Antenna structure and a method of manufacturing the same

【発明の詳細な説明】 本発明は地表面下の深い所に位置している送信機に用いることを意図し、石油探査に使用されるドリルストリングの一部を形成するドリルカラーの外部表面に装着した金属製スリーブを具備するアンテナ構造物とその製造方法に関するものである。

先行技術において石油埋蔵量の探索を行なうに際しては、掘穿鉱井の底部に位置しているセンサーが供給する情報を地表面の現場制御小屋に伝送することが望まれており、該情報は鉱井底部の圧力、泥の密度、温度又はその他の有用なパラメータに関するものである。 従って、
掘穿パイプストリングのドリルカラーに内蔵されている送信機から信号を伝送するための方式が開発されていた。

送信用アンテナとしての使用については、先行技術の１
つの方式は、実際のドリルカラーの一部分で形成されている金属製構成部材を利用しており、該金属製構成部材はドリルカラーから絶縁されており、該ドリルカラーに絶縁物質で制作されている機械的接続部材によって接続されている。

例えば１９６９年にクラリース氏（Ｍｒ．Ｃｌａｒｉｓ
ｓｅ）がリール大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌ
ｉｌｌｅ）に提出した論文には掘穿パイプストリングを最後のドリルカラーでのレベルで２部分に分割することを提案しており、該２部分は絶縁物質で制作されているブリッジで分離されており、該２部分間には特定周波数の交流電位差が確立されている。 ドリルカラーの下部はアンテナの一部を形成しており、しかしてドリルカラーの上部は螺子継手によって上部ドリルパイプに接続され、１本の軸を構成し、外輪は地表に向かって、掘穿鉱井の底部に位置している遠隔測定センサーが供給する信号の遠隔伝送ができる電磁波を輻射し且つ案内している。

この種の方式はまたオイルアンドガスジャーナル（Ｏｉ
ｌ ＆ Ｇａｓ Ｊｏｕｒｎａｌ）と称する技術雑誌に１９８３年２月２１日に発表の「第二世代ＭＷＤツール」（“Ｓｅｃｏｎｄ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＭＷＤ
Ｔｏｏｌ”）と題する論文にも、特にこの出版物の８
６ページの最後の欄にも見出される。

しかしこの方式の非常な不利点はドリルカラーの２つの金属部分間に絶縁接続を行なうためには、フープ又は絶縁ブリッジを使用することが必要であり、該フープ又は絶縁ブリッジは公知のようにかなりのねじりせん断力を受けるドリルカラーの機械的強度を減じる。

もう１つの公知のアンテナ方式は切断薄板金又は極端に目の細かい金網で制作されている金属スリーブを具備しているものであるが、該金属スリーブは電気的に絶縁されている方法でドリルストリングのドリルカラーにエポキシ樹脂のような適切な接着剤によって接続されている。 従って、アンテナの金属スリーブは絶縁されている方法でドリルカラーのまわりに装着されており、ドリルカラーからエポキシ樹脂のような接着剤の層によって分離されている。 しかしこの金属スリーブは掘穿穴の底部において特に鉱井壁との接触からのかなりの摩擦を受ける。 従って、該スリーブはドリルカラーと同じ材質のもので制作しなければならないし、十分な厚み、即ち、１
センチに近く、最低約８ミリ、のものでなければならない。 この構造で問題となるのはアンテナの金属スリーブが非常に剛性があるので、その向かい合っている軸方向端部においてドリルカラーが掘穿中に受ける曲げ振動の結果としての歪によってドリルカラーから離層することになる。 そこで金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部は接着剤から分離する傾向があり、それが金属スリーブとドリルカラーとの間に掘穿泥水が浸透する可能性が生じ、それに加えて電気的に絶縁損失を生じる。

本発明の目的は耐摩耗性を保持し、しかも絶縁接着剤層によって取付けられているドリルカラーが受ける曲げ応力を収容できるようにたわみ性を保っているアンテナ構造物を提供することにある。

本発明の他の目的はアンテナの一部を形成している金属スリーブを具備し、該スリーブの向かい合った軸線方向の端部を金属スリーブに供給される交流の短絡が防止できるようにドリルカラー上に配設されたアンテナ構造物を提供することにある。 この問題を防止するために、アンテナの一部を形成している円筒金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部が円筒金属スリーブとドリルカラーとの間に配設されている絶縁外装の向かい合っている軸線方向端部から軸線方向に十分な距離を離間されていなければならないということが判明した。 従って、円筒金属スリーブをドリルカラーの外部表面の凹所に装着したとき、絶縁外装は１乃至６メートルの長さの円筒金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部を越えて約５０センチ延伸させなければならないことが分かった。

