JP2000121741A

JP2000121741A - ビット前方センサ及びこれを用いた地層測定方法

Info

Publication number: JP2000121741A
Application number: JP29069898A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Taniguchi; 良輔谷口; Shinichi Hattori; 晋一服部
Original assignee: Japan National Oil Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Japan Oil Gas and Metals National Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ビットを挿入したまま、ビット前方の地層の
状態を計測できるビット前方センサを得ることを目的と
する。また、このビット前方センサを用いた地層測定方
法を得る。【解決手段】地中を掘削するビット３を取り付けた非
磁性金属パイプからなるセンササブ１０と、センササブ
１０にビット３の軸方向に縦波音響波を発振するように
取り付けられた磁歪振動子からなる発振子４と、センサ
サブ１０にビット３の縦波音響波を受信するように取り
付けられた磁歪振動子からなる受信子５とを少なくとも
備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ビットを用いて
掘削する地層掘削において、ビット前方の地層の状態を
計測する方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、「石油鉱業便覧」（石油技術
協会編、１９８３年６月発行）の２９９頁に記載のもの
と類似する従来の地層測定装置を示す構成図である。図
において、１は掘削用やぐら、２は掘削用やぐら１に装
架されたドリルパイプ（管体ともいう）、３はドリルパ
イプ２の先端に装着されたビット、４はドリルパイプ２
の中間の管壁に取り付けられた発振子、５は受信子であ
る。また図１４は、上記地層測定装置における測定部分
を拡大した模式図である。図において、６は泥水、７は
地層、１４は地層７中の境界面である。

【０００３】次に動作について説明する。ドリルパイプ
２の管壁に設けられた発振子４からドリルパイプ２の管
壁に対して垂直方向に音波を発振する。発振された音波
は、泥水６及び地層７中を伝播して受信子５に到達し、
受信子５はこの音波を受信する。発振子４から発振され
た音波が受信子５に到達するまでの時間と、発振子４と
受信子５との間の距離から、地層７中の音波の伝播速度
が測定される。掘り進むにつれて地質に何らかの変化が
あると、音波の伝播速度が変わるので、掘進により境界
面１４を通過したことを知ることができる。

【０００４】ところで、地層掘削中においては、掘り進
むビット３の前方の地層の状態を知ることが、掘進作業
を安全に行い、予測しない爆噴を生じたりしないために
必要であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
地層測定装置では、発振子４はドリルパイプ２の管壁に
設けられ、ドリルパイプ２の管壁に対して垂直方向に音
波を発振するので、抗井の横方向における地層７の状態
は測定することができても、ビット３前方における地層
７の状態を測定できないという問題点があった。また、
従来の発振子４及び受信子５を前方に取り付けるとして
も、従来の発振子４及び受信子５は振動に対する強度が
弱いので、ビット３を含むドリルパイプ２を一旦引き上
げた後、先端に発振子４や受信子５を取り付けた専用の
パイプを降ろすことが必要で、時間と経費のロスになる
という問題点があった。

【０００６】この発明は以上のような問題点を解決する
ためになされたもので、ビットを挿入したまま、ビット
前方の地層の状態を計測できるビット前方センサを得る
ことを目的とする。また、このビット前方センサを用い
た地層測定方法を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係るビット前
方センサを用いた地層測定方法は、地中を掘削するビッ
トを取り付けた管体、この管体に備えた発振子と受信子
を含むビット前方センサにより、ビットの前方の地層の
音響特性を測定する地層測定方法であって、ビットの近
傍の前記管体に、ビットの軸方向に縦波音響波を発振す
る発振子と、縦波音響波がビット前方の地層境界面によ
り反射した反射波を受信する受信子とを備え付ける手順
と、発振子と受信子とビット前方の地層境界面とをルー
プとして含む発振回路を構成する手順と、測定すべき第
１の位置で、ビットの回転を停止した後、このビットに
荷重を加える手順と、発振回路の発振周波数ｆ１を計測
する手順と、第１の位置から距離ΔＬを掘進した後の第
２の位置で第１の位置での手順を繰り返して発振周波数
ｆ２を計測する手順と、ｆ１、ｆ２、ΔＬをもとに、第
１または第２の位置から地層境界面までの距離、もしく
は音波の伝播速度を演算する手順とを含むものである。

