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1. (WO2017212559) CABLE FOR MEASURING PRESSURE, TEMPERATURE, AND STRAIN DISTRIBUTION OF MATERIAL
Document

明 細 書

発明の名称 物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005  

先行技術文献

特許文献

0006  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017  

課題を解決するための手段

0018  

発明の効果

0019  

図面の簡単な説明

0020  

発明を実施するための形態

0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056  

符号の説明

0057  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

明 細 書

発明の名称 : 物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル

技術分野

[0001]
 本発明は、被測定体の物理特性である圧力、ひずみ等の分布状態を測定するため、従来の光ファイバケーブルを改良した金属管被覆光ファイバを持つ光ファイバケーブルに関するものであって、水溶性樹脂層などを利用して、センサである光ファイバとその外層である多層アーマードケーブル間に所定の空隙層を形成した光ファイバケーブルなどを用いなくても、圧力分布、ひずみ分布等の測定において、従来より高精度な測定が可能な光ファイバケーブルに関するものである。

背景技術

[0002]
 従来、光ファイバ素線を金属管で被覆した芯線であるFIMT(Fiber In Metallic Tube)は、複数素線の被覆ができ、水あるいは水素ガスに対する密封性がよく、補強なしで所要の引張強度他の機械強度が保てる等、の利点があり、FIMT中の光ファイバは圧力による荷重を受けないため、温度センサとして機能して光ファイバに沿った長距離の連続的な温度分布を測定できるため、放射温度計をはじめ種々の分野で広く利用されている。
[0003]
 上記のようなFIMTを使用した光ファイバケーブルの一例として、ケーブルの小型化、軽量化と、光ファイバの損傷防止のため、中心に配置した銅導体を低密度のポリエチレンで円筒状に取り囲む内側層と、この内側層の外周を複数の鋼線ワイヤとこれと同径のステンレス鋼管を用いたFIMTを螺旋状に巻回して取り囲む第1層と、この第1層と反対方向に螺旋状に巻回した複数の鋼線ワイヤで取り囲む第2層と、この第2層の外周を中密度のポリエチレンで円筒状に取り囲む外側層とで構成した光ファイバケーブルがある(例えば、特許文献1参照)。
[0004]
 また、最近では、FIMTを使用した光ファイバケーブルの別の例として、光ファイバケーブルの軸方向(長尺方向)の温度分布だけではなく、圧力分布の測定のため中央部分に配置され、直接外部環境に露出された第1の光ファイバ、この第1の光ファイバを取り囲む複数の金属製のワイヤと第2の光ファイバが内部に配置されたステンレス鋼管で構成される第1層、この第1層を取り囲む複数の金属製のワイヤで構成される第2層で構成される光ファイバケーブルが提案されている。さらに、ここでは、光ファイバが、石油あるいはガスにより、外部機器の損傷がないようにするため、第1層の複数の金属製のワイヤの少なくとも1本のワイヤの外径、及び第2層の複数の金属製のワイヤの少なくとも1本のワイヤの外径が、長尺方向に周期的に縮小しているものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
[0005]
 ところで、センサである光ファイバによる被測定体のひずみ測定精度をさらに改善するため、温度、圧力、歪分布を測定する分布型光ファイバシステムに用いる光ファイバケーブルとして、多層アーマードケーブルに複数の鋼線製の円柱状体を用い、このアーマードケーブルとセンサである光ファイバとの間に一定の隙間で空隙層を形成するようにしたものがある。この際、上記一定の隙間を持つ空隙層を形成するため、この光ファイバケーブルの製作の初期工程において、上記光ファイバと多層アーマードケーブル間に水溶性樹脂層あるいは油溶性樹脂層を形成し、その後の工程で、光ファイバケーブルを水あるいは油に浸して、この水溶性樹脂層あるいは油溶性樹脂層を除去するようにする。そして、この後、さらに、光ファイバと複数の円柱状体で構成されているアーマードケーブルとを固定するため、エポキシ樹脂などを、光ファイバケーブルの軸方向(長尺方向)に適宜の間隔で注入するものがある(例えば、特許文献3参照)。

先行技術文献

特許文献

[0006]
特許文献1 : 米国特許第4971420号明細書
特許文献2 : 米国特許第9244239号明細書
特許文献3 : 国際公開2014/181617号

