JP2000314289A - 地下地層からのデータの収集装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地下の地層からデータを収集する装置及び方
法を提供する。 【解決手段】 室（112 ）が設けられていて、地下の地
層中への強制的な推進力に耐えるようになったシェル
（110 ）が利用される。シェルの室内にはデータセンサ
（114 ）が設けられる。シェルは、データ収集装置が地
下地層内に配置されると、地下地層内に存在する流体の
性状をデータセンサに伝えるための第１のポート（116
）を有し、それによりデータセンサは、流体の性状の
うち少なくとも１つを検出するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願の説明】本願は、１９９７年６月２日に出願
された米国仮特許出願第６０／０４８，２５４号に基づ
く優先権を主張して１９９８年２月５日に出願された米
国特許出願第０９／０１９，４６６号の一部継続出願で
ある。

【０００２】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、坑井が掘
られた地下の地層中の種々のパラメータの測定に関し、
特に、遠隔操作で配備可能なセンサを用いるかかる測定
に関する。

【０００３】

【従来技術の説明及び発明が解決しようとする課題】今
日における油井の操業及び産出では、地下地層の種々の
パラメータの連続モニターが行われている。標準的地層
評価の一観点は、貯留岩層の貯留圧力及び透水性のパラ
メータに関する。例えば貯留圧力及び透水性のようなパ
ラメータの連続モニターにより経時的な貯留圧力（地層
圧ともいう）の変化が分かるので、かかる連続モニター
は、地下地層の産出量及び寿命を予測する上で必須であ
る。今日における操業では、「フォーメーションテスタ
ー」ツールによるワイヤーライン物理検層か、ドリルス
テムテストかの何れかによりこれらパラメータが得られ
る。かかる測定法は両方とも「裸坑」用途又は「ケース
トホール（cased-hole）」用途で利用でき、補助「トリ
ップ（trip）」を必要とし、換言すると、坑井からドリ
ルストリングを取り出し、フォーメーションテスターを
坑井内へ導入して地層データを収集し、そして、フォー
メーションテスターの回収後、ドリルストリングを坑井
内へ戻して更に掘削を行う。かくして、圧力を含む地層
パラメータをワイヤーライン地層検査ツール、例えば米
国特許第３，９３４，４６８号、第４，８６０，５８１
号、第４，８９３，５０５号、第４，９３６，１３９号
及び第５，６２２，２２３号に記載されているツールを
用いてモニターするのが通例である。

【０００４】本出願人であるシュランバーガー・テクノ
ロジー・コーポレイションに譲渡された米国特許第３，
９３４，４６８号は、関心のある地層帯域を検査するた
めにアンケースト（uncased ）坑井内に配置される細長
い管状本体を記載している。管状本体は、密封パッドを
有し、この密封パッドは、この密封パッドに対向した二
次油井係合パッド及び一連の油圧アクチュエータによっ
て地層帯域のところで坑井に密着するよう押圧される。
本体は、密封パッドの中央開口部を通る地層流体に通じ
ていて、この試料を採取する流体導入手段（可動プロー
ブを含む）を備えている。かかる流体連通及び試料採取
により、地層パラメータデータの収集が可能になり、か
かる地層パラメータデータとしては貯留圧力が挙げられ
るが、これには限定されない。米国特許第３，９３４，
４６８号の可動プローブは、種々の且つ未知のコンピー
テンス又は安定性を示す地層帯域を検査するのに特に適
している。

【０００５】米国特許第４，８６０，５８１号及び第
４，９３６，１３９号（これらも又、本出願人に譲渡さ
れている）は、アンケースト坑井内の貯留圧力測定及び
試料採取を含む多くの機能を実行するモジュラー地層検
査ツールを開示している。これら米国特許は、ツールの
単一トリップで多数の地層帯域のところにおける測定及
び試料採取を行うことができるツールを記載している。

【０００６】これと同様に、ウエスタン・アトラス・イ
ンターナショナル・インコーポレイテッドに譲渡された
米国特許第４，８９３，５０５号は、アンケースト坑井
の掘られた地層の圧力及び温度を測定できると共に複数
の地層帯域のところで流体試料を採取できる地層検査ツ
ールを開示している。

【０００７】ハリバートン・カンパニイに譲渡された米
国特許第５，６２２，２２３号は、アンケースト坑井内
の関心のある帯域から地層流体を抜き取る別のワイヤー
ライン地層検査ツールを開示している。このツールは、
膨張可能なパッカを利用しており、抜き取られている流
体の性状及びバブルポイント圧力を現場で測定でき、し
かも実質的に泥水濾過液を含まない流体試料を選択的に
収集できるものであると言われている。

【０００８】米国特許第３，９３４，４６８号、第４，
８６０，５８１号、第４，９３６，１３９号、第４，８
９３，５０５号及び第５，６２２，２２３号に記載され
ているツール及び方法は、ケースト坑井に用いられるよ
うにはなっておらず、一般に永続的には坑井又は地層に
連結されない。しかしながら、ケースト坑井用の地層検
査ツール及び方法は、例えば米国特許第５，０６５，６
１９号、第５，１９５，５８８号及び第５，６９２，５
６５号によって例示されるように当該技術分野では周知
である。

