JPH0794792B2 - 井戸掘削時情報計測用受信アンテナ装置 - Google Patents

井戸掘削時情報計測用受信アンテナ装置

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JPH0794792B2
JPH0794792B2 JP2178092A JP17809290A JPH0794792B2 JP H0794792 B2 JPH0794792 B2 JP H0794792B2 JP 2178092 A JP2178092 A JP 2178092A JP 17809290 A JP17809290 A JP 17809290A JP H0794792 B2 JPH0794792 B2 JP H0794792B2
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井上  悟
隆史 島田
隆昭 前川
彰郎 実森
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石油公団
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、石油,天然ガス等の井戸を掘削する場合、地
下の情報を極長波長電磁波で地上に送信するときに用い
る受信アンテナ装置に関するものである。
【従来の技術】
石油,天然ガス等の井戸を掘削する場合には、掘削部に
おける地質,温度,圧力等の地下情報を得る必要があ
る。従来は掘削用のパイプを地上に引き上げてから検層
用の計測装置を掘削した井戸に降ろして地中に位置させ
て計測する方法、または掘削時に地中と地上との間を掘
削用パイプを介して循環させるマッドと称する泥水の成
分を調べるマッドロギング法が採用されてきた。 しかしながら、これらの方法は計測に長い時間を要し、
掘削中の地下情報をリアルタイムで計測することができ
なかった。そのため、最近は掘削時情報計測法すなわち
MWD(Measurement While Drilling)と称するリアルタ
イムによる計測を目的とした計測技術が研究されてきて
おり、種々の方法が提案されている。その中で特に電磁
波を使用する方式が注目されている。 電磁波を使用する方式の例として第6図に示す。これ
は、米国の文献 ペトロリアム エンジニア インター
ナショナル(PETROLEUM ENGINEER International)1988
年10月「ステイタスレポート:エムダブリュディー テ
クノロジー(StatusReport:MWD Technology)」に示さ
れた、地下情報を極長波長電磁波で送受信するときの状
態図である。 図において、大地1上には掘削リグ2を建設しており、
この掘削リグ2の直下には、掘削された井戸3が形成さ
れている。この井戸3内の地上近くには井戸の壁が崩壊
しないように鋼製のケーシングパイプ4が設置されてい
る。さらに、その中にはドリルパイプ5が延出し、ドリ
ルパイプ5の先端には絶縁カラー6を介してドリルカラ
ー7を連結している。このドリルカラー7の先端には掘
削のためのビット8を取付けていて、ドリルパイプ5を
モータ14でチェーンやギアを介して回転駆動することに
より大地1を掘削する。ドリルカラー7内には掘削中の
地下の温度,圧力等を検出して電気信号に変換する検出
器、およびその検出信号を変調信号としてキャリア周波
数を変調し、極長波長電磁波として地下情報を地上に送
信する送信装置9を収納している。 この送信装置9の図示しない送信出力端子は、絶縁カラ
ー6を挟んで連結されているドリルパイプ5とドリルカ
ラー7とに接続されており、ドリルパイプ5及びドリル
カラー7が送信用ダイポールアンテナとして機能し、変
調された極長波長電磁波を地上に送信するようにしてい
る。 一方、地上の掘削リグ2の基部には、地上より送信され
た極長波長電磁波を受信するため、一極はケーシングパ
イプ4から取り出し、他の一極は所定の距離の大地に埋
め込んだ電極10よりなるダイポールアンテナ11を設置し
ている。そして、ダイポールアンテナ11が受信した信号
を増幅器12に入力し、増幅された信号はその信号を復調
(検波)して地下情報を得るための信号処理部13に入力
している。なお、地層,地質,深さ等によっては数十Hz
の周波数の極長波長電磁波が使用される。 図中に示す電流isは送信装置9により、地中に電磁波を
放射したとき地中を流れる電流の分布を示す。また、E
は上記電流isによって形成される等電位線である。受信
アンテナ11は、この電位差を検出する。この信号は増幅
器12で増幅され、信号処理部13で地下からの情報として
識される。 ところで、ビット8を回して掘削するため、ドリルパイ
プ5をリグ2のフロア上のモータ14で直接回転させる。
このモータ14を駆動すると、第7図に示すようにモータ
の駆動回路22からモータ14までのリード線と大地間、モ
ータ14の巻線とリグ2の間の浮遊容量C1,C2,C3を介し
て、大地にアース電流in1,in2,in3が流れる。このアー
ス電流が、第6図のinに示すようにドリルパイプ5,泥水
15,ケーシングパイプ4を介して大地1中に流れ出し、
受信アンテナ11に送信信号isと同様に混入し、送信信号
isのS/Nを低下させてしまう。この電流inをノイズと呼
ぶ。
【発明が解決しようとする課題】
