JPH0150754B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、一般的には井戸孔を掘削中に深孔内
の測定を行なうことに係り、特にその掘削動作中
にドリルビツトに加えられている重量またはトル
クの大きさなどのパラメータを測定するに使用す
るための装置に関する。

発明の技術的背景 ビツトに加わる重量（以後WOBという）は、
一般的には井戸の穿削を制御するときの重要なパ
ラメータであると認められている。重量は、ビツ
トのすぐ上に付着され、比較的小直径のドリル管
の上に穿孔内に懸下した重いドリルカラーのスト
リングによつてビツトに加えられる。通常の穿孔
動作においては、ドリル管の全長とドリル・カラ
ー・ストリングの上方部分は地上においてデリツ
クから張力状態に懸下されているので、WOBの
量は、指示された地上のフツク荷重を変えること
によつて変化させることができる。適正に制御さ
れたWOBは、ビツトが地層の特殊タイプを貫通
する率と、ビツト摩耗の率を最適にすることが必
要である。WOBはまた、孔の方向を制御すると
きに利用され、その精密な測定は、更に多孔性の
地層内へのビツト進入を示す穿孔率「ブレーク」
を解析するときに使用されることができる。従つ
て、穿孔前進中にWOBパラメータを精密かつ正
確に測定することは、穿孔工程において極めて重
要なことである。

トルクはまたビツトの摩耗程度を推定するとき
に、特にWOBの測定と一緒に考慮されるときに
役に立つ重要な目安である。過大なトルクは、軸
受事故および固着されたコーン・ビツトなどの重
大なビツト被害を示すものである。

過去においては、WOBおよびトルクの測定
は、地上において行なわれ、前者はドリルストリ
ングの底着重量と指示されたフツク荷重とを比較
することによつて行なわれ、後者は、回転台電動
モータへの電流供給の測定、或は回転駆動チエー
ンアイドラへの機械的な力の測定によつて行なわ
れた。しかし、地上の測定は、穿孔の壁面へのド
リルストリングの引つかかる力その他の因子のた
めに必らずしも信頼性のあるものではなかつた。
その結果として、真に信頼性ある情報を提供する
ために、ビツト自身における重量およびトルクの
実際値を測定することが長い間要求されていたこ
とである。

穿孔の遠隔測定装置における最近の開発は、深
い孔の測定を可能にしたが、その大部分では、提
案された深孔センサは、穿孔工程中に存在する井
戸圧力および温度変動作用のために、著しい不正
確性を持つている。特に、ひずみを増幅するため
の補助部材またはスリーブを使用した設計は、不
適当であると考えられる。その理由は、かような
補助部材は、重さによるひずみと、熱膨脹による
ひずみとを区別することができないからであつ
て、後者は、非常に複雑で時間に依存する分布を
するひずみであるので、測定、特にWOBの測定
を無意味にするからである。

発明の目的 本発明の全般目的は、改良された精度をもつ
て、深孔のWOBおよび／またはトルクを測定す
るための装置を提供することである。

発明の要約 これらの目的およびその他の目的は、本発明の
原理によつて達成され、すなわち、ビツトに隣接
してドリルストリングに結合された管状体を有
し、その管状体の壁体に直径方向に対向して半径
方向に向いた開孔を形成して応力増幅を提供する
ようにした測定装置を設けることによつて達成さ
れる。この管状体の圧縮または捩れ荷重の状態に
おいて前記開孔が楕円化することによるひずみ
は、これらの開孔の壁に固着された抵抗ひずみ計
の回路網によつて測定される。この計器は、熱ひ
ずみに応動することなく、増幅応力を測定するよ
うに装置されている。特に、これらのひずみ計
は、管状体の壁切断厚さの中心付近の熱応力がゼ
ロの半径位置またはその近くに装架されるのが好
ましい。これらのひずみ計はまた、一つの雰囲気
環境内に装架され、すなわち、周囲の井戸流体か
ら隔絶された場所にあり、封止プラグを使用して
開孔の外端部を閉鎖し、この封止プラグは、各開
孔の壁面に対して同様に封止された端部区間を持
つ横断部材によつて互いに離れて支持されてい
る。静水圧力による井戸孔内の周囲応力は、すべ
てのひずみ計が同一の周囲応力をうけることによ
つて相殺される。更に、差圧力による管状体内の
擬似応力を実質的に除去するために、一つのスリ
ーブを管状体の内筒の中に装架して、このスリー
ブは、開孔の上方および下方に延びてその両端部
を管状体に対して封止して環状の空所を形成し、
それは油または類似物が満たされる。管状体の外
側の圧力は、適宜の仕方でこの油の圧力と均等に
される。スリーブの下端部は、外方に向くフラン
ジを持ち、このフランジは、管状体の下方に向い
た肩部に係合し、このフランジは、スリーブの上
端部と管状体との間のシールよりもかなり大きい
内径の本体部分に封止されている。このようにし
て、普通ならばビツトを横切る圧力下降によつて
管状体に存在するはずの応力は、この圧力下降に
よつてスリーブに加わる上方に向く力が肩部にお
いて本体に伝えられることによつて実質的に補償
される。

