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JP5980419B2 - 光ファイバケーブル、光ファイバケーブルの製造方法、および分布型測定システム - Google Patents

光ファイバケーブル、光ファイバケーブルの製造方法、および分布型測定システム Download PDF

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Description

本発明は、光ファイバケーブルを用いて、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、この光ファイバケーブルの製造方法、およびこの光ファイバケーブルを用いて温度、圧力、歪の分布を一括測定する分布型測定システムに関するものである。
従来、２種類の光ファイバをセンサとして用いた多層アーマードケーブルを使用して、被測定体の圧力と温度の分布を測定することができるシステムが知られている（例えば特許文献１）。このシステムにおいては、２種類の光ファイバによるブリルアン周波数シフト、及びレイリー周波数シフトであるΔνＢ、ΔνＲを、これら２種類の光ファイバごとに検出して、これら４つの値を基に、被測定体の圧力分布、温度分布を求めるようにしていた。４つの値とは、具体的には、例えば光ファイバケーブルのセンサである光ファイバ芯線１０のブリルアン周波数シフト、及びレイリー周波数シフト、及びＦＩＭＴ（Fiber in Metallic Tube の略称。「金属管被覆光ファイバ芯線」の意味である。以下では、この略称を用いる）４のブリルアン周波数シフト、及びレイリー周波数シフトである（図１０、図１１参照）。
ここで、圧力および温度は光ファイバが存在する部分の場の圧力および温度であるため２種類の光ファイバで同一の値を持つので、Ｔ１、Ｔ２を各ケーブルの温度とし、参照圧力Ｐ０（例えば大気圧）、参照温度Ｔ０（例えば室温）を用いてΔＰをΔＰ＝Ｐ−Ｐ０とし、ΔＴを、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ０＝Ｔ２−Ｔ０とすると、被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δε１、Δε２と、上記４つの周波数シフトの値（ただし、光ファイバ芯線１０のブリルアン周波数シフト、及びレイリー周波数シフトについては上付き符号１、ＦＩＭＴ４のブリルアン周波数シフト、及びレイリー周波数シフトについては上付き符号２とし区別して記載）との間には、次式（１）の関係が成立する。ここで、ｄｉｊは、上記周波数シフトを基にした各光ファイバの特性係数であり、周波数シフトに対する光ファイバの感度係数の逆行列として求めることができる。
Figure 0005980419
この光ファイバを用いた圧力、温度分布測定技術は、物体の体積変化の分布計測に適用することができる。例えば、ポーラスな砂岩は、流体が充填される前と充填された後とでは体積が変化するので、前述の測定技術の適用分野の一つとなる。ただし、従来のアーマードケーブルを用いた光ファイバ分布型測定システムでは、ケーブルの製作上の課題などから、場合によっては正確な歪の分布を計測できないこともあった。
特開２０１０−２１６８７７号公報
ここで、例えばブリルアン周波数シフトのみを利用した分布型圧力センサでは、光ファイバにひずみが加えられることにより生じるブリルアン周波数シフトを利用しているが、このブリルアン周波数シフトは、この光ファイバのプローブに加わる圧力を歪に変換して光ファイバケーブルに沿った圧力分布を測定するため、圧力により変形するプローブに固定した光ファイバセンサの周波数シフトを計測することで、印加された圧力を計測することができる。そこで、光ファイバセンサを上記プローブに固定させる必要があり、このようにすることで、光ファイバセンサの周波数シフトを計測することにより、プローブに印加された圧力を計測することができる。
しかしながら、従来、多層アーマードケーブルの製造上の理由から、多層アーマードケーブルに用いられるケーブル鋼線と光ファイバ結合面の結合状態を精密に制御できない状況にあったため、これまでは圧力測定において十分精度のある値を得ることができなかった。これについて以下図面を用いて説明する。
