JP4001879B2 - ケーブル接続ヘッドの構造 - Google Patents

Description

本発明は、石油井や地熱井などの坑井内に各種の測定器を降下する場合に、検層ケーブルと測定器とを接続する高温用のケーブル接続ヘッドに関する。

石油井や地熱井においては、温度・圧力検層、電気検層、音波検層などにより温度、圧力、弾性波速度、地震のような振動等の地層の物性の測定や、流量検層などによる産出特性などの測定を計測機器を用いて行なうことが多い。これらの測定を行なう場合、各種の測定器（検層ゾンデ）をケーブルに接続して地上から坑井内に降下し、地下深度で計測した温度、圧力、地震などの測定データをケーブルを通じて信号（シグナル）を地上に伝達する場合があり、この場合、ケーブルと測定器とを機械的および電気的に接続する部分にケーブル接続ヘッドが用いられている。従来、石油や地熱の測定などで使われているケーブルヘッドは、装置とケーブルを繋いだり、離したり簡単にできるように作られている。

このケーブル接続ヘッドは、次の３つの基本要素により構成される。すなわち、（１）検層ケーブルにおけるアーマー鋼線の端末固定、（２）検層ケーブルにおける被覆ケーブルのケーブルヘッドボディへの導入部、（３）測定器との接続部により構成されるが、このうち、検層ケーブルにおける被覆ケーブルのヘッドボディへの導入部の遮水が最も重要で難しい部分である。

前記用途のケーブル接続ヘッドの従来例としては、図７に概要断面図を示すような構造のものがある。すなわち、ケーブル接続ヘッド５における検層ケーブル１は、テフロン（登録商標）繊維で被覆する多数の被覆ケーブル２の間にガラス繊維その他の絶縁材を介在させ、各テフロン（登録商標）被覆ケーブル２およびガラス繊維その他の絶縁材にそれらを被覆する押さえ巻きテープを巻き付けて被覆ケーブル３を構成し、その被覆ケーブル３の外側に多数のアーマー鋼線４を巻き付けて構成される。

ケーブル接続ヘッド５は、測定器ボディ６の上部に連結される下部ヘッドボディ７とその上部ヘッドボディ８とからなるヘッドボディ１０を備えている。前記上部ヘッドボディ８に検層ケーブル１のアーマー鋼線４を固定し、前記下部ヘッドボディ７の下端部に多数のコネクタ端子有するコネクタ１１を固定し、被覆ケーブル２から露出した芯線導体をコネクタ１１の端子部１２に接続する。下部ヘッドボディ７の内面にはスリーブ１３を配している。また、測定器ボディ６内への水の浸入を防止するために、コネクタ１１の頭部外周の溝に嵌合したＯリング９を下部ヘッドボディ７の内面に圧接している。

下部ヘッドボディ７の下端部には、雌ネジを有するカップリング１５を回転自在にかつ下方に抜け出さないように嵌合し、コネクタ１１を抱持して下部ヘッドボディ７の下端部にＯリング１６を介して嵌着した測定器ボディ６に前記カップリング１５をネジ結合している。

上下のヘッドボディ８、７およびスリーブ１３の内側に形成され、検層ケーブル１の被覆ケーブル２が配置されるヘッドボディ内の閉鎖空間にはグリース１７が充填され、このグリース１７により閉鎖空間への坑井内流体の浸入を防止している。上下のヘッドボディ８、７で形成される閉鎖空間も坑井内流体の浸入を防止できるほどの完全密閉ではないから、時間経過と共に閉鎖空間の坑井内の水が浸入する。坑内水が閉鎖空間に浸入すると、コネクタ１１の金属部（端子部１２）に到達し、芯線導体接続部の絶縁不良と金属接続部の腐食を起こす原因となる。

このような不具合を阻止するため、従来、閉鎖空間に高温用グリース（以下、グリースという）１７を充填し、このグリース１７によって、閉鎖空間に坑井内の水などの浸入を防止し、密封空間に位置する被覆ケーブル２内の芯線導体やコネクタ１１の金属部が海水などの坑井内流体によって侵食されない構成とされている。

