(57)【要約】  本発明は、主ドリル孔を包囲する地層中に横孔を掘削するのに、小径ＢＨＡの展開にそれほどの中断を必要としない有用な装置及び方法に関する。本発明による掘削装置は、１次掘削アセンブリの一部分を形成するドリルカラーを有し、ドリルカラーは、その側部に、外向きに開口した溝を有する。掘削装置は、更に、２次掘削アセンブリを有し、２次掘削アセンブリは、管状のドリルストリングと、ドリルストリング内に設けられた掘削モータと、掘削モータに連結されたドリルビットとを有し、ドリルストリングは、その一端がドリルカラーに連結され、ドリルビットは、ドリルストリングの他端に取付けられる。２次掘削アセンブリは、ドリルビットが上記溝内に着座する第１位置と、ドリルビットがドリルカラーの側部の溝から横方向に突出する第２位置との間を移動可能であるように、ドリルカラー内に取付けられる。
2010538187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削装置であって、
１次掘削アセンブリの一部分を形成するドリルカラーを有し、前記ドリルカラーは、その側部に、外向きに開口した溝を有し、
更に、２次掘削アセンブリを有し、前記２次掘削アセンブリは、管状のドリルストリングと、前記ドリルストリング内に設けられた掘削モータと、前記掘削モータに連結されたドリルビットとを有し、前記管状のドリルストリングは、その一端が前記ドリルカラーに連結され、前記ドリルビットは、前記ドリルストリングの他端に取付けられ、
前記２次掘削アセンブリは、前記ドリルビットが前記溝内に着座する第１位置と、前記ドリルビットが前記ドリルカラーの側部の溝から横方向に突出する第２位置との間を移動可能であるように、前記ドリルカラー内に取付けられる、掘削装置。
【請求項２】
前記２次掘削アセンブリは、前記ドリルカラー内に摺動可能に取付けられたピストンを有し、
前記管状のドリルストリングは、前記ドリルカラーの内側を延び、前記ドリルストリングの一端は、前記ピストンに連結され、
前記第１位置と前記第２位置との間を移動中、前記ピストンは、前記ドリルカラー内で前進させられる、請求項１に記載の掘削装置。
【請求項３】
前記溝は、前記ドリルカラーの外面まで傾斜した傾斜下端部を有する、請求項１又は２に記載の掘削装置。
【請求項４】
前記溝は、前記ドリルカラーに連結された掘削ツールのツールフェースに合わせられ、その結果、前記ツールフェースを特定の方向に差し向けることにより、それに対応する仕方で前記溝の向きが定められる、請求項１〜３の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項５】
前記ドリルカラーは、摺動シャッタを有し、前記摺動シャッタは、前記溝が覆われる第１の位置と、前記溝が開口する第２の位置との間を移動可能である、請求項１〜４の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項６】
更に、前記２次掘削アセンブリを前記第２位置から前記第１位置に移動させる引込めシステムを有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項７】
前記溝は、摺動シールを有し、
前記２次掘削アセンブリをその第２位置に移動させるとき、前記ドリルストリングは、前記摺動シールを貫いて突出する、請求項１〜６の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項８】
更に、伝動シャフトを有し、前記伝動シャフトは、前記ドリルビットを前記掘削モータに連結するように前記ドリルストリングの中を延びる、請求項１〜７の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項９】
前記ドリルビットは、支持ハウジングを有し、前記支持ハウジングは、前記ドリルビットと前記伝動シャフトとの間の連結部を含む、請求項８に記載の掘削装置。
【請求項１０】
前記支持ハウジングは、更に、曲がりハウジングを含む、請求項９に記載の掘削装置。
【請求項１１】
前記支持ハウジングは、更に、測定装置を収容する、請求項９又は１０に記載の掘削装置。
【請求項１２】
前記ピストンは、更に、圧力リリーフ弁を有し、前記圧力リリーフ弁は、流体が前記ドリルカラーに沿って流れることを、前記ピストンを移動させることなしに可能にする、請求項１〜１１の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項１３】
前記掘削モータは、レギュレータを有し、前記レギュレータは、モータ速度に従ってバイパスの開度を制御する、請求項１２に記載の掘削装置。
【請求項１４】
前記掘削モータは、サイレンを有し、前記サイレンは、前記ピストンに連結されたステータと、前記ステータに隣接して取付けられ且つ前記ドリルビットに連結されたロータを含む、請求項１〜１３の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項１５】
前記ロータは、捩りばねを介して前記ドリルビットに連結される、請求項１４に記載の掘削装置。
【請求項１６】
更に、前記ロータを、前記ステータに対する開放位置に押圧する手段を有する、請求項１４又は１５に記載の掘削装置。
【請求項１７】
前記押圧手段は、前記ロータ及び前記ステータに設けられた磁石を含む、請求項１６に記載の掘削装置。
【請求項１８】
更に、前記サイレンの作動によって引き起こされる圧力パルスを検出して信号を生じさせる圧力検出器と、前記信号を用いて前記２次掘削アセンブリの作動を制御する制御システムと、を有する請求項１４〜１７の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項１９】
前記ピストンは、バイパスを有し、前記バイパスは、前記ピストンを移動させることなしに、流体が前記ドリルカラーに沿って流れることを可能にする、請求項１〜１８の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項２０】
前記２次掘削アセンブリが前記第２位置に向かって移動するとき、前記ロータ及び前記ステータの角度方向位置を調節する手段を有する、請求項１４〜１９の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項２１】
前記調節手段は、前記ドリルカラーに設けられ且つカム面を構成する溝を有し、
前記２次掘削アセンブリが移動するとき、ロータ位置決めキーが前記カム面に沿って摺動する、請求項２０に記載の掘削装置。
【請求項２２】
前記ドリルカラーは、前記２次掘削アセンブリに作用することができる作動可能なクランプ装置を有し、
前記２次掘削アセンブリを前記ドリルカラーにクランプするように前記クランプ装置を作動させることにより、前記２次掘削アセンブリを移動させる前記ドリルカラーの移動を可能にし、
前記２次掘削アセンブリを解放するように前記クランプ装置を作動させることにより、前記１次掘削アセンブリと前記２次掘削アセンブリの独立した移動を可能にする、請求項１〜２１の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項２３】
前記クランプ装置は、前記２次掘削アセンブリに作用する１対の回動式偏心体を有する、請求項２２に記載の掘削装置。
【請求項２４】
更に、前記２次掘削アセンブリの作動によって生じるトルクに抵抗する手段を有する、請求項１〜２３の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項２５】
前記抵抗手段は、前記ドリルストリングに設けられた細長いキーを含み、前記細長いキーは、それに対応する前記ドリルカラーの溝に係合する、請求項２４に記載の掘削装置。
【請求項２６】
前記抵抗手段は、前記掘削モータの上方に位置する前記ドリルストリングの延長部を有し、前記延長部は、前記ドリルストリングに設けられた細長いキーを有し、前記細長いキーは、それに対応する前記ドリルカラーの溝に係合する、請求項２５に記載の掘削装置。
【請求項２７】
前記抵抗手段は、非円形断面を有するドリルストリングを有し、前記ドリルストリングは、それに対応するように形作られたシールを貫き且つ摺動する、請求項２４に記載の掘削装置。
