JPS6374328A - 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等のデータを送信し、あるいは種々
の指令等を受信させるための通信装置に関する。

〔従来技術〕

たとえば従来、石油掘削用の油井等の縦坑を掘削する際
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
て検査するか、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ピン
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、成分を分析するマントロギング（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
（Ｍｅａｓｕｒｅ＋ｗｅｎｔ　Ｗｈｉｌｅ　Ｄｒｉｌｌ
ｉｎｇ）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８図は一例として、ＯＧＪ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｆｅｂ、
２１．１９８３に”５ｅｃｏｎｄ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏ
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
、１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バイブであり、掘削深さに
応じて多数がそれぞれの連結部同士を連結されてドリル
ストリングが構成されている。

５は上述の如く地層を！ｇ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、第８図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
上の位置のドリルバイブ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に取付けられた格
納容器８である。この格納容器８内には検層用計測装置
８０及びこの検層用計測装置８０にて得られたデータを
通信するための通信装置の送信部９０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９ｏ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等が設けられている。

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１０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９図は、上述のダイポールアンテナ７の部分を拡大し
て示した支所面図であり、格納容器８内に収納された送
信部９０から最先端のドリルバイブ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Ｃ１，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がドリルパイプ４，４・・・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
ビット５も回転するので、このビット５の回転により油
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に設けら
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［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送信部９０にて変調・増幅し、
５〜６０Ｈｚ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ポールアンテナ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５０００１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ｆ
ｆ１Ｚ中を伝播して来た電磁波は直線状のアンテナｌＯ
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Ａ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。

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損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、送信器が装着されているドリ
ルパイプ等の連結単位体に磁界発生用コイル等の磁界発
生手段を備える一方、地上側に位置するドリルパイプ等
の連結単位体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、両者間に位置する多数の連結されたドリ
ルパイプ等の連結単位体にはそれぞれ両側に連結された
連結単位体と面する部分相互間で磁界を伝播させる磁界
伝播手段を備え、地中に埋設されているセンサ等にて得
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、磁界をデータ送信の媒体と
し、この磁界がドリルパイプ等の連結単位体を順次伝播
するので、従来の装置に比して高Ｓ／Ｎにてデータ送信
が行われる。

〔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である。

図中４は磁性の連結単位体としての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それぞれの端
面、即ち連結部同士を接続されて連結されてドリルスト
リングを構成しており、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、たとえばビット５直上の、即ち最先端のドリル
パイプ４０に本発明装置である地中通信装置の送信部９
０及び検層用計測装置８０が装着されている。

また、地上には、最上端のドリルパイプ４５の地上への
突出部の直上に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等にて構成
される受信部が設けられている。

更に、上述の最先端のドリルバイブ４０以外のドリルバ
イブ４（最上端のドリルバイブ４５を含む）それぞれに
は、詳細は後述するが、それぞれのトリ／Ｌ／バイブ４
の一方の連結部から他方の連結部へ磁界を伝播するよう
に構成された磁界伝播手段９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図はこの磁界伝播手￥Ｉｔ９の構成を示すための各
ドリルバイブ４の縦断面図、第３図はその上端面の平面
図、第４図は第２図のＩＶ−ＩＶ線での断面図である。

各ドリルバイブ４は第２図に示す如くそれぞれ鉄製の円
筒であり、その上端面である上部連結部４Ｕが凹状に、
その下端面である下部連結部４Ｄが凸状に形成され、上
部連結部４ｕの斜面に切られた雌ネジと下部連結部４Ｄ
の斜面に切られた雄ネジとが螺合することにより、第２
図に一点破線にて示す如く、順次連結されるようになっ
ている。

さて本発明では、各ドリルバイブ４の上部連結部４Ｕの
底部の内部空洞４Ｈの周囲が更に一段掘り下げられた状
態に形成されており、この部分にリング状でその内径が
ドリルバイブ４の内径に等しい上部コイル９０Ｕが嵌合
されている。この上部コイル９０Ｕは、コイル状に巻回
された導線９１を絶縁体９２にて被覆することによりリ
ング状に形成されている。

一方、各ドリルバイブ４の下部連結部４Ｄの表面も一段
掘り下げられた状態に形成されており、この部分に上部
コイル９０Ｕ同様にリング状でその内径がドリルバイブ
４の内径に等しい下部コイル９０Ｄが嵌合されている。

この下部コイル９０Ｄは上述の上部コイル９０Ｕと同様
に、コイル状に巻回された導線９１を絶縁体９２にて被
覆することにより上部コイル９０Ｕと同径のリング状に
形成されている。

