JPS6374334A - 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（自の地中に埋設さ
れた種々の計ヘリ装置のデータを地上へ送信するための
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
（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、ドリルバイブ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３図は一例として、ＯＧＪ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｆ＠ｂ、
２１．１９８３に５ｅｃｏｎｄ−Ｇｅｒ＋ｅｒａｔｉｏ
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
応じて多数が接続されてドリルストリングが形成されて
いる。

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

なお各ドリルバイブ４は円筒状に形成されており、最上
端のドリルバイブ４の上端面から図示しない泥水ポンプ
により加圧泥水が注入されている。

この泥水は、油井３の壁面の保護、即ち泥水の圧力によ
りその崩壊を防止する目的、あるいはビット５による坑
底掘削の円滑化等の目的で注入される。具体的には、泥
水は各ドリルバイブ４の内部空洞を通じて最先端のドリ
ルバイブ４０からピント５に至り、ビット５先端から吐
出されて多数のドリルバイブ４からなるドリルストリン
グと油井３との間隙を上方へ上昇して地表に至り、回収
されるという循環を行う、この地表へ戻った泥水を分析
して坑底のデータを得る手法が前述のマッドロギングで
ある。

また第３図において破線にて囲繞した範囲７は、最先端
のドリルバイブ４０の底部４１と上部４２及びそれ以上
の位置の各ドリルバイブ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
最先端のドリルバイブ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。

ヰ★雇用計測装置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針４１装置８０によ
り測定されたデータを再生する。

第４図は、上述のダイポールアンテナ７の部分を拡大し
て示した最先端のドリルバイブ４０の縦断面図であり、
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４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それぞれニ導線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がドリルバイブ４，４・・・からなるドリル
ストリングを回転させると、最先端のドリルバイブ４０
の先端に取付けられているピント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、最先端のドリルバイブ４゜の底部４１に取付けられ
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送信部９０にて変調・増幅し、５
〜６０Ｈｚの交流信号としてドリルバイブ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
１１ｚの場合、空中での波長に換算すると５０００に■
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Ｊ
ｉｉＺ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るが、ダイポールアンテナとして
のドリルパイプの周囲には通常泥水が存在するため、こ
こでまず電磁波の減衰が生じる。

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
、導電体としてのドリルパイプ多数からなるドリルスト
リングを導波路として作用させ、具体的には各ドリルパ
イプの内部空洞に沿って電磁波を伝播させ、あるいは導
電体としてのドリルストリングの外表面に沿って電磁波
を表面波として伝播させることにより、高Ｓ／Ｎにてデ
ータの送信が可能で、且つドリルパイプの機械的強度を
損なう虞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、たとえば縦坑掘削用のドリル
パイプ等の如き導電体を、それ自体を導波路として作用
させることにより、送信すべき信号を電磁波として送信
する構成としている。

〔作用〕

本発明の地中通信装置では、地中に埋設されている導電
体自体が導波路として作用して、送信器から出力された
電磁波を効率よく高Ｓ／Ｎにて伝播する。

〔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はドリルパイプであり、前述の従来技術における
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。

また、最先端のドリルパイプ４０には、前述の従来例と
同様にその内部空洞内に取付けられた格納容器８内に検
層用計測装置８０及び本発明の地中通信装置の送信部９
０が収納されている。そして本発明装置では、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が収納されている格納容器８が装着され
ている最も先端のドリルパイプ４０の外周面に送信電極
５１が取付けられている。この送信電極５１は、誘電体
５０を介して最先端のドリルパイプ４０の外周に帯状の
電極を巻きつけてあり、地上側の径がビット５側の径よ
り大に、但しビット５にて掘削される油井３の内径より
は小径に形成されている。

従って送信電極５１は、最先端のドリルパイプ４０、と
は電気的に絶縁されていてしかも地上側へ向けて拡開さ
れた状態で最先端のドリルパイプ４０に取付けられてい
る。そして、送信部９０内の発振器と送信電極５１及び
最先端のドリルパイプ４０とが導線にて接続されていて
、発振器からの出力が送信電極５１に与えられるように
なっている。

また、地上側には、最上端のドリルパイプ４５の周囲に
ビット５例の径が上部側の径より大に形成された環状の
受信電極５２がやはり最上端のドリルバイブ４５とは誘
電体５０にて絶縁された状態で取付けられている。

なおドリルバイブ４は図示しない駆動源にて回転駆動さ
れているので、受信電極５２は最上端のドリルバイブ４
５に対して相対的に回転可能に、即ち地表面に対して回
転しないように支持されている。