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0007]
 物質の圧力、温度、ひずみ分布計測、すなわち、DPTSS(Distributed Pressure, Temperature, and Strain System)計測するには、上記の特許文献2にも示されているように、これまで、圧力を受けない光ファイバ(以降Tファイバと呼ぶ)と圧力を受ける光ファイバ(以降Pファイバ)をそれぞれ少なくとも1本ずつ設けて実現していた。そして、圧力を受けないTファイバには、金属管被覆光ファイバ(FIMT(Fiber In Metallic Tube)ともいう。以降FIMTと略記)が採用されていた。
 しかしながら、実際に圧力などを計測する場合、圧力測定のPファイバは、圧力とケーブルの歪を同時に受けるため、両者の信号を分離する必要があった。また、光ファイバケーブルの端部においては、Pファイバを引き出す作業が必要であるが、作業の際、Pファイバがもつれる可能性があるなど、端部処理に手数がかかるなどの問題もあった。
[0008]
 また、従来のFIMTにおいては、密封性が良いとはいえ、被覆する金属管に1箇所でもピンホール(小穴)があると、圧力遮断機能が喪失して、精度の高い圧力の測定ができなくなるという問題がある。すなわち、ピンホールがあると、測定の対象となる流体がピンホールを通じてFIMTの内部に侵入するため、FIMTの内外での圧力差がなくなり、圧力測定ができなくなるという問題があった。しかし、分布測定の際には、このピンホールの影響を局所に限定することができれば、他の多くの測定点を使うことができて実用上の障害はなくなる。
[0009]
 また、外部の圧力に関して、光ファイバケーブルの軸方向(長手方向)に圧力が伝播する構造になっている場合には、長手方向の圧力分布に影響を与えるため、長手方向の圧力分布を求める際に問題となるため、長手方向の圧力の伝播は可能な限り遮断する必要がある。
 さらに、特許文献3に示す水溶性樹脂層を用いて光ファイバケーブルを製作した場合においては、以下に説明する問題が生ずることがあることが最近判明した。以下、この問題点について、図を用いて詳しく説明する。
[0010]
 まず、図1は特許文献3の水溶性樹脂層を用いて製作した光ファイバケーブルを用いてPPP-BOTDA(Pulse-PrePomp Brillouin Optical Time Domain Analysis)方式で測定した光ファイバに生じている歪に関わる測定結果である。ここでは、被測定体の光ファイバケーブルの製作後の残留歪を測定するため、無負荷の光ファイバケーブルを用いて、その軸方向のブリルアン散乱光の中心周波数を測定した。この図において、横軸は、被測定体の基準位置からの距離(単位:m)、縦軸は中心周波数(単位:GHz)である。なお、PPP-BOTDA方式を用いた理由は、この方式を用いた場合に、高い空間分解能が得られることが知られているからである。
[0011]
 この測定に用いた光ファイバケーブルでは、距離が約1mの区間毎に、光ファイバとアーマードケーブルとを固定している箇所があり、このことを反映してか、測定された全区間で、区間ごとに規則的に変化する、鋸歯形状のほぼ相似形であるブリルアン散乱光の中心周波数の変化が認められた。この測定結果から、まず、測定で得られたブリルアン散乱光の中心周波数が、約1mの各区間で、互いに、その最大値と最小値が異なっていることが判った。しかし、問題となるのは、この事実よりはむしろ、約1mごとの各区間で見た場合に、どの測定区間でも、本来、測定値が一定の値になるべきであるのに、(そのようになっておらず)鋸歯形状に変化していることであった。
 この原因の1つに、上記の光ファイバケーブル中の水溶性樹脂層が完全に溶けずに、光ファイバケーブル中に残っていたことが考えられる。
 なお、図中に示した四角形は、測定器のサンプリング点を示している。
[0012]
 次に、図2は、図1と同様の光ファイバケーブルを用いて、TW-COTDR(Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectmetry) 法を用いて、図1とは異なる測定距離位置で、被測定体に温度変化を与えた場合(40℃から20℃に変化させた場合)に、予め残留ひずみを与えたPファイバのレイリー散乱光の周波数シフトを測定した結果である。
 この図において、横軸は、光ファイバケーブルの基準位置からの距離(単位:m)、縦軸はレイリー周波数シフト(単位:GHz)である。
[0013]
 図1で説明したのと同様に、図2の場合にも、光ファイバとアーマードケーブルとを約1mの区間毎に固定しているため、温度変化を与えた場合に、各区間(例えば、距離28mから29mの区間、あるいは29mから30mの区間)でそれぞれ、独立したレイリー周波数シフトの変化が見られる。
[0014]
 このレイリー周波数シフトの変化を定量的に評価するため、上記区間ごとに、各温度でのレイリー周波数シフトの変化(光ファイバの温度に対する感度)をグラフ化して図3に示した。測定した温度20℃から40℃の区間において、区間2以外での各区間では、温度変化に対するレイリー周波数シフトの変化(以下では温度に対する感度係数と呼ぶ)は、ほぼ一定の値を示していると言えるが、区間2-4での温度に対する感度係数と、区間1及び区間5での温度に対する感度係数とは、かなり異なっている(図3(a)参照)。そこで、この違いを数値で具体的に示した(図3(b)参照)。図3(b)中の各値は、温度が1℃変化したときのレイリー周波数シフトの変化量(GHz)を示している。
[0015]
 そこで、上記の温度に対する感度係数について、以下さらに検討を加える。
温度変化に対するレイリー周波数シフトの変化量Δν は、次式(1)で与えられることが知られている(例えば、特許文献3参照)。
[数1]


