JP2854475B2

JP2854475B2 - 高精度３軸磁力計を用いた地下電磁誘導探査法

Info

Publication number: JP2854475B2
Application number: JP32117892A
Authority: JP
Inventors: 真司高杉; 和己大里
Original assignee: Chinetsu Gijutsu Kaihatsu KK
Current assignee: Chinetsu Gijutsu Kaihatsu KK
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH06186346A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、改良された高精度３軸
磁力計を用いた地下電磁誘導探査法による地下亀裂確認
法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、金属鉱床探査を代表として、垂直成
分磁力計を用いた坑井内電磁誘導探査法が知られてい
る。この探査には、一本の坑井（モノホール）に発信
器、受信器を吊り下ろし、発信器から可聴周波数帯域の
電磁波を発射し、地下における反射波を受信器で補足
し、これを解析して地下構造を確認する方法（いわば、
「モノホールタンデム型探査」とでも称される。）や、
一本の坑井（モノホール）に受信機を吊り下ろす一方、
数十メートルないし数百メートル四方の発信アンテナを
複数個地表に配置し、各々の地表からの可聴周波数帯域
の電磁波を、前記モノホール内の受信器で補足し、この
受信信号を解析して、地下構造を解析する方法（いわ
ば、「モノホール坑内型探査」とでも称する。）、また
は、一本の坑井（モノホール）に受信器を配置する一
方、これとは別途に地表に受信器をそれぞれ配置し、さ
らに、この坑井内に電解質溶液（電解質トレーサ）を投
入し、自然磁場または外界からの電磁波によって生じる
可聴周波数帯域を利用し、坑井内の受信器の磁場変動
と、該受信器と地表に配置した前記受信器とのコヒーレ
ンシーをとり、その結果を解析する方法（いわば、「モ
ノホールトレーサ型探査」とでもいう。）、あるいは、
近接する二本の坑井のそれぞれに可聴周波数帯域の電磁
波を発射し、それを受信する受信器を備え、地下を透過
する電磁波を解析する方法（いわば、「クロスホール電
磁誘導法」とでも称する。）等の地下亀裂確認法が知ら
れている。

【０００３】

【従来技術上の問題点】しかしながら、これらの坑井内
電磁誘導探査法に用いられるこの種の磁力計に関して
は、１ｎＴオーダーの精度のものであり、石油、地熱等
の深部探査に用いるためには、十分なものではなかっ
た。

【０００４】

【問題点解決のための手段】そこで、本願発明者は、外
径３．５インチのツール内部に格納できる単軸型の小型
コイル単体の感度を向上させ、ＳＮ比に強い水平磁場磁
力計とすると共に、複数のコイルをアレイ式に連結し、
全体としての感度を向上させ、ＳＮ比の強い水平磁場磁
力計を改良し、この改良に係る３軸磁力計（以下、「タ
ンデム型３軸磁力計」という。）を用いて、前記モノホ
ール型およびクロスホール型探査法において、地下電磁
誘導探査を実施して、高精度に地下構造の解析を行うこ
ととした。

【０００５】すなわち、地下電磁誘導探査法３軸磁力計
において、上記アレイ式水平磁場センサを用いたＸ、Ｙ
成分磁力計については、上記アレイ式垂直磁力計を挟ん
で上下に２組のアレイ式水平磁力計を配置し、Ｘ、Ｙ成
分磁力計のクロスカップリングを改善し、また、Ｚ成分
垂直磁力計を上記のようにアレイ式垂直磁力計とするこ
とにより垂直磁力計単体の感度、ＳＮ比を向上させると
共に、これらの配置構成を通じて、３成分磁力計全体の
クロスカップリング、感度、ノイズレベルを調整して、
３軸磁力計の感度を向上させ、ＳＮ比を上げ、これによ
って、上記モノホール型およびクロスホール型地下電磁
誘導探査を高精度に実施できるようにしたものである。

【０００６】具体的には、全長３インチの複数の単軸イ
ンダクションコイル（以下、「コイルエレメント」と称
する。）を水平方向に直交する方向Ｘ軸方向、Ｙ軸方向
に交互に組合せて配列した３軸磁力計を用いて、それぞ
れモノホールおよびクロスホールにおいて、高精度な地
下電磁誘導探査を可能としたものである。

【０００７】また、坑井内検層プローブから地表にデー
タを伝送するに際し、最良の伝送方式を選定すると共
に、地表からツールへ制御命令を送信する際の送信方式
に関し、マルチプレクシング（信号多重化）のため総合
したチャンネル数を確保できるようにし、また、これに
伴う坑井内電子装置において、同期検波回路、アナログ
／デジタル変換器、制御用マイクロプロセッサを適宜適
切なものとした。

【０００８】

【作用】本発明では、全長３インチの複数のコイルエレ
メントを水平方向に直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に
交互に複数組合せたアレイ式とし、水平コイルの感度を
高めると共に、これら複数の水平コイルと垂直コイルの
相互干渉によるノイズ増加を防止するために、垂直磁力
計を挟んで上下対称に、Ｘ軸成分、Ｙ軸成分の和を得る
ようにした３軸磁力計を用いて、高精度な地下電磁誘導
探査を可能ならしめ、さらに、３軸磁力計からの信号を
伝送する伝送系の同期検波回路、アナログ／デジタル変
換器、制御用マイクロプロセッサについて、適宜、適切
なものを組み込み使用し、坑井内で検出した測定データ
の減衰を少なくして、高精度に地表に伝送し、地下電磁
誘導探査を高精度に行わしめ、地下の亀裂確認を容易な
らしめるというものである。

【０００９】

【実施例】高精度な３軸磁力計を使用した地下電磁誘導
探査法の実施例を図面により説明する。

【００１０】本実施例として、高精度な３軸磁力計を使
用した貯留層モニタリングの「クロスホール型地下トレ
ーサ電磁誘導探査法」を行った。

【００１１】貯留層モニタリングとして地下流体の流動
現象を扱う場合、地下流体の移動に伴い、地下の物性値
（この場合、比抵抗）に何らかの変化が生じた場合が、
物理探査法が最も意味を有する。したがって、最も効果
的に地下の比抵抗を変化させる方法は、人工的に地下と
異なる比抵抗をもつ流体を地下に注入する方法である。

