JP5384109B2 - 地表通信装置、及び掘削ストリング遠隔測定に使用する方法 - Google Patents

Description

本発明は、掘削及び炭化水素の井戸の作成の分野、及び、ダウンホール形成特性の測定、及び、ダウンホールと地表設備との間の測定値及び制御情報についての双方向通信のための掘削ストリング遠隔測定、及び、掘削ストリング遠隔測定装置と地表プロセッサとの間における双方向通信のための地表通信システムに関する。

掘削中測定（ＭＷＤ）及び掘削中ロギング（ＬＷＤ）の出現、並びに方向性掘削などの、特殊な掘削工程の地表制御の発達は、掘削及び炭化水素の井戸の作成の技術分野における重要な進歩である。これらの工程は、地表とダウンホール測定及び掘削設備との間に、両方向の通信を必要とする。現在のところ、泥パルス遠隔測定は、掘削中に、ダウンホール設備と地表との間における通信において、広範囲に商業的に使用されている唯一の技術である。［特に別言しない限り、「掘削中」等の用語は、掘削、休止、及び／又はトリッピングを含む、全体的な掘削作業の一部分として、掘削ストリングがボア孔の中に、または、部分的にボア孔の中にあることを意味する意図であり、掘削ビットは必ずしも回転していなくても良い。］。泥パルス遠隔測定においては、データは、掘削部分における圧力パルスとして伝達される。しかしながら、泥パルス遠隔測定には、比較的遅い通信、低いデータ速度、及び限界信頼性を含む、制限があることが良く知られている。現在の泥パルス技術は、１秒間あたりわずかに約１２ビットだけのＭＷＤ／ＬＷＤのデータを送ることができる。多くの場合に、この速度は、ＬＷＤツールストリングによって集められたすべてのデータを送るために不十分であり、または、所望のツールストリングの構成を限定する。また、泥パルス技術は、拡張した範囲のボア孔においては、良く働かない。方向性掘削及びツール機能などの工程を制御するため、泥ポンプ流れの調整によって、アップホールからダウンホールへ伝えられる信号も遅く、極めて低い情報速度を有している。また、例えば、釣合下にある掘削使用ガス、又は発泡掘削流体など、ある種の状況の下では、現在の泥パルス遠隔測定は機能しない。

より速くて、高いデータ速度を有し、特定のタイプの掘削流体の存在を必要としないような、泥パルス遠隔測定に代わる手段を開発しようとして、長年にわたって、様々な試みがなされてきた。例えば、掘削ストリングを通して音波を伝達するような、音響遠隔測定が提案されている。データ速度は、泥パルス遠隔測定に比べて、約１オーダー高い大きさに見積もられるが、依然として制限があり、雑音が問題である。音響遠隔測定は、まだ、商業的に利用可能になっていない。別の例は、地球を通した電磁遠隔測定である。この技術は、ボア孔を取り囲む地質の、特に抵抗率の特性に依存した、限られた範囲をもつと考えられ、また、限られたデータ速度を有する。

信号を運ぶために、掘削パイプ内にワイヤを配置することは、長い間、提案されてきた。ワイヤード掘削ストリングに関するいくつかの初期のアプローチは、米国特許第４，１２６，８４８号、米国特許第３，９５７，１１８号、及び米国特許第３，８０７，５０２号、および、刊行物、The Oil and Gas Journal（１９７８年４月３日、第１１５頁〜第１２４頁）の、W. J. McDonaldによる「ＭＷＤに使用される４つの異なるシステム("Four Different Systems Used for MWD")」に開示されている。

また、パイプジョイントなどに、誘導結合器を使用するアイデアも提案されている。掘削ストリングに誘導結合器を用いることは、米国特許第４，６０５，２６８号、１９９７年１２月１８日に出願されたロシア連邦公開特許公報第２１４０５２７号、１９９２年２月１４日に出願されたロシア連邦公開特許公報第２０４０６９１号、及び国際特許公報第９０／１４４９７Ａ２号に開示されている。また、米国特許第５，０５２，９４１号、米国特許第４，８０６，９２８号、米国特許第４，９０１，０６９号、米国特許第５，５３１，５９２号、米国特許第５，２７８，５５０号、及び米国特許第５，９７１，０７２号も参照されたい。

米国特許第６，６４１，４３４号が開示しているワイヤード掘削パイプのジョイントは、ワイヤード掘削パイプの分野における著しい進歩であって、地表のステーションとボア孔内の位置との間において、双方向に、高いデータ速度にて、測定データを確実に伝達する。’４３４号特許は、低損失のワイヤードパイプのジョイントを開示していて、導電層が、それぞれの誘導結合器における抵抗損失及び磁束損失を減少させることで、掘削ストリングの全長にわたる、信号エネルギーの損失を減少させる。ワイヤードパイプのジョイントは、導電層に設けた隙間が存在したまま動作するので頑丈である。掘削ストリング遠隔測定の分野における当業者及びその他の進歩した性能列席者は、範囲、速度、及びデータ速度が従前にはシステムの性能を制限していた従来技術の短所について、革新の機会を提供する。

