JP2006518451A - 坑井検層システム用音波アイソレータ - Google Patents

Abstract

器具を伝わる音波信号を減衰するための音波アイソレータは、複数のＵ形連結部材（11）を有しており、各連結部材は二対の耳部（17, 18）を有している。複数のヨーク部材（12）が協働する耳部対の間に適合するようになっている。複数のピン（13）が前記複数のＵ形連結部材（11）を前記複数のヨーク部材（12）に連結して、制限された湾曲コンプライアンスを与えている。アイソレータは、金属材料及び／又は複合材料で作られているのがよい。

Description

本発明は、音波坑井検層に関し、より詳しくは音波検層システムに使用される音波アイソレータに関する。

ケーシングによって保護された坑井又は保護されていない坑井の両方について、坑壁形成物質の性質を測定する音波検層器具はよく知られている。このような器具は、坑壁形成物質を通って、所定距離を伝播する音波パルスの伝播時間を測定する。ある研究においては、地中を通過した後の、音波パルスの振幅及び周波数が重要である。

その最も単純な形式において、音波検層機は、坑井周囲の地層の中に音波信号を周期的に発する一台以上の変換送信機からなる。該送信機から、所定距離をおいて配された一台以上の変換受信機が、坑井の周囲の地層を通過した後の信号を受信する。信号送信と信号受信との時間差で送信機と受信機との間の距離を割ったものが、地層速度である。送信機と受信機とが坑壁に接していない場合は、坑井泥水中を通過することによる時間の遅れを斟酌しなければならない。

この明細書中で、特に断りがない限り、「速度」という用語は、弾性のある媒体を通じての音波場の伝播速度を意味すると理解されたい。

音波場は、様々なモードで弾性のある媒体中を伝播する。このモードとは、波の移動方向に粒子が動く圧縮波又はＰ波；均一で等方性のある媒体の場合、２つの直交する方向に分極して、波の移動方向と垂直方向に粒子が動く横方向剪断波又はＳ波；坑井の流体−固体境界部に沿って伝播する導波であるストンレー波；そして坑井泥水そのものの中を伝播する圧縮波である。後で議論する非対称たわみ波もある。

Ｐ波は、流体中も固体中も伝播する。剪断波は流体中には存在しない。坑井泥水中を伝播する圧縮波は、坑壁形成物質中において屈折によって剪断波にモード変換されることもある。但し、媒体中を伝播する剪断波の速度は、坑井泥水中を伝播する圧縮波速度より大きくなければならない。そうでない場合は、坑壁形成物質における剪断波は、直接的な励起によってのみ発生させることができる。

他のパラメータの中でも、伝播の様々なモードはその相対速度によって区別することができる。圧縮波と剪断波との速度は、弾性定数と波が伝播する媒体の密度との関数である。Ｓ波の速度は、実用的には、Ｐ波の速度の約半分である。ストンレー波はＳ波よりもやや遅い。坑井泥水中を伝播する圧縮波場は、通常、地層剪断波よりも遅いが、ある種の柔らかい地層中に掘削された坑井では、坑井泥水中の圧縮波場の速度は坑壁地層中のＳ波速度よりも大きい場合もある。たわみ波の速度は、音波励起周波数の逆関数として、Ｓ波速度に近付くと言うことができる。文献の著者の中には、たわみ波を擬ローリー波とする人もいる。

坑井の検層においては、様々な音波伝播モードを調べることによって、地層の弾性定数、岩盤組織、流体含量、透水性、岩盤破壊性、井戸ケーシングへのセメント接着の良好性、及び他のデータについての診断的情報を得ることができる。通常、音波検層器具からの出力表示は、坑井中の多くの異なる深さ位置で見た波列の時間尺度での記録という形態を取り、各波列は全ての波場伝播モードを示す数多くの重なり合う事象を含んでいる。定量的な分析のためには、各波場モードを単離する必要がある。Ｓ波が特に重要である。しかしながら、Ｓ波の到着時間がＰ波の到着時間よりも遅いので、Ｓ波の示す事象は後の周期のＰ波によって、また、後から到着する他の事象からの干渉によって汚染される。したがって、公知の検層器具は、ハードウェアをうまく設計することによって、また、適切なソフトウェアを用いて後処理することによって望まれない波場を抑制するように設計されている。単極及び双極の両方の信号は、適切に構成された変換器を用いて送受信することができる。システムは信号の移動時間を測定するので、検層の最中は送信機と受信機との間の位置関係が実質的に一定であることが必須である。単極の信号については、送信機と受信機との間の距離は実質的に一定であるのがよい。双極の信号については、送信機と受信機との間の距離と回転位置との両方が、検層の間、実質的に一定である必要がある。

