフレーム構造に対する傾動可能ジョイント６に取り付けられているツールフェース２８又は他の装置の向き及び／又は角変位を基準にする必要性が生じる場合がある。図示の実施形態では、地層に固定されたフレーム構造は、スリーブ３８を押し込む。それ故これが向いている方向を慣例的に基準とすることができる。坑底組立体４に対する向き、例えば、坑底組立体４上の固定された点に対する向きを基準とすることができる。坑底組立体４の遠位端部は、坑底組立体４の固定点に対する斜めの向きを表す０〜３６０°の座標系を定めることができる。角変位は、向き（例えば、半径方向変位）並びにその向きにおける軸方向ずれの大きさ、例えば図２に参照符号Ａで示されている傾動可能ジョイント６の軸線２６と坑底組立体４の中心軸線３０との間の軸方向ずれの大きさが挙げられる。向きは、傾動可能ジョイントが或る固定点（例えば、坑底組立体４）に対してずれている方向を意味し、角変位は、その向きにおける軸方向ずれの大きさ（例えば、参照符号Ａで示されている）を含む。
【００２３】
回転式操向性掘削方式では、坑底組立体４の回転中、適当なアクチュエータを選択的に作動させて、例えば地層１４に対するビット２４の所望の運動を達成して坑井１２中に湾曲した又は犬の後ろ脚のような形状の部分を形成し又は地層１４内の所望の場所に達するのが良い。本明細書においては、センサを用いて傾動可能ジョイント６が取り付けられている坑底組立体４及び／又は地層１４に対して傾動可能ジョイント６の向き及び／又は角変位を求める方法が開示されている。
【００２４】
アクチュエータ（３４，３６）は、流体圧力システム、ベロー又は傾動可能ジョイント６を傾動させる力をもたらす可動ピストンを備えたシリンダを有するのが良いがこれらには限定されない。アクチュエータは、油圧力を機械的運動に変換する任意の手段を有するのが良い。流体、例えば掘削泥水は、アクチュエータの流体圧力システム、例えばベロー、ピストン等を駆動する力、例えば傾動可能ジョイント６を傾動させる駆動力をもたらすことができる。
【００２５】
図１及び図２の実施形態では、複数個のアクチュエータ（３４，３６）が、坑底組立体４に対するドリルビット２４の半径方向偏向、即ちかじ取りを可能にするよう半径方向に配置されている。設けられるアクチュエータの個数は、設計依存性であり、傾動可能ジョイント６の傾動に対する所望レベルの制御を可能にするためには、個数としては、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、２０個、５０個等が挙げられる。アクチュエータ（３４，３６）は、例えば図３に示されているようなダンプ弁４２を含むのが良い。ダンプ弁４２は、アクチュエータからの流体の放出によりアクチュエータの引っ込みを可能にすることができる。一実施形態では、アクチュエータをこれらの駆動状態においてスリーブ３８と共に完全伸長状態に押し込み、次に放出状態中にスリーブ３８を動かしてアクチュエータを押し込み、かくして、流体の体積押し退け量は、アクチュエータの運動を反映することになる。
【００２６】
図３の実施形態のダンプ弁４２は、流体、例えば、ドリルストリング８のボアと連通状態にある坑底組立体４のボアを通って供給された掘削泥水１６が供給される入口４２を有している。図３のダンプ弁４２は、ダンプ弁４２が関連しているアクチュエータ（例えば、流体圧力システム、ベロー又は可動ピストンを備えたシリンダ）と連通状態にある第１の出口４６を有している。ダンプ弁４２の第２の出口４８は、流体通路を通って下方圧力領域、例えば坑底組立体４のボア及び／又は坑井１２の環状域と連通することができる。入口４４並びに第１及び第２の出口４６，４８は全て、ダンプ弁４２内に形成されているチャンバ５０と連通することができる。チャンバ５０内には、弁部材５２が設けられており、この弁部材５２は、弁部材５２の一端５６が第１の出口４６と関連した受座に係合し、第１の出口４６を閉鎖する第１の位置（弁部材５２がこの位置にある状態では、流体が、入口４４から第２の出口４８を通ってチャンバ５０に流れることができる）と、弁部材５２の反対側の端５４が第２の出口４８と関連した受座に係合し、第２の出口４８を閉鎖するが、流体が入口４４からチャンバ５０を通って第１の出口４６に流れることができるようにする第２の位置との間で往復運動可能に案内される。また、弁部材５２は、出口（４６，４８）のどれも閉鎖されない中央位置を取ることができる。