JPS60219581A - Device and method of measuring characteristic of bed adjacent to bore hole - Google Patents

Device and method of measuring characteristic of bed adjacent to bore hole

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JPS60219581A
JPS60219581A JP60064051A JP6405185A JPS60219581A JP S60219581 A JPS60219581 A JP S60219581A JP 60064051 A JP60064051 A JP 60064051A JP 6405185 A JP6405185 A JP 6405185A JP S60219581 A JPS60219581 A JP S60219581A
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JP
Japan
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antenna
borehole
measuring
formation
aperture
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Application number
JP60064051A
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Japanese (ja)
Inventor
トーマス・ダブリユー・バツクマン
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NL Industries Inc
Original Assignee
NL Industries Inc
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Publication date
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    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/01Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • E21B47/017Protecting measuring instruments
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/18Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
    • G01V3/30Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with electromagnetic waves
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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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】 く本発明の技術分野〉 本発明は穿孔の掘穿中に地層条件を測定すること、より
詳細には開口アンテナを利用して地層の傾斜を測定する
ことに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention The present invention relates to measuring formation conditions during drilling of a borehole, and more particularly to measuring the slope of a formation using an aperture antenna.

〈従来技術〉 伝播媒体としての地殻を通じて電気信号を発信し、発信
器から離れた場所でこの信号を受信することは多くの理
由から好ましい。このような信号伝播方法は、例えばこ
の伝播媒体に関係する種々の条件の測定および連絡の目
的の両方に用いられる。これらの方式はしばしば穿孔を
取りまく環境、特に周囲の地層の調査に用いられる。こ
れらの調査を遂行するために種々の穿孔検層方式が利用
できる。これらの方式の一群は穿孔周囲の環境からデー
タを得るために電磁場現象を利用している。
PRIOR ART It is desirable to transmit an electrical signal through the earth's crust as a propagation medium and to receive this signal at a location remote from the transmitter for a number of reasons. Such signal propagation methods are used, for example, both for measurement and communication purposes of various conditions related to this propagation medium. These methods are often used to investigate the environment surrounding the borehole, especially the surrounding geological formations. Various borehole logging methods are available to accomplish these investigations. A group of these methods utilizes electromagnetic field phenomena to obtain data from the environment around the borehole.

電磁検層の1つの型式は、地層に電源車を発生させて測
定するために周囲の地層中の電場を利用する電極検層で
ある。電導性泥が該方式の好適な実施のために必要であ
る。誘導検層は、地層に2次電流を発生させるために地
層中の磁場を利用する電磁検層の他の型式である。該2
次電流は穿孔中に設置された受信コイル中に電流を誘発
する二次磁場を引き起こす。受信コイル中の誘発された
電流は地層中の2次電流に比例し、かつ、これは周囲の
地層の電導率に正比例し、抵抗性に反比例する。電磁波
の伝播はまた穿孔の周囲の地層を調査するための他の検
層方式を提供し、また本発明の目的に関係するものであ
る。電磁波伝播形式の典型的な電磁検層方式はGoui
lloud等の米国特許第3,551,797号に開示
されている。この特許は穿孔の軸に沿って配設された発
信器と一対の受信器とを有するワイヤライン方式を開示
している。発信器は穿孔の周囲に均一に放射状(方位的
)に拡がった磁場中で電磁的エネルギーを伝播させ、2
個の軸方向に配設された受信アンテナによって受信され
た信号は穿孔周囲の地層の導電性の表示として振幅と位
相差をめて分析される。
One type of electromagnetic logging is electrode logging, which utilizes the electric field in the surrounding formation to generate power vehicles in the formation and make measurements. A conductive mud is required for successful implementation of the system. Inductive logging is another type of electromagnetic logging that utilizes magnetic fields in the formation to generate secondary currents in the formation. Part 2
The secondary current causes a secondary magnetic field that induces a current in the receiving coil placed in the borehole. The induced current in the receiver coil is proportional to the secondary current in the formation, which is directly proportional to the conductivity and inversely proportional to the resistivity of the surrounding formation. Electromagnetic wave propagation also provides another logging method for investigating the geological formations around a borehole and is also relevant for the purposes of the present invention. A typical electromagnetic logging method for electromagnetic wave propagation is Goui.
No. 3,551,797 to lloud et al. This patent discloses a wireline system having a transmitter and a pair of receivers disposed along the axis of the borehole. The transmitter propagates electromagnetic energy in a magnetic field uniformly spread radially (azimuthally) around the borehole, and
The signals received by the axially disposed receiving antennas are analyzed in terms of amplitude and phase difference as an indication of the conductivity of the formation surrounding the borehole.

穿孔によって貫通された地下の地層の状態を測定するの
に極めて有用なパラメータは地層の厚さは特徴的形態の
地層の境界と隣接する地層の境界とが対照(標準)水平
面に対してなす平面の角度である。より詳細には、地層
の傾斜は穿孔の壁が地層の境界面を横切る際の角度を測
定することによって把握される。地層の傾斜測定の問題
は、平面は3点によって決定され、傾斜角は該平面と水
平面とのなす角であるように、水平面に関し堆積層中に
3つの点を配置することがその1つである。
A very useful parameter for measuring the condition of the underground strata penetrated by drilling is the thickness of the strata, which is the plane formed by the boundary of the characteristic stratum and the boundary of the adjacent strata with respect to the standard (standard) horizontal plane. is the angle of More specifically, the slope of the formation is determined by measuring the angle at which the wall of the borehole crosses the boundary surface of the formation. One of the problems of measuring the slope of a geological formation is to place three points in the sedimentary layer with respect to the horizontal plane, as the plane is determined by three points and the slope angle is the angle between the plane and the horizontal plane. be.

地層の方向を測定するために用いられている従来のワイ
ヤライン方法は3つの測定を行なわなければならない。
Traditional wireline methods used to measure formation orientation require three measurements to be made.

第1番目のものは穿孔に関係する地層の傾斜測定であり
、この測定は穿孔中で方位的に間隔を空けて配向された
3つの電気ログを記録することにより、および機器の軸
に垂直な平面上に配設され、120’で機器の周囲に間
隔を空けて設けた3つの同一な電極セットを包含するこ
とによってなされる。第2番目は穿孔の傾斜角度と方向
の測定であり、第3番目は磁北に対する穿孔軸の方位の
測定である。
The first is the slope measurement of the formations associated with the drilling, which is carried out by recording three electrical logs oriented azimuthally spaced in the drilling and perpendicular to the axis of the instrument. This is done by including three identical sets of electrodes arranged on a plane and spaced around the perimeter of the device at 120'. The second is a measurement of the inclination angle and direction of the borehole, and the third is a measurement of the orientation of the borehole axis relative to magnetic north.

穿孔の傾斜と方位は従来地球重力および磁力を基準フレ
ームとして利用するアクセロメーター(acceler
ometers)および/または磁力計によって測定さ
れる。しかしながら地層の傾斜にはどこで一つの組成の
地層が終り、他のものが始まるかを穿孔の長さに沿って
測定するために穿孔周囲のいくつかの地層の性状をかな
り正確に測定することがめられる。
The inclination and orientation of the borehole are conventionally measured using an accelerometer, which uses the Earth's gravity and magnetic forces as a reference frame.
ometers) and/or magnetometers. However, the slope of the formation requires fairly accurate measurements of the properties of the several formations around the perforation in order to determine along the length of the perforation where a formation of one composition ends and another begins. It will be done.

従来の傾斜計の1つの型式は穿孔軸に対して地層の傾斜
を測定するために3つの自然電位(sp)曲線を利用し
ている。
One type of conventional inclinometer utilizes three self-potential (sp) curves to measure the slope of the formation relative to the drilling axis.

これらの装置では穿孔の側壁に押圧される電極と、微少
電流即ち地表の基準電位に対する地層中の電位を測定す
る必要がある。地層の傾斜を得るための他の地層条件測
定の技術は米国特許第3.388,323号に開示され
ており、これは穿孔壁に10 KHz程度の周波数を有
する電磁エネルギーを発信し、地層の電気伝導度と磁化
率を測定することにより誘導検層を行うワイヤライン装
置を示している。
These devices require electrodes pressed against the sidewalls of the borehole to measure minute currents, ie, the potential in the formation relative to a reference potential at the ground surface. Another technique for measuring formation conditions to obtain the slope of a formation is disclosed in U.S. Pat. A wireline device is shown that performs inductive logging by measuring electrical conductivity and magnetic susceptibility.

米国特許4,383,220号には、穿孔壁に密に係合
してバイアスされているパッドを有する複数の放射状に
伸びたアームを具えたワイヤライン装置を含むマイクロ
波電磁穿孔傾斜計が開示されている。
U.S. Pat. No. 4,383,220 discloses a microwave electromagnetic drilling inclinometer that includes a wireline device with a plurality of radially extending arms having pads biased in tight engagement with the drilling wall. has been done.

