(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１（１３５）と第２（１３０）の導電セクション間に絶縁セクション（１４０）を有するドリリング装置（１１０）に配置された地下計器パッケージ（１２５）との通信を行うためのデータ通信システムであって；このデータ通信システムは、
ドリリング装置の第１の導電セクションとグラウンド（１５０）とに接続可能な電源（１４５）と、
前記電源を流れる電流を測定するために接続された受信機（１７０）と、
ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間にある電気経路（２１０）と、
計器パッケージによって生成されるデータに応答して前記電気経路を開閉する、前記電気経路内に設けられたスイッチ（４００）とから構成されると共に、
前記スイッチによって前記電気経路が開いている間に、ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間に形成される電圧を用いて計器パッケージの内部電源（３１５）を充電する手段を更に具備したことを特徴とするデータ通信システム。  
【請求項２】
前記スイッチ（４００）がトランジスタを備える請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項３】
前記トランジスタが電界効果トランジスタである請求項２に記載のデータ通信システム。
【請求項４】
前記スイッチ（４００）が、前記電気経路内の電流に周波数偏移変調を加える請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項５】
前記電気経路（２１０）が、ドリリング装置の絶縁セクション（１４０）を通るワイヤを備える請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項６】
前記ワイヤ（２１０）の一端が、ドリリング装置の第１の導電セクションに接続可能な請求項５に記載のデータ通信システム。
【請求項７】
前記スイッチ（４００）が計器パッケージ（１２５）の導電ハウジングに電気的に接続され、計器パッケージのハウジングがドリリング装置の第２の導電セクション（１３０）に電気的に接続可能な請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項８】
前記電源（１４５）が、地下計器パッケージ（１２５）より上のグラウンド（１５０）に挿入されたワイヤ（１６０）を介してグラウンドに接続された請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項９】
計器パッケージ（１２５）が、ドリリング装置（１１０）の状況を検出するためのセンサを備える請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項１０】
前記電源（１４５）によって生成される電流に、計器パッケージ（１２５）を制御するための制御信号を重ねるための制御送信機と、
計器パッケージ内に配置された制御受信機とをさらに備え、前記制御受信機が、制御信号を受信し、制御信号に応答して制御データを生成するために接続された請求項１に記載のデータ通信システム。
【請求項１１】
前記制御送信機が周波数偏移変調を使用する請求項１０に記載のデータ通信システム。
【請求項１２】
前記電源（１４５）のスイッチ・オフに応答して、計器パッケージ（１２５）が内部電源の低消費電力モードを起動させる請求項１０に記載のデータ通信システム。
【請求項１３】
制御データに応答して、計器パッケージ（１２５）が内部電源の低消費電力モードを起動させる請求項１０に記載のデータ通信システム。
【請求項１４】
第１導電セクション（１３５）と第２導電セクション（１３０）間に絶縁セクション（１４０）を有するドリリング装置（１１０）に配置された地下計器パッケージ（１２５）との通信を行うデータ通信方法であって、この方法は、
ドリリング装置の第１の導電セクションとグラウンド（１５０）とに電源（１４５）を接続するステップと、
受信機（１７０）を使用して電源を流れる電流を測定するステップと、
計器パッケージによって生成されるデータに応答して、ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間にある電気経路（２１０）内に設けられたスイッチ（４００）を開閉するステップと、