【０００８】また、受信した複数の周波数からなる反射
波の中から特定の周波数の成分を抽出する手順を含むも
のである。

【０００９】また、この発明に係るビット前方センサ
は、地中を掘削するビットを取り付けた非磁性金属パイ
プからなるセンササブと、このセンササブにビットの軸
方向に縦波音響波を発振するように取り付けられた磁歪
振動子からなる発振子と、センササブにビットの縦波音
響波を受信するように取り付けられた磁歪振動子からな
る受信子とを含むものである。

【００１０】また、受信子は、センササブ上の発振子よ
りもビット先端に近い位置であって、センササブの円周
上の前記発振子が取り付けられた位置とは異なる角度位
置に設置され、且つ受信子と発振子との間であって、発
振子からビットの軸に平行な方向への縦波の送出を防げ
ない位置に音響絶縁溝を設けたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の実施の
形態１によるビット前方センサを用いた地層測定方法の
全体構成を図１を用いて説明する。図において、１は掘
削用やぐらであり、ドリルパイプ２（管体ともいう）を
支えると共に、図示しない駆動装置によりこれを回転駆
動するものである。３はドリルパイプ２の先端に取り付
けられた掘削ビット（単にビットとも言う）であり、ド
リルパイプ２が回転駆動されることで、地中を（図の下
方へと）掘進するものである。

【００１２】１０はビット３を一体的に取り付けたセン
ササブであり、非磁性材料（例えばステンレス）で作ら
れたパイプである。４はセンササブ１０の表面に埋め込
まれた発振子（磁歪振動子）であり、その振動（音響振
動）は、ドリルパイプ２の回転軸（図示しない）に平行
の方向にセンササブ１０中に縦波として送出される。な
お、図では発振子４を２個示したが、１個以上であれば
良い。５はセンササブ１０の表面に埋め込まれた受信子
（磁歪振動子）であり、ドリルパイプ２の回転軸に平行
な縦波音響波を受信できるものである。なお、磁歪振動
子そのものの構造については、例えば、特開平７−２９
４６５８号公報に開示されているので、詳細な説明は省
略する。センササブ１０は、全体としてビット前方セン
サを構成している。

【００１３】１１は発振子４や受信子５と、地上との信
号伝送を行うと共に、信号のデータ処理を行う伝送／制
御システムである。２５は地上に設けられたＣＰＵを含
むデータ処理装置であり、以下に説明する測定、制御、
演算などを実行する装置である。

【００１４】また図２は、センササブ１０とビット３付
近を詳細に説明するための図である。１２は説明のため
に示した掘削穴、１３は発振子４から送出され、センサ
サブ１０及びビット３の内部を伝わって、ビット３の先
端からビット３の前方（今後掘進する方向を前方とい
う）の地中に伝わる音響縦波を示している。１４は地中
の音響特性が変わる境界面を示している。音響縦波１３
は、境界面１４によって反射した反射波をも含んでい
る。１５は発振子４及び受信子５と地上との信号伝送の
ためのユニットである。ユニット１５は、図１の伝送／
制御システム１１と電気信号（または音響信号）的に接
続されている。

【００１５】図３は、発振子４及び受信子５と境界面１
４までの地層の音響特性を含む伝送／制御システム１１
の構成を説明するブロック図である（伝送部分は省
略）。この系は全体として正帰還回路（発振回路）を構
成している。検出器増幅率Ｇ２とドライブ増幅率Ｇ１
は、任意に変化させることが可能である。注入効率Ｋｉ
と検出効率Ｋｄは、ビット３に荷重をかけて、これを掘
削穴１２の底面に強く押しつけることによって、ある程
度向上させることができる。減衰率Ａｆは地層の特性と
して決まった値である。

【００１６】このように構成したループの周波数ゲイン
特性を図４に示す。特定の周波数（図４では３１０Ｈ
ｚ、４６０Ｈｚ、９２０Ｈｚ）で特にループゲインが高
くなっている。

【００１７】図５は、図１ないし図４に示した装置が動
作中の地層中の音響状態を示している。ビット３と境界
面１４との間に半波長の定在波が立つ周波数成分では、
反射波の信号強度が最も高くなるので、図３に示す発振
回路のループゲインを適当に調節すれば、この周波数
（図４の４６０Ｈｚ）で発振する。

