スクリュー式ダウンホール掘削ツールの基礎知識
概要 スクリュー式ダウンホール掘削ツールは、掘削流体（泥）を動力源として油圧エネルギーを機械エネルギーに変換する容積式ダウンホール動力工具です。地表から汲み上げられた泥はバイパスバルブを通過し、ダウンホールモーターに送られます。モーターの入口と出口の圧力差により、ローターがステーター内で回転します。ローターの回転速度とトルクは、ユニバーサルジョイント（フレックスシャフト）とドライブシャフトを介してドリルビットに伝達され、掘削作業を可能にします。
主なコンポーネント スクリュー式掘削アセンブリは、主にバイパス バルブ、泥モーター、ユニバーサル ジョイント、およびドライブ シャフトの 4 つの主要アセンブリで構成されます。
泥モーター 泥モーターは主要なコンポーネントです。現場での経験と理論分析から、正常で信頼性の高い動作のためには、モーター ステージあたりの圧力降下が理想的には 0.8 MPa を超えないことがわかっています。そうでないと、流体の漏れが発生し、ローター速度が急激に低下し、ひどい場合には回転が停止してモーターが損傷することがあります (1 つのモーター リードが 1 ステージに相当します)。現場で使用される泥流は推奨範囲内に維持する必要があります。その範囲外の流れはモーターの効率を低下させ、摩耗を増加させます。モーターの性能パラメーターは、掘削アセンブリ全体の主要な性能を定義します。モーターの理論上の出力トルクはモーターの圧力降下と比例し、出力回転速度は入力泥流に比例します。ビット負荷が増加すると 回転数 は低下します。したがって、地上ポンプの流量とポンプ圧力 (スタンドパイプ圧力ゲージ経由) を監視することにより、ダウンホールのトルクと速度を推測して制御できます。
バイパスバルブ バイパスバルブは、本体、スリーブ、バルブエレメント（コア）、スプリングで構成されています。圧力を受けると、バルブエレメントはスリーブ内でスライドし、その位置によって流体経路が変化し、バイパス（開）と閉の2つの状態が実現します。慣らし運転中またはトリップ運転中は、スリーブと本体のポートが開いているため、泥はモーターをバイパスしてアニュラスに流れ込みます。泥の流れと圧力がバルブの設定値に達すると、バルブエレメントが下降してバイパスポートを閉じます。その後、泥はモーターを通過し、油圧エネルギーを機械エネルギーに変換します。流量が小さくなりすぎたり、ポンプが停止したりすると、スプリングがバルブエレメントを押し上げ、バルブが再び開き、泥は再びモーターをバイパスします。
モーターの構造と動作 モーターはステーターとローターで構成されています。ステーターは、鋼製ハウジングの内壁にゴムライナーを接着することで製造され、その内腔は定められた形状を持つ螺旋状になっています。ローターは硬化鋼製のネジです。ローターとステーターは、リード差によって螺旋状の密閉室を形成し、エネルギー変換を可能にします。ローターはシングルローブ型またはマルチローブ型（シングルヘッド型またはマルチヘッド型）です。ローブ数が少ないほど回転速度は速くなりますがトルクは低くなります。ローブ数が多いほど回転速度は低くなりますがトルクは高くなります。
ユニバーサルジョイント ユニバーサルジョイントは、モーターの遊星運動（偏心運動）を駆動軸の安定した回転運動に変換し、モーターのトルクと速度を駆動軸とビットに伝達します。一般的にはフレキシブルシャフトタイプが用いられます。
ドライブ シャフト ドライブ シャフトは、モーターからビットに回転力を伝達するとともに、ビットと地層との接触にかかる重量によって発生する軸方向荷重と半径方向荷重も支える必要があります。
動作要件
掘削流体の要件 スクリュー式モーターは、油性泥水、エマルジョン、水性ベントナイト泥水、さらには比較的清浄な水など、様々な掘削流体で効果的に作動します。泥水の粘度と密度はモーターの性能に直接影響を与えることはほとんどありませんが、システム圧力には直接影響します。推奨流量における圧力がポンプの定格圧力を超える場合は、流量を減らすか、モーターとビット間の圧力降下を低減する必要があります。砂などの固体粒子はベアリングやモーターステーターの摩耗を加速させるため、固形分含有量は1%未満に抑える必要があります。各モーターモデルには、効率が良好となる入力流量範囲が指定されており、その範囲の中間点が通常、最適な動作流量となります。
