(57)【要約】【課題】  誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法を提供する。【解決手段】  本発明によれば、地球磁場の変化をモニタリングし、石油、石炭などのエネルギー資源または鉱物資源を探査し、環境分野に適用することができるようにするために、ボアホール内で広帯域の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー、およびこれを用いたボアホール電磁探査方法を提供する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に形成される一対のボアホールのうちいずれか一方のボアホールに設置される発信部と、前記一対のボアホールのうち他方のボアホールに設置され、前記発信部からの信号を受信する受信部と、前記発信部および前記受信部からの信号を受信し分析するために地上に設置される地上部とを含み、地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うボアホール電磁探査システムにおいて、前記ボアホール内で広帯域の磁場を広帯域の周波数に対してかつｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対してそれぞれ正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーであって、
前記地上部との通信のための通信部と、
電源供給のための電源部と、
前記ボアホール磁場計測センサー全体の制御のための制御部と、
前記ボアホール磁場計測センサー全体が前記ボアホール内で北方向となす角度および勾配を測定するための３成分磁力センサー部と、
前記ボアホール磁場計測センサーの現在位置、方向、勾配を含む状態情報を検出するための３成分加速度センサー部と、
アナログセンサー信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換部を含み、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の３成分磁場を広帯域でそれぞれ検出するための３成分磁場センサー部と、
前記通信部、前記電源部、前記制御部、前記３成分磁力センサー部、前記３成分加速度センサー部および前記３成分磁場センサー部を内部に含むケーシングと、
前記ケーシングの両端部にそれぞれ形成される圧力コネクタ部と、を含んでなることを特徴とする、誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項２】
前記ケーシングは、
前記通信部、前記電源部、前記制御部および前記Ａ／Ｄ変換部が設置される部分はステンレススチールを含む導電性材質で形成され、
前記３成分磁力センサー部、前記３成分磁場センサー部および前記３成分加速度センサー部が設置される部分は信号の混乱を防止するために、ガラス繊維を含む不導体材質で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項３】
前記３成分磁場センサー部は、
ｚ軸が前記ケーシングの長さ方向であり、ｘ軸の方向は前記ｚ軸に対して垂直な方向であり、ｙ軸の方向は前記ｘ軸および前記ｚ軸の方向に対して垂直な方向であるとするとき、
棒状または円筒状のコアに複数のコイルが巻かれた形態の垂直コイルモジュールを含み、ｚ軸方向の磁場を検出するｚ成分センサー部と、
前記垂直コイルモジュールに対して直角となるように、前記ケーシングの直径より小さいサイズに形成される複数の棒状または円筒状の水平コイルモジュールが前記ケーシングの直径方向を向くように並列配置され、ｘ軸方向の磁場を検出するｘ成分センサー部と、
複数の前記水平コイルモジュールが前記ｘ成分センサー部および前記ｚ成分センサー部のそれぞれのコイルモジュールとそれぞれ直角をなすように配置され、ｙ軸方向の磁場を検出するｙ成分センサー部と、を含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項４】
前記水平コイルモジュールは、
前記ケーシングの直径より小さいサイズに形成されるコアと、
前記コアに複数回巻かれる信号コイルと、
前記信号コイルの外側に配置される絶縁材と、
前記絶縁材の外側に巻かれるキャリブレーションコイルと、を含んでなり、
前記キャリブレーションコイルを介して前記信号コイルと反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの雑音を相殺するように電流を調節するバッキングコイルの役割、および前記信号コイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用可能なキャリブレーション機能を兼備するように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項５】
前記コアはフェライトを含むミューメタル材質で形成されることを特徴とする、請求項４に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項６】
前記垂直コイルモジュールは、
前記ｚ成分センサー部の全長および前記ケーシングの直径に対応するサイズに形成されるコアと、
前記コアに複数回巻かれる信号コイルと、
前記信号コイルの外側に配置される絶縁材と、
前記絶縁材の外側に巻かれるキャリブレーションコイルと、を含んでなり、
前記キャリブレーションコイルを介して前記信号コイルと反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの雑音を相殺するように電流を調節するバッキングコイルの役割、および前記信号コイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用可能なキャリブレーション機能を兼備するように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項７】