図１２は従来の光ファイバ芯線１０と多層アーマードケーブル５０の最内層のケーブル鋼線の結合面の状況を模式的に示した図である。この図で光ファイバ芯線１０は最内層のセンサ機能を持つ光ファイバ導波路１１、この光ファイバ導波路１１を直接被覆する第一被膜１２、この第一の被膜をさらに被覆する第二被膜１３で構成され、一方、多層アーマードケーブル５０の最内層のケーブル鋼線は、設計上では図中５１で示すような配置、すなわち、光ファイバ芯線の径が最内層のケーブル鋼線が作る空隙の径より小さくなるように設計しているが、製造状況によりその巻回状態が変化し図中、５１、５２、５３で示すように、光ファイバ芯線１０の外形線Ｌｓに対して種々の結合状況にあると考えられる。すなわち、ケーブル鋼線が図中の５１の位置にある場合であって外形線Ｌｓに対して間隔を置いて結合している場合、すなわち、光ファイバ芯線１０と多層アーマードケーブル５０の間に空隙がある場合（ケースａ）、ケーブル鋼線が図中の５２の位置にある場合であって外形線Ｌｓに対して接触して結合している場合（ケースｂ）、そして、ケーブル鋼線が図中の５３の位置にある場合であって外形線Ｌｓから光ファイバ芯線１０に侵入した状況にある場合（ケースｃ）である。ケースａの場合（図１１で説明すると、最内周部のアーマードケーブルが、光ファイバ芯線に接する位置（円周を実線で示したもの）ではなく、少し間隔を置いた位置（円周を破線で示したもの）にある場合）は空隙に流体が入り込むため、ファイバは外圧と同じ圧力を受ける。これに対し、ケースｂ（図１１で説明すると、最内周部のアーマードケーブルが、光ファイバ芯線に接する位置（円周を実線で示したもの）にある場合）、ケースｃの場合には、中心部の光ファイバ導波路１１の受ける圧力は、多層アーマードケーブルが受ける外圧とは異なる値をとる。
ケースｂ、ケースｃの場合について、図９に示すモデルを用いて説明する。この図は外側にある環状体（多層アーマードケーブルをモデル化したもの）に囲まれた柱状体（光ファイバ導波路をモデル化したもの）が受ける圧力（半径方向の垂直応力）と環状体に加わる圧力を評価するための単純モデルである。通常の光ファイバで計測する場合には、図９（ａ）に示すように、この柱状体と環状体とが一体となっており、環状体が外圧Ｐｏを受けた状態でセンサである柱状体部分で圧力を測定していることになる。この場合にセンサ部分での圧力の値を検討する。
そこで、ここでは環状体が円環状体であり、柱状体が円柱状体である均質な等方性弾性材料からなると仮定し、この円環状体の半径をｂ、その弾性係数であるラメ定数をλ１、μ１とし、前記円柱状体の半径をａ、そのラメ定数をλ２、μ２として、図９（ａ）を図９（ｂ）、図９（ｃ）の２つに分解して円柱状体にかかる圧力Ｐｉを評価する。ここで、円環状体の内圧をＰｉとした。ここで線形弾性論においてはフックの法則は、ラメ定数λ、μを用いて、下記式（２）のように表される。
Figure 0005980419
 式（２）において、σは応力、εは歪を表し、ｉ，ｊは互いに直交する３軸方向のうちの２方向を表す指標である（例えばｘ、ｙ、ｚ軸を互いに直交する３軸とすれば、そのうちの２方向であるｘ軸、y軸方向を表す指標）。また、δｉｊは、クロネッカー（Kronecker）のデルタである。そして、通常、λはラメの第一定数、μは第二定数と呼ばれ必ず正の値をとる。また、μは剛性率ともいい通常Ｇと表記される。
この場合、図９（ｂ）において、半径ａの位置での円環状体の変位ｕ１（ｒ＝ａ）は、半径ａの位置での円柱状体の変位ｕ２（ｒ＝ａ）と等しい値となる必要があり、この場合においては、上記ＰｉはＰｏにより、式（３）で表される。
Figure 0005980419
 図９（ａ）よりａ＜ｂであるから、この式の分母の｛｝かっこ内の式の値は常に正となる。従って、以下の結論が得られる。
（ケース１）：円環状体と円柱状体の弾性率が等しい場合、つまり式（４）が成立する場合には、Ｐｉ＝Ｐｏとなる。
Figure 0005980419
 （ケース２）：円環状体の弾性係数が円柱状体の弾性係数より大きい場合、つまり式（５）が成立する場合には、Ｐｉ＜Ｐｏとなる。
Figure 0005980419
 （ケース３）：円環状体の弾性係数が円柱状体の弾性係数より小さい場合、つまり式（６）が成立する場合には、Ｐｉ＞Ｐｏとなる。
Figure 0005980419
 すなわち、ケース２の場合、円柱状体（ここでは光ファイバに相当）の受ける圧力（半径方向の垂直応力）は、円環状体（ここでは多層アーマードケーブルに相当）に加わる圧力よりも小さくなる。つまり、ケースｂ、ケースｃの場合には、中心部の光ファイバ導波路１１の受ける圧力は、多層アーマードケーブル５が受ける外圧より小さな値となり、アーマードケーブル外側の計測されるべき場の圧力値の適切な評価ができない。