【請求項２８】
更に、前記２次掘削アセンブリを前記第２位置から前記第１位置に移動させる回収ラインを連結するための取付け箇所を、前記２次掘削アセンブリに有する、請求項１〜２７の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項２９】
更に、前記２次掘削アセンブリを前記第２位置から前記第１位置に移動させる前記ドリルカラー内の流体の流れを前記ピストンの下側に差し向けるように作動可能な２次ピストンバイパス及び弁装置を有する、請求項１〜２８の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項３０】
更に、前記２次掘削アセンブリを前記溝から押出すように作動可能な制御機構を有する、請求項１に記載の掘削装置。
【請求項３１】
前記２次掘削アセンブリは、枢動部を介して前記ドリルカラーに連結される、請求項３０に記載の掘削装置。
【請求項３２】
前記ドリルストリングは、可撓性である、請求項３０又は３１に記載の掘削装置。
【請求項３３】
前記２次掘削アセンブリは、前記ドリルカラー内に設けられたクローラ装置を有し、
前記管状のドリルストリングの一端は、前記クローラ装置に連結され、前記ドリルストリングは、前記ドリルカラーの内側を延び、
前記第１位置と前記第２位置との間での移動中、前記クローラ装置は、前記ドリルカラー内で前進させられる、請求項１に記載の掘削装置。
【請求項３４】
前記１次掘削アセンブリは、窓を孔ケーシングに孔あけするように構成され、前記２次掘削アセンブリは、前記窓を通って前進させられる、請求項１〜３３の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項３５】
請求項１〜３４の何れか１項に記載の掘削装置を用いてドリル孔を掘削する方法であって、
主ドリル孔を掘削する工程と、
前記掘削装置を前記主ドリル孔内の予め決められた箇所に位置決めする工程と、
前記２次掘削アセンブリを作動させ、それにより、前記ドリルビットを前進させて前記第１位置から遠ざけ、前記主ドリル孔を包囲する地層中に横方向に掘削し、横ドリル孔を形成する工程と、
前記２次掘削アセンブリを前記第２位置に引込める工程と、を有する方法。
【請求項３６】
前記１次掘削アセンブリを用いて前記主ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
更に、前記２次掘削アセンブリが地層中を掘削している間、前記ドリルカラーを前進させる工程を有する、請求項３５又は３６に記載の方法。
【請求項３８】
更に、前記２次掘削アセンブリが前記地層中を掘削している間、前記主ドリル孔内において短い距離にわたって前記ドリルカラーの前進と引込めを交互に実施する工程を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記主ドリル孔は、ケーシングで内張りされ、
更に、前記１次掘削アセンブリを用いて前記ケーシングに窓を開け、その後、前記２次掘削アセンブリを作動させて、前記窓の中を通し、前記地層の中を掘削させる工程を有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
更に、前記２次掘削アセンブリを使用して、Ｓ字形の横ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項３５〜３９の何れか１項に記載の方法。
【請求項４１】
更に、前記２次掘削アセンブリを使用して、螺旋経路を有する横ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項３５〜３９の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主ドリル孔を包囲する地層中に横ドリル孔を掘削するのに有用な装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多数の横孔（主ドリル孔から延びる多数の小径のドリル孔）が、多数の場所で掘削されている。この主要な動機付けは、全体的な掘削費を最小にしながら、貯留部との接触を向上させることにある。また、これらの使用は、海洋プラットフォームでの限られたテンプレートの利用によって制限されることによっても動機付けされることがある。多くの場合、多数の横孔の掘削は、多くの時間を消費する多数回のトリップ（trip）又は管の揚げ降しを伴う複雑な作業が必要である。横孔の仕上げも複雑な作業であり、親孔との交差部が、横孔の質を定め且つ産出を管理する方法を定める重要な要素である。
【０００３】
最近、ほとんど掘削装置によって支持することなしに、小径の横孔を迅速に掘削する幾つかの技術が開発された。横孔を、ワイヤラインケーブルを介して作動されるシステムによって掘削する幾つかの方法が提案された。かかる方法によれば、地表までの連結装置としてのドリルストリング又はコイルチューブ材を用いることなしに、横孔を掘削することができる。かかる技術の例は、欧州特許第１５５９８６４号明細書、国際公開第２００４／０７２４３７号パンフレット、及び同第２００４／０１１７６６号パンフレットに見られる。また、長い孔（典型的には、長さが１メートル、直径が数センチメートル）を掘削する多数の掘削ツールが知られている。
【０００４】
先行技術のシステムの一例は、コープロ・システムズ・リミテッド（Corpro Systems Ltd）製のＳＣＯＲＥ１００型ツールであり、このツールは、主（１次）ボトムホールアセンブリ（主ＢＨＡ）から動作する。主ＢＨＡは、修正されたドリルカラーを有し、ドリルカラーは、一体形ホイップストックを収容する。特別なドリルカラーを主ドリル孔内の必要深さに位置決めして、ワイヤラインケーブルに取付けられた特別な小径ＢＨＡを、主ドリルストリングの内側で下降させる。この小径ＢＨＡは、コアバレルと、コアバレルを回転させる小型掘削モータと、アンカ（固定具）と、前進移動（侵入（ＲＯＰ）及びビット荷重（ＷＯＢ（Weight-on-bit））を生じさせる押圧システムと、流れを小型モータに差し向けるように膨らまし可能なパッカを有する。次いで、かかるシステム自体を、ドリルカラーの内側に固定し、ビット荷重を生じさせるジャキシステムによって前方に押す。地表ポンプは、泥水の流れを生じさせ、この泥水の流れは、小型モータを作動させると共に、小径の横孔を掃除する。軸線方向押込みの開始時、小径ＢＨＡの先端部を、一体形ホイップストックによって主ＢＨＡの外側に押し、次いで、開放孔から地層に入れる。横孔の軸線は、典型的には、主ドリル孔の軸線に対して３〜６°傾斜している。かかるシステムは、１００フィート（３０．５ｍ）まで小径の孔を掘削することができる。かかるシステムは、典型的には、心抜きのために用いられる。ワイヤラインケーブル及び掘削ツールは、特にＲＯＰ及びビット荷重のためのプロセスのダウンホール制御を行う。ワイヤラインケーブル及び掘削ツールはまた、ゆっくりとした移動を確保するために、ドリルカラー内におけるシステムの固定を制御する。横孔又は心抜きプロセスが完了したら、ワイヤラインケーブルを用いて、小径ＢＨＡを引揚げる。カラーの窓は、典型的には、アルミニウムボールで塞がれ、小径ＢＨＡによって孔あけされる。欧州特許第１２４７９３６号明細書は、この技術の他の詳細を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第１５５９８６４号明細書
【特許文献２】国際公開第２００４／０７２４３７号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２００４／０１１７６６号パンフレット
【特許文献４】欧州特許第１２４７９３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、小径ＢＨＡを展開するのにそれほどの中断を必要とすることなしに、横孔の効果的な掘削に利用できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、掘削装置であって、１次掘削アセンブリの一部分を形成するドリルカラーを有し、ドリルカラーは、その側部に、外向きに開口した溝を有し、掘削装置は、更に、２次掘削アセンブリを有し、２次掘削アセンブリは、管状のドリルストリングと、ドリルストリング内に設けられた掘削モータと、掘削モータに連結されたドリルビットとを有し、管状のドリルストリングは、その一端がドリルカラーに連結され、ドリルビットは、ドリルストリングの他端に取付けられ、２次掘削アセンブリは、ドリルビットが前記溝内に着座する第１位置と、ドリルビットが前記ドリルカラーの側部の溝から横方向に突出する第２位置との間を移動可能であるように、ドリルカラー内に取付けられる、掘削装置を提供する。
