JP4732466B2 - 温度補正歪み測定 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には地下のパラメータをモニタする方法およびシステムに関する。特に、本発明は、地中内部の歪みをモニタする方法およびシステムに関する。

地中内部の歪みの変化をモニタするのに、しばしば体積歪み計が用いられる。体積歪み計は、地下のストレスまたは歪みの小さな変化を測定するのに用いられるセンサの中で最も感度が高いと考えられている。図１に示した一般的な歪み計１００は、地層中に挿入され、地下構造のストレスをモニタすることができる。歪み計１００は、流体で満たされたチャンバ１０４を囲むハウジング１０２、 キャピラリチューブ１０６、およびキャピラリチューブ１０６に接続された差動トランスフォーマ１０８を含む。キャピラリチューブ１０６は、チャンバ１０４と流体移動可能である。差動トランスフォーマ１０８は、地質構造のストレスがチャンバ１０４を圧縮して変形させたときにチャンバ１０４から流出または移動してくる流体の体積を測定する。

しかし、チャンバ１０４から移動してくる流体の体積が差動トランスフォーマ１０８のキャパシティをこえると、チャンバ１０４と流体移動可能な量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブ１１０が開き、アルゴンガスで満たされたオーバーキャパシティチャンバ１１２にチャンバ１０４から流体が入るようにする。オーバーキャパシティチャンバ１１２内に入ることができる流体の体積は、一定または量子化されており、歪み計は、オーバーキャパシティの状態になった回数をカウントおよび記録する。そのため、チャンバ１０４からオーバーキャパシティチャンバ１１２内に移動した流体の総量は簡単に決定される。

チャンバ１０４の流体体積Ｖは、

と表される。
ここで、Ｄはチャンバの内部直径；およびＬはチャンバの内部長さである。
そのため、歪みによる直径変化Ｄ_１からＤ_２において、体積変化ΔＶは、

となる。従って、歪み計１００の感度は、その直径および長さにより支配され、歪みはチャンバ１０４から移動する流体の体積を測定することにより決定することができる。

チャンバ１０４内の流体は、しばしばシリコンオイルである。シリコンオイルの熱膨張係数αは、約９．５×１０^−４である。そのため、温度変化による歪みは、

となる。
しかしながら、体積歪みを１０^−１２オーダー（地下のオイルフィールドアプリケーションに共通して考えられている分解能）で測定するためには、要求される温度の安定性は、

より小さくなるべきである。

温度安定性を１０^−９（℃）に保つのは困難または不可能であり、歪み計の温度がそのようなオーダー内であることを立証することすら不可能である。そのため、歪み計１００には、図１に示すように、流体温度を測定して温度変化による流体の熱膨張を補正するために熱電対１１４が取り付けられる。現在、可能な温度測定の最も高い分析能は、約１／１０００℃である。これは、歪み計の分析能の１０^−６のオーダーに対応する。しかし、長期間の地下でのモニタでは、温度変化に対する最も高い分析能は約１／１００℃であり、歪みの測定を１０^−９オーダーとするには、かなりのオーダー分低い。

さらに、もし歪みの測定における熱による流体膨張を補正するのに十分正確な１０^−９オーダーで温度を測定することができたとしても、熱電対１１４は、流体の部分的な温度を測るだけである。温度は、チャンバ１０４にわたって分散しており、測定された温度は熱電対における温度である。流体の熱膨張は、チャンバ１０４にわたる実際の平均温度、またはすべての流体体積の熱膨張の積み重ねである。従って、体積歪み計の温度に対する感度を低減させ、さらに温度依存性をストレスの変化から分離させることが重要である。

本発明は、上述した問題の一つ以上の影響を克服、または少なくとも低減することにある。

本発明は、上述した要求等に合致する。とくに、本発明は、地下のパラメータをモニタする方法および装置を提供する。この方法および装置は、地下のストレスまたは歪みを測定し、温度変化に対して補正する。

本発明の第１の態様によれば、流体の膨張を用いて温度変化に対する補正を行い、地中の歪みの変化を測定する方法を含む地下のパラメータをモニタする方法が提供される。この方法は、第１の熱膨張係数を有する第１の流体の地質構造のストレスに応じた流体体積の変化を測定すること、第１の熱膨張係数より大きい第２の熱膨張係数を有する第２の流体の流体体積の変化を測定すること、温度に対する第１の流体の流体体積の変化の測定を第２の流体の流体体積の変化の測定を用いて補正すること、を含むことができる。前記第２の熱膨張係数は、少なくとも前記第１の熱膨張係数の２倍から７倍より大きくすることができる。前記第１の流体は、水、水銀、およびグリセリンからなるグループから選択され、前記第２の流体は、アルコール、ベンゾール、アセトン、エーテル、およびシリコンオイルからなるグループから選択されることができる。従来の熱電対で行われているように部分的な温度変化だけでなく、実際の平均温度変化に対する補正に前記流体の膨張が用いられる。

本発明のいくつかの態様によれば、この方法は、歪みを測定するのに用いられる第１の流体の体積を、温度に対する補正に用いられる第２の流体の体積より少なくすること、を含むことができる。前記少なくすることは、第１の流体の容器に固体の物体を挿入して流体の膨張を減少させることを含むことができる。

本発明のいくつかの態様によれば、この方法は、第１の体積の流体を含み、歪みに対する感度を有する第１の流体チャンバを提供すること、第２の体積の流体を含み、歪みに対する感度を有しない第２の流体チャンバを提供すること、地質構造のストレスに応じて前記第１の流体チャンバから流出する流体を測定すること、温度変化に応じた前記第２の体積の流体の膨張を測定すること、測定された前記第２の体積の流体の膨張により、測定された前記第１の流体チャンバから流出した流体を温度に応じて補正すること、を含む。前記第１および第２の流体チャンバ中の前記流体は同じまたは異ならせることができる。たとえば、前記第１の流体チャンバ中の前記流体は、前記第２の流体チャンバ中の前記流体よりも低い熱膨張係数を有することができる。