このことを実際の実験データで以下に示す。図１３は光ファイバ素線の試験により得られた圧力・歪感度を用いて、基準となる３つの圧力値である２５ＭＰａ、１５ＭＰａ、５ＭＰａについて、多層アーマードケーブル形体のケーブルを用いて得たブルリアン、レイリー周波数シフトを圧力に変換した場合の、ケーブル長３ｍにわたる圧力分布の測定データである。図中の値は上記の基準となる圧力値である。この図より、基準となる圧力値により減少量は異なるものの、いずれの圧力基準値においても、測定データは基準となる圧力値よりも小さな値となっていることがわかる。
また、光ファイバ芯線と多層アーマードケーブルに用いられるケーブル鋼線の層間の位置を互いに連動させて定められず、一方で、被測定体が、通常、一番外側のアーマード層であるケーブル鋼線の層に固定されて測定されるため、測定対象の歪と光ファイバ芯線１の歪とが一致することを保証できず、分布型圧力温度測定システム（ＤＰＴＳ）では、歪分布の測定を精度よく、実施することができない状況にあった。
上記のような状況であるにも拘わらず、例えばＣＣＳ（Carbon Dioxide Capture and Storage）、すなわち、発電所や工場等から排出されるＣＯ２を分離・回収し地層に貯留する技術においては、地下に貯留されたＣＯ２を監視するために、例えば、ＣＯ２圧入に伴う地層内の圧力上昇によって生じる歪や、ＣＯ２が岩に滲入した際に生ずる歪が測定対象となっており、特に、精密な歪測定が要求されている。さらにシェールガスなどの生産にも適用が可能なものが望ましい。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、アーマードケーブル方式の光ファイバを用いた分布型光ファイバ測定システムにおいて、光ファイバ導波路とアーマードケーブル間に隙間を形成した光ファイバケーブルを採用するとともに、この光ファイバ導波路とアーマードケーブルとを固定材を用いて固定し、光ファイバケーブルに用いられている２種類の光ファイバにより、被測定体の圧力分布、温度分布、および歪分布を一括して精度よく測定できる分布型光ファイバ測定システムに用いる光ファイバケーブルの提供、光ファイバケーブルの製造、分布型測定システムの提供を可能にすることを目的とする。
この発明に係る光ファイバケーブルは、
被測定体中または被測定体に沿って当該被測定体とともに変形するよう敷設された光ファイバケーブルに入射された光が、前記光ファイバケーブル内で散乱された散乱光からブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトにより前記被測定体の圧力、温度、歪の分布を計測するための光ファイバケーブルであって、
前記被測定体の圧力を計測する光ファイバ芯線と、前記被測定体の温度を計測する多層アーマードケーブルから構成され、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブル間に環状の空隙層を形成し、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブルを固定する固定材を前記光ファイバケーブルの軸方向に間隔をおいて設けたことを特徴とするものである。
また、この発明に係る光ファイバケーブルの製造方法は、
圧力を計測する光ファイバケーブルの光ファイバ芯線の最外層部に、所望の厚さの水溶性樹脂層を環状に被覆し、前記光ファイバケーブルのアーマード層をアーマード化した後、前記水溶性樹脂層を除去する工程と、前記水溶性樹脂層を除去した後、前記光ファイバ芯線と前記アーマード層を固定材により固定化する工程と、を含むものである。
さらに、この発明に係る光ファイバケーブルを用いた分布型測定システムは、
被測定体中または被測定体に沿って当該被測定体とともに変形するよう敷設された光ファイバケーブルに入射された光が、前記光ファイバケーブル内で散乱された散乱光からブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトにより前記被測定体の圧力、温度、歪の分布を計測するための光ファイバケーブルであって、前記被測定体の圧力を計測する光ファイバ芯線と、前記被測定体の温度を計測する多層アーマードケーブルから構成され、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブル間に環状の空隙層を形成し、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブルを固定する固定材を前記光ファイバケーブルの軸方向に間隔をおいて設けた光ファイバケーブルを用いて、