各パッドはマイクロ波発信アンテナとマイクロ波受信ア
ンテナとを有している。1〜3GIIzオーダーの周波
数を有するマイクロ波エネルギーが発信アンテナによっ
て地層中を伝播され、受信アンテナで受信されたエネル
ギーは、穿孔に沿い方位上に間隔を空けて設けた3つの
センサーからの相対的な変化が地層の傾斜を決定するよ
うに、地層の性質を示すものとして取扱われる。
Each pad has a microwave transmitting antenna and a microwave receiving antenna. Microwave energy having a frequency on the order of 1 to 3 GIIz is propagated through the formation by a transmitting antenna, and the energy received by the receiving antenna is determined by the relative Changes are treated as indicative of the properties of the strata, as they determine the slope of the strata.

地層条件を測定するための従来の方式、例えば自然電位
を測定する導電電極、導電性と磁化率を測定する誘導方
式、同様にマイクロ波伝播を利用するワイヤライン方式
などは特に掘穿中の環境測定に用いる場合ある種の欠点
がある。測定装置を穿孔のドリルストリング中に組み込
むためには、電極方式ではその方式のいくつかの発信用
および受信用電極から鋼製のドリルカラーを絶縁するこ
とが必要である。この場合、通常、電極付近の鋼製ドリ
ルカラーに特殊な絶縁被膜を施すことが必要となるが、
これは経費もかかり信頼性も疑わしい。誘導検層方式は
通常10 K)Izのオーダーの周波数で実施する必要
があり、それ故必要な地層との電磁カプリングを得るた
めに大きな径のコイルが必要となる。MWD配置におい
て、誘導検層コイルはドリルストリング中のドリルカラ
ーにあるその中に装着されなければならず、ドリルカラ
ーの該当部分は非導電性でなければならない。非導電性
カラーはドリルストリングに用いるために必膠な構造を
保ち強度を維持するのが困難である。イして、もしコイ
ルの大きさを小さくすると、該方式の動作周波数は隔て
られたコイル間の必要なカプリングを得るために大きく
なければならない。
Conventional methods for measuring formation conditions, such as conductive electrodes to measure the self-potential, inductive methods to measure conductivity and magnetic susceptibility, and wireline methods, which also utilize microwave propagation, are particularly important in the environment during excavation. There are certain drawbacks when used for measurements. In order to integrate the measuring device into the drill string of the borehole, the electrode system requires insulating the steel drill collar from some of the transmitting and receiving electrodes of the system. In this case, it is usually necessary to apply a special insulation coating to the steel drill collar near the electrode.
This is expensive and of questionable reliability. Inductive logging methods typically need to be carried out at frequencies on the order of 10 K) Iz and therefore require large diameter coils to obtain the necessary electromagnetic coupling with the formation. In the MWD arrangement, the induction logging coil must be mounted within the drill collar in the drill string, and the corresponding portion of the drill collar must be non-conductive. Non-conductive collars are difficult to maintain the structure and strength required for use in drill strings. Therefore, if the coil size is reduced, the operating frequency of the system must be increased to obtain the necessary coupling between the separated coils.

固定寸法のアンテナにとっては、動作周波数が10Kl
lzから上げられるから、波の伝播は予め決定されたエ
ネルギー伝達機構になり、従来のアンテナによる標準誘
導測定方式はもはや有効ではない。
For fixed size antennas, the operating frequency is 10Kl
Since the wave propagation becomes a predetermined energy transfer mechanism, the standard inductive measurement method with conventional antennas is no longer valid.

前述したように、ワイヤラインマイクロ波伝播装置を用
いる傾斜計はドリルストリングに組込まれるための充分
な構造を保ちかつ強度を有する音響アセンブリーを用い
ていず、さらに穿孔壁に係合し、必要な条件の測定を可
能にするため径方向に伸びた付属物が必要であり、勿論
これはMWDでの測定では全く非実用的なものである。
As previously mentioned, inclinometers using wireline microwave propagation devices do not use acoustic assemblies that are sufficiently structured and strong to be incorporated into the drill string, and also engage the borehole wall and meet the required conditions. A radially extending appendage is required to enable measurements of , which is of course completely impractical for MWD measurements.

穿孔中でのアンテナ構造体の使用においては、測定計器
は全て実際周囲の媒体中に伝播されるための電磁場の発
生に関係している。本発明の主題は、誘導磁場の成分を
利用するのに充分低い周波数で作動するが穿孔周囲の地
層の性状を調査するために高指向性な方法でエネルギー
が焦束するのを許容するのには充分高い周波数、即ち、
上記誘導検層周波数であるマイクロ波検層周波数を下回
るr、f、領域で作動する流体次元(fluid di
men−tions)のスロットアンテナの使用を教示
するものである。このような測定は、変化する地層つま
り地層の傾斜の信号表示である、抵抗性/導電性の値の
掘穿操作を提供する。本掘穿中測定方式の本質は、穿孔
内の条件を示す有用な連続したデータと共に掘穿操作を
提供することである。かくて掘穿操作は、穿孔が貫通す
る地層の測定に必要な確かなデータを検知すると同様に
電位的に危険な状況を予期し避けることができる。本発
明の装置に用いられるアンテナ構造体は掘穿中の検層方
式に容易に導入しうる。
In the use of antenna structures in drilling, the measuring instruments are all actually concerned with the generation of an electromagnetic field to be propagated into the surrounding medium. The subject matter of the present invention operates at frequencies low enough to utilize the induced magnetic field component, but to allow the energy to be focused in a highly directional manner to investigate the properties of the formation surrounding the borehole. is a sufficiently high frequency, i.e.
The fluid dimension (fluid di
It teaches the use of slot antennas for men-tions. Such measurements provide a drilling operation of resistivity/conductivity values that are a signal indication of changing formations or slopes of formations. The essence of this measurement-while-drilling method is to provide the drilling operation with useful continuous data indicative of the conditions within the borehole. Drilling operations can thus anticipate and avoid potentially dangerous situations as well as detecting reliable data necessary to measure the formations that the drilled hole will penetrate. The antenna structure used in the apparatus of the present invention can be easily incorporated into a logging system during excavation.

本発明の装置は、地層の性質を測定するため、穿孔に隣
接する地層中に高指向性磁場を誘発するために開口端に
垂直な強力なH磁場成分を有する電磁エネルギーを発生
でき、ドリルカラー構造を一体の開口アンテナ装置を設
けることにより従来技術の困難性を克服している。
The device of the present invention is capable of generating electromagnetic energy with a strong H magnetic field component perpendicular to the open end to induce a highly directional magnetic field in the formation adjacent to the drill hole, in order to measure the properties of the formation. The difficulties of the prior art are overcome by providing an aperture antenna device with an integrated structure.

〈発明の構成〉 本発明は穿孔によって貫通される地表面下の地層の性質
を測定する装置に関する。本装置は、近距離場における
強いH磁場を含む電磁エネルギーを発生させ、この磁場
を方位的に狭い形状に高度に焦束させ、この磁場を地層
中に向けさせて、特定の方位の地層の性質に関する情報
を得る手段を含む。
<Configuration of the Invention> The present invention relates to an apparatus for measuring the properties of a subsurface stratum penetrated by a borehole. The device generates electromagnetic energy including a strong H magnetic field in the near field, highly focuses this field into an azimuthally narrow shape, and directs this field into the formation to Contains means for obtaining information regarding properties.

掘穿装置のドリルストリングに組み込まれ、該機器の長
軸まわりに方位的に均等に配設された3つの開口アンテ
ナ組立体を含む穿孔機器が提供される。該機器はま−た
、地層の性質を測定するための類似の開口アンテナ組立
体による信号受信手段を含む。
A drilling equipment is provided that includes three aperture antenna assemblies incorporated into a drill string of the drilling equipment and azimuthally evenly spaced about a longitudinal axis of the equipment. The instrument also includes means for receiving signals by means of a similar aperture antenna assembly for measuring properties of the formation.

本発明は、該開口の壁が穿孔の軸に平行に拡がった平面
上に存在するように、穿孔中に第1開ロアンテナを設置
することにより穿孔に隣接する地層の特閂を測定する方
法と装置を含むものである。
The present invention provides a method for measuring a feature in a stratum adjacent to a borehole by installing a first aperture antenna in the borehole such that the wall of the opening lies on a plane extending parallel to the axis of the borehole. and equipment.

近距離湯中で強H磁場成分を有し、開口アンテナの巾が
波長の174に対して小さい周波数を有する電磁場が発
生される。該電磁場は、穿孔壁を越えて実質的な距離を
周囲の地層中に貫通するために狭い非伝播誘導磁場成分
を限定するための開口アンテナを通じて分割される。特
定の方位に向いている地層の特性を測定するために開口
アンテナを通じて向けられた電磁エネルギーにより、地
層の貫通に対応する電磁信号が受信される。
An electromagnetic field having a strong H magnetic field component and a frequency smaller than the wavelength 174 of the width of the aperture antenna is generated in the hot water at a short distance. The electromagnetic field is split through an aperture antenna to confine a narrow non-propagating induced magnetic field component to penetrate a substantial distance beyond the borehole wall and into the surrounding formation. With electromagnetic energy directed through an aperture antenna to measure properties of a formation oriented in a particular orientation, an electromagnetic signal corresponding to the penetration of the formation is received.

