JP2010210300A - 孔内データ収集システム - Google Patents

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Abstract

【課題】伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため孔内データをリアルタイムで伝送することができ、しかもシステムを安価に構築でき、システム維持も容易に行えるようにする。
【解決手段】孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデ10と、計測ゾンデを吊り下げるワイヤー12と、ウインチ装置14と、地上観測装置16を具備し、ワイヤーにより計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムである。ワイヤーは、長手方向に複数箇所に分散配置したロータリージョイント18を介して複数の多芯ケーブル20を機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体であり、ロータリージョイントは、ロータリー式の信号カプラを内蔵し、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号の伝送を可能とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、孔底の環境、掘削状況、地層の状況などの孔内データを、多芯ケーブルを用いた有線方式によりリアルタイムで収集するシステムに関し、更に詳しく述べると、孔内に計測ゾンデを吊り下げるワイヤーとして、ロータリージョイントを介して多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体を用い、ロータリージョイントで、上部ケーブルと下部ケーブルとの回転が許容され且つ電気信号が伝送されるようにした孔内データ収集システムである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば大深度のボーリングの際、効果的に掘削を進めるために、掘削中に各種の孔内データをリアルタイムで把握したい場合などに有用である。
石油や天然ガスなどの地下資源の開発、地熱開発、地球科学の研究などの分野では、地下深部までボーリングすることが広く行われている。こうした深部ボーリングでは、目的によっては、ボーリングの向きを意図する方向に変える必要があり、そのための掘削制御が行われる。このため、ボーリング孔底の方位、圧力、ビット圧、トルクなどのデータをリアルタイムで地表に伝送することが必要となっている。
特に地球科学の研究目的で実施される深部ボーリングでは、できる限り地層を乱すことなく試料を採取することが望まれる。この場合には、地下の地層の状態を、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量をリアルタイムで計測し、掘削制御を行う必要がある。
これらを目的として、MWD技術(Measuring While Drilling)、LWD技術(Logging While Drilling)、LWC技術(Logging While Coring) が開発されている。これらの技術では、ボーリング孔底から地表まで、ほぼリアルタイムでデータを伝送する必要があるが、掘削のためにボーリングロッドが回転していることから、通常、有線方式による伝送は困難とされている。
そこで従来、マッドパルス法が広く用いられている(例えば、特許文献1などに記載がある)。マッドパルス法は、計測ゾンデの尾部に、泥水の通路を絞るパルス弁を設置し、該パルス弁の開閉によって泥水中に圧力変動を生じさせ、その圧力変動を信号として利用し、地上に各種の孔内データを送信する方法である。その他、管体(ドリルパイプ)を伝播する音波を使用する音響伝送法(例えば、特許文献2など参照)、あるいは地中を伝播する電磁波を用いる電磁波伝送法(EM法)もある。しかしながら、数千mを超える大深度からのデータ伝送技術としては、それぞれ問題を抱えている。
まず、マッドパルス法では、データ伝送距離を伸ばすことは難しく、且つデータ転送速度を上げることができない。掘削深度が深くなるにつれて信号が極めて微弱となるため、長時間をかけて変調した信号を伝送し、受信した信号を復調しなければならず、リアルタイムで伝送できるデータは1〜2秒に1ビット程度であり伝送速度が非常に遅くなる。また、音響法やEM法は、信号の減衰が激しく、伝送可能深度は数千m程度であり、それ以上の大深度には適用し難い。
このような問題を解決できる技術として、信号を伝送するケーブルを用いる有線方式が考えられる。例えば、ドリルパイプに信号線を埋め込む。しかし、ドリルパイプは9m程度の長さであり、それをネジで接続していくため、パイプの接合部で信号線を接続する方法が問題となる。この解決方法として、パイプ内では埋め込み信号線で、パイプの接続部では無線により伝送することが行われる。更に信号レベルが低下することの対策として、途中にブースターを設けことも行われている。この方法によれば、信号の伝送速度は大きくなり、孔内データをリアルタイムで伝送することができる。このような有線方式は、伝送速度や伝送可能深度上の問題は無いが、ドリルパイプの加工を必要とするためにために非常に高額の費用がかかるし、途中の無線伝送やブースターへの電源供給も必要となり、システム維持の上で問題が大きい。
特開平5−118186号公報 特開平8−130511号公報
本発明が解決しようとする課題は、伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため大深度での孔内データをリアルタイムで地上に伝送することができ、しかもシステムを安価に構築でき、システム維持も容易に行えるようにすることである。
