JP2766747B2 - 坑底情報収集装置 - Google Patents

坑底情報収集装置

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JP2766747B2
JP2766747B2 JP30703791A JP30703791A JP2766747B2 JP 2766747 B2 JP2766747 B2 JP 2766747B2 JP 30703791 A JP30703791 A JP 30703791A JP 30703791 A JP30703791 A JP 30703791A JP 2766747 B2 JP2766747 B2 JP 2766747B2
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pipe
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肇 湯浅
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    • E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は坑底情報収集装置に関
し、油井、地熱井およびガス井の建設や地震探査および
地質探査等のために掘削される坑の底部のデータ収集に
利用できる。
【０００２】
【背景技術】従来より、油井、地熱井およびガス井の建
設や地震探査および地質探査等のために地面を掘削して
縦坑が形成されている。このような縦坑の掘削にあたっ
ては、先端に掘削用ビットが設置された長い棒状の掘管
が利用される。この掘管の内部には、掘削用ビットによ
って削り取られた岩屑や土砂を排出するために地表側の
端部から泥水が圧送される。この泥水は地上から掘管内
を通って坑底部まで下降し、坑底部でビットの先端から
掘管の外に出るとともに地上へ折り返し、掘管外側面と
坑内側面との間を通って地上に戻される。地上に戻る泥
水は、ビットが削り取った岩屑や土砂を地上に搬送して
不要なものを坑内から排出する。このため、深さが地下
5000ｍ位の坑底部では、泥水が地熱および深い地中の影
響をうけて高温高圧となる。
【０００３】ところで、掘削中のビットに加わるトルク
や負荷荷重等のデータをリアルタイムで収集したいとい
う要望がある。このデータ収集のために、トルクや負荷
荷重等を検知するセンサを掘削用ビットの近傍の堀管内
に設置するとともに、これらのセンサで得られるデータ
を収集する坑底情報収集装置を掘管先端内部に設置して
いる。このような坑底情報収集装置では、前述のような
高温高圧の泥水内でも機能するように、装置を覆うケー
シングに高い密封度が必要となる。この高い密封度を得
るとともに、センサとの電気的な接続を行うために、装
置本体とセンサを組込んだ堀管は掘削用ビットの近傍で
堀管に完全固定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、坑底情
報収集装置をセンサを組込んだ堀管に固定すると、坑底
情報収集装置を堀管から分離できず、坑底部内の温度が
高温になっても坑底情報収集装置だけを地上に戻すこと
ができない。従って、長時間にわたる作業などにより当
該装置が熱により破壊され、坑底情報収集装置が使い捨
てとなるという問題がある。また、堀管側と分離可能な
着脱式の坑底情報収集装置もあるが、高温高圧の泥水内
では堀管側に設置する必要のあるビットトルクや負荷荷
重用のセンサ等との電気的な接続が困難となるため、記
録しておいて後で読み出す等の方式をとらざるを得ず、
着脱式の坑底情報収集装置ではビットに加わるトルクや
負荷荷重等のデータをリアルタイムで収集できないとい
う問題がある。
【０００５】本発明の目的は、掘管のデータをリアルタ
イムで収集できるうえ、堀管との連結分離が任意に行え
る坑底情報収集装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、先端に設置さ
れた掘削用ビットで地中を掘り進む掘管の内部に設置さ
れるゾンデで掘削中の坑底部の情報を収集する坑底情報
収集装置であって、前記ゾンデは前記掘管と機械的に連
結分離自在とされ、このゾンデと前記掘管に設置された
センサとは連結状態で電磁カプラを介して電気的に接続
されることを特徴とする。
【０００７】
【作用】このような本発明では、センサを組込んだ堀管
にゾンデを機械的に連結することにより、ゾンデとセン
サとが電気的に接続され、掘管のデータを掘削中にリア
ルタイムで収集できるようになる。ここで、電磁カプラ