ワイヤード掘削パイプのシステムが使用されるときには、最も上のワイヤード掘削パイプと地表のプロセッサとの間に通信リンクを有することが必要である（地表のプロセッサは、なかんずく、代表的に以下の機能の１又は複数を実行する。すなわち、データの受信及び／又は送信、情報のロギング、及び／又は、ダウンホールと地表の設備への及び／又はこれらからの情報の制御、計算及び分析の実行、及びオペレータ及び遠隔位置との通信、である。）。様々なアプローチが示唆されており、それらのいくつかは、米国特許第７，０４０，４１５号に要約されており、スリップリング装置の使用と、誘導又はいわゆる変圧作用に基づいた回転電気結合の使用とを含んでいる。スリップリング（ブラシ接触面としても知られている）は、周知の電気コネクタであって、静止したワイヤから回転装置に電流又は信号を運ぶようにデザインされている。それは、代表的に、非回転要素に支持された、静止したグラファイト又は金属製の接点（ブラシ）が、（例えば、ケリージョイントの上部部分に支持された）回転金属リングの外径にこすり合わせられる。金属リングが回転すると、電流又は信号は、静止ブラシを通して金属リングに導通して、接続を形成する。

誘電（変圧作用）に基づいた回転電気結合は、回転変圧器として知られており、回転回路と静止回路との間の導通に基づいたスリップリング及び接触ブラシに対する代替手段を提供し、直接接触を必要としない。変圧器の巻線は、静止コイルと回転コイルとを構成し、これらの両方は回転軸線と同軸的になっている。いずれかのコイルが一次巻線として働き、他方は二次巻線として働く。

米国特許第４，１２６，８４８号 米国特許第３，９５７，１１８号 米国特許第３，８０７，５０２号 米国特許第４，６０５，２６８号 ロシア連邦公開特許公報第２１４０５２７号 ロシア連邦公開特許公報第２０４０６９１号 国際特許公報第９０／１４４９７Ａ２号 米国特許第５，０５２，９４１号 米国特許第４，８０６，９２８号 米国特許第４，９０１，０６９号 米国特許第５，５３１，５９２号 米国特許第５，２７８，５５０号 米国特許第５，９７１，０７２号 米国特許第６，６４１，４３４号 米国特許第７，０４０，４１５号 "Four Different Systems Used for MWD," W. J. McDonald, The Oil and Gas Journal, pages 115-124, April 3, 1978.

これらのタイプのアプローチによる地表との通信には、複雑な電気機械構造の使用に付随するある種の制限及び欠点があり、本発明の目的は、効率及び信頼性が改善された、最も上にあるワイヤード掘削パイプと地表プロセッサとの間における、信号の双方向通信のためのシステムを提供することである。

さらに別の観点において、本願に述べられる掘削及び測定の技術は、井戸の現場における安全性、及び、パワーを運ぶワイヤを使用しない、危険地域として分類される位置における回転組立体の駆動の問題に関連している。既存の技術には、ある種の制限がある。例えば、移動する掘削流体によって駆動される泥タービンは、比較的複雑で、製作及び維持が高価である。普通のバッテリーを使用することは、バッテリーの交換のために掘削作業を中断しなければならない場合には、不都合である。従って、本発明のさらに別の目的は、回転する掘削ストリングに関連して、安全で、効率的な、信頼できる電力源を提供することである。

無線式の地表との通信が、掘削ストリングの遠隔測定システムと、地表のプロセッサとの間の通信のために使用できることは認識されている（例えば、米国特許第７，０４０，４１５号参照。）。しかしながら、これを有利に達成できる方法は、これまでに認識されていない。

本発明のひとつの形態は、地面にボア孔を掘削する作業に使用するための、掘削リグと、その略上端が掘削リグに機械的に結合可能であり、掘削リグから吊下可能であるような掘削ストリングと、掘削ストリング上のダウンホール装具とを備えている。システムは、ダウンホール装具と地面上のプロセッサ・サブシステムとの間にて双方向通信するものであり、ワイヤード掘削パイプの部分であって、少なくとも掘削パイプのストリングにおける上部部分を備え、ダウンホール装具と掘削パイプのストリングの上部との間における双方向通信の少なくとも一部分を形成しているような上記ワイヤード掘削パイプの部分と、最も上のワイヤード掘削パイプに機械的に結合可能であるような、掘削ストリングの駆動ストリング部分と、掘削ストリングを回転させるために、駆動ストリング部分に機械的に結合可能であるような駆動機構と、掘削ストリングと関連して回転するために、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分に取り付けられた、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと、最も上のワイヤード掘削パイプの上部ジョイントと、第１のトランシーバー・サブシステムとの間に、電気的に接続されたケーブルと、アップホールのプロセッサ・サブシステムに結合された、第２の無線式のトランシーバー・サブシステムであって、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと双方向に通信するような、第２の無線式のトランシーバー・サブシステムと、を備えていることを特徴とする。［本願において、掘削ストリングにおける「駆動ストリング」の部分は、掘削ストリングにおける最も上の掘削パイプの上に結合された、すべてのサブ、ケリー、上部装置などから構成される。図示の実施形態においては、最も上の掘削パイプは、掘削ストリングにおける最も上のワイヤード掘削パイプである。］。

