Non-cryogenic generation of nitrogen for the pour-in-place in the down-hole drilling

【発明の詳細な説明】 ダウンホール掘削における現場注入用の窒素の非極低温生成 本発明は油井、ガス井或いは地熱井を掘削するために掘削領域で不活性ガスを用いて掘削屑を取出すようにした掘削方法に関する。 この不活性ガスは代表的には窒素ガスであり、これが薄膜或いは圧力スウイング吸収システム等の不活性ガスの非極低温源を用いて空気の選択的分離によって現場で供給される。 油井、ガス井或いは地熱井の掘削では、その掘削装置はドリルビットの周りの掘削領域に掘削屑の取出しのために流体を必要とする。 この種の掘削用流体はダウンホール（掘削が行われる地面より下の領域）に多量の水があるときに多くの場合使用される掘削用泥（ドリリングマッド）である。 更に判明していることは、ダウンホールに実質的な量の水分が存在しないときには、ガスをダウンホールに注入することにより掘削速度が早められることである。 空気は低水分時の掘削のための基本的なダウンホール掘削流体として使用されている。 真直なエアドリル法では、掘削屑が液体の無いダウンホールから引き上げられるように圧縮し、循環させることのみが要求される。 空気は個別の用途によって界面活性剤、発泡剤、水及び／或いは泥と組合され得る。 マッド掘削システムよりもエア掘削システムを選択するのは、穴掘削が容易になることに基づいている（例えばダウンホールに実質的量の水分が存在する、しない、並びに経済性の観点から）。 真直エア掘削法の基本的利点は侵入速度が大巾に増大すること、ビットのフットエイジ（footage）が大きくなること及びダウンホール掘削問題が少なくなることである。 しかし、エア（空気）を用いたダウンホール掘削法には数多くの不利な点があり、その最も重要なものの１つは空気中の酸素含有レベルが大きいことによるダウンホールの爆発や火災の発生である。 エア掘削法の危険性を低減させる努力は空気温度を低下させたり、空気を不活性ガスに代えたりすることによって行われている。 例えば、JQMcGuire Jrの米国特許第3,612,192号はエア掘削法のために空気を極低温に冷却する方法を開示している。 冷凍空気はダウンホール燃焼の危険を減じるだけでなく、地面を冷凍して水の流れ込みを阻止する。 周知なように極低温へ冷却するのには費用がかゝり、特に掘削が遠隔地で行われる場合に迅速に入手出来ないような重量物の設備を追加的に必要とする。 掘削用流体として空気（エア）を用いることの危険を排除する別の方策は不活性ガスの利用である。 このようなシステムは例えばNCWellsの米国特許第2,786 ,652号とJGJacksonの米国特許第3,286,778号に開示されている。 これらのシステムで使用される不活性ガス（例えば窒素ガス）の供給源は説明されてはいないが、ガス源として液体窒素を用いるのが普通である。 しかし、液体窒素は、空気より使用が高価につき、しかも遠隔地での入手が困難であるために不利である。 掘削用流体として使用するための窒素ガス源に代替し得るものを実現しようとする努力はこれまで払われている。 HEMamory他の米国特許第4,136,747号は窒素ガスがエンジンの排気ガスから得るようにする掘削方法を開示している。 この種の方法は興味のあるものではあるが、その実施は大きなコストを要し、且つ困難であり、しかも燃焼生成物の腐蝕性等の問題が生じるが故に、大規模には事業化されるに至っていない。 それ故に、不活性ガス、代表的には窒素を掘削のダウンホールに対し、極低温窒素と窒素ガスの他の供給源とに関係する問題を排除するやり方で、簡便且つ効率的に供給することが出来る斯ゝる方法を工夫することが望まれる。 本発明は概して、圧縮不活性ガスがダウンホールに供給されるようになっている油井及び／或いはガス井或いは地熱井のための掘削方法に関するものである。 不活性ガスは現場にある（オンサイト）非極低温源から得られる。 具体的には、 不活性ガス源は空気であって、この空気が不活性ガスに富んだ部分（フラクション）と酸素の排ガス部分（フラクション）とに薄膜分離法や圧力スウイング吸収法等によって選択的に分離される。 同類の参照番号が同類のパーツを指定している以下の図面は本発明の実施例を図示しているが、本願の１部を構成する請求の範囲によって包含される通りの本発明から限定させるように意図したものではない。 図１は掘削領域に供給されるべき窒素に富んだガスをエア分離薄膜から発生させるためのサーフェス（地面）装置を示す本発明の１実施例の説明図である。 