の接続は非接触であるため、ゾンデおよび掘管の電気的
接続部にそれぞれ高温高圧の泥水に耐えうる密閉構造を
施すことが可能となる。この密閉構造により、ゾンデは
高温高圧の泥水内でも掘管に組込んだセンサと電気的接
続が可能となり、ゾンデを掘管と任意に連結分離するこ
とが可能となる。このため、坑底の温度が上昇して当該
装置の耐熱温度を越えることが考えられる場合には、随
時ゾンデを掘管から分離して地上に引き上げることがで
きるようになり、高温の回避が可能となってゾンデが破
壊されなくなり、これらにより前記目的が達成される。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１には、本実施例の掘削装置10が示され、掘
削装置10には複数の鋼管11を継ぎ足して形成された掘管
12が備えられている。掘削装置10は、掘管12の先端に設
置したビット13を回転させて地中を掘削して行くととも
に、所定距離を掘り進むたびに鋼管11を継ぎ足しながら
縦坑１を掘り進むものである。
【０００９】掘削装置10には、掘管12や掘削用やぐら14
が備えられ、やぐら14の内部には掘管12を上方に引き上
げるウインチ、掘管12の継ぎ足し・切り離し装置、およ
び、堀管12を回転させる駆動装置等が収められている。
やぐら14の図中左側には泥水タンク15および泥水ポンプ
16が設置され、泥水ポンプ16の吐出口は掘管12の上端に
接続されている。これにより掘管12の内部に泥水が圧送
されるようになっており、この泥水はビット13に設けら
れた孔から坑１の底面に向かって吹き出し、ビット13が
削り取った岩屑や土砂を地上まで搬送するものとなって
いる。また、泥水は削り取った岩屑や土砂が地上に搬送
されるように泥水タンク15で常に成分調整が行われてい
る。
【００１０】掘管12の先端部分には、坑１の底部の情報
を収集する坑底情報収集装置２が設置されている。坑底
情報収集装置２は収集したデータ信号を電気信号から泥
水圧力信号に変換して地上に発信するものである。坑底
情報収集装置２には、掘管12とビット13とを連結すると
ともにビット13用のセンサが設置される連結管20と、セ
ンサで得られたデータを収集して地上へ送信するゾンデ
30とが備えられている。一方地上には、やぐら14の近傍
の建物３内に坑底情報収集装置２で集められるデータを
管理するためのデータ処理装置４が設置されている。デ
ータ処理装置４には坑底情報収集装置２から発信されて
泥水中を伝播してきた泥水圧力信号を受信する受信装置
が備えられ、データ処理装置４で坑１の底部のデータを
表示するとともに分析できるようになっている。
【００１１】図２には、掘管12の先端部分の坑底情報収
集装置２が拡大されて示されている。図２において、掘
管12の先端部分には、ゾンデ30を内部に収納する鋼管11
A 、連結管20およびビット13が順次連結される。鋼管11
A は、鋼管11の先端側の内部にゾンデ30を支持する支持
部材17が設置されたものである。
【００１２】連結管20は、両端にそれぞれ雌ねじが形成
されたものである。これらの雌ねじの各々は鋼管11A の
先端外周に形成された雄ねじおよびビット13の基端外周
に形成された雄ねじと螺合する。これにより、鋼管11A
とビット13とを連結するようになっている。
【００１３】連結管20の側壁内部には複数の空洞21が設
けられている。これらの空洞21の各々には、ビット13に
加わるトルクおよび負荷荷重を検知するトルクセンサ22
および荷重センサ23や、坑１の底部の温度および圧力を
検知する温度センサ24および圧力センサ25等が設置され
ている。圧力センサ25の近傍には、センサ22〜25で得ら
れるアナログ信号をデジタル信号に変換する変換器等を
備えた電気回路部26が設置されている。
【００１４】連結管20の内部には泥水ポンプ16の駆動に
よって生じる泥水流によって回転するタービン翼27, 28
が設けられている。このうち図中下側のタービン翼27
は、電気回路部26等に電力を供給する発電機29を駆動さ
せるものである。図中上側のタービン翼28はゾンデ30側
の発電機用であり、タービン翼28には中心軸と同軸に嵌
合穴28A が形成されている。
【００１５】ゾンデ30は、地上から掘管12内に投下する
ことにより、自然落下で坑１の底部まで到達可能かつ掘
管12の内面とゾンデ30の側面との間に泥水が流通可能な
ように、掘管12の内径より細い丸棒状のものである。ゾ
ンデ30の頭部にはゾンデ30よりも小径のシャフト31がゾ
ンデ30と同軸かつ回転可能に設けられている。シャフト
31は、鋼鉄等の強磁性体製のもので、ゾンデ30に内蔵さ
れた発電機の回転軸である。シャフト31の先端部は連結