よく知られているように、音波送信機と音波受信機とは、検層ゾンデの対向する端部に取り付けられている。検層ゾンデの本体は、通常、音波を伝導するステンレススチール等の適切な金属でできている。したがって、ゾンデを伝わる望ましくない音波エネルギーが地層を通って伝播する所望の音波エネルギーに干渉するのを防ぐために、ゾンデの送信機と受信機との間に音波アイソレータを挿入する必要がある。

さらに、コイルドチュービング又は掘り管を用いた音波器具の使用が増えるに従って、音波ゾンデへの軸方向及び回転方向の両方の負荷が増大してきた。例えば、大きく傾斜しているか、水平方向の坑井においては、検層器具を掘り管と共に展開することもできる。掘り管は、検層器具を配設したり、引き抜いたりしている間、管と坑壁との間の摩擦抵抗を低減させるために、ゆっくりと回転させるのがよい。連続的な検層の最中であっても、軸方向及び／又は回転方向の残存している負荷が音波検層器具を伝わる場合もある。

ワイヤラインの配設と共に一般に使用されている従来技術のアイソレータは、高負荷を受ける掘り管での配設による検層では、軸方向又は回転方向のいずれかの方向に脆いか、又は過度に変形することがわかっている。例えば、1965年６月22日にシュスター（Schuster）に発行された米国特許第3,191,141号は、送信機と受信機との間に配されるスロットを設けたスリーブアイソレータについて記載している。スロットを設けることによって、音波エネルギーが伝播する経路を蛇行させ、波を遅延させると共に減衰させる。単極送信機のみを備えている器具に対しては、スロットを設けたスリーブで十分なことも多いが、双極又は他の形態の多極送信の場合は不十分であることが多いことがわかっている。さらに、軸方向の負荷が高い状況下では、スロットを設けた機構は脆弱であることがわかっている。

1989年10月10日にエイ．ウィグノルら（A. Wignall et al.）に発行された米国特許第4,872,526号、ロバーツら（Roberts et al.）に発行された米国特許第5,728,978号、そしてレスターら（Lester et al.）に発行された米国特許第5,229,553号の全ては、しっかりと接続した、弾力性のある、通常はゴム製の要素を複数用いて器具を伝わる信号の減衰を行っている。高負荷を受ける掘り管での配設による検層では、弾性部材は軸方向及び回転方向の両方に許容できないほど変形している。この変形によって、結果として得られる検層、特に多極音源からの検層に許容できないほどの誤差が生じる。

傾斜した坑井を通過するのに十分な可撓性を有しながら、検層器具の送信機と受信機との間に軸方向及び回転方向のサイズ安定性を与えるのに十分なほどの剛性を有している音波アイソレータが求められている。

米国特許第3,191,141号 米国特許第4,872,526号 米国特許第5,728,978号 米国特許第5,229,553号

本発明は、音波検層器具において器具を伝わる音波信号を減衰するシステム及び方法を提供する。

本発明の第一の面において、器具を伝わる音波信号を減衰するための音波アイソレータは複数のＵ形連結部材を有しており、各連結部材は二対の耳部を有している。複数のヨーク部材が協働する耳部対の間に適合するようになっている。複数のピンが複数のＵ形連結部材を複数のヨーク部材に連結して、制限された湾曲コンプライアンスを与えている。

