ドリルストリング

掘削リグのドリルストリングとは、掘削流体(泥ポンプ経由) とトルク (ケリー ドライブまたはトップ ドライブ経由) をドリル ビットに伝達するドリル パイプの列またはストリングです。この用語は、スマグラー プール、ドリル カラー、ツール、およびドリル ビットの集合体に緩く適用されます。ドリル ストリングは中空であるため、掘削流体はそこを通ってポンプで送り出され、環状部(ドリル ストリングとケーシング/開いた穴の間の空間) を循環して戻ります。

ドリルストリングは通常、次の 3 つのセクションで構成されます。

• ボトムホールアセンブリ（BHA）
• トランジションパイプ（通常は重量級ドリルパイプ（HWDP））
• ドリルパイプ

ボトム ホール アセンブリ (BHA) は、岩石層を砕くために使用されるドリル ビット、ドリル ビットに重量を加えるために使用される重い厚壁のチューブであるドリル カラー、およびアセンブリを穴の中央に保つ掘削スタビライザーで構成されています。BHA には、ダウンホール モーター、回転操舵システム(RSS)、掘削中測定(MWD)、掘削中ロギング(LWD) ツールなどの他のコンポーネントも含まれる場合があります。コンポーネントは、頑丈なねじ接続を使用して結合されます。異なるねじを持つアイテムを接続するには、短い「サブ」が使用されます。

重量級ドリルパイプ (HWDP) は、ドリルカラーとドリルパイプ間の移行に使用できます。HWDP の機能は、ドリルカラーとドリルパイプ間の柔軟な移行を提供することです。これにより、BHA の真上で見られる疲労破壊の数を減らすことができます。HWDP の 2 番目の用途は、ドリルビットに追加の重量を追加することです。HWDP は、傾斜した井戸のビットの重量として最もよく使用されます。HWDP は、井戸の角度の付いた部分のカラーの真上にある場合もあれば、井戸の浅い部分のキックオフ ポイントの前にある場合もあります。

ドリル パイプは、地表まで掘削するドリル ストリングの大部分を占めます。各ドリル パイプは、指定された外径 (例: 3 1/2 インチ、4 インチ、5 インチ、5 1/2 インチ、5 7/8 インチ、6 5/8 インチ) の長い管状部分で構成されています。ドリル パイプの両端には、ツール ジョイントと呼ばれる管状の大径部分があります。ドリル パイプの一方の端にはオス (「ピン」) 接続があり、もう一方の端にはメス (「ボックス」) 接続があります。ツール ジョイント接続にはねじが切られており、各ドリル パイプ セグメントを次のセグメントに接続できます。

ドリル ストリングのほとんどのコンポーネントは 31 フィートの長さ (範囲 2) で製造されていますが、46 フィートの長さ (範囲 3) で製造することもできます。31 フィートの各コンポーネントはジョイントと呼ばれます。通常、2 つ、3 つ、または 4 つのジョイントが結合されてスタンドが形成されます。最新の陸上リグは、約 90 フィートのスタンド (トリプルと呼ばれることが多い) に対応できます。

ドリル ストリングを穴から引き出す、または穴に通すことをトリッピングと呼びます。ドリル パイプ、HWDP、カラーは、ビット交換後などに再び穴に通す場合に備えて、通常、デリックのコンポーネントであるモンキーボードに立てかけてラックに収納されます。切断ポイント (「ブレーク」) は、その後の往復ごとに変更されるため、3 回の往復後にはすべての接続が切断され、後で新しいパイプ ドープを塗布して再び接続されます。

ドリルストリングが詰まる原因は、さまざまな状況が考えられます。

• 循環が停止すると掘削片が坑井内に戻って固まるため、パッキングオフが発生します。
• 地層圧力と坑井圧力に大きな差がある場合、差圧が発生します。ドリル ストリングは坑井の片側に押し付けられます。この状況で坑井に沿ってストリングを引っ張るのに必要な力は、総接触面積、圧力差、および摩擦係数の関数です。
• キーホールの固着は、つまずいたときにドッグレッグに引き上げられる結果として機械的に発生します。
• 長時間動かさないことによる固着。