従来の電磁波通信を使用するMWDの受信アンテナは、以
上のように構成されるので、リグフロアに設置されてい
る電気機器、特にモータが稼動すると、アース電流が流
れ出し、大地を介して受信アンテナに混入するため地下
からの受信信号のS/Nが低下した。大地内における電磁
波の伝送効率は大気中に比し良好でないので、S/Nに影
響し、より深い深度からの情報伝送ができなくなってい
た。また、情報の信頼性が低下することなど問題点があ
った。上記問題点を解決する方法として、送信装置9の
送信パワーを向上すればよいが、送信パワーを上げるに
は、装置の形状が大きくなる。よって、ドリルパイプ5
内に収納するには、寸法の限界から実現しにくかった。 この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、受信信号のS/Nを向上させ、地下からの情
報の信頼性を高める受信アンテナを得ることを目的とし
ている。
【課題を解決するための手段】
本発明は、井戸掘削時における地中情報を地上に伝送す
る極長波長電磁波通信の受信アンテナ装置であって、リ
グ上の電気機器類から発生するアース電流が地中あるい
は海中で実質的に減ずる深度位置のケーシングパイプ上
またはその近傍若しくはドリルパイプの近傍に受信アン
テナの一方の電極を設置し、この電極から所定の距離を
隔てかつ一方の電極とほぼ同一の深度位置に前記受信ア
ンテナの他方の電極を設置したことを特徴とするもので
ある。 この発明は具体的形態として、受信アンテナの一方の電
極をケーシングパイプの先端部に絶縁ケースを介して固
定したもの、あるいは受信アンテナの一方の電極をケー
シングパイプまたはドリルパイプの近傍に設けた立て坑
内に設置したもので特徴づけられている。 さらに他の形態として、受信アンテナの両電極を海底に
設置する構成も特徴としている。
【作 用】
本発明の受信アンテナ装置によれば、リグ上の機器類か
ら発生するアース電流が減衰した位置で地中からの極長
波長電磁波を受信している。その結果、受信信号中のノ
イズの混入を極めて少なくすることができる。 ケーシングパイプの先端にアンテナ電極の一方を設ける
タイプは、一体型であるため工事が簡単である。またケ
ーシングパイプまたはドリルパイプの近傍に立て坑を設
けて電極の一方を設置するものは、アース電流の減衰の
度合に応じて設置深度を変えられる点で有利である。 さらに、海底に両電極を設置するタイプにおいては、設
置工事が極めて簡単となる。
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図について説明する。な
お、図中、第6図と同一または類似部分は同一符号で示
す。第1図において、16は地中深くに埋設した受信アン
テナで、17aはケーシングパイプ4と断面が同じ形状,
寸法の電極である。18は電極17aとケーシングパイプ4
を電気的に分離絶縁し、機械的にケーシングパイプ4に
支持されている絶縁ケースである。17bは第6図10に示
す電極と同様な電極、19は電極17bを大深度地下に設置
するための立て坑で、ケーシングパイプ4から一定距
離、例えば100m程度離して設けられている。電極17bは
電極17aとほぼ同じ深度Zに埋設される。20a,20bは電極
17a,17bで検出した信号を増幅器12に伝送する絶縁被覆
電線である。 第2図に、上記受信アンテナ16のドリルパイプ5の直下
に設置する電極17aの形状を示す。(イ)図はドリルパ
イプ5の上面図、(ロ)図は(イ)図のA−A′断面
図、(ハ)図は側面図である。21は絶縁被覆電線20aを
ドリルパイプ5の側面に埋め込むための溝である。絶縁
被覆電線20aの端末は電極17aに電気的に接続している。 次に本発明の一実施例による動作を説明する。極長波長
電磁波の伝送方法および動作、さらに、リグ2による坑
井の掘削方法は、前述した従来の動作と同じなので、説
明を省く。 ここでは、本発明の主題であり、リグで発生するノイズ
inの影響を少なくする受信アンテナの構成について説明
する。 大地などの減衰媒質中に埋設されたドリルパイプ5を流
れる電流は、文献エスピーイー ドリリング エンジニ
アリング(SPE Drilling Engineering)1987年6月「プ
ロパゲイティング オブ エレクトロマグネティク ウ
ェーブス アロングア ドリルストリング オブ ファ
イナイト コンダクティビティ(Propagating of Elect
romagnetic Waves Along a Drillstring of Finite Con
ductivity)」で示されているように、その距離に従い
減衰していくことが知られている。その一例を第3図に
示すが、但しこれは海水中におけるパイプ上の電流分布
を表わすものである。 実験装置:・送信装置を装備した40mのスチールパイプ ・電極長1m ・パイプの外半径1.27cm ・パイプの内半径1.05cm 媒体の定数: パイプ…導電率4.2×106s/m,比透磁率27 海水…導電率4〜5s/m(15℃) 実験方法…周波数をパラメータとし、パイプ電流を測
定。 理論値は曲線で示し、実験値はマーク点で示される。 また、電磁波の減衰量αは、概ね次式で表せる。 α=e−2πfμσ・z ここで、f:周波数(Hz) μ:媒体の透磁率 σ:媒体の導電率(s/m) z:深度(m) である。 例えば、媒質の導電率σが0.1,4.0で、周波数fが10Hz
