JPH0157237B2 - - Google Patents

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JPH0157237B2
JPH0157237B2 JP58164569A JP16456983A JPH0157237B2 JP H0157237 B2 JPH0157237 B2 JP H0157237B2 JP 58164569 A JP58164569 A JP 58164569A JP 16456983 A JP16456983 A JP 16456983A JP H0157237 B2 JPH0157237 B2 JP H0157237B2
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    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/04Measuring depth or liquid level
    • E21B47/047Liquid level
    • GPHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、掘削中の地熱坑井あるいは掘削中の
石油井その他各種の坑井の水位を簡易かつ正確に
測定する方法に関するものである。
(従来技術) 地熱坑井や石油井等を掘削する場合、坑井内に
泥水を注入してドリルを回転させて掘削を行い、
泥水は再び地上に回収しているが、通常の状態で
は坑井内に泥水が充満しておりその水位は地表に
ある。例えば地熱坑井の構造は第1図に示すよう
に内筒管1と外筒管2の二重管構造から構成され
ており、そのうち内筒管1はドリルロツドであ
り、先端に掘削用ビツト7が取付けてある。また
外筒管2はケーシングで、周囲をセメント3で固
め掘削孔の崩壊の防止および地下の高温地熱蒸気
の地上への漏出の防止を図つている。泥水は内筒
管1の上端から注入し、内筒管1と外筒管2との
空隙6を経て外筒管2の上部にあるブローアウト
プレベンダー4から溢水させている。従つて泥水
の水位5は地表にある。ところが掘削用ビツト7
が地層の割れ目に当ると、注水された泥水は割れ
目に吸収され逸水状態となり、そのため水位5は
地下数百米まで下り、その上部が空間となること
がある。一方この割れ目は、ケーシング遮水する
深度では坑井内に残留した岩屑による掘管抑留防
止のためセメンテイング施工する必要がある。ま
た上記深度以深では割れ目は蒸気産出個所である
ための重要な情報である。従つて割れ目を把握す
るために坑井内水位の測定が必要である。また蒸
気産出層の掘削は割れ目を保存するため高価な泥
水のロスを防ぐ目的で清水掘りに切替えて逸水状
態のまま行うが、坑井内水位が低下し過ぎると熱
水が沸騰を始め、暴噴状態になるので、坑井内水
位の監視は不可欠の作業である。
このように掘削中の坑井内水位が測定できれば
安全な掘削を行うことができ、同時に蒸気産出層
の情報をも得ることができる。しかしながら現在
のところ掘削中に水位を測定するための適当な枝
術は開発されておらず、従つて現状では掘削を停
止してドリルを回収し、代りに検層装置を坑井内
に降下させ水位の測定を行つているが、作業に非
常な手間を要するのみならず、掘削を停止した後
の水位の変化により多くの情報を失つてしまうこ
とにもなり適切な測定手段とは云い難い。
(発明の目的) 本発明はこのような坑井内水位の測定を掘削中
に極めて簡便かつ正確に行うことができるように
した方法に関するものである。
(発明の構成・作用) 第2図は本発明方法を実施する装置の実例を示
すもので、8は内筒管1と外筒管2との空隙6に
設置した送信用ホーンアンテナ、9は同じく受信
用ホーンアンテナである。10は該アンテナに接
続した送受信機で、周波数掃引発振器11、方向
性結合器12、増幅器13、ミキサ14から構成
されている。15は該ミキサ14と接続したスペ
クトラムアナライザ、16は記録計である。また
第3図において17はパルス発振器、18はシン
クロスコープである。
本発明方法により地熱坑井等の坑井の水位を測
定するには、前記のように内筒管1と外筒管2と