本発明は、多芯ケーブルを用いた有線方式により孔内データをリアルタイムで収集するシステムであって、孔内に計測ゾンデを吊り下げてるワイヤーとして、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体を用い、各ロータリージョイントでは上部ケーブルと下部ケーブルとの間で回転が許容され且つ電気信号が伝送されるように構成している。このように本発明では、孔内に挿入される計測ゾンデと地上との間を、ロータリージョイントを介して回転自在に接続した多芯ケーブルによって電気信号を伝送しており、その点が最も主要な特徴である。
また本発明でロータリージョイントは、筒状ケーシングと、その内に組み込まれるロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルと下部ケーブルの間で相対回転を許容するためのスラストベアリングと、筒状ケーシング内を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てに絶縁オイルが充填され、それによって内外の圧力差が生じないように構成している。これらの点も、本発明の特徴である。
本発明に係る孔内データ収集システムは、計測ゾンデを吊り下げるワイヤーとして、多芯ケーブルを途中に分散配置したロータリージョイントを介して順次接続した1本のケーブル構造体を用い、それによって電気信号の伝送を行うように構成しており、ロータリージョイントの部分では上部ケーブルと下部ケーブルが相対回転自在であるため、掘削などによりたとえ計測ゾンデが回転しても、ワイヤーに過大な捻れが生じず、高品質のデータを、高速で大量に、しかも長距離にわたって伝送でき、孔内のリアルタイムでの観測が行える。しかも、本システムは、経済的に構築できることから、石油や天然ガスの開発、地熱開発、地球科学の研究などの目的で実施される大深度のボーリングの品質の向上、掘削能率の改善、トータルコストの削減に寄与できる。
本発明では、掘削データと検層のリアルタイム処理が可能であり、多種の掘削方式に対応可能となる。また、計測ゾンデへの給電も可能になるため、内蔵させるセンサーの選択の幅が広がること、電子冷却が可能になること、などの効果があり、計測ゾンデの小型・短尺化が図れる。
更に本発明は、上部ケーブルと下部ケーブルが相対回転自在に接続されているため、多芯アーマードケーブルを用いることでワイヤライン掘削工法のワイヤーとして使用でき、コアバーレルの昇降と、それに伴うコア回収、及び掘削中における各種孔内データの収集がリアルタイムで行える。
本発明に係る孔内データ収集システムの一実施例を示す全体構成図。 それに用いるロータリージョイントの一例を示す説明図。 本発明をワイヤーライン掘削工法に適用する場合の説明図。
孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデと、該計測ゾンデを吊り下げるワイヤーと、該ワイヤーの巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置と、地上観測装置とを具備し、該ワイヤーにより前記計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムであって、前記ワイヤーは、長手方向の複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体であり、各ロータリージョイントは、ロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号が伝送されるようにしたことを特徴とする孔内データ収集システムである。
本発明で用いる各ロータリージョイントは、例えば、筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に組み込まれ上部ケーブルと下部ケーブルとの間で電気信号を伝送するロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルの下端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの上部端板を支える上部シールブロックと、下部ケーブルの上端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの下部端板に支えられる下部シールブロックと、筒状ケーシングと上部シールブロック及び下部シールブロックの間を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てが絶縁オイルで充填されている構造とする。
特に、筒状ケーシング内にゴムチューブを組み込んで2重容器構造とし、ロータリー式の信号カプラであるスリップリング機構が該ゴムチューブ内に組み込まれ、シールブロックとゴムチューブ端板との間、及びゴムチューブ端板と筒状ケーシング端板との間に、それぞれスラストベアリングが介在し、筒状ケーシング及びゴムチューブの内部全てにシリコンオイルが充填されており、ゴムチューブと筒状ケーシングも相対回転自在となっている構造が好ましい。
本発明は、特にワイヤーライン掘削工法に適用するのに有用である。その場合、計測ゾンデを吊り下げるワイヤーを、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のアーマードケーブル構造体として、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ね、計測ゾンデが、前記コアバーレルの直上にてコアバーレル連結部によって連結されるように構成する。