計器パッケージの内部電源を、スイッチによって電気経路が開いている間に、ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間に形成される電圧によって充電するステップとから構成されることを特徴とするデータ通信方法。
【請求項１５】
スイッチ（４００）がトランジスタを備える請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項１６】
トランジスタが電界効果トランジスタである請求項１５に記載のデータ通信方法。
【請求項１７】
電気経路内の電流に周波数偏移変調を加えるためにスイッチ（４００）を使用するステップをさらに含む請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項１８】
電気経路が、ドリリング装置（１１０）の絶縁セクション（１４０）を通るワイヤを備える請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項１９】
ワイヤ（２１０）の一端が、ドリリング装置（１１０）の第１（１３５）の導電セクションに接続されている請求項１８に記載のデータ通信方法。
【請求項２０】
スイッチ（４００）を、計器パッケージ（１２５）の導電ハウジングに電気的に接続するステップと、
計器パッケージのハウジングを、ドリリング装置（１１０）の第２の導電セクション（１３０）に電気的に接続するステップとをさらに含む請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項２１】
電源（１４５）を、地下計器パッケージ（１２５）より上のグラウンド（１５０）に挿入されたワイヤ（１６０）を介してグラウンドに接続するステップをさらに含む請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項２２】
計器パッケージ（１２５）が、ドリリング装置（１１０）の状況を検出するためのセンサを備える請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項２３】
制御送信機を使用して、前記電源によって生成される電流に、計器パッケージ（１２５）を制御するための制御信号を重ねるステップと、
計器パッケージ内に配置された制御受信機を使用して制御信号を受信し、制御信号に応答して制御データを生成するステップとをさらに含む請求項１４に記載のデータ通信方法。
【請求項２４】
制御送信機が周波数偏移変調を使用する請求項２３に記載のデータ通信方法。
【請求項２５】
電源（１４５）のスイッチ・オフに応答して、計器パッケージ（１２５）が内部電源の低消費電力モードを起動させる請求項２３に記載のデータ通信方法。
【請求項２６】
制御データに応答して、計器パッケージ（１２５）が内部電源の低消費電力モードを起動させる請求項２３に記載のデータ通信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、地下作業でのデータ送受信に関し、より具体的に言えば、地表の送信機／受信機と、地下ドリリング機器の位置および状況を検出するためのセンサなどの地下の電子計器との間でのデータ通信に関する。
【０００２】
ダウンホール坑井では、ドリル・ストリングに、動作時にドリリング機器の地下部分の位置および状態を監視するための、ドリル・ビット端近くの計器パッケージが含まれる場合がある。計器パッケージによって生成されたデータは、オペレータが使用するために地表に伝送される。
【０００３】
（従来技術の説明）
地下装置からデータを伝送するための方法には、知られているものがいくつかある。いわゆるワイヤライン構成では、計器パッケージからのデータは、計器パッケージからドリル・ストリングを経由して地表の受信機に至る、電線を介して伝送される。ワイヤは、ドリル・ストリングをリターン・パスまたは同軸ケーブルなどの２芯ワイヤとして使用する単一の導体であってよい。ワイヤは、地表の電源から計器パッケージに電力を供給するのに使用することができる。典型的には、少なくとも約１２００ｂｐｓ（１秒当たりのビット数）のデータ速度が達成できる。
【０００４】
