(57)【要約】本発明の検層ツールは、ドリルビットによって掘削されている掘削孔に搬送されるドリルカラーに取り付けられており、四極信号を発生する送信機と、該信号を受信するための受信機とを有する。送信機は、四極カラーモードの遮断周波数よりも下の周波数で操作される。受信された信号は、主として、地層四極モードからなっており、該モードは、低周波数領域では、地層剪断速度に近い速度を有する。一態様において、送信機は、ドリルカラーの縁に載置された圧電性シリンダーの８つの等しい分節からなっている。遮断周波数の値は、主として、ドリルカラーの厚さに依存する。あるいは、カラーモードと地層モードとの両方を生成するように送信機を操作してもよく、カラーモードを濾波して除去するために処理装置を使用してもよい。
2004523734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) ドリル管に取り付けられて地層内の掘削孔へと運搬され、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラー、及び
(b) 前記カラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、主として地層モードの信号を生成する送信機
を有することを特徴とする音響検層装置。
【請求項２】
前記遮断周波数が、前記ドリルカラーの厚さによって、少なくとも部分的に決定されることを特徴とする請求項１に記載の検層装置。
【請求項３】
前記ドリルカラーが、さらに複数の分節を有することを特徴とする請求項１に記載の検層装置。
【請求項４】
前記カラーモードが四極モードであり、前記送信機が四極送信機であり、前記信号が実質的にcos2θ（ここで、θは方位角である。）で与えられる方位角変数を有する四極信号を有することを特徴とする請求項１に記載の検層装置。
【請求項５】
さらに、ドリルカラーに取り付けられ、前記信号を検出する少なくとも１基の信号検出器を有し、該少なくとも１基の信号検出器が送信機からカラーの軸方向に間隔を空けて配されていることを特徴とする請求項１に記載の検層装置。
【請求項６】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、カラー周りに周方向に配された複数の検出器要素を有することを特徴とする請求項５に記載の検層装置。
【請求項７】
前記送信機が、さらに、複数の送信機要素を有することを特徴とする請求項６に記載の検層装置。
【請求項８】
前記複数の送信機要素が、前記複数の検出器要素と同じであることを特徴とする請求項７に記載の検層装置。
【請求項９】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、複数の軸方向に間隔を空けて配された信号検出器を有することを特徴とする請求項５に記載の検層装置。
【請求項１０】
前記検出器要素が、前記送信機の要素と方位角方向に一列に並んでいることを特徴とする請求項８に記載の検層装置。
【請求項１１】
前記検出器要素が、前記送信機の近接する要素間の接合点と方位角方向に並んでいることを特徴とする請求項７に記載の検層装置。
【請求項１２】
前記四極送信機が、さらに、前記カラー周りに周方向に正反対の位置に配された、２Ｎ対（但し、Ｎは整数）の送信機要素を有することを特徴とする請求項４に記載の検層装置。
【請求項１３】
Ｎが１であることを特徴とする請求項１２に記載の検層装置。
【請求項１４】
前記四極送信機が２基の二極送信機を有することを特徴とする請求項４に記載の検層装置。
【請求項１５】
前記送信機が、さらに、(i) 圧電性材料、(ii) 電歪性材用、及び(iii) 磁歪性材料から選択される材料を含む複数の要素を有することを特徴とする請求項４に記載の検層装置。
【請求項１６】
前記送信機が、さらに、(i) ベンダバー、(ii) 電子機械装置、及び(iii) ポートホールから選択される装置を有することを特徴とする請求項４に記載の検層装置。
【請求項１７】
前記検出器要素が、さらに、(i) 圧電性材料、(ii) 電歪性材用、及び(iii) 磁歪性材料から選択される材料を有することを特徴とする請求項６に記載の検層装置。
【請求項１８】
前記検出器要素が、さらに、(i) ベンダバー、(ii) 電子機械装置、及び(iii) ポートホールから選択される装置を有することを特徴とする請求項６に記載の検層装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１基の信号検出器が、送信機とドリルカラーに取り付けて運搬されるドリルビットとの間に位置していることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、該少なくとも１基の信号検出器より軸方向に離れた位置に、少なくとも１基の追加信号検出器を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項２１】
前記地層が掘削孔中の泥水の圧縮速度よりも大きい剪断速度を有しており、前記信号がさらに第一四極モードと第二四極モードとを有しており、前記送信機が第一四極モードに関連するエアリー位相よりも上の周波数で作動することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
(a) ドリル管に取り付けられて地層内の掘削孔へと運搬され、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラー、
(b) 前記カラーに取り付けられると共に地層モードとカラーモードとからなる信号を生成する送信機、
(c) ドリルカラーに取り付けられると共にカラーの軸方向に前記送信機から間隔を空けて配されており、前記地層モード及び前記カラーモードを含む信号を受信する、前記信号を検出するための少なくとも１基の信号検出器、並びに
(d) 遮断周波数よりも低い周波数を有する受信信号の成分を低域濾波するフィルタを含む処理装置
を有することを特徴とする音響検層装置。
【請求項２３】
前記カラーモードが四極モードであり、前記送信機が四極送信機であることを特徴とする請求項２２に記載の検層装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、カラー周りに周方向に配された複数の検出器要素を有することを特徴とする請求項２２に記載の検層装置。
【請求項２５】
前記送信機が、さらに、複数の送信機要素を有することを特徴とする請求項２４に記載の検層装置。
【請求項２６】
前記四極送信機が、さらに、前記カラー周りに周方向に正反対の位置に配された、少なくとも２Ｎ対（但し、Ｎは整数）の送信機要素を有することを特徴とする請求項２３に記載の検層装置。
【請求項２７】
前記送信機要素が、さらに、(i) 圧電性材料、(ii) 電歪性材用、及び(iii) 磁歪性材料から選択される材料を有することを特徴とする請求項２５に記載の検層装置。
【請求項２８】
前記送信機要素が、さらに、(i) ベンダバー、(ii) 電子機械装置、及び(iii) ポートホールから選択される装置を有することを特徴とする請求項２５に記載の検層装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１基の検出器が、さらに、(i) 圧電性材料、(ii) 電歪性材用、及び(iii) 磁歪性材料から選択される材料を含む複数の検出器要素を有することを特徴とする請求項２２に記載の検層装置。
【請求項３０】
前記地層が掘削孔中の泥水の圧縮速度よりも大きい剪断速度を有しており、前記信号がさらに第一四極モードと第二四極モードとを有しており、前記処理装置が第一四極モードに関連するエアリー位相よりも上の前記信号を高域濾波するフィルタを有すること特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３１】
(a) ドリル管に取り付けられて地層内の掘削孔へと運搬され、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラー、
(b) 前記カラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、実質的にcos2θ（ここで、θは方位角である。）で与えられる方位角変数を有する主として地層モードの信号を生成する四極送信機、
(c) 前記四極送信機からカラーの軸方向に間隔を空けて配されている、前記信号を検出するための少なくとも１基の信号検出器、並びに
(d) 検出された信号を処理し、それから地層の剪断速度を測定する処理装置
を有することを特徴とする剪断波検層装置。
【請求項３２】