しかし、グリース１７は一般に粘度が高く、上下部のヘッドボディ８、７で形成される閉鎖空間にグリース充填ガンを用いて充填するとき、グリース内には大小の単独気泡が必然的に巻き込まれる。この気泡が時間経過と共に相互に表面部に移動しながら連続気泡となって内外に通じる水道（みずみち）を形成し、この水道を通って坑井内流体が被覆ケーブル２内の芯線導体やコネクタ１１の金属部まで到達し、これらの絶縁不良や腐食をもたらすことになる。

前記の問題に対して、坑井内検層などでは、比較的短時間（最大１２時間程度）で測定が終了するため、測定の毎にケーブル接続ヘッド内グリースを入れ替えることで絶縁低下を防いでいた。

しかし、従来のケーブル接続ヘッドを用いて、長期間（３ヶ月以上）の計測した場合、２ヶ月程度でデータが計測できなくなる事態が頻繁におこった。原因を究明したところ、坑内水がコネクタの金属部（芯線導体接続部）に浸入し、絶縁不良と金属接続部の腐食を起こしていたことが判明した。これは前述の通り、グリースに巻き込まれていた気泡が被覆ケーブルの表面に移動して連続した水道を作り、時間をかけて坑内水が検層ケーブルの被覆ケーブルの表面とグリースの境界面の僅かな隙間（水道）を伝わってケーブル接続ヘッド内にあるコネクタ金属接続部に達したためと推測される。

この種の他の従来技術として、特開昭６２−６４０８０号公報に開示のものがある。
特開昭６２−６４０８０号公報

ケーブル接続ヘッドの役割として、検層ケーブルからむき出しになる複数本の被覆ケーブル（信号ライン）内から引き出された芯線導体を確実に絶縁することが求められている。しかるに、従来のヘッドボディ内の閉鎖空間へグリースを充填することで、該ヘッドボディ内への坑井内流体の浸入を防止する方法では、測定器の長時間の連続使用に伴い、水などの坑井内流体がグリースと被覆ケーブルとの境界線に不可避的に生じる僅かな隙間（水道）を通って、ケーブル接続ヘッド内にあるコネクタ金属部に達し、被覆ケーブルから導出される芯線導体の電気的な絶縁低下が起きると共に、金属接続部の腐食などが発生し、地上に信号を送信できない事態が生じる。

特に、温度が高い井戸（例えば１５０℃、２００℃またはそれ以上）では、高温用グリースを被覆ケーブル部の空間に満たして、絶縁低下を防いでいるが、最大約３ヶ月も経過するとヘッドボディ内に水が浸入して絶縁性が失われることが分っている。

本発明は、前記のグリースに代えて一般に粘性の低いオイルを絶縁材としてケーブル接続ヘッド内に充填することにより、従来の問題点を解決したものである。

前記において、粘性が低くさらさらしたオイルは外部に流れ出るので蓋部材が必要となり、本発明では蓋部材を設ける。さらに、地下数千メートルの坑井内深度では、坑井内流体による圧力が非常に高くなる。つまり、前記の蓋部材を境として、絶縁オイルの充填側である蓋部材の下側と、坑井内流体側である蓋部材の上側とでは非常に大きな圧力差が生じ、蓋部材の強度はこの圧力に耐えなければならない。また、この蓋部材の上下で大きな圧力差が生じると、その圧力差によって坑井内流体が蓋部材とケーブルヘッドボディとの微小間隙、あるいは蓋部材と被覆ケーブルとの間隙を浸透してオイルが充填されたケーブル接続ヘッド内にあるコネクタ金属部（芯線導体接続部）に浸入し、絶縁不良と金属接続部の腐食を起こす原因となる。

本発明では、前記蓋部材の強度確保と坑井内流体の浸入による絶縁不良の問題を同時に解決するため、蓋部材の上下で生じる大きな圧力差に伴って、該蓋部材がヘッドボディ内を可動できる構成とすることで、蓋部材は大圧力に耐えなくてもよいようにする、つまり、上下の圧力差によって蓋部材が移動できる構造とすることで、蓋部材の強度を確保し、かつ、坑井内流体が、蓋部材の上下の圧力差によってオイルが充填された部位に浸入する恐れを無くすることを目的とする。

