JPS642757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はボーリング作業中ボーリング孔内で信
号を出す装置、特にマツドパルス・テレメトリ・
システム用ダウンホール信号送信機に関するもの
である。

ボーリング作業中に測定を行うため、又測定デ
ータを表面に送信するための各種のボーリング中
測定（MWD）システムが提案されている。いま
のところそれらのシステムの一種、即ちマツドパ
ルス・テレメトリ・システムのみが商業用として
成功している。このシステムにおいては、マツド
の流れがダウンホール測定器から受信機、更に表
面のデータ・プロセツサに測定データを送るのに
用いられる。（マツドの流れはドリル・ビツトま
で下降し、次にドリル・ストリングを潤滑する物
質と共にドリル・ストリングと孔壁との間の環状
間隙を上昇し、ボーリング生成物を運び去る。）
上記測定データの伝送は測定器からの電気的出力
信号の制御下に測定器近くのマツドの圧力を変
え、それによつて生じるマツドパルスを圧力トラ
ンスジユーサによつて表面で感知することによつ
て達成される。

現行のマツドパルス・テレメトリ・システムは
ドリル・カラーに内蔵したダウンホール信号送信
機を用いている。そのためこれらのシステムは送
信機内の計器故障の場合、障害部分の修理のため
にドリル・ストリング全体を引出さなければなら
ないという欠点をもつ。更に送信機とドリル・カ
ラーの結合構造体の生産は極めて高価につく。

このような装置の一つは、マツド流により駆動
され測定器に電力を供給する発電機を駆動するタ
ービンを具えている。このタービンは又、絞り部
材を変位させて所望のマツドパルスを発生させる
ための油圧ポンプを駆動する。絞り部材の変位量
は測定器の電気出力により決定される。最も重要
な点はマツドが発電機及び関連機構を収容するハ
ウジング内に浸入しないことであり、したがつ
て、回転密封部材がタービンと発電機を結合する
軸を包囲している。このような密封部材は製造が
困難で破壊され易く、その結果ドリル・ストリン
グ全体を引き出しドリルカラーを交換しなければ
ならない。

本発明の目的は改善されたマツドパルス・テレ
メトリ・システム用のダウンホール信号発信機を
提供することである。

本発明によれば、ドリル・ストリングに沿つて
マツドを通すためのスロツトル・オリフイスを画
成するフロー・コンストリクタと、スロツトル・
オリフイスの貫流横断面図を変化させるためスロ
ツトル・オリフイスに対して変位自在の絞り部
材、マツド圧力を変化させるために絞り部材を変
位する調整手段、及びドリル・ストリングとケー
シング内のマツドが浸入しない環境に設置される
発電機に沿つて流れるマツドにより駆動されるよ
うに配設される羽根車を有するターボジエネレー
タを具備し、この羽根車が発電機に磁気的に結合
され発電機に駆動トルクを与えるマツドパルス・
テレメトリ・システム用のダウンホール信号送信
機が提供される。

上述の構成により測定器およびその他の装置が
必要とする電力が発生されるばかりでなく、羽根
車と発電機内に回転密封部材を設置することなし
に発電機をケーシング内の清浄な流体環境内に置
くことが可能になる。

ターボジエネレータは、羽根車と共に回転し、
発電機に結合するケーシング内の回転磁石アセン
ブリを有することが好ましく、また羽根車はマツ
ド流により回転する際、磁石アセンブリに関連す
る磁場によりその内部にうず電流が誘導され、磁
石アセンブリに関連する磁場および誘導電流に関
連する磁場間の相互作用によつて磁石アセンブリ
を羽根車と共に回転させるように、回転磁石アセ
ンブリの近傍のケーシングの周囲に、導電リング
を有することが好ましい。この導電リングは磁束
の復路を形成する環状の鋼等の高度の磁化可能材
料により囲まれ、内部にうず電流が誘導される環
状の銅等の高度の導電体であることが好ましい。

他の選択として、羽根車が磁化可能リングを具
え、この磁化可能リングは羽根車がマツド流によ
り回転する際磁石アセンブリと磁化可能リング間
の磁気引力により磁石アセンブリが回転するよう
にケーシングの磁石アセンブリの近傍を取り囲ん
でいるようにしても良い。この磁化可能リングは
ヒステリシス・リング即ち35％コバルト−鋼等の
高度の保磁性を有する強磁性材料からなる広い面
積のヒステリシス・ループを有する環状体である
ことが好ましい。これは、環状体から磁石アセン
ブリに移動するトルクの大きさはヒステリシス・
ループの面積に依存することによる。

磁石アセンブリの磁石には希土類元素を含んだ
サマリウム・コバルト磁石等いわゆる希土類磁石
を使用することが好ましい。この種の磁石は非常
に高度の保磁力を有し、そのため開ループ構造で
使用したとしても導電リングに十分なうず電流の
誘導が可能であり、あるいは磁化可能リングを磁
気的に飽和させることが可能である。更にこの種
の磁石を消磁することは、ほとんど不可能に近
い。