【０００８】
本発明の特に好ましい１つの実施形態では、２次掘削アセンブリは、ドリルカラー内に摺動可能に取付けられたピストンを有し、管状のドリルストリングは、ドリルカラーの内側を延び、ドリルストリングの一端は、ピストンに連結され、第１位置と第２位置との間を移動中、ピストンは、ドリルカラー内で前進させられる。
【０００９】
好ましくは、溝は、ドリルカラーの外面まで傾斜した傾斜下端部を有する。溝は、ドリルカラーに連結された掘削ツールのツールフェースに合わせられ、その結果、ツールフェースを特定の方向に差し向けることにより、それに対応する仕方で溝の向きが定められるのがよい。ドリルカラーは、摺動シャッタを有し、摺動シャッタは、溝が覆われる第１の位置と、溝が開口する第２の位置との間を移動可能であるのがよい。溝は、摺動シールを更に有するのがよく、２次掘削アセンブリをその第２位置に移動させるとき、ドリルストリングは、摺動シールを貫いて突出する。
【００１０】
掘削装置は、更に、２次掘削アセンブリを第２位置から第１位置に移動させる引込めシステムを有するのがよい。
【００１１】
好ましくは、ドリルビットを掘削モータに連結するようにドリルストリングの中を延びる伝動シャフトが設けられる。ドリルビットは、支持ハウジングを有し、支持ハウジングは、ドリルビットと伝動シャフトとの間の連結部を含むのがよい。支持ハウジングはまた、測定装置、例えばＬＷＤ(logging while drilling)センサ又はＭＷＤ(measurement while drilling)センサを収容するのがよい。
【００１２】
ピストンは、典型的には、流体がドリルカラーに沿って流れることを、ピストンを移動させることなしに可能にする圧力リリーフ弁を更に有する。
【００１３】
掘削モータは、モータ速度に従ってバイパスの開度を制御するレギュレータを有するのがよい。掘削モータは、サイレンを有し、サイレンは、ピストンに連結されたステータと、ステータに隣接して取付けられ且つドリルビットに連結されたロータを含むのが特に好ましい。この場合、ロータは、捩りばねを介してドリルビットに連結されるのがよい。また、ロータをステータに対する開放位置に押圧する手段、例えば磁石を設けることが好ましい。
【００１４】
更に、サイレンの作動によって引き起こされる圧力パルスを検出して信号を生じさせる圧力検出器と、その信号を用いて２次掘削アセンブリの作動を制御する制御システムとが設けられるのがよい。
【００１５】
ピストンは、好ましくは、バイパスを有し、バイパスは、ピストンを移動させることなしに、流体がドリルカラーに沿って流れることを可能にする。
【００１６】
１つの実施形態では、２次掘削アセンブリが第２位置に向かって移動するとき、ロータ及びステータの角度方向位置を調節する手段が設けられる。この手段は、カム面を構成する溝をドリルカラーに有するのがよく、２次掘削アセンブリが移動しているとき、ロータ位置決めキーがカム面に沿って摺動する。
【００１７】
ドリルカラーは、２次掘削アセンブリに作用することができる作動可能なクランプ装置を有するのがよく、２次掘削アセンブリをドリルカラーにクランプするようにクランプ装置を作動させることにより、２次掘削アセンブリを移動させるドリルカラーの移動を可能にし、２次掘削アセンブリを解放するようにクランプ装置を作動させることにより、１次掘削アセンブリと２次掘削アセンブリの独立した移動を可能にする。１つの実施形態では、クランプ装置は、２次掘削アセンブリに作用する１対の回動式偏心体を有する。
【００１８】
２次掘削アセンブリの作動によって生じるトルクに抵抗する手段を有することが好ましい。抵抗手段は、ドリルストリングに設けられた細長いキーを含み、細長いキーは、それに対応するドリルカラーの溝に係合する。好ましくは、抵抗手段は、掘削モータの上方に位置するドリルストリングの延長部を有し、延長部は、ドリルストリングに設けられた細長いキーを有し、細長いキーは、それに対応するドリルカラーの溝に係合する。また、好ましくは、抵抗手段は、非円形断面を有するドリルストリングを有し、ドリルストリングは、それに対応するように形作られたシールを貫き且つ摺動する。
【００１９】
更に、２次掘削アセンブリを第２位置から第１位置に移動させる回収ラインを連結するための取付け箇所を、２次掘削アセンブリに有するのがよい。
【００２０】
更に、２次掘削アセンブリを第２位置から第１位置に移動させるドリルカラー内の流体の流れをピストンの下側に差し向けるように作動可能な２次ピストンバイパス及び弁装置を有するのがよい。
【００２１】
別の実施形態としての掘削アセンブリは、２次掘削アセンブリを溝から押出すように作動可能な制御機構を更に有する。この場合、２次掘削アセンブリは、枢動部を介してドリルカラーに連結されるのがよく、ドリルストリングは、可撓性であるのがよい。
【００２２】
変形実施形態では、２次掘削アセンブリは、ドリルカラー内に設けられたクローラ装置を有し、管状のドリルストリングの一端は、クローラ装置に連結され、ドリルストリングは、ドリルカラーの内側を延び、第１位置と第２位置との間での移動中、クローラ装置は、ドリルカラー内で前進させられる。
【００２３】
上述の掘削アセンブリでは、１次掘削アセンブリは、窓を孔ケーシングに孔あけするように構成され、２次掘削アセンブリは、窓を通って前進させられる。
【００２４】
また、上述した掘削装置を用いてドリル孔を掘削する方法であって、主ドリル孔を掘削する工程と、掘削装置を主ドリル孔内の予め決められた箇所に位置決めする工程と、２次掘削アセンブリを作動させ、それにより、ドリルビットを前進させて第１位置から遠ざけ、主ドリル孔を包囲する地層中に横方向に掘削し、横ドリル孔を形成する工程と、２次掘削アセンブリを第２位置に引込める工程と、を有する方法が提供される。
【００２５】
１次掘削アセンブリを用いて主ドリル孔を掘削するのがよい。
【００２６】
この方法は、更に、２次掘削アセンブリが地層中を掘削している間、ドリルカラーを前進させる工程を有するのがよい。一例では、この方法は、更に、２次掘削アセンブリが地層中を掘削している間、主ドリル孔内において短い距離にわたってドリルカラーの前進と引込めを交互に実施する工程を有するのがよい。
【００２７】
主ドリル孔がケーシングで内張りされている場合、この方法は、好ましくは、更に、１次掘削アセンブリを用いてケーシングに窓を開け、その後、２次掘削アセンブリを作動させて、窓の中に通し、地層の中を掘削させる工程を有する。
【００２８】
本発明は、主ＢＨＡ（１次掘削アセンブリ）と、その中に設置された小径ＢＨＡ（２次掘削アセンブリ）の組合せに基づく。主ＢＨＡは、実質的に従来方式でのドリル孔の掘削を可能にする。主ＢＨＡは、例えば回転式の操縦可能なシステム又はモータ、ＭＷＤ装置及び／又はＬＷＤ装置等のような装置を有するのがよい。主ＢＨＡは、小径ＢＨＡを含む特別なドリルカラーを有する。特に、特別なカラーは、小径ＢＨＡが主ＢＨＡの内側ボアからその外側に移動することができるようにする窓又は溝を有する。修正されたホイップストックを窓カラー内に組込むのがよい。
【００２９】
横孔の掘削中、主ＢＨＡは、準静止状態にある。小径ＢＨＡは、好ましくは操縦可能なモータを有し、このモータを前方に押すことができ、かかるモータは、地層に入る。次に、適正な操縦により、小径横孔を主ドリル孔から離れる方向に掘削するのがよい。掘削は、通常、摺動モードで行われる。横孔掘削を完了したら、小径ＢＨＡを主ＢＨＡ内に引込める。次に、主ＢＨＡは、主ドリル孔内での通常の活動、例えばより深いところへの掘削を再開することができる。
【００３０】
好ましい解決策では、具体例は、機械式システムを利用している。
【００３１】
