JPH04203196A - Underground structure evaluation method based on analysis of three dimensional particle movement of discharge elastic wave during digging of chute - Google Patents

Underground structure evaluation method based on analysis of three dimensional particle movement of discharge elastic wave during digging of chute

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JPH04203196A
JPH04203196A JP2336504A JP33650490A JPH04203196A JP H04203196 A JPH04203196 A JP H04203196A JP 2336504 A JP2336504 A JP 2336504A JP 33650490 A JP33650490 A JP 33650490A JP H04203196 A JPH04203196 A JP H04203196A
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particle motion
wave
drilling
dimensional particle
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弘明 新妻
Noritoshi Nakabachi
中鉢 憲賢
Hiroshi Asanuma
宏 浅沼
Kazumi Osato
和己 大里
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Tohoku University NUC
Chinetsu Gijutsu Kaihatsu KK
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Tohoku University NUC
Chinetsu Gijutsu Kaihatsu KK
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Abstract

PURPOSE:To facilitate analysis of underground structure by detecting elastic wave which is discharged from drill bit by an AE sensor in a chute, determining the direction of digging bit via three dimensional analysis, and learning the existence of reflection surface based on difference of time between direct wave and reflected wave. CONSTITUTION:Blastic wave which is discharged from a drill bit 11 during digging is detected by an AE sensor 14 for three axis AE measurement which is provided in a monitoring chute 15 which is digged apart from a digging chute 12, and AE signal is sampled by a measuring car 16. Next, AE signal is filtered in the frequency range which is sufficiently lower than resonance frequency of the sensor 14, and the direction of the bit 11 is detected by the analysis of three dimensional particle movement. Reflection surface of elastic wave which exists in the direction of digging (boundary of ground layers) is evaluated based on the direction of relative progress and difference in reach time of direct wave and reflection wave. Consequently, it is possible to perform the analysis of underground structure easily at real time.

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、その弾性波を坑井的
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 [Field of Industrial Application] The present invention provides that the so-called Lissajous pattern, which is a waveform representing the three-dimensional particle motion of elastic waves (acoustic emissions) generated during drilling of a well, is applied to a drilling bit. Based on the discovery of the fact that the direction of the drilling bit is oriented in the direction of Predict the existence of surfaces (fracture zones, cracks, strata boundaries, etc.) in advance, and (2) understand the underground structure around the wellbore (vs.
The present invention relates to an underground structure evaluation method using three-dimensional particle motion analysis of emitted elastic waves during well drilling, which makes possible p).

〔従来の技術) 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オンを通
じて取得し、同時に据置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。
[Prior Art] Conventionally, as means for detecting underground structures using a three-axis detector using sound waves, etc., methods described in JP-A No. 32085 of 1983, JP-A No. 90495 of 1982, and There is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59792 of 1988. In addition, so-called seismic wave data such as vibration waves or elastic waves generated by the excavation bit during excavation is acquired through a geometer installed on the ground surface. A technique called the TOMEX method is known in which the vibration propagation time of the data obtained between these two points is corrected, and the underground structure is analyzed based on this.

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、ジオフオン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
フオン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オン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 technique called the TOMEX method, in addition to the basic configuration of a drilling bit 1, wellbore 2, and drilling rig 3, as shown in FIG.
installed on the ground surface away from the drilling bit 1, and captures the direct waves and reflected waves of the vibration waves generated when the drilling bit 1 excavates at the drilling rig 3 position and the geoffon 4 installation position as reference points, respectively, By taking the mutual correlation between them, for example, a stratum boundary existing in the vicinity of the well 2 can be 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 to obtain a vibration wave meter, that is, input wave data from the excavation bit 1 position. Then, a cross-correlation process is performed on this input wave data and the data obtained by the geofone 4 on the ground surface to obtain a record similar to that of an impulse epicenter.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

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、坑井の掘進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。
This type of TOMEX method calculates the difference in propagation distance between the direct wave from the tip of the drilling bit and the reflected wave from the reflecting surface to the detector, and calculates the correlation between the reference signal from the drilling rig and the detected signal. The reflective surface is estimated by analysis, but the analysis time usually takes about 1 hour.
It is necessary to analyze signals over a long period of time,
Not only is this method unsuitable as a real-time monitoring method desired in the field, but it also has the disadvantage that analysis itself becomes impossible when the rate of well drilling is large.

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、精度も低下するとい
う欠点がある。
In addition, in the conventional TOMEX method, since only the reflected waves are used for inclined reflecting surfaces, it is difficult to estimate the reflected waves, and when estimation is absolutely necessary, This method requires the introduction of a separate sensor array and migration analysis, which not only results in high costs but also has the disadvantage of increasing the amount of analysis and reducing accuracy.

