JPH10319132A

JPH10319132A - 地中音響波の発震装置、受振装置、発震・受振方法、及び、これを用いた地中探査方法

Info

Publication number: JPH10319132A
Application number: JP10066369A
Authority: JP
Inventors: Yamamoto Tokuo; ヤマモトトクオ; Junichi Sakakibara; 淳一榊原
Original assignee: Kawasaki Steel Corp; Yamamoto Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Yamamoto Engineering Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】音響トモグラフィによる石油探査や土質調査
の計測深度及び孔井間距離を大きくして、適用範囲を広
げる。【解決手段】発震側では、震動方向が探査孔壁と垂直
となるように圧電素子を配置し、クランプ機構により圧
電素子の探査孔壁側に配置されたアンビルを探査孔壁に
圧着させる。受振側では、パッカーとシャットオフ弁に
より探査孔の上下を閉塞して流体の流れを防ぐと共に、
受振器上方のケーブルをクランプ機構で探査孔壁に対し
て固定して、ケーブルを伝播するノイズを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中音響波の発震
装置、受振装置、発震・受振方法、及び、これを用いた
地中探査方法に係り、特に、地下油田、地下水の探査
や、土木工事や基礎工事の計画、設計のための土質調査
に際して、例えば海底堆積層や岩石層における間隙比、
透水係数、堆積物の変化や剪断変形率、剪断力等の断面
分布状況を得る際に用いるのに好適な、効率良く地中音
響波を発震でき、ノイズの低い受振が可能な地中音響波
の発震装置、受振装置、発震・受振方法、及び、これを
用いた地中探査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の孔井内物理探査手法は、電気や磁
気などを用いる場合には計測範囲が探査孔周辺に限定さ
れるため、探査孔間の計測を行うことができない。これ
を解決する手法として、弾性波や剪断波などの音を用い
た地震探査手法があるが、既存の地震探査法は、孔壁を
保護する鉄ケーシングによるカップリングの問題、また
発震器側に問題があり、満足な調査を行うことができな
かった。例えば、油圧を用いて質量体を上下または左右
に振動させ、クランプにより孔壁に密着させることによ
り振動エネルギを孔壁外部に発震する手法があげられる
（ＵＳＰ５２２９５５４、ＵＳＰ４９２３０３０、ＵＳ
Ｐ４６４８４７８、ＵＳＰ４９９１６８５、ＵＰＳ４７
９６７２３、ＵＳＰ５０３１７１７、ＵＳＰ５２１２３
５４、ＵＳＰ５１１３９６６、ＵＳＰ４８０５７２
５）。

【０００３】しかし、油圧による振動では、広帯域、特
に１キロヘルツを越えるような高周波数帯域で安定した
出力を得ることができないため、疑似ランダム信号など
の信号圧縮手法を用いることは難しいという欠点があ
る。また、このうちＵＳＰ４８０５７２５に代表される
大出力発震器においては、信号圧縮手法を用いなくても
出力を大きくすることにより受振可能なエネルギを伝達
させることが可能であるが、高周波数帯における計測が
困難であるために、計測精度を向上させることが難し
く、また、周波数を変化させながら計測することができ
ないため、音の伝播特性から求められる、例えば透水係
数などの情報を計算することが難しい。更には、大出力
を発生させるための陸上部のユニットが非常に大きくな
り、計測機器の移動などの計測準備や計測に時間とコス
トがかかるために計測費用が大きくなる。

【０００４】一方、ベンダー型発震器と呼ばれる、振動
子を弦の振動のように振動させる発震器（ＵＳＰ５０４
２６１１）は、疑似ランダム信号を発震することや、高
出力を保つことが可能であるが、振動子の耐久性に問題
があり実用的ではない。

【０００５】発明者が以前に考案した既存の発明では、
堆積層の透水係数や間隙比及び堆積した細孔空間内の細
孔−流体（油やガスや水）の性質を離れた場所で決定
し、画像化するために、発明者が提案した孔井間音響ト
モグラフィ（特開平４−１９８７９４参照）等によっ
て、音速及び減衰を高周波数（典型的には５００から６
０００Ｈｚ）で測定し、画像化することができた。

【０００６】しかしながら、この音響トモグラフィにお
いても、計測距離を十分に確保するためには、１００Ｈ
ｚのオーダーのかなり低い周波数に限定されていた。長
距離を隔てた２つの井戸間の高周波数（５００−６００
０Ｈｚ）の震動記録を得るのは、１．堆積層を通る際の音響の高い減衰、２．地中音響波を受振する井戸内の高レベルの周囲雑
音、３．地上の風や機械によって生じる、受振ケーブルを通
るノイズ、及び、４．井戸のケーシングによる発震エネルギの損失のため
に困難であった。