管20側のタービン翼28の嵌合穴28A と回転不能に嵌合す
る。
【００１６】ゾンデ30の中央部には、ゾンデ30の長手方
向に沿わせて弓なりに撓ませた４枚の板ばね32A がソン
デ30の外周面に90度間隔で設置されている。各板ばね32
A の中央部分は鋼管11,11Aの内面に係合してゾンデ30の
中心軸を鋼管11, 11Aの中心軸に一致させるようになっ
ている。これらの板ばね32A によってゾンデ30を鋼管1
1,11Aと同軸位置に配置させるセントラライザ32が形成
されている。このセントラライザ32によって、自然落下
で坑１の底部まで到達したゾンデ30のシャフト31が連結
管20の嵌合穴28A に自動的に嵌合するようになってい
る。このシャフト31および嵌合穴28A の嵌合により、ビ
ット13側の連結管20とゾンデ30との機械的な連結が行わ
れるようになっている。
【００１７】ゾンデ30の尾部には、泥水の通路を絞るパ
ルス弁33が設置されるとともに、地上に向かって突き出
たフック34が設けられている。パルス弁33は、その開閉
により泥水中に圧力変動を生じさせるものであり、この
圧力変動を信号として利用して地上に各種のデータを送
信するポジティブ式マッドパルス発生装置の一部であ
る。フック34は、地上から延ばされたワイヤの先端等を
掛止させるものであり、このフック34に掛止させたワイ
ヤを巻き上げることにより、ゾンデ30は連結管20から分
離され、掘管12内を上昇して地上へ回収可能となってい
る。
【００１８】図３ないし図５には、連結管20とゾンデ30
とを電気的に接続する電磁カプラ40が示されており、電
磁カプラ40は連結管20側に設置される一次コイル41と、
ゾンデ30側に設置される二次コイル51とを含んで構成さ
れる。
【００１９】一次コイル41は、ゾンデ30のシャフト31が
挿通可能なリング状のコイルであり、連結管20の地上側
の端部近傍に設置された支持部材42に設置されている。
支持部材42は、外側に向かって放射状に延びる複数の腕
43を有したものである。支持部材42の中心部分には内径
が一次コイル41とほぼ同じリング状部44が形成されてい
る。リング状部44には内周面を周回する溝45が形成され
ており、この溝45内に一次コイル41の巻線が巻回されて
いる。この溝45の開口面は、アルミニウムや耐熱性のあ
る合成樹脂等の非磁性体で形成された蓋部材46で塞が
れ、これにより溝45が密封されている。リング状部44の
外側には、連結管20の内周面との間に泥水を流通させる
通路47が形成されている。
【００２０】二次コイル51は、ゾンデ30のシャフト31と
ほぼ同じ外径のリング状のコイルであり、シャフト31の
外周面を周回する溝52内に二次コイル51の巻線が巻回さ
れている。溝52は、連結管20側の一次コイル41に応じた
位置に形成されたものであり、ゾンデ30を連結管20に連
結すると、一次コイル41の内側に二次コイル51が隣接す
るようになっている。この溝52の開口部分は、アルミニ
ウムや耐熱性のある合成樹脂等の非磁性体で形成された
蓋部材53で密封されている。
【００２１】図６には、坑底情報収集装置２の電気回路
５の構成が示されている。電気回路５は、連結管20側に
設けられるセンサ側の発信回路60と、ゾンデ30側に設け
られる受信回路70とを有するものである。発信回路60お
よび受信回路70は電磁カプラ40で電気的に接続されてい
る。
【００２２】発信回路60は、センサ22〜25で得られるア
ナログ電気信号を増幅してデジタル変換する信号処理部
61と、デジタル化された複数の信号を多重化して高周波
の搬送波にのせて回路70に送信する多重化部62とを備え
たものである。
【００２３】信号処理部61には、各センサ22〜25毎に電
気信号を増幅してデジタル変換する変換部61A 〜61D が
設けられている。変換部61A は、トルクセンサ22用のも
ので、ブリッジ状に配線されるトルクセンサ22の信号を
増幅するブリッジ用アンプ63A と、得られた信号をデジ
タル化するＡ／Ｄ変換器64A とを備えている。変換部61
B は、ビット荷重センサ23用のもので、変換部61A と同
様にブリッジ用アンプおよびＡ／Ｄ変換器を有してい
る。変換部61C は、温度センサ24用のもので、温度セン
サ24の信号を増幅するアンプ63C と、アナログ信号をデ
ジタル化するＡ／Ｄ変換器64C とを有している。変換部
61D は、圧力センサ25用のもので、変換部61C と同様に
アンプおよびＡ／Ｄ変換器を有している。
【００２４】多重化部62は、複数の変換部61A 〜61D か
ら出力されるデジタル信号を時分割方式で多重化するも