本発明の他の面において、坑井を取り囲む地層の音波伝播性を測定するシステムは、地表面の位置から坑内部の測定対象の地層へと延在する管状部材を有している。管状部材の底端部近傍には音波検層器具が取り付けられている。この音波検層器具は送信機部、受信機部、器具を伝わる音波信号を減衰させるピンで接続された音波アイソレータを備えている。

一態様において、坑井を取り囲む地層の音波調査を行う方法は、音波検層器具を坑井中に送り込む段階を含む。少なくとも１つの音源が作動されて、地層と検層器具に音波信号を発生させる。器具を伝わる音波信号は、複数のヨーク部材を介して協働するようにピン接続されている複数のＵ字形連結部材を有する音波アイソレータを用いて減衰される。地層を通過する信号と、減衰された器具を伝わる信号とは、音波アイソレータの音源と反対側の位置にある、受信機部の少なくとも一台の受信機によって受信される。

本発明の詳細な理解のために、添付の図面と共に、以下の好ましい態様の詳細な記載を参照されたい。図中において、類似の要素には類似の参照符号が付されている。

本発明は、表層地層（炭化水素堆積物を有していると考えられている地層も中にはある）に関する情報を得るのに使用される坑井内器具を伝わる音波を減衰するシステム及び方法を提供する。

この明細書中では、器具の軸とは坑井の中央線に実質的に平行な、器具の長手方向の軸を意味する。角度偏倚とは、器具の軸に対する角度を意味する。回転とは、器具の軸を中心とした回転を意味する。

図１は、従来の掘削装置１を示しており、この装置から接合管６が坑井２の中へ送り込まれる。坑井２は、実質的に水平な部分（図示されていない）も含み、傾斜している場合がある。音波検層器具10が接合管６の底端部の近傍に取り付けられている。この技術分野において普通に行われているように、他の検層装置（図示されていない）も、音波検層器具10の上方及び／又は下方において該音波検層器具10に取り付けることができる。接合管６は、検層器具を傾斜した坑井中によじれることなく搬入するのに十分なほど曲がりにくい。検層器具10は、それ自体、大きな軸方向の荷重をかけられることがある。さらに、坑井２の坑壁との摩擦を低減し、また、地層30に関して望ましい方法で検層器具を方向付けるために、配設中に接合管６を回転させてもよい。

図２に示されている音波検層器具10は、送信機部５、受信機部３、及び該送信機部５と該受信機部３との間に配置された音波アイソレータ４を有している。図２における送信機部５と受信機部３との位置は例示的なものであり、アイソレータ４のいずれの側にも容易に交換して配置することができる。送信機部５は、坑井２を取り囲む地層30内へ対応する音波信号21を送信するための単極型音源22及び／又は双極型音源23を送信機筐体51内に有することができる。このような音源の例は、米国特許第5,229,553号に記載されており、その開示をこの参照によって本明細書内に取り入れる。信号21は地層30中を伝播して、受信機部３の受信機筐体52内に配された単極型受信機24及び／又は双極型受信機25で受信される。受信機部３に、軸方向に所定の間隔を置いて複数の単極型受信機及び／又は双極型受信機を配しても良い。双極型受信機25は、双極型音源23に関して所定の回転位置で配することができる。

音波アイソレータ部４（図２参照）は、送信機部５と受信機部３との間に設けられ、送信機筐体51と受信機筐体52とにそれぞれ接続され、送信機部３及び受信機部５の器具筐体52、51を通って伝播する可能性のある音波信号を減衰させる。先に議論したように、器具を伝わるこれらの信号は、地層を通過する信号21を汚染、及び／又は信号21に干渉し、地層30の性質の理解に誤りを生じさせる。音波アイソレータ４は、予め定められた数の、直列に連結された自在型の継手７を有してなっている。図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明すると、各自在継手７は内部ヨーク部材12、耳部17, 18を有する２つの外部連結部材11、及び前記耳部17, 18をヨーク12に接続する複数のピン13を有している。耳部17は耳部18に実質的に直交するように形成されている。ヨーク12は、送信機部と受信機部との間に電気通信用の電線を通す貫通孔27を有している。さらに、ヨーク12は４つの側面36a〜36dを有しており、側面36aと36cとは相互に実質的に平行で、側面36bと36dとも相互に実質的に平行である。さらに、側面36aと36cとは、側面36bと36dとに実質的に直交する。各側面には、対向するように穴35が設けられており、穴35はピン13を留め付けるための肩部（図示せず）を有している。連結部材11の耳部17, 18には、ピン13を挿入することができる大きさの穴38が対応する位置に設けられている。