【０００７】この問題は、発明者が提案した、信号圧縮
手法の一つである疑似ランダムバイナリシークエンスコ
ードを用いた測定（以下ＰＲＢＳ測定と称する）の技術
によって、かなり克服されている。この技術では、図１
８に示すような、地層１０中に掘削された地中音響波発
震用の井戸１２中で全方向に常時ＰＲＢＳ信号を発生す
る無指向性の音響発震器１４と、他方の井戸中に配置さ
れたハイドロフォンのアレイからなる受振器と、計測時
間、長さに制限を受けることなく、実時間で平均化し、
相関を取ることが可能なリアルタイムＰＲＢＳ記録用コ
ンピュータとを用いている。間隙比や透水係数、剪断強
度等について得られた２次元画像の正確さは、井戸のボ
ーリング調査によって確認されている。

【０００８】地下水用の井戸や土木工学用の調査井戸の
ように、ＰＶＣ（塩化ビニール）管からなるケーシング
１６を有する井戸の場合には、前記技術を用いて、６０
０ｍまでの間隔の井戸の間で、６０００ＨｚまでのＰＲ
ＢＳ周波数を用いる孔井間トモグラフィ測定が成功裏に
なされている。このデータから、透水係数、間隙比や剪
断強度等の正確な２次元画像が得られている。このＰＶ
Ｃ管の場合、井戸内の液体（水）の音響インピーダンス
が、ほぼＰＶＣの音響インピーダンスと等しいので、イ
ンピーダンスの異なる物質を透過する際のエネルギ損失
を受けることなく、音響発震器１４は、ＰＶＣ管からな
るケーシング１６を通して十分なエネルギを効率良く地
中に伝搬させることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、石油生
産用に設置された深井戸のような、鋼管でケーシングさ
れた井戸の場合には、鋼のインピーダンスが水や油のイ
ンピーダンスより２桁大きいため、矢印Ａで示す如く、
管壁での透過損失が大きく、更に矢印Ｂに示す如く、上
下方向へエネルギが拡散してしまうこともあって、音響
発震器１４は、この油井用鋼管ケーシング１６を通して
非常に低い音響エネルギしか地層１０中に伝搬させるこ
とができなかった。例えば、１９９６年１０月にトリニ
ダードトバゴの生産油田で行った、従来の音響発震器を
用いたＰＲＢＳシステムによる孔井間トモグラフィの実
験では、深さ３００ｍ×幅１００ｍの計測区画につい
て、５００ＨｚのＰＲＢＳ周波数での孔井間トモグラフ
ィに成功し、新しい石油層を発見したが、この従来の方
法では、鋼管ケーシングによる音響エネルギの損失が、
ほぼ５５ｄＢ、即ち９９％にもなることを発見した。言
い換えると、鋼管ケーシングを通して、音響エネルギの
１％しか地中に伝搬されない。

【００１０】一方、地中震動の発震装置として、図１９
に示す如く、軸方向アクチュエータ２２を備えた発震器
２０にクランプ機構２４を設けて、軸方向アクチュエー
タ２２の上部両側をケーシング１６に直接固定すること
が考えられている。図において、２６はモータポンプ、
２８はケーブルである。

【００１１】しかしながら、このように発震器２０を両
側でクランプしてしまうと、軸方向アクチュエータ２２
によって発生した震動が、震動を伝搬させたい方向と反
対方向にも逃げてしまい、効率が悪い。又、軸方向アク
チュエータ２２が軸方向に震動するため、地層１０中に
伝搬されるのは上下方向の横波（剪断波）のみであり、
縦波（粗密波）は伝搬させることができない。更に、周
波数特性が非常に悪く、１００Ｈｚ付近のみ伝搬される
ものの、他の周波数帯域は伝搬させることができない等
の問題点を有していた。

【００１２】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、前記技術を更に改良して、鋼管のよ
うに従来の技術ではエネルギ損失が大きいケーシングを
用いた場合であっても、地中の必要な方向に効率良くエ
ネルギを伝播させることができ、従って例えば５００−
６０００Ｈｚの高周波数で長距離の井戸間に渡る高精度
の測定を可能とすることを第１の課題とする。

【００１３】本発明は、又、受振器のノイズを低減し
て、長距離の井戸間に渡る高精度の測定を可能とするこ
とを第２の課題とする。

【００１４】

【発明を解決するための手段】本発明は、探査孔内に配
置され、地中に音響波を伝搬させるための地中音響波の
発震装置において、探査孔の軸方向に配置される質量ボ
ディと、該質量ボディに、振動方向が探査孔壁と垂直又
は平行となるように配設された、電圧変化を一定方向へ
の体積変化に変換する素材からなる振動子と、該振動子
の探査孔壁側に配設された、壁面接触用のアンビルと、
該アンビルを探査孔壁に圧着させるためのクランプ機構
とを備えた発震器を用いることにより、井戸ケーシング
を通して地中の必要な方向に効率良く発震器のエネルギ
を伝搬できるようにして、前記第１の課題を解決したも
のである。

