JP2816899B2 - Underground structure evaluation method by three-dimensional particle motion analysis of released elastic waves during well drilling - Google Patents

Underground structure evaluation method by three-dimensional particle motion analysis of released elastic waves during well drilling

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JP2816899B2
JP2816899B2 JP33650490A JP33650490A JP2816899B2 JP 2816899 B2 JP2816899 B2 JP 2816899B2 JP 33650490 A JP33650490 A JP 33650490A JP 33650490 A JP33650490 A JP 33650490A JP 2816899 B2 JP2816899 B2 JP 2816899B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、坑井の掘削中に発生する弾性波(アコース
ティック・エミッション)の3次元粒子運動を表す波形
であるいわゆるリサージュパターンが、掘削ビットの方
向を向くという事実の発見に基づき、その弾性波を坑井
内三軸弾性波検出器を用いて検出し、しかるべき情報処
理を施すことにより、(1)掘削ビット前方にある弾性
波反射面(破砕帯、亀裂、地層境界等)の存在を事前に
予知し、あわせて(2)坑井周辺の地下構造の把握(VS
P)を可能ならしめる坑井掘削中の放出弾性波の三次元
粒子運動解析による地下構造評価方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a so-called Lissajous pattern which is a waveform representing three-dimensional particle motion of an elastic wave (acoustic emission) generated during drilling of a well. Based on the discovery of the fact that the surface is oriented in the direction, the elastic wave is detected using a triaxial elastic wave detector in the downhole, and appropriate information processing is performed. (Fracture zones, cracks, stratum boundaries, etc.) in advance, and (2) grasp the underground structure around the well (VS
The present invention relates to a method for evaluating underground structure by three-dimensional particle motion analysis of emitted elastic waves during drilling of a well, which enables P).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、音波等による三軸検出器を用いた地下構造を検
知する手段としては、特開昭63年第32085号公報記載の
ものや特開昭62年第90495号および特開昭62年第59792号
公報記載のものがある。また、掘削中の掘削ビットより
発生する振動波または弾性波等のいわゆる地震波データ
を地表に設置したジオフォンを通じて取得し、同時に掘
具編成最上部のレファレンス点に設置されたパイロット
センサを通じて掘削による振動波計を得、これらの2点
間から得られるデータの振動伝播時間の補正を行ない、
これに基づいて地下構造の解析を行なういわゆるTOMEX
法と称される技術が知られている。
Conventionally, means for detecting an underground structure using a three-axis detector by sound waves or the like include those described in JP-A-63-32085, JP-A-62-90495 and JP-A-62-59792. There is one described in Japanese Patent Publication No. In addition, so-called seismic data such as vibration waves or elastic waves generated from drill bits during drilling are acquired through a geophone installed on the ground surface, and at the same time, vibration waves generated by drilling are transmitted through a pilot sensor installed at the reference point at the top of the rigging organization. And the vibration propagation time of the data obtained between these two points is corrected.
The so-called TOMEX that analyzes the underground structure based on this
A technique called a law is known.

この従来のいわゆるTOMEX法と称される技術は、第11
図に示されるように掘削ビット1、坑井2、掘削リグ3
の基本構成の他に、ジオフォン4を前記掘削リグ3から
離れた地表に設置し、前記掘削ビット1が掘削の際に発
生する振動波の直接波および反射波をそれぞれリファレ
ンス点としての掘削リグ3位置および前記ジオフォン4
設置位置にて補足し、この間の相互の相関をとることに
より、例えば、坑井2に近傍に存在する地層境界を検知
するというものである。すなわち、前記リファレンス点
での観測データに対して掘削ビット1とリファレンス点
間の振動伝播時間の補正を行ない、掘削ビット1位置か
らの振動波計すなわち入力波データを得る。そして、こ
の入力波データと地表のジオフォン4による取得データ
に対しての相互相関処理を行ない、インパルス震源のば
あいに類似した記録を得るというものである。
This conventional technology called the TOMEX method is the eleventh
Drilling bit 1, well 2, drilling rig 3 as shown
In addition to the basic configuration described above, a geophone 4 is installed on the ground surface remote from the drilling rig 3, and the drilling bit 1 uses a direct wave and a reflected wave of a vibration wave generated at the time of drilling as a reference point. Location and the geophone 4
By supplementing at the installation position and taking a mutual correlation between them, for example, a stratum boundary existing near the well 2 is detected. That is, the vibration propagation time between the excavation bit 1 and the reference point is corrected for the observation data at the reference point, and a vibration wave meter from the excavation bit 1 position, that is, input wave data is obtained. Then, a cross-correlation process is performed on the input wave data and the data obtained by the geophone 4 on the ground surface to obtain a record similar to the case of an impulse epicenter.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

