JPH11511566A - ひずみ監視システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 深い穴の中の固形体における変形を検知するための装置１０であって、岩層内に予め圧力を加えられた弾性容器１２を有する装置が提供される。容器１２は流体１４を充填され、はるか地表１８まで、或いはそれに近いところまで延びている小直径の吐出管１６を除いて密封される。出口管１６は地表において伸縮可能のベローズ２０と接続して終端する。装置全体が流体１４によって完全に満たされる。容器１２が少しでも変形すれば、流体１４は吐出管１６を通って流出入するように強制され、それに応じてベローズ２０を延伸または収縮させる。この運動は、例えば直線可変差動変圧器またはキャパシタンスブリッジのような任意の位置敏感トランスジューサ２２によって監視され得る。吐出管１６と同じ長さ、同じサイズの第２の管２４が、同じ流体を充填される。この管２４は、弾性容器１２の至近に在る底部で終わる。この管もまた、地表１８におけるその頂端に、ベローズ２６と押退けトランスジューサ２８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 ひずみ監視システム 本発明は固形体におけるひずみおよび変形を監視して検知する方法および装置 に係わり、特に、地下岩層内のひずみを検知するようにされた方法および装置に 関するものである。 一局面に従えば、本発明は、岩層内の高温度によって不利に影響されることな しに地下大深度において動作して岩層の運動を計測することができるひずみ計測 器およびひずみ監視システムに関する。 発明の背景 地下岩層の運動を計測するためにボアホールひずみ計およびシステムを使用す ることは既に知られている。商業的に使用するため多くの異なったひずみ計およ びシステムが開発されているが、それらのほとんどは、特に極度のボアホール深 度における諸条件下では、動作に関していくつかの欠点および限界がある。 一つの既知のボアホールひずみ計は、岩層の変形に正確に追随するように膨張 性グラウトによってボアホール内で予めストレスを与えられた弾性の金属管を有 する。これの変形は流体力学的手段によって増幅され、小さな、薄い壁から成る ベローズを駆動し、次いで該ベローズが電子トランスジューサ（変換器）を駆動 する。すべての力と信号は電線を通じて地表に達する。多数のこれら装置が世界 のいたるところで使用されている。 しかし、人工的に誘起されるノイズは深さとともに減るので、また、多くの臨 界地域、例えば東京、においては、沖積被覆層の厚さが数ｋｍに達するから、そ して地震は深いところで岩盤に断層を生起するので、電子機器にとって長期間に わたり機能を維持するには温度が高すぎる数ｋｍの深度で動作できるような、よ り高感度の検知器に対して継続的で増大する要望がある。 発明の摘要 本発明の目的は、温度が極度に高い数ｋｍの地下深度で効果的に動作できるひ ずみ検知システムを提供することである。 本発明の他の目的は、ダウンホール用電子機器を有しないひずみ監視システム であって温度が高い数ｋｍ深度における岩層の運動を正確に計測できるものを提 供することである。 上記目的は、地下岩層内に延在するボアホール中へ挿入できるように構造され 集成された、実質的に密閉された容器を設けることによって達成される。細長い 管がこの容器から延びて該管の第１端にて容器と流体連通する。管は、該管の第 ２端が概ね地表に達するような長さである。検出構造が管の第２端に連結される 。流体が容器と管とを実質的に満たす。容器は、この容器に伝達される、該容器 を取り囲んだ固形体の変形が、該容器の容積に変化を生じさせ、その変化が次に は流体を管に押し入れ、それにより管内における流体の体積を変化させるように 構成され配置される。検出構造は、管内における体積の変化を検知するように構 造され集成されていて、それにより固形体の変形を検知する。 容器と地表との間のいかなる環境効果に対しても補償するため、流体を充填さ れた第２の小口径の管が、地表からボアホール内まで下方に延在して容器の至近 で終わる。 本発明の他の目的は、地球の地下岩層における変形およびひずみを検知する方 法を提供することである。