図２は窒素に富んだガスが圧力スウイング吸収ユニットによって発生させられている図１に類似な説明図である。 図３は窒素に富んだガスを発生させる二床式圧力スウイング吸収システムの説明図である。 図４は不活性ガスを掘削領域に配給するための地面装置設備の説明図である。 図５は不活性ガスを掘削領域に配給する方法を示すダウンホールドリルステム構成体の説明図である。 本発明は不活性ガス、代表的には窒素に富んだガス、即ち富窒素ガスの非極低温式の現場製造法と、油井及び／或いはガス井或いは地熱井の掘削において掘削用流体として富窒素ガスを配給する方法に関する。 こゝで使用される用語「富窒素ガス」は窒素ガスを支配的に含有し、酸素は10体積％以下しか含有していないガスのことである。 富窒素ガスは空気から、薄膜分離法、圧力スウイング吸収法、真空スウイング吸収法並びに燃料セル法を包含する多数の異なる方法によって製造される。 図１においては、薄膜分離法を用いて富窒素ガスを生成し、掘削領域にこのガスを配給する地上設備が示されている。 空気送給エアコンプレッサ２は大気を受け入れるインテークポート４及び適当な圧力、代表的には100から350psigの範囲の圧力に空気を圧縮するコンプレッサ６を含む。 圧縮空気は導管８を通じて、参照番号10で全体的に指定されている空気分離薄膜システムとして、テキサス、ヒューストンのGeneron Systems社により製造された高性能空気分離薄膜システム等によって送給される。 薄膜は中心のコアチューブに平行に組立てられた中空ファイバの半透膜の束から構成されている。 この束は外部ケースに挿置されて、空気分離モジュールを構成する。 空気は２種の気流に分割される。 即ち富窒素ガス流と酸素と水蒸気に富んだ気流に分離される。 圧縮空気は薄膜ファイバの供給側に導入されたとき、中空透過性ファイバの軸孔を降下移行する。 酸素、水蒸気及びその他の「ファーストガス」（fast gas） はファイバの外側に貫過する。 次にこの富酸素ガス流はファイバ束を通って分離システムの外部ケースの周囲に流通し、そこで副製品として放出される。 小量留分ではあるがその全酸素留分が薄膜材を通じて中空ファイバの外部に流通する間に、送給空気に含まれる窒素の大半は中空薄膜の内部に保留される。 その結果、富窒素ガスが送給空気から効率的に分離され、導管12を介して薄膜システムから流出し、選択的に採用されたブースタコンプレッサ14に入る。 ブースタコンプレッサ14は富窒素ガスの圧力を高めるために採用される。 空気分離システム10から得られたガスの圧力は100から200psigの値である。 ブースタコンプレッサ14は富窒素ガスの圧力を4500psigまで、或いはそれを越える値まで上昇させることが出来る。 この高度に圧縮された富窒素ガスは導管16を介してブースタコンプレッサ14を出て、詳しく上述した掘削作業用の地面設備18に送られる。 富窒素ガスは本発明に係る圧力スウイング吸収システムによって生成される。 図２，３には、２種の床（ベッド）「Ａ」と「Ｂ」を有する圧力スウイング吸収ユニット20が開示されている。 しかし、本発明はベッド数が多いような別の構成の圧力スウイング吸収ユニットに適用することが出来る。 図３において、供給源（図示省略）から空気はコンプレッサ６に送給されて、 その空気圧を高め、非生成フェース段階で圧縮空気は蓄積され、そしてこの圧縮空気がベッドのピークローディング中に流出させられる。 圧縮空気は貯蔵槽22に送給される。 次にこの圧縮空気は導管24，26を介してベッドＡに通じている出口28とベッドＢに通じている出口30に送給される。 各出口28，30は夫々の弁32，34 によって制御される。 圧縮空気がベッドＡに流入出来るように弁32を開くときには、弁34は閉じたまゝにしておき、それによりベッドＢは圧力スウイング吸収ユニット20の減圧フェースの段階で再生処理を受ける。 圧縮空気は開いた弁32から導管36を介してベッドＡに入る。 ベッドＡは酸素と他の廃ガスを選択的に吸収することが出来る少なくとも１種の吸収剤を含む。 好適吸収剤は分子ぶるいとシリカゲルから選定される。 結果として、実質的に純粋な窒素がベッドＡから出て導管38、弁40 を通り、成品ライン44を介して窒素貯蔵槽42に流れる。 この槽は貯蔵窒素を導管82を介して図１に示す選択的に採用されたブースタコンプレッサ14に流入させるものである。 ベッドＡが窒素ガスを生成する間には、ベッドＢが大気圧下にある。 ベッドＡ における窒素生成サイクルが完了すると、システムはベッドＢの圧力を中間の圧力に上昇させる平衡化を受ける。 これは窒素成品弁40，46と圧縮空気インテーク弁32，34を閉じることにより達成される。 従って、圧縮空気の流入と窒素成品の流出は一時的に停止する。 