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。
Furthermore, in this method, it is necessary to estimate the sound emitted from the tip of the drilling bit using signals detected in the rig, and therefore it is necessary to estimate the transfer function of the drilling 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、ノイズや一高周波
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 is strongly influenced by noise propagating on the ground surface and high attenuation layers near the ground surface, so there is a decisive drawback in that the resolution deteriorates due to noise and loss of one high frequency component.

〔上記問題点を解決する手段〕[Means to solve 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りサージユバターンの主軸
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 inventors of the present application conducted in-well triaxial acoustic emission measurement (AE measurement) during well drilling, and found that the three-dimensional Lissajous shape obtained by this measurement was In other words, the direction of polarization obtained from the principal axis analysis of the surge pattern in a limited frequency band is extremely consistent with the direction of the drill bit in the wellbore. This is because in the AE signal, the directly arriving longitudinal wave component is more prominent than the reflected wave or mode-converted transverse wave, and the Lissajous pattern shows 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 drilling bit extremely easily and with a simple configuration.Furthermore, this information can be used to detect weak reflected waves from strata boundaries. By detecting this and evaluating its delay time, it is possible to detect strata boundaries that exist at higher depths in the direction of progress during excavation.

〔作用〕[Effect]

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倍
信号ついての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 utilizes a well drilling drill bit as an AE signal source and performs three-dimensional particle motion analysis on this AE multiplied signal obtained by a triaxial AE sensor.
For a specific frequency, the polarization direction obtained from the principal axis analysis of the Lissajous pattern matches the direction of the actual drill bit, so the direction of the drill bit can be determined by this analysis, and the result can be used to determine the direction of the drill bit. , the stratum boundaries existing in the direction of excavation progress are evaluated from the relative travel directions and arrival time differences of direct waves and reflected waves.

〔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 explained based on a conceptual diagram of an embodiment. FIG. 1 is a conceptual diagram 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、1
3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(3Ch、 Main Amp、) 、18は固定用
モータコントローラ(Fixing MotorCon
troller) 、19は電子式方位検出装置(El
ectric Compass Driver) 、2
0は自動データ採取システム(Automatic d
ata Acquisoon 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−を
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倍信号採取した
。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, 1
3 is a drilling rig, 14 is a measurement well for monitoring, and 15 is a triaxial AE
The sensor 16 is a measuring vehicle. Now, in order to understand the concept of this system, a measurement outline of the measurement vehicle 16 is shown in the figure. That is, in the figure, 17 is a three-axis main amplifier (3Ch, Main Amp), and 18 is a fixing motor controller (Fixing MotorCon).
19 is an electronic orientation detection device (El
electric Compass Driver), 2
0 is an automatic data collection system (Automatic d
ata Acquisoon 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 X-recorder. For the purpose of drilling a well of 380 m based on a system with such a configuration, 313 m - 355 m
The drill bit 11 is rotated between the holes to generate the sound of rock crushing due to drilling, and the sound is transmitted to the triaxial AE measurement sensor installed in the monitoring well 15 drilled at a distance of about 80 m from the drill well 12. AE-fold signal was collected by 14. This in-well AE 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倍信号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りサージユバ
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。
In such a measurement system, as a result of performing three-dimensional particle motion analysis on the AE multiplied signal obtained by the three-axis AE sensor 14, the surge pattern in the raw state is shown in FIG. Figure 3 shows the results of filtering at the cutoff frequency.

なお、第2図および第3図において、図(a)は、その
水平方向のりサージユバターンを、同(b)はその垂直
方向のりサージユバターンを示し、矢印方向にドリルビ
ット11があるものとする。−二の第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
のりサージユバターン(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りサージユバターン
は楕円形状を示しく第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 Figures 2 and 3, Figure (a) shows the horizontal glue surge pattern, and Figure (b) shows the vertical glue surge pattern, with the drill bit 11 in the direction of the arrow. shall be. If we compare and examine the Lissajous patterns shown in Figures 2 and 3 of 2, we can see that the raw data glue surge pattern (Figure 2) does not show much polarization, but the glue surge pattern as a result of filtering has an elliptical shape. (FIG. 3) shows that the main axis direction corresponds to 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,Sa
msom、”Matrix and 5tokes V
ectorRepresentation of De
tectors for Po1ariz−ed Wa
veforms:Theory and Some A
pplicatio−ns to Teleseimi
c Waves、” Geophycs、J、RAst
r、Soc、 、51.pp、583−603(197
7)]によって得られる固有ベクトルの垂直投影図は、
−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、ドリルビー、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 [J, C, Sa
msom,”Matrix and 5tokes V
ectorRepresentation of De
Tectors for Polariz-ed Wa
veforms: Theory and Some A
Applications to Teleseimi
c Waves,” Geophycs, J, RAst
r,Soc, ,51. pp, 583-603 (197
7)] The vertical projection of the eigenvector obtained by
- As an example, as shown in FIG. This figure shows the polarization direction as a function of frequency, and 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 resonant frequency of the AE sensor 10, is similar to that of the drill bit. This shows that it is polarized in the direction. 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) Among the elastic waves generated by the drilling bit, longitudinal waves are more dominant than transverse waves.