図３は、ダンプ弁４２を弁部材５２がその第２の位置にある状態で、即ち、流体がアクチュエータ（例えば、ピストン、ベロー等）内に流入することができる状態で示している。電磁式又は機械式アクチュエータ装置５８を設けて弁部材５２を駆動するのが良い。弁部材５２がいったんその第１の位置に動かされると、弁部材５２は、第１の出口４６を閉鎖し、それに代わり、チャンバ５０と第２の出口４８が互いに連通することは理解されよう。関連のアクチュエータ（例えば、シリンダ、ベロー等）内の流体圧力は低下することができ、流体は排出出口（例えば、第２の出口４８又は別個の排出出口）を通って逃げ出ることができ、かくしてアクチュエータとしてのベロー、ピストン等は、引っ込み状態に戻ることができるということは理解されよう。
【００２７】
ダンプ弁４２は、高圧流体源（例えば、「駆動」状態において）と低圧シンク（例えば、「放出（ダンプ）」状態において）との間で機械式アクチュエータ手段（例えば、ピストン、ベロー等）を切り替えることができる。ダンプ弁４２は、例えば、アクチュエータを駆動するために原動力としての流体として掘削泥水１６を用いると閉ループ系又は開ループ系で用いることができる。ダンプ状態では、流体は、ピストン、ベロー等の運動（例えば、引っ込み）に従ってアクチュエータ（３４，３６）のピストン、ベロー等から流出するようになる。
【００２８】
アクチュエータ（３４，３６）は、ツールを代表的な地層１４を基準として定められる所望の方向にかじ取りするよう選択的に作動可能である。この実施形態では、ツールフェース２８の方向２６が全体として坑井１２の進む方向を定めるので、ツールフェース２８又は傾動可能ジョイント６を介して取り付けられた他の装置の方向２６を求めることが望ましい場合がある。例えば、アクチュエータ（３４，３６）の作動を司るモニター又は制御システムが、坑底組立体４及び／又は地層１４に対するツールフェース２８の方向２６を利用するのが良い。
【００２９】
具体的に説明すると、向き及び／又は角変位を求めることが望ましい場合がある。例えば、坑底組立体４に対する傾動可能ジョイント６の向きを求めるのが良い。追加的に又は代替的に、向き及びずれの大きさを含む角変位を求めるのが良い。例えば、坑底組立体４に対する傾動可能ジョイント６の角変位を求めるのが良い。
【００３０】
傾動可能ジョイント６が向いている方向２６を機械的に測定するのではなく、方向センサとして働くアクチュエータ（３４，３６）の特徴を利用するのが良い。例えば、放出状態中における作動流体の圧力、即ち排出圧力は、傾動可能ジョイント６が向いている方向２０を求めるのに有用な場合がある。例えば図３に示されている圧力センサ６０は、アクチュエータ（３４，３６）の排気圧力と連絡関係をなすことができる。圧力センサ６０を設けることに伴って行うのが良い最小限度の変更を行う仕方の１つは、圧力センサ６０からの電力と信号の両方のためにダンプ弁４２と同一の配線を用いることである。
【００３１】
放出された作動流体の排出圧力は、傾動可能ジョイント６が向いている方向を求めるうえで多くの実施形態で採用可能である。排出圧力とアクチュエータ（３４，３６）の運動との関係を把握するのが良い。具体的に説明すると、一実施形態では、アクチュエータ（３４，３６）からの排出圧力を用いると、アクチュエータ（３４，３６）からの流体の流量を導き出すことができる。圧縮性及び／又は非圧縮性の流れに関するベルヌーイの方程式を用いると、当業者には知られているように、排出圧力から流量を導き出すことができる。すなわち、この実施形態では、体積流量を求めるのに密度がどれくらいであるかを既に知っている状態で圧力を測定することができる。入口圧力を測定することは、圧力の変化が入口流量並びに出口流量に現れるので、この方法のもう一つの変形例である。入口流量は、どのピストンが開かれているかを判定するためにパッド開放シーケンスと相関関係がある全てのパッドのための単一のセンサによって測定される。例えば、アクチュエータ内への流体の流れは、例えば坑井１２の環状域とアクチュエータ（３４，３６）との間の圧力差によって引き起こされる場合がある。圧力差、流体密度及び／又は吐出係数を知ることができ、かくして、流量を導き出すことができる。流量は、流れ面積に流体の速度を乗算した値に等しい。流量を所与の時間間隔にわたって積分すると、アクチュエータ、例えばシリンダ内で動いているピストンの運動の時刻歴を得ることができる。