JPS63176589A - 井戸孔内に於けるデータ伝送方法及び装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、井戸孔内に於けるデータの伝送に係り、更に
詳細には穿孔を行いつつダウンホールデータ、即ちｔｐ
１定結果を得るのに有用なデータの伝送方法及び装置に
係る。

従来の技術 ロータリ穿孔に於ては、ロックビットがドリルストリン
グ又はドリルバイブの下端にねじ込まれる。バイブは孔
内に下降されて回転され、これによりビットによって地
層がかき崩される。ビットはドリルパイプよりも大きい
ボアホールを形成し、従って、ドリルストリングの周り
に環状空間が形成される。孔の深さが増大するにつれて
ドリルストリングにドリルバイブのセクションが次々と
追加される。

穿孔中には、「泥」と呼ばれることが多い流体がドリル
バイブ及びドリルビットを経て下方ヘボンブ送りされ、
しかる後環状空間を経て地表へ搬送され、これによりボ
アホールの底より地表へ切削物が搬送される。

穿孔中にボアホールの状態を検出することが有利である
。しかし必要なデータの多くはボアホールの底近傍に於
て検出されなければならず、従ってデータを容易には収
集することができない。データ収集の理想的な方法は通
常の穿孔作業をスローダウンさせたり阻害したすせず、
過剰に人を必要としたり穿孔作業者に特殊な仕事に従事
させたりすることがない。更に瞬間的に、即ちリアルタ
イムに収集されるデータは時間的に遅延して収集される
データよりも有用性が高い。

穿孔を行いつつ測定を行う装置は方向性穿孔に於て有用
である。方向性穿孔はドリルビットを用いて特定の方向
にボアホールを穿孔し、これにより成る穿孔目的を達成
する方法である。ドリフト角度、方位、工具面の方向に
関する測定結果は方向性穿孔を補助する。穿孔を行いつ
つ測定を行う装置はシングルショット検査及びワイヤラ
イン・ステアリング工具を必要とせず、穿孔に要する時
間及びコストを節減する。

また穿孔を行いつつｌか１定を行う装置はドリルビット
の状態に関する価値のある情報を出力し、摩耗したビッ
トをいつ交換すべきかを判定することを補助し、これに
より「グリーン」ビットの引上げを回避する。ビットに
対するトルクの測定結果はこの点に於て有用である。例
えば１９８４年３月１９日に出版されたＯｌｌ　＆Ｇａ
ｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第１１９〜１３７頁のｒＭｕｌｔ
ｌｓｅｎｓｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ−１ｊｈｉ
ｌｅ−Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｏｏｌ　Ｉｍｐｒｏｖｅｓ
　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｅｃｏｎｏａ＋１ｃｓＪ　　（Ｔ
、　ｌ３ａＬｅｓ及びＣ，Ｍａｒｔｌｎ著）及び１９８
３年５月に出版されたＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｐｅｔ
ｒｏｌｅｕＩＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙの第８９９〜９０
７頁に記載されたｒ　Ｒｅｐ。

ｒｔ　ｏｎ　ＭＷＤ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｄｏ
ｗｎｈｏｌｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　Ｊ（Ｄ、　Ｇｒｏｓｓ
ｏ等著）を参照されたい。

穿孔を行いつつ測定を行う装置の更に他の一つの目的は
地層の評価である。ガンマ線測定器１、地層比抵抗測定
器、地層圧測定器はライナの必要性を判定し、ブローア
ウトの虞れを低減し、より迅速な穿孔を行うべくより軽
量の泥を安全に使用することを可能にし、逸泥の虞れを
低減し、偏差的なスティッキングの虞れを低減する点に
於て役立つ。例えば上述のＴ、　Ｂａｔｅｓ及びＣ，Ｍ
ａｒｔｌｎによる記事を参照されたい。

穿孔を行いつつｎ＋定を行う既存の装置は、穿孔効率を
改善してリグタイムの１０％以上を節減し、方向制御を
改善してリグタイムの１０％以上を節減し、穿孔を行い
つつ測定を行うことを可能にしてリグタイムの５９６以
上を節減し、安全性を向上させて間接的な利益をもたら
すと言われている。

この点に関し、１９８３年１０月に出版されたＪ。

ｕｒｎａｌ　ｏｒＰｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｔｅｅｈｉ＋ｏ
ｌｏｇｙの第１７９２〜１７９６頁のｒ　Ｄｏｖｎｈｏ
ｌｃ　Ｔｅｌｅｍｃｔｒｙ　Ｆｒｏｍ　Ｔｈｅ　Ｕｓｅ
ｒ’ｓ　Ｐｏ１ｎｔ　ｏｆ’　ＶｌｅｗＪ　　（Ａ、　
Ｋａｍｐ著）を参照されたい。

穿孔作業を継続しつつ地中センサより地表の監視装置へ
地中データを伝送することは過去４０年間に亘り多くの
発明的努力の目的であった。かかる装置に関する初期の
記述の一つがＴｈｅ　Ｏｆｆ　Ｗｅａｋｌｙの１９３５
年７月１５日版のＪ、　Ｃ，Ｋａｒｃｈｅｒによるｒ　
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｏｇｇｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅ
ｎｔｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐ　Ａｔｔａｃｈｍｃｎｔｓ　ｆ
’ｏｒ　Ｕｓｅ　ｏｎ　Ｒｏｔａｒｙ　Ｒｌｇｓ　Ｊに
見られる。この記事には、穿孔を行いつつ地層抵抗のデ
ータを地表へ伝送する装置が記載されている。

