JPH01500055A - Downhole electromagnetic seismic source - Google Patents
Downhole electromagnetic seismic sourceInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 ダウンホール電磁地震源 発明の背景 本発明は、地球物理学的探査のために実体波を電磁的に発生するダウンホール地 震エネルギー源にかかわる。[Detailed description of the invention] Downhole electromagnetic seismic source Background of the invention The present invention is a downhole geothermal system that electromagnetically generates body waves for geophysical exploration. Involved in seismic energy sources.
地表で地震源を使用することは、地球物理学的探査において一般的である。垂直 ザイスミツクプロファイリング（ｖｓｐ ）とクロスボアホールテクノロジーの 開発とともに、ダウンホール地震源の必要は増した。ダウンホール地震源は、ｖ ＳＰとクロスボアホールの測定を実用的にするが、ダウンホール地震源は一般的 でなく、深さと振動数の範囲を限定され、そして典型的には力が弱いか、または 破壊的であるかのいずれかである。The use of seismic sources at the earth's surface is common in geophysical exploration. vertical Seismic Profiling (VSP) and Cross Borehole Technology With development, the need for downhole seismic sources has increased. The downhole earthquake source is v Makes SP and cross-borehole measurements practical, but downhole seismic sources are common limited in depth and frequency range, and typically have low force or Either it's destructive.
地震源を井戸穴に下げて置く設計上の制約により、現在、適当なダウンホール地 震源はない。ダウンホール地震源の寸法は、井戸穴の大＠さによって制限される 。典型的なダウンホール工具は、直径約１２．５センナ（約５インチ）に制限さ れる。地震源はまた、地表の下６，００ロメートル（約２０．０００フイート） の深さで遭遇する温度、圧力、および流体によ（耐えることができなければなら ない。適当な動力が地表から地震源に伝達されねばならないか、或は地震源がそ れ自体の動力供給源を持たねばならない。地震源は次いでｉ、ｏ ｏ ｏニュー トンとｉ ｓ、ｏ ｏ ｏニュートンの間の力を発生し、それによって実体波を 生じなければならず、それらは他の井戸の中で、または井戸から所望のオフセッ トの地表で検出される。ダウンホール地震源は制御可能であり、そして発生する 振動数を変えることができなければならない。最もｌ要なことは、ダウンホール 地震源は井戸を損傷することなくこれらすべてをなさねばならないことである。Due to design constraints that place the seismic source down a wellbore, there are currently no suitable downhole locations. There is no epicenter. The dimensions of a downhole seismic source are limited by the size of the wellbore. . Typical downhole tools are limited to approximately 12.5 senna (approximately 5 inches) in diameter. It will be done. The source of the earthquake is also 6,00 km (approximately 20,000 feet) below the earth's surface. must be able to withstand the temperatures, pressures, and fluids encountered at depths of do not have. Adequate power must be transmitted from the ground to the seismic source, or the seismic source must must have its own power supply. The source of the earthquake was i, o o o o o new Generates a force between ton and i s, o o o o o newton, thereby creating a body wave. They must occur within or at the desired offset from other wells. detected on the surface of the earth. Downhole earthquake sources are controllable and occur Must be able to change the frequency. The most important thing is downhole The seismic source must do all this without damaging the well.
発明の概要 本発明は、外方ハウジング、ハウジングを井戸穴の中に固く締めつけるための装 置、および直線電磁作動機を包含するダウンホール地震源である。作動機は、ハ ウジングに取り付けられた多回路コイルから成る電機子巻線を有している。鉄の ような磁気的に敏活な材料で作られた反応質量は、ｔｈ子巻線の回りに同軸に滑 動可能に置かれ、そして電流がコイルに加えられるとき振動する。反応質量は、 円筒形に形づくられた内方の芯を有し、それは実質的に希土類永久磁気材料で作 られることが好適で、そして電機子巻線の内側に滑動可能に置かれている。円筒 形に形づくられた外方の芯は、電機子巻線の外１ｌｉｌＪに同軸に置かれ、そし てハウジングまたは内方の芯のいずれかに固定される。Summary of the invention The present invention provides an outer housing, a device for tightly fastening the housing into a wellbore, It is a downhole seismic source that includes a ground plane and a linear electromagnetic actuator. The actuator is It has an armature winding consisting of a multi-circuit coil attached to a housing. iron A reactive mass made of magnetically sensitive material such as The coil is movably placed and vibrates when an electric current is applied to the coil. The reaction mass is It has a cylindrically shaped inner core, which is substantially made of rare earth permanent magnetic material. and is slidably placed inside the armature winding. cylinder The shaped outer core is placed coaxially 1 lil J outside the armature winding and is secured either to the housing or to the inner core.
本発明の設計は、ボアホールに下ろすことができ、かつ従来利用できたより大き い大きさである１０００ニユートンとｉ ｓ、ｏ ｏ ｏニュートンの間の力の 水準を達成することの出来る振動機ユニットの小型化を可能にする。本発明は、 検出できる実体波、すなわち累層の中に伝達され、そして井戸穴そのものの中、 地表の上、または隣接する井戸穴の中に置かれた感知装置によって検出されるこ とのできる波を発生する。本発明は、現存する油田のクロスボアホール測定と垂 直ずイスミンクプロファイルを実用的にする。運動センサーを備えることにより 、本発明はまたダウンホール地震検層工具として作動する。振動機への動力は、 現存する技術を用いて電気的にダウンホールに供給される。The design of the present invention allows for lowering into the borehole and larger The force between 1000 newtons and i s, o o o o o o newtons is It is possible to miniaturize a vibrator unit that can achieve the standard. The present invention Body waves that can be detected, i.e. transmitted into the formation, and within the wellbore itself, be detected by a sensing device placed above the surface or in an adjacent wellbore. It generates waves that can be made with. The present invention provides cross-borehole measurements and droop measurements in existing oil fields. Make the Ismink profile practical. By having a motion sensor , the invention also operates as a downhole seismic logging tool. The power to the vibrator is It is electrically fed downhole using existing technology.
本発明は、現存する空気式ダウンホール振動機によって達成されるものより著し く高い範囲である、１０ヘルツから１，５００ヘルツまでの振動数範囲の実体波 を発生する。The present invention provides significant improvements over those achieved by existing pneumatic downhole vibrators. Body waves in the frequency range from 10 Hz to 1,500 Hz, which is a very high range. occurs.