前記の課題を解決するため、本発明は次のように構成する。

第１の発明は、測定器ボディに連結される下部ヘッドボディと、検層ケーブルが導入される上部ヘッドボディとにより内部に閉鎖空間が形成されるヘッドボディを構成し、前記検層ケーブルの被覆ケーブルから導出した芯線が下部ヘッドボディに固定されたコネクタに接続されているケーブル接続ヘッドにおいて、前記下部ヘッドボディ内には、坑内流体の浸入を防ぐ絶縁オイルを収容すると共に、この絶縁オイルが流出するのを防止する可動シーリング部材を設け、可動シーリング部材は、該シーリング部材の上下の圧力差によって該可動シーリング部材を軸方向に貫通する被覆ケーブルと一体に下部ヘッドボディ内を可動できる構成とし、前記絶縁オイルは、坑内流体よりも比重の重い、比重１．０以上の低粘性絶縁オイルであるシリコンオイル又はフッ素系オイルであることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記絶縁オイルは、動粘度１５０（２０℃）以下のフッ素系オイルであることを特徴とする。

第３の発明は、前記可動シーリング部材には、ヘッドボディの内面を摺動するＯリングを嵌合していることを特徴とする。

第４の発明は、前記可動シーリング部材の端部に内部を被覆ケーブルが貫通している筒状ブーツを固着し、該筒状ブーツがヘッドボディの内側に配設のスリーブの内周面を摺動するように構成したことを特徴とする。

本発明に係るケーブル接続ヘッド構造は、絶縁材として、下部ヘッドボディ内への坑井内流体の浸入の際の水道となる気泡が巻き込まれやすい粘性の高いグリースに代えて、一般に粘性の低いさらさらした絶縁オイルを用いたので、下部ヘッドボディ内への絶縁オイルの充填時に、該絶縁オイルに気泡が巻き込まれる恐れがない。したがって、測定器の長時間連続使用よっても下部ヘッドボディ内に坑井内流体が侵入するおそれがなく、被覆ケーブルの芯線導体の絶縁性が低下しないと共に、ケーブル接続ヘッド内にあるコネクタ金属部が腐食する恐れを無くすことができる。

本発明に係る粘性が低くさらさらした絶縁オイルは外部に流れ出るが、本発明では、可動シーリング部材（つまり、蓋部材）によりその漏出を防止できた。特に、数千メートルの坑井内深度においては、オイル充填側である可動シーリング部材の下側と、坑井内流体側である可動シーリング部材の上側とでは非常に大きな圧力差が生じ、それにより可動シーリング部材の強度確保や坑井内流体の可動シーリング部材を越えて浸透する恐れが生じるが、本発明では、前記の圧力差によって可動シーリング部材がヘッドボディ内を可動できる構成としたので、可動シーリング部材は大圧力に耐えなくてもよい構造にできる。さらに、可動に伴い可動シーリング部材の上下の圧力差が減少するので、長期間に渡って、坑井内流体が可動シーリング部材の下側のコネクタ金属部側の部位に浸入するのを防止できる。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るケーブル接続ヘッドの縦断面図、図２（ａ）は、被覆ケーブルの断面図、図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図である。図３、図４、図５は、図１の拡大図で、可動シーリング部材が上中下と変位している態様を示す。図６は、ケーブル接続ヘッド内に絶縁オイルを充填している状態を示す断面図である。図では、ケーブル接続ヘッドを立てた状態で絶縁オイルを充填する例を図示している。

各図を参照して説明する。なお、従来と共通要素には共通の符号を付して説明する。

坑井内に沿って地下数千メートルの深度に降下される各種の測定器（検層ゾンデ）と接続されるケーブル接続ヘッド１８は、測定器ボディ６の上部に連結される下部ヘッドボディ１９と、その下部ヘッドボディ１９に接続される上部ヘッドボディ２０とからなるヘッドボディ２１を備えている。上下のヘッドボディ１９、２０は嵌合連結部２２において連結し、かつ固定ネジ２３で固定することで、ヘッドボディ２１の内部には、検層ケーブル１の被覆ケーブル３から引き出した被覆ケーブル２を収容する閉鎖空間が形成されている。