【００１５】本発明は、従来の手法とは、圧電素子や超
磁歪材などの電圧変化を正確に体積変化に変換する素材
からなる振動子を用いて、高周波数帯域で安定した出力
を得られる装置を用いる点において異なる。油圧に比較
して出力エネルギの小さい弱点は、例えば、疑似ランダ
ム信号などの信号圧縮手法を用いることにより補うこと
ができる。これに対して、油圧などの機械的振動発生装
置では、この疑似ランダム信号を出力することはできな
い。

【００１６】本発明は、又、発震器の上方や下方に、エ
ネルギの散逸を防止するバルーン型反射板を設けること
により、同じく前記第１の課題を解決したものである。

【００１７】又、前記発震装置から、信号圧縮手法の一
つである疑似ランダムコード化された、低周波数から高
周波数（数１０ヘルツ〜数１０キロヘルツ）にわたる広
範囲の音響波を伝搬させることができる。

【００１８】本発明は、又、探査孔内に配置され、地中
を伝搬してきた音響波を受振するための地中音響波の受
振装置において、前記探査孔の底部を閉塞するパッカー
と、前記探査孔の地上出口を閉塞するシャットオフ弁
と、前記探査孔内の受振器上方のケーブルを探査孔壁に
対して固定し、該受振器上方のケーブルの張力を減少さ
せ、弛ませるためのクランプ機構とを備えることによ
り、受振側井戸中の周囲ノイズ、及び、風や地上の機械
によって発生されるケーブルを伝播してくるノイズを低
減して、前記第２の課題を解決したものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００２０】本発明に係る発震装置と受振装置の第１実
施形態を用いた地中探査方法の実施状況を図１に示す。

【００２１】本発明による発震装置３０は、高電圧の外
装された発震側電気ケーブル５０によって、鋼管でケー
シングされた発震側の井戸１２中に配置されている。前
記ケーブル５０は、その設置を容易とするために、井戸
上に配置された潤滑パイプ５２内のグリースによって潤
滑されており、ケーブル５０の張力は、リグの最高部に
設置された張力バランスプーリ５４によってバランスさ
れている。この張力バランスプーリ５４は、ケーブル巻
取用電動ウインチ５８の過張力を逃がし、ケーブルや機
器を保護している。

【００２２】前記発震装置３０は、例えばトラック５６
に搭載されたウィンチ５８及び井戸タワー６０によっ
て、井戸１２中で上下に移動可能とされている。測定に
適した深さで、前記発震装置３０は油圧クランプ機構６
４により、例えば５０００Ｎの水平力によって固定され
る。図において、６２は、発震装置３０に発震信号を送
るためのＰＲＢＳ発生器である。

【００２３】前記発震装置３０は、他の（受振側の）井
戸１１２中に配置された受振器（実施例ではハイドロフ
ォンアレイ１３０）で、ＳＮ比の高い震動記録が得られ
るよう、所望の継続時間の連続的なＰＲＢＳコードで、
水平方向の力を一方向（図１の右方向）に発生するよう
駆動される。ある測定深度における測定が終了すると、
油圧クランプ機構６４が解放され、発震装置３０は次の
測定深度に移動される。

【００２４】前記受振側の井戸１１２中には、例えば５
０本の電線が入った受振側電気ケーブル１５０によって
支持された、例えば２４チャンネルのハイドロフォンア
レイ１３０が配置されている。発震側と同様の潤滑パイ
プ１５２、張力バランスプーリ１５４、トラック１５
６、電動ウィンチ１５８及び井戸タワー１６０に加え
て、井戸１１２中に地層１０から侵入してくる液体の動
きを完全にブロックしてノイズを防止するためのシャッ
トオフ弁１８０が、受振側井戸１１２の上端に設けられ
ている。本実施形態では、受振側井戸１１２と同様のシ
ャットオフ弁８０が発震側井戸１２の入口にも設けられ
ている。

【００２５】受振側井戸１１２の底部にはパッカー１８
２が設けられて、その底部が閉塞されている。ウェイト
１８４によって吊り下げられたハイドロフォンアレイ１
３０の上部には、クランプ機構１６４が設けられてお
り、ウィンチ１５８と最上部のハイドロフォンの間のケ
ーブル１５０の張力が解放され、該ケーブル１５０が緊
張していた場合に伝達される、風や地上の機械によって
発生するケーブルノイズが除去される。図において、１
６２は、ハイドロフォンアレイ１３０によって得られる
データを獲得するためのデータ獲得システムである。

【００２６】測定時間を短縮するため、多数の断面にお
ける井戸間トモグラフィの震動記録を同時に測定するべ
く、受振用井戸１１２を複数用いることも可能である。

【００２７】前記発震装置３０は、図２（側面図）及び
図３（横断面図）に詳細に示すように、音響波の発震方
向が互いに直交するように上下２段に配置された、基本
的に同じ構成の本発明による一対の発震器３２と、各発
震器３２を井戸１２内で固定するための前記油圧クラン
プ機構６４と、各油圧クランプ機構６４に必要な油圧を
供給するための油圧源６８とを備えている。上下の発震
器３２は、例えば硬質ゴム等の音波を伝達しにくい材料
で結合されている。