いくつかの態様によれば、この方法は、第１の外部サイズであって、歪みに対する感度を有し、第１の体積の流体を含む第１の流体チャンバを提供すること、前記第１の外部サイズであって、歪みに対する感度を有し、前記第１の体積の流体よりも小さい第２の体積の流体を含む第２の流体チャンバを提供すること、歪みおよび温度変化に対する前記第１の体積の流体の前記第１のチャンバからの流出を測定すること、歪みおよび温度変化の部分に対する前記第２の体積の流体の前記第２のチャンバからの流出を測定すること、前記第２のチャンバにおける温度変化による前記部分的な流出変化を用いて、温度に対する歪みを補正すること、を含む。この方法はまた、第１の物体を前記第１のチャンバに挿入することにより、前記第１の体積の流体を減少すること、第２の物体を前記第２のチャンバに挿入することにより、前記第２の体積の流体を減少すること、を含むことができる。

この方法の他の態様によれば、地質構造のストレスに対する感度を有し、第１の体積の流体を含む第１の流体チャンバを提供すること、地質構造のストレスに対する感度を有さず、前記第１の流体チャンバと同心で、第２の体積の流体を含む第２の流体チャンバを提供すること、歪みおよび温度変化に対する前記第１の体積の流体の前記第１の流体チャンバからの流出を測定すること、温度変化に対する前記第２の体積の流体の前記第２の流体チャンバからの流出を測定すること、温度変化による前記第２の体積の流体の前記測定された流出を用いて、温度に対する歪みを補正すること、を含む。前記第１の体積は、前記第１および第２のチャンバの間の環により規定されることができる。

本発明の他の態様によれば、地下の歪みを測定する方法を提供する。この方法は、体積歪み計の第１のチャンバを第１の流体で満たすこと、前記体積歪み計の第２のチャンバを第２の流体で満たすこと、地質構造のストレスに応じて前記第１のチャンバから流出する流体の体積を測定すること、温度変化による前記第２の流体の流体膨張を測定すること、前記第２の流体の膨張測定を用いて、前記第１のチャンバから流出する前記第１の流体の測定を温度変化に応じて補正すること、を含む。第１のチャンバは、歪みへの感度を有するチャンバを含むことができ、第２のチャンバは、歪みへの感度を有しないチャンバを含む。

本発明の他の態様によれば、地下のパラメータをモニタする他の方法が提供される。この方法は、体積歪み計により地中の歪みの変化を測定すること、熱電対を用いることなく温度変化に対する補正を行うこと、を含む。温度に対する補正を行うことは、分離された流体の体積の流体膨張を測定することを含むことができる。前記歪みの変化を測定することは、地質構造のストレスおよび温度変化に対する、第１の熱膨張係数を有する第１の流体を含む第１のチャンバの流体の体積のキャパシティの変化を測定すること、地質構造のストレスおよび温度変化に対する、前記第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有する第２の流体を含む第２のチャンバの流体の体積のキャパシティの変化を測定すること、温度に依存しない歪みの体積を計算すること、を含むことができる。前記歪みの変化を測定することは、また、第１の流体を含み、歪みに対する感度を有する第１のチャンバの地質構造のストレスおよび温度変化に対する流体体積のキャパシティの変化を測定すること、第２の流体を含み、歪みに対する感度を有しない第２のチャンバの温度変化のみに対する流体体積のキャパシティの変化を測定すること、前記第１のチャンバにおいて測定された前記流体体積のキャパシティの変化から前記第２のチャンバにおいて測定された前記流体体積のキャパシティの変化を引くことにより、温度に対する補正がされた歪みの体積を計算すること、を含むことができる。

本発明の他の態様によれば、体積歪み計が提供される。この体積歪み計は、ハウジングと、第１の流体で満たされた歪み測定チャンバと、第２の流体で満たされた温度補正チャンバと、前記歪み測定チャンバから流出する流体を測定するために前記歪み測定チャンバに作用的に接続された第１の流体メータと、前記温度補正チャンバから流出する流体を測定するために前記温度補正チャンバに作用的に接続された第２の流体メータと、を含む。いくつかの形態によれば、前記歪み測定チャンバは、地質構造のストレスに応じて変形し、前記温度補正チャンバは、地質構造のストレスに応じて変形しない。前記第１および第２の流体は、同じ熱膨張係数を有することができる。

歪み計のいくつかの形態によれば、しかしながら、前記歪み測定チャンバおよび前記温度補正チャンバは、地質構造のストレスに応じて実質的に同じように変形し、前記第１および第２の流体は、公知の異なる熱膨張係数を有する。

体積歪み計のいくつかの形態によれば、歪み測定チャンバおよび前記温度補正チャンバの少なくとも一方は固体物体を含み、流体の環が前記固体物体と前記ハウジングとの間で規定される。歪み測定チャンバおよび前記温度補正チャンバの両方が固体物体を含む形態においては、これらの固体物体の直径を異ならせることができる。

体積歪み計のいくつかの形態では、前記温度補正チャンバは、前記歪み測定チャンバと同心である。前記温度補正チャンバは、前記ハウジングの内部に配置されることができ、前記歪み測定チャンバは、前記ハウジングと前記温度補正チャンバとの間に環を含むことができる。前記歪み測定チャンバは、区画されることができ、地質構造のストレスの方向を測定することができる。前記温度補正チャンバから前記歪み測定チャンバに伸びる複数の熱伝導フィンをさらに含むことができる。