平衡化は圧縮ガスの１部分をベッドＡの頂部から導管56、弁50、導管52及び絞りオリフィス54を介し、次いで導管56を通ってベッドＢの頂部に入ることにより達成される。 それに加えて、圧縮ガスはベッドＡの底から流出して導管36、弁58 、導管60、絞りオリフィス62及び導管64を介してベッドＢの底に入る。 一旦平衡化が完了してベッドＡ，Ｂが類似の圧力になると、ベッドＡは大気圧に減圧されることにより再生を受けて、富酸素廃ガスを離脱させる。 これは平衡化弁50，58を閉じ、そしてベッドＡのための再生弁66を開くことにより達成される。 次に廃ガスは導管68と絞りオリフィス70を大気へ排気される。 その結果、 ベッドＡは再生される。 更に、ベッドＡの浄化は実質的に純粋な窒素ガス等のパージガスを供給源72から導管74，76、弁78を通ってライン38を介してベッドＡに送り込むことによって実行される。 ベッドＢを更に浄化するときは、パージガスは導管74，76、弁80及び導管56を通って流れる。 パージの際中に吸収剤は新な窒素生成サイクル中に廃ガスを吸収出来るようになっている。 ベッドＢの圧力が中間圧力に上昇させられるので、圧縮空気を受け入れることが出来る。 圧縮空気は弁34と導管64を通じて与えられる。 充分な量の圧縮空気で操作圧力までベッドＢを迅速に負荷するためには、コンプレッサ６によって生み出された圧縮空気が貯蔵槽22に既に貯蔵されている圧縮空気によって補充されることが必要である。 ベッドＢが負荷されると、弁46は開放されて、成品ガスが導管56を介して成品ライン44に入り、そこからガスが貯蔵槽42に入ることが出来る。 配分導管82は貯蔵槽42から延在して、富窒素成品ガスの流出を図１に示すブースタコンプレッサ14に与える。 ベッドＢにおける窒素生産が完了した後、弁46は圧縮空気の送給を止めるために弁34と同じく閉じられる。 平衡化回路は弁50，58を開くことにより作動され、 圧縮ガスがベッドＢの頂、底からベッドＡへ送給されて、ベッドＡの圧力を中間圧レベルに上昇させる。 次にベッドＢは導管64，84を介し、そして弁86を通じて、そして導管68と絞りオリフィス70を介して大気へ送り出して富酸廃ガスを排気することにより減圧される。 それ故に、コンプレッサ６と貯蔵槽22からの圧縮空気がベッドＡに弁32を通り、導管36を介して送給してベッドＢを所望の操作圧力に上昇させ、それによりブースタコンプレッサ14に流入するベッドＡから窒素生成サイクルを開始する。 富窒素ガスは、ブースタコンプレッサ14に10,000psig程の高さまで圧縮された後に、図４に示す地面装置設備に送られ、次いで図５のドリルステム構成体に送られる。 図４において、ブースタコンプレッサ14から得られた高圧富窒素ガスは地面装置18に導管90を介しそしてメインブロック弁92を通じて送られる。 富窒素ガスの流量は代表的にはオリフィスメータ94によって測定される。 計量された富窒素ガスはスタンドパイプ100に入る前に調節可能チョーク96と圧力シヤットオフ弁98を通じるように送られる。 掘削用マッド、即ち空気入りマッドをダウンホール循環させること或いは時々循環を終了させる、或いは井戸を「死なせる」ために充分な静圧水頭を生み出すことが要求されるならば、泥（マッド）をスタンドパイプ100に導管102を通じて加えることが出来る。 富窒素ガスはケリー（Kelly）コック或いは回り継手104を通りそしてケリー（ Kelly）ストリング106を通って送られてケリーパッカー（Kelly packer）108に入る。 ケリーストリングは六角形或いは正方形のパイプであって、回転するケリーパッカー108内で容易に回動し得る。 これはドリルステム構成体（アッセンブリ）124とドリルビット138（図５参照）の全体を掘削操作中に回転させる。 富窒素ガスは代表的にはパイプスタンドと称される長尺物に連結されているドリルステム構成体124に到達するまで流れ続ける。 ドリルステム構成体124は井戸頭部構成体（参照番号110によって全体的に示される）を通じて送給される。 この井戸頭部構成体は一連のパイプラムを含むことが出来る。 以下に説明されているように、排気としての窒素ガスと掘削屑を放出するためのブルーイ（blooey） ラインに連結されている出口部112が設けられている。 地面設備は界面活性剤と特定の発泡剤等のケミカルを富窒素ガスの送給流に射出することにより掘削中に形成された泥リングが分解するのを助け、或いは固い安定した発泡ケミカルの低密度、低粘性の循環媒体を付与して、それにより最小の動乱で不安定な或いは凝固していない形態物にすることが出来るようにするための射出機マニホルド114を含む。 