従来より種々のデータ伝送装置が提案され試られている
が、石油及びガス採掘技術に携わる研究者は常にデータ
伝送用の新規にして改良された装置を開発する努力を行
っている。かかる試み及び提案として、ドリルストリン
グ内のケーブルを経て又はドリルストリングのボアホー
ル内に吊下げられたケーブルを経て信号を伝送すること
、大地を経て電磁波により信号を伝送すること、ドリル
バイブ、大地、又は泥流を経て音波又は地震波により信
号を伝送すること、特にバイブ接続部に設けられた変圧
器カップリングを用いてドリルバイブ内のリレーステー
ションにより信号を伝送すること、泥流中に化学的又は
放射性トレーサを放出することにより信号を伝送するこ
と、ダウンホールレコーダ内に信号を保存し、定期的に
又は連続的に信号を収集すること、泥流中の圧力パルス
によってデータ信号を伝送することなどがある。この点
に関し１９６４年５月に出版されたＪｏｕｒｎａｌｏ［
’　ＰｅＬｒｏｌｅｕＩＩＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙの第
４８７〜４９３頁の「Ｔｈｅ　５ｕｂｓｕｒｌ’ａｃｅ
　Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ　Ｐｒｏｂｌｅｍ−Ａ　Ｐｒａｃ
ｔｔｅａｌ　５ｏｌｕＬｉｏｎ　Ｊ　　（＾ｒｐｓ、　
Ｊ、　Ｊ、及び＾ｒｐｓ、　Ｊ、　Ｌ、著）を参照され
たい。

これらの提案された方法の多くは商業的開発を妨げる多
数の実際的な問題に直面している。１９８３年８月に出
版された５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ’　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ
　Ｅｎｇｔｎｃｅｒｓ　ＰａｐｅｒのｎｅＩｌｌｂｅｒ
　１００３ＧのｒＲｅｖｉｃｗ　ｏｌ’　Ｄ。

ｖｎｈｏｌｃ　Ｍｃｓｕｒｃｍｃｎｔ−Ｗｈｉｌｅ−Ｄ
ｒｉｌｌｌｎｇ　ＳｙｓｔｃｍｓＪと題する記事に於て
、Ｗｆｌｔｏｎ　Ｇｒａｖｌｅｙは穿孔を行いつつａｌ
ｌ定を行う技術の現状を考察している。彼の見解によれ
ば、現在のところ二つの方法、即ち圧力波信号を発生す
ることにより穿孔流体を経て行われる遠隔測定及び導電
体、即ち「ハードワイヤ」を経て行われる遠隔測定の二
つの方法しか商業的に使用することができない。

圧力波データ信号は二つの方法にて、即ち連続波法又は
パルス装置を使用して穿孔流体を経て伝送され得る。

連続波遠隔測定に於ては、一定の周波数の連続的な圧力
波が泥流中に於て弁を回転させることにより発生される
。ダウンホールセンサよりのデータが毎秒１．５〜３の
二進ビットの遅い割合にてデジタル信号の形態にて圧力
波にエンコードされる。泥パルス信号は種々の因子に応
じて１５００〜３０００ｆｔ（４６０〜９１ｏＩｌｌ）
の深さ毎にその振幅の半分を減衰する。地表に於てこれ
らのパルスが検出されデコードされる。この点に関し上
述のＷ、　Ｇｒａｖｌｃｙによる記事（第１４４０頁）
を参照されたい。

パルス遠隔測定を使用するデータ伝送は連続波装置より
も数倍遅く作動する。この方法に於ては、プランジャに
よって流れが制限されることにより、又はドリルストリ
ングの内側よりドリルストリングに設けられたオリフィ
スを経て環状空間へ少量の流体が流されることにより穿
孔流体中に圧力パルスが発生される。パルスによる遠隔
測定は一つの情報言語を伝送するのに約１分を要する。

この点に関し前述の’ｄ、　Ｇｒａｖｌｅｙによる記事
（第１４４０〜１４４１頁）を参照されたい。

穿孔流体遠隔測定は、これに関する種々の問題に拘らず
、成る程度の商業的成功を収めており、穿孔の経済性を
改善するものと有望視されている。

この遠隔測定は有孔度、地層の放射性、地層の圧力の如
き地層データや、ビットに対するｆｆ１ｆｆｉ、泥の温
度、ビットのトルクの如き穿孔データを伝送するために
従来より使用されている。

Ｔｅ１ｃｃｏ　０１ｌｆｌｅｌｄ　５ｅｒｖｉｃｅｓ、
　Ｉｎｃ、は、主として方向性穿孔の情報を与える最初
の商業的に得られる泥パルス遠隔測定装置を開発したが
、現在ではガンマ線測定器も供給している。この点に関
しＧｒａｖＩａｙの記事及び１９８３年２月２１日に出
版されたＯｌｌ　＆Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第８０〜
８４頁のｒＮｅｖ　ＭＷＤ−Ｃａａｕａａ　Ｓｙｓｔｅ
ｍ　Ｆｌｎｄｓ　Ｍａｎｙ　Ｆｉｅｌｄ　ＡｐｐＨｃａ
ｔｔｏｎｓ　Ｊ　　（Ｐ、　５ｅａｔｏｎ　ｓ　　＾、
　Ｒｏｂｅｒｔｓ　ｓ及びり、　５ｃｈｏｏｎｏｖｅｒ
著゛）を参照されたい。

ＭｏｖＩＩ　Ｒ，＆　Ｄ、　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに
より設計された泥パルス伝送装置が、１９７７年１０月
に出版されたＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｐｅｔｒｏｌｅ
ｕｍ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙのＰａｔ　ｔｏｎ、　Ｂ、
　Ｊ、等により著わされた「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　
ａｎｄＳｕｃｃｅｓｓｆ’ｕｌ　　Ｔｅｓｔｉｎｇ　　
ｏｌ’　　ａ　　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ　　
、　　Ｌ。

ｇｇＩｎｇ−Ｗｈｌｌｅ−Ｄｒｌｌｌｌｎｇ　Ｔｅ１ｅ
ＩＩｌｅｔｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｊと題する記事に記載
されている。この伝送装置はＴｈｅＡｎａｌｙＳｔ／Ｓ
ｅｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒによる穿孔を行いつつ完全な１
１１１定を行う装置に一体的に組込まれている。

Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｏｇｇｌｎｇ、　Ｉｎｃ、
は、商業的に使用され、方向性穿孔を補助し、穿孔効率
を改善し、安全性を向上させる穿孔を行いつつ泥パルス
測定を行うサービスを行っている。この点に関し１９８
５年３月４日に出版されたＯｌｌ　＆　Ｇａｓ　Ｊｏｕ
ｒｎａｉの第７１〜７５頁のｌ１ｏｎｅｙｂｏｕｒｎｅ
、　Ｗ、によるｒＰｕｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｏ＋ｅ
ｎｔ−Ｗｈｉｌｅ−Ｄｒｌ！Ｉｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ　’ｄｉｌｌ　Ｆｏｃｕｓ　Ｏｎ　Ｔｗｏ　Ｌｅ
ｖｅｌｓ　Ｊを参照されたい。更にＥｘｌｏｇ装置は穿
孔が行われている間にガンマ線放射及び地層比抵抗を１
１１１Ｊ定するために使用される。

この点に関し、１９８５年２月２５日に出版されたＯｌ
ｌ　＆　Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第８３〜９２頁のＨ
ｏｎｅｙｂｏｕｒｎｃ　、　Ｗ、によるｒ　Ｆｏｒｍａ
ｔＩｏｎ　ＭＷＤ　Ｂｅｎｅｆｌｔｓ　ＥｖａＩｕａｔ
ｌｏｎ　ａｎｄ　Ｅｆ’ｒｌｃｌｅｎｃｙＪを参照され
たい。

穿孔流体遠隔測定に関する主要な問題として、■データ
伝送速度が遅いこと、■信号の減衰が大きいこと、■泥
ポンプのノイズを乗越えて信号を検出することが困難で
あること、■データ遠隔伝送装置を泥ポンプ及びドリル
ビットとインタフェースし、これらと調和させることが
不便であること、■遠隔ｌ１１１Ｊ定装置がリグの液圧
装置に干渉すること、■保守が必要であることなどがあ
る。これに関し１９８４年１０月２９日に発行されたＯ
１ｌ＆　Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第８０〜８４頁のＨ
ｃａｒｎ、　Ｅ、によるｒｌｌｏｖ　０ｐｅｒａｔｏｒ
ｓ　Ｃａｎ　Ｉｍｐｒｏｖｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ−Ｗｈｉｌｅ−Ｄｒｉｌｌ
ｌｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｊと題する記事を参照された
い。

また地中データの伝送に導電体を使用することよっても
一連の特殊な問題が課せられる。その最的な問題は各ド
リルパイプの接続部に於て信頼性の高い電気的接続を行
うことが困難であることである。

Ｅｘｘｏｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｌｏｎ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ
　ＣｏＢａｎｙはドリルパイプのねじ接続部に於て物理
的に電気的接続を行うことに関する種々の問題の発生を
回避するハードワイヤ装置を開発した。このＥｘｘｏｎ
遠隔測定装置に於ては、ドリルバイブのボアホール内に
吊下げられる連続的な電気ケーブルが使用されている。

かかる方法に於ては更に種々の問題がある。ドリルバイ
ブのストリング内に連続的な導電体を配置することに関
する主要な困難な問題は、新たなドリルパイプが追加さ
れ又はドリルストリングより取り外される度毎に導電体
全体が持ち上げられなければならず、或いはドリルスト
リングのバイブのジヨイントと同様導電体それ自身が複
数個のセグメントに分割されなければならないというこ
とである。

Ｅ　ｘ　ｘ　ｏ　ｎの方法はスプール内のダウンホール
内に配置されるより長くよりセグメントの数の少ない導
電体であって、状況に応じてより大きい導電体を与え又
はより大きいスラックを占める導電体を使用せんとする
ものである。

しかしこのＥｘｘｏｎの方法に於ては、この装置が適正
に機能することを確保するためには穿孔作業者が幾つか
の工程を行わなければならず、トリップを形成する際に
更に成る程度の時間を要する。

この装置は１９８０年４月１４日に出版されたＯｌＩ　
＆Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第１３７〜１４８頁のり、
　Ｈ。

１？ｏｂｌｎｓｏｎ等によるｒＥｘｘｏｎ　ＣｏＢＩｅ
ｔｅｓ　Ｗｉｒｃｌｉｎｅ　Ｄｒｌｌｌｌｎｇ　Ｄａｔ
ａ　Ｔｃ１ｅａ＋ｃｔｒｙ　Ｓ！／５ｔｏｏｌ　ｊと題
する記事に十分に記載されている。

５ｈａｌｌ　Ｄｃｖｃｌｏｐｓｃｎｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ
は各ツールジヨイントの係合面に電気接点リングを有す
る・修正されたドリルパイプを使用する遠隔測定システ
ムを購入した。導線がパイプのボア内に延在し、各パイ
プの端部を電気的に接続している。ドリルストリングが
係合面に於てバイブの個々のジヨイントにて形成される
と、接点リングが自動的に互いに係合せしめられる。

この装置は泥パルス装置よりも３の次数だけ高い速度に
てデータを伝送するが、この装置にも固をの特定の問題
がある。規格の金属をベースとするツールジヨイント化
合物又は「パイプドープ」が使用されると、回路が大地
に短絡されてしまう。

かかる問題を回避するためには特殊な非導電性のツール
ジヨイント化合物が必要である。また各パイプの接続部
を横切って信号を伝送することは各接点リングの間の物
理的接触が良好であることに依存するので、特殊な「ド
ープ」が適用され、ジヨイントが形成される前に、各係
合面が高圧水流にて洗浄されなければならない。

この５ｈｅｌｌ装置は１９７７年５月に出版されたＪｏ
ｕｒｎａｌ　Ｏｆ’　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの第３７４〜３７９頁のＤｅｎ
ｌｓｏｎ、　Ｅ、　Ｂ、によるｒ　Ｄｏｗｎｈ。