上部ヘッドボディ２０内に上方から導入された検層ケーブル１のアーマー鋼線４は、該上部ヘッドボディ２０にアウターコーン２４とインナーコーン２５を介して固定され、検層ケーブル１から引き出された被覆ケーブル２の芯線導体が下部ヘッドボディ１９の下端部に嵌合固定されているコネクタ１１の端子部１２に接続されている。すなわち、被覆ケーブル２は該被覆ケーブル２の長さにゆとりを持たせるため上下部に折り返し部２６を有して下部ヘッドボディ１９内に納められており、かつコネクタ１１の端子部に接続されている。

下部ヘッドボディ１９内にはスリーブ２７が嵌合してある。また、コネクタ１１の先端部の外周に嵌合したＯリング１４を下部ヘッドボディ１９の内面に圧接させることで、下部ヘッドボディ１９内の低粘性絶縁オイル２９が測定器ボディ６へ浸入するのを防止している。

さらに、コネクタ１１が挿入された下部ヘッドボディ１９の下端部の外周部には、測定器ボディ６の上部がＯリング１６を介して嵌着されており、測定器ボディ６には、下部ヘッドボディ１９の下端部に嵌合したカップリング６の内周ネジ部を螺旋することで、測定器ボディ６を下部ヘッドボディ１９に固着している。

検層ケーブル１は、通常は、複数本（例えば、７本）の樹脂被覆２ａが施された被覆ケーブル２の間にガラス繊維その他の絶縁材を介在させ、各被覆ケーブル２およびガラス繊維などの絶縁材にそれらを被覆する押さえ巻きテープを巻き付けて被覆ケーブル３が形成される。被覆ケーブル３の外周にはアーマー鋼線４を巻き付けることもある。また、上部ヘッドボディ２０の上端部には、検層ケーブル１の保護用つる巻きばね２８の下端部が嵌合されている。

上下のヘッドボディ２０、１９を連結することにより、ヘッドボディ２１の内部に被覆ケーブル２が配置される閉鎖空間が形成されると共に、この閉鎖空間における下部ヘッドボディ１９内には絶縁オイルとして高温用の低粘性絶縁オイル２９が充填され、かつ、下部ヘッドボディ１９から低粘性絶縁オイル２９が漏出するのを防止する蓋部材として、下部ヘッドボディ１９内には可動シーリング部材３０が収容されている。

可動シーリング部材３０は、上下に段部３１を有する所定の長さを有する円柱体（ピストン体）であり、金属などの材料で構成される。また、可動シーリング部材３０の外周にはＯリング３２が嵌着してあり、このＯリング３２が下部ヘッドボディ１９の内周面に圧接して所定の範囲（L）を上下に移動でき、かつ可動シーリング部材３０と下部ヘッドボディ１９の内面の間から低粘性絶縁オイル２９が上方に漏出するのを防止している。

また、可動シーリング部材３０の肉厚部を軸方向に貫通して形成した挿通孔３３を被覆ケーブル２が挿通している。可動シーリング部材３０は、該可動シーリング部材３０の上部側に坑井内流体が浸入した場合において、その上下の圧力差、つまり、低粘性絶縁オイル２９の圧力と坑井内水による圧力が著しく大きいとき、その圧力差により、可動シーリング部材３０下部ヘッドボディ１９内を所定の範囲（L）上下動できる。被覆ケーブル２は長い線の途中を折り返し部２６で折り返してゆとりを持たせて下部ヘッドボディ１９内に収容してあり、可動シーリング部材３０が上下動するときは、被覆ケーブル２も一緒に動く。

通常は、可動シーリング部材３０の上側の坑井内水による圧力が、下側の低粘性絶縁オイル２９の圧力よりも著しく大きい。そのため、ケーブル接続ヘッド１８を坑井内に深く降下させた時点では上限位置にあった可動シーリング部材３０は、前記の圧力差により下動し、それにより可動シーリング部材３０の上下側の圧力差を減少するように作用する。

