(57)【要約】【課題】通常の光ファイバでのブリルアン散乱光による歪み位置の検知手法を用いてボーリング孔の孔曲がりを測定できるようにし、ボーリング孔全体の孔曲がりを手間無く測定する。【解決手段】センサ部７の二対の光ファイバセンサ１４、１５それぞれの歪み差測定から、センサ部７の合成撓み角と合成変位を算出測定し、センサ部の方位とに基づいて、センサ部７の撓みの方位角を算出測定し、ボーリング孔の深度方向に積分して、ボーリング孔全体の孔曲がりを算出測定する。【選択図】    図１
2006145388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削されたボーリング孔の孔曲がりを測定する装置であって、
可撓性の円筒体と、
前記円筒体の中心軸に直交する平面で形成される正方形の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバと前記正方形の他の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバとのそれぞれを前記中心軸方向に亘って円筒体の内面に沿わせた二対の光ファイバセンサからなるセンサ部と、
前記二対の光ファイバセンサそれぞれの光入射端に光源により光を入射し、二対の光ファイバセンサの光入射端に戻るブリルアン散乱光から二対の光ファイバセンサそれぞれにおける光ファイバの歪み差の測定に基づいた前記センサ部の合成撓み角と合成変位を算出測定する歪み測定手段と、
前記歪み測定手段での前記歪み差測定時におけるセンサ部の方位を測定する方位測定手段とを備え、
前記方位測定手段によるセンサ部の方位と、前記歪み測定手段によるセンサ部の合成撓み角とに基づいて、センサ部の撓みの方位角を算出測定する構成としたことを特徴とするボーリング孔曲がり測定装置。
【請求項２】
上記撓み測定手段は、ボーリング孔の深度方向における各装置挿入位置ごとに上記センサ部の合成撓み角と合成変位とを算出測定し、
各装置挿入位置ごとの上記方位測定手段によるセンサ部の方位と、前記歪み測定手段による各装置挿入位置ごとのセンサ部の合成撓み角とに基づいて、各装置挿入位置ごとのセンサ部の撓みの方位角を算出測定する請求項１に記載のボーリング孔曲がり測定装置。
【請求項３】
上記円筒体の外周面における周方向に少なくとも三ヶ所に等間隔にして位置したスペーサからなり、円筒体が挿入されるボーリング孔の内周壁に前記スペーサそれぞれが突没可能に当接して円筒体の上記中心軸とボーリング孔の中心軸とを揃える案内手段を備える請求項１または２に記載のボーリング孔曲がり測定装置。
【請求項４】
ボーリング口元に対応配置された保護ケースに、上記円筒体とセンサ部と撓み測定手段と方位測定手段とからなる装置本体が出し入れ可能に収納される請求項１から３の何れか一項に記載のボーリング孔曲がり測定装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載のボーリング孔曲がり測定装置をボーリング孔に挿入して、ボーリング孔の深度方向でのボーリング孔曲がり測定装置の各装置挿入位置ごとのセンサ部の上記撓みの方位角と合成変位とを算出測定し、
前記ボーリング口元を基準としたボーリング孔深度方向に積分してなるセンサ部の撓みの方位角と合成変位とにより、ボーリング孔深度方向の孔曲がりを測定することを特徴とするボーリング孔曲がり測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバからなるセンサを用いたボーリング孔曲がり測定装置とこの装置を用いてボーリング孔の全体的な孔曲がりを測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に地盤に掘削したボーリング孔は地層の構成によっては鉛直に削孔されずに孔曲がりを生じた状態となっている可能性があることから、そのボーリング孔を利用するなどに際して孔曲がりの状況を確認する必要がある。そのため従来からボーリング孔曲がり測定装置が用いられており、このボーリング孔曲がり測定装置には、例えば次ぎの二つの方式がある。その一つは、水平に保たれたコンパスと測定器中心を示すヘアクロス線とのズレから測定装置の方位角・傾斜角を測定するもので、タイマーがセットされたカメラによってコンパスとヘアクロス線の状態を一定時間間隔で撮影し、現場でフィルムを現像することによって測定値を読み取るものである。
もう一つの方式は、測定装置に内蔵された二枚の反射リングと液体中に封入された気泡の位置をＣＣＤカメラで撮影し、気泡の位置と反射リングのズレを映した画像から曲げ角度を光学的に測定するものである。
【０００３】