Ｉｅ　ＭｅａｓｕｒｅＩＩｌｅｎＬｓ　Ｔｈｒｏｕｇｈ
　ＭｏｄＩＮｅｄ　Ｄｒｌｌｌ　Ｐｉｐｅ　Ｊと題する
記事、１９７７年６月１３日に発行されたＴｈｅ　０１
１　＆　Ｇａｓ　Ｊｏｕｒｎａｌの第６３〜６６頁のＤ
ｅｎｉｓｏｎ、　Ｅ、　Ｂ、によるｒｓｈｅｌｌ’ｓ　
ｌｌｌｇｈ−Ｄｅｔａ−Ｒａｔｅ　Ｄｒｌｌｌｌｎｇ　
Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｐａ５ｓｅｓ　Ｆ
ｉｒｓｔ　Ｔｅ５ｔＪと題する記事、及び１９７９年２
月に出版されたＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕ
ｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの第１５５２１６３頁のＤｅ
ｎｉｓｏｎ、　Ｅ、　Ｂ、によるｒ　Ｉｌｌｇｈ　Ｄｅ
ｔａ　Ｒａｔｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｌｅｍｅｔｒ
ｙ　ＳｙｓｔｅｇＪと題する記事に詳細に記載されてい
る。

従来の特許の技術を調査すると、ハードワイヤ接続の代
りに各パイプ接続部に変圧器又はコンデンサカップリン
グを使用する試みの沿革があることがわかる。米国特許
第２，３７９．８００号には、各パイプ接続部に変圧器
カップリングを使用することが開示されており、この米
国特許は１９４５年に発行された。変圧器を使用するこ
とに関する主要な困難な問題は、それらが高い電力を必
要とするということである。米国特許第３，０９０．０
３１号はかかる高い電力消費に関するものであり、パイ
プの各ジヨイントに増幅器及び電池を設けることを教示
している。

変圧器の接続部に於て高い電力が消費されることは、電
池の寿命が考慮すべき重要な点になるので一つの問題と
して残存した。米国特許第４，２１５．４２°６号に於
ては、音響エネルギを変圧器接続部を作動させるための
電力に変換するために音響エネルギ変換装置が使用され
ている。しかしこの方法はパイプ接続部に於ける高い電
力消費に対する直接的な解決策ではなく、大きい問題を
回避するものにすぎない。

変圧器はファラデーの誘導法則に従って作動する。端的
に言えば、ファラデーの法則は時間的に変化する磁場が
適当な閉ループ回路に電流を発生する電気的駆動力を発
生するというものである。

数学的にはファラデーの法則はｅｍｆを電気的駆動力（
ボルト）とし、ｄΦ／ｄｔを磁束の時間変化率とすると
、ｅｍｆ−−ｄΦ／ｄｔと表わされる。負の符号は、元
の磁束に成る磁束が追加されるとその磁束よる電流が電
気的駆動力の大きさを低減するような方向に電気的駆動
力が発生することを意味する。この原理はレンツの法則
として知られている。

鉄コアの変圧器は鉄コアの周りに巻回された二組の巻線
を有している。これらの巻線は互いに電気的に絶縁され
ているが、磁気的に連結されている。一方の組の巻線を
流れる電流は磁束を発生し、該磁束は鉄コアを通過し、
第二の巻線に電気的駆動力を発生し、これにより第二の
巻線に電流を発生する。

鉄コアそれ自身は直流電気回路の解析の場合と同様の要
領にて磁気回路として解析されてよい。

但し強磁性物質の非線形性を含む幾つかの重要な相違点
が存在する。

端的に言えば、磁性材料は抵抗材料が電流に対し有する
抵抗と同様の磁気抵抗を磁束の流れに対し有している。

磁気抵抗は材料の長さしと断面積Ｓとその透磁率Ｕの関
数である。数学的には強磁性物質の非線形性を無視すれ
ば、磁気抵抗−Ｌ／（Ｕ＊Ｓ）である。

変圧器の鉄コアに存在する空隙は磁束の流れを大きく阻
害する。これは鉄が空気の透磁率よりも約４０００の係
数高い透磁率を有することによる。

従って多量のエネルギが変圧器の鉄コア内の比較的小さ
い空隙に於て消費される。このことに関し１９７４年に
ＭｃＧｒａｖ　Ｈｉｌｌより出版されたＨＡＹＴ：Ｅｎ
ｇｌｎｅｅｒｌｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｌ
ｃｓの第３０５〜３１２頁を参照されたい。

前述の米国特許に記載された変圧器カップリングは二つ
の空隙を有する鉄コア変圧器として作動する。空隙はパ
イプセクションが分離可能でなければならないために存
在する。

変圧器カップリングが実用的になるよう変圧器カップリ
ングを向上させる試みが継続的に行われている。米国特
許第４，６０５．２６８号に於ては、変圧器カップリン
グを使用する概念が更に改良されている。この米国特許
に於ては、パイプの接続部を横切ってデータを伝送する
ために正確に整合された小さい円環状のコイルを使用す
ることが提案されている。

現在までのところ、上述の従来の研究努力の何れも井戸
孔内に於て使用される商業的に成功を収めたハードワイ
ヤデータ伝送装置を開発するまでには至っていない。

発明の概要 好ましい実施例に於ては、磁場を使用してねじ接続部を
横切って電気的データ信号を伝送するためにコイル及び
フェライトコアの如き電磁波発生手段が使用される。磁
場は隣接して接続された管状部材に於てホール効果セン
サにより検出される。

ホール効果センサは磁場の強さに対応する電気信号を発
生する。この電気信号は管状部材の内側に沿って延在す
る導電体を経て、電気信号に対応する一様なパルスを発
生する信号処理回路へ伝送される。この一様なパルスは
次のねじ接続部を横切ってデータを伝送するための電磁
波発生手段へ供給される。かくして全ての管状部材が互
いに共働して効率的にデータ信号を伝送する。