本発明は、第1開ロアンテナと平行な側壁を有する穿孔
中に第2開ロアンテナを設置することにより、および地
層の性質を測定するために該第2開ロアンテナを通じて
地層裏側から貫通する電磁信号を受信することにより穿
孔に隣接する地層の性質を測定する方法と装置を含む。
The present invention provides a method of penetrating the formation from the back side by installing a second open hole antenna in the borehole having side walls parallel to the first open hole antenna, and through the second open hole antenna to measure the properties of the formation. A method and apparatus for measuring properties of a formation adjacent to a borehole by receiving electromagnetic signals is included.

さらに、本発明は離れて配設された1対の受信開口アン
テナの使用と、特定の方位に向いている地層の性質の測
定として該2つのアンテナによって受信された電磁信号
の位相差の測定とを意図する。加えて、本発明は異なっ
た方位に向いている地層の性質を同時に測定するために
一方から他方へ方位上に間隔を空けて設けた発信用と受
信用の開口アンテナの複数の組を含む。
Additionally, the present invention involves the use of a pair of remotely located receive aperture antennas and the measurement of the phase difference between the electromagnetic signals received by the two antennas as a measure of the properties of a geological formation oriented in a particular orientation. intended. In addition, the present invention includes a plurality of pairs of transmitting and receiving aperture antennas spaced azimuthally from one side to the other to simultaneously measure properties of formations oriented in different orientations.

本発明はさらに、穿孔に隣接する地層の性質を測定する
方法と装置であって、開口アンテナの側壁が穿孔の軸に
長辺が平行な矩形であり、かつ電オーダ 磁場の周波数が2M1lz枠湊であり、開口アンテナの
大きさが0.5〜6インチ(0,12〜15.24c+
n)の範囲であるものを含む。
The invention further provides a method and apparatus for measuring the properties of a geological formation adjacent to a borehole, wherein the side wall of the aperture antenna is rectangular with its long side parallel to the axis of the borehole, and the frequency of the electric order magnetic field is 2M1lz frame. and the size of the aperture antenna is 0.5 to 6 inches (0.12 to 15.24c+
n).

他の点において、本発明は、掘穿中の測定において該穿
孔によって貫通された地層の厚さと傾斜を測定する装置
であって、断面の回りに間隔を保って配設されたドリル
カラーの上記断面の胴体に形成された複数の第1腔を有
するドリルカラーの導電性円筒状部分を有するものを含
む。該ドリルカラーはまた上記部分の胴部外壁に形成さ
れ上記第1腔のそれぞれに連通ずる複数の第1開ロアン
テナと共に上記各第1腔に装着された電磁場発生手段で
あって、該電磁場は磁場強度H成分を有しかつ上記開口
アンテナを通じて誘導電磁エネルギーの狭く限定された
ローブを所定距離の穿孔壁中へ向けさせるための上記開
口アンテナの大きさに対して波長が長い周波数であるも
のを有する。該ドリルカラーはさらに、上記第1腔のそ
れぞれから軸方向へ間隔を空けて設けられるが軸は一致
してドリルストリングの上記部分の胴部に形成された複
数の第2腔および上記部分の外壁に形成され上記第2腔
のそれぞれと連通ずる複数の第2開ロアンテナとを有す
る。本装置は上記第2腔の各々に装着され、上記第1開
ロアンテナを通じて地層中に向けら九たエネルギーに応
じて穿孔周囲の地層からの電磁エネルギーを受信する手
段と、上記受信手段によって受信されたエネルギーに応
じて穿孔の長さに沿って穿孔の地層条件を測定しかつ穿
孔によって貫通される地層の傾斜と厚さを測定する手段
とを有する。
In other respects, the present invention provides an apparatus for measuring the thickness and slope of a formation penetrated by a borehole during measurements, the invention comprising: a drill collar spaced around a cross section; Includes having a conductive cylindrical portion of a drill collar having a plurality of first cavities formed in a cross-sectional body. The drill collar also includes electromagnetic field generating means attached to each of the first cavities together with a plurality of first open antennas formed on the outer wall of the body of the portion and communicating with each of the first cavities, the electromagnetic field generating means being attached to each of the first cavities. A frequency having a magnetic field strength H component and having a long wavelength relative to the size of the aperture antenna for directing a narrowly limited lobe of induced electromagnetic energy through the aperture antenna into the perforated wall at a predetermined distance. have The drill collar further includes a plurality of second cavities axially spaced apart from, but coincident with, each of the first cavities and formed in the body of the portion of the drill string and an outer wall of the portion. and a plurality of second open antennas formed in and communicating with each of the second cavities. The device is mounted in each of the second cavities, and includes means for receiving electromagnetic energy from the formation surrounding the borehole in response to energy directed into the formation through the first open antenna; means for measuring the formation condition of the borehole along the length of the borehole in response to the energy applied and for measuring the slope and thickness of the formation penetrated by the borehole.

第1図を参照すると穿孔12の頂上に配設された掘穿リ
グ11が図示ていされる。掘穿中に地下の地層の傾斜を
測定するための系(装置)10具体例の1つは穿孔12
の中に配置されたドリルカラー15の部分を含むサブ1
4によって保持される。
Referring to FIG. 1, a drilling rig 11 is illustrated located at the top of a borehole 12. As shown in FIG. System (device) for measuring the slope of underground strata during drilling 10 One specific example is drilling 12
Sub 1 including the part of the drill collar 15 placed in the
Retained by 4.

水系10は、掘穿中の測定において該穿孔周囲の地質構
造に関するパラメーター(因子)および該穿孔がつき抜
ける地層の傾斜の測定に供される。
The water system 10 is used to measure parameters (factors) related to the geological structure around the borehole and the slope of the stratum through which the borehole penetrates during measurements.

さらに第1図を参照すると、ドリルビット22はドリル
ストリング18の下端に配設されており。
Still referring to FIG. 1, a drill bit 22 is located at the lower end of drill string 18.

掘穿泥水26が弁頭28からくみ入れられる間に、地層
24の穿孔12を掘穿する。金属製の表面ケーシング2
9は地表付近の穿孔12を保護するためにドリルビット
22上方の穿孔12内に位置するのが図示される。以下
に述べるように、本発明は掘穿中の測定で該穿孔がつき
抜ける地層の傾斜角の正確な測定ができる。ドリルスト
リング18捏 と穿孔壁20との間の環状腔16は、番論上返流泥水で
満される流路となる。泥水は、ドリルストリング18に
接続している泥水供給管路31を通じてポンプ装置30
によって弁頭28からくみ入れられる。このように掘穿
泥水はドリルストリング18の軸心通路を流下させられ
、岩石や地殻の掘削片およびこれらに関連するものを含
む掘削屑の運搬のためにドリルビットから地表に向って
該ドリルビット22から上方へ流出する。導管32が穿
孔18から泥水ビット34へ泥水を導くために弁頭に設
けられる。該掘穿泥水は、該泥水の選定された粘性およ
び粘稠度を維持するために典型的に取扱われ、かつ種々
の装W(図示せず)例えば脱ガス装置および循環タンク
によって処理される。サブ14に含まれている本装置は
、穿孔周囲の地層中付近の磁場強度H成分を有するR、
F、電磁エネルギーの方向制御を可能にし、かつ、ドリ
ルパイプを通じて掘穿流体をくみ入れる間に周囲の地層
の性状と組成を測定することを可能にする。
The borehole 12 in the formation 24 is drilled while the drilling mud 26 is pumped through the valve head 28. Metal surface casing 2
9 is shown positioned within the borehole 12 above the drill bit 22 to protect the borehole 12 near the surface. As described below, the present invention makes it possible to accurately measure the inclination angle of the stratum through which the perforation penetrates by measuring during the perforation. The annular cavity 16 between the drill string 18 and the drilling wall 20 essentially becomes a flow path filled with return mud. The muddy water is supplied to the pump device 30 through a muddy water supply pipe 31 connected to the drill string 18.
It is pumped in from the valve head 28 by. Drilling mud is thus forced down the axial passageway of the drill string 18 and directed from the drill bit toward the surface for transporting cuttings, including rock and crustal cuttings and related materials. It flows upward from 22. A conduit 32 is provided in the valve head for directing mud from the borehole 18 to the mud bit 34. The drilling mud is typically handled and treated by various devices W (not shown) such as a degasser and a circulation tank to maintain a selected viscosity and consistency of the mud. This device included in Sub 14 is capable of detecting R, which has a magnetic field strength H component near the stratum around the drilling hole.
F. Allows directional control of electromagnetic energy and allows measurement of the properties and composition of the surrounding formation while pumping drilling fluid through the drill pipe.

