JP2010210300A - 孔内データ収集システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため孔内データをリアルタイムで伝送することができ、しかもシステムを安価に構築でき、システム維持も容易に行えるようにする。
【解決手段】孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデ１０と、計測ゾンデを吊り下げるワイヤー１２と、ウインチ装置１４と、地上観測装置１６を具備し、ワイヤーにより計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムである。ワイヤーは、長手方向に複数箇所に分散配置したロータリージョイント１８を介して複数の多芯ケーブル２０を機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体であり、ロータリージョイントは、ロータリー式の信号カプラを内蔵し、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号の伝送を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、孔底の環境、掘削状況、地層の状況などの孔内データを、多芯ケーブルを用いた有線方式によりリアルタイムで収集するシステムに関し、更に詳しく述べると、孔内に計測ゾンデを吊り下げるワイヤーとして、ロータリージョイントを介して多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体を用い、ロータリージョイントで、上部ケーブルと下部ケーブルとの回転が許容され且つ電気信号が伝送されるようにした孔内データ収集システムである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば大深度のボーリングの際、効果的に掘削を進めるために、掘削中に各種の孔内データをリアルタイムで把握したい場合などに有用である。

石油や天然ガスなどの地下資源の開発、地熱開発、地球科学の研究などの分野では、地下深部までボーリングすることが広く行われている。こうした深部ボーリングでは、目的によっては、ボーリングの向きを意図する方向に変える必要があり、そのための掘削制御が行われる。このため、ボーリング孔底の方位、圧力、ビット圧、トルクなどのデータをリアルタイムで地表に伝送することが必要となっている。

特に地球科学の研究目的で実施される深部ボーリングでは、できる限り地層を乱すことなく試料を採取することが望まれる。この場合には、地下の地層の状態を、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量をリアルタイムで計測し、掘削制御を行う必要がある。

これらを目的として、ＭＷＤ技術（Measuring While Drilling）、ＬＷＤ技術（Logging While Drilling）、ＬＷＣ技術（Logging While Coring) が開発されている。これらの技術では、ボーリング孔底から地表まで、ほぼリアルタイムでデータを伝送する必要があるが、掘削のためにボーリングロッドが回転していることから、通常、有線方式による伝送は困難とされている。

そこで従来、マッドパルス法が広く用いられている（例えば、特許文献１などに記載がある）。マッドパルス法は、計測ゾンデの尾部に、泥水の通路を絞るパルス弁を設置し、該パルス弁の開閉によって泥水中に圧力変動を生じさせ、その圧力変動を信号として利用し、地上に各種の孔内データを送信する方法である。その他、管体（ドリルパイプ）を伝播する音波を使用する音響伝送法（例えば、特許文献２など参照）、あるいは地中を伝播する電磁波を用いる電磁波伝送法（ＥＭ法）もある。しかしながら、数千ｍを超える大深度からのデータ伝送技術としては、それぞれ問題を抱えている。

まず、マッドパルス法では、データ伝送距離を伸ばすことは難しく、且つデータ転送速度を上げることができない。掘削深度が深くなるにつれて信号が極めて微弱となるため、長時間をかけて変調した信号を伝送し、受信した信号を復調しなければならず、リアルタイムで伝送できるデータは１〜２秒に１ビット程度であり伝送速度が非常に遅くなる。また、音響法やＥＭ法は、信号の減衰が激しく、伝送可能深度は数千ｍ程度であり、それ以上の大深度には適用し難い。

このような問題を解決できる技術として、信号を伝送するケーブルを用いる有線方式が考えられる。例えば、ドリルパイプに信号線を埋め込む。しかし、ドリルパイプは９ｍ程度の長さであり、それをネジで接続していくため、パイプの接合部で信号線を接続する方法が問題となる。この解決方法として、パイプ内では埋め込み信号線で、パイプの接続部では無線により伝送することが行われる。更に信号レベルが低下することの対策として、途中にブースターを設けことも行われている。この方法によれば、信号の伝送速度は大きくなり、孔内データをリアルタイムで伝送することができる。このような有線方式は、伝送速度や伝送可能深度上の問題は無いが、ドリルパイプの加工を必要とするためにために非常に高額の費用がかかるし、途中の無線伝送やブースターへの電源供給も必要となり、システム維持の上で問題が大きい。

特開平５−１１８１８６号公報 特開平８−１３０５１１号公報

本発明が解決しようとする課題は、伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため大深度での孔内データをリアルタイムで地上に伝送することができ、しかもシステムを安価に構築でき、システム維持も容易に行えるようにすることである。