(a) ドリル管に取り付けられて地層内の掘削孔へと運搬され、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラー、
(b) 前記カラーに取り付けられると共に地層モードとカラーモードとからなる信号を生成する四極送信機、
(c) 前記四極送信機からカラーの軸方向に間隔を空けて配されている、前記信号を検出するための少なくとも１基の信号検出器、並びに
(d) 前記遮断周波数よりも低い信号成分を低域濾波するフィルタを用いて検出された信号を処理し、それから地層の剪断速度を測定する処理装置
を有することを特徴とする剪断波検層装置。
【請求項３３】
(a) ドリル管に取り付けられて掘削孔へと運搬され、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラー、
(b) 前記カラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、主として地層の剪断速度を示す地層モードの音響信号を生成する四極送信機、
(c) 前記カラーに操作可能に接続され、ドリルカラーの回転によって孔を掘削するのに使用されるドリルビット、
(d) 前記四極送信機とドリルビットとの間に配置され、前記信号を受信する少なくとも１基の検出器、及び
(e) 前記検出信号を処理し、それから重要なパラメータを決定する処理装置
を有することを特徴とする、孔を掘削中に地層の重要なパラメータに関する情報を得る装置。
【請求項３４】
(a) ドリル管に取り付けられ、厚みとカラーモード波に対する関連する遮断周波数を有するドリルカラーを地層内の掘削孔に搬送し
(b) 前記ドリルカラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、重要なパラメータを示す信号を生成する送信機を用い、
(c) 前記ドリルカラーに取り付けられると共に前記信号を検出する少なくとも１基の信号検出器を用い、
(d) 前記信号を処理して、前記重要なパラメータを得る
ことを特徴とする、地層の重要なパラメータに関する情報を得る方法。
【請求項３５】
さらに孔を掘削するために、前記ドリルカラーに接続されたドリルビットを操作することをさらに有する請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
さらに前記ドリルカラーをトリッピングして、トリッピング中に前記段階(b)及び(c)を実行することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記送信機が正反対の位置に配された送信機要素２対を有する四極送信機であって前記信号を発生すると共に、さらに、各対の各要素を起動して、cos2θ（ここで、θは方位角である。）の方位角依存関係を有する信号を生成することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記四極送信機がさらに２基の二極送信機を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、カラー上に周方向に配置された検出器要素を有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、軸方向に間隔を空けて配された複数の信号検出器を有することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記送信機が四極送信機であり、前記少なくとも１基の信号検出器が２つの検出器要素を有し、最初に送信機をある分極で操作し、二回目に第二の分極で操作することをさらに有することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記信号を処理する段階が、前記軸方向に間隔を空けて配された複数の信号検出器を、ビームステアリングのために使用する段階をさらに有することを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記地層が掘削孔中の泥水の圧縮速度よりも大きい剪断速度を有し、前記信号がさらに第一四極モード及び第二四極モードを有し、前記送信機が前記第一四極モードに関連するエアリー位相よりも上の信号を生成することを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項４４】
(a) 地層モードとツールモードとを有する四極信号を生成するために、検層装置に取り付けられた送信機を用い、
(b) ドリルカラー上の前記送信機から軸方向に離れた位置に取り付けられた少なくとも１基の信号検出器を用いて前記信号を検出し、
(d) ドリルカラーにおけるツールモードの遮断周波数よりも低い周波数を有する、検出された信号の成分を低域濾波する処理装置を用いる
ことを特徴とする、地層内の掘削孔中に搬送されたドリル管のドリルカラーに取り付けた音響検層装置を使用する方法。
【請求項４５】
前記送信機が正反対の位置に配された送信機要素２対を有し、前記信号を生成する段階において、前記要素を起動してcos22の方位角変動を有する信号を生成する段階を有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記送信機が２つの二極を有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、カラー上に周方向に配置された検出器要素を有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記少なくとも１基の信号検出器が、さらに、軸方向に間隔をおいて配置された複数の信号検出器を有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記少なくとも１基の送信機が四極送信機を有し、前記少なくとも１基の信号検出器が２つの検出器要素を有し、前記送信機を最初はある分極で操作し、二度目には第二の分極で操作する段階をさらに有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記信号を処理する段階が、さらに、軸方向に間隔を置いて配置された前記複数の検出器をビームステアリングのために使用することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記地層が掘削孔中の泥水の圧縮速度よりも大きい剪断速度を有し、前記信号がさらに第一四極モード及び第二四極モードを有し、前記第一四極モードに関連するエアリー位相よりも上の信号を高域濾波するのに前記処理装置を使用することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項５２】
(a) ドリル管に取り付けられ、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラーを地層内の掘削孔に搬送し、
(b) 前記ドリルカラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、主として地層モードを有する信号を生成する四極送信機を用い、
(c) 前記ドリルカラーに前記四極送信機から軸方向に離して取り付けられると共に前記信号を検出する少なくとも１基の信号検出器を用い、
(d) 検出された信号を処理して、それから地層の剪断速度を決定する
ことを特徴とする、ドリルカラーに取り付けられた剪断波検層装置を用いて地層の重要なパラメータを測定する方法。
【請求項５３】
(a) 地層モードとツールモードとを有する信号を生成するために、カラーに取り付けられた四極送信機を用い、
(c) 前記四極送信機から軸方向に離れた位置に取り付けられた少なくとも１基の信号検出器を用いて前記信号を検出し、
(d) 前記遮断周波数よりも高い信号成分を減衰するフィルタを用いて検出された信号を処理し、それから地層の剪断速度を決定する
ことを特徴とする、ドリルカラーに取り付けられた剪断波検層装置を用いて地層の重要なパラメータを測定する方法。
【請求項５４】
(a) ドリル管に取り付けられ、カラーモード波に対する遮断周波数を有するドリルカラーを地層内の掘削孔に搬送し、
(b) 前記ドリルカラーに取り付けられると共に該遮断周波数よりも低い周波数で、主として地層の剪断速度を示す地層モードを有する音響信号を生成する四極送信機を用い、
(c) 前記ドリルカラーに操作可能に接続された、前記孔を掘削するドリルビットを用い、
(d) 前記送信機と該ドリルビットとの間に配され、前記信号を受信するための少なくとも１基の検出器を用い、
(e) 前記受信した信号を処理して、それから重要なパラメータを決定する処理装置を用いる