引き続き第1図を参照すると、穿孔下部の環境下にある
本発明の装置10の一部を含むサブ14とドリルカラー
15が図示されている。本装置は隣接する地層(複数)
の組成や穿孔の軸心に対する地層の傾斜角について情報
の穿孔の底での記録や、弁頭からの遠隔測定のための信
号を発生するように構成されている。該情報は以下によ
り詳細に記述されるように電磁アンテナおよびサブ14
中に配置された装置によって得られる。必須の遠隔測定
や分析の装置は従来の構成であり、特別に記載しない。
Continuing to refer to FIG. 1, a sub 14 and drill collar 15 are shown containing a portion of the apparatus 10 of the present invention in a lower drilling environment. This device is capable of handling adjacent strata (multiple)
It is configured to generate signals for recording at the bottom of the borehole and for telemetry from the valve head, information about the composition of the formation and the angle of inclination of the formation relative to the axis of the borehole. The information includes the electromagnetic antenna and sub-14 as described in more detail below.
obtained by a device placed inside. The essential telemetry and analysis equipment is of conventional construction and is not specifically described.

しかしながら、地層条件の測定のための方法と装置とは
以下に詳しく説明され、これは本発明の主題である。
However, methods and apparatus for the measurement of formation conditions are explained in detail below and are the subject of the present invention.

本発明に係る系(装置)の基本原理は従来スロットアン
テナと呼ばれている構造を組み込んでいる。スロットア
ンテナは通常L=Nλ/2であるように組み立てられる
。即ち、このアンテナの長さは該アンテナによってなさ
れる電磁放射の波長半分の整数倍である。さらに1重要
なことはそのようなアンテナ装置によって遠くの場所ま
で放射され伝播されるエネルギーである。しかしながら
掘穿中の測定での使用においては所望の操作環境におい
て長さにおいて丁度波長の半分の大きさを有するアンテ
ナ構造を設計することは全く実際的で1;!A’uN、
 。
The basic principle of the system (device) according to the present invention incorporates a structure conventionally called a slot antenna. Slot antennas are typically constructed such that L=Nλ/2. That is, the length of the antenna is an integer multiple of half the wavelength of the electromagnetic radiation produced by the antenna. A further important consideration is the energy radiated and propagated to distant locations by such antenna devices. However, for use in measurements during excavation, it is quite practical to design an antenna structure that is exactly half a wavelength in length in the desired operating environment! A'uN,
.

穿孔下部での測定機番は地層中で操作され、ここでは伝
播媒体の構成条件が変ることがあり、波長、従って半波
長を構成する距離も幅広く変りうる。かくて、種々に変
化する周囲の伝達媒体中での共振下でスロットアンテナ
を操作することは不可能である。
The measuring machine number at the bottom of the borehole is operated in the formation, where the conditions of composition of the propagation medium can change, and the wavelength, and therefore the distance that constitutes a half-wavelength, can also vary widely. Thus, it is not possible to operate a slot antenna under varying resonances in the surrounding transmission medium.

電磁放射による方位上の決定的な測定を効果的になすた
めに必要なことは、付近の磁場環境において高い方向性
の強い磁場Hを発生する開口アンテナが組み立てられる
ことである。ここで用いる強いH磁場という用語は電磁
放射の磁場Hのベクトル量がアンテナから離れた特定の
距離において磁場Eのベクトル量に対して大きいことを
意味する。同様に強い局所磁場Eとは磁場Eのベクトル
量が磁場Hのベクトル量に対して大きいことを意味する
。強い局所H磁場が望まれる。というのは、強い局所磁
場Hを生ずるアンテナは、穿孔の形状や局所的な構造条
件に対して過度に敏感であることなしに穿孔から離れた
地点での電流の誘起において、強い局所E磁場を生ずる
アンテナよりもはるかに効果的であるからである。
What is required to effectively make azimuthally definitive measurements by electromagnetic radiation is the construction of an aperture antenna that generates a highly directional, strong magnetic field H in the nearby magnetic field environment. As used herein, the term strong H magnetic field means that the vector magnitude of the magnetic field H of electromagnetic radiation is large relative to the vector magnitude of the magnetic field E at a particular distance away from the antenna. Similarly, a strong local magnetic field E means that the vector quantity of the magnetic field E is larger than the vector quantity of the magnetic field H. A strong local H magnetic field is desired. This is because an antenna producing a strong local magnetic field H can produce a strong local magnetic field E in inducing a current at a point away from the borehole without being overly sensitive to the geometry of the borehole or local structural conditions. This is because they are much more effective than conventional antennas.

地層中に電流を誘発する能力は、地層の構成要件に比例
する誘導電流によって生ずる信号を続けて測定すること
のできるために必須である。さらに、穿孔、通過後のマ
ッドケーキ領域および侵入された部位からいくらか離れ
たところで電流を誘発できることは乱されていない地層
の構成要件を決定するうえで必須な要素である。かくて
本発明の提案は、強い局所H磁場を生じさせ、かつ離れ
た地層に電流を誘発させるのに効果的な方法で開口アン
テナを励起させる方法を含むものである。
The ability to induce currents in the formation is essential in order to be able to subsequently measure the signal produced by the induced current, which is proportional to the composition of the formation. Furthermore, the ability to induce electrical currents at some distance from the perforation, the mud cake region and the penetrated site is an essential factor in determining the composition of the undisturbed formation. The present proposal thus includes a method for exciting an aperture antenna in a manner effective for producing strong local H magnetic fields and inducing currents in remote formations.

第2図に示されるように、このような測定方法に使用さ
れる開口の形は全く一般的なものであり、特別な形状の
孔は必ずしも必要はない。第2図に示すように、ドリル
カラー41の壁はその外周が不規則な周縁43を形成す
る開口42を形成している。ドリルパイプ41の胴部内
で電磁場は、開口42の開口縁43に対して垂直な矢印
44の方向にH磁場を生ずるように励起される。このよ
うに向けられたHa場によって、電流は開口の縁部を回
って流れるように誘起され、エネルギーは開口縁43に
垂直な方向へ外部環境に向って放射される。
As shown in FIG. 2, the shape of the aperture used in such a measurement method is quite conventional, and a specially shaped hole is not necessarily required. As shown in FIG. 2, the wall of drill collar 41 defines an opening 42 whose outer periphery defines an irregular periphery 43. As shown in FIG. In the body of the drill pipe 41 an electromagnetic field is excited to produce an H magnetic field in the direction of the arrow 44 perpendicular to the opening edge 43 of the opening 42 . With the Ha field directed in this way, a current is induced to flow around the edge of the aperture and energy is radiated in a direction perpendicular to the aperture edge 43 towards the external environment.

さらに第3図を参照すると、概ね直線の側壁46を有す
る矩形状の開口45がドリルカラー47の壁に形成され
ている。開口45に直接隣接してドリルカラーの内部に
向って、ワイヤ48の1つあるいはそれ以上巻いたルー
プアンテナがあり、これは矢印50の方向に局所H磁場
を生じるように、電流が矢印49の方向に流れるように
RoF、エネルギーによって作動される。望ましい放射
状に向けられたH磁場を形成するには、開口45の側壁
46の大きさがエネルギーの波長に対してホさい周波数
を有するR、F、エネルギーによって、スロット即ち開
口45が励起されることが好ましい。かくて、本発明に
よって教示されるスロットないし開口アンテナは周囲の
地層にエネルギーを伝播させるためにその共振周波数あ
るいはその付近では操作されず、むしろ開口45から離
れて放射状に向けられた近距離場での強いH成分を有す
るR、F、誘導磁場を生ずるように、その共振周波数を
かなり下回って操作されることが判る。
Still referring to FIG. 3, a rectangular opening 45 having generally straight sidewalls 46 is formed in the wall of the drill collar 47. Immediately adjacent the aperture 45 and towards the interior of the drill collar there is a loop antenna of one or more turns of wire 48 which allows the current to flow in the direction of arrow 49 so as to produce a local H magnetic field in the direction of arrow 50. RoF, energy actuated to flow in the direction. To create the desired radially directed H magnetic field, the slot or aperture 45 is excited by R, F energy whose size in the sidewalls 46 of the aperture 45 is at a frequency greater than the wavelength of the energy. is preferred. Thus, the slot or aperture antenna taught by the present invention is not operated at or near its resonant frequency to propagate energy into the surrounding formations, but rather in the near field directed radially away from the aperture 45. It can be seen that the R,F induced field is operated well below its resonant frequency to produce an R,F induced magnetic field with a strong H component.