【００１２】本実施例においては、電解質溶液たる電磁
トレーサを用いて、上記クロスホール配置の調査井間に
これを注入した。

【００１３】図１は、電解質溶液を注入した「クロスホ
ール型地下トレーサ電磁誘導探査法」を示すもので、高
精度３軸磁力計を備えた受信器８０、８１を吊り下ろす
二本の坑井８２、８３と、電解質溶液８４を注入する注
入坑井８５の坑井配置からなり、該注入坑８５から、電
解質溶液を地下流体８６に注入し、その流動現象の補足
を試みる概念図である。

【００１４】この方法によれば、近接する二本の坑井８
２、８３のそれぞれに可聴周波数帯域の電磁波を発射
し、それを受信する高精度３軸磁力計を備えた受信器８
０、８１により、地下を透過する電磁波を解析するとい
うものである。すなわち、信号の発信源（発振コイル）
（図示外）と受信点（３軸磁力計）８０、８１の位置関
係を段階的に変化させて計測する測定方式（移動ソース
方式）である。

【００１５】このような移動ソースの配置方法として
は、図１に示すようなクロスホール配置により、地表に
発信源を配置して所定の測定を行った。なお、この実施
例に使用したセンサとしては、後述の高精度３軸磁力計
を用いた。

【００１６】この探査方法においては、比抵抗異常体の
電磁誘導により生じる２次場は、注入前と注入後の測定
電磁場の差として表わされるため、異常体の検出のため
には、この差が注入前の電磁場応答の大きさと比較し
て、測定装置に対して十分検出可能な大きさであること
が必要となる。

【００１７】また、受信点を降下させる坑井８８以外に
発信源を降下させる別の坑井８７を用いて計測するた
め、図２に示すようなモデルを用いた。このモデルで
は、電解質溶液を注入する別途の坑井（図２では図示せ
ず）を設けて、この坑井から、電解質溶液を地下流体８
９に注入し、その流動現象の補足を試みた。

【００１８】すなわち、坑口が２００ｍ離れた深度１０
００ｍの２本の垂直坑井８７、８８のうちの片側８７に
降下した垂直磁場ダイポール（ＶＭＤ）９０をソースと
して、もう一方の垂直坑井８８において受信器９１によ
り３成分の磁場を測定した。また、検出する異常体すな
わち電解質溶液（電解トレーサ）の比抵抗を１Ω・ｍと
し、両垂直坑井８７、８８の中間の深度（５００ｍ）の
地下流体８９に注入されているとし、さらに、該電解質
溶液は、均質な母岩（５０Ω・ｍ）中で水平に広がり、
厚さ１ｍ×横５０ｍ×縦５０ｍの矩形状に滞留するもの
とし、ＶＭＤソース９０の発生する磁場モーメントは、
３０００Ａ・ｍ²として、周波数領域１〜１×１０⁵Ｈ_z
を計測計算を行った。

【００１９】ソース９０が深度５００ｍに位置する場合
のレシーバ側の垂直磁場（２次場）の大きさ［ｎＴ］を
周波数と測定深度に対する分布を図３に示す。図中の縦
軸は、レシーバ深度［ｍ］を、横軸は、周期［ｓｅｃ］
を示す。また、図３の上の分布図は２次磁場の同相成分
を、下の分布図は２次磁場の離相成分を示す。

【００２０】次に、垂直磁場（２次場）の絶対値の最大
値を周波数に対してプロットしたものを図４に示す。さ
らに、図４上に地表電磁探査に用いる可聴周波数領域用
誘導磁力計（米国ＥＭＩ社製型番ＢＦー６）のノイズス
ペクトル密度［ｎＴ√Ｈ_z］を重ねた。ここで、コント
ロールソース方式の電磁誘導法においてソースの位相が
既知であれば、信号系は周期関数とみなせるため、フー
リエ変換はデルタ関数として扱える。この場合、磁力計
のノイズレベルに周波数依存性はなくなり、ノイズスペ
クトル密度と計算結果は直接比較できる。

【００２１】この結果において、数１０〜数１０００
［Ｈ_z］付近では、検出される２次磁場の大きさは、磁
力計のノイズレベルに比較して十分に大きく検出可能な
ことがわかる。

【００２２】一方、１次磁場に対する２次磁場の分解能
を検討するため、同じ計算結果での１次磁場に対する２
次磁場の比［％］を周波数に対してプロットしたものを
図５に示す。図５においては、高周波数側は、スキン深
度に達しており、数値の意味がないため、この図には示
していない。この図５から知り得るように、１００［Ｈ
_z］付近より低周波数側では、この分解能が数％以下と
なり、徐々に測定が困難になることが知り得る。また、
もし、電解トレーサたる電解質溶液により誘導される２
次磁場を１次磁場から分解する上での分解能の限界を５
％と仮定すると、このモデル条件では、３００［Ｈ_z］
から数１０００［Ｈ_z］の範囲での測定ができることが
知り得る。

【００２３】また、この結果をより有効に検証するた
め、次のようなモデルを用いてイメージ解析を行った。
このため、佐々木（１９９０）によるモデル計算を用い
たインバージョン技術方法を採用した。数値計算プログ
ラムとしては、Ｎｅｗｍａｎｅｔａｌ．（１９８６）
による水平多層中の３次元比抵抗異常体の時間領域電磁
応答を扱う計算プログラムを周波数領域に展開したＥＭ
３Ｄ（ＮｅｗｍａｎａｎｄＰｅｌｌｅｒｉｎ，１９
９０）を基本にして、これにインバージョンアルゴリズ
ムを組み込んだ均一空間ないの矩形状比抵抗異常体を扱
うプログラムで、解法は積分法によるものを用いた（Ｚ
ｈｏｕ（１９９０）による計算プログラムＳＨＥＥＴ
Ｓ）。また、インバージョンの手法としては、Ｃｏｎｓ
ｔａｂｌｅ（１９９０）によるＯｃｃａｍ’ｓインバー
ジョンの方法による収束を試みた。