また、２つのＢＨＡシステムは、ケーシングが設けられた孔の中で作動可能である。この場合、第１のビットは、ケーシングに窓を開けるミルに置き換えられる。この場合、小径ＢＨＡは、トリップ（管の揚げ降し）無しに横孔を掘削することができる。
【００３２】
基本的な技術的思想の特定の改造例としては、小径ＢＨＡは、物理検層（logging）を主ドリル孔から離れて実施できるよう計装されるのがよいこと、２つのＢＨＡにより多数の貯留部適用例を向上させると共に開発できること、産出流体が横孔に入り、そして主ドリル孔中に流れ込んでいる状態で、特別な結合部を具体化して主ドリル孔から横孔内への循環を保証するのがよいことが挙げられる。この技術は、重油適用例及び地層中での産出流体の特別な処理にとって特に興味のあるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を用いて掘削された横ドリル孔を示す図である。
【図２】本発明を用いて掘削された横ドリル孔を示す図である。
【図３】本発明による装置の１つの実施形態を示す図である。
【図４】本発明による装置の１つの実施形態を示す図である。
【図５】図３及び図４の実施形態の一部の詳細図である。
【図６】図３及び図４の実施形態の一部の詳細図である。
【図７】本発明による装置の第２の実施形態を示す図である。
【図８】図７のサイレンの平面図である。
【図９】図７のサイレンについての回転数に対する開度％を示すグラフである。
【図１０】図７のサイレンについてのモータ回転数に対する時間平均開度％を示すグラフである。
【図１１】図７のサイレンについてのモータ回転数に対する時間平均圧力差（Δ圧力）を示すグラフである。
【図１２】様々なモータ曲線についての回転数に対するビット荷重を示すグラフである。
【図１３】本発明による装置の第３の実施形態のサイレンについての時間に対する変調信号を示すグラフである。
【図１４】本発明による装置の第３の実施形態の一部を示す図である。
【図１５】本発明による装置の第４の実施形態を示す図である。
【図１６】好ましい方法による本発明の実施形態の作動を示す図である。
【図１７】本発明による装置の第５の実施形態を示す図である。
【図１８】本発明による装置を用いて掘削された孔経路を示す図である。
【図１９】本発明による装置を用いて掘削された孔経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の目的は、横孔及び／又は主ドリル孔の連続して行われる掘削作業と掘削作業の間のトリップ（菅の揚げ降し）を必要とすることなしに、多数の小径の横孔１０を主ドリル孔１２から掘削するためのシステムを提供することにある（図１及び図２参照）。
【００３５】
横孔１０の長さは、典型的には、１５〜１００フィート（４．５７〜３０．４８ｍ）の範囲内であり、直径は、１．５〜３．５インチ（３．８１〜８．８９ｃｍ）の範囲で変化し、上下方向の隔たり１４は、１ｍ未満である。横孔の経路は、主ドリル孔に対してほぼ垂直な方向に達するほぼ一定の半径のものであり、この場合、横孔の曲率半径は、典型的には、１０〜５０フィート（３．０５〜１５．２４ｍ）であり、これは、主ドリル孔１２から遠ざかって最大２０ｍまでの侵入深さ１６（図１参照）に至っている。他の適用例に関し、横孔の経路は、真っ直ぐであってもよく（図２参照）、主ドリル孔１２から２〜７°の角度１８だけ傾斜した軸線を有している。
【００３６】
主ＢＨＡは、達成すべき目的に応じて、在来の構成要素で主に構成される。ＢＨＡは、明白なこととして、底部から始まるビットを有する。ＢＨＡは、回転式の操縦可能システム又は操縦可能なモータと、スタビライザと、撓み継手を有するのがよい。掘削目的に必要であれば、ＭＷＤ及びＬＷＤツールも追加されるのがよい。小径ＢＨＡシステムは、図３に示すように、特別なドリルカラー内に含まれる。
【００３７】
２つのＢＨＡは、主ＢＨＡ２０と、小径ＢＨＡ２２を含む。主ＢＨＡ２０は、主ドリル孔２４を掘削し、小径ＢＨＡ２２は、横孔を掘削する。２つのＢＨＡの幾つかの構成要素は、主ＢＨＡ２０内に直接設けられている。特に、横窓２８を有する特別なカラー２６により、小径ＢＨＡ２２が主ＢＨＡ２０から出て、主ドリル孔２４の一方の側の開口孔２４及び地層３０に入ることを可能にする。この窓付きカラー２６は、外溝３２を有し、外溝３２は、その下端が傾斜スライド部（即ち、ホイップストック）３４で終端している。窓を横孔掘削の開始前に正確な向きに差し向けるために、窓２８のツールフェースは、通常、主ＢＨＡ２０のＭＷＤ式ツールフェースに合わせられる。
【００３８】
小径ＢＨＡ２２は、主ＢＨＡ２０の内側で摺動する連続システムである。その最下端部は、窓付きカラー２６の外溝３２内に位置している。小径ＢＨＡは、窓付きカラー２６の外溝３２の一番上に設けられた軸線方向摺動シール３４を経て、主ＢＨＡ２０の内側から外側に進む。小径ＢＨＡ２２は、下から上に向かって、ドリルビット３６と、延長された伝動シャフト３９によってドリルビット３６を回転駆動することができる掘削モータ３８と、ドリルストリング４０と、小径ＢＨＡ２２をカラー２６から押出すことができるシステム（この実施形態では、フローバイパス４３を有する液圧ピストン４２であるが、機械式システムでもよい。）と、小径ＢＨＡ２２の作動の制御を可能にする制御ユニット４４（この制御ユニットは、機械式又は電気機械式のいずれかである）と、小径ＢＨＡ２２を必要なときに主カラー２２の内側に引込めることを可能にするシステム（この実施形態では、スリックラインが小径ＢＨＡを引揚げツールでつかんでそれを引き戻すことを可能にするスリックラインツールフック４６が設けられているが、後で説明するように他の方法でもよい。）と、小径ＢＨＡ２２が不作動であるべきときに、小径ＢＨＡ２２を主ＢＨＡ２０内にロックすることを可能にするラッチシステム（図示せず）とを有している。
【００３９】
使用にあたり（図４参照）、掘削流体を主ＢＨＡ２０に沿ってポンプ送りすると、小径ＢＨＡ２２が摺動ピストン４２によって前方に押され、ピストンに働く流体圧力により、小径ＢＨＡ２２のためのビット荷重を生じさせる。小径ＢＨＡ２２のビット３６を、最初、傾斜面（即ち、ホイップストック）３４によって横方向に押す。幾分かの変位又は押込み後、小径ＢＨＡ２２の前端部は、地層３０内に位置し、摺動モードにおける操縦可能なモータとして作用する。次に、この前端部は、傾き、横孔経路は、主ドリル孔２４から遠ざかる。
【００４０】
小径ＢＨＡ２２は、修正された操縦可能なモータを収容する。ビット（典型的には、直径が１．５〜３．５インチ（３．８１〜８．８９ｃｍ））が、従来の小型の操縦可能なモータのビットボックス／支持ハウジングとほぼ同じビットボックス／支持ハウジング４８に取付けられる。また、曲がりハウジングを支持ハウジング４８の上に設置し、その結果、モータが横孔５０を必要な方向に操縦する。曲がりハウジングが主ドリル孔２４を含む平面内に位置していれば、横孔５０の平面も、主２４を含んでいる。かかる曲がりハウジングの向きであれば、掘削作業者は、カラーをドリル孔内に位置決めするとき、窓付きカラー２６の方位角を考慮する必要があるに過ぎず、次いで、システムは、横孔５０を同一平面内に掘削する。
【００４１】
モータ部分３８を支持ハウジング４８内のシャフトに連結するドリルストリング４０は、曲がりハウジングの上方に設けられている。このことは、３０メートル（又はこれ以上）までの長さを可能にする。この長さにより、モータ出力部分３８は、主ＢＨＡ２０の内側に留まり、横孔５０の急カーブ内のところで撓まない。かかる設計であれば、モータ３８は、孔の曲率に起因する問題を生じさせない。
【００４２】
長い伝動シャフト３９は、孔の曲率に従うように横方向に可撓性である。更に、長い伝動シャフト３９は、ロータとビット駆動シャフトとの間の在来の自在継手に取って代わっている。この伝動シャフトは、曲げ（回転中の疲労と関連したまげ）並びに掘削トルクに起因する応力レベルに耐えるようにチタンで作られるのがよい。モータ３８は又、モータ３８の前後の流体圧力差に起因する下向きの力を生じさせる。また、この下向きの力は、長い伝動シャフト３９に付与され、シャフトに座屈を生じさせる傾向があり、従って、シャフトは、その長さ全体にわたってラジアル軸受（図示せず）によって支持されなければならないことがある。また、長い伝動シャフト３９の捩り共振を減衰するのに捩り減衰システム５２（図５参照）が必要とされることがある。