更に、最上端のドリルバイブ４５の受信電極５２より上
側の位置には、最上端のドリルバイブ４５と電気的に結
合されている接触片５５が取付けられている。そして、
本発明装置の受信部を構成するアンプ１１の入力端子の
一方が受信電極５２に、他方が接触リング５５にそれぞ
れ導線にて接続されている。

このような構成を採ることにより、多数のドリルバイブ
４からなるドリルストリングは送信電極５１から放射さ
れる電磁波の導波路として作用する。

より具体的には、各ドリルバイブ４の表面とその周囲の
泥水あるいは空気との境界面を電磁波が伝播する表面波
線路が形成される。

以上のような構成の本発明装置の動作について以下に説
明する。

最先端のドリルバイブ４０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すれ、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は正弦波を位相変調し、増幅して交流信号と
して送信電極５１に印加する。これにより、送信電極５
１からはこれに送信部９０から与えられた信号に対応し
た電磁波が放射される。

この送信電極５１から放射された電磁波は、最先端のド
リルバイブ４０．その地上側の多数のドリルバイブ４．
４・・・及び最上端のドリルバイブ４５からなるドリル
ストリングの表面、具体的にはドリルストリングを構成
する各ドリルバイブ４とこれらと接する泥水あるいは空
気との境界面を伝播する表面波として送信電極５１から
ドリルストリングに沿って伝播し、地上側に位置する受
信電極５２に受信される。即ち、各ドリルバイブ４の表
面とその周囲の泥水あるいは空気との境界面は表面波線
路を形成するのである。

このような表面波線路を伝播して受信電極５２に至り、
これに受信された電磁波は本発明装置の受信部を構成す
るアンプ１１にて増幅されるので、これを従来同様の適
宜の信号処理装置にて処理すれば、油井３の坑底の種々
の情報を地表にて得ることが可能になる。

次に本発明の他の実施例について説明する。第２図はそ
のその構成を示す模式図である。

この実施例では、検層用計測装置８０及び本発明装置の
送信部９０を収納している格納容器８が取付けられてい
る最先端のドリルバイブ４０の内部空洞の内壁の相対向
する位置に送信部９０の発振器の出力を印加して直接電
磁波を放射させるようにしである。

そして、地上側でもやはり最上端のドリルバイブ４５の
内部空洞の内壁の相対向する位置にアンプ１１の両入力
端子を直接接続しである。但し、現実には最上端のドリ
ルバイブ４５は回転駆動されているので、実際上は最上
端のドリルバイブ４５の上端に接続されている泥水注入
用のパイプの内面等にアンプ１１の両入力端子を接続す
ればよい。

このような実施例では、各ドリルバイブ４の内部空洞は
導波管として作用する。ｍｌち、最先端のドリルバイブ
４０から放射された電磁波はドリルストリングを構成す
る各ドリルバイブ４の内部空洞を各ドリルバイブ４に沿
って伝播する。従って、送信部９０（ＪＩＩＪから放射
された電磁波はドリルストリング内を伝播してその地上
側に至り、最上端のドリルバイブ４５にて本発明装置の
受信部を構成するアンプ１１に取込まれる。

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
えば地下水等にて満たされていれば、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
例について説明しであるが、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。

〔効果〕

以上のように本発明によれば、地中に埋設されている導
電体自体を導波路として作用させ、これを通じて電磁波
を伝播させるようにしているので、従来の導電体を絶縁
層にて部分したアンテナにて発生される電磁波を地中に
放射してこれを地上で受信する従来装置に比して、地上
での受信感度が高く、高Ｓ／Ｎであり、また導電体とし
てのドリルパイプの機械的強度をｍねる虞もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の地中通信装置の構成を示す模式図、第
２図は本発明の他の実施例を示す模式図、第３．４図は
従来技術の説明図である。 ２・・・地ｊｉｔ３・・・油井　　４・・・ドリルパイ
プ５・・・ピッ）　　　１１・・・アンプ　　５１・・
・送信電極５２・・・受信電極　　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、地中に埋設された導電体の一端部に位置せしめられ
   た送信器から他端部に位置せしめられた受信器へ信号を
   送信する地中通信装置において、 前記導電体を導波路として作用させること により、前記送信器から出力された電磁波を前記受信器
   へ送信すべくなしたことを特徴とする地中通信装置。 ２、導波路は、導電体の外表面に沿って形成される表面
   波線路である特許請求の範囲第１項記載の地中通信装置
   。 ３、導波路は、導電体内部の空洞により形成される導波
   管である特許請求の範囲第１項記載の地中通信装置。