発明の実施例 本発明は、その他の特徴および利点を持つてお
り、それらは、以下に添付図面を参照して一好適
実施例を詳細に説明する。

第１図をまづ参照すると、ドリルストリング１
０は、穿孔１１内に懸下して示され、その下端部
には代表的なドリルビツト１２が固着されてい
る。ビツト１２のすぐ上方には、本発明によつて
構成されたセンサ装置１３がある。センサ１３の
出力は、例えば米国特許第3309656号明細書に記
載の形式などの送信装置に供給される。この送信
装置は、特殊のドリルカラー区間１６の内部に位
置および取付けられて、感知したデータによつて
変調された音響信号を、ドリルストリング１０内
を下方に循環する穿削流体にあたえるように作用
する。この信号は、地上において検出されて、深
井戸内の測定を代表する記録可能データを提供す
るように処理される。

本発明の好適実施例を詳細に提示するために第
２図を参照すると、センサ装置１３は、管状の本
体２０を有し、その下端部にはドリルビツト１２
を結合するようにしたねじボツクス２１を持ち、
その上端部にはドリルカラー１６に結合するよう
にしたねじピン２２を持つている。中心の通路２
３は、掘削用泥水をビツト１２に向つて流すため
に設けてある。本体２０は、その上下端部の中間
においてその壁を貫通する１対の半径方向に直径
的に対向した円孔または円形開孔２５を持つてい
る。各孔は、同一の形状である。第４図に拡大し
て示すように、各孔は比較的大きい直径の壁面２
６と比較的小さい直径の壁面２７とを持ち、両壁
面は好ましくは丸味のある表面２８によつて結合
されている。各孔２５の外方開口は、プラグ２９
によつて閉鎖され、このプラグは外側から挿入さ
れて、クリツプ・リング３０によつて保持され、
壁面２６に係合するＯリングシール３２を持ち、
流体の漏洩を阻止する。支持管３３は、本体２０
を横断する方向に延び、その各外端部は、プラグ
２９の後面に当接係合し、壁面２７に係合するＯ
リング３４を持つているので、管３３の内部区域
３５と、各プラグ２９の後方の環状領域３６と
は、周囲の井戸内流体から隔絶された雰囲気圧力
に保持される。回路板（図示せず）は、管３３に
置かれることができ、以下に述べるひずみ計ブリ
ツジ回路と動作的に関連した種々の電子部品を持
つている。

再び第２図を参照すると、圧力スリーブ４０
は、本体２０内に装架され、本体の直径の小さい
穿孔面４１から拡がつた直径の穿孔面４２に向け
て延びている。このスリーブ４０の上端部４３
は、対応して直径が減少し、Ｏリング４４によつ
て表面４１に対して封止され、また、下端部４５
は、表面４２に対して封止するＯリング４７を持
つた外方に向くフランジ４６を持つている。フラ
ンジ４６の上面は、本体２０の下方に面した肩部
４８に係合して、ロツクナツト４９によつて、肩
部に圧着され、スリーブ４０を本体２０内で軸方
向に固定する。スリーブ４０の上端面５０は、本
体２０の隣接肩部５１から下方に離れて位置し、
それと接触していない。横断管５３は、スリーブ
４０の上下端部の中頃においてスリーブと一体に
形成され、かつ最初に述べた管３３を受容するよ
うに配置され、管３３はその中を通つている。こ
のスリーブ４０の外周面は、スリーブのほぼ全長
にわたつて本体２０の隣接内壁面に対して内方に
離れて環状の空所５４を作り、通常の注入プラグ
（図示せず）を経て油またはその他の本質的に非
圧縮性の流体が満たされる。

