(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
削井に挿入された穴掘りツールをパイプストリングの端部にて冷却するための装置であって、
前記削井に隣接する地表に配置された冷却機と；
前記柵井に隣接するように取り付けられ、掘削流体を受け取ってこれを前記冷却機へ運搬するための貯留構造と；
前記削井の上部に支持された掘削装置と；
前記の冷却機とパイプストリングとを接続するポンプ手段とで構成され、
前記パイプストリングは複数個のパイプセグメントからなり、個々のパイプセグメントは、外側チューブ部材とその内側に同軸に収容された内側チューブ部材とからなる環状中空部を有する二重管構造であり、しかも、個々のパルプセグメントの両端に管継手を備え、その管継手が、外側チューブ部材の第１端部に接続された上部管継手と、外側チューブ部材の第２端部に接続された下部管継手で構成され、上部管継手はその内部に内側チューブ部材の第１端部の平行延長部が収容される中央開口部を備え、下部管継手はその内部に内側チューブ部材の第２端部の平行延長部が収容される中央開口部を備え、前記の環状中空部に複数個の断熱性粒子が収容されている前記穴掘りツールの冷却装置。
【請求項２】
請求項１において、さらに、前記ツールおよびパイプストリングに隣接して配置される温度感知手段と；
前記ツールおよびパイプセグメントで感知された温度に対応する温度感知手段からの信号を受けるために接続され、その組合せを表示する制御信号を生成する論理手段と；
前記制御信号を受け取るために前記ポンプ手段に接続し、制御信号に従って、ポンプ手段の流量を制御する制御手段とを備えてなる装置。
【請求項３】
前記微粒子が全体に球状である請求項２に記載の装置。
【請求項４】
請求項３において、さらに、加圧された状態で不活性ガスを受け取るために前記外側部材に形成されたポートを含んでなる装置。
【請求項５】
一つのパイプセグメント（以下、これを前者と呼ぶ）の上部管継手が、他の一つのパイプグメント（以下、これを後者と呼ぶ）の下部管継手と係合し、前者の内側チューブ部材の第1端部が、後者の内側チューブ部材の第２端部と圧縮係合している請求項１記載の装置。
【請求項６】
請求項５において、さらに、前記ツールおよびパイプストリングに隣接するように配置された温度感知手段と；
前記ツールおよびパイプセグメントで感知された温度に対応する温度感知手段からの信号を受けるために接続され、その組合せを表示する制御信号を生成する論理手段と；
前記制御信号を受け取るために前記ポンプ手段に接続し、制御信号に従って、ポンプ手段の流量を制御する制御手段とを備えてなる装置。
【請求項７】
前記微粒子が全体に球状である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
請求項７において、さらに、加圧された状態で不活性ガスを受け取るために前記外側部材に形成されたポートを含んでなる装置。
【請求項９】
前記微粒子がセラミック材で形成される請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、柵井流体の冷却装置、より具体的には地熱層を掘削する間、掘削ツールを冷却するのに利用される熱交換システムに関する。
【０００２】
地殻にボアホールを掘る工程では、切削エネルギーは掘削ツールにて消費され、エネルギーの無意味な散逸が、ツール温度を上昇させる。掘削に伴うエネルギーの散逸により、ボアホールの局所的温度は、深さと共に上昇する。切削ツールの温度限界と、切削によって生じる熱との組合せは、ボアホール深部の温度プロフィールの上昇と相俟って、掘削工程の効率を制限する要因となる。わかりやすく言えば、ツール端部の有効温度差が局所的に生成される切削熱の継続的な熱交換に不十分となり、やがて切削工程は、非現実的なレート(impractical rates)に到達し、効率的な穿通の限界に向かわせることになる。
【０００３】
従来の掘削流体は、ドリルパイプを通ってツールを循環し、切削で生じる岩くずや伴出熱と共に表面へ戻るようになっている。穴が深くなるにつれて、熱交換は、さらなる掘削流体の冷却を必要とするドリルパイプ壁を介して直接行われる。これは、例えば、本願と同一の発明者による米国特許第４,２１５,７５３号に記載の冷却システムによって達成される。前記の冷却システムは、何ら制限無く、表面の熱交換機を介して切削流体を循環させ、さらに、冷却された流体を、下方の柵井（wellbore）へ循環させる。商業的には成功しているものの、循環経路は長い寸法のドリルパイプを必要とし、その結果、戻り流体（returning fluid）から冷却流体への熱交換が必要となる。これは、パイプ壁を通して行われ、穴が深くなるにつれて重要になる。