前記コアはフェライトを含むミューメタル材質で形成されることを特徴とする、請求項６に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項８】
前記ボアホール磁場計測センサーは、
前記ｘ成分センサー部および前記ｙ成分センサー部には複数の前記水平コイルモジュールがそれぞれ並列に連結され、
前記ｚ成分センサー部には一つの前記垂直コイルモジュールが直列に連結され、
前記ｘ成分および前記ｙ成分の水平磁場測定のためのセンサーを並列に連結することにより、誘導コイルの断面積と巻数が、それぞれ並列に連結された前記コイルモジュールの個数だけ増加して、直径が制限的なボアホール内の環境で微弱な電磁気波信号を感知することが可能な特性を示す誘導コイル型センサーの敏感度を倍加させることができるように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー。
【請求項９】
地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うためのボアホール電磁探査システムにおいて、
互いに平行に形成される一対のボアホールのうちいずれか一方のボアホールまたは地上に設置される発信部と、
前記一対のボアホールのうち他方のボアホール、地上、または前記ボアホールと同一のボアホールに設置され、前記発信部からの信号を受信する受信部と、
前記発信部および前記受信部からの信号を受信し分析するために地上に設置される地上部と、を含んでなり、
前記受信部は、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて構成されることを特徴とする、ボアホール電磁探査システム。
【請求項１０】
地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うためのボアホール電磁探査方法において、
互いに平行に形成される一対のボアホールを掘削する掘削段階と、
それぞれの前記ボアホールに磁気センサーおよび前記磁気センサーからの信号を受信する受信部をそれぞれ設置する設置段階と、
前記磁気センサーおよび前記受信部からの信号を受信して地下環境に対する分析を行う分析段階と、を含んでなり、
前記設置段階は、
前記磁気センサーとして、請求項１〜８のいずれか１項に記載の誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを設置するように構成されることを特徴とする、ボアホール電磁探査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボアホール電磁探査（borehole electromagnetic exploration or tomography；ＥＭ tomography）に係り、さらに詳しくは、ボアホール内における自然的な地球磁場の変化モニタリングまたはボアホールを用いた電磁探査を介して、石油、石炭などのエネルギー資源分野、鉱物資源分野、並びに土木および環境分野などに適用するために、ボアホール内で広帯域の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型３成分ボアホール磁場計測センサーに関する。
【０００２】
また、本発明は、前述したようにボアホール内で磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて、石油、石炭などのエネルギー資源分野、鉱物資源分野、並びに土木および環境分野などに適用することができるように構成されるボアホール電磁探査方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、地球磁場の変化をモニタリングしたり、石油や石炭などのエネルギー資源または金属などの鉱物資源を探査したりして土木、環境分野に適用するために、ボアホール内に電磁気センサーを設置して地下の地質または環境を調べる、いわゆるボアホール電磁探査（borehole electromagnetic exploration or tomography；ＥＭ tomography）方法が提案されて使用されている。
【０００４】
すなわち、図１を参照すると、図１は従来のボアホール電磁探査（ＥＭ tomography）システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【０００５】
図１に示すように、ボアホール電磁探査システム１０は、一般に、２つのボアホール１１、１２をそれぞれ形成した後、そのいずれか一方には発信器（transmitter）１３を設置し、他方には発信器１３からの信号を受信する受信器（receiver）１４をそれぞれ設置し、このような発信器１３および受信器１４からの信号を、地上に設置される地上部１５で受信して分析することにより、該当地域の地質や主要資源の埋蔵有無、地下環境などに関する探査が行われる。
【０００６】
この際、前述した発信器１３はボアホール内だけでなく地上にも位置することができ、前記受信器１４も発信器１３と同一のボアホール１１内または他のボアホール１２内に位置して探査を行うことができる。
【０００７】
さらに詳しくは、前述したようなボアホール電磁探査システムに対する従来技術の例として、例えば、米国特許第７，０３０，６１７号（２００６年４月１８日）に開示されているような「電磁気誘導探査の遂行のためのシステム、装置および方法（System, apparatus, and method for conducting electromagnetic induction surveys）」がある。
【０００８】