【００２４】このモデルとして、クロスホール断面は、
坑口が２００［ｍ］離れた２本の垂直坑井（深度１００
０［ｍ］）９３、９４の片側９３にＶＭＤソース９５を
配置し、もう一方の垂直坑井９４の３軸磁場を計測す
る。

【００２５】このようなクロスホール断面をターゲット
の比抵抗異常体を中心にＸ軸、Ｙ軸両方向に十文字状に
配置したときの、ソース坑９３のＶＭＤソース９５は、
１００、３００、５００、７００、９００［ｍ］のそれ
ぞれの深度に単独に配置して、レシーバ坑９４の０〜１
０００［ｍ］間１００［ｍ］毎に３軸磁場を計測するも
のとした。

【００２６】地下のモデルは、３層の水平層［表層（０
〜３００［ｍ］）：１００［Ω・ｍ］、中間層（３００
〜８００［ｍ］）：５０［Ω・ｍ］、基盤層（８００
［ｍ］〜）：５００［Ω・ｍ］］の中間層内に注入され
た電解質トレーサによる矩形状の比抵抗異常体（厚さ１
０［ｍ］×横８０［ｍ］×縦８０［ｍ］）のモデルとし
た。

【００２７】すなわち、インバージョンにあたっては、
図６に示すように、この比抵抗異常体を中心とした横１
６０［ｍ］×縦１６０［ｍ］の範囲を横８個×縦８個の
立方体セル（厚さ１０［ｍ］×横２０［ｍ］×縦２０
［ｍ］）に分割してある。

【００２８】また、この実施例に用いたソースとレシー
バの組み合わせを図７に示す。なお、坑井配置その他は
図６と同じであるので符号は省略する。また、モデルパ
ラメータを表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】計算は、理論モデル（１［Ω・ｍ］の一様
な比抵抗をもつ８０［ｍ］×８０［ｍ］×１０［ｍ］の
立方体）に対して行った。コンバージョンテストに用い
た計算値は、２つのクロスホール、３つの周波数、５つ
のソース深度、１０個のレシーバ点における３成分磁場
（２次磁場）である。その結果を図８に示す。図８の上
側が、理論モデルによるものである。そして、図８の下
側の図が、高精度３軸磁力計を使用した場合の図６に示
す測定計算結果である。

【００３１】また、上記第１の実施例においては、クロ
スホール型地下トレーサ電磁誘導探査の実施例を示した
が、これは、一本の坑井（モノホール）に受信器を配置
する一方、これとは別途に地表に受信器をそれぞれ配置
し、さらに、この坑井内に電解質溶液（電解質トレー
サ）を投入し、自然磁場または外界からの電磁波によっ
て生じる可聴周波数帯域を利用し、坑井内の受信器の磁
場変動と、該受信器と地表に配置した前記受信器とのコ
ヒーレンシーをとり、その結果を解析して、地下構造を
解析するようにした「モノホール型地下トレーサ電磁誘
導探査」であってもよいものである。

【００３２】また、上記第１および第２の実施例におい
ては、地下トレーサとして電解質溶液を地下に注入し
て、かつ、近接する二本の坑井の一方に可聴周波数帯域
の電磁波を発射し、他方の坑井に、それを受信する受信
器を備え、地下を透過する電磁波を解析する「クロスホ
ール型地下電磁誘導探査法」を行ったが、これは、一本
の坑井（モノホール）に発信器および前記高精度な３軸
磁力計よりなる受信器を吊り下ろし、発信器から可聴周
波数帯域の電磁波を発射し、地下における反射波を受信
器で補足し、これを解析する「モノホールタンデム型電
磁誘導探査法」としても、よいものであり、また、地下
トレーサとしての電解質溶液の注入がなくても、後述の
高精度３軸磁力計を用いて地下構造の解析を行うことが
できるものである。

【００３３】この場合、地下において電磁誘導を誘起せ
しめる使用周波数として、可聴周波数帯域（数Ｈ_z〜数
万Ｈ_z）を使用し、測定方式として、周波数領域におけ
る（マルチ周波数）を使用し、測定センサとして、後述
の３軸磁力計を使用することとする。

【００３４】また、同様に、他の実施例として、一本の
坑井（モノホール）に高精度の３軸磁力計を配置した受
信機を吊り下ろす一方、数十メートル四方の発信アンテ
ナを地表に配置し、この地表からの可聴周波数帯域の電
磁波を、前記モノホール内の受信器で補足するようにし
た「モノホール坑内型地下電磁誘導探査」も地下構造の
解析として検討できる。この場合も、前述したように地
下トレーサとしての電解質溶液を地下に注入してもよい
が、該電解質溶液に注入を行わなくても高精度な地下構
造の解析が可能となるものである。

【００３５】次に、これらの実施例に使用される３軸磁
力計について説明する。図９は、３軸磁力計の実施例の
全体概略断面図であり、中心に直径２５ｍｍφ、長さ４
５７ｍｍの外径寸法を有し、μメタルコア１１、１１，
１８０回巻回された単一パイ巻き線（コイル）１２、フ
ィードバック巻き線１３からなる垂直磁力計が配置さ
れ、これら１組の単一パイ巻き線１２およびフィードバ
ック巻き線１３の両端には、仕切板１４が、介在され
て、全体として、１６個の単一パイ巻き線（コイル）１
２およびフィードバック巻き線１３と、１７個の仕切板
１４から構成される垂直磁力計部２と、その両端にコア
３、＃３３ＡＷＧＧＡＧＥ（０．２ｍｍφ）の導線を
５０００回巻いた主巻き線（メインコイル）４、フィー
ドバック巻き線（コイル）５、テフロンコイル端６、静
電シールド７、巻き線ターミナル８、巻き線端９、およ
び該主巻き線４、その他を前記コア３に係止するセット
ねじ１０からなる二組のアレイ式水平磁力計用コイルエ
レメント１をそれぞれ両端に１０個、合計２０個、それ
ぞれ直交して配置し、全体として、全長１５７５ｍｍ長
の長さに構成したものである。