ただし、ワイヤライン構成が特に電線の接続障害を受けやすいという欠点がある。ドリリング機器の導入時および操作時には、ワイヤがからまったり切れたりしないように、取扱いに注意しなければならない。またワイヤは、ドリリング機器の動作に関連付けられたトルク、振動、繰り返される曲げやねじれ、および他の機械的な力により、損傷を受けやすい場合がある。さらにワイヤライン構成は、信頼性を低下させる傾向のある回転式電気接続を必要とする場合がある。
【０００５】
他の従来の方法であるマッド・パルス遠隔観測は、ドリリング機器を介した泥流の調節に依拠するものである。ドリリング動作時には、泥、すなわち掘削泥水が抗井内を循環する。ドリル・ストリングの端部近くに位置した機構が、開口を開閉することによって泥流を調節する。泥流の調節は、地表にある機械的なセンサによって検出される。
【０００６】
マッド・パルス遠隔観測は、計器パッケージと受信機との間をドリル・ストリングを介して有線接続する必要がないため、ワイヤライン構成に関連付けられた問題の多くが回避される。ただし、マッド・パルス遠隔観測では、データ速度が１〜２ｂｐｓしか出ない。さらにこの技法は部品を機械的に移動させる必要があり、これによって信頼性が低下する。
【０００７】
他の従来の方法では、無線、あるいはダウンホール計器パッケージからのデータが電磁信号またはパルスとして伝送される電磁（ＥＭ）構成を使用する。計器パッケージには、絶縁ギャップの両端間に電圧を印加する電源が含まれており、これによって電磁界を生成する。ギャップの幅は典型的には数１０００分の１インチであり、たとえばドリル・ストリングの２つのセクション間にある接続の踏面を絶縁被覆することによって形成することができる。ＥＭパルスは、ドリリング機器を取り囲んでいる抵抗性の土壌を介して伝送され、地表にある受信機によって受信される。
【０００８】
マッド・パルス遠隔観測のようなＥＭ構成は、計器パッケージと受信機との間をドリル・ストリングを介して有線接続する必要がないため、ワイヤライン構成に関連付けられた問題の多くが回避される。ただし、ＥＭ構成に関連付けられたいくつかの欠点がある。
【０００９】
たとえば、ＥＭパルスの生成に電力を供給するのに使用されるバッテリ電源が、ドリリング機器の地表部分ではなく地下部分に配置されるため、充電または交換が容易ではない。さらに、電源用バッテリがあるために、計器パッケージのサイズや重量が増加する。
【００１０】
さらに、土壌を介してＥＭパルスを伝送する場合、通常はより多くの電力が必要であり、電線を介した伝送よりもデータ速度がかなり遅くなる。ＥＭ構成を使用しているシステムでは、典型的には約５〜２０ｂｐｓのデータ速度しか達成されない。これは実際的に考えると、具体的には電源に加えられるサイズおよび重量の制限という点から見て不利である。
【００１１】
したがって、地下作業からのデータを伝送するための改良型システムが必要である。
【００１２】
（発明の概要）
本発明の全般的な目的は、従来のワイヤラインおよび電磁システムの欠点を克服する、地下電子デバイスと通信するためのデータ通信システムを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、ドリリング機器とからまったり切れたりする場合や、ドリリング機器の動作に関連付けられた機械的な力により損傷を受けやすい場合のある有線接続を必要としない、データ通信システムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、充電または交換のために容易にアクセスできるように、また地下電子デバイスのサイズおよび重量を増やすことのないように、通信電源がドリリング機器の地下部分ではなく地表部分に配置されている、データ通信システムを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、従来のワイヤライン・システムのデータ速度に匹敵するか、またはそれを超えるデータ速度を有する、データ通信システムを提供することである。
【００１６】
上記の目的に従い、本発明の一態様では、ドリリング装置上に配置された地下計器パッケージと通信するためのデータ通信システムを提供する。ドリリング装置は、第１と第２の導電セクション間に、絶縁セクションを有する。データ通信システムには、ドリリング装置の第１の導電セクションとグラウンドとに接続された電源が含まれる。電源を流れる電流を測定するために、受信機が接続される。ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間に、電気経路が設けられる。スイッチが、計器パッケージによって生成されるデータに応答して電気経路を開閉する。
