(57)【要約】ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされた回転しているドリルビットにより、ガスを含有する多相流体を含む地層に、傾斜した坑井又は水平な坑井を掘削する。ガスの一部分が、掘削中に坑井の内部へ放出される。掘削中に、ドリルストリングに取り付けられた一組の音響エミッタ２０８により、坑井の内部から地層の内部へ、音波を放射する。一組の固体の音響カプラ２０２により、受信した反射した音波を、一組の固体の音響カプラ２０２に接触している一組の音響センサ２０６へ伝送する。反射した音波を、音響センサ２０６により受信する。
2020522627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされた回転しているドリルビットにより、ガスを含有する多相流体を含む地層に、傾斜した坑井又は水平な坑井を掘削するステップであって、前記掘削中に前記ガスの一部分が前記坑井の内部へ放出される、傾斜坑井又は水平坑井を掘削するステップを備え；
前記掘削するステップ中に：
前記ドリルストリングに取り付けられた複数の音響エミッタにより、前記坑井の内部から前記地層の内部へ、音波を放射するステップと；
前記ドリルストリングに取り付けられた複数の固体の音響カプラにより、前記地層から、反射した音波を受信するステップであって、前記反射した音波は、少なくとも一部が、前記掘削中に前記坑井の内部へ放出された前記ガスの前記一部分を通って前記地層から前記複数の固体音響カプラへ送られる、反射した音波を受信するステップと；
前記複数の固体の音響カプラにより、受信した前記反射した音波を、前記複数の固体の音響カプラに接触している複数の音響センサへ伝送するステップであって、前記複数の固体の音響カプラにより伝送された前記反射した音波は、前記掘削するステップ中に前記坑井内へ放出された前記ガスの前記一部分を通って伝送された前記反射した音波と比べて減衰が少ない、受信した前記反射した音波を伝送するステップと；
前記複数の音響センサにより、前記複数の固体の音響カプラを通って伝送された前記反射した音波を受信するステップと；
前記複数の固体の音響カプラによって前記複数の音響センサへ伝送された、前記減衰が少ない反射した音波に基づいて、前記地層の岩石特性を特定するステップと；
特定された前記岩石特性に基づいて、前記坑井の掘削方向を調整するステップと；を行う、
方法。
【請求項２】
前記坑井を掘削するステップは、前記坑井をアンダーバランス条件で掘削するステップを備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記坑井の直径は３−３／４インチ（約９．５５ｃｍ）未満である、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドリルストリングはコイルドチュービングを備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の固体の音響カプラは第１の複数の固体の音響カプラであり、
前記方法は、複数の音響伝送器に接触している第２の複数の固体の音響カプラによって、前記複数の音響伝送器により放射された前記音波を前記地層へ伝送するステップを更に備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の複数の固体の音響カプラは、前記第２の複数の固体の音響カプラと比べて異なる剛性を有する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の複数の固体の音響カプラは、前記第２の複数の固体の音響カプラと比べて低い剛性を有する、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の固体の音響カプラにより、前記ドリルストリングを前記坑井内で中心位置に保持するステップを更に備える、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の固体の音響カプラは、前記受信した反射した音波を前記複数の音響センサに伝送するために、前記坑井の内壁に接触している、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記坑井の前記掘削方向は、前記地層の前記特定された岩石特性に基づいてリアルタイムに調整される、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
坑井内に配置するように構成され、コイルドチュービングを備えるドリルストリングと；
前記ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされたドリルビットであって、地層内に前記坑井を形成するように構成されたドリルビットと；
前記坑井内で前記ドリルビットのアップホールに位置決めされたドリルモータであって、前記ドリルビットを前記ドリルストリングとは無関係に回転させるように構成されたドリルモータと；
前記ドリルモータのアップホールにある、前記ドリルストリングに取り付けられた音響サブ組立体と；を備え、前記音響サブ組立体は：
放射された音波を前記坑井の内部から前記地層中へ放射するように構成された複数の音響エミッタと；
