掘削中の計測

MWDツールは一般的に、リアルタイムで方向測量を行うことができます。このツールは加速度計と磁力計を使用して、その位置における坑井の傾斜角と方位角を測定し、その情報を地表に送信します。傾斜角、方位角、およびツールフェースの測定を適切な間隔（30 フィート（10メートル）ごとから500フィートごとまで ）で一連の測量を行うことで、坑井の位置を算出できます。

この情報だけで、掘削業者は自社の井戸が掘削許可のない区域に侵入していないことを証明できます。しかし、MWDシステムはコストが高いため、垂直掘削を目的とした井戸には通常使用されません。その代わりに、掘削後にスリックラインまたはワイヤーラインでドリルストリング内に降ろされたマルチショット測量ツールを使用して井戸の測量が行われます。

リアルタイム測量の主な用途は、方向掘削です。方向掘削作業員が目標ゾーンに向かって坑井を誘導するには、坑井がどこに向かっているのか、そして誘導作業がどのような影響を与えるのかを知る必要があります。

MWDツールは一般的に、ベントサブまたはベントハウジングを備えたダウンホールマッドモーターを使用した方向掘削を支援するために、ツールフェース寸法も提供します。ツールフェース寸法の使用方法の詳細については、「方向掘削」を参照してください。

MWDツールは、ドリルビットの状態に関する情報も提供できます。これには以下が含まれます。

• ドリルストリングの回転速度
• その回転の滑らかさ
• 坑内における振動の種類と深刻度
• 坑内温度
• ドリルビット付近で測定した、ビットにかかるトルクと重量。
• 泥流量

この情報を活用することで、オペレーターはより効率的に掘削作業を進めることができ、MWDツールやマッドモーター、ロータリーステアリングシステム、LWDツールなどの坑内ツールが技術仕様の範囲内で確実に動作し、ツールの故障を防ぐことができます。また、この情報は、掘削対象となる地層に関する坑井情報を担当する地質学者にとっても貴重な情報となります。

多くのMWDツールは、単独で、あるいは別のLWDツールと組み合わせて、地層特性の測定を行うことができます。地表では、これらの測定値は、ワイヤーライン検層で得られるものと同様のログにまとめられます。

LWDツールは、密度、多孔度、比抵抗、音響キャリパー、ドリルビット傾斜角（NBI）、磁気共鳴、地層圧力など、一連の地質学的特性を測定することができます。^{[ 6 ]}

MWDツールを使用すると、掘削中にこれらの測定値を取得および評価できます。これにより、あらかじめ設定された目標に向かって単純に掘削するのではなく、測定された地層特性に基づいて方向掘削を行うジオステアリング（地質操舵）が可能になります。

ほとんどのMWDツールには、自然ガンマ線値を測定するための内部ガンマ線センサーが搭載されています。これは、これらのセンサーが小型で安価、信頼性が高く、ドリルカラーを改造せずに測定できるためです。その他の測定には、多くの場合、坑内で内部配線を介してMWDツールと通信する別のLWDツールが必要です。

掘削中の計測は、探査井、特にメキシコ湾の岩塩ダイアピル地帯で掘削される井戸においては、費用対効果の高い方法となり得る。電気抵抗率検層によって岩塩層への浸透を検知でき、早期発見によってベントナイト掘削泥水への岩塩による損傷を防ぐことができる。

これは、MWDツールで使用される最も一般的なデータ伝送方法です。坑内では、送信されるデジタル情報に応じてバルブが操作され、掘削流体（泥水）の流れが制限されます。これにより、情報を表す圧力変動が発生します。圧力変動は掘削流体内を伝播して地表に向かい、そこで圧力センサーによって受信されます。地表では、受信した圧力信号がコンピュータによって処理され、情報が再構築されます。この技術には、 正パルス、負パルス、連続波の3種類があります。^{[ 7 ]}

陽性脈拍

正パルスツールは、バルブを短時間閉じたり開いたりして、ドリルパイプ内の泥水の流れを制限します。これにより、地表で確認できる圧力の上昇が生じます。デジタル情報は、ラインコードまたはパルス位置変調を使用して圧力信号にエンコードできます。^{[ 8 ]}

陰性脈

負のパルスツールは、バルブを短時間開閉して、ドリルパイプ内部の泥を環状空間に放出します。これにより、地表で確認できる圧力低下が生じます。デジタル情報は、ラインコードまたはパルス位置変調を使用して圧力信号にエンコードできます。^{[ 9 ]}

連続波

連続波ツールは、バルブを徐々に閉じたり開いたりして、掘削流体内に正弦波状の圧力変動を発生させます。連続位相を持つ任意のデジタル変調方式を使用して、搬送波信号に情報を付加することができます。最も広く使用されている変調方式は、連続位相変調です。^{[ 10 ]}

アンダーバランス掘削を用いる場合、泥水パルステレメトリは使用できなくなることがあります。これは通常、掘削泥水の等価密度を下げるために圧縮性ガスが泥水に注入されるためです。これにより信号減衰が大きくなり、泥水がパルスデータを伝送する能力が著しく低下します。このような場合は、地層を伝搬する電磁波や有線ドリルパイプテレメトリなど、泥水パルステレメトリとは異なる方法を用いる必要があります。