【００４３】
孔の小さい曲率に対応するために、支持ハウジング４８は、比較的短い。しかしながら、支持ハウジングは、更に、必要ならば、幾つかの測定装置を支持する小型のハウジング５６を有するのがよい。
【００４４】
かかるモータシステムであれば、横孔５０は、摺動モードで掘削される。モータシステムは、ほぼ一様な形成速度を有する。幾つかの場合、横孔５０を主ドリル孔２４とほぼ平行に（即ち、僅か数度のずれで）掘削することが適当である。この適用例では、ハウジング４８内で曲がらない直線モータを用いるのがよい。ずれは、一体形ホイップストック３４の勾配によって達成される。
【００４５】
長いモータは、支持ハウジング４８とモータ出力部分３８との間にドリルストリング４０を含む。ドリルストリング４０は、典型的には、１．２〜２．５インチ（３．０５〜６．３５ｃｍ）の直径を有する。このドリルストリングは、回転せず、ビット３６のためのビット荷重を伝達するに過ぎず、トルクは、長い内部伝動シャフト３９を介して伝達される。このドリルストリング４０は、地層３０との接触を最小にしながらカーブを通過するように可撓性である。幾つかの適用例では、この管は、高度な可撓性のためにチタン又は複合材（繊維及びエポキシ）で作られるのがよい。楕円形部分は、ビット荷重を適正に伝達し、曲率平面内において横方向に可撓性であることを確保すると考えられる。
【００４６】
明らかなこととして、モータ３８及びドリルストリング４０は、主カラー２６の内側で摺動するのに十分小径でなければならない。主ＢＨＡ２０の直径が６．７５インチ（１７．１５ｃｍ）であれば、ドリルストリング４０の直径は、２・３／８インチ（６．０３ｃｍ）又は２・７／８インチ（７．３０ｃｍ）であるのがよい。他の寸法も適当である場合がある。
【００４７】
図６で理解できるように、特別なドリルカラー２６により、小径ＢＨＡ２２を主ＢＨＡ２０の外に移動させることを可能にする。このカラーは、外溝３２を有し、外溝３２の最下部は、傾斜面（一体形ホイップストック）３４によって終端している。外溝の最上部は、小径の軸線方向ボア及び密封シール３４を有し、小径ＢＨＡ２２をボアの中に通し且つ摺動させる。ビット３６、モータの曲がりハウジング、及び支持ハウジング４８は、典型的には、地中３０への掘削が行われていないとき、外溝３２内に位置したままであり、他方、ドリルストリング４０は、窓付きカラー２６の摺動シール領域３４内を摺動する。このシール３４は、その最も単純な形態では、きつい孔であるのがよい。これにより、カラー２６の内部を流れる泥水５８は、主ビット（図示せず）に向かって下方に推進されるようになる。オプションとして、引揚げ可能なプラグ６０をシール部分３４にを設けてもよい。
【００４８】
支持部分（又は曲がりハウジング）４８の特定の接触面が、傾斜面３４上を摺動して曲がりハウジング４８をカラー２６の外側に押出し、ビット３６を強制的に地層に入れる。このプロセスにより、案内（摺動）面の摩耗を最小にするという利点が得られる。この案内方法はまた、岩石用掘削ビットにも有用であり、その理由は、ビットの歯が、金属案内面との接触に起因して破損しないからである。
【００４９】
小径ＢＨＡ２２を完全に引込めると、ビット３６は、カラー２６の内側の溝３２に係合し、その結果、ビットは半径方向に移動することができない。ビット３６は、主カラー２６の直径の範囲内に留まる。これにより、主ＢＨＡ２０が主ドリル孔２４内で移動しているとき又は回転しているとき、ビット３６が地層壁に接触することを回避する。カラーの外溝３２は、数メートルにわたって延びている。ドリルストリング４０が横孔５０に係合しているとき、主ＢＨＡ２０は、ドリルストリング４０の剪断のおそれなしに、主ドリル孔２４内で軸線方向に数メートル移動することができる。
【００５０】
この考えでは、小径ＢＨＡのためのビット荷重は、摺動ピストン４２に付与される圧力によって生じる。この摺動ピストンは、カラー２６のボア内で摺動し、小径ＢＨＡ２２の最上部に連結されている。ピストン４２はまた、ピストン４２に作用する圧力が維持されている間、流体が主ＢＨＡ２０の下方に依然として流れるフローバイパス４３を有している。設計に応じて、ピストンに作用する流体圧力は、１０〜１５平方インチ（６４．５〜９６．８ｃｍ2）の表面にわたって作用することができる。従って、５００ｐｓｉ（３４．５ＭＰａ）までの圧力が、摺動ピストン４２の前後に現われる場合がある。この組合せは、５０００〜７５００ポンド（２２６８〜３４０２ｋｇ）までの大きい下向きの力を生じさせる。これは考慮しているドリルビットサイズ（直径が２．５〜３．５インチ（６．３５〜８．８９ｃｍ））よりも極めて大きいので、ほとんどの場合、低い圧力が必要とされる。
【００５１】
上述した設計によれば、横孔５０を掘削している間、典型的には全流量の３０％がモータの中を通過することが予想される。もしもモータ３８がストール状態に（動かなく）なった場合、小径ＢＨＡ２２前後の圧力降下が増大し、摺動ピストン４２のフローバイパスポート４３を通る流量が増大し、このことは、圧力が増大し、それに応じてビット荷重が増大することを意味する。このことは、小径ＢＨＡ２２の制御を、ストール状態にあるときのように潜在的に困難にし、ビット荷重は、非常に僅かしか増大せず、ビットを更に妨害し、ストール状態を維持する。この状況を回避するために、モータ回転数（ＲＰＭ）が減少しているとき（又はストール状態が生じたとき）のビット荷重の減少を確保する流量制御弁を、摺動ピストン内に設けるのがよい。
【００５２】
図７は、本発明で用いられるモータ部分の特に好ましい形態の一部を示す。モータ３８は、掘削適用例に用いられる典型的なモワノー（Moineau ）型のモータを有する。このモータのロータ（図示せず）は、回転弁６２を駆動し、回転弁６２は、ＭＷＤ式遠隔計測法に通常用いられるサイレンシステムに類似したロータ６４及びステータ６６を有している。この回転弁６２は、摺動ピストン４２に連結されたバイパス７０内に位置し、ステータ６６は、バイパス７０に固定されている。回転弁６２は、バイパス７０の中を流れる流量を制御することによって、摺動ピストン４２の前後の圧力降下を制御する。摺動ピストン４２の表面に付与される圧力は、小径ＢＨＡ２２のためのビット荷重を生じさせる。サイレン６２のロータ６４は、捩りばね６８を介してモータ３８に連結されている。更に、サイレン６２のロータ６４及びステータ６６は、磁石７２，７４（図８参照）を有し、磁石７２、７４は、ロータ６４の羽根を、ステータ６６の開口部内に位置させるようにではなく、ステータ６６の羽根と整列させるように押圧することによって、サイレンを開放したままに付勢する。サイレンロータが開位置に留まる傾向があるので、モータ３８が一定速度で回転しているとき、サイレンロータ６４は、非定常の回転になる（図９参照）。特に、モータ３８が回転していないとき、結合されたばね６８の捩りによって、サイレン６２は開いている。
【００５３】
この挙動により、サイレン６２の時間平均開度は、回転していないときの１００％から高速時におけるほぼ５０％まで変化する（図１０参照）。流れの切替えは、典型的には、１０〜７５ヘルツである。しかしながら、小径ＢＨＡの慣性によるビット荷重の容易な時間平均化のために、高周波数の流れの切替えが好ましい。
【００５４】
サイレン６２の前後の「時間平均」された圧力降下は、図１１に示すように、モータの回転数と共に変化する。時間平均圧力降下を、サイレン６２の機械式設計（ばね６８の剛性、ロータ６４の質量、磁石の力等）によって調節することができる。図１０は、時間平均開度が低いと（即ち、モータ及びロータの回転数が高いと）、ビット荷重が高い（図１１）ことを示している。
【００５５】
高いビット荷重の効果は、モータ３８の回転数を減少させることである。回転数（ＲＰＭ）が十分に減少すれば、サイレン６２は、ビット荷重を自動的に減少させ（図１０及び図１１）、その結果、モータを適当な回転数のままにすることを可能にする平衡状態が見られる。モータがストール状態に近い場合、回転数は非常に低く、サイレンは再び開き、ビット荷重は劇的に減少する。結論として、モータは、モータの従来の曲線（回転数に対する流量を表す曲線）に応じた作動点を有する。回転数応答も、ビットの特性並びに岩石の性質に依存する。