可動シーリング部材３０の上下の段部３１にはブーツ３４が嵌着されている。ブーツ３４は耐熱ラバー（テフロン（登録商標）等）の短い円筒を図示形状に絞り形成したもので、可動シーリング部材３０の上下から導出される７本の被覆ケーブル２と可動シーリング部材３０との間隙をなくし、坑井内流体の浸入を防ぐ役目をする。可動シーリング部材３０と一体にブーツ３４は、上下のヘッドボディ２０の内面を摺動する。

図１、図３は、可動シーリング部材３０が上限まで移動した状態を示し、ケーブル接続ヘッド１８を坑井内に深く降下させた時点では、可動シーリング部材３０は、この上限位置にセットされており、この位置から下側にL長さの範囲で可動する。すなわち、時間の経過により坑井内水がヘッドボディ２１内に浸入し、可動シーリング部材３０の上側の坑井内水による圧力が、下側の低粘性絶縁オイル２９の圧力よりも大きくなるとき、この圧力差により可動シーリング部材は下動するもので、図４は可動シーリング部材３０が途中まで下動している状態を示している。図５は、可動シーリング部材３０の上側と下側の圧力差がさらに大きくなり、この圧力差により可動シーリング部材３０が下限まで移動した状態を示す。

図６は、下部ヘッドボディ１９内へ低粘性絶縁オイル２９を充填する態様を示す。同図において、可動シーリング部材３０を下限まで移動させた状態で、上部の排気孔３６から下部ヘッドボディ１９内の空気を追い出しながら、注入ポンプ３８によりオイル注入孔３７から下部ヘッドボディ１９内に低粘性絶縁オイル２９を注入している態様を示す。なお、低粘性絶縁オイル２９を下部ヘッドボディ１９内に充填した後、オイル注入孔３７と排気孔３６を蓋板４０で塞ぐ。スリーブ２７には、オイルが流動できる開口部４１を形成する。なお、図６は説明を理解しやすくために、ヘッドボディ２１を縦置きにして低粘性絶縁オイル２９を注入している態様を示すが、多くの場合はヘッドボディ２１を横置きにして低粘性絶縁オイル２９を注入する。

ケーブル接続ヘッド１８を測定器と共に坑井内に深く挿入した使用時において、可動シーリング部材３０の上下の圧力差により、該可動シーリング部材３０が下動することで可動シーリング部材３０の上下の圧力差が減少され、それにより可動シーリング部材３０は大圧力に耐えなくてもよい構造にでき、かつ、蓋部材の上下の圧力差が減少するので、長期間に渡って、坑井内流体が可動シーリング部材の下側のコネクタ金属部側の部位に浸入するのを防止できる。

被覆ケーブル２の芯線導体とコネクタ１１の金属接続部に坑井内流体が浸入するのを防止するための、主たる役目を果たすのは可動シーリング部材３０の下側の低粘性絶縁オイル２９であり、可動シーリング部材３０の上側は、空間であってもよいが、必要に応じてこの上部側にも補助的に低粘性絶縁オイルを収容してもよい（図を省略する）。

低粘性絶縁オイル２９の比重は、坑井内流体と交じり合うことがなく、かつ交じり合っても速やかに分離して下に沈むように、坑内流体よりも比重の重いオイルであるのが好ましい。絶縁材としてのオイルを選ぶとき、水よりも比重の重いものを選ぶ。長時間置いておいても、簡単な漏れがあっても、井戸の流体は重力によって下に（蓋の中に）浸入してくることはない。

表１には、オイル（表では絶縁流体または絶縁体という）の種類を例示している。表中の「適」、「不適」とは、本発明の低粘性絶縁オイルに使用するのに適しているか、適していないかを示している。表１において、１．軽油、２．灯油、３．マシン油は、動粘度および比重の関係で本発明に使用するのに不適当であり、４．シリコンオイル、５クライトックス（フッ素系オイル）は、比重が１．０よりも重く、したがって、所定の動粘度を有するものは本発明に使用するのに適している。

表１

本実施形態によると、ケーブル接続ヘッドボディ内の絶縁体として高粘性グリースの代わりに水より比重の重い低粘性絶縁オイルを充填し、このオイルの流出を防ぐために内部にピストン機構的に可動シーリング部材を設け、この可動シーリング部材が坑内流体のヘッドボディ内への進入を防ぐと共に、圧力バランスを保つ構造としたので、従来のトラブルはなくなり、長期間の計測が可能になった。とくに、地震地帯や火山地帯あるいは、その他の高温地域において、掘削された坑井で、長期間の地震計測や圧力、温度などの諸物性の連続計測が可能となった。