現在の泥パルステレメトリ技術は、最大 40 ビット/秒の帯域幅を提供します。^{[ 11 ]}データレートは坑井の長さが増加するにつれて低下し、通常、深度 35,000 フィート～ 40,000フィート (10668 m～12192 m) では 0.5 ビット/秒^{[ 12 ]}～ 3.0 ビット/秒^{[ 11 ]} (ビット/秒) と低くなります。  

地表と坑内間の通信は、通常、掘削パラメータの変更、すなわちドリルストリングの回転速度の変更や泥水流量の変更によって行われます。情報を送信するために掘削パラメータを変更すると、掘削プロセスを中断する必要が生じる場合があり、これは非生産的な時間を生み出すため好ましくありません。

これらのツールはドリルストリングに電気絶縁体を組み込んでいますが、良好な導体（塩水）を通してデータを受信する際の課題のため、このアプローチは浅い塩水帯水層のない陸上地域にほぼ限定されています。データを送信するには、ツールは上部（絶縁体の上にあるメインドリルストリング）と下部（ドリルビット、およびMWDツールの絶縁体の下にあるその他のツール）の間に電圧差を発生させます。地表では、坑口にワイヤーが接続され、地表のドリルパイプと接触します。もう1本のワイヤーは、少し離れた場所に地面に打ち込まれたロッドに接続されます。坑口と接地ロッドは、ダイポールアンテナの2つの電極を形成します。2つの電極間の電圧差が受信信号であり、コンピュータによって復号されます。

EMツールは、ドリルストリングの各セクション間に、非常に低い周波数（2～12Hz）の波形パターンで電圧差を発生させます。データはデジタル変調 によって波形に重ね合わされます。

このシステムは一般的に、最大10ビット/秒のデータレートを提供します。さらに、これらのツールの多くは、同様の方法で地表からデータを受信することも可能です。一方、泥水パルスベースのツールは、ドリルストリングの回転速度や泥水流量などの掘削パラメータの変化を利用して、地表から坑内ツールに情報を送信します。

広く用いられている泥水パルス式テレメトリーと比較して、電磁パルス式テレメトリーは、アンダーバランス掘削や掘削流体として空気を使用する場合など、陸上の特殊な状況においてより効果的です。陸上の浅い掘削深度では、より高速なデータ伝送が可能です。しかし、非常に深い井戸を掘削する際には一般的に性能が劣り、特定の地層では信号強度が急速に低下し、わずか数千フィートの深度で検出できなくなる場合があります。

複数の油田サービス会社が現在、有線ドリルパイプシステムを開発しているが、有線システムは数十年にわたって試験運用されており、ロシアでは1960年代にシステムが使用されていた。これらのシステムは、ドリルストリングのすべてのコンポーネントに組み込まれた電線を使用し、電気信号を直接地表に伝送する。これらのシステムは、坑内ツールから地表、および地表から坑内ツールへのデータ伝送速度が、泥パルスや電磁テレメトリで可能なものよりも桁違いに速いことを約束している。1メガビット/秒を超えるデータ伝送速度を提供するIntelliServ ^{[ 13 ]}有線パイプネットワークは、2006年に商用化された。BP America、StatoilHydro、Baker Hughes INTEQ、およびSchlumbergerの代表者は、2008年3月にフロリダ州オーランドで開催されたSPE/IADC掘削会議で、陸上と海上の両方でこのシステムを使用した3つの成功事例を発表した。^{[ 14 ]}ドリルストリングのコストと展開の複雑さから、これは泥パルスと比較するとニッチな技術となっている。

ワイヤーラインを使用してツールを回収することが、ツールを孔から引き抜くよりも必ずしも速いとは限りません。たとえば、トリプルリグ（一度に3つのパイプ継手、つまり約90フィート（30メートル）をトリップできる）で掘削中に、ツールが1,500フィート（460メートル）で故障した場合、ワイヤーラインをセットアップしてツールを回収するよりも、ツールを孔から引き抜く方が一般的に速いでしょう。特に、ワイヤーラインユニットをリグまで輸送する必要がある場合はなおさらです。    

ワイヤーラインによる回収作業には、さらにリスクが伴います。ツールがワイヤーラインから外れると、ドリルストリングに沿って落下します。これは通常、ツールと、ツールが取り付けられているドリルストリングの部品に深刻な損傷を与え、故障した部品を交換するためにドリルストリングを坑井から引き抜く必要が生じます。結果として、最初から坑井から引き抜くよりも総コストが高くなります。また、ワイヤーラインのギアがツールにうまく固定されない場合や、深刻な故障の場合はツールの一部しか地上に持ち上がらない場合もあります。この場合も、故障した部品を交換するためにドリルストリングを坑井から引き抜く必要があり、ワイヤーライン作業が無駄になってしまいます。

一部のツール設計者は、回収可能な「スリムツール」の設計を、回収不可能なツールに適用しました。この場合、MWDはスリムツールの設計上のすべての制約（低速、粉塵粒子による詰まり、衝撃や振動に対する耐性の低さ）を抱えたまま、利点は一切ありません。興味深いことに、これらのツールはプレートで持ち上げて取り扱うにもかかわらず、ワイヤーラインの槍先形状を維持しています。

• ミッチェル、ビル（1995）。高度油井掘削工学ハンドブック（第10版 ）。コロラド州レイクウッド：ミッチェルエンジニアリング。ASIN B0006RMYTW。OCLC 46870163。