このようなTOMEX法は、いわば、掘削ビット先端から
の直達波と、反射面からの反射波との検出器までの伝搬
距離差を求めて、掘削リグからのリファレンス信号と検
知した信号との相関解析による反射面の推定を行なうと
するものであるが、その解析時間に関しては、通常1時
間程度の長時間にわたる信号の解析が必要であり、現場
で望まれるリアルタイムモニタリング法として適当でな
いばかりか、坑井の掘削率が大きい場合には、解析自体
が出来なくなるという欠点がある。
The TOMEX method determines the propagation distance between the direct wave from the tip of the drill bit and the reflected wave from the reflective surface to the detector, and correlates the reference signal from the drill rig with the detected signal. It is assumed that the reflection surface is estimated by analysis. However, regarding the analysis time, it is usually necessary to analyze a signal over a long time of about one hour, which is not only suitable as a real-time monitoring method desired in the field, When the drilling rate of the well is large, there is a disadvantage that the analysis itself cannot be performed.

また、このような従来のTOMEX法にあっては、通常の
方法では、傾斜した反射面に対しては、反射波のみ用い
ているので、その推定が困難であり、どうしても推定を
必要とする場合には、別途センサアレイの導入や、マイ
グレーション解析が必要となり、その結果、高コストと
なるばかりか、解析量が増大し、精度や低下するという
欠点がある。
In addition, in such a conventional TOMEX method, in the usual method, only the reflected wave is used for the inclined reflecting surface, so it is difficult to estimate the reflection surface. However, there is a drawback in that it requires separate introduction of a sensor array and migration analysis. As a result, not only is the cost increased, but also the amount of analysis is increased, and the accuracy and the performance are reduced.

また、この方法では、リグにおいて検出した信号を用
いて、掘削ビット先端からの放出音を推定する必要があ
り、そのため、掘削システムの伝達関数を高精度に推定
する必要がある。
Further, in this method, it is necessary to estimate the sound emitted from the tip of the drill bit using the signal detected in the rig, and therefore, it is necessary to estimate the transfer function of the drill system with high accuracy.

さらに、この方法では、地表を伝播するノイズや地表
附近の高減衰層に強く影響されるので、ノイズや高周波
成分の損失による分解能の低下を来たすという決定的な
欠点がある。
Furthermore, this method has a decisive drawback in that it is strongly affected by noise propagating on the ground surface and a high attenuation layer near the ground surface, resulting in a reduction in resolution due to loss of noise and high-frequency components.

〔上記問題点を解決する手段〕[Means for solving the above problems]

上記の欠点を解決するため、本願発明者らは、坑井掘
削時に、坑井内三軸アコースティック・エミッション測
定(AE測定)を行なった結果、この計測によって得られ
る三次元リサージュ形状は、ある特定の周波数において
は、特定の分極方向を有することが見い出された。すな
わち、限られた周波数帯域のリサージュパターンの主軸
解析から得られた分極の方向は、掘削坑井のドリルビッ
トの方向と極めて一致していた。これは、AE信号中で
は、反射波やモード変換した横波よりも直接に到達する
縦波成分が卓越し、リサージュパターンが、極めて良い
方向性を示すものであった。
In order to solve the above-mentioned drawbacks, the present inventors performed three-dimensional acoustic emission measurement (AE measurement) in a well at the time of excavating a well, and as a result, the three-dimensional Lissajous shape obtained by this measurement was determined to be a specific shape. At frequency, it was found to have a particular polarization direction. That is, the direction of polarization obtained from the principal axis analysis of the Lissajous pattern in a limited frequency band was extremely consistent with the direction of the drill bit in the drilling well. This is because, in the AE signal, the longitudinal wave component that reaches directly than the reflected wave or the transverse wave whose mode has been converted is dominant, and the Lissajous pattern shows an extremely good directionality.

そこで、このリサージュパターンの解析を行なうこと
によって、極めて容易に、かつ、簡便な構成で掘削ビッ
トの方向を検知することができ、さらに、この情報を利
用して、地層境界からの微弱な反射波の検出と、その遅
れ時間を評価することにより、掘削中の進行方向のより
高深度に存在する地層境界を検知できるというものであ
る。
Therefore, by analyzing this Lissajous pattern, it is possible to detect the direction of the excavation bit very easily and with a simple configuration, and furthermore, by utilizing this information, the weak reflected wave from the stratum boundary can be detected. And the delay time is evaluated, it is possible to detect a stratum boundary existing at a higher depth in the traveling direction during excavation.