また、ボーリング孔曲がり測定装置として、可撓性の筒の内部に複数の光ファイバを設置しておき、その光ファイバの長手方向の二位置にある回折格子で反射された二種の光の位相差を前記回折格子の距離に反映させ、複数の光ファイバからの光を検知器で干渉させて干渉縞を得て、その干渉縞の位置から孔曲がりを測定するものもあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３４６６６２３号公報（第５頁左欄４４行〜右欄１０行、第４ＡＢ図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コンパスとヘアクロス線との状態をカメラで撮影する上記方式では、離散的に測定された測定装置の方位角・傾斜角を積算することによりボーリング孔全体の孔曲がりが測定されるため、測定間隔が粗い場合、概略的な孔曲がり状態しか測定ができないものとなる。また、測定間隔を密にすればより詳細な測定結果が得られることになるが、データ読取りのための写真撮影が多くなり、読み取り作業、データ整理作業の手間が増大して煩雑になるという問題がある。
また、二枚の反射リングと液体中の気泡の位置をＣＣＤカメラで撮影する方式では、ボーリング孔が鉛直ないし鉛直に近い高角度の場合、気泡の位置が安定せず、測定機の角度を精密に測定することができないという問題がある。
そして、複数の光ファイバから得られる干渉しまの位置を検知することで孔曲がりを測定する上記装置は細長いボーリング孔での孔曲がりを測定するものであって、通常のボーリング孔に対しての孔曲がり測定を行なうものではない。さらに用いる光ファイバそれぞれの二位置に回折格子を設ける必要があり、光ファイバ自体の構造及びその製造が複雑になるという問題もあった。
【０００５】
本発明者は、図９に示すように光ファイバセンサにおいて、光ファイバａの光入射端ｂにパルス光ｃを入射した際にその光入射端ｂに戻ってくるブリルアン散乱光ｄのピーク周波数シフト量ｆＢ（図９）が、その位置歪みに比例し、ブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間（ｔ）と光ファイバａ内のパルス光の速度（ｖ）から、ブリルアン散乱光ｄの発生位置（ｘ＝ｖｔ／２）が求められ、光ファイバの長さ方向の連続的な歪み分布が測定できるようになることに着目した。なお、図１０は後方散乱光の周波数と後方散乱光のパワーとの関係を示していて、ｅはラマン散乱光、ｆはレーレー散乱光である。
そこで本発明は上記事情に鑑み、通常の光ファイバでのブリルアン散乱光による歪み位置の検知手法を用いてボーリング孔の孔曲がりを測定できるようにすることを課題とし、ボーリング孔全体の孔曲がりを手間無く測定することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記課題を考慮してなされたもので、掘削されたボーリング孔の孔曲がりを測定する装置であって、可撓性の円筒体と、前記円筒体の中心軸に直交する平面で形成される正方形の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバと前記正方形の他の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバとのそれぞれを前記中心軸方向に亘って円筒体の内面に沿わせた二対の光ファイバセンサからなるセンサ部と、前記二対の光ファイバセンサそれぞれの光入射端に光源により光を入射し、二対の光ファイバセンサの光入射端に戻るブリルアン散乱光から二対の光ファイバセンサそれぞれにおける光ファイバの歪み差の測定に基づいた前記センサ部の合成撓み角と合成変位を算出測定する歪み測定手段と、前記歪み測定手段での前記歪み差測定時におけるセンサ部の方位を測定する方位測定手段とを備え、前記方位測定手段によるセンサ部の方位と、前記歪み測定手段によるセンサ部の合成撓み角とに基づいて、センサ部の撓みの方位角を算出測定する構成としたことを特徴とするボーリング孔曲がり測定装置を解消するものである。
【０００７】
本発明において、上記撓み測定手段は、ボーリング孔の深度方向における各装置挿入位置ごとに上記センサ部の合成撓み角と合成変位とを算出測定し、各装置挿入位置ごとの上記方位測定手段によるセンサ部の方位と、前記歪み測定手段による各装置挿入位置ごとのセンサ部の合成撓み角とに基づいて、各装置挿入位置ごとのセンサ部の撓みの方位角を算出測定するものであることが良好である。
また、上記円筒体の外周面における周方向に少なくとも三ヶ所に等間隔にして位置したスペーサからなり、円筒体が挿入されるボーリング孔の内周壁に前記スペーサそれぞれが突没可能に当接して円筒体の上記中心軸とボーリング孔の中心軸とを揃える案内手段を備えることが良好である。
