JPS6374230A - 地中通信装置 - 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〕 本発明はたとえば検層用計測装置、即ち主として石油あ
るいは天然ガス等の採掘用縦坑、即ち油井、ガス井等を
掘削する際に、ドリルパイプ先端部に装着されて坑底の
性状を測定する装置、あるいはその他の地中に埋設され
た種々の計測装置のデータを地上へ送信するだめの通信
装置に関する。

〔従来技術〕

たとえば従来、石油採掘用の油井等の縦坑を堀ｒｉする
際に、坑底付近の地質あるいは掘削用ビットに関する種
々の情報を得るには、ドリルパイプを一旦地上に引き上
げて８！査するか、検層用の計測装置を縦坑内に下ろし
て計測するか、あるいは掘削中にドリルパイプ上端から
ビット先端を経て縦坑内を上方へ循環している泥水（マ
ッド）の状態、成分を分析するマッドロギング（泥水検
層）と呼ばれる手法等が採用されている。

しかし、上述の各手法では、計測に比較的時間を要し、
また掘削中の坑底のデータをリアルタイムで計測するこ
とは困難であった。このような事情から、近年、ＭＷＤ
（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｗｈｉｌｅ　Ｄｒｉｌｌｉ
ｎｇ）と呼ばれる手法が開発されている。このＭＷＤは
端的には、ドリルパイプの坑底に近い先端部にセンサを
備えた検層用計測装置を装着し、得られた種々のデータ
をたとえば電磁波等を媒介として地上へ送信することに
より、リアルタイムにて坑底の性状（ビットの状態を含
む）を計測し、そのデータを得んとするものである。

第５図は一例として、ＯＧＪ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｆｅｂ、
２１．１！Ｊ８３に’５ｅｃｏｎｄ−Ｇｅｎｅｒａ目ｏ
ｎ　ＭＷＤ　Ｔｏｏｌ　Ｐａ５ｓｅｓ　ＦｉｅｌｄＴｅ
ｓ　ｔ″の表題で発表された装置の構成を示す模式図中
、■は掘削リグ、２は地層、３は掘削中の縦坑、即ち油
井、４は図示しない動力源にて回転されてその力をビッ
ト５に伝達するためのドリルパイプであり、掘削深さに
応じて多数が接続されてドリルストリングを構成してい
る。

５は上述の如く地層を掘削するためのビット、６は最先
端の、つまりビット５の直上のドリルパイプ４０を底部
４１と上部４２とに分割して両者を電気的に絶縁するた
めの絶縁カラーである。

また図中において破線にて囲繞した範囲７は、最先端の
ドリルパイプ４０の底部４１と上部４２及びそれ以上の
位置のドリルパイプ４と絶縁カラー６とにより形成され
るダイポールアンテナを示している。そして８は最先端
のドリルパイプ４０の底部４１側の内部空洞に取付けら
れた格納容器である。この格納容器８内には検層用針！
ｊｌ！Ｉ装置８０及びこの検層用計測装置８０にて得ら
れたデータを地上へ通信するための通信装置の送信部９
０が収納されている。

検層用計測装置８０は、掘削中の油井３の坑底及びビッ
ト５に関する種々の性状、たとえば温度。

圧力、振動１回転トルク等をそれぞれ測定するセンサ等
からなる。また通信装置の送信部９０は、検層用計測装
置８０により得られたデータを、変調・増幅して上述の
ダイポールアンテナ７から一点破線にて示すような電磁
波として出力するための送信回路等にて構成されている
。

一方、地上には通信装置の受信部を構成するアンテナ１
０．アンプ１１．信号処理部１２等が備えられている。

具体的には、直線状のアンテナ１０が油井３をほぼ中心
として張られており、このアンテナ１０にて受信された
電磁波はアンプ１１に出力される。

このアンプ１１はアンテナＩＯから与えられた信号を増
幅して信号処理部１２に出力する。信号処理部１２は、
アンプ１１の出力信号を復調し、坑底のデータ、即ち格
納容器８内に収納されている検層用計測装置８０により
測定されたデータを再生する。