【００３６】また、当該３軸磁力計のケーブル接続側に
は、地上との伝達ケーブルの接続用メイン出力コネクタ
１５が配置され、それぞれ前記水平磁力計用エレメント
１の全体および垂直磁力計部２と接続され、それぞれ計
測された水平、垂直のＸ、Ｙ、Ｚの各方向の磁場成分を
地上装置へ伝達する。

【００３７】このように配置構成された３軸磁力計は、
前記アレイ式水平磁力計用コイルエレメント１が、複数
集合配置されて、上部水平磁力計用コイルエレメント部
１００または下部水平磁力計用コイルエレメント部２０
０を構成する。

【００３８】前記上部水平磁力計用コイルエレメント部
１００または下部水平磁力計用コイルエレメント部２０
０の具体的配置は、該３軸磁力計が坑井内に吊り下げら
れたときに、Ｘ方向、Ｙ方向の水平２方向の磁場成分の
測定が可能なように、互いに直交して配置構成される。
すなわち、各Ｘ軸方向に配列されたＸ軸アレイエレメン
トＸ₁、Ｘ₂、Ｘ₃、Ｘ₄、Ｘ₅は、電気的には、それぞれ
直列に接続され、各Ｙ軸方向に配列されるＹ軸アレイエ
レメントＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄、Ｙ₅は、それぞれ、Ｘ軸
と直交する方向に配列され、かつ、これらのＹ軸アレイ
エレメントＹ₁、Ｙ₂、Ｙ₃、Ｙ₄、Ｙ₅は、電気的に直列
に接続されている。

【００３９】次に、本実施例に使用するＢＨ３５二重ア
レイ式３軸磁力計の電気的接続構成を説明する。

【００４０】本実施例に使用する３軸磁力計は、Ｘおよ
びＹ成分の測定が可能なものであり、その電気的接続構
成は、図１１ないし図１３に示される。

【００４１】図１１は、ＢＨ３５二重アレイ式センサの
結線概略図であり、Ｘ、Ｙの直交する二種類の水平直交
配列からなる水平配列センサＸ₁、Ｘ₂およびＹ₁、Ｙ
₂と、垂直センサＺを含む全センサシステムの結線図で
ある。

【００４２】上述したように、各コイルエレメントを構
成する二重アレイ式センサは、固有のフィードバック巻
線５を有する各コイルエレメント１からなり、これらの
巻線５は、並列に接続されている。すなわち、Ｘ₁およ
びＹ₁は、共通のシールド線を有し、該受信システム
は、一または二のコネクタに連なり、各々が、一つのユ
ニットとして組み込まれている三つの構成からなる。

【００４３】すなわち、図１１においては、Ｘ₁、Ｙ
₁は、受信ユニットの下部に設けられる直交した二種類
のアレイ式水平センサ１、１からなる下部水平磁力計用
コイルエレメント２００であり、それぞれＡ、Ｂの各メ
インコイルおよびＡ、Ｂの各フィードバックコイルから
なり、それぞれコイルの開始端（ＳＴＡＲＴ端）、同終
端（ＥＮＤ端）およびシールド端（ＳＨＩＥＬＤ端）に
接続されたコネクタ端子２１を有する。

【００４４】この下部の二種類のアレイ式水平センサＸ
₁、Ｙ₁のうち、Ｘ₁のＢＭＡＩＮは、Ｈ_x1のメインコイ
ルの出力端子であり、Ｙ₁のＡＦＥＥＤは、Ｈ_y1のフィ
ードバックコイルの出力端子である。

【００４５】同様に、Ｘ₁のＢＦＥＥＤは、Ｈ_x1のフィ
ードバックコイルの出力端子であり、Ｙ₁のＡＭＡＩＮ
は、Ｈ_y1フィードバックコイルの出力端子である。

【００４６】このＸ方向、Ｙ方向の直交した二種類のア
レイ式水平センサ１、１は、コネクタ２０を介して、結
合シールド線３１、３２、３３、３４に接続される。

【００４７】また、前記下部水平磁力計用コイルエレメ
ント部２００と並列して前記垂直センサ部２が配置され
る。

【００４８】この垂直センサ部２には、垂直Ｚ方向のメ
インコイル出力Ｈ_zを出力する一種類のＣメインコイル
（ＣＭＡＩＮ）および同垂直Ｚ方向の一種類のフィード
バックコイルの出力Ｈ_zを出力する同Ｃフィードバック
コイル（ＣＦＥＥＤ）のそれぞれの開放端、終端および
シールド端が、それぞれ前記下部水平磁力計用コイルエ
レメント部２００に接続された結合シールド線３１、３
２、３３、３４と共にコネクタ２１に接続される。

【００４９】このコネクタ２１は、他方を別の結合シー
ルド線３５、３６、３７、３８、３９、４０に接続さ
れ、また、この結合シールド線３５、３６、３７、３
８、３９、４０と並列に上部水平磁力計用コイルエレメ
ント部１００の二種類の直交するＤ、Ｅの各コイルのメ
インコイルおよびフィードバックコイルが接続されてい
る。

【００５０】すなわち、このコネクタ２１を介した上部
水平磁力計用コイルエレメント部１００は、下部水平磁
力計用コイルエレメント部２００と同様にＸ₂、Ｙ₂は、
受信ユニットの上部に設けられる直交した二組のアレイ
式水平センサ１、１からなる上部水平磁力計用コイルエ
レメント１００であり、それぞれＤ、Ｅの各メインコイ
ルおよびＤ、Ｅの各フィードバックコイルからなり、そ
れぞれコイルの開始端（ＳＴＡＲＴ端）、同終端（ＥＮ
Ｄ端）およびシールド端（ＳＨＩＥＬＤ端）を有する。

【００５１】この上部の二組のアレイ式水平センサ
Ｘ₂、Ｙ₂のうち、Ｘ₂のＥＭＡＩＮは、Ｈ_x2のメインコ
イルの出力端子であり、Ｙ₂のＤＦＥＥＤは、Ｈ_y2のフ
ィードバックコイルの出力端子であり、同様に、Ｘ₂の
ＥＦＥＥＤは、Ｈ_x2のフィードバックコイルの出力端子
であり、Ｙ₂のＤＭＡＩＮは、Ｈ_y2フィードバックコイ
ルの出力端子である。

