マッドモーター

マッド モーター(または掘削モーター) は、掘削中にビットに追加の動力を供給するためにドリル ストリング内に配置されたプログレッシブ キャビティ ポジティブ ディスプレイスメント ポンプ(PCPD) です。PCPD ポンプは掘削流体(一般に掘削泥、または単に泥と呼ばれる) を使用して、モーターの動力部に偏心運動を発生させ、それが同心動力としてドリル ビットに伝達されます。マッド モーターは、さまざまなローターとステーターの構成を使用して、必要な掘削操作に最適なパフォーマンスを提供します。通常、ローブの数を増やし、動力アセンブリの長さを長くすると、馬力が大きくなります。特定の用途では、圧縮空気またはその他のガスをマッド モーターの入力電力として使用できます。マッド モーター使用時のビットの通常の回転数は、60 rpm から 100 rpm 以上になります。

ルネ・モワノーが開発した原理に基づく理論では、1つ以上のローブを持つ螺旋状のローターは、ステータにローターよりも多くのローブがある場合に偏心して回転するとされています。流体の流れが動力を伝達し、アセンブリが回転してビットを回転させます。^[1]

通常の泥モーター構造は、泥モーターをドリルストリングに接続するトップサブ、ローターとステーターで構成されるパワーセクション、ローターからの偏心パワーが等速ジョイントを使用して同心パワーとしてビットに伝達されるトランスミッションセクション、底部外圧と底部内圧からツールを保護するベアリングアセンブリ、および泥モーターをビットに接続するボトムサブで構成されます。

ビットが底まで達し、モーターが効果的に作動しているとき、流体システム内の圧力が著しく上昇します。これはモーター内の制限によって発生し、「差圧」と呼ばれます。この差圧が高すぎると、モーターが停止し、ビットの回転が停止し、ステーターの内面に重大な損傷を引き起こす可能性があります。

マッド モーターは、ステージ数、ローブ比、外径で表されます。ステージとは、ステータが一方の端からもう一方の端まで完全にねじれた数であり、ローブ比とは、ステータのローブ数とローターのローブ数の比率です (ステータのローブ数は、ローターより常に 1 つ多くなっています)。ステージ数が多いほど、モーターのパワーが高くなります。ローブ数が多いほど、トルク出力が高くなり (差圧が同じ場合)、ローブ数が少ないほど、生成されるトルクは少なくなりますが、ビットの回転速度は速くなります。

動作パラメータには、流量、ビット回転数、トルクが含まれます。回転子と固定子の形状の関係によって、回転速度とトルクが決まります。回転速度は流量に比例し、トルクはモーターを流れる流体の圧力降下に比例します。ローブの数が多いほど、トルクが高くなり、回転数は低くなります。

マッド モーターの使用は、経済効率に大きく依存します。まっすぐな垂直の穴では、ドリル ストリングをそれほど速く回転させる必要がないため、マッド モーターは、貫入速度 (ROP) を上げるためだけに、またはドリル ストリングの侵食と摩耗を最小限に抑えるためにのみ使用できます。

マッド モーターは、主に方向性のある穴を掘削する際に使用されます。ビットを目的のターゲット ゾーンに導くために他の方法を使用することもできますが、時間がかかり、井戸のコストが増加します。マッド モーターは、モーター自体のさまざまな設定を使用して、曲げるように構成できます。一般的なマッド モーターは、曲げ 1 度につき約 6 段階の偏差で 0 度から 4 度まで変更できます。曲げの量は、ターゲット ゾーンに到達するために必要な上昇率によって決まります。掘削中測定(MWD) ツールを使用すると、方向性のある掘削者はビットを目的のターゲット ゾーンに導くことができます。

操舵可能なモーターは、キックオフポイントの掘削に使用されます。キックオフポイントを掘削する際は、硬い地層のすぐ下にある柔らかい地層の掘削を避けるようにしてください。硬い研磨地層では、キックオフ時の高サイド力により、ビットシャンクがひどく摩耗する可能性があります。理想的には、キックオフポイントは、研磨性のない均質な地層で選択する必要があります。^[2]

• 極めて硬い岩石層は、ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドコンパクト (PDC) ビットを使用したモーターで掘削できます。
• 回転速度が速いため、高い貫通率を達成できます。
• モーターによって生成される馬力やトルクに関係なく、ボーリングホールの循環を許可します。

ポンプの主要部品である PCPD ステータは、通常、エラストマーで裏打ちされています。PCPD ポンプの故障のほとんどは、このエラストマー部品が原因です。しかし、動作条件^[3]と環境により、機器の寿命中、エラストマー部品が劣化したり、機械的故障を引き起こしたりしてはなりません。残念ながら、業界には、より長持ちし、研磨性の液体や固体に耐え、動作温度でのたわみに耐えるエラストマーはありません。この用途に使用される最も一般的なエラストマーグレードは、NBR (ニトリルまたはアクリロニトリルブタジエンゴム) グレードであり、これは適度に優れた性能を発揮します。現在 PCPD がアクセスできない領域に到達し、現在の製品の寿命を向上させるために、より優れたエラストマー化合物が確実に必要です。

• ビット速度は非常に高速になる可能性があるため、ビットの選択が重要になります。速度が速いと、特定の種類のビットの使用が制限される場合があります。
• 適切かつ効率的なモーターの動作を維持するには、特定の圧力と流量が必要になる可能性があるため、特別なポンプ要件があります。
• 方向制御に使用する場合、ダウンホールアセンブリが長くなり、リグフロアでの組み立てに時間がかかる場合があります。
• 泥水モーターは汚れに敏感な場合があります。つまり、特定の種類の掘削液や添加剤はモーターを損傷したり、その性能を低下させたりする可能性があります。前述のように、泥水モーターに油ベースの泥水を使用すると、その具体例が挙げられます。時間の経過とともに、油はモーターのエラストマーとシールを劣化させます。

チャンキング - ステーターの上部のゴムが摩耗している部分。

剥離 - 鋼管と接着剤の破損、接着剤と接着剤の間のエラストマーと接着剤の破損。

ローター/ステーターのフィット不良 – 経年劣化による許容誤差が不適切です。また、フィットが間違っていると、差圧が高すぎるか低すぎる可能性があります。差圧が高すぎるとモーターが損傷する可能性があります。差圧が低すぎるとモーターが弱くなり、停止してステーターが破損する可能性があります。

坑内温度と泥の温度により、ステータの熱疲労が発生する可能性があります。ステータの膨張を補正するために注意が必要です。

特定の掘削流体はステーターエラストマーを膨張させる可能性があります。これと穴底温度も考慮する必要があります。

逸失循環物質（LCM）はモーターを詰まらせる可能性があり、鋭利な物体はモーターの内部を摩耗させる可能性があります。^[4]

• 掘削しながらの伐採（LWD）
• 掘削中の測定（MWD）

• マッドモーターの説明 - Kalsi Engineering
• 容積式モーター (PDM) - YouTube の 2D アニメーション