そして、ボーリング口元に対応配置された保護ケースに、上記円筒体とセンサ部と撓み測定手段と方位測定手段とからなる装置本体が出し入れ可能に収納されるものとすることが可能である。
【０００８】
また、もう一つの発明は、ボーリング孔曲がり測定装置をボーリング孔に挿入して、ボーリング孔の深度方向でのボーリング孔曲がり測定装置の各装置挿入位置ごとのセンサ部の上記撓みの方位角と合成変位とを算出測定し、前記ボーリング口元を基準としたボーリング孔深度方向に積分してなるセンサ部の撓みの方位角と合成変位とにより、ボーリング孔深度方向の孔曲がりを測定することを特徴とするボーリング孔曲がり測定方法であり、このボーリング孔曲がり測定方法を提供して上記課題を解消するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、歪み測定に電気的方法を用いないため、鋼製管内においても電気的ノイズによる測定精度の低下を防止することができるようになる。また、耐食性ガス、耐食性液体を産出する孔井の孔曲がり測定にも適用することができる。そして、センサ部の各光ファイバセンサを構成している光ファイバ自体がセンサ兼配線となるため、測定装置の構造が簡単なものとなり、装置の製造コストを引き上げることがない。
加えて、ブリルアン散乱光による歪み測定手法の光ファイバセンサとしているので、センサ部に用いる光ファイバに通常の光ファイバが採用でき、加工を施す必要もないので、この点からも装置の製造コストを引き下げることができる。
また、二対の光ファイバセンサそれぞれにおいて、相対する光ファイバの歪み差を測定する構成であるため、測定装置内に温度のバラ付きを無くすという簡単な方法で測定値に対する温度補正を行なう必要がない。
そして、センサ部の光ファイバセンサそれぞれにおいて、その長さ方向での全体の平均的な撓み角、変位と、長さ方向での部分的な撓み角、変位とが同時に測定でき、測定状況に応じた精度調整が容易になる。また、光ファイバセンサそれぞれの長さを長くすれば、ボーリング孔の深度方向の多くの位置で測定を繰り返すことによる誤差の累積を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
つぎに本発明を図１から図７に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図中１はボーリング孔曲がり測定装置で、図７に示すようにボーリング位置にある支持構造物Ａによりボーリング口元管Ｂに相対するようにして支持された保護ケース２と、この保護ケース２の一端から出し入れ可能に収納され、支持構造物Ａ側から前記保護ケース２内を通るワイヤやロッドからなる吊支手段３が連結されてボーリング孔Ｃへの引き降ろしと引き上げとが可能に支えられた装置本体４とからなるものである。前記保護ケース２は屈曲、湾曲のない硬質材からなる筒体で、装置本体４をガタ付きなく収納する。また、この保護ケース２には、図示しない水準器が取り付けられていて、この水準器に基づいて鉛直ないし水平が把握できるようにしたものである（保護ケースの使用については後述する）。
【００１１】
図１には上記保護ケース２に収納できる装置本体４の構成が概略的に示されている。この図１に示すようにボーリング孔曲がり測定装置１の前記装置本体４は、可撓性の円筒体５と、二本の光ファイバ６を前記円筒体５の一端側で十字に重ね、その重ね部分を円弧状の折り返しとして装置長さ方向に亘るように前記円筒体５の内部に配置されたセンサ部７と、前記センサ部７における各光ファイバ６の端部が光入出力可能に接続された歪み測定手段８と、前記歪み測定手段８側に並設された方位測定手段９、そして電源部１０とを備えているものである。
上述したように円筒体５が可撓性を有することから、このボーリング孔曲がり測定装置１を後述のようにボーリング孔Ｃに挿入し、孔曲がりがある部分にボーリング孔曲がり測定装置１の装置本体４が位置したときにはその曲がりに応じて前記円筒体５が撓むようになる。
このボーリング孔Ｃの長手方向での形状に対応する円筒体５の内部に配置しているセンサ部７は、上述したように二本の光ファイバ６を同一端側で折り返している形状とすることで、円筒体５の長さ方向、即ちボーリング孔曲がり測定装置１の装置本体４の長さ方向に四本の光ファイバ６を亘るようにしており、各四本の光ファイバ６は図２に示すように円筒体５の内部に位置する支持具１１により円筒体５の内面に接している。この光ファイバ６は前記支持具１１の支持により円筒体５の断面において円筒体５の中心軸１２から径方向に同一の寸法となる距離にあり、円筒体５の周方向において隣り合う光ファイバ６間それぞれが同一の間隔としている（この間隔寸法はセンサ部７の長さ方向においても保たれている）。