この光ファイバケーブル内で散乱された散乱光のブリルアン周波数シフト及びレイリー周波数シフトから、物質の圧力、温度、歪の分布を解析して求めるブリルアン散乱・レイリー散乱のハイブリッド型後方散乱測定機により、被測定体の圧力、温度、歪の分布を一括して求めるものである。
また、この発明に係る光ファイバケーブルを用いた分布型測定システムは、前記レイリー周波数シフトに代えてレイリー位相変化を用いた光ファイバケーブルを用いて、この光ファイバケーブル内で散乱された散乱光のブリルアン周波数シフト及びレイリー位相シフトから物質の圧力、温度、歪の分布を解析して求めるブリルアン散乱の後方散乱測定機及びレイリー位相測定機により、被測定体の圧力、温度、歪の分布を一括して求めるものである。
この発明によれば、被測定体の圧力分布、温度分布、および歪分布を一括して精度よく測定できる光ファイバケーブルの提供、この光ファイバケーブルの製造、及び被測定体の測定方法の提供が可能になるという顕著な効果を得ることができる。
この発明の実施の形態１による圧力、温度、歪を測定する分布型光ファイバシステムの概要を示す図である。 この発明の実施の形態１による分布型光ファイバシステムに用いられる光ファイバケーブルを模式的に示した図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの軸方向（長尺方向）の要部の概略断面図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの軸方向の位置と測定圧力の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの長尺方向の断面構造を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの軸に垂直な方向の断面の模式図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの軸方向に測定した圧力分布の測定データの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルの製造方法のフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態１による光ファイバケーブルに加わる圧力を評価するための単純モデルを示す図である。 従来の２種類の光ファイバをセンサとして用いた多層アーマードケーブルを使用した光ファイバケーブルの長尺方向の要部構成の一例を示す断面図である。 図１０の光ファイバケーブルの軸に垂直な方向の断面の模式図である。 従来の光ファイバケーブルのケーブル芯線と多層アーマードケーブルの最内層のケーブル鋼線の結合面の状況を模式的に示した図である。 従来の光ファイバケーブルの軸方向に測定した圧力分布の測定データの一例を示す図である。 この発明の実施の形態３による光ファイバケーブルの多層アーマードケーブルの要部を示す模式図である。 この発明の実施の形態４による隔離体を設けた光ファイバケーブルの要部構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態５による光ファイバケーブルの加熱ワイヤの要部の断面構造の模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光ファイバのブリルアンとレイリー散乱の周波数情報を用いて、圧力、温度、歪を一括測定する分布型光ファイバシステム８の概要を示す図である。図において、アーマードケーブルを用いた光ファイバケーブル７は、多層アーマードワイヤに備えられ、温度センサなどのセンサ機能を持つ光ファイバであるＦＩＭＴ４、光ファイバ芯線のセンサ機能を持つ部分である光ファイバ導波路１１、などから構成され、これらケーブルはセメンチング等により地層と固定されている。これらのケーブルをまた、これらの光ファイバに光を入射し（ｃｈ１からはＦＩＭＴ４に、またｃｈ２からは光ファイバ導波路１１に光を入射）、前記２つの光ファイバの入射光と散乱光の周波数シフトを計測し解析するブリルアン散乱・レイリー散乱のハイブリッド型後方散乱測定機６(図１ではＲ＆Ｂ測定系と表示)となどから構成される。このように構成された分布型光ファイバシステム８により、測定対象である坑井（例えば二酸化炭素注入井）の、圧力Ｐ、温度Ｔ、歪εの分布を精度よく一括測定することができる。