 この式で、C 22、C 21は、光ファイバの感度特性を示す係数で、それぞれ、レイリー散乱光に対する温度感度、ひずみ感度を示す定数、Kは、0(零)と1の間の定数、αは、ワイヤの線膨張係数、ΔTは、温度変化量を示す。
 この式から、K=0の場合は、光ファイバの素線の感度が測定値に反映され、K=1の場合には、主としてワイヤの線膨張係数αが測定値に反映されると考えられる。
[0016]
 図2、図3で示したデータを得た今回の測定においては、使用しているワイヤは同一であること、また測定区間の違いで変化量が異なる結果を得たことから、Kの値は0に近いと考えられる。つまり、図2で、上記各区間で同一の温度変化に対するレイリー周波数シフトの変化量が異なっていた(図3(b)参照)のは、各区間の測定前の光ファイバの余長が互いに異なっていたためと考えられる。
 なお、図2において、各区間の両端点でレイリー周波数シフトの変化量が急激に変化しているのは、製造時に光ファイバとアーマードケーブルとの固定の強度が、制御できていない可能性があることを示している。
[0017]
 本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、圧力センサとしての光ファイバである圧力ファイバを内部に設けた光ファイバケーブルのFIMTに関し、その外周部を構成する金属円筒管の円筒部分に、複数の小さな孔を形成することにより、使用する多数本の鋼製ワイヤには特別な形状を形成することなく、製造が容易で、かつ被測定体の高精度な圧力分布等の分布測定が可能な物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル(以下、DPTSSケーブルとも呼ぶ)を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0018]
 この発明に係る物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブルは、
金属管被覆光ファイバケーブルおよび当該金属管被覆光ファイバケーブルを保持する金属製ワイヤを同一中心軸の周りに混成して配置した内側の層と、この内側の層を取り囲むように複数の金属製ワイヤを前記内側の層と同心状に配置した外側の層と、を有し、前記内側の層と前記外側の層とにより多層ストランド構造を形成したストランド構造体を備えた、物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブルであって、
前記ストランド構造体は、軸方向への圧力の影響を遮断するための、軸方向に分散して配置した圧力遮断部を有し、
前記金属管被覆光ファイバケーブルは、前記内側の層に配置されるとともに、前記金属管被覆光ファイバケーブルを構成する光ファイバには、当該光ファイバに入射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布を測定するための圧力センサである光ファイバを含み、前記圧力センサである光ファイバを有する前記金属管被覆光ファイバケーブルの金属管には、貫通する孔が設けられていることを特徴とするものである。

発明の効果

[0019]
 この発明によれば、従来の金属管被覆光ファイバケーブルでは、無いことが前提であった孔を、金属管被覆光ファイバケーブルの外周部を構成する金属円筒管に設けることで、金属管被覆光ファイバケーブル中の光ファイバが被測定体の圧力による荷重を受けられる構成にしたことにより、孔がある金属管被覆光ファイバケーブルを用いた場合でも、被測定体の圧力分布を測定することが可能となる。また、金属管被覆光ファイバケーブルの金属円筒管とセンサである光ファイバとの隙間をより均一化できるため、従来の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブルでは実現できなかった高い測定精度を得ることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0020]
[図1] 従来のDPTSSケーブルにおける課題の一例を提示した図である。
[図2] 従来のDPTSSケーブルにおける課題の他の例を提示した図である。
[図3] 図2から従来のDPTSSケーブルの温度に対する感度を求めた図である。
[図4] この発明の実施の形態1によるDPTSSケーブルの基本構造の一例を説明するための図である。
[図5] この発明の実施の形態1によるDPTSSケーブルを実際の使用場所に適用した場合の動作を説明するための図である。
[図6] この発明の実施の形態1によるDPTSSケーブルの圧力感知部のケーブル断面の構成の一例を示す図である。
[図7] この発明の実施の形態1-3によるDPTSSケーブルに使用されるFIMTの詳細構造の一例を示す図である。
[図8] この発明の実施の形態1-3によるDPTSSケーブルに使用されるFIMTの効果を説明するための図である。
[図9] 測定に使用したFIMTの諸元を説明するための図である。
[図10] この発明の実施の形態1によるDPTSSケーブルを使用した場合の測定結果の一例を示す図である。
[図11] この発明の実施の形態2によるDPTSSケーブルの圧力感知部のケーブル断面の構成の一例を示す図である。
[図12] この発明の実施の形態3によるDPTSSケーブルの圧力感知部のケーブル断面の構成の一例を示す図である。