〔作用〕[Action]

本願発明は、坑井掘削のドリルビットをAE信号源とし
て利用し、三軸AEセンサによって得られるこのAE信号に
ついての3次元粒子運動解析を行なうことにより、特定
の周波数に関しては、そのリサージュパターンの主軸解
析から得られた分極方向が現実のドリルビットの方向と
一致することから、この解析によってドリルビットの方
向を決定すること、およびその結果を利用して、直接波
および反射波の相対的な進行方向と到達時間差から、掘
削進行方向に存在する地層境界を評価するというもので
ある。
The present invention uses a drill bit for well drilling as an AE signal source, and performs a three-dimensional particle motion analysis on the AE signal obtained by a three-axis AE sensor. Since the polarization direction obtained from the principal axis analysis matches the direction of the actual drill bit, the direction of the drill bit is determined by this analysis, and the result is used to determine the relative direction of the direct wave and the reflected wave. The stratum boundary existing in the excavation traveling direction is evaluated from the traveling direction and the arrival time difference.

〔実施例〕〔Example〕

本願発明を一実施例概念図に基づいて説明する。第1
図は、この発明に係るAE三軸測定の場合の概念図であ
る。
The present invention will be described based on a conceptual diagram of one embodiment. First
The figure is a conceptual diagram in the case of AE triaxial measurement according to the present invention.

図において、11はドリルビット、12は掘削坑井、13は
掘削リグ、14は監視用測定坑井、15は三軸AEセンサ、16
は計測車である。そして、いま、このシステム概念の理
解のため、計測車16の計測概要を同図に示している。す
なわち、図中、17は、三軸メインアンプ(3 Ch.Main Am
p.)、18は固定用モータコントローラ(Fixing Motor C
ontroller)、19は電子式方位検出装置(Electric Comp
ass Driver)、20は自動データ採取システム(Automati
c data Acquision System)、21はパーソナルコンピュ
ータ、22は記録ディスク、23はデータ記録器、24はデジ
タルストレージオシロスコープ、25はRMS DCコンバー
タ、26はX−t記録器である。このような構成のシステ
ムに基づいて380mの坑井を掘削する目的で、313m-355m
の間においてドリルビット11を回し、掘削による岩石破
砕音を発生させ、これを掘削坑井12から80m程離れた距
離で掘削された監視用坑井15内に設けられた前記三軸AE
計測センサ14によってAE信号を採取した。この坑井内AE
センサ14は前記監視用坑井15内に206mの深度で設置され
ているようにした。
In the figure, 11 is a drill bit, 12 is a drilling well, 13 is a drilling rig, 14 is a measurement well for monitoring, 15 is a triaxial AE sensor, 16
Is a measuring vehicle. In order to understand the concept of the system, an outline of measurement by the measuring vehicle 16 is shown in FIG. That is, in the figure, reference numeral 17 denotes a three-axis main amplifier (3 Ch. Main Am
p.) and 18 are the fixing motor controller (Fixing Motor C
ontroller), 19 is an electronic compass (Electric Comp)
ass Driver), 20 is an automatic data collection system (Automati
c is a data acquisition system, 21 is a personal computer, 22 is a recording disk, 23 is a data recorder, 24 is a digital storage oscilloscope, 25 is an RMS DC converter, and 26 is an Xt recorder. With the purpose of drilling a 380m well based on the system with this configuration, 313m-355m
The drill bit 11 is turned between the rocks to generate rock crushing sound due to drilling, and the triaxial AE provided in the monitoring well 15 drilled at a distance of about 80 m from the drilling well 12.
The AE signal was collected by the measurement sensor 14. This wellbore AE
The sensor 14 was installed in the monitoring well 15 at a depth of 206 m.

このような計測システムにおいて、前記三軸AEセンサ
14によって得られたAE信号に対して三次元粒子運動解析
を行なった結果、これを生の状態でのリサージュパター
ンを第2図に、および80Hzのカットオフ周波数でフィル
タリングをした結果を第3図に示す。なお、第2図およ
び第3図において、図(a)は、その水平方向のリサー
ジュパターンを、同(b)はその垂直方向のリサージュ
パターンを示し、矢印方向にドリルビット11があるもの
とする。この第2図および第3図に示すリサージュパタ
ーンを比較検討すれば、生データのリサージュパターン
(第2図)ではあまり分極は見られないが、フィルタリ
ングの結果のリサージュパターンは楕円形状を示し(第
3図)、その主軸方向は現実のドリルビット11の方向に
一致していることを示している。
In such a measurement system, the three-axis AE sensor
Fig. 2 shows the result of 3D particle motion analysis on the AE signal obtained by Fig. 14, and Fig. 2 shows the Lissajous pattern of the raw AE signal, and Fig. 3 shows the result of filtering with a cutoff frequency of 80Hz. Shown in 2 (a) and 2 (b), FIG. 2 (a) shows the horizontal Lissajous pattern, and FIG. 2 (b) shows the vertical Lissajous pattern, and it is assumed that the drill bit 11 is in the direction of the arrow. . Comparing and examining the Lissajous patterns shown in FIGS. 2 and 3, the Lissajous pattern of the raw data (FIG. 2) does not show much polarization, but the Lissajous pattern resulting from the filtering shows an elliptical shape (FIG. FIG. 3) shows that the direction of the main axis coincides with the direction of the actual drill bit 11.