本発明は、多芯ケーブルを用いた有線方式により孔内データをリアルタイムで収集するシステムであって、孔内に計測ゾンデを吊り下げてるワイヤーとして、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体を用い、各ロータリージョイントでは上部ケーブルと下部ケーブルとの間で回転が許容され且つ電気信号が伝送されるように構成している。このように本発明では、孔内に挿入される計測ゾンデと地上との間を、ロータリージョイントを介して回転自在に接続した多芯ケーブルによって電気信号を伝送しており、その点が最も主要な特徴である。

また本発明でロータリージョイントは、筒状ケーシングと、その内に組み込まれるロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルと下部ケーブルの間で相対回転を許容するためのスラストベアリングと、筒状ケーシング内を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てに絶縁オイルが充填され、それによって内外の圧力差が生じないように構成している。これらの点も、本発明の特徴である。

本発明に係る孔内データ収集システムは、計測ゾンデを吊り下げるワイヤーとして、多芯ケーブルを途中に分散配置したロータリージョイントを介して順次接続した１本のケーブル構造体を用い、それによって電気信号の伝送を行うように構成しており、ロータリージョイントの部分では上部ケーブルと下部ケーブルが相対回転自在であるため、掘削などによりたとえ計測ゾンデが回転しても、ワイヤーに過大な捻れが生じず、高品質のデータを、高速で大量に、しかも長距離にわたって伝送でき、孔内のリアルタイムでの観測が行える。しかも、本システムは、経済的に構築できることから、石油や天然ガスの開発、地熱開発、地球科学の研究などの目的で実施される大深度のボーリングの品質の向上、掘削能率の改善、トータルコストの削減に寄与できる。

本発明では、掘削データと検層のリアルタイム処理が可能であり、多種の掘削方式に対応可能となる。また、計測ゾンデへの給電も可能になるため、内蔵させるセンサーの選択の幅が広がること、電子冷却が可能になること、などの効果があり、計測ゾンデの小型・短尺化が図れる。

更に本発明は、上部ケーブルと下部ケーブルが相対回転自在に接続されているため、多芯アーマードケーブルを用いることでワイヤライン掘削工法のワイヤーとして使用でき、コアバーレルの昇降と、それに伴うコア回収、及び掘削中における各種孔内データの収集がリアルタイムで行える。

本発明に係る孔内データ収集システムの一実施例を示す全体構成図。 それに用いるロータリージョイントの一例を示す説明図。 本発明をワイヤーライン掘削工法に適用する場合の説明図。

孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデと、該計測ゾンデを吊り下げるワイヤーと、該ワイヤーの巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置と、地上観測装置とを具備し、該ワイヤーにより前記計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムであって、前記ワイヤーは、長手方向の複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体であり、各ロータリージョイントは、ロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号が伝送されるようにしたことを特徴とする孔内データ収集システムである。

本発明で用いる各ロータリージョイントは、例えば、筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に組み込まれ上部ケーブルと下部ケーブルとの間で電気信号を伝送するロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルの下端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの上部端板を支える上部シールブロックと、下部ケーブルの上端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの下部端板に支えられる下部シールブロックと、筒状ケーシングと上部シールブロック及び下部シールブロックの間を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てが絶縁オイルで充填されている構造とする。

特に、筒状ケーシング内にゴムチューブを組み込んで２重容器構造とし、ロータリー式の信号カプラであるスリップリング機構が該ゴムチューブ内に組み込まれ、シールブロックとゴムチューブ端板との間、及びゴムチューブ端板と筒状ケーシング端板との間に、それぞれスラストベアリングが介在し、筒状ケーシング及びゴムチューブの内部全てにシリコンオイルが充填されており、ゴムチューブと筒状ケーシングも相対回転自在となっている構造が好ましい。

本発明は、特にワイヤーライン掘削工法に適用するのに有用である。その場合、計測ゾンデを吊り下げるワイヤーを、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のアーマードケーブル構造体として、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ね、計測ゾンデが、前記コアバーレルの直上にてコアバーレル連結部によって連結されるように構成する。

図１は、本発明に係る孔内データ収集システムの一実施例を示す全体構成図である。この孔内データ収集システムは、孔内データを得るための各種センサー及び関連機器などを搭載した計測ゾンデ１０と、該計測ゾンデ１０を吊り下げるワイヤー１２と、該ワイヤー１２の巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置１４と、地上観測装置１６などを具備している。ワイヤー１２は、長手方向の複数箇所に分散配置したロータリージョイント１８を介して複数の多芯ケーブル２０を機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体である。ロータリージョイント１８は、ロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間で相対回転が許容され、且つ多芯ケーブル２０の抗張力と同等の引張耐力を有し、電気信号の多チャンネル伝送を可能とする構造である。