以下添付図面を参照し説明する。

図示した信号送信機１は非磁性ドリル・カラー
内で使用するために取付けられ、送信機１直下の
ドリル・カラー内に取付けられた計器用圧力ケー
シング内に配設された測定器に結合されている。
ドリル・カラーはボーリング作業中ボーリング孔
内のドリル・ストリングの端部に配設され、測定
器は例えばボーリング作業中にドリル・ビツト附
近におけるボーリング孔の傾斜を監視する役目を
果す。信号送信機１はドリル・ストリングを降下
するマツドの圧力を変化させることによつて圧力
パルスの形で測定データを表面に送信する。送信
機１は自蔵装置として構成されており、例えば計
器故障の場合はドリル・ストリングにワイヤライ
ンを挿入し、例えばワイヤラインの先端に装着し
た公知のグリツプ装置によつてワイヤラインを送
信機上のフイツシング・ネツクと契合せしめてワ
イヤライン端のドリル・ストリングから送信機を
引上げることによつて取出すことができるように
ドリル・カラー内に取付けられる。

第１図乃至第３図において、送信機１は矢印８
の方向にドリル・ストリングを降下するマツドに
対する絞りオリフイス６を画成する環状フロー・
コンストリクタ４を上端に有するダクト２を含
む。ダクト２の内部にはその上端の絞りオリフイ
ス６附近において絞りオリフイス６の貫流横断面
を変化させるためにタクト２の軸方向にケーシン
グ１０に対して変位する絞り部材１２を支える長
形ケーシング１０がある。絞り部材１２はケーシ
ング１０内に延びる軸１４を有し、ケーシング１
０内の空間は静水圧の平衡を保つために油圧油で
満たされており、その上端においてケーシング１
０の内壁と軸１４の間に延びているビトン
（Viton）隔膜１６によつて密封されている。ケ
ーシング１０はケーシング１０とダクト２の間を
半径方向に延びる３個の上部支持ウエブ１８と３
個の下部支持ウエブ２０によつてダクト２内に堅
固に取付けられており、マツドが流れるようにケ
ーシング１０とダタト２の間に環状の間隙を設け
ている。

その周辺に配設され、マツドの流れに対してあ
る角度をもつた一連の羽根２４を有する輪状羽根
車２２がケーシング１０を取巻いており、この輪
状羽根車２２はポリテトラフルオロエチレンを充
填したスラスト軸受２８によつてケーシング１０
の肩部２６に載置されている。羽根２４は銅製駆
動リング３２を取巻いている磁化可能の銅製ボス
３０上に取付けられている。希土磁石アセンブリ
３４は軸受３８によつてケーシング１０の内部に
回転自在に取付けられた環状軸３６に支持されて
おり、軸３６の周辺に配設された６個のサマリウ
ム・コバルト磁石４０を含む。磁石４０の中の３
個はその北極が半径方向外側に面しており、残り
の３個は前者と交互にその南極が半径方向外側に
面している。マツドの流れの中で羽根車２２が回
転すると、６個のサマリウム・コバルト磁石４０
による強力な磁界によつて銅製駆動リング３２内
にうず電流を生じ、磁化可能の鋼製ボス３０が磁
束に帰路を与え、磁石アセンブリ３４、従つて更
に軸３６は磁石４０に伴う磁界と駆動リング３２
内に誘起されたうず電流に伴う磁界の間の相互作
用によつて羽根車３２と共に回転される。

環状軸３６はピボツト・ピン４７によつて軸３
６内に枢着された円形エスケープ・プレート４６
と、プレート４６の周辺に取付けられ、ローター
４２の周辺に取付けた駆動ピン５０と契合するよ
うに配設されたトルク駆動アーム４８（第４図参
照）を通じて測定器に電力を供給する発電機４４
のローター４２を駆動する。更に環状軸３６はあ
る角度をもつた回転斜板５４と、軸受レース５７
を有する関連ピストン・スラスト板５６によつて
油圧ポンプ５２を駆動する。

油圧ポンプ５２はケーシング１０の軸と平行に
延び環状に配設された８個のシリンダ５８と、各
シリンダ５８と対応するピストン６０を含む。各
ピストン６０の下端はそれぞれのピストン戻しば
ね６２によつてスラスト板５６と永久偏倚契合し
ており、そのため回転斜板５４の軸３６と共にす
る回転はピストン６０をしてシリンダ５８内を軸
方向に往復せしめ、８個のピストン６０は周期的
（循環的）に往復する。したがつて、あるピスト
ンがその行程の頂点にあるときはその反対側のピ
ストンはその行程の最下部にあることになり、逆
になるとこの関係位置も逆になる。ポンプ５２は
更に軸受６５上に取付けられ、回転斜板５４と同
期して回転することによつて順次各シリンダから
の出力をシリンダ６８内に配設した複動ラム６６
の片側に供給することを目的とした回転弁部材６
４を含む。複動ラム６６は絞りオリフイス６の貫
流横断面を変化させるために絞り部材１２がポン
プ５２によつて変位されるように出力軸７０によ
つて絞り部材１２の軸１４に結合されている。