この方法は、高温下に在る地下岩層に設けたボアホー ル内に検出装置を配置することを含む。検出装置は容器と第１の管とを含み、こ の第１の管が、容器に結合されて該容器と流体連通している第１端と、概ね地表 に配置されている第２端とを有する。容器と第１の管は流体を充填される。検出 装置は、第１の管の第２端と結合された検出構造を含む。 予めストレスを（応力）を与えられた締り嵌めが、ボアホールの壁面と容器外 壁との間に、ボアホールを囲んでいる岩と固形体の変形が容器壁に伝達され次い で容器壁が容器ならびに第１の管における容積変化を生じさせるように形成され る。 第１の管において押退けられた流体の体積は、地下岩層中の変形を測定するた めに検出構造によって検知される。 容器と地表との間の第１の管内の流体体積の環境効果は第２の管を設けること によって補償され、第２の管はその下端が閉鎖され、第１の管と実質的に同じ長 さ、実質的に同じ容積であり、同じ流体を充填されている。第１の管における容 積変化と比較される第２の管の容積変化を検知するため、第２の管の第２端には 補償用検出構造が結合される。 本発明のその他の目的、特色そして特性は、構造の関連要素の機能、部品の組 合せ、そして製造の経済的側面とともに、すべて本明細書の一部を成す、以下に 述べる詳細な説明および別掲請求項を、添付図面を参照して検討するとき、いっ そう明らかになるであろう。 発明の詳細な説明 本発明の理解は図１を参照すると一層良好となり、この図１は、地下岩層のボ アホール内にあって地表上の測定システムに接続されている検出装置の概略図で ある。 全体を符号１０で示される検出装置は弾力性のある鋼管ないし容器１２から成 り、この容器は、岩層の微小変形に忠実に追随するように、ボアホール１３の端 部で固形体ないし岩層内にて予めストレスを与えられている。このように形成さ れた容器１２は流体１４を満たされ、はるか地表１８まで、或いはその近くまで 延在している小直径の吐出管１６を除いて密封されている。伸縮可能のベローズ ２０が、概ね地表１８において、管１６の端に連結されている。容器１２と管１ ６は流体１４を完全に満たされている。容器１２のいかなる変形によっても、流 体１４は管１６を強制通流させられ、従ってベローズ２０を延伸させる。変形が 終わると、ベローズ２０は定常弛緩状態に復する。ベローズ２０の運動は、直線 可変差動変圧器、またはキャパシタンスブリッジのような任意の位置検出トラン スジューサ（変換器）２２によって監視することができる。ベローズ２０とトラ ンスジューサ２２は、装置１０の第１検出構造を構成する。 使用される流体１４は、引用によって本文に組込まれる米国特許第３６３５０ ７６号に説明されるごとき、本装置の構造と両立可能の任意の流体であり得る。 好ましくは、シリコン油が本発明の目的に好適であることが判明しているが、ク ロロホルム飽和水およびその他流体も使用できる。 装置１０はさらに、管１６と実質的に同じ長さおよび同じ直径の管２４を有す る。管２４もまた、流体１４を充填されている。この管２４は、該管の底２５に て終端し閉鎖されており、そしてその反対端にベローズ２６が配置されている。 第１の管１６のトランスジューサ２２と同じである押退けトランスジューサ２８ が、ベローズ２６に組み合わされている。ベローズ２６とトランスジューサ２８ は、装置１０の補償用検出構造を構成する。 かくして、地表における検出構造は、伸縮可能な薄壁より成る、流体を充填さ れたベローズ２０，２６を有し、これらベローズはそれぞれ組み合わされた直線 可変差動変圧器または可変キャパシタンスブリッジないしその他好適な手段２２ 、２８と結合されている。これら差動変圧器の出力電圧は、一般的に２０または ２４ビットＡ／Ｄ変換器を使用してディジタル化され、得られたデータはコンピ ュータ（図示せず）に記憶される。ベローズ２６から生じた信号は、ベローズ２ ０による信号から減算されるが、その機能は以下において明らかになろう。 第２の管２４と第２のベローズ２６の目的は次ぎの通りである：装置１０は、 例えば、約１６００ｍ（１マイル）ないしそれ以上の程度の、かなり深いところ に据付けるように意図されているので、管１６は長くかつ相当な体積を有する。 ボアホール１３内のいかなる温度または圧力変化も管１６内の流体体積を変化さ せ、従ってベローズ２０を偽って延伸させる。