発明を実施するための形態

[0021]
実施の形態1.
 本発明の実施の形態1について、以下、図を用いて説明する。
まず、本発明の実施の形態1に係るDPTSSケーブルの基本構造の一例について、図4を用いて説明する。図4は、本発明の実施の形態1に係る光ファイバケーブルの一例であるDPTSSケーブル100の基本構造を説明するための図である。
[0022]
 図4において、DPTSSケーブル100は、その軸方向に区分して設けられた、2つの主要部分から構成されている。すなわち、図4(a)に示すように、矢印区間Qで示した圧力遮断部11(圧力を感知できない部分)、及びこの圧力遮断部11に隣接して配置された矢印区間P 、P で示した圧力感知部12から構成されている。
 そして、この2つの主要部である圧力遮断部11と圧力感知部12には、この2つの主要部に共通して設けられているDPTSSケーブルの構成要素である光ファイバセンサ用ケーブルが配置されている。すなわち、圧力測定用の光ファイバであるPファイバ1を内部に有し金属円筒管3を外周に備えた、今回提案する新しい構造のFIMTであるFIMT10と、温度測定用の光ファイバであるTファイバ6を内部に有し金属円筒管7を外周に備えた、従来型のFIMTであるFIMT20と、が配置されている。そして、このFIMT10の金属円筒管3には、ケーブル全長にわたって、圧力をセンシングするための孔8が軸方向に適宜の間隔で設けられている(図4(a)参照)。
 さらに、上記圧力遮断部11には、長手方向の圧力の伝播を遮断するため、図4(b)に示すように、中心部分、その外周に位置する内層、および、この内層の外周に配置された外層、の間隙を充填する層間充填材14が設けられて、PIB(Pressure Isolator Block)構造、すなわち、圧力隔離構造を構成している。一方、上記圧力感知部12においては、中心部分とこれに隣接する外周に位置する内層、およびこの内層の外周に配置された外層間の間隙には、層間充填材は設けられておらず、空隙となっている(図4(c)参照)。つまり、層間充填材14は、圧力遮断部11においては必須の構成要素であるが、圧力感知部12ではなくてもよい(この場合はこの部分は「中空」となっている)。
 なお、FIMT10に設けられている孔8は、地上近傍の浅い場所に設置されるケーブル部分に対応する箇所では、無くても問題にはならない。
[0023]
 このように、圧力遮断部11に層間充填材14を設けた構成にしたことにより、DPTSSケーブルの軸方向には、圧力遮断部11に隣接する圧力感知部12への外圧の影響としての長手方向への圧力の伝播は遮断される。逆に言えば、圧力感知部12は、軸方向に設けられた、この圧力感知部12に隣接する2つの圧力遮断部11によって、他の圧力感知部から隔離された構造を構成する。これについて以下、さらに詳しく説明する。
[0024]
 図5は、上記新しい構造のFIMTであるFIMT10を有するDPTSSケーブル100を実際の測定現場で使用した場合の一例を示す図である。
 具体的には、この発明の実施の形態1によるDPTSSケーブル100を使用して実際の現場での被測定体である水平井の圧力をDPTSSケーブル100のPファイバで検知して水平井の圧力分布を測定する。
[0025]
 すなわち、この場合においては、図に示すように、外周部分をケーシングで囲まれ、FIMT10を有するDPTSSケーブル100が、水平井に沿って設置されている。この水平井を挟んで、このDPTSSケーブル100の反対側にはセメントが配置されている。
 図中、被測定流体は、DPTSSケーブル100が配置されているケーシング側とセメント側の両側に生じている、図中の符号Fで示した複数の岩盤の裂け目を通って、水平井に流入している。そしてこの水平井の流体の流れ方向に沿った圧力分布を、上記FIMT10中のPファイバで測定することになる。
 この場合、DPTSSケーブル100の主要構成要素である圧力遮断部11と圧力感知部12は、図に示すように水平井の流体の流れ方向に沿って交互に構成されている。そして、符号Sで示した点線で囲った部分が、圧力隔離領域を示している。すなわち、圧力遮断部11とセメントとによって圧力隔離構造が形成された圧力隔離領域Sが存在することにより、圧力隔離領域Sの左側部分の圧力p1が圧力隔離領域Sの右側部分の圧力p2に影響を及ぼすことはない。このことは圧力隔離領域S中の圧力遮断部11の数によらない(1個でも複数個でも同じである)。
[0026]
 次に、図4に示したDPTSSケーブル100の圧力感知部をさらに詳しく説明するため、軸に垂直な方向の断面図を図6に示す。
 図6は、DPTSSケーブル100を、今回提案する新しい構造のFIMTであるFIMT10の軸方向(長手方向)の孔8を含まない一つの位置であって、かつ軸に直交する方向に切断した場合の断面図である。
 この図に示すように、中心部分には、DPTSSケーブル100に用いられる他のワイヤに比べて外径が大きい円筒状ケーブル中に光ファイバ以外の他種のケーブル、例えば、電源用ケーブル、データ伝送用ケーブルなど、複数種類のケーブル(図示せず)が混在して収納されているワイヤケーブル13が配置されている。このワイヤケーブル13を中心部分に配置して、この外側に複数のワイヤあるいはケーブル等で構成される第1層と第2層が同心円状に配置されている。