いくつかの状況においては、単一のワイヤが使用されるけれども、本発明の好ましい実施形態においては、ケーブルは、ワイヤペアなど、複数のワイヤを備える。この実施形態の形態においては、ワイヤード掘削パイプの部分は、それぞれのパイプのジョイントに誘導結合器を有し、ケーブルは、誘導結合器によって、前記最も上のワイヤード掘削パイプの上部ジョイントに電気的に接続される。また、本発明の好ましい実施形態においては、第１のトランシーバー・サブシステムは、第１のアンテナ・サブシステムを具備し、第２のトランシーバー・サブシステムは、第２のアンテナ・サブシステムを具備している。それぞれのアンテナ・サブシステムは、複数のアンテナを備えている。アンテナは、駆動ストリングに対して異なる方位角の位置にある。

本発明のひとつの実施形態においては、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分は、ケリーを備え、この実施形態の形態においては、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分は、ケリーと最も上のワイヤード掘削パイプとの間に、セーバーサブをさらに備えている。本発明の他の実施形態においては、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分は、上部駆動サブを備え、駆動機構は、上部駆動サブと係合する上部駆動装置を備えている。この実施形態の形態においては、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分は、上部駆動サブと前記最も上のワイヤード掘削パイプとの間に、セーバーサブをさらに備えている。

本発明の実施形態においては、第１のアンテナ・サブシステムにおけるアンテナと、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムとは、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分の実質的に同じ位置に取り付けられており、他の実施形態においては、第１のアンテナ・サブシステムにおけるアンテナと、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムにおける少なくとも一部分とは、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分のそれぞれ異なる位置に取り付けられている。

本発明のさらに別の形態によれば、第１のトランシーバー・サブシステムで使用される電力を発電するための電気発電機をさらに備え、電気発電機は、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分に取り付けられた回転発電要素と、掘削リグにおける静止部分に取り付けられた静止発電要素とを具備している。本発明のこの形態の実施形態においては、静止発電要素は、磁石のリングを備え、回転発電要素は、少なくともひとつのステーターコイルを備えている。回転発電要素と静止発電要素とは、近接して配置され、磁石のリングからの磁束が、少なくともひとつのステーターコイルに交差する。

本発明のさらに別の特徴及び利点は、添付図面と関連させた、以下の詳細な説明から容易に明らかになるだろう。

図１は、本発明を採用できる井戸の現場のシステムを示している。井戸の現場は、オンショア又はオフショアである。この例示的なシステムにおいては、ボア孔１１は、周知の回転掘削の方法で、地面下の地質に形成される。掘削は、代わりに、周知の泥モータに基づく方向性掘削でも良い。

掘削ストリング１２は、ボア孔１１の内部に吊下され、下端に掘削ビット１０５を具備してなる孔底組立体１００を有している。地表システムは、プラットホーム及びデリック組立体１０を、ボア孔１１の上方に配置されて具備し、組立体１０は、回転テーブル１６と、ケリー１７と、フック１８と、回転スイベル１９とを具備している。掘削ストリング１２は、不図示の手段によって駆動される、回転テーブル１６によって回転され、掘削ストリングの上端にて、ケリー１７に係合している。掘削ストリング１２は、フック１８から吊下され、フックは移動ブロック（図示せず）に取り付けられ、ケリー１７及び回転スイベル１９を介して、フックに対する掘削ストリングの回転を許容する。周知のように、上部駆動システムを代わりに使用しても良い。

この実施形態の例においては、地表システムはさらに、井戸の現場に形成されたピット２７内に格納された、掘削流体又は泥２６を具備している。ポンプ２９は、スイベル１９のポートを介して、掘削ストリング１２の内部に掘削流体２６を送り届け、掘削流体を、矢印８の方向に示すように、掘削ストリング１２を通して下向きに流れさせる。掘削流体は、掘削ビット１０５に設けたポートを介して、掘削ストリング１２から排出され、次に、掘削ストリングの外側とボア孔の壁との間の環状の領域を通して、矢印９の方向に示すように上向きに循環する。この周知のやり方において、掘削流体は、掘削ビット１０５を潤滑し、再循環のためにピット２７に戻されるとき、切断された地質を地表へと運ぶ。