空所５４内の油の圧力は、第３図に示す圧力伝
達ピストン５５によつて本体２０の外側の井戸流
体の圧力と均等化される。ピストン５５は、本体
２０の壁内に形成された半径方向に向いたシリン
ダ５６の中に摺動可能に受容され、それに摺動係
合状態のＯリングシール５７を持つている。シリ
ンダ５６の内端部は、開孔５８によつて環状空所
５４に連通し、またシリンダの外端部は、本体２
０の外側に開放している。止めリング５９は、ピ
ストンをシリンダ５６内に保持するために設けら
れる。

抵抗ひずみ計のような１組のトランスデユーサ
が、環状領域３６に隣接する開孔２５の壁面２６
に適当の装置によつて固着され、或る雰囲気環境
に保護された状態に取付けられる。本体の軸方向
の圧縮荷重、従つてWOBを示す開孔２５壁内の
ひずみを測定するために、好ましくは、４個のゲ
ージが第５図に示すように各孔内に配置され、ゲ
ージ６２および６３は、孔のそれぞれの頂部およ
び底部の表面に、ゲージ６４および６５は孔のそ
れぞれ右側および左側にある。これらの各組のゲ
ージは、当業者に周知の一般設計を持つた抵抗ブ
リツジ回路に利用される。この回路網への電気導
線は、適当のシールコネクタ（図示せず）によつ
て外側に導かれ、その電線は、本体２０の外側に
形成された溝７０（第２図）内を上方に延び、カ
バープレート７１などで保護されている。信号を
外部に導くための他の装置は、もちろん使用され
ることができる。

トルクを測定するためには、抵抗ひずみ計の他
のセツトを各開孔２５の壁に固着してよいけれど
も重量を測定するために使用された第５図に例示
する組の方向に対して45゜だけ角度的に食違わせ
る。ビツト１２を回転させるために本体２０に加
えられる捩り力は、本体の長手軸に対して45゜を
なす主軸を持つた楕円化を開孔に対して生じるの
で、開孔の壁内に現われる対応ひずみは、それら
のゲージの読みとして測定される。トルクを測定
するためのこれらのゲージは、原則的には圧縮荷
重を測定するために使用されたゲージと同一開孔
に固着されてよいけれども、第２図に示したもの
と同一であるがその下方に離して位置する別の横
断管、プラグおよび半径方向の孔より成る組立体
を設けることが好ましいかも知れない。この付加
的組立体は、希望ならば、上方の組立体に対して
90゜の位置に向けてもよい。しかし、開孔２５内
のゲージセツトの角度配向のほかは、この装置
は、上に述べたものと全く同じであるから、ここ
に例示することを要しないであろう。

次に、本装置の動作を説明する。使用に際して
は、図示のように半ば組立てられたものをビツト
１２の上のドリルストリングに結合して、トラン
スデユーサへの電気導線を周知の仕方で、トラン
スデユーサ１５に接続する。環状の空所５４は、
前もつて油で満たされている。ドリルストリング
を井戸の中に降ろすに従つて空所５４内の油圧力
は、ピストン５５によつて本体２０の外部圧力と
均等化される。泥水ポンプを地上で起動して循環
を開始すると、スリーブ４０の内側の泥水圧力
は、外側の環体内の圧力よりも、ビツト１２のノ
ズルを通る圧力下降に等しい量だけ高くなる。こ
の圧力差による膨出圧力が、スリーブ４０内に誘
起されるけれども、それは前に述べたようにピス
トン５５による圧力均等化のために、本体２０の
長さの大部分からは実質的に隔絶されている。ポ
アソン効果によつて生じるスリーブの短縮化によ
る任意応力もまた、本体２０に伝わることはな
い。何となれば、スリーブの上端部は、下方に動
くことは自由であるからである。ビツトを通る圧
力下降による本体２０内の引張応力は、シールリ
ング４７および４１によつて限界された面積の差
に等しいスリーブ４０の合成面積に作用する圧力
差によつて本体の肩部４８に加えられる上向きの
力によつて実質的に相殺される。このようにし
て、開孔２５とひずみ計が位置している本体２０
の全中心領域は、そうでなければトランスデユー
サから得られる読みに有害な影響を持つたと考え
られる圧力勾配から有効に隔絶されている。ゲー
ジ６２乃至６５は、好ましくは本体２０の切断壁
厚の中点またはその付近に第４図に示すように位
置決めされ、金属内に存在する任意の温度勾配に
よつてほとんど影響されることはないようにして
いる。

