JPS6376633A - 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、あるいはそれ
らの装置に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４図は一例として、ＯＧＪ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｆｅｂ、
２１．１９８３に”５ｅｃｏｎｄ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏ
ｎ　ＭＷＤ　Ｔｏｏｌ　Ｐａ５ｓｅｓ　ＦｉｅｌｄＴｅ
ｓｔ”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パイプであり、掘削深さに応
じて多数がそれぞれの連結部同士を甥合されて連結され
、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、第４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９ｏが収納
されている。

検層用計測装置８０は、ａｔ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２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が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１ｏ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１１８・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５ＴＩ！Ｊ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・・・にて構成
され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の先端に炊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の性状あるいはピント
５の状態を測定し、この結果得られたデータを送信部９
０にて変調・増幅し、５〜６０Ｈｚの交流信号として最
先端のドリルパイプ４０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
１（ｚの場合、空中での波長に換算すると５０００−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
な伝達が困瞠である。

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
、導電性管体としてのドリルパイプを利用して電気回路
を構成し、この電気回路により電磁波ではなく電界を媒
体として電気信号を送信することにより高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、導電性管体としてのドリルパ
イプの両端に補助管体としてのジヨイントをそれぞれ連
結した上でこれらのジヨイント同士の連結にてドリルパ
イプを順次連結する一方、ジヨイント間を導線で接続す
ると共に相互に連結されているジヨイント間同士も電気
的に結合されるような接点部材を有せしめることにより
、ドリルパイプ及びジヨイントにて形成される線路と、
ジヨイント間を接続する導線にて形成される線路とに送
信器及び受信器を接続すること番こより電気的閉回路を
構成し、この回路を通じて電界の変化として、具体的に
は電気信号としてデータを表す信号を送信する構成とし
ている。

〔作用〕

本発明の地中通信装置では、導電性管体と導電性の補助
管体、補助管体同士を電気的に結合する接点部材と接点
部材管を接続する導線にて閉回路が構成され、この回路
により電気信号が高Ｓ／Ｎにて送信される。

〔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である。

図中４は導電性管体としての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連結されてドリルス
トリングを構成している。しかし本発明では直接ドリル
パイプ４同士を連結している従来例とは異なり、各ドリ
ルパイプ４の両端面、即ち両連結部それぞれに導電性の
補助管体としてのジヨイント７０を連結してり、このジ
ョイント７０同士を連結させることにより各ドリルパイ
プ４を連結してドリルストリングを構成している。なお
、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が掘削されるこ
とは従来例同様である。

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が装着されていることも従来
同様である。

また、地上には、アンプＩＩ等にて構成される本発明装
置の受信部が設けられている。

更に、上述のジヨイント７０それぞれには、詳細は後述
するが、各ドリルパイプ４の両端に取付けられているジ
ヨイント７０間を結んで導線７Ｉが取付けられており、
更にそれぞれのジヨイント７０が他のジヨイント７０と
連結された場合に、ジヨイント７０間で両ジョイン）７
０側の導線７１同士が電気的に接続されるような接点部
材７２を有している。

そして、最先端のドリルパイプ４０に取付けられている
格納容器８内の送信部９０の電気信号出力は一方が最先
端のドリルパイプ４０の側壁に、他方が最先端のドリル
パイプ４０の地上側の連結部に取付けられているジヨイ
ント７０の接点部材７２に接続されている。

一方、本発明の受信部を構成するアンプ１１の二つの入
力端子はその一方が最上端のドリルパイプ４５の周壁ま
たはその上端に連結されたジヨイント７０の周壁に電気
的に接続され、他方は最上端のドリルパイプ４５の上端
に連結されているジヨイント７０の接点部材に接続され
ている。

従って本発明では、各ドリルパイプ４及び各ジヨイント
７０の周壁により形成される一方の線路と、各ジヨイン
ト７０管に備えられている導線７１による他方の線路と
がそれぞれ形成され、両者に送信部９０とアンプ１１と
が接続されることにより閉回路が構成される。

第２図はジヨイント７０の構成を示すためのドリルパイ
プ４と共に示す縦断面図、第３図はジヨイント７０の上
端面の平面図であり、第２図は第３図のＩＩ−ＩＩ線に
よる断面図である。

各ドリルパイプ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岬合することにより、順次
結合されるようになっている。

さて本発明では、このドリルパイプ４の両連結部４０．
４Ｄと全く同一構造の連結部７０１１．７０Ｄを有する
ジヨイント７０が使用される。このジヨイント７０は基
本的にはドリルパイプ４に比してその長さが非常に短い
、具体的には両連結部７０Ｕ、　７ｏｏが形成可能な程
度の長さに形成された鉄製管体が使用されている。そし
て、ジヨイント７０は円筒状に形成されていてその内部
にドリルパイプ４の内径と同径の空洞を有することもド
リルパイプ４と同様である。しかし、ジヨイント７０の
内部空洞は、全くの空洞であるドリルパイプ４とは異な
り絶縁部材７３が充填されている。