ことを特徴とする、孔の掘削中に地層の重要なパラメータに関する情報を得る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略として、掘削孔によって穴が開いた地表面下地層の性質を測定及び処理する方法及び装置に関する。より詳しくは、この発明は、地表面下を伝播する音波が掘削孔に隣接する、または該地下の部分を通過する地層を横切った後に、これらの音波の、地層剪断波速度のような音響的性質を測定及び処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油やガスのような炭化水素を得るには、一般に「抗底組立体」又は「ドリル組立体」と称されるドリル組立体の端部に取り付けられたドリルビットを回転させて井戸孔（掘削孔とも称される）を掘る。このような井戸の掘削路は、関連する油田において過去に掘った掘削孔から得られた油井データと地表面下の地震マップとを利用して、掘削前に注意深く計画される。このような掘削孔を掘るのは非常に経費がかかり、また、井戸を掘ってワイヤライン検層するのに実際に費やされる時間は最小にする必要があるので、掘削孔を掘っている間にできるだけ多くの情報を得るのは非常に重要なことである。掘削孔内の状態に関する情報及び判断材料はワイヤラインツール又は抗底組立体（ＢＨＡ）を用いて得ることができる。ワイヤラインツールは、通常、掘削孔を掘った後に使用され、抗底組立体は、井戸が掘られている最中にドリルストリングの一部として使用される。ＢＨＡ部品から得られる掘削孔内の情報は、とりわけ、掘削孔の掘削方向をモニタ及び調節するのに、また、地層及び炭化水素の存在を検出するのに使用することができる。
【０００３】
地層を通って掘削しつつ検層を行うに際して、地層剪断波速度を測定するのが望ましい。地層の剪断波速度は、その地層から油及びガスを開発及び製造するのに重要な情報を与える。剪断波速度の変化によって、地震剪断波時間の項を深度の項に変換するのが可能になり、地震波振幅変動対検出器のオフセットの判定に使用される。剪断波速度と圧縮波速度との比は地層の構造と密接に関係しており、また、炭化水素の飽和度と関係している。剪断波速度は、貯蔵技術における地層の機械的性質の評価にも使用される。
【０００４】
地層剪断速度の重要さ故に、それを測定する様々な方法が開発されてきた。一極の音響ツールを使用した従来のワイヤライン検層においては、地層剪断波速度が掘削孔内の泥水の音響速度よりも大きければ、掘削孔に沿って屈折される剪断波から剪断速度を測定することができる。掘削孔内の泥水の音響速度よりも速い剪断波速度を有する地層は「高速地層」と称される。しかしながら、掘削孔内の泥水の音響速度よりも剪断速度が小さい地層、即ち「低速地層」にあっては、剪断波は掘削孔壁に沿って屈折することはもはやできず、一極検層装置から剪断速度を直接的に測定することはできない。低速地層、特に深層水貯水池の柔らかい砕屑物における剪断速度を測定する必要があるので、二極の音響検層ツールが開発された。この二極ツールは地層中に屈曲波又はたわみ波の動きを誘起して測定する。十分に低い周波数範囲（１〜３kHz）では、地層が高速であるか低速であるかに関わらず、たわみ波はその地層の剪断速度で伝わる。これによって、二極の音響ツールを用いた地層剪断速度の直接測定が可能になる。二極の音響検層は、今では、世界中で商業的に使用されている成熟した技術になっている。
【０００５】
剪断波速度測定に適した技術としては、四極剪断波を用いた方法がある。四極の音響ツールが地層中に四極の剪断波を誘起して測定する。波の低周波数部分は地層の剪断波速度で伝わり、四極波からの剪断波速度の直接的な測定を可能にする。四極剪断波は理論的に非常によく研究されており、ワイヤライン四極検層ツールも提案された（ウィンボウ（Winbow）ら、1991年米国特許第5,027,331号）が、この技術は、未だ商業的に油井及びガス業界では使用されていない。その理由は、主として、二極剪断波技術が広く受け入れられて成功を収め、低速地層における剪断速度を測定する必要性を満たしていることにある。
【０００６】
近年、掘削装置時間を短縮する必要性、並びに、とりわけジオステアリング及び孔圧決定などのリアルタイム運用の必要性から、掘削中音響検層（Logging-While-Drilling）（ＬＷＤ）技術が開発された。ＬＷＤ音響技術は掘削中に地層の圧縮波速度及び剪断波速度を測定することを目的としている。この技術は、地層の圧縮波速度を測定するのには成功している。低速地層における剪断波速度を測定する必要性が、剪断波測定する技術のさらなる開発を必要としている。ワイヤライン検層における二極剪断波技術が広く支持されており、また、成功も収めているので、当然、この技術はＬＷＤ技術にも拡大し、そして、ＬＷＤ二極音響ツールが作られて商業使用向けに提供されている。
【０００７】
本願明細書において後で議論するように、二極音響技術を適用したＬＷＤは、掘削孔の大部分を占めるＢＨＡを備えたドリルカラーの存在によって生じる重大な欠点を有している。この欠点とは、掘削孔に沿って伝わる地層二極剪断波がカラー中を伝わる二極波によってひどく汚染されることである。ドリルカラーに沿って伝播するツールモードの波があっても、地層の比較的しっかりとした剪断波速度を測定する方法が求められている。地層剪断速度が掘削孔泥水中の圧縮波の伝播速度よりも小さい場合に、この要望は特に強くなる。本発明はこの要望を満たし、さらに、剪断速度が掘削孔泥水の圧縮速度を超える「高速」地層における剪断速度を測定する方法も提供する。
【発明の開示】
【発明の要約】
【０００８】
本発明は、掘削中音響検層環境下において、地層剪断特性を測定する方法及び装置に関する。本発明の好ましい態様においては、受信機が受信する信号がカラーモードで汚染されないように、ドリルカラーを通って伝播する信号の遮断周波数よりも小さい周波数で送信機が運転される。遮断周波数はドリルカラーの厚さによって決定される。本発明の好ましい態様においては、送信機は四極送信機である。カラーにおける四極モードは、地層における四極モードよりも高い遮断周波数を有しており、その結果、この遮断周波数よりも低い周波数領域で四極送信機を操作すると、ツールモードによる汚染が比較的少ない信号を得ることができる。掘削孔泥水の圧縮速度よりも地層の剪断速度が大きい高速地層においては、高次の四極モードを分析して地層の剪断速度を決定しても良い。
【０００９】
本発明のまた別の態様においては、送信機を遮断周波数に関係なく運転し、受信した信号を低域通過フィルタで濾波してツールモードを廃棄する。
【００１０】
好ましい態様においては、送信機は８の方位角方向に分節した要素を有している。受信機は四極受信機であっても二極受信機であってもよい。二極受信機が使用される場合は、四極送信機は異なる分極で２回運転され、受信された２つの信号を処理して受信四極信号が得られる。
【００１１】
受信機は送信機とドリルビットとの間に配置されるのが好ましい。ドリルビットによって生じるノイズは、送信機によって生成される信号の伝播方向の反対の伝播方向を有するものとして受信機で受信される。ドリルビットによって発生したノイズを廃棄するために、受信機はフェーズアレイとして運転してもよい。
【好ましい態様の詳細な記述】
【００１２】
以下の詳細な記述と図面とから、構造及び操作の方法の両方に関して、本発明の特徴であると考えられる新規構成が、発明の目的及び効果と共によりよく理解されるであろう。以下においては、本発明が例によって説明されているが、この例は例示と記述のみを目的としており、本発明の限界を定義することを意図するものではない。
【００１３】
本発明は、井戸を掘っている間に、剪断波地層速度を測定する方法、システム及び装置に関する。以下の記述は本発明の特定の態様又は本発明の特定の使用に関するものであるので、この記述は例示的であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されることを意図していない。
【００１４】
図１Ａは、井戸孔内の状態と位置測定のためのセンサを含む抗底組立体（ＢＨＡ）又は掘削組立体90を有する掘削システム10の略図である。ＢＨＡ90は、掘削孔26に送り込まれる。掘削システム10は、下盤12に立てられた従来のボーリング用やぐら11を有している。下盤12はロータリーテーブル14を支持しており、このロータリーテーブルは電気モータ（図示せず）などの原動機によって所望の回転速度で回転させることができる。ドリルのストリング20は、地表面から掘削孔26に入ってゆくチュービング（掘削管又はコイル管）22を含んでいる。ドリルストリング20の端部の取り付けられているドリルビット50は、掘削孔26を掘り進むために回転させられると、地層を崩壊する。ドリルストリング20はケリー継手21、旋回装置28及びライン29を介して、滑車（図示せず）を通してドローワーク30に接続されている。ドローワーク30は、ビットにかかる重量（ＷＯＢ）を制限するために操作される。ＷＯＢは侵入速度（ＲＯＰ）に影響する重要なパラメータである。コイルチュービングが搬送部材22として使用される場合は、ロータリーテーブル14の代わりにチュービングインジェクタ14aとリール（図示せず）とがＢＨＡを井戸孔に注入するのに使用される。ドローワーク30とチュービングインジェクタ14aとの操作はこの技術分野ではよく知られているので、ここでは詳述しない。