【０００９】ハリバートン・ロッギング・サービシィー
ズ・インコーポレイテッドに譲渡された米国特許第５，
０６５，６１９号は、地層に掘った坑井内のケーシング
の背後の地層の圧力を検査する手段を開示している。
「バックアップシュー」が、ケーシング壁に接触するた
めにワイヤーラインフォーメーションテスターの片方の
側から油圧の作用で伸長され、検査プローブが油圧の作
用でワイヤーラインフォーメーションテスターのもう片
方の側から伸長される。プローブは、バックアップシュ
ーと反対側のケーシング壁に対してシールを形成する周
囲密封リングを有している。ケーシング及びもし設けら
れていればその周りのセメント層に孔を開けるために、
小形のチャージが密封リングの中央に配置される。地層
流体がこの孔及び密封リングを通ってフローラインに流
入し、圧力センサ及び一対の流体操作及び試料採取タン
クに送られる。

【００１０】これ又、本出願人に譲渡された米国特許第
５，１９５，５８８号は、ケーシングの孔を施栓又は閉
塞する手段を提供することにより、ケーシングを孔開け
してケーシングの後ろの地層に接近できるようにするフ
ォーメーションテスターを改良する技術を開示してい
る。具体的に説明すると、米国特許第５，１９５，５８
８号は、ツールを孔が開けられた位置に依然として配置
した状態で孔を施栓するツールを開示している。施栓に
よる孔の適当な時期における閉塞によって、坑井内流体
が地層中へ流れて実質的に失われると共に（或いは）地
層の漸崩の恐れが無くなる。また、これにより、例えば
ガス注入の場合に有害な場合のある坑井内への地層流体
の非制御状態の流入が防止される。

【００１１】これ又シュランバーガー・テクノロジー・
コーポレイションに譲渡された米国特許第５，６９２，
５６５号は、当該発明が異形チャージを用いた場合より
も一層一様なケーシング孔を生じさせる可撓性穿孔シャ
フトを用いることを特徴とするケースト坑井の後ろの地
層の試料採取装置及び方法を記載している。一様な孔
は、ケーシングの適正な施栓信頼性を高める。というの
は、異形チャージを用いると、施栓が困難な場合がある
不均一な孔が生じることになり、固体の栓と非固体のシ
ーラントの両方が必要になる場合が多い。かくして、可
撓性穿孔シャフトにより得られる一様な孔は、栓を用い
てケーシングを密封する上での信頼性を高める。しかし
ながら、ケーシングの孔をいったん施栓すると、孔開け
を繰り返さなければ地層との連絡をとる手だてがない。
この場合であっても、フォーメーションテスターが坑井
内に配置され且つケーシングの孔が開いたままになって
さえいればかかる地層との連絡は可能である。

【００１２】したがって、上記米国特許は各々、これに
記載された地層検査ツールが、裸坑で用いられるにせよ
ケーストホールで用いられるにせよ何れの場合であって
も、地層データを収集できるのは、ワイヤーラインツー
ルが坑井内に配置されると共に関心のある地層帯域と物
質的に接触している場合だけであるという点において支
障がある。かかるフォーメーションテスターを用いるた
めに「坑井内トリッピング（tripping the well ）」を
行うことは貴重な整備時間を相当長く費やすので、これ
は、通常は地層データが絶対に必要な状況の下で行わ
れ、又はドリルストリングのトリッピングがドリルビッ
トの交換のため又は他の理由で実施される場合に行われ
る。

【００１３】鑿井中、リアルタイム方式で貯留地層デー
タを利用できることは、有用なことである。掘削中にリ
アルタイム地層圧力を知ることができるので、掘削エン
ジニア又は掘削作業者は、掘穿泥水の重さ及び組成の変
化だけでなく穿孔パラメータに関する決定を非常に初期
の段階で行って掘削の安全性を高めることができる。リ
アルタイム貯留地層データを利用できることは、地層圧
力の変化及び透水性の変化と関連したドリルビットの重
さの高精度制御を可能にして掘削をその最大効率で実施
できるようにする上でも望ましい。

【００１４】したがって、本発明の目的は、ドリルカラ
ー、ドリルビット及び他の掘削用部品を備えたドリルス
トリングが坑井内に配置されている状態で、関心のある
地下帯域からの種々の地層データの収集を可能にし、か
くしてこれら地層パラメータの識別のためのフォーメー
ションテスターを坑井内へ導入する目的だけで、鑿井機
器をトリッピングする必要性を無くし又は最小限に抑え
る方法及び装置を提供することにある。

【００１５】本発明の別の目的は、地層内へ配備される
ようになったインテリジェントデータセンサの構造を頑
丈なものにし、センサが配備中に大きなＧの力を受けて
もその信頼性が高く、破壊されず且つ連続的な機能上の
健全性が期待できるようにすることにある。

【００１６】本発明の別の目的は、配備中にセンサが点
火により誘発される推進力の高いあ多及び温度を受けて
も信頼性が高いものであるようにするセンサ構造を提供
することにある。

【００１７】本発明の別の目的は、センサを銃のような
配備機構から発射に持ちこたえて変形や損傷や故障する
ことのないセンサの使用装置及び方法を提供することに
ある。

【００１８】本発明の更に別の目的は、センサが地下の
岩石から成る地層に打ち込まれても持ちこたえて変形や
損傷や故障することのないセンサの使用装置及び方法を
提供することにある。

【００１９】本発明の更に別の目的は、センサが地層中
の満足のゆく深さまで実質的に直線状に侵入するように
するセンサの使用方法及び装置を提供することにある。

【００２０】本発明の更に別の目的は、センサが岩盤層
を通る無線周波数通信を行うことができるようにするセ
ンサの使用方法及び装置を提供することにある。

【００２１】

【発明の概要】上記目的並びに種々の他の目的及び利点
は、室が設けられていて、地下地層中への強制的な推進
力に耐えるようになったシェルを有する、地下の地層か
らデータを収集する装置によって達成される。データセ
ンサが、シェルの室内に設けられている。シェルは、収
集装置を地下地層中に配置すると、地下地層内に存在す
る流体の性状をデータセンサに伝えるための第１のポー
トを有し、データセンサは、流体の性状のうち少なくと
も１つを検出する。