円筒金属スリーブの向かい合っている端部を越えて十分な長さの絶縁外装を設置すれば、鉱井と掘穿カラーの表面と側部間の空間を循環する掘穿泥水を介する短絡による電流漏洩問題を最小限とすることができ、掘穿泥水は一般的に１メートル当り、０．３乃至３オームの電気抵抗を特性とするものである。 しかし絶縁外装はエポキシ接着剤のような接着剤で必然的に構成されているので、
円筒金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部を越えている絶縁外装の露出部は強度を耐摩損性が鋼製ドリルカラーに比較して劣っているために、鉱井壁に対する摩耗とこすりつけによって損傷を受ける。 他方絶縁外装が円筒金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部を越える距離がミリメートルに減じた場合また円筒金属スリーブのちょうど向い側の穿孔井戸壁の土地の電気抵抗が、例えば１メートルにつき約１００オームといった比較的高い場合、電流の殆ど前部がドリルカラーとの短絡で浪費され、その結果電磁波伝送が不可能な状態となる。

本発明の目的の１つはアンテナの一部を形成している円筒金属スリーブの向かい合っている軸線方向端部を越えて延伸しているドリルカラー上の接着剤被覆の露出表面に摩耗を減じることにある。

前述の目的は円筒金属スリーブのそれぞれ向かい合っている軸線方向端部と円筒金属スリーブとドリルカラーとの間に配設させた絶縁外装の直面している向かい合っている軸線方向端部との間に複数の金属リングを設置することにより達成され、該リングは互いに円筒金属スリーブから、ドリルカラーから電気的に絶縁される。 金属リングの互いの絶縁及びドリルカラーからの絶縁は絶縁外装に該リングを埋込むことによって行なうことができる。 金属リングは露出している絶縁外装の摩耗を保護し、しかも絶縁外装が電流漏洩を防止するという機能に関して絶縁外装の特性に影響を及ぼすものではない。

本発明の他の目的はドリルカラーの曲げに随従して湾曲し且つドリルカラーに固着している絶縁外装から分離しないように十分な弾性を円筒金属スリーブに与えることにある。 円筒金属スリーブは円周方向に延伸している複数の半円形のスロットを設けることにより弾性的に形成されている。 スロットは円筒金属スリーブの半径方向の内面から該スリーブの半径方向の外面に延伸することができ、円筒金属スリーブの厚みを介して部分的に延伸することができる。 本発明の１つの実施態様によれば、スロットは直径方向に向かい合った複数の対で配置されており、各対はドリルカラーの長さに沿って軸線方向に離間した状態になっている。 スロットの対はスロットの各対が各近接対のスロットから角度的に片寄らせられている状態で配置することができる。 スロットはスロットの１対おきの端部が軸線方向に整合されている状態で配置することができる。 本発明のもう１つの実施態様によれば、スロットの各対は近接対のスロットから９０°の角度で片寄らせることができる。 更にスロットの軸方向の幅は円筒金属スリーブの半径方向の厚みの約１／８、例えば、１ミリとすることができる。 各対のスロットは近接対のスロットから３０乃至５０ミリのような軸線方向へのスロットの幅の４０乃至６０倍に等しい軸線方向への距離だけ離間させることができる。

本発明の１つの特徴によれば、４乃至６個の金属リングを円筒金属スリーブの向かい合っている軸方向端部と絶縁外装の対応している軸方向端部との間に設置することができる。 金属リングの軸線方向の幅は約１０センチにすることが可能であり、該金属リングは互いに約３ミリの距離だけ離すことができる。

本発明はドリルカラー内に配設され且つドリルカラーを介して円筒金属スリーブまで延伸している絶縁ケーシングに嵌入されている心線によって接続されている送信機により鉱井の底部における送信機から地表面に信号を伝送するためのアンテナ構造物を提供することにある。 このアンテナ構造物は、円筒金属スリーブのたわみ性と円筒金属スリーブの絶縁外装からの分離防止とによって達成され、それによって円筒金属スリーブとドリルカラーとの間の短絡が防止される。

本発明の他の目的はアンテナ構造物の製造方法を提供することにある。 この方法は絶縁物質のスペーサリングの使用を含んでおり、該スペーサリングは円筒金属スリーブとドリルカラーとの間に軸線方向に沿って離間された間隔で配設されている。 スペーサリングはドリルカラー内の円周方向に延伸している溝に離間して嵌入することができ、しかして絶縁リングは近接対の金属リングの軸線方向の端部間と円筒金属スリーブの軸線方向の端部と近接金属リングとの間とに設置することができる。 本発明による方法は取外し可能なケーシングを備え、該ケーシングは金属リングとドリルカラーとの間の空間並びに円筒金属スリーブ内の円周方向に延伸しているスロットによって形成されている空間、及び円筒金属スリーブとドリルカラーとの間の空間に注入されたエポキシ樹脂を閉じ込めるために該ドリルカラーのまわりに取付けられている。