正確に或いはほとんど正確に同じ 延伸が、対の他方の管２４とベローズ２６に生じる。ベローズ２６の延伸量がベ ローズ２４の延伸量から減算され、これによって容器１２を変形させる真正の岩 層変形信号が得られる。 装置１０は、所望深さまでボアホール１３を穿孔し、パッキンコンクリート３ ０の装入物の形態の結合構造物をボアホール１３の下部分に充填し、そして容器 １２をコンクリート３０中に下降させることによって、地中の所望の点に位置決 めされる。膨張性セメントの使用によって、パッキンコンクリートは硬化ととも に膨張し、それにより容器１２の壁をその包囲構造に密接結合させる。開示され た装置１０においては、約０．４９ｋｇ／ｃｍ²（約７１ｂｓ／ｉｎ²）程度の予 備ストレスが、パッキンコンクリートの硬化後に容器１２に与えられる。 周囲構造におけるひずみが変化するにつれて、ボアホール１３はゆがめられ、 容器１２の壁が該ボアホールの変形に追随する。容器壁が変形されるにつれて、 容器１２内の流体の体積が変化し、それによって容器内の流体の圧力が変化し、 この圧力変化が吐出管１６を通じて流体力学的に地表まで伝達される。容器１２ の壁の厚さは、その剛性が包囲地球構造のそれと同等であるように選択される。 伸縮可能のベローズ２０，２６は例えば、米国特許第３６３５０７６号に説明 されるごとき差動変圧器に結合されたシルフォンベローズである。この変圧器は 、当業者に既知である方式でベローズの長さの変化の電気的表示を提供する。 流体は地表まで管１６内を連続しているので、容器１２における圧力は、流体 濃度の選択によって周囲圧力と概ね同等にすることができる。従って、岩層の変 形により敏感な、比較的薄い壁の管を用いることができる。また、容器内の高作 用圧は、使用される流体の沸騰点を抑圧する。 前記検出装置は固形体におけるひずみと変形を測定する有効な手段を提供する ことが理解される。ダウンホール用電子装置がないので、動作温度は制限されな い。第２の管の設置は、装置に生じ得る温度または圧力変化にかかわらない正確 な検出を保証する。さらに、前記検出装置は圧力平衡されるので、ひずみ信号を 減衰させるような管壁の厚い管を用いる必要を無くする。 かくして本発明の目的は完全にかつ効果的に達成されることが理解された。し かし、前述の好適実施例は本発明の構造および機能上の原理を例示する目的で図 示され説明されたこと、そしてそのような原理から逸脱することなしに変更され ることが理解されるであろう。従って、本発明は後記請求項の精神に含まれるす べての修正を包含するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｍ Ｘ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 地球の地下岩層におけるひずみと変形を検知する装置であって、地下岩 層内に延びているボアホールに挿入できるように構造され配置された、実質的に 密閉された容器と、 前記容器から延在して第１端にて該容器と流体連通している細長い管であって 、該管の第２端が概ね地表まで延び得るような長さである管と、 前記管の第２端に結合された検出構造と、 前記容器と前記管を実質的に満たす流体とを有しており、 前記容器は、該容器に対し伝達される、該容器を包囲する固形体の変形が該容 器の容積の変化を生じせしめ、その変化が次には流体を前記管に押し入れ、それ により該管内の流体の体積を変化させ、前記検出構造が、前記管内における体積 の変化を検知するように構成され配置されていて、それにより前記固形体の変形 を検知する装置。 ２． さらに、前記ボアホールを包囲する前記固形体の変形を前記容器の壁に 伝達するため、前記容器の壁に該容器の据付の間に予め圧力を加えることによっ て該容器の外壁を前記ボアホールの壁に剛固に結合するように構成され配置され た結合構造を有する請求項１に記載の装置。 ３． 前記結合構造が膨張性コンクリートを有する請求項２に記載の装置。 ４． 前記検出構造が、前記管を介して前記容器内の流体と連通している第１ のベローズと、このベローズに結合されていて該ベローズによって動作させられ 得る差動変圧器とを有する請求項１に記載の装置。 ５． 