のである。多重化部62には、変換部61A 〜61D の出力の
うちの一つを所定周期毎に順次選択して接続するととも
に、選択した出力信号に制御用信号をのせて送出するマ
ルチプレクサ62A と、マルチプレクサ62A の出力を周波
数変調するＦＭ変調器62Bと、このＦＭ変調器62B から
出力される微弱な信号を電磁カプラ40で伝達可能な強さ
に増幅する高周波ドライバ62C とが備えられている。な
お、発信回路60には、発電機29と電気的に接続された電
源回路65が備えられている。
【００２５】受信回路70は、多重化された複数のデータ
信号を分解して個別のアナログ信号に戻すものである。
受信回路70には、発信回路60で多重化された信号をセン
サ22〜25ごとのデータ信号に分解する信号分解部71と、
デジタル信号をアナログ信号に戻す逆変換部72とが備え
られている。
【００２６】信号分解部71には、電磁カプラ40で受信し
た信号を増幅する高周波増幅器73と、発信回路60側で変
調された信号の復調およびデータ信号と制御信号との分
離を行うＦＭ復調器74と、複数の出力を有するとともに
多重化した複数のデータ信号を個々の信号に分解して各
出力に分配するマルチプレクサ75と、ＦＭ復調器74から
の制御信号を受信してマルチプレクサ75を発信回路60側
のマルチプレクサ62Aに同期させる制御回路76とが備え
られている。
【００２７】逆変換部72には、センサ22〜25の各々に対
応して設けられた変換部77A 〜77Dが備えられている。
各変換部77A 〜77D はマルチプレクサ75で分解されたデ
ジタルのデータ信号をアナログ信号に変換するものであ
る。変換部77A 〜77D の各々には、Ｄ／Ａ変換器および
オペアンプ等が備えられている。各変換部77A 〜77Dか
ら出力されるアナログのデータ信号は、図示されていな
いマッドパルス発信装置に入力される。なお、受信回路
70には、発信回路60と同様に発電機に接続された電源回
路78が備えられている。
【００２８】このような本実施例では、ゾンデ30を掘管
12内に投下することにより、ゾンデ30と連結管20とを自
動的に機械的連結させ、この連結によりゾンデ30とセン
サ22〜25とを電気的に接続する。そして、ゾンデ30で掘
削用ビット13に加わるトルクや荷重等のデータを掘削中
にリアルタイムで収集させるとともに地上へ送信させ、
これらのデータを地上のデータ処理装置４で監視する。
ここで、坑１の底部の温度が上昇してゾンデ30の耐熱温
度を越えてゾンデ30が破壊されることが考えられる場合
には、ゾンデ30を連結管20から分解して地上に引き上
げ、これにより高温を回避して破壊からゾンデ30を守
る。
【００２９】前述のような本実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、電磁カプラ40で連結管20とゾ
ンデ30とを電気的に接続したので、電磁カプラ40の一次
コイル41および二次コイル51を密封しても、電気的接続
が非接触で行えるため、ゾンデ30の連結管20への連結状
態ではセンサ22, 23で得られるトルクや負荷荷重等のビ
ット13側のデータをリアルタイムで収集することができ
るうえ、高温高圧の泥水内でもゾンデ30を連結管20から
任意に分離できる。
【００３０】また、ゾンデ30を連結管20から分離できる
ようにしたうえ、尾部に設けたフック34で地上へ引上げ
可能にしたので、坑１の底部の温度が上昇しても、ゾン
デ30が破壊される温度に到達する前にゾンデ30を地上に
引き上げることができるので、ゾンデ30は使い捨てにな
らず何度も繰り返し使用することができる。
【００３１】さらに、ゾンデ30にセントラライザ32を設
け、ゾンデ30および連結管20の中心軸が自動的に一致す
るようにしたので、ゾンデ30を自由落下させるだけでゾ
ンデ30および連結管20を自動的に機械的連結させること
ができるうえ、ゾンデ30および連結管20の機械的な連結
により、電磁カプラ40の一次コイル41と二次コイル51と
が接続される。このため、ゾンデ30は連結管20との機械
的連結および電気的接続を任意かつ容易に行うことがで
きる。
【００３２】また、連結管20の内部にタービン翼27, 28
を設け、連結管20およびゾンデ30内で発電できるように
したので、泥水を流せば連結管20およびゾンデ30は電力
を得ることができ、電池式の坑底情報収集装置と異なり
電池切れ等の心配がなく、坑１の底部にゾンデ30を放置
して連続的にデータを収集することができる。
【００３３】さらに、電磁カプラ40で受渡しされる信号
をＦＭ変調されたデジタル信号としたので、ゾンデ30側