【００１５】
掘削の間に、適切な掘削泥水31を、泥穴（ソース）32から泥ポンプ34によって加圧下にドリルストリング20を通って循環させる。掘削泥水は、泥ポンプ34からデサージャ36及び泥水ライン38を介してドリルストリング20へと送られる。掘削泥水31は、ドリルビット50における開口部を通って掘削孔の底部51に放出される。掘削泥水31は、ドリルストリング20と掘削孔26との間の環状空間27を通って孔の上方へと循環し、帰還ライン35と、戻って来る掘削泥水31bからの掘り屑を除去する掘り屑フルイ85とを介して泥穴32に戻る。ライン38におけるセンサＳ１は泥水流速についての情報を与える。表面トルクセンサＳ２とドリルストリング20に関連するセンサＳ３とは、それぞれ、ドリルストリング20のトルクと回転速度とについての情報を与える。チュービングインジェクション速度はセンサＳ５によって測定され、センサＳ６はドリルストリング20のフック負荷を測定する。
【００１６】
使用例によっては、ドリル管22の回転のみでドリルビット50を回転させることがある。しかしながら、他の多くの使用例においては、孔内モータ55（泥モータ）が掘削組立体90中に配置されてドリルビット50を回転させ、必要であれば、回転力を補うためにドリル管22を回転させて掘削方向を変化させるのが普通である。どちらの場合においても、任意のＢＨＡに対するＲＯＰは、ＷＯＢ又はドリルビット50の背分力及びその回転速度に大きく依存する。
【００１７】
泥モータ55は、軸受け組立体57に配置されている駆動装置を介してドリルビット50に結合されている。掘削泥水31が加圧下に泥モータ55を通過するときに、この泥モータ55はドリルビット50を回転させる。軸受け組立体57は、ドリルビット50の半径方向及び軸方向の力、泥モータ55の下向きのスラスト、及びビットに加えられた重量からの無効（reactive）上方荷重を支持する。軸受け組立体57に結合されている下方安定器58aは、ドリルストリング20の最も低い部分の中心化部材として作用する。
【００１８】
表面制御ユニット又はプロセッサ40は、泥水ライン38に配置されているセンサ43を介して孔内センサ及び装置からの信号、並びにセンサＳ１〜Ｓ６及びシステム内の他のセンサからの信号を受け取り、地上制御ユニット40に与えられている、プログラムされた指示に従ってこのような信号を処理する。地上制御ユニット40は、掘削操作を制御するオペレータが使用しているディスプレイ／モニタ42に所望の掘削パラメータ及び他の情報を表示する。地上制御ユニット40はコンピュータ、データを保存するための記憶装置、データを記録するための記録装置、及び他の周辺機器を有している。地上制御ユニット40はシミュレーションモデルも含んでおり、プログラムされている指示に従ってデータを処理する。制御ユニット40は、不安全又は望ましくないような事態が発生したときにアラーム44を動作させるようになっていると好ましい。
【００１９】
ＢＨＡは地層評価センサ、又はＢＨＡ周囲の地層の固有抵抗、密度及び間隙率を測定する装置を有していてもよい。ガンマ線強度を測定するガンマ線装置、並びに掘削中に測定する機器として使用される、核及び非核装置もＢＨＡ90中に好適に含まれる。一例として、図１ＡはＢＨＡ90における例としての固有抵抗測定装置64を示している。この装置は、ドリルビット50の近傍、又はドリルビット前の地層の固有抵抗を測定して、その信号を出力する。固有抵抗測定装置64は、受信アンテナ68a及び68bとから間隔を開けて配された送信アンテナ66a及び66bを有している。操作においては、送信された電磁波は、固有抵抗測定装置64を取り巻く地層を通って伝播するにつれて、摂動する。受信アンテナ68a及び68bはこの摂動波を検出する。地層の固有抵抗は、検出された信号の層及び振幅から得ることができる。検出された信号は、固有抵抗及び誘電値を測定する孔内コンピュータ70によって処理される。
【００２０】
傾斜計74及びガンマ線装置76は固有抵抗測定装置64に沿って適切に配置され、ドリルビット50近傍のドリルストリング部の傾斜、及び地層のガンマ線強度をそれぞれ測定する。適切な傾斜計及びガンマ線装置であれば、いかなるものも本発明の目的に使用することができる。さらに、加速度計、磁力計又はジャイロ装置のような位置センサをＢＨＡ中に配置して、掘削孔26中におけるドリルストリング方位角、真座標及び方向を測定する。このような装置はこの技術分野において知られているので、ここでは詳述しない。
【００２１】
前記配置において、泥モータ55は、固有抵抗測定装置64の中を走行する１以上の中空の軸を介して、ドリルビット50に動力を送る。この中空の軸によって、掘削泥水は泥モータ55からドリルビット50へと通ってゆく。ドリルストリング20の別の態様においては、泥モータ55は固有抵抗測定装置64の下方か、他の適切な位置で接続される。前記固有抵抗装置、ガンマ線装置及び傾斜計は、モータに接続することのできる共通の筐体内に配置されるのが好ましい。地層の間隙率、透過率及び密度を測定する装置（参照番号78によって集合的に指定）は、泥モータ55の上方に配置されるのが好ましい。このような装置はこの技術分野において公知であるので、詳述しない。
【００２２】
先に記載したように、現在の掘削システム、特に大きく湾曲して水平方向に延びている掘削孔を掘るための掘削システムは、その殆どがドリル組立体を掘削孔内に送り込むためにコイルチューブを使用している。このような適用においては、スラスタ71はドリルストリング90に配置されてドリルビットに必要な力を与える。ドリルストリングの重量を調節することによって加えるのであれ、スラスタによって加えるのであれ、「ビットに加える重量」という用語を、この発明の目的のために、掘削操作中にドリルビットに加えられるビットへの力を意味で用いる。また、コイルチューブが使用される場合は、ロータリーテーブルはチュービングを回転しない。その代わりに、採掘孔モータ55がドリルビット50を回転している間に、適切なインジェクタ14aによって採掘孔中に押し込まれる。
【００２３】
図１Ｂは、ＢＨＡドリルカラー90に取り付けられた掘削ツールシステムがドリルビット50を有する場合の、音響検層の略図である。このシステムは、地層が掘削されている間に音響測定を実施するＢＨＡドリルカラー90に取り付けられている。掘削ツールシステムは、地層95を横切り、掘削孔の壁に沿って伝播し、アレイ状に配置することもできるセンサＡ及びＢによって受信される音響振動106を発するソース105を有する。これらのセンサについては後ほど記載する。注意すべき点は、センサは送信機と受信機との間に配置されるということである。これによって、送信機によって生成された所望の信号がドリルビット50によって生成されたノイズと反対方向に移動するという重要な利点を得る。これによって、位相調節アレイ（phased array）を含む適切な濾波技術を用いて、ドリルビットノイズを大幅に低減することができる。別の態様においては、送信機をセンサとドリルビット50との間に配置してもよい。
【００２４】
二極音響技術をＬＷＤに適用すると、掘削孔の大部分を占めるＢＨＡを有するドリルカラーの存在によって重大な欠点が生じてしまう。その欠点とは、掘削孔に沿って伝わる地層の二極剪断波がカラー中を伝わる二極波によって、ひどく汚染されてしまうということである。このことは、次の理論的分析／数字モデルの結果によって実証されている。
【００２５】
ドリルカラーを有する掘削孔に対する二極波の発生及び伝播の性質について分析する。例えば、シュミット（1988）に記載されているタイプの分析法など公知の分析法を用いて、地層及びカラー二極剪断（たわみ）波に対する速度分散曲線を計算することができる。分散曲線は、周波数に関するウェーブモードの速度変化を示している。この例においては、掘削孔の直径は23.84 cm、カラーの内径と外径とは、それぞれ5.4 cmと18 cmである。カラー内側の筒状部分とカラーと掘削孔との間にある環筒状領域とは、その音響速度及び密度がそれぞれ1,470 m/sと１g/ccとである掘削泥によって満たされている。カラーは鉄鋼（鉄鋼の圧縮速度、剪断速度及び密度は、それぞれ5,860 m/s、3,130 m/s及び7.85 g/ccである。）でできている。地層は、圧縮速度が2,300 m/s、剪断速度が1,000 m/s、及び密度が２g/ccであり、音響的に低速である。この例は説明的な目的のみのものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではないことに注意されたい。