【００２８】各発震器３２の上下には、図４（側面図）
及び図５（横断面図）に詳細に示す如く、該発震器３２
を井戸ケーシング１６の内壁に固定し、測定深度でのＰ
ＲＢＳ信号の伝播が終わった後に解放するための、図６
に示すような構成の伸縮自在な油圧ピストン６６、及
び、前記油圧源６８を構成する油タンク７０、油圧ポン
プ７２、該油圧ポンプ７２駆動用の電気モータ７４を含
む前記油圧クランプ機構６４が設けられている。図１２
において、７６は油圧ライン、７８はコネクタである。

【００２９】前記電気モータ７４は、地上のトラック５
６からケーブル５０を介して動力が与えられており、地
上からの電気信号による油圧クランプ機構６４の遠隔操
作が可能となっている。本実施形態では、油圧クランプ
機構６４に差圧式の油圧ポンプを用いているので、油圧
ポンプ用の空気パイプは不要である。

【００３０】上下の発震器３２に設けられた合計４個の
油圧ピストン６６は、２つの発震器３２に対して所望の
固定力を補償するために、所望の差圧が油圧ポンプ７２
によって同時に与えられて伸ばされる。伸縮自在な油圧
ピストン６６は、例えば内径４インチ（約１０ｃｍ）か
ら８インチ（約２０ｃｍ）のケーシング付きあるいはケ
ーシング無しの井戸中で発震器３２を固定することがで
きる。クランプ力は、十分大きな値に設定できる。例え
ば、必要な震動力振幅が２０００Ｎであるときには、伝
播時に発震器３２が緩まないようにピストンのクランプ
力は２５００Ｎに設定される。クランプ力は、信号線を
通して、外側の圧力と機械側の系の内側の圧力の差を監
視する差圧計によって監視されフィードバック制御され
る。油圧ピストン６６の最大グランプ力は、２５００Ｎ
又は３０００ｐｓｉの差圧となるように設計されてい
る。

【００３１】前記発震器３２は、図７に示す如く、例え
ば直径３０ｍｍ、長さ５０ｍｍの５個の、横方向に軸を
有する圧電素子積層体３４が収容された、井戸１２の軸
方向に配置される、例えばステンレス鋼製の質量ボディ
３６を備えている。

【００３２】各圧電素子積層体３４は、図８に詳細に示
す如く、例えば厚さ１．２５ｍｍの圧電素子ディスク３
６が４０個積層されており、各ディスク３６の間には、
電気端子が導電性接着剤（例えばエポキシ）によって固
定されている。厚み１．２５ｍｍの各ディスクに、例え
ば最大８００Ｖの交流電圧を印加することによって、厚
み５０ｍｍの圧電素子積層体３４は、その両端が自由で
ある場合には、振幅変位１０μｍの直線的な震動を発生
する。積層体３４の両端が固定されたときには、該積層
体３４は振幅２８０Ｎの震動力を及ぼす。この系の固有
振動数は２０００Ｈｚである。従って、０〜３０００Ｈ
ｚの間の全ての周波数において、震動振幅は静的変位の
１０μｍより大きくなる。

【００３３】前記５個の圧電素子積層体３４の正面に
は、これらを連結する、例えばステンレス鋼製のアンビ
ル４２が設けられている。このように５個の圧電素子積
層体３４の正面をアンビル４２に連結することで、各圧
電素子積層体３４によって発生される震動が合成され、
１つの圧電素子積層体では出力できない低い周波数でも
十分なエネルギを伝播可能となる。

【００３４】前記アンビル４２の表面は、鉄ケーシング
に付着した硫化化合物等の汚れによる圧着効果の減衰を
抑えるため、例えば摺り鉦のような形状に加工されてい
る。

【００３５】このようにして、油圧ポンプ７２により油
圧ピストン６６を動かし、圧電素子積層体３４の一端を
アンビル４２を介してケーシング１６に圧着させ、反対
側を油圧ピストン６６を介してケーシング１８に固定す
ることによって、図９に模式的に示す如く、圧電素子積
層体３４で発生した震動力を効率良くケーシング１６を
通して地層１０に伝えることができる。即ち、圧電素子
積層体３４による発震エネルギは、アンビル４２には伝
わるが、油圧クランプとアンビルの音響インピーダンス
の差により、油圧クランプを通じてケーシングに伝わる
ことはない。このように、クランプ機構に油等の流体を
用いることによって、該クランプ機構を介しての震動エ
ネルギの拡散を防止することができる。