図面の簡単な説明 第１図は、井戸穴の破断図の中のダウンホール地震源の一実施例を示し、 第２図は、線２−２における第１図のダウンホール地震源の概略頂面図の断面を 示し、 第６図は、井戸穴の破断図の中のダウンホール地震源の別の実施例の概略断面を 示し、 第４図は、縁４−４における第６図の実施例の概略頂面図の断面を示し、 第５図は、別の直線電磁作動機を示し、第５Ａ図は、線５Ａ−５Ａにおける第５ 図の作動機の概略頂面図の断面を示し、 第６図は、水平に向けられた直線作動機を有する別のダウンホール地震源の概略 断面図を示し、第７図は、ダウンホール地震源を使用する三次元の垂直ずイスミ ンクプロファイリングを示し、第８図は、ダウンホール地震源を使用するクロス ボアホール断層放射線撮影を示し、 第９図は、ダイナマイト、空気銃、および振動機のダウンホール地震源の間のボ アホールの応力を比較するグラフでおり、そして 第１０図は、ダイナマイト、空気銃、および振動機のダウンホール地震源の間の 有効エネルギーを比較するグラフでるる。Brief description of the drawing Figure 1 shows an example of a downhole earthquake source in a fracture diagram of a well hole, Figure 2 shows a cross section of the schematic top view of the downhole earthquake source in Figure 1 along line 2-2. show, Figure 6 shows a schematic cross section of another example of a downhole seismic source in a fracture diagram of a wellbore. show, FIG. 4 shows a schematic top view cross-section of the embodiment of FIG. 6 at edge 4-4; FIG. 5 shows another linear electromagnetic actuator, and FIG. 5A shows the fifth line at line 5A-5A. shows a cross-section of a schematic top view of the actuator in FIG. Figure 6 is a schematic of another downhole seismic source with horizontally oriented linear actuators. Figure 7 shows a cross-sectional view of a three-dimensional vertical earthquake using a downhole seismic source. Figure 8 shows the cross profiling using a downhole seismic source. showing borehole tomography radiography; Figure 9 shows the hole between the dynamite, air gun, and vibrator downhole seismic source. This is a graph comparing the stress of Ahole, and Figure 10 shows the relationship between the dynamite, air gun, and vibrator downhole seismic sources. A graph comparing effective energy.
発明の詳細な説明 本発明の種々な方法と装置の実施例を、図面についてより明確に説明する。第１ 図は井戸穴１０によって貫通された土壌累層１００の中のダウンホール地震源２ ０を示し、井戸穴１０は典型的には適所にセメントで接合されたケーシング（図 示せず）で仕上げられている。地震源２０は、ケーブル２９で井戸穴１０の中に 下げられる。Detailed description of the invention Embodiments of various methods and apparatus of the invention are explained more clearly with reference to the drawings. 1st The figure shows a downhole earthquake source 2 in a soil formation 100 penetrated by a well hole 10. 0 and the wellbore 10 typically has a casing cemented in place (Fig. (not shown). The earthquake source 20 is located inside the well hole 10 with a cable 29. Can be lowered.
地震源２０は、同地震源を井戸穴の中のあらかじめ決められた位置に固く結合す るための適当な締めつけ装置を含んでいる。締めつけ装置は、少なくとも作動中 地震源２０によって発生される出力より大きい力を発生せねばならない。この力 は、発生する振動力の約２倍であらねばならないが、いかなる場合にもケーシン グ若しくは井戸穴のライナーを破損するか、またはセメントを損なうに必要な力 より小さくなければならない。第１図と、断面図の第２図において、地震源２０ を井戸穴に固く結合するための過当な締めつけ装置は、板６６ａ、６６１）、６ ６Ｃおよび６６ｄによっていっしょに接続された液圧ピストン６４１！Ｌｔ６４ ｂ１６４Ｃ，６４ｄ、６４θ＊ ６４ｆｔ ６４ｇを含む液圧締めつけ装置６０ として示されている。締めつけ装置の作動中、および地表からの信号に応答中、 電動機５２は液圧ポンプ５４に動力を供給する。制御弁５４は、液圧流体がピス トン５４ａ−ｈに加圧してそれらを押し出し、それによって板５５ａ−ｄを井戸 穴１０に係合させるように作動される。これに替えて、ケーブル２９の一部であ る液圧管（図示せず）が、ピストン５４ａ−ｈを動かすために地表から加圧され ても艮い。そのような代替り液圧供給は、浅い井戸により便利となるであろう。The earthquake source 20 is constructed by firmly connecting the earthquake source to a predetermined position inside the well hole. Contains suitable tightening devices for tightening. The tightening device is at least in operation A force must be generated that is greater than the power generated by seismic source 20. this power should be approximately twice the vibration force generated, but in no case should the casing force required to damage the wellbore or wellhole liner or damage the cement. Must be smaller. In Figure 1 and Figure 2, which is a cross-sectional view, the earthquake source 20 The over-tightening device for firmly connecting the plate to the well hole is the plate 66a, 661), 6 Hydraulic pistons 641 connected together by 6C and 66d! Lt64 Hydraulic tightening device 60 including b164C, 64d, 64θ* 64ft 64g It is shown as. during operation of the tightening device and in response to signals from the ground; Electric motor 52 powers hydraulic pump 54 . The control valve 54 allows hydraulic fluid to Pressure is applied to the plates 54a-h to push them out, thereby pushing the plates 55a-d into the wells. It is actuated to engage the hole 10. Instead of this, part of the cable 29 Hydraulic lines (not shown) are pressurized from the ground to move the pistons 54a-h. It's so weird though. Such an alternative hydraulic supply would be more convenient for shallow wells.