【００１７】
本発明の他の態様では、地下電子デバイスと通信するためのデータ通信システムを提供する。このデータ通信システムには、第１の導電セクション、地下に配置され電子デバイスと電気的に接続された第２の導電セクション、第１と第２の導電セクション間に配置されこれらを連結する絶縁セクションが含まれる。電源は第１の導電セクションとグラウンドとに接続される。受信機が、電源を介して流れる電流を測定する。スイッチが、第１と第２の導電セクション間にある電気経路内に設けられる。このスイッチが、電子デバイスによって生成されるデータに応答して電気経路を開閉する。
【００１８】
本発明の他の態様では、ドリリング装置上に配置された地下計器パッケージと通信するためのデータ通信方法を提供する。ドリリング装置は、第１と第２の導電セクション間に絶縁セクションを有する。本データ通信方法は、電源をドリリング装置の第１の導電セクションとグラウンドとに接続するステップを含む。電源を流れる電流は、受信機を使用して測定される。ドリリング装置の第１と第２の導電セクション間の電気経路内に設けられたスイッチは、計器パッケージによって生成されるデータに応答して開閉する。
【００１９】
本発明の態様は、以下の１つまたは複数の特徴を含む。
【００２０】
スイッチには、電界効果トランジスタなどのトランジスタが含まれる。スイッチは、電気経路内の電流に周波数偏移変調を加えることができる。
【００２１】
計器パッケージの内部電源は、スイッチによって電気経路が開いている間にドリリング装置の第１と第２の導電セクション間で形成される電圧によって充電することができる。
【００２２】
電気経路は、ドリリング装置の絶縁セクションを通るワイヤを含むことができる。ワイヤの端部は、ドリリング装置の第１の導電セクションに接続することができる。
【００２３】
スイッチを計器パッケージの導電ハウジングに電気的に接続し、この計器パッケージのハウジングをドリリング装置の第２の導電セクションに電気的に接続することができる。
【００２４】
電源は、地下計器パッケージより上のグラウンドに挿入されたワイヤを介して、グラウンドに接続することができる。計器パッケージは、ドリリング装置の状況を検出するためのセンサを含むことができる。
【００２５】
データ通信システムは、電源によって生成される電流の上に、計器パッケージを制御するための制御信号を重ねるための制御送信機を含むこともできる。計器パッケージ内の制御受信機は、制御信号を受け取り、制御信号に応答して制御データを生成することができる。制御送信機は、周波数偏移変調を使用することができる。
【００２６】
計器パッケージは、電源のスイッチ・オフに応答して、内部電源の低消費電力モードを起動させることができる。計器パッケージは、制御データに応答して、内部電源の低消費電力モードを起動させることができる。
【００２７】
（詳細な説明）
本発明に従った図１に示されるように、ドリリング・リグ１０５は、ダウンホール抗井内に配置されたドリル・ストリング１１０を使用して地下ドリリングを実行する。ドリル・ストリング１１０には一連のドリル・パイプ１１５が含まれ、その終端にドリル・ビット・アセンブリ１２０を有する。ドリル・ストリング１１０には、ドリル・ビット１２０端の最も近くに計器パッケージ１２５が含まれる。
【００２８】
計器パッケージ１２５は、ドリル・ビット１２０の位置および向きを検出するためのセンサなどの様々な電子デバイスを含むことができる。センサは、たとえばドリル・ビット・アセンブリの温度など、ドリリング機器の状況および状態を検出することもできる。地質試験機器や油井監視機器などの他の種類の電子デバイスが、計器パッケージ内に設けられる場合もある。本発明は、計器パッケージ１２５が地下にある間の、計器パッケージ内にある電子デバイスとのデータ通信を提供するものである。
【００２９】
本発明が、図１に示された水平ドリリングの応用例に加えて、垂直ドリリングなどの他の応用例でも使用することができるのはもちろんのことである。さらに、本発明は、油井またはガス井などの産出井監視機器との通信にも使用することができる。