以下に本発明の実施例を添付図面について詳述する。

本発明は第１図に示す先行技術のアンテナ構造物を改良したものであって、第１図において、ドリルカラー１の縦断面には剛性金属スリーブ２を備え、該金属スリーブ２は絶縁導線（図示せず）によって、ドリルカラー１の内部に内蔵されている送信装置（図示せず）に電気的に接続されている。 剛性スリーブ２はドリルカラー１と同じ材質のもので製作されており、該ドリルカラー１内の向かい合った軸線方向肩部４、５により形成された凹所３に固着されている。 スリーブ２はその内径が凹所３を形成しているドリルカラー１の外径よりも大である。 スリーブ２はエポキシ樹脂のような絶縁接着剤層によって凹所３を形成しているドリルカラーの外面から一定の間隔に位置しており、該絶縁接着剤層は凹所３の肩部４とスリーブ２の対応している軸線方向端面との間を形成している長さＬ _１の円筒空胴及び肩部５とスリーブ２の対応している軸線方向端面との間を形成している長さＬ _２
の円筒空胴をも充填している。 従って、アンテナの一部を形成しているスリーブ２はドリルカラー１から完全に絶縁されており、掘削泥水が充満している環状間隙９によって掘削井戸の壁を形成している岩層８から離れている。 矢印６と７で示したように、スリーブ２とドリルカラー１との間に電流漏洩が発生する。 従って、スリーブ２とドリルカラー１との間の短絡を防止するためには、
長さＬ _１とＬ _２を十分な値、例えば５０センチの値に維持することによって漏洩電流を最小限まで減じなければならない。 この先行技術の構造はスリーブ２の十分なたわみ性を備えていないし、更に絶縁接着剤の露出部が摩耗を受け、これが絶縁接着剤の摩損となり、最終的には漏洩電流が増加する。 例えば、スリーブ２の軸線方向端部を越えて突出している露出絶縁物質の長さが数ミリメートルまで減じられた場合、また、スリーブの向い側の岩層の電気抵抗が、例えば約１００オーム／毎メートルといった比較的に高い場合に殆ど前部の電流がドリルカラーと短絡によって浪費されて、電磁波伝送の損失となる。

本発明による改良されたアンテナ構造物を第２図の一部縦断正面図に示す。 本発明の改良されたアンテナ構造物は軸線方向に延伸し且つそのなかに送信機（図示せず）
を支持するようにしてあるドリルカラー11と、ドリルカラー11のまわりに配設して送信機に電気的に接続させ且つ直径がドリルカラーの直径よりも大で軸線方向の長さがドリルカラーの軸線方向の長さよりも短い電磁波伝送用のアンテナの一部を形成する円筒金属スリーブ12と、
円筒金属スリーブ12と掘穿カラー11との間に配設され且つ軸線方向長さが円筒金属スリーブ12の軸線方向よりも長い絶縁外装と、円筒金属スリーブ12の対向端間と絶縁外装の対向端間に配設され且つ互いに且つ円筒金属スリーブからとドリルカラーとから電気的に絶縁されている複数の金属リング15、16とから構成されている。 円筒金属スリーブ12に大きなたわみ性をもたせるために、複数の半円形円周延伸スロットが円筒金属スリーブ12に設置されている。 円周延伸スロットを具備している円筒金属スリーブ12については第３図乃至第５図に関して詳細に説明する。

第２図に示すように、ドリルカラー11はドリルカラー11
の直径が広くなっている部分で形成されている円筒状補強部13を具備しており、該円筒状補強部13は凹所３の下部肩部14を形成している上部軸線方向端部を有し、該凹所３のなかに円筒金属スリーブ12と金属リング15、16とが受け入れられている。 金属リングは複数の第１金属リング15が金属スリーブ12の一方の軸線方向端部と肩部14
との間に配設され、第２複数の第２金属リング16が金属スリーブ12の他方の軸線方向端部とねじのような適切な手段によってドリルカラー11に取外し自在に取付けられている上部固着カラー17との間に配設されている状態で配置されている。 絶縁外装は円筒金属スリーブ12と金属スリーブ15、16をドリルカラー11に接着しているが、絶縁外装はエポキシ樹脂で構成することができ、該エポキシ樹脂は金属リングを互いに分離し、円筒金属スリーブ
12から分離している隙間並びに円筒金属スリーブ内の円周方向に延伸しているスロットを形成している空間に浸透する。 しれでドリルカラー11に接合している樹脂の分離が防止され、金属リング15、16は円筒金属スリーブ12
の向かい合っている軸線方向端部を越えて延伸している露出絶縁樹脂の摩耗による分離と摩損が防止される。 このように、本発明の改良されたアンテナ構造物は円筒金属スリーブの下側又は絶縁外装の下側に掘穿泥水が侵入するのを防止し、それによって円筒金属スリーブとドリルカラーとの間の短絡が防止される。