【００５６】
図１２は、２つの場合について、モータ曲線と制御関数の組合せを示す。理解できるように、制御曲線は、回転数が０である（モータのストール点にある）ときにビット荷重が依然として存在することを示している。これは、流体圧力がカラーの窓内の摺動シールの部分に依然として付与され、ＢＨＡを前方に押す事実に起因している。制御関数曲線は、できるだけ水平であるべきであり、即ち、サイレンの制御面積は、摺動シールの面積よりも広くあるべきである。更に、サイレン６２によって生じる圧力パルスは、小径ＢＨＡ（小型モータ及び小型ビット）２２の前後の圧力降下よりも大き９あるべきである。例えば、小径ＢＨＡ２２内の圧力降下は、５００ｐｓｉ（３４．５ＭＰａ）のオーダであり、サイレン内の圧力パルスは、１０００ｐｓｉ（６９ＭＰａ）である。シール面積に対する制御面積の比は、２であるのがよく、それにより、作動のための力の比を４倍にする。
【００５７】
モータが、ビット荷重制御システムによる解除なしにストール位置にブロックされた場合、後で説明するように、モータ３８を再始動させるために、小径ＢＨＡ２２を底から引揚げる必要がある。
【００５８】
別の制御方法は、遠心力レギュレータを用いることである。モータ３８は、フローバイパスポートに連結されている遠心力レギュレータを、その上端部から駆動するよう構成されるのがよい。高い回転数では、レギュレータは、フローバイパスポートを閉鎖し、摺動ピストン４２前後の圧力降下を増大させ、それにより、ビット荷重を増大させ、これにより、回転数を減少させる効果が得られる。モータの回転数が減少する場合、逆の効果が起こり、即ち、遠心力レギュレータは、弁を更に開き、ピストン前後の圧力降下を減少させ、それにより、ビット荷重を減少させる。このビット荷重の減少により、モータの回転数を増大させ、その適正な作動点を見出すことを可能にする。
【００５９】
提案されている調整システムは両方とも、自動調整式である。これらは、人の介在を必要としない。
【００６０】
ビット荷重は、主ＢＨＡ２０内に設けられ且つ小径ＢＨＡ２２を作動的にクランプするクランプ装置を用いて制御されてもよい。この構成では、主ＢＨＡ２０は、小径ＢＨＡ２２を典型的には１又は２メートルの距離にわたって前方に押す。これは、下方向にのみ作用するクランプシステムによって達成され、即ち、主ＢＨＡ２０が下方に移動するとき、主ＢＨＡは、小径ＢＨＡ２２をつかみ、ＢＨＡ２０，２２の両方が一緒に移動する。１又は２メートル（典型的な場合）のストローク後、大径ＢＨＡ２０を、１又は２メートルにわたり上方に移動させると、クランプシステムは、この運動中、小径ＢＨＡ２２を解放する。小径ＢＨＡ２２は、モータ前後の流体圧力に起因して、その深さ（典型的には、ビットが底部にある位置）に留まる。ＢＨＡ２０を適正な距離（１又は２メートル）だけ持上げたら、主ＢＨＡ２０を再び下方に移動させ、小径ＢＨＡ２２を再びクランプさせる。この設計であれば、主ＢＨＡ２０は、短いストローク（典型的には、１又は２メートル）だけ上下に移動しなければならない。主ＢＨＡ２０を下方に移動させるたびに、小径ＢＨＡ２２も下方に移動する。
【００６１】
クランプシステムは、掘削作業の終わりに主ＢＨＡ２０の内側への小径ＢＨＡ２２の引込みを可能にするために、制御ユニットによって作動停止されなければならない。
【００６２】
クランプシステムは、２つの偏心部（例えば、内面仕上げ済みの孔用のトラクタの接触経路）で構成されるのがよい。これら偏心部は、好ましくは、局所的な変形を回避するために、ドリルストリングと等しい接触面積を有する。
【００６３】
摺動モードで掘削するとき、モータ３８がその適正な回転数で作動することが重要である。この問題に取組むために、サイレンによる掘削流体中の音響信号の変調を利用するのがよい。変調された信号の周波数は、モータ回転数に対して正比例している。この信号は、表面のところで検出され、その周波数は、モータ回転数の測定値である。この信号が、モータが不正確に動作していることを指示したら、掘削作業者は、適正な是正措置を取ることができる。
【００６４】
ビット荷重調整のために用いられるサイレンは、地表への信号発生器の役割を果たすのがよく、即ち、特別なサイレンが、システムに達する全流れの中に又は部分流れ（例えば、モータを横切る流れ）の中に設けられるのがよい。
【００６５】
また、横孔の掘削中に孔が達成されるかどうかを決定することが重要である。用いられる制御システムに応じて、この情報を得ることができる。例えば、横孔掘削中、スリックラインが小径ＢＨＡ２２の最上部に連結される場合、横方向の孔がスリックラインの運動を介して検出される。別の方法は、ビット荷重制御システムのサイレンのステータの角度方向位置を、１８０°の信号変調に対応する角度（これは、２つの隣接した羽根の間の角度方向距離の半分に一致する）だけ変更することである。このシフトは、時間に対する信号を表すグラフ（図１３）において、急激な信号シフトＸとして現われる。この角度方向のシフトは、ステータの反作用トルクキー７８が摺動する主カラー２６の溝７６の経路を変化させることによって得られ、溝７６は、カム面を構成する。キー溝７６は、例えば、０．５フィート（１５．２４ｃｍ）の真直ぐな部分で形成され、傾斜部分が真直ぐな部分を連結し、傾斜部分は、溝を適当な距離８０だけシフトさせ、ステータの角度方向のシフト、従って信号を与える（図１４）。かくして、ピークＸが、小径ＢＨＡ２２の０．５フィートの孔あけごとに現われる。システムの大きい機械的回転を回避するために、機械的な位相ずれを左右交互に行うことが必要な場合がある。
【００６６】
小径ＢＨＡがその押込みストロークの終わりに位置していることを検出する追加の方法が必要とされる。簡単な方法は、ボアと、その中を摺動するピストンとの間に隙間を設けることであり、その結果、ピストンが隙間に達したとき、ピストンの前後の圧力降下を劇的に減少させ、これを、地表で見ることができる。主ＢＨＡを小さい押込み量（例えば、１フィート（０．３０５ｍ））だけ下降させることによって、主ピストンをボアに再び係合させ、圧力降下を再び確立するのがよい。連続運動によって、掘削作業者は、ストローク検出の終わりを完全に確認することができる。
【００６７】
設計に応じて、摺動ピストンのストロークは、１本のカラーの長さ（例えば、１０ｍ）よりも短くてもよいし、３０ｍ以上であってもよい。
【００６８】
摺動ピストン４２は、主カラー２６のボアの中を直接的に摺動する中実のピストンで構成されるのがよい。摺動ピストン４２は、パッキン又はＯリング等のゴム要素でシールされてもよいし、小さい隙間を有するようにボア内に挿入されてもよく、この小さい隙間は、そこで圧力降下が生じるので、フローチョークとして作用する。より多くの融通性のために、ピストンは、カラーボア内で摺動するゴム製のカップを有するのがよい。このゴム製のカップは、カラーとカラーの間の細いピンの直径に適合されるのがよい。このシステムは、ゴム製のカップがカラーピン部分内に位置していないときに大径のボアに適合できるので、より良好なシール及び潜在的により大きいビット荷重を提供する。
【００６９】
モータ３８は、小径ＢＨＡ２２のための掘削トルクを生じさせる。明らかなこととして、主ドリルカラー２６に伝達されなければならない反作用トルクがあり、それと同時に、主ＢＨＡ２０の内側での小径ＢＨＡ２２の軸線方向押込みを可能にする。３つのシステムは、次のことに特に好ましいものであると考えられる。
【００７０】
第１に、ドリルストリング４０が、主カラー２６の案内システムのスロット内で摺動する長いキーを（その長さにわたって）備えることである。
【００７１】
第２に、小さい管が、モータ３８の上方に取り付けられることである。この管は、ドリルストリング４０に等しい長さ（又は、小径ＢＨＡ２２の最大掘削可能長さ）を有する。この管は、主カラー２６のボアの内側で小径ＢＨＡ２２と共に軸線方向に移動する。この管は、その長さ全体にわたってキー溝を有する。小径ＢＨＡ２２が主カラー２６内に引込められたとき、キーが、モータ３０のすぐ上の位置でカラー２６に取けられる。
【００７２】
第３に、ドリルストリング４０の形状が、楕円形であることである。この楕円形パターンは、主カラー２６の同じ形状の案内システムの中に摺動する。このパターンにより、小径ＢＨＡ２２から主カラー２６へのトルクの伝達を可能にする。両方の楕円形が明確に規定されているので、密封も可能である。