そして、センサ部７では、中心軸１２に直交する平面で形成される正方形１３の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバ６で光ファイバセンサ１４を形成し、前記正方形１３の他の一組の対角位置に設けられた一対の光ファイバ６でもう一つの光ファイバセンサ１５を形成している。
【００１２】
上記センサ部７の二対の光ファイバセンサ１４、１５が接続されている歪み測定手段８は光源と歪み測定装置とからなるものである。前記光源は二対の光ファイバセンサ１４、１５の光入射端それぞれにパルス光を入射する。また、歪み測定装置にあっては、二対の光ファイバセンサ１４、１５の光入射端に戻るブリルアン散乱光から二対の光ファイバセンサ１４、１５それぞれにおける光ファイバ６の歪み差を、装置本体４が位置するボーリング孔Ｃの各装置挿入位置ごとに測定するものである。
また、上記方位測定手段９は、光ファイバセンサでの歪み差の測定が上記歪み測定手段８で行われるときに上記センサ部７の方位を測定しており、よって、この方位測定手段９でも装置本体４が位置するボーリング孔Ｃの各装置挿入位置ごとに測定を行なう。
上記歪み測定手段８と方位測定手段９とは上記電源部１０からの電力供給を受けて動作している。この歪み測定手段８と方位測定手段９と前記電源部１０とは一体となって付属装置として構成され、さらに図示しない制御手段で前記歪み測定手段８と方位測定手段９の動作が制御されている。制御手段も含む前記付属装置は上記円筒体５の外周形状と同じにして設けられている。即ち装置本体４は円筒の形態を呈し、前記付属装置側の端部に突出した連結部１６に上記吊支手段３が接続される。
【００１３】
本ボーリング孔曲がり測定装置１では上記装置本体４をボーリング孔Ｃに挿入し、その装置本体４が孔曲がりが生じている部分に位置したときには、上記構成によってその曲がりに応じて可撓性の上記円筒体５が撓むようになり、この撓みに応じてセンサ部７の二対の光ファイバセンサ１４、１５を構成している光ファイバ６が撓んで歪みが生じ、光ファイバセンサ１４、１５それぞれの歪み差に基づいて後述のようにセンサ部７の合成撓み角、合成変位を算出測定するものである。なお、ボーリング孔Ｃに挿入する装置本体４には、ボーリング孔Ｃの内径に変化が生じていても、装置本体４の中心軸１２がボーリング孔Ｃの中心軸に揃うようにするために案内手段１７を備えている。前記案内手段１７は、上記円筒体５の外周面における周方向の四ヶ所に等間隔にして位置した弾性変形可能なスペーサ１８からなるものであり、円筒体５が挿入されるボーリング孔Ｃの内周壁に前記スペーサ１８それぞれが突没可能に摺接するようにしている。前記案内段１６が接するボーリング孔Ｃの内径が変化した場合、各スペーサ１８の変化量は同じであり、これによって装置本体４における円筒体５の中心軸１１とボーリング孔Ｃの中心軸とが揃うことになる。案内手段１７のスペーサ１８は、円筒体５の外周面における周方向の少なくとも三ヶ所に等間隔にして位置するように設ければよく、装置本体４の長さ方向における複数の個所に設けられるようにすればよい。
【００１４】
本ボーリング孔曲がり測定装置１において、装置本体４をボーリング孔Ｃに挿入し、その装置挿入位置ごとの光ファイバセンサ１４、１５それぞれの歪み差に基づく測定は以下の算式により上記撓み測定手段８にて行われる。図３、４は任意の装置挿入位置における光ファイバセンサ１４、１５それぞれの歪み差から、その光ファイバセンサそれぞれの撓み角αと変位δを得る算出測定法を示すための図で、図３はボーリング孔中での一つの光ファイバセンサを長手方向で示し、図４は一つの光ファイバセンサをボーリング孔断面方向で示している。
【００１５】
図３、４において、
Ｒｐ：      光ファイバ間距離（ｍｍ）
Ｒｂ：      ボーリング孔の径（ｍｍ）
ε１、ε２：光ファイバ歪み
ｌ：        測定区間長（ｍｍ）
ρ：        曲率半径（ｍｍ）
θ：        撓み角（ｒａｄ）
δ：        変位（ｍｍ）
である。
そして、一つの光ファイバセンサの歪み差から求める撓み角θは、
ｔａｎθ≒θ＝ｌ／ρ＝δ／ｌ＝α（ε１−ε２）ｌ／Ｒｐ………（１）
である。（１）式で、光ファイバ間距離Ｒｐに対するボーリング孔の径Ｒｂの割合（Ｒｂ／Ｒｐ）をαとしている。また、一対の光ファイバセンサの歪み差から求める変位δは、α＝Ｒｂ／Ｒｐを上記（１）式に代入した以下の（２）式から得ることができる。
δ＝Ｒｂ（ε１−ε２）ｌ2／Ｒｐ2………（２）
【００１６】