前記放射された音波が反射したものである反射した音波を、前記地層から、前記坑井内で、受信するように構成された複数の音響カプラと；
前記坑井内に配置されて前記複数の音響カプラに取り付けられるように構成された複数の音響センサであって、前記複数の音響カプラが、前記地層から受信した前記反射した音波を、前記地層から前記複数の音響センサへ直接伝送するのと比べて少ない信号減衰で、前記複数の音響センサへ伝送するように構成された、複数の音響センサと；を備える、
ボトムホール組立体。
【請求項１２】
前記複数の音響カプラは、前記音響センサと接触すると共に前記坑井の内壁と前記音響サブ組立体の外面とで形成されたアニュラス内に延在する大きさである、
請求項１１に記載のボトムホール組立体。
【請求項１３】
前記複数の音響カプラは、前記坑井の内壁と接触する大きさである、
請求項１１に記載のボトムホール組立体。
【請求項１４】
前記複数の音響カプラのそれぞれは、半径方向に互いに９０度の間隔で離れている、
請求項１１に記載のボトムホール組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１７年５月３１日に出願された米国特許出願第６２／５１２，９０２号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。
【０００２】
本明細書は坑井検層の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
炭化水素生産では、炭化水素含有地層に坑井を掘削する。掘削工程の間に坑井検層が時々実施される。この種の掘削同時検層技術として、ガンマ検層、核磁気共鳴検層、音響検層が挙げられる。坑井検層を行うために、ドリルストリング組立体の内部には検層機器（検層ツール）が組み込まれる。代替として、坑井の完成後に、ワイヤライン又はコイル状搬送チュービングを用いて検層を行うことができる。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書は、ダウンホール検層用途のための音響カプラに関する技術を記載する。
【０００５】
本開示内に記載される主題の例示的な実施は、以下の特徴を有する方法である。ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされた回転しているドリルビットにより、ガスを含有する多相流体を含む地層に、傾斜した坑井又は水平な坑井を掘削する。前記ガスの一部分が、前記掘削中に前記坑井の内部へ放出される。掘削中に、前記ドリルストリングに取り付けられた一組の音響エミッタにより、前記坑井の内部から前記地層の内部へ、音波を放射する。前記ドリルストリングに取り付けられた一組の固体の音響カプラにより、前記地層から、反射した音波を受信する。前記反射した音波は、少なくとも一部が、前記掘削中に前記坑井の内部へ放出された前記ガスの前記一部分を通って前記地層から前記一組の固体音響カプラへ送られる。前記一組の固体の音響カプラにより、受信した前記反射した音波を、前記一組の固体の音響カプラに接触している一組の音響センサへ伝送する。前記固体の音響カプラにより伝送された前記反射した音波は、掘削中に前記坑井内へ放出された前記ガスの前記一部分を通って伝送された前記反射した音波と比べて減衰が少ない。前記固体の音響カプラを通って伝送された前記反射した音波を、音響センサにより受信する。前記固体の音響カプラによって前記音響センサへ伝送された、前記減衰が少ない反射した音波に基づいて、前記地層の岩石特性を特定する。特定された前記岩石特性に基づいて、前記坑井の掘削方向を調整する。
【０００６】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記坑井を掘削するステップは、前記坑井をアンダーバランス条件で掘削するステップを含む。
【０００７】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記坑井の直径は３と３／４インチ（約９．５５ｃｍ）未満である。
【０００８】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記ドリルストリングはコイルドチュービングを含む。
【０００９】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記一組の固体の音響カプラは第１の一組の固体の音響カプラである。前記方法は、一組の音響伝送器に接続していて前記地層へ接触している第２の一組の固体の音響カプラによって、前記一組の音響伝送器により放射された音波を伝送するステップを更に含む。
【００１０】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記第１の一組の固体の音響カプラは、前記第２の一組の固体の音響カプラと比べて異なる剛性を有する。
【００１１】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記第１の一組の固体の音響カプラは、前記第２の一組の固体の音響カプラと比べて低い剛性を有する。
【００１２】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記ドリルストリングは、固体の音響カプラにより、前記坑井内で中心位置に合わせられる。