更に両コイル、即ち上部コイル９０Ｕと下部コイル９０
Ｄとの間は、ドリルバイブ４の内部中Ｗ４４Ｈの周壁に
沿って設けられたｔｇ続シライン９４て接続されている
。この接続ライン９４は、ドリルバイブ４の内周壁に軸
長方向に沿って刻設された溝内に、絶縁体９５に被覆さ
れた二本の導線９１．９１が固着されることにより設け
られている。従って、両コイル９０Ｕ、９０Ｄは一本の
導線９１にて二つのコイルを形成し、両端を接続して形
成しである。

なお、最先端のドリルバイブ４０には検層用計測装置８
０及び本発明装置の送信部９０が備えられているが、こ
れは第２図に想像線にて示す如く、一般のドリルバイブ
４の内部空洞４Ｈ内に格納容器８を取付け、この内部に
検層用計測装置８０及び送信部９０を装着し、送信部９
０の発振器の出力端子を接続ライン９４の中途にて切断
した導線９１．９１に接続しておけばよい。

なおこの場合には、上部コイル９０Ｕは送信部９０の発
温装置にて駆動される磁界発生手段になる。

また、送信部９０が収納されているビット５の直上のド
リルパイプ４０内部に取付けられている格納容器８内に
は従来例同様にまた上述の如く検層用計測装置８０が共
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も従来例同様である。

さてこのように構成された本発明の地中通信装置動作は
以下の通りである。

まず、本発明装置の使用に際しては、多数のドリルバイ
ブ４がそれぞれの下部連結部４Ｄの雄ネジを他のドリル
バイブ４、具体的には油井３の掘削に現に使用されてい
る最上端のドリルバイブ４５の上部連結部４Ｕ雌ネジに
螺合することにより順次連結される。この際、各ドリル
バイブ４の上部コイル９０Ｕはその上側、即ち地表面側
に連結されるドリルバイブ４の下部コイル９０Ｄと磁気
的に結合される。従って、最先端のドリルバイブ４０か
ら最上端のドリルバイブ４５を経て磁気検出用コイル５
１に至る磁気回路が形成されることになる。

なお、本実施例ではドリルバイブ４自体が鉄製で磁性体
であるため、上部コイル９０Ｕと下部コイル９０Ｄとが
直接磁気的に結合しないような位置に取付けられていて
も、それぞれのドリルバイブ４の下部連結部４Ｄと上部
連結部４Ｕとの間には磁気回路が構成される。

さて、最先端のドリルパイプ４０内に収納されている検
層用計測装置８０により得られた図示しないセンサの測
定信号はたとえばデジタル量に変換され、更に２値の数
値列に変換される。そしてこの数値列に基づいて、本発
明装置の送信部９０は電気信号を増幅して磁界発生用コ
イルとしての最先端のドリルパイプ４０の上部コイル９
０Ｕに出力する。

この電気信号の出力により最先端のドリルパイプ４０の
上部コイル９０Ｕが駆動されて送信部９０からの電気信
号出力に相当する磁界を発生する。

この最先端のドリルパイプ４０の上部コイル９０Ｕはそ
の直上のドリルパイプ４の下部コイル９００と磁気的に
結合しているので、最先端のドリルパイプ４０の上部コ
イル９０Ｕにて発生した磁界はその直上のドリルパイプ
４の下部コイル９０Ｄに伝播されて電界に変換される。

この電界は導線９１を介してそのドリルパイプ４の上部
コイル９０Ｕに伝えられ、この上部コイル９０Ｕにて再
度磁界に変換されて発生される。

以下、各ドリルパイプ４において順次上述の動作が反復
されることにより、最先端のドリルパイプ４０内の送信
部９０にて発生された信号に対応する磁界は、順次各ド
リルパイプ４を下側から上側へ、即ち地中側から地表側
へ伝播されて最上端のドリルパイプ４５の上部コイル９
０Ｕから発生される。この磁界は、最上端の上部コイル
９０Ｕと磁気的に結合されている磁気検出用コイル５１
にて検出され、本発明装置の受信部の入力部を構成する
アンプ１１にて増幅されて適宜の信号処理回路に与えら
れる。

従って、このように磁界検出コイル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、油井掘削用の設備では油井３の深さ、即ちドリル
パイプ４の総延長が数千ｍにも及ぶ場合があるが、この
ような場合には、所定本数毎にアンプを内蔵させたドリ
ルパイプ４を介装させることも有効である。