 すなわち、このワイヤケーブル13のすぐ外側の略同一の外周半径位置に、このワイヤケーブル13を取り囲むように、Pファイバ1を中心部分に配置したFIMT10と、Tファイバ6を中心部分に配置した従来タイプのFIMTであるFIMT20と、複数の金属製(例えば鋼製)のワイヤ4とを螺旋状に巻回して構成した第1層を、内側の層として配置している。さらに、この第1層の外側の略同一の外周半径位置に、この第1層を取り囲む、複数の金属製(例えば鋼製)のワイヤ5を螺旋状に巻回して構成した第2層を外側の層として配置している。ここで、上記内側の層と外側の層は、互いに、いわゆるストランド構造を形成したストランド構造体となっている。なお、上記複数の金属製ワイヤには特許文献2を用いて説明したような特別な形状は形成されてはいない。
[0027]
 なお、図6において、中心部分のワイヤケーブル13の外径は、図に示したように、その外側部分に配置されたワイヤなどの外径より大きい外径のもので構成することにより、構造上の強度が増すという利点があるため、DPTSSケーブル100全体として、より機械的強度が増すという効果を期待することができる。
[0028]
 次に、このようなDPTSSケーブル100に用いられるFIMT10について、以下、図7、図8を用いてさらに詳しく説明する。なお、以下の図においては、図4~図6と同一符号で示した部分(構成要素)については、説明が煩雑となるため、詳しい説明は省略する。
[0029]
 まず、図7において、図7(a)は、FIMT10の一例を示すモデル図であり、図7(a)はFIMT10の機能を説明するための図、図7(b)は、図7(a)において、符号11aで示したPIB構造(圧力隔離ブロック構造。詳細は後述する図7の詳細説明部分を参照)を構成する圧力ブロックの軸方向の断面図である。
[0030]
 この図7において、Pファイバ1を取り囲む部分には、充填材2として、樹脂あるいは、ろう付け材としての低温半田が設けられ、Pファイバ1と接する形でPファイバ1を取り囲む形態になっている(場合によっては、外周部分の金属円筒管3と接触している)。また、符号3で示した金属円筒管の外周部には、小さな丸印で示した複数の貫通した孔8が設けられている。この孔8は、充填材2の注入孔9としても用いることができる。(図7(a)、図7(b)参照)。なお、図中の記号pは被測定体の圧力を示す。
[0031]
 図7(a)において、FIMT10の軸方向の適宜の箇所に設けた圧力ブロック11aは、図4において圧力遮断部11として示した区間に対応する部分となっている(これ以外の軸方向の区間は圧力感知部12に対応している)。なお、充填材2により、この部分でPファイバ1が金属円筒管3に接触している場合には、Pファイバ1が金属円筒管3に固定される。
[0032]
 この場合、外周部分を構成する金属円筒管3がシール用パイプの役割を果たし、この部分の金属円筒管3、Pファイバ1、および充填材2によって、外部圧力の影響を遮断する部分(言い換えれば、外部からこの区間の内部への流体の流入を遮断し圧力を検出できない固定部)を構成する(以下、この構成された部分の構造をPIB構造と称する)。また、図7(a)に示す例では、金属円筒管におけるPIB構造を構成しているのは、この圧力ブロック11aの区間のみであり、この区間は、FIMT10の軸方向に、例えば数m間隔で形成され、この区間以外の部分(圧力ブロック11a以外の部分)で、被測定体の圧力が測定されることになる。なお、この区間の間隔は要求される被測定体の測定仕様によって変更が可能である。
[0033]
 また、図7(a)において、符号A で示した区間は、この区間に孔8が存在することにより、FIMT10の光ファイバがPファイバとして機能する部分であり、一方、符号A で示した区間は、この区間に孔8が存在しないことから、FIMT10の光ファイバがPファイバとして機能せず、例えば、Tファイバとして機能する部分である。
 すなわち、FIMT10の軸方向に、任意の2つの圧力ブロック11aで挟まれた区間は、その領域内に孔8が少なくとも1個存在すれば、Pファイバとして機能し、その領域内に孔8が存在しなければ、Tファイバとして機能する。また、全長にわたって、任意の2つの圧力ブロック11aで挟まれた区間に孔8が存在すれば、そのFIMT10は全体がPファイバとなり、全長にわたって、任意の2つの圧力ブロック11aで挟まれた区間に孔8が存在しなければ、そのFIMT10は全体がTファイバとなる。
 なお、図7(a)、図7(b)に示すように、圧力ブロック11aの区間には、金属円筒管3の外側から充填材2を注入するための注入孔9が設けられ、PファイバあるいはTファイバを固定するために用いられる。
[0034]
 次に、DPTSSケーブル100に、以上説明したような新構造のFIMT10を用いた場合の効果について、図8を用いて詳しく説明する。
[0035]
 図8は、FIMT10の金属円筒管3の中の、ある2つの圧力ブロック11aで挟まれた区間A に、ピンホール、あるいはクラックが存在する場合の図である。現場で使用するDPTSSケーブルに用いられるFIMTに、たとえ、この図に示すようなピンホール、あるいはクラックが存在する場合でも、本実施の形態1のDPTSSケーブルに用いられるFIMTにおいては、この区間A の両側の圧力ブロック11aにより、その悪影響をこの区間A に限定できるため、実際の計測においては、この区間A 以外の区間での圧力分布測定に影響を及ぼすことはない。