【００７３】
小径ＢＨＡ２２を完全に引込めると、モータ３８を駆動する流体の流れを停止させなければならない。これは、小径ＢＨＡ２２の最上部のところに設けられたシールシステムによって達成され、即ち、小径ＢＨＡ２２を完全に引込めると、シールブロックが、小径ＢＨＡ２２に連結されたフローチャネルの最上部のところに着座し、その結果、流れることができなくなる。
【００７４】
小径ＢＨＡ２２を主ＢＨＡ２０の内側に引込めることができるということが必要である。この操作のために、幾つかのシステムの使用が可能である。
【００７５】
１つは、引揚げツールを備えたスリックラインの使用に基づく。スリックラインをドリルストリングの内側に下降させ、摺動ピストン４２の最上部に設けられた特別なフック４６をつかむ（図３参照）。次いで、スリックラインを上方に引き、これにより、スリックラインは、主ＢＨＡ２０の内側への引込みを確保する。完全に引込めた後、引揚げツールを解放し、次いで、スリックラインをドリルストリングから取出す。スリックラインは、小径横孔の掘削全体の間、小径ＢＨＡ２２に連結されたままであるのがよい。
【００７６】
別の解決策は、システム内の圧力差を利用して、上向きの力を生じさせ、小径ＢＨＡ２２を引込めることである。このシステムを図１５に示す。このシステムであれば、ビット荷重用ピストン４２のノズル内の流れを、フローフラップ８２の位置に応じて逆にすることができる。フローフラップ８２が開かれているとき、泥水の一部分は、モータ通路８４の中を流れ、ビット３６を回転駆動する。主流れは、１次バイパスポート８６及び２次バイパスポート８８を経て主ＢＨＡ２０に進む。この流れは、ビット荷重用ピストン４２の前後に圧力差を生じさせ、ビット荷重用ピストン４２を下方に押し、ビット３６を下方に押す。フローフラップ８２は、制御ユニット４４によって開閉されるのがよい。フローフラップ８２を閉じると、僅かな流れがバイパス連結部９０を経て上方に移動する。次に、この流れは、２次バイパス８８の中を通って上方に進み、最終的には、モータ通路８４を下方に流れ、モータ３８及びビット３６まで流れるが、この流れは無視できる。主流れは、主ＢＨＡ２０の前後に圧力差が生じさせる。この圧力は、今や、摺動ピストン４２に働く上向きの力を引起こし、その結果、小径ＢＨＡ２２は、主ＢＨＡ２０の内側で引戻される。
【００７７】
２つのフローフラップシステムが用いられるとき、逆の効果は、極めて強力であることがあり、フローフラップの第２の部分（図示せず）は、１次バイパス８６の中を通る流れを遮断することを可能にする。２つのフラップは、常に、互いに反対の位置にあり、即ち、一方が開放し、他方が閉じている。
【００７８】
本発明では、いくつかの制御ユニット技術を適用することができる。１つの方法は、ラッチ及びフローフラップ弁８２を制御するスリックラインを用いることである。作業の開始時、スリックラインを適正な順序に従って引張ることにより、小径ＢＨＡをラッチ解除し、フローフラップ弁８２を切替える。作業の終了時、同じスリックラインを用いることにより、小径ＢＨＡ２２を引込め、フローフラップ弁８２を再び切替え、小径ＢＨＡ２２を主ＢＨＡ２０内に再びラッチ留めする。
【００７９】
変形例として、制御ユニット４４は、液圧式及び機械式指令に基づいてもよい。次のような様々な方法を採用することができる。
回転を組合せた上下移動を用いるＪ字形スロット機構を備えた摺動マンドレル。
泥水の流れが最初に確立されたかどうかに応じて圧縮されたり圧縮されなかったりする摺動マンドレル。
パッドを備えたスリーブ上の抵抗(drag)を保証するための回転。この回転は、泥水の流れが正しい順序で開始された場合にのみ達成できる。
流量の変化による液圧ビット設定値。このシステムは、典型的には、流れ期間の開始時に作動する。次いで、所定のタイミングで、流れがない状態から流れが多い状態にし、更に流れが中程度の状態にすることによって、又は、これとは異なる順序によって、システムが横孔掘削を開始させたり、掘削を終了させたりすることを可能にする。
【００８０】
かかるシステムであれば、小径ＢＨＡ２２が引込みラッチ留めモードにあるべきか、掘削のために自由な状態にあるべきかを決定することが容易である。液圧機械式制御ユニットの主要な利点は、設計、保守及び操作が単純であるということにある。
【００８１】
電気式制御システムも使用可能である。電気式制御システムは、設定及び制御のために双方向遠隔計測法に基づくことがある。電気式制御システムは、電気ワイヤラインケーブルを介して制御されるのがよい。これにより、十分な融通性と速いデータ通信速度が得られ、これは、横孔の掘削中に測定が行われる場合に有益である。
【００８２】
横孔の掘削は、いくらか（数分から１時間）の時間がかかる。この間、主ＢＨＡ２０は、静止モードのままになる。このことにより、主ＢＨＡ２０が固着状態になる恐れが無視できないので、極めて危険である。この危険を最小にするために、システムは、主ＢＨＡ２０を主ドリル孔２４内で常に移動させるよう設計されている。主ＢＨＡ２０は、短い距離にわたって（典型的には、数メートルの範囲内で）上方向（２０Ａ）及び下方向（２０Ｂ）に移動させられる。この移動を可能にするのは、窓付きカラー２０の外溝３２のおかげである。小径ＢＨＡ２２が傾斜プレート３４からの横方向の押しを必要としなくなったらすぐに、即ち、ビット３６が地層３０に完全に係合したらすぐに、主ＢＨＡ２０をゆっくりと下方に移動させる。このとき、ビット３６はそれ自体、横孔５０内で案内される。明らかなことは、主ＢＨＡ２０の下方向の移動は、窓付きカラー２０の外溝３２の上端によって制限される。また、注目すべきことは、窓付きカラー２０の外溝３２の側壁が解放された場合、主ＢＨＡ２０も、左右方法に僅かに振動させられる（典型的には、４５°）。掘削流体が、主ＢＨＡのビット（図示せず）の中を流れ、その結果、良好な循環が主ドリル孔２４の長さ全体にわたって確保される。これはまた、管が動かなくなる恐れを制限する役割を果たす。循環はまた、横孔内に生じた掘削屑を地表まで持上げる役割を果たす。
【００８３】
小さい横孔内において、掘削流体の循環速度は、掘削屑を横孔の長さにわたって主ドリル孔まで持上げるのに適した速度に維持される。また、掘削屑の掃除及び横孔内での管の固着の恐れを制限するために、小径ＢＨＡは上下に移動するのがよい。
【００８４】
小径ＢＨＡが横孔内で動かなくなってしまったら、主ＢＨＡを上方に引張って、小径ＢＨＡを、主ドリル孔と横孔との間の交差部のところで切離す。これにより、主ＢＨＡを自由にすることを可能にし、損失を限定する。
【００８５】
小径ＢＨＡは、様々な種類の測定器具（例えば、方向、傾斜、局所抵抗率、交差ドリル孔抵抗率、交差ドリル孔音波等）を支持することができる。
【００８６】
幾つかの設計変更により、主ドリルストリングの中を通るスリックラインを用いて、小径ＢＨＡを引揚げることができる。小径ＢＨＡの底部の周りの引揚げプラグ６０（図６）により、ビットからフローフラップ弁及び制御ユニットまでの全ての部品を引揚げることを可能にする。小径ＢＨＡを引揚げる機能により、破損した小径ＢＨＡの交換、又は、他のツールを横孔内に設置するための窓の開放を可能にする。他のツールは、機械式であってもよいし、電気式であってもよい。他のツールは、スリックライン又はワイヤラインケーブルによって下降させられるのがよい。これらのツールの幾つかにより、横孔内での技術的介在（例えば、単純化された構成要素の交換）又は細いワイヤラインツールを介する小径横孔内での物理検層を可能にする。
【００８７】
図１７は、設計が単純化された本発明の別の実施形態を示す。小径ＢＨＡ９０は、ドリルカラー９４の外溝９２内に拘束され、枢動部９６によって連結されている。小径ＢＨＡ９０はまた、可撓性である。横孔を掘削すべきとき、機械式制御機構９８が、小径ＢＨＡ９０の前部を外側に押す。それと同時に、小型モータ１００の中を通る掘削流体の流れを開始させる。小径ＢＨＡ９０が地層に入り始めるとき、主ＢＨＡ１０２をゆっくりと前方に移動させ、地層中への小径ＢＨＡ９０の押込みを可能にする。小径ＢＨＡ９０が曲がりハウジングを有している場合、横孔は、主ドリル孔から離れるように差し向けられる。
【００８８】