組み立てに際しては、連結部材11の耳部17, 18に設けられた穴38とヨーク部材12の穴35とが一直線上に並ぶようにして、ヨーク部材12が２つの連結部材11の耳部17, 18の間にしっかりと固定される。図３Ｂを参照されたい。一直線上に並んだ穴38, 35の各組に、通常、４本のピン13が挿入され、穴38の内側周表面に設けられた適切な溝（図示せず）に適合する保持環14などの保持具によって所定位置に保持される。末端キャップ31, 32（図２参照）は、その一端にアイソレータの継手７と接続するための一組の耳部を有しており、他端には受信機部３及び送信機部５と接続するための、螺子山を設けた接続部などの適切な接続具を有している。電線（図示せず）は複数の継手の中央貫通孔26, 27を通し、また、器具の送信機部５と受信機部３との間に接続する適切な電気コネクタを通して送られる。

耳部17, 18の端面40, 41（図３Ａ、３Ｂ参照）は、対応する表面が湾曲していて連結部材が自由に回転することができるようになっている通常の自在継手とは対照的に、実質的に平坦になっている。同様に、連結部材11の体部の表面43, 44も実質的に平坦である。組み立てられると、表面40, 41と表面43, 44とは空隙20によって隔てられる。当業者には理解されるように、平坦な表面同士の相互作用によって、ピン留めされた接続部によって定められる２つの軸のピン留めされた接続部を中心として、自在継手に制限された可撓性を与える。可撓性をどの程度とするかは、耳部17, 18のサイズを適切に調節して間隙20を小さくしたり大きくしたりすることによって調整することができる。軸方向及びねじり方向の負荷受容量は、ピン13と耳部17, 18とのサイズによって実質的に定められ、一方、所望の長さ及び回転の安定性はピン13と穴35, 38との間の空間と公差とによって決定される。当該技術分野において一般的な名目加工公差は、本発明を用いた送信機と受信機との軸方向及び回転方向の並びを確立するのに十分であることに注意されたい。本発明は、この技術分野で普通に行われているように、坑井の大きさの相違に応じて異なる器具のサイズに適合するように、規模を大きくしたり小さくしたりすることができる。

継手７の制限された可撓性のある動きによって、器具を通って伝播する剪断音波モードを大きく減衰するのに十分なコンプライアンスが得られる。伝播距離が長くなったためと、多数のピン留めされた連結部を渡って音波が伝播するために、長手方向の音波モードは大きく減衰される。図４及び５は、米国特許第5,229,553号に記載されているもののような従来技術のアイソレータと比べて、10個の継手部７を有する例示的なアイソレータにおいて、不要な音波の減衰が向上したことを示している。図４は、受信機部において、間隔を空けて配された８台の受信変換器を有するアレイについて、受信した信号の振幅S1〜S8を時間の関数として示している。受信した信号のピークはP1〜P8で表示され、混乱を避けるために、P2〜P7の表示は図４及び５から省略されている。ピークP1〜P8は時間的に互いにずれて現れており、これは、変換器が間隔を空けて連続的に配されているので、後の変換器に伝播するのに時間がかかることを示している。図５は、本発明のアイソレータを用いた、同じく８台の変換器によって受信された信号を示している。図５のチャートは、図４で用いられたものと同じ振幅規模及び時間規模でプロットされている。P1によって例示されるように、本発明のアイソレータを用いると、受信した信号の振幅は大幅に減衰されることが、明らかにわかる。ピークP2〜P8は、容易に識別することができないほどに減衰されている。