体積歪み計のいくつかの形態によれば、量子化（定量化）されたオーバーキャパシティバルブ（a quantum-metered overcapacity valve）が前記歪み測定チャンバに流体移動可能に接続される。さらに、前記第１および第２の流体メータは、それぞれ、キャピラリチューブに接続された差動トランスフォーマを含むことができる。

本発明は、外部ハウジングと、地質構造のストレスによる変形耐性を有する補強された内部ハウジングと、前記外部ハウジングと前記補強された内部ハウジングとの間に配置された第１の流体と、前記補強された内部ハウジング中に配置された第２の流体と、前記第１の流体に流体移動ができるように接続された第１のキャピラリチューブと、前記第２の流体に流体移動ができるように接続された第２のキャピラリチューブと、前記第１のキャピラリチューブに接続された第１の差動トランスフォーマと、前記第２のキャピラリチューブに接続された第２の差動トランスフォーマと、を含む他の体積歪み計を提供する。歪み計は、前記第１の流体に流体移動ができるように接続された量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブと、前記外部ハウジングと前記補強された内部ハウジングとの間に配置された複数のパーティションとを含むことができる。複数のパーティションを含む形態において、内部ハウジングは、伝達される力による歪みに耐えるように補強されることができる。歪み計は、前記補強された内部ハウジング中に配置され、少なくとも前記内部ハウジングに伸びる複数の熱伝導フィンをさらに含み、各前記複数の熱伝導フィンは、流体が通る少なくとも１つの孔を含むことができる。熱伝導フィンは、外部ハウジングにより伝達されるすべての力を吸収することもできる。

本発明の他の態様は、流体膨張依存性を減らす方法であって、パラメータ測定装置の内部容積を維持すること、前記測定装置に固体の物体を挿入することにより前記測定装置の内部流体体積を減らし、内部流体の熱膨張を減らすことを含む方法を提供する。

本発明のさらなる利点および新たな特徴は、これ以降の記述に記載されており、または当業者がこれらの素材を読むことにより、または本発明を実施することにより学ぶことができる。本発明の利点は、付随する請求の範囲の意味から得ることができる。

付随する図面は、本発明の好ましい実施の形態を示し、明細書の一部である。以下の記述とともに、図面は本発明の本質を示す。

図面を通して、同じ番号は、同じ要素に限られないが、同様の要素を示す。

本発明の実施の形態および態様を以下に記載する。このような実際の実施の形態を開発する際には、数々の実行に特異な決定を行い、開発者の特異なゴール、たとえば、各実行ごとに異なるシステムに関するおよびビジネスに関する制約へのコンプライアンス等、を得る必要がある。さらに、このような開発の努力は複雑で時間がかかるが、本発明の開示の利点を享受する当業者にとっては日常的に行い得ることである。

本発明は、地中で変化するストレスまたは歪み等の地下のパラメータをモニタする方法および装置に関する。温度変化に対して補正をするとともにストレスまたは歪みを測定する様々な方法および装置に関する。好ましい方法および装置の実施の形態が以下に示され、とくにオイルフィールドへのアプリケーションによく適する。しかし、ここで示される方法および装置は制限されない。ここで示される方法およびシステムは、永久的な、または半永久的なプロダクション、またはＬＷＤ（logging while drilling）およびＭＷＤ（measurement while drilling）等の他のアプリケーションに適用することができる。広い意味では、ここに記載された技術は、すべての地下の特性の測定に適用することができる。

明細書および特許請求の範囲で用いられているように、「流体」という用語は、連続した、無定型の物質で、その分子が自由に動き互いに行き交いその容器の形を表し得るものであり、液体と気体の両方を含む。「膨張」は、初期の状態からサイズが増加または減少することを言う。サイズの減少は、マイナスの「膨張」を示す。「固体」は、ものごとの状態で、規定された形を有するものであり、中空でないものを意味する必要はない。「強化された」とは、強くされたことを意味し、構造的な配置、素材の選択、壁を厚くすること等により実行される。特許請求の範囲を含む明細書中で用いられる「含む」または「有する」という言葉（"including"または"having"）は、「備える」（"comprising"）と同じ意味を持つ。

地下のパラメータをモニタするためにここに示された方法およびシステムは、少なくとも２つの一般的な本質の記述を含む。この少なくとも２つの一般的な本質は、温度依存性を低減すること、および体積歪み計における温度変化を補正することを含む。温度補正の方法および装置は、さらに少なくとも２つの異なるワーキング流体を用いるシステムと、歪みに対する感度を有するチャンバと歪みに対する感度を有しないチャンバとを用いるシステムとに分類される。

背景技術で上述したように、地下のストレス-歪み測定は、体積歪み計により最も正確に検出される。それにもかかわらず、体積歪み計は、温度に依存する。そのため、正確なストレスまたは歪み測定を行うためには、温度変化に対する補正を行うかまたは少なくとも温度依存性を減少させることが重要である。ストレスと歪みは、弾性定数の機能により、弾性変形範囲内では互いに比例する。そのため、これ以降では、「歪み」または「ストレス」を個々に用いた場合でも、本開示のメリットを享受する当業者は、歪み測定からストレスを計算することやその逆の計算をすることが可能である。

いくつかの異なる材料の熱膨張係数の例を以下の表１に示す。一般的に、表１に示すように、固体の熱膨張係数は通常液体の熱膨張係数より１０の単位で小さい。

表１ 種々の材料の熱膨張係数

液体によって、熱膨張係数がかなり変化する。たとえば、水の熱膨張係数は、シリコンオイルの約１／５である。従って、体積歪み計の温度依存性を低減する一つの方法としては、ワーキング流体として水をシリコンオイルに変えることである。しかし、地下の歪み測定に求められる分析能に達するには、温度依存性をワーキング流体だけを変えるだけでは得られない程度の大きさのオーダーに低減する必要がある。