【００２２】好ましい実施形態では、シェルは弾丸の形
をしていて、実質的に第１の材料で作られたノーズ側部
分及び実質的に第２の材料で作られた後尾側部分を有し
ている。特に好ましい実施形態では、第１の材料は、タ
ングステン合金であり、第２の材料は、ジルコニア系セ
ラミックである。シェルのノーズ側部分は、本装置が壊
れないようにし、地層中への配備の際に機能的な故障を
生じないようにする。シェルの後尾側部分は、シェルの
室内に設けられている部品を、少なくとも１つの本装置
の配備方法の実施中に受ける高い温度及び圧力から保護
するようになっている。シェルは、その長手方向軸線に
垂直な第１の平面に沿ってノーズ側部分と後尾側部分に
分割され、各部分は、これらを互いに連結すると、前記
室を形成するよう互いに協働する対向したキャビティを
有する。特に好ましい実施形態では、装置の配備中、そ
の長手方向軸線に沿って少なくとも８５，０００Ｇの力
に耐えるようになっている。

【００２３】好ましい実施形態は、シェルの室内に設け
られていて、データセンサ及び関連エレクトロニクスを
支持するカプセルを更に有している。カプセルは、ノー
ズ側部分内の室から後尾側部分内の室まで延びていて、
第１の平面を横切って前記シェルのノーズ側部分と後尾
側部分を一体化している。カプセルは、データセンサを
収納しやすくするためにカプセルの長手方向軸線を含む
第２の平面に沿って分割され、カプセルは、少なくとも
一部がチタン合金で作られている。カプセルには第２の
ポートが更に設けられ、カプセルは、第２のポートが第
１のポートに隣接するようシェルの室内に設けられ、そ
れにより、本装置を地下地層内に配置すると、第１及び
第２のポートを経て地層流体の性状をデータセンサに伝
えることができる。

【００２４】データセンサは好ましくは、少なくとも地
層圧力及び地層温度を検出するようになっている。種々
の他の地層パラメータを検出するために多数の別々のセ
ンサをカプセル内に設けてもよい。

【００２５】好ましい実施形態は、シェルの室内に設け
られていて、データセンサにより検出された流体の性状
又は地層の他の性状を表す信号を送信するアンテナを更
に有する。アンテナは、好ましくは室の後尾側部分内に
設けられ、データセンサは、カプセル内の室の前方部分
に設けられる。

【００２６】本発明は更に、地下地層の性状を測定する
方法として実施できる。シェルに、地下地層の性状を指
示するセンサ及びセンサにより指示された性状を表す信
号を伝送するアンテナを装備する。シェルは、シェルを
地下地層に差し込むと、地下地層内に存在する流体の性
状をセンサに伝えるためのポートを有する。シェルを地
下地層に掘った坑井内に配置されるダウンホールツール
内に設ける。ダウンホールツールからの力を及ぼしてシ
ェルをドリルストリングから地下地層中へ移動させる。
次に、地層の少なくとも１つの性状をセンサで検出し、
地層の性状を表す信号をアンテナで伝送する。

【００２７】本発明は、実質的に弾丸の形をしたシェル
に地下地層の性状を指示するセンサ、遠隔操作で伝送さ
れた信号を受信する受信器及びセンサにより指示された
性状を表す信号を伝送するアンテナを装備する。シェル
は、シェルを地下地層に差し込むと、地下地層内に存在
する流体の性状をセンサに伝えるためのポートを有す
る。シェルを地下地層に掘った坑井内に配置されるドリ
ルストリング内に設ける。ドリルストリングからの力を
及ぼしてシェルをドリルストリングから地下地層中へ移
動させる。センサを受信器に伝送された遠隔信号で動作
状態にし、地層の性状をセンサで検出する。次に、地層
の性状を表す信号を送信器手段で送信する。

【００２８】シェルに及ぼされる力は、点火により誘発
される推進力か機械的な力か任意他の力かの何れかであ
るのがよい。

【００２９】本発明の上記特徴、利点及び目的について
詳細に理解できるよう、概略的に上述した本発明につい
ての具体的な説明を、添付の図面に示された好ましい実
施形態を参照して行う。

【００３０】しかしながら、添付の図面は、本発明の典
型的な実施形態を記載しているに過ぎず、従って、本発
明の範囲を限定するものと考えられるべきではない。と
いうのは、本発明は同等の作用効果を奏する他の形態で
実施できるからである。

