JPS6332085A - 坑井掘削監視方法 - 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、坑井の掘削工程の監視および地下情報の収集
を行なう坑井掘削監視方法に関し、特に、かかる工程監
視および情報収集を即時に行ない得るようにしたもので
ある。

（従来の技術） 従来、地下エネルギー開発や資源開発あるいは土木技術
などの地下工学の分野においては、地下の調査、探索、
資源の採取等、種々の目的のもとに多数の坑井が掘削さ
れている。かかる坑井の掘削については地下情報の収集
が極めて重要であるが、その地下情報の収集は、従来坑
井の掘削によって生じたカッティングすなわち掘り屑や
コアの観察、あるいは、掘削後に行なう各種の検層によ
って行なわれており、それらの観察や検層の結果を分析
することによって、地層、水脈、破砕帯、鉱床等の確認
や掘削工程の評価などを行なっていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来は、いずれの場合においても掘削す
べき坑井に関する地下情報を即時に得ることは困難であ
って一定の時間を要し、また、辱られる情報の種類にも
制限があった。したがって、坑井の掘削に関しては、新
たな地下情報抽出技術や、坑井の掘進中に地下情報や掘
進状態を示すデータをオンラインで監視する技術が重要
視されて、その開発を促進する必要があるという問題点
があった。

本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し、坑井の
掘削に伴って生じる弾性波をいわゆるアコースティック
・エミッション（八〇）法により測定し、掘削の状態や
坑井の仕上り、地質構造、地下岩石の強度、変質の強弱
、溶結の強弱、脈、き裂、破砕帯等の地下情報を即時に
モニタリングし得る技術としての坑井掘削監視方法を提
供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、坑井内ＡＥ計測装置を用いて、坑井掘削時に
発生するアコースティック・エミッション（ＡＢ）信号
を計測し、その計測結果から、坑井掘削の進行状況や地
下情報を知るようにしたものであり、坑井内ＡＥ計測装
置として本発明者らの開発に係る特開昭６０−２７３３
４８号明細書に記載の「方位計」、特願昭６０−２３６
４４２号明細書に記載の「坑井内に設置される振動器の
固定装置」等を用いた坑井内三軸ＡＥ計測システムによ
り上述のＡＥ計測を行なう。

すなわち、本発明坑井掘削監視方法は、所望の坑井を掘
削すべき土地の近傍に所要の深さを有する監視用坑井を
設け、その監視用坑内に所要の感度を有する振動計測装
置を配設して、その振動計測装置により前記所望の坑井
の掘削に伴って生ずる振動を計測することにより、当外
所望の坑井の掘削工程の監視および地下情報の収集を即
時に行なうことを特徴とするものである。

（作　用） 坑井の掘削は、石油、天然ガスの探査・採取、地熱の探
査・採取、地質調査、資源探査、土木調査、土木工事、
採鉱その他の多方面で数多く行なわれており、極めて重
要であるために、この種の技術の国際的な競争は激しく
、各国が新技術の開発にしのぎを削っている。本発明は
、坑井技術の基本技術にかかわるものであり、これによ
って坑井掘削に要する経費を大幅に削減し得る可能性と
ともに、従来の技術では収集し得なかった地下情報が即
時に得られる極めて高い実用性を発揮することができる
。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

本発明者らは、文部省特別推進研究「深部地殻エネルギ
ー開発のための人工き装面の設計に関する研究（ｒ計画
）」の−環として、岩手県岩手郡松尾村東へ幡平東北大
学実験フィールドにおいて、坑井の掘削に伴うＡＥ計測
を、本発明者らが開発した坑井内ＡＥ計測システムを用
いて行ない、有望な結果を得ることができ、その結果に
基づいて本発明をなしたものである。

因みに、いわゆるＡＥ計測、すなわち、アコースティッ
ク・エミッション計測は、材料の微視的な割れや変形等
に伴って主に単発的に発生する弾性波からなるアコース
ティック・エミッション信号を圧電型、可動コイル型な
どの各種弾性波センサにより検知して測定するものであ
り、アコースティック・エミッション信号の発生原因に
よって異なる発生回数、総エネルギー、信号波形、周波
数スペクトル分布等を解析して発生原因を同定するに適
しており、特に、地中における振動によって発生するア
コースティック・エミッション信号の計測は、土木、建
築、資源開発、特に、地下エネルギー開発の各技術分野
で盛んになって来ている。