すなわち、図２を参照すると、図２は従来技術の例として米国特許第７，０３０，６１７号に提示されたボアホール電磁探査システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【０００９】
さらに詳しくは、前記米国特許第７，０３０，６１７号に提示されたボアホール電磁探査システム２０は、図２に示すように、ボアホール２１内に、磁気モーメント（magnetic moment）を発生する発信器２２を設置し、前記発信器２２から発生した磁場を受信する受信器２３を、隣接して配置された他のボアホール２４内に設置し、この際、前記発信器２２による磁場および伝導性ケーシング（conductive casing）による減衰（attenuation）を検出するための補助受信器（auxiliary receiver）２５を前記発信器２２に隣接して設置するように構成され、このような発信器２２、受信器２３および補助受信器２５によって伝送される信号を、地上に設置された地上部２６で受信して分析することにより、該当地域の地質や主要資源の埋蔵有無および地下環境に関する探査が行われることを特徴とする。
【００１０】
よって、前述したように構成される米国特許第７，０３０，６１７号に提示されたボアホール電磁探査システム２０によれば、補助受信器２５によって測定された磁場と発信器磁気モーメント（transmitter magnetic moment）の比（ratio）によって導電ケーシングによる減衰を考慮することができるので、より正確な測定が可能となる。
【００１１】
ここで、一般に、地下の地質構造は、非常に複雑な３次元的構造を形成しており、このような地下空間の環境を正確に把握するためには、磁場の方向をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の各方向で３次元的に測定し分析しなければならないが、前述した米国特許第７，０３０，６１７号は、単に磁気モーメントを発生する発信器およびその磁気モーメントを受信する受信器の構成のみを提示しており、前述したように３成分に対する磁場測定および分析のような技術内容については提示していない。
【００１２】
また、前述したようなボアホール電磁探査システムについての従来技術の他の例としては、例えば、韓国登録特許公報第１０−０５６３５４２号（２００６年３月１６日）に提示された「デジタル３成分フラックスゲート磁場測定器を用いた、鉄材が配筋された深い基礎の深度探知装置」および韓国登録特許公報第１０−０２６４６３０号（２０００年６月２日）に提示された「ボアホール内の３軸磁場測定によるコンクリート基礎坑内の鉄筋探知装置及び探知方法」がある。
【００１３】
さらに詳しくは、まず、前記韓国登録特許公報第１０−０５６３５４２号は、特に、ボアホールの内部に挿入され、鉄材から発生する誘導磁場を感知してデジタル信号として出力するフラックスゲートセンサーを備え、該センサーから出力されたデジタル感知情報をＲＳ−４２２、ＲＳ−２３２およびＵＳＢ通信規約に変換する手段を含むことにより、フラックスゲートセンサーで感知された情報をノート型パソコンなどのポータブルコンピュータを介して保存および出力することができるようにして、デジタル化されたフラックスゲートセンサーを用いて多量の資料を感知し、伝送することができるように構成される、デジタル３成分フラックスゲート磁場測定器を用いた、鉄材が配筋された深い基礎の深度探知装置に関する。
【００１４】
また、前記韓国登録特許公報第１０−０２６４６３０号は、ボアホール内に３軸磁場測定センサーを挿入し、ボアホール内で上下に移動させて基礎坑内の鉄筋の誘導磁場を測定すると同時に、前記３軸磁場測定センサーの深さを測定し、前記鉄筋の誘導磁場測定値と３軸磁場測定センサーの深さをコンピュータに保存して基礎坑の下端深さを測定するボアホール内の３軸磁場測定によるコンクリート基礎坑内の鉄筋探知装置および探知方法に関する。
【００１５】
すなわち、前述した韓国登録公報第１０−０５６３５４２号および同第１０−０２６４６３０号によれば、ボアホール内に３軸磁場測定センサーを挿入して３次元的な測定を行う技術内容が開示されているが、前述した韓国登録特許公報第１０−０５６３５４２号及び同第１０−０２６４６３０号は、コンクリート基礎坑内に配筋された鉄筋の下端深さを抽出するためのもので、ボアホールが基礎坑に接近した場合を仮定したので、高周波数の特定の周波数帯域のみを用いても構わないため、広帯域の周波数帯域が強いて必要ない。よって、商用化されたフラックスゲート型３軸磁場センサーの利用が可能である。
【００１６】
すなわち、電磁探査において、特定の地盤環境で特定の周波数の電磁気波を用いて電磁探査を行う場合、探査が可能な深度を示す浸透深度（penetration depth）または可探深度（skin depth）δは、下記数式１で表すことができる。
【００１７】
【数１】
2015102547.tif 000003
【００１８】
ここで、ρは地層の電気比抵抗（electric resistivity、Ω・ｍ）を示し、ｆは周波数（frequency、Ｈｚ）を示す。
【００１９】
さらに詳しくは、例えば、地層の電気比抵抗が１００Ω・ｍの地域で電磁探査を行う場合、１００Ｈｚの周波数を用いると、探査が可能な可探深度は約５００ｍであり、１０，０００Ｈｚの周波数を用いると、可探深度は約５０ｍである。
【００２０】
すなわち、前述した韓国登録特許第１０−０５６３５４２号および同第１０−０２６４６３０号の場合、一般に、ボアホールを基礎坑に出来る限り近接位置させてその距離が数ｍ以内であるから、数十〜数百ｋＨｚの高周波数帯域の電磁気波を用いればよい。よって、このような場合、フラックスゲート電場センサーによっても探査の目的を達成することができる。
【００２１】