当業者に知られているように、データを集めるために、井戸の現場の付近にセンサが設けられ、好ましくは、リアルタイムに、井戸の現場の作業、及び井戸の現場の状態に関連したデータを集める。例えば、そうした表面センサは、とりわけ、給水塔圧、フック荷重、深さ、表面トルク、回転ｒｐｍなどのパラメータを測定するために提供される。

図示の実施形態における孔底組立体１００は、インターフェースサブ１１０と、掘削中ロギング（ＬＷＤ）モジュール１２０と、掘削中測定（ＭＷＤ）モジュール１３０と、方向性掘削のための回転操縦システム及びモータ１５０と、掘削ビット１０５とを具備している。

ＬＷＤモジュール１２０は、当業者に知られているように、特別なタイプの掘削カラーに収容されており、１又は複数の公知のタイプのロギングツールを収容することができる（本願と同日に出願され、本願と同じ譲受人に譲渡された、上に参照した係属中の米国特許出願第________号［ファイル１９．ＤＳＴ］をも参照されたい。）。ＬＷＤモジュールは、測定、処理、及び情報の格納の能力と、地表の設備との通信能力とを具備している。ＬＷＤモジュールは、例えば、地質の特性を測定する、１又は複数の以下のタイプのロギング装置を具備している。すなわち、抵抗測定装置、方向抵抗測定装置、音響測定装置、核測定装置、核磁気共鳴測定装置、圧力測定装置、地震測定装置、撮像装置、及び地質サンプリング装置である。

また、ＭＷＤモジュール１３０も、当業者に知られているように、特別なタイプの掘削カラーに収容され、掘削ストリング及び掘削ビットの特性を測定するための１又は複数の装置を含むことができる。ＭＷＤツールはさらに、ダウンホールシステムへの電力を発生させるための装置（図示せず）を具備することができる。これは、代表的には、掘削流体の流れによって駆動される泥タービン発電機を具備するけれども、他のパワー及び／又はバッテリーシステムを採用しても良い。ＭＷＤモジュールは、例えば、１又は複数の以下のタイプの測定装置を具備する。すなわち、ビットの重さ測定装置、トルク測定装置、振動測定装置、衝撃測定装置、棒のスリップ測定装置、方向測定装置、及び傾斜測定装置である。

図１のシステムにおいては、掘削ストリング遠隔測定システムが採用され、これは、図示の実施形態においては、誘導結合されたワイヤード掘削パイプ１８０のシステムを備え、地表サブ１８５から、孔底組立体におけるインターフェースサブ１１０まで延びている。掘削ストリングの長さを含む要因に応じて、符号１８２にて例示するように、ワイヤード掘削パイプにおけるストリングの間隔に、リレーサブ又はリピーターが設けられる。リレーサブは、センサを備え、本願と同日に出願され、本願と同じ譲受人に譲渡された、上に参照した係属中の米国特許出願第________号（ファイル１９．０４１０／１１）に、さらに開示されている。

インターフェースサブ１１０は、ＬＷＤ及びＭＷＤモジュールの通信回路と、掘削ストリング遠隔測定システムとの間のインターフェースを提供し、この実施形態では、誘導結合器を備えたワイヤード掘削パイプから構成されている。インターフェースサブ１１０には、センサが設けられ、上に参照した係属中の米国特許出願第________号（ファイル１９．０４１０／１１）に、さらに開示されている。

ワイヤード掘削ストリングの上部には、さらにインターフェースサブ１８５が設けられ、この場合には、地表サブとして働く。例えば、米国特許第７，０４０，４１５号に開示されているように、ワイヤード掘削パイプは、電子回路サブシステムに接続され、電子回路サブシステムは、ケリー１７と共に回転し、トランシーバー及びアンテナを具備し、ロギング及び制御ユニット４のアンテナ及びトランシーバーと双方向に通信し、ロギング及び制御ユニットは、この実施形態においては、アップホール処理サブシステムを具現化している。この実施形態においては、インターフェースサブ１８５は、ワイヤードセーバーサブ（後述）を備え、トランシーバー３０の電子回路はケリーに取り付けられ、または、後述するように、掘削ストリングにおけるその他の部分に取り付けられる。図１において、通信リンク１７５は、電子回路サブシステム３０と、ロギング及び制御ユニット４のアンテナとの間に、模式的に図示される。従って、図１の構成は、ロギング及び制御ユニット４から、通信リンク１７５を介して、地表サブ１８５へ、ワイヤード掘削パイプ遠隔測定システムを介して、ダウンホールインターフェース１１０及び孔底組立体の要素への通信リンクを提供し、また、双方向動作のために、これらの逆を提供する。