泥圧とポンプ圧力の制御 モーターが底から離れており、流量が一定の場合、モーター全体の圧力降下は一定のままです。ビットが底に接触し、ビットの重量が増加すると、循環圧力とポンプ圧力が上昇します。掘削機は以下を使用できます。底上ポンプ圧力（掘削中）= 底外循環ポンプ圧力 + モーター負荷圧力降下。底外循環ポンプ圧力は、モーターが底から離れているときのポンプ圧力です（フリーオフボトム圧力または循環ポンプ圧力とも呼ばれます）。これは井戸の深さと泥の特性によって変化するため、固定定数ではありません。実際には、スタンドをピックアップした直後に測定された底外圧力を、制御計算のおおよその値として使用すれば十分です。底上ポンプ圧力がモーターの推奨最大値に達すると、モーターは最適なトルクを生成します。ビットの重量がさらに増加するとポンプ圧力が上昇し、最大設計圧力を超えるとモーターが停止する可能性があります。その場合、掘削機は内部の損傷を防ぐためにビットの重量を直ちに減らす必要があります。
取り扱いと使用
初めて使用する前に一般的な注意事項 コンポーネント間のねじ接続は工場で嫌気性接着剤を使用して準備され、指定された値にトルク調整されているため、通常、初めて使用する前に再度トルク調整する必要はありません。
穴あけ前の表面検査
昇降サブを使ってアセンブリを持ち上げ、バイパスバルブがテーブルの上に位置し、容易に確認できるように回転テーブルに置きます。安全スリップを取り付け、昇降サブを取り外します。
バイパスバルブの動作を確認します。木の棒でバルブエレメントを押し下げて放します。バネがスムーズにバルブエレメントを戻すはずです。3～5回繰り返して、固着がないことを確認してください。
バイパスポートを回転テーブルの下に置き、ポンプを短時間始動します。バイパスポートが閉じ、モーターが始動し、駆動ジョイントが回転します。ポンプを停止すると、バルブエレメントがリセットされ、バイパスポートから泥水が排出され、正常に機能していることを示します。
穴の中でモーターを動かす
モーターが逆転して内部のねじ接続が緩む可能性のある急降下を回避し、砂の橋、ケーシングシュー、または棚を通過するときに損傷を防ぐために、走行速度を厳密に制御します。
深部または高温部、および未固結砂地帯を通過するときは、定期的に泥を循環させてモーターを冷却し、ステーターゴムを保護し、砂の詰まりを防止します。
モーターが底に近づくにつれて回転速度を遅くし、最終配置の前に循環させます。最初は低流量で開始し、ドリルの切削片が地表に戻るまで循環させ、その後必要に応じて流量を増やします。
モーターを底にぶつけたり、底に置いたままにしないでください。
モーターで穴あけ
掘削を開始する前に、穴の底を徹底的に清掃し、底外循環ポンプの圧力を測定します。
掘削開始時には徐々に掘削重量を加えてください。上記のポンプ圧力の関係を使用して掘削作業を制御してください。
最初からあまり速く穴を開けないでください。モーター、ビット、穴の底が「きつく締まっている」ため、穴の清掃が不十分だとビットがボール状になってしまう可能性があります。
モーターのトルクはモーターの圧力降下と比例します。ビットの重量が増加するとモーターの負荷が増加し、モーターの圧力降下とトルクも増加します。
スムーズで均一な貫入速度とドリルストリングスタンドにより、掘削孔の傾斜制御と方向精度が維持されます。
穴からの引き抜きと検査
バイパス バルブをきれいな水で洗い流し、確実に閉まるまで木の棒でバルブ エレメントを上下に動かします。
パイプレンチでアセンブリを掴み、チェーンレンチでドライブジョイントを時計回りに回転させながら、バイパスバルブの上部からきれいな水を注入して内部を洗い流し、少量の潤滑油（鉱油）をモーター内に注入します。
パイプの詰まりやモーターの損傷を防ぐため、引き上げ速度を制御します。
ベアリングクリアランスを測定します。シャフトベアリングクリアランスが許容値を超えている場合は、モーターを修理し、ベアリングを交換する必要があります。再始動または改修されたモーターの場合は、必要に応じて軸方向ベアリングクリアランスを調整する必要があります。
走行前表面チェックリスト（概要）
リフティングサブからバイパスバルブへの接続を除くすべてのハウジングにねじロック剤が塗布されています。
適切なビットアダプターを使用して、ネジ式ビットを取り付けます。チェーンレンチはドライブシャフト側のみに使用し、締め付け時は内ねじの緩みを防ぐため、上面から見て反時計回りにのみ回転させてください。