【００３０】
ドリル・ストリング１１０は、本発明について説明する目的で、３つのセクションに分けることができる。計器パッケージ１２５は、ドリル・ストリング１１０の導電下部セクション１３０に取り付けられる。下部セクション１３０は、絶縁セクション１４０によってドリル・ストリング１１０の上部導電セクション１３５から分離される。
【００３１】
地表電源１４５は、ドリル・ストリング１１０の上部導電セクション１３５とグラウンド１５０とに接続される。電源１４５とドリル・ストリング１１０との間は、ワイヤ１５５を介して接続することができる。地下計器パッケージ１２５のほぼ真上の地点でグラウンド１５０に挿入されたワイヤ１６０を介してグラウンド接続を実行するかは、またはワイヤ１６０をグラウンド１５０に挿入されたプローブ１６５に接続することができる。以下で詳細に論じるように、プローブ１６５の挿入地点は受信される信号レベルに影響を与えるが、効果的な位置をシステムの設置時に容易に決定することができる。
【００３２】
ドリル・ストリング１１０の導電セクション１３５および１３０、ならびに地表電源１４５に接続されたワイヤ１５５および１６０が、通信回路の一部を形成する。通信回路の残り部分は、電流が土壌を流れる２つの回路部分で形成される。これらのうち第１の回路部分が、ドリル・ストリング１１０の上部導電セクション１３５と下部導電セクション１３０との間のギャップである。電流は、絶縁セクション１４０を取り囲む土壌を通って、これらセクションの間を流れる。他方の回路部分は、ドリル・ストリング１１０の下部導電セクション１３０と電源グラウンド・プローブ１６５との間のギャップである。同様に電流は、ドリル・ストリング１１０の下部セクション１３０の上にある土壌を通って、これらの地点間を流れる。
【００３３】
地表電源１４５は、通信回路内の電流を生成する。電源１４５は計器パッケージ１２５内ではなく地表に配置されているため、特定の設置要件に応じて調整や異なる電源との交換が容易に実行できる。たとえば、土壌の抵抗性がかなり高い場合や、計器パッケージが地中深くに配置される場合などの設置では、電源レベルが上がる可能性がある。
【００３４】
以下で詳細に論じるように、計器パッケージ１２５は、通信回路を流れる電流を変調することによって地表にデータを伝送する。受信機１７０は、たとえば抵抗器１７２の両端間の電圧を測定することによって、電流を測定し復調してデータを再生する。同様に、送信機１７５を使用して、電源１４５によって生成された電流に制御信号を重ねることによって、制御データを計器パッケージ１２５に送信することができる。
【００３５】
図２は、上部導電セクション１３５、絶縁セクション１４０、下部導電セクション１３０、計器パッケージ１２５、およびドリル・ビット・アセンブリ１２０を含む、ドリル・ストリング１１０の一部を示す図である。計器パッケージ１２５は、下部導電セクション１３０内に設置された加圧金属ハウジング２０５に格納されている。
【００３６】
ワイヤ２１０は、計器パッケージ１２５から絶縁セクション１４０を介して延び、上部導電セクション１３５に接続している。ワイヤ２１０は、絶縁セクション１４０を取り囲む土壌を介して電流経路を短絡させるのに使用することができる。言い換えれば、比較的抵抗の低いワイヤ２１０を通って、または比較的抵抗の高い絶縁セクション１４０を取り囲む土壌を通って流れるように、電流を送ることができる。所与の地表電源電圧では、土壌を通過する高抵抗経路を介して電流を送ることによって電流レベルが低くなり、低抵抗ワイヤ２１０を介して電流を送ることによって電流レベルが高くなる。したがって、計器パッケージ１２５は、電流をこれらの電流経路間で交番させることにより、変調することができる。
【００３７】
図３に示されるように、ワイヤ２１０は計器パッケージ１２５の制御サブシステム３００に接続される。制御サブシステム３００は、計器パッケージ１２５の金属ハウジング２０５にも接続されている。したがって制御サブシステム３００は、ワイヤ２１０と、下部導電セクション１３０に接触した金属ハウジング２０５とを接続することが可能であり、それによって、上部導電セクション１３５と下部導電セクション１３０との間に電気的な接続が作成される。あるいは、制御サブシステム３００が下部導電セクション１３５に直接接続されてもよい。