また、AEデータのスペクトル行列解析[J.C.Samsom,
“Matrix and Stokes Vector Representation of Detec
tors for Polarized Waveforms:Theory and Some Appli
cations to Teleseimic Waves,"Geophycs.J.R.Astr.So
c.,51,pp.583-603(1977)]によって得られる固有ベク
トルの垂直投影図は、一例として、第4図に示すように
なる。この図は、分極方向を周波数の関数として表した
もので、この図から明らかなようにAEセンサ10の共振周
波数よりも充分に低い100Hz以下の周波数レンジにおけ
るAEリサージュパターンは、ドリルビットの方向に分極
していることを示している。これは次のような原因に由
来するものと思われる。
In addition, spectral matrix analysis of AE data [JCSamsom,
“Matrix and Stokes Vector Representation of Detec
tors for Polarized Waveforms: Theory and Some Appli
cations to Teleseimic Waves, "Geophycs.JRAstr.So
c., 51, pp. 583-603 (1977)], a vertical projection of the eigenvectors is as shown in FIG. 4 as an example. This figure shows the polarization direction as a function of frequency.As is clear from this figure, the AE Lissajous pattern in the frequency range of 100 Hz or less, which is sufficiently lower than the resonance frequency of the AE sensor 10, is oriented in the direction of the drill bit. It shows that it is polarized. This seems to be due to the following reasons.

(a)掘削ビットによって生成される弾性波は、横波よ
り縦波の方が卓越している。
(A) As for the elastic wave generated by the drill bit, the longitudinal wave is superior to the shear wave.

(b)弾性波の地層境界における反射、屈折およびモー
ド変換波は、相対的に小さい。
(B) The reflection, refraction, and mode conversion waves of the elastic wave at the stratum boundary are relatively small.

したがって、センサの共振周波数よりも充分に低い周
波数レンジでは、ドリルビットの方向をAE信号の三次元
リサージュ解析によって、求めることが可能となる。
Therefore, in a frequency range sufficiently lower than the resonance frequency of the sensor, the direction of the drill bit can be obtained by three-dimensional Lissajous analysis of the AE signal.

本願発明者らは、上記結果に基づき、掘削ビット方向
の検出のため、fc=80Hzのローパスフィルタを通したAE
リサージュパターンの主軸成分分析(PCA)を行なっ
た。その結果を第5図に示す。第5図(a)は水平成分
を、同(b)は垂直成分を解析した結果である。第5図
(a)(b)から明らかなように、水平、垂直の両方向
におけるPCAにより、極めて高精度に掘削ビット方向が
検知できているものである。本実施例において、実際の
掘削ビット方向と比較対照してみた結果、検知の誤差は
水平、垂直両平面共15°以内であった。この誤差は、地
下の速度構造や付加されたノイズの影響と考えられる。
Based on the above results, the inventors of the present invention performed AE through a low-pass filter of f c = 80 Hz to detect the direction of a drill bit.
Principal component analysis (PCA) of the Lissajous pattern was performed. The results are shown in FIG. FIG. 5A shows the result of analyzing the horizontal component, and FIG. 5B shows the result of analyzing the vertical component. As apparent from FIGS. 5 (a) and 5 (b), the drilling bit direction can be detected with extremely high precision by the PCA in both the horizontal and vertical directions. In this example, as a result of comparison with the actual drill bit direction, the detection error was within 15 ° in both the horizontal and vertical planes. This error is considered to be the effect of underground velocity structure and added noise.

また、この実施例において、常時ではないが、時折ド
リルパイプと坑壁との摩擦によって生じる強いエネルギ
ーの波が、掘削ビットの位置の検出に影響することを知
り得た。すなわち、前記摩擦の強さは、AEのRMS(実効
値)信号中にあって、ドリルパイプの回転に対応した一
定の周期的な信号として発生するため、エネルギー密度
分布比(EDDR′)によって評価できる。第6図にEDDR′
と掘削ビット位置の角度誤差に付いての関係を示す。第
6図においては、標定誤差は、EDDR′が10以上の高い状
態で大きくなる傾向にあることが知り得る。
In addition, in this example, it was found that, although not always, waves of strong energy generated by friction between the drill pipe and the wellbore sometimes affected the detection of the position of the drill bit. That is, the intensity of the friction is included in the RMS (effective value) signal of the AE and is generated as a constant periodic signal corresponding to the rotation of the drill pipe, and is evaluated by the energy density distribution ratio (EDDR '). it can. Fig. 6 shows EDDR '
And the angle error of the drill bit position. In FIG. 6, it can be seen that the orientation error tends to increase when EDDR 'is 10 or more.