これに対し、ボアホール電磁探査の場合、２つのボアホール間の距離が数十ｍ〜数百ｍと様々に適用されなければならず、地層の電気比抵抗も数百Ω・ｍ〜数万Ω・ｍと様々な地質環境で行われることが可能でなければならないので、使用する電磁気波の周波数は数Ｈｚ〜数百ｋＨｚであって、広帯域に対して非常に高い敏感度で測定が可能でなければならない。このような場合、前記フラックスゲート型電磁探査受信器は、広帯域と敏感度を同時に満足することが難しい。
【００２２】
しかも、前記米国特許第７，０３０，６１７号と同様に、前記韓国登録特許第１０−０５６３５４２号および同第１０−０２６４６３０号にも、３次元的な測定ができるように構成される磁気センサーの具体的な構成については提示されていない。
【００２３】
すなわち、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムにおいて、磁気センサーは、ｘ、ｙ、ｚ軸の３成分に対する磁場を検出するための３軸磁場センサー以外に、前記センサーを制御するための制御手段、センサーの位置を把握するための位置把握手段、センサーからの信号を伝送するための通信手段、およびセンサーが動作するための電源を供給するための電源供給手段などの様々な付随的手段を一緒に設置してセンサー部を構成しなければならないが、前述したように、従来技術には、このようなセンサー部の具体的な構成については提示されていない。
【００２４】
よって、前述したような従来技術の問題点を解決するためには、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムへの適用に適するように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場を広帯域の周波数に対して且つそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成される新規のボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法を提供することが好ましいが、今までそのような要求を全て満足させる装置または方法は提供されたことがなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】米国登録特許第７，０３０，６１７号明細書
【特許文献２】韓国登録特許第１０−０５６３５４２号公報
【特許文献３】韓国登録特許第１０−０２６４６３０号公報
【特許文献４】韓国登録特許第１０−１０３９８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムへの適用に適するように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場を広帯域の周波数範囲に対して且つそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを提供することにある。
【００２７】
また、本発明の他の目的は、前述したように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて、地下環境の地質や資源の埋蔵有無に関する探査をより正確かつ容易に行うことができるように構成されるボアホール電磁探査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、互いに平行に形成される一対のボアホールのうちいずれか一方のボアホールに設置される発信部と、前記一対のボアホールのうち他方のボアホールに設置され、前記発信部からの信号を受信する受信部と、前記発信部および前記受信部からの信号を受信し分析するために地上に設置される地上部とを含み、地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うボアホール電磁探査システムにおいて、前記ボアホール内で広帯域の磁場を広帯域の周波数に対して且つｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対してそれぞれ正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーであって、前記地上部との通信のための通信部と、電源供給のための電源部と、前記ボアホール磁場計測センサー全体の制御のための制御部と、前記ボアホール磁場計測センサー全体が前記ボアホール内で北方向となす角度および勾配を測定するための３成分磁力センサー部と、前記ボアホール磁場計測センサーの現在位置、方向、勾配を含む状態情報を検出するための３成分加速度センサー部と、アナログセンサー信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換部を含み、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の３成分磁場を広帯域でそれぞれ検出するための３成分磁場センサー部と、前記通信部、前記電源部、前記制御部、前記３成分磁力センサー部、前記３成分加速度センサー部および前記３成分磁場センサー部を内部に含むケーシングと、前記ケーシングの両端部にそれぞれ形成される圧力コネクタ部と、を含んでなることを特徴とする、誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーが提供される。
【００２９】
ここで、前記ケーシングは、前記通信部、前記電源部、前記制御部および前記Ａ／Ｄ変換部が設置される部分はステンレススチールを含む導電性材質で形成され、前記３成分磁力センサー部、前記３成分磁場センサー部および前記３成分加速度センサー部が設置される部分は信号の混乱を防止するために、ガラス繊維を含む不導体材質で形成されることを特徴とする。
【００３０】