式（２）は、歪みによる流体の体積変化を示し、式（３）は、温度による体積変化を示す。式（２）および（３）から、チャンバの直径を減らすことなく流体の体積を減らすことにより、歪み計の温度依存性を減らすことがわかる。

図２は、本発明の温度依存性を減らす本発明の本質の装置および方法を示す図である。図２は、直径Ｄの円柱チャンバ２０４等の第１のチャンバを含むハウジング２０２を含む歪み計２００を示す。ハウジング２０２はさらにキャピラリチューブ１０６（図１）、差動トランスフォーマ１０８等の流体フローメータ（図１）、量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブ１１０（図１）、およびオーバーキャパシティチャンバ１１２（図１）を含むことができる。しかし、図１の歪み計１００と異なり、歪み計２００の内部には、直径ｄのバー２１６等の固体の物体が配置されている。

上述し、表１にも示したように、固体の熱膨張係数は、流体の熱膨張係数の約１／１０となる。地質構造のストレスが歪み計２００の直径をＤ_１からＤ_２に変化させたとすると、歪み計の内部体積は、

に変化する。

地質構造のストレスによる体積変化、円柱チャンバ２０４から流出した流体の体積かつフローメータにより測定された体積でもある、は、以下のようになる。

従って、体積変化は、固体の内部の直径に依存しなくなる。

しかし、温度変化に応じた円柱チャンバ２０４中の流体の膨張による体積変化もまた生じる。バー２１６がない場合の円柱チャンバ２０４中の流体の膨張による体積の変化は、

となる。

一方、図２に示すように、円柱チャンバ２０４中に挿入されたバー２１６がある場合の温度変化による体積変化は、

となる。

そのため、挿入されたバー２１６がある場合の体積変化（および歪み測定）は温度依存性が低くなる。それ故、円柱チャンバの流体体積（ハウジング２０２とバー２１６との間の環状体積）を減らすことにより、歪み計２００の温度に対する感度もかなり減る。

温度に対する感度を減らすだけでは、体積歪み計に望まれるレベルの正確性が得られないかもしれない。第１チャンバの直径を保ちつつ第１チャンバの体積を減らすことに加えて、またはこの代わりに、温度膨張を補正する必要があるかもしれない。本発明による温度効果を補正する方法の一つとして、図３Ａから図３Ｂに示すように、２つの分離したチャンバ中にあるそれぞれ異なる熱膨張係数を有する２つの異なる流体を用いることができる。

図３Ａから図３Ｂは、本発明の本質による地下の歪みを測定し、温度変化に応じて補正する装置および方法を示す図である。図３は、第１または歪み計チャンバ３０４および第２または温度補正チャンバ３１８を含むハウジング３０２を含む歪み計３００を示す図である。ハウジング３０２はさらにキャピラリチューブ１０６（図１）、差動トランスフォーマ１０８等の第１および第２流体フローメータ（図１）、量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブ１１０（図１）、およびオーバーキャパシティチャンバ１１２（図１）を含むことができる。実際のところ、歪み計チャンバ３０４および温度補正チャンバ３１８の両方とも、図１に示した配置と類似または同じ別々のキャピラリチューブ、流体フローメータ、量子化されたオーバーキャパシティバルブ、およびオーバーキャパシティチャンバに作用的に接続されている。図３Ｂに示すように、歪み計チャンバ３０４および温度補正チャンバ３１８は、円柱形状で積層される。歪み計チャンバ３０４および温度補正チャンバ３１８は、同じストレスにさらされたら同じように歪むように図３Ａおよび図３Ｂに同じ形、サイズ、および構造で示されている。

図３Ａから図３Ｂに示した形態によれば、歪み計チャンバ３０４は、第１の熱膨張係数を有する第１の流体で満たされる。第１の流体は、これに限定されないが、水銀、水、またはグリセリンを含むことができる。温度補正チャンバ３１８は第２の熱膨張係数を有する第２の流体で満たされる。第２の熱膨張係数は第１の熱膨張係数よりも大きく、好ましくは第１の熱膨張係数よりも少なくとも２倍以上から７倍以上大きい。そのため、第２の流体は第１の流体よりもより温度に対する感度が高い（すなわち、与えられた温度変化に対して第２の流体は第１の流体より多く膨張する）。第２の流体は、これに限定されないが、エーテル、アセトン、アルコール、ベンゾールまたはシリコンオイルを含むことができる。第２の流体の体積変化は、ほとんど温度に起因する膨張によるものであり、そのため大きな高い感度の温度計として機能する。温度補正チャンバ３１８から流出してくる第２の流体の熱膨張は、図１に示した歪み計と同様の方法で、差動トランスフォーマにより計ることができる。

地質構造のストレスの変化により、歪み計チャンバ３０４および温度補正チャンバ３１８の直径がそれぞれＤ_１からＤ_２に変化し、チャンバの長さがそれぞれ同じだと仮定すると、歪み計チャンバ３０４および温度補正チャンバ３１８の応答は、以下のように書くことができる。

ここで、Ｖ_１は歪み計チャンバ３０４の流体体積を示し、Ｖ_２は温度補正チャンバ３１８の流体体積を示す。そのため、温度変化は、

となる。

そして、体積測定用の歪みは以下から得られ、温度に依存しないため、温度に対する補正がされている。

温度依存性を取り除く他の方法として、ストレス応答性と温度応答性の違いを用いてストレスおよび温度を測定する方法がある。これは、２つのチャンバと同じワーキング流体を用いることにより行うことができる。図４は、同じワーキング流体で満たされた２つのチャンバ：歪み計チャンバ４０４および温度補正チャンバ４１８を含む歪み計４００を示す図である。歪み計チャンバ４０４および温度補正チャンバ４１８は、それぞれ、チャンバから流出する流体の体積を計るために、図１に示した付加的な要素（熱電対１１４を除く）をまた含むことができる。