さらに第4図に示されるように、本発明で用いられる開
口ないしスロットアンテナは上記エネルギーが非常に選
択的な方法で地層に向けられるように選定された方法と
周波数で構成される。図示されているように、例示され
たドリルカラー51は、互いに90°の角度で形成され
、ドリルカラー51の中Iら(軸を横切る共通の平面に
位置する複数のスロット52を有している。上記アンテ
ナの開口ないしスロットは、地層54中へ拡がって示さ
れる近距離場パターン53によって図示される水平面内
でのコリメート効果ないし焦点効果(collimat
ing or focusing effect)を生
ずるようにR,F、エネルギーによって励起される。さ
らに、地層の傾斜を測定できる高性能の地層検層をなす
に必要な垂直解像度(精度)を与えるために同様の垂直
焦点効果が必要であることが理解される。ドリルカラー
51の周囲円周に形成されたいくつかの間口52は同時
に複数の測定を可能にする。しかしながら、ただ1つの
開口ないし開口配列が地層の傾斜を測定するために装置
を監視しながら異なった方向での複数の測定をなすため
に用いられ、かつ、方位に関係して用いられることが理
解される。
As further shown in FIG. 4, the aperture or slot antenna used in the present invention is constructed in a manner and frequency selected such that the energy is directed to the formation in a highly selective manner. As shown, the illustrated drill collar 51 has a plurality of slots 52 formed at 90° angles to each other and located in a common plane transverse to the axis of the drill collar 51. The antenna aperture or slot has a collimating or focusing effect in the horizontal plane illustrated by the near field pattern 53 shown extending into the formation 54.
ing or focusing effect). Furthermore, it is understood that similar vertical focusing effects are necessary to provide the vertical resolution (accuracy) necessary for high performance formation logging capable of measuring formation slope. Several openings 52 formed in the circumference of the drill collar 51 allow for multiple measurements at the same time. However, it is understood that a single aperture or aperture arrangement can be used to make multiple measurements in different directions and in relation to orientation while monitoring equipment to measure the slope of the formation. be done.

単層の厚さと同様に地層の傾斜を測定するのに必要な全
ての情報を得るために地層をつき抜ける穿孔をドリルス
トリングが下降する間、l連の方位測定が繰り返えされ
ることが明らかであろう。
It is clear that a series of azimuth measurements are repeated as the drill string descends through the formation to obtain all the information necessary to measure the slope of the formation as well as the thickness of the single layer. Will.

副共振周波数(Subresonant freque
ncies)で用いられるスロット即ち開口アンテナは
、穿孔中に向けられるエネルギーのパターンを形成する
穿孔配列の他の形状として発信器対として配列されても
よいことが理解さるべきである。
Subresonant frequency
It should be understood that the slot or aperture antennas used in the perforations may be arranged in transmitter pairs as other shapes of perforation arrays form patterns of energy directed during the perforations.

確かに、穿孔に隣接する地層の電気的条件と物理的構成
との間の関係は、明確に測定された電気的条件の組合せ
から地層の傾斜を測定することができるように把握され
る。それ故、本発明にとって本質的なことは、むしろあ
る地層を隣接する次の地層との遷移域の表示として電気
的条件が変るところの穿孔中での軸および方位位置を容
易に決定できるように地層の電気的条件の数値がめられ
ることである。
Indeed, the relationship between the electrical conditions and the physical configuration of the formation adjacent to the borehole is known such that from the combination of the clearly measured electrical conditions the slope of the formation can be determined. Therefore, it is rather essential to the invention that the axial and azimuthal positions in the drilling where the electrical conditions change can be easily determined as an indication of the transition zone between one formation and the next adjacent formation. It is possible to determine the electrical conditions of the strata.

第5図を参照すると、本発明の教示に基づいて構成され
た装置を保持するサブ14の部分的に切り開いた図式的
な断面図が図示されている。
Referring to FIG. 5, there is shown a schematic, partially cutaway cross-sectional view of sub 14 carrying a device constructed in accordance with the teachings of the present invention.

サブ14は好ましくは、穿孔12中に位置するドリルス
トリング18を含むドリルパイプの部分間に結合された
ドリルカラーを含む。穿孔12は、例示のためにその間
に指示番号63で図示される境界を有する頁岩層61と
粘土層62を含む地層を貫通している。本発明の方法と
装置(系)の作用は、地層の境界層の傾斜角をめるため
に、境界層63が該穿孔12を横切っている該穿孔の壁
に沿った数地点を測定することである。なお層61と6
2および境界層63との関係は単に説明のために図示さ
れていると理解すべきである。実際、図示される領域の
明瞭な境界の替りに、地質構造の遷移はより一層漸移的
である。
Sub 14 preferably includes a drill collar coupled between sections of drill pipe containing drill string 18 located in borehole 12 . The borehole 12 penetrates a formation that includes a shale layer 61 and a clay layer 62 with a boundary illustrated by reference numeral 63 therebetween for purposes of illustration. The operation of the method and apparatus (system) of the invention is to measure several points along the wall of the borehole 12 where the boundary layer 63 crosses the borehole 12 in order to determine the slope angle of the boundary layer of the formation. It is. Note that layers 61 and 6
It should be understood that the relationship between 2 and boundary layer 63 is shown for illustrative purposes only. In fact, instead of clear boundaries of the illustrated area, the geological structure transitions are more gradual.

サブ14は軸心通路72を有する円筒状の銅体(ドリル
カラー)71を有する。通路孔72は掘穿流がドリルス
トリングを流下しドリルビット22に流出し、サブ14
の側部と穿孔12の壁との間の環状腔16を通じて地表
に流れ戻るのを許容する。環状腔16は導電性掘穿流体
によって満たされる。孔72に隣接する円筒状ドリルカ
ラー71の一方の成形端部は機器隔室74を形成する段
部73である、隔室74は軸心通路72の内径と同一の
内径を有するほぼ円筒状の挿入物75と機器室74を閉
塞するための放射状の漏斗状をなす上端部材76とによ
って掘穿流体がしみ込まないように封止されている。
The sub 14 has a cylindrical copper body (drill collar) 71 having an axial passage 72. The passage hole 72 allows the drilling fluid to flow down the drill string and into the drill bit 22, and the sub 14
The annular cavity 16 between the sides of the borehole 12 and the wall of the borehole 12 allows the flow to flow back to the surface. The annular cavity 16 is filled with conductive drilling fluid. One formed end of the cylindrical drill collar 71 adjacent to the hole 72 is a step 73 forming an equipment compartment 74 , the compartment 74 being a generally cylindrical drill collar 71 having an inner diameter that is the same as the inner diameter of the axial passageway 72 . The insert 75 and a radial funnel-shaped upper end member 76 for closing the equipment chamber 74 are sealed to prevent drilling fluid from penetrating.

機器室74は無線周波数発信器と無線周波数受信器の両
方を電源と共に含み、かつ記録計および/または図示し
ない手段によって地表へデータを伝える計器を含む。
Equipment room 74 includes both a radio frequency transmitter and a radio frequency receiver along with a power source, and includes recorders and/or instruments that communicate data to the surface by means not shown.

第5図に例示的に図示される本発明の具体例は、一方か
ら他方へ120°の方位で取付けられている3組の開口
即ちスロットアンテナを含む。発信器のスロット81は
その長手方向がドリルカラーの軸と平行に延びた矩形で
ある。該発信器孔は、例えば、1インチ半(3,8cm
)の巾で4ないし6インチ(10〜15cm)の長さの
ようなものである。
The embodiment of the invention illustrated illustratively in FIG. 5 includes three sets of aperture or slot antennas mounted at 120 degrees from one to the other. The transmitter slot 81 is rectangular with its longitudinal direction extending parallel to the axis of the drill collar. The transmitter hole is, for example, one and a half inches (3.8 cm) in diameter.
) and 4 to 6 inches (10 to 15 cm) long.

各スロット81はドリルカラーにおいてアンテナ取付凹
部82から外部へ至り放射状に位置しており、該凹部8
2にはスロット81の長手方向とループの長手方向とが
同方向である楕円状のルー、プ発信アンテナ83が位置
している。各ループ83は1回ないしそれ以上の巻かれ
た導電部材を有し、その端部は、ドリルカラー81の鋼
製胴部を貫くアンテナ取付は凹部82から無線周波数発
信器の出力端に、管状導管84によって導かれている。
Each slot 81 is located radially from the antenna mounting recess 82 to the outside in the drill collar, and the recess 8
2, an elliptical loop transmission antenna 83 is located in which the longitudinal direction of the slot 81 and the longitudinal direction of the loop are in the same direction. Each loop 83 has one or more turns of conductive material, the end of which is connected to the output end of the radio frequency transmitter through a recess 82 for antenna attachment through the steel body of the drill collar 81. It is guided by conduit 84.

同様に1発信アンテナ81の直下には第1受信アンテナ
取付腔92が径方向内側に形成された同一の第1受信ス
ロット即ち開口アンテナ91がある。
Similarly, immediately below the first transmitting antenna 81 is an identical first receiving slot or aperture antenna 91 having a first receiving antenna mounting cavity 92 formed radially inward.