参照された係属中の米国特許出願第________号（ファイル１９．０４１０／１１）に開示されているように、井戸の現場にはひとつだけのロギング及び制御ユニット４を示しているけれども、１又は複数の井戸の現場を横切る１又は複数の地表ユニットを設けても良い。地表ユニットは、１又は複数の通信ラインを介して、有線式又は無線式の接続を用いて、１又は複数の地表インターフェースにリンクされる。地表インターフェースと地表システムとの間の通信トポロジーは、一点と一点、一点と多点、又は多点と一点である。ワイヤード接続は、任意のタイプのケーブル（任意のタイプのプロトコル（シリアル、イーサネット（登録商標）等）を用いるワイヤ）及び光ファイバーの使用を含む。無線技術は、任意の種類の標準的な無線通信技術であって、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１の仕様、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ｚｉｇｂｅｅ、または、任意の非標準的なＲＦ又は光学通信技術であって、任意の種類の変調方式、例えば、ＦＭ、ＡＭ、ＰＭ、ＦＳＫ、ＱＡＭ、ＤＭＴ、ＯＦＤＭ等を、ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ、ＣＤＭＡ等の任意の種類のデータ多重化技術と組み合わせられる。

図２は、図１の電子回路に使用できるタイプの無線式のトランシーバー・サブシステムの電子回路を示したブロック図である。また、米国特許第７，０４０，４１５号も参照されたい。最も上のワイヤード掘削パイプにおける上部ジョイントの誘導結合器からの及び誘導結合器への信号は、ＷＤＰモデムを用いて結合される。ＷＤＰモデム２２１は、無線式モデム２３１に接続されている。バッテリー２５０及び電源２５５は、モデムを駆動するために設けられる。より好ましい、他の電力発生手段については、以下に説明する。また、ロギング及び制御ユニットは、例えば、無線式モデムを備えたトランシーバーを有する。

ＷＤＰ地表モデムは、ワイヤード掘削パイプ遠隔測定システムを介して、ダウンホールツールにおける、１又は複数のモデム、リピーター、又はその他のインターフェースと通信するように適合している。好ましくは、モデムは２方向の通信を提供する。モデムは、他のモデム又はリピーター又はダウンホールツールに配置された別のサブと通信する。任意の種類のデジタル及びアナログの変調方式を使用することができ、例えば、２位相の、周波数偏移符号化（ＦＳＫ）、直角位相偏移変調（ＱＰＳＫ）、直角振幅変調（ＱＡＭ）、離散マルチトーン（ＤＭＴ）などを使用できる。これらの方式は、時分割多重（ＴＤＭ）、周波数分割多重（ＦＤＭ）など、任意の種類のデータ多重化技術と組み合わせられる。モデムは、掘削パイプ診断及びダウンホールツール診断のための機能を具備しても良い。

単一の地表プロセッサを図示しているけれども、ロギング／制御ユニット又はその他の形態の、有線式及び／又は無線式のトランシーバー結合を備えた、複数の地表プロセッサを様々な位置に提供できることが理解され、さらに、本願で述べる任意のモードの通信が利用され、データの圧縮及び／又は符号化が利用されることが理解される。それぞれのユニットは、それ自身のアンテナ、及び／又は、共有されるアンテナを有する。アンテナは、信号の強度及び品質を最大にするように、最適な位置に、最適な方位をもって提供される。衛星を介した通信を含む、遠隔位置への／からの通信も実行できる。

図３は、本発明の実施形態を示していて、ケリー３５０と、最も上のワイヤード掘削パイプ１８１との間に、特別なセーバーサブ３４０が設けられている。セーバーサブ３４０は、その下端に誘導結合器３４１を有し、最も上のワイヤード掘削パイプにおける誘導結合器１８９と電気的に結合している。ケーブル３１５は、誘導結合器３４１に接続され、密封されたポートを通してセーバーサブ３４０から出て、ケリー３５０の外側を通って、トランシーバー・サブシステム３３０に至り、トランシーバー・サブシステムはアンテナ３３５を具備している。セーバーサブ３４０におけるケーブルの出口部分には、コネクタ３４６が提供される。ケリー３５０の外側に沿って通るケーブルは、ケリーに設けた溝内に密封され、例えば、エポキシ又はピーク材料によって保護される。トランシーバー・サブシステムの電子回路には、さらに別のコネクタが設けられる。ケーブル３１５には、少なくともワイヤのペアが設けられる。

図４の実施形態においては、セーバーサブ４４０及びケリー４５０は、内部の電気ケーブルを有し、掘削ストリングは、ケリー４５０の上方に、特別な上部サブ４７０を具備し、無線式のトランシーバー・サブシステム４３０が取り付けられている。この実施形態の形態においては、セーバーサブ４４０とケリー４５０とのそれぞれは、両端に誘導結合器を有し、それぞれの端部間に渡る、符号４４１及び４５１にてそれぞれ示されたケーブル（再び、全体にわたり、好ましくは少なくともワイヤのペアを具備している。）を備えている。この及び他の実施形態においては、ジョイントには、代わりに、他のタイプの結合を用いることもできることを理解されたい。ケリー４５０の上方に取り付けられた、特別な上部サブ４７０は、掘削ストリングと共に回転する。この例においては、上部サブ４７０は、その下端に誘導結合器を有し、無線式のトランシーバー・サブシステム４３０と接続するための内部ケーブル４７１を有する。