また本発明は、ボアホールの状態を検出する工程と、ボ
アホールの状態に対応する初期信号を発生する工程と、
この信号を所望の管状部材へ供給する工程と、各後続の
ねじ接続部に於て初期信号に対応する磁場を発生する工
程と、各後続のねじ接続部に於て一定の及び時間的に変
化する磁場を検出することのできるセンサにて磁場を検
出する工程と、各後続の管状部材に於て検出された磁場
に対応する電気信号を発生する工程と、各後続の管状部
材に於て発生された電気信号を処理して初期信号を再生
する工程と、必要に応じてボアホールの状態に対応する
初期信号を監視する工程とを含む方法を提供するもので
ある。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例 好ましいデータ伝送装置に於ては、井戸の底より地表へ
データを効率的に伝送することを可能にする管状のコネ
クタ又はツールジヨイントを有するデータバイブが使用
される。コネクタの構造についてまず説明し、しかる後
装置全体について説明する。

第１図に二つの管状部材１１と１３との間のねじ接続部
の縦断面が図示されている。管状部材１１のピン１５は
ねじ１８により管状部材１３のボックス１７に接続され
ており、データ信号を受けるよう構成されており、ボッ
クス１７はデータ信号を伝送するよう構成されている。

第３図に示されている如く、ピン１５のノーズ部にはホ
ール効果センサ１９が設けられている。

またピン１５にはキャビィティ２０が形成されており、
ねじを有するセンサホルダ２２がキャビィティ２０内に
ねじ込みにより固定されている。ホルダ２２が固定され
ると、その突出部は機械加工により除去される。

第１図に於て、管状部材１３のボックス１７にはアウタ
スリーブ２１を受けるためのカウンタボアが形成されて
おり、該ボア内にインナスリーブ２３が挿入されている
。インナスリーブ２３はモネルメタルの如く磁性を有さ
す電気抵抗の高い物質にて形成されている。アウタスリ
ーブ２１及びインナスリーブ２３はシール２７及び２７
゛によリシールされており、スナップリング２９により
ボックス１７内に固定されており、信号伝送組立体２５
を構成している。またアウタスリーブ２１及びインナス
リーブ２３は、管状部材１１及び１３のボア３１及び３
１″内を流れる穿孔流体の流れが阻害されないよう、中
空の円筒形をなしている。

インナスリーブ２３内には苛酷な穿孔環境より保護され
るよう電磁石３２、即ち図示の実施例に於てはフェライ
トコア３５（コイル３３・の背後に隠れている）の周り
に巻付けられたコイル３３及び信号処理回路３９が配置
されている。コイル３３及びコア３５の組立体は保持リ
ング３６により所定の位置に保持されている。

ホール効果センサ１９にはリチウム電池４１により電流
が供給されるようになっており、電池４１は電池コンパ
ートメント４３内に配置され、シール４６によりシール
されたキャップ４５及びスナップリング４７により固定
されている。電流は孔５１内に収容された導電体４９及
び５０を経てホール効果センサ１９へ流れる。管状部材
１３内の信号処理回路３９には、管状部材１３のピン端
部（図示せず）に収容された電池４１と同様の電池によ
り電流が供給されるようになっている。

２本の信号導線５３及び５４がキャビティ５１内に配線
されており、ホール効果センサ１９より信号を導くよう
になっている。導線５３及び５４はキャビティ５１内に
延在し、電池４１を迂回し、保護金属導管５７内へ延在
しており、これにより管状部材１３のボックス内に設け
られた信号処理回路及びコイル及びコア組立体と同様の
管状部材１１の上端（図示せず）に設けられた信号処理
回路及びコイル及びコア組立体へ信号を伝送し得るよう
になっている。

２本の導電体５５及び５６が管状部材１１の他端（図示
せず）に於て電池４１と信号処理回路とを接続している
。電池４１は管状部材１１に設置されており、管状部材
１１は導電体５５及び５６のためのリターン導電体とし
て作用する。かくして、これら４本の導線が導管５７内
に収容されている。

導管５７は導線を苛酷な穿孔環境より保護すべく管状部
材１１に銀ろう付けされている。更に導管５７は信号導
線５３及び５４のための電気的シールドとして作用する
。

管状部材１３内には同様の導管５７′が配置されており
、該導管は管状部材１３の他端に設けられた電池（図示
せず）及びホール効果センサ（図示せず）より回路板及
び信号処理回路３９まで延在する信号導線５３’　、５
４’及び導電体５５′、５６′を収容している。

第２図に於て、導管５７の中央部が、それが管状部材１
１内のボア３１の壁面に接合され、穿孔流体の通過に干
渉せず、また導線工具に障害とならない状態を示すべく
図示されている。更に導管５７は苛酷な穿孔環境より信
号導線５３．５４及び導電体５５．５６をシールドする
。管状部材１１は実質的にドリルバイブロ３の一端に符
号６１にて示された位置に於て溶接されたツールジヨイ
ント５９を含んでいる。

第５図はホール効果センサ１９と電磁場発生装置１１４
（この場合コイル３３及びコア３５である）との間の好
ましい信号処理装置１１１を示す電気回路図である。信
号処理装置１１１は二つの部分、即ち信号増幅装置１１
９とパルス発生装置１２１とに機能上分けられる。信号
増幅装置１１９内の主要な構成要素は演算増幅器１２３
．１２５．１２７である。またパルス発生装置１２１内
の主要な構成要素は比較器１２９及びマルチバイブレー
タ１３１である。これらの主要な構成要素と共働して各
段階に於て所望の信号処理を行なうよう、種々の抵抗器
及びコンデンサが選定されている。

第５図に示されている如く、磁場３２がホール効果セン
サ１９に力を及ぼし、ホール効果センサ１９の端子Ａ及
びＢを横切って電圧パルスを発生する。ホール効果セン
サ１９はホール効果センサ半導体素子の特性を有してお
り、一定の又は時間的に変化する磁場を検出することが
出来るようになっている。このホール効果センサは磁束
の変化のみを検出する変圧器のコイルの如きセンサとは
区別されるものである。更に他の一つの差異は、コイル
センサは時間的に変化する磁場を検出するのに電力を必
要としないが、ホール効果センサは電力を必要とす゛る
ということである。