計測ゾンデ１０をワイヤー１２で吊り下げて孔内に挿入し、計測ゾンデ１０で計測した各種孔内データをワイヤー１２によって地上に伝送し、有線もしくは無線により地上観測装置１６で収集することで、検層のリアルタイム処理を可能としている。計測ゾンデ１０に組み込まれた各種センサーでは、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量を検出し、関連機器では増幅やＡ／Ｄ変換など必要な信号処理、及びデータ送信などを行う。なお、計測ゾンデの容器部分は、必要に応じて非磁性・絶縁外套計測管などで作製する。また、計測ゾンデの下方には、他の機器（例えば後述するワイヤーライン掘削工法の場合はコアバーレルなど）が連結されていてもよい。ワイヤー１２は、ロータリージョイント１８が取り付けられたままの状態で、ウインチ装置１４で巻き取られる。

ロータリージョイントの詳細を図２に示す。各ロータリージョイント１８は、外側の筒状ケーシング３０と、内側のゴムチューブ３２とで２重構造の容器を形成し、ロータリー式の信号カプラとしてスリップリング機構３４がゴムチューブ３２内に組み込まれる。２重構造とすることで、万一、一方が破損しても被害を最小限に抑えることができる。ここでスリップリング機構３４は、相対的に回転自在で摺動接点を備えた２個の接点ブロックの組み合わせである。上部ケーブル２０ａに上部シールブロック３６ａを一体化し、その上部ケーブル２０ａの各電線を一方の接点ブロック３４ａに接続する。下部ケーブル２０ｂに下部シールブロック３６ｂを一体化し、その下部ケーブル２０ｂの各電線を他方の接点ブロック３４ｂに接続する。これによって、上部ケーブル２０ａと下部ケーブル２０ｂとは、互いに拘束されることなく自由に回転できる。しかも上部ケーブル２０ａと下部ケーブル２０ｂとは、スリップリング機構３４で常に接続状態にあり、回転しつつ、多チャンネルで電気信号を伝送でき、電力を供給することもできる。

上部シールブロック３６ａと下部シールブロック３６ｂは、共に小径部と大径部が連続した縦断面Ｔ型であり、ネジ込み結合する大径部で多芯ケーブルの強靱な外殻被覆層を挟み込んで固定されている。上下のシールブロック３６ａ，３６ｂとゴムチューブ３２の上下の端板３８との間、及びゴムチューブ３２の両端板３８と筒状ケーシング３０の上下の受板４０との間に、それぞれスラストベアリング４２（図２では白丸で示す）を介装させる。これによって、上部シールブロック３６ａ（従って、それと一体となっている上部ケーブル２０ａ）、筒状ケーシング３０、ゴムチューブ３２、及び下部シールブロック３６ｂ（従って、それと一体となっている下部ケーブル２０ｂ）が、それぞれ独立して回転フリーとなる。

更に、筒状ケーシング３０と上部シールブロック３６ａ及び下部シールブロック３６ｂとの間、ゴムチューブ３２の両端板３８と上部シールブロック３６ａ及び下部シールブロック３６ｂの間を密封するシール機構が設けられ、水密性を保持する。具体的には、筒状ケーシング３０の両端の内周面とシールブロック小径部の外周面との間、及びゴムチューブ端板の内周面とシールブロック小径部の外周面との間に、それぞれＯリング４４（図２では黒丸で示す）を設ける。そして、筒状ケーシング３０の内部全て（ゴムチューブ内、スリップリング機構内も含めて）をシリコンオイルで満たす。このようにすると、ロータリージョイントを孔内泥水中に挿入したとき、筒状ケーシング３０の内外に圧力差は生じることはない。なお、前述のように、ロータリージョイント１０は、多芯ケーブル２０に接続したままの状態でウインチ装置に巻き取られるため、外筒ケーシング３０に部分的に柔軟箇所を設けることも有効である。例えば、部分的に縦方向に薄く加工した箇所を設けて柔軟性を確保する。

このように本発明は、電気信号の伝送に多芯ケーブルを用いる有線方式であるから、伝送速度及び伝送可能深度を十分大きくでき、そのため孔内データを高品位で確実にリアルタイム伝送することができる。しかもスリップリング機構など既存の技術を活用していることで、システムを安価に構築でき、システム維持も容易に行える。

図３は、本発明をワイヤーライン掘削工法に適用した例である。ワイヤーライン掘削工法自体は、既に周知の技術であるので、ここでは簡単に説明するにとどめる。下端に掘削ビット５０を備えたアウターバーレル５２の内部を、コアバーレル５４が自由に通過できるようになっている。コアバーレル５４は、通常、９ｍ程度のコアを採取できるような長さであり、ラッチ機構５６によってアウターバーレル５２に固定・解放可能であり、且つスイベル機構によって相対回転可能に設計される。アウターバーレル５２を回転させて地中を掘削し、それに伴いコアはコアバーレル５４に入る。その時、コアバーレル５４は回転せず、そのためコアは破壊されることなくコアバーレル５４に入る。コアがコアバーレル５４内で一杯になるとコアを岩盤から切り取り、ワイヤー５８を巻き上げることでラッチ機構５６を外し、コアバーレル５４を地上まで引き上げ、コアを取り出す。

