▶ グッド ウォーター ホールディングス ピーティーワイ リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-15
(54)【発明の名称】センタバイパスマッドハンマ
(51)【国際特許分類】
E21B 1/24 20060101AFI20231108BHJP
【ＦＩ】
E21B1/24
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023520437
(86)(22)【出願日】2021-09-22
(85)【翻訳文提出日】2023-05-18
(86)【国際出願番号】 AU2021051105
(87)【国際公開番号】W WO2022067376
(87)【国際公開日】2022-04-07
(31)【優先権主張番号】2020903569
(32)【優先日】2020-10-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523120524
【氏名又は名称】グッド ウォーター ホールディングス ピーティーワイ リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＧＯＯＤ ＷＡＴＥＲ ＨＯＬＤＩＮＧＳ ＰＴＹ ＬＴＤ
【住所又は居所原語表記】３２Ａ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｖｅｎｕｅ Ｃｌａｒｅｍｏｎｔ，Ｗｅｓｔｅｒｎ Ａｕｓｔｒａｌｉａ ６０１０ Ａｕｓｔｒａｌｉａ
(74)【代理人】
【識別番号】100140822
【弁理士】
【氏名又は名称】今村 光広
(72)【発明者】
【氏名】ストレンジ，ウォーレン ロス
【テーマコード（参考）】
2D129
【Ｆターム（参考）】
2D129AB02
2D129BA03
2D129DA01
2D129DB01
2D129FA01
(57)【要約】
本開示は、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、バイパスチューブ内に迂回された掘削流体の第２の部分が、ドリルビットから排出され、掘削流体の第１の部分が、ドリルビットから離れる方向に、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、マッドハンマに関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れる方向に、前記排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマ。
【請求項2】
前記摩耗スリーブが、耐摩耗性材料で構築される、請求項１に記載のマッドハンマ。
【請求項3】
前記耐摩耗性材料が、タングステン、ｂｉｚａｌｏｙ、炭素、及びダイヤモンド含浸鋼のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のマッドハンマ。
【請求項4】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの受容端部に位置付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項5】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの構成部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項6】
前記ピストンの前記往復運動を発生させるように掘削流体の前記第１の部分を導くように構成された二次バルブセットをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項7】
前記バイパスチューブが、前記二次バルブセットを通って位置付けられる、請求項６に記載のマッドハンマ。
【請求項8】
前記二次バルブセットと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた二次摩耗スリーブをさらに備える、請求項６又は７に記載のマッドハンマ。
【請求項9】
前記バイパスチューブの内径が約２～３インチである、請求項１から８のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項10】
前記バイパスチューブが、前記ピストンバレル内の中心に置かれる、請求項１から９のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項11】
スタビライザウイング、シュラウド、及びビット保持システムのうちの少なくとも１つを有する駆動サブをさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項12】
前記ピストンバレルが、使用時に前記ドリルビットから離れて上方方向に掘削流体を排出するように構成された少なくとも２つの排出ポートを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項13】
前記ドリルビットが打撃ドリルビットである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項14】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項16】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項17】
掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプと、前記単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマであって、前記マッドハンマが、
少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れる方向に、前記排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマと、を備えるシステム。
【請求項18】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項21】
（ａ）掘削坑井内に、マッドハンマであって、前記マッドハンマが、少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して位置付けられ、打撃ドリルビットであって、前記ドリルビットがドリルビット面を有する、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、
を備えるマッドハンマを位置付けることと、
（ｂ）単一のフロードリルパイプを介して前記掘削流体であって、前記掘削流体が掘削泥水を含む、前記掘削流体の単一の流れを前記マッドハンマに向けることと、
（ｃ）前記掘削坑井において掘削するため前記マッドハンマを動作することと、を含み、
前記バイパスチューブに迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビット面で前記ドリルビットから排出され、掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れる方向に、前記排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、掘削方法。
【請求項22】
前記掘削泥水の前記第２の部分が、前記マッドハンマに送達される掘削流体の総体積の５０％～８０％である、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記掘削流体が、圧力下で前記マッドハンマに送達される、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項24】
前記掘削流体の単一の流れが、毎分約８００ガロン～１，０００ガロンの速度で前記マッドハンマに向けられる、請求項２１から２３のいずれか一項に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体又はマッドハンマ、マッドハンマシステム、及び深い井戸の掘削方法に関する。
【背景技術】
【0002】
新たな排出ガスのない再生可能なベースロード地熱エネルギー供給の需要が増加しているため、事業者は熱エネルギー生産に十分な熱を見つけるためにより深く掘削することを強いられている。より深い掘削、特に陸上のより高いコストの多くは、典型的には、より硬い岩石、及びより硬い岩石に対抗するために要求されるより多くの泥水の重量の両方によって引き起こされる削進率（ＲＯＰ）の低下、過剰に加圧されたリザーバ、及びより深い掘削にしばしば関連付けられるより高い静圧に関連付けられる。典型的なマッドロータリー掘削方法は、硬質岩石層において所望の性能測定基準よりも低い可能性がある。例えば、典型的なマッドロータリー掘削方法は、所望されるよりも掘削速度が遅く、ドリルビット寿命が短い可能性があり、硬質岩石層の作業コストが増加する。流体又はマッドハンマとドリルビットとを組み合わせた打撃掘削システムは、硬質層の掘削性能を高める試みで開発されてきた。
【0003】
流体又はマッドハンマシステムは、掘削流体中に存在する動力の一部分を、ドリルビットを地層内に駆動する機械的力に変換する。ドリルビットに衝突するピストン運動からの打撃力は、硬質岩石への削進率を５００％超改善することができる。しかしながら、抗井制御及び地表への掘削くず輸送に必要な掘削流体中の泥水添加物は、流体ハンマの可動部品に高い摩耗率を引き起こす。作業構成部品のこの高い摩耗率、及び抗井の底部から掘削くずを取り除くために典型的な流体ハンマを通して圧送することができる流体の量が限られていることは、深い坑井の掘削のために使用が禁止されている典型的な流体ハンマシステムにとって重大な欠点である。したがって、回転トリコン掘削法は、一般に依然として使用される唯一の方法である。しかしながら、典型的な回転トリコン法の低い削進速度及び高いコストは、発電、脱塩、加熱、冷却及び廃水処理のために必要とされる地熱レベルに達するために深い硬質岩石坑井が必要とされるほとんどの国における地熱エネルギー生産の開発を少なくとも部分的に妨げる。
【0004】
典型的な流体ハンマシステムの１つは、米国特許出願公開第２０１８／００４４９９１号明細書に開示されているものなどの二重循環水又は流体ハンマ（「ＤＣ流体ハンマ」）である。ＤＣ流体ハンマは、掘削泥水を清浄水から分離するために二重循環ドリルパイプシステムを使用する。通常はドリルパイプの環内に注入される清浄水は、ウォーターハンマを動作するために圧力下で圧送される。この清浄水作業は、ＤＣ流体ハンマの整備と再構築との間のより長い作業期間に寄与し得る。掘削泥水は、作業者がより深い坑井を掘削するときに掘削くずを地表に輸送することができるように、及び高いガス圧を含む地層流体が坑井に入るのを防止するように高い粘度を有する必要がある。高粘度掘削泥水は、典型的には、ドリルパイプシステムの内側チューブ内に圧送され、ＤＣ流体ハンマ内を通過する内側チューブを通ってＤＣ流体ハンマのドリルビット面に送達される。これにより、構成部品を摩耗させる、泥水がＤＣ流体ハンマの作業構成部品内を通過するのを防止する。清浄水及び掘削泥水の両方は、ＤＣ流体ハンマを出た後に混合し、掘削くずを地表に押しやる。
【0005】
しかしながら、典型的なＤＣ流体ハンマは、いくつかの欠点を有する。ＤＣ流体ハンマは、掘削泥水を用いて深い坑井を掘削するとき、所望よりも急速に摩耗し、必要な期間機能することができないことがわかっている。例えば、ＤＣ流体ハンマの作業構成部品を通過する清浄水は、さらに構成部品を摩耗させることがわかっている。
【0006】
深い坑井を掘削するための典型的なＤＣ流体ハンマの別の欠点は、大量の逸泥である。混合流全体が掘削くずを伴い坑井を出るとき、ＤＣ流体ハンマを動作するために圧力下でパイプに圧送することができる前に、全流体の一定割合を地表で約３～１０ミクロンまで洗浄しなければならない。これは、典型的には、圧力下でドリルパイプまで送達される総流体量の約２０～５０％である。全流体のこの割合から取り出される泥水及び掘削添加剤は、ＤＣのハンマの内側チューブを圧送されて下って、井戸の底部のハンマから排出された清浄水と混合される掘削泥水に戻されなければならない。交換されなければならない泥水の量は多くなる可能性があり、全体のＤＣ流体ハンマ自体を毎日の運転で交換するよりも高くなり得るほどＤＣ流体ハンマの運転コストが法外に高くなる可能性がある。
【0007】
典型的なＤＣ流体ハンマのさらなる欠点は、ＤＣ流体ハンマが二重循環ドリルパイプから２つの別個の流れを受け取ることができるように、その運転が二重循環ドリルパイプを必要とすることである。１つの流れは清浄水であり、１つの流れは掘削泥水及び添加剤を含む。清浄な流れはハンマを作動させ、掘削泥水はドリルビット面に導かれる。しかしながら、二重循環ドリルパイプは、少なくとも二重循環ドリルパイプが米国石油協会（ＡＰＩ）の認定を受けていないため、掘削システムの運転の複雑さを増大させる。
【0008】
ＡＰＩ非認定のドリルパイプを使用して掘削システムを運転すると、怪我の危険又は坑井の底部に泥水を送達するために使用される内側チューブなどの設備の損傷が増加する可能性があり、したがって、そのようなシステムは適切な安全レベルを提供しない。例えば、少なくともいくつかの例では、二重循環ドリルパイプなどのＡＰＩ非認定のドリルパイプと共に、典型的な内部防噴装置（ＩＢＯＰ）を含めることは機械的に困難又は不可能でさえある。当業者に知られているように、ＩＢＯＰは、トップドライブの下に位置するサブとすることができ、緊急事態又は暴噴の場合に遠隔で又は手動でオフにすることができる。ＩＢＯＰがなければ、泥水を坑井の底部に送達する内側チューブは、危険なガスが坑井の地表に暴噴するための無制限で抑制されていない経路を提供する。さらに、内側チューブに内部安全システムを追加することは困難であり、又は不可能でさえある。ＡＰＩ認定ドリルパイプなしで掘削システムを運転すると、掘削システムの運転コストも増加する（例えば、一部の保険会社は、そのようにしない安全性の懸念の中でドリラーがＡＰＩ認定された掘削パイプ及び安全システムを使用していない場合、良好な保険を提供しない）。したがって、典型的なオペレータは、ＡＰＩ非認定ドリル配管を使用せず、したがってＤＣ流体ハンマの有用性が低下する。
【0009】
少なくともいくつかの典型的なマッドハンマのさらなる欠点は、再研削と呼ばれ得るものである。再研削とは、ドリルビットが同じ岩石材料ユニットを何度もペーストになるまで再掘削、パウンディング、及び研削することを指し、削孔されている岩石はドリルビット面から洗い流されない。これは、典型的な流体、水、又はマッドハンマの作業部を通って押し出され、ドリルビットポートを通って排出され得る流体量の制限に起因する。その結果、掘削の生産又は速度が非常に遅くなり、ドリルビットが早期に故障する。例えば、一例として、再研削により、水、流体、又はマッドハンマドリルビットが、４００メートル（１３１２．３フィート）以上持続するべきときに、わずか２０メートル（６５．６フィート）で故障する可能性がある。