第５．６．７ｒｙＪは本発明の他の実施例を示す図面で
あり、第５図はドリルパイプ４の縦断面図、第６図はそ
の上端面の平面図であり、第５図は第６図のｖ−■線に
よる縦断面図である。

本実施例では、各ドリルパイプ４の上部連結部４Ｕ底部
には空洞４■の断面周囲に円周状の溝９６が設けられて
いる。そして、上部コイル９０Ｕはこの溝９６内に固着
されている。また、各ドリルパイプ４の下部連結部４Ｄ
の表面には空洞４■の周囲に円周状の溝９７が設けられ
ている。そして、下部コイル９０Ｄはこの溝９７内に固
着されている。

このような本実施例では、二本のドリルパイプ４を連結
した場合には、第９図に示すように、上部コイル９０Ｕ
及び下部コイル９０Ｄがドリルパイプ４の内部室Ｍ４Ｈ
に露出しない、従って、本実施例では多数連結されたド
リルパイプ４の内部空洞４Ｈを上端から下方（先端）へ
通流される泥水から上部コイル９０Ｕ及び下部コイル９
０Ｄを防護することが出来る。

なお、油井３がある程度以上に深くなった場合には、所
定数のドリルパイプ４毎にアンプを内装したドリルパイ
プ４を介装させればよいことは前記実施例と同様である
。

また、磁界検出コイル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、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
いは地下に埋設されている地震計等からデータを送信す
るための設備等にも通用可能である。

また上記実施例では地中側から地表側へ信号を送信する
例について説明したが、地表側から地中側へ、あるいは
双方向の信号送信も可能であることは言うまでもない。

更に、上記実施例では連結単位体として磁性のドリルパ
イプを使用する例を示しであるが、連結単位体としてた
とえば土管、ヒユーム管等でも本発明を適用可能である
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、この磁
界を連結単位体に順次伝播させることにより、連結単位
体を多数連結させて地中に埋設しである連結体を伝播さ
せて地中からの信号の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
る電磁波を媒体として信号を送信する従来装置に比して
、地上での受信感度が高く、また連結単位体としてのド
リルパイプの機械的強度を損ねることもないので非常に
効果的である。

【図面の簡単な説明】

第り図は本発明の地中通信装置の全体の概略的な構成を
示すブロック図、第２図はその細部の構成を示すための
ドリルパイプの縦断面図、第３図はその上端面の平面図
、第４図は第２ＦｙＪのＩＶ−ＩＶ線での断面図、第５
．６．７図は本発明の第２の実施例を示す図であり、第
５図はドリルパイプの縦断面図、第６図はその平面図、
第７図はドリルパイプ同士を接続した状態を示す断面図
、第８．９図は従来技術の説明図である。 ２・・・地層　　３・・・油井　　４・・・ドリルパイ
プ４Ｕ・・・上部連結部　　４Ｄ・・・下部連結部　　
５・・・ビット　　９・・・磁界伝播手段　　５１・・
・磁界検出用コイル　　９０・・・送信部　９０ｔｌ・
・・上部コイル　９０口・・・下部コイル 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、複数の連結単位体を連結して地中に埋設された連結
   体の一端部近傍に位置せしめられた送信器から他端部近
   傍に位置せしめられた受信器へ信号を送信するための地
   中通信装置において、 各連結単位体それぞれに備えられ、連結さ れた両側の連結単位体のそれと磁気的に結合することに
   より一方の連結単位体から他方の連結単位体へ磁界を伝
   播する磁界伝播手段と、前記送信器近傍の連結単位体に
   備えられ、 これと連結された連結単位体の前記磁界伝播手段と磁気
   的に結合すると共に、送信されるべき電気信号が与えら
   れる磁界発生手段と、前記受信器近傍の連結単位体に備
   えられ、 これと連結された連結単位体の前記磁界伝播手段と磁気
   的に結合して伝播される磁界の変化を検出して前記受信
   器に与える磁界検出手段と を具備することを特徴とする地中通信装置。 ２、連結単位体は、磁性体である特許請求の範囲第１項
   記載の地中通信装置。 ３、連結単位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。 ４、磁界発生手段は、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。 ５、磁界伝播手段は、連結単位体の両側の連結単位体と
   の連結部それぞれに位置された磁界発生用コイル及び両
   コイルを接続する導線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、連結単位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。 ７、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。 ８、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。 ９、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。