外圧または静圧力によりプラグ２９の各々に加
わる内方に向く力は、プラグの内側壁に当接する
両端面を持つ管３３によつて支持されているの
で、プラグ２９に作用する外圧力により開孔付近
の本体２０壁内に集中応力を生ずることはない。
環状空所５４内の同一の圧力は、開孔の内面２７
に隣接する本体の環状区間に作用する。しかし、
かような応力は、その周囲に均等に分散されるの
で、壁面２６に沿つて規則的間隔に、かつ同一半
径位置に固着されたひずみ計の一組の出力に影響
をあたえない。このように配置されたゲージは、
さもなければ、測定しようとする軸方向および／
または捩り方向の荷重によるひずみをかくしてし
まうような、外部からのひずみを受けることはな
い。

本体２０が、穿削動作中に軸方向の荷重を受け
るときに、前記の半径方向の開孔２５は、僅かに
楕円形となり、上部および下部のゲージ６２，６
３は、引張によるひずみを感知し、側部ゲージ６
４，６５は、圧縮によるひずみを感知するであろ
う。当業者にとつて理解されているように、これ
らのゲージの抵抗変化の量は、本体２０に加えら
れた軸方向の力の量に変換されることができる。
４個のゲージは、もちろんブリツジ回路に結合さ
れるので、温度効果は相殺される。

以上で、当業者に理解されるように、井戸を穿
削する動作中においてWOBおよび／またはトル
クを測定するための新規で改良された装置が提供
された。この装置はまた、ビツトに加わる側方の
力を測定して確からしい方向を予知するためにも
使用することができる。これは、1979年４月12日
出願の出願番号第29423号明細書（本発明と同一
譲受人）に開示および請求された態様に使用され
る。本発明による測定は、ひずみ計トランスデユ
ーサは、ひずみを測定するように過去に使用され
た補助部材またはスリーブにではなく、重量また
はトルクによる応力をうける部材に、取付けられ
ているという事実によつて、高い精度で行なわれ
る。すべてのゲージは、互いに近接して位置し、
かつ金属内の温度勾配が最も影響しないように配
置される。ゲージはまた、信頼性を増大するため
に一つの雰囲気内に位置決めされる。装置の全体
構成は、周囲の圧力、温度および差圧力によつて
生じる応力に対してほとんど無感覚である。原理
としては、単一の開孔を使用してWOBまたは捩
り力を測定することができるけれでも、対向した
開孔を使用すると屈曲補償の手段が得られる。