第1スロツト受信アンテナ91は発信アンテナ81から
軸方向へ数インチのオーダーの距離に配設され、軸に一
致している。各腔92に取付けら形ループタイプ受信ア
ンテナ93であり、その端部は管状ガイド94の手段に
よって機器室74内に位置する受信器に接続するように
導かれている。
The first slot receive antenna 91 is disposed axially a distance on the order of several inches from the transmit antenna 81 and is aligned with the axis. Attached to each cavity 92 is a loop-type receiving antenna 93, the end of which is guided by means of a tubular guide 94 for connection to a receiver located within the equipment chamber 74.

本発明の装置は、第1受信開ロアンテナ91の直下でか
つ同一軸上の円周に隔てて配設された第2開ロアンデナ
101の配置を意図する。該第2受信開ロアンテナ10
1は第1アンテナ91から2〜3インチ程度軸方向に離
れた距離に配設されている。各第2開ロアンテナ101
は第2受信アンテナ取付腔102につながっている。導
電性ワイヤの1ないしそれ以上の巻回を有する第2の卵
形ループ型受信アンテナ103が各腔102に取付けら
れ、その端部は機器室74内に位置する受信器に接続す
るように管状ガイド104によって導びかれている。
The device of the present invention is intended to have a second open antenna 101 disposed directly below the first open receiving antenna 91 and spaced apart from each other on the same axis. The second receiving antenna 10
1 is disposed at a distance of about 2 to 3 inches from the first antenna 91 in the axial direction. Each second open antenna 101
is connected to the second receiving antenna mounting cavity 102. A second oval-shaped loop receive antenna 103 having one or more turns of conductive wire is mounted in each cavity 102, the end of which is tubular for connection to a receiver located within the equipment compartment 74. It is guided by a guide 104.

アンテナを取り付ける腔と開口すなわちスロットアンテ
ナの内部は強靭な弾性絶縁材によって充填されて発信お
よび受信アンテナを固定し、それらを掘穿の進行中に苛
酷な環境から保護し、またドリルカラーの外周を掘穿流
体の侵入に対して閉じ、連続した外表面を形成する。
The interior of the antenna mounting cavity and opening or slot antenna is filled with a strong elastic insulation material to secure the transmitting and receiving antennas, protect them from the harsh environment during drilling progress, and to protect the outer periphery of the drill collar. It closes against the ingress of drilling fluids and forms a continuous outer surface.

開口アンテナの大きさはその周波数での四分の−ないし
半波長より充分小さい。該スロットアンテナは、周囲の
地層へ電磁的エネルギーを伝播するための共振器として
作動するよりはむしろ、垂直および水平の両方に狭い限
られた領域での地層に誘導電磁場を生ずるコラムネータ
ー(coLL、mnators)として作動する。該ル
ープアンテナ83は、地層内での磁場の侵入と鮮明度を
最大にする近距離の場で、誘導電磁場パターンが非常に
強いH磁場成分を有する方法で操作される。同様に該ス
ロットないし開口受信アンテナは狭い電磁界パターンを
限定するように作用し、それは誘導磁場に応じて変化す
る地層の導電性によって生ずる受信信号に応じて卵形ル
ープ受信アンテナ93を励起する。
The size of an aperture antenna is much smaller than a quarter to half a wavelength at that frequency. Rather than operating as a resonator to propagate electromagnetic energy to the surrounding formations, the slot antenna is a columnnator (coLL, mnators). The loop antenna 83 is operated in such a way that the induced electromagnetic field pattern has a very strong H field component in a close range field that maximizes the penetration and visibility of the magnetic field within the formation. Similarly, the slot or aperture receiving antenna acts to confine a narrow electromagnetic field pattern, which excites the oval loop receiving antenna 93 in response to the received signal caused by the conductivity of the formation changing in response to the induced magnetic field.

3個の発信アンテナ81がドリルカラ−15a円周の回
りに配設され、近距離場で強いH磁場成分を有するR、
F、信号によって励起され、かつ該受信スロットアンテ
ナ91がそれぞれ同時に用いられていると、これら受信
信号は各々の受信アンテナスロット91の夫々に隣接す
る地層の導電性を示している。ドリルステム18が穿孔
を軸方向に下降され、それに続く発信が周囲に配設され
た3個のスロット発信アンテナ81の夫々から為され、
周囲に配設された3個の受信スロットアンテナ91での
受信信号が先の読み取りと比較されれば、穿孔に沿った
距離によって穿孔周囲の地層が変る表示がここに与えら
れる。より詳細には、穿孔に沿った長手方向と方位との
両方の関数としての導電性の変化は穿孔が貫通する地層
の傾斜を表示するための従来のソフトウェアによって遂
行さILることかできる。
Three transmitting antennas 81 are arranged around the circumference of the drill collar 15a, and R, which has a strong H magnetic field component in the near field,
F, and when the receive slot antennas 91 are each used simultaneously, these received signals are indicative of the conductivity of the formation adjacent to each respective receive antenna slot 91. The drill stem 18 is axially lowered through the drilling hole, and subsequent transmissions are made from each of the three slot transmission antennas 81 disposed around the circumference,
If the received signals at the three receiving slot antennas 91 arranged around the circumference are compared with the previous readings, an indication is now given of the change in the strata around the borehole with distance along the borehole. More specifically, the variation in conductivity as a function of both longitudinal and azimuth along the borehole can be performed by conventional software to display the slope of the formation through which the borehole penetrates.

他の好ましい操作態様においては、発信された開口アン
テナ81を通じて地層中に誘発された信号は第1受信開
ロアンテナ91の配列および第2受信開ロアンテナ10
1の配列の両方によって受信される。第1アンテナ91
と第2アンテナ101とで受信された信号間の位相差は
穿孔に隣接する地層の性質を示している。この位相差は
受信器を具えた機器室74に配置され位相比較器により
、2つの受信信号の出力間で測定される。位相差の動き
を数回測定するために機器が穿孔を下方に動くことによ
って従来の信号解析技術により地層の傾斜と単層の厚さ
を測定できる。
In another preferred mode of operation, the signal induced into the formation through the emitted aperture antenna 81 is transmitted through the array of first receive aperture antennas 91 and the second receive aperture antenna 10.
1 array. First antenna 91
The phase difference between the signals received by the second antenna 101 and the second antenna 101 is indicative of the nature of the formation adjacent to the borehole. This phase difference is measured between the outputs of the two received signals by a phase comparator located in the equipment room 74 containing the receiver. By moving the instrument down the borehole to measure the phase difference movement several times, the slope of the formation and the thickness of the monolayer can be determined by conventional signal analysis techniques.

本発明の本質的な特徴は、穿孔周囲の地層の実質的な深
さを貫く、高指向性で大きい振幅の非伝電磁波エネルギ
ー即ち誘導性磁場の非伝播性磁場成分と組み合せてスロ
ットないし開口アンテナを用いることである。励起信号
の誘導−場モードは、従来技術によって教示される共振
伝播マイクロ波によってなされるよりも穿孔壁外側の深
い距離を貫通することができる。
An essential feature of the invention is that a slot or aperture antenna in combination with a highly directional, large amplitude non-propagating electromagnetic wave energy, i.e., a non-propagating magnetic field component of an induced magnetic field, penetrates a substantial depth in the formation surrounding the borehole. is to use. The induced-field modes of the excitation signal can penetrate deeper distances outside the perforation wall than is possible with resonantly propagating microwaves taught by the prior art.

前述の開示から理解されるように、本発明の装置と方法
は、掘穿中の測定方法の1つとして、穿孔中の垂直方向
と方位方向の精度をもって決定される地層条件の数値を
正確に測定することを可能にする。
As can be understood from the foregoing disclosure, the apparatus and method of the present invention, as one of the measurement methods during drilling, accurately measure numerical values of formation conditions determined with vertical and azimuth accuracy during drilling. Allows you to measure.

本発明の操作と構造は前2述の記載から明らかであると
思われる。図示され記述された方法と装置は好適なもの
として示されており、特許請求の範囲に記載された本発
明の意図と精神から逸脱することなく、種々の変化と変
更をなしうろことは明らかであろう。
The operation and structure of the invention will be apparent from the foregoing description. It will be obvious that the methods and apparatus illustrated and described are shown as preferred and that various changes and modifications may be made thereto without departing from the spirit and spirit of the invention as claimed. Probably.