【００１８】図６は、このようにして発振を開始させた
ときの信号振幅の時間変化を示している。もちろん、ル
ープゲインの高低によって、安定な発振状態に至る時間
は影響を受ける。一般には、少なくとも０．２秒程度で
安定する程度の十分なゲインを設定することが好まし
い。

【００１９】次に、この発明によるビット前方センサを
用いた地層測定方法について図７及び図８のフローチャ
ートにより説明する。まず、上記図３に示した正帰還回
路があらかじめ構成され、図示しない指令信号を入力す
れば回路が発振するように調節してあるものとする（ス
テップＳ０１）。図７において（ａ）図は、ビット前方
の地層を測定しようと思う第１の位置の状態を示してい
る（ステップＳ０２）。図７（ａ）では、ビット３と境
界面１４との間の距離Ｌ１はもちろん不明である。そし
てこの状態で一度ビット３の回転を止め、ドリルパイプ
２を押し下げてビット３に荷重を加え、ビット３と掘削
穴１２の底面との接触性を上げる（ステップＳ０３）。
これによって、図３の注入効率Ｋｉと検出効率Ｋｄが良
くなり、より安定した計測が行えるようになる。

【００２０】次に、図示しない指令を与えて発振回路を
働かせると、前述したとおり、ビット３と境界面１４と
の間に半波長の定在波が立つ周波数ｆ１で発振が生じる
ので、このｆ１を測定する（ステップＳ０４）。この
時、地層中での音響縦波の速度をｖとすれば、ｆ１＝ｖ／（２Ｌ１）（１）が成立する。

【００２１】次に、再びドリルを回転させて掘進し、第
１の位置より△Ｌ進んだ第２の位置（図５（ｂ））で停
止し（ステップＳ０５／Ｓ０６）、再び同様にして共振
周波数ｆ２を測定する（ステップＳ０７）。この時、前
述の第１の位置での計測と同様にｆ２＝ｖ／２（Ｌ１−△Ｌ）（２）が成立する。

【００２２】式（１）（２）よりｖを消去すれば、４（Ｌ１）２−４Ｌ１・△Ｌ−（ｆ２／ｆ１）＝０（３）が成立する。△Ｌ、ｆ１、ｆ２は測定値であることから
Ｌ１を求めることができる（ステップＳ０８）。同様に
して、式（１）または式（２）からｖを求めることがで
きる。

【００２３】以上の説明において、ビット３を停止した
後、ビット３に荷重をかけると説明したが、ビット３の
回転を停止するだけで、ビット３が掘削穴１２の底面に
押しつけられるならば、ステップＳ０３の操作はなくて
も良い。また、ビット３の先端面で強い反射が生じるこ
とがあるが、この周波数は装置固有のものでありあらか
じめ分かっているから、フィルタによって除去されるよ
うあらかじめ仕組んでおくことは容易にできる。また、
発振回路は、地上の装置を含むループとして説明した
が、センササブ１０の中に全体を仕組んで、データだけ
を地上に送るようにしても良い。

【００２４】実施の形態２．ビット３前方に接近した二
つの境界面１４がある場合、図９のように二つの周波数
の強い反射波が生じる。この場合、最も近い（周波数の
高い）境界面１４だけ注目すれば良いと言うわけではな
い。そして、反射波の信号強度は、境界面１４までの距
離と、その境界面１４を境として、その前後における音
響インピーダンスの比率（音速の差とほぼ同意）の大小
によって決定されるので、２番目の強度の反射波（例え
ば、図４の３１０Ｈｚ）が掘削上は、より重要であると
言う場合も当然あり得る。

【００２５】そこで、図３のブロック図の検出器増幅率
Ｇ２に相当するブロックを図１０に示す可変周波数バン
ドパスフィルタを備えた可変増幅器に置き換える。そし
て、この可変周波数バンドパスフィルタの選択周波数を
調整して、注目すべき周波数を捉えるのである。