板５５ａ−ｄの表面は、振動機の表面とボアホールの壁の間に追加の摩擦を与え るために、のこ歯状にされ若しくは溝を設けられても良い。そのようなのこ歯切 欠きは、締めつけ板５５ａ−ｄが井戸穴１０に接触するとき非常に高い真の力を 発生し、それによって滑りをなりシ、または最小にする〇 電磁直線作動機装置３０は、ボルト、溶接部などのような適当な装置によってハ ウジング３２に取り付けられている。作動機３０は、ハウジング３２に取り付け られた外方部分と、磁気的に敏活な材料で作られた内方部分とを有する円筒形の 胴３４を含んでいる。多回路コイルから成る電機子巻線３８は、円筒形の胴３４ の内方部分に取り付けられている。内方芯の反応質量４２は、電機子巻線３８の 内側に滑動可能に置かれている。内方芯の反応質量４２はまた鉄、鉄合金、若し くは永久磁気材料のような磁気的に敏活な材料で実質的に作られている。より高 い力を達成するために、サマリウムコバルトまたはネオジム−鉄−ホウ素のよう な希土類永久磁気材料が、反応気量４２または胴３４を作るために利用されても 良い。反応質量４２が、希土類永久磁気材料のような少なくとも、９Ｔの残留磁 界を有する永久磁気材料で笑質刊に作られることが考えられる。作動機３０の好 ましい実施例では、反応質量４２は希土類永久磁気材料を薄くかぶせられた鉄芯 な有している。反応質量４２は、機械的制約のためにステンレス鋼で作られかつ 直線ブシュ４４ａとｂによって整合された、中心軸４０を有している。反応質量 ４２は、その重量を中立にするために非線形ばね４６ａとｂによって支えられて いる。The surfaces of plates 55a-d provide additional friction between the vibrator surface and the borehole wall. It may also be serrated or grooved to provide protection. Such a saw tooth cutter The chip allows the clamping plates 55a-d to exert a very high net force when contacting the wellbore 10. occur and thereby reduce or minimize slippage 〇 The electromagnetic linear actuator device 30 is fastened by suitable devices such as bolts, welds, etc. It is attached to the Uzing 32. The actuator 30 is attached to the housing 32 a cylindrical shaped outer portion made of a magnetically sensitive material and an inner portion made of a magnetically sensitive material. It includes a body 34. An armature winding 38 consisting of a multi-circuit coil is connected to a cylindrical body 34. attached to the inner part of the The reaction mass 42 of the inner core is the same as that of the armature winding 38. It is slidably placed inside. The inner core reactive mass 42 may also be made of iron, iron alloys, or The material is substantially made of a magnetically sensitive material, such as a permanently magnetic material. higher To achieve high strength, use materials such as samarium cobalt or neodymium-iron-boron. Even if rare earth permanent magnetic materials are utilized to make the reaction volume 42 or the shell 34, good. The reaction mass 42 has at least a 9T remanence, such as a rare earth permanent magnetic material. It is conceivable that it could be made of a permanent magnetic material with a magnetic field. The preference of the actuator 30 In a preferred embodiment, the reaction mass 42 is an iron core coated with a thin layer of rare earth permanent magnetic material. It has. The reaction mass 42 is made of stainless steel due to mechanical constraints and It has a central axis 40 aligned by straight bushings 44a and b. reaction mass 42 is supported by non-linear springs 46a and b to neutralize its weight. There is.
電機子巻線３８が、外方の胴３４の代わシに反応質量４２に取シ付けられること ができることも考えられる。そのような設計では、外方の胴３４はおそらく希土 類永久磁気材料で作られ、そして電機子巻線３８は、可動の反応質量４２の一部 を成している。An armature winding 38 is attached to the reaction mass 42 in place of the outer shell 34. It is also possible that this can be done. In such a design, the outer shell 34 would likely be made of rare earth The armature winding 38 is made of a permanently magnetic material and is part of the movable reactive mass 42. has been achieved.
電機子巻線３８の多回路コイルは、反応質量４２をボアホール１０と平行に振動 させるように設計されている。例えば、典型的ボアホールは向きが垂直であるか ら、反応質量４２も垂直の方向に振動する。そのような運動は累層１００の中に 力を加えて、水平の方向に垂直せん断波（Ｓｖ波）を、そして垂直から垂直に近 い（垂直から０−４５°）方向に疎密波（Ｐ波）を発生する。The multi-circuit coils of the armature winding 38 cause the reaction mass 42 to oscillate parallel to the borehole 10. It is designed to. For example, are typical boreholes oriented vertically? The reaction mass 42 also oscillates in the vertical direction. Such movement occurs within formation 100. Apply force to create vertical shear waves (Sv waves) in the horizontal direction and from vertical to near vertical. It generates a compression wave (P wave) in the direction (0-45 degrees from the vertical).
約１００キログラムの質量を有する、作動ｉｆＭ３０の内方の芯の反応質量４２ は、１０００ニユートンを超える力を達成するために、長さ約１メートルである 。The reaction mass 42 of the inner core of the working ifM30 has a mass of approximately 100 kilograms is about 1 meter long to achieve a force of over 1000 newtons .
長さ２メートルのより長い反応質量は、より大きい力またはすぐれた振動機の特 性を与えることが考えられる。本発明の設計は、１８，０００ニユートンまでの 力を達成することができる。A longer reaction mass of 2 meters in length allows for greater force or superior vibrator characteristics. It is possible to give sex. The design of the present invention supports up to 18,000 newtons. power can be achieved.
第１図のダウンホール地震源２０はまた、ふくらむことのできるブーツ７６によ ってボアホールの壁１０に固く取り付けられる運動感知装置７８を含んでいる。The downhole seismic source 20 of FIG. It includes a motion sensing device 78 that is rigidly attached to the wall 10 of the borehole.
感知装置７８は、井戸穴の壁１０の振動を検出するように設計された加速度計ま たは地中聴音器のような、地震感知装置である。感知装置７８は、音響隔離器７ ０によって地震源の残りから振動上で隔離されている。The sensing device 78 is an accelerometer or an accelerometer designed to detect vibrations in the wellbore wall 10. or an earthquake sensing device, such as a geophone. Sensing device 78 includes acoustic isolator 7 vibrationally isolated from the rest of the seismic source by 0.
追加の運動感知装置（図示せず）は、直線作動機３０から隔離されて々い地震源 ２０の中に含まれる。Additional motion sensing equipment (not shown) can be used to detect seismic sources isolated from the linear actuator 30. Included in 20.
隔離された感知装置７８と、隔離されていない装置からの信号を比較することに よって、締めつけの有効性と累層の中へのエネルギー伝達に関する情報が得られ る。Comparing signals from isolated sensing devices 78 and non-isolated devices Therefore, information regarding the effectiveness of constriction and energy transfer into the formation is obtained. Ru.