【００５２】これらのＤ、Ｅのそれぞれのコイルの開始
端（ＳＴＡＲＴ端）、同終端（ＥＮＤ端）およびシール
ド端（ＳＨＩＥＬＤ端）および前記コネクタ２１に接続
された結合シールド線２５、３６、３７、３８、３９、
４０は、シールド端を共通にし、接地される。

【００５３】また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各種類のエレ
メントコイルの出力トータルは、接続用メイン出力コネ
クタ１５を介して、同軸ケーブル４１〜５０からなる検
層ケーブル６０で地上装置に接続される。

【００５４】上記を詳述すれば、最初のセクションは、
各１０個のエレメントからなる直交する二つの水平アレ
イ式センサからなり（図９参照）、前記二つのアレイ式
センサは、センサの物理的大きさを最小にするため、互
いに網目状にを形成され、各コイルエレメント１は、直
交するアレイ式水平磁力計用コイルエレメント１の間で
の静電クロスカップリングを防止するため、シールド線
で結線された静電遮蔽７で遮蔽される。

【００５５】すなわち、アレイ式水平磁力計用コイルエ
レメント１の巻線から終段ののコネクタへ連なる結線
は、接地ループが生じないように、特殊な手段で遮蔽さ
れ、これは、全ての遮蔽を開放された一端で開放するこ
とによってなされ、単一のコネクタ内の結合が、この最
初のセクションの終端が終端となるように構成される。

【００５６】第２のセクションとして、垂直センサを含
み、最初のセクションからの全結線が、センサ表面を走
行する遮蔽ケーブル手段によって受信機本体の先端に向
って延びる構成を有する。第２のセクションは、最初の
二つの水平アレイ式センサと垂直センサの結合からなる
コネクタで接続される構成からなる。

【００５７】第３の（上部）セクションは、第１のセク
ションが行ったと同じように二つの直交するアレイセン
サからなり、全ての５つのセンサに接続されるコネクタ
で終わりとなる。

【００５８】さらに、全ケーブルは、単一の終端遮蔽で
完全に遮蔽される。

【００５９】なお、本実施例に使用された３軸磁力計の
３つの受信システムからなる受信機ケース本体は、ポリ
カーボネイトプラスチック材質からなり、この材質の物
は、温度変化に対する高い寸法安定性を示し、容易に機
械仕上げができ、また、透明であるので、組立に際し、
配線検査を可能にする。

【００６０】５台一組の増幅器受信システムに接続され
るこれらの増幅器の回路図は図１２および図１３に示さ
れる。

【００６１】これらの増幅器は、４つの配列および垂直
センサが、正しく測定可能なように若干の変更が加えら
れている以外は、前記標準ＢＦ６に使用されたものであ
る。

【００６２】また、図１２は、本実施例において使用さ
れる水平センサユニットの増幅回路図であり、図１３
は、同水平センサユニットの増幅回路図である。

【００６３】本実施例に使用される３軸磁力計おいて、
その垂直センサユニットの増幅回路図は、同じ形のもの
を使用した。すなわち、メインコイルからの出力は、オ
ペアンプＯＰＡ１１１に入力され、ＤＣＴＲＩＭによ
り、バイアス調整の下で第１段の増幅がされる。

【００６４】第１段の増幅がされた後は、アンプＬＭ３
５６で第２段の増幅がされ、その結果が計算結果信号と
共にキャリブレーション用シグナル入力端子に接続され
たフィードバックコイルに帰還され（図１１では、ＣＦ
ＥＥＤとして表されている。）、それと共に、もう一方
の第２段増幅の出力は、ゲイン調整の後、アンプＬＴ１
０１２によってさらに増幅されて出力され、検層ケーブ
ル６０を通じて地上に送られる。

【００６５】図１３の増幅回路においては、Ａ、Ｂ、
Ｄ、Ｅの各メインコイルからのＸおよびＹの直交する水
平二方向の水平磁場成分Ｈ_x1〜Ｈ_xnおよびＨ_y1〜Ｈ_ynの
出力は、図１２の増幅回路同様、オペアンプＯＰＡ１１
１に入力され、ＤＣＴＲＩＭのバイアス調整の下で第
１段目の増幅がされ、第１段の増幅がされた後は、図１
２の増幅回路と同様にアンプＬＭ３５６で第２段の増幅
がされ、その結果が、図１２の回路と同様に、キャリブ
レーション用シグナル入力端子に接続された各フィード
バックコイルに帰還され（同様に、図１１では、ＡＦ
ＥＥＤ、ＢＦＥＥＤ、ＤＦＥＥＤ、ＥＦＥＥＤと
して表されている。）、それと共に、もう一方の第２段
目の増幅アンプ（ＬＭ３６５）の出力は、ゲイン調整の
後、アンプＬＴ１０１２によってさらに増幅されて、各
エレメントコイルのトータルの水平二方向成分として出
力され、検層ケーブル６０を通じて地上に送られる。

【００６６】この実施例に使用される３軸磁力計は、次
のような特徴を有する。

【００６７】１）二つの配列から二つの信号が集計され
ると、均一磁界の自然対数の√２の要素によって感度が
上昇し、この構成の水平センサは、受信システムの中心
で中心を持つことになり、したがって、垂直センサの中
心と一致することになる。

【００６８】２）地表で５つの信号の解析が可能となる
ので、送信磁界の水平勾配もまた計測することができ
る。

【００６９】上記の構成の３軸磁力計（水平２方向、垂
直１方向）について、水平磁場磁力計、すなわち、内径
３．５インチのツール内部に格納できる単軸型の小型コ
イル単体の感度を向上し、ＳＮ比に強い水平磁場磁力計
とすると共に、複数の上記コイルをアレイ式に連結した
全体の感度を向上させ、連結した全体においてもＳＮ比
の強い水平磁場磁力計となる。