【００１３】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記固体の音響カプラは、前記坑井の内壁に接触していて、前記受信した反射した音波を前記音響センサに伝送する。
【００１４】
例示的な方法と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な方法の態様は、以下を含む。前記坑井の前記掘削方向は、前記地層の前記特定された岩石特性に基づいてリアルタイムに調整される。
【００１５】
本開示内に記載される主題の例示的な実施は、以下の特徴を有するボトムホール組立体である。ドリルストリングが、坑井内に配置するように構成されている。前記ドリルストリングは、コイルドチュービングを含む。ドリルビットが、前記ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされている。前記ドリルビットは、地層内に前記坑井を形成するように構成されている。ドリルモータが、前記ドリルビットのアップホールに位置決めされている。前記ドリルモータは、前記ドリルビットを前記ドリルストリングとは無関係に回転させるように構成されている。音響サブ組立体が、前記ドリルモータのアップホールにある前記ドリルストリングに取り付けられている。前記音響サブ組立体は、一組の音響エミッタを含む。前記一組の音響エミッタは、放射された音波を前記坑井の内部から前記地層中へ放射するように構成されている。一組の音響カプラが、反射した音波を前記地層から前記坑井内で受信するように構成されている。前記反射した音波は、前記放射された音波が反射したものである。一組の音響センサが、前記坑井内に配置されて前記音響カプラに取り付けられるように構成されている。前記一組の音響カプラが、前記地層から受信した前記反射した音波を、前記地層から前記音響センサへ音波（反射した音波）を直接伝送するのと比べて少ない信号減衰で、前記音響センサへ伝送するように構成されている。
【００１６】
例示的な実施と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な実施の態様は、以下を含む。前記一組の音響カプラは、前記音響センサに接触すると共に前記坑井の内壁と前記音響サブ組立体の外面とで形成されたアニュラス内に延在する大きさである。
【００１７】
例示的な実施と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な実施の態様は、以下を含む。前記一組の音響カプラは、前記坑井の内壁と接触する大きさである。
【００１８】
例示的な実施と組み合わせることができる、又は組み合わせとすることができる、例示的な実施の態様は、以下を含む。前記音響カプラのそれぞれは、半径方向に互いに９０度の間隔で離れている。
【００１９】
本明細書に記載された主題の１つ以上の実装の詳細を、添付図面及び以下の説明において述べる。主題の他の特徴、側面、及び利点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】坑井内に配置された掘削同時検層機器を有する例示の坑井現場の概略図である。
【００２１】
【図２】音響カプラを有する第１の音響掘削同時検層機器の複数の概略図である。
【００２２】
【図３】音響カプラを有する第２の音響掘削同時検層機器の複数の概略図である。
【００２３】
【図４】音響カプラを有する第３の音響掘削同時検層機器の複数の概略図である。
【００２４】
【図５】本開示の態様と共に用いることができる例示の方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
各図における同様の符号及び名称は同様の要素を示す。
【００２６】
炭化水素の掘削及び生産においては、音響検層を実施することが多い。音響検層は、坑井に関する重要な情報をもたらし、この情報には、坑井掘削断面の気孔率、ガス飽和率、地質層における地層境界、坑井若しくは仕上げセメントの破砕、又は、他の多くの情報が含まれる。このような情報を掘削作業中（掘削同時検層すなわちＬＷＤ）に入手すれば、その情報をリアルタイムに用いて掘削作業を調整することができる。このような調整には、掘進率、掘削方向、泥水比重の変更、他多数が含まれる。
【００２７】
音響検層は、音響検層機器に内蔵された音響エミッタから、ソニック波又は超音波のいずれかの音波を放射することを含む。反射された音波は地層から戻り、同じ音響検層機器に搭載された音響センサにより受信される。反射された音波を分析して、坑井の特性、地層の特性、又はその両方を特定することができる。
【００２８】