図３及び図４の実施形態の例においては、無線式のトランシーバー・サブシステムの電子回路と共に、関連するアンテナは、掘削ストリングにおける駆動ストリング部分のひとつの一般的な位置にあるが、電子回路の一部分又はすべては、接触する又は隔てられたアンテナを備え、複数の位置にあっても良いことを理解されたい。例えば、図５の実施形態においては、セーバーサブ４４０とケリー５５０との間に、特別な地表サブ５９０が採用されている。この例においては、セーバーサブ４４０は、両端の誘導結合器と、（図４に示すような）内部ワイヤとを有し、特別な地表サブ５９０は、その下端に誘導結合器を有し、符号５９１にて示される内部ワイヤを備え、電子回路５３０につながっている。この例においては、無線式のトランシーバー・サブシステムの電子回路５３０、または、その少なくとも一部分は、特別な地表サブ５９０の内部に取り付けられている。電子回路をサブの内部にパッケージする例は、本願と同日に出願され、本願と同じ譲受人に譲渡された、上に参照した米国特許出願第________号（ファイル１９．０４１０／１１）に示されている。本実施形態においては、アンテナ５３５（及び、望ましいならば、関連する電子回路の部分）は、ケリー５５０に取り付けられ、ケーブル５３１を介して、残りの電子回路５３０に接続され、ケーブルは、この実施形態においては、密封されたポート又はコネクタにて、特別なサブ５９０を出て、上述と同じやり方にて、ケリーに設けた溝内に支持される。望ましいならば、電子回路５３０とアンテナ／電子回路５３５との間における双方向のリンクは、デジタル化された信号を運ぶ。この実施形態においては、サブ５９０とケリー５５０の部分とは、少なくとも時々は泥のレベルの下にあるが、アンテナ／電子回路５３５は、泥のレベルの上にあることを理解されたい。図５は、ケリーと共に回転する複数のアンテナを示していて、理解されるように、回転する駆動ストリング上の方位角冗長アンテナは、無線リンクにおけるデッドスポット又は弱いスポットを最小化する。同じことは、他の実施形態にも適用可能である。また、無線式のトランシーバー・サブシステムにおける複数のアンテナも有利である。

図６は、上部駆動装置６０５と関連して使用するための本発明の実施形態を示している。図６の例においては、最も上のワイヤード掘削パイプ１８１に結合されたセーバーサブ４４０は、両端に誘導結合器を有し、図４及び図５の実施形態と同様に、ケーブル４４１によって結合されている。上部駆動サブ６９０は、上部駆動装置６０５とセーバーサブ４４０との間に設けられ、この実施形態における無線式のトランシーバー・サブシステム６３０は、上部駆動サブ６９０に取り付けられている。また、この実施形態においては、上部駆動サブは、その下端に誘導結合器を有し、誘導結合器からサブシステム６３０へと延びた、内部ケーブル６９１を有している。しかしながら、図３の実施形態のように、外部ケーブルを使用したり、または、図５の実施形態のように、電子回路及び／又はアンテナを分割しても良いことを理解されたい。

図７乃至図９は、本発明のひとつの形態による実施形態を示していて、安全で信頼できる電源が、井戸の現場の回転要素に設けられ、これを用いて、例えば、無線式のトランシーバー・サブシステム及び／又はその他の用途に電力を提供する。この実施形態においては、磁石リング７１０は、静止発電要素として動作し、例えば、ケリー又は上部駆動装置に隣接した取付部など、符号７０５にて示される、掘削リグにおける静止部分に取り付けられる。地表サブ７２０（例えば、図３乃至図６に示した地表サブのうちのひとつである。）は、ステーター７２５（図８及び図９）と、整流器７２６と、充電回路７２７と、充電式バッテリー７２８（図９）とを具備し、これらは、なかんずく、第１のトランシーバー・サブシステム３０を駆動するために使用される。ステーター７２５は、１又は複数のステーターコイルを有し、磁石リングと環状に整列されてそれに近接し、ステーター７２５が掘削ストリングにおける駆動ストリング部分と共に回転すると、磁石リングからの磁束は、ステーター７２５の１又は複数のステーターコイルと交差する。この実施形態においては、磁石リングは、交互の磁極に配置された磁石を備えている。ステーターからの交流は、整流器７２６で整流され、その出力は直流となって、充電回路７２７に入力され、その出力は、充電式のバッテリー７２８を充電する。この実施形態においては、バッテリーは、第１の無線式のトランシーバー・サブシステム３０を駆動し、また、例えば、測定及び／又は通信のための他の回路を駆動する。また、発電機及び／又は整流器の出力は、望ましいならば、設備における回路又はサブシステムを直接に駆動するために使用されることを理解されたい。