流量の積分値は、この時間間隔にわたってアクチュエータ（３４，３６）から排出された流体の体積である。作動レベルに対応した排出流体の体積（例えば、アクチュエータの全容量）が既知なので、アクチュエータの運動をこの１組の体積データから計算することができる。例えば、アクチュエータから排出された流体の既知の体積を既知のアクチュエータ変位に相関させることができる。相関では、傾動可能ジョイント６又は具体的にはそのアクチュエータを所望の向き及び／又は角変位状態に配置し、この配置ステップによって生じた対応の排出圧力又は排出流体の体積を測定するのが良い。アクチュエータの運動を組み合わせると、作動状態データセットを生じさせることができる。
【００３２】
作動状態（例えば、アクチュエータの運動）が知られている状態では、例えばアクチュエータと傾動可能ジョイント６の機械的関係を知ることができるので、傾動可能ジョイント６の対応の運動を計算することができる。傾動可能ジョイント６またはより具体的にはその偏向可能部分の運動を坑底組立体４及び／又は地層１４に対する向き及び／又は角変位として基準にすることができる。例えば、アクチュエータが可変ではない場合、例えば、傾動可能ジョイント６の最大又は最小偏向を達成するだけである場合、方向づけが望ましい場合がある。一実施形態では、方向づけは、傾動可能ジョイント６が坑底組立体４に対してずらされる半径方向の方向づけであるのが良い。方向づけの利用は、ずれの大きさを求めることが望ましくない場合に望ましい場合がある。例えば、傾動可能ジョイント６が常時ジョイントをその最大偏向レベルに至らせることができる場合、斜め角（スキューアングル）Ａが分かり、向きを考慮すると、地層１４に対するツールフェース２８の向いている方向（例えば、傾き及び方位）を解明することができる。
【００３３】
また、圧力センサ６０を利用すると、１組の排出流量を積分しないで、傾動可能ジョイント６の向き及び／又は角変位を求めることができる。一実施形態では、傾動可能ジョイント６の既知の向き及び／又は角変位を１組の既知の排出圧力に相関させるのが良い。既知の排出圧力は、例えば放出状態にあるアクチュエータから排出された流体のピーク排出圧力であるのが良い。既知の向き及び／又は角変位に対応した１組の既知の排出圧力を地層１４内での傾動可能ジョイントの使用前に把握することができる。次に、測定した排出圧力を１組の既知の排出圧力と比較してその測定された排出圧力に関する対応の向きを得るのが良い。かかる実施形態では、対応の向きは、測定された排出圧力状態における向きである。
【００３４】
アクチュエータを半径方向に配置することができ、例えば坑底組立体４の軸線３０回りに円周方向に配置することができるので、坑底組立体４に対する傾動可能ジョイント６の向き及び／又は角変位を求めるためにアクチュエータからの排出圧力を利用することができる。一実施形態では、ピーク排出圧力は、アクチュエータ、例えばシリンダ内のピストン、ベロー等を引っ込めたときに流体が排出される場合に流れの絞りに打ち勝つのに必要な圧力によって生じる。このピーク排出圧力を測定し、これを傾動可能ジョイント６の既知の向き及び／又は角変位に対応した既知のピーク排出圧力と比較することにより、測定したピーク排出圧力に対応した傾動可能ジョイント６の向き及び／又は角変位を求めることができる。
【００３５】
一実施形態では、ピーク排出圧力をダンプ弁４２の作動信号に関連付けて傾動可能ジョイント６の位置（例えば、向き及び／又は角変位）を求めることができる。傾動可能ジョイント６が必要とされる発火角度に正確に位置している場合、放出状態の間、傾動可能ジョイント６及びピーク排出圧力は、この実施形態では１８０°の位相外れの状態にある。傾動可能ジョイント６が異なる位置にある場合、ピーク排出圧力は、発火角度に対して別の位置にある。さらに、角変位を用いると、時間間隔にわたる角変位量を求めることができる。
【００３６】
この方法にもかかわらず、正確さを得るために排出圧力測定値を更に操作することができる。再び図３の実施形態を参照すると、圧力センサ６０によって生の排出圧力に戻す。排出圧力は、排出ポートの前後の圧力（例えば、流体供給圧力及び流体戻り圧力）に依存している場合がある。流体供給圧力（例えば、ポート４４のところ）及び／又は流体戻り圧力（例えば、第２の出口４８から見て下流側のところ）を測定して圧力センサ６０によって測定された排出圧力から差し引くのが良い。流体戻り圧力は、坑底組立体４と坑井１２との間の環状域内の圧力であるのが良い。かかる方法は又、傾動可能ジョイント６に対する衝撃によりダンプ弁４２が駆動状態で通電された状態でも測定可能なスパイクがアクチュエータ排出圧力（例えば、シリンダ内のピストン、ベロー等）に生じた場合にも利用できる。