【００３８】
計器パッケージ１２５には、ドリル・ビット・アセンブリ１２０の向きおよび計器状況などのパラメータであるが、これらに限定されていないパラメータを測定するためのセンサ３０５が含まれる。センサ３０５の出力はデータ収集サブシステム３１０によって受け取られ、これがセンサ３０５の出力をデジタル・データに変換し、このデータを伝送用にフォーマット化する。伝送されるデータは制御サブシステム３００に渡され、これが符号化データに応答して電流を変調する。計器パッケージ１２５には、センサ３０５、制御サブシステム３００、およびデータ収集サブシステム３１０に電力を供給するための、内部電源３１５も含まれる。
【００３９】
図４は、制御サブシステム３００の構成要素を示す図である。スイッチ４００は、前述のようにドリル・ストリング１１０を介した電流経路を制御する。スイッチ４００が閉じると、電流は上部導電セクション１３５と下部導電セクション１３０とを接続しているワイヤ２１０を流れる。スイッチ４００が開くと、電流は、絶縁セクション１３０を取り囲む土壌を介して迂回することによって、上部セクション１３５と下部セクション１３０との間を流れる。スイッチ４００は、たとえば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタによって実施することができる。あるいは、他のスイッチング機構を使用することもできる。
【００４０】
スイッチ４００は、データ収集サブシステム３１０からセンサ・データを受け取る、マイクロプロセッサ４０５によって制御される。マイクロプロセッサ４０５は、変調技法に従って受け取ったデータに基づいて、スイッチ４００を制御する。周波数偏移変調（ＦＳＫ）などの、いくつかの異なる変調技法を使用することができる。
【００４１】
たとえばマイクロプロセッサ４０５は、ＦＳＫを使用して、論理ゼロを表すために２４００Ｈｚの周波数を使用し、論理１を表すために４０００Ｈｚの周波数を使用して、スイッチ４００を開閉することができる。この変調技法を使用すると、約１２００ｂｐｓのデータ速度を達成することができるが、これは典型的な無線ＥＭシステムのおよそ１００倍の速さである。
【００４２】
前述のように、通信回路を流れる電流に、制御信号を重ねることができる。制御信号は制御受信機４１０によって検出され、これが制御信号をマイクロプロセッサ４０５に出力する。
【００４３】
制御データを使用すると、センサ３０５が不要な期間中は、内部電源３１５のスイッチをオフにするように電力制御４１５に指示することができる。あるいは、電力制御４１５が、マイクロプロセッサ４０５などの計器パッケージ１２５の主要な構成要素だけに電力を供給するような、低消費電力モードを起動することができる。電力制御４１５は、地表電源１４５がオフにされるのに応答して、内部電源３１５を自動的にオフにするように構成することもできる。さらに内部電源３１５は、オフになるかまたは低消費電力モードになっている間、絶縁セクション１４０の両端間に形成される電圧を使用して、細流充電することができる。したがって、内部電源３１５の寿命が延長され、そのサイズおよび重量も少なくすることができる。
【００４４】
前述のように、計器パッケージ１２５は、絶縁セクション１４０を取り囲む土壌を介した高抵抗電流経路と、上部導電セクション１３５と下部導電セクション１３０とを接続する低抵抗ワイヤ２１０との間で切り替えることによって、通信回路内の電流を変調する。これら２つの経路を切り替えることで通信回路の全抵抗が変化し、これによって、所与の電源電圧についての電流の強さが変化する。
【００４５】
電流の強さの変化は、変調が受信機によって十分検出されるだけの大きなものでなければならない。したがって、切替え動作の結果として生じる電流の強さの変化を決定するために、絶縁セクションを取り囲む土壌の抵抗を推定する分析が実行された。
【００４６】
この分析では、絶縁セクションは６メートル（２０フィート）長さになると推定された。また、等電位線の軌跡および電流の磁束等高線が、絶縁セクションの中間点に配置された垂直面を中心にして左右対称であることも想定された。等電位線および磁束等高線の正確な解は複雑であるため、より簡単な関数を使用して、同程度の結果を得るためにこれらの関数が概算された。
【００４７】