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

第1図は、穿孔掘穿操作の図式的な側部断面図であって
、穿孔によって貫通される地層の電磁的調査を図示する
ものである。 第2図は電磁場を発生させるために形成された開口アン
テナを有するドリルパイプの拡大部分耕°視図、第3図
は開口の端部に垂直なH磁場を有する電磁エネルギーを
発生させるために開口アンテナを励起する方法の1つを
図式的模式的に示した図、第4図はドリルカラーに装着
された開口アンテナ配列の上面図であり、各開口から発
せられる誘導電磁場を図示する。第5図は穿孔に沿った
地面下の地層の傾斜を測定するために、本発明8.の開
口アンテナ装置と一体の掘穿巾測定装置の長手方向に沿
った部分断面を示す図である。。 図面中、II・・・掘穿リグ、12・・・穿孔、14・
・・サブ、15・・・ドリルカラー、16・・・環状腔
、18・・・ドリルストリング、20・・・穿孔壁、z
2・・・ドリルビット、26・・・泥水、28・・・ケ
ーシング、30・・・ポンプ、31・・・泥水供給管路
、32・・・導管、34・・・泥水ピット、42.45
・・・開口、46・・・側壁、51・・・ドリルカラー
、52・・・開口、71・・・ドリルカラー、72・・
・軸心通路、73・・・段部、74・・・計器室、81
・・・スロット、82・・・凹部、83・・・発信アン
テナ、91・・・受信アンテナ。 特許出願人 エヌ・エル・インダストリーズ・インコー
ホレーテッド 代 理 人 弁理士 松 井 政 広
FIG. 1 is a schematic side cross-sectional view of a borehole drilling operation illustrating electromagnetic interrogation of the formation penetrated by the borehole. FIG. 2 is an enlarged partial perspective view of a drill pipe with an aperture antenna formed to generate an electromagnetic field; FIG. FIG. 4 is a top view of an aperture antenna array mounted on a drill collar, illustrating the induced electromagnetic field emanating from each aperture. FIG. 5 shows the method of the present invention 8. for measuring the slope of the subsurface strata along the perforation. FIG. 3 is a diagram showing a partial cross section along the longitudinal direction of the excavation width measuring device integrated with the aperture antenna device of FIG. . In the drawings, II...Drilling rig, 12...Drilling, 14.
... Sub, 15 ... Drill collar, 16 ... Annular cavity, 18 ... Drill string, 20 ... Perforation wall, z
2... Drill bit, 26... Mud water, 28... Casing, 30... Pump, 31... Mud water supply pipe, 32... Conduit, 34... Mud water pit, 42.45
...Opening, 46...Side wall, 51...Drill collar, 52...Opening, 71...Drill collar, 72...
・Axis passageway, 73...Stepped portion, 74...Control room, 81
... slot, 82 ... recess, 83 ... transmitting antenna, 91 ... receiving antenna. Patent applicant N.L. Industries, Inc. Representative Patent attorney Masahiro Matsui