上部固着カラー17は複数の金属リング15、16と円筒金属スリーブ12とをドリルカラーに沿って摺動させるための機構から成っている。 従って固着カラー17を取外した状態で、下部金属リング15をドリルカラー上にすべり込ませることができ、つづいて円筒金属スリーブ12と上部金属リング16とを摺動させることができる。 本発明の１実施例によれば、第１金属リング15の数は４乃至６個とすることができ、第２金属リング16の数は、４乃至６個とすることができる。 金属リング15、16は、それらの軸線方向の軸を８乃至10センチとすることができ、該リングを互いに分離する隙間は１乃至３ミリとすることができる。

第３図乃至第５図に関して円周方向に延伸しているスロットについて説明する。 第３図に示すように、複数のスロットが直径方向に向かい合っている複数対で配置されており、各対は軸線方向に離間された状態となっている。 各対のスロットは近接対のスロットから角度的に片寄らせることができ、１対ごとのスロットの端部は軸線方向に整列させることができる。 特に、第３図は１対のスロットのうちの１個のスロット18のみを示しており、
該スロット18の軸線方向端部は別のスロット20の端部と軸線方向に整列している。 １対のスロット19、19′はスロット18と20との間に軸方向に離間しており、それらスロット18、20から角度的に片寄っている。 スロット19、
19′の端部は軸線方向において他方の１対のスロット2
0、20′の端部と整列している。 第２図に示すように、
円周方向に延伸しているスロットは複数の半円形リング
23を形成しており、該リング23は第４図及び第５図に示すように軸線方向に延伸しているブリッジ22、22′によって互いに接続されている。 前記スロットは円筒金属スリーブの半径方向の内部表面から該スリーブの半径方向の外部表面に延伸することができるが、該円筒金属スリーブの厚さを介して部分的にのみ延伸するスロットを備えることも可能である。 しかし、みぞが円周方向に延伸する距離は接続ブリッジを備えるために限定されていて、接続ブリッジの円周方向への長さはドリルカラーの曲げによるせん断に耐えるのに十分なものである。

第４図は軸線方向に垂直でスロット18を通る平面の断面であり、第４図から分かるように、スロット18′はスロット18と直径方向に向かい合っている。 同様にブリッジ
22′はブリッジ22と直径方向に向かい合っている。 第５
図は第４図に示したものと同様の図である。 ただし、第５図は１対のスロット21、21′に沿った断面である。 この図から分かるように１対のブリッジ22、22′がスロット21、21′の端部を分離している。

次に、金属リング15、16と円筒金属スリーブ12をドリルカラー11に装着する好ましい方法に関して説明する。 円筒金属スリーブ12のリング23と金属リング15、16をドリルカラー11の外部表面と同心的に維持するために、絶縁物質の複数のスペーサリング24を備えているが、該スペーサリング24はドリルカラーの軸線方向に沿って離間した間隔で配設されている。 前記スペーサリング24はプラスチック材質で製作することができ且つドリルカラー内に対応して形成されているみぞに嵌合できる。 プラスチック製スペーサリング24は金属リング15、16と円筒金属スリーブ12をドリルカラーの外部表面から僅かに１ミリの距離だけ離間させることができる。 前記スペーサリング24は軸線方向に沿って離間された間隔で配設することができ且つ円筒金属スリーブとドリルカラーとの間に円周方向に延伸しているスロットに対応する位置に嵌入させることができる。 更に、スペーサリング24は金属リング15、16の近接軸線方向端部に対応する位置に配設することができ、また円筒金属スリーブの向かい合った軸線方向端部に対応する位置にも配設することができる。 第６図に示すように、スペーサリング24の１つは、肩部14
に面する金属リングの端部に対応する位置に備えることができ、同様にスペーサリング24の１つは固着カラー17
に面する金属リングの軸線方向端部に近接して備えることができる。 前記スペーサリング24に加えて、絶縁リング25が肩部14に面する金属リング16の軸線方向端部間並びに固着カラー17に面する金属リング15の軸線方向端部間に備えられている。 第６図に示すように、座金26が金属リング15、16の近接軸線方向端部間に備えられている。 絶縁リング25は適切なプラスチック材料で製作することができ、また座金は商標ＶＩＴＯＮとして公知の材料のようなエラストマーで製作することができる。 第９
図に示すように、スペーサリング24はそのなかに複数の凹所33を具備しており、該凹所33はその向かい合った軸線方向端部間に延伸して絶縁外装を形成する接着剤またはその他の物質の通路となるが、それはそのような物質が円筒金属スリーブ12とドリルカラーの外部表面との間に注入されたときであり、またそのような物質の金属リング15、16とドリルカラー11の外部表面間の通過を可能にしているときである。