絶縁セクションの両端間に加えられた全電圧を、中間点の垂直面を横切る電流で割ることにより、絶縁セクションを取り囲む土壌を介した抵抗を推定することができる。この電流は、以下のように推定することができる。
【００４８】
（１）中間点面の対称軸上にある円柱の抵抗を算出する。円柱の半径は０．１ｍ、長さは０．１ｍである。
【数１】
0004413438.tif 000002
【００４９】
２）両端間の電圧Ｖに対して、この円柱を通過する電流を算出する。電圧は、中間点での勾配と円柱体長さとを掛けた積として算出することができる。
【００５０】
均一な電界の場合、勾配は全電圧Ｖを絶縁セクションの長さで割ったものに等しい。ただし、上部および下部の導電セクションが絶縁セクションの各端に薄い電極を形成する結果、絶縁セクションの両端では勾配が大きく、中間点で最小勾配となる。中間点電圧勾配は、ほぼ０．２から０．５の間の値に均一な勾配を掛けたものとなる。したがって、電流密度の計算では、電圧勾配は０．５Ｖを６．０ｍで割ったものと推定され、これは０．０８３Ｖ／ｍに等しい。
【００５１】
電流（Ｉ）および中心線電流密度（Ｊ0）は、以下の式によって得られる。
【数２】
0004413438.tif 000003
【００５２】
（３）中心線電流密度は、半径の増加と共に滑らかに減衰する。全中間面電流は、電流密度が半径１．５ｍまでその中心線での値のままであり（半径がセクション長さの１／３の円柱）、その後、１．５ｍの電界折りたたみ長さにより指数関数的に減衰すると想定して概算される。これらの想定により、電流密度に関する以下の式が得られる。
【数３】
0004413438.tif 000004
【００５３】
（４）全電流を、電流密度と中心線から無限半径まで延在する中間面面積とを掛けた積分として、以下のように算出する。
【数４】
0004413438.tif 000005
【００５４】
（５）全電圧Ｖを全電流Ｉtで割ることにより、以下のように見掛け抵抗を得る。
【数５】
0004413438.tif 000006
【００５５】
（６）図５に示されるように、絶縁セクションが短絡されたときの電流の変動を決定するために、スイッチング回路およびワイヤが０．５オームの抵抗を有し、絶縁セクションの算出見掛け抵抗Ｒと並列であると想定することができる。回路の残り部分、すなわちドリル・ストリングの導電セクション、電源ワイヤ、および下部導電セクションと電源グラウンド接続との間の土壌経路は、抵抗Ｒrを有すると想定することができる。
【００５６】
回路の全抵抗Ｒtは、短絡（スイッチ閉）および非短絡（スイッチ開）状態について、回路の残り部分の抵抗の関数として算出することができる。この計算は、以下の表に示されるように、いくつかの地層比抵抗値について実行された。短絡の全抵抗と非短絡の全抵抗との比を、電流の強さの変化を決定するために使用することができる。
【表１】
0004413438.tif 000007
【００５７】
１．０オームメータよりも大きい地層比抵抗の場合、絶縁セクションが短絡されると、電流の強さは２５％またはそれ以上変化する。地層比抵抗が最低の０．１オームであっても、３％の電流変化をもたらし、これは全電流が１Ａの場合、３０ｍＡの変化に相当する。このような強さの変化は、受信機によって容易に検出できる。
【００５８】
前述の分析に加え、図６に示された試験装置を使用して試験が実行された。土壌を介した電気信号の伝送をシミュレートするために、試験装置には、５００ｐｐｍのＮａＣｌを加えた約２インチ（約５ｃｍ）の水が入った４フィート×８フィート（約１２２ｃｍ×２４４ｃｍ）の水槽６０５が含まれる。ドリル・ストリングは、以下のように構成された１／４インチ×１／４インチ（約６．３ｍｍ×６．３ｍｍ）のステンレス・スチール・ロッドを使用してシミュレートした。上部導電セクションは、５フィート（約１５２ｃｍ）長さのロッド６１０、絶縁セクションは１フィート（約３０ｃｍ）のギャップ６１５、下部導電セクションは別の１フィート（約３０ｃｍ）長さのロッド６２０を使用してシミュレートした。
【００５９】
１００オーム抵抗器６３０の両端に接続された電圧計６２５は受信機を表し、かつ回路を通る電流を測定する。電源６３５を抵抗器６３０と直列に接続し、＃１８マグネット・ワイヤ６６０を使用してロッドの５フィート・セクション６１０に接続した。電源グラウンド接続を表すプローブ６４０を、抵抗器６３０の他方の端に接続した。プローブ６４０を、水槽６０５に３インチ（約７．６ｃｍ）間隔で設けられた一連の測定位置６４５に接触させることで、測定回路が完成した。