管状部材が詰まったら、パイプを引き抜くためにさまざまな技術が使用されます。ツールと専門知識は通常、油田サービス会社によって提供されます。2 つの一般的なツールと技術は、油田ジャーと表面共振バイブレーターです。以下は、これらのツールの歴史と動作方法です。

ケーブルツール掘削の機械的な成功は、1830年代の塩井時代にスプリングポール掘削業者のウィリアム・モリスが発明したジャーと呼ばれる装置に大きく依存していました。モリスについては、発明と、住所としてカナワ郡（現在のウェストバージニア州）を記載したこと以外ほとんど知られていません。モリスは、1841年に自噴井掘削用のこのユニークなツールの特許^[1]を取得しました。その後、ジャーを使用することで、ケーブルツールシステムは石油井戸の掘削の需要を効率的に満たすことができました。

瓶は、特に石油掘削業者の手によって、時間の経過とともに改良され、1868年にペンシルベニア州タイタスビルのエドワード・ギヨドが取得した別の特許により、1870年代までには最も有用で実用的なデザインに到達しました。この特許では、最も摩耗しやすい瓶の表面に鋼を使用する方法が取り上げられていました。^[2] それから何年も経った1930年代には、非常に強力な合金鋼の瓶が作られました。

ジャーのセットは、伸縮可能な 2 つの連動リンクで構成されていました。1880 年には、ジャーの遊びは約 13 インチで、上部のリンクを 13 インチ持ち上げてから下部のリンクをかみ合わせることができました。このかみ合わせは、クロスヘッドがくっついたときに起こりました。今日、ジャーには主に油圧式と機械式の 2 つのタイプがあります。それぞれの設計はまったく異なりますが、動作は似ています。エネルギーはドリル ストリングに蓄えられ、ジャーが発射すると突然解放されます。ジャーは、上、下、またはその両方に打撃を与えるように設計できます。動かなくなった底穴アセンブリの上でジャーを持ち上げた場合、掘削者はドリル ストリングをゆっくりと引き上げますが、BHA は動きません。ドリル ストリングの上部が上がっているということは、ドリル ストリング自体が伸びてエネルギーを蓄えていることを意味します。ジャーが発射点に達すると、ジャーの 1 つのセクションが突然、もう 1 つのセクションに対して軸方向に移動し、伸びたスプリングの一端が放されたときに動くのと同じように、急速に引き上げられます。数インチ移動した後、この可動部分は鋼鉄の肩部に激突し、衝撃荷重を与えます。

機械式と油圧式のジャーに加えて、ジャーは掘削ジャーまたは釣りジャーに分類されます。2 つのタイプの操作は類似しており、どちらもほぼ同じ衝撃を与えますが、掘削ジャーは掘削に伴う回転および振動負荷に耐えられるように作られています。ジャーは、簡単なストリング操作でリセットできるように設計されており、井戸から回収する前に繰り返し操作または発射することができます。ジャーの有効性は、ジャーに重量をどれだけ速く衝撃を与えることができるかによって決まります。コンパウンダーやアクセラレータを使用せずにジャーをジャーに押し込む場合、ジャーが解放されてジャーに上向きの衝撃が生じた後、パイプの伸びのみを利用してドリル カラーを上方に持ち上げます。この加速された上方移動は、井戸の側面に沿った作業ストリングの摩擦によって遅くなることが多く、ジャーに衝撃を与えるドリル カラーの上方移動の速度が低下します。浅い深さでは、作業ストリングのパイプの伸びがないため、ジャーの衝撃は得られません。

パイプの伸張だけでは魚を解放するのに十分なエネルギーが得られない場合、コンパウンダーまたはアクセラレータが使用されます。コンパウンダーまたはアクセラレータは、作業用ストリングを過度に引っ張って数フィートのストローク距離にわたって圧縮性流体を圧縮し、同時にフィッシングジャーを作動させると作動します。フィッシングジャーが解放すると、コンパウンダー/アクセラレータに蓄積されたエネルギーがドリルカラーを高速で上方に持ち上げ、ジャーに大きな衝撃を与えます。