坑井のアニュラスが多相又はガス状の坑井流体で満たされた場合（例えば、坑井がアンバランス条件にある場合）、音波は、音響検層機器から地層への伝播及びその逆の伝播が困難になる。音波は、固体や液体を通って伝播するようには気体を通って容易に伝播しない。ガス含有地層にアンダーバランス条件で坑井を掘削すると、このような現象をともなう問題に遭遇する可能性がある。「アンダーバランス条件で坑井を掘削する」とは、掘削作業中に坑井が生産状態にあることを意味する。つまり、貯留層から坑井内に流体が流入している。言い換えれば、掘削流体の重量は、坑井内の圧力が坑井外の圧力よりも低くなるような重量である。地層中への掘削流体の流入により生ずる可能性のある地層の損傷を防ぐために、作業はアンダーバランス条件で実施されることが多い。場合によっては、低圧ガス層をアンダーバランス条件で掘削することがある。場合によっては、洋上生産設備（トップサイド設備）にフローバックシステムを設けて貯留層流体を処理し、掘削流体を再利用する。場合によっては、フローバックシステムが坑井からの流量を制限し、これにより坑井内の圧力に下限が設定されてしまう。こうした状況での高いガス留分は、音響信号を減衰させかねない。このような減衰は、データ欠落やノイズの多いデータを生じ得る。データ欠落又はノイズの多いデータは、例えば傾斜掘削システムのようにデータの継続供給に頼るシステムに大きな影響を与えかねない。
【００２９】
本明細書は、音響ＬＷＤ機器の音響センサ及び音響エミッタについて述べる。音響センサ及び音響エミッタのどちらか一方又は両方の能力は、１つの音響材、例えば音響合成材料、によって増強されて、センサを岩石層とより良好に音響結合させる。この追加された材料は、音響エミッタ及び音響センサの一方又はその両方と岩石層との間の距離を効果的に減らすことで、岩石層との音響結合を改善する。この減らした距離は、アニュラス内の多相流体又はガス状流体による悪影響を少なくとも部分的に緩和する。こうした機器を、例えば直径３−３／４インチ（約９．５５ｃｍ）以下の小径坑井で用いることができる。小径坑井は、音響カプラを掛け渡す必要距離が減るので、音響カプラの効果を改善することができる。
【００３０】
音響カプラを、コイルドチュービング（リールに巻き取られた状態の管）の形状の音響検層機器の内部に付加することもできる。このような実施には、掘削システムを搬送し、モータタービン及び検層機器の一方又はその両方を有するドリリングボトムホール組立体（ボトムホールアセンブリ）を作動させる、連続したチュービングコイルがある。従来のロータリ掘削との主な違いの１つは、コイルドチュービング掘削では、コイルが（ドリルストリングと異なり）回転することはないので、検層機器が回転せず、むしろ、検層機器が著しく回転することなく坑井内にスライドすることである。回転しないことにより、本発明の構成上の目的を利用して、音響機器と岩石層との結合を促進する。本明細書に記載された機器により、ガス濃度が高いアンダーバランス条件下で、コイルドチュービングによる掘削中に、音響検層を実施できる。コイルドチュービングの実施では、掘削同時検層機器は回転せず、アニュラスの寸法は小さい（例えば、約数ミリメートル）。また、コイルドチュービング掘削では、ジオステアリングの問題に対処するために音響カプラを実装することができる。このような例において、音響カプラは、固体であるため、音響ＬＷＤ機器の減衰を低下させることができる。一般に、音響波は、気体媒体を通る場合と比べ、固体媒体を通る方が、より容易に、且つ少ない減衰で伝わる。固体カプラは音声の減衰が少ないことから、減衰の低下が信号雑音比を増大させ、これにより、コイルドチュービング掘削システムはドリルビット付近の岩の特性をより迅速且つ正確に特定できるようになり、その結果、ジオステアリング及び照準に用いることができる、より正確な情報を得られるようになる。信号雑音比が大きいと、掘削オペレータ又は監督者がしなければならない当て推量を減らすことができる。このような当て推量をなくすことで、地層内の地点Ａから地点Ｂへ到達するためのジオステアリング調整が容易になる。場合によっては、特定の気孔率とガス飽和率とにより特徴付けられて、特定範囲の音響速度を持つ、特定の炭化水素含有スイートスポット（高生産な場所）地層内を、ドリルビットが移動する。この特性に変化がみられると、それはドリルビットが対象貯留層から外れて移動していることを意味する可能性がある。このような場合、ドリルビットの軌道を再調整する必要がある。
【００３１】
図１は、坑井掘削システム１００の実施の例の概略を示す。坑井掘削システム１００は、ドリルストリング１０８を支持する掘削やぐら１１８を含む。ドリルストリング１０８は、多相流体１１２で満たされた坑井１０６内に延在する。ドリルビット１１０は、ドリルストリング１０８のダウンホール端部に位置決めされている。ドリルビット１１０は、地層１０４の各部を、カッティングス（堀くず）と呼ばれる小片に粉砕することによって、坑井１０６を形成する。カッティングスは、掘削流体と共に坑井１０６から搬出できる。坑井掘削システム１００は、坑井１０６内のドリルストリング１０８に取り付けられたＬＷＤサブ組立体１０２も含む。加えて、掘削システム１００はドリルモータ１０９を含むこともでき、ドリルモータ１０９はドリルビットの直アップホールのドリルストリングに結合されている。ドリルモータ１０９は、ダウンホール電気モータ、油圧マッドモータ、空圧モータ、又は他の任意のダウンホールモータを含むことができる。実施によっては、ドリルストリングはコイルドチュービングを含むことができる。実施によっては、ドリルストリングの大部分は掘削作業中に回転しない。このような場合、ドリルモータ１０９がドリルビット１１０を回転させることで掘削を続けられるようになっている。
【００３２】