【０００４】
穴が深まるに従い、柵井内の圧力も増す。事実、時にボーリング泥水と呼称される切削流体は、穴の中の局所的な静圧を均衡させるために、しばしば多量の微粒子を混入して増強させる。このため、ドリルパイプは、切削くずや増強物質と共に噴出される流体内の実質圧力にさらされる。これらの諸条件の組合せによって周知の断熱コーティング（insulation coatings）の耐用性が制限され、ドリルパイプ壁を介しての熱伝達は、従って、パイプの素材によって決定される。
【０００５】
従来、柵井ケーシングの断熱に関して、いくつかの手法での多様な技術が考案されている。こうした技術の例示としては、米国特許第３，８２０，６０５号（バーバー他）、米国特許第４，６９３，３１３号（ステファンソン他）及び米国特許第４，２７６，９３６号（マッキンジー）が挙げられる。これらの技術はその目的には相応しいものであるが、ドリルパイプ壁を介しての熱伝達率には、関心を向けていない。従って、パイプからくみ出された冷却流体と井戸周縁の戻り流体との交換には、注意を払っていない。
【０００６】
切削ツールへの熱伝達を制御することに目をむけた技術としては、米国特許第５，０１６，７１６号（ドノバン他）にあるようにツールに遮蔽を設けたり、あるいは、米国特許第４，９２６，９４９号（フォレスト）にあるようにツールをジャケットに入れたようなものが一般的である。これらの技術は、その目的とするものには相応しいが、ドリルパイプ越しの熱伝達については、注意を払っていない。そこで、ここでは、ドリルパイプ自身の有効係数Ｒを向上させるための技術に注目した。本発明は、深い井戸、および、傾斜面で角度指示があるといった悪環境において、特に効果的である。
【０００７】
従って、本発明は、熱伝達率を低減させるよう構成されたドリルパイプを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明のもう一つの目的は、柵井内での露出に適合する断熱（insulated）ドリルパイプを提供することにある。
【０００９】
本発明は、さらに、冷却掘削流体の穴掘りツールへの断熱運搬を提供することを目的とする。
【００１０】
要するに、上記の及びそれ以外の目的は、本願と同一の発明者による米国特許第４，２１５，７５３号に開示されたタイプに代表されるウオーターミストアレイへ曝されるファン冷却式放熱器を備えた、表面配置型熱交換機を提供する本発明によって達成される。放熱器は、ローカル貯蔵タンクあるいは池から掘削泥流をくみ上げて、柵井内に伸長したドリルパイプストリングへ冷却されたそれを運搬する。この冷却切削流体は下向き穴掘りツールを冷却するのに有用である。
【００１１】
ひとたび著しく深い部分へ到達すると、しかし、ドリルパイプを取り囲む戻り流体の熱がパイプを下ってきた冷却流体のそれと交換され、ツールの流体温度は局所運転温度を効果的に冷却するには、この運転温度に近すぎる。この冷却温度差の損失は、ドリルパイプ壁を介しての熱伝達率との相関性によるところが大きい。パイプストリングの長さが長くなるにつれて、この温度差は少なくなる。従って、深い井戸の掘削では、パイプストリングの絞り直径比に対する長さが長くなると、吐出し量の増加によって、効果的な相殺(compensation)が妨げられる。
【００１２】
パイプストリングの掘削環境が極めて苛酷であることが当業者には理解されよう。温度は圧力と共に穴が深まるにつれて上昇し、柵井流体は、切削粒子に満ち、懸濁液内の物質密度が高まる。断熱係数（insulation coefficients）を高めるためのパイプセグメントのコーティングは、このため急速に腐食し、あるいは坑圧によってだめになる。この破壊的環境は、目下、環境問題や美観上の観点によって指定を受ける、斜面掘削の一般的な選好によって、さらに悪化する。従って、コーティングによるパイプ断熱は達成が難しく、周知の断熱材の物質特性によって制限される。
【００１３】
これらの苛酷な状況の下でパイプストリングに断熱特性を付与するために、各セグメントが同軸二重壁のシリンダとして構成されるパイプセグメントの配置が考案された。内側シリンダと外側シリンダとの間の環状空間は、特定のセグメントが曝される坑圧によって決定される微粒子サイズの、シリカ微粒子あるいは全体がほぼ球状形のビーズなどのセラミック材で満たされる。微粒子間の間質ギャップは、さらに、壁の間の環状空洞の窪みに対抗するために、ある圧力のもとで不活性ガスを受取ることができる。