【００３６】なお、圧電素子積層体３４は１個であって
もよい。又、圧電素子の代りに超磁歪材を用いることも
可能である。

【００３７】前記発震器３２から放射される震動波のパ
ターンを図１０及び図１１に示す。該発震器３２は双極
子として作用する。縦波の振幅が最大となるのは、圧電
素子積層体３４の軸３４Ｃの方向である。他の方向の振
幅は、最大振幅の方向からの角度をθとすると、cos θ
の関係で減衰する。放射パターンは、図１０に示す如
く、一方が正、他方が負の２つの球体で与えられる。前
記発震器３２は、図１１に示す如く、縦波が最大となる
方向とは直交する方向に最大となる２つの球状パターン
の横波も発生する。

【００３８】本実施形態では、図２及び図３に示した如
く、上方の発震器と下方の発震器を、それぞれの圧電素
子積層体３４の軸方向が互いに直交するように設けてい
るので、例えば上方の圧電素子積層体が、受振側井戸１
１２の方向への縦波が最大となるような方位とされてい
れば、下方の圧電素子積層体は、受振側井戸１１２の方
向に最大の横波を発生する。従って、それぞれの発震器
を別々に作動させることによって、縦波と横波の孔井間
トモグラフィ測定を行うことができる。又、２つの結果
を比べ、伝播エネルギの大きい方を用いて計測を行うこ
ともできる。

【００３９】なお、図１２に示す発震装置の第２実施形
態のように、前記発震器３２とケーブル５０の間に、例
えば方向制御用のジャイロ及びモータ２０２、油圧クラ
ンプ機構２０４及び連結ロッド２０６を含むターン機構
２００を設けることによって、発震器３２をケーシング
１６内で回動可能として、任意の方向に縦波あるいは横
波を伝播させ得るように構成することも可能である。

【００４０】本実施形態の発震器は、方向制御用ジャイ
ロとモータ２０２により発振したい方向に本体の向きを
制御する。これにより、指向性を持った音波が発振でき
る。具体的には、１．ジャイロを監視し、現在の発震器の方向を確認す
る。２．方向制御用モータ（電動）で発振したい方向（受振
器の方向）へ本体を回転させる。３．方向を制御できたら油圧クランプ（２０４）を伸ば
して発震部分（アンビル）を鉄ケーシング１６に固定す
る。４．方向制御用クランプを開放する。

【００４１】本実施形態は、基礎中の堆積物質の画像を
描くための民間エンジニアリングに特に有用である。

【００４２】なお、多くの油井のように、鋼管でケーシ
ングされた深い井戸においては、コンパスを用いること
ができない。又、圧電素子( 振動子) 積層体の方位角を
訂正するためのジャイロスコープやターン機構は高価で
あり、調整に時間がかかるため、実際的であるとは言え
ない。これに対して、図２及び図４に示した第１実施形
態のように、同じ発震器を上下に互いに直交するように
設けた場合には、例えば上方の発震器の圧電素子積層体
の軸が受振側井戸の方向に対して直交する向きであると
きには、その方向には縦波が発生しない。しかしなが
ら、下方の発震器は、同じ方向に最大の縦波が発生す
る。例えば、上下の発震器が、共に、受振側井戸１１２
の方向に対して４５°の向きである場合には、発震器
は、その方向に、最大の縦波振幅の０．７０７倍又は−
３ｄＢの縦波の発生する。従って、いずれかの発震器を
作動させることによって、どのような場合であっても、
少なくとも最大縦波振幅の７０％を保証することができ
る。ＰＲＢＳを使った測定においては、−３ｄＢの損失
は無視できる。

【００４３】図１３は、本発明に係る発振装置の第３実
施形態を示したものである。本実施形態では、第１実施
形態と同様の発震器３２の上下に、発震器側表面が音波
を伝達しにくい材質とされたバルーン型反射板３００を
設け、例えば差圧式油圧ポンプを含む油圧源６８から供
給される油を用いて該バルーン型反射板３００を膨らま
せ、発震器３２の上下に蓋をすることにより、上下方向
へのエネルギの散逸を防止している。なお，周囲の状況
によっては、上下のいずれか一方を省略することもでき
る場合がある。

【００４４】このバルーン型反射板３００は、第１実施
形態の発震器３２だけでなく、第１４図に示したような
従来の発震器１４とも組合せて、所定の効果をあげるこ
とができる。

【００４５】前記ハイドロフォンアレイ１３０で得られ
る信号のノイズレベルを低めることは、発震器３２の出
力を高めることと同様に有効である。受振側井戸１１２
中のハイドロフォンに影響を与える２つの大きなノイズ
源は、１．探査孔中を流れる流体（ガス、油や水）によって発
生する環境ノイズと、２．風や地上の機械によって発生され、地上からハイド
ロフォンにケーブル１５０を通して伝達されるノイズである。

【００４６】本発明では、図１に示したように、流体の
流れによって発生するノイズとケーブルノイズを共に最
小限としている。即ち、ハイドロフォンアレイ１３０を
含む井戸１１２内の流体の流れは、所望の測定の最深点
以下にパッカー１８２を配置し、且つ、井戸上端にシャ
ットオフ弁１８０を配置することによって除かれる。