【００２６】図１１は、このようなバンドパスフィルタ
を用いる場合の図８のフローチャートの変化を説明する
図である。図において、ステップＳ１４は、第１の位置
における周波数ｆ１の測定方法を示しており、バンドパ
スフィルタを用いないで発振が生じるまでゲインを上げ
たときの周波数に対して、バンドパスフィルタを挿入し
て、他の周波数を選択できる。また、ステップＳ１７
は、第２の位置における周波数ｆ２の測定を示してい
る。

【００２７】バンドパスフィルタの代わりに、適当な特
性のハイパスフィルタまたはローパスフィルタまたはこ
れらを組み合わせたものを用いても良いことは言うまで
もない。

【００２８】実施の形態３．ビット３前方の地層の音波
速度を測定する上では、安定な発振状態を得ることがな
によりも必要であり、それには、受信子５が反射波を的
確に捉えることが必要である。しかしながら、発振子４
と受信子５はきわめて接近した位置に取り付けることに
なるので、受信子５は微弱な反射波信号よりも、発振子
４から発射された送信波を検出してしまうことになりか
ねず、これでは、図３に示した地層を含む発振ループが
構成されないので、正しい測定を行うことができない。
そこで、受信子５が発振子４からの波を直接受けること
がないような工夫が必要となる。

【００２９】図１２は、上記の目的を達成するための、
本発明の実施の形態３による発振子４及び受信子５を取
り付けたビット前方センサの構造を示す図である。図
は、発振子４を２個、受信子５を１個取り付けた場合を
示すものである。発振子４は、センササブ１０（ステン
レスなどの非磁性金属である）の円周上の１８０°の位
置に取り付けられ、互いに同相で駆動される。発振子４
も受信子５も磁歪振動子を用いており、縦波（図に向か
って上下方向）の送受信はできるが、横波の送受信はで
きないものが用いられている。受信子５は、上記２つの
発振子４の出力波を受けにくい丁度中間の位置、且つ発
振子４よりもビット３の先端に近い位置に配置される。

【００３０】２０は受信子５の背面に設けられた空隙
（音響絶縁溝ともいう）であり、例えば、図に向かって
横方向の寸法と奥行き方向の寸法は、受信子５の横方向
と奥行き方向の寸法と同程度、縦（上下）方向は、例え
ば、１ｍｍ程度である。空隙２０は、音響的には絶縁性
を示し、発振子４からの波が受信子５に直接入ることが
ないように、且つビット３の側から来る反射波の受信の
妨げにならないように、さらに発振子４の出力波がビッ
ト３の先端方向へ伝播する妨げにならないように設けら
れる。

【００３１】なお、空隙２０を設ける部分に、図２のユ
ニット１５を装着しても良い。また、図１２では、空隙
２０を受信子５に接する位置に設けたが、発振子４と受
信子５の中間の位置なら、受信子５に接していなくても
良い。また、単純な直線状の溝に限らずコ字形状などで
も良い。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明の地層測定方法
は、ビットの近傍の前記管体に、ビットの軸方向に縦波
音響波を発振する発振子と、縦波音響波がビット前方の
地層境界面により反射した反射波を受信する受信子とを
備え付ける手順と、発振子と受信子とビット前方の地層
境界面とをループとして含む発振回路を構成する手順
と、測定すべき第１の位置で、ビットの回転を停止した
後、このビットに荷重を加える手順と、発振回路の発振
周波数ｆ１を計測する手順と、第１の位置から距離ΔＬ
を掘進した後の第２の位置で第１の位置での手順を繰り
返して発振周波数ｆ２を計測する手順と、ｆ１、ｆ２、
ΔＬをもとに、第１または第２の位置から地層境界面ま
での距離を、もしくは音波伝播速度ｖを演算する手順と
を含むので、ビットを挿入したまま、ビット前方におけ
る地層の状態を測定できる効果が得られる。

【００３３】また、この発明の地層測定方法によれば、
受信した複数の周波数からなる反射波の中から特定の周
波数の成分を抽出する手順を含むので、複数の境界面の
中から注目すべき境界面を検出できる効果が得られる。

【００３４】また、この発明のビット前方センサによれ
ば、地中を掘削するビットを取り付けた非磁性金属パイ
プからなるセンササブと、このセンササブにビットの軸
方向に縦波音響波を発振するように取り付けられた磁歪
振動子からなる発振子と、センササブにビットの縦波音
響波を受信するように取り付けられた磁歪振動子からな
る受信子とを含むので、ビットを挿入したまま、ビット
前方における地層の状態を測定できる効果が得られる。