かかるアコースティック・エミッション計測を用いた本
発明方法による坑井掘削監視システムの概略構成の例を
第１図に模式的に示す。図示の概略構成においては、掘
削リグ１を設けて掘削している計測対象の所望の坑井２
の近傍に観測井３を掘削してその坑底部にＡＥゾンデ４
を設置し、掘削進行中の所望の坑井２におけるドリルカ
ラーや掘管のこすれによって発生するＡＥ倍信号あるい
は、ビットの異常、地質構造、き裂、破砕帯、脈、岩石
の強度や逸泥等に対応して発生するＡＥ信号を観測井３
中のＡＥンデ４により検知して計測車５により測定する
。

かかるＡＥ倍信号計測による掘削監視の対象とする坑井
２は、東へ幡平フィールド水圧破砕井Ｆ−１であり、計
測開始時における計測対象坑井の深度は３１２ｍ、掘削
終了時すなわち掘り止め時における坑井の深度は３７９
．２５　ｍであった。この坑井のキックオフポイント（
ＫＯＰ）すなわち垂直坑と傾斜坑の屈曲点の深度は６０
ｍ、最火偏距４６ｍのロークリ掘削による傾斜弁であり
、４０Ｊ４　ｍの深度まで１０′のケーシングを挿入し
である。この坑井の掘進は、深度４５ｍから３５９ｍま
でが８’５／８のトリコーンビット掘削により、また、
３５９．ｍから３７９、２５　ｍまでが１０１ｍｍのＨ
Ｑビットのコアリングによって行なった。坑井掘削地域
の地層は第四組層であり、深度１１７ｍまでが関東森第
一層と呼ばれるデサイト質凝灰岩であり、深度１１６．
７〜２５７．５ｍが凝灰角礫石および安山岩質火山礫凝
灰岩からなる関東森第二層であり、深度２５７．５ｍ以
下が小和瀬用凝灰岩と呼ばれるデサイト質溶結凝灰岩で
ある。本発明監視方法によるＡＥ計測は最深部の小和瀬
用凝灰岩の掘進中に行なったが、小和瀬用凝灰岩の溶結
の強さは深度によって変化している。

上述した坑井の掘削監視におけるＡＥ計測は、東北大学
が開発した坑井内ＡＥ計測システムによって行なった。

この坑井内ＡＥ計測システムは、単一測定点におけるＰ
波の到来方向およびＰ波とＳ波との到達時間差のＸ、Ｙ
、Ｚ三軸データを解析してその到来波の振幅と位相とか
らＡＥ信号発生源の方向および距離を求め、その発生源
の位置を同定し得るようにした三軸ＡＥ計測方法を用い
ており、そのＡＥ計測システムの構成を第２図に示す。

図示の坑井内ＡＥ計測システムにおいては、リグを設け
て多芯装甲ケーブル６により懸垂した坑井内ＡＥゾンデ
４を観測井３内に湧出した水中に入れて坑底まで下ろし
、第１図に示したようにして所望の坑井２から発生した
ＡＥ倍信号検知し、多芯装甲ケーブル６を介して計測車
５に導く。この坑井内ＡＥゾンデ４は、円筒状ケースに
収容したＸＹＺ三軸方向の加速度を検出するための圧電
加速計、その三軸計測データを増幅するプリアンプ、例
えば本願人の出願に係る特開昭６０−２７３３４８号明
細書に記載のように、ホール効果素子をモータ駆動によ
り回転させてゾンデの方向を測定するようにした電子方
位計、および、例えば本願人の出願に係る特願昭６０−
２３６４４２号明細書に記載のように、直流モータで駆
動して円筒状ケースの上下両端をそれぞれ１２０°間隔
で坑井内壁に固定するようにした固定アームからなって
おり、ＸＹＺ三軸方向検出出力信号を多芯ケーブル６を
介して導いた計測車５内の地上解析装置によって処理す
る。トランスデユーサとしての圧電加速計は、１２個の
トランスデユーサを４個ずつ並列に接続して３グループ
に区分し、互いに直角に三軸方向にセットしてＡＥ倍信
号捕捉する。ゾンデの総合感度は、７１１ｚ〜７　ＫＨ
ｚの周波数範囲で０．３１６〜３．１６Ｖ／Ｇａｌであ
る。