即ちケーシング１０を満たし、複動ラム６６の
片側から各シリンダ５８に供給される油圧油はピ
ストン６０の上昇行程により関連ピストン６０に
よつて回転弁部材６４を取巻く弁ハウジング７４
内のそれぞれの軸方向孔７２内に強制挿入され
る。それぞれの軸向き孔７２はそれぞれの上部半
径方向孔７６と、それぞれの下部半径方向孔７８
と交叉している。回転弁部材６４は弁部材６４の
周辺部において約180度の弧状に外方にあき、か
つ弁部材６４の頂部においてラム６６の下部のシ
リンダ６８の下部８２の内方にあく上部周辺凹部
８０と、弁部材６４の周辺部で上部周辺凹部８０
と弁部材６４の反対側で約180度の弧状にあき、
かつその上部領域において弁部材６４中に形成さ
れた中央環状凹部８６中にあいている下部周辺凹
部８４（第２図に破線で示す）を有する。中央環
状凹部８６はシリンダ８８を取巻く環状通路８８
及び弁ハウジング７４と弁ハウジング７４を通し
て延びる半径方向の通路（図示なし）によつて恒
久的に液連通を保つている。環状通路８８はそれ
自体ラム６６上のシリンダー６８の上部９０と液
連通を保つている。

回転斜板５４の回転に対して回転部材６４の回
転に可能な２段階がある。即ち上部周辺凹部８０
が関連ピストン６０の上昇行程で上部半径方向孔
７６と連通し、下部周辺凹部８４が関連ピストン
６０の下降行程において下部半径方向孔７８と連
通する第１回転段階と、上部周辺凹部８０が関連
ピストン６０の下降行程において上部半径方向孔
７６と連通し、下部周辺凹部８４が関連ピストン
６０の上昇行程において下部半径方向孔７８と連
通する第２回転段階である。弁部材６４の第１回
転段階中ポンプ５２の入力はシリンダ６８の上部
９０に連結され、ポンプ５２の出力はシリンダ６
８の下部８２に連結される。そこでラム６６、従
つて絞り部材１２も上方に変位される。

逆に弁部材６４の回転第２段階においては、ポ
ンプ５２の入力はシリンダ６８の下部８２に接続
され、ポンプ５２の出力はシリンダ６８の上部９
０に接続されるから、ラム６６と絞り部材１２は
下方に変位される。

回転弁部材６４はエスケープ・プレート４６の
対向位置に配設された円形駆動板９２を含むトル
ク感応アクチユエータに軸受９６を介して環状軸
内に回転自在に取付けられた駆動軸９４によつて
結合されている。駆動板９２は第１回転段階で弁
部材６４が軸３６によつて駆動されるように第１
エスケープ・ピン１００によつて第１回転位置で
エスケープ・プレート４６の周辺で契合されてい
るか、又は弁部材６４が第２回転段階で軸３６に
よつて駆動されるようにエスケープ・プレート４
６の周辺において第１回転位置から180度離れた
第２回転位置に配設した第２エスケープ・ピン
（第４図）によつて契合されている被動ピン９８
をその周辺部にもつ。

第４図は第３図の線−に沿う断面図である
がケーシング１０とダクト２は省略されている。
第４図に明示されているように、エスケープ・プ
レート４６は第１角位置（第４図の実線で示す）
と第２角位置（第４図の破線で示す）の間のピボ
ツト・ピン４７によつて画成された傾斜軸を軸と
して傾斜できる。引張ばね１０４がその第１角位
置内にエスケープ・プレート４６を偏倚する。発
電機４４の出力に印加された比較的低い電気的負
荷のために、第１エスケープ・ピン１００によつ
て第１回転段階でエスケープ・プレート４６は駆
動板９２を駆動し、又トルク駆動アーム４８によ
つて発電機４４のローター４２を駆動する。しか
しローター４２の駆動に要するトルクがばね１０
４の偏倚にうちかつに十分な点まで増加すると、
トルク駆動アーム４８はばね１０４の作用に抗し
てエスケープ・プレート４６をその第２角位置に
傾斜せしめる。これによつて第１エスケープ・ピ
ン１００は駆動板９２の被動ピン９８との契合を
解かれ、エスケープ・プレート４６が駆動板９２
に対して180度回転したところで第２エスケー
プ・ピン１０２は被動ピン９８と契合する。これ
によつて駆動板９２は第２エスケープ・ピン１０
２によつて第２回転段階で駆動され、ポンプ５２
から複動ラム６６への油圧油の供給は反転され
る。勿論、発電機の負荷がその後十分減少すれ
ば、ばね１０４はエスケープ・プレート４６を第
１角位置に傾斜し、駆動板９２は第１回転段階で
再び駆動される。