しかし、図４の形態によれば、歪み計チャンバ４０４は歪みへの感度を有し、そのため地質構造のストレスに応じて変化し、温度補正チャンバ４１８は歪みへの感度がないため地質構造のストレスに応じて変化しない。温度補正チャンバ４１８は、歪み計４００が配置された環境で予期されるストレスレベルに対して変化せず、および流体を流出させないように補強または強化されることができる。これら２つのチャンバが図示されたように同じ体積の流体を含むように設計されている場合、歪み計チャンバ４０４および温度補正チャンバ４１８の両方とも温度変化に対して同じ応答を有する。温度チャンバ４１８は歪みへの感度がないため、温度のみを測定し、実際のストレスへの応答は、
歪み＝歪み計チャンバの応答−温度チャンバの応答 （１２）
（歪み＋温度） （温度）
となる。

そのため、歪み測定のトータルは、温度変化による流体の膨張ではなく、歪みの測定だけとなる。さらに、温度補正を流体の膨張に基づくことにより、熱電対を用いた場合の部分的な温度補正ではなく真実の平均温度補正が行われる。

温度補正チャンバ４１８に、より高い熱膨張係数を持つ、異なる流体を用いることも可能である。より高い熱膨張係数を持つ流体を用いることにより、より高い温度応答性または体積を減らしても同じ温度応答性を得ることができる。サイズを減らした温度補正チャンバ４１８に対して歪み計チャンバ４０４の体積をより大きくするよう設計することにより、ストレス測定の感度を高めることができる。

歪みの測定に用いられ得る方法および装置には、体積の異なるチャンバを用いることを含むことができる。図５は、ハウジング５０２および第１および第２の歪み測定チャンバ５０４および５１８を含む歪み計５００を示す図である。上述した実施の形態と同様、各歪み測定チャンバ５０４および５１８は、好ましくは、キャピラリチューブ１０６（図１）、差動トランスフォーマ１０８等の流体フローメータ（図１）、量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブ１１０（図１）、およびオーバーキャパシティチャンバ１１２（図１）を含む。図５は、また第２チャンバ５１８中の流体の量を減らすために第２の測定チャンバ５１８中に内部固体バー５１６が挿入された図を示す。そのため、第２の歪み測定チャンバ５１８が歪みと少しの温度に応答するのに対し、第１の歪み測定チャンバ５０４は歪みおよび温度に応答する。たとえば、第２の測定チャンバ５１８の流体の体積のキャパシティが第１の測定チャンバ５０４の流体の体積のキャパシティの１／１０だと仮定する。チャンバの応答は、
第２のチャンバ＝歪み＋１／１０×温度 （１３）
第１のチャンバ＝歪み＋温度 （１４）
となる。
そして、
歪み＝１０／９×第２のチャンバ−１／９×第１のチャンバ （１５）
となる。

第１のチャンバ５０４に比較的低い熱膨張流体を用い、第２のチャンバ５１８に比較的高い熱膨張流体を用いて、より大きいサイズの第１のチャンバ５０４とサイズを小さくした第２のチャンバ５１８を用いて歪みの応答性を改良することもできる。

図６に示した歪み計６００の実施の形態によれば、２つのチャンバ６０４および６１８は、それぞれ、異なるサイズのロッド６１６および６２０を含む設計である。たとえば、第１のチャンバ６０４の体積が通常のキャパシティ（第１のロッド６１６がない場合の流体キャパシティ）の２０％に減らされ、第２のチャンバの体積が通常のキャパシティの１０％に減らされたと仮定すると、各チャンバからの応答は、以下のように書くことができる。
第１のチャンバ＝歪み＋０．２×温度（１６）
第２のチャンバ＝歪み＋０．１×温度（１７）
そこで、
歪み＝２×第２のチャンバ−第１のチャンバ（１８）
となる。

０．１および０．２という分数は、単に例として用いただけである。さらに、２つのチャンバ６０４および６１８の長さＬおよび２つのチャンバ６０４および６１８に含まれる流体も異ならせることができる。図６の本実施の形態における各チャンバ６０４および６１８も、当然好ましくは図１に示した要素（熱電対を除く）を含む。

図５に示した実施の形態における温度膨張の影響を引くことは大きく、結果として得られるストレスは小さい。そのため、温度測定における小さなエラーによって予測したストレスにエラーが生じる。図６の実施の形態によれば、流体の体積を減らすことにより温度の影響が減らされる。ストレスは、少しの温度の影響を打ち消すことにより得られ、エラーが小さくなる。

図４から図６を参照して説明した実施の形態は、スタックされたマルチチャンバ配置を開示する。そのため、温度および歪みは、歪み計に沿って、わずかながら異なる深さ、または場所で測定される。もし、たとえば、歪み計４００／５００／６００の一つが長ければ、異なる場所のストレスおよび温度は少し異なるかもしれない。理想的には、不確実なエラーを避けるため、温度および歪みは、同じ深さまたは場所で測定することができる。

図７は、歪み計中に温度補正チャンバが配置された歪み計７００を示す。図７の歪み計７００は、外部ハウジング７０２、 内部ハウジング７２２、および内部ハウジング７２２および 外部ハウジング７０２の間に形成された環を含む。この環は、第１または歪み測定チャンバ７０４を含み、内部ハウジング７２２が第２または温度補正チャンバ７１８を規定する。図７の実施の形態によれば、第２のチャンバ７１８は、第１のチャンバ７０４に対して内側にある。第２のチャンバ７１８は、好ましくは第１のチャンバ７０４と同心または偏心である。再度、好ましくは、図７の実施の形態における各チャンバ７０４および７１８は、図１の要素（熱電対を除く）を含む。