【００３５】また、この発明のビット前方センサによれ
ば、受信子は、センササブ上の発振子よりもビットに近
い位置であって、センササブの円周上の、発振子が取り
付けられた位置とは異なる角度位置に設置され、且つ受
信子と発振子との間の発振子からビットの軸に平行な方
向への縦波の送出を防げない位置に音響絶縁溝を設けた
ので、受信子の受信感度を向上できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサを用いた地層測定方法の全体構成を示す構成図であ
る。

【図２】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサのセンササブ付近を拡大した図である。

【図３】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサを用いた地層測定方法における伝送／制御システム
の構成を示すブロック図である。

【図４】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサを用いた地層測定方法における発振ループの周波数
ゲインを示す図である。

【図５】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサが動作中の地層中の音響状態を示す図である。

【図６】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサが発振を開始したときの信号振幅の時間変化を示す
図である。

【図７】この発明の実施の形態１によるビット前方セ
ンサを用いた地層測定方法を説明するフローチャートで
ある。

【図８】この発明の実施の形態１によるビット前方セン
サを用いた地層測定方法を説明するフローチャートであ
る。

【図９】この発明の実施の形態２を説明するための図
である。

【図１０】この発明の実施の形態２によるビット前方
センサの可変増幅器を示すブロック図である。

【図１１】この発明の実施の形態２によるビット前方
センサの可変増幅器の動作を示すフローチャートであ
る。

【図１２】この発明の実施の形態３によるビット前方
センサの構造を示す構成図である。

【図１３】従来の地層測定装置を示す構成図である。

【図１４】従来の地層測定装置における測定部分を拡
大した図である。

【符号の説明】

１掘削用やぐら、２ドリルパイプ、３ビット、４
発振子、５受信子、６泥水、７地層、１０セ
ンササブ、１１伝送／制御システム、１２掘削穴、
１３音響縦波、１４境界面、１５ユニット、２０
空隙、２５データ処理装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地中を掘削するビットを取り付けた管
体、この管体に備えた発振子と受信子を含むビット前方
センサにより、前記ビットの前方の地層の音響特性を測
定する地層測定方法であって、前記ビットの近傍の前記管体に、前記ビットの軸方向に
縦波音響波を発振する発振子と、前記縦波音響波が前記
ビット前方の地層境界面により反射した反射波を受信す
る受信子とを備え付ける手順と、前記発振子と前記受信子と前記ビット前方の地層境界面
とをループに含む発振回路を構成する手順と、測定すべき第１の位置で、前記ビットの回転を停止した
後、このビットに荷重を加える手順と、前記発振回路の発振周波数ｆ１を計測する手順と、前記第１の位置から距離ΔＬを掘進した後の第２の位置
で前記第１の位置での前記手順を繰り返して発振周波数
ｆ２を計測する手順と、前記ｆ１、ｆ２、ΔＬをもとに、前記第１または第２の
位置から前記地層境界面までの距離、もしくは音波の伝
播速度を演算する手順とを含むことを特徴とするビット
前方センサを用いた地層測定方法。
【請求項２】受信した複数の周波数からなる反射波の
中から特定の周波数成分をフィルタを用いて抽出する手
順を含むことを特徴とする請求項1記載のビット前方セ
ンサを用いた地層測定方法。
【請求項３】地中を掘削するビットを取り付けた非磁
性金属パイプからなるセンササブと、このセンササブに前記ビットの軸方向に縦波音響波を発
振するように取り付けられた磁歪振動子からなる発振子
と、前記センササブに前記ビットの縦波音響波を受信するよ
うに取り付けられた磁歪振動子からなる受信子とを含む
ことを特徴とするビット前方センサ。
【請求項４】受信子は、センササブ上の発振子よりも
ビット先端に近い位置であって前記センササブの円周上
の前記発振子が取り付けられた位置とは異なる角度位置
に設置され、且つ前記受信子と前記発振子との間の前記
発振子からビットの軸に平行な方向への縦波の送出を防
げない位置に音響絶縁溝を設けたことを特徴とする請求
項3記載のビット前方センサ。