地層１０４内でＬＷＤサブ組立体１０２内部の音響エミッタ又は音響センサによって発生したオシレーション運動は、音波（音響波とも呼ばれる）を発生する。波動理論からして、音響信号が坑井１０６及び地層１０４をどのように伝播するかが予測される。地層１０４の弾性特性、つまり体積又は形状の変形に対して地層１０４に抵抗を生じさせる物質の特性、が波動伝播を可能にするのである。音響波は、ＬＷＤサブ組立体１０２から或る距離だけ離れた地層１０４を伝わる。地層１０４内の粒子は、波動と共に移動することはなく、その平均中心位置の周りで振動するにすぎない。音響波は、波動伝播方向に対する粒子変位方向に従って分類される。圧縮波は波動伝播方向と平行な粒子変位を示し、剪断波は伝播方向に対して垂直な粒子変位を示す。これら音響波の速度は地層１０４及び坑井１０６の特性についての情報を提供でき、この情報は、例えば、岩質（鉱物特性）、セメンテーション、粘土含有量、組織、気孔率、空隙流体の組成と飽和度、岩圧及び空隙流体圧（応力）、温度、他の多くの特性を含む。
【００３３】
音響波は、固体又は液体よりも気体を通って伝播する方が遥かに困難である。つまり、音響波は、気体を伝播する時に、より大きな減衰を受ける。場合によっては、例えば、坑井１０６がアンダーバランス条件にある（つまり、抗井１０６の流体生産を妨げるのに十分な泥水重量がない）場合には、坑井１０６内のガス含有量が高い可能性がある。このような場合、音響信号の減衰増加による音響ＬＷＤデータの歪みが生ずる可能性がある。音響ＬＷＤデータをジオステアリングに用いる場合、このような減衰が原因となって、不正確なデータによる不適切な方向変換を起こしてしまう可能性がある。例えば、アンダーバランス条件でコイルドチュービングによるジオステアリング掘削を行うことにより、坑井アニュラス内で、音響信号を減衰させるのに十分に高いガス留分が生じる。
【００３４】
坑井１０６内のガス状流体によって生じた過剰な減衰を改善するために、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に示す第１の増強された音響サブ組立体２００ａをＬＷＤ機器１０２として用いることができる。図２（Ａ）は音響サブ組立体２００ａの概略の側面図を示し、図２（Ｂ）は坑井音響サブ組立体２００ａの概略の側断面図を示す。図２（Ｃ）は第１の線２１０を横断する音響サブ組立体２００ａの概略の上側断面図を示し、図２（Ｄ）は第２の線２１２を横断する坑井音響サブ組立体２００ａの概略の下側断面図を示す。
【００３５】
坑井音響サブ組立体２００ａは、ＬＷＤ機器１０２と同様にドリルストリング１０８に結合している。坑井音響サブ組立体２００ａは、坑井１０６内部に位置決めできる実質的に円筒形の断面を有するチュービングサブ組立体又は細長い円筒部材２０４を含む。坑井音響サブ組立体２００ａは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響エミッタ２０８を更に含む。複数の音響エミッタ２０８が集合して音響エミッタサブ組立体２０３ａを形成する。複数の音響エミッタ２０８の各々は、坑井１０６内から地層１０４中へ音波（音響波）を放射することができる。実施によっては、各音響エミッタ２０８は、複数のエミッタの配列を含むことができる。坑井音響サブ組立体２００ａは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響センサ２０６を更に含む。音響センサ２０６は、放射された音波の坑井１０６内の地層１０４からの反射である反射音波を受信できる。各音響センサ２０６は、複数のセンサの配列を含むことができる。音響エミッタ２０８及び音響センサ２０６は、単極子又は双極子のどちらであってもよい。坑井音響サブ組立体２００ａは、更に、音響サブ組立体２００ａを坑井１０６内の中心に位置し続けるように設計された個別のセントラライザ（不図示）を、音響カプラ２０２から離れた場所に含んでもよい。
【００３６】
音響サブ組立体２００ａは、複数の音響カプラ２０２を更に含む。音響カプラ２０２は、細長い管状部材２０４の外面に取り付けられている。一組の音響カプラ２０１ｂを使用することができる。各組の音響カプラ２０２は、音響サブ組立体２００ａに含まれる複数の音響センサ２０６と同数のカプラ２０２を含むことができる。例えば、音響サブ組立体２００ａが４つの音響センサ２０６を含んでいる場合には、４つ一組の音響カプラ２０２（つまり、各センサ２０６につき１つのカプラ２０２）を用いることができる。一組の音響カプラ２０１ｂは、細長い管状部材２０４及び音響センサ２０６に取り付けられている。より具体的には、一組の音響カプラ２０１ｂが音響センサ２０６と坑井１０６の壁部との間に配置されて、音響センササブ組立体２０３ｂを形成する。いずれかの形態の留め具又は接着剤によって、細長い円筒部材２０４に、音響カプラ２０２をねじ留め、接着、埋め込み、又は取り付けることができる。音響カプラ２０２は、音響センサ２０６を何ら損傷することなく交換できる。言い換えれば、音響センサ２０６は、音響カプラ２０２を取り外した後で、意図された通りに機能することができる。