ホール効果センサは導電体４９に接続された正の入力端
子と、導電体５０に接続された負の入力端子とを有して
いる。導電体４９及び５０は電池４１に接続されている
。

演算増幅器１２３はそれぞれ抵抗器１３５及び１３７を
介してホール効果センサ１９の出力端子Ａ、Ｂに接続さ
れている。抵抗器１３５は導電体５３により演算増幅器
１２３の負の入力端子と端子Ａとの間に接続されている
。また抵抗器１３７は導電体５４により演算増幅器１２
３の正の入力端子と端子Ｂとの間に接続されている。抵
抗器１３３が演算増幅器１２３の負の入力端子と出力端
子との間に接続されている。抵抗器１３９が演算増幅器
１２３の正の入力端子と大地との間に接続されている。

演算増幅器１２３には導電体５６に接続された端子りを
経て電力が供給されるようになっている。導電体５６は
電池４１の正の端子に接続されている。

演算増幅器１２３は差動増幅器として機能する。

この段階に於ては、電圧パルスが約３倍に増幅される。

ゲイン抵抗器１３３及び１３５の抵抗値はこのゲインを
設定するよう選定されている。また抵抗器１３７及び１
３９の抵抗値はゲイン抵抗器１３３及び１３５を補完す
るよう選定されている。

演算増幅器１２３はコンデンサ１４１及び抵抗器１４３
を介して演算増幅器１２５に接続されている。増幅され
た電圧はコンデンサ１４１に与えられ、該コンデンサは
直流成分を除去し、また信号の低周波成分の通過を阻止
する。抵抗器１４３は演算増幅器１２５の負の入力端子
に接続されている。

コンデンサ１４５が演算増幅器１２５の負の入力端子と
出力端子との間に接続されている。演算増幅器１２５の
負の入力端子、即ち接続点Ｃは抵抗器１４７に接続され
ている。抵抗器１４７は端子りに接続されており、端子
りは導電体５６により電池４１に接続されている。抵抗
器１４９が演算増幅器１２５の正の入力端子に接続され
ており、また接地されている。抵抗器１５１がコンデン
サ１４５と並列に接続されている。

演算増幅□器１２５に於ては、信号は約２０倍に更に増
幅される。抵抗器１４３及び１５１の抵抗値はかかるゲ
インを設定するよう選定されている。

コンデンサ１４５が所望の動作周波数よりも高い信号の
高周波成分のゲインを低減するよう設けられている。抵
抗器１４７及び１４９は電池４１の電圧の約半分にて接
続点Ｃをバイアスするよう選定されている。

演算増幅器１２５はコンデンサ１５３及び抵抗器１５５
を介して演算増幅器１２７に接続されている。抵抗器１
５５は演算増幅器１２７の負の入力端子に接続されてい
る。また抵抗器１５７が演算増幅器１２７の負の入力端
子と出力端子との間に接続されている。演算増幅器１２
７の正の入力端子、即ち接続点りは抵抗器１５９を介し
て端子りに接続されている。端子りは導電体１５６によ
り電池４１に接続されている。抵抗器１６１が演算増幅
器１２７の正の入力端子と大地との間に接続されている
。

演算増幅器１２５よりの信号はコンデンサ１５３に与え
られ、該コンデンサは信号より直流成分を除去し、また
信号の低周波成分が通過することを阻止する。演算増幅
器１２７は信号の符号を転換し、信号を約３０倍に増幅
し、その増幅率は抵抗器１５５及び１５７の選定により
設定される。

抵抗器１５９及び１６１は接続点りに於てある直流レベ
ルを与えるよう選定されている。

演算増幅器１２７は直流成分を除去すべくコンデンサ１
６３を介して比較器１２９に接続されている。コンデン
サ１６３は比較器１２９の負の入力端子に接続されてい
る。比較器１２９はパルス発生装置１２１の一部であり
、比較器として作動される演算増幅器である。抵抗器１
６５が比較器１２９の負の入力端子及び端子りに接続さ
れている。端子りは導電体５６により電池４１に接続さ
れている。抵抗器１６７が比較器１２９の負の入力端子
と大地との間に接続されている。比較器１２９の正の入
力端子は抵抗器１６９を介して端子りに接続されている
。またその正の入力端子は一連の抵抗器１７１．１７３
を介して接地されている。

比較器１２９は負の入力端子の接続点Ｅに於ける電圧を
正の入力端子の接続点Ｆに於ける電圧に比較する。抵抗
器１６５及び１６７は比較器１２９の接続点Ｅを電池４
１の電圧の半分にバイアスする。抵抗器１６９．１７１
．１７３は互いに共働して接続点Ｆを電池４１の電圧の
半分よりも高い成る電圧に維持する。

演算増幅器１２７の出力端子より信号が出力されていな
い場合には、接続点Ｅに於ける電圧は接続点Ｆに於ける
電圧よりも低く、比較器１２９の出力はその通常のハイ
状態（即ち供給電圧）にある。接続点Ｅと接続点Ｆとの
間に於ける電位差はノイズ電圧のレベルが比較器１２９
を駆動することを阻止するに十分な値でなければならな
い。しかし信号が接続点Ｅに到達すると、接続点Ｅに於
ける全電圧は接続点Ｆに於ける電圧を上回る。このこと
が生じると、比較器１２９の出力はローになり、信号が
接続点Ｅに存在する限りローに留まる。

比較器１２９はコンデンサ１７５を介してマルチバイブ
レータ１３１に接続されている。コンデンサ１７５はマ
ルチバイブレーク１３１のピン２に接続されている。マ
ルチバイブレータ１３１はＬ５５５単安定マルチバイブ
レークであることが好ましい。