【００３１】

【発明の実施の形態】これ又、本出願人に譲渡された米
国特許出願第０９／０１９，４６６号は、データセン
サ、例えば圧力センサを納めたインテリジェントセンサ
装置を、掘削作業を行いながら、ドリルストリング内の
ドリルカラーを坑井を越えて地下地層内へ配備するため
の方法及び装置を記載している。かかる米国特許出願の
方法及び装置は本発明に関連しているのでこれらについ
て今説明する。先ず最初に図１〜図３を参照すると、坑
井を掘削するためのドリルストリングの一構成要素であ
るドリルカラーが全体を符号１０で示されており、これ
は米国特許出願第０９／０１９，４６６号の発明の好ま
しい実施形態を示している。ドリルカラーは、図３に示
す送信器／受信器回路が組み込まれた電力カートリッジ
１４（図２参照）を有する拡径円筒形部分１２を備えて
いる。ドリルカラー１０はまた、ドリルカラー通路２０
を経て坑井内圧力にさらされる圧力センサ１８を有する
圧力計１６を備えている。圧力計は、選択された地下地
層の深さのところにおける坑井内周囲静圧を検出し、イ
ンテリジェントセンサ装置の圧力校正具合を確認するた
めに用いられる。坑井内周囲圧力を表す電子信号は、圧
力計１６を経て電力カートリッジ１４の回路に伝送さ
れ、この電力カートリッジの回路は、その特定の坑井深
さのところに配備されているインテリジェントセンサ装
置の圧力校正を達成する。また、ドリルカラー１０は、
各々が少なくとも１つのインテリジェントセンサ装置２
４を収容していて、掘削中の坑井と交差する関心のある
選択された地下地層内に位置する１又は２以上のセンサ
受け具２２を更に備えている。センサ装置２４は、カプ
セル入りのデータセンサを有し、これらカプセル入りデ
ータセンサは、地層パラメータ、例えばとりわけ圧力、
温度、岩石の透水性、空間率、導電性及び比誘電率を検
出するためにドリルカラーから坑井の周りの地層の中の
位置まで移動される。データセンサは、ドリルカラーか
ら移動して、坑井の周りの地下地層と横断方向に埋設さ
れた関係になる際に、損傷に耐えるほど十分な構造的一
体性のセンサハウジング内に適切に封入されており、こ
れについては以下に説明する。

【００３２】当業者であれば、かかる横方向埋設運動は
坑井に垂直である必要はなく、所望の地層位置内への多
くの侵入角により達成できることは理解されよう。セン
サの配備は、以下に記載する手順のうちの１つ又は組合
せを利用することによって達成でき、かかる手順は、
（１）坑井壁に穴を開け、センサを地層内に配置し、
（２）液圧プレス又は機械式穿孔組立体を用いて地層に
穴を開けてカプセル入りのセンサを押し込み、或いは
（３）「発射」又は点火式推進薬を利用することにより
カプセル入りのセンサを地層中に打ち込むことである。

【００３３】図２は、一実施形態ではセンサ装置２４を
配備し、センサ装置が地層の選択されたパラメータを検
出するのに十分な坑井から見て外方の位置までセンサ装
置を地下地層中に侵入させる油圧作動式ラム３０を示し
ている。センサの配備のために、ドリルカラーは、内部
円筒形ボア２６を備え、この内部円筒形ボア２６内に
は、インテリジェントセンサ装置２４に対し駆動関係に
配置されたラム３０を備えるピストン要素２８が設けら
れている。ピストン２８は、油圧供給通路３６を介して
油圧装置３４からピストン室３２に送られる油圧にさら
される。油圧装置は、電力カートリッジ１４によって選
択的に作動され、遠隔のセンサを上述したように配備前
に地層深さのところの坑井内周囲圧力に対して校正で
き、次に、受け具２２から坑井壁を越えて地層中へ移動
させて地層圧力パラメータが坑井からの影響である坑井
効果（borehole effects）から自由になるようにする。

【００３４】次に図３を参照すると、ドリルカラー１０
の電力カートリッジ１４は、発振器４２によって定まる
周波数Ｆの電力増幅器の形態をした送信器電力駆動装置
４０を備えた少なくとも１つの送信器／受信器ホイル３
８を有している。ドリルカラーの電力カートリッジは、
「スマート弾丸」としても知られるインテリジェントセ
ンサ装置２４によってドリルカラーに伝えられる周波数
２Ｆの信号を受け取るよう設定された同調受信器増幅器
４３を更に備えており、かかるインテリジェントセンサ
装置２４については以下に説明する。

【００３５】図４は、全体を符号４４で示したブロック
図の形態のインテリジェントセンサ装置２４の電子回路
を示している。この電子回路は、少なくとも１つの送信
器／受信器コイル４６、例えば無線周波数（ＲＦ）アン
テナを有し、その受信器は、検出器４８からの出力５０
を制御装置回路５２に与える。制御装置回路は、圧力計
又はセンサ５６に伝送される制御出力５４のうち１つを
備え、したがって圧力計の出力信号はアナログ−ディジ
タル変換器（ＡＤＣ）／記憶装置５８に送られるように
なっており、このＡＤＣ／記憶装置５８は、圧力計から
の信号を導体６２を経て受け入れると共に制御装置回路
５２からの制御信号を導体６４を介して受け取る。電池
６６が、電力用導体６８，７０，７２によってセンサの
種々の回路構成部品と結合された状態でセンサ装置回路
４４内に設けられている。ＡＤＣ／記憶装置回路５８の
記憶装置出力７４は、受信器コイル制御回路７６に送ら
れる。受信器コイルの制御回路７６は、データをドリル
カラー１２に伝送するために送信器／受信器コイル４６
のための導体７８を介して駆動装置回路として働く。

【００３６】次に、図５を参照すると、低閾値（ロース
レッショルド）ダイオード８０が、受信器コイル制御回
路７６の端子間に接続された状態で示されている。通常
の条件のもとでは、そして特に休眠又は「スリープ」モ
ードでは、電子スイッチ８２は開離状態にあり、消費電
力を最小限に抑えている。受信器コイル制御回路７６が
ドリルカラーの伝送された電磁界によって動作状態にな
ると、電圧及び電流が受信器コイル制御回路中に誘導さ
れる。しかしながら、この時点では、ダイオード８０は
電流を一方向にのみ流すことができるようにする。この
非線形方式は、図６に符号８４のところで示された誘導
電流の基本周波数Ｆを、基本周波数２Ｆを有する電流に
変換し、換言すると、受信器波形８６のところに示すよ
うに電磁送信器波形８４の周波数の２倍にする。