（１）テスト井Ａ、設置深度４８３ｍ（坑内温度１２０℃）
設置期間：平成１３年８月２３日〜平成１４年９月１１日（３８５日）
（２）テスト井Ｂ、設置深度１，７９０，７ｍ（坑内温度１３５℃）
設置期間：平成１５年１０月２８日〜平成１６年１月２８日（９２日）
（１）、（２）の試験を行なった結果、可動シーリング部材に上側から大圧力が加わっても
該可動シーリング部材はピストン的に可動できるので、可動シーリング部材での坑井内流体の浸入を防止でき、円滑な連続計測が可能であることが確認できた。

本発明の実施形態に係るケーブル接続ヘッドの縦断面図である。 （ａ）は、被覆ケーブルの断面図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図である。 図１の拡大図で、可動シーリング部材が上限まで移動している態様を示す断面図である。 図１の拡大図で、可動シーリング部材が中間部位に移動している態様を示す断面図である。 図１の拡大図で、可動シーリング部材が下限移動している態様を示す断面図である。 図１の拡大図で、ケーブル接続ヘッド内に絶縁オイルを充填している状態を示す断面図である。 従来のケーブル接続ヘッドの断面図である。

符号の説明

１ ケンソウ検層
２ 被覆ケーブル
３ 被覆ケーブル
４ アーマー鋼線
５ ケーブル接続ヘッド
６ 測定器ボディ
７ 下部ヘッドボディ
８ 上部ヘッドボディ
９ Ｏリング
１０ ヘッドボディ
１１ コネクタ
１２ 端子部
１３ スリーブ
１４ Ｏリング
１５ カップリング
１６ Ｏリング
１７ グリース
１８ ケーブル接続ヘッド
１９ 下部ヘッドボディ
２０ 上部ヘッドボデイ
２１ ヘッドボディ
２２ 嵌合連結部
２３ 固定ネジ
２４ アウターコーン
２５ インナーコーン
２６ 折り返し部
２７ スリーブ
２８ つる巻きばね
２９ 低粘性絶縁オイル
３０ 可動シーリング部材
３１ 段部
３２ Ｏリング
３３ 挿通孔
３４ ブーツ
３５ カラー
３６ 排気孔
３７ オイル注入孔
３８ 注入ポンプ
４０ 蓋板
４１ 開口部

Claims (4)

1. 測定器ボディに連結される下部ヘッドボディと、検層ケーブルが導入される上部ヘッドボディとにより内部に閉鎖空間が形成されるヘッドボディを構成し、前記検層ケーブルの被覆ケーブルから導出した芯線が下部ヘッドボディに固定されたコネクタに接続されているケーブル接続ヘッドにおいて、
   前記下部ヘッドボディ内には、坑内流体の浸入を防ぐ絶縁オイルを収容すると共に、この絶縁オイルが流出するのを防止する可動シーリング部材を設け、可動シーリング部材は、該シーリング部材の上下の圧力差によって該可動シーリング部材を軸方向に貫通する被覆ケーブルと一体に下部ヘッドボディ内を可動できる構成とし、
   前記絶縁オイルは、坑内流体よりも比重の重い、比重１．０以上の低粘性絶縁オイルであるシリコンオイル又はフッ素系オイルであること
   を特徴とするケーブル接続ヘッドの構造。
2. 前記絶縁オイルは、動粘度１５０（２０℃）以下のフッ素系オイルであること
   を特徴とする請求項１記載のケーブル接続ヘッドの構造。
3. 前記可動シーリング部材には、ヘッドボディの内面を摺動するＯリングを嵌合していることを特徴とする請求項１又は２記載のケーブル接続ヘッドの構造。
4. 前記可動シーリング部材の端部に内部を被覆ケーブルが貫通している筒状ブーツを固着し、該筒状ブーツがヘッドボディの内側に配設のスリーブの内周面を摺動するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のケーブル接続ヘッドの構造。

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