本実施例では、コアバーレル５４の直上でコアバーレル連結部６０によって、各種センサーー及び関連機器を搭載した計測ゾンデ６２を接続する。ワイヤー５８の下端にゾンデ嵌合部６４を取り付け、該ゾンデ嵌合部６４によって計測ゾンデ６２に自由に接続できるようにする。ワイヤー５８としては、図３には示されていないが、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のアーマードケーブル構造体を用いる。ロータリージョイントは、図２に示すのと同様であり、アーマードケーブルをシールブロックに挿通して冷間溶接により一体化し、またアーマーをシールブロックの大径部で挟み込み強固に固定してコアバーレルの荷重に耐えるような高抗張力構造とする。このようなワイヤー（アーマードケーブル構造体）５８は、電気信号の伝送ラインとして機能するばかりでなく、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ねることになる。

掘削時、アウターバーレル５２が回転し、それに伴ってコアバーレル５４がたとえ共回りしても、ロータリージョイントが介在するので、ワイヤー５８には過度の捩れは生じない。大深度の掘削では、任意の（例えば５００ｍ程度の）間隔でロータリージョイントを配設する。計測ゾンデに必要な各種センサーを組み込むことにより、ボーリング孔底の方位、圧力、ビット圧、トルクなどのデータを検出してリアルタイムで地表に伝送し、それによってボーリングの向きを意図する方向に変えるなど掘削制御を行うことができる。また、できる限り地層を乱すことなく、大深度での試料を採取することができるし、地下の地層の状態を、密度、磁気、比抵抗、弾性波伝播速度、自然ガンマ線スペクトル等の様々な物理量をリアルタイムで計測することができる。

上記の実施例では、ロータリー式の信号カプラとしてスリップリング機構を使用している。スリップリング機構は、接点同士の摺動接触による常時接続であるため、機構的にも電気回路的にも簡単で最も好ましいが、ロータリートランスなどによる電磁結合を利用した無接触方式も使用可能である。

１０ 計測ゾンデ
１２ ワイヤー
１４ ウインチ装置
１６ 地上観測装置
１８ ロータリージョイント
２０ 多芯ケーブル

Claims (4)

1. 孔内データを得るためのセンサー及び関連機器を搭載した計測ゾンデと、該計測ゾンデを吊り下げるワイヤーと、該ワイヤーの巻き上げ巻き降ろしを行うウインチ装置と、地上観測装置とを具備し、該ワイヤーにより前記計測ゾンデを孔内に挿入し、計測した孔内データを地上観測装置で収集するシステムであって、
   前記ワイヤーは、長手方向に複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯ケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のケーブル構造体であり、各ロータリージョイントはロータリー式の信号カプラを内蔵しており、上部ケーブルと下部ケーブルとの間での相対回転が許容され、且つ多芯ケーブルの抗張力と同等以上の引張耐力を有し、電気信号が伝送されるようにしたことを特徴とする孔内データ収集システム。
2. ロータリージョイントは、筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に組み込まれ上部ケーブルと下部ケーブルとの間で電気信号を伝送するロータリー式の信号カプラと、上部ケーブルの下端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの上部端板を支える上部シールブロックと、下部ケーブルの上端部に一体化されスラストベアリングを介して前記筒状ケーシングの下部端板に支えられる下部シールブロックと、筒状ケーシングと上部シールブロック及び下部シールブロックの間を密封するシール機構を具備し、前記筒状ケーシングの内部全てが絶縁オイルで充填されている請求項１記載の孔内データ収集システム。
3. 筒状ケーシング内にゴムチューブを組み込んで２重容器構造とし、ロータリー式の信号カプラであるスリップリング機構が該ゴムチューブ内に組み込まれ、シールブロックとゴムチューブ端板との間、及びゴムチューブ端板と筒状ケーシング端板との間に、それぞれスラストベアリングが介在し、筒状ケーシング及びゴムチューブの内部全てにシリコンオイルが充填されている請求項２記載の孔内データ収集システム。
4. 計測ゾンデを吊り下げるワイヤーを、複数箇所に分散配置したロータリージョイントを介して複数の多芯アーマードケーブルを機械的並びに電気的に順次接続した１本のアーマードケーブル構造体として、ワイヤーライン掘削工法でコアバーレルを昇降するためのワイヤーを兼ね、計測ゾンデが、前記コアバーレルの直上にてコアバーレル連結部によって連結されるようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の孔内データ収集システム。

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