掘削中の測定

掘削リグは、例えばガスや石油などの天然資源を採掘するために、地球の地下にボーリングホールまたは井戸 (坑井とも呼ばれる)を作成するために使用されます。このような掘削中、掘削リグのセンサーからさまざまな目的でデータが取得されます。たとえば、掘削の円滑な操作を監視および管理するための意思決定サポート、ボーリングホールが貫通した地層の詳細な記録 (または坑井ログ) の作成、改善点を特定できるように操作統計とパフォーマンス ベンチマークの生成、将来の坑井操作の統計的リスク分析を実行するための正確な過去の操作パフォーマンス データを坑井計画者に提供することなどです。掘削中測定( MWD ) および掘削中ログ(LWD) という用語は、業界全体で一貫して使用されているわけではありません。これらの用語は関連していますが、このセクションの文脈では、掘削中の測定という用語は、例えば坑井経路（傾斜と方位）の意思決定支援のための方向性掘削測定を指し、LWDは掘削中に貫通した地質構造に関する測定を指します。^[1]

MWDとLWDを提供する最初の試みは1920年代に遡り、第二次世界大戦前には泥脈、有線パイプ、音響および電磁気学を用いた試みがなされた。JJ Arpsは1960年代に実用的な方向探査および抵抗率システムを生み出した。^[2] 1960年代後半から1970年代前半にかけてモービル、スタンダードオイルなどが支援した競合作業により、1970年代前半までにテレコオイルフィールドサービスのMWD、シュルンベルジェ（モービル）、ハリバートン、ベーカーヒューズのシステムなど、複数の実行可能なシステムが誕生した。しかし、開発の主な推進力となったのは、ノルウェー石油総局がノルウェー沖の油井で100メートルごとに方向探査を行うことを義務づけた決定であった。この決定により、MWD技術が従来の機械式TOTCO装置よりも経済的に優位となる環境が生まれ、1980年代初頭までにガンマと抵抗率を追加するLWDを含む急速な開発につながりました。^{[3] [4] [5]}

MWD は、通常、垂直からの坑井 (穴) の傾斜と、北からの磁気方向の測定に関係します。基本的な三角法を使用して、坑井の経路の 3 次元プロットを作成できます。^{[引用が必要]} 基本的に、MWD オペレーターは、掘削中の穴の軌道を測定します (たとえば、データの更新が数秒ごとまたはより速く到着して処理されます)。次に、この情報を使用して、事前に計画された方向に、石油、ガス、水、または凝縮物を含む地層に掘削します。岩石からの自然なガンマ線放出も追加で測定できます。これにより、掘削されている岩層の種類を大まかに判断でき、その結果、既存の地震データと比較して、さまざまな種類の既知の地層の存在に関連して坑井のリアルタイムの位置を確認することができます。^{[引用が必要]}

密度と多孔度、岩石流体の圧力、その他の測定値が、放射線源、音、電気などを使用して測定されます。これにより、石油やその他の流体が地層をどれだけ自由に流れるか、岩石に含まれる炭化水素の体積、その他のデータと合わせて貯留層全体と貯留層埋蔵量の価値を計算できます。^{[引用が必要]}

MWD ダウンホール ツールは、ボトム ホール ドリリング アセンブリを備えた「ハイサイド」でもあり、3D 空間で選択した方向に坑井を誘導することができます。これは方向性掘削と呼ばれます。方向性掘削者は、MWD オペレーターから正確で品質テスト済みのデータを受け取ることで、坑井を計画された軌道上に安全に保つことができます。^{[引用が必要]}

方向調査の測定は、傾斜を測定する 3 つの直交する加速度計と、方向 (方位角) を測定する 3 つの直交する磁力計によって行われます。調査が「ケーシング」内 (たとえば、穴が鋼管で覆われている場所) などの外部磁気の影響が妨害される場所で測定される場合、ジャイロスコープ ツールが方位角の測定に使用されることがあります。これらのセンサー、および岩石層の密度、多孔度、圧力、またはその他のデータを測定する追加のセンサーは、物理的に、デジタル的に、ロジック ユニットに接続され、情報が 2 進数に変換され、「マッド パルス テレメトリ」(MPT、流体で使用される 2 進コーディング伝送システム、コンビナトリアル、マンチェスター エンコーディング、スプリット フェーズなど) を使用して地表に送信されます。^{[引用が必要]}

これは、選択された MPT に従ってドリルストリング内の掘削流体 (泥) 圧力を変化させるダウンホール「パルサー」ユニットを使用して行われます。これらの圧力変動はデコードされ、波形、センサーからの電圧出力 (生データ)、重力または磁北からの方向の特定の測定値、または音波、核波形などの他の形式で地上システム コンピューターに表示されます。^{[引用が必要]}

表面（泥）圧力トランスデューサーはこれらの圧力変動（パルス）を測定し、アナログ電圧信号を表面コンピューターに渡して信号をデジタル化します。妨害周波数はフィルターで除去され、信号は元のデータ形式にデコードされます。たとえば、泥システム全体の圧力が 3,500psi 以上の場合、20psi（またはそれ以下）の圧力変動を「取り出す」ことができます。^{[引用が必要]}