ジャーは、パイプを伸ばすことで弾性位置エネルギーを蓄積するという原理を利用しており、ジャーが転倒すると、ドリルパイプとカラーの質量を利用して速度を増し、ジャーのアンビル部分に衝突します。この衝撃により力、つまり打撃が発生し、それがエネルギーに変換されます。

振動を利用して坑井から詰まった物体を取り除くという概念は 1940 年代に始まり、おそらく 1930 年代にソ連で杭打ちに振動が使われたことに由来しています。杭打ちと抜き取りに振動が使われ始めた当初は、低周波操作、つまりシステムの基本共振周波数よりも低い周波数に限られていたため、効果的ではあるものの、従来のハンマー機器の改良に過ぎませんでした。初期の特許と教育では、関連するプロセスとメカニズムを説明しようとしましたが、ある程度の洗練さが欠けていました。1961 年、AG Bodine は、超音波技術を使用した油田管状抜き取りの「母特許」となる特許^{[3]を取得しました。Bodine 氏は、}機械インピーダンスのリアクタンス部分を効果的に排除する共振 振動の概念を導入し、効率的な超音波パワー伝達手段を実現しました。その後、Bodine 氏は、この技術のより焦点を絞った用途に向けた追加の特許を取得しました。

この技術に関する最初の発表された研究は、1987年にテキサス州ダラスで開催された国際掘削請負業者協会で発表された石油技術者協会（SPE）の論文^[4]で概説されており、研究の内容と達成された運用上の成果が詳述されています。引用された研究は、ライナー、チューブ、ドリルパイプの抽出を伴い、非常に成功しました。2007年11月にカリフォルニア州アナハイムで開催された石油技術者協会の年次技術会議および展示会で発表された参考文献2 ^[5]では、共鳴 振動理論の詳細と、泥に詰まった長いチューブラーの抽出におけるその使用法が説明されています。

表面共振バイブレーターは、逆回転する偏心重りの原理を利用して、表面から表面の作業ストリングに正弦波の 調和運動を伝えます。参考文献 3 (上記) には、この技術の詳細な説明が記載されています。回転周波数、つまりパイプ ストリングの振動は、システムの共振周波数に調整されます。システムは、表面共振バイブレーター、パイプ ストリング、魚、保持媒体として定義されます。魚に伝えられる結果的な力は、次のロジックに基づいています。

• 表面からの伝達力は、リグからの静的なオーバープル力と、回転する偏心重量の動的な力成分の結果である。
• 静的なオーバープル力成分に応じて、魚にかかる合力は、振動子からの正弦波力成分による張力または圧縮力のいずれかになります。
• 振動機の起動時、最初にシステムの負荷質量全体を持ち上げたり下げたりするには、ある程度の力が必要です。振動機がシステムの共振周波数に同調すると、インダクタンスリアクタンス (システムの質量) がコンプライアンスまたは剛性リアクタンス (管の弾性) に等しくなるため、反応性負荷インピーダンスはゼロに相殺されます。システムの残りのインピーダンスは抵抗性負荷インピーダンスと呼ばれ、詰まったパイプを保持しています。
• 共振振動の間、縦方向の正弦波がパイプを通って魚まで伝わり、その際、共鳴振動周波数の4 分の 1波長に等しいパイプの質量が伴います。
• 共振振動中に、土粒子の流動化と呼ばれる現象が発生し、詰まったパイプを拘束している粒状物質が流体状態に変化し、媒体を通る物体の移動に対する抵抗がほとんどなくなります。つまり、液体の特性と性質を帯びることになります。
• パイプの振動中、ポアソン比として知られるパイプ本体の膨張と収縮が発生し、動かなくなったパイプが伸張による軸方向の歪みを受けると、直径が収縮します。同様に、パイプが圧縮されると、直径が拡張します。振動を受けるパイプは、縦軸に沿った波として交互に引張力と圧縮力を受けるため (したがって縦方向の歪みも)、その直径は適用される引張波と圧縮波に合わせて拡張および収縮します。これは、振動サイクル中の交互の瞬間に、パイプが実際に物理的に結合されていない可能性があることを意味します。

• 深海掘削
• ダウンザホールドリル

• 表面共振振動技術を用いた詰まったパイプの回収
• ドリルパイプのデータと寸法