JP3386139B2 - ひずみ監視システム - Google Patents

ひずみ監視システム

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JP3386139B2 JP51663097A JP51663097A JP3386139B2 JP 3386139 B2 JP3386139 B2 JP 3386139B2 JP 51663097 A JP51663097 A JP 51663097A JP 51663097 A JP51663097 A JP 51663097A JP 3386139 B2 JP3386139 B2 JP 3386139B2
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固形体におけるひずみおよび変形を監視して
検知する方法および装置に係わり、特に、地下岩層内の
ひずみを検知するようにされた方法および装置に関する
ものである。
一局面に従えば、本発明は、岩層内の高温度によって
不利に影響されることなしに地下大深度において動作し
て岩層の運動を計測することができるひずみ計測器およ
びひずみ監視システムに関する。
発明の背景 地下岩層の運動を計測するためにボアホールひずみ計
およびシステムを使用することは既に知られている。商
業的に使用するため多くの異なったひずみ計およびシス
テムが開発されているが、それらのほとんどは、特に極
度のボアホール深度における諸条件下では、動作に関し
ていくつかの欠点および限界がある。
一つの既知のボアホールひずみ計は、岩層の変形に正
確に追随するように膨張性グラウトによってボアホール
内で予めストレスを与えられた弾性の金属管を有する。
これらの変形は流体力学的手段によって増幅され、小さ
な、薄い壁から成るベローズを駆動し、次いで該ベロー
ズが電子トランスジューサ(変換器)を駆動する。すべ
ての力と信号は電線を通じて地表に達する。多数のこれ
ら装置が世界のいたるところで使用されている。
しかし、人工的に誘起されるノイズは深さとともに減
るので、また、多くの臨界地域、例えば東京、において
は、沖積被覆層の厚さが数kmに達するから、そして地震
は深いところで岩盤に断層を生起するので、電子機器に
とって長期間にわたり機能を維持するには温度が高すぎ
る数kmの深度で動作できるような、より高感度の検知器
に対して継続的で増大する要望がある。
発明の摘要 本発明の目的は、温度が極度に高い数kmの地下深度で
効果的に動作できるひずみ検知システムを提供すること
である。
本発明の他の目的は、ダウンホール用電子機器を有し
ないひずみ監視システムであって温度が高い数km深度に
おける岩層の運動を正確に計測できるものを提供するこ
とである。
上記目的は、地下岩層内に延在するボアホール中へ挿
入できるように構造され集成された、実質的に密閉され
た容器を設けることによって達成される。細長い管がこ
の容器から延びて該管の第1端にて容器と流体連通す
る。管は、該管の第2端が概ね地表に達するような長さ
である。検出構造が管の第2端に連結される。流体が容
器と管とを実質的に満たす。容器は、この容器に伝達さ
れる、該容器を取り囲んだ固形体の変形が、該容器の容
積に変化を生じさせ、その変化が次には流体を管に押し
入れ、それにより管内における流体の体積を変化させる
ように構成され配置される。検出構造は、管内における
体積の変化を検知するように構造され集成されていて、
それにより固形体の変形を検知する。
容器と地表との間のいかなる環境効果に対しても補償
するため、流体を充填された第2の小口径の管が、地表
からボアホール内まで下方に延在して容器の至近で終わ
る。
本発明の他の目的は、地球の地下岩層における変形お
よびひずみを検知する方法を提供することである。この
方法は、高温下に在る地下岩層に設けたボアホール内に
検出装置を配置することを含む。検出装置は容器と第1
の管とを含み、この第1の管が、容器に結合されて該容
器と流体連通している第1端と、概ね地表に配置されて
いる第2端とを有する。容器と第1の管は流体を充填さ
れる。検出装置は、第1の管の第2端と結合された検出
構造を含む。
予めストレスを(応力)を与えられた締り嵌めが、ボ
アホールの壁面と容器外壁との間に、ボアホールを囲ん
でいる岩と固形体の変形が容器壁に伝達され次いで容器
壁が容器ならびに第1の管における容積変化を生じさせ
るように形成される。
第1の管において押退けられた流体の体積は、地下岩
層中の変形を測定するために検出構造によって検知され
る。
容器と地表との間の第1の管内の流体体積の環境効果
は第2の管を設けることによって補償され、第2の管は