【００７０】次に、本実施例に使用する３軸磁力計につ
いて、坑井内の検層システムから地表までのデータ伝送
系の改善のために、その検討を行った。

【００７１】本実施例に使用される３軸磁力計のデータ
伝送方式は、周波数領域を扱うため、データ伝送系、特
に、磁力計と地上を結ぶ検層ケーブルにおける信号の減
衰を考慮して、坑井内で信号を増幅して地表まで時系列
データとして伝送する（アナログ転送）か、あるいは坑
井内でデータ処理を行い、周波数に対するスペクトルで
伝送する（デジタル転送）かを決定した。

【００７２】坑井内から地表までは、検層ケーブルを用
いてデータを送信する。したがって、検層ケーブルの伝
送特性を知ることは、データの送信レート（周波数）を
決定する上で重要である。

【００７３】検層ケーブル間での各種の雑音混入を想定
した場合、坑井内で測定データを増幅・数値化（デジタ
ル化）した上で、検層ケーブルを通じて地表に伝送する
ことが精度向上の上から望ましい。

【００７４】したがって、伝送径については、デジタル
転送を採用することとして坑井内の電子回路構成を選定
した。

【００７５】このように坑井内で計測されたデータを測
定器内部で増幅・デジタル化して地表に送信するため
に、信号のマルチプレクシング（信号多重化）をするこ
とが好ましい。

【００７６】このマルチプレクシングに際し、坑井内で
測定される磁場データとそれ以外に送信する情報は下記
のとおりである。

【００７７】（１）磁場（ｘ成分）同相（２）磁場（ｘ成分）離相（３）磁場（ｙ成分）同相（４）磁場（ｙ成分）離相（５）磁場（ｚ成分）同相（６）磁場（ｚ成分）離相（７）発信コイルの電流値（８）ｘ軸（絶対軸）に対する偏角（９）ｙ軸（絶対軸）に対する偏角（１０）ｚ軸（絶対軸）に対する偏角（１１）電子装置内温度（１２）コイル部温度＝坑内温度（温度補正用）

【００７８】この１２種類のデータを送信する標準的な
マルチプレクサは、１６チャンネルである。

【００７９】したがって、４チャンネルを、将来、他の
データを追加した場合の予備と考えて、１６チャンネル
のマルチプレクシングを行えるように構成した。

【００８０】また、このような坑井内でのデジタル化の
ために、坑井内装置に同期検波回路とアナログ／デジタ
ル変換器・制御用マイクロプロセッサを使用した。

【００８１】同期検波回路（Ｓｙｎｃｈｒｏｕｎｏｕｓ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ｓ．Ｄ．）については、ＭＦ
Ｔによる人工交流磁場の変動を計測できる、３軸成分各
成分から同期検波装置で測定信号の振幅と位相が求めら
れるものでなければならないから、その構成は、次のよ
うなものでなければならない。

【００８２】すなわち、検出される２次磁場の信号は、
同相成分（１次磁場と同位相になる成分）と離相成分
（１次磁場と９０゜の位相差をもつ成分）に分けて考え
ることができ、本実施例装置では、１次磁場（信号源）
の周波数と位相が既知である点を利用して、周波数と位
相が既知の信号の振幅を測定するロックイン増幅器（ｌ
ｏｃｋーｉｎａｍｐｌｉｆｅｒ）の１種を用いて、信
号を同相成分と離相成分に分離して測定する方式を採用
した。

【００８３】同期検波回路は、同調増幅器（ロックイン
増幅）と位相敏感検波器（ヘテロダイン変換）を組合せ
て用いる。

【００８４】具体的には、狭帯域で高い増幅度の同調増
幅器を用いてヘテロダイン変換した後に時定数の長い低
域通過フィルタを通すことにより微弱信号を検出する。

【００８５】その概念図を図２０に示す。

【００８６】図２０に示した概念図の内容を概念的に数
式で示すと、入力信号Ａｓｉｎ（ωｔ＋э）（Ａは、振
幅、ωは角速度、эは、位相）に対して、同周期のコサ
イン波を掛合わせて、次式で表される。

【００８７】

【数１】

【００８８】さらに、２×２πωの周波数を除去するよ
うな低域通過フィルタを通すことで、次式のように表す
ことができる。

【００８９】

【数２】

【００９０】したがって、この式により、同相成分が分
離できる。

【００９１】同様に、離相成分では、同周期のサイン波
を掛け合わせて、次式により表すことができる。

【００９２】

【数３】

【００９３】さらに、２ωｔの周波数を除去するような
低域通過フィルタを通すことにより、その結果は次式で
表される。

【００９４】

【数４】

【００９５】したがって、これにより、離相成分が分離
できる。

【００９６】最終段の機器の低周波数領域を補正する受
信電子装置を構成し直す等の再検討を行い、１０Ｈ_zよ
りさらに低い周波数領域での伝送を検討した。

【００９７】このより低い周波数領域での伝送では、同
期検知モードは使用せずに、高解像度のアナログからデ
ジタルコンバータを用いてデータ採取が可能であった。

【００９８】さらに、このことは、多くのまたは少しの
変更もハードウエアに加えることなく、単に受信ソフト
ウエアを変更することによって時間領域や周波数領域機
器として機能する構成を容易に変更し、加えて、矩形波
や、三角波、正弦波、疑似乱数的二値信号のような使用
される種々の伝送波形全てのサンプルされた時点をソフ
トウエアで実行することにより、積み重ねられる多くの
柔軟な結果を通して、従来から連続してサンプリングさ
れたものを使用することに対し、それに追加できるとい
うメリットがある。

【００９９】この装置は、信頼性、精密性および低電力
消費の受信電子装置部品であり、低電力消費は、この機
器の高温度型の発熱を最小にするのに、最良のものと認
められる。