環または第１のチャンバ７０４は、第１の熱膨張係数を有する第１の流体、好ましくは水銀または水等の温度依存性の低い流体で満たされる。外部ハウジング７０２は、歪みに対する感度を有し、そのため、地質構造のストレスにより外部ハウジング７０２が変形され、測定できる体積の第１のチャンバ中の第１の流体を流出させる。

第２のチャンバ７１８は、第２の流体を含む。外部ハウジング７０２は、変形することにより、すべての地質構造のストレスを支える。地質構造のストレスの結果、環または第１のチャンバ７０４中の流体は絞り出されるが、第１の流体中の実質的な圧力変化はない。外部ハウジング７０２と内部ハウジング７２２との間に機械的に接続されるリブまたはパーティションがない限り、内部ハウジング７２２は、どのような地質構造のストレスも支えない。第２のチャンバ７１８は、温度にのみ感度を有する。さらに、第１のチャンバ７０４中の流体体積は、同心の内部ハウジング７２２の存在により減少され、そのため、第１の流体の温度による膨張の効果は小さい。第２の流体は、好ましくは温度変化に高い感度を有する第２の熱膨張係数を有する。第２の流体は、第２のチャンバから流出される体積が温度変化に占められるような、エーテル、アセトン、またはその他の液体を含むことができる。第１のチャンバ７０４中の第１の流体の低い温度依存性は、さらに第２のチャンバ中の第２の流体の温度に対する応答により補正される。

外部ハウジング７０２の内部直径がＤ_１からＤ_２に変形した場合、移動する流体体積の観測される変化、ΔＶ_１は、第１の流体の熱膨張および第１のチャンバ７０４の内部体積変化の合計である。ΔＶ_２は、第２の流体の熱膨張により第２のチャンバ７１８から流出する第２の流体の体積である。第２のチャンバ７１８の内部直径はｄで示される。従って、

そのため体積歪みは、温度に依存しない、または温度に対して補正された

となる。

図８は、一つの実施の形態における、図７に示した歪み計７００と類似または同じである２つの同心のチャンバを含む歪み計８００の上面図を示す。図８に示すように、内部ハウジング８２２と外部ハウジング８０２との間を規定する環は、３つ以上のパーティション８２４により、複数の室に分割されることができる。複数のパーティション８２４は、地質構造のストレスの方向の測定を可能にする。

外部チャンバ８０４の区画された各セグメントは、好ましくは、比較的低い熱膨張係数を有する、たとえば水銀または水等の第１の流体で満たされる。内部チャンバ８１８は、パーティション８２４から伝達される外部のストレスにより変形せず、一定の内部体積を保つように、補強または強化される。内部チャンバ８１８は、内部チャンバ８１８から流出されるすべての流体の体積が温度変化（第２の流体の熱膨張）によって占められるように、温度に対して比較的高い感度を有する、たとえばエーテルまたはアセトン等の第２の流体で満たされる。

図９は、図７に示した歪み計７００と類似または同じである他の実施の形態における２つの同心のチャンバを含む歪み計９００の上面図を示す。図９の歪み計９００は、内部ハウジング９２２および外部ハウジング９０２で境界付けられた外部チャンバ９０４が４つのパーティション９２４により４つのサブチャンバに区画されたマルチコンポーネント歪み計である。さらに、歪み計９００は、外部チャンバ９０４から内部チャンバ９１８への熱移動をより効率よくするために、補強された内部チャンバ９１８内に設置され、少なくとも内部ハウジング９２２に伸びる複数の熱伝導フィン９２６を含む。各熱伝導フィン９２６は、内部チャンバ９１８内を通して流体が移動可能なように、一つ以上の孔を含むことができる。歪み計９００が挿入される地下層のどのような温度変化も、外部チャンバ９０４中の第１の流体に伝達される。熱は、熱伝導フィン９２６により、外部チャンバ９０４から内部チャンバ９１８にすぐに伝達される。熱伝導フィン９２６は、内部および外部チャンバ９０４および９１８間の熱伝導を改良することにより、これらの間の熱平衡の達成の遅れを改良する。

上記の温度依存性を低減および／または温度変化を補正するための歪みの測定方法および装置は、本質的に示した。本発明の本質を示すため、熱電対を用いることなく、その代わりに流体の膨張を測定することにより温度に対して補正するという地下の歪みの測定を含む、好ましい実施の形態および態様が開示された。本開示の利点を享受する当業者には、特定の目的に合うように、構造および実行には様々な変形が行われることが理解される。さらに、本発明は、流体の膨張という本質に基づく歪み計の体積の低減または温度補正による地下の測定および温度依存性の低減に関する。

そのため、以上の記述は、本発明を説明するために行われた。本発明は、ここで開示されたものと同じものに限定するものではない。上記の開示に基づき、様々な修正や変形が可能である。

本発明の本質およびその実際のアプリケーションをよりよく説明するために好ましい実施の形態が選ばれ、説明された。以上の説明は、当業者に様々な形態で特定の使用のために適切な様々な変更を加えて本発明をよりよく用いることができるように示されたものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲により規定されている。

ストレス強化されたチャンバ中に閉じこめられた流体は、歪みに対して感度を有さず、温度に対して感度を有する。これは、非常に高い分析能を有する温度計である。この温度計は、歪み計の補正を行うのに用いられるだけでなく、その他の温度に依存するセンサに用いることができる。

同心または偏心のチャンバの外部ハウジングは、内部ハウジングへのストレスの伝達を防ぐが、流体は外部ハウジングから内部ハウジングに熱を伝達する。

本開示の利点を享受する当業者には、上記の装置は、歪みを測定して温度に対して補正するだけでなく、温度を測定して歪みに対して補正することにも用いられることが理解できるであろう。従って、本発明の本質による方法のいくつかは、歪み変化を補正するために、流体膨張を用いて地中の温度変化を測定する方法を含む。