エレクトロエックスパッケージ７２は、地表から命令信号を受け、そして地震源 の種々な構成要素を制御する。エレクトロエックスパッケージも、運動感知装置 ７８から信号を受け、そしてそれらを地表に伝達する。エレクトロエックスパッ ケージ７２は、敏感な電子機器への振動の損害を避けるために、音響隔離器７０ によって作動機３０の振動から隔離されることが好ましい。それ以上の振動の保 護は、エレクトロエックスパッケージ７２をブーツ７６と運動感知装置７８の下 に置くことによって達成される。Electrox package 72 receives command signals from the earth's surface and control various components of the Electrox package also has a motion sensing device 78 and transmits them to the surface. electro xpad The cage 72 is equipped with an acoustic isolator 70 to avoid vibration damage to sensitive electronic equipment. Preferably, it is isolated from vibrations of the actuator 30 by. Preservation of further vibrations Mamoru places the Electro-X package 72 under the boot 76 and motion sensing device 78. This is achieved by placing
その代わりに、多くの作動機−直列の二つ以上の−が、ただ一つの地震源の中に 含まれることができる。Instead, many actuators - two or more in series - can be located within a single seismic source. can be included.
第６図は、二つの直線電磁作動機１３０と２３０を有する電磁地震源１２０の代 わシの実施例の断面を示す。FIG. 6 shows a representation of an electromagnetic seismic source 120 having two linear electromagnetic actuators 130 and 230. Figure 3 shows a cross section of an embodiment of the eagle.
作動機１３０と２３０の詳細部は確認されないが、設計はすべての点で第１図の 作動機３０と同じである。Although details of actuators 130 and 230 are not identified, the design is in all respects similar to that of FIG. It is the same as the actuator 30.
地震源１２０は、ケーブル１２９によって井戸穴１０ａの中に下げられる。第３ 図と第４図はまた、ぎストン１６４ａとｂによって動かされて井戸穴１Ｇ＆に接 触し、そして地震源１２０のハウジング１３２を井戸穴１０ａの反対側に向かっ て押す、ただ一つの板１６６を有する、別の締めつげ装置：１６０を示す。ハウ ジング１３２は、その接触パッド１３２ａとｂで井戸穴１０ａに接触する。Seismic source 120 is lowered into wellbore 10a by cable 129. Third FIG. 4 also shows that the wellbore 1G& is moved by the pistons 164a and b. and move the housing 132 of the earthquake source 120 toward the opposite side of the well hole 10a. 16 shows another lashing device: 160 with only one plate 166 for pressing. Howe Ring 132 contacts wellbore 10a with its contact pads 132a and b.
第６図はまた、地震源１２０に追加の締めつけの安定を与える第二の締めつけ装 置２６０を追加した別の実施例を示す。板２６６は、ピストン２６４ａとｂによ って動かされる一方、第一の締めつけ装置１６０は、ピストン１６４ａとｂによ って動かされる板１６６を有している。締めつけ装置１６６と２６６は、いっし ょにハウジング１３２を井戸穴１０ａの反対側に向かって押して、地震源１２０ を井戸穴１０ａの中に固く結合する。FIG. 6 also shows a second clamping device that provides additional clamping stability to seismic source 120. Another embodiment is shown in which a position 260 is added. Plate 266 is supported by pistons 264a and b. while the first tightening device 160 is moved by the pistons 164a and b. It has a plate 166 that can be moved. The tightening devices 166 and 266 are Push the housing 132 toward the opposite side of the well hole 10a to remove the earthquake source 120. is firmly connected in the well hole 10a.
接触板１６６と２６６、および接触パッド１３２ａとｂの表面は、表面と井戸穴 １０ａの間の摩擦接触を改善するためにのこ歯にされている、丁なわち溝を作ら れている。The surfaces of contact plates 166 and 266 and contact pads 132a and b are connected to the surface and well holes. 10a are serrated, i.e. grooved, to improve the frictional contact between the It is.
第５図と第５Ａ図は、本発明の直線電磁作動機の好ましい実施例を示す。第５図 の作動機４３０はまた、作動機の相互の長さと幅の比率に、より近似している（ 第１図の作動＠３０の圧縮された外観に比べて）。5 and 5A illustrate a preferred embodiment of the linear electromagnetic actuator of the present invention. Figure 5 The actuator 430 also more closely approximates the mutual length and width ratio of the actuators ( (compared to the compressed appearance of the actuation@30 in Figure 1).
第５図は、ハウジング４３２に取り付けられた多回路コイルから成る電機子巻線 ４３８を示す。電機子巻線４３８は、中心軸線の回りに円筒形の形を有している ・電機子巻線４３８の内側とそれを囲む両方には、中心軸４４０、内方の芯４４ ２ａ／１）および外方の芯４３４ａ ／ ｂ から成る反応質量４３１がある。FIG. 5 shows an armature winding consisting of a multi-circuit coil mounted in a housing 432. 438 is shown. The armature winding 438 has a cylindrical shape about the central axis. - Both inside and surrounding the armature winding 438 there is a central axis 440, an inner core 44 2a/1) and an outer core 434a/b.
中心軸４４０は、電機子巻線４３８の中に同軸に置かれている。中心軸４４０は 、その縦の軸線に沿って滑動可能に動くことができるようにされている。円筒形 に形づくられた内方の芯４４２ ！Ｌ／ｌ）は、中心軸４４０に取り付けられ、 そして電機子巻線４３８と中心軸４４００間に同軸に置かれている。外方の芯４ ３４ ａ／１） も、中心軸４４０に取り付けられ、そして電機子巻線４３８の 外側に同軸に置かれている。ブリッジ装置４３５は、電機子巻線４３８のコイル を通って、外方の芯４３４ａ ／ ｂ を中心軸４４０に寮続している。内方の 芯４４２ａ／ｂ と外方の芯４３４１Ｌ／１） の両方は鉄、鉄合金、または永 久磁気材料のような磁気的に敏活な材料で作られている。より高い力を達成する ために、少なくとも、８Ｔ以上の高い残留磁界を有する永久ｉ気材料が必要とさ れる。、９Ｔ以上の残留磁界が望ましい。サマリウムコバルトまたはネオジム− 鉄−ホウ素のような希土類永久磁気材料が利用される。A central axis 440 is coaxially located within armature winding 438. The central axis 440 is , is adapted to be slidably movable along its longitudinal axis. cylindrical Inner core 442 shaped into! L/l) is attached to the central shaft 440, It is placed coaxially between the armature winding 438 and the central shaft 4400. outer core 4 34 a/1) is also attached to the central shaft 440 and of the armature winding 438. Coaxially placed on the outside. The bridge device 435 connects the coils of the armature winding 438. The outer cores 434a/b are connected to the central axis 440 through the outer cores 434a/b. inward Both core 442a/b and outer core 4341L/1) are made of iron, iron alloy, or permanent Made of magnetically sensitive materials such as magnetic materials. achieve higher power Therefore, a permanent ionic material with a high residual magnetic field of at least 8T is required. It will be done. , a residual magnetic field of 9T or more is desirable. samarium cobalt or neodymium Rare earth permanent magnetic materials such as iron-boron are utilized.