地上解析装置においては、坑井内ＡＥゾンデ４に備えた
固定アームの駆動モータを制御する固定モータ駆動装置
７により操作してＡＥゾンデ４を坑井内壁に固定し、Ｘ
Ｙレコーダ９により記録しながら電子方位計駆動装置８
によりＡＥゾンデ４内の電子方位計を操作して得られた
ＸＹＺ三軸方向の加速度検出出力信号を、それぞれ１０
〜４０ｄＢの増幅利得を有する主アンプ１０を介し自動
データ処理装置１１に導いて、８ビツト構成のディジタ
ルデータにして処理するとともに、データレコーダ１８
、ディジタル記憶オシロスコープ１９、リングダウンカ
ウンタ２０、ペン書きレコーダ２１にも導く。自動デー
タ処理装置１１によりデータ処理した結果は、パーソナ
ルコンピュータ１２を介し、プリンタ１３およびフロッ
ピデータディスケット１４に導いて記録し記憶するとと
もに、第１および第２の表示装置１５および１６により
観測しながらカラープリンタ１７により色分は記録する
。

上述した構成による坑井内ＡＥ計測システムにおけるＡ
Ｅ倍信号測定可能周波数帯域は前述した７Ｈｚ乃至７　
ＫＨｚであり、測定対象坑井２とするＦ−１井から水平
距離約１５０ｍに位置する計測弁３としてのＡＥ−１井
における深度２１０ｍの坑底付近にＡＥゾンデ４を固定
して所要の計測を行ない、観測したＡＥ倍信号ビデオカ
セット型のデータレコーダ１８に記録しておき、測定終
了後にデータ解析を行なうようにした。

上述したようにして、坑井の掘削に伴い連続型のＡＥ倍
信号観測したが、そのＡＥ信号波形の一例を第３図に示
す。図中、波形Ｙは掘削対象坑井２の方向を向いた水平
成分であり、波形Ｚは垂直成分である。ＡＥ倍信号振幅
は０．０１〜Ｑ、４Ｇａｌであり、バックグラウンドノ
イズは約０．００１６ａｌであった。

つぎに、トリコーンピット掘削区間である深度３２０〜
３４７ｍにおけるＡＥ倍信号ＲＭＳ　レベルの掘削深度
による変化の態様とそのＡＥ倍信号対応したカッティン
グの状態とを第４図に対比して示す。

また、各深度におけるＡＥ倍信号ＲＭＳ　レベルの時間
的変化の態様を第５図に順次に示す。

これらの図に見られるように、ＡＥ倍信号信号レベルは
、深度によって変化しており、特に、深度３３２〜３４
０ｍの区間における信号レベルが太きくなっている。ま
た、第４図示のカッティングの黒ずんでいる部分は溶結
の度合が強い部分であり、その部分と第５図においてＡ
Ｅ信号レベルの高い部分とはよく対応している。一方、
溶結凝灰岩の破壊強度は溶結の強さと対応することが知
られている。したがって、溶結の強い部分からのＡＥ信
号レベルが高くなっているのは妥当である。また、深度
３２８ｍの近傍においては、ＡＥ信号レベルの局所的な
増大に対応してカッティングが黒ずんでいるのは、局所
的な強溶結層にビットの先端が達したことを示している
が、カッティングについては、深度１ｍ毎にカッティン
グを採取しているので、局所的強溶結層の存在は余り明
確には現われていない。これに対して、ＡＥ倍信号つい
ては、かなり明確に局所的な強溶結層の存在およびその
深度を知ることができる。

さて、第５図の最下段にＡＥ信号波形を示した深度３１
３ｍの近傍は、第４図示のカッティングからも判るよう
に、安山岩礫を含む弱溶結の凝灰岩層であり、低レベル
のＡＥ倍信号中あって礫に対応する高レベルのＡＥ倍信
号間歇的に観測されていることが判る。また、第５図の
第２段に深度３２４ｍの近傍について示したＡＥ信号波
形は、トリコーンピット掘削時に得られるＡＥ信号波形
の典型例であり、地下前体がビットによって崩されて次
第に打ち砕かれていく様子がよく現われている。

さらに、第５図の最下段に深度３４６ｍの近傍について
示したＡＥ信号波形は、はぼ均質の層の掘削時に得られ
るＡＥ信号波形の例であり、最下段に示した深度３１３
ｍ近傍のＡＥ信号波形とは対照的に、インパルス性のＡ
Ｅ信号波形があまり現われていない。