(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) Reflection, refraction, and mode conversion waves of elastic waves at strata boundaries 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倍信号三次元
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 resonant frequency of the sensor, the direction of the drill bit can be determined by AE multiplied signal three-dimensional Lissajous analysis.

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、垂直画平面共15゛以内であった。
Based on the above results, the inventors conducted principal axis component analysis (PCA) of the AE Lissajous pattern through a low-pass filter of fc = 80 Hz to detect the drilling bit direction.
I did this. The results are shown in FIG. FIG. 5(a) shows the results of analyzing the horizontal component, and FIG. 5(b) shows the results of analyzing the vertical component. As is clear from FIGS. 5(a) and 5(b), the direction of the excavation bit can be detected with extremely high accuracy using PCA in both the horizontal and vertical directions. In this example, as a result of comparing and contrasting with the actual drilling bit direction,
The detection error was within 15 degrees in both horizontal and vertical image planes.

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。
This error is thought to be due to the 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
ルバイブ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 strong energy waves generated by friction between the drill vibe and the pit wall sometimes, although not always, affect the detection of the position of the drilling bit. That is, the strength of the friction is included in the RMS (effective value) signal of AE and is generated as a constant periodic signal corresponding to the rotation of the drill pipe, so it can be evaluated by the energy density distribution ratio (EDDR'). can. Figure 6 shows the relationship between EDDR and the angular error of the drilling bit position. In Figure 6, the orientation error is EDDR
It can be seen that ' tends to increase in a high state of 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、反射波を補足するこ−きによ
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
倍信号、横波より縦波の方が卓越しているので、このA
E倍信号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 application decided to apply not only the direct wave from the drill bit 11 but also the reflected wave to the evaluation of underground structures. In other words, as mentioned above, AE caused by rock fracture due to excavation
Since longitudinal waves are more dominant than double signals and transverse waves, this A
By detecting the E-fold signal direct wave and reflected wave, underground structure analysis becomes possible.

そこで、本願発明者らは、第7図に示す方法で、三軸v
spit測を行なった。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、30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
Therefore, the inventors of the present application developed a method shown in FIG.
Spit measurement was performed. FIG. 7 shows only the measurement concept, and its basic measurement configuration is not different from that shown in FIG. 1. Therefore, the same components as those used in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. In addition, 30 is a stratum boundary shown conceptually. As shown in FIG. 7, this stratum boundary can be evaluated from both the relative wave traveling direction and time delay of the direct wave and the reflected wave.

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
け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。
In other words, in order to estimate the cross-spectral analysis of particle motion as an evaluation of the arrival time difference, it is necessary to calculate the following: ``(a) The drilling bit generates a longitudinal wave as a point signal source, (b) The energy of the mode conversion to a transverse wave at the strata boundary. The calculation was made on the assumption that the reflection of longitudinal waves is negligibly small compared to the reflection of longitudinal waves. Under such a premise, the vector of particle motion by the three-axis AE sensor can be expressed as follows.

P(t)=Pd(t)+Pr(t)+fL(t)   
・(1)ここで、Pd(t)およびPr(t)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、n (t)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Pv(ω,φ)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PV(
ω,φ)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2的方向ψの関数として表すことができ、次式が導か
れる。
P(t)=Pd(t)+Pr(t)+fL(t)
- (1) Here, Pd(t) and Pr(t) are particle motion vectors of the longitudinal wave that arrived directly and the longitudinal wave that arrived by reflection, respectively. Further, n (t) 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 expressed as the wave particle motion vector Pv(ω , φ). Here, the particle motion vector PV (
ω, φ) 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 can be expressed as a function of the angular frequency ω and the relative direction ψ of the reflecting surface, and the following equation is derived.