[0036]
 なお、図7、図8において、符号2で示した部分の充填材にはゲルを用いることもできる。この場合には、充填材としてのゲルは、外周部分の金属円筒管3とは接触させずに充填することも可能である。
[0037]
 この場合、Pファイバ1は、符号A で示した区間に設けられた貫通した孔8により、直接(符号2で示した部分が中空の場合)、あるいは充填材であるゲルを介して、被測定体の圧力を検出することが可能である。なお、この場合において、孔8があることにより、被測定体の圧力について、FIMT10を構成する金属円筒管自体の歪とPファイバ1の歪に分離して影響を考慮する必要はなく、Pファイバ1に生ずる歪のみを考慮すればよいことになる。
[0038]
 また、要求される測定対象区間に対応できるように、測定対象区間となる箇所についての最短測定区間(距離)ごと、言い換えれば、要求される最小の測定距離ごとに、孔8を少なくとも1個設ける必要がある。そして、被測定体である流体の圧力は、上記の孔8があることにより、測定可能となる。
[0039]
 このように構成したFIMT10を圧力感知部として用いれば、FIMT10にはPファイバ1を金属円筒管に直接に固定する固定点がないので、FIMT10の軸方向の全区間にわたって、連続的に圧力分布を求めることが可能であり、従って、固定点があることによって生ずる図2、図3で指摘した問題点は生じない。
[0040]
 すなわち、以上で説明したFIMT10で構成されるDPTSSケーブル100を用いれば、冒頭で挙げた本発明の課題を克服することができる。
[0041]
 次に、本実施の形態1に係る光ファイバケーブルの効果を、実際に使用するDPTSSケーブルを用いて確認するため、以上において説明したFIMT10と、Tファイバ(温度センサとしての光ファイバ)であるFIMT20を、図4の基本構造で示した位置に配置した光ファイバケーブルを用いて、実際にブリルアン散乱光の周波数を測定した。以下、その内容について図を用いて説明する。
[0042]
 図9は測定に使用したPIB構造を有するFIMT10の諸元を説明するための図である。この図において、φはFIMT10の外径で1mm、dは光ファイバ直径で0.25~0.4mm、φ は孔8の直径で0.15mmである。この孔8は複数個設けられており、eは、隣接する各孔8間の最小間隔で1m程度である。なお、f、gは、その他の隣接する孔間距離を示しており、e以上の値となっている。
[0043]
 上述のeの値は、測定分解能より小さく設定しておけば、測定装置として使用する上で問題はない。また、eの値は、以下に示すBの区間の長さ(圧力を付与していない区間でブリルアン散乱光の周波数が漸増する区間)に比べて十分小さい場合には、測定した圧力の値に誤差は生じない。なお、今回の測定では全長が1km以上(約1.3km)の光ファイバケーブルを用いて確認実験を行った。
[0044]
 図9に示すFIMT10を有する上述の光ファイバケーブルを用いて、ブリルアン散乱光の周波数の測定を行った。測定結果を図10を用いて以下説明する。
[0045]
 図10の下段に測定結果を示し、上段には、下段の測定結果に対応させるため、使用に供した測定系の概念図を示す。
 測定結果を示した下段の図において、横軸は基準位置からの距離(単位:m)、縦軸はブリルアン散乱光の中心周波数(単位:GHz)を示す。また、この下段の図において、符号A、B、C、Dで示した各区間に対応する測定系での測定場所を上段に具体的に示している。このうち、A区間(距離1152m~1165mを含む区間)およびC区間(距離1140m~1152mを含む区間)は、圧力隔離構造体としての圧力容器を用いて圧力を他の領域から隔離して独立した領域とした区間である。
 C区間、D区間に示したデータは、従来構造のFIMT20の光ファイバ(Tファイバ6)を使用したDPTSSケーブルを用いて測定したデータであり、C区間のデータは圧力容器内でのデータ、D区間のデータは圧力容器外での測定データである。これらの区間では、測定データはともにブリルアン散乱光の中心周波数が大きく変動しており、圧力隔離構造体としての圧力容器内でのデータ(C区間のデータ)においても、冒頭の課題の欄で説明した圧力変動が生じており、この課題は未解決のまま残されていることがわかる。
 一方、A区間、B区間に示したデータは、提案する新構造のFIMT10の光ファイバ(Pファイバ1)を使用したDPTSSケーブル100を用いて測定したデータであり、A区間のデータは圧力容器内でのデータ、B区間のデータは圧力容器外での測定データである。圧力容器外での測定データであるB区間のデータでは、ブリルアン散乱光の中心周波数は一定値とはならず変化しているが、圧力容器内での測定データであるA区間のデータではブリルアン散乱光の中心周波数はほぼ一定の値を示した。なお、このA区間では、上記孔8が少なくとも1個以上、位置するように光ファイバケーブルを設置して測定を行った。
[0046]
 以上説明したように、A区間でブリルアン散乱光の中心周波数は、ほぼ一定の値を示しており、予想していた効果が確認できた。なお、B区間(距離1165m~1180mの区間)には、上記PIB構造は存在しないが、A区間の圧力の影響が残っていたと考えられる。