中心軸４４０は、もし機械的性質を特徴とする特許ばステンレス鋼で作られ、そ して直線ブシュ４４４ａとｂによって整合される。反応質量４３１は、非線形ば ね４４６ａとｂによって支えられている。The central shaft 440 may be made of stainless steel if the patent features mechanical properties; and are aligned by straight bushings 444a and b. The reaction mass 431 is a nonlinear case. It is supported by springs 446a and b.
最適の作動機には、いくつかの可能な設計があると考えられる。第５図は二つの 好ましい設計を示す。第一の実施例は、実質的に希土類永久磁気材料で作られた 内方の芯４４２ ａ／ｌ）を有している。特に、内方の芯の外方部分４４２ｂは 希土類永久磁気材料で作られる一方、内方の芯の内方部分４４２ａと外方の芯４ ３４ａとｂは、鉄または鉄合金のような磁気的に敏活な材料（この場合、永久磁 気材料でない）で作られている。There are several possible designs for the optimal actuator. Figure 5 shows two A preferred design is shown. The first embodiment is made of substantially rare earth permanent magnetic materials. It has an inner core 442a/l). In particular, the outer portion 442b of the inner core is while the inner portion 442a of the inner core and the outer core 4 are made of rare earth permanent magnetic material. 34a and b are magnetically sensitive materials such as iron or iron alloys (in this case permanent magnets). made of air-free materials).
そのような最適の設計は、希土類永久磁気材料のすぐれた磁気特性を有効に利用 して、電機子巻線４３８の回りの磁界に完全な進路を与える。内方の芯の外方部 分４４２ｂは、を機子巻紬４３８から磁界に反応する、電機子巻線４３８に最も 近い希土類永久磁気材料の層である。鉄で作られた内方の芯の内方部分４４２ａ は、電機子巻線４３８の内側の反応質量４３１の中心に沿う磁気進路を与える。Such an optimal design takes advantage of the excellent magnetic properties of rare earth permanent magnetic materials. to give a complete path to the magnetic field around armature winding 438. outer part of inner core The minute 442b is the most sensitive to the armature winding 438, which reacts to the magnetic field from the armature winding 438. It is a layer of near rare earth permanent magnetic material. Inner portion 442a of the inner core made of iron gives a magnetic path along the center of reaction mass 431 inside armature winding 438.
これも鉄で作られた外方の芯４３４ ａ／ｂは、電機子巻線４３８の外側の磁界 に進路を与える。The outer core 434 a/b, also made of iron, provides the magnetic field outside the armature winding 438. give a path to
第二の好ましい実施例は、実質的に希土類永久磁気〜 材料で作られた外方の芯 ４３４ａ／ｌ）を有している。A second preferred embodiment includes an outer core made of a substantially rare earth permanent magnetic material. 434a/l).
特に、外方の芯の内方部分４３４ｂは希土類永久磁気材料で作られ、そして外方 の芯の外方部分４３４ａと内方の芯４４２ ａ／ｂは、鉄または鉄合金のような 磁気的に敏活な材料（非永久磁気材料）で作られている。In particular, the inner portion 434b of the outer core is made of a rare earth permanent magnetic material and the outer core The outer core portion 434a and the inner core 442a/b are made of iron or iron alloy. Made of magnetically sensitive materials (non-permanently magnetic materials).
電機子巻線４３８は可動の反応質量の一部を含み、考えられる。磁界はなお内方 の芯４４２ａ／ｌ’と外方の芯４３４ａ／ｂを通るが、それらは軸４４０の代わ りにハウジング４３２に取り付けられる。Armature winding 438 includes a portion of the movable reaction mass and is contemplated. The magnetic field is still inward core 442a/l' and outer core 434a/b, which are in place of shaft 440. is attached to housing 432 instead.
既に説明したすべての実施例は、磁気的に敏活な材料に反応する１伍電機子巻線 を有している。作動機は、ハウジングと反応質量の中のコイルの両方に取り付け られた電磁コイルを含むことも考えられる。一つの制限は、そのような形状によ って発生される熱であろう。All the embodiments already described are based on one armature winding sensitive to magnetically sensitive materials. have. The actuator is attached to both the housing and the coil in the reaction mass. It is also conceivable that the electromagnetic coil may be included. One limitation is that such a shape This is probably the heat generated.