【００２６】
水平方向軸として示される０〜14 kHzの周波数範囲に対して、二極モードに対する計算されたドリルカラー曲線及び地層たわみ波分散曲線が図２に示されている。垂直方向軸に沿って表示されるカラー二極波分散曲線201は、カラー二極波の速度が０〜14 kHzに亘る周波数で変化することを示している。地層二極分散曲線203は、この範囲における低周波数領域を除いて、速度には殆ど変化がないことを示している。地層モードとカラーたわみ波モードとはほぼ全周波数範囲で同時に存在しているが、非常に低い周波数では、カラーたわみ波モードが地層剪断速度で消失しているように見える。カラーモードが消失する周波数より下では、地層たわみモード速度が、地層の不存在下であれば存在するであろうカラーたわみモードの所作を続けるように見え、周波数ゼロに向けて速度もゼロに減少してゆく。この交換現象は、二極波発生状況下におけるカラーと地層との間の強い音響相互作用によって引き起こされる。
【００２７】
ドリルカラーが存在する掘削孔における二極音響波の伝播は、例えば、チェンら（Cheng et al.）（1995）に記載されているように、数有限差分技術によってシミュレートすることができる。モデルパラメータは、上記速度分散計算例で使用されたものと同じである。二極ソース及び受信機のアレイはカラーの縁に配置されている。二極ソースの発生センターの周波数は２kHzである。図３は、水平方向に取った時間に関して示された二極音響波形のシミュレーションである。二極音響波形は、図３における垂直方向軸に沿うソース−受信機距離に対応するオフセットによって表示されている。ソースから1.833 m（参照符号301によって示される）〜2.9 m（参照符号303によって示される）離れた位置における痕跡程度の波形に始まり、各受信機は0.1524 mずつ離して配置されている。二極音響波形は、より速い速度を有すると共に分散しがちな性質であるカラーたわみ波によって支配される。分散性のあるカラーたわみ波の最初の強い衝撃305の後、時間が経つにつれて、地層Ｓ波を示す、本発明で測定しようとするたわみ波よりも強い分散エネルギーが続く。破線353は、地層たわみ波の到着位置と速度とを示している。波線335と並ぶ本発明に係る地層たわみ波は、カラーたわみ波に比べて振幅が小さく、カラーたわみ波との相互作用によってひどく汚染されている。
【００２８】
上記速度分散計算及び波の伝播シミュレーションは、地層波とドリルカラー波との間に強い相互作用があることを実証している。このことの根本的な原因は、２つの波モードが本発明に係る同じ周波数範囲に共存していることである。剪断速度測定のＬＷＤ二極技術にはいくつかの欠点がある。その第一のものは、カラーたわみ波によるひどい汚染の存在下で、良質の地層たわみ波測定を行うのは難しいということである。低周波数モードであるカラー波は、カラーに溝を切ったり吸収性の材料を挿入したりするような減衰技術によって抑えるのが困難である。第二の欠点は、信頼できる測定がなされたとしても、カラーとの相互作用のために、地層たわみ波は地層剪断速度に関する正確な情報を与えることができないことである。図２から理解されるように、カラーモードの高周波数限界はカラーの剪断速度に近づいて行き、カラー二極モードが存在しなくなる周波数205で、カラー二極モードの速度は地層剪断速度207になる。地層二極モードの速度203は、すべての周波数で、地層剪断速度205よりも小さい。カラーが存在しなければ、低周波数で発生させられた場合に、地層二極モードは地層剪断速度に等しい速度で伝播するであろう。地層二極モード又はカラー二極モードのいずれかの分散曲線から地層剪断速度を決定するのは容易ではない。さらに、掘削操作中に、ドリルビットが発生する強い二極モードがあり、これはさらにノイズを発生する。ここまで記載してきたような理由によって、不可能ではないにしても、ＬＷＤ環境下で二極音響技術を用いて地層剪断波速度を測定するのは困難である。
【００２９】
ＬＷＤ剪断波データ取得のためにセンサを配置する方法としては、例えば、図１Ａ及び１Ｂ中のドリルストリングＢＨＡ90中に配置するのが好適である。この方法についてこれから記載する。ある特定の目的で使用される実際のＢＨＡは、本発明のものに加えて背景技術の欄で記載したセンサのいくつか又は全てを有している場合がある。本発明の目的のためには、このようなＢＨＡであれば、１以上の地震源及び受信機（ここでは参照番号88によって集合的に示されている）をＢＨＡ90内の適切な位置に有しているのがよい。
【００３０】
本発明は、ＬＷＤ剪断速度測定のために四極音響技術を取り入れている。図４ａは、四極場の説明図である。この図はcosθ方位角変化によって実質的に特徴づけられる、特徴的な４ローブ型を示している。この例においては、フィールドは粒子の動き、又は圧力に関連している。四極波を使用するもっとも大きな利点は、カラー四極波は遮断周波数と呼ばれるある周波数よりも上にのみ存在することである。この周波数はドリルカラーの厚さ及び掘削孔の大きさによって決まる。したがって、カラーの遮断周波数と掘削孔の大きさとを測定することにより、地層四極剪断波のみが発生される周波数帯を選択することができる。地層四極波の速度を測定することにより、ＬＷＤ環境下における剪断波速度測定の必要性を満たすことができる。これは、ワイヤライン検層における状況とは異なっている。ウィンボウ（Winbow）はワイヤライン装置で四極検層を使用することについては議論しているが、四極波の遮断周波数については全く触れていない。ウィンボウはワイヤライン検層装置を教示しているのである。この技術分野に精通している者には知られていることであるが、ワイヤライン装置におけるツールの直径は掘削孔の直径よりもはるかに小さい。チェンもまた、剪断波検層に四極ソースを使用することを議論し、掘削孔内のストーンリー（Stoneley）波についての理論分散曲線と実験結果との比較を示している。チェンによるモデルのツールの直径は掘削孔の直径の半分よりも小さい。当業者にはよく知られていることであるが、ストーンリー波は、掘削孔の壁を伝って伝播するインターフェース波である。それに対して、本発明では、ドリルカラーの直径が掘削孔の直径とほぼ同じであるＭＷＤ装置について扱う。このような場合においては、カラーモードが重要になる。このカラーモードはチェンで議論されているストーンリー波とは異なっている。
【００３１】
四極波測定から地層剪断速度を決定することの実行可能性は、理論的／数値的分析例を用いて実証されている。図４ｂは地層401の速度分布曲線、並びにカラー四極波403及び405を示している。１秒あたりのメートル（m/s）で示された速度が垂直方向の軸に沿って表示され、キロヘルツ（kHz）で示された周波数が水平方向の軸に沿って表示される。厚さ35 mmの例示的なカラーについての速度分散曲線が曲線405として示されている。地層四極波はわずかに分散性があり、低い遮断周波数（この場合、約２kHz）で地層剪断波速度に達する。このことは、地層剪断波速度は地層四極波の速度の周波数限界として測定されることを意味している。カラー四極波速度曲線は、ドリルカラーの高剪断剛性（スチール）及び厚い壁（63 mm）のために、非常に高い値を示す。しかしながら、63 mm厚のカラー405のカラー波は、10 kHzよりも上の周波数範囲にのみ存在する。しかるに、地層の剪断速度測定に必要な周波数は約２kHzであり、前記カラー波の周波数範囲（＞10kHz）から十分に離れている。このように周波数が離れていることによって、予め定められた周波数帯（この場合、０〜10 kHz）のみで四極波を発生する方法及び装置を設計するのが可能になる。この周波数帯においては、地層四極波のみが発生される。この波励起／発生機構は、有限差分シミュレーションを用いて示される。
【００３２】