次に、この測定システムにおける測定手順について説明する。まず、ブリルアン散乱については、入射光と散乱光の周波数シフトΔνＢは式（７）、式（８）で表される。
Figure 0005980419
Figure 0005980419
 ここでΔνＢの上付き数字は光ファイバの種類を示しており、“１”が付されているものは光ファイバ導波路に係るもの、“２” が付されているものはＦＩＭＴに係るものである。また、Ｃｉｊは光ファイバ固有の感度係数であり、上付き数字は上記と同じ光ファイバの種類に係るものを示している。また、εの上付き数字も上記と同じ光ファイバの種類に係るものを示している。さらに、式（８）でΔＰに係る項がないのは、ＦＩＭＴが圧力の影響から遮断されているためである。
２番目にレイリー周波数シフトΔνＲについては、式（９）、式（１０）で表される。
Figure 0005980419
Figure 0005980419
 ここでΔνＲの上付き数字は光ファイバの種類を示しており、“１”が付されているものは光ファイバ導波路に係るもの、“２” が付されているものはＦＩＭＴに係るものである。また、式（１０）でΔＰに係る項がないのは、ＦＩＭＴが圧力の影響から遮断されているためである。その他の説明については、上記ΔνＢに係る内容と同様であるので、ここでは説明を省略する。
これらの式（７）〜式（１０）より、圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεと、ΔνＢ、ΔνＲの間には、上記感度係数Ｃｉｊから定まる特性係数（周波数シフトを基にした特性係数でＣｉｊの逆行列として求まる係数）Ｄｉｊにより式（１１）で定められる関係が成立する。
Figure 0005980419
 よって、式（１１）より周波数シフト情報から被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεを求めることができる。
上記はブリルアンとレイリー散乱の周波数情報を用いて、被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεを求める手順の概要を示したが周波数情報だけではなく、位相情報を用いて被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεを求める方法も有効である。特に、レイリー周波数シフトを計測する場合には、ブリルアン周波数シフトを計測する場合に比べ、一般的に計測時間が長くかかるため、計測時間に制約のある場合などにおいては、この位相情報を用いる方法が有効である。以下では、この位相情報を用いて被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεを求める方法について、その手順の概要を説明する。
この方法では上記レイリー散乱の周波数情報を用いる代わりに、位相情報を用いるものである。レイリー散乱の位相シフトΔφＲはそのレイリー散乱の位相シフトに係る感度係数をＣ３ｊとすると、光ファイバ導波路に係るものは式（１２）で、ＦＩＭＴに係るものは式（１３）で表される。
Figure 0005980419
Figure 0005980419
 ここで、Δεは光ファイバケーブルの軸ひずみ測定対象となり、Ｃ３１はレイリー位相の歪の感度係数、Ｃ３２はレイリー位相の温度の感度係数、Ｃ３３はレイリー位相の圧力の感度係数である。また、式（１３）でΔＰに係る項がないのは、ＦＩＭＴが、圧力の影響から遮断されているためである。その他の説明に関しては、上記ΔνＢに係る内容と同様であるので、ここでは説明を省略する。
上記式（７）、式（８）と式（１２）、式（１３）より圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεと、ΔνＢ、ΔφＲの間には、上記感度係数Ｃ１ｊ、Ｃ3ｊから定まる特性係数（周波数シフトを基にした特性係数でこれらの感度係数の逆行列として求まる係数）Ｆｉｊにより式（１４）で定められる関係が成立する。
Figure 0005980419