モーターをリフティング サブで持ち上げてロータリーに配置します。バイパス バルブを目視できる位置に配置し、スリップで固定してリフティング サブを取り外します。
バイパスバルブの密閉状態を確認します。バルブエレメントを押し下げ、バイパスエリアに上から水を注ぎます。バルブがしっかりと閉まっている場合、水位に大きな低下はありません。スティックを外すと、バルブエレメントがバネの力で跳ね上がり、側面のポートから水が均等に流れ出ます。これは正常な状態です。
慣らし運転後、バイパスバルブをケリー/ロータリーの下から見える位置に設置してください。泥ポンプを始動し、バイパスバルブが閉じるまで流量を徐々に上げます。モーターを少し上げ、ビットが回転するかどうかを確認します。バルブが閉じている状態では、バイパスから泥が排出されないはずです。ポンプを停止した後、バイパスが再び開き、バイパスポートから泥が排出されることを確認してください。リグフロアを汚染するのを防ぐため、ポンプが作動している間はバイパスバルブをロータリーテーブルより上に上げないでください。
設計されたアセンブリに従って、必要な曲げサブ、非磁性ドリル カラー、スタビライザーなどを組み立てます。
穴の中を走る - 追加ガイダンス
砂橋、棚、ケーシングシューによる損傷を避けるため、降下速度を調整してください。そのような箇所に遭遇した場合は、泥を循環させ、ゆっくりと穴を広げてから作業を進めてください。
曲がったサブまたは曲がったハウジングを使用すると、ビットの側面が掘削孔の壁またはケーシング シューに接触しやすくなります。定期的にアセンブリを回転させて、サイド トラッキングの影響を減らしてください。
深い井戸や高温の井戸の場合は、ビットの詰まりを防ぎ、ステーターゴムを熱による損傷から保護するために、慣らし運転中に断続的に循環を行ってください。
下降中に泥がバイパスポートから速やかに流れ出ない場合は、慣らし運転の速度を落とすか、定期的に停止させてモーター内に泥を充満させてください。モーターを揺すったり、底に沈めたりしないでください。
穴の中でモーターを始動する
モーターが底に沈んでいた場合は、0.3～0.4m上昇させて泥ポンプを始動してください。スタンドパイプ圧力を記録し、水圧計算値と比較してください。ビットの横方向の負荷により、圧力が若干高くなるのは正常です。
特に傾斜井では、坑底を徹底的に清掃してください。堆積した掘削屑は回転数に影響を与え、ドッグレッグ現象を引き起こす可能性があります。モーターをゆっくりと回転させながら（または30～40°ずつ段階的に回転させながら）適切な循環を行うことで、坑底の掘削屑を清掃できます。清掃後、モーターを0.3～0.4m上昇させ、圧力値を確認・記録してください。
再び底部に入り、ビットにかかる重量を徐々に増やしてください。モータートルクが上昇し、スタンドパイプ圧力が上昇します。スタンドパイプ圧力の上昇は、モーターモデルに指定されたモーター圧力降下値に対応している必要があります。この上昇を監視することで、モーター負荷と掘削重量が適切であり、モーター速度が安定していることを確認できます。掘削作業者がツールの状態を迅速に評価できるように、スタンドパイプ圧力をモーターの推奨制限内に維持してください。
モーターが底から外れていて循環圧力が高い場合は、ビットノズルが詰まっているか、ドライブシャフトが固まっている可能性があります。
つまずき — 予防策
トリップアウト中は、バイパスバルブがバイパス（開）状態となり、ドリルストリング内の掘削流体がアニュラスに流入しますが、モーターは単独で流体を排出できません。安全な排出を確保するため、モーターを牽引する前に、ドリルストリングの上部を高粘度の流体で置換するのが一般的です。
モーターがリグ床のバイパスバルブレベルに到達したら、バイパス部品を取り外し、バイパスバルブの上部からきれいな水でモーターを洗い流します。木の棒またはハンマーの柄を使って、バルブエレメントを上下に動かし、自由に動くまで回します。洗浄後、リフティングサブを再び取り付け、モーターを引き抜きます。
現場で真水洗浄が可能な場合は、保管前にモーターを徹底的に洗浄してください。
清掃設備がない場合は、モーター本体をリグ床に固定し、駆動軸の大きい方の端部（ビットに接続する側）を油圧トングで挟んで時計回り（ダウンホール掘削の回転方向と同じ方向）に回転させます。これにより、モーターの密閉チャンバーから泥が排出され、モーターの腐食を防ぎます。この作業は特に冬季に重要で、モーターを再始動する前にモーター内に残留した泥が凍結するのを防ぎます。