従来の１つのチャンバの体積歪み計を示す図である。 本発明の一つの実施の形態における環状の歪み計の断面図である。 本発明の一つの実施の形態における２つのチャンバの体積歪み計の断面図である。 図３Ａの２つのチャンバの体積歪み計の上面図である。 本発明の他の実施の形態における２つのチャンバの体積歪み計の断面図である。 本発明の他の実施の形態における２つのチャンバの一つのチャンバに内部物体が含まれる体積歪み計の断面図である。 本発明の他の実施の形態における２つのチャンバの両方のチャンバに内部物体が含まれる体積歪み計の断面図である。 本発明の他の実施の形態における２つの同心のチャンバの体積歪み計の断面図である。 本発明の他の実施の形態において、パーティションを含み構造歪みの方向を測定する、２つの同心の体積歪み計を示す上面図である。 本発明の他の実施の形態において、パーティションおよび熱フィンを含む、２つの同心の体積歪み計を示す上面図である。

Claims (35)

1. 流体の膨張を用いて温度変化に対する補正を行い、地中の歪みの変化を測定する方法を含み、
   第１の熱膨張係数を有する第１の流体の地質構造のストレスに応じた流体体積の変化を測定すること、
   前記第１の熱膨張係数より大きい第２の熱膨張係数を有する第２の流体の流体体積の変化を測定すること、
   温度に対する前記第１の流体の流体体積の変化の測定を前記第２の流体の流体体積の変化の測定を用いて補正すること、
   を含む、地下のパラメータをモニタする方法。
2. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記第２の熱膨張係数は、少なくとも前記第１の熱膨張係数の２倍より大きい方法。
3. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記第２の熱膨張係数は、少なくとも前記第１の熱膨張係数の５倍より大きい方法。
4. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記第２の熱膨張係数は、少なくとも前記第１の熱膨張係数の７倍より大きい方法。
5. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記第１の流体は、水、水銀、およびグリセリンからなるグループから選択され、前記第２の流体は、アルコール、ベンゾール、アセトン、エーテル、およびシリコンオイルからなるグループから選択される方法。
6. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   実際の平均温度変化に対する補正に前記第２の流体の膨張が用いられる方法。
7. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記第１の流体の体積を、前記第２の流体の体積より少なくすること、をさらに含む方法。
8. 請求項７に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   前記少なくすることは、前記第１の流体の容器に固体の物体を挿入して流体の熱膨張を減少させることをさらに含む方法。
9. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
   第１の体積の前記第１の流体を含み、歪みに対する感度を有する第１の流体チャンバを提供すること、
   第２の体積の前記第２の流体を含み、歪みに対する感度を有しない第２の流体チャンバを提供すること、
   地質構造のストレスに応じて前記第１の流体チャンバから流出する流体を測定すること、
   温度変化に応じた前記第２の体積の流体の膨張を測定すること、
   測定された前記第２の体積の流体の膨張により、測定された前記第１の流体チャンバから流出した流体を温度に応じて補正すること、
   をさらに含む方法。
10. 請求項９に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、前記第１の流体チャンバ中の前記流体は、前記第２の流体チャンバ中の前記流体よりも熱膨張係数が低い方法。
11. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
    第１の外部サイズであって、歪みに対する感度を有し、第１の体積の前記第１の流体を含む第１の流体チャンバを提供すること、
    前記第１の外部サイズであって、歪みに対する感度を有し、前記第１の体積の流体よりも小さい第２の体積の前記第２の流体を含む第２の流体チャンバを提供すること、
    歪みおよび温度変化に対する前記第１の流体の前記第１のチャンバからの流出を測定すること、
    歪みおよび温度変化の部分に対する前記第２の流体の前記第２のチャンバからの流出を測定すること、
    前記第２のチャンバにおける温度変化による前記部分的な流出変化を用いて、温度に対する歪みを補正すること、
    をさらに含む方法。
12. 請求項１１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
    第１の物体を前記第１のチャンバに挿入することにより、前記第１の流体を減少すること、
    第２の物体を前記第２のチャンバに挿入することにより、前記第２の流体を減少すること、
    をさらに含む方法。
13. 請求項１に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
    地質構造のストレスに対する感度を有し、第１の体積の前記第１の流体を含む第１の流体チャンバを提供すること、
    地質構造のストレスに対する感度を有さず、前記第１の流体チャンバと同心で、第２の体積の前記第２の流体を含む第２の流体チャンバを提供すること、
    歪みおよび温度変化に対する前記第１の流体の前記第１の流体チャンバからの流出を測定すること、
    温度変化に対する前記第２の流体の前記第２の流体チャンバからの流出を測定すること、
    温度変化による前記第２の流体の前記測定された流出を用いて、温度に対する歪みを補正すること、
    をさらに含む方法。
14. 請求項１３に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、前記第１の体積は、前記第１および第２のチャンバの間の環により規定される方法。
15. 地下の歪みを測定する方法であって、
    体積歪み計の第１のチャンバを第１の流体で満たすこと、
    前記体積歪み計の第２のチャンバを第２の流体で満たすこと、