で受信される信号を極めてノイズの少ないものにでき
る。このため、ゾンデ30側で正確なデータを収集するこ
とができる。
【００３４】なお、本発明は、前述の一実施例に限定さ
れるものではなく、次に示すような変形などをも含むも
のである。すなわち、坑底情報収集装置２は、前記実施
例で示されたセンサ22〜25だけを備えたものに限らず、
例えば、方位センサや地層比抵抗センサ等をも備えたも
のでもよい。そして、連結管20側に設置する必要のない
ものはゾンデ30側に設置してもよく、坑底情報収集装置
２に備えられるセンサの数、種類や設置場所は前記実施
例に限定されない。
【００３５】また、タービン翼27, 28の形状は、前記実
施例で示した船舶用スクリュウ状のものに限らず、例え
ば、ジェットエンジンのタービンのように略矩形状のタ
ービンブレードを多数備えたものでもよく、タービンの
形状および形式は前記実施例に限定されない。
【００３６】さらに、坑底情報収集装置の電源供給は発
電機29によるものに限らず、電池によるものでもよく、
電池式にすると、ゾンデ30を坑１の底部に放置すること
はできないが、発電用の機構が不要になり全体の構造を
簡単にできる。
【００３７】また、電磁カプラ40は一方のリング状コイ
ルの内部に他方のリング状のコイルが同軸に収納される
ものに限らず、例えば、一対のコイルがほぼ中心軸を合
わせて積み重なるように配置されるものでもよく、要す
るに、電磁気を利用して非接触で電気的接続が行えるも
のであればよい。
【００３８】さらに、ゾンデ30から地上のデータ処理装
置４への通信方式はパルス弁33を用いるマッドパルス方
式に限らず、例えば、超音波の発信が可能な音響ラジエ
タを用いる音響方式や電磁波を利用した無線方式等でも
よく、具体的な通信方式は実施にあたり適宜選択すれば
よい。
【００３９】
【発明の効果】前述のように本発明によれば、掘管のデ
ータをリアルタイムで収集できるうえ、掘管との連結分
離を任意に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の掘削装置の全体を示す側面
図である。
【図２】同実施例の坑底情報収集装置を示す断面図であ
る。
【図３】同実施例の要部の連結状態を示す拡大された断
面図である。
【図４】図３のIV−IV線における断面図である。
【図５】同実施例の要部の分離状態を示す拡大された断
面図である。
【図６】同実施例の坑底情報収集装置の電気回路の構成
を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 坑 ２ 坑底情報収集装置 12 掘管 13 掘削用ビット 22〜25 センサ 30 ゾンデ 40 電磁カプラ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 先端に設置された掘削用ビットで地中を
    掘り進む掘管の内部に設置されるゾンデで掘削中の坑底
    部の情報を収集する坑底情報収集装置であって、前記ゾ
    ンデは前記堀管と機械的に連結分離自在とされ、このゾ
    ンデと前記堀管に設置されたセンサとは連結状態で電磁
    カプラを介して電気的に接続されることを特徴とする坑
    底情報収集装置。
JP30703791A 1991-10-25 1991-10-25 坑底情報収集装置 Expired - Lifetime JP2766747B2 (ja)

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JP30703791A JP2766747B2 (ja) 1991-10-25 1991-10-25 坑底情報収集装置
US07/966,113 US5295548A (en) 1991-10-25 1992-10-23 Bottom-hole information collecting equipment
DE69221422T DE69221422T2 (de) 1991-10-25 1992-10-26 System für Messungen während des Bohrens
AT92309789T ATE156564T1 (de) 1991-10-25 1992-10-26 System für messungen während des bohrens
EP19920309789 EP0539240B1 (en) 1991-10-25 1992-10-26 Measurement-while-drilling system

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