また、前記３成分磁場センサー部は、ｚ軸が前記ケーシングの長さ方向であり、ｘ軸の方向は前記ｚ軸に対して垂直な方向であり、ｙ軸の方向は前記ｘ軸および前記ｚ軸の方向に対して垂直な方向であるとするとき、棒状または円筒状のコアに複数のコイルが巻かれた形態の垂直コイルモジュールを含み、ｚ軸方向の磁場を検出するｚ成分センサー部と、前記垂直コイルモジュールに対して直角となるように、前記ケーシングの直径より小さいサイズに形成される複数の棒状または円筒状の水平コイルモジュールが前記ケーシングの直径方向を向くように並列配置され、ｘ軸方向の磁場を検出するｘ成分センサー部と、複数の前記水平コイルモジュールが前記ｘ成分センサー部および前記ｚ成分センサー部のそれぞれのコイルモジュールとそれぞれ直角をなすように配置され、ｙ軸方向の磁場を検出するｙ成分センサー部と、を含んでなることを特徴とする。
【００３１】
また、前記水平コイルモジュールは、前記ケーシングの直径より小さいサイズに形成されるコアと、前記コアに複数回巻かれる信号コイルと、前記信号コイルの外側に配置される絶縁材と、前記絶縁材の外側に巻かれるキャリブレーションコイルと、を含んでなり、前記キャリブレーションコイルを介して前記信号コイルと反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの雑音を相殺するように電流を調節するバッキングコイルの役割、および前記信号コイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用可能なキャリブレーション機能を兼備するように構成されることを特徴とする。
【００３２】
ここで、前記コアはフェライトを含むミューメタル材質で形成されることを特徴とする。
【００３３】
また、前記垂直コイルモジュールは、前記ｚ成分センサー部の全長および前記ケーシングの直径に対応するサイズに形成されるコアと、前記コアに複数回巻かれる信号コイルと、前記信号コイルの外側に配置される絶縁材と、前記絶縁材の外側に巻かれるキャリブレーションコイルと、を含んでなり、前記キャリブレーションコイルを介して前記信号コイルと反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの雑音を相殺するように電流を調節するバッキングコイルの役割、および前記信号コイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用可能なキャリブレーション機能を兼備するように構成されることを特徴とする。
【００３４】
ここで、前記コアはフェライトを含むミューメタル材質で形成されることを特徴とする。
【００３５】
また、前記ボアホール磁場計測センサーは、前記ｘ成分センサー部および前記ｙ成分センサー部には複数の前記水平コイルモジュールがそれぞれ並列に連結され、前記ｚ成分センサー部には一つの前記垂直コイルモジュールが直列に連結され、前記ｘ成分および前記ｙ成分の水平磁場測定のためのセンサーを並列に連結することにより、誘導コイルの断面積と巻数が、それぞれ並列に連結された前記コイルモジュールの個数だけ増加して、直径が制限的なボアホール内の環境で微弱な電磁気波信号を感知することが可能な特性を示す誘導コイル型センサーの敏感度を倍加させることができるように構成されることを特徴とする。
【００３６】
また、本発明の他の観点によれば、地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うためのボアホール電磁探査システムにおいて、互いに平行に形成される一対のボアホールのうちいずれか一方のボアホールまたは地上に設置される発信部と、前記一対のボアホールのうち他方のボアホール、地上、または前記ボアホールと同一のボアホールに設置され、前記発信部からの信号を受信する受信部と、前記発信部および前記受信部からの信号を受信し分析するために地上に設置される地上部と、を含んでなり、前記受信部は、上記に記載された誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて構成されることを特徴とする、ボアホール電磁探査システムが提供される。
【００３７】
また、本発明の別の観点によれば、地下環境の地質または資源の埋蔵有無に関する探査を行うためのボアホール電磁探査方法において、互いに平行に形成される一対のボアホールを掘削する掘削段階と、それぞれの前記ボアホールに、磁気センサーおよび前記磁気センサーからの信号を受信する受信部をそれぞれ設置する設置段階と、前記磁気センサーおよび前記受信部からの信号を受信して地下環境に対する分析を行う分析段階と、を含んでなり、前記設置段階は、前記磁気センサーとして、上記に記載された誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを設置するように構成されることを特徴とする、ボアホール電磁探査方法が提供される。
【発明の効果】
【００３８】
上述したように、本発明によれば、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内で広帯域の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成されることにより、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムへの適用に適するように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを提供することができる。
【００３９】