[0047]
 以上説明したように、従来の光ファイバケーブルに比較して、今回提案の光ファイバケーブルであるDPTSSケーブル100は、Pファイバ1を内部に持ち、金属製の外周円筒管に貫通孔である孔8を設けたFIMT10を備えた構成としたことにより、従来のFIMTの持つメリットを生かしつつ、Pファイバ1と外周円筒管との隙間をより均一にできるため、ブリルアン散乱光の中心周波数が変動して測定されるという課題を克服することができ、被測定体の高精度な圧力分布等の分布測定が可能になるという顕著な効果を奏する。なお、上記で説明した金属円筒管は、必ずしも形状が円筒の円筒管である必要はなく、金属管であれば同様の効果を奏する。
[0048]
実施の形態2.
 本発明の実施の形態2に係るDPTSSケーブル200について、図11を用いて以下説明する。なお、図11において、先に説明した図4、図6と同一符号で示した部分(構成要素)についての詳しい説明、および全体の構造がストランド構造である点は、実施の形態1の場合と同様であり、煩雑となるため、ここでの説明は省略する。
[0049]
 図11は、DPTSSケーブル200を、今回提案する新しい構造のFIMTであるFIMT10の軸方向(長手方向)の孔8を含まない一つの位置であって、かつ軸に直交する方向に切断した場合の断面図である。この図に示すように、Pファイバ1を含む新構造のFIMT10を、Tファイバ6を含むFIMT20と同じ外周位置ではなく、中心部分に配置した点、および、FIMT10の外径がFIMT20の外径より大きく設定した点が、実施の形態1で説明したDPTSSケーブル100に用いられるFIMT10と異なる所である。
[0050]
 このように構成されたDPTSSケーブル200は、実施の形態1に係る光ファイバケーブルであるDPTSSケーブル100に比較してPファイバを強固に保護できるため、実施の形態1のDPTSSケーブル100に用いた場合と比較して、使用されるPファイバの寿命が増し、得られる測定データの信頼性もよくなるという効果を奏する。
[0051]
実施の形態3.
 本発明の実施の形態3に係るDPTSSケーブル300について、図12を用いて以下説明する。なお、図12において、先に説明した図4、図6、あるいは図11と同一符号で示した部分(構成要素)、および全体の構造がストランド構造である点についての詳しい説明は、実施の形態1の場合と同様であり煩雑となるため、ここでの説明は省略する。
[0052]
 図12は、DPTSSケーブル300を、今回提案する新しい構造のFIMTであるFIMT10の軸方向(長手方向)の孔8を含まない一つの位置であって、かつ軸に直交する方向に切断した場合の断面図である。この図に示すように、実施の形態1で説明したDPTSSケーブル100と異なり、中心部には大きな径のワイヤケーブル13は配置されておらず、また、Pファイバ1を中心部分に配置したFIMT10は、実施の形態1で説明したDPTSSケーブル100のFIMT10とは異なり、ワイヤケーブル13の外側ではなく、ワイヤケーブル13が配置されていた中心部分に、Tファイバ6を中心部分に配置したFIMT20(FIMT10とほぼ同径)、およびFIMT10とほぼ同径のダミーワイヤ15の3種類のケーブルのみで、第1層としての内側の層を構成して配置されている。なお、この第1層を取り囲むように、その外側の層である、複数の鋼製のワイヤで構成される第2層が配置されている。
[0053]
 このように構成されたDPTSSケーブル300は、実施の形態1に係る光ファイバケーブルであるDPTSSケーブル100に比較して、簡易な構成となるため、DPTSSケーブル100が有する効果に加え、その製造が容易になるという効果を奏する。
[0054]
 以上、今回提案する外周金属円筒管に孔を設けた新しい構造のFIMTを用いたDPTSSケーブルは種々の効果を奏するが、上記以外にも、Pファイバの設置位置が中心部分だけでなく、その外側の層でも設置可能であるなど設計の自由度が増すこと、センサとしての光ファイバであるPファイバ、Tファイバが最外層に配置されないため、被測定体である水、あるいは石油などの流体中に含まれるプロッパント(proppant)と呼ばれる砂を主成分とする物質から、これらのセンサである光ファイバの保護を図れること、充填材であるゲルに水素吸収効果があることから、光ファイバの長寿命化が図れるなどの効果も期待することができる。
[0055]
 なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することが可能である。例えば、Pファイバは、圧力センサとして説明したが、圧力検出に基づいてひずみも求めることができる。
[0056]
 また、図4、図6、図11などにおいて、中心部分の円環状の管、あるいは円柱状のワイヤは、その外側部分に配置されたワイヤなどの外径より大きい外径のもので説明したが、必ずしも、そのような異なる外径のものでなく、外側部分のワイヤと同等の径のものでも同様の効果を奏する。また、金属円筒管は、円筒管でなくても円筒状の管であれば同様の効果を奏し、また金属円筒管の材質はステンレス製のものを例にして説明したが、鋼製のものでも同様の効果を奏する。