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)穿孔に隣接する地層の特性を測定する装置であっ
て。 導電性の円筒状ハウジング; 該ハウジング内に形成された腔; 上記ハウジングと穿孔壁との間の環状空隙と上記腔を連
通して上記ハウジング外壁に形成された開口アンテナ; 上記腔に装着された電磁場発生手段であって、該電磁場
が強いH磁場成分を有し、その周波数において穿孔の壁
のなかへ実質的な距離だけ誘導電磁エネルギーの狭く限
定されたビームを向わせる該開口アンテナの寸法に対し
て波長が長いところの周波数を有するもの; 上記腔に装着された、発信されたエネルギーに対応した
穿孔壁周囲の地層からのエネルギーを受信する手段; 受信したエネルギーに応じ該穿孔を含む地層の特性を測
定する手段; を含む装置。 (2、特許請求の範囲第1項に記載した穿孔に隣接する
地層の特性を測定する装置であって、上記開口アンテナ
は矩形であり、該開口アンテナの大きさは上記誘導電磁
エネルギーの波長の整分数(integral fra
ction)より小さいもの。 (3)特許請求の範囲第1項に記載した地層の特性に測
定する装置であって、 上記ハウジング内に形成された第2腔;該ハウジングに
形成され、上記第2腔に連通し、該第2腔内に上記信号
受信手段が配設されてなる第2開口アンテナ; を含むもの。 (4)特許請求の範囲第3項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、上記第1および第2開ロアンテナ
が共に矩形であり、その長辺は上記ハウジングの中心軸
と平行に一列をなし、これら2っの開口アンテナは他の
ものから垂直に間隙が空けられているもの。 (5)特許請求の範囲第1項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、測定の実施の際、上記開口アンテ
ナの方位を監視する手段を含むもの。 (6)特許請求の範囲第1項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、上記電磁場が2MHz程度の周波
数を有し、上記開口アンテナの大きさが0.5インチな
いし6インチ(0,12〜15.24cm)であるもの
。 (7)特許請求の範囲第1項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、上記腔と上記開口アンテナは絶縁
材によって充填されているもの。 (8)特許請求の範囲第1項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、ドリルカラーの導電性円筒状部分
ニトリルカラーの上記部分の胴部に円周へ間隔を空けて
形成された複数の第1腔;上記部分の外壁に形成され、
上記第1腔のそれぞれに連通する複数の第1開口アンテ
ナ;各上記第1腔に装着された電磁場発生手段であって
、該電磁場は強いH磁場成分を有しかつその周波数にお
いて波長が上記開口アンテナの寸法に対して長いところ
の周波数のものであり、誘導電磁エネルギーの狭い限定
されたローブを該開口アンテナを通して穿孔壁中へ実質
的な距離だけ向かわせるもの;上記第1腔のそれぞれか
ら軸方向に間隔を空は軸方向に一致して設けられドリル
ストリングの上記部分の胴部に形成された複数の第2腔
;上記部分の外壁に形成され、上記第2腔のそれぞれと
連通ずる複数の第2開口アンテナ:上記第2腔の各々に
装着され、上記第1開ロアンテナを通じて地層中へ向け
られたエネルギーに応じて穿孔周囲の地層からの電磁エ
ネルギーを受信する手段;上記受信手段によって受信さ
れたエネルギーに応じて穿孔の長さに沿って穿孔の地層
条件を測定しかつ穿孔によって貫通される地層の傾斜と
厚さを測定する許 1; 手段;を有し、掘巻中膨穿孔によって貫通された地層の
傾斜と厚さを測定するもの。 (9)特許請求の範囲第8項に記載した地層の特性を測
定する装置であって、上記第1および第2開ロアンテナ
はドリルカラーの上記部分の細心と平行な長手方向の断
面が矩形であるもの。 (10)特許請求の範囲第8項に記載した地層の特性を
測定する装置であって、上記第1および第2腔と上記第
1および第2開ロアンテナは上記ドリルカラーを閉塞し
連続した外表面とするために耐久性のある弾性の絶縁材
で充填されるもの。 (11)特許請求の範囲第8項に記載した地層の特性を
測定する装置であって、上記電磁場発生手段は、開口ア
ンテナと該アンテナに結合された発信器の平面とほぼ平
行な平面上に位置するループ状のアンテナからなるもの
。 (12、特許請求の範囲第8項に記載した地層の特性を
測定する装置であって、上記電磁場は2MHz程度の周
波数を有し、該開口アンテナの大きさは0.5インチな
いし6インチ(0,12〜15.24cm)の範囲であ
り、該アンテナは非共振モードで作動されるもの。 (13)特許請求の範囲第8項に記載した地層の特性を
測定する装置であって、 ドリルカラーの上記部分の胴部に円周へ間隔を空けて形
成された複数の第3腔;上記部分の外壁に形成さ九、上
記第3腟のそ九ぞ九に連通ずる複数の第3開口アンテナ
;上記第3腟の各々に装着され、上記第1開ロアンテナ
を通じて地層中へ向けられたエネルギーに応じて穿孔周
囲の地層からの電磁エネルギーを受信する手段;を含み
、上記受信エネルギー応答手段が、穿孔の地層条件を測
定するために上記第2および第3開ロアンテナによって
受信された信号間の位相差を比較する手段を含むもの。 (14)穿孔に隣接する地層の特性を測定する方法であ
って、 開口壁が穿孔の軸と平行に拡がる平面上に位置するよう
に第1開ロアンテナを穿孔中に設置し、近距離湯中で強
いH磁場成分を有しかつ開口アンテナの巾が174波長
に対して小さい周波数を有する電磁場を発生させ、穿孔
壁を越えて実質的な距離で周囲の地層中に貫通させるた
めに狭い非伝播誘導磁場成分を限定するための上記開口
アンテナを通じて上記電磁場を周囲の地層へ向けさせ、
地層の特性を測定するために上記開口アンテナを通じて
指向された電磁エネルギーによる地層の貫通に対応する
電磁信号を受信することを含む方法。 (15)特許請求の範囲第14項に記載した穿孔に隣接
する地層の特性を測定する方法であって、上記受信工程
は上記第1開ロアンテナに平行な側壁を有する穿孔内に
第2開ロアンテナを設置し;地層の特性を測定するため
に第2開ロアンテナを通じて地層背後から貫通する電磁
信号を受信することを含むもの。 (16)特許請求の範囲第14項に記載した穿孔に隣接
する地層の特性を測定する方法であって、上記開口アン
テナの側壁は長辺が穿孔の軸に平行な矩形であるもの。 (17)特許請求の範囲第14項に記載した穿孔に隣接
する地層の特性を測定する方法であって、上記電磁場の
周波数が2MHzのオーダであり、開口アンテナの大き
さが0.5ないし6インチ(0,12〜15.24cm
)であるもの。 (18)穿孔に隣接する地層の特性を測定する装置であ
って、開口壁が穿孔の軸と平行に拡がる平面上に位置す
るように第1開ロアンテナを穿孔中に設置する手段;近
距離湯中で強いH磁場成分を有しかつ開口アンテナの1
1が174波長に対して小さい周波数を有する電磁場を
発生させる手段;穿孔壁を越えて実質的な距離で周囲の
地層中に貫通させるために狭い非伝播誘導磁場成分を限
定するための開口アンテナを通じて上記電磁場を周囲の
地層へ向けさせる手段;地層の特性を測定するために上
記開口アンテナを通じて指向された電磁エネルギーによ
る地層の貫通に対応する電極信号を受信する手段を含む
もの。 (19)特許請求の範囲第18項に記載した穿孔に隣接
する地層の特性を測定する装置であって、上記受信部分
は上記第1開ロアンテナに平行な側壁を有する穿孔内に
第2開ロアンテナを設置する手段;地層の特性を測定す
るために第2開ロアンテナを通じて地層背後から貫通す
る電磁信号を受信する手段を含むもの。 (2、特許請求の範囲第18項に記載した穿孔に隣接す
る地層の特性を測定する装置であって、上記開口アンテ
ナの側壁は長辺が穿孔の軸に平行な矩形であるもの。 (2、特許請求の範囲第18項に記載した穿孔に隣接す
る地層の特性を測定する装置であって、上記電磁場の周
波数が2MHzのオーダであり、開口アンテナの大きさ
が0.5ないし6インチ(0,12〜15.24cm)
であるもの。
[Scope of Claims] (1) An apparatus for measuring characteristics of a stratum adjacent to a drilling hole. an electrically conductive cylindrical housing; a cavity formed within the housing; an aperture formed in the outer wall of the housing, communicating the cavity with an annular gap between the housing and the perforated wall; mounted in the cavity. the dimensions of said aperture antenna, said electromagnetic field generating means, said electromagnetic field having a strong H field component and directing a narrowly confined beam of induced electromagnetic energy a substantial distance into the wall of the perforation at that frequency; a means installed in the cavity for receiving energy from the strata around the perforation wall corresponding to the emitted energy; a stratum containing the perforation in response to the received energy; means for measuring the properties of; (2. A device for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole as set forth in claim 1, wherein the aperture antenna is rectangular, and the size of the aperture antenna is equal to the wavelength of the induced electromagnetic energy. integral fraction
ction). (3) A device for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 1, comprising: a second cavity formed in the housing; a second cavity formed in the housing and communicating with the second cavity; A second aperture antenna in which the signal receiving means is disposed within a second cavity. (4) The device for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 3, wherein the first and second open antennas are both rectangular, and the long sides thereof are parallel to the central axis of the housing. These two aperture antennas are vertically spaced apart from each other in a row. (5) An apparatus for measuring the characteristics of a stratum as set forth in claim 1, which includes means for monitoring the orientation of the aperture antenna during measurement. (6) An apparatus for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 1, wherein the electromagnetic field has a frequency of about 2 MHz, and the aperture antenna has a size of 0.5 inches to 6 inches ( 0.12 to 15.24 cm). (7) An apparatus for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 1, wherein the cavity and the aperture antenna are filled with an insulating material. (8) A device for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 1, wherein the conductive cylindrical portion of the drill collar is formed at intervals on the circumference of the body of the portion of the nitrile collar. a plurality of first cavities; formed on the outer wall of the portion;
a plurality of first aperture antennas communicating with each of the first cavities; an electromagnetic field generating means attached to each of the first cavities, wherein the electromagnetic field has a strong H magnetic field component and whose wavelength at the frequency is the same as that of the apertures; of a frequency that is long relative to the dimensions of the antenna and directs a narrow, confined lobe of induced electromagnetic energy through said aperture antenna and into the perforated wall a substantial distance; axially from each of said first cavities; a plurality of axially spaced second cavities formed in the body of the portion of the drill string; a plurality of second cavities formed in the outer wall of the portion and communicating with each of the second cavities; a second aperture antenna of: a means for receiving electromagnetic energy from the formation surrounding the borehole in response to energy directed into the formation through the first open antenna, mounted in each of the second cavities; 1. Measuring the formation conditions of the borehole along the length of the borehole in response to received energy and measuring the slope and thickness of the strata penetrated by the borehole; Measures the slope and thickness of the strata penetrated by. (9) The device for measuring the characteristics of a stratum as set forth in claim 8, wherein the first and second open antennas have a rectangular cross section in the longitudinal direction parallel to the fine details of the portion of the drill collar. something that is. (10) The device for measuring the characteristics of a stratum as set forth in claim 8, wherein the first and second cavities and the first and second open antennas close the drill collar and are continuous. An outer surface filled with a durable elastic insulating material. (11) An apparatus for measuring characteristics of a geological formation as set forth in claim 8, wherein the electromagnetic field generating means is arranged on a plane substantially parallel to the plane of an aperture antenna and a transmitter coupled to the antenna. Consisting of a loop-shaped antenna located at (12. An apparatus for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 8, wherein the electromagnetic field has a frequency of about 2 MHz, and the size of the aperture antenna is 0.5 inches to 6 inches ( 0.12 to 15.24 cm), and the antenna is operated in a non-resonant mode. (13) An apparatus for measuring the characteristics of a geological formation as set forth in claim 8, comprising: a drill; a plurality of third cavities formed in the body of said portion of the collar at intervals around the circumference; a plurality of third openings formed in the outer wall of said portion and communicating with said third vagina; an antenna; means for receiving electromagnetic energy from the formation surrounding the perforation in response to energy directed into the formation through the first open antenna; and means for responding to the received energy; including means for comparing the phase difference between the signals received by the second and third open antennas in order to measure the formation conditions of the drilling. (14) Measuring the properties of the formation adjacent to the drilling. A first open antenna is installed in a borehole so that the opening wall is located on a plane extending parallel to the axis of the borehole, and the first open antenna has a strong H magnetic field component in hot water at a short distance, and the antenna has a strong H magnetic field component. through said aperture antenna for generating an electromagnetic field having a frequency small to 174 wavelengths in width and confining the narrow non-propagating induced magnetic field component to penetrate beyond the borehole wall and into the surrounding formations a substantial distance; Direct the electromagnetic field to the surrounding strata,
A method comprising receiving an electromagnetic signal corresponding to penetration of a formation by electromagnetic energy directed through the aperture antenna to measure properties of the formation. (15) A method for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole according to claim 14, wherein the receiving step includes a second opening in the borehole having a side wall parallel to the first open antenna. and receiving electromagnetic signals penetrating from behind the formation through a second open antenna to measure properties of the formation. (16) A method for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole according to claim 14, wherein the side wall of the aperture antenna has a rectangular shape with a long side parallel to the axis of the borehole. (17) A method for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole according to claim 14, wherein the frequency of the electromagnetic field is on the order of 2 MHz, and the size of the aperture antenna is between 0.5 and 6 MHz. inch (0.12~15.24cm
). (18) A device for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole, wherein the first open antenna is installed in the borehole so that the aperture wall is located on a plane extending parallel to the axis of the borehole; short distance 1 of the open antenna which has a strong H magnetic field component in hot water.
Means for generating an electromagnetic field having a frequency small relative to 1 to 174 wavelengths; through an aperture antenna to confine a narrow non-propagating induced magnetic field component to penetrate into the surrounding strata at a substantial distance beyond the borehole wall; means for directing said electromagnetic field into surrounding formations; means for receiving electrode signals corresponding to penetration of the formation by electromagnetic energy directed through said aperture antenna to measure properties of the formation; (19) An apparatus for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole as set forth in claim 18, wherein the receiving portion has a second opening in the borehole having a side wall parallel to the first open antenna. means for installing an antenna; means for receiving electromagnetic signals penetrating from behind the formation through a second open antenna for measuring properties of the formation; (2. An apparatus for measuring the characteristics of a stratum adjacent to a borehole according to claim 18, wherein the side wall of the aperture antenna has a rectangular shape with a long side parallel to the axis of the borehole. (2) , an apparatus for measuring the characteristics of a geological formation adjacent to a borehole as claimed in claim 18, wherein the frequency of the electromagnetic field is on the order of 2 MHz and the size of the aperture antenna is between 0.5 and 6 inches ( 0.12~15.24cm)
something that is.
JP60064051A 1984-03-30 1985-03-29 Device and method of measuring characteristic of bed adjacent to bore hole Pending JPS60219581A (en)

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