図1は、本発明に係る孔内データ収集システムの一実施例を示す全体構成図である。この孔内データ収集システムは、孔内データを得るための各種センサー及び関連機器などを搭載した計測ゾンデ10と、該計測ゾンデ10を吊り下げるワイヤー12と、該ワイヤー12の巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置14と、地上観測装置16などを具備している。ワイヤー12は、長手方向の複数箇所に分散配置したロータリージョイント18を介して複数の多芯ケーブル20を機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体である。ロータリージョイント18は、ロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間で相対回転が許容され、且つ多芯ケーブル20の抗張力と同等の引張耐力を有し、電気信号の多チャンネル伝送を可能とする構造である。
計測ゾンデ10をワイヤー12で吊り下げて孔内に挿入し、計測ゾンデ10で計測した各種孔内データをワイヤー12によって地上に伝送し、有線もしくは無線により地上観測装置16で収集することで、検層のリアルタイム処理を可能としている。計測ゾンデ10に組み込まれた各種センサーでは、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量を検出し、関連機器では増幅やA/D変換など必要な信号処理、及びデータ送信などを行う。なお、計測ゾンデの容器部分は、必要に応じて非磁性・絶縁外套計測管などで作製する。また、計測ゾンデの下方には、他の機器(例えば後述するワイヤーライン掘削工法の場合はコアバーレルなど)が連結されていてもよい。ワイヤー12は、ロータリージョイント18が取り付けられたままの状態で、ウインチ装置14で巻き取られる。
ロータリージョイントの詳細を図2に示す。各ロータリージョイント18は、外側の筒状ケーシング30と、内側のゴムチューブ32とで2重構造の容器を形成し、ロータリー式の信号カプラとしてスリップリング機構34がゴムチューブ32内に組み込まれる。2重構造とすることで、万一、一方が破損しても被害を最小限に抑えることができる。ここでスリップリング機構34は、相対的に回転自在で摺動接点を備えた2個の接点ブロックの組み合わせである。上部ケーブル20aに上部シールブロック36aを一体化し、その上部ケーブル20aの各電線を一方の接点ブロック34aに接続する。下部ケーブル20bに下部シールブロック36bを一体化し、その下部ケーブル20bの各電線を他方の接点ブロック34bに接続する。これによって、上部ケーブル20aと下部ケーブル20bとは、互いに拘束されることなく自由に回転できる。しかも上部ケーブル20aと下部ケーブル20bとは、スリップリング機構34で常に接続状態にあり、回転しつつ、多チャンネルで電気信号を伝送でき、電力を供給することもできる。
上部シールブロック36aと下部シールブロック36bは、共に小径部と大径部が連続した縦断面T型であり、ネジ込み結合する大径部で多芯ケーブルの強靱な外殻被覆層を挟み込んで固定されている。上下のシールブロック36a,36bとゴムチューブ32の上下の端板38との間、及びゴムチューブ32の両端板38と筒状ケーシング30の上下の受板40との間に、それぞれスラストベアリング42(図2では白丸で示す)を介装させる。これによって、上部シールブロック36a(従って、それと一体となっている上部ケーブル20a)、筒状ケーシング30、ゴムチューブ32、及び下部シールブロック36b(従って、それと一体となっている下部ケーブル20b)が、それぞれ独立して回転フリーとなる。
更に、筒状ケーシング30と上部シールブロック36a及び下部シールブロック36bとの間、ゴムチューブ32の両端板38と上部シールブロック36a及び下部シールブロック36bの間を密封するシール機構が設けられ、水密性を保持する。具体的には、筒状ケーシング30の両端の内周面とシールブロック小径部の外周面との間、及びゴムチューブ端板の内周面とシールブロック小径部の外周面との間に、それぞれOリング44(図2では黒丸で示す)を設ける。そして、筒状ケーシング30の内部全て(ゴムチューブ内、スリップリング機構内も含めて)をシリコンオイルで満たす。このようにすると、ロータリージョイントを孔内泥水中に挿入したとき、筒状ケーシング30の内外に圧力差は生じることはない。なお、前述のように、ロータリージョイント10は、多芯ケーブル20に接続したままの状態でウインチ装置に巻き取られるため、外筒ケーシング30に部分的に柔軟箇所を設けることも有効である。例えば、部分的に縦方向に薄く加工した箇所を設けて柔軟性を確保する。
このように本発明は、電気信号の伝送に多芯ケーブルを用いる有線方式であるから、伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため孔内データを高品位で確実にリアルタイム伝送することができる。しかもスリップリング機構など既存の技術を活用していることで、システムを安価に構築でき、システム維持も容易に行える。
図3は、本発明をワイヤーライン掘削工法に適用した例である。ワイヤーライン掘削工法自体は、既に周知の技術であるので、ここでは簡単に説明するにとどめる。下端に掘削ビット50を備えたアウターバーレル52の内部を、コアバーレル54が自由に通過できるようになっている。コアバーレル54は、通常、9m程度のコアを採取できるような長さであり、ラッチ機構56によってアウターバーレル52に固定・解放可能であり、且つスイベル機構によって相対回転可能に設計される。アウターバーレル52を回転させて地中を掘削し、それに伴いコアはコアバーレル54に入る。その時、コアバーレル54は回転せず、そのためコアは破壊されることなくコアバーレル54に入る。コアがコアバーレル54内で一杯になるとコアを岩盤から切り取り、ワイヤー58を巻き上げることでラッチ機構56を外し、コアバーレル54を地上まで引き上げ、コアを取り出す。