の空隙に送信用ホーンアンテナ8および受信用ホ
ーンアンテナ9を設置し、該アンテナ8および9
と接続した送受信機10により周波数変調した電
波を発生させ、送信用ホーンアンテナ8から空隙
6に放射する。すなわち送受信機10では周波数
掃引発振器11で発生した電波の一部を方向性結
合器12で分岐し、ミキサ14に入力させるとと
もに、残りを増幅器13により増幅した後送信用
ホーンアンテナ8へ供給し、該アンテナ8から空
隙6に放射する。放射された電波は空隙6内を伝
播し、水面5で反射して受信用ホーンアンテナ9
に受信され、送受信機10のミキサ14に入力す
る。このミキサ14においては受信波と送信波と
の干渉をとる。すなわちアンテナから水面までの
距離は干渉波の周波数に比例するので、干渉波を
スペクトラムアナライザ15で解析し、記録計1
6に記録することにより水位を計測することがで
きる。
第3図は第2図とは異なる実施例を示すもの
で、第2図における送受信機10、スペクトラム
アナライザ15および記録計16をパルス発振器
17、シンクロスコープ18に置き換えたもので
ある。すなわちパルス発振器17で発生した電波
を送信用ホーンアンテナ8に供給し、空隙6内に
放射し、水面5で反射した電波を受信用ホーンア
ンテナ9で受信し、シンクロスコープ18で解析
する。この場合、シンクロスコープ18をパルス
発振器17に同期させるためにトリガー信号TR
をパルス発振器17からシンクロスコープ18に
供給すれば水面5で反射したパルスの往復時間が
わかり、その時間から直接水面5の位置を測定す
ることができる。
本発明において電波により水位を測定できる理
由は、第1図のような二重管構造は電波を伝送す
る円形同軸導波管と類似しており、電波が空隙6
を伝播するからである。また電波を第1図に示す
ような二重管中を伝播させる場合、二重管の直径
に比較して電波の波長が十分大きければ電磁波の
モードは唯一つ(TEMモード;電場が管径方向、
磁場が管周方向)に決まるが波長が短くなるにつ
れてさまざまな伝播モードが現われる。例えば内
筒外径114mmφ、外筒内径319mmφの場合、450M
Hz以下の電波はTEMモードしか伝播しないが、
周波数がそれ以上になると多モードになる。特に
1.6GHz以上になると電場が管周方向、磁場が管
径方向であるTE01モードが存在し得る。電波が
二重管構造を伝播する場合、必ず管表面の高周波
抵抗によつて電波の減衰が生じるが、深い水位を
測定するときには、この減衰をできる限り小さく
し、かつ内筒管の継目からの不用反射の小さいモ
ードを使用することが望ましく、このためには
TE01モードが好適である。内筒管の外径と外筒
管の内径が前記寸法で、しかもかなり錆びており
減衰が大きくなると考えられる場合ですらTE01
モードでは−0.5dB/m程度であつたがTEMモ
ードでは−13dB/mもの減衰となつた。また
TEMモードでは内筒継目からの反射が著しかつ
たのに対しTE01モードでは内筒継目からの反射
はなかつた。従つてTE01モードの電波を効率良
く送受信するためには、送信用ホーンアンテナ8
および受信用ホーンアンテナ9を電場が管周方向
を向くように配置すれば良い。
第4図にTEMモードaおよびTE01モードbの
電磁界を示し、第5図にホーンアンテナの電磁界
を示す。これらの図で実線は電界、点線は磁界を
示す。電波を効率良く送受信するためには、空隙
6の全面を利用することが望ましいので、送受信
ホーンアンテナの形状は第6図に示すような構成
にすることが適当である。すなわちホーンアンテ
ナを空隙6の形状に合わせ、円錐半割り状に形成
し、かつその縁部19,20の曲率半径が内筒管
および外筒管の半径とほぼ等しく形成し、また中
心に形成される溝21の傾斜を緩やかに形成す
る。
(実施例) 次に本発明により坑井内の水位を測定した実例
を示す。
内径265mmφの外筒管の中に外径85mmφの内筒
管を配置し、外筒管と内筒管の隙間に送受信アン
テナを設置し、実験のため外筒管と内筒管との隙
間に存在する水の水位を変化させつつ水面に向け
て周波数変調した10GHzの電波を放射し、水面で
反射する電波と混合した混合波の干渉周波数を測
定したところ送受信アンテナと水面との距離に比