液体窒素の中に浸すようなダウンホール冷却が必要となる。大きさの制限により 超伝導体が必要となる。超磁石を生じる超伝導体は、もし技術の細部が達成され るならば可能であろう。Downhole cooling, such as immersion in liquid nitrogen, is required. Due to size restrictions A superconductor is required. Superconductors that give rise to supermagnets will be produced if the details of the technology are achieved. It would be possible if
地球物理学者が水平のせん耐波（ＳＨ−波）を生じるためにこの震動源を望むと きの例がある。’Ｉｌ＆子巻線３８の多回路コイル（第１図に示す）は、内方の 芯の反応質量４２にねじフカを加え、それによって反応質量を回転させるように 設計されている。−流の方向を又互に変えることにより、反応質量４２は、軸４ ０の縦の軸線についてねじり運動で振動する。そのような運動は、累層１００の 中に水平のせん耐波（ＳＨ−波）を発生する。第５図の電機子巻線４３８は同様 に、ねじり運動を与えるようにされている。When a geophysicist looks at this seismic source to produce horizontal shear waves (SH-waves), There is an example of this. The multi-circuit coil of 'Il & child winding 38 (shown in Figure 1) is connected to the inner A screw hook is added to the reaction mass 42 of the core so that the reaction mass is rotated thereby. Designed. - By changing the direction of the flow, the reaction mass 42 is moved along the axis 4 It vibrates in a torsional motion about the zero vertical axis. Such a movement is due to formation 100 It generates horizontal shear waves (SH-waves) inside. The armature winding 438 in Fig. 5 is similar. It is designed to give a twisting motion to the
疎密波（Ｐ−波）が望ましい場合の例がある。第６図は、水平の加速度を発生す る、さらに一つの別の電磁直線作動機３３０を示す。一連の小さい作動機３３０ ’＊３３０ｂ＊および３３０Ｃは、井戸穴１０に垂直に向けられ、それらは垂直 の井戸穴について水平の方向にちる。作動機３３０ａ−Ｃは、外方ハウジング３ ３２に取り付けられた外方部分と、実質的に磁気的に敏活な材料で作られた内方 部分を有する、円筒形に形づくられた胴３３４ａ−Ｃを含んでいる。多回路コイ ルから成る電機子巻線３３８ａ−Ｃは、胴３３４ａ−Ｃの内方部分に固く取り付 けられている。反応質量３４２ａ−Ｃは、磁気的に敏活な材料で作られ、そして 直線ブシュ３４４ａ−ｅによって整合された中心軸３４０ａ−Ｃを有している。There are examples where compression waves (P-waves) are desirable. Figure 6 shows the generation of horizontal acceleration. Yet another electromagnetic linear actuator 330 is shown. Series of small actuators 330 '*330b* and 330C are oriented perpendicularly to the wellbore 10; Tilt horizontally about the well hole. The actuators 330a-C are connected to the outer housing 3. an outer portion attached to 32 and an inner portion made of a substantially magnetically sensitive material. It includes a cylindrically shaped body 334a-C having sections. multi-circuit carp The armature windings 338a-C, consisting of a I'm being kicked. Reaction mass 342a-C is made of magnetically sensitive material and It has central axes 340a-C aligned by straight bushings 344a-e.
反応質量３４２ａ−Ｃは、それらの１量を中立にし、または慣性特性を改善する ために非線形ばね３４６ａ−ｃによって叉えられている。第６図は三つの作動機 ３３０１Ｌ−Ｃを示すが、他の数の作動機がただ一つの地震源の中に形づくられ てもよいと考えられる。第１図の垂直に向けられた作動機は長さ約１メートルで あるから、第６図の水平に向けられた地震源は、作動機３３０ａに似た１０以上 の作動様を必要とするものと思われる。第５図の作動機４３０も、同様に水平に 向けられるようにされている。Reaction masses 342a-C neutralize their one mass or improve inertial properties are held by nonlinear springs 346a-c for this purpose. Figure 6 shows three actuators 3301L-C, but a number of other actuators are formed within a single seismic source. It is considered possible to do so. The vertically oriented actuator in Figure 1 is approximately 1 meter long. Therefore, the horizontally oriented seismic source in Figure 6 has more than 10 similar to actuator 330a. It seems that the operation mode is required. Similarly, the actuator 430 in FIG. It is meant to be directed.
例えば典型的な垂直のボアホールでは、反応質量３４２ｆＬ−Ｑは井戸穴に垂直 の水平の方向に振動する。For example, in a typical vertical borehole, the reaction mass 342fL-Q is perpendicular to the wellbore. vibrates in the horizontal direction.
そのような運動は力を累層の中に与えて、水平の方向に疎密波（Ｐ−波）を、そ して垂直から垂直に近い（垂直から０−４５°）の方向に垂直のせん耐波（ＳＶ −波）を発生する。Such motion imparts forces into the formation that cause compression waves (P-waves) in the horizontal direction. vertical to vertical (0-45° from vertical) − waves).
作動機が、第６図の作動機３３０ａｌのように垂直に向けられるとき、工具は二 重締めつけ装置（第６図によって示されるように）を必要とし、作動機は締め金 具の間（第３図の作動機２３０と同じ位置）に置かれることが予想される。また 、液圧で動かされるパッドのに代わる締め金具の設計のありうる必要が予想され る。作動様振動の運動が、垂直に向けられた作動後の場合のように、締め金具作 動機と同じ方向にあるとき、特殊の間勉が起こる。締め金具作動機の流体で満た されたピストンは、累層の中に伝達されるように意図された振動エネルギーをね じりまたは吸収する緩衝器として動く。くさび締め金具の設計のような代わりの 締め金具の設計が好ましい。液圧ピストンまたは機械的スクリュードライブ（ｓ ｃｒｅｗｃＬｒｉｖｅ ）のような駆動機構は、駆動くさびをボアホールと平行 に駆動し、それは次いで駆動くさびにダブテールである接触くさびを外方へ駆動 して井戸穴に接触させる。そのようなくさび締め金具の設計は、工具を固く取り 付けるために、振動運動の方向の液圧だけにたよらない。When the actuator is oriented vertically, such as actuator 330al in FIG. Requires a heavy clamping device (as shown in Figure 6) and the actuator It is expected that it will be placed between the tools (in the same position as actuator 230 in FIG. 3). Also , the possible need for alternative fastener designs to hydraulically actuated pads is anticipated. Ru. The movement of actuation-like vibrations is caused by fastener construction, as in the case after a vertically oriented actuation. A special kind of study occurs when the motivation is in the same direction. Fill with fastener actuator fluid The piston is designed to transfer the vibrational energy intended to be transferred into the formation. Acts as a buffer to absorb or dampen. Alternatives such as wedge clamp designs The fastener design is preferred. Hydraulic piston or mechanical screw drive (s A drive mechanism such as the crewLrive (crewcLrive) places the drive wedge parallel to the borehole. It then drives outward the contact wedge which is dovetailed into the driving wedge. and make contact with the well hole. The design of such wedge fasteners allows for a firm grip on the tool. does not rely solely on hydraulic pressure in the direction of oscillatory motion to attach.