【００４７】又、井戸上端と一番上のハイドロフォン間
のケーブル１５０の張力は、一番上のハイドロフォンの
直上に配置された、発震器側で用いられているのと同様
の伸縮自在な油圧ピストンを用いた油圧クランプ機構１
６８によって除かれる。即ち、ハイドロフォンアレイ１
３０上部の油圧クランプ機構１６８でハイドロフォンア
レイ１３０の上部を受振側井戸１１２内の所定深さに固
定した後、更にケーブル１５０を若干送り込んで、該ケ
ーブルを弛ませれば、ケーブル１５０を伝播するノイズ
はほとんど無くなる。この油圧クランプ機構１６４によ
るクランプは、次の測定を行う際には、解放され、ハイ
ドロフォンアレイ１３０は井戸１１２内を上下に移動さ
れる。油圧クランプ機構１６４の構成及び作動は、発震
器側と同様であるので、説明は省略する。

【００４８】なお、前記実施形態では、クランプ機構と
して油圧クランプが用いられていたが、クランプ機構の
種類は、これに限定されず、発震器側、受振器側とも、
油以外の流体を用いた流体クランプのみならず、偏芯カ
ムやスクリュ等の機械的なクランプも使用可能である。

【００４９】ばね式クランプ４００を用いた本発明にか
かる発振装置の第４実施形態を図１４（側面図）及び図
１５（横断面図）に示す。

【００５０】更に、アンビルに電磁石を取り付け、計測
時にアンビルを電子石化し、鉄ケーシングへの圧着効果
を高めることもできる。

【００５１】又、振動方向も探査孔壁に対して垂直には
限定されず、図１６に示す第５実施形態のように、例え
ば左右一対の油圧ピストン６６Ａ、６６Ｂで探査孔壁に
固定したボディ５００（第１実施形態の上の発振器３２
でも可）から吊り下げた質量体５０２（第１実施形態の
下の発振器３２でも可）を上下方向に振動して、孔壁を
上下方向に振動させても良い。

【００５２】

【実施例】トリニダードの砂岩の地層中で、鋼でケーシ
ングされた井戸中の本発明の第１実施形態による発震器
と従来の発震器、及び、ＰＶＣでケーシングされた井戸
中での従来の発震器について、衝撃力に関する出力の比
較を行った結果を表１に示す。

【００５３】

【表１】

【００５４】表１から明らかなように、本発明による発
震器は、２５０Ｈｚでは鋼管ケーシングの井戸内で、従
来の発震器の１２００倍のエネルギを砂岩地層中に伝播
させることができ、１０００Ｈｚでは１２０倍のエネル
ギを伝播させることができる。本発明による発震器は、
ＰＶＣ管ケーシングの井戸中の従来の発震器と比べて
も、全ての周波数で、より多くのエネルギを砂岩中に伝
播させ得る。５００Ｈｚでは、本発明による発震器は、
前記受振側のノイズ減衰方法を併用しなくても、ＳＮ比
の高いＰＲＢＳ信号を６５０ｍまでの距離の受振側井戸
まで伝播させることができる。前記ノイズ低減策を受振
側井戸で用いれば、この距離は１２００ｍまで延びる。

【００５５】トリニダードの砂岩での本発明の第１実施
形態による発震器のマイクロパスカル／ｍでの出力レベ
ル（ｄＢ）（伝播速度Ｖ＝２５００ｍ／ｓ，減衰＝０．
２５ｄＢ／ｍ／ｋＨｚ）及び、３２〜４０００Ｈｚの間
の周波数に対する伝播距離（ｍ）を表２に示す。トリニ
ダードの砂岩を通して１〜７ｋｍの距離を隔てた孔井間
トモグラフィが、３２〜２５０ＨｚのＰＲＢＳ周波数を
用いて可能であった。これらの低周波数域におけるトモ
グラムの分解能は４〜３２ｍであった。１回の孔井間実
験によって、広い範囲の油場の画像を描くことは非常に
重要である。しかしながら、そうするためには、受振側
井戸中のノイズだけでなく、電源からの商用周波数によ
る６０Ｈｚのノイズも除かなければならない。そこで、
自立型のバッテリ電源のＰＲＢＳ記録用コンピュータ
と、受振用と発震用の独立したクロックを用いる必要が
あった。本発明による発震装置は、従来の発震装置に比
べて、高い周波数のＰＲＢＳ信号を長い距離に伝播させ
ることができる。比較のため、トリニダード砂岩中での
従来の発震装置の出力レベルを表２中の括弧内にｄＢで
与える。

【００５６】

【表２】

【００５７】

【発明の効果】ケーシングを通して地層中に効率良く震
動エネルギを伝播可能な本発明による発震装置を用いる
ことによって、鋼管や他のケーシングによるエネルギ損
失を解消することができる。

【００５８】更に、本発明による受振側の周囲ノイズ及
びケーブルノイズ低減システムにより、受振側井戸中の
周囲ノイズ、及び、風や地中の機械によって発生され、
受振ケーブルを通して伝播されるケーブルノイズを、例
えば４０ｄＢまで、効率良く低減できる。