つぎに、掘削中の坑井からのＡＥ信号レベルと掘進率と
を対照比較して第６図に示す。掘進率は書体の強度に対
して負の相関を有しており、書体の強度を知る目安とな
るが、第６図においても、ＡＥ信号レベルの高い区間は
掘進率が低いという傾向が現われている。ただし、３３
７ｍ以深の坑井においてはピット荷重を４を乃至５ｔに
増大させるので、掘進率およびＡＥ信号レベルの双方が
増大している。掘進率はある一定の掘進長毎にその測定
値が得られるので、掘進率のデータには局所的な膏体強
度の変化は現われていない。

つぎに、従来の電気検層および音波検層の結果とＡＥ計
測の結果とを対照比較して第７図に示す。

電気検層および音波検層の結果は、従来、地下前体の緻
密さやき裂の存在を知る目安として用いられているが、
図示の結果においては、電気検層の結果が深度３３１〜
３４５ｍの区間が強溶結であり、深度３２０ｍ以浅が弱
溶結であることを示唆する程度であり、図示のＡＥ信号
レベルの変化が示すような局所的な膏体強度の変化を詳
細に示すデータは別置得られていない。

坑井の種々な掘削状態を示すＡＥ計測の結果を第８図に
示す。第８図の上段には、ドリルカラーが坑壁をこすっ
ている状態を表わしたＡＥ信号波形を示し、図から判る
ように、掘り管の回転数６Ｏｒｐｍに対応した明確な繰
返し波形が観測されている。また、第８図の中段には、
掘り管の共振現象であるジャリングの発生時に得られた
ＡＥ信号波形を示し、ジャリングの発生に伴ってＡＥ信
号レベルが異常に増大していることを表わしている。

さらに、第８図の下段には、掘進終了後の再掘削時に得
られたＡＥ信号波形の例を示す。一般に、坑井掘削にお
いてはある一定長の掘進の後に、掘進に伴って生じた微
小な孔曲がりの矯正およびカッティングの浚いを行なう
ために、掘進した部分を数回に亘って再掘削するのであ
るが、その再掘削時に生ずるＡＥ信号波形を示したもの
である。

図に示すように、掘進の終了とともにＡＥ信号レベルが
低下し、その後の再掘削の都度、ＡＥ倍信号発生が見ら
れ、図示の例においては、２度の再掘削によって坑井の
曲がり矯正およびカッティングの浚いなどが完了してＡ
Ｅ信号レベルの増大が以後現われなくなっている。もし
、極度の孔曲がりや坑壁荒れ、崩落等が生じた場合には
、再掘削時のＡＥ信号波形の態様にそれらの状態に対応
した明確な相違が現われるものと考えられる。

以上のＡＥ計測結果に示したように、坑井の掘削に伴っ
て連続型のＡＥ倍信号観測することができ、その信号波
形や信号レベルが地下構造や坑井掘削の状態を反映して
いるので、これを利用してつぎのような坑井掘削のモニ
タリングを行なうことができるものと考えられる。

まず、地層の変化のモニタリングを行なうことができる
。上述のＡＥ計測の結果においては、同−地層内におけ
る岩石溶結の強さ、すなわち、岩石の強度によってＡＥ
信号レベルが変化しているが、地層の変化によってもＡ
Ｅ信号レベルがかなり変化するものと期待することがで
きる。地層の変化については、従来、掘進に伴って坑井
内から取出したカッティングを地質技術者が目視により
観察して確認して来たが、上述したＡＥ計測を併用する
ことにより、即時に、ある程度定量的なデータが得られ
るので、地質の変化の確認が容易になるとともに、一層
確実に行ない得るものと期待することできる。また、他
の坑井における地層境界で生じたＡＥ信号レベルの変化
がすでに確認されているなど、ある程度データの蓄積が
ある場合には、坑井地質技術者によらずとも、掘削技術
者のみによって即時に地層の変化の判断が可能になるも
のと考えられ、その実現は極めて有効と考えられる。