本発明にとって重大なことは、小さい、力の大きい直線作動機である。例えば第 １図について述べると、反応質量４２は、実質的にサマリウムコバルトまたはネ オジム−鉄−ホウ素のような希土類永久磁気材料で作られている。その代わりに 、反応質量４２は、鉄または鉄合金で作られて、希土類永久磁気材料を薄くかぶ せてもよい。Critical to the invention is a small, high force linear actuator. For example, 1, the reaction mass 42 is substantially samarium cobalt or sodium chloride. Made of rare earth permanent magnetic materials such as ozim-iron-boron. Instead , the reaction mass 42 is made of iron or iron alloy with a thin coating of rare earth permanent magnetic material. You can also let
そのような直線作動機は、適当な電動機製作所から利用できる。例えばゼネラル エレクトリックは、適当な出力電力を達成するために希土類永久磁石を利用せね ばならないが、自動車のドアの内典に合う、自動車の自動開閉式窓のための電動 機を設計している。適当な仕様警をオハイオ州カントンのハモン会社、またはニ ューヨーク州ロングアイランドのプレインビューのソンセボズ会社のような、注 文によって電動機設計作業を行なう電動＆製作所に与えることによって、望みの 作動機が得られる。例えば人は、直径約１０センチ（約４インチ）、長さ１１７ ２メートルから２メートルまでより以下の直線ｔ＠作動機を指定し、そして反応 質量を加速するに足りる大きさの磁界を発生し、それによって６．０００ニユー トンまでの、およびそれを超える振動力を生じることができる。Such linear actuators are available from any suitable motor manufacturer. For example, General Electrics must utilize rare earth permanent magnets to achieve reasonable output power. Must meet the specifications of the car door, electric for the automatic opening and closing of the car window I am designing a machine. The Hammon Company of Canton, Ohio, or the Notes, such as Sonsebo's Company of Plainview, Long Island, New York. By giving a statement to the electric & manufacturing company that performs the motor design work, you can get the desired result. An actuator is obtained. For example, a person has a diameter of about 10 centimeters (about 4 inches) and a length of 117 cm. Specify the following straight line t @ actuator from 2 meters to 2 meters, and react Generates a magnetic field large enough to accelerate a mass, thereby accelerating it by 6,000 new Vibratory forces up to and exceeding tons can be generated.
第７図は、ダウンホール地震源３０を使用する、垂直ずイスミックゾロファイリ ング（ｖｓｐ ）作業の破断三次元の図を図示している。ｖｓｐは、記録トラン ク６００に接続された地中聴音器のひも５ｓｏａ−ａに沿う多数の地表の地中聴 音器６７５で、実体波を発生するためにダウンホール地震源３０の使用によって 容易に、かつ敏速に達成されることができる。検層トラック２００は、ケーブル ２９の上の地震源３０を井戸穴５００の中に下げる。地震源３０は関心ある実体 波、すなわちＳｖ−波、Ｐ−波、または舶−波を発生するために動かされる一方 、地中聴音器は直接の、および反射された実体波（１０００／２０００ ）を記 録する。Figure 7 shows a vertical hemi-ismic zorophyllization system using a downhole seismic source 30. Figure 3 illustrates a broken three-dimensional view of a VSP operation. vsp is a recording tran Numerous surface geophones along the geophone string 5soa-a connected to the By using a downhole seismic source 30 to generate a body wave with a sounder 675 This can be achieved easily and quickly. The logging truck 200 is a cable The seismic source 30 above 29 is lowered into the well hole 500. Earthquake source 30 is an entity of interest while being moved to generate waves, i.e. Sv-waves, P-waves, or Vessel-waves. , geophones record direct and reflected body waves (1000/2000). Record.
地中聴音器は、井戸穴の環境の中に下げられる必要はなく、そして多くの地表の 地中聴音器が利用されるので、累層のゾロファイリングは敏速に、かつ能率的に 行なわれる。Geophones do not need to be lowered into the wellbore environment and can be Because geophones are used, zorofiling of formations is quick and efficient. It is done.
第８図は、クロスウェル断層放射線写真撮影を行なうためのダウンホール地震源 ３０の使用を示す。クロスウェル断層放射線写真撮影では、検層トランク２００ ａは、少なくとも一つの受信井戸４００ｂに向かって累層１００の中に外に向け られる望みの実体波、すなわちＳｖ−波、舶−波、またはＰ−波を発生する少な くとも一つまたはｖｌ数個の地震源３０を、第一の井戸穴４００ａの中に下げる 。井戸４００ｂは、その中につるされ、そして地表の上の適当な記録トラック６ ００ａに接続された地中聴音器４５０１！Ｌ−（ｉを含んでいる。Figure 8 shows the downhole earthquake source for crosswell tomography radiography. Showing the use of 30. For crosswell tomography radiography, logging trunk 200 a is directed outward into formation 100 toward at least one receiving well 400b. A small wave that generates the desired body wave, i.e. Sv-wave, vessel-wave, or P-wave. At least one or several earthquake sources 30 are lowered into the first well hole 400a. . The well 400b is suspended within it and a suitable recording track 6 above the ground surface. Geophone 4501 connected to 00a! L-(contains i.
井戸４００ａの中の地震源すなわち源３０が実体波を発生するとき、ごれらの波 は、井戸４００ｂの中の受信器４５０１Ｌ−Ｈによって検出され、それによって 井戸４００ａと４００ｂの間の地質学的累層の相対的地震図を発生する。風化層 は普通、地表で発生される実体波を弱めるので、地表対井戸の断層放射線写真撮 影は、減衰の問題により、約１００ヘルツより大きい振動数には実行するごとは できない。もちろん、振動数が低ければ低いほど、読みは精練されることが少な い。When the seismic source in the well 400a, that is, the source 30, generates a body wave, the waves of are detected by receivers 4501L-H in well 400b, thereby A relative seismic map of the geological formations between wells 400a and 400b is generated. weathered layer normally weakens the body waves generated at the surface, making surface-to-well tomographic radiography difficult. The shadow will not run for frequencies greater than about 100 hertz due to damping issues. Can not. Of course, the lower the frequency, the less refined the reading will be. stomach.
というのは、実体波の波長が大きければ大きいほど、こうして解像力は低いから でおる。第８図による本発明のダウンホール地震源の使用は、与えられた累層の 中のより小さい地帯が見られるように解像力を上げ、そして視界を狭くするため に、高振動数の実体波−すなわち１００ヘルツより大きい−の発生を可能にする 。This is because the larger the wavelength of the body wave, the lower the resolution. I'll go. The use of the downhole seismic source of the present invention according to FIG. To increase resolution and narrow the field of view so that smaller areas inside can be seen allows the generation of high frequency body waves – i.e. greater than 100 hertz. .