その下端が閉鎖され、第1の管と実質的に同じ長さ、実
質的に同じ容積であり、同じ流体を充填されている。第
1の管における容積変化と比較される第2の管の容積変
化を検知するため、第2の管の第2端には補償用検出構
造が結合される。
本発明のその他の目的、特色そして特性は、構造の関
連要素の機能、部品の組合せ、そして製造の経済的側面
とともに、すべて本明細書の一部を成す、以下に述べる
詳細な説明および別掲請求項を、添付図面を参照して検
討するとき、いっそう明らかになるであろう。
発明の詳細な説明 本発明の理解は図1を参照すると一層良好となり、こ
の図1は、地下岩層のボアホール内にあって地表上の測
定システムに接続されている検出装置の概略図である。
全体を符号10で示される検出装置は弾力性のある鋼管
ないし容器12から成り、この容器は、岩層の微小変形に
忠実に追随するように、ボアホール13の端部で固形体な
いし岩層内にて予めストレスを与えられている。このよ
うに形成された容器12は流体14を満たされ、はるか地表
18まで、或いはその近くまで延在している小直径の吐出
管16を除いて密封されている。伸縮可能のベローズ20
が、概ね地表18において、管16の端に連結されている。
容器12と管16は流体14を完全に満たされている。容器12
のいかなる変形によっても、流体14は管16を強制通流さ
せられ、従ってベローズ20を延伸させる。変形が終わる
と、ベローズ20は定常弛緩状態に復する。ベローズ20の
運動は、直線可変差動変圧器、またはキャパシタンスブ
リッジのような任意の位置検出トランスジューサ(変換
器)22によって監視することができる。ベローズ20とト
ランスジューサ22は、装置10の第1検出構造を構成す
る。
使用される流体14は、引用によって本文に組込まれる
米国特許第3635076号に説明されるごとき、本装置の構
造と両立可能の任意の流体であり得る。好ましくは、シ
リコン油が本発明の目的に好適であることが判明してい
るが、クロロホルム飽和水およびその他流体も使用でき
る。
装置10はさらに、管16と実質的に同じ長さおよび同じ
直径の管24を有する。管24もまた、流体14を充填されて
いる。この管24は、該管の底25にて終端し閉鎖されてお
り、そしてその反対端にベローズ26が配置されている。
第1の管16のトランスジューサ22と同じである押退けト
ランスジューサ28が、ベローズ26に組み合わされてい
る。ベローズ26とトランスジューサ28は、装置10の補償
用検出構造を構成する。
かくして、地表における検出構造は、伸縮可能な薄壁
より成る、流体を充填されたベローズ20,26を有し、こ
れらベローズはそれぞれ組み合わされた直線可変差動変
圧器または可変キャパシタンスブリッジないしその他好
適な手段22、28と結合されている。これら差動変圧器の
出力電圧は、一般的に20または24ビットA/D変換器を使
用してディジタル化され、得られたデータはコンピュー
タ(図示せず)に記憶される。ベローズ26から生じた信
号は、ベローズ20による信号から減算されるが、その機
能は以下において明らかになろう。
第2の管24と第2のベローズ26の目的は次ぎの通りで
ある:装置10は、例えば、約1600m(1マイル)ないし
それ以上の程度の、かなり深いところに据付けるように
意図されているので、管16は長くかつ相当な体積を有す
る。ボアホール13内のいかなる温度または圧力変化も管
16内の流体体積を変化させ、従ってベローズ20を偽って
延伸させる。正確に或いはほとんど正確に同じ延伸が、
対の他方の管24とベローズ26に生じる。ベローズ26の延
伸量がベローズ24の延伸量から減算され、これによって
容器12を変形させる真正の岩層変形信号が得られる。
装置10は、所望深さまでボアホール13を穿孔し、パッ
キンコンクリート30の装入物の形態の結合構造物をボア
ホール13の下部分に充填し、そして容器12をコンクリー
ト30中に下降させることによって、地中の所望の点に位
置決めされる。膨張性セメントの使用によって、パッキ
ンコンクリートは硬化とともに膨張し、それにより容器
12の壁をその包囲構造に密接結合させる。開示された装
置10においては、約0.49kg/cm2(約71bs/in2)程度の予
備ストレスが、パッキンコンクリートの硬化後に容器12
に与えられる。
周囲構造におけるひずみが変化するにつれて、ボアホ
ール13はゆがめられ、容器12の壁が該ボアホールの変形
に追随する。容器壁が変形されるにつれて、容器12内の
流体の体積が変化し、それによって容器内の流体の圧力
が変化し、この圧力変化が吐出管16を通じて流体力学的