【００３７】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示す増強された音響サブ組立体２００ｂのいくつかの実施を、ＬＷＤ機器１０２と同様に用いることができる。図３（Ａ）は音響サブ組立体２００ｂの概略の側面図を示し、図３（Ｂ）は坑井音響サブ組立体２００ｂの概略の側断面図を示す。図３（Ｃ）は第１の線２１０を横断する音響サブ組立体２００ｂの概略の上側断面図を示し、図３（Ｄ）は第２の線２１２を横断する坑井音響サブ組立体２００ｂの概略の下側断面図を示す。
【００３８】
坑井音響サブ組立体２００ｂは、ＬＷＤ機器１０２と同様にドリルストリング１０８に結合している。坑井音響サブ組立体２００ｂは、坑井１０６内部に位置決めできる実質的に円筒形の断面を有するチュービングサブ組立体又は細長い円筒部材２０４を含む。坑井音響サブ組立体２００ｂは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響エミッタ２０８を更に含む。複数の音響エミッタ２０８が集合して音響エミッタサブ組立体３０３ａを形成する。複数の音響エミッタ２０８の各々は、坑井１０６内から地層１０４中へ音波（音響波）を放射することができる。各音響エミッタは、複数のエミッタの配列を含むことができる。坑井音響サブ組立体２００ｂは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響センサ２０６を更に含む。音響センサ２０６は、放射された音波の坑井１０６内の地層１０４からの反射である反射音波を受信できる。各音響センサ２０６は、複数のセンサの配列を含むことができる。音響エミッタ２０８及び音響センサ２０６は、単極子又は双極子のどちらであってもよい。坑井音響サブ組立体２００ｂは、更に、音響サブ組立体２００ｂを坑井１０６内の中心に位置し続けるように設計された個別のセントラライザを、音響カプラ２０２から離れた場所に含むことができる。
【００３９】
音響サブ組立体２００ｂは、複数の音響カプラ２０２を更に含む。音響カプラ２０２は、細長い管状部材２０４の外面に取り付けられている。二組の音響カプラ２０２（例えば、第１の組３０１ａ、第２の組２０１ｂ）を使用することができる。各組の音響カプラ２０２は、音響サブ組立体２００ｂに含まれる複数の音響エミッタ２０８又は複数の音響センサ２０６のいずれかと同数のカプラ２０２を含む。例えば、音響サブ組立体２００ｂが４つの音響センサ２０６を含んでいる場合には、４つ一組の音響カプラ２０２（つまり、各センサ２０６につき１つのカプラ２０２）を用いることができる。第１の組の音響カプラ２０１ａは細長い管状部材２０４及び音響エミッタ２０８に取り付けられている。より具体的には、第１の組の音響カプラ２０１ａが音響エミッタ２０８と坑井１０６の壁部との間に配置されて、音響エミッタサブ組立体３０３ａを形成する。第２の組の音響カプラ２０１ｂは、細長い管状部材２０４及び音響センサ２０６に取り付けられている。より具体的には、第２の組の音響カプラ２０１ｂが音響センサ２０６と坑井１０６の壁部との間に配置されて、音響センササブ組立体２０３ｂを形成する。音響カプラ２０２は、細長い円筒部材２０４に、いずれかの形態の留め具又は接着剤によって、ねじ留め、接着、埋め込み、又は取り付けることができる。音響カプラ２０２は、音響エミッタ２０８又は音響センサ２０６のいずれも何ら損傷することなく交換することができる。言い換えれば、音響エミッタ２０８又は音響センサ２０６は、音響カプラ２０２を取り外した後で、意図された通りに機能することができる。
【００４０】
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示す増強された音響サブ組立体２００ｃのいくつかの実施を、ＬＷＤ機器１０２と同様に用いることができる。図４（Ａ）は音響サブ組立体２００ｃの概略の側面図を示し、図４（Ｂ）は坑井音響サブ組立体２００ｃの概略の側断面図を示す。図４（Ｃ）は第１の線２１０を横断する音響サブ組立体２００ｃの概略の上側断面図を示し、図４（Ｄ）は第２の線２１２を横断する坑井音響サブ組立体２００ｃの概略の下側断面図を示す。
【００４１】
坑井音響サブ組立体２００ｃは、ＬＷＤ機器１０２の代わりにドリルストリング１０８に結合している。坑井音響サブ組立体２００ｃは、坑井１０６内部に位置決めできる実質的に円筒形の断面を有するチュービングサブ組立体又は細長い円筒部材２０４を含む。坑井音響サブ組立体２００ｃは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響エミッタ２０８を更に含む。複数の音響エミッタ２０８の各々は、坑井１０６内から地層１０４中へ音波（音響波）を放射することができる。各音響エミッタは、複数のエミッタの配列を含むことができる。坑井音響サブ組立体２００ｃは、細長い管状部材２０４に取り付けられた複数の音響センサ２０６を更に含む。音響センサ２０６は、放射された音波の坑井１０６内の地層１０４からの反射である反射音波を受信できる。各音響センサ２０６は、複数のセンサの配列を含むことができる。音響エミッタ２０８及び音響センサ２０６は、単極子又は双極子のどちらであってもよい。坑井音響サブ組立体２００ｃは、更に、音響サブ組立体２００ｃを坑井１０６内の中心に位置し続けるように設計された個別のセントラライザを、音響カプラ２０２から離れた場所に含むことができる。
【００４２】