前記の結果から、本願発明者らは、ドリルビット11か
らの直接波ばかりでなく、反対波を補足することによっ
て、地下構造の評価に応用することとした。すなわち、
前述するように、掘削による岩石破壊から生じるAE信号
は、横波よりも縦波の方が卓越しているので、このAE信
号の直接波および反射波を検出することにより、地下構
造解析が可能となる。
Based on the above results, the inventors of the present invention have applied not only the direct wave from the drill bit 11 but also the counter wave to evaluate the underground structure. That is,
As described above, longitudinal waves are more prominent than transverse waves in the AE signal resulting from rock destruction due to excavation, so by detecting the direct and reflected waves of this AE signal, it is possible to analyze the underground structure. Become.

そこで、本願発明者らは、第7図に示す方法で、三軸
VSP計測を行った。第7図は計測概念をのみ示すもので
あり、その基本的計測構成は第1図に示したものと異な
るものではない。したがって、符号は、第1図に使用し
たものと同じ構成のものは同一の符号で示した。なお、
20は概念的に示される地層境界である。第7図に示すよ
うに、この地層境界は、直接波および反射波の相対的な
波の進行方向と時間おくれの両方から評価できる。すな
わち、粒子運動のクロススペクトル解析を到達時間差の
評価として試算するため、「(a)掘削ビットは点信号
源として縦波を発生している、(b)地層境界におる横
波へのモード変換のエネルギーは、縦波の反射に比較し
て無視し得るほど小さい」との前提の下で算定した。こ
のような前提の下では、三軸AEセンサによる粒子運動の
ベクトルは次のように表記できる。
Therefore, the inventors of the present application used a method shown in FIG.
VSP measurement was performed. FIG. 7 shows only the measurement concept, and its basic measurement configuration is not different from that shown in FIG. Accordingly, the same reference numerals are used for the same components as those used in FIG. In addition,
20 is a conceptually indicated stratum boundary. As shown in FIG. 7, this stratum boundary can be evaluated from both the relative traveling direction of the direct wave and the reflected wave and the time delay. That is, in order to estimate the cross-spectral analysis of the particle motion as an evaluation of the arrival time difference, “(a) the drill bit generates a longitudinal wave as a point signal source, and (b) the mode conversion into a shear wave at the stratum boundary. The energy is negligibly small compared to the reflection of the longitudinal wave. " Under such a premise, the vector of the particle motion by the three-axis AE sensor can be expressed as follows.

ここで、 は、各々直接に到達した縦波と反射して到達した縦波の
粒子運動のベクトルである。また、 は、ノイズ成分のベクトルである。反射した縦波は、時
間遅れτおよび垂直面内での進行方向の差をθを有する
とすると、時間遅れと進行方向の差は、仮想的な反射面
からの波の粒子運動ベクトル という概念を使用することで求めることができる。ここ
で、粒子運動ベクトル は、実際のAE信号源の方向を知っていれば三次元粒子運
動から計算できる。すなわち、直接波と仮想反射波のク
ロススペクトルは、角周波数ωと反射面の相対的方向φ
の関数として表すことができ、次式が導かれる。
here, Are the particle motion vectors of the longitudinal wave that has arrived directly and the longitudinal wave that has arrived by reflection, respectively. Also, Is a vector of noise components. Assuming that the reflected longitudinal wave has a time delay τ and a difference in the traveling direction in the vertical plane θ, the difference between the time delay and the traveling direction is the particle motion vector of the wave from the virtual reflecting surface. Can be obtained by using the concept of Where the particle motion vector Can be calculated from the three-dimensional particle motion if the direction of the actual AE signal source is known. That is, the cross spectrum of the direct wave and the virtual reflected wave is represented by the angular frequency ω and the relative direction φ of the reflecting surface.
And the following equation is derived.

相対的な反射面の方向は、 のピークにおける仮想的な反射面の相対的方向φから求
めることができ、反射面と相対的な距離もクロススペク
トル の位相から求めることができる。
The relative direction of the reflective surface is Can be obtained from the relative direction φ of the virtual reflecting surface at the peak of From the phase of

この方法により求められた結果をフィルタリング処理
をしたAE信号に適用すると、その結果は第8図に示すよ
うになる。
When the result obtained by this method is applied to the filtered AE signal, the result is as shown in FIG.