抵抗器１７７がマルチバイブレータ１３１のピン２と大
地との間に接続されている。抵抗器１７９がピン４とピ
ン２との間に接続されている。コンデンサ１８１が大地
とピン６．７との間に接続されている。またコンデンサ
１８１は抵抗器１８３を介してピン８に接続されている
。電流が導電体５５を経てピン４．８に供給されるよう
になっている。導電体５５は導電体５６と同様電池４１
に接続されているが、導電体５６とは独立の導線である
。抵抗器１７７及び１７９を選定することにより、入力
ピン２及び接続点Ｇが電池４１の約１／３の電圧にバイ
アスされる。

コンデンサ１８５が接地され、また導電体５５に接続さ
れている。コンデンサ１８５はエネルギ貯蔵コンデンサ
であり、出力パルスが発生されるとマルチバイブレータ
１３１へ電流を供給することを補助する。コンデンサ１
８７がピン５と大地との間に接続されている。ピン１は
接地されている。ピン６及び７は互いに接続されている
。またピン４及び８も互いに接続されている。出力ピン
３は導電体１９３を介してダイオード１８９及びコイル
３３に接続されている。ダイオード１９１が大地とダイ
オード１８９のカッウドとの間に接続されている。

コンデンサ１７５及び抵抗器１７７．１７９は、比較器
１２９の出力端子に於ける矩形パルスが尖鋭なトリガー
パルスに変換されるようＲＣ時定数を与える。比較器１
２９よりのトリガーパルスはマルチバイブレータ１３１
の入力ピン２へ供給される。かくしてマルチバイブレー
タ１３１は比較器１２９の「ロー」出力に感応する。コ
ンデンサ１８１及び抵抗器１８３は出力ピン３、即ち接
続点Ｈに於ける出力パルスのパルス幅を設定するよう選
定されている。この実施例に於ては、１００マイクロ秒
のパルス幅が与えられる。

マルチバイブレータ１３１は比較器１２９の出力端子よ
りの「ロー」パルスに感応するが、出力として電池４１
の電圧に近いバイパルスを発生する。ダイオード１８９
及び１９１はパルスが導電体１９３を経てコイル３３へ
供給される場合に生じるリンギング、即ち振動が発生す
ることを防止するために設けられている。より詳細には
、ダイオード１９１は磁場の崩壊により発生されるエネ
ルギを吸収する。コイル３３に於ては、管状部材の間の
接続部を横切ってデータ信号を伝送するための磁場３２
′が形成される。

第４図に示されている如く、上述の装置は井戸孔内に於
てデータを伝送するよう構成されている。

ドリルストリング２１１が井戸孔２１５内にてトリルビ
、ット２１３を支持しており、ダウンホールの状態を検
出するセンサパッケージ（図示せず）を有する管状部材
２１７を含んでいる。第１図に於て、地表２１８の直下
に示された管状部材１１及び１３は各組のコネクタの代
表的なものであり、第１図及び第５図の機械的及び電気
的装置を含んでいる。

管状部材の上端及びセンサパッケージ２１７は磁場を形
成するためのコイル３３を含む管状部材１３と同一の構
成要素にて構成されていることが好ましい。コネクタの
下端は第１図の管状部材１１の下端に設けられたセンサ
１９と同様のホール効果センサを有している。

ドリルストリング２１１内の各管状部材２１９はデータ
信号を受けるよう構成された一端とデータ信号を伝送す
るよう構成された他端とを有している。

二組の管状部材は互に共働して井戸孔２１５内を上方へ
データ信号を伝送する。図示の実施例に於ては、データ
はドリルビット２１３及び地層２２７より検出され収集
されており、ドリルリグ２２９までドリルストリング２
１１内を上方へ伝送され、更に電波の如き適当な手段に
より地表監視及び記録装置２３３へ伝送される。この場
合市販の適当な無線伝送装置が採用されてよい。使用さ
れてよい伝送装置として、ＰＭＤ　ｒワイヤレスリンク
」　（レシーバモデルＲ１０２、）ランスミツタモデル
Ｔ２Ｏ１Ａ）がある。

第５図に示された電気回路の作動に於ては、電池４１よ
りの直流電流がホール効果センサ１９、演算増幅器１２
３．１２５．１２７、比較器１２９、マルチバイブレー
タ１３１へ供給される。第４図に於て、センサパッケー
ジ２１７よりのデータ信号によりドリルストリング２１
１の各ねじ接続部に電磁場３２が形成される。

各管状部材に於ては、電磁場３２によりホール効果セン
サ１９の端子Ａ及びＢに出力電圧パルスが発生される。

この電圧パルスは演算増幅器１２３．１２５．１２７に
より増幅される。比較器１２９の出力はパルスを受ける
とローになり、鋭敏な負のトリガーパルスを出力する。

マルチバイブレーク１３１は比較器１２９よりトリガー
パルスを受けると１００マイクロ秒のパルスを出力する
。

マルチバイブレータ１３１の出力はコイル３３へ導かれ
、これにより次ぎの管状部材へデータを伝送するための
電磁場３２′が形成される。

本発明は既存のハードワイヤ遠隔測定装置に優る多くの
利点を有している。一連のダウンホールセンサよりの情
報を含むデータ信号パルスの連続的な流れがリアルタイ
ムに地表へ伝送される。かかる伝送にはバイブの接続点
に於て物理的な接点は必要とされず、またケーブルを井
戸孔内に吊下げる必要もない。通常のドリル作業が大き
く阻害されることもなく、特殊なパイプドープも必要で
はなく、ドリル作業者が係わり合いを持つ度合も低減さ
れる。

本発明はねじ部を有する管状部材の接続部を横切ってデ
ータ信号を伝送するために効率的な電磁現象を採用する
ものである。好ましい実施例に於ては、１８７９年にニ
ドウィンφホールにより発見されたホール効果が利用さ
れ、ホール効果は電流を導く導電体が磁場に配置される
場合に観察される。磁場の電流に垂直な成分は電流にロ
ーレンツ力を及ぼす。この力は電流の分布を乱し、その
結果電流経路を横切って電位差が生じる。この電位差は
ホール電圧と呼ばれる。