【００５９】前記のような新しい発震装置又はノイズ低
減システム、あるいは両者を組合せて用いることによ
り、伝達される音響波のＳＮ比を、例えば５５ｄＢから
９５ｄＢまで効率良く高めることができる。その結果、
例えば砂岩の油層中における従来のＰＲＢＳ孔井間トモ
グラフィの伝播距離を、４〜８倍（５００Ｈｚでは１０
０ｍから４００〜８００ｍ）に伸ばすことができる。あ
るいは、ＰＲＢＳ周波数を、４〜８倍（孔井間距離１０
ｍでは５００Ｈｚから２０００〜４０００Ｈｚ）に高め
ることができる。又、石灰石の油層の場合、孔井間距離
は、５００Ｈｚで１００ｍから１０００〜２０００ｍへ
伸ばすことができる。このように、本発明は、油田にお
ける油、ガスや、地下水溜りにおける水を発見する能力
を、劇的に高めることができる。

【００６０】従来の油圧式発震器（破線）と本発明に係
る圧電式発震器（実線）における出力の周波数特性を図
１７に比較して示す。従来は１０００Ｈｚ程度で出力は
極度に減小するが、本発明では５０００Ｈｚを越えても
出力が安定している。これから、油圧式発震器よりも、
高周波数の計測による精度の高い計測が行えることがわ
かる。

【００６１】又、本発明による発震器は、縦波（粗密
波）及び横波（剪断波）を互いに直交する方向に発生す
るので、該発震器を、地下資源の探索や土木工事のため
の地下調査用の孔井間トモグラフィ測定に際して、純粋
な縦波発生器又は横波発生器として用いることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発震装置と受振装置の第１実施形
態を用いた地中探査方法の実施状況を示す断面図