前記検出構造が伸縮可能な薄壁より成るベローズを有し、このベローズ が該ベローズ内の流体レベルを表す信号を発生するトランスジューサに結合され ている請求項１に記載の装置。 ６． 前記トランスジューサが可変差動変圧器である請求項５に記載の装置。 ７． 前記トランスジューサがキャパシタンスブリッジである請求項５に記載 の装置。 ８． さらに、前記流体を充填された細長い補償管であって、該補償管の第２ 端を前記容器にほぼ隣接して配置した状態で該補償管の第１端が概ね地表に配置 され得るような長さを有し、前記第２端が閉鎖されている補償管と、 前記補償管の第１端に結合された補償検出構造であって、前記容器と地表との 間における環境効果を補償するため前記補償管の容積変化を検知するように構成 され配置された補償検出構造とを有する請求項１に記載の装置。 ９． 前記補償検出構造が伸縮可能の補償ベローズを有し、該補償ベローズが 、該ベローズ内の流体レベルを表す信号を発生するトランスジューサと結合され ている請求項８に記載の装置。 １０． 前記流体がシリコン油またはクロロホルム飽和水である請求項１に記 載の装置。 １１． 地球の地下岩層におけるひずみと変形を検知する装置であって、 地下岩層内に延びているボアホールに挿入できる実質的に閉鎖された容器と、 前記容器の上側部分に結合された第１端と、第２端とを備え、該第２端が概ね 地表に配置され得るような長さを有している第１の管と、 前記管の第２端に結合された第１の検出構造と、 実質的に前記容器を満たし、前記容器の内壁と流体連通し、前記第１の管を満 たしている流体と、 前記ボアホールを包囲する岩と固形体の変形を前記容器の壁に伝達して該容器 内の体積変化を生じさせるために、該容器の据付の間に該容器の壁に予め圧力を 加えることによって該容器の壁を前記ボアホールの壁に結合するように構成され 配置された結合構造と、 流体を充填された、第１端と第２端を備える第２の管であって、前記第１端が 前記容器の上側部分に概ね隣接して配置され、前記第２端が概ね地表に配置され るような長さを有する第２の管と、 前記第２の管の第２端に結合されている第２の検出構造とを有し、前記第２の 管の第１端が閉鎖されおり、 前記容器は、前記容器に伝達される該容器を包囲した固形体の変形が該容器の 容積の変化を生じさせ、その変化が次には流体を前記第１の管内に押し入れ、そ れによって前記第１の管内の流体の体積を押退けるように構成され配置されてお り、前記第１の検出構造が、前記第１の管内における体積押退量を検知し、それ により前記固形体の変形を検知するように構成され配置されており、前記第２の 検出機構が、前記第２の管内における体積押退量を検知して前記容器と地表との 間の環境効果に対して補償するように構成され配置されている装置。 １２． 地球の地下岩層におけるひずみと変形を検知する方法であって、 容器と、第１端が前記容器に結合されて該容器と流体連通し且つ第２端が概ね 地表に配置されている第１の管とを含み、前記容器と前記第１の管が流体を充填 されており、前記第１の管の第２端と結合された検出構造を有する検出装置を高 温下に在る地下岩層中のボアホール内に配置することと、 前記ボアホールを包囲している岩と固形体の変形が前記容器の壁に伝達され次 いでその変形が該容器の容積変化と前記第１の管における流体押退けとを生じさ せるように前記ボアホールの壁と前記容器の外壁との間に予め応力を与えた締り 嵌めを構成することと、 前記地下岩層中の変形を測定するため前記第１の管内で押退けられた流体の体 積を前記検出構造を使用して検知することと、 下端を閉鎖された第２の管であって前記第１の管と実質的に同じ長さおよび実 質的に同じ容積を有し、同じ流体を充填された第２の管を設けることによって前 記容器と地表との間における前記第１の管内の流体体積の環境効果を補償するこ ととを含んでおり、 前記第１の管内の容積押退量と比較される前記第２の管内の容積押退量を検知 するために補償用検出構造が前記第２の管の第２端に結合される方法。 １３． 前記第１の管の検出構造と前記第２の管の補償用検出構造がおのおの 可撓性の伸縮可能の室とトランスジューサとを有する請求項１２に記載の方法に おいて、該方法が、各伸縮可能の室内の流体レベルを測定してこれら伸縮可能の 室内の流体レベルの差を決定することを含む方法。