二対の光ファイバセンサ１４、１５それぞれの上記撓み角と変位との算出測定が上記撓み測定手段８で行われる。さらにこの撓み測定手段８で二対の光ファイバセンサ１４、１５それぞれの撓み角、変位の合成を行ない、装置挿入位置ごとのセンサ部７の合成撓み角と合成変位とを算出測定する。
図５は二対の光ファイバセンサ１４、１５それぞれの撓み角、変位の合成の算出法を示すものである。図５に示すように光ファイバ６の歪みε１、ε２から撓み角δ12が測定された光ファイバセンサ１４の前記撓み角δ12と、光ファイバ６の歪みε３、ε４から撓み角δ 34が測定された光ファイバセンサ１５の前記撓み角δ34とに基づき、センサ部７の合成撓み角δは
ｔａｎ-1θ＝δ34／δ12
として得られるようになる。図５において上記合成撓み角（ｔａｎ-1θ）が正の値を示すときは反時計方向への合成撓み角を示し、負の値を示す時は時計方向への合成撓み角を示す。
また、二対の光ファイバセンサ１４、１５からの合成変位δは、
【００１７】
【数１】
2006145388.tif 000003
として算出測定される。
【００１８】
装置本体４の上記方位測定手段９は上述したように装置挿入位置ごとにセンサ部７の方位を測定している。センサ部７の方位は、方位測定の基点となる光ファイバ６の光入射端の方位角として表される。そして装置本体４における上記制御部において、図６に示すように方位測定手段９によるセンサ部７の方位角と、上記歪み測定手段８によるセンサ部７の合成撓み角θとに基づいて、センサ部７の撓みの方位角Θを算出測定する。この算出測定が装置挿入位置ごとに制御部により行われる。
【００１９】
以上のようにしてボーリング孔Ｃに挿入される上記装置本体４は、各装置挿入位置ごとに得られたセンサ部７の撓みの方位角と合成変位とを、ボーリング口元の位置を基準としてボーリング孔の深度方向に積分することで、ボーリング孔全体でのセンサ部７の撓みの方位角と合成変位とを算出測定し、これにより孔曲がりが測定され、ボーリング孔の孔曲がりの状態が把握できるようにある。
なお、本ボーリング孔曲がり測定装置１を用いて孔曲がりを測定する場合、ボーリング孔Ｃに挿入する前に、上記保護ケース２に入れて、ボーリング口元管Ｂの上方に口元管の傾斜と平行となるように設置する（図７）。そして、この状態において光ファイバセンサそれぞれの歪み状態と方位とを測定し、併せて保護ケース２の水準器を用いて口元管の傾斜角を測定して、その測定値をゼロ較正用データとする。ついで、装置本体４をボーリング口元管Ｂからボーリング孔Ｃに挿入し、上述したように測定を行なうようにする。
装置本体４の送出量は一定長さごととしたり、送り出し手段によって制御されており、この送出量によってボーリング孔の長さ方向での装置挿入位置それぞれが設定されるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るボーリング孔曲がり測定装置の一例を示す説明図である。
【図２】一例における光ファイバセンサの配置を示す説明図である
【図３】一つの光ファイバセンサによる歪み差測定に基づく撓み角の算出測定を光ファイバセンサに沿った方向で示す説明図である。
【図４】同じく一つの光ファイバセンサによる歪み差測定に基づく撓み角の算出測定を光ファイバセンサ断面に沿った方向で示す説明図である。
【図５】二対の光ファイバセンサによる撓み角の合成と変位の合成とを示す説明図である。
【図６】センサ部の撓みの方位角の算出測定を示す説明図である。
【図７】一例を装置本体が保護ケースに収納された状態で示す説明図である。
【図８】装置本体がボーリング孔に挿入される状態を示す説明図である。
【図９】ブリルアン散乱光の光入射端への戻りを示す説明図である。
【図１０】後方散乱光の周波数と後方散乱光のパワーとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１…ボーリング孔曲がり測定装置
２…保護ケース
４…装置本体
５…円筒体
６…光ファイバ
７…センサ部
８…歪み測定手段
９…方位測定手段
１１…支持具
１２…中心軸
１４、１５…光ファイバセンサ
１７…案内手段
Ａ…支持構造物
Ｂ…ボーリング口元管
Ｃ…ボーリング孔
【図１】
2006145388.tif 000004
【図２】
2006145388.tif 000005
【図３】
2006145388.tif 000006
【図４】
2006145388.tif 000007
【図５】
2006145388.tif 000008
【図６】
2006145388.tif 000009
【図７】
2006145388.tif 000010
【図８】
2006145388.tif 000011
【図９】
2006145388.tif 000012
【図１０】
2006145388.tif 000013