【００３７】伝送シーケンス全体を通じて、図３に示す
送信器／受信器コイル３８は、受信器としても用いら
れ、周波数２Ｆに同調された受信器増幅器４３に接続さ
れている。受信信号の振幅が最大であるとき、これによ
り、センサ装置２４がドリルカラーと遠隔に配備された
センサ装置との間で最適伝送が可能なように密接して位
置しているということが分かる。

【００３８】センサ 岩石から成る地層、即ち岩盤層中に電子式センサ装置２
４を首尾よく弾道理論的に配備することは、種々の制約
条件を満たした場合にのみ可能である。配備を首尾よく
行うためには、センサ装置は、実質的な変形がなく、外
部の破損がなく、或いは内部構成要素が外れないで発射
と岩盤層内での衝撃の両方に耐えて動作する必要がある
と共に通常、採油地層中で遭遇するあらゆるタイプの貯
留岩中へ十分且つ真っ直ぐに侵入する必要があり、しか
も岩盤層を通過し、そして坑井内のデータ処理機器に戻
るようＲＦ又は他の無線方式による通信を行うことがで
きなければならない。

【００３９】次に図７を参照すると、インテリジェント
センサ装置２４は、室１１２が設けられていて、地下地
層（図１に全体が示されている）中への強制的な推進力
に耐えるようになったシェル１１０を有するものとして
示されている。データセンサ１１４及び関連のエレクト
ロニクスが、以下に更に説明するようにシェル１１０の
室１１２内に設けられている。シェル１１４は、センサ
装置２４を地下地層中に配置すると、地下地層内に存在
する流体の性状をセンサ１１４に伝えるための第１のポ
ート１１６を有し、データセンサが、流体の性状のうち
少なくとも１つを検出するようになっている。

【００４０】用途及びシェル１１０内のデータセンサの
タイプに応じて、ノーズ側部分１１０ｂに複数のポート
１１６を設けるのがよく、これらポート１１６は、ノー
ズコーンの後の右側に且つセンサ装置２４の後部のとこ
ろでの坑井効果からポートを切り離すようできるだけ前
方に配置されている。これらポートを通じて、種々の測
定を行うことができる。かかる測定の例はとりわけ、液
体及び固体の化学的分析、間隙流体圧及び抵抗の測定で
ある。これらポートは好ましくは、小さなストレーナ孔
が設けられた金属バンド、例えば図８Ｂに破線で示すバ
ンド１３１又は多孔質被覆材、例えばセラミック被覆材
で覆われる。単一のポートとは対照的に、複数のかかる
ポートを用いることにより、地層中のポート閉塞に起因
して動作不能状態になる可能性が低くなる。加速度計だ
けを納めているセンサ装置又は核磁気共鳴測定に用いら
れるセンサ装置にはポート又は開口部は不要であり、か
かるセンサ装置の用途もまた、本発明の範囲に属する。

【００４１】一般的な弾道理論は、センサ装置２４のた
めの発射体に関する必須のパラメータ、例えば十分な侵
入度又は貫通力達成するために必要な速度及び重量、真
っ直ぐに飛ぶようにするのに足る長さと横断面の比、並
びに最適侵入深さが得られるようにするためのノーズ形
状を定めるのに役立つ。したがって、シェル１１０は、
実質的に弾丸の形をしており、上述の二次的な制約条件
（十分な侵入度、直線運動、最適侵入深さ）を部分的に
満足するために軸線Ｂ−Ｂの回りに細長い。

【００４２】単一の中実材料片から成る標準型発射体と
は異なり、センサ及び関連のエレクトロニクスを収納し
た弾丸形の装置、例えば装置２４は、少なくとも１つの
かなり大きな組立体用開口部を必要とする。かくして、
シェル１１０は、その長手方向軸線Ｂ−Ｂに垂直な第１
の平面Ａ−Ａに沿って、ノーズ側部分１１０ｂと後尾側
部分１１０ａに分割されている。これらシェル部分は各
々、図７、図８Ａ及び図８Ｂでわかるようにそれぞれ向
かい合ったキャビティ１１２ｂ，１１２ａを有し、これ
らキャビティは、ノーズ側部分と後尾側部分を互いに連
結すると互いに協働して室１１２を形成する。

【００４３】上述の発射体に関するパラメータに加え
て、シェル１１０は、シェルの全体的靭性が得られるた
めの要件を満足しなければならない。タングステン−ニ
ッケル−鉄合金が、現時点ではシェルのノーズ側部分１
１０ｂの構成材料として好ましく、この材料は上述の発
射及び衝撃の際に壊れないという制約条件を満足する。
このように、シェル１１０は、配備中、その長手方向軸
線Ｂ−Ｂに沿ってセンサ装置２４が受ける大きなＧ（８
５，０００Ｇ以上の力）に耐えるようになっている。

【００４４】多部品構成型シェル、例えばシェル１１０
の場合、配備時の発射及び衝撃波は、互いに異なる弾性
率を有する材料相互間の接触領域を横切って伝えられ
る。これにより、シェル部分１１０ａ，１１０ｂ（これ
は実質的に異種材料で構成されている）を横切って衝撃
波の反射が生じると共にシェル部分の局所的材料破損又
は分離が生じる場合がある。接触領域中の局部応力を減
少させると共に衝撃の伝わりを良くするために、図９に
示すようにカプセル化内部設計構造を開発した。