絶縁部材７３は、ジヨイント７０及びドリルパイプ４か
ら絶縁してジヨイント７０の、換言すればドリルパイプ
４の中心軸に沿って導線７１を保持するためのものであ
り、その断面中心には導線７１を挿通させるための孔７
４が開口されている。

なお、ドリルパイプ４内の空洞には通常は泥水が通流さ
れるので、ジヨイント７０の絶縁部材７３には導線７１
を挿通させる孔７４の他にも、軸方向に沿って、つまり
導線７１に沿って泥水を通流させるための孔７４が蓮根
状に開けられている。

導線７１はドリルパイプ４の両連結部４Ｕ、　４Ｄそれ
ぞれにジヨイント７０が連結された後、一方のジヨイン
ト７０からドリルパイプ４を介して他方のジヨイント７
０へ挿通される。そして、両ジヨイント７０の連結部７
０Ｕ、　７０Ｄでの導線７１の露出部分の端面にはたと
えば袋ナツト状に雌ネジが切られている。

そしてこの雌ネジに先頭ボルトを頬大して接点部材７２
とする。

なお、最先端のドリルパイプ４０には検層用計測装置８
０及び本発明装置の送信部９０が収納されているが、こ
れは一般のドリルパイプ４の内部空洞内に格納容器８を
取付け、この格納容器８内に検層用計測装置８０及び送
信部９０を収納し、送信部９０のの出力端子の一方をそ
のドリルパイプ４の上部連結部４Ｕに取付けられている
ジヨイント７０の導線７１を短くして接続し、また他方
を最先端のドリルパイプ４０の周壁にそれぞれ接続して
おけばよい。

なお、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の内部空洞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８
０が収納されており、この検層用計測装置８０が温度、
圧力、振動１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の動作
は以下の通りである。

まず、本発明装置の使用に際しては、ドリルパイプ４の
両連結部４０．４Ｄにそれぞれジヨイント７０゜７０を
蝦合して連結し、両ジヨイント７０．７０の孔７４に導
線７１を挿通する。そして、導線７１の両端面に接点部
材７２としての先頭ボルトをそれぞれ螺入すこのように
してドリルパイプ４の両端部それぞれにジョイン）７０
を連結し、導線７１及び接点部材７２を取付けた後、下
側のジヨイント７０の下部連結部７００の雄ネジを最上
端のドリルパイプ４５の上部連結部４Ｕに連結されてい
るジヨイント７０の上部連結部７００の雌ネジに螺合す
ることにより順次連結する。この際、最上端のドリルパ
イプ４５の上側に連結されているジヨイント７０の上部
連結部７０１１に突出している接点部材７２はその上側
に新たに連結されるジヨイント７０の下部連結部７００
から突出してる接点部材７２と接触して電気的に結合さ
れる。

なお、ドリルパイプ４とジヨイント７０とが電気的に結
合していることは明らかである。

従って、送信部９０の発信器の出力端子の一方を最先端
のドリルパイプ４０の導線７１に、他方を最先端のドリ
ルパイプ４００周壁にそれぞれ接続し、また本発明装置
の受信部の入力部を構成するアンプ１１０入力端子の一
方を地表に突出している最上端のドリルパイプ４５の上
端に連結されているジヨイント７０の導線７１に、他方
を最上端のドリルパイプ゛４５あるいはこれに連結され
ているジヨイント７０にそれぞれ接続すれば、送信部９
０とアンプ１１との間には閉回路が形成される。

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。そしてこの数値列を表す電気信号を
送信部９０が出力する。この電気信号は、送信部９０が
収納されているドリルパイプ４からその上側に位置する
複数のドリルパイプ４．４・・・とジヨイント７０．７
０・・・、導線７１．７１・・・と接点部材７２．７２
・・・にて形成される回路によりアンプ１１に伝播され
、アンプ１１に取込まれて増幅され、適宜の信号処理回
路に与えられる。

このようにしてアンプ１１にて取込まれ、増幅された電
界の変化、即ち電気信号を検出すれば、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ジヨ
イント７０を介装させることも存効である。

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針等からデータを送信す
るための設備等にも適用可能である。

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。

〔効果〕

以上のように本発明によれば、電界を媒体とし、この電
界を地中に埋設された導電体及びそれを接続する連結中
間体と、各連結中間体を結ぶ導線とにより形成される回
路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、Ｓ／Ｎが向上し
、また導電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１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４，５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７０・・・ジヨイント　　７１・・・導
線　　７２・・・接点部材　　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、複数の導電性管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、 前記導電性管体の両端それぞれに連結され、他の導電性
   管体に連結されたそれと機械的、電気的に連結される導
   電性の補助管体と、該補助管体にこれと絶縁して備えら
   れ、相互に連結された補助管体のそれと電気的に接続さ
   れる接点部材と、同一の導電性管体の両端に連結された
   両補助管体の接点部材同士を電気的に接続する導線とを
   具備し、 前記送信器をその近傍の導電性管体（又は 補助管体）及び導線（又は接点部材）に、前記受信器を
   その近傍の導電性管体（又は補助管体）及び導線（又は
   接点部材）にそれぞれ接続してあることを特徴とする地
   中通信装置。 ２、導電性管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。