【０１００】同期検知の代りにサンプルされた時間領域
処理に変更することは、受信電子装置の多くの再設計に
必須のものである。

【０１０１】

【発明の効果】この結果から明らかなように、本実施例
にかかる地下電磁探査方法によれば、外径３．５インチ
のツール内部に格納できる単軸型の小型コイル単体の感
度を向上させ、ＳＮ比に強い水平磁場磁力計とすると共
に、複数のコイルをアレイ式に連結し、全体としての感
度を向上させ、ＳＮ比の強い水平磁場磁力計を改良し、
この改良に係る３軸磁力計（以下、「タンデム型３軸磁
力計」という。）を用いて、前記モノホ−ル型およびク
ロスホ−ル型探査法において、地下電磁誘導探査を実施
して、可聴周波数帯域の磁場変化を捕捉させるようにし
たので、遠方１００ｍから１０００ｍに達する領域まで
も、高精度に地下構造の解析を行うことができ、また、
全長３インチの複数の単軸インダクションコイル（以
下、「コイルエレメント」と称する。）を水平方向に直
交する方向Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に交互に組合せて配列し
た３軸磁力計を用いて、それぞれモノホ−ルおよびクロ
スホ−ルにおいて、高精度な地下電磁誘導探査を可能に
することができる。

【０１０２】また、アレイ式水平磁場センサを用いた
Ｘ、Ｙ成分磁力計において、上記アレイ式垂直磁力計を
挟んで上下に２組のアレイ式水平磁力計を配置し、Ｘ、
Ｙ成分磁力計のクロスカップリングを改善し、また、Ｚ
成分垂直磁力計を上記のようにアレイ式垂直磁力計とす
ることにより垂直磁力計単体の感度、ＳＮ比を向上させ
ると共に、これらの配置構成を通じて、３成分磁力計全
体のクロスカップリング、感度、ノイズレベルを調整し
て、３軸磁力計の感度を向上させ、ＳＮ比を上げ、これ
によって、上記モノホール型およびクロスホール型地下
電磁誘導探査を高精度に実施できるようにしたので、石
油、地熱等の深部探査を十分に行うことができる。

【０１０３】さらに、本発明では、水平磁場磁力計を内
径３．５インチのツール内部に格納できる単軸型の小型
コイル単体を、その感度を向上させ、ＳＮ比に強い水平
磁場磁力計ユニットとして構成すると共に、上記コイル
エレメントをアレイ式に複数個連結し、全体としてもコ
イル感度を向上させると共に、垂直磁力計についても、
感度を向上させ、ＳＮ比の大きい垂直磁力計を達成し、
さらに、この垂直磁力計を複数個と、また、前記水平コ
イルエレメントを複数個組み込んで、かつ、この複数個
からなる水平コイルエレメントを前記垂直磁力計の両端
に配置し、Ｘ、Ｙ成分磁力計のクロスカップリングを調
整し、さらに、Ｚ成分磁力計単体の感度、ＳＮ比を向上
させ、３成分磁力計全体のクロスカップリング、感度、
ノイズレベルを校正して、３軸磁力計全体として、感度
の向上、ＳＮ比が向上させた高感度、高精度なアレイ式
３軸磁力計（水平２方向、垂直１方向）を用いて、クロ
スホールまたはモノホール型電磁誘導探査法を実施でき
るので、極端に大きい、あるいは小さい異常値セルを作
ることなく、安定した収束性を示す地下解析を行うこと
ができる３軸磁力計を用いたので、クロスホール型地下
探査を始めとする種々の地下探査において、一通りの解
が自動的に得られることから、解析に錯誤が起こりにく
いという利点があり、従来にない優れた精度で地下トレ
ーサ探査やこれを用いない探査においても、高精度に地
下構造の解析を行うことができる。

【０１０４】また、地下誘導探査法アレイ式３軸磁力計
からのデータ伝送装置において、坑井内検層プローブか
ら地表にデータを伝送するに際し、最良の伝送方式を選
定すると共に、地表からツールへ制御命令を送信する際
の送信方式に関し、マルチプレクシング（信号多重化）
のため総合したチャンネル数を確保できるようにし、ま
た、これに伴う坑井内電子装置の同期検波回路、アナロ
グ／デジタル変換器、制御用マイクロプロセッサを適宜
適切なものに構成したので、極めてデータ減衰の少ない
データ伝送系を達成することができ、クロスホール型地
下探査を始めとする種々の地下探査法において、優れた
効果を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、電解質溶液を注入した「クロスホール
型地下トレーサ電磁誘導探査法」を示す図である。

【図２】図２は、受信点を降下させる坑井８８以外に発
信源を降下させる別の坑井８７を用いて計測するための
モデル図である。

【図３】図３は、ソース９０が深度５００ｍに位置する
場合のレシーバ側の垂直磁場（２次場）の大きさ［ｎ
Ｔ］を周波数と測定深度に対する分布図である。

【図４】図４は、垂直磁場（２次場）の絶対値の最大値
を周波数に対してプロットした図である。

【図５】図５は、１次磁場に対する２次磁場の比［％］
を周波数に対してプロットした図である。

【図６】図６は、電解質溶液が注入された地下の比抵抗
異常体を中心として横１６０［ｍ］×縦１６０［ｍ］の
範囲を横８個×縦８個の立方体セル分割して表わしたモ
デル図である。

【図７】図７は、この実施例に用いたソースとレシーバ
の組み合わせ図である。

【図８】図８は、理論モデルに対して行ったコンバージ
ョン結果図である。

【図９】図９は、本発明に係る３軸磁力計の実施例の全
体概略断面図である。

【図１０】図１０は、前記アレイ式水平磁力計用コイル
エレメント１が、複数集合配置されて構成される上部水
平磁力計用コイルエレメント部１００または下部水平磁
力計用コイルエレメント部２００の該略図である。

【図１１】図１１は、本発明の実施例の二重アレイ式セ
ンサの電気的接続構成図である。

【図１２】図１２は、本実施例において使用される垂直
センサユニットの増幅回路図である、

【図１３】図１３は、同水平センサユニットの増幅回路
図である。

【図１４】図１４は、１０個のコイルエレメントのアレ
イによるトータル感度を測定するための試験装置概要図
である。

【図１５】図１５は、本実施例の水平成分測定装置の他
の例である。

【図１６】図１６は、図１４に示した装置を用いて、発
生した磁場をソレノイドコイルにより測定してその測定
結果のキャリブレーションによって得た磁場１０Ｈ_z〜
３０００Ｈ_zの周波数帯域でアンプリチュードと位相の
特性図である。