その技術は、産油地帯が比較的に人口希薄で、こうしてそれらについての情報が 得にくい場合に使用するにきわめて価値がある。この技術はまた、高水草の核廃 棄物貯蔵所のために岩塊候捕物の中の断裂帯を検出するため、または岩塊の中に 置かれた高水準の核廃棄物からの熱負荷を監視するために使用される。The technology is based on the fact that oil-producing areas are relatively sparsely populated and thus little information about them exists. It is extremely valuable to use when it is difficult to obtain. This technology also enables the nuclear decommissioning of high aquatic plants. To detect fracture zones within rock masses for waste repositories or within rock masses. Used to monitor heat loads from placed high-level nuclear waste.
第９図と第１０図は、いくつかのダウンホール地震源、すなわち５００グラム（ １，１ボンド）のダイナマイト装薬、６５５立方センチ（４０立方インチ）の空 気銃、および１８，０００ニユートン（４，０００ポンドフイート）の出力を有 する振動機の間のボアホールの応力と有効エネルギーを比較するグラフである。Figures 9 and 10 show several downhole seismic sources, namely 500 g ( 1,1 bond) dynamite charge, 655 cubic centimeters (40 cubic inches) empty air gun, and has a power output of 18,000 newtons (4,000 lb-ft). 2 is a graph comparing borehole stress and effective energy between vibrators.
値は、普通の振動数帯の中にある振動数、約１００ヘルツに適用できる。図は、 振動機が低いボアホールの応力で高い有効エネルギーを達成することを示す。振 動機によって引き起こされる、７キロ／平方センチ（１０ボンド／平方インチ） のボアホールの応力は、アメリカ石油協会規準（１９８４年１０月２２８ＡＰＩ ＲＰ ２ Ａ）によるケーシングセメントの界面の上の推薦された最大誘発せ ん断応力のわずか半分である。The values apply to frequencies within the normal frequency range, approximately 100 hertz. The diagram is We show that the vibrator achieves high effective energy with low borehole stress. Shake 7 kg/cm2 (10 bonds/in2) caused by motive The stress in the borehole is based on the American Petroleum Institute standard (228 API RP 2 Recommended maximum induced stress above the casing cement interface according to A) It is only half of the shear stress.
第１図に示す運動感知装置７８も、本発明をダウンホール地震検層工具として作 動できるようにする。作動機３０によって発生された地震振動は累層１００の中 に進み、そこでそれらは逆に反射させられ、または屈折させられ、次いで感知装 ［７８によって検出される。感知装置は、隔離装置７０によって工具の振動から 隔離されている。検出された信号を分析することによって井戸穴を囲Ｃ累層につ いての情報が推断される。The motion sensing device 78 shown in FIG. 1 also incorporates the present invention into a downhole seismic logging tool. be able to move. The seismic vibrations generated by the actuator 30 are within the formation 100. , where they are reflected or refracted back and then passed through a sensing device. [Detected by 78. The sensing device is isolated from tool vibration by an isolation device 70. Isolated. The well hole is connected to the surrounding C formation by analyzing the detected signals. information is inferred.
大部分の地表の地震記録は、１０ヘルツから２００ヘルツまでの範口内にろる。Most surface earthquake records fall within the range of 10 to 200 hertz.
本発明のダウンホール振動機は、地表の地震源から記録されたものと同じ振動数 で地震信号を発生する。地表で発生される地震データと同じ振動数を使用する本 発明によって得られる記録は、はるかに高い振動数で作動する現存する検層工具 によって得られるものよりよい、地表で発生される地震データとの相互関係を与 える。本発明はまた、そのより高い動力出力能力のために、現存する工具より大 きい波の透徹力を有している。The downhole vibrator of the present invention has the same vibration frequency as that recorded from the earth's surface seismic source. generate an earthquake signal. A book that uses the same frequency as earthquake data generated on the earth's surface The record achieved by the invention is that existing logging tools operate at much higher frequencies. provides a better correlation with seismic data generated at the surface than that obtained by I can do it. The present invention is also larger than existing tools due to its higher power output capability. It has the penetrating power of high waves.
三つの構成要素の地中聴音器および／または加速度計は、運動感知器７８のため に好ましい。第１図はただ一つの運動感知器パッケージ７６と７８を示すが、一 連の別々に結合された感知器パッケージが考えられる。各感知器パッケージは、 他の地震感知器パッケージと地震源のハウジング３２０両方から音響上で隔離さ れている。Three component geophones and/or accelerometers for motion sensor 78 preferred. Although only one motion sensor package 76 and 78 is shown in FIG. A series of separately coupled sensor packages is contemplated. Each sensor package is Acoustically isolated from both other seismic sensor packages and seismic source housing 320 It is.
本地震源は、これとともに同時に出願され、そして米国通し番号第 に指定され 、そして 出願された、ゾジョーンＮ、Ｐ、 フォールソンによる「非破壊的ダウンホール 地震振動機源と、地質学的累層に関する情報を得るために振動機を利用する方法 」と題する井原の出願の方法を実行するために使用されることができ、前記出願 はすべての目的のために参考までにここに完全に取り入れられている。This seismic source was filed at the same time as this and was designated as U.S. Serial No. ,and “Non-destructive downhole Seismic vibration sources and how they can be used to obtain information about geological formations. can be used to carry out the method of Ibara's application entitled ”, said application is incorporated herein in its entirety for reference for all purposes.
本発明を、ダウンホール地震源を使用する特に好ましい方法と、電磁ダウンホー ル地震振動機源の特に好ましい実施例について説明した。普通の当業者に明らか な修正は、本発明の範囲内にあるものと考えられる。The present invention provides a particularly preferred method of using downhole seismic sources and electromagnetic downhole seismic sources. A particularly preferred embodiment of a seismic vibrator source has been described. obvious to a person of ordinary skill in the art Modifications are considered to be within the scope of this invention.
Ｆ表Ｈ持：！、ヤシ −４４−／々弓←Ｉ４＾−４（’％ ４’−一そＣ々Ｒ国際調査報告F table H:! , palm -44-/Yomi ←I4^-4 ('% 4'-Iso C C R International Investigation Report
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