第8図から知る得るように、表示されたクロススペク
トル のノルムにいくつかのピークが存在することがわかる。
すなわち、クロススペクトルのノルムに最大値を与える
φの方向に反射面が推定されている。
As can be seen from FIG. 8, the displayed cross spectrum It can be seen that there are several peaks in the norm.
That is, the reflection surface is estimated in the direction of φ that gives the maximum value to the norm of the cross spectrum.

第9図および第10図に周波数レンジ20〜40Hzにおける
クロススペクトルの最大値を選定することにより、得ら
れた距離と方向の変化を掘削深度の関数として各々示
す。この変化は、このフィールドにおける反射層が385m
に存在するシルト層を想定しており、これを破線で示し
た。第9図では、距離は若干ずれているように見える
が、第10図から対照した結果では、その方向は、実際の
シルト面に一致していることが知る得る。
9 and 10 show the resulting distance and direction changes as a function of excavation depth, respectively, by selecting the maximum value of the cross spectrum in the frequency range 20-40 Hz. This change is due to the reflection layer in this field being 385m
Is assumed, and this is indicated by a broken line. In FIG. 9, the distance seems to be slightly shifted, but it can be seen from the result compared with FIG. 10 that the direction coincides with the actual silt plane.

本実施例では、掘削坑井の他に監視用坑井を別途に設
けたが、この数に限定されるものではない。この坑井を
複数本設置することにより、三次元地下解析の精度は格
段に向上する。
In this embodiment, monitoring wells are separately provided in addition to the drilling wells, but the number of monitoring wells is not limited to this. By installing a plurality of these wells, the accuracy of three-dimensional underground analysis is significantly improved.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明は、掘削中の掘削ビットを信号源としてこれを
三軸AEセンサで補足し、三次元解析することにより、そ
のフィルタリングされたAE信号のリサージュパターンは
掘削ビット方向に分極し、容易に掘削ビット方向を求め
ることができる。
The present invention uses a drilling bit during drilling as a signal source, supplements it with a three-axis AE sensor, and performs three-dimensional analysis, whereby the Lissajous pattern of the filtered AE signal is polarized in the direction of the drilling bit, making it easy to drill. The bit direction can be determined.

また、掘削ビットからの直接波と反射波の両者の時間
差から反射面の存在を容易に知ることができ、これによ
り掘削進行方向の地下構造解析に寄与できる。
In addition, the existence of the reflecting surface can be easily known from the time difference between the direct wave and the reflected wave from the drill bit, thereby contributing to the analysis of the underground structure in the direction of the excavation.

すなわち、本発明によれば、坑井内三軸AEセンサによ
り検知した粒子運動のクロススペクトル解析による反射
面の推定が容易に行なえるので、掘削作業と独立に地下
構造推定を行なうことが可能となり、しかも、僅か数分
間の時間で得られた信号の解析によって地下構造の解析
が可能となるという極めて優れた効果が見い出し得る。
このことは、現場において容易にリアルタイムモニタリ
ングが可能なことを意味し、その結果、地下構造評価の
ための掘削に際して、破砕帯、貯留層等の存在に対する
事前予知が可能であるという現場に即した効果がある。
That is, according to the present invention, the reflection surface can be easily estimated by the cross spectrum analysis of the particle motion detected by the downhole three-axis AE sensor, so that the underground structure can be estimated independently of the excavation work, Moreover, the analysis of the signal obtained in a time of only a few minutes can provide an extremely excellent effect that the underground structure can be analyzed.
This means that real-time monitoring can be easily performed at the site, and as a result, when excavating for underground structure evaluation, it is possible to make advance predictions about the existence of crush zones, reservoirs, etc. effective.

また、直達波と反射波の伝播距離差、伝播方向差を用
いて地下構造の評価を行なうことが出来るので、地下に
おける傾斜面の推定をも可能となり、さらには、一点観
測による深部地下構造の高精度な推定が可能となる等の
極めて優れた効果がある。
In addition, since the underground structure can be evaluated using the propagation distance difference and the propagation direction difference between the direct wave and the reflected wave, it is possible to estimate the slope underground. There is an extremely excellent effect such as enabling highly accurate estimation.

また、本発明は、従来のTOMEX法とことなり、掘削ビ
ット先端から放出された信号の推定を必要としないの
で、演算時間の短縮を図ることが出来、また、これによ
って、ドリルパイプの信号伝達関数等の不確定要素の低
減を図ることができる。
Also, unlike the conventional TOMEX method, the present invention does not require the estimation of the signal emitted from the tip of the drill bit, so that the calculation time can be shortened. Uncertain elements such as functions can be reduced.