有限差分モデルにおいては、四極ソース及び0.1524 mずつの間隔をおいた受信機のアレイがカラーの縁に配置されている。ソース小波の中心周波数は２kHzになるように選択され、ソース小波のスペクトルの振幅は約５kHzで０へと減衰する。この５kHzは、カラー四極波の遮断周波数である10 kHzよりも低い。図５ａは、四極ソースによる、時間の経過に沿って撮った波動場の３枚のスナップ写真である。各スナップ写真501、503及び505はドリルカラー521内側の泥水、ドリルカラー90、ドリルカラー外側の泥水523及び地層95を示す断面である。四極波の動きに関連する半径方向の粒子速度は影のついている部分507及び509によって示されている。これら図５ａのスナップ写真は、いくつかの時点（それぞれ、501については0.24ミリ秒、503については1.22ミリ秒、及び505については2.21ミリ秒）での波動場強度が観察された位置を示している。掘削孔泥水においては、環形高強度波動場507が見られ、高強度波動場509が地層に見られる。３つのスナップ写真501、503及び505の全部について泥水507及び地層509における高強度波動場の並列によって示されるように、環状泥水部における波の動き及び地層における波の動きは、一致しており、地層剪断速度で伝わる。これは、図４の関係で検討した地層四極波である。ソース周りの初期（スナップ写真501の0.24 ms）以外は、カラー内側のどの位置についても波動強度は殆ど認められない。即ち、カラー四極波は、このカラー厚（2.48インチ）では、この周波数帯において発生されないことを示している。
【００３３】
受信機アレイの時間領域四極波形は図５Ｂに示されており、この図では、時間は水平方向軸に沿って示されている。四極音響波形は、図５Ｂにおける垂直軸に沿ってソース−受信機距離に対応するオフセットによって示されている。受信機は、ソースから1.833m（参照符号531で示されている）〜2.9m（参照符号533で示されている）離れた位置において痕跡程度の波形から始まって、0.1524 mずつ間隔をあけて配されている。図５Ｂは、地層剪断速度でアレイを横切って伝わるただ１つの波、即ち地層四極波を示している。破線535は地層四極波の最初の到着を示している。この時間領域波のシミュレーションの結果は、図４の周波数領域分散の分析結果と一致する。これらの例は、適切な波動発生周波数帯を選択することによってカラー四極波を排除することができることを実証している。
【００３４】
波動発生周波数帯は、ドリルカラーの寸法及び掘削孔の寸法に基づいて選択するのがよい。掘削実務においては、掘削孔の大きさは開発・製造の必要性及び／又は掘削される井戸の地質学的環境に合わせて変えられる。これに従ってドリルカラーの大きさも変わる。カラーの寸法と掘削孔の寸法とを変えること、特にカラーの寸法を変えることは、カラー四極波の性質を大きく変えることになる。これも理論的・数値的分析例を用いて実証することができる。35 mmの厚さのドリルカラーの四極分散曲線（破曲線）が図４に示されている。厚みの小さいカラーを用いると、地層四極分散曲線（破線403）も変化する。地層モードの遮断周波数は約３kHzに上げられ、全曲線はカラーが厚い場合（実曲線405）に比べて高い値を示す。この曲線は、低周波数で地層剪断波速度に近づく。他方、カラー四極波速度はカラーが厚い場合（実曲線405）に比べて大幅に低減され、はるかに低い遮断周波数（約６kHz）を示す。図４に示されている一般的な傾向は、カラーの厚さを増して行くと、地層四極波の周波数帯からカラー四極波の周波数帯が遠ざかるということである。カラー四極波の周波数帯が地層四極波の周波数帯に近づくと、以下の波シミュレーション例が実証するように、地層四極波の測定が大きく損なわれる。
【００３５】
例においては、カラー管が比較的薄い（厚さはわずか16 mm、又は0.63インチである。）。ここで、カラー四極波の遮断周波数は、約3.5kHzである。図５Ｂのシミュレーションで使用された他のパラメータは変えないでおく。２kHzの中心発生周波数で、地層波と四極波との両方が発生される。図６Ａは図５Ａに対応し、16 mm厚のカラーの例について波動場のスナップ写真を示している。図６Ａは四極ソースによる波動場強度の、経時的な３枚のスナップ写真を示している。各スナップ写真601、603及び605は、ドリルカラー内側の泥水621、ドリルカラー90、ドリルカラー外側の泥水625、及び地層95を示す断面図である。四極波の動きに関連する半径方向の粒子速度は、影をつけた部分611及び613によって示されている。これら図６ａのスナップ写真は、いくつかの時点（それぞれ、601については0.24ミリ秒、603については1.22ミリ秒、及び605については2.21ミリ秒）での波動場強度が観察された位置を示している。掘削孔泥水625においては、環形高強度波動場611が見られ、高強度波動場が地層613に見られる。３つのスナップ写真601、603及び605の全部について、カラーを有する掘削孔全体における波動場強度はカラー四極波によって支配される。地層四極波は弱く発生され、これはカラー波の相の外側である。
【００３６】
時間領域アレイ波形は図６Ｂに示されている。受信機アレイの時間領域四極波形は、時間が水平方向軸に沿って示されている図６Ｂに示されている。四極音響波形は、図６Ｂの垂直方向軸に沿うソース−受信機間距離に相当するオフセットによって表示される。受信機の位置は、ソースから1.833 m（参照符号631で示される位置）〜2.9 m（参照符号633で示される位置）オフセットされた位置における痕跡程度の波形に始まり、受信機の位置は0.1524 mずつ間隔を空けられている。時間領域波形は、約1,300 m/sの移動開始速度を有するカラー四極波によって支配される。破線635は地層四極波の到着時間を示している。この場合において、強いカラー波の存在下で地層四極波を測定するのは困難である。この例は、ＬＷＤ四極波発生及び測定装置用の周波数帯選択の重要性を実証している。
【００３７】
上記例は、ＬＷＤにおける四極剪断波の利点と、ＬＷＤ四極剪断波測定を行うのを容易にするための要件を示している。その結果として、四極ＬＷＤ剪断波システムが構築される。ＬＷＤ環境における四極剪断波はドリルカラー90に搭載された四極ソースを用いて発生することができる。図７は、ドリルカラーと協働するソース断面の単純化した斜視図である。図７に示されているように、四極ソースはドリルカラー90と等しいサイズの８つの分節を有している。分節の参照符号は701〜708である。これらの分節はソースシリンダーの８つの等しい部分である。このシリンダー部分は、入力電気パルスから応力／圧力波信号を発生することのできる電歪性（若しくは圧電性）又は磁歪性の材料でできている。本発明の別の態様（図示せず）においては、前記部分は電子機械装置を有しており、このような電子機械装置はジル（Gill）に付与された米国特許第5,852,262号に示されている。この米国特許の内容を、本参照によって本願明細書に取り入れる。ジルの教示に含まれているのは、圧力パルスを発生する駆動装置である。適切に設計されたポートホールを使用することによって、二極又は四極パルスが作られる。ベンダバーも使用することができる。ソースシリンダーを４つの等しい部分に分割しても四極ソースを作ることができるが、ソース用に８（又は４のいかなる倍数）の分節を用いることによって各部分の質量を小さくすることができ、それによって、分節はドリルの振動により容易に耐えられるようになる。この明細書におけるソースの記載は例として８ソース部分を用いているが、当業者であれば４つのソースのどの倍数の分節であってもどのようにすれば四極信号を作るために励起可能であるかを理解するであろう。
【００３８】
図７の下方部は、ドリルカラーの軸に垂直な平面にある四極剪断波ソースの断面図である。１つの態様においては、ソース装置の要素は701、702、703、704、705、706、707及び708と名前を付けられた８つの分節である。図７に示されているように、各分節は半径方向外側、又は半径方向内側に拡大したり引き締まったりする。具体的には、分節（701、702）と正反対の位置にある分節（705、706）とが拡張し、同時に分節（703、704）と分節（707、708）が引き締まるように、ソースに電気パルスを印加することができる。そして、４つの応力／圧力波は、ドリルカラーと共にそれを取り囲む掘削孔泥水／地層において発生する。ジルへの特許で教示されているような装置が使用されると、適切なポートホールからの四極信号を生成する駆動装置のみが必要になる。
【００３９】
８つの分節全部が同じ材料で作られており、それに印加される電気パルスが実質的に同じ振幅を有する場合は、ドリルカラーの内側とそれを取り囲む掘削孔／地層における４つの圧力／応力波の相互作用が四極剪断波を生成する。より具体的には、発生した圧力／応力波の周波数帯がドリルカラーにおける四極剪断波の遮断周波数よりも低いように電気パルスが変調されれば、カラーにおける４つの応力波の相互作用が相殺しあう。掘削孔及び地層における圧力／応力波の相互作用は、掘削孔に沿って縦方向に伝播する地層四極剪断波を生成する。ソースパルスの周波数帯変調は本発明の一態様の一部である。
【００４０】