また、本発明によれば、前述したように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて、地下環境の地質や資源の埋蔵有無に関する探査をより正確かつ容易に行うことができるように構成されるボアホール電磁探査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来のボアホール電磁探査（ＥＭ tomography）システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【図２】従来技術の例として米国特許第７，０３０，６１７号に提示されたボアホール電磁探査システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを含んでなるボアホール電磁探査システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【図４】図３に示した本発明の実施例に係るボアホール電磁探査システムの地上部の具体的な構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーの具体的な構成を概略的に示す図である。
【図６】図５に示した誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーに設置される３成分磁場センサー部の具体的な構成を概略的に示す図である。
【図７Ａ−７Ｂ】図６に示した３成分磁場センサー部に設置される水平コイルモジュールの具体的な構成を概略的に示す図である。
【図８Ａ−８Ｂ】図６に示した３成分磁場センサー部に設置される垂直コイルモジュールの具体的な構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法の具体的な実施例について説明する。
【００４２】
ここで、以下に説明する内容は本発明を実施するための一つの実施例に過ぎず、本発明は以下に説明する実施例の内容にのみ限定されるものではないことに留意すべきである。
【００４３】
また、以下の本発明の実施例についての説明において、従来技術の内容と同一または類似する、或いは当業者の水準で容易に理解し実施することができると判断される部分については、説明を簡略にするためにその詳細な説明を省略したことに留意すべきである。
【００４４】
すなわち、本発明は、後述するように、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムへの適用に適するように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーに関するものである。
【００４５】
また、本発明は、後述するように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内で広帯域の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確且つ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて、地下環境の地質や資源の埋蔵有無に関する探査をより正確かつ容易に行うことができるように構成されるボアホール電磁探査方法に関するものである。
【００４６】
次いで、図面を参照して、前述したような本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法の具体的な構成について説明する。
【００４７】
まず、図３を参照すると、図３は、本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを含んでなるボアホール電磁探査システムの全体的な構成を概略的に示す図である。
【００４８】
さらに詳しくは、図３に示すように、本発明の実施例に係るボアホール電磁探査システム３０は、互いに平行に形成される一対のボアホール３１、３２と、前記ボアホール３１に設置される発信部３３と、別のボアホール３２に設置される受信部３４と、地上に設置される地上部３５とを含んでなることが従来のボアホール電磁探査システムと類似するが、後述するように構成される本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを含んでなることは従来のボアホール電磁探査システムと異なる。
【００４９】
ここで、前記発信部３３および地上部３５は、前述した従来技術のボアホール電磁探査システムと同様にして構成できる。
【００５０】
すなわち、図４を参照すると、図４は、図３に示した本発明の実施例に係るボアホール電磁探査システム３０の地上部３５の具体的な構成を示す図である。
【００５１】
図４に示すように、地上部３５は、ボアホール３１に設置される受信部３４を移動させるための移動手段（winch）と、前記受信部３４の位置（すなわち、深さ）を把握するための深さ測定手段（depth encoder）と、現在の地理的な位置を把握するための位置把握手段（ＧＰＳ）と、前記発信部３３および受信部３４からの信号と深さ測定手段（depth encoder）および位置把握手段（ＧＰＳ）からの情報を総合して処理する情報処理手段（console）と、前記情報処理手段（console）と情報を送受信し、情報処理手段（console）の処理結果を保存および出力する入出力手段（ＰＣ）とを含んで構成できる。
【００５２】
ここで、前述した図４の構成は本発明を説明するために地上部３５の構成例を示したものに過ぎない。すなわち、本発明は、図４に示した構成以外に、必要に応じて様々に構成できることに留意すべきである。
【００５３】
また、前述したように、地球磁場の変化モニタリングと特にボアホール電磁探査による石油、石炭、金属鉱山などのエネルギーまたは鉱物資源の探査、および土木・環境分野に適用するために、ボアホール内の磁場の精密な計測が重要である。このために、本発明者は、次のとおり構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを提案した。
【００５４】
ここで、誘導型（Induction type）は、広帯域であり、感度に優れる利点により選択された。一般に、ボアホールの直径が３インチであるように、制限された環境で精密な計測を行うためには、出来る限り多くの巻数が要求されるので、本発明者は、多数の水平型コイルを並列に連結して前述の問題を解決した。