第６図は、上述のダイポールアンテナ７の部分を拡大し
て示した縦断面図であり、格納容器８内に収納された通
信装置の送信部９０から最先端のドリルパイプ４０の絶
縁カラー６により電気的に絶縁された底部４１及び上部
４２それぞれに導線ＣＩ、　Ｃ２が接続されてダイポー
ルアンテナ７が構成されている。

このような従来の装置は、以下のように動作する。

掘削リグ１が多数のドリルパイプ４，４・・・からなる
ドリルストリングを回転させると、最先端のドリルパイ
プ４０の先端に取付けられているピッ）　５も回転する
ので、ビット５により油井３の底部の地層２が掘削され
る。この際、最先端のドリルパイプ４０の底部４１に増
付けられた格納容器８内の検層用計測装置８０はセンサ
にて坑底の地層２の性状あるいはビット５の状態を測定
し、この結果得られたデータを通信装置の送信部９０に
て変調・増幅し、５〜６０）１ｚの交流信号としてドリ
ルパイプ４を絶縁カラー６にて電気的に絶縁したダイボ
ールアンテナ７に印加する。これにより、ダイポールア
ンテナ７からは図に一点破線にて示す如く電磁波が放射
される。

なお、ダイポールアンテナ７に印加される周波数が６０
Ｈｚの場合、空中での波長に換算すると５０００ｋｍと
極めて長波長になる。

一方地上では、ダイポールアンテナ７から放射され地層
２中を伝播して来た電磁波は直線状のアンテナ１０によ
り受信され、アンプ１１にて増幅され、信号処理部１２
にてデータとして再生される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上述のような構成の従来の通信装置では、地
中通信という観点から極めて長波長の電磁波をデータ送
信の媒体として使用しているので、高効率の２波長の送
信及び受信アンテナを得ることが難しい。このため、受
信された信号のＳ／Ｎが極めて低くなり、従ってデータ
の正確な伝達が困難である。

また、電磁波の伝播途中に含水率が高い地層が介在して
いると、電磁波が著しく減衰されてＳ／Ｎがより一層低
下するという問題があり、これはドリルストリング周囲
に存在する泥水により一層顕著である。

更に、最先端のドリルパイプを絶縁カラーにより二分割
してダイポールアンテナとして使用する構成を採ってい
るので、絶縁カラーの部分でドリルパイプの機械的強度
が低下する等の問題がある。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり
、電磁波ではなく磁界をデータ送信の媒体として使用す
ることにより、高Ｓ／Ｎにてデータ送信可能で且つドリ
ルパイプの機械的強度を川なうこともない地中通信装置
の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の地中通信装置は、装置の送信部が装着されてい
るドリルパイプ等の磁性体に磁界発生手段を備える一方
、地上側にはコイルあるいはホール素子等の磁界検出手
段を備え、得られたデータを表す信号を磁界を伝播媒体
として送信する構成としている。

〔作用〕

本発明の地中通信装置では、通信すべき信号は磁界の変
化に変換されて地中を通信される。

〔実施例〕 以下、本発明をその実施例を示す図面に従って詳述する
。

第１図は本発明に係る地中通信装置の構成を示す模式図
である。なお、前述の従来例の説明図と同一の構成部材
または相当する部材には同一の参照符号を付してある。

図中４はドリルパイプであり、前述の従来技術に於ける
と同様に多数が接続されてドリルストリングが形成され
ており、その最先端のドリルパイプ４０の先端に装着さ
れたビット５により地層２に縦坑である油井３が掘削さ
れている。