坑内電力と機械電力は、坑内タービンシステムによって供給されます。坑内タービンシステムは、「泥」の流れ、バッテリーユニット（リチウム）、またはその両方のエネルギーを使用します。^[要出典]

MWD ツールは、一般的にリアルタイムで方向調査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、その場所の坑井の傾斜と方位を測定し、その情報を地表に送信します。一連の調査、つまり傾斜、方位、およびツール面の測定を適切な間隔 (30 フィート (つまり 10 メートル) から 500 フィートまで) で行うことによって、坑井の位置を計算できます。^{[引用が必要]}

この情報だけで、オペレーターは自分の井戸が掘削が許可されていないエリアに侵入していないことを証明できます。ただし、MWD システムはコストがかかることから、垂直に掘削する井戸では通常使用されません。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のドリルストリングに降ろされたマルチショット測量ツールを使って井戸の測量が行われます。^{[引用が必要]}

リアルタイム調査の主な用途は、方向性掘削です。方向性掘削者が井戸を目標ゾーンに向けるためには、井戸がどこに向かっているのか、また、その操縦努力がどのような効果をもたらすのかを知っておく必要があります。^{[引用が必要]}

MWD ツールは、通常、曲がったサブまたは曲がった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性掘削を支援するために、ツール面の測定も提供します。ツール面の測定の使用に関する詳細については、「方向性掘削」を参照してください。^{[引用が必要]}

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。これには次のような情報が含まれます。

• ドリルストリングの回転速度
• その回転の滑らかさ
• 掘削孔内の振動の種類と程度
• 坑内温度
• ドリルビット付近で測定されたビットのトルクと重量
• 泥流量

この情報を利用することで、オペレーターはより効率的に井戸を掘削でき、MWD ツールや泥水モーター、回転式操舵システム、LWD ツールなどのその他のダウンホール ツールが技術仕様の範囲内で操作され、ツールの故障を防ぐことができます。この情報は、掘削対象の地層に関する井戸情報を担当する地質学者にとっても貴重です。^[要出典]

多くの MWD ツールは、単独で、または別の LWD ツールと組み合わせて、地層の特性を測定できます。地表では、これらの測定値が、ワイヤーライン ロギングで得られるものと同様のログにまとめられます。^{[引用が必要]}

LWDツールは、密度、多孔度、抵抗率、音響キャリパー、ドリルビットの傾斜（NBI）、磁気共鳴、地層圧力などの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、井戸の掘削中にこれらの測定を行い、評価することができます。これにより、事前に設定されたターゲットに単に掘削するのではなく、測定された地層特性に基づいてジオステアリング、つまり方向性掘削を実行できるようになります。 ^{[引用が必要]}

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コンパクトで、安価で、信頼性が高く、改造されていないドリル カラーを通して測定できるためです。他の測定には、内部ワイヤを介して MWD ツールと通信する別の LWD ツールが必要になることがよくあります。^{[引用が必要]}

掘削中の測定は、探査井、特にメキシコ湾の塩性ダイアピルの領域に井戸を掘削する地域では、費用対効果の高いものになります。抵抗率ログは塩への浸透を検出し、早期検出によりベントナイト掘削泥への塩害を防ぎます。^[要出典]

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。掘削孔では、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) 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、地表で圧力センサーから受信されます。地表では、受信した圧力信号がコンピューターで処理され、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]

正の脈拍

正パルスツールは、バルブを短時間開閉することで、掘削パイプ内の泥流を制限します。これにより、地表で確認できる圧力の上昇が発生します。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]

負の脈

負のパルスツールはバルブを短時間開閉し、掘削パイプ内部の泥を環状部に放出します。これにより圧力が低下し、地表で確認できます。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、バルブを徐々に開閉して掘削流体内に正弦波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、キャリア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]

バランスの取れていない掘削では、泥パルステレメトリーが使用できなくなる場合があります。これは通常、掘削泥の等価密度を下げるために、圧縮性ガスが泥に注入されるためです。これにより、信号が大きく減衰し、泥がパルスデータを伝送する能力が大幅に低下します。この場合、地層を伝搬する電磁波や有線ドリルパイプテレメトリーなど、泥パルステレメトリーとは異なる方法を使用する必要があります。^{[引用が必要]}

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長くなるにつれて低下し、通常は深さ35,000フィート～40,000フィート（10,668メートル～12,192メートル）で0.5ビット/秒^[12]～3.0ビット/秒^[11]（ビット/秒）まで低下します。

地上から坑内への通信は、通常、掘削パラメータの変更、つまりドリルストリングの回転速度の変更や泥流速度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ある場合があり、非生産時間が発生するため好ましくありません。^[要出典]