【００５５】
しかも、信号コイルと反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの背景雑音（background noise）を相殺するように電流を調節するバッキングコイル（bucking coil）の役割、及び該当コイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用するキャリブレーション機能を兼備するようにした。
【００５６】
次いで、図５を参照して、本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーの具体的な構成について説明する。
【００５７】
すなわち、図５を参照すると、図５は、本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー５０の具体的な構成を概略的に示す図である。
【００５８】
図５に示すように、本発明の実施例に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー５０は、ケーシング５１と、前記ケーシング５１の両端部にそれぞれ形成される圧力コネクタ部（pressure connector）５８とを含んでなり、ここで、前記ケーシング５１の内部には、地上部３５との通信のための通信部（telemetry unit）５２と、電源供給のための電源部（power unit）５３と、計測センサー５０全体の制御のための制御部（ＣＰＵ）５４と、前記ボアホール磁場計測センサー全体がボアホール内で北方向となす角度および勾配を測定するための３成分磁力センサー部（3 component fluxgate magnetometer）５５と、計測センサー５０の現在位置、方向、勾配などを検出するための３成分加速度センサー（3 component accelerometer）５６と、アナログセンサー信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換部（sensor Ａ／Ｄ converter unit）とを含み、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の磁場をそれぞれ検出するための３成分磁場センサー部（3 component magnetic sensor）５７とがそれぞれ設置されている。
【００５９】
ここで、前述したケーシング５１において、通信部５２、電源部５３および制御部５４が設置される部分は、例えば、ステンレススチール（stainless steel）などの導電性材質で形成され、３成分磁力センサー部５５、３成分加速度センサー５６および３成分磁場センサー部５７が設置される部分は、信号の混乱を防止するために、例えば、絶縁体に該当するガラス繊維（fiber glass）などの材質で形成される。
【００６０】
また、図６を参照すると、図６は、図５に示した誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー５０に設置される３成分磁場センサー部５７の具体的な構成を概略的に示す図である。
【００６１】
図６に示すように、前記３成分磁場センサー部５７は、ｘ軸方向の磁場を検出するためのｘ成分センサー部６１と、ｙ軸方向の磁場を検出するためのｙ成分センサー部６２と、ｚ軸方向の磁場を検出するためのｚ成分センサー部６３とを含んで構成されている。
【００６２】
さらに詳しくは、ｚ軸はケーシング５１の長さ方向、すなわち、図５に示した誘導型３成分ボアホール磁場計測センサー５０が設置されるボアホールの方向と平行な方向であり、ｘ軸の方向は前記ｚ軸に対して垂直な方向であり、ｙ軸の方向は前記ｘ軸および前記ｚ軸の方向に対して垂直な方向であると仮定すると、ｘ成分センサー部６１、ｙ成分センサー部６２およびｚ成分センサー部６３においてそれぞれのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向に対する磁場センサーの配置は図６に示すとおりである。
【００６３】
すなわち、図６に示すように、ｚ成分センサー部６３には、棒状または円筒状のコアに複数のコイルが巻かれた形態の垂直コイルモジュール（vertical coil module）６４が一体型に配置されるが、ｘ成分センサー部６１には、前記垂直コイルに対して直角となるようにケーシング５１の直径より小さいサイズに形成される複数の棒状または円筒状の水平コイルモジュール（horizontal coil module）６５がケーシング５１の直径方向を向くように並列配置されるが、ｙ成分センサー部６２には、複数の水平コイルモジュール６５が前記ｘ成分センサー部６１およびｚ成分センサー部６３のコイルモジュールとそれぞれ直角を成すように配置されている。
【００６４】
また、図７および図８を参照すると、図７および図８は、それぞれ図６に示した３成分磁場センサー部５７に設置される水平コイルモジュール６５および垂直コイルモジュール６４の具体的な構成を概略的に示す図である。
【００６５】
さらに詳しくは、図７Ａに示すように、ｘ成分センサー部６１およびｙ成分センサー部６２にそれぞれ配置される水平コイルモジュール６５は、例えば、ケーシング５１の直径より小さいサイズに形成されるフェライト（ferrite）コア７１に複数の信号コイル７２を巻いて形成され、この際、信号コイル７２の外側に絶縁材７３を配置し、絶縁材７３の外側にさらにキャリブレーションコイル（calibration coil）７４を巻いて周波数特性を向上させるように構成される。
【００６６】