【００６０】
ドリル・ストリングの絶縁セクションを短絡するのに使用される電気経路を表すために、５フィート・セクション６１０と１フィート・セクション６２０との間に、絶縁ワイヤ６５０およびスイッチ６５５を接続した。各測定位置６４５でスイッチ６５５を開閉しながら、抵抗器６３０の両端間の電圧を測定した。
【００６１】
以下の表は、５ボルトのＤＣ電源を使用し、スイッチを開けた場合と閉めた場合に、それぞれの測定位置で１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示している。
【表２】
0004413438.tif 000008
【００６２】
以下の表は、ＡＣ電源を４．７８１ＶＡＣ、１００Ｈｚに設定し、１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示す図である。各位置で、（スイッチを開けた場合と閉めた場合の）３セット測定を実行した。
【表３】
0004413438.tif 000009
【００６３】
以下の表は、ＡＣ電源を４．７８９ＶＡＣ、３００Ｈｚに設定し、１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示す。
【表４】
0004413438.tif 000010
【００６４】
以下の表は、ＡＣ電源を４．７９２ＶＡＣ、１ｋＨｚに設定し、１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示す。
【表５】
0004413438.tif 000011
【００６５】
以下の表は、ＡＣ電源を４．７８８ＶＡＣ、３ｋＨｚに設定し、１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示す。
【表６】
0004413438.tif 000012
【００６６】
以下の表は、ＡＣ電源を４．７７９ＶＡＣ、１０ｋＨｚに設定し、１００オーム抵抗器の両端間で測定した電圧を示す。
【表７】
0004413438.tif 000013
【００６７】
データが示すように、電圧差は測定位置によって過度に変化するものではない。したがって、電源グラウンド・プローブ１６５（図１）に対応する測定プローブ６４０を、必ずしも計器パッケージ１２５の真上に配置する必要はない。測定される信号レベルを改善するために、必要に応じてグラウンド接続を位置変更することができる。プローブ１６５の表面積が大きいほど、信号レベルが上がることもわかった。
【００６８】
さらに試験を実行し、ステアリング・ツール（すなわち計器パッケージ）およびステアリング・ツール受信機を試験装置に接続した。スイッチとしてＦＥＴを使用し、ステアリング・ツールによって生成される周波数偏移変調（ＦＳＫ）信号によって制御した。この受信機は、ワイヤライン通信システムに匹敵する性能でデータを首尾良く検出した。
【００６９】
以上、本発明特有の実施形態について詳細に説明してきたが、この説明が単に例示的なものに過ぎないことを理解されよう。当分野の技術者であれば、前述の内容に加え、特許請求の範囲で定義された本発明の精神を逸脱することなく、開示された好ましい実施形態の態様に対応する様々な修正および等価な構造体を実行することが可能であり、特許請求の範囲は、こうした修正および等価な構造体を包含するような最も広義な解釈が与えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従ったデータ通信システムを備えたドリリング装置を示す構成図である。
【図２】  本発明に従ったドリル・ストリングの断面を示す構成図である。
【図３】  本発明に従った計器パッケージの構成図である。
【図４】  本発明に従った制御サブシステムの構成図である。
【図５】  本発明に従った通信回路の回路図である。
【図６】  通信システム試験装置の構成図である。
【図１】
0004413438.tif 000014
【図２】
0004413438.tif 000015
【図３】
0004413438.tif 000016
【図４】
0004413438.tif 000017
【図５】
0004413438.tif 000018
【図６】
0004413438.tif 000019