と20Hzのときの減衰量αを試算すると、下表のとおりで
ある。 両者の検討結果によると、電流の減衰の傾向がほぼ一致
していることが解る。表1に示すように、地中において
も同様に減衰現象が考えられる。すなわち、ドリルパイ
プ5あるいはケーシングパイプ4の深度が深くなるに従
い、パイプから流れ出るノイズ電流in1は小さくなる。
すなわち、in1>in2となる。よって、受信アンテナ16の
設置深度を深くすれば、リグ2で発生するノイズ電流in
の影響が少なく、S/Nのよい伝送信号isが得られる。 以上のことから、第1図および第2図に示すように、受
信アンテナ16の一極17aをケーシングパイプ4の先端に
取付け、他方の電極17bをケーシングパイプ4から一定
距離を隔てて設けられた立て坑19内に電極17aとほぼ同
じ深度Zに埋設することによって構成した受信アンテナ
16によれば、リグで発生するノイズは減衰し、S/Nの良
い信号が受信できる。 第4図は本発明の他の実施例を示すものである。ここで
は、受信アンテナ16の一極17cをケーシングパイプ4の
近くに立て坑19bを掘り、電極17bと同じように埋設して
いる。このようにすれば、ケーシングパイプ4を加工せ
ずに、またケーシングパイプ4のセッティングの後に立
て坑を任意に設けることができ、第1図の実施例のアン
テナと同様な機能を持たせることができる。 第5図は本発明の第3の実施例を示すもので、海洋での
掘削時におけるアンテナ設置に係る。海洋での掘削の場
合、前述の表1に示すように、ノイズ電流in1の減衰量
の効果が大きく、S/N改善の効果が顕著であることが解
る。よって、海洋の場合、海底に受信アンテナ16の電極
17d,17eを設置すればS/N改善に同様の効果がある。
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、受信アンテナを大深度
に設置し、リグ上で発生するアース電流に起因するノイ
ズの影響が少なくなるので、受信信号のS/Nが改善され
る。その結果、伝送信号の伝送距離が長くなること、ま
た、伝送の信頼性が向上するなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例による電磁波通信を使用
するMWD用大深度受信アンテナの設置の概略構成図を示
す。第2図は同受信アンテナの一極の部分拡大図、第3
図はパイプを流れる電流の減衰特性図、第4図および第
5図はいずれもこの発明の他の実施例を示す概略構成
図、第6図は従来の受信アンテナの配置を示す概略構成
図、第7図は本発明が問題点としてとり上げたノイズ電
流の発生経路を説明する回路図である。 1……大地、4……ケーシングパイプ、5……ドリルパ
イプ、12……増幅器、13……信号処理装置、16……受信
アンテナ、17……受信アンテナの電極、18……絶縁ケー
ス、19……立て坑、20……絶縁電線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 実森 彰郎 兵庫県尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三 菱電機株式会社産業システム研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−74228(JP,A) PETROLEUM ENGINEER INTERNATIONAL(1988− 10)P.48−54

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】井戸掘削時における地中情報を地上に伝送
    する極長波町電磁波の受信アンテナ装置において、リグ
    上の電気機器類から発生するアース電流の影響による受
    信した前記電磁波のS/N比の低下を防止するためにアー
    ス電流が地中、水中又は海中で実質的に減衰する深度位
    置に設けられており、ケーシングパイプの先端に絶縁ケ
    ースを介して取り付けられているか又はケーシングパイ
    プ若しくはドリルパイプの近傍に配置された第1の電極
    と、前記第1の電極から所定の距離を隔て且つ前記第1
    の電極とほぼ同一の深度位置に設けられた第2の電極と
    を備えたことを特徴とする井戸掘削時情報計測用受信ア
    ンテナ装置。
  2. 【請求項2】前記第1の電極をケーシングパイプ又はド
    リルパイプの近傍に設けられた立て坑内に設置したこと
    を特徴とする請求項1に記載の井戸掘削時情報計測用受
    信アンテナ装置。
  3. 【請求項3】前記第1及び第2の電極を、リグが地表に
    設置されている場合には地中に設置し、リグが水面又は
    水底に設置されている場合には水底に設置し、リグが海
    面又は海底に設置されている場合には海底に埋設又は設
    置することを特徴とする請求項1に記載の井戸掘削時情
    報計測用受信アンテナ装置。
JP2178092A 1990-07-05 1990-07-05 井戸掘削時情報計測用受信アンテナ装置 Expired - Fee Related JPH0794792B2 (ja)

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