【００３７】
傾動可能ジョイント６が坑底組立体４に対して向いている方向（例えば、向き及び／又は角変位）を求めた後、地層１４に対する方向、具体的に言えば、地層に対する傾動可能ジョイント６の傾き及び方位を求めることができる。これは、坑底組立体４を例えば回転式操向性掘削方式において回転させる場合に望ましい場合がある。傾動可能ジョイント６は、坑底組立体４も又回転しているときに、使用中、坑底組立体４の軸線３０に対して章動状態であるのが良い。
【００３８】
坑底組立体４の傾き及び方位を提供することにより、傾動可能ジョイント６の傾き及び方位、例えばツールフェース２８の傾き及び方位を求めるには、坑底組立体４の傾き及び方位を求めることができる。傾き及び方位のデータを提供する非限定的な方法の１つは、当該技術分野において知られているように適当な測定装置を坑底組立体４内に配置することである。坑底組立体４に対する傾動可能ジョイント６の向き及び／又は角変位を利用すると、地層１４に対する傾動可能ジョイント６の傾き及び方位を解明することができる。一実施形態では、スリーブは、図２に示されているように、ゼロ偏向（例えば、坑底組立体４の軸線３０と同軸である）と最大偏向Ａとの間に延びるのが良い。求めた向き（例えば、傾動可能ジョイント６がどの半径方向に向いているか）を利用すると、地層１４に対する傾動可能ジョイント６の傾き及び方位を解明することができる。解明は、当該技術分野において知られているように幾何学的計算を含むのが良い。傾動可能ジョイント６が向いている方向（例えば、向き、角変位及び／又は傾き及び方位）をリアルタイムで計算することができる。
【００３９】
圧力信号の大きさは、流体特性、即ち、掘削泥水に依存する場合があり、将来において、全てのアクチュエータ（３４，３６）が同一の流体を受け入れる実施形態では、傾動の大きさが適当なレシオメトリック法では分からない場合でも向きを求めることができる。  角変位は向きとずれの度合いの両方を含み、かかる角変位を地層に対する坑底組立体４の傾き及び方位と共に用いると、地層１４に対する傾動可能ジョイント６の傾き及び方位を解明することができる。かくして、傾動可能ジョイント６と坑底組立体４との間の角変位を直接求めることなく、傾動可能ジョイント６の傾き及び方位（例えば、ドリルビット２４のツールフェース２８のビット軸線方向２６）を求めることができる。
【００４０】
上述のステップの任意の組み合わせ又は全てをコンピュータで実施することができる。上述の任意の方法により得られたアクチュエータ状態（例えば、圧力）に関するデータは、ノイズのあることが分かる場合がある。理解されるように、所望に応じてフィルタリング又は他の信号調整方法を利用するのが良い。例えば排出圧力データの信号品質を制御する別の方式は、信号品質尺度を創出することである。かかる方式は、尺度、例えばＳＮ比を用いるのが良く、或いは、測定した信号の大きさと信号の移動平均を比較して何らかの迅速な可撓的状態により、電流サンプルが無効になったかどうかを判定する手法を用いることができる。信号の頻出に基づいて信号に重み付けして不正確な信号データを無視し、システムが外側ループ制御に戻るようにする論理を導き出すのが良い（例えばファジー論理を用いて）。
【００４１】
多くの実施形態及びその変形例を開示した。上述の内容は、本発明者によりなされた本発明を実施する際の最適実施形態であると考えられる形態に関するが、考えられる全ての変形例を開示したわけではない。その理由で、本発明の範囲（先行技術に対する限定）は、上述の説明には限定されず、これとは異なり、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【図１】
2010535302.tif 000003
【図２】
2010535302.tif 000004
【図３】
2010535302.tif 000005
【国際調査報告】
2010535302.tif 000006
2010535302.tif 000007
2010535302.tif 000008