よって、式（１４）より周波数シフト情報、位相シフト情報から、被測定体の圧力変化ΔＰ、温度変化ΔＴ、歪変化Δεを求めることができる。この場合には上述の、ハイブリッド型後方散乱測定機に代えて、ブルリアン後方散乱測定機とレイリー位相測定機が必要である。なお、位相情報のみを用いる手法としては、(1)Shiuh-Chuan Her,Chih-Min Yang “Dynamic Strain Measured by Mach-Zehnder Interferometric Optical Fiber Sensors”,Sensors(ISSN 1424-8220) 2012, March 2012, 12, pp3314-3326. (2)J.H.Cole, et.al, “TWENTY-FIVE YEARS OF INTERFEROMETRIC FIBER OPTIC ACOUSTIC SENSORS AT THE NAVAL RESEARCH LABORATORY”, Washington Academy of Sciences, Fall 2004, pp40-57が参考文献として挙げられる。
ここで、式（１２）〜（１４）におけるΔφＲは干渉原理による位相変化であり、式（１１）以前のレイリー散乱に基づく入射光の周波数変化ΔνＲとは異なる物理量であることに注意すべきである。
図２は、上記図１の分布型光ファイバシステム８に用いられる光ファイバケーブル７を模式的に示した図である。この図において、光ファイバケーブル７は大別して中心部の光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５から構成されている。光ファイバ芯線１には、その最内周にセンサ機能を有しガラスで構成された光ファイバ導波路１１が配置され、その外周には、この光ファイバ導波路１１を直接被覆し防水、防水素効果をもつ第一被膜１２、及び、この第一の被膜をさらに被覆し、光ファイバ導波路１１を防護するとともに強度強化のための第二被膜１３が形成されている。そして、第二被膜１３の外周には、一定の隙間δを隔てて、上記多層アーマードケーブル５が配設されている。
この一定の隙間δは、光ファイバケーブルの製作の初期工程においては、第二被膜１３の外周の形成された水溶性樹脂層１４等で形成され、その後の工程において、その外周にアーマードケーブルを形成した後、この光ファイバケーブル７が水中、あるいは湯中に浸された際に、この水溶性樹脂層１４が水あるいは湯に溶けることで、所望の寸法の空隙層として形成されるものである。実際の圧力計測の際は、この空隙層へ流入した被測定体（液体）の圧力などを、上記光ファイバ芯線１により測定する。
具体的には、上記水溶性樹脂層１４の厚みを所望のサイズ（ここでは上記一定の隙間δ。通常、片側半径サイズで数１０〜数１００μｍ程度）に設計・加工し、光ファイバケーブルをアーマード化（光ファイバ芯線の周りにワイヤーを設置することをアーマード化と称する）する際、必要な機械性能、すなわち、耐摩耗性、耐圧力性、十分な引張強度など、を果たすように製作する。アーマード化した直後は、多層アーマードワイヤはこの水溶性樹脂層１４と接触している。その後、光ファイバケーブルを水、あるいは湯に浸して水溶性樹脂層１４を除去する。なお、観測井が油井である場合には、上記水溶性樹脂層１４を油溶性樹脂で置き換えることで、上記一定の隙間δを設けることができる。
また、上記水溶性樹脂層１４を溶かす別の方法として、この層を融点の低い樹脂で構成する方法もある。具体的には、例えば、水溶性樹脂層１４の融点を１００℃程度（例えばポリエチレンを用いればよい）、上記第一被膜１２、及び第二被膜１３の融点を２００℃以上とし、アーマード化後、光ファイバケーブル全体の温度を１５０℃に加熱することにより、水溶性樹脂層１４を除去することができる。上記以外にも、この水溶性樹脂層１４の代わりに、アーマード化の際に一時的に光ファイバ芯線１のオーバーコート機能を果たし、その後除去可能な物、具体的には油溶性の物質、アルコールに溶ける物質、または圧縮すると粉末になるポリマーガラスなどを利用することもできる。
また、樹脂保護層のままで地中に埋設し、地中で樹脂を溶解しながら、セメンチングをおこなうことも可能である。
図３は、光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５間に一定の隙間で空隙層２を形成した光ファイバケーブルの軸方向（長尺方向）の要部の概略断面図である。図に示すように、上記で説明した空隙層２を形成するだけではなく、光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５を固定するため、光ファイバ軸方向（長尺方向）に長さｃの固定材３ａ、３ｂをピッチ間隔ｄで設けたものである。この理由は、空隙層を設けただけでは、多層アーマードケーブルに対して光ファイバ芯線１が固定されないため、この光ファイバに生ずる歪を精度よく測定できないためである。従って、空隙層２を形成した上で、光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５を固定する必要がある。