【００１４】
従って、微粒子間のスパンを橋渡しする壁が大きくなるにつれて、より低い圧力に曝される柵井表面近くのこれらのパイプセグメントは、より粗い粒状フィルを受取る。この方法では、セグメントを充填する微粒子のサイズは、壁と微粒子の接触をより少なくすることを考慮して選択でき、これにより、セグメントの断熱性能を高めることができる。セグメントが柵井の奥底へと伸びるにつれて、坑圧は上昇し、より小さい微粒子の断熱フィルが、より高圧の壁面負荷を収容するより小さな橋渡しスパンを提供するので、耐粉砕性が増す。
【００１５】
セグメントの端部は、各々、環状空洞を閉じる従来形の先端ねじ込み式コネクタになっている。そのため、セグメントの取合せは穴の深さに伴って上昇する圧力負荷に見合うように提供される。各例において、セグメントの構造的強度を高め、かつ、壁厚さを減少させる充填用微粒子と二重壁構造の組合せは、従って、ストリング質量の軽減を可能にする。セグメントの部分的剛性の増大は、さらに、ねじれ座屈の出現率を減少させ、傾斜掘削において有益である。そのため、各セグメントの断熱係数が４倍以上向上し、同時に、構造的強度も増す。
【００１６】
二重壁構造は、より高圧の掘削流体の内圧に耐え得る。この特徴が、くみ上げられたボーリング泥水を原動力とする下向き穴掘りツールの使用に役立つ。従って、本発明の組合せは、深部の掘削における大部分の過酷な問題に対応する。
【００１７】
【図面の簡単な説明】
図１は、本明細書に記載された本発明の組合せによる、断熱掘削パイプセグメントを備えた掘削流体冷却装置を図示したものである。
図２は、本発明で使用される代表的なドリルパイプセグメントの側面断面図である。
図３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれ、本発明による環状パイプセグメントフィルの多様な微粒子構造を通るヒートパスの細部を示した断面図である。
図４は、本発明による制御信号を示した線図である。
図５は、柵井の進行に沿った温度プロフィールをグラフで示したものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１〜５に示すように、符号１０で総称される本発明の深部柵井システムは、デリックＤ、ホイストＥ、及び駆動ユニットＵを備えて、柵井ＷＢ内でドリルパイプストリングＰＳを回転させる従来形の掘削リッグＤＲを含む。もちろん、泥水駆動式穴掘りモータにおいて、表面でのねじれ座屈は除外される。一般的な方法によって、掘削流体あるいは泥水は、泥水ポンプ１１によりストリングＰＳの露出端部へ運搬される。流体Ｆは、ストリングの下端にある切削ツール１２に向かう。そこから今度は、柵井を通って、上向きに坑口１４まで戻る。坑口から、今度は、微粒子切削物が分離される沈降タンク２１、２２、２３へ向かう。
【００１９】
米国特許第４，２１５，７５３号に開示された型の移動冷却システムＣがタンク２２の上側層から分離された掘削泥水をくみ出し、噴霧式熱交換機を介してこれを冷却し、冷却された流体をタンク２１へ戻す。タンク２１、２２、２３は、それぞれ、越流せき２１ａ、２２ａおよび２３ａを備え、各々が柵井から運ばれた切削くずを収集する。タンク２３における沈降および分離工程の最終段階では、ポンプ１１によってパイプストリングＰＳの上端へ送りこまれる。
【００２０】
上記の配置は、冷却機Ｃ内の掘削泥水を冷却し、かつ、それを圧力を付与した状態でツール１２へ送る。泥水圧式穴掘りツールは、従って本システムに適合する。
【００２１】
典型的な手法では、柵井ＷＢの口径はパイプストリングＰＳより大きく、従って、ストリングのまわりに環状空洞ＡＣを形成する。ツール１２で放出された掘削泥水または流体Ｆは、そのため、パイプストリングＰＳと密接する表面に移動する。もともと、この密な接触が、戻りフローからストリングに向けて下降する冷却フローへの実質的な熱伝達をもたらしていた。結果として、掘削深さが増すにつれて、冷却の便益は限定されていった。
【００２２】
パイプストリングＰＳの断熱性能を高めるために、概ね、セグメント４０−１、４０−２、および４０−３で例示される環状構造が考案された。セグメント４０−１、４０−２、および４０−３は、おのおの、その形状、符号付き各部の記載、機能構成が類似している。
【００２３】