【図１７】図１７は、水平・垂直両磁力計の対周波数で
のノイズレベル分布図である。

【図１８】図１８は、検層ケーブル試験装置を示す図で
ある。

【図１９】図１９は、図１８に示した装置により求めら
れた入力信号と伝達関数（Ｖ₂／Ｖ₁）をスペクトル分析
器を用いて測定した結果図である。

【図２０】図２０は、同期検波回路（ＳＤ）の概念図で
ある。

【図２１】図２１は、本実施例に係る受信装置のチャン
ネルマルチプレクサの構成概略図である。

【図２２】図２２は、理想的１６ビットコンバータの波
形とＣＳ５１０２コンバータの実測反応波形との比較図
である。

【符号の説明】

１・・・アレイ式水平磁力計用コイルエレメント２・・・垂直磁力計３・・・コア４・・・主巻き線５・・・フィードバック巻線６・・・テフロンコイル端７・・・静電遮蔽８・・・巻線ターミナル９・・・巻線端１０・・・セットねじ１１・・・μメタルコア１２・・・単一パイ巻き線１３・・・フィードバック巻き線１４・・・仕切板１５・・・接続用メイン出力コネクタ１９・・・出力端２０・・・コネクタ２１・・・コネクタ３１〜４０・・・結合シールド線４１〜５０・・・同軸ケーブル６０・・・検層ケーブル７１・・・５成分電子装置７２・・・スペクトル分析器７３・・・テスト磁界測定用参照コイル７４・・・送信機および送信コイル８０、８１・・・受信器８２、８３・・・坑井８４・・・電解質溶液８５・・・注入坑井８６・・・地下流体８７、８８・・・坑井８９・・・地下流体９０・・・垂直磁場ダイポール（ＶＭＤ）ソース９１・・・受信器９３、９４・・・垂直坑井９５・・・ＶＭＤソース９５１００・・・上部水平磁力計用コイルエレメント部２００・・・下部水平磁力計用コイルエレメント部ＢＨ３５・・・受信センサＨ・・・磁場ＯＰＡ１１１・・・オペアンプＬＭ３５６・・・第２段増幅オペアンプＬＴ１０１２・・・第３段増幅オペアンプＲ・・・受信コイルＳ・・・感度Ｔ・・・送信コイルＶ・・・標準プロトコールＸ・・・Ｘ軸アレイエレメントＹ・・・Ｙ軸アレイエレメントＺ・・・垂直センサ μ・・・実行透磁率

フロントページの続き (56)参考文献特開平３−205787（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−69979（ＪＰ，Ａ) 特表平２−504071（ＪＰ，Ａ) 特公昭62−39946（ＪＰ，Ｂ２) 物理探査学会「図解物理探査」第３刷（平成４−６−１）ｐ．76 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01V 3/08 G01R 33/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定点に掘削された複数の坑井のうちの
一本の坑井（モノホ−ル）内から電解質を含んだ粒状体
（電解質トレ−サ）を投入して該坑井に開口した地下亀
裂に流入させ、この電解質トレーサに、前記１本の坑井
に近接して掘削された坑井内または前記受信器が吊り下
ろされた坑井と同じ坑井内に吊り下ろされ、あるいは、
該測定坑近辺の地表に配置された数十メートルないし数
百メートル四方の発信アンテナを有する発信器から可聴
周波数帯域の電磁波を発射し、これを、前記測定坑井内
に吊り下ろされる中心に配置されたμメタルコア、単一
パイ巻き線（コイル）、フィードバック巻き線からな
り、前記単一パイ巻き線と前記フィードバック巻き線の
１組の両端は、仕切板が、介在し、全体として、それぞ
れ１６個の単一パイ巻き線（コイル）およびフィードバ
ック巻き線とで、全体として１７個の仕切板から構成さ
れ垂直磁力計コイルエレメントと、その両端に配置され
たそれぞれ１０組のコイルコア、主巻き線（メインコイ
ル）、フィードバック巻き線（コイル）、テフロンコイ
ル端、静電シールド、巻き線ターミナル、巻き線端、前
記主巻き線他を前記コイルコアに係止するセットねじと
からなるアレイ式水平コイルエレメントを有する３軸磁
力計を具備する受信器により捕捉し、その比抵抗変化を
検出することにより、地下亀裂状態を確認することを特
徴とする地下電磁誘導探査法。
【請求項２】測定点に掘削された複数の坑井のうちの
一本の坑井（モノホ−ル）内から電解質を含んだ粒状体
（電解質トレ−サ）を投入して該坑井に開口した地下亀
裂に流入させ、この電解質トレーサが自然磁場または外
界からの電磁波によって生じる可聴周波数帯域の磁場変
動を捕捉させ、これを該坑井内に吊り下ろされる中心に
配置されたμメタルコア、単一パイ巻き線（コイル）、
フィードバック巻き線からなり、前記単一パイ巻き線と
前記フィードバック巻き線の１組の両端は、仕切板が、
介在し、全体として、それぞれ１６個の単一パイ巻き線
（コイル）およびフィードバック巻き線とで、全体とし
て１７個の仕切板から構成され垂直磁力計コイルエレメ
ントと、その両端に配置されたそれぞれ１０組のコイル
コア、主巻き線（メインコイル）、フィードバック巻き
線（コイル）、テフロンコイル端、静電シールド、巻き
線ターミナル、巻き線端、前記主巻き線他を前記コイル
コアに係止するセットねじとからなるアレイ式水平コイ
ルエレメントを有する３軸磁力計を具備する受信器と、
この受信器と同一プローブ内に設けられた伝送装置およ
びこの受信器とは別途に地表に配置される受信器とによ
り、坑井内の受信器の可聴周波数帯域の磁場変動と地表
に配置した前記受信器とのコヒ−レンシ−をとることに
よって地下亀裂状態を確認する地下電磁誘導探査法。