【００４５】アンテナを除きデータセンサ及びエレクト
ロニクス組立体全体は、スプリット式チタン合金カプセ
ル１１８内のキャビティ１２８の中に収納されている。
このカプセルは、２つの機能を持っている。第１の機能
として、カプセル１１８は、キャビティ１２８内の壊れ
やすいエレクトロニクス及びデータセンサの部品を効果
的に結合して１つの中実片の状態にすることによりこれ
らを支持すると共に保護する。第２の機能として、カプ
セル１１８は、シェルのノーズ側部分１１０ｂ及び後尾
側部分１１０ａのブレースとして働く。シェル部分は、
同一の長手方向軸線（軸線Ｂ−Ｂ）に沿って心出しされ
るようになり、これらそれぞれの垂直の後面と前面は、
平面Ａ−Ａのところで制御された接触を行う。かくし
て、全衝撃力のうち一部は、内側カプセル１１８によっ
て伝えられて減衰する。

【００４６】カプセル１１８は、図７、図８Ａ及び図８
Ｂで分かるようにシェル部分１１０ｂの室１１２ｂ及び
シェル部分１１０ａの室１１２ａ内の２つの相補する内
側螺設部分１２７ａ，１２７ｂにしっかりと係止される
ようにするための外側螺設部分１２６を備えている。エ
レクトロニクス部分内への望ましくない流体の流入を封
止するために適当な注封処理が室１１２内に施されてい
る。

【００４７】上述したように、データセンサ１１４は、
シェル１１０の室内に納められたカプセル１１８内に支
持されている。カプセル１１８は、ノーズ側部分１１０
ｂ内の室１１２ｂから後尾側部分１１０ａ内の室１１２
ａ内に延び、それによりカプセルは第１の平面Ａ−Ａを
横切ってシェル１１０のノーズ側部分と後尾側部分を一
体化している。カプセルは、この中にデータセンサ１１
４を配置しやすくするためにカプセルの長手方向軸線
（キャビティ１２８内に配置された時は軸線Ｂ−Ｂ）を
含む第２の平面Ｃに沿って実質的に分割されている。カ
プセル１１８の分割部分は、室１１２内への配置に先立
って、カプセルのスプリット部分に正しく係合してこれ
を整列させるための互いに相補する前方構成部品と後方
構成部品（図９では、それぞれ全体を１３３，１３５で
示されている）をそれぞれ更に有している。

【００４８】カプセルは第２のポート１２０を更に有
し、このカプセルは、図７に示すように第２のポートを
第１のポート１１６に隣接して位置決めするようシェル
１１０の室１１２内に設けられている。これにより、セ
ンサを地下地層中に配置すると、地層流体の性状を第１
及び第２のポートを通してデータセンサ１１４に伝える
ことができる。データセンサ１１４は好ましくは、少な
くとも地層の圧力及び温度を検出するようになってお
り、多数の別々のセンサから成るのがよい。

【００４９】ＲＦ信号を介して遠隔ステーションと情報
のやり取りをするためには、アンテナも又、センサ装置
の一部をなすものでなければならない。このアンテナ
は、センサ装置が点火によって誘発される推進力を介し
て配備される（換言すると、センサ装置が「発射」され
る）とすれば、燃焼室内圧力及び温度に対して保護が必
要であると共にすべての衝撃力からの保護が必要であ
る。これらすべての制約条件に見合うようにするため
に、転移強化ジルコニア（Transition Toughened Zirco
nia ：ＴＴＺ）セラミックで作られたＲＦ半透過性後方
キャップが開発された。図７はかくして、室の後尾側部
分１１２ａ内に設けられていて、データセンサ１１４に
よって検出された流体の性状を表す信号を伝送し、遠隔
の源、例えばドリルカラーからの信号を受け取ってデー
タセンサを動作状態にするアンテナ１２２を備えたイン
テリジェントセンサ装置２４を示している。アンテナ１
２２は、図４に概略的に示す送信器／受信器コイル４６
を有している。

【００５０】動作原理次に、インテリジェントセンサ装
置２４の配備方法及び動作原理を概略的に説明する。イ
ンテリジェントセンサ装置は、地下地層の性状を指示す
るカプセル入りデータセンサ１１４並びに遠隔から伝送
された信号を受け取る受信器及びセンサによって指示さ
れた性状を表す信号を伝送する送信器を備える実質的に
弾丸の形をしたシェル１１０を有している。センサ装置
２４は、地下地層に開けられた坑井内に配置されるドリ
ブルストリングのドリルカラー内に設けられている。

【００５１】以下の説明がたとえドリルストリングのド
リルカラーからの配備方法に限定されていても、本発明
の範囲は、ワイヤラインツールからのインテリジェント
センサ装置２４の配備にも及ぶ。

【００５２】ドリルストリングからの力を加えて装置２
４をドリルカラーから地下地層中へ移動させる。インテ
リジェントセンサ装置（これは、「スマート弾丸」とも
呼ばれる）をモニターされるべき地層内部にいったん配
置すると、掘削作業と関連して伝送及び収集エレクトロ
ニクスが動作するシーケンスは以下の通りである。

【００５３】データ収集センサを備えたドリルカラー
（又は、他のダウンホールツール装置）を、インテリジ
ェントセンサ装置２４に密接して配置する。図６に符号
８４で示すような周波数Ｆの電磁波をドリルカラー送信
器／受信器コイル３８から伝送してインテリジェントセ
ンサ装置（これはターゲットとも呼ばれる）を「スイッ
チオン」すると共にセンサ装置が識別用符号化信号を送
り戻すようにする。電磁波は、遠隔に配備されたセンサ
装置のエレクトロニクスの動作を開始させて収集及び伝
送モードにし、すると選択された地層パラメータ及びセ
ンサの識別コードを表す圧力データ及び他のデータが遠
隔のセンサ装置の高さ位置で得られる。