そして、本発明では、たとえばビット５直上の、即ち本
発明装置の送信部９０及び検層用計測装置８０が装着さ
れている最先端のドリルパイプ４０に磁界発生部２０が
設けられている。また、地上には、磁界検出用コイル５
１及びアンプ５２等にて構成される本発明装置の受信部
が備えられている。具体的には、最上端のドリルパイプ
４の地上への突出部に巻回された磁界検出手段としての
磁界検出用コイル５１及びその出力信号を増幅するアン
プ５２が備えられている。なお、他の構成は前述の従来
例と基本的には同様である。

第２図はこの磁界発生部２０を拡大したより詳細な最先
端のドリルパイプ４０の縦断面図である。

本発明の地中通信装置の送信部９０は、従来例同様にビ
ット５の直上のドリルパイプ４０の内部空洞に取付けら
れている格納容器８内に検層用計測装置１２ｆｆｉ８０
と共に収納されており、この検層用計測装置８０が温度
、圧力、振動９回転トルク等を計測するセンサ（図示せ
ず）を含み、また本発明装置の送信部９０が変調回路、
アンプ、発信回路等を含んでいることは従来例同様であ
る。

一方、この最先端のドリルパイプ４０の外側周面には適
宜の幅及び深さの溝２１がドリルパイプ４０を削成する
ことにより形成されている。そして、溝２１内には磁界
発生用コイル２２が巻回されており、この磁界発生用コ
イル２２の両端は溝２１底部と最先端のドリルバイブ４
０内部の空洞状の格納容器８との間に穿孔された連絡孔
２４．２４を介して本発明装置の送信部９０に接続され
ている。

また、磁界発生用コイル２２が巻回された満２１には、
磁界発生用コイル２２を埋設させるようにしてまたドリ
ルパイプ４の外径と一致させて非磁性金属の保護材料３
０が充填されている。この非磁性保護材料３０は、磁界
発生用コイル２２に極く近い周囲で磁気回路が閉じてし
まわないようにするために満２１に充填される。

なお、第２図に一点破線にて示すように、最先端のドリ
ルパイプ４０を！２１を含む部分と含まない部分とに分
割して作成し、両者を螺合することにより１本のドリル
パイプとして構成するようにすれば、磁界発生用コイル
２２及び非磁性保護材料３０の装着に便利である。

さてこのように構成された本発明の地中通信装置の動作
は以下の通りである。

検層用計測装置８０はたとえば図示しないセンサの測定
信号をデジタル量に変換し、更に２値の数値列に変換す
る。そしてこの数値列に基づいて、本発明装置の送信部
９０はその発振回路によりたとえば正弦波を位相変調し
、増幅して磁界発生用コイル２２に出力する。この発振
回路からの出力により磁界発生用コイル２２が駆動され
て発振回路からの出力に相当する磁界を発生する。第３
図はこの磁界発生用コイル２２から発生される磁力線の
強度分布の状態を示しており、強磁性体であるドリルパ
イプ４，４・・・の内部空洞を高密度で伝播して地上に
達している。

一方、その上端が地上に突出している最上部のドリルパ
イプ４には磁界検出手段として磁界検出用コイル５１が
備えられているので、磁界発生用コイル２２から発生さ
れた磁界はこの磁界検出用コイル５１にて検出される。

従って、この磁界検出用コイル５１が検出する磁界をア
ンプ５２にて増幅し、その変化の状態を検出すれば、油
井３の坑底において検層用計測装置８０にて測定された
種々のデータを地上で得ることが可能である。

なお上記実施例では、多数接続されたドリルパイプ４．
４・・・にて構成されるドリルストリングはその全長に
比してその径が非常に小さいので、磁束がドリルバイブ
４外へ副洩する可能性がある。このように漏洩磁束があ
る場合には、磁界検出コイル５１と磁束とが充分に鎖交
せず、このため感度が低下することになる。この対策と
してはたとえば、第４図に示すように磁界検出用コイル
５１の径を数十乃至数百ｍ程度の大きさにすれば、漏洩
磁束も磁界検出用コイル５１と鎖交するので、磁界検出
コイル用５１の感度を向上させ得る。