本発明の別の実施形態は、小径ＢＨＡを前進させるクローラ又はトラクタを、主ＢＨＡ内で使用する。このシステムを、主ドリルストリング内のワイヤラインケーブルによって作動させるのがよい。制御ユニットは、掘削流体の流れを小径ＢＨＡに向かって差し向ける。システムが非常に可撓性であるので、小径ＢＨＡは、長い距離にわたって移動することができる。電気的制御ユニットの変形例として、これも、ＭＷＤ式及び回転式の操縦可能なシステム技術に基づいている。ワイヤラインケーブルを用いる場合、ワイヤラインケーブル（及びオプションとして、制御ユニット）を横孔掘削に先立って下降させ、作業の最後に回収する。
【００８９】
上述した２つのＢＨＡシステムの変形例を、ケーシングが設けられたドリル孔内で用いてもよい。この適用例では、ＢＨＡビットは、窓用粉砕(milling)ビット（及びホイップストック）によって置き換えられる。
【００９０】
別の実施形態は、２つの小径ＢＨＡを有し、その一方は、粉砕ビットを有し、その他方は、掘削ビットを有する。制御ユニットの設定は、２つの小径ＢＨＡの設定の混乱を避けるために、僅かながら複雑である。実際、かかるシステムは、３つの考えられるビットの展開の仕方を有し、即ち、
（ａ）両方の小径ＢＨＡを引込め、主ＢＨＡに設けられたビットで掘削／粉砕を行う、
（ｂ）頂部小径ＢＨＡを掘削モードにし、底部小径ＢＨＡを引込める、
（ｃ）頂部小径ＢＨＡを引込め、底部小径ＢＨＡを粉砕モードにする。
【００９１】
横孔は、図１及び図２に示した形状よりも複雑な形状を有する場合がある。１つの実施形態では、これは、例えば、反作用トルク延長部のキーを案内する溝の特別な形状によって、機械的に達成される。
【００９２】
幾つかの分野の適用例について、横孔１０４は、図１８に示すように、Ｓ字形であることが必要である場合がある。これにより、横孔の端部が主ドリル孔１０６とほぼ平行になる。この経路を提供するため、小径ＢＨＡのツールフェースを押込みの中間で１８０°回転させる。モータ反作用は、上方「反作用」トルク延長部を介してカラーに伝達され、キー溝は、カラー内で１８０°の螺旋を作る。「反作用」トルク延長部からのキーがこの位置に達すると、小径ＢＨＡは、それ自体半回転させられる。小径ＢＨＡの他方の末端部のところの曲がりハウジングの強い捩りを回避するために、螺旋のピッチは、好ましくは、数メートルの距離にわたって大きくされる。
【００９３】
他の適用例に関し、図１９に示すように、コルクスクリュー（螺旋）形状の横孔１０８を主ドリル孔１００の周りに掘削することが有益な場合がある。このパターンを達成するために、曲がりハウジングの方位角は、連続的に調節され、それにより、モータをその現在の平面から遠ざけるように操縦する。このツールフェース設定を達成するために、「反作用」トルク延長部の反作用トルクキーを案内するキー溝は、適当な螺旋形のものである。例えば、横孔は、半径５メートルの「円筒面」上で１５メートルのピッチで掘削される。このことは、横孔が主ドリル孔に対して４５°の角度で傾けられることを意味する。各回転は、約２１メートルの押込みが必要であり、横孔は、２条であってもよい。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月27日(2010.8.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削装置であって、
１次掘削アセンブリの一部分を形成するドリルカラーを有し、前記ドリルカラーは、その側部に、外向きに開口した溝を有し、
更に、２次掘削アセンブリを有し、前記２次掘削アセンブリは、管状のドリルストリングと、前記ドリルストリング内に設けられた掘削モータと、前記掘削モータに連結されたドリルビットとを有し、前記管状のドリルストリングは、その一端が前記ドリルカラーに連結され、前記ドリルビットは、前記ドリルストリングの他端に取付けられ、
前記２次掘削アセンブリは、前記ドリルビットが前記溝内に着座する第１位置と、前記ドリルビットが前記ドリルカラーの側部の溝から横方向に突出する第２位置との間を移動可能であるように、前記ドリルカラー内に取付けられる、掘削装置。
【請求項２】
前記２次掘削アセンブリは、前記ドリルカラー内に摺動可能に取付けられたピストンを有し、
前記管状のドリルストリングは、前記ドリルカラーの内側を延び、前記ドリルストリングの一端は、前記ピストンに連結され、
前記第１位置と前記第２位置との間を移動中、前記ピストンは、前記ドリルカラー内で前進させられる、請求項１に記載の掘削装置。
【請求項３】
前記溝は、前記ドリルカラーの外面まで傾斜した傾斜下端部を有する、請求項１又は２に記載の掘削装置。
【請求項４】
前記溝は、前記ドリルカラーに連結された掘削ツールのツールフェースに合わせられ、その結果、前記ツールフェースを特定の方向に差し向けることにより、それに対応する仕方で前記溝の向きが定められる、請求項１〜３の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項５】
前記ドリルカラーは、摺動シャッタを有し、前記摺動シャッタは、前記溝が覆われる第１の位置と、前記溝が開口する第２の位置との間を移動可能である、請求項１〜４の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項６】
更に、前記２次掘削アセンブリを前記第２位置から前記第１位置に移動させる引込めシステムを有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項７】
前記溝は、摺動シールを有し、
前記２次掘削アセンブリをその第２位置に移動させるとき、前記ドリルストリングは、前記摺動シールを貫いて突出する、請求項１〜６の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項８】
更に、伝動シャフトを有し、前記伝動シャフトは、前記ドリルビットを前記掘削モータに連結するように前記ドリルストリングの中を延びる、請求項１〜７の何れか１項に記載の掘削装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の掘削装置を用いてドリル孔を掘削する方法であって、
主ドリル孔を掘削する工程と、
前記掘削装置を前記主ドリル孔内の予め決められた箇所に位置決めする工程と、
前記２次掘削アセンブリを作動させ、それにより、前記ドリルビットを前進させて前記第１位置から遠ざけ、前記主ドリル孔を包囲する地層中に横方向に掘削し、横ドリル孔を形成する工程と、
前記２次掘削アセンブリを前記第２位置に引込める工程と、を有する方法。
【請求項１０】
前記１次掘削アセンブリを用いて前記主ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
更に、前記２次掘削アセンブリが地層中を掘削している間、前記ドリルカラーを前進させる工程を有する、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
更に、前記２次掘削アセンブリが前記地層中を掘削している間、前記主ドリル孔内において短い距離にわたって前記ドリルカラーの前進と引込めを交互に実施する工程を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記主ドリル孔は、ケーシングで内張りされ、
更に、前記１次掘削アセンブリを用いて前記ケーシングに窓を開け、その後、前記２次掘削アセンブリを作動させて、前記窓の中を通し、前記地層の中を掘削させる工程を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
更に、前記２次掘削アセンブリを使用して、Ｓ字形の横ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項９〜１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
更に、前記２次掘削アセンブリを使用して、螺旋経路を有する横ドリル孔を掘削する工程を有する、請求項９〜１３の何れか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
2010538187.tif 000022