S (ω,φ)= F d(ω)X F ”v(ω,φ
)  ・(2)ここで、′は、共役複素数を表す。
S (ω, φ)= F d(ω)X F ”v(ω, φ
)・(2) Here, ' represents a conjugate complex number.

相対的な反射面の方向は、+51(ω,φ)1のピーク
における仮想的な反射面の相対的方向ψから求めること
ができ、反射面と相対的なの距離もクロススペクトル≦
(ω,φ)の位相から求めることができる。
The relative direction of the reflective surface can be determined from the relative direction ψ of the virtual reflective surface at the peak of +51(ω,φ)1, and the relative distance to the reflective surface is also determined by the cross spectrum ≦
It can be determined from the phase of (ω, φ).

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倍信号適用すると、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 multiplied signal, the result becomes as shown in FIG.

第8図から知り得るように、表示されたクロススペクト
ル!(ω,φ)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ψの方向に反射面が推定されている。
As can be seen from Figure 8, the displayed cross spectrum! It can be seen that there are several peaks in the norm of (ω, φ). That is, the reflective surface is estimated in the direction of ψ 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。
Figures 9 and 10 respectively show the variation in distance and direction obtained as a function of excavation depth by selecting the maximum value of the cross spectrum in the frequency range 20-40 Hz.

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り得る。
This change is due to the fact that the reflective layer in this field is 385 m
A silt layer is assumed to exist in the area, and this is shown with a broken line. In FIG. 9, the distance appears to be slightly off, but when compared with FIG. 10, it can be seen that the direction matches the actual silt surface.

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 were separately provided in addition to the drilling wells, but the number is not limited to this number. By installing multiple wells, the accuracy of three-dimensional underground analysis will be significantly improved.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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倍信号りサージユバターン
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 the excavation bit during excavation as a signal source, supplements it with a three-axis AE sensor, and performs three-dimensional analysis.The filtered AE multiplied signal surge pattern is polarized in the direction of the excavation bit. The direction of the drilling bit can be determined.

また、掘削ビー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。
Furthermore, the presence of a reflective surface can be easily determined from the time difference between the direct wave and the reflected wave from the excavation bit, which can contribute to underground structure analysis in the direction of excavation progress.

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。
That is, according to the present invention, the reflection surface can be easily estimated by cross-spectral analysis of particle motion detected by the in-well triaxial AE sensor, so it is possible to estimate the underground structure independently of the excavation work. Moreover, an extremely excellent effect can be found in that underground structures can be analyzed by analyzing signals obtained in just a few minutes.

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。
This means that real-time monitoring is easily possible on-site, and as a result, it is possible to predict the presence of fracture zones, reservoirs, etc. in advance when excavating for underground structure evaluation. 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、−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。
Furthermore, since it is possible to evaluate the underground structure using the propagation distance difference and propagation direction difference between direct waves and reflected waves, it is also possible to estimate the slope underground, This has extremely excellent effects such as enabling highly accurate estimation of the structure.

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、ドリルバイブ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。
Furthermore, unlike the conventional TOPEX method, the present invention does not require estimation of the signal emitted from the tip of the drilling bit, so it is possible to reduce the calculation time, and this also allows the signal transmission of the drill vibe. Uncertainty 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計測を行なうことができ、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売ることが
出来る。
In addition, since the measurement is performed inside the well, it is possible to avoid the effects of noise and high attenuation layers near the ground surface, so high S/
Since it is possible to perform N measurement and also detect high frequency components, it is possible to sell an extremely excellent underground structure evaluation method that enables analysis with high resolution.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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倍
信号対して三次元粒子運動解析のそのままの状態でのり
サージユバターンを示す図、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に示
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、f。=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VS
P計測の概念図、第8図は、時間遅れと進行方向の差を
仮想的な反射めらの波の粒子運動ベクトルPv(ω,φ
)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倍信号適用した結果を表した図、第9図お
よび第1−0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・・・ジオフオン、 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、 P・・・粒子運動ベクトル、 S・・・クロススペクトル、 τ・・・時間遅れ、 ψ・・・相対的方向、 ω・・・角周波数−1 特許出願人   東北大学学長 (他1名)同代理人 
  9004桝理士 大滝均第6図 i:ot    (a7 nonzontat第2図 @3図 第7区 第8図 D「曲ng Depth  (m) 第9図 Drilling Depth  (m)第10図
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of AE three-axis measurement according to the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of AE three-axis measurement according to the present invention, and FIG. Figure 3, which shows the glue surge pattern, shows this at 80Hz.
Figure 4 shows an example of the vertical projection of the eigenvector obtained by the spectral matrix analysis of the AE data, Figure 5 (A) and (B). is, f. Figure 5 (a) shows the results of principal axis component analysis (PCA) of the AE Lissajous pattern passed through a low-pass filter of =80Hz.
) shows the analysis results for the horizontal component, (b) shows the analysis results for the vertical component, and Figure 6 shows the energy density distribution ratio (EDDR')
A diagram showing the relationship between and the angular error of the drilling bit position,
Figure 7 shows three-axis VS using reflected waves from a drill bit.
Figure 8, a conceptual diagram of P measurement, shows the particle motion vector Pv(ω,φ
) Figures 9 and 1-0 show the results of applying the filtered AE multiplied signal to the results expressed using the concept of FIG. 11 is a diagram showing the changes in distance and direction obtained as a function of excavation depth, and is a diagram showing the basic concept of the conventional AE three-axis measurement called the TOMEX method. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Drilling bit, 2... Well, 3... Drilling rig, 4... Geofluorescence, 10... AE sensor, 11... Drill bit, 12... Drilling well, 14 ...In-well AE sensor, 16...Measurement vehicle, P...Particle motion vector, S...Cross spectrum, τ...Time delay, ψ...Relative direction, ω...Angle Frequency-1 Patent applicant President of Tohoku University (1 other person) and agent
9004 Masashi Hitoshi Otaki Figure 6 i: ot (a7 nonzontat Figure 2 @ Figure 3 Figure 7 Section 8 Figure D "Depth (m) Figure 9 Drilling Depth (m) Figure 10