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、良導体 (塩水) を介してデータを受信するという課題があるため、このアプローチは主に浅い塩水帯水層のない陸上地域に限定されています。データを送信するために、ツールは上部 (絶縁体の上にあるメインのドリルストリング) と下部 (MWD ツールの絶縁体の下にあるドリルビットとその他のツール) の間に異なる電圧差を生成します。地表では、ワイヤが坑口に接続され、地表のドリルパイプと接触します。2 つ目のワイヤは、少し離れた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、コンピューターによってデコードされる受信信号です。^{[引用が必要]}

EM ツールは、非常に低い周波数 (2～12 Hz) の波のパターンでドリルストリングセクション間の電圧差を生成します。データはデジタル変調によって波に反映されます。^{[引用が必要]}

このシステムは通常、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、同様に地表からデータを受信することもできますが、泥パルス ベースのツールは、ドリル ストリングの回転速度や泥の流量などの掘削パラメータの変化を利用して、地表からダウンホール ツールに情報を送信します。

広く使用されている泥パルステレメトリーと比較すると、電磁パルステレメトリーは、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、陸上の特殊な状況でより効果的です。陸上では、浅い掘削深度でデータをより速く送信できます。ただし、通常、非常に深い井戸を掘削する場合は不十分であり、信号は特定の種類の地層で急速に強度を失い、深さ数千フィートで検出できなくなります。^{[引用が必要]}

有線システムは数十年にわたって試験的に導入されており、ロシアでは 1960 年代にシステムが使用されていたが、現在、いくつかの油田サービス会社が有線ドリルパイプ システムを開発している。これらのシステムでは、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える。これらのシステムは、ダウンホール ツールから地表へ、また地表からダウンホール ツールへの両方で、マッド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データ伝送速度を約束する。1メガビット/秒を超えるデータ速度を提供する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により、これはマッドパルスと比較するとニッチな技術となっている。

MWD ツールは、ドリル カラーに半永久的に取り付けられている場合 (サービス施設でのみ取り外し可能) もあれば、自己完結型でワイヤラインで回収可能な場合もあります。^{[引用が必要]}

回収可能なツールは、スリム ツールとも呼ばれ、ドリル ストリングを通したワイヤーラインを使用して回収および交換できます。これにより、通常、故障した場合にツールをはるかに迅速に交換でき、ドリル ストリングが動かなくなった場合にツールを回収できます。回収可能なツールははるかに小さく、通常は直径約 2 インチ以下ですが、長さは 20 フィート (6.1 m) 以上になる場合があります。ツールがドリル ストリングに収まるためにはサイズが小さい必要がありますが、ツールの機能も制限されます。たとえば、スリム ツールはカラー マウント ツールと同じ速度でデータを送信できず、他の LWD ツールとの通信機能や電力供給機能も制限されます。^{[引用が必要]}

カラーマウントツール（ファットツールとも呼ばれる）は、通常、掘削現場でドリルカラーから取り外すことはできません。ツールが故障した場合、ドリルストリング全体を穴から引き抜いて交換する必要があります。ただし、ドリルストリングに収まる必要がないため、ツールはより大きく、より高性能になります。^[要出典]

ワイヤーライン経由でツールを回収する機能は、多くの場合便利です。たとえば、ドリルストリングが穴の中で動かなくなってしまった場合、ワイヤーライン経由でツールを回収すると、ドリルストリングが動かなくなった部分を残したまま穴の中に残しておく場合に比べて、かなりの費用を節約できます。ただし、このプロセスにはいくつかの制限があります。^[要出典]

ワイヤーラインを使用してツールを回収する方が、必ずしも穴からツールを引き出すより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 ジョイント、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) の深さで故障した場合、ワイヤーラインを取り付けてツールを回収するよりも、穴からツールを引き出す方が一般的に速くなります。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そうです。^{[引用が必要]}

ワイヤーライン回収には、さらなるリスクも伴います。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落ちてしまいます。通常、ツールと、ツールが収まっているドリルストリングのコンポーネントに深刻な損傷が生じ、ドリルストリングを穴から引き抜いて故障したコンポーネントを交換する必要があります。その結果、最初から穴から引き抜くよりも総コストが高くなります。ワイヤーライン ギアがツールにラッチしなくなる場合もあり、深刻な故障の場合は、ツールの一部しか地表に出てこないこともあります。この場合、ドリルストリングを穴から引き抜いて故障したコンポーネントを交換する必要があり、ワイヤーライン作業は時間の無駄になります。^[要出典]

一部のツール設計者は、回収可能な「スリム ツール」設計を採用し、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 ツール設計のすべての制限 (低速、ほこりの粒子に引っかかる可能性、衝撃と振動に対する耐性の低さ) を維持し、利点はまったくありません。不思議なことに、これらのツールは、プレートで持ち上げられ、取り扱われるにもかかわらず、ワイヤーラインのスピアポイントがまだ残っています。

• ミッチェル、ビル (1995)。『上級油井掘削エンジニアリング 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  。

• ジオステアリング

• ウィキメディア・コモンズの掘削中の測定に関連するメディア