四極剪断波ソースの実際の動作をこれからより詳細に記述する。図８は、分割された環状送信装置の詳細な断面図である。この装置は、カラー90の周りの連続ポケット803中にある弾力性のある隔離部材801に搭載される分割された環を有している。この隔離部材は、ドリルストリングが誘起した音響信号を減少させるのに使用される。センサのサブ組立体は、図示されているように、カバースリーブ807によって油が満たされた状態であってもよいし、油を必要としないポットに入った組立体であってもよい。音響信号を発生して掘削孔及び地層に送り込むために、電子駆動回路809が送信機要素811に結合されている。電子駆動回路809は内側のマンドレル813内に配置されていてもよい。送信機要素811は、環、シリンダー、プレート、ピストン又はソレノイド要素を含むように様々な形態になっている。分節の数は必要に応じて周囲方向及び／又は軸方向に増加していってもよい。
【００４１】
図９は、カラー90の周りの区分化されたポケット903にある個々の弾性隔離部品901に搭載された分節を有する、区分化された分節送信装置の詳細断面図である。送信要素911とカバースリーブ915との間にオイル溜め907があってもよい。送信エレクトロニクス909が内側マンドレル813中にあってもよい。
【００４２】
上記四極ソースによって生成された、地層における四極波は、概念的に図１Ｂに示されたように、ソースから縦方向に掘削孔に沿って間隔を空けた位置で検出してもよい。図１Ｂは音響検層の略図であり、ＢＨＡドリルカラー90上のドリルツールシステムがドリルビット50を有している。このシステムはＢＨＡドリルカラー90に搭載されて、地層が掘削されている間に、音響測定を行う。音響検層のドリルツールシステムは、地層95を横切り、アレイになっていてもよいセンサＡ及びＢによって受信される音響振動106を放出するソース105有していてもよい。図１Ｂに示されるような軸方向に間隔を空けた要素を有するアレイを使用すると、特定の速度範囲で特定方向に伝わる信号を減衰する、公知のフェイズドアレイ濾波技術を用いることを可能にする。本発明の好ましい態様においては、このフェイズドアレイ濾波は、掘削孔によって発生するノイズを減衰するのに使用される。フェイズドアレイ濾波は、減衰する速度範囲を限定することによって、カラーモードを減衰するのにも用いることができる。本発明の別の態様では、複数の軸方向に間隔を空けた送信機要素が使用され、カラーモード信号の発生を低減させるために、フェイズドアレイ濾波が使用される。
【００４３】
本発明の一態様として図１０に示されているように、ドリルカラーの縁に音響検出器を設けることもできる。各検出器は、例えばＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと順に名前を付けてカラー周りに周方向に間隔を空けて配した４つの類似するセンサを有する。図１０は、図７に示されているソース要素に関連するカラー周りのセンサレイアウトの斜視図である。各センサの中心は、同時に拡張・縮小する２つのソース部分の接合点と縦方向に並んでいる。例えば、センサＡはソース部分701と702との接合点と並んでおり、センサＢはソース部分703と704との接合点と並んでいる。以下同様である。４センサ検出器は四極ソースの効果を高め、波動信号の一極成分からの汚染の可能性を除去するように作用する。
【００４４】
四極検出器アレイとしての四極剪断波受信機の実際の動作について、より詳細に記述する。図１１は、カラー90周りの連続ポケット1103にある弾性隔離部品1101に搭載された分節された環を有する、分節環受容センサ器具の詳細断面図を示している。隔離部品はドリルストリングが誘起する信号を低減させるために使用される。センサの副組立体は、図示されているように、カバースリーブ1115を有するオイル溜め1107であってもよいし、オイルを必要としないポットに入った組立体であってもよい。電子信号調整回路1109は、掘削孔及び地層の音響信号を感知する受信機要素1111に連結されている。受信機回路1109は内側マンドレル813の中にあってもよい。受信要素は、環、シリンダー、プレート、及びピストン又はソレノイド要素を含む様々な形態にすることができる。分節の数は、必要に応じて周方向及び／又は軸方向に増やすことができる。受信機要素の材料は圧電材料、電歪性材料及び磁歪性材料から選択することができる。
【００４５】
図１２は、カラー90周りの区分化ポケット1203にある個々の弾性隔離部品1201に搭載された受信機分節1211を有する区分化された分節受信センサ器具の詳細断面図を示している。内側マンドレル813は受信機回路1209を把持しており、受信機回路は受信機要素1211と連結している。受信機要素1211はカバースリーブ1215を有しており、その間にオイル溜め用空間1207がある。
【００４６】
同時係属中の米国特許出願第09/590,906号は、四極モードが、四極送信機の二種の異なる励起と２つの受信機要素によって受信される信号とを、どのように適切に組み合わせることよって得られるかを教示している。この出願の内容をこの参照によって本願明細書に取り入れる。
【００４７】
これは、四極励起が送信機の４つの分節1401a〜1401dによって与えられるという、本発明の別の態様を示している図１３ａにおいて説明されている。あるいは、四極信号は、先に議論した８要素送信機の対になっている近接する分節によっても与えられる。以後の記載において、４要素送信機及び受信機に関連する説明に際しては、当該説明が８要素送信機及び受信機にも及ぶことを意図することと理解されたい。地層を通って伝播した後の信号は、受信機要素1403a及び1403cを有する二極受信機1410によって検出される。引き続いて、図１３ｂに示されているように、四極モードが送信機1400によって励起され、同じ受信機要素1403a及び1403cによって受信される。図１３ａの送信機機動のために受信機要素1403a及び1403bによって受信される信号をＡ及びＣとし、図１３ｂにおいて受信機要素1403a及び1403bによって受信される信号をＡ＊及びＢ＊とし、演算Ｓ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ａ＊＋Ｃ＊）を行うと、信号Ｓは、減衰されたＢＨＡ／ドリルビット信号を含む全ての共通モードを有する四極信号になる。これらの共通モードはツールを通り抜ける本体波、地層を通り抜ける一極信号（Ｐ及びＳ）、並びに掘削孔内のストーンリー波を含む。ツールと掘削孔の壁との間の環状部分がより小さいので、ストーンリー波はワイヤラインツールよりもＭＷＤツールに関して問題が大きい。結果として、ワイヤライン検層に対する場合よりも、共通モードの除去がより重要になる。
【００４８】
図１４は、受信センサ分節の側面を示している。カラー90は、複数の活性要素1251を含む変換器要素1211を有する。図１４における他の要素は図１２におけるものと同じであるので、ここでは検討しない。
【００４９】
例えば、図１０のセンサＡ、Ｂ、Ｃ及びＤから受信した信号は、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）として結びつけることができる。図７に示されているソースの配置及び機動機構に対しては、センサＡ、Ｂ、Ｃ及びＤに到着する発生した四極波は以下のように記載することができる。センサＡ及びＣは、それぞれ、同じ極性で同じ振幅の圧力波を捕らえ、センサＢ及びＤは、振幅は同じだが極性が反対の圧力波を捕らえる。したがって、ＡとＣとからの信号を加えてＢとＤとからの信号を引くと（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）となり、１つのセンサによる単独の信号と比べて４倍強い信号が得られる。さらに、掘削中によく起こることであるが、掘削孔の軸を外れたときに、ＬＷＤ四極ソースは掘削孔に沿って伝播する一極成分も発生する。低周波数では、一極波が管波のように伝播して地層四極剪断波を汚染する。掘削孔の内側では、低周波数管波の動きは各センサが実質的に同じ管波信号を測定する程度に、実質的に均質である。この一極管波は（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）という結合によってキャンセルすることができる。
【００５０】
本発明のまた別の態様は、カラー四極信号の遮断周波数よりも下で、各センサによって記録された信号の低周波数濾波を行うことである。ソースパルスが高い周波数を有すると共に変調されていなければ、また、ドリルノイズの四極成分がカラー四極波の遮断周波数よりも上の周波数部分を有していれば、カラー四極波は励起されてセンサによって記録されてしまう。カラー四極波は遮断周波数よりも上の周波数領域のみに存在するので、遮断周波数の下側でセンサが感知した信号を低域通過濾波することによってカラー四極波を除去することができる。先に記載したように、この遮断周波数は掘削孔の大きさとドリルカラーの大きさとから決定することができる。このように、低域通過フィルタは、センサデータ取得・処理システムの一部として設計及びインストールしておくことができる。