つぎに、ＡＥ計測は、同−地層内における岩石の力学物
性の相違や断裂系の検知に用いることが期待される。す
なわち、以上に説明したＡＥ計測においては、岩石溶結
の強弱が検知されたが、同様に、地層の変質の強弱もＡ
Ｅ計測の結果から判断することができ、さらに、岩石溶
結の強弱は岩石の破壊靭性と直接に関連しているのであ
るから、将来は、掘り管の回転数、ビット荷重、泥水量
等の機械的データにより掘削監視を行なうマッドログ法
等とＡＥ計測とを併用することにより、地下膏体の破壊
靭性をオンラインで推定し得る可能性もあると考えられ
る。また、ＡＥ計測は、深度３２８ｍ近傍のデータから
判るように、局所的な力学物性の変化を高感度で検知す
ることができるので、地層の脈やスリッケンサイドすな
わち断層に至らぬ地層の微細なすべり、あるいは、破砕
帯等の断裂系の検出に用いるのに好適である。かかる断
裂系の検出は石油や地熱開発あるいは岩盤調査等に対し
て極めて重要である。しかしながら、トリコーン掘進や
パーカッション掘進の場合には、掘進中に得られるカッ
ティングの観察によって断裂系の存在を検知することは
困難であり、また、コア堀りの場合にも、コスト高にな
ることに加えて、掘進時やコア採取時にコアにクラック
が生じやすいので、コアの観察による判断が困難になる
ことが多い。したがって、ＡＥ計測は断裂系の検知に極
めて有効であると考えることができる。また、ＡＥ計測
が有する即時性は、加熱弁の掘削におけるように地下の
状態に応じて即時に適切な対応を迫られるうよな場合な
どに特に有効である。

さらに、第８図につき前述したように、ＡＥ計測は掘削
工程の監視に用いることができ、その監視の対象の一つ
は、掘り管やドリルカラーの坑壁とのこすれやビットの
不良など掘削時に生ずる事故や障害の検知であり、監視
の対象の他の一つは孔曲がりや崩落など坑井仕上げの良
否の判断であり、これらの情報の抽出は計測によって得
たＡＥ信号のＲＭＳ信号波形の解析が極めて有効である
。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、ＡＥすなわちアコース
ティック・エミッションの計測を用いる本発明坑井掘削
監視方法によれば、掘削中の坑井について、以上に列挙
して詳述したＡＥ計測の利点を全面的に活用して、坑井
掘削によって生ずるＡＥ信号波形の観察やデータ解析に
より、坑井掘削の工程監視や地下情報の収集を即時に行
なって坑井掘削に必要な適切な対応処理を即時に行ない
得るという格別の効果を挙げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法による坑井掘削監視システムの概略
構成の例を模式的に示す構成配置図、第２図は本発明監
視方法に用いるＡＥ計測システムの構成を示すブロック
線図、 第３図はＡＥ信号波形の例を示す信号波形図、第４図は
ＡＥ信号レベルの坑井深度依存の態様の例をカッティン
グの態様と対比して示す信号波形図、 第５図は各種深度におけるＡＥ信号レベルの時間的変化
の態様の例を示す信号波形図、第６図はＡＥ信号レベル
と坑井掘進率との対応の例を示す信号波形図、 第７図はＡＥ計測結果と従来の電気・音波検層結果との
例を対応して示す線図１ 、第８図は各種の坑井掘進状態とＡＥ信号波形との対応
の例を示す信号波形図。 １・・・掘削リグ　　　　　２・・・監視対象坑井３・
・・観測井　　　　　　４・・・ＡＥゾンデ５・・・計
測車　　　　　　６・・・多芯装甲ケーブル７・・・固
定モータ駆動装置 ８・・・電子方位計駆動装置 ９・・・ＸＹレコーダ １０・・・３チヤネル主アンプ １１・・・自動データ処理装置 １２・・・パーソナルコンピュータ １３・・・プリンタ １４・・・フロッピディスケット １５・・・表示装置　　　　　１６・・・表示装置１７
・・・カラープリンタ　　１８・・・データレコーダ１
９・・・ディジタル記憶オシロスコープ２０・・・リン
グダウンカウンタ ２１・・・ペン書きレコーダ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所望の坑井を掘削すべき土地の近傍に所要の深さを
   有する監視用坑井を設け、その監視用坑井内に所要の感
   度を有する振動計測装置を配設して、その振動計測装置
   により前記所望の坑井の掘削に伴って生ずる振動を計測
   することにより、当外所望の坑井の掘削工程の監視およ
   び地下情報の収集を即時に行なうことを特徴とする坑井
   掘削監視方法。 ２、前記振動計測装置をアコースティック・エミッショ
   ン計測装置として、前記所望の坑井の掘削に伴って発生
   するアコースティック・エミッション信号を計測するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の坑井掘削監
   視方法。