本実施例では、コアバーレル54の直上でコアバーレル連結部60によって、各種センサーー及び関連機器を搭載した計測ゾンデ62を接続する。ワイヤー58の下端にゾンデ嵌合部64を取り付け、該ゾンデ嵌合部64によって計測ゾンデ62に自由に接続できるようにする。ワイヤー58としては、図3には示されていないが、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のアーマードケーブル構造体を用いる。ロータリージョイントは、図2に示すのと同様であり、アーマードケーブルをシールブロックに挿通して冷間溶接により一体化し、またアーマーをシールブロックの大径部で挟み込み強固に固定してコアバーレルの荷重に耐えるような高抗張力構造とする。このようなワイヤー(アーマードケーブル構造体)58は、電気信号の伝送ラインとして機能するばかりでなく、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ねることになる。
掘削時、アウターバーレル52が回転し、それに伴ってコアバーレル54がたとえ共回りしても、ロータリージョイントが介在するので、ワイヤー58には過度の捩れは生じない。大深度の掘削では、任意の(例えば500m程度の)間隔でロータリージョイントを配設する。計測ゾンデに必要な各種センサーを組み込むことにより、ボーリング孔底の方位、圧力、ビット圧、トルクなどのデータを検出してリアルタイムで地表に伝送し、それによってボーリングの向きを意図する方向に変えるなど掘削制御を行うことができる。また、できる限り地層を乱すことなく、大深度での試料を採取することができるし、地下の地層の状態を、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量をリアルタイムで計測することができる。
上記の実施例では、ロータリー式の信号カプラとしてスリップリング機構を使用している。スリップリング機構は、接点同士の摺動接触による常時接続であるため、機構的にも電気回路的にも簡単で最も好ましいが、ロータリートランスなどによる電磁結合を利用した無接触方式も使用可能である。
10 計測ゾンデ
12 ワイヤー
14 ウインチ装置
16 地上観測装置
18 ロータリージョイント
20 多芯ケーブル

Claims (4)

  1. 孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデと、該計測ゾンデを吊り下げるワイヤーと、該ワイヤーの巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置と、地上観測装置とを具備し、該ワイヤーにより前記計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムであって、
    前記ワイヤーは、長手方向に複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のケーブル構造体であり、各ロータリージョイントはロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号が伝送されるようにしたことを特徴とする孔内データ収集システム。
  2. ロータリージョイントは、筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に組み込まれ上部ケーブルと下部ケーブルとの間で電気信号を伝送するロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルの下端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの上部端板を支える上部シールブロックと、下部ケーブルの上端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの下部端板に支えられる下部シールブロックと、筒状ケーシングと上部シールブロック及び下部シールブロックの間を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てが絶縁オイルで充填されている請求項1記載の孔内データ収集システム。
  3. 筒状ケーシング内にゴムチューブを組み込んで2重容器構造とし、ロータリー式の信号カプラであるスリップリング機構が該ゴムチューブ内に組み込まれ、シールブロックとゴムチューブ端板との間、及びゴムチューブ端板と筒状ケーシング端板との間に、それぞれスラストベアリングが介在し、筒状ケーシング及びゴムチューブの内部全てにシリコンオイルが充填されている請求項2記載の孔内データ収集システム。
  4. 計測ゾンデを吊り下げるワイヤーを、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した1本のアーマードケーブル構造体として、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ね、計測ゾンデが、前記コアバーレルの直上にてコアバーレル連結部によって連結されるようにした請求項1乃至3のいずれかに記載の孔内データ収集システム。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012172376A (ja) * 2011-02-21 2012-09-10 Chuo Kaihatsu Kk 傾動自在型試錐装置
JP2013032691A (ja) * 2011-06-28 2013-02-14 Sanshin Corp 削孔装置及びこれを用いた注入管の敷設方法
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KR101518425B1 (ko) * 2014-06-11 2015-05-11 한국지질자원연구원 와이어라인 팩커 및 이를 이용한 존데 시스템

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