また、上記実施例では、図上では磁界検出用コイル５１
を地表面あるいは地表面から若干離隔した空中に設けで
あるように示してあるが、たとえば地中に埋設し、ある
いは水中に設置するようにしてもよい。このように地中
あるいは水中に磁界検出用コイル５１を設置すれば、地
表面あるいは空中に設置する場合に比して、空気中を伝
播する外来の雑音を受信する可能性が減少する。

更に、磁界検出用コイル５１の代わりにたとえばホール
素子等の他の磁界を検出し得る手段を使用することも勿
論可能である。

更になお、ドリルパイプ４内にその上端部からビット５
を経て油井３を上方へ循環される泥水中に強磁性体、た
とえばフェライト粉を混入すれば、より高能率の磁気回
路が形成される。これにより漏洩磁束が減少するので、
磁界検出用コイル５１の感度が向上する。なお、強磁性
体をたとえば磁界検出用コイル５１の感度が何等かの事
情により低下した場合にのみ混入するようにしてもよい
。

なお上記実施例では、油井、ガス井等を掘削するための
縦坑掘削用の設備における実施例を示したが、他にたと
えば下水道管敷設等のための横孔掘削用の設備、あるい
は地中に埋設されている地震針等からデータを送信する
ための設備等にも適応可能である。

また上記実施例では地中側から地上側へ信号を送信する
場合について説明してあるが、地上側から地中側へ、あ
るいは双方向の信号通信も可能であることは言うまでも
ない。

〔効果〕

以上のように本発明によれば、磁界を媒体として坑底か
ら地上へデータ送信を行うようにしているので、導電体
を絶縁カラーにて部分したアンテナにて発生される電磁
波を媒体とする従来装置に比して、地上での受信感度が
高く、また磁性体としてのドリルバイブの機械的強度を
１月ねることもないので集品に効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の地中通ｆδ装置の構成を示す模式図、
ｆｆ１２ｔ７１はその細部の構成を示すドリルバイブの
縦断面図、第３図はその磁束分布の状態を示す模式図、
第４図は本発明の他の実施例を示す模式図、第５，６図
は従来技術の説明図である。 ２・・・助層　　３・・・油井　　４・・・ドリルバイ
ブ５・・・ビット２０・・・磁界発生部　　２２・・・
位界発ＺＩｌ用コイル　　５１・・・磁界検出用コイル
　　５２・・・アンプ　　９０・・・送信部 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一端を地上側に位置されて地中に埋設された磁性体
   の地中部分から地上側部分へ信号を送信するための地中
   通信装置において、 前記磁性体の地中部分に磁気的に結合され、送信される
   べき信号に対応する電流が通流される磁界発生手段と、 前記磁性体の地上側部分と磁気的に結合さ れ、前記磁界発生手段にて発生される磁界の変化を検出
   する磁界検出手段と を備えたことを特徴とする地中通信装置。 ２、磁性体は地山掘削用ドリルパイプである特許請求の
   範囲第１項記載の地中通信装置。 ３、磁界発生手段は、ドリルパイプに巻回された磁界発
   生用コイルである特許請求の範囲第２項記載の地中通信
   装置。 ４、磁界発生用コイルは、ドリルパイプ外側に設けられ
   た溝内に巻回され、その外側を非磁性物質にて被覆して
   ある特許請求の範囲第２項記載の地中通信装置。 ５、磁界検出手段は、磁性体に巻回されたコイルである
   特許請求の範囲第１項記載の地中通信装置。 ６、磁界検出手段は、ホール素子である特許請求の範囲
   第１項記載の地中通信装置。 ７、磁界検出手段は、地中に埋設されている特許請求の
   範囲第１項記載の地中通信装置。 ８、磁界検出手段は、水中に設置されている特許請求の
   範囲第１項記載の地中通信装置。