より詳しく説明すると、各セグメントは、同軸内側ライナ４２を備えた筒状外側シェル４１を含む。シェル４１は、内部に大量のシリカ微粒子、酸化アルミニウム、またはその他の断熱微粒子４５が詰まった環状スペースあるいは空洞４３によって、ライナ４２から分離されている。微粒子の全体径は等級分けされ、その結果、セグメント４０−１が最も大きな微粒子４５−１を受取り、セグメント４０−２がこれより小さい微粒子４５−２を受取るという具合になっている。
【００２４】
環状空洞４３の上端および下端は両方とも、各内ネジ式軸継手５０における回状突起５１の加圧挿入によって閉じられている。この加圧噛合は所定の圧力に制御され、そのため、環が窪みにプレストレスされる。ひとたび、このように圧縮されると、ネジ式軸継手５０は各々、平行拡張方法によって所定の場所に係合され、さらに、不活性ガスが加圧された状態でネジポート８５を介して微粒子４５の間隙に導入される。この密閉かつ加圧された間隙は（cavity）は、気体温度の上昇と共に内圧が上昇し、周囲の流体の柵井圧力に対抗する。
【００２５】
図５に詳細に示すとおり、標準的な柵井温度プロフィールＴは、深さが増すにつれて、圧力Ｐも上昇する。同軸パイプ間の環に密閉された多量のガスを含むことによって、外圧でへこむ壁に対抗する。
【００２６】
微粒子の大きさを選択することで、更なる最適化がもたらされる。図３ａ、３ｂ、３ｃに示すように、微粒子４５−１、４５−２、及び４５−３は各々、段々寸法が小さくなっている。インナ同心チューブ４２とアウタ同心チューブ４１の表面積当たりの直接接触４９の数は、それぞれ、微粒子サイズに比例して減少する。従って、微粒子の大きさ、インナチューブとアウタチューブの壁厚さ、および使用する素材の種類を適宜選択することによって、直接伝導熱交換パスＨＰを制御することができる。
【００２７】
表面近くのより低い柵井圧力はより大きな微粒子４５−１を収容し、セグメント４０−１をパイプストリングＰＳの一部に設置することができる。より深く挿入っされるに従い、セグメント４０−２あるいは４０−３が設置可能になる。それぞれのケースにおいて、伝導熱伝達の指数パラドックスを避けるために、下向きフローと戻りフローの温度差が最も大きい直接接触４９の数を減らすことが意図される。この手法では、セグメント４０−１、４０−２および４０−３を接続することによってパイプストリングが形成され、選択されたセグメントの組合せは、ツールの冷却要件、掘削穴温度、および柵井の温度プロフィールによって決定される。
【００２８】
図４に示すように、上記のインプットパラメータは、温度センサアレイ１１１−１〜１１１−Ｎによって感知される。各センサは、別個に符号化された超音波信号Ｕ−１〜Ｕ−Ｎを、ストリングを取巻く環の掘削泥水を介して柵井まで送る超音波符号化ユニット１１２−１〜１１２−Ｎに接続している。信号Ｕ−１〜Ｕ−Ｎは、表面のレシーバステージ１１５で受取られ、デマルチプレクサ１１６を介して、データ処理ステージ１２０へ送られる。バルブ１２２に結合されているサーボループ１２１を介して、ポンプ１１によって運搬される流量を制御するのがこのデータプロセッサである。
【００２９】
データ処理ステージ１２０はセグメント４０−１、４０−２および４０−３の特殊な組合せにコード化され、以下のとおり設定された重みつき関数を決定する。
【００３０】
【数１】0003825629.tif 000002
【００３１】
式中、合計ＰＲは、吐出し量信号で、Ｋ１〜Ｋｎは柵井内の周囲温度とセグメントの熱伝導率とによって決定される重量係数である。この方法で、特異な柵井温度プロフィールが各レベルにおける吐出し量及び伝導率と突き合わせできる。
【００３２】
図５に示すとおり、温度ＴＴと深さＤＤの関係が、対応するセグメントの熱伝達スロープＳＳ−１、ＳＳ−２およびＳＳ−３として表される。当業者であれば、熱伝達率が温度差の指数関数であり、正しいセグメントの組合せを選択することにより、ツール１２における温度差が最適化されることは理解されよう。従って、上述の配置をして、局所熱勾配とアレイが好適に突き合わせられることになる。
【００３３】
多くの応用や改変が可能なことは理解されよう。従って、本発明の範囲は、請求の範囲によって決定されることを意図するものである。
【図１】
0003825629.tif 000003
【図２】
0003825629.tif 000004
【図３】
0003825629.tif 000005
【図４】
0003825629.tif 000006
【図５】
0003825629.tif 000007