に地表まで伝達される。容器12の壁の厚さは、その剛性
が包囲地球構造のそれと同等であるように選択される。
伸縮可能のベローズ20,26は例えば、米国特許第36350
76号に説明されるごとき差動変圧器に結合されたシルフ
ォンベローズである。この変圧器は、当業者に既知であ
る方式でベローズの長さの変化の電気的表示を提供す
る。
流体は地表まで管16内を連続しているので、容器12に
おける圧力は、流体濃度の選択によって周囲圧力と概ね
同等にすることができる。従って、岩層の変形により敏
感な、比較的薄い壁の管を用いることができる。また、
容器内の高作用圧は、使用される流体の沸騰点を抑圧す
る。
前記検出装置は固形体におけるひずみと変形を測定す
る有効な手段を提供することが理解される。ダウンホー
ル用電子装置がないので、動作温度は制限されない。第
2の管の設置は、装置に生じ得る温度または圧力変化に
かかわらない正確な検出を保証する。さらに、前記検出
装置は圧力平衡されるので、ひずみ信号を減衰させるよ
うな管壁の厚い管を用いる必要を無くする。
かくして本発明の目的は完全にかつ効果的に達成され
ることが理解された。しかし、前述の好適実施例は本発
明の構造および機能上の原理を例示する目的で図示され
説明されたこと、そしてそのような原理から逸脱するこ
となしに変更されることが理解されるであろう。従っ
て、本発明は後記請求項の精神に含まれるすべての修正
を包含するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エバートソン,デール,ダブリュ. アメリカ合衆国37215 テネシー州ナッ シュビル,アシュクラフト プレース 312 (56)参考文献 特開 昭59−221632(JP,A) 米国特許3099823(US,A) 米国特許3635076(US,A) スイス国特許発明335564(CH,A 5) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 21/00 G01B 13/24 G01D 5/06

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】数Kmの深度における地球の地下岩層のひず
    みと変形を検知する装置であって、地下岩層内に延びて
    いるボアホールに挿入できるように構成され配置され
    た、実質的に密閉された容器と、 前記容器から延在して第1端にて該容器と流体連通して
    いる細長い管であって、該管の第2端が概ね地表まで延
    び得るような長さである管と、 前記管の第2端に結合された検出構造と、 前記容器と前記管を実質的に満たす流体と、 前記流体を充填された細長い補償管であって、該補償管
    の第2端を前記容器にほぼ隣接して配置した状態で該補
    償管の第1端が概ね地表に配置され得るような長さを有
    し、前記第2端が閉鎖されている補償管と、 前記補償管の第1端に結合された補償検出構造とを有し
    ており、 前記容器は、該容器に対し伝達される、該容器を包囲す
    る地下岩層の変形が該容器の容積の変化を生じせしめ、
    その変化が次には流体を前記管に押し入れ、それにより
    該管内の流体の体積を変化させ、前記検出構造が、前記
    管内における流体の体積の変化を検知するように構成さ
    れ配置されていて、それにより地下岩層の変形を検知
    し、前記補償検出構造は、前記補償管内における流体の
    体積変化を検知して前記容器と地表との間の地中の環境
    効果を補償するように構成され配置される装置。
  2. 【請求項2】さらに、前記容器と前記ボアホールの間に
    結合構造を有し、この結合構造は、前記ボアホールを包
    囲する地下岩層の変形を前記容器の壁に伝達するため、
    前記容器の据付の間に該容器の壁に予め圧力を加えるこ
    とによって該容器の外壁を、この結合構造を介して前記
    ボアホールの壁に剛固に結合するように構成され配置さ
    れる請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】前記結合構造が膨張性コンクリートを有す
    る請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】前記検出構造が、前記管を介して前記容器
    内の流体と連通している第1のベローズと、このベロー
    ズに結合されていて該ベローズによって動作させられ得
    る差動変圧器とを有する請求項1に記載の装置。
  5. 【請求項5】前記検出構造が伸縮可能な薄壁より成るベ