また、坑井内において計測するので、ノイズや地表附
近の高減衰層の影響を回避することができるので、高S/
N計測を行うことができ、さらに、高周波成分をも検出
することができるため、高い分解能を有する解析が可能
となる等極めて優れた地下構造評価方法を得ることが出
来る。
In addition, since measurement is performed in the wellbore, it is possible to avoid the effects of noise and the high attenuation layer near the ground surface.
Since N measurement can be performed and high-frequency components can be detected, it is possible to obtain an extremely excellent underground structure evaluation method such as an analysis with high resolution.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、この発明に係るAE三軸測定の一実施例を示す
概念図、第2図は、前記実施例から得られたAE信号に対
して三次元粒子運動解析のそのままの状態でのリサージ
ュパターンを示す図、第3図は、これを80Hzのカットオ
フ周波数でフィルタリングをした結果を示す図、第4図
は、前記AEデータのスペクトル行列解析によって得られ
た固有ベクトルの垂直投影の一例を示す図、第5図
(A)、(B)は、fc=80Hzのローパスフィルタを通し
たAEリサージュパターンの主軸成分分析(PCA)の結果
を示すもので、その内第5図(a)は、水平成分を、同
(b)は垂直成分の解析結果を示す図、第6図は、エネ
ルギー密度分布比(EDDR′)と掘削ビット位置の角度誤
差に付いての関係を示す図、第7図は、ドリルビットか
らの反射波を用いた三軸VSP計測の概念図、第8図は、
時間遅れと進行方向の差を仮想的な反射面20からの波の
粒子運動ベクトル という概念を使用して表した結果をフィルタリング処理
をしたAE信号に適用した結果を表した図、第9図および
第10図は、周波数レンジ20〜40Hzにクロススペクトルの
最大値を選定することにより、得られた距離と方向の変
化を掘削深度の関数として各々示した図、第11図は、従
来のいわゆるTOMEX法と称されるAE三軸計測の基本概念
を示す図である。 1……掘削ビット、2……坑井、3……掘削リグ、4…
…ジオフォン、10……AEセンサ、11……ドリルビット、
12……掘削坑井、14……坑井内AEセンサ、16……計測
車、 τ……時間遅れ、φ……相対的方向、ω……角周波数、
FIG. 1 is a conceptual diagram showing one embodiment of the AE triaxial measurement according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an AE signal obtained from the above-described embodiment in the state of three-dimensional particle motion analysis as it is. FIG. 3 is a diagram showing a Lissajous pattern, FIG. 3 is a diagram showing a result obtained by filtering this at a cutoff frequency of 80 Hz, and FIG. 4 is an example of a vertical projection of an eigenvector obtained by analyzing a spectral matrix of the AE data. shows, FIG. 5 (a), (B) illustrates the results spindle component analysis (PCA) of the AE Lissajous pattern through a low-pass filter f c = 80 Hz, of which FIG. 5 (a) Fig. 6B shows the horizontal component, Fig. 6B shows the analysis result of the vertical component, Fig. 6 shows the relationship between the energy density distribution ratio (EDDR ') and the angular error of the drill bit position. Fig. 7 shows three-axis VSP measurement using the reflected wave from the drill bit Conceptual view, FIG. 8 is,
The difference between the time delay and the traveling direction is the particle motion vector of the wave from the virtual reflecting surface 20 Figs. 9 and 10 show the result of applying the result expressed using the concept of フ ィ ル タ リ ン グ to the AE signal that has been subjected to the filtering process. Figs. 9 and 10 show the results obtained by selecting the maximum value of the cross spectrum in the frequency range of 20 to 40 Hz. FIG. 11 shows the obtained changes in distance and direction as a function of the excavation depth. FIG. 11 is a diagram showing the basic concept of conventional AE three-axis measurement called the TOMEX method. 1 ... drilling bit, 2 ... well, 3 ... drilling rig, 4 ...
... Geophone, 10 ... AE sensor, 11 ... Drill bit,
12… Drilling well, 14… AE sensor in borehole, 16… Measurement vehicle, τ: time delay, φ: relative direction, ω: angular frequency,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅沼 宏 宮城県仙台市青葉区水の森3丁目40番11 号 (72)発明者 大里 和己 東京都三鷹市上連雀8丁目7番6号 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) E21B 47/024 E21B 47/12──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hiroshi Asanuma 3-40-11 Mizumori, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (72) Inventor Kazumi Osato 8-7-6, Kamurenjaku, Mitaka-shi, Mitaka-shi, Tokyo (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) E21B 47/024 E21B 47/12