【００５１】
信号の干渉性を高める目的と処理の目的で、前記検出器／受信機のアレイをドリルカラーに沿って縦方向に配置する。近接する２つの検出器の間隔は、通常、0.5〜１フィート（0.1524〜0.3048 m）である。地層剪断波速度は、タン（Tang）に与えられた米国特許第5,441,890号に教示されている、あらゆる標準アレイ加工方法を用いて、受信機アレイを横切る四極剪断波を相互に関連づけることによって、地層剪断速度を測定することができる。
【００５２】
上記検討は、当業者によって一次モードと見なされるであろうものによって地層剪断速度の測定をすることに関してきた。剪断速度が掘削孔泥水中の圧縮速度を超える「高速」地層においては、より高次モードが存在する場合がある。このことは、図１５ａに示されている。横座標は周波数であり、縦座標は速度である。1301aと1301bとは一次四極モードの位相及び群速度の例を示しており、一方、1303aと1303bとは二次モードの位相及び群速度を示している。地層剪断波速度と地層圧縮波速度とは、それぞれ、4,500 m/sと2,500 m/sとである。ドリルカラーの大きさ、掘削孔の大きさ及び他の関連するパラメータは、図５Ｂにおけるのと同じである。波形シミュレーションは５kHzの搬送周波数ソースを使用している。21kHzよりも下の周波数範囲には２つの４極モードが存在する。これらのそれぞれに第一及び第二四極モードと名前を付ける。そして、より高い周波数範囲にはより高次のモードが存在する。例えば、図１５Ａにおいて、第一及び第二のモードは、それぞれ、約３kHzと約８kHzで現れ始める。第一のモードは、よく限定された群速度1301bを最小値として、急角度で減少する位相分散曲線1301aを示している。群速度の最小値の存在によって、エアリー位相と呼ばれる現象が生じる。関連する波形は図１５Ｂに示されている。同図に示されるように、エアリー位相に関連する波動エネルギーが波形を支配し、地層剪断波到着時間1311よりも非常に遅れる。この状況で、不可能ではないにしても、第一モード用の波形データから高速地層剪断波速度を測定するのは困難である。
【００５３】
第二四極波モードの波形を測定することによって、高速地層剪断速度を直接的に測定することができる。図１５Ａに示されているように、遮断周波数よりも上の広い周波数範囲で、第二モードの位相速度曲線は地層剪断速度に非常に近くなる（この場合、2,500 m/s）。第二モードの位相曲線及び群速度曲線の両方が完全に平らであり、分散効果が最小であることを意味している。事実、第二モードに関連するこの高次の周波数範囲で励起される四極波は、図１５Ｂに示されるように、地層剪断速度で伝播する。地層の第二四極モードはカラー四極波の周波数範囲よりも下で効果的に励起されるので、カラー四極モードからの干渉を、やはり、避けるか、最小にすることができる。図１５Ｂに示されているように、カラー四極波に関連する識別可能な波動エネルギーは全くない。図１５Ａ及び１５Ｂに示されている例は、高速地層に関連する第二四極波モードを励起して測定することによって、地層剪断波速度を信頼性高く測定することができる。
【００５４】
上記の例では、ＬＷＤ環境下で地層の剪断特性を測定するための四極モード励起を用いることの原理を説明するために、単体構造のドリルカラーを採用した。実用的な理由で、本発明の検層ツールは、ドリルカラーの別々の分節に送信機と受信機とを有する、複数の分節からなるドリルカラーを有していてもよい。上記原理はそのような分節ドリルカラーにも等しく適用することができ、本発明の範囲内に入ることを意図する。ドリルカラーの各分節について、遮断周波数曲線と分散曲線とが相違している場合があってもよい。このような相違は、検層ツールの操作原理に影響を与えない。
【００５５】
上記例は、さらに、少なくとも２対の適合した「一極」要素（但し、各対内の要素は一斉に動く）によって四極装置の実施を説明している。四極信号を発生又は四極信号を受信する代わりの方法としては、ベンダバーのような二極装置を使用する可能性が考えられる。これは、図１６に説明されている。要素1401〜1403は１つの二極装置、例えば、第一ベンダバーを有し、要素1405〜1407は１つの二極装置、例えば、第二ベンダバーを有している。ベンダバーの動きは半径方向ではない。該動きはベンダバーの中間点にツールの中心を接合する半径方向の線に対して直行する。それにも関わらず、重要な四極信号が図１６に示される配置によって発生又は受信される。このような装置も本願の範囲内に入るものと意図される。
【００５６】
上記記載は本発明のＬＷＤへの応用に関してなされてきた。本発明はトリッピング中の検層（Logging-while-Tripping）でも使用することができる。当業者には知られていることであるが、ドリルビットは必ず摩耗してくるので、ドリルビットを交換する目的でドリルストリングを除去する工程を「トリッピング（引き外し）」と呼ぶ。掘削が行われていないので、トリッピングしながら測定を行うことは、この検層ツールの受信機によって受信される信号がドリルビットから発生したノイズによって汚染されないという、更なるメリットを有する。
【００５７】
前記開示は発明の好ましい態様に関するものであり、当業者には様々な変更が明らかである。添付の請求項の範囲及び精神の範囲内での全ての変形が前記開示に包含されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】図１Ａは、掘削中音響検層（ＬＷＤ）態様において本発明の装置を採用した掘削システムの概略図を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ドリルカラーに取り付けられたＬＷＤツールを示している。
【図２】図２は、地層モード及びドリルカラー二極モードの速度分布曲線を示している。
【図３】図３は、ドリルカラーの存在下における二極音響波形を示している。
【図４Ａ】図４Ａは、四極波の波動場の略説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、地層モード及びドリルカラー四極モードの速度分布曲線を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、掘削孔近くの音響エネルギーの波動場スナップ写真を示しており、図中、四極波の動きに関連したラジカル粒子速度が示されている。
【図５Ｂ】図５Ｂは、様々なオフセットにおける四極波形を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、掘削孔近くの音響エネルギーの波動場スナップ写真を示しており、図中、四極波の動きに関連したラジカル粒子速度が示されている。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａにおけるデータの時間領域表示を示している。
【図７】図７は、ドリルカラーとの接合部におけるソースの断面の単純化斜視図である。
【図８】図８は、ソースの分節環送信器具の詳細な断面図を示している。
【図９】図９は、ソースの区分化分節送信具の詳細な断面図を示している。
【図１０】図１０は、カラー周りのセンサの配置を示す斜視図である。
【図１１】図１１は分節環受信センサ器具の詳細な断面図である。
【図１２】図１２は、区分化分節受信器具の詳細な断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、四極信号を検出する２つの受信機要素を用いた本発明を示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、四極信号を検出する２つの受信機要素を用いた本発明を示している。
【図１４】図１４は、図１２の装置の部分側面図である。
【図１５】図１５は、高速地層における高次四極モードを示している。
【図１６】図１６は、四極モードが一対の二極モードと同等であることを示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004523734.tif 000165
2004523734.tif 000166
2004523734.tif 000167
2004523734.tif 000168
2004523734.tif 000169
2004523734.tif 000170