【0010】
掘削泥水をドリルビット面に迂回することによって、典型的なＤＣ流体ハンマは、フラッシングを増加させ、再研削を減少するのに役立つ。しかしながら、典型的なＤＣ流体ハンマの運転は、過剰な流体又は泥水（例えば、総流体体積の７０～８０％）がドリルビット面に送達されることをもたらす可能性がある。過剰な流体又は泥水がドリルビット面に送達されると、高圧流体のクッションがドリルビットの下に形成される可能性があり、これにより、典型的なＤＣ流体ハンマの生産レベルが大幅に低下することがわかっている。また、高圧流体クッションの問題を解決しようとして、典型的なＤＣ流体ハンマの内側チューブを通る泥水の流れを減少すると、掘削くずを地表に持ち上げる、又は搬送するには不十分な総掘削流体体積が生じることがわかっている。その結果、掘削くずを地表に持ち上げるのに十分な量の泥水を坑井に送達するために、バイパスサブをＤＣ流体ハンマの上方及び典型的な水、流体又はマッドハンマの上方に備える必要があることがわかった。ハンマの上方のバイパスサブから流れる大量の流れは、掘削くずを搬送しようとする下方から来る流れを制限する。さらに、少なくともいくつかの典型的な流体、水、マッド又はＤＣ流体ハンマは、全坑井の体積のわずか２０％を使用して流れるか又は運転するように制限され、これは、１２インチ版（直径）（３０．４８ｃｍ）のＤＣ流体ハンマでは毎分約２００～３００ガロンである。これは、５，０００メートルより深い直径１２．５インチの坑井を掘削するため毎分約１，０００ガロンである総坑井体積をはるかに下回る。
【0011】
したがって、少なくとも上記の欠点を解決するマッドハンマ掘削システムが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／００４４９９１号明細書
【発明の概要】
【0013】
本開示は、一般に、典型的な流体、マッド、及び水ハンマよりも効率が改善された、深い坑井における安全かつ実行可能な打撃掘削のためのマッドハンマ、マッドハンマシステム、及び方法に関する。
【0014】
「パイプトリッピングをする」又は「トリップをする」という用語は、ドリルストリングをボアから取り外し、又は引き出して、消耗した構成部品を調整又は交換し、次いでドリルストリングをボアに戻して延ばす物理的行為を説明すると理解される。
【0015】
第１の態様では、本発明は、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、バイパスチューブ内に迂回された掘削流体の第２の部分は、ドリルビットから排出され、掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れる方向に、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、マッドハンマを提供する。
【0016】
一実施形態では、ピストンバレルを含む掘削泥水を含む掘削流体を用いて動作するように構成されたマッドハンマが提供される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通している。
【0017】
第２の態様では、本発明は、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプと、単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマであって、少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、バイパスチューブ内に迂回された掘削流体の第２の部分は、ドリルビットから排出され、掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れる方向に、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、マッドハンマと、を備えるシステムを提供する。
【0018】
一実施形態では、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプを含むシステムが提供される。システムはまた、単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマを含むことができる。マッドハンマは、掘削泥水を含みピストンバレルを含む掘削流体を用いて動作するように構成される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通している。
【0019】
第３の態様では、本発明は掘削方法であって、掘削坑井内に、マッドハンマであって、少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットであって、ドリルビットがドリルビット面を有する、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を含むマッドハンマを位置付けることと、単一のフロードリルパイプを介して掘削流体であって、掘削流体は掘削泥水を含む、掘削流体の単一の流れをマッドハンマに向けることと、掘削坑井において掘削するためマッドハンマを動作することと、を含み、バイパスチューブに迂回された掘削流体の第２の部分が、ドリルビット面でドリルビットから排出され、掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れる方向に、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、方法を提供する。
【0020】
一実施形態では、方法は、掘削坑井にマッドハンマを位置付けることを含む。マッドハンマは、掘削泥水を含みピストンバレルを含む掘削流体を用いて動作するように構成される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。バイパスチューブに流入する流体の設定量は、掘削流体中の掘削泥水の第１の部分を含む。掘削流体中の掘削泥水の第２の部分は、マッドハンマを作動するために、バイパスチューブの外部でマッドハンマ内に流入する。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通し、ドリルビットは、ドリルビット面を有する。掘削流体の単一の流れは、単一のフロードリルパイプを介してマッドハンマに向けられ、掘削流体は掘削泥水を含む。マッドハンマは、掘削坑井内を掘削するために作動される。掘削泥水の第１の部分は、ドリルビット面でマッドハンマから出る。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本開示の一態様による、掘削システムの断面図を示す。
【0022】
【図2】本開示のさらなる態様による、マッドハンマの分解図を示す。
【0023】
【0024】
【図4】本開示の一態様による、掘削方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0025】
本明細書で使用される「サブ」という用語は、下部構造を指すと理解される。これは、ドリルストリングの多くの小さな構成部品、例えば、短いドリルカラー、クロスオーバー、フロートサブ、リフトサブ、ビットサブ、エントリサブ、及び循環サブに与えられる一般的な用語である。
【0026】
本開示は、典型的な流体又はマッドハンマと比較して寿命及び性能が向上したマッドハンマ１００、２００に関する。例えば、提供されるマッドハンマは、典型的な流体又はマッドハンマと比較して、深い坑井掘削のため向上した寿命及び性能を有し得る。別の例では、提供されるマッドハンマは、典型的な流体又はマッドハンマと比較して、硬質岩石層中の掘削のため向上した寿命及び性能を有し得る。提供されるマッドハンマは、より高粘度の流体（例えば５０ミクロン）を用いて動作するように構築され、掘削泥水を含む掘削流体によって作動される（例えば、ＤＣ流体ハンマの設計におけるような清浄水の代わりに）。例えば、提供されるマッドハンマは、掘削流体によって提供されるマッドハンマの動作を可能にするために、少なくともいくつかの典型的な流体ハンマよりも大きなクリアランスをその構成部品間に含むことができる。
【0027】
掘削流体１４の単一の流れは、標準的な単一のフロードリルパイプ１２を介してマッドハンマ１００に送達される。典型的な単一のフロードリルパイプはＡＰＩ認定されており、したがって、ＡＰＩ非認定の二重循環ドリルパイプなどの他の非認証タイプのドリルパイプと共に使用される典型的なマッドハンマ（例えば、ＤＣ流体ハンマ）と比較して、提供されるマッドハンマの安全性及び使いやすさが向上する。例えば、内部防噴装置（ＩＢＯＰ）をマッドハンマ１００と一緒に使用することができる。さらに、掘削流体を用いてマッドハンマを動作させることは、典型的なＤＣ流体ハンマの動作と比較して、マッドハンマ１００に微細に濾過された水が必要とされないため、典型的なＤＣ流体ハンマで経験される高い割合での逸泥をもたらさない。
【0028】
提供されるマッドハンマ１００、２００は、マッドハンマのピストンバレル１０２内を往復運動するピストン１０６を含む。バルブセット１３２は、マッドハンマ１００内の掘削流体の流れを制御して、ピストンの移動を生成する。そのような場合、ピストンの移動を生成するバルブセット１３２も往復運動する。掘削泥水を用いてマッドハンマを動作させることの１つの欠点は、掘削泥水が、マッドハンマの動作中に所望よりも急速にこれらの移動構成部品を摩耗させる傾向があることである（例えば、ＤＣ流体ハンマが解決しようとする問題の１つ）。
【0029】
掘削泥水によってもたらされる耐久性の問題に対抗するのを助けるために、マッドハンマ１００は、マッドハンマのピストンバレル１０２とピストン１０６との間の接触を防止する、又は少なくとも低減する摩耗スリーブ１３４を含むことができる。いくつかの実施形態では、マッドハンマは、マッドハンマのピストンバレル１０２とピストンの移動を生成するバルブセット１３２との間の接触を防止する二次摩耗スリーブ１３６を含むことができる。１つ以上の摩耗スリーブは、マッドハンマの内部構成部品の摩耗を防止し、したがって交換が必要になる前に構成部品の寿命を延ばすのに役立つ。１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６は、１つ以上の摩耗スリーブが十分に劣化したときに交換される。例えば、１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６は、マッドハンマのドリルビット１０８がもつと予想される時間とほぼ同じ間もつように設計することができ、これにより摩耗スリーブ１３４、１３６とドリルビット１０８とを同時に交換することができる。
【0030】
マッドハンマ１００を坑井から引き出す又はトリップすることは時間のかかるプロセスであり、したがって、ドリルビット１０８を交換すると同時に１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６を交換することは、２回別個にマッドハンマ１００を坑井から引き出すことと比較して、マッドハンマの運転効率を高める。さらに、１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６を交換する運転コストは、典型的なＤＣ流体ハンマに関連付けられた掘削逸泥の運転コストよりもはるかに低い（例えば、コストの１／１０）場合がある。したがって、マッドハンマ１００、２００は、典型的なＤＣ流体ハンマと比較すると、効率の向上及び運転上の安全性の向上をもたらす。
【0031】
マッドハンマ１００、２００は、ドリルビット１０８と流体連通するバイパスチューブ１０４を含む。マッドハンマ１００、２００に送達される掘削泥水を含む掘削流体１４は、バイパスチューブ１０４を通って流れ、ドリルビット面１２０で出ることができる。これにより、バイパスチューブ１０４は、典型的なマッドハンマと比較して、ドリルビット面への掘削泥水の流れを増加させ、その結果、ドリルビット面１２０でのフラッシングが改善され、再研削が制限される。
【0032】
掘削流体１４がバイパスチューブ１０４（図１の断面図に中央の流れ１６として示されている）に流入し、バイパスチューブを通って流れる量を制御するために、さらなるバルブセット１３０が設けられている。掘削流体１４の単一の流れは、単一のフロードリルパイプ１２に連通し、そこで流れ１６の一部分がバイパスチューブ１０４に迂回される。迂回される掘削流体の量は、複数のバルブセット１３０から選択することによって変更することができる。大径を有するバルブセット１３０が選択されると、掘削流体１４の大部分がバイパスチューブ１０４内に向けられ、したがって、より少ない量の掘削流体１４がピストン１０６の動作に向けられる（図１にフロー１８Ａ、１８Ｂとして示されている）。小さなポート（例えば５ｍｍの直径）を有するバルブセット１３０が複数のバルブセット１３０から選択される場合、より大量の掘削流体１４がピストン１０６の動作に向けられ、より少ない量の掘削流体１４がバイパスチューブ１０４に向けられる。
【0033】
バルブセット１３０（及びそれによってバイパスチューブ１０４への入口ポート）のサイズを小さくすると、ハンマ１００の作業構成部品に送達される掘削流体の割合が増加する。所与の圧力及び流量、例えば１，０００ＵＳ ＧＰＭ（米国ガロン／分）で６，０００ｍで２，０００ｐｓｉ Ｄ／Ｔでは、ポートサイズを縮小すると、掘削流体の割合が例えば３０％から３５％に増加し、同時にドリルビット面への掘削流体の流量が７０％から６５％に減少する。バルブセット１３０のポートのこの直径の低減により、ハンマの強度が高まり、ハンマが所与の流量でより大きな衝撃力をもたらすようになる。したがって、ドリルリグが１，０００ＧＰＭを送達する容量しか有さず、硬質岩石層を破壊するためにピストン打撃力及び／又は打撃速度の増加が必要な場合、バルブセット１３０の（内側チューブの）ポートサイズを縮小することは、ビット寿命及び削進速度を改善するための調整オプションの１つである。ピストン１０６を駆動する掘削流体１８Ａ、１８Ｂの体積が増加すると、ピストン１０６のサイクル速度をより速くすることもできる。最大で、ピストンサイクル速度は毎秒約２５サイクルである。逆に、ピストン１０６を駆動する掘削流体１８Ａ、１８Ｂの体積が減少すると、ピストンサイクル速度を最低、毎秒約１０サイクル低下させることができる。
【0034】
地質がより柔らかい場合、ハンマがより小さい力で衝突するように、バルブセット１３０のポートのサイズを（バイパスチューブ１０４内で）大きくすることが有益であり得、バイパスチューブ１０４を通るビット面への掘削流体の増加した流れが、より柔らかい地質のために削進速度がより速い場合、掘削くずのフラッシング／除去を支援する。これは、地表に押し出すより多くの掘削くずが坑井の環内に存在することを意味するので、ドリルビットへのより多くの流れは、この追加の掘削くずの重量／体積を移動するのに役立つ。地表上のドリルリグポンプから送達される掘削流体の圧力及び体積を増加することによって、ピストン１０６の打撃速度を増加させることも可能である。これは、バルブセット１３０（バイパスチューブ１０４の入力ポート）を変更又は調整することなく生じ得る。例えば、ドリラーがピストン１０６の打撃速度を１８ＢＰＳ（毎秒のビート数）から２０ＢＰＳに増加したい場合、ドリラーはマッドポンプのＲＰＭ（毎分の回転数）を増加して、ハンマ１００への掘削流体の流れ及び圧力を増加することができる。この調整は、最適な打撃速度を維持するように掘削しながら、常に又は断続的に行なわれ得る。
【0035】
バルブセット１３０は、マッドハンマ１００を坑井内に配置する前に選択されてマッドハンマに装備され、マッドハンマが坑井から取り除かれて摩耗スリーブ１３４、１３６及びドリルビット１０８のいずれか１つを交換するまで所定の位置に留まる。このとき、坑井に再挿入する前に、切削くずをフラッシュするためにピストンサイクル速度の増加が必要かどうか、又はバイパスチューブ１０４に迂回される掘削流体の増加に従って、バルブセット１３０を調整するためマッドハンマに変更がなされ得る。
【0036】
図１では、バルブセット１３０は、単一の流れ１４がバイパスチューブ１０４及びに向けられる中央の流れ１６と外側の流れ１８Ａ、１８Ｂとに分離される断面で示されている。中央の流れ１６は、二次バルブセット１３２及びピストン１０６を同軸に通って流れずにバイパスチューブ１０４に入る。流れ１６は、バイパスチューブ１０４を通って連通し、ドリルビット面１２０において複数の排出流１２４Ａ、１２４Ｂで排出される。
【0037】
一方、掘削流体の外側の流れ１８Ａ、１８Ｂは、バイパスチューブ１０４の外部の摩耗スリーブ１３６によって保護されたバルブセット１３２に導かれる。外側の流れ１８Ａ、１８Ｂは、ピストン１０６の周り及び／又はピストン１０６を通るように強制され、ピストンバレル１０２及び／又はピストン１０６から（ポート１４０を介して）出ることができ、その後、排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを介してマッドハンマから排出されて、１つ以上の排出流１１２Ａ、１１２Ｂを形成する。
【0038】
図２では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部と協働し、バルブセット１３０とバイパスチューブ１０４との間に一対のＯリング２０２を封入するためのフレア端部を有するチューブ又はパイプとして示されている。バルブセット１３０の内径は、直径５ｍｍくらい小さくてもよい。バルブセットの内径は、１２インチのマッドハンマを用いて５ｍｍから１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍまで、最大約５０ｍｍまで増大することができる。バルブセット１３０の内径は、１８インチのマッドハンマ内で約７５ｍｍまで増大することができる。
【0039】
ドリルビット面１２０に送達される掘削流体１４の量を制限することにより、ドリルビット面に送達される掘削流体又は泥水が多すぎる場合に生じ得る高圧クッション問題を防止するのに役立ち得る。バルブセット１３０は、送達された掘削流体及び泥水の合計の４０％～８０％がバイパスチューブ１０４を通過してドリルビット面１２０に送出されることを可能にするように選択可能に設定される。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の構成部品とすることができる。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４に流入し、バイパスチューブを通って流れることができる流体の量が調整可能であるように、例えば、それを通る流れを選択的に増加又は減少させるための調整可能な開口又はダイヤフラムを有するように構成することができる。さらに、バルブセット１３０は、送達される掘削流体の圧力変化によって調整することができる。例えば、バルブセット１３０は、２，０００ｐｓｉで完全に開き、掘削流体の圧力が低下するにつれて徐々に閉じるように構成することができる。逆に、バルブセット１３０は、圧力が増加するにつれて徐々に閉じるように構成することができる。
【0040】
いくつかの実施形態では、調整は、複数の異なるサイズのバルブセットからバルブセット１３０を選択する際に提供することができる。そのような態様では、バルブセット１３０の調整可能性は、異なる掘削条件及び地質に基づいてバイパスチューブ１０４に流入する流体の量を制御する能力をドリルオペレータに提供する。バイパスチューブ１０４を通って流れないマッドハンマ１００に送達された掘削流体の残りは、代わりに、圧力下でマッドハンマ１００に押し込まれてマッドハンマを作動させる。バルブセット１３０が複数の異なるサイズのバルブセットから選択される場合、バルブセット１３０は、ハンマが新しいドリルビット１０８と共に坑井に降ろされる前に選択されて表面に設置される。したがって、バルブセット１３０は、ドリラーがバルブセットを調整することを選択するまで、３０ｍｍなどの設定された開口部を維持する。ドリラーは、以前の４００メートルの掘削動作にわたるハンマ１００の性能に基づいて、また、地質に応じて３００ｍ～１，０００ｍ掘削された最後のドリルビット１０８の条件から、バルブセットを選択する（したがって、バイパスチューブ１０４への必要なポートサイズにより決定する）。
【0041】
合計で約２００～４００ガロン／分（ＧＰＭ）（７５７．１～１５１４．２リットル／分（ＬＰＭ））しかドリル面に送達することができない典型的な水又は流体ハンマと比較して、本発明者は、１２インチ（３０．４８ｃｍ）版（直径）のマッドハンマ１００が合計で約８００～１，０００ＧＰＭ（３０２８．３から３７８５．４ＬＰＭ）を送達することができることを見出した。マッドハンマの１２インチ版を参照すると、ハンマの外径（ＯＤ）は１２インチであることが理解される。１２インチのビットが、ハンマと共に使用することができるように、１２インチのハンマは、約１１インチのバレル直径を有することができる。１２インチのビットは、１２インチのハンマで使用するために典型的には１２インチ～１７インチの範囲である最小のビットのうちの１つである。
【0042】
一例では、この総送達流は、マッドハンマ１００の作業構成部品を通るように強制される３００ＧＰＭ（１１３５．６ＬＰＭ）と、バイパスチューブ１０４を通る７００ＧＰＭ（２６４９．８ＬＰＭ）とを含むことができる。この総送達流は、５，０００メートル（１６，４０４フィート）より深い１２．５インチ（３１．７５ｃｍ）の坑井を掘削するために総坑井体積の約８０％～１００％であり、これは、上述したように、少なくともいくつかの典型的な流体又はマッドハンマ（例えば、１００％～１５０％）を超えて増加された流量容量である。
【0043】
したがって、マッドハンマ１００、２００は、掘削流体１４の単一の流れを受け取り、掘削流体の計量された部分をドリルビット面１２０に送達し、掘削流体の残りの部分で動作しながら、マッドハンマの内部構成部品に対する掘削流体の縮退効果を制限する。典型的なマッドロータリー掘削方法と比較して、本発明者は、マッドハンマ１００が硬質岩石層においてより速い速度（例えば、３００ミリメートル／時間又は０．９８フィート／時間と比較して１０メートル／時間又は３２．８１フィート／時間）で掘削することを見出した。本発明者はまた、マッドハンマのドリルビット１０８が、硬質岩石層を掘削する場合に、典型的な高品質ロータリードリルビットよりも寿命が長い（例えば、寿命の終わりまで２０メートル又は６５．６２フィートと比較して４００メートル又は１３１２．３フィート）ことを見出した。
【0044】
図１は、本発明の一実施形態による掘削システム１０の断面を示す。掘削システム１０は、単一のフロードリルパイプ１２とマッドハンマ１００とを含む。単一のフロードリルパイプ１２は、任意の適切な標準ＡＰＩ認定ドリルパイプとすることができる。単一のフロードリルパイプ１２は、マッドハンマ１００に結合することができる。例えば、単一のフロードリルパイプ１２は、マッドハンマ１００の一端の雌ねじ部に結合する雄ねじ部を含むことができる。掘削流体の流れ１４は、単一のフロードリルパイプ１２を通ってマッドハンマ１００に送達され得る。掘削流体は、当業者によって理解されるように、掘削泥水及び様々な添加剤を含む。
【0045】
マッドハンマ１００の本体は、複数の構成部品から構成することができる。そのような構成部品は、ピストンバレル１０２、トップサブ１２６、駆動サブ１３８、及び／又は図２の例示的なマッドハンマ２００の分解図に示す１つ以上の構成部品などの他の適切な構成部品のうちの１つ以上を含むことができる。マッドハンマ１００は、ピストン１０６を含む。ピストン１０６は、ピストンバレル１０２内に位置付けられる。ピストン１０６は、図１の両矢印１２８の方向に往復運動で並進するように構成される。ピストン１０６の往復運動は、図１の両矢印１１４によって指定されるピストンストローク長を画定する。様々な事例では、掘削作業のための所望の流体又は泥水圧がマッドハンマ１００に送達されると、ピストン１０６は、毎秒約１０～２５サイクルの速度で往復運動を繰り返すことができる。サイクルは、ピストン１０６が２つのピストンストローク長を並進した後に開始位置に戻ると完了する。場合によっては、流体又は泥水がマッドハンマ１００に送達される圧力を低下することによって、ピストン１０６を、毎秒１０～２５サイクルよりも低い速度で往復運動するように制御することができる。逆に、ピストンサイクル速度は、マッドハンマ１００に送達される流体又は泥水の圧力の増加によって増加し得る。いくつかの実施形態では、ストローク長は、約２０～６０ミリメートル（０．７９～２．３６インチ）であり得る。少なくともいくつかの例では、ピストンストローク長は約４０ｍｍ（１．５７インチ）であり得る。
【0046】
いくつかの態様では、ピストン１０６が移動すると、ピストン１０６の一端の界面１１６でドリルビット１０８に衝突する。対向する端部では、ピストン１０６は、図示されているようないくつかの例では、バルブセット１３２に衝突する。他の例では、バルブセット１３２は、図示されているものとは異なるピストン１０６の反対側の端部に位置付けられ得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３２は、ピストン１０６の周りに位置付けられ得る。バルブセット１３２は、当業者によって理解されるように、ピストン１０６の移動を生成するように構成される。バルブセット１３２は、様々な事例では、単一のバルブを含むことができる、又は複数のバルブ若しくは他の適切な構成部品を含むことができる。場合によっては、バルブセット１３２は、１つ以上の逆止弁及び／又はプランジャを含むことができる。他の態様では、ピストン１０６は、バルブセット１３２の代わりに、又はそれに加えて、ポート１４０を含むことができる。ポート１４０は、ピストン１０６の移動を生成するように構成することができる。バルブセット１３２は、通過することができる掘削流体の量を制御する可変開口又はダイヤフラムをその中に有するように調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３２は、バルブ直径の範囲から選択することができる複数のバルブセット１３２のうちの１つである。
【0047】
様々な態様では、マッドハンマ１００は、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間に位置付けられた摩耗スリーブ１３４を含む。ピストン１０６がその往復運動で移動すると、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間の摩擦が、ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２を劣化させる可能性がある。掘削流体を用いてマッドハンマ１００を動作すると、この劣化の速度が速まる。この劣化を防止するのに役立つように、摩耗スリーブ１３４は、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間の接触を防止するのに役立つ。ピストン１０６が移動するにつれて、摩耗スリーブ１３４は、（より高価な）ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２よりも劣化する。摩耗スリーブ１３４は、例えば、タングステン、ｂｉｚａｌｏｙ、炭素、又はダイヤモンド含浸鋼などの適切な耐摩耗性材料で構築される。摩耗スリーブ１３４は、摩耗スリーブ１３４がピストン１０６とピストンバレル１０２との間の接触を防止することができない摩耗限界まで劣化すると、交換可能である。様々な事例では、摩耗スリーブ１３４は、摩耗スリーブ１３４及びドリルビット１０８がそれぞれの摩耗限界に達する前に、マッドハンマ１００の動作中にドリルビット１０８（例えば、約４０時間の連続動作）とほぼ同じ長さにわたって持続するように構築される。
【0048】
マッドハンマ１００がバルブセット１３２を含む例では、バルブセット１３２も往復運動する。そのような場合、マッドハンマ１００は、バルブセット１３２とピストンバレル１０２との間に位置付けられた二次摩耗スリーブ１３６を含むことができる。バルブセット１３２及び／又はピストンバレル１０２の劣化を防止するのに役立つように、摩耗スリーブ１３６は、バルブセット１３２とピストンバレル１０２との間の接触を防止するのに役立つ。摩耗スリーブ１３４の説明は、二次摩耗スリーブ１３６にも等しく適用される。したがって、摩耗スリーブ１３４及び１３６は、掘削流体を用いてマッドハンマ１００を動作する劣化誘発効果に照らして、マッドハンマ１００の動作寿命を延ばす。
【0049】
いくつかの態様では、マッドハンマ１００は、バイパスチューブ１０４を含む。バイパスチューブ１０４は、ピストン１０６を通って位置付けられる。場合によっては、バイパスチューブ１０４をバルブセット１３２を通して位置付けることができる。場合によっては、バイパスチューブ１０４は、ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２に対して中心に置かれる（例えば、長軸に沿って位置付けられる）。いくつかの態様では、バイパスチューブ１０４は、約２～３インチ（約５．０８～７．６２センチメートル）の内径を有する。バイパスチューブ１０４は、掘削流体がバイパスチューブ１０４を通ってドリルビット１０８に送達され得るように、ドリルビット１０８（例えば、界面１１８において）と流体連通している。マッドハンマ１００は、マッドハンマ１００に送達された掘削流体の計量された部分がバイパスチューブ１０４を通って導かれるように構成され、一方、送達された掘削流体の残りの部分は、マッドハンマ１００に圧力下で押し込まれてマッドハンマ１００を作動させる。例えば、掘削流体の流れ１４から、流れ１４の一部分１６はバイパスチューブ１０４に流入し、一部分１８Ａ及び一部分１８Ｂはマッドハンマ１００に流入する。バイパスチューブ１０４を通ってドリルビット面１２０に送達される掘削流体の量を測定することは、ドリルビット面１２０に送達される掘削流体又は泥水が多すぎる場合に生じ得る高圧クッション問題を防止するのに役立つ。
【0050】
様々な態様では、バイパスチューブ１０４への計量された流れを制御するために、マッドハンマ１００はバルブセット１３０を含む。バルブセット１３０は、単一のバルブ又はアダプタとすることができ、或いは複数のバルブ及び／又はアダプタとすることができる。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の構成部品とすることができる。図１及び図２に示されているような他の例では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部に位置付けられ得る。バルブセット１３０は、マッドハンマ１００（例えば、流れ１４）に送達される設定量（例えば、流れ１６）の掘削流体１４がバイパスチューブ１０４内に進行することを可能にするように構成することができる。場合によっては、設定量は、総送達掘削流体１４の８０％未満の量であり得る。場合によっては、設定量は、総送達掘削流体１４の５０％～８０％であり得る。いくつかの態様では、バルブセット１３０は、単一の設定量の掘削流体のみをバイパスチューブ１０４内に許容するように構成されるように調整不可能であり得る。他の態様では、バルブセット１３０は、バルブセット１３０がバイパスチューブ１０４に流入できるように構成されている流体の設定量をドリルオペレータが調整できるように調整可能であり得る。バルブセット１３０は、通過することができる掘削流体の量を制御する可変開口又はダイヤフラムをその中に有するように調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バルブ直径の範囲から選択することができる複数のバルブセット１３０のうちの１つである。そのような態様では、調整可能性は、異なる掘削条件及び地質に基づいてドリルビット面１２０に送達される掘削流体１４の量を変更する能力をドリルオペレータに提供する。
【0051】
マッドハンマ１００は、ドリルビット１０８を含む。いくつかの態様では、ドリルビット１０８は、取り外し可能であるようにマッドハンマ１００の本体に結合することができる。ドリルビット１０８は、ドリルビット面１２０を含む。ドリルビット１０８は、掘削流体１６がドリルビット面１２０から出ることを可能にする１つ以上の出口ポート１２２Ａ、１２２Ｂを含む。１つ以上の出口ポート１２２Ａ、１２２Ｂは、バイパスチューブ１０４と流体連通している。バイパスチューブ１０４を通って移動する掘削流体の流れ１６は、１つ以上の排出流１２４Ａ、１２４Ｂとしてドリルビット面１２０で出る。１つ以上の排出流１２４Ａ、１２４Ｂは、マッドハンマ１００の動作中にドリルビット１０８から離れるように切削くずをフラッシュする。
【0052】
いくつかの態様では、マッドハンマ１００の本体は、駆動サブ１３８及びシュラウド２２６（図２に示すように）を含む駆動サブを含むことができる。このような態様では、駆動サブ１３８は、スタビライザウイングを含む。いくつかの態様では、駆動サブはまた、ドリルビット１０８を保持するための適切なビット保持システムを含むことができる。
【0053】
マッドハンマ１００のピストンバレル１０２は、１つ以上の排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを含む。これらの排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂは図１に示されているが、いくつかの実施形態では、ピストンバレル１０２は単一の排出ポートのみ又は３つ以上の排出ポートを含んでもよいことを理解されたい。単一の排出ポートを有する実施形態では、排出ポートは、ピストンバレル１０２の任意の適切な部分の周りに延在することができる。掘削流体１８Ａ、１８Ｂがピストン１０６を作動させたバルブセット１３２を通過した後、掘削流体は、１つ以上の排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを通ってピストンバレル１０２から出ることができる。排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂから排出された掘削流体は、排出流１１２Ａ及び１１２Ｂによって示されるように、ドリルビット１０８から離れる方向（例えば、動作中上方）に排出される。排出流１１２Ａ、１１２Ｂをドリルビット１０８から離れるように導くことにより、切削くずをドリルビット１０８からフラッシングするのを助ける。
【0054】
図２は、本発明の一実施形態によるマッドハンマ２００の分解斜視図を示す。マッドハンマ２００は、同様の特徴は同様の番号を付されているマッドハンマ１００に関して上述したように動作するように構成される。様々な事例では、マッドハンマ１００は、マッドハンマ２００の構成部品のいずれかを含むことができ、その逆も可能である。図１及び図２に示す構成部品は、必ずしも一定の縮尺で示されていないことも理解されたい。マッドハンマ２００は、トップサブ１２６を含むことができる。マッドハンマ２００は、バイパスチューブ１０４を含む。バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部に位置付けられる。場合によっては、バイパスチューブ１０４とバルブセット１３０との間に１つ以上のＯリング２０２が位置付けられる。マッドハンマ２００は、ピストン１０６を含む。場合によっては、マッドハンマ２００は、摩耗スリーブ１３４を含むことができる。マッドハンマ２００は、ピストンバレル１０２を含む。場合によっては、マッドハンマ２００は、駆動サブ１３８を含むことができる。マッドハンマ２００は、ドリルビット１０８を含む。
【0055】
様々な事例では、マッドハンマ２００は、１つ以上のＯリング２０４、サークリップ２０６、分配器２０８、トップバレル又はサブ２１０、逆止弁又はプランジャ２１１、ｙリング又は逆止弁２１２、ばね２１４、圧縮バッファ２１６、バイパスチューブマウント２１８、ベアリングブッシュ２２０、１つ以上のビットストップリング２２２及び２２４、並びにシュラウド２２６の任意の適切な組み合わせを含むことができる。場合によっては、圧縮バッファ２１６は、鋼リングなどのリングであってもよい。逆止弁又はプランジャ２１１、ｙリング又は逆止弁２１２、ばね２１４、及び／又は圧縮バッファ２１６は、バルブセット１３２を備えることができる。場合によっては、ベアリングブッシュ２２０を冷間プレスすることができる。いくつかの例では、ビットストップリング２２２はＯリングとすることができる。図３は、図２において分解して示されたマッドハンマ２００の組立斜視図を示す。
【0056】
図４は、本開示の一態様による、掘削方法のフローチャートを示す。例示的な方法４００は、図４に示すフローチャートを参照して説明されているが、方法４００に関連する行為を実行する多くの他の方法を使用できることが理解されよう。例えば、いくつかのブロックの順序は変更されてもよく、特定のブロックは他のブロックと組み合わされてもよく、記載されたブロックのいくつかはオプションである。
【0057】
マッドハンマ１００、２００は、掘削坑井内に位置付けることができる（ブロック４０２）。マッドハンマ１００、２００は、本明細書に記載の実施形態のいずれかとすることができる。掘削流体１４の単一の流れは、単一のフロードリルパイプ１２を介してマッドハンマ１００、２００に向けることができる（ブロック４０４）。掘削流体１４は、掘削泥水を含む。単一のフロードリルパイプは、任意の適切な標準ＡＰＩ認定ドリルパイプとすることができる。一例では、掘削坑井内に位置付けられたマッドハンマ１００、２００は、掘削流体１４の単一の流れをマッドハンマ１００、２００に向けることを可能にする、掘削流体で動作するように構築される。これは、清浄水から掘削泥水を分離するために二重循環ドリルパイプシステムを必要とする少なくともいくつかの典型的なＤＣ流体ハンマと比較している。そのような典型的なＤＣ流体ハンマの少なくともいくつかは、単一のフロードリルパイプを介して動作することができない。いくつかの典型的なＤＣ流体ハンマは、単一のフロードリルパイプを介して動作するように適合することができるが、そのような適合は、本明細書に記載の提供されたマッドハンマ１００、２００と比較して、非効率的なマッドハンマ又は流体ハンマをもたらす。
【0058】
マッドハンマ１００、２００を作動させて、掘削坑井を掘削することができる（ブロック４０６）。一例では、マッドハンマ１００、２００に向けられる掘削流体１４の単一の流れのうち、掘削流体の一設定量（例えば、５０％～８０％）が、動作中にマッドハンマ１００、２００のバイパスチューブ１０４に流入する。様々な事例では、バイパスチューブ１０４に流入する掘削流体１６は、ドリルビット面１２０でマッドハンマ１００、２００を出る。掘削流体１４の単一の流れの残りの部分１８Ａ、１８Ｂは、マッドハンマ１００を動作させるために、バイパスチューブ１０４の外部でマッドハンマ１００に流入することができる。いくつかの態様では、方法４００は、マッドハンマ１００、２００の１つ以上の摩耗スリーブ（例えば、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６）を交換することをさらに含むことができる。一例では、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６は、それぞれの摩耗限界に達すると交換される。一例では、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６は、それらのそれぞれの摩耗限界が、マッドハンマ１００、２００の動作中にドリルビット１０８の摩耗限界と到達するのにほぼ同じ時間を要するように構築される。
【0059】
本明細書で使用される場合、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、例えば、参照された数字の－１０％～＋１０％、好ましくは参照された数字の－５％～＋５％、より好ましくは参照された数字の－１％～＋１％、最も好ましくは参照された数字の－０．１％～＋０．１％の範囲などの数字の範囲内の数字を指すと理解される。
【0060】
本明細書及び特許請求の範囲における「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含まれる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」若しくは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は、包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、追加の又はさらなる特徴の存在を排除するものではない。
【0061】
さらに、本明細書におけるすべての数値範囲は、その範囲内のすべての整数、全体又は分数を含むと理解されるべきである。さらに、これらの数値範囲は、その範囲内の任意の数又は数のサブセットを対象とする請求項の支持を提供すると解釈されるべきである。例えば、１から１０の開示は、１から８、３から７、１から９、３．６から４．６、３．５から９．９などの範囲を支持すると解釈されるべきである。
【0062】
本明細書に開示された例及び態様は、単なる例示として解釈されるべきであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。説明した基本原理から逸脱することなく、上述の例の詳細に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。換言すれば、上記の説明で具体的に開示された例の様々な修正及び改善は、添付の特許請求の範囲内にある。例えば、記載された様々な例の特徴の任意の適切な組み合わせが企図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【手続補正書】
【提出日】2022-05-13
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体又はマッドハンマ、マッドハンマシステム、及び深い井戸の掘削方法に関する。
【背景技術】
【0002】
新たな排出ガスのない再生可能なベースロード地熱エネルギー供給の需要が増加しているため、事業者は熱エネルギー生産に十分な熱を見つけるためにより深く掘削することを強いられている。より深い掘削、特に陸上のより高いコストの多くは、典型的には、より硬い岩石、及びより硬い岩石に対抗するために要求されるより多くの泥水の重量の両方によって引き起こされる削進率（ＲＯＰ）の低下、過剰に加圧されたリザーバ、及びより深い掘削にしばしば関連付けられるより高い静圧に関連付けられる。典型的なマッドロータリー掘削方法は、硬質岩石層において所望の性能測定基準よりも低い可能性がある。例えば、典型的なマッドロータリー掘削方法は、所望されるよりも掘削速度が遅く、ドリルビット寿命が短い可能性があり、硬質岩石層の作業コストが増加する。流体又はマッドハンマとドリルビットとを組み合わせた打撃掘削システムは、硬質層の掘削性能を高める試みで開発されてきた。
【0003】
流体又はマッドハンマシステムは、掘削流体中に存在する動力の一部分を、ドリルビットを地層内に駆動する機械的力に変換する。ドリルビットに衝突するピストン運動からの打撃力は、硬質岩石への削進率を５００％超改善することができる。しかしながら、抗井制御及び地表への掘削くず輸送に必要な掘削流体中の泥水添加物は、流体ハンマの可動部品に高い摩耗率を引き起こす。作業構成部品のこの高い摩耗率、及び抗井の底部から掘削くずを取り除くために典型的な流体ハンマを通して圧送することができる流体の量が限られていることは、深い坑井の掘削のために使用が禁止されている典型的な流体ハンマシステムにとって重大な欠点である。したがって、回転トリコン掘削法は、一般に依然として使用される唯一の方法である。しかしながら、典型的な回転トリコン法の低い削進速度及び高いコストは、発電、脱塩、加熱、冷却及び廃水処理のために必要とされる地熱レベルに達するために深い硬質岩石坑井が必要とされるほとんどの国における地熱エネルギー生産の開発を少なくとも部分的に妨げる。
【0004】
典型的な流体ハンマシステムの１つは、米国特許出願公開第２０１８／００４４９９１号明細書に開示されているものなどの二重循環水又は流体ハンマ（「ＤＣ流体ハンマ」）である。ＤＣ流体ハンマは、掘削泥水を清浄水から分離するために二重循環ドリルパイプシステムを使用する。通常はドリルパイプの環内に注入される清浄水は、ウォーターハンマを動作するために圧力下で圧送される。この清浄水作業は、ＤＣ流体ハンマの整備と再構築との間のより長い作業期間に寄与し得る。掘削泥水は、作業者がより深い坑井を掘削するときに掘削くずを地表に輸送することができるように、及び高いガス圧を含む地層流体が坑井に入るのを防止するように高い粘度を有する必要がある。高粘度掘削泥水は、典型的には、ドリルパイプシステムの内側チューブ内に圧送され、ＤＣ流体ハンマ内を通過する内側チューブを通ってＤＣ流体ハンマのドリルビット面に送達される。これにより、構成部品を摩耗させる、泥水がＤＣ流体ハンマの作業構成部品内を通過するのを防止する。清浄水及び掘削泥水の両方は、ＤＣ流体ハンマを出た後に混合し、掘削くずを地表に押しやる。
【0005】
しかしながら、典型的なＤＣ流体ハンマは、いくつかの欠点を有する。ＤＣ流体ハンマは、掘削泥水を用いて深い坑井を掘削するとき、所望よりも急速に摩耗し、必要な期間機能することができないことがわかっている。例えば、ＤＣ流体ハンマの作業構成部品を通過する清浄水は、さらに構成部品を摩耗させることがわかっている。
【0006】
深い坑井を掘削するための典型的なＤＣ流体ハンマの別の欠点は、大量の逸泥である。混合流全体が掘削くずを伴い坑井を出るとき、ＤＣ流体ハンマを動作するために圧力下でパイプに圧送することができる前に、全流体の一定割合を地表で約３～１０ミクロンまで洗浄しなければならない。これは、典型的には、圧力下でドリルパイプまで送達される総流体量の約２０～５０％である。全流体のこの割合から取り出される泥水及び掘削添加剤は、ＤＣのハンマの内側チューブを圧送されて下って、井戸の底部のハンマから排出された清浄水と混合される掘削泥水に戻されなければならない。交換されなければならない泥水の量は多くなる可能性があり、全体のＤＣ流体ハンマ自体を毎日の運転で交換するよりも高くなり得るほどＤＣ流体ハンマの運転コストが法外に高くなる可能性がある。
【0007】
典型的なＤＣ流体ハンマのさらなる欠点は、ＤＣ流体ハンマが二重循環ドリルパイプから２つの別個の流れを受け取ることができるように、その運転が二重循環ドリルパイプを必要とすることである。１つの流れは清浄水であり、１つの流れは掘削泥水及び添加剤を含む。清浄な流れはハンマを作動させ、掘削泥水はドリルビット面に導かれる。しかしながら、二重循環ドリルパイプは、少なくとも二重循環ドリルパイプが米国石油協会（ＡＰＩ）の認定を受けていないため、掘削システムの運転の複雑さを増大させる。
【0008】
ＡＰＩ非認定のドリルパイプを使用して掘削システムを運転すると、怪我の危険又は坑井の底部に泥水を送達するために使用される内側チューブなどの設備の損傷が増加する可能性があり、したがって、そのようなシステムは適切な安全レベルを提供しない。例えば、少なくともいくつかの例では、二重循環ドリルパイプなどのＡＰＩ非認定のドリルパイプと共に、典型的な内部防噴装置（ＩＢＯＰ）を含めることは機械的に困難又は不可能でさえある。当業者に知られているように、ＩＢＯＰは、トップドライブの下に位置するサブとすることができ、緊急事態又は暴噴の場合に遠隔で又は手動でオフにすることができる。ＩＢＯＰがなければ、泥水を坑井の底部に送達する内側チューブは、危険なガスが坑井の地表に暴噴するための無制限で抑制されていない経路を提供する。さらに、内側チューブに内部安全システムを追加することは困難であり、又は不可能でさえある。ＡＰＩ認定ドリルパイプなしで掘削システムを運転すると、掘削システムの運転コストも増加する（例えば、一部の保険会社は、そのようにしない安全性の懸念の中でドリラーがＡＰＩ認定された掘削パイプ及び安全システムを使用していない場合、良好な保険を提供しない）。したがって、典型的なオペレータは、ＡＰＩ非認定ドリル配管を使用せず、したがってＤＣ流体ハンマの有用性が低下する。
【0009】
少なくともいくつかの典型的なマッドハンマのさらなる欠点は、再研削と呼ばれ得るものである。再研削とは、ドリルビットが同じ岩石材料ユニットを何度もペーストになるまで再掘削、パウンディング、及び研削することを指し、削孔されている岩石はドリルビット面から洗い流されない。これは、典型的な流体、水、又はマッドハンマの作業部を通って押し出され、ドリルビットポートを通って排出され得る流体量の制限に起因する。その結果、掘削の生産又は速度が非常に遅くなり、ドリルビットが早期に故障する。例えば、一例として、再研削により、水、流体、又はマッドハンマドリルビットが、４００メートル（１３１２．３フィート）以上持続するべきときに、わずか２０メートル（６５．６フィート）で故障する可能性がある。
【0010】
掘削泥水をドリルビット面に迂回することによって、典型的なＤＣ流体ハンマは、フラッシングを増加させ、再研削を減少するのに役立つ。しかしながら、典型的なＤＣ流体ハンマの運転は、過剰な流体又は泥水（例えば、総流体体積の７０～８０％）がドリルビット面に送達されることをもたらす可能性がある。過剰な流体又は泥水がドリルビット面に送達されると、高圧流体のクッションがドリルビットの下に形成される可能性があり、これにより、典型的なＤＣ流体ハンマの生産レベルが大幅に低下することがわかっている。また、高圧流体クッションの問題を解決しようとして、典型的なＤＣ流体ハンマの内側チューブを通る泥水の流れを減少すると、掘削くずを地表に持ち上げる、又は搬送するには不十分な総掘削流体体積が生じることがわかっている。その結果、掘削くずを地表に持ち上げるのに十分な量の泥水を坑井に送達するために、バイパスサブをＤＣ流体ハンマの上方及び典型的な水、流体又はマッドハンマの上方に備える必要があることがわかった。ハンマの上方のバイパスサブから流れる大量の流れは、掘削くずを搬送しようとする下方から来る流れを制限する。さらに、少なくともいくつかの典型的な流体、水、マッド又はＤＣ流体ハンマは、全坑井の体積のわずか２０％を使用して流れるか又は運転するように制限され、これは、１２インチ版（直径）（３０．４８ｃｍ）のＤＣ流体ハンマでは毎分約２００～３００ガロンである。これは、５，０００メートルより深い直径１２．５インチの坑井を掘削するため毎分約１，０００ガロンである総坑井体積をはるかに下回る。
【0011】
したがって、少なくとも上記の欠点を解決するマッドハンマ掘削システムが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／００４４９９１号明細書
【発明の概要】
【0013】
本開示は、一般に、典型的な流体、マッド、及び水ハンマよりも効率が改善された、深い坑井における安全かつ実行可能な打撃掘削のためのマッドハンマ、マッドハンマシステム、及び方法に関する。
【0014】
「パイプトリッピングをする」又は「トリップをする」という用語は、ドリルストリングをボアから取り外し、又は引き出して、消耗した構成部品を調整又は交換し、次いでドリルストリングをボアに戻して延ばす物理的行為を説明すると理解される。
【0015】
第１の態様では、本発明は、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成されたピストンバレルであって、ピストンバレルは、マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含む、ピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、バイパスチューブ内に迂回された掘削流体の第２の部分は、ドリルビットから排出され、ピストンを動作する掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れて、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、マッドハンマを提供する。
【0016】
一実施形態では、ピストンバレルを含む掘削泥水を含む掘削流体を用いて動作するように構成されたマッドハンマが提供される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通している。
【0017】
第２の態様では、本発明は、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプと、単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマであって、マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、バイパスチューブ内に迂回された掘削流体の第２の部分は、ドリルビットから排出され、ピストンを動作する掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れて、排出ポートを介してピストンバレルから排出される、マッドハンマと、を備えるシステムを提供する。
【0018】
一実施形態では、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプを含むシステムが提供される。システムはまた、単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマを含むことができる。マッドハンマは、掘削泥水を含みピストンバレルを含む掘削流体を用いて動作するように構成される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通している。
【0019】
第３の態様では、本発明は掘削方法であって、掘削坑井内に、マッドハンマであって、マッドハンマの外部に掘削流体を排出するように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、ピストンを貫通して配置され、打撃ドリルビットであって、ドリルビットがドリルビット面を有する、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、掘削流体の第２の部分をバイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を含むマッドハンマを位置付けることと、単一のフロードリルパイプを介して掘削流体であって、掘削流体は掘削泥水を含む、掘削流体の単一の流れをマッドハンマに向けることと、掘削坑井において掘削するためマッドハンマを動作することと、を含み、バイパスチューブに迂回された掘削流体の第２の部分が、ドリルビット面でドリルビットから排出され、ピストンを動作する掘削流体の第１の部分は、ドリルビットから離れて、少なくとも１つの排出ポートを介してピストンバレルから排出される、方法を提供する。
【0020】
一実施形態では、方法は、掘削坑井にマッドハンマを位置付けることを含む。マッドハンマは、掘削泥水を含みピストンバレルを含む掘削流体を用いて動作するように構成される。ピストンは、ピストンバレル内に位置付けられ、ピストンストローク長を有する往復運動で移動するように構成される。バイパスチューブは、ピストンを貫通して位置付けられる。バルブセットは、設定量の流体がバイパスチューブ内に流れることを可能にするように構成される。バイパスチューブに流入する流体の設定量は、掘削流体中の掘削泥水の第１の部分を含む。掘削流体中の掘削泥水の第２の部分は、マッドハンマを作動するために、バイパスチューブの外部でマッドハンマ内に流入する。摩耗スリーブは、ピストンとピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられる。ドリルビットは、バイパスチューブと流体連通し、ドリルビットは、ドリルビット面を有する。掘削流体の単一の流れは、単一のフロードリルパイプを介してマッドハンマに向けられ、掘削流体は掘削泥水を含む。マッドハンマは、掘削坑井内を掘削するために作動される。掘削泥水の第１の部分は、ドリルビット面でマッドハンマから出る。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本開示の一態様による、掘削システムの断面図を示す。
【0022】
【図2】本開示のさらなる態様による、マッドハンマの分解図を示す。
【0023】
【0024】
【図4】本開示の一態様による、掘削方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0025】
本明細書で使用される「サブ」という用語は、下部構造を指すと理解される。これは、ドリルストリングの多くの小さな構成部品、例えば、短いドリルカラー、クロスオーバー、フロートサブ、リフトサブ、ビットサブ、エントリサブ、及び循環サブに与えられる一般的な用語である。
【0026】
本開示は、典型的な流体又はマッドハンマと比較して寿命及び性能が向上したマッドハンマ１００、２００に関する。例えば、提供されるマッドハンマは、典型的な流体又はマッドハンマと比較して、深い坑井掘削のため向上した寿命及び性能を有し得る。別の例では、提供されるマッドハンマは、典型的な流体又はマッドハンマと比較して、硬質岩石層中の掘削のため向上した寿命及び性能を有し得る。提供されるマッドハンマは、より高粘度の流体（例えば５０ミクロン）を用いて動作するように構築され、掘削泥水を含む掘削流体によって作動される（例えば、ＤＣ流体ハンマの設計におけるような清浄水の代わりに）。例えば、提供されるマッドハンマは、掘削流体によって提供されるマッドハンマの動作を可能にするために、少なくともいくつかの典型的な流体ハンマよりも大きなクリアランスをその構成部品間に含むことができる。
【0027】
掘削流体１４の単一の流れは、標準的な単一のフロードリルパイプ１２を介してマッドハンマ１００に送達される。典型的な単一のフロードリルパイプはＡＰＩ認定されており、したがって、ＡＰＩ非認定の二重循環ドリルパイプなどの他の非認証タイプのドリルパイプと共に使用される典型的なマッドハンマ（例えば、ＤＣ流体ハンマ）と比較して、提供されるマッドハンマの安全性及び使いやすさが向上する。例えば、内部防噴装置（ＩＢＯＰ）をマッドハンマ１００と一緒に使用することができる。さらに、掘削流体を用いてマッドハンマを動作させることは、典型的なＤＣ流体ハンマの動作と比較して、マッドハンマ１００に微細に濾過された水が必要とされないため、典型的なＤＣ流体ハンマで経験される高い割合での逸泥をもたらさない。
【0028】
提供されるマッドハンマ１００、２００は、マッドハンマのピストンバレル１０２内を往復運動するピストン１０６を含む。バルブセット１３２は、マッドハンマ１００内の掘削流体の流れを制御して、ピストンの移動を生成する。そのような場合、ピストンの移動を生成するバルブセット１３２も往復運動する。掘削泥水を用いてマッドハンマを動作させることの１つの欠点は、掘削泥水が、マッドハンマの動作中に所望よりも急速にこれらの移動構成部品を摩耗させる傾向があることである（例えば、ＤＣ流体ハンマが解決しようとする問題の１つ）。
【0029】
掘削泥水によってもたらされる耐久性の問題に対抗するのを助けるために、マッドハンマ１００は、マッドハンマのピストンバレル１０２とピストン１０６との間の接触を防止する、又は少なくとも低減する摩耗スリーブ１３４を含むことができる。いくつかの実施形態では、マッドハンマは、マッドハンマのピストンバレル１０２とピストンの移動を生成するバルブセット１３２との間の接触を防止する二次摩耗スリーブ１３６を含むことができる。１つ以上の摩耗スリーブは、マッドハンマの内部構成部品の摩耗を防止し、したがって交換が必要になる前に構成部品の寿命を延ばすのに役立つ。１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６は、１つ以上の摩耗スリーブが十分に劣化したときに交換される。例えば、１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６は、マッドハンマのドリルビット１０８がもつと予想される時間とほぼ同じ間もつように設計することができ、これにより摩耗スリーブ１３４、１３６とドリルビット１０８とを同時に交換することができる。
【0030】
マッドハンマ１００を坑井から引き出す又はトリップすることは時間のかかるプロセスであり、したがって、ドリルビット１０８を交換すると同時に１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６を交換することは、２回別個にマッドハンマ１００を坑井から引き出すことと比較して、マッドハンマの運転効率を高める。さらに、１つ以上の摩耗スリーブ１３４、１３６を交換する運転コストは、典型的なＤＣ流体ハンマに関連付けられた掘削逸泥の運転コストよりもはるかに低い（例えば、コストの１／１０）場合がある。したがって、マッドハンマ１００、２００は、典型的なＤＣ流体ハンマと比較すると、効率の向上及び運転上の安全性の向上をもたらす。
【0031】
マッドハンマ１００、２００は、ドリルビット１０８と流体連通するバイパスチューブ１０４を含む。マッドハンマ１００、２００に送達される掘削泥水を含む掘削流体１４は、バイパスチューブ１０４を通って流れ、ドリルビット面１２０で出ることができる。これにより、バイパスチューブ１０４は、典型的なマッドハンマと比較して、ドリルビット面への掘削泥水の流れを増加させ、その結果、ドリルビット面１２０でのフラッシングが改善され、再研削が制限される。
【0032】
掘削流体１４がバイパスチューブ１０４（図１の断面図に中央の流れ１６として示されている）に流入し、バイパスチューブを通って流れる量を制御するために、さらなるバルブセット１３０が設けられている。掘削流体１４の単一の流れは、単一のフロードリルパイプ１２に連通し、そこで流れ１６の一部分がバイパスチューブ１０４に迂回される。迂回される掘削流体の量は、複数のバルブセット１３０から選択することによって変更することができる。大径を有するバルブセット１３０が選択されると、掘削流体１４の大部分がバイパスチューブ１０４内に向けられ、したがって、より少ない量の掘削流体１４がピストン１０６の動作に向けられる（図１にフロー１８Ａ、１８Ｂとして示されている）。小さなポート（例えば５ｍｍの直径）を有するバルブセット１３０が複数のバルブセット１３０から選択される場合、より大量の掘削流体１４がピストン１０６の動作に向けられ、より少ない量の掘削流体１４がバイパスチューブ１０４に向けられる。
【0033】
バルブセット１３０（及びそれによってバイパスチューブ１０４への入口ポート）のサイズを小さくすると、ハンマ１００の作業構成部品に送達される掘削流体の割合が増加する。所与の圧力及び流量、例えば１，０００ＵＳ ＧＰＭ（米国ガロン／分）で６，０００ｍで２，０００ｐｓｉ Ｄ／Ｔでは、ポートサイズを縮小すると、掘削流体の割合が例えば３０％から３５％に増加し、同時にドリルビット面への掘削流体の流量が７０％から６５％に減少する。バルブセット１３０のポートのこの直径の低減により、ハンマの強度が高まり、ハンマが所与の流量でより大きな衝撃力をもたらすようになる。したがって、ドリルリグが１，０００ＧＰＭを送達する容量しか有さず、硬質岩石層を破壊するためにピストン打撃力及び／又は打撃速度の増加が必要な場合、バルブセット１３０の（内側チューブの）ポートサイズを縮小することは、ビット寿命及び削進速度を改善するための調整オプションの１つである。ピストン１０６を駆動する掘削流体１８Ａ、１８Ｂの体積が増加すると、ピストン１０６のサイクル速度をより速くすることもできる。最大で、ピストンサイクル速度は毎秒約２５サイクルである。逆に、ピストン１０６を駆動する掘削流体１８Ａ、１８Ｂの体積が減少すると、ピストンサイクル速度を最低、毎秒約１０サイクル低下させることができる。
【0034】
地質がより柔らかい場合、ハンマがより小さい力で衝突するように、バルブセット１３０のポートのサイズを（バイパスチューブ１０４内で）大きくすることが有益であり得、バイパスチューブ１０４を通るビット面への掘削流体の増加した流れが、より柔らかい地質のために削進速度がより速い場合、掘削くずのフラッシング／除去を支援する。これは、地表に押し出すより多くの掘削くずが坑井の環内に存在することを意味するので、ドリルビットへのより多くの流れは、この追加の掘削くずの重量／体積を移動するのに役立つ。地表上のドリルリグポンプから送達される掘削流体の圧力及び体積を増加することによって、ピストン１０６の打撃速度を増加させることも可能である。これは、バルブセット１３０（バイパスチューブ１０４の入力ポート）を変更又は調整することなく生じ得る。例えば、ドリラーがピストン１０６の打撃速度を１８ＢＰＳ（毎秒のビート数）から２０ＢＰＳに増加したい場合、ドリラーはマッドポンプのＲＰＭ（毎分の回転数）を増加して、ハンマ１００への掘削流体の流れ及び圧力を増加することができる。この調整は、最適な打撃速度を維持するように掘削しながら、常に又は断続的に行なわれ得る。
【0035】
バルブセット１３０は、マッドハンマ１００を坑井内に配置する前に選択されてマッドハンマに装備され、マッドハンマが坑井から取り除かれて摩耗スリーブ１３４、１３６及びドリルビット１０８のいずれか１つを交換するまで所定の位置に留まる。このとき、坑井に再挿入する前に、切削くずをフラッシュするためにピストンサイクル速度の増加が必要かどうか、又はバイパスチューブ１０４に迂回される掘削流体の増加に従って、バルブセット１３０を調整するためマッドハンマに変更がなされ得る。
【0036】
図１では、バルブセット１３０は、単一の流れ１４がバイパスチューブ１０４及びに向けられる中央の流れ１６と外側の流れ１８Ａ、１８Ｂとに分離される断面で示されている。中央の流れ１６は、二次バルブセット１３２及びピストン１０６を同軸に通って流れずにバイパスチューブ１０４に入る。流れ１６は、バイパスチューブ１０４を通って連通し、ドリルビット面１２０において複数の排出流１２４Ａ、１２４Ｂで排出される。
【0037】
一方、掘削流体の外側の流れ１８Ａ、１８Ｂは、バイパスチューブ１０４の外部の摩耗スリーブ１３６によって保護されたバルブセット１３２に導かれる。外側の流れ１８Ａ、１８Ｂは、ピストン１０６の周り及び／又はピストン１０６を通るように強制され、ピストンバレル１０２及び／又はピストン１０６から（ポート１４０を介して）出ることができ、その後、排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを介してマッドハンマから排出されて、１つ以上の排出流１１２Ａ、１１２Ｂを形成する。
【0038】
図２では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部と協働し、バルブセット１３０とバイパスチューブ１０４との間に一対のＯリング２０２を封入するためのフレア端部を有するチューブ又はパイプとして示されている。バルブセット１３０の内径は、直径５ｍｍくらい小さくてもよい。バルブセットの内径は、１２インチのマッドハンマを用いて５ｍｍから１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍまで、最大約５０ｍｍまで増大することができる。バルブセット１３０の内径は、１８インチのマッドハンマ内で約７５ｍｍまで増大することができる。
【0039】
ドリルビット面１２０に送達される掘削流体１４の量を制限することにより、ドリルビット面に送達される掘削流体又は泥水が多すぎる場合に生じ得る高圧クッション問題を防止するのに役立ち得る。バルブセット１３０は、送達された掘削流体及び泥水の合計の４０％～８０％がバイパスチューブ１０４を通過してドリルビット面１２０に送出されることを可能にするように選択可能に設定される。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の構成部品とすることができる。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４に流入し、バイパスチューブを通って流れることができる流体の量が調整可能であるように、例えば、それを通る流れを選択的に増加又は減少させるための調整可能な開口又はダイヤフラムを有するように構成することができる。さらに、バルブセット１３０は、送達される掘削流体の圧力変化によって調整することができる。例えば、バルブセット１３０は、２，０００ｐｓｉで完全に開き、掘削流体の圧力が低下するにつれて徐々に閉じるように構成することができる。逆に、バルブセット１３０は、圧力が増加するにつれて徐々に閉じるように構成することができる。
【0040】
いくつかの実施形態では、調整は、複数の異なるサイズのバルブセットからバルブセット１３０を選択する際に提供することができる。そのような態様では、バルブセット１３０の調整可能性は、異なる掘削条件及び地質に基づいてバイパスチューブ１０４に流入する流体の量を制御する能力をドリルオペレータに提供する。バイパスチューブ１０４を通って流れないマッドハンマ１００に送達された掘削流体の残りは、代わりに、圧力下でマッドハンマ１００に押し込まれてマッドハンマを作動させる。バルブセット１３０が複数の異なるサイズのバルブセットから選択される場合、バルブセット１３０は、ハンマが新しいドリルビット１０８と共に坑井に降ろされる前に選択されて表面に設置される。したがって、バルブセット１３０は、ドリラーがバルブセットを調整することを選択するまで、３０ｍｍなどの設定された開口部を維持する。ドリラーは、以前の４００メートルの掘削動作にわたるハンマ１００の性能に基づいて、また、地質に応じて３００ｍ～１，０００ｍ掘削された最後のドリルビット１０８の条件から、バルブセットを選択する（したがって、バイパスチューブ１０４への必要なポートサイズにより決定する）。
【0041】
合計で約２００～４００ガロン／分（ＧＰＭ）（７５７．１～１５１４．２リットル／分（ＬＰＭ））しかドリル面に送達することができない典型的な水又は流体ハンマと比較して、本発明者は、１２インチ（３０．４８ｃｍ）版（直径）のマッドハンマ１００が合計で約８００～１，０００ＧＰＭ（３０２８．３から３７８５．４ＬＰＭ）を送達することができることを見出した。マッドハンマの１２インチ版を参照すると、ハンマの外径（ＯＤ）は１２インチであることが理解される。１２インチのビットが、ハンマと共に使用することができるように、１２インチのハンマは、約１１インチのバレル直径を有することができる。１２インチのビットは、１２インチのハンマで使用するために典型的には１２インチ～１７インチの範囲である最小のビットのうちの１つである。
【0042】
一例では、この総送達流は、マッドハンマ１００の作業構成部品を通るように強制される３００ＧＰＭ（１１３５．６ＬＰＭ）と、バイパスチューブ１０４を通る７００ＧＰＭ（２６４９．８ＬＰＭ）とを含むことができる。この総送達流は、５，０００メートル（１６，４０４フィート）より深い１２．５インチ（３１．７５ｃｍ）の坑井を掘削するために総坑井体積の約８０％～１００％であり、これは、上述したように、少なくともいくつかの典型的な流体又はマッドハンマ（例えば、１００％～１５０％）を超えて増加された流量容量である。
【0043】
したがって、マッドハンマ１００、２００は、掘削流体１４の単一の流れを受け取り、掘削流体の計量された部分をドリルビット面１２０に送達し、掘削流体の残りの部分で動作しながら、マッドハンマの内部構成部品に対する掘削流体の縮退効果を制限する。典型的なマッドロータリー掘削方法と比較して、本発明者は、マッドハンマ１００が硬質岩石層においてより速い速度（例えば、３００ミリメートル／時間又は０．９８フィート／時間と比較して１０メートル／時間又は３２．８１フィート／時間）で掘削することを見出した。本発明者はまた、マッドハンマのドリルビット１０８が、硬質岩石層を掘削する場合に、典型的な高品質ロータリードリルビットよりも寿命が長い（例えば、寿命の終わりまで２０メートル又は６５．６２フィートと比較して４００メートル又は１３１２．３フィート）ことを見出した。
【0044】
図１は、本発明の一実施形態による掘削システム１０の断面を示す。掘削システム１０は、単一のフロードリルパイプ１２とマッドハンマ１００とを含む。単一のフロードリルパイプ１２は、任意の適切な標準ＡＰＩ認定ドリルパイプとすることができる。単一のフロードリルパイプ１２は、マッドハンマ１００に結合することができる。例えば、単一のフロードリルパイプ１２は、マッドハンマ１００の一端の雌ねじ部に結合する雄ねじ部を含むことができる。掘削流体の流れ１４は、単一のフロードリルパイプ１２を通ってマッドハンマ１００に送達され得る。掘削流体は、当業者によって理解されるように、掘削泥水及び様々な添加剤を含む。
【0045】
マッドハンマ１００の本体は、複数の構成部品から構成することができる。そのような構成部品は、ピストンバレル１０２、トップサブ１２６、駆動サブ１３８、及び／又は図２の例示的なマッドハンマ２００の分解図に示す１つ以上の構成部品などの他の適切な構成部品のうちの１つ以上を含むことができる。マッドハンマ１００は、ピストン１０６を含む。ピストン１０６は、ピストンバレル１０２内に位置付けられる。ピストン１０６は、図１の両矢印１２８の方向に往復運動で並進するように構成される。ピストン１０６の往復運動は、図１の両矢印１１４によって指定されるピストンストローク長を画定する。様々な事例では、掘削作業のための所望の流体又は泥水圧がマッドハンマ１００に送達されると、ピストン１０６は、毎秒約１０～２５サイクルの速度で往復運動を繰り返すことができる。サイクルは、ピストン１０６が２つのピストンストローク長を並進した後に開始位置に戻ると完了する。場合によっては、流体又は泥水がマッドハンマ１００に送達される圧力を低下することによって、ピストン１０６を、毎秒１０～２５サイクルよりも低い速度で往復運動するように制御することができる。逆に、ピストンサイクル速度は、マッドハンマ１００に送達される流体又は泥水の圧力の増加によって増加し得る。いくつかの実施形態では、ストローク長は、約２０～６０ミリメートル（０．７９～２．３６インチ）であり得る。少なくともいくつかの例では、ピストンストローク長は約４０ｍｍ（１．５７インチ）であり得る。
【0046】
いくつかの態様では、ピストン１０６が移動すると、ピストン１０６の一端の界面１１６でドリルビット１０８に衝突する。対向する端部では、ピストン１０６は、図示されているようないくつかの例では、バルブセット１３２に衝突する。他の例では、バルブセット１３２は、図示されているものとは異なるピストン１０６の反対側の端部に位置付けられ得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３２は、ピストン１０６の周りに位置付けられ得る。バルブセット１３２は、当業者によって理解されるように、ピストン１０６の移動を生成するように構成される。バルブセット１３２は、様々な事例では、単一のバルブを含むことができる、又は複数のバルブ若しくは他の適切な構成部品を含むことができる。場合によっては、バルブセット１３２は、１つ以上の逆止弁及び／又はプランジャを含むことができる。他の態様では、ピストン１０６は、バルブセット１３２の代わりに、又はそれに加えて、ポート１４０を含むことができる。ポート１４０は、ピストン１０６の移動を生成するように構成することができる。バルブセット１３２は、通過することができる掘削流体の量を制御する可変開口又はダイヤフラムをその中に有するように調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３２は、バルブ直径の範囲から選択することができる複数のバルブセット１３２のうちの１つである。
【0047】
様々な態様では、マッドハンマ１００は、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間に位置付けられた摩耗スリーブ１３４を含む。ピストン１０６がその往復運動で移動すると、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間の摩擦が、ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２を劣化させる可能性がある。掘削流体を用いてマッドハンマ１００を動作すると、この劣化の速度が速まる。この劣化を防止するのに役立つように、摩耗スリーブ１３４は、ピストン１０６とピストンバレル１０２との間の接触を防止するのに役立つ。ピストン１０６が移動するにつれて、摩耗スリーブ１３４は、（より高価な）ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２よりも劣化する。摩耗スリーブ１３４は、例えば、タングステン、ｂｉｚａｌｏｙ、炭素、又はダイヤモンド含浸鋼などの適切な耐摩耗性材料で構築される。摩耗スリーブ１３４は、摩耗スリーブ１３４がピストン１０６とピストンバレル１０２との間の接触を防止することができない摩耗限界まで劣化すると、交換可能である。様々な事例では、摩耗スリーブ１３４は、摩耗スリーブ１３４及びドリルビット１０８がそれぞれの摩耗限界に達する前に、マッドハンマ１００の動作中にドリルビット１０８（例えば、約４０時間の連続動作）とほぼ同じ長さにわたって持続するように構築される。
【0048】
マッドハンマ１００がバルブセット１３２を含む例では、バルブセット１３２も往復運動する。そのような場合、マッドハンマ１００は、バルブセット１３２とピストンバレル１０２との間に位置付けられた二次摩耗スリーブ１３６を含むことができる。バルブセット１３２及び／又はピストンバレル１０２の劣化を防止するのに役立つように、摩耗スリーブ１３６は、バルブセット１３２とピストンバレル１０２との間の接触を防止するのに役立つ。摩耗スリーブ１３４の説明は、二次摩耗スリーブ１３６にも等しく適用される。したがって、摩耗スリーブ１３４及び１３６は、掘削流体を用いてマッドハンマ１００を動作する劣化誘発効果に照らして、マッドハンマ１００の動作寿命を延ばす。
【0049】
いくつかの態様では、マッドハンマ１００は、バイパスチューブ１０４を含む。バイパスチューブ１０４は、ピストン１０６を通って位置付けられる。場合によっては、バイパスチューブ１０４をバルブセット１３２を通して位置付けることができる。場合によっては、バイパスチューブ１０４は、ピストン１０６及び／又はピストンバレル１０２に対して中心に置かれる（例えば、長軸に沿って位置付けられる）。いくつかの態様では、バイパスチューブ１０４は、約２～３インチ（約５．０８～７．６２センチメートル）の内径を有する。バイパスチューブ１０４は、掘削流体がバイパスチューブ１０４を通ってドリルビット１０８に送達され得るように、ドリルビット１０８（例えば、界面１１８において）と流体連通している。マッドハンマ１００は、マッドハンマ１００に送達された掘削流体の計量された部分がバイパスチューブ１０４を通って導かれるように構成され、一方、送達された掘削流体の残りの部分は、マッドハンマ１００に圧力下で押し込まれてマッドハンマ１００を作動させる。例えば、掘削流体の流れ１４から、流れ１４の一部分１６はバイパスチューブ１０４に流入し、一部分１８Ａ及び一部分１８Ｂはマッドハンマ１００に流入する。バイパスチューブ１０４を通ってドリルビット面１２０に送達される掘削流体の量を測定することは、ドリルビット面１２０に送達される掘削流体又は泥水が多すぎる場合に生じ得る高圧クッション問題を防止するのに役立つ。
【0050】
様々な態様では、バイパスチューブ１０４への計量された流れを制御するために、マッドハンマ１００はバルブセット１３０を含む。バルブセット１３０は、単一のバルブ又はアダプタとすることができ、或いは複数のバルブ及び／又はアダプタとすることができる。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の構成部品とすることができる。図１及び図２に示されているような他の例では、バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部に位置付けられ得る。バルブセット１３０は、マッドハンマ１００（例えば、流れ１４）に送達される設定量（例えば、流れ１６）の掘削流体１４がバイパスチューブ１０４内に進行することを可能にするように構成することができる。場合によっては、設定量は、総送達掘削流体１４の８０％未満の量であり得る。場合によっては、設定量は、総送達掘削流体１４の５０％～８０％であり得る。いくつかの態様では、バルブセット１３０は、単一の設定量の掘削流体のみをバイパスチューブ１０４内に許容するように構成されるように調整不可能であり得る。他の態様では、バルブセット１３０は、バルブセット１３０がバイパスチューブ１０４に流入できるように構成されている流体の設定量をドリルオペレータが調整できるように調整可能であり得る。バルブセット１３０は、通過することができる掘削流体の量を制御する可変開口又はダイヤフラムをその中に有するように調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、バルブセット１３０は、バルブ直径の範囲から選択することができる複数のバルブセット１３０のうちの１つである。そのような態様では、調整可能性は、異なる掘削条件及び地質に基づいてドリルビット面１２０に送達される掘削流体１４の量を変更する能力をドリルオペレータに提供する。
【0051】
マッドハンマ１００は、ドリルビット１０８を含む。いくつかの態様では、ドリルビット１０８は、取り外し可能であるようにマッドハンマ１００の本体に結合することができる。ドリルビット１０８は、ドリルビット面１２０を含む。ドリルビット１０８は、掘削流体１６がドリルビット面１２０から出ることを可能にする１つ以上の出口ポート１２２Ａ、１２２Ｂを含む。１つ以上の出口ポート１２２Ａ、１２２Ｂは、バイパスチューブ１０４と流体連通している。バイパスチューブ１０４を通って移動する掘削流体の流れ１６は、１つ以上の排出流１２４Ａ、１２４Ｂとしてドリルビット面１２０で出る。１つ以上の排出流１２４Ａ、１２４Ｂは、マッドハンマ１００の動作中にドリルビット１０８から離れるように切削くずをフラッシュする。
【0052】
いくつかの態様では、マッドハンマ１００の本体は、駆動サブ１３８及びシュラウド２２６（図２に示すように）を含む駆動サブを含むことができる。このような態様では、駆動サブ１３８は、スタビライザウイングを含む。いくつかの態様では、駆動サブはまた、ドリルビット１０８を保持するための適切なビット保持システムを含むことができる。
【0053】
マッドハンマ１００のピストンバレル１０２は、１つ以上の排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを含む。これらの排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂは図１に示されているが、いくつかの実施形態では、ピストンバレル１０２は単一の排出ポートのみ又は３つ以上の排出ポートを含んでもよいことを理解されたい。単一の排出ポートを有する実施形態では、排出ポートは、ピストンバレル１０２の任意の適切な部分の周りに延在することができる。掘削流体１８Ａ、１８Ｂがピストン１０６を作動させたバルブセット１３２を通過した後、掘削流体は、１つ以上の排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂを通ってピストンバレル１０２から出ることができる。排出ポート１１０Ａ、１１０Ｂから排出された掘削流体は、排出流１１２Ａ及び１１２Ｂによって示されるように、ドリルビット１０８から離れる方向（例えば、動作中上方）に排出される。排出流１１２Ａ、１１２Ｂをドリルビット１０８から離れるように導くことにより、切削くずをドリルビット１０８からフラッシングするのを助ける。
【0054】
図２は、本発明の一実施形態によるマッドハンマ２００の分解斜視図を示す。マッドハンマ２００は、同様の特徴は同様の番号を付されているマッドハンマ１００に関して上述したように動作するように構成される。様々な事例では、マッドハンマ１００は、マッドハンマ２００の構成部品のいずれかを含むことができ、その逆も可能である。図１及び図２に示す構成部品は、必ずしも一定の縮尺で示されていないことも理解されたい。マッドハンマ２００は、トップサブ１２６を含むことができる。マッドハンマ２００は、バイパスチューブ１０４を含む。バルブセット１３０は、バイパスチューブ１０４の受容端部に位置付けられる。場合によっては、バイパスチューブ１０４とバルブセット１３０との間に１つ以上のＯリング２０２が位置付けられる。マッドハンマ２００は、ピストン１０６を含む。場合によっては、マッドハンマ２００は、摩耗スリーブ１３４を含むことができる。マッドハンマ２００は、ピストンバレル１０２を含む。場合によっては、マッドハンマ２００は、駆動サブ１３８を含むことができる。マッドハンマ２００は、ドリルビット１０８を含む。
【0055】
様々な事例では、マッドハンマ２００は、１つ以上のＯリング２０４、サークリップ２０６、分配器２０８、トップバレル又はサブ２１０、逆止弁又はプランジャ２１１、ｙリング又は逆止弁２１２、ばね２１４、圧縮バッファ２１６、バイパスチューブマウント２１８、ベアリングブッシュ２２０、１つ以上のビットストップリング２２２及び２２４、並びにシュラウド２２６の任意の適切な組み合わせを含むことができる。場合によっては、圧縮バッファ２１６は、鋼リングなどのリングであってもよい。逆止弁又はプランジャ２１１、ｙリング又は逆止弁２１２、ばね２１４、及び／又は圧縮バッファ２１６は、バルブセット１３２を備えることができる。場合によっては、ベアリングブッシュ２２０を冷間プレスすることができる。いくつかの例では、ビットストップリング２２２はＯリングとすることができる。図３は、図２において分解して示されたマッドハンマ２００の組立斜視図を示す。
【0056】
図４は、本開示の一態様による、掘削方法のフローチャートを示す。例示的な方法４００は、図４に示すフローチャートを参照して説明されているが、方法４００に関連する行為を実行する多くの他の方法を使用できることが理解されよう。例えば、いくつかのブロックの順序は変更されてもよく、特定のブロックは他のブロックと組み合わされてもよく、記載されたブロックのいくつかはオプションである。
【0057】
マッドハンマ１００、２００は、掘削坑井内に位置付けることができる（ブロック４０２）。マッドハンマ１００、２００は、本明細書に記載の実施形態のいずれかとすることができる。掘削流体１４の単一の流れは、単一のフロードリルパイプ１２を介してマッドハンマ１００、２００に向けることができる（ブロック４０４）。掘削流体１４は、掘削泥水を含む。単一のフロードリルパイプは、任意の適切な標準ＡＰＩ認定ドリルパイプとすることができる。一例では、掘削坑井内に位置付けられたマッドハンマ１００、２００は、掘削流体１４の単一の流れをマッドハンマ１００、２００に向けることを可能にする、掘削流体で動作するように構築される。これは、清浄水から掘削泥水を分離するために二重循環ドリルパイプシステムを必要とする少なくともいくつかの典型的なＤＣ流体ハンマと比較している。そのような典型的なＤＣ流体ハンマの少なくともいくつかは、単一のフロードリルパイプを介して動作することができない。いくつかの典型的なＤＣ流体ハンマは、単一のフロードリルパイプを介して動作するように適合することができるが、そのような適合は、本明細書に記載の提供されたマッドハンマ１００、２００と比較して、非効率的なマッドハンマ又は流体ハンマをもたらす。
【0058】
マッドハンマ１００、２００を作動させて、掘削坑井を掘削することができる（ブロック４０６）。一例では、マッドハンマ１００、２００に向けられる掘削流体１４の単一の流れのうち、掘削流体の一設定量（例えば、５０％～８０％）が、動作中にマッドハンマ１００、２００のバイパスチューブ１０４に流入する。様々な事例では、バイパスチューブ１０４に流入する掘削流体１６は、ドリルビット面１２０でマッドハンマ１００、２００を出る。掘削流体１４の単一の流れの残りの部分１８Ａ、１８Ｂは、マッドハンマ１００を動作させるために、バイパスチューブ１０４の外部でマッドハンマ１００に流入することができる。いくつかの態様では、方法４００は、マッドハンマ１００、２００の１つ以上の摩耗スリーブ（例えば、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６）を交換することをさらに含むことができる。一例では、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６は、それぞれの摩耗限界に達すると交換される。一例では、摩耗スリーブ１３４及び／又は摩耗スリーブ１３６は、それらのそれぞれの摩耗限界が、マッドハンマ１００、２００の動作中にドリルビット１０８の摩耗限界と到達するのにほぼ同じ時間を要するように構築される。
【0059】
本明細書で使用される場合、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、例えば、参照された数字の－１０％～＋１０％、好ましくは参照された数字の－５％～＋５％、より好ましくは参照された数字の－１％～＋１％、最も好ましくは参照された数字の－０．１％～＋０．１％の範囲などの数字の範囲内の数字を指すと理解される。
【0060】
本明細書及び特許請求の範囲における「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含まれる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」若しくは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は、包括的な意味で使用され、すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、追加の又はさらなる特徴の存在を排除するものではない。
【0061】
さらに、本明細書におけるすべての数値範囲は、その範囲内のすべての整数、全体又は分数を含むと理解されるべきである。さらに、これらの数値範囲は、その範囲内の任意の数又は数のサブセットを対象とする請求項の支持を提供すると解釈されるべきである。例えば、１から１０の開示は、１から８、３から７、１から９、３．６から４．６、３．５から９．９などの範囲を支持すると解釈されるべきである。
【0062】
本明細書に開示された例及び態様は、単なる例示として解釈されるべきであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。説明した基本原理から逸脱することなく、上述の例の詳細に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。換言すれば、上記の説明で具体的に開示された例の様々な修正及び改善は、添付の特許請求の範囲内にある。例えば、記載された様々な例の特徴の任意の適切な組み合わせが企図される。
【手続補正2】
【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】
マッドハンマであって、
掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成されたピストンバレルであって、前記ピストンバレルが、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含む、ピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記少なくとも１つの排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマ。
【請求項2】
前記摩耗スリーブが、耐摩耗性材料で構築される、請求項１に記載のマッドハンマ。
【請求項3】
前記耐摩耗性材料が、タングステン、ｂｉｚａｌｏｙ、炭素、及びダイヤモンド含浸鋼のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のマッドハンマ。
【請求項4】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの受容端部に位置付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項5】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの構成部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項6】
前記ピストンの前記往復運動を発生させるように掘削流体の前記第１の部分を導くように構成された二次バルブセットをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項7】
前記バイパスチューブが、前記二次バルブセットを通って位置付けられる、請求項６に記載のマッドハンマ。
【請求項8】
前記二次バルブセットと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた二次摩耗スリーブをさらに備える、請求項６又は７に記載のマッドハンマ。
【請求項9】
前記バイパスチューブの内径が約２～３インチである、請求項１から８のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項10】
前記バイパスチューブが、前記ピストンバレル内の中心に置かれる、請求項１から９のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項11】
スタビライザウイング、シュラウド、及びビット保持システムのうちの少なくとも１つを有する駆動サブをさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項12】
前記ピストンバレルが、使用時に前記ドリルビットから離れて上方方向に掘削流体を排出するように構成された少なくとも２つの排出ポートを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項13】
前記ドリルビットが打撃ドリルビットである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項14】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項16】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項17】
掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプと、前記単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマであって、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマと、を備えるシステム。
【請求項18】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項21】
（ａ）掘削坑井内に、マッドハンマであって、前記マッドハンマが、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出するように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して位置付けられ、打撃ドリルビットであって、前記ドリルビットがドリルビット面を有する、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、
を備えるマッドハンマを位置付けることと、
（ｂ）単一のフロードリルパイプを介して、前記掘削流体であって、前記掘削流体が掘削泥水を含む、前記掘削流体の単一の流れを前記マッドハンマに向けることと、
（ｃ）前記掘削坑井において掘削するため前記マッドハンマを動作することと、を含み、
前記バイパスチューブに迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビット面で前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記少なくとも１つの排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、掘削方法。
【請求項22】
前記掘削泥水の前記第２の部分が、前記マッドハンマに送達される掘削流体の総体積の５０％～８０％である、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記掘削流体が、圧力下で前記マッドハンマに送達される、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項24】
前記掘削流体の単一の流れが、毎分約８００ガロン～１，０００ガロンの速度で前記マッドハンマに向けられる、請求項２１から２３のいずれか一項に記載の方法。【手続補正書】
【提出日】2023-06-16
【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】
マッドハンマであって、掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを受けるように構成されたピストンバレルであって、前記ピストンバレルが、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含む、ピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される
往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記少なくとも１つの排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマ。
【請求項2】
前記摩耗スリーブが、耐摩耗性材料で構築される、請求項１に記載のマッドハンマ。
【請求項3】
前記耐摩耗性材料が、タングステン、ｂｉｚａｌｏｙ、炭素、及びダイヤモンド含浸鋼のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のマッドハンマ。
【請求項4】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの受容端部に位置付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項5】
前記調整可能なバルブセットが、前記バイパスチューブの構成部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項6】
前記ピストンの前記往復運動を発生させるように掘削流体の前記第１の部分を導くように構成された二次バルブセットをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項7】
前記バイパスチューブが、前記二次バルブセットを通って位置付けられる、請求項６に記載のマッドハンマ。
【請求項8】
前記二次バルブセットと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた二次摩耗スリーブをさらに備える、請求項６又は７に記載のマッドハンマ。
【請求項9】
前記バイパスチューブの内径が約２～３インチである、請求項１から８のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項10】
前記バイパスチューブが、前記ピストンバレル内の中心に置かれる、請求項１から９のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項11】
スタビライザウイング、シュラウド、及びビット保持システムのうちの少なくとも１つを有する駆動サブをさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項12】
前記ピストンバレルが、使用時に前記ドリルビットから離れて上方方向に掘削流体を排出するように構成された少なくとも２つの排出ポートを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項13】
前記ドリルビットが打撃ドリルビットである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項14】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項15】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項16】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のマッドハンマ。
【請求項17】
掘削泥水を含む掘削流体の単一の流れを送達するように構成された単一のフロードリルパイプと、前記単一のフロードリルパイプと流体連通するマッドハンマであって、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出する少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、前記掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して配置され、ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、を備え、
前記バイパスチューブ内に迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、マッドハンマと、を備えるシステム。
【請求項18】
前記ピストンが、２０～６０ミリメートルのストローク長を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記ピストンが、毎秒１０～２５サイクルの速度で往復運動する、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記単一のフロードリルパイプが内部防噴装置を含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項21】
（ａ）掘削坑井内に、マッドハンマであって、前記マッドハンマが、前記マッドハンマの外部に掘削流体を排出するように構成された少なくとも１つの排出ポートを含むピストンバレルと、
前記ピストンバレル内に位置付けられ、掘削流体の第１の部分によって作動される往復運動で移動するように構成されたピストンと、
前記ピストンを貫通して位置付けられ、打撃ドリルビットであって、前記ドリルビットがドリルビット面を有する、打撃ドリルビットと流体連通するバイパスチューブと、
前記掘削流体の第２の部分を前記バイパスチューブに迂回するように構成された調整可能なバルブセットと、
前記ピストンと前記ピストンバレルとの間の接触を防止するように位置付けられた摩耗スリーブと、
を備えるマッドハンマを位置付けることと、
（ｂ）単一のフロードリルパイプを介して、前記掘削流体であって、前記掘削流体が掘削泥水を含む、前記掘削流体の単一の流れを前記マッドハンマに向けることと、
（ｃ）前記掘削坑井において掘削するため前記マッドハンマを動作することと、を含み、
前記バイパスチューブに迂回された前記掘削流体の前記第２の部分が、前記ドリルビッ
ト面で前記ドリルビットから排出され、前記ピストンを動作する掘削流体の前記第１の部分が、前記ドリルビットから離れて、前記少なくとも１つの排出ポートを介して前記ピストンバレルから排出される、掘削方法。
【請求項22】
前記掘削泥水の前記第２の部分が、前記マッドハンマに送達される掘削流体の総体積の５０％～８０％である、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記掘削流体が、圧力下で前記マッドハンマに送達される、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項24】
前記掘削流体の単一の流れが、毎分約８００ガロン～１，０００ガロンの速度で前記マッドハンマに向けられる、請求項２１から２３のいずれか一項に記載の方法。【国際調査報告】