音響サブ組立体２００ｃは、複数の音響カプラ２０２を更に含む。音響カプラ２０２は、細長い管状部材２０４の外面に取り付けられている。一組の音響カプラ２０１ａを使用することができる。各組の音響カプラ２０２は、音響サブ組立体２００ａに含まれる複数の音響センサ２０６と同数のカプラ２０２を含むことができる。例えば、音響サブ組立体２００ｃが４つの音響エミッタ２０８を含んでいる場合には、４つ一組の音響カプラ２０２（つまり、各エミッタ２０８につき１つのカプラ２０２）を用いることができる。一組の音響カプラ２０１ａは細長い管状部材２０４及び音響エミッタ２０８に取り付けられている。より具体的には、一組の音響カプラ２０１ａが音響エミッタ２０８と坑井１０６の壁部との間に配置されて、音響エミッタサブ組立体３０３ａを形成する。各音響センサ２０６は、複数のセンサの配列（センサアレイ）を含むことができる。図示の実施では、音響センサ組立体４０３ｂは音響カプラ２０２を一切設けていない。音響カプラ２０２は、細長い円筒部材２０４に、いずれかの形態の留め具又は接着剤によって、ねじ留め、接着、埋め込み、又は取り付けることができる。音響カプラ２０２は、音響エミッタ２０８を何ら損傷することなく交換することができる。言い換えれば、音響エミッタ２０８は、音響カプラ２０２を取り外した後で、意図された通りに機能することができる。
【００４３】
先に述べたいずれの実施においても、各音響カプラ２０２は互いに等間隔且つ周方向に離れており、かつ、同じく互いに等間隔且つ周方向に離れた、各カプラに対応する音響エミッタ２０８又は音響センサ２０６に取り付けられるように位置決めされている。例えば、音響サブ組立体２００ａが４つの音響エミッタ２０８と４つの音響センサ２０６とを含む場合には、４つの音響エミッタ２０８の各々と４つの音響センサ２０６の各々とは、互いに９０°の角度に位置する。各音響カプラ２０２は対応する音響エミッタ２０８又は音響センサ２０６に取り付けられているので、各音響カプラ２０２もやはり互いに９０°の角度に位置している。或いは、音響エミッタ間の周方向距離又は音響センサ間の周方向距離が多様である場合には、音響カプラ間の周方向距離も多様であってよい。
【００４４】
坑井１０６の壁部と細長い管状部材２０４の表面との間の有効距離を縮めることで、音響カプラ２０２は、音響サブ組立体２００ｂによって伝送される音響波の減衰と、音響サブ組立体２００ｂによって受信される音響波の減衰の両方を低下させる。本開示における「取り付ける（結合する）」と「接触する」は同様の意味で用いられる。本開示において、どちらの用語も、例えばエミッタ／カプラ間、又はセンサ／カプラ間、の直接接続を包含する。つまり、音響カプラ２０２の寸法は、音響センサ２０６（又は音響エミッタ２０８）と接触して（例えば、直接的、物理的に接触して）、坑井１０６の内壁とチュービングサブ組立体２０４の外面とにより形成されたアニュラス内へと外方に延在するものであり得る。言い換えれば、音響カプラ２０２は、細長い円筒部材２０４の表面から坑井１０６の壁部へ向けて半径方向に延在する。実施によっては、音響カプラ２０２は、細長い円筒部材２０４の外面と坑井１０６の壁部との間の距離の少なくとも８０％は延在できる。実施によっては、音響カプラ２０２は同距離の８０％未満に延在できる。こうすることで、音響カプラ２０２は、音波が伝播できる固体媒体として機能する。実施によっては、音響カプラ２０２は、坑井１０６の内壁と接触する大きさであり得る。このような実施では、音波は固体媒体のほぼ全体を伝播できるので、アニュラス内の流体の相に関係なく、減衰を受けることがほとんどない、又は全くない。
【００４５】
実施によっては、音響カプラ２０２を、ドリルストリング１０８、音響サブ組立体２００ｂのような音響サブ組立体、の一方又は両方を、坑井１０６内で中心位置に保つセントラライザとして設計及び製造することもできる。音響カプラ２０２は、圧縮波及び剪断波の両方の減衰を低下させるのに役立つ。音響カプラ２０２の断面形状は、可聴周波数と超音波周波数の両方における音響減衰を最小にするように構成されている。幅広い音響周波数を用いることができる。例えば、地層１０４における多様な深度の調査するためには、浅い深度に高い周波数（約数百キロヘルツ）を用いる一方、低い周波数（約数百から数キロヘルツ）を用いて地層１０４のさらに深くまで走査できる。カプラ（連結器）の形状も、泥水及びカッティングスの流れに対するアニュラス内での水圧障害を最小化する形で選択される。実施によっては、カプラは、坑井内にある間、検層機器用の機械的な安定装置としても機能し得る。この安定化により、検層機器が坑井内で中心位置を保ち、コイルが摺動する底部以外の岩石層にも結合できるようになる。このような安定化は、また、水平坑井又は傾斜坑井内での機器の中心位置を維持する。実施によっては、カプラの形状、配置、向きは、アニュラスの全面的な閉塞を防ぎ、泥水とカッティングスの流れを可能にするように設計される。
【００４６】