符号の説明

[0057]
 1 Pファイバ(圧力ファイバ) 2 充填材、3、7 金属円筒管、4、5 ワイヤ、6 Tファイバ(温度ファイバ)、8 孔、9 注入孔、10 FIMT(Pファイバを備えたFIMT)、11 圧力遮断部、11a 圧力ブロック、12 圧力感知部、13 ワイヤケーブル(中心部分に配置したもの)、14 層間充填材、15 ダミーワイヤ、20 FIMT(Tファイバを備えたFIMT)、100、200、300 DPTSSケーブル。

請求の範囲

[請求項1]
 金属管被覆光ファイバケーブルおよび当該金属管被覆光ファイバケーブルを保持する金属製ワイヤを同一中心軸の周りに混成して配置した内側の層と、この内側の層を取り囲むように複数の金属製ワイヤを前記内側の層と同心状に配置した外側の層と、を有し、前記内側の層と前記外側の層とにより多層ストランド構造を形成したストランド構造体を備えた、物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブルであって、
前記ストランド構造体は、軸方向への圧力の影響を遮断するための、軸方向に分散して配置した圧力遮断部を有し、
前記金属管被覆光ファイバケーブルは、前記内側の層に配置されるとともに、前記金属管被覆光ファイバケーブルを構成する光ファイバには、当該光ファイバに入射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布を測定するための圧力センサである光ファイバを含み、前記圧力センサである光ファイバを有する前記金属管被覆光ファイバケーブルの金属管には、貫通する孔が設けられていることを特徴とする物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。
[請求項2]
 前記圧力遮断部は、前記内側の層と前記外側の層との間隙を充填している層間充填材を備えたことを特徴とする請求項1に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。
[請求項3]
 前記孔は、前記物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブルの軸方向位置であって、前記被測定体の圧力分布の測定対象部分に対向する金属管上に、少なくとも1個設けられていることを特徴とする請求項1に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。
[請求項4]
 前記圧力センサである光ファイバを備える金属管被覆光ファイバケーブルの光ファイバ、および当該金属管被覆光ファイバケーブルの外周部に配置された金属円筒管との間に、前記圧力センサである光ファイバの外周に接する充填材を円環状に設けたことを特徴とする請求項1に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。
[請求項5]
 前記充填材は、前記圧力センサである光ファイバを備える金属管被覆光ファイバケーブルの外周部に配置された金属円筒管の内周に接していることを特徴とする請求項4に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。
[請求項6]
 前記充填材は、ゲル、樹脂、あるいは低温半田であることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]