この場合において用いる固定材の半径方向（軸方向に垂直な方向）のサイズは、光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５を固定できればよいため、環状の多層アーマードケーブルの内側に当たる部分の内径以上の大きさがあればよい。すなわち、図中、固定材３ｃで示した部分の半径以上あればよく、通常は多層アーマードケーブルを構成するアーマードケーブル層のうち最内層（図２で５ａで示した層）の半径位置まで、樹脂などの接着剤で固定する固定方法が用いられる（固定材３ａ、３ｂ参照）。なお、図３では固定材３ａ、３ｂ同士の間隔（長尺方向のピッチ）が一定の間隔ｄの場合について示したが、これに限らず、光ファイバ芯線１と多層アーマードケーブル５を固定できさえすればよいため、不定間隔ピッチで構成するものであってもよい。
図３のように構成された光ファイバケーブルにおいては、この軸方向の位置と測定された圧力の値の関係図（図４）に示すように、固定材のある部分（図中Ｂ１、Ｂ２で示した部分）は圧力の不感部となっており、光ファイバ芯線１は適切な圧力測定はできないが、固定材のない部分（図中Ａ１、Ａ２、Ａ３で示した部分）においては、精度よい圧力分布測定ができる（圧力測定精度は５psi以下）という効果が得られる。
上記のように構成された光ファイバケーブルのさらに詳細な状態について、図５、図６を用いて説明する。図５は光ファイバケーブルの長尺方向の断面構造を説明するための模式図であり、図３の１つの固定材の長さ相当部分について示したものである。図５に示すように、光ファイバ芯線１は多層アーマードケーブル５の最内層部５ａに固定材３により固定され、空隙層２を形成している。そして、この最内層部５ａの１層外側の層５ｂには、この層５ｂ全体の１割程度の割合に当たる所定の位置に温度センサ機能をもつＦＩＭＴ４（図中３重丸印）が配置されている。この図５の光ファイバケーブルの軸に垂直な方向の断面を模式的に示したのが図６である。この図に示したように、多層アーマードケーブル５は同心円状の３層からなり、中心部の光ファイバ芯線１と、この多層アーマードケーブル５の最内層部５ａとの間には隙間δの空隙層が形成されている。
そして、上記のように空隙層２を設けた場合において、光ファイバケーブル軸方向のケーブル長３ｍにわたって測定した圧力分布の測定データは、上記図１３で示した場合と異なり、光ファイバ素線の試験により得られた圧力・歪感度を基準として設定した３つの評価圧力値である２５ＭＰａ、１５ＭＰａ、５ＭＰａについて、多層アーマードケーブル形体の光ファイバケーブルを用いて得たブルリアン、レイリー周波数シフトを圧力に変換した場合の圧力測定値は、上記ケーブル長３ｍのどの測定位置においても、基準となる圧力値と差異のない圧力分布になっていることがわかった（図７参照）。
次に、上記の本発明の光ファイバケーブルについての、上述の空隙層を形成し、固定材で固定する製作方法（製造方法）について、以下図８のフローチャートを用いて説明する。図において、ステップ１で光ファイバ芯線１に水溶性樹脂で構成された水溶性樹脂層１４を所望の空隙層厚みδだけオーバーコートし、次にステップ２では、鋼線を用いて、これを水溶性樹脂層１４の回りに、螺旋状に１層あるいは数層巻回して、アーマード化する製作を行う。次いでステップ３では、アーマード化製作した光ファイバケーブルを水溶液中、あるいは湯中に浸して水溶性樹脂層１４を除去する。次いでステップ４で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）に一定の長さ（図３参照、図３で“ｃ”で示した長さ）、一定の間隔（図３参照、図３で“ｄ”で示したピッチ）で、あるいは一定の長さ（図３で“ｃ”で示した長さ）の不定の間隔で注入して、光ファイバ芯線１とアーマードケーブルとを固定する。固定する半径方向のサイズは、少なくともアーマードケーブルの最内層の半径程度が必要である（段落００３５参照）。そして、さらにステップ５で、オプションとしての光ファイバケーブルの外層の構成加工（光ファイバケーブルの保護のための工程）を行えば光ファイバケーブルの製作は完成する。
上記のように構成した本願発明の光ファイバケーブルによれば以下に示す効果を得ることができる。まず、上述のように、図４の「Ａ」で示した部分（具体的にはＡ１、Ａ２、Ａ３）である圧力感知部において高精度の圧力測定