音響カプラ２０２は、井戸流体及び掘削流体に対して化学的に不活性で耐摩耗性がありながら更に音響伝導性を持つあらゆる材料（例えば、エラストマ又は他の材料）で作ることができる。このような材料はモノマであってもポリマであってもよい。適切な材料は、テフロン（登録商標）、バイトン（登録商標）、プレキシグラス（登録商標）、又は他のあらゆる弾性エラストマを含むことができる。エラストマは、金属製の細長い金属管２０４との共鳴を防ぐために用いられる。実施によっては、音響エミッタに結合された一組の音響カプラは、硬質の第１のエラストマから作ることができ、音響センサに結合された一組の音響カプラは、軟質の第２のエラストマから作ることができ、又はこの逆であってもよい。言い換えれば、音響エミッタ用の一組の音響カプラは、音響センサ用の一組の音響カプラと異なるエラストマから作ることができる。実施によっては、音響エミッタに結合された一組の音響カプラは、音響センサに結合された一組の音響カプラと同じ材料から作ることができる。これらの材料は、様々な周波数帯域にかけて音響減衰を最小化するように選択できる。材料は音響波の減衰に影響を及ぼし得るので、材料の違いは信号雑音比に影響を及ぼす。材料は、掘削時における、機械的（圧力及び温度に対する並びに磨耗応力に対する）事象に対処するために、十分な強度と弾性を有する必要がある。選択された材料によって、剪断波及び圧縮波が音響カプラを通って伝播できるようになる。
【００４７】
本明細書で述べたどの実施も、地層１０４の機械的性質、例えば弾性力学や密度、を特定するために用いることができる。音響波速度は、３つの比例定数、弾性係数、及びポアソン比により、岩石の弾性特性に関連付けることができる。これらは音響検層による機械的性質評価の基礎として役立つ。実際に、地層１０４は、様々な孔径、孔充填物（例えば、粘土）、割れ目、他を含んでいる。したがって、地層１０４は、真に等方性でも均質でもない。更に、流体飽和した岩石内では、音響特性は地層１０４内と坑井１０６内の両方に存在する流体の種類と体積にも依存し得る。このようなデータは、掘削作業時にドリルストリングのジオステアリングを補助することができる。実施によっては、例えばサブ組立体２００ｂのような音響サブ組立体は、ドリルストリングの回転時には、回転が安定するかもしれない。つまり、音響サブ組立品は、掘削作業時に、半径方向に静止した状態をとり得る。本明細書中では音響検層をＬＷＤに照らして説明するが、掘削完了後のコイルドチュービングによる検層にも同様の原理が適用される。
【００４８】
図５は、本開示の態様で用いることができるジオステアリング方法５００のフローチャートである。ステップ５０２では、ドリルストリングのダウンホール端部に位置決めされたドリルビットの回転により、ガスを含有した多相流体を内蔵する地層内に、傾斜坑井又は水平坑井を掘削する。掘削はアンダーバランス条件で実施されるため、掘削作業中にはガスの一部分が坑井内に解放される。
【００４９】
方法５００のステップのいくつかは掘削作業中に実行される。ステップ５０４にて、ドリルストリングに取り付けられた複数の音響エミッタにより、坑井内から地層中へ音波が放射される。ステップ５０６にて、地層からの反射音波が、ドリルストリングに取り付けられた一組の固体音響カプラに受信される。反射された音波は、その少なくとも一部が、掘削中に坑井内へ解放されたガスの一部分を介して、地層から固体音響カプラへと送られる。ステップ５０８にて、受信された反射音波は、固体音響カプラによって一組の音響センサへ伝送される。センサは、固定音響カプラと物理的に接触している。音響カプラによって伝送された反射音波は、掘削中に坑井内へ解放されたガスの一部分を介して伝送された反射音波と比べて、減衰が少ない。ステップ５１０にて、複数の固体音響カプラによって伝送された反射音波が音響センサに受信される。ステップ５１２にて、固体音響カプラにより音響センサへ伝送された減衰の少ない反射音波に基づいて、地層の岩石特性（岩石物性）が特定される。実施によっては、減衰の少ない反射音波がデータに変換される。このデータは、音波の受信時刻、音波の減衰、音波の位相シフト、音波の周波数、又は他のあらゆる関連データを含む。次に、データをソフトウェア又はオペレータが解釈して岩石特性を特定できる。
【００５０】
ステップ５１４にて、特定された岩石特性に基づいて掘削方向を調整する。実施によっては、掘削作業、例えば掘削方向、をリアルタイムに調整できる。「リアルタイム」とは、岩石特性の特定と掘削作業の調整との間の時間が短い、例えば、約マイクロ秒又はナノ秒であることを意味する。このようなリアルタイムでの実施は、音響信号を表す数値を入力として受信すると共に掘削作業命令を出力として提供するコンピュータシステム（不図示）によって可能になる。
【００５１】
以上、主題のうちの特定の実施について説明した。本明細書の態様をＬＷＤに照らして述べたが、同様の実施を、コイルドチュービングと共に展開する音響検層機器に用いることできる。その他の実施は付帯する特許請求の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１００  坑井掘削システム
１０２  ＬＷＤサブ組立体
１０４  地層
１０６  坑井
１０８  ドリルストリング
１０９  ドリルモータ
１１０  ドリルビット
１１２  多相流体
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ  音響サブ組立体
２０１ｂ、２０２  音響カプラ
２０６  音響センサ
２０８  音響エミッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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