Claims (1)

【特許請求の範囲】 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。 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。 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
。 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環記載の掘削ドリルビ
ット方向検出方法。 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。 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 P(t)=Pd(t)+Pr(t)+n(t)…(1)
(Pd(t)およびPr(t)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)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、 S(ω,φ)=Pd(ω)×P^*v(ω,φ)…(2
)(^*は、共役複素数) 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。
[Scope of Claims] Claim 1: The elastic waves emitted from the drilling drill bit during drilling are detected by an in-well triaxial elastic wave detector, and the detection results include a frequency range sufficiently lower than the resonant frequency of the sensor. A method of detecting the direction of the drill bit by filtering the AE signal and analyzing the principal axis component of the three-dimensional particle motion of the AE signal. Claim 2: An in-wellbore three-axis elastic wave detector detects elastic waves emitted from a drilling drill bit during drilling, and in cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion as a result of the detection, direct waves and reflections from the bit are detected. A method for evaluating underground structures using three-dimensional particle motion analysis of elastic waves emitted during well drilling, which analyzes underground structures from the relative traveling directions of waves and their arrival time differences. Claim 3: An in-well triaxial elastic wave detector detects elastic waves emitted from a drilling drill bit during drilling, and in cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion of the detection results, direct waves and reflections from the bit are detected. During well drilling according to claim 2, wherein a stratum boundary existing in the direction of excavation progress is evaluated from both a difference in the transmission distance of the reflected wave from the surface and a difference in the propagation direction of the direct wave and the reflected wave to the sensor. A method for evaluating underground structures using three-dimensional particle motion analysis of emitted elastic waves. Claim 4: The cross-spectral analysis of three-dimensional particle motion detected by the in-well triaxial acoustic wave detector is obtained as a result of filtering at a predetermined cutoff frequency. The drilling drill bit direction detection method described. Claim 5: Claim 2, wherein the cross-spectral analysis of the three-dimensional particle motion detected by the in-well triaxial acoustic wave detector is obtained as a result of filtering at a predetermined cutoff frequency. A method for evaluating an underground structure by three-dimensional particle motion analysis of elastic waves emitted during well drilling according to items 3 to 3. Claim 6: In the cross-spectral analysis of the three-dimensional particle motion detected by the in-well three-axis acoustic wave detector, the vector of particle motion by the three-axis AE sensor is defined as P(t)=Pd(t)+Pr(t)+n. (t)…(1)
(Pd(t) and Pr(t) are particle motion vectors of the longitudinal wave that arrived directly and the longitudinal wave that arrived by reflection, respectively) and the cross spectrum of the direct wave and the virtual reflected wave with the angular frequency ω and the virtual A function of the relative direction φ of the reflecting surface of , S(ω, φ)=Pd(ω)×P^*v(ω, φ)…(2
) (^* is a conjugate complex number) Underground structure evaluation by three-dimensional particle motion analysis of elastic waves emitted during well drilling according to claim 2 or 3, characterized in that processing is performed by the formula expressed as Method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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