次に、金属リング15、16と円筒金属スリーブ12のリング
23とをドリルカラー11内の凹所３に絶縁させる方法で接着させる好ましい方法について説明する。 金属リング1
5、16と円筒金属スリーブ12をドリルカラー11の凹所３
に嵌入させた後、固着カラー17をドリルカラーに固着させる。 その後、金属リング15、16と円筒金属スリーブ12
をの間に空間を有するケーシング円筒体27で被覆する。
ケーシング円筒体27は亜鉛のような薄板金で製作することができ、しかしてケーシング円筒体27の内径は円筒金属スリーブ12と金属リング15、16の外径よりも大である。 薄板金をはんだ付けして接合してケーシング円筒体
27を形成させることができ、又は何枚かの薄板金を２個の長手方向クランプに螺着させることによる適切な方法で取付けることができる。 亜鉛ケーシング円筒体27の向かい合っている軸線方向端部はそれぞれリング28にはんだ付けされ、該リング28はドリルカラー11の外部表面と締り嵌めを形成している。 リング28はドリルカラー11の外部表面に対して第２リング28と不浸透性の円環体接合部材30によってシールされており、該円環体接合部材30
は該リング28のカム表面と該第２リング29の平坦表面間に嵌合しており、該リング29は第７図に示すようにねじ
31のような適切な手段によって、該リング28に対して、
その間を不浸透性の円環体接合部材30で締付けられている。 ケーシング円筒体27は半径方向に外側に延伸しているノズル32を具備しており、該ノズル32はエポキシ樹脂が種々の組立てられた金属構成部間のすべての空間に注入されるように適切な貯蔵容器からエポキシ樹脂を吸い出すための真空を発生させるのに用いられる。 ノズル32
は円筒ケーシング27にはんだ付け又はその他の適切な手段で取付けることができる。 スペーサリング24内の半円形凹所33はエポキシ接着剤をドリルカラー11に沿ってドリルカラー11と円筒金属スリーブとの間並びに金属リング15、16との間に分散させる。 接着工程が完了したとき、締結クランプをゆるめるか又はケーシング円筒体27
の長手方向はんだ付け接合部を破壊して、該接合部をドリルカラー11から取外す。 引続いて、ドリルカラー11の研磨及び平衡保持のような通常の仕上げ手順を行なうことができる。

以上、本発明を添付図面に関する例で十分に説明したが、種々の変更及び修正が本発明の範囲を逸脱しない場合に限り、本発明の範囲内で行なうことができる。 例えば、各対のスロットが近接対のスロットから角度的に９
０°片寄らせられて示されているが、各対のスロットを各近接対のスロットから異なった角度方向で片寄らせることができる。 更に円周方向に延伸しているスロット間の距離と金属リング15、16の近接端部間の距離は上記の特定した値と異ならすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は掘穿穴内の従来技術のドリルカラーの縦断面図、第２図は本発明のアンテナ構造物を具備しているドリルカラーの縦断面図、第３図は本発明のアンテナ構造物の一部を構成している円筒金属スリーブの一部分の斜視図、第４図は第３図に示した円筒金属スリーブの横断面図、第５図は第４図と同様の横断面図であるが、円筒金属スリーブの長さに沿った異なった点での横断面図、
第６図は円筒金属スリーブの一方の軸線方向端部とドリルカラーの肩部との間に配設されている状態を示す本発明の金属リングの水平断面図、第７図は本発明のアンテナ構造物のまわりに絶縁接着剤を閉じ込めるために使用する本発明によるケーシングを示すドリルカラーの軸線方向に沿った一部断面図、第８図は本発明のケーシングに取付けられているノズルを示すドリルカラーの軸線方向に沿った水平断面図、第９図は絶縁材料で製作されているリングの平面図である。 ３……凹所 11……ドリルカラー 15、16……金属リング 18、18′、19、19′、20、21、21′……スロット 24……スペーサリング 26……座金 33……凹所