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】掘削中の掘削ドリルビットから放出される
弾性波を坑井内3軸弾性波検出器により検出し、その検
出結果に、センサの共振周波数よりも充分に低い周波数
レンジでフィルタリング処理を施し、かつ、AE信号の三
次元粒子運動の主軸成分分析をすることにより、前記ド
リルビットの方向を検出する方法。
An elastic wave emitted from a drill bit during drilling is detected by a three-axis elastic wave detector in a downhole, and a filtering process is performed on the detection result in a frequency range sufficiently lower than a resonance frequency of the sensor. And detecting the direction of the drill bit by performing a principal axis component analysis of the three-dimensional particle motion of the AE signal.
【請求項2】掘削中の掘削ドリルビットから放出される
弾性波を坑井内3軸弾性波検出器により検出し、その検
出結果の三次元粒子運動のクロススペクトル解析におい
て、前記ビットからの直接波および反射波の相対的な進
行方向およびそれらの到達時間差から地下構造を解析す
る坑井掘削中の放出弾性波の三次元粒子運動解析による
地下構造評価方法。
2. An elastic wave emitted from a drill bit during drilling is detected by a three-axis elastic wave detector in a downhole, and in the cross spectrum analysis of three-dimensional particle motion based on the detected result, a direct wave from the bit is detected. Of underground structure by three-dimensional particle motion analysis of released elastic waves during well excavation to analyze underground structure from relative traveling directions of reflected and reflected waves and their arrival time differences.
【請求項3】掘削中の掘削ドリルビットから放出される
弾性波を坑井内3軸弾性波検出器により検出し、その検
出結果の三次元粒子運動のクロススペクトル解析におい
て、前記ビットからの直達波と反射面からの反射波の伝
達距離差、および前記直達波と前記反射波の前記センサ
に対する伝播方向差の双方から、掘削進行方向に存在す
る地層境界を評価する請求項2項記載の坑井掘削中の放
出弾性波の3次元粒子運動解析による地下構造評価方
法。
3. An elastic wave emitted from a drill bit during drilling is detected by a 3-axis elastic wave detector in a downhole, and a direct wave from the bit is detected in a cross spectrum analysis of three-dimensional particle motion based on the detection result. 3. The well according to claim 2, wherein the formation boundary existing in the excavation traveling direction is evaluated based on both the transmission distance difference of the reflected wave from the reflection wave and the reflection surface and the difference in the propagation direction of the direct wave and the reflected wave to the sensor. Underground structure evaluation method by three-dimensional particle motion analysis of released elastic waves during excavation.
【請求項4】前記坑井内3軸弾性波検出器の検出結果の
三次元粒子運動のクロススペクトル解析は、所定のカッ
トオフ周波数でフィルタリングをした結果得られるもの
であることを特徴とする請求項1項記載の掘削ドリルビ
ット方向検出方法。
4. The cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion as a detection result of the downhole three-axis elastic wave detector is obtained as a result of filtering at a predetermined cutoff frequency. 2. The method for detecting the direction of a drill bit according to claim 1.
【請求項5】前記坑井内3軸弾性波検出器の検出結果の
三次元粒子運動のクロススペクトル解析は、所定のカッ
トオフ周波数でフィルタリングをした結果得られるもの
であることを特徴とする請求項2項ないし3項記載の坑
井掘削中の放出弾性波の3次元粒子運動解析による地下
構造評価方法。
5. The cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion detected by the downhole three-axis elastic wave detector is obtained by filtering at a predetermined cutoff frequency. Item 3. An underground structure evaluation method based on three-dimensional particle motion analysis of an emitted elastic wave during well drilling according to item 2 or 3.
【請求項6】前記坑井内3軸弾性波検出器の検出結果の
三次元粒子運動のクロススペクトル解析において、三軸
AEセンサによる粒子運動のベクトルを 各々直接に到達した縦波と反射して到達した縦波の粒子
運動のベクトル)および直接波と仮想反射波のクロスス
ペクトルを、角周波数ωと仮想の反射面の相対的方向φ
の関数、 で表される式で処理されることを特徴とする請求項2項
ないし3項記載の坑井掘削中の放出弾性波の3次元粒子
運動解析による地下構造評価方法。
6. A cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion based on a detection result of the three-axis elastic wave detector in the downhole,
Vector of particle motion by AE sensor The vector spectrum of the particle motion of the longitudinal wave that arrives directly and the longitudinal wave that arrives by reflection) and the cross spectrum of the direct wave and the virtual reflected wave are expressed by the angular frequency ω and the relative direction φ of the virtual reflecting surface.
Function, The underground structure evaluation method by three-dimensional particle motion analysis of emitted elastic waves during drilling of a well, according to claim 2 or 3, wherein the underground structure is evaluated by the following equation.
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