    地質構造のストレスに応じて前記第１のチャンバから流出する流体の体積を測定すること、
    温度変化による前記第２の流体の流体膨張を測定すること、
    前記第１のチャンバから流出する前記第１の流体の測定を温度変化に応じて補正すること、
    を含み、
    前記第２の流体は、前記第１の流体よりも大きい熱膨張係数を有する方法。
16. 請求項１５に記載の地下の歪みを測定する方法において、
    前記第２の流体は、前記第１の流体よりも少なくとも５倍大きい熱膨張係数を有する方法。
17. 請求項１６に記載の地下の歪みを測定する方法において、
    前記第１のチャンバは歪みに対する感度を有するチャンバを含み、前記第２のチャンバは、歪みに対する感度を有しないチャンバを含む方法。
18. 地下のパラメータをモニタする方法であって、
    体積歪み計により地中の歪みの変化を測定すること、
    熱電対を用いることなく温度変化に対する補正を行うこと、
    を含み、
    前記歪みの変化を測定することは、
    地質構造のストレスおよび温度変化に対する、第１の熱膨張係数を有する第１の流体を含む第１のチャンバの流体の体積のキャパシティの変化を測定すること、
    地質構造のストレスおよび温度変化に対する、前記第１の熱膨張係数より大きい第２の熱膨張係数を有する第２の流体を含む第２のチャンバの流体の体積のキャパシティの変化を測定すること、
    温度に依存しない歪みの体積を計算すること、
    を含む方法。
19. 請求項１８に記載の地下のパラメータをモニタする方法において、
    前記歪みの変化を測定することは、
    前記第１の流体を含み、歪みに対する感度を有する前記第１のチャンバの地質構造のストレスおよび温度変化に対する流体体積のキャパシティの変化を測定すること、
    前記第２の流体を含み、歪みに対する感度を有しない前記第２のチャンバの温度変化のみに対する流体体積のキャパシティの変化を測定すること、
    前記第１のチャンバにおいて測定された前記流体体積のキャパシティの変化から前記第２のチャンバにおいて測定された前記流体体積のキャパシティの変化を引くことにより、温度に対する補正がされた歪みの体積を計算すること、
    を含む方法。
20. 体積歪み計であって、
    ハウジングと、
    第１の流体で満たされた歪み測定チャンバと、
    第２の流体で満たされた温度補正チャンバと、
    前記歪み測定チャンバから流出する流体を測定するために前記歪み測定チャンバに作用的に接続された第１の流体メータと、
    前記温度補正チャンバから流出する流体を測定するために前記温度補正チャンバに作用的に接続された第２の流体メータと、
    を含み、
    前記歪み測定チャンバおよび前記温度補正チャンバは、地質構造のストレスに応じて実質的に同じように変形し、前記第２の流体は、前記第１の流体よりも大きい熱膨張係数を有する体積歪み計。
21. 請求項２０に記載の体積歪み計において、
    前記歪み測定チャンバは、地質構造のストレスに応じて変形し、
    前記温度補正チャンバは、地質構造のストレスに応じて変形しない体積歪み計。
22. 請求項２０に記載の体積歪み計において、
    歪み測定チャンバおよび前記温度補正チャンバの少なくとも一方は固体物体を含み、流体の環が前記固体物体と前記ハウジングとの間で規定される体積歪み計。
23. 請求項２２に記載の体積歪み計において、
    前記歪み測定チャンバは、第１の直径を有する前記固体物体を含み、前記温度補正チャンバは、前記第１の直径とは異なる第２の直径を有する第２の固体物体を含む体積歪み計。
24. 請求項２０に記載の体積歪み計において、
    前記温度補正チャンバは、前記歪み測定チャンバと同心または偏心である体積歪み計。
25. 請求項２４に記載の体積歪み計において、
    前記温度補正チャンバは、前記ハウジングの内部に配置され、前記歪み測定チャンバは、前記ハウジングと前記温度補正チャンバとの間に環を含む体積歪み計。
26. 請求項２５に記載の体積歪み計において、
    前記歪み測定チャンバは、区画された体積歪み計。
27. 請求項２４に記載の体積歪み計において、
    前記温度補正チャンバから前記歪み測定チャンバに伸びる複数の熱伝導フィンをさらに含む体積歪み計。
28. 請求項２０に記載の体積歪み計において、
    前記歪み測定チャンバに作用的に接続された量子化されたオーバーキャパシティバルブをさらに含む体積歪み計。
29. 請求項２０に記載の体積歪み計において、
    前記第１および第２の流体メータは、それぞれ、キャピラリチューブに接続された差動トランスフォーマを含む体積歪み計。
30. 体積歪み計であって、
    外部ハウジングと、
    地質構造のストレスによる変形耐性を有する補強された内部ハウジングと、
    前記外部ハウジングと前記補強された内部ハウジングとの間に配置された第１の流体と、
    前記補強された内部ハウジング中に配置された第２の流体と、
    前記第１の流体に流体移動ができるように接続された第１のキャピラリチューブと、
    前記第２の流体に流体移動ができるように接続された第２のキャピラリチューブと、
    前記第１のキャピラリチューブに接続された第１の差動トランスフォーマと、
    前記第２のキャピラリチューブに接続された第２の差動トランスフォーマと、
    を含み、
    前記第２の流体は、前記第１の流体よりも大きい熱膨張係数を有する体積歪み計。
31. 請求項３０に記載の体積歪み計において、
    前記第１の流体に流体移動ができるように接続された量子化されたオーバーキャパシティリリーフバルブをさらに含む体積歪み計。
32. 請求項３０に記載の体積歪み計において、
    前記第２の流体は、前記第１の流体よりも少なくとも２倍の熱膨張係数を有する体積歪み計。
33. 請求項３０に記載の体積歪み計において、
    前記第２の流体は、前記第１の流体よりも少なくとも５倍の熱膨張係数を有する体積歪み計。
34. 請求項３０に記載の体積歪み計において、
    前記外部ハウジングと前記補強された内部ハウジングとの間に配置された複数のパーティションをさらに含む体積歪み計。
35. 請求項３０に記載の体積歪み計において、
    前記補強された内部ハウジング中に配置され、少なくとも前記内部ハウジングに伸びる複数の熱伝導フィンをさらに含み、各前記複数の熱伝導フィンは、流体が通る少なくとも１つの孔を含む体積歪み計。

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