すなわち、本発明に係る水平コイルモジュール６５は、前述したように、最も外側にキャリブレーションコイル７４を巻いて信号コイル７２と反対方向の電流が流れるようにすることにより、外部またはシステムの雑音を相殺するように電流を調節するバッキングコイル（bucking coil）の役割、およびコイルの周波数別応答特性を把握するための送信源として活用するキャリブレーション機能を兼備するように構成される。
【００６７】
また、図７Ｂに示すように、それぞれの水平コイルモジュール６５は、例えば、２０個のように、適切な個数の水平コイルモジュール６５を並列に連結して配置する。このような構成により、一種の増幅効果が発生してボアホールの内部のような限られた空間内で検出可能な十分な信号強度を得ることができる。
【００６８】
しかも、図８Ａに示すように、ｚ成分センサー部６３に配置される垂直コイルモジュール６４も、フェライト（ferrite）コア８１に複数の信号コイル８２を巻き、信号コイル８２の外側に絶縁材８３を配置した後、絶縁材８３の外側にさらにキャリブレーションコイル（calibration coil）８４を巻いて構成されることは図７に示した水平コイルモジュール６５と同様であり、但し、コア８１の長さおよび直径がｚ成分センサー部６３の全長およびケーシング５１の直径に対応するようにして一体に構成されることは前述した水平コイルモジュール６５と異なる。
【００６９】
すなわち、図８Ｂに示すように、垂直コイルモジュール６４は、一つのコイルモジュールが直接連結されるように構成される。
【００７０】
以上、前述したようにして、本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを実現することができ、しかも、そのような誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いてボアホール電磁探査を行うことにより、より正確かつ容易に探査作業を行うことができる。
【００７１】
ここで、図５〜図８を参照して前述した本発明の実施例に示した構成は、あくまでも本発明を説明するための構成の例を示したものに過ぎない。すなわち、本発明は、図５〜図８を参照して説明した構成以外にも、当業者によって必要に応じて様々な形態や材質、構造などを含んで様々に構成できることに留意すべきである。
【００７２】
よって、前述したように、本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法を実現することができる。
【００７３】
また、前述したようにして、本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法を実現することにより、本発明によれば、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成されることで、地下環境の地質や資源の埋蔵有無などを探査するためのボアホール電磁探査システムへの適用に適するように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを提供することができる。
【００７４】
しかも、本発明によれば、前述したように、一体型のモジュール形態で製作されてボアホール内への設置が容易であるとともに、ボアホール内の磁場をそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して３次元的に正確かつ精密に測定することができるように構成される誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーを用いて、地下環境の地質や資源の埋蔵有無に関する探査をより正確かつ容易に行うことができるように構成されるボアホール電磁探査方法を提供することができる。
【００７５】
以上、前述したような本発明の実施例によって、本発明に係る誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサーおよびこれを用いたボアホール電磁探査方法の詳細な内容について説明したが、本発明は、前述した実施例に記載された内容にのみ限定されるものではない。よって、本発明は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって設計上の必要およびその他の様々な要因によって各種修正、変更、結合および代替などが可能であるのは当たり前である。
【符号の説明】
【００７６】
１０    ボアホール電磁探査システム
１１    ボアホール
１２    ボアホール
１３    発信器
１４    受信器
１５    地上部
２０    ボアホール電磁探査システム
２１    ボアホール
２２    発信器
２３    受信器
２４    ボアホール
２５    補助受信器
２６    地上部
３０    ボアホール電磁探査システム
３１    ボアホール
３２    ボアホール
３３    発信部
３４    受信部
３５    地上部
５０    誘導型広帯域３成分ボアホール磁場計測センサー
５１    ケーシング
５２    通信部
５３    電源部
５４    制御部
５５    ３成分磁力センサー部
５６    ３成分加速度センサー部
５７    ３成分磁場センサー部
５８    入力コネクタ部
６１    ｘ成分センサー部
６２    ｙ成分センサー部
６３    ｚ成分センサー部
６４    垂直コイルモジュール
６５    水平コイルモジュール
７１    コア
７２    信号コイル
７３    絶縁材
【図１】
2015102547.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2015102547.tif 000010
【図７Ｂ】
2015102547.tif 000011
【図８Ａ】
2015102547.tif 000012
【図８Ｂ】
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