本発明について、多数の特定の好ましい実施形態に関して説明したけれども、当業者は、本発明の精神及び範囲内において、変形を行うことが可能である。例えば、図３乃至図６は、様々な組合せによる、結合器、内部及び外部ケーブル、電子回路の部分の内部及び／又は外部の取付、セーバーサブ及び／又は特別な地表サブの使用などを示しているけれども、他の組合せも可能であり、特許請求の範囲に定められた範囲内に包含されることを理解されたい。また、ワイヤード掘削パイプサブシステムは、掘削ストリング遠隔測定サブシステムのひとつの好ましい実施形態であるけれども、他の形態による掘削ストリング遠隔測定、例えば、音響式の掘削ストリング遠隔測定を使用することもでき、この場合には、トランスデューサーサブシステムが掘削ストリング遠隔測定サブシステムの上部に設けられ、電気信号へ／から変換することを認識されたい。また、回転又は振動の動きを含む、掘削ストリングの動きを使用する他の技術も、掘削ストリングの領域にて電力を発電するために使用できることを理解されたい。

本発明の実施形態を採用できるシステムを、一部分を模式的に、一部分をブロック図にて示した模式図である。 地表の通信サブと地表のコンピュータとの間における双方向の無線式の通信のための既存の計画を、一部分をブロック図にて示した模式図である。 本発明の実施形態に従った、双方向の地表通信のサブシステムを、一部分をブロック図にて示した、模式的な断面図である。 本発明の実施形態に従った、双方向の地表通信のサブシステムを、一部分をブロック図にて示した、模式的な断面図である。 本発明の別の実施形態に従った、双方向の地表通信のサブシステムを、一部分をブロック図にて示した、模式的な断面図である。 本発明のさらに別の実施形態に従った、双方向の地表通信のサブシステムを、一部分をブロック図にて示した、模式的な断面図である。 本発明の実施形態に従った、電力発電サブシステムを示した模式図である。 本発明の実施形態に従った、図７の電力発電サブシステムを示した分解図である。 本発明の実施形態に従った、図７及び図８の電力発電サブシステムを、一部分をブロック図にて示した模式図である。

Claims (32)