磁場と電流との相互作用を説明する基礎式は以下の如く
であり、ホール電圧は以下の如く表される。

Ｖｈ　　−（Ｒｈ　　／ｌ）　　＊　　Ｉｃ　　＊Ｂ＊
ｓｔｎ　　ＸここにＩｃはホール効果センサに流れる電
流であり、 Ｂｓ１ｎＸは電流経路に垂直な磁場の成分であり、 Ｒｈはホール係数であり、 ｔは導電体シートの厚さである。

電流が一定に維持され、他の定数が無視される場合には
、ホール電圧は磁場の強さに正比例する。

パイプの接続部を横切ってデータを伝送するためにホー
ル効果を利用する最も重要な利点は、物理的に接触させ
ることなくねじ接続部を横切ってデータ信号を伝送し得
ること、かかる伝送に必要な電力が少なくてよいこと、
及びこれにより電池の寿命が増大されることである。

本発明は現在市販され、現在使用されている泥パルス伝
送゛装置に優る明確な幾つかの利点を有している。その
最も典型的な利点は、本発明によれば泥パルス装置より
も２乃至３の次数迅速にデータを伝送し得ることである
。この速度は通常のドリル作業に干渉することなく達成
される。更に信号は各管状部材内に於て再生されるので
、全体として減衰することがない。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は管状部材内に於て互いに共働してねじ接続部を
横切ってデータ信号を伝送する種々の構成要素を露呈さ
せた状態にてねじを有するピン及びボックスにより互い
に接続された二つの管状部材を示す部分縦断面図である
。 第２図は一方の管状部材の一部の部分縦断面図であり、
保護導管内の導電体を示している。 第３図は管状部材のピンの一部を示す部分縦断面図であ
り、ピン内にホール効果センサを配置するために使用さ
れる好ましい方法を示している。 第４図はダウンホールセンサより地表の監視装置へデー
タ信号を伝送するよう構成された管状部材よりなるドリ
ルストリング及びドリルリグを示す解図である。 第５図は各管状部材内に担持された信号処理装置を示す
回路図である。 １１．１３・・・管状部材、１５・・・ピン、１７・・
・ボックス、１９・・・ホール効果センサ、２０・・・
キャビィティ、２１・・・アウタスリーブ、２２・・・
センサホールダ、２３・・・インナスリーブ、２５・・
・信号伝送組立体、２７．２７’・・・シール、２９・
・・スナップリング、３１．３１′・・・ボア、３２・
・：電磁石、３３・・・コイル、３５・・・コア、３６
・・・保持リング、３９・・・信号処理回路、４１・・
・電池、４３・・・電池コンパートメント、４５・・・
キャップ、４６・・・シール。 ４７・・・スナップリング、４９．５０・・・導電体、
５１・・・孔、５３．５４・・・導線、５５．５６・・
・導電体。 ５７・・・導管、５９・・・ツールジヨイント、６３・
・・ドリルパイプ、１１１・・・信号処理装置、１１４
・・・電磁場発生装置、１１９・・・信号増幅装置、１
２１・・・パルス発生装置、１２３．１２５．１２７・
・・演算増幅器、１２９・・・比較器、１３１・・・マ
ルチバイブレーク、１３５．１３７．１３９・・・抵抗
器、１４１・・・コンデンサ、１４３・・・抵抗器、１
４５・・・コンデンサ、１４７．１４９．１５１・・・
抵抗器、１５３・・・コンデンサ、１５５．１５７．１
５９．１６１・・・抵抗器、１６３・・・コンデンサ、
１６５．１６７．１６９．１７１．１７３・・・抵抗器
、１７５・・・コンデンサ、１７７．１７９・・・抵抗
器、１８１・・・コンデンサ、１８３・・・抵抗器、１
８５．１８７・・・コンデンサ、１８９．１９１・・・
ダイオード、１９３・・・導電体、２１１・・・ドリル
ストリング、２１３・・・ドリルビット、２１５・・・
井戸孔、２１７・・・管状部材、２１８・・・地表、２
１９・・・管状部材、２２７・・・地層、２２９・・・
ドリルリグ、２３１・・・電波、２３３・・・監視及び
記録装置 ’Ｒ許出願人　ヒユーズφツール・カンパニー・ニーψ
ニス・ニー 代　　理　　人　　弁　　理　　士　　　明　　石　　
昌　　毅Ｆｉｇ、１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ねじコネクタを有する管状部材のストリングが吊
   下げられた井戸孔内に於けるデータ伝送方法にして、 ボアホールの状態を検出する工程と、 検出されたボアホールの状態に対応する初期信号を発生
   する工程と、 前記初期信号を所望の管状部材に与える工程と、各後続
   のねじ接続部に於て前記初期信号に対応する磁場を発生
   する工程と、 一定の又は時間的に変化する磁場を検出することができ
   るセンサにより各後続のねじ接続部に於て前記磁場を検
   出する工程と、 検出された磁場に対応する電気信号を各後続の管状部材
   内に於て発生する工程と、 各後続の管状部材内に於て前記電気信号を処理して初期
   信号を再生する工程と、 必要に応じて前記ボアホール内又は地表に於て前記ボア
   ホールの状態を監視する工程と、 を含むデータ伝送方法。
2. （２）井戸孔内に於て使用される改良されたデータ伝送
   装置にして、 ドリルストリングに於て接続されるよう構成されたねじ
   端部を有し、データ信号を伝送する一端とデータ信号を
   受信する他端とを有する管状部材と、 前記管状部材の前記一端により担持された電磁場発生手
   段と、 前記管状部材の前記他端により担持されたホール効果セ
   ンサ装置と、 前記管状部材内に配置され前記ホール効果センサ装置及
   び前記電磁場発生手段に電気的に接続され前記データ信
   号を処理する信号処理手段と、前記管状部材内に配置さ
   れ前記ホール効果センサ装置及び前記信号処理装置に電
   気的に接続されこれらに電力を供給する電源手段と、 を含むデータ伝送装置。