【００５４】特定の実施形態では、インテリジェントセ
ンサ装置２４は、地層圧力の測定を行う。この機能の場
合、圧力／温度センサがエレクトロニクスカプセル１１
８の前に配置される。このセンサと地層流体との間の油
圧の作用による連絡が、連絡ポート１１６，１２０を介
して達成される。圧力センサ及び連絡ポートの周りの内
部空間を非導電性油圧流体で満たす。実際には油圧オリ
フィスであるポート１１６には、セラミック濾材か或い
は金属濾材かのいずれかで作られたフィルタが設けられ
ている。これは、配備中、充填流体の喪失を止める流体
の絞り手段をなすと共に地層液体がいったんポート開口
部と接触するとフィルタとしても役立つ。

【００５５】ターゲット、換言するとリモートセンサが
設けられていることは、図６の伝送タイムチャート（タ
イミングダイアグラムと呼ばれることもある）中の符号
８６のところで示すように２Ｆの周波数でターゲットか
ら後方に散乱される反射波によって検出される。圧力計
のデータ（圧力及び温度）及び他の選択された地層パラ
メータが同時に得られ、センサ装置２４のエレクトロニ
クスは、検出された地層データを１又は２以上の直列デ
ィジタル信号に変換する。この又はこれらのディジタル
信号は、場合に応じて遠隔配備されたセンサ装置２４か
らアンテナ１２２内の送信器／受信器コイル４６を介し
てドリルカラーに送り戻される。これは、データの個々
のビットを同期させて特定のタイムシーケンスの状態に
符号化することによって達成され、この特定のタイムシ
ーケンス中、散乱された周波数がＦと２Ｆとの間で切り
替えられることになる。

【００５６】例えば、タイムシーケンス８８は、持続期
間ＴS を有する同期命令として解釈される。タイムシー
ケンス９０，９２は、それぞれ持続期間Ｔ1 及びＴ0 を
有するビット１及びビット０として解釈される。安定し
た圧力及び温度の読みが得られて、これらの読みを首尾
よくドリルカラー１０の搭載回路に伝送した後、データ
収集及び伝送を終了させる。上述のシーケンスが開始さ
れるといつでも、ドリルカラー内に納められた送信器／
受信器コイル３８は送信器電力駆動装置又は増幅器４０
によって電力供給される。電磁波が、図６のタイムチャ
ート中に符号８４のところに示すように発振器４２によ
って特徴づけられた周波数Ｆでドリルカラーから伝送さ
れる。周波数Ｆは、１００ＫＨｚから最高５００ＭＨｚ
までの範囲内で選択されるのがよい。ターゲットがドリ
ルカラー送信器の影響の及ぶ領域に入ると直ぐに、スマ
ート弾丸２４のアンテナ１２２内に設けられた受信器コ
イル４６は、受信器コイル制御回路７６及び送信器／受
信器コイル４６によって原周波数の２倍の周波数で電磁
波を送り戻す。

【００５７】今日行われている作業とは対照的に、本発
明を利用すると、掘削中に圧力データ及び他の地層パラ
メータを利用可能になり、従って、鑿井作業員は、フォ
ーメーションテスター機器を坑井内へ導入する目的だけ
で、ドリルストリングをトリッピングさせる必要なく、
掘穿泥水の重さ及び組成、並びに穿孔パラメータに関す
る決定を掘削作業の非常に初期の段階で行って掘削の安
全性を高めることができる。本発明では、実際の地層測
定を行うのに要する時間が非常に短い。リモートセンサ
をいったん配備すると、データを、掘削中に得ることが
でき、この特徴は公知の坑井掘削法では得ることができ
ない。

【００５８】圧力センサ１８からの圧力データが入手で
きる間、穿孔した坑井地層の時間依存性圧力モニタも実
施できる。この特徴は、当然のことながら、ドリルカラ
ーの電力カートリッジ内に納められた送信器／受信器回
路と任意の配備されたインテリジェントリモートセンサ
との通信リンクに依存している。

【００５９】インテリジェントセンサ装置出力は、標準
型物理検層作業中、ワイヤライン物理検層ツールを用い
て読み取ることができる。本発明のこの特徴により、地
下の地層の変化しているデータ条件を、その時点におい
て掘削しながら地層から入手できるリアルタイム地層デ
ータに加えて、物理検層ツールのエレクトロニクスによ
って入手できる。

【００６０】インテリジェントセンサ装置２４を少なく
とも初期のデータ収集期間の際、中間坑井周囲環境を越
えて遠くの場所に位置決めすることにより、得られた圧
力測定値に対する坑井効果は生じないであろう。現場セ
ンサを用いて地層圧力を得るのに必要な液体の運動は不
要なので、非透水性岩盤中の地層圧力を測定することが
可能になろう。当業者であれば、本発明は、幾つかの地
層パラメータ、例えば透水性、導電性、比誘電率、岩盤
強度及び他のパラメータの測定を可能にするよう改造で
き、地層の圧力測定には限定されないことは理解されよ
う。

【００６１】さらに、いったん配備されるとリモートセ
ンサが相当な期間にわたって地層データの収集源となる
ということが技術的特徴として本発明によって計画され
ていて、これは本発明の範囲に属する。この目的のた
め、個々のセンサの位置が識別可能であることが必要で
ある。かくして、一実施形態では、リモートセンサは、
ツールストリング内に設けられていて、地層中に配備さ
れた各センサの位置及び個々の空間的識別性を高めるジ
ャイロ利用装置と共に、ガンマ線検出ツール又はゾンデ
によって識別できる放射性「ピップタブ（pip-tab ）」
を有することになろう。