【図２】前記第１実施形態の発震装置の構成を示す側面
図

【図３】同じく横断面図

【図４】前記発震装置で用いられている発振器の構成を
示す側面図

【図５】同じく横断面図

【図６】前記発震器の上下に配置されるクランプ機構で
用いられている伸縮式油圧ピストンの構成を示す縦断面
図

【図７】前記発震器の正面図

【図８】前記発震器で用いられている圧電素子積層体の
構成を示す縦断面図

【図９】前記実施形態における震動伝播時の様子を示す
模式図

【図１０】前記圧電素子積層体から発生する縦波の振幅
の伝播状況を示す線図

【図１１】同じく横波の振幅の伝播状況を示す線図

【図１２】ターン機構が設けられた発震装置の第２実施
形態の構成を示す側面図

【図１３】バルーン型反射板が設けられた発震装置の第
３実施形態の構成を示す側面図

【図１４】ばね式クランプが設けられた発震装置の第４
実施形態の構成を示す側面図

【図１５】同じく横断面図

【図１６】本発明の第５実施形態の構成を示す側面図

【図１７】従来の油圧式発震器と本発明に係る圧電式発
震器による音圧の周波数特性を比較して示す線図

【図１８】従来の発震装置による発震方法の一例を示す
側面図

【図１９】従来の他の例のクランプ方法を示す側面図

【符号の説明】

１０…地層１２、１１２…井戸３０…発震装置３２…発震器３４…圧電素子積層体４０…質量ボディ４２…アンビル５０、１５０…ケーブル５８、１５８…ウィンチ６２…ＰＲＢＳ発生器６４、１６４…クランプ機構６６…油圧ピストン６８…油圧源７０…油タンク７２…油圧ポンプ７４…電気モータ８０、１８０…シャットオフ弁１３０…ハイドロフォンアレイ１６２…データ獲得システム１８２…パッカー２００…ターン機構３００…バルーン型反射板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者トクオヤマモトアメリカ合衆国、フロリダ州 33176 マイアミ、 89 アベニュ、エス．ダブリュ． 12200 (72)発明者榊原淳一東京都千代田区内幸町二丁目２番３号川崎製鉄株式会社東京本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探査孔内に配置され、地中に音響波を伝搬
させるための地中音響波の発震装置において、探査孔の軸方向に配置される質量ボディと、該質量ボディに、振動方向が探査孔壁と垂直又は平行と
なるように配設された、電圧変化を一定方向への体積変
化に変換する素材からなる振動子と、該振動子の探査孔壁側に配設された、壁面接触用のアン
ビルと、該アンビルを探査孔壁に圧着させるためのクランプ機構
と、を備えた発震器を含むことを特徴とする地中音響波の発
震装置。
【請求項２】請求項１において、前記振動子が、同じ方
位角で探査孔の軸方向に複数並設され、前記アンビル
が、該複数の振動子の探査孔壁側を連結するよう設けら
れていることを特徴とする地中音響波の発震装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記振動子が、
圧電素子又は超磁歪材で構成されることを特徴とする地
中音響波の発震装置。
【請求項４】請求項１において、前記アンビルの表面が
粗面とされていることを特徴とする地中音響波の発震装
置。
【請求項５】請求項１において、前記質量ボディに、流
体クランプ駆動用の流体ポンプ、流体タンク、及び、前
記流体ポンプ駆動用の電気モータが搭載され、前記発震
器と地上が電気ケーブルによって接続されていることを
特徴とする地中音響波の発震装置。
【請求項６】請求項１において、前記クランプ機構が、
流体の圧力により前記アンビルを探査孔壁に圧着させる
流体クランプ機構であることを特徴とする地中音響波の
発震装置。
【請求項７】請求項６において、前記流体クランプ機構
が油圧ピストンを用いて構成されていることを特徴とす
る地中音響波の発震装置。
【請求項８】請求項１において、前記アンビルに、更
に、電磁石によるクランプ機構が付加されていることを
特徴とする地中音響波の発震装置。
【請求項９】請求項１において、更に、前記発震器の上
方や下方に、エネルギの散逸を防止するバルーン形反射
板が設けられていることを特徴とする地中音響波の発震
装置。
【請求項１０】請求項１又は２において、前記振動子の
方位角が互いに異なる発震器が、探査孔の軸方向に複数
個設けられていることを特徴とする地中音響波の発震装
置。
【請求項１１】請求項１０において、前記振動子の方位
角の差が９０°とされた発震器が２個設けられているこ
とを特徴とする地中音響波の発震装置。
【請求項１２】請求項１において、更に、前記質量ボデ
ィを探査孔内で回動させて、前記アンビルの固定方向を
変えるためのターン機構が設けられていることを特徴と
する地中音響波の発震装置。
【請求項１３】請求項１２において、前記ターン機構
が、方向制御用のジャイロ、モータ及びクランプ機構を
用いて構成されていることを特徴とする地中音響波の発
震装置。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれか一項に記載
の発震装置を用いることを特徴とする地中音響波の発震
方法。
【請求項１５】請求項１１に記載の発震装置を用いて、
振動子の軸方向に伝搬される縦波と、該軸方向と直交す
る方向に伝搬される横波を伝搬させることを特徴とする
地中音響波の発震方法。
【請求項１６】請求項１４において、前記発震装置か
ら、疑似ランダムコード化された、低周波数から高周波
数にわたる音響波を伝搬させることを特徴とする地中音
響波の発震方法。
【請求項１７】請求項１４乃至１６のいずれか一項に記
載の地中音響波の発震方法を用いることを特徴とする地
中探査方法。
【請求項１８】請求項１７において、発震器から振動子
の軸方向に伝搬される縦波を探査に用いることを特徴と
する地中探査方法。
【請求項１９】請求項１７において、発震器から振動子
の軸方向と直交する方向に伝搬される横波を探査に用い
ることを特徴とする地中探査方法。
【請求項２０】探査孔内に配置され、地中を伝搬してき
た音響波を受振するための地中音響波の受振装置におい
て、前記探査孔の底部を閉塞するパッカーと、前記探査孔の地上出口を閉塞するシャットオフ弁と、前記探査孔内の受振器上方のケーブルを探査孔壁に対し
て固定し、該受振器上方のケーブルの張力を減少させ、
弛ませるためのクランプ機構と、を備えたことを特徴と
する地中音響波の受振装置。
【請求項２１】請求項２０に記載の受振装置を用いるこ
とを特徴とする地中音響波の受振方法。
【請求項２２】請求項２１において、前記受振装置によ
り、疑似ランダムコード化された音響波を受振すること
を特徴とする地中音響波の受振方法。
【請求項２３】請求項２１又は２２に記載の地中音響波
の受振方法を用いることを特徴とする地中探査方法。
【請求項２４】請求項１４乃至１６のいずれか一項に記
載の発震方法と、請求項２１又は２２に記載の受振方法
を組合せて用いることを特徴とする地中音響波の発震・
受振方法。
【請求項２５】請求項１４乃至１６のいずれか一項に記
載の地中音響波の発震方法と、請求項２１又は２２に記
載の地中音響波の受振方法を組合せて用いることを特徴
とする地中探査方法。
【請求項２６】請求項２５において、発震器及び受振器
のクロックと、受振音響波形記録用レコーダのクロック
を独立させることを特徴とする地中探査方法。
【請求項２７】探査孔内に配置され、地中に音響波を伝
搬させるための地中音響波の発震装置において、発震器
の上方や下方に、エネルギの散逸を防止するバルーン型
反射板が設けられていることを特徴とする地中音響波の
発震装置。
【請求項２８】請求項２７において、前記バルーン型反
射板の少なくとも発震器側表面が、探査孔内部において
音波を伝達しにくい材質とされていることを特徴とする
地中音響波の発震装置。
【請求項２９】請求項２７又は２８に記載の発震装置を
用いることを特徴とする地中音響波の発震方法。
【請求項３０】請求項２９に記載の地中音響波の発震方
法を用いることを特徴とする地中探査方法。