そこで、測定器からの測定データが発電機４４
の電気負荷を適宜変化させるようにすれば回転弁
部材６４の回転段階、従つて複動ラム６６の変位
方向、は測定器の出力と共に変化することが理解
されよう。これは又絞り部材１２を絞りオリフイ
ス６に対して変位させ、絞りオリフイス６の上流
のマツドの流れの圧力を変化させ、又測定データ
に対応する一連の圧力パルスを生じさせる。この
圧力パルスはマツドの流れの中を上流に走行し、
マツド流を生じるポンプの出力附近の圧力トラン
スジユーサによつて表面において検知されるであ
ろう。そこでこの装置はデータをデジタル・デー
タの形で表面に送信することを可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は送信機上部の長手方向断面図、第２図
は送信機中央部の長手方向断面図、第３図は送信
機下部の長手方向断面図、第４図は第３図の線
−に沿う下部の一部の長手方向断面図である。 １…送信機、２…ダクト、４…フロー・コンス
トリクタ、６…絞りオリフイス、１０…ケーシン
グ、１２…絞り部材、１６…ビトン隔膜、１８，
２０…支持ウエブ、２２…羽根車、３２…駆動リ
ング、３４…磁石アセンブリ、３６…環状軸、４
０…磁石、４２…発電機ローター、４４…発電
機、４６…エスケープ・プレート、５２…油圧ポ
ンプ、５４…回転斜板、５６…スラスト板、６４
…回転弁部材、６６…ラム、９２…駆動板、１０
０，１０２…エスケープ・ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ドリル・ストリングに沿つて流れるマツドの
   ための絞りオリフイスを画成するフロー・コンス
   トリクタと、前記絞りオリフイスの貫流横断面を
   変化させるための絞りオリフイスに対して変位自
   在の絞り部材と、マツドの圧力を調節するための
   絞り部材を変位させる調整手段と、ドリル・スト
   リングとケーシング内のマツドの侵入を受けない
   環境に設置された発電機に沿つて流れるマツドに
   より駆動されるべく配設された羽根車を有するタ
   ーボジエネレータを具えるマツド・パルス・テレ
   メトリ・システム用ダウン・ホール信号送信機に
   おいて、前記羽根車が前記発電機に駆動トルクを
   与えるため磁気的に結合されることを特徴とする
   マツド・パルス・テレメトリ・システム用ダウ
   ン・ホール信号送信機。 ２ 前記ターボジエネレータが、前記羽根車と共
   に回転し前記発電機に結合する回転磁石アセンブ
   リを前記ケーシング内に有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の送信機。 ３ 前記羽根車が、該羽根車がマツド流により回
   転する際前記磁石アセンブリに関連する磁場によ
   りその内部内にうず電流が誘導され、前記磁気ア
   センブリに関連する磁場および前記誘導電流に関
   連する磁場間の相互作用により前記磁石アセンブ
   リを羽根車と共に回転させるように、前記ケーシ
   ングの前記磁石アセンブリの近傍の周囲に導電リ
   ングを有することを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の送信機。 ４ 前記導電リングが磁束の復路を形成する高度
   に磁化可能な材料からなる環状体により囲まれる
   高度の導電性材料からなる環状体を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の送信機。 ５ 前記羽根車が、該羽根車がマツド流により回
   転する際、前記磁石アセンブリとの間の磁気引力
   により前記磁石アセンブリが回転するように前記
   ケーシングの前記磁気アセンブリの近傍を囲む磁
   化可能リングを具えることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の送信機。 ６ 前記磁化可能リングが高い保持力を有し、従
   つて広面積のヒステリシス・ループを有するヒス
   テリシス・リングであることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の送信機。 ７ 前記磁石アセンブリが希土類磁石を組み込む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至第６
   項のいずれかに記載の送信機。 ８ 前記希土類磁石がサマリウム・コバルト磁石
   であることを特徴とする特許請求の範囲第７項記
   載の送信機。 ９ 前記磁石アセンブリが、駆動部材の周縁に一
   方の極性の磁極を放射状に外側に向け、交互に他
   方の極性の磁極を放射状に外側に向けるように分
   配された複数個の磁石を組み込むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項乃至８項いずれかに記載
   の送信機。 １０ 前記調整手段が前記絞り部材を変位させる
   油圧ポンプを有し、前記油圧ポンプが前記ケーシ
   ング内に設置され前記磁気結合により駆動される
   ように配設されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の送信機。