    ローズを有し、このベローズが該ベローズ内の流体レベ
    ルを表す信号を発生するトランスジューサに結合されて
    いる請求項1に記載の装置。
  6. 【請求項6】前記トランスジューサが可変差動変圧器で
    ある請求項5に記載の装置。
  7. 【請求項7】前記トランスジューサがキャパシタンスブ
    リッジである請求項5に記載の装置。
  8. 【請求項8】前記補償検出構造が伸縮可能の補償ベロー
    ズを有し、該補償ベローズが、該ベローズ内の流体レベ
    ルを表す信号を発生するトランスジューサと結合されて
    いる請求項1に記載の装置。
  9. 【請求項9】前記流体がシリコン油またはクロロホルム
    飽和水である請求項1に記載の装置。
  10. 【請求項10】地球の地下岩層におけるひずみと変形を
    検知する装置であって、 地下岩層内に延びているボアホールに挿入できる実質的
    に閉鎖された容器と、 前記容器の上側部分に結合された第1端と、第2端とを
    備え、該第2端が概ね地表に配置され得るような長さを
    有している第1の管と、 前記管の第2端に結合された第1の検出構造と、 実質的に前記容器を満たし、前記容器の内壁と流体連通
    し、前記第1の管を満たしている流体と、 前記容器と前記ボアホールの間に設けた結合構造であっ
    て、前記ボアホールを包囲する地下岩層の変形を前記容
    器の壁に伝達して該容器内における流体の体積変化を生
    じさせるために、該容器の据付の間に該容器の壁に予め
    圧力を加えることによって該容器の壁を、この結合構造
    を介して前記ボアホールの壁に結合するように構成され
    配置された結合構造と、 流体を充填された、第1端と第2端を備える第2の管で
    あって、前記第1端が前記容器の上側部分に概ね隣接し
    て配置され、前記第2端が概ね地表に配置されるような
    長さを有する第2の管と、 前記第2の管の第2端に結合されている第2の検出構造
    とを有し、前記第2の管の第1端が閉鎖されおり、 前記容器は、前記容器に伝達される地下岩層の変形が該
    容器の容積の変化を生じさせ、その変化が次には流体を
    前記第1の管内に押し入れ、それによって前記第1の管
    内の流体の体積を押退けるように構成され配置されてお
    り、前記第1の検出構造が、前記第1の管内における体
    積押退量を検知し、それにより地下岩層の変形を検知す
    るように構成され配置されており、前記第2の検出機構
    が、前記第2の管内における体積押退量を検知して前記
    容器と地表との間の環境効果に対して補償するように構
    成され配置されている装置。
  11. 【請求項11】地球の地下岩層におけるひずみと変形を
    検知する方法であって、 容器と、第1端が前記容器に結合されて該容器と流体連
    通し且つ第2端が概ね地表に配置されている第1の管と
    を含み、前記容器と前記第1の管が流体を充填されてお
    り、前記第1の管の第2端と結合された検出構造を有す
    る検出装置を高温下に在る地下岩層中のボアホール内に
    配置することと、 前記ボアホールを包囲している地下岩層の変形が前記容
    器の壁に伝達され次いでその変形が該容器の容積変化と
    前記第1の管における流体押退けとを生じさせるように
    前記ボアホールの壁と前記容器の外壁との間に結合構造
    を設けて予め応力を与えた締り嵌めを構成することと、 前記地下岩層中の変形を測定するため前記第1の管内で
    押退けられた流体の体積を前記検出構造を使用して検知
    することと、 下端を閉鎖された第2の管であって前記第1の管と実質
    的に同じ長さおよび実質的に同じ容積を有し、同じ流体
    を充填された第2の管を設けることによって前記容器と
    地表との間における前記第1の管内の流体体積の環境効
    果を補償することとを含んでおり、 前記第1の管内の容積押退量と比較される前記第2の管
    内の容積押退量を検知するために補償用検出構造が前記
    第2の管の第2端に結合される方法。
  12. 【請求項12】前記第1の管の検出構造と前記第2の管
    の補償用検出構造がおのおの可撓性の伸縮可能の室とト
    ランスジューサとを有する請求項11に記載の方法におい
    て、該方法が、各伸縮可能の室内の流体レベルを測定し
    てこれら伸縮可能の室内の流体レベルの差を決定するこ
    とを含む方法。
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