ドリルステム構成体124はダウンホールに地面から降下延在して、加圧富窒素ガスを掘削領域に流す経路を提供している。 また、ダウンホールからの窒素ガスと掘削屑を流出させて掘削操作から離脱させる等の経路も設けられている。 図５において、参照番号120によって全体的に示されている掘削用ステム構成体は地面パイプ122とケーシング123と地面パイプ122とケーシング123から離間して且つ同心配置されているドリルステム構成体124を含み、それにより帰環する富窒素ガスと掘削屑のための経路126を規定している。 ドリルステム構成体124の中心部は富窒素ガスを掘削領域に流すための経路128を提供している。 ドリルステム構成体120の１端130には掘削領域132があり、この領域は従来式の工具継手1 34、ドリルカラー136及びドリルビット138を含む。 操作においてエア分離薄膜システム10或いは圧力スウイング吸収システム20或いはその他の非極低温システムによって生成された富窒素ガスは代表的には、少なくとも85体積％、好ましくは95体積％の窒素成分と10体積％以下、好ましくは５体積％未満の酸素成分を有している。 富窒素ガスはブースタコンプレッサ14に送られ、そこでは圧力は10,000psig或いはそれ以上の高さに、代表的には1,000 から2,000psigまでの範囲の値に、上昇させられる。 加圧富窒素ガスは監視測定する地面設備にドリルステム構成体124内の経路128を通ってダウンホールに送られる。 富窒素ガスが加圧されているために、このガスは充分な力と流速で以って掘削領域132の周りに渦巻き、掘削屑を経路126の中を上昇するように移送させる。 次いで、掘削屑含有流は地面設備装置18の出口部112から流出する。 この装置では泥流はブルーイラインに移送され、代表的には掘削現場から遠く離れた個所にある捕集設備に放棄される。 本発明に係る富窒素ガスを製造とダウンホールへの配給は、極低温窒素を用いた従来式システムよりコストを低減し且つ信頼度を高める。 例富窒素ガスを油井及び／或いはガス井或いは地熱井の掘削領域に送る流速はダウンホールのサイズ、井戸の深さ、掘削速度、掘削用パイプのサイズ及び井戸が掘削されなければならない地質層の構造に依存して広範囲に変動させることが出来る。 代表的な掘削作業は空気分離システムから１分当り（scfm）1,500から3,000標準立方フィートの窒素ガスを生成することを必要とする。 このシステムはエア薄膜分離システム或いは圧力スウイング吸収システムを含む多数の従来式システムのいづれかであり得る。 窒素の純度は変化してもよいが、常態では酸素の５体積％以下に設定される。 その結果の富窒素ガスは掘削領域に送り込む前に1,500から2,000psigの範囲の圧力に加圧される。 平均的掘削操作は２週間を要するが、厄介な地質層では掘削に数ケ月が必要となり得る。 富窒素ガス配給システムは連続操作用として設計され、極低温の液体窒素を配給するシステムに対し要求される外部からの窒素補給は何ら要さずに全ての富窒素ガスが現場で生み出された。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月１９日【補正内容】 請求の範囲 １． 圧縮不活性ガスをダウンホール内の掘削領域に配給する、油井、ガス井或いは地熱井のための掘削方法において、 （ａ）空気の送給流に含まれる酸素の少なくとも実質的部分を非極低温法により掘削現場で取除いて、富不活性ガスと富酸素廃ガスとを生成し；そして （ｂ）該富不活性ガスをダウンホール内の掘削領域に配給することを特徴とする掘削方法。 ２． 該不活性ガスが富窒素ガスである、請求項１に記載の方法。 ３． 工程（ａ）は空気の送給流を、窒素ガスを空気の他のガス成分から選択的に分離する薄膜に通すことを含んで成る、請求項２に記載の方法。 ４． 酸素の少なくとも実質的部分を取除く工程は空気の送給流をそれに含有されている酸素とその他のガスを選択的に吸収する吸収剤を含む圧力スウイング吸収ユニットに通して、該富窒素ガスを生成することを含んで成る、請求項２に記載の方法。 ５． 該富窒素ガスが少なくとも85体積％の窒素を含む、請求項２に記載の方法。 ６． 該富窒素ガスが少なくとも95体積％の窒素を含む、請求項２に記載の方法。 ７． 更に該富窒素ガスの圧力を、当該ガスを掘削領域に配給する前に少なくとも1,000psigに上昇させることを含んで成る、請求項２に記載の方法。 ８． 該富窒素ガスの圧力が1,000から2,000psigの範囲の値に上昇させられる、 請求項２に記載の方法。

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