【００６２】上記の説明を考慮すると、本発明は、上述
した目的及び特徴の全て並びに本明細書に記載した装置
に固有の他の目的及び特徴を十分に達成していることは
明らかである。

【００６３】当業者には明らかなように、本発明は、そ
の精神及び本質的特徴から逸脱すること無く他の特定の
形態で容易に実施できる。したがって、上記実施形態
は、本発明の例示であって、これを限定するものではな
い。本発明の範囲は、上記説明ではなく、特許請求の範
囲の記載に基づいて定められ、特許請求の範囲に記載さ
れた文言上の意味及びその均等範囲に属する変形例は全
て、本発明の範囲に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサ装置をドリルカラーから配備し
た後の坑井内でのドリルカラーの配置状態を示す略図で
ある。

【図２】インテリジェントセンサ装置を坑井から選択さ
れた地下地層に強制的に差し込むための油圧作動式シス
テムを有するドリルカラーの略図である。

【図３】遠隔操作で配備されたセンサ装置からの地層デ
ータ信号を受け取る電子回路を備えた電力カートリッジ
を有するドリルカラーを概略的に示す電子ブロック線図
である。

【図４】１又は２以上の地層データパラメータ、例えば
あ多、温度、岩石透水性を検出し、データを記憶装置に
格納し、指令を出したときに、記憶データを図４に示す
ドリルカラーの電力カートリッジの回路に伝送するイン
テリジェントセンサ装置を概略的に示す電子ブロック線
図である。

【図５】インテリジェントセンサ装置の受信器コイル回
路を概略的に示す電子ブロック線図である。

【図６】ドリルカラーと遠隔操作で配備されたセンサ装
置との間の無線周波数を利用した通信のパルス幅変調方
式を示す伝送タイムチャートである。

【図７】本発明のインテリジェントセンサ装置の断面詳
細図である。

【図８Ａ】インテリジェントセンサ装置の外側シェルの
後尾側部分の断面図である。

【図８Ｂ】インテリジェントセンサ装置の外側シェルの
ノーズ側部分の断面図である。

【図９】インテリジェントセンサ装置の内側エレクトロ
ニクスカプセルのうち３／４部分の直角投影図である。

【符号の説明】

１０ ドリルカラー １４ 電力カートリッジ ２４ インテリジェントセンサ装置 １１０ シェル １１０ａ 後尾側部分 １１０ｂ ノーズ側部分 １１２ａ，１１２ｂ キャビティ １１４ データセンサ １１８ カプセル １２２ アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レノックス イー リード アメリカ合衆国 テキサス州 77082 ヒ ューストン リトル リーフ コート 14915

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地下の地層からデータを収集するために
   センサを地下地層中へ遠隔操作で配備する装置であっ
   て、室が設けられていて、地下地層中への強制的な推進
   力に耐えるようになったシェルを有し、シェルは、地下
   地層内に存在する流体の性状を室に伝えるための第１の
   ポートを有し、前記室内に設けられたセンサが、流体の
   性状のうち少なくとも１つを検出できるようになってい
   ることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 前記シェルの前記室内に設けられたカプ
   セルを更に有し、前記カプセルの中には、地層の性状の
   うち少なくとも１つを検出するセンサが設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記シェルは、その長手方向軸線に垂直
   な第１の平面に沿ってノーズ側部分と後尾側部分に分割
   され、各部分は、これらを互いに連結すると、前記室を
   形成するよう互いに協働する対向したキャビティを有
   し、前記カプセルは、ノーズ側部分内の室から後尾側部
   分内の室まで延びていて、第１の平面を横切って前記シ
   ェルのノーズ側部分と後尾側部分を一体化していること
   を特徴とする請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記シェルは、前記装置の配備中、その
   長手方向軸線に沿って少なくとも８５，０００Ｇの力に
   耐えるようになっていることを特徴とする請求項１記載
   の装置。
5. 【請求項５】 前記カプセルは、少なくとも一部がチタ
   ン合金で作られていることを特徴とする請求項２記載の
   装置。
6. 【請求項６】 前記シェルの前記ノーズ側部分は、実質
   的にタングステン合金で作られていることを特徴とする
   請求項３記載の装置。
7. 【請求項７】 前記シェルの前記後尾側部分は、前記シ
   ェルの室内に設けられている部品を前記装置の配備中に
   受ける高温及び高圧から保護するようになっていること
   を特徴とする請求項３記載の装置。
8. 【請求項８】 前記シェルの後尾側部分は、実質的にジ
   ルコニア系セラミックで作られていることを特徴とする
   請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 地下の地層の性状を測定する方法であっ
   て、シェルに、地下地層の性状を指示するセンサ及びセ
   ンサにより指示された性状を表す信号を伝送するアンテ
   ナを装備する段階を有し、前記シェルは、該シェルを地
   下地層に差し込むと、地下地層内に存在する流体の性状
   をセンサに伝えるためのポートを有し、前記方法は、シ
   ェルを地下地層に掘った坑井内に配置されるダウンホー
   ルツール内に設ける段階と、ダウンホールツールからの
   力を及ぼしてシェルをドリルストリングから地下地層中
   へ移動させる段階と、地層の性状をセンサで検出する段
   階と、地層の性状を表す信号をアンテナで伝送する段階
   とを有することを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 シェルに及ぼされる力は、点火により
    誘発される推進力であることを特徴とする請求項９記載
    の方法。
11. 【請求項１１】 シェルに及ぼされる力は、実質的に機
    械的な力であることを特徴とする請求項１０記載の方
    法。