好ましい態様においては、アイソレータの継手７は金属材料で作られている。或いは、アイソレータの継手７は、この技術分野で知られている繊維強化複合材料で作られていても良い。また別の態様では、継手は、金属材料と複合材料との両方を用いたハイブリッド構造物であっても良い。

本発明のある特定の態様について例示し、記述してきたが、当業者であれば数多くの変更や修正を思いつくであろう。添付の請求項においては、そのような全ての変更や修正も包含することを意図していることを理解されたい。

図１は、本発明の好適な一態様による、坑井中の検層システムの略図である。 図２は、本発明の好適な一態様による、坑井中の音波検層器具の略図である。 図３Ａは、本発明の好適な一態様による、アイソレータ組立体の一部分を示す略図である。 図３Ｂは、本発明の好適な一態様による、図３Ａの部品の展開図である。 図４は、従来技術のアイソレータを用いて受信した音波信号のチャートである。 図５は、本発明の好適な一態様による音波アイソレータを用いて受信した音波信号のチャートである。

Claims (19)

1. a.各連結部材が二対の耳部を有している、複数のＵ字形連結部材、
   b.複数のヨーク部材、及び
   c.前記複数のＵ字形連結部材を前記複数のヨーク部材に接続する複数のピン
   を有することを特徴とする、器具を伝わる音波信号を減衰させる音波アイソレータ。
2. 前記アイソレータに送信機部と受信機部とを接続する一対の末端キャップをさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 各連結部材と各ヨーク部材とが、少なくとも１本の電線を通すための軸方向の孔を有していることを特徴とする、請求項１に記載のアイソレータ。
4. 前記音波アイソレータが、(i) 金属材料、及び(ii)複合材料の少なくとも一種で作られていることを特徴とする、請求項１に記載の音波アイソレータ。
5. 前記アイソレータが所定の制限された可撓性のある動きをするように、前記各耳部の端面が実質的に平坦であることを特徴とする、請求項１に記載のアイソレータ。
6. a.地表面の位置から坑内部の測定対象の地層へと坑井中に延在する管状部材、並びに
   b. i. 送信機部
   ii. 受信機部、及び
   iii. 器具を伝わる音波信号を減衰させるピンで接続された音波アイソレータ
   を有し、前記管状部材の底端部近傍に取り付けられた音波検層器具
   を含む、坑井を取り囲む地層の音波伝播性を測定するシステム。
7. 前記送信機部が少なくとも１つの音源を有していることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの音源が、(i) 単極音源、及び(ii)多極音源の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記多極音源が二極音源であることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 前記受信機部が少なくとも一台の音波受信機を有していることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
11. 前記少なくとも一台の音波受信機が、(i) 単極受信機、及び(ii)多極受信機の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記多極受信が二極受信機であることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記音波アイソレータが、(i) 金属材料、及び(ii)複合材料の少なくとも一種で作られていることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
14. 前記音波アイソレータが、前記送信機部と前記受信機部との間に電気的接続を与えるようになっている、請求項６に記載のシステム。
15. 前記管状部材が、(i) ワイヤライン、(ii)コイルドチュービング、及び(iii) 直列接合管の内の１つであることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
16. a.音波検層器具を坑井中に送り込み、
    b.少なくとも１つの音源を作動し、地層と前記音波検層器具に音波信号を発生させ、
    c.複数のヨーク部材を介して協働するようにピン接続されている複数のＵ字形連結部材を有する音波アイソレータを用いて、器具を伝わる音波信号を減衰させ、
    d.地層を通過する前記信号と前記器具を伝わる減衰された信号とを、音波アイソレータの音源と反対側の位置にある、受信機部の少なくとも一台の受信機によって受信する
    段階を含む、坑井を取り囲む地層の音波調査を行う方法。
17. 前記少なくとも１つの音源が、(i) 単極音源、及び(ii)多極音源の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記少なくとも一台の音波受信機が、(i) 単極受信機、及び(ii)多極受信機の少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
19. 前記音波アイソレータが、(i) 金属材料、及び(ii)複合材料の少なくとも一種で作られていることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
    
    

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