例した干渉周波数の信号が得られた。またこの場
合二重管内での電波のモードを変えると内筒管継
手部分からの反射を小さくし、電波の減衰を小さ
くすることができる。第7図はその結果を示すも
ので、同軸導波管のTEMモードに対応するaで
は、ホーンアンテナから反射する電波に比べて水
面から反射する電波は減衰が大きく、しかも内筒
管継手からの反射も現われているが、TE01モー
ドに対応するbでは水面から反射する電波の減衰
ははるかに小さくなり、継手からの反射も現われ
ず効率良く測定することができる。なおこの図で
〇印はホーンアンテナからの反射、×印は継ぎ目
からの反射、▼印は水面からの反射を示し、Pは
偏波面を示す。また外筒管の内径318.5mmφ、内
筒管の外径114.3mmφの二重管からなる坑井の水
位を変化させながら干渉波スペクトラムのピーク
周波数を測定したところ第8図に示すような結果
を得た。この結果から誤差1%以内の精度で測定
できることが確認された。また測定範囲は本実施
例の場合、反射波の減衰を−0.5dB/m程度とす
れば200m程度の距離の水位の測定を行うことが
できる。但し本実施例では10GHzの周波数の電波
を用いたが、電波の減衰は周波数の平方根に比例
しているので、周波数を下げることによつて測定
範囲を広げることが可能である。因みに周波数を
2GHzにすると測定範囲は450m程度になる。
(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば地熱坑井あ
るいは石油井その他の坑井のケーシング内に存在
する水の水位の測定を正確かつ簡便に行うことが
でき、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は地熱坑井の構造を示す説明図、第2図
は本発明方法の実例を示す説明図、第3図は本発
明の第2図とは異る実例を示す説明図、第4図a
は本発明における電波のTEMモードの電磁界を
示す説明図、bは同じくTE01モードの電磁界を
示す説明図、第5図はホーンアンテナの電磁界を
示す説明図、第6図は本発明における送受信アン
テナの形状を示す説明図、第7図は本発明におけ
る電波の減衰状態を示す説明図、第8図は干渉波
のスペクトラムのピーク周波数と水面までの距離
との関係を示すグラフである。 1:内筒管、2:外筒管、3:セメント、4:
ブローアウトプレベンダー、5:水位、6:空
隙、7:掘削用ビツト、8:送信用ホーンアンテ
ナ、9:受信用ホーンアンテナ、10:送受信
機、11:周波数掃引発振器、12:方向性結合
器、13:増幅器、14:ミキサー、15:スペ
クトラムアナライザー、16:記録計、17:パ
ルス発振器、18:シンクロスコープ、19,2
0:縁部、21:溝。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 坑井において、ボーリングロツドとケーシン
    グパイプの空〓に送信用ホーンアンテナより電場
    が管周方向でかつ磁場が管径方向であるモードを
    有する電波を放射し、ケーシングパイプ内の水の
    表面で反射した電波を受信用ホーンアンテナで受
    信することにより反射位置を検出することを特徴
    とする坑井内水位測定方法。 2 放射する電波を周波数変調して、反射する電
    波と混合し、混合波の干渉周波数を測定すること
    により反射波の往復時間を計測し、反射位置を検
    出することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の坑井内水位測定方法。 3 パルス変調した電波を放射して、反射する電
    波の時間遅れを測定することにより反射位置を検
    出することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
    載の坑井内水位測定方法。
JP58164569A 1983-09-07 1983-09-07 坑井内水位測定方法 Granted JPS6059295A (ja)

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