本発明の概念を離脱することなしに、いくつか
の変化または変形が当業者によつて行なわれるの
で、本発明の真の精神および要旨内にあるすべて
のかような変化および変形を包含することが特許
請求の範囲の意図するところである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるセンサ装置を含むドリ
ルストリングを懸下した穿孔の略示図、第２図
は、上記センサ装置の縦断面図、第３図は、第２
図の線３−３における断面図、第４図は、開孔組
立体の内部構造の詳細を例示するための拡大部分
的断面図、第５図は、第４図の開孔の端面図であ
つて、ひずみ計トランスデユーサの配置を例示す
る図である。 １０……ドリルストリング、１１……穿孔、１
２……ビツト、１３……センサ装置、２０……管
状本体、２５……円形開孔、２６……開孔壁面
（大径）、２７……開孔壁面（小径）、２９……プ
ラグ、３３……支持管、３５……支持管内区域、
３６……環状領域、４０……スリーブ、４３……
スリーブ上端部、４５……スリーブ下端部、４６
……フランジ、４７……Ｏリング、４８……本体
肩部、５３……スリーブ横断管、５４……環状空
所、５５……ピストン、５６……シリンダ、６２
〜６５……ひずみ計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半径方向に延びる開孔２５を有し一面で井戸
   に接触するようにドリルビツトの上方でドリルス
   トリングに連結される管状本体２０と、開孔の周
   囲壁面を周囲の井戸流体から隔絶し井戸流体の圧
   力によつて開孔の近くに応力集中区域を形成しな
   いようにするための隔絶装置２９，３３，４０
   と、開孔の周囲壁面に設けられ管状本体に加えら
   れた力による開孔の形状変型を検出し、管状本体
   に加えられる力の測定信号を出すためのセンサ装
   置６２，６３，６４，６５とを有する井戸を掘削
   中にドリルビツトに加わる力を測定する装置。 ２ 前記センサ装置は、前記本体壁の断面厚のほ
   ぼ中点において前記壁面に固着されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記本体の内側に封止的に装架され、前記開
   孔の上方から下方へ延びているスリーブ部材を有
   し、前記スリーブ部材および本体は、両者の間に
   環状の領域を画成し、前記本体の外側に流体圧力
   を前記領域に加えるための装置を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の装置。 ４ 前記スリーブ部材の一端部は、前記本体に対
   して相対的に動かないように固着され、その他端
   部は、前記本体に対して相対的に動くことが自由
   であることを特徴とする特許請求の範囲第３項に
   記載の装置。 ５ 前記スリーブ部材の前記一端部は、その下端
   部であつて、その他端部よりも大きい区域の封止
   係合を前記本体に対して待つていることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項に記載の装置。 ６ 前記スリーブ部材の下端部は、前記本体に対
   して上端部よりも大きい直径の封止係合を持ち、
   それによつて、前記領域内の圧力よりも大きい流
   体圧力が前記スリーブ部材および本体の穿孔内に
   生じて、前記スリーブ部材に上向きの力を加え、
   前記力を前記本体に伝達するための装置を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項乃至第５
   項にいづれか１項に記載の装置。 ７ 前記隔絶装置は、前記開孔の外方開口を封止
   閉鎖するプラグ装置と、井戸圧力により半径方向
   に内方に動かないように前記プラグ装置を支持す
   るための装置とを含む特許請求の範囲第１項乃至
   第６項のいづれか１項に記載の装置。 ８ 前記プラグ装置と支持装置は、前記開孔内部
   に一つの雰囲気チヤンバを画成し、前記チヤンバ
   内の前記開孔の周壁面に固着されたセンサ装置を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第７項に
   記載の装置。 ９ 前記半径方向に向いた開孔に対して直径方向
   に対向して前記管状本体に設けられた他の開孔を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第８項にいずれか１項に記載の装置。 １０ 前記隔絶装置は、前記他の開孔の外方部分
   を封止閉鎖するためのプラグを含み、前記支持装
   置は、前記最後に述べたプラグの内方運動を阻止
   し、前記プラグおよび支持装置は、前記開孔内に
   一つの雰囲気チヤンバを画成し、前記チヤンバ内
   の前記最後に述べた開孔の周壁年に固着させたセ
   ンサ装置を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第９項に記載の装置。 １１ 前記管状本体の内筒を横切つて延び、前記
   開孔の各々内の前記隔絶装置に当接して、前記隔
   絶装置が井戸圧力によつて半径方向に内方に動く
   ことを阻止する支持部材を有し、前記支持部材
   は、前記本体に対して封止され、かつ前記隔絶装
   置とともに前記開孔内に一つの雰囲気チヤンバを
   作ることを特徴とする特許請求の範囲第１０項に
   記載の装置。 １２ 前記スリーブ部材を横方向に延びた管を有
   し、前記支持部材は、前記管の内筒を通つて延び
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項な
   いし第６項のいずれか１項に記載の装置。 １３ 前記開孔の外方部分は、内方部分よりも大
   きい直径を持ち、前記雰囲気チヤンバは、前記支
   持部材の外部の環状領域によつてその一部分を画
   成されることを特徴をする特許請求の範囲第８項
   または第１０項に記載の装置。 １４ 前記支持装置は、管状であつて、その中空
   の内部は、前記センサ装置に関連する回路装置を
   設置するための空所を提供することを特徴をする
   特許請求の範囲第７項、第１０項、第１１項、第
   １２項のいづれか１項に記載の装置。