1. ダウンホール要素と地面上のプロセッサ・サブシステムとの間にて双方向通信するためのシステムであって、
   掘削ストリングにおける少なくとも上部部分を備え、ダウンホール要素とプロセッサ・サブシステムとの間における双方向通信の少なくとも一部分を形成しているような複数のワイヤード掘削パイプと、
   掘削ストリングに接続されたケリーと、
   掘削ストリングを回転させるために、前記ケリーに機械的に結合可能であるような駆動機構と、
   掘削ストリングと関連して回転するために、掘削ストリングにおける前記ケリーに取り付けられた、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと、
   地面上に隣接する複数のワイヤード掘削パイプの一つと、前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムとの間に、電気的に接続されたケーブルと、
   アップホールのプロセッサ・サブシステムに結合された、第２の無線式のトランシーバー・サブシステムであって、前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと双方向に通信するような、前記第２の無線式のトランシーバー・サブシステムと、
   を備えていることを特徴とするシステム。
2. 前記ケーブルは、複数のワイヤを備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 各ワイヤード掘削パイプは、それぞれのパイプのジョイントに誘導結合器を有し、前記ケーブルは、誘導結合によって、複数のワイヤード掘削パイプの少なくとも二つに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１のトランシーバー・サブシステムは、第１のアンテナ・サブシステムを具備し、前記第２のトランシーバー・サブシステムは、第２のアンテナ・サブシステムを具備していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１のアンテナ・サブシステムは、複数のアンテナを備えていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２のアンテナ・サブシステムは、複数のアンテナを備えていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
7. 前記駆動機構は、前記ケリーと係合するケリーブッシングを備えてなる回転テーブルを備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記ケリーと地面上に隣接する複数のワイヤード掘削パイプの一つとの間に配置されたセーバーサブをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１のアンテナ・サブシステムにおけるアンテナと、前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムとは、前記ケリーの実質的に同じ位置に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
10. 前記第１のアンテナ・サブシステムにおけるアンテナと、前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムにおける少なくとも一部分とは、前記ケリーのそれぞれ異なる位置に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
11. 前記第１のアンテナ・サブシステムは、掘削ストリングにおける前記駆動ストリング部分上の異なる方位角の位置にある複数のアンテナを具備していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
12. 前記第２のアンテナ・サブシステムは、複数の間隔を隔てられたアンテナを具備していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
13. 前記第１のトランシーバー・サブシステムで使用される電力を発電するための電気発電機をさらに備え、前記電気発電機は、前記ケリーに取り付けられた回転発電要素と、掘削リグにおける静止部分に取り付けられた静止発電要素とを具備していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
14. 前記静止発電要素は、磁石のリングを備えていることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記回転発電要素は、少なくともひとつのステーターコイルを備えていることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記回転発電要素と静止発電要素とは、近接して配置され、前記磁石のリングからの磁束が、前記少なくともひとつのステーターコイルに交差することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 前記電気発電機によって充電される充電式のバッテリーをさらに備え、前記バッテリーは、前記第１のトランシーバー・サブシステムで使用される前記電力を保存することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
18. 前記電気発電機によって充電される充電式のバッテリーをさらに備え、前記バッテリーは、前記第１のトランシーバー・サブシステムで使用される前記電力を保存することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
19. 前記充電式のバッテリーは、掘削ストリングと関連して回転するために、前記第１のトランシーバー・サブシステムと関連して取り付けられていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 地面にボア孔を掘削する作業に使用するための、掘削リグと、その略上端が掘削リグに機械的に結合可能であり、掘削リグから吊下可能であるような掘削パイプの掘削ストリングと、掘削ストリングの駆動ストリング部分であって、前記掘削ストリングの最も上の掘削パイプと機械的に結合可能なものと、駆動ストリング及び掘削ストリングを回転させるための前記掘削ストリングと機械的に結合可能な駆動機構とを備え、駆動ストリングの領域において電力を発生させるシステムであって、前記駆動ストリングと共に回転するようにそれに取り付けられてなる回転発電要素と、掘削リグの静止部分に取り付けられてなる静止発電要素とを具備している電気発電機を備え、前記回転発電要素は、前記駆動ストリングの領域において電力を発生させることを特徴とするシステム。
21. 前記静止発電要素は、磁石のリングを備えていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記回転発電要素は、少なくともひとつのステーターコイルを備えていることを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
23. 前記回転発電要素と静止発電要素とは、近接して配置され、前記磁石のリングからの磁束が、前記少なくともひとつのステーターコイルに交差することを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
24. 前記電気発電機によって充電される充電式のバッテリーをさらに備え、前記掘削ストリングに取り付けられていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
25. 掘削ストリングのダウンホール装具とアップホール・プロセッサ・サブシステムとの間の通信リンクの少なくとも一部分を形成する掘削遠隔測定サブシステムをさらに備え、前記電気発電機からの前記電力は、前記通信リンクのための電力を提供するように適合していることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
26. 掘削ストリングのダウンホール装具とアップホール・プロセッサ・サブシステムとの間の通信リンクの少なくとも一部分を形成する掘削遠隔測定サブシステムをさらに備え、前記電気発電機からの前記電力は、前記通信リンクのための電力を提供するように適合していることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
27. システムが、さらに、
    ダウンホール装具と地面上のプロセッサ・サブシステムとの間における双方向通信のためのシステムであって、掘削パイプのストリングの少なくとも上部部分を備えてなるワイヤード掘削パイプの部分を備え、ダウンホール装具と掘削パイプのストリングの上部との間の双方向通信リンクの少なくとも一部分を形成するような上記システムと、掘削ストリングと関連して回転するように、掘削ストリングにおける前記駆動ストリング部分に取り付けられた、第１の無線式のトランシーバー・サブシステムであって、ワイヤード掘削パイプの前記部分に結合されている前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと、前記アップホール・プロセッサ・サブシステムに接続された、第２の無線式のトランシーバー・サブシステムであって、前記第１の無線式のトランシーバー・サブシステムと双方向に通信する前記第２の無線式のトランシーバー・サブシステムと、を備え、
    前記電気発電機からの前記電力は、前記第１のトランシーバー・サブシステムで使用するように適合している、
    ことを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
28. ボア孔において電力を発生させるシステムであって、
    ボア孔の内側を延びる掘削ストリングと、
    掘削ストリングの最も上の掘削パイプに機械的に結合された掘削ストリングにおける駆動ストリング部分と、
    駆動ストリング部分に機械的に結合されて掘削ストリングに回転を与える駆動機構と、 駆動ストリング部分に取り付けられてそれと共に動くような第１の要素を有してなる発電ユニットと、を備えていることを特徴とするシステム。
29. 第１の要素は、電力を発生させるように動作することを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
30. 第２の要素を有することをさらに含み、第２の要素は第１の要素に対して静止しており、さらに、前記第２の要素に対する前記第１の要素の相対的な運動から電力を発生させることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
31. 前記相対的な運動は、前記第２の要素に対する前記第１の要素の回転から構成されていることを特徴とする請求項３０に記載のシステム。
32. 第１の要素の振動が電力を発生させることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。

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