掘削速度向上ツールの研究

現在、掘削速度向上ツールは主に機械式と油圧式の2種類に分けられます。機械式ツールはビット荷重（WOB）を利用して衝撃力を発生させ、硬質地層における岩盤破砕効率を効果的に向上させますが、強い振動、高いエネルギー消費、疲労損傷のしやすさといった問題点があります。油圧式ツールは掘削流体を用いて衝撃ハンマーを駆動し、衝撃、回転、噴射を組み合わせて岩盤を破砕します。掘削速度（ROP）の向上、坑井の偏向制御、ビット寿命の延長において大きな利点がありますが、一般的に衝撃頻度が単調であることや、異なる地層のニーズへの適応が難しいといった問題点があります。

衝撃掘削技術は、作用方式によって主にねじり衝撃技術、軸方向衝撃技術、軸方向・ねじり複合衝撃技術の3種類に分類されます。衝撃掘削の速度向上における本質は、ガスまたは液体の圧力エネルギーをインパクターを通して軸方向またはねじり方向の衝撃機械エネルギーに変換し、それをビットの後端に直接作用させることで、ビットの切削条件を改善し、ビットの岩盤破砕効率を高めることです。

ねじり衝撃掘削技術は、近年注目を集めている掘削速度向上技術であり、主にPDCビットで発生する「スティックスリップ」振動の解決に用いられます。使用時には、ねじり衝撃装置がビットの後端に取り付けられます。その内部構造設計により、流体の油圧エネルギーをねじり衝撃による機械エネルギーに変換することができます。ドリルストリングの定常トルクと衝撃装置によって発生する衝撃トルクの複合作用により、ビットは岩盤を破砕します。

以下の例では、2つの革新的なツールを紹介します。

1. 衝撃周波数調整機能付きドリル速度向上ツール

周波数調整可能な油圧式掘削速度増加ツールは、ベアリング、下部シャフト本体、ピストン対、インパクトハンマー、スロットルノズルなどの部品で構成されるコアインパクト構造を備えています。

動作原理：この装置は、インパクトハンマーの上部チャンバーと下部チャンバー内で掘削液によって生じる周期的な圧力差を利用して、インパクトハンマーを高速で往復運動させ、軸方向の衝撃力を発生させます。この衝撃力はビットに直接伝達され、岩盤破砕を補助します。重要な点は、下部シャフト本体の対称穴の数を変更することで衝撃周波数を調整でき、様々な地層の掘削ニーズに対応できることです。

衝撃周波数調整機能を備えたドリル速度向上ツールの応用

中硬質地層での現場試験：数値シミュレーションで選択された最適な衝撃周波数（16 Hz）に基づき、このツールを新疆油田のX1井で試験しました。摩耗性が高く掘削速度（ROP）が低い地層区間において、スクリュードリルツールを使用した隣接井との比較から、このツールを使用した後は、1回の掘削距離が53%増加し、機械的ROPが27.0%増加し、掘削回数を効果的に削減し、工期を短縮できることが分かりました。

硬質地層での現場試験：数値シミュレーションによって選択された最適な衝撃周波数（18Hz）に従って、このツールは新疆油田のX3井における掘削性の低い石炭紀安山岩および玄武岩層で試験されました。

結論：今回の結果から、このツールを使用した後の機械的掘削速度は、隣接する井戸と比較して103.2%大幅に増加することが示され、様々な地層において掘削効率を大幅に向上させ、掘削サイクルを短縮できることが効果的に証明されました。

2. 複合材衝撃式ドリル速度向上ツールの設計

油圧式ねじり衝撃機構を設計した。その中核となる部分は、流量分配機構、反転機構、および衝撃機構の3つである。

動作プロセス：初期状態（a）では、高圧流体が反転弁コアの左流路を通って油圧ハンマーの左キャビティに入り、油圧ハンマーと弁コアを時計回りに回転させ、油圧ハンマーが油圧ハンマーシートに衝突するまで続きます（状態b）。衝突後、高圧流体は右制御流路を通って油圧ハンマーと弁コアによって形成される右キャビティに入り、弁コアを時計回りに回転させて反転位置まで移動させます（状態c）。これにより、高圧流体は右流路に切り替わり、油圧ハンマーの右キャビティに入り、油圧ハンマーと弁コアを反時計回りに回転させます（状態c）。油圧ハンマーが再び油圧ハンマーシートに衝突するまで（状態d）、高圧流体は左制御流路を通って左キャビティに入り、弁コアを反時計回りに回転させて反転させ、初期状態（状態a）に戻ります。このサイクルが繰り返され、流体による連続的な反転と衝突によって高周波の往復ねじり衝撃が発生します。

動作原理：流体（泥）は上部ジョイントとガイドパイプを通って流量分配スリーブに流入した後、反転機構と衝撃機構に分配され、流量分配板によって2つの流路が分離されます。続いて、流体はマンドレル内部のノズルを通過し、その前後に高圧ゾーンと低圧ゾーンが形成されます。反転弁コアは圧力差の駆動力によって回転し、油圧ハンマーの左右のキャビティを交互に高圧ゾーンと低圧ゾーンに接続することで、油圧ハンマーが圧力差の作用を受けて往復運動し、油圧ハンマー座に衝撃を与え、高周波の往復ねじり衝撃を発生させます。

1-上部サブ; 2-外側ケーシング; 3-ガイドパイプ; 4-流量分配スリーブ; 5-流量分配プレート; 6-ボルト; 7-上部サポートリング; 8-油圧ハンマーシート; 9-油圧ハンマー; 10-リバーシングバルブコア; 11-下部サポートリング; 12-マンドレル; 13-下部サブ;

ねじり衝撃機構構造の概略図

ねじり衝撃機構の運動過程

軸方向衝撃機構の一種が設計されている。油圧式軸方向衝撃装置は、主にバルブ式とバルブレス式の2種類に分けられる。バルブ式衝撃装置は内部構造が複雑で信頼性が低い。バルブレス式は主にジェット式とジェット吸引式があり、ジェット式は耐用年数が短い。ジェット吸引式油圧衝撃装置は構造がシンプルで、ジェットの巻き込みとウォーターハンマー振動効果を利用して衝撃を実現し、内部可動部品が少なく、脆弱な部品がないため、複雑な坑内条件によく適応できる。

1-上部ノズルシート、2-上部ノズル、3-上部バルブ、4-上部バルブスリーブ、5-二次ノズル、6-軸方向外側ケーシング、7-サポートスリーブ、8-インパクトハンマー、9-ハンマーヘッド、10-ハンマーシート、11-保護キャップ、12-六角ジョイントによる軸方向衝撃機構の作動原理。

初期流速と圧力差の形成：高圧流体が上部ノズルから高速ジェットを形成します。ジェットの巻き込みと絞り効果の複合作用により、上部バルブの上部チャンバーと下部チャンバー、およびインパクトハンマーの外側上部チャンバーとハンマーヘッドの下端との間に圧力差が生じます。

部品の上昇移動と流路の密閉：それぞれの圧力差によって、上部バルブが上昇し、衝撃部品（二次ノズル、衝撃ハンマー、ハンマーヘッド）も上昇し、二次ノズルが上部バルブに接触して流路を密閉します。

水撃現象の発生とジョイントの下降運動：流路の瞬間的な閉鎖により水撃振動が発生し、チャンバー内の圧力が急激に上昇し、上部バルブと衝撃部品が一緒に下方へ加速します。

慣性衝撃とサイクル回復：上部バルブが下限位置に移動した後、衝撃部品は慣性によって下方へ移動し続け、最終的にハンマーシートに衝突して軸方向の衝撃を完了します。衝撃後、流路はスムーズな状態に戻り、ビット荷重（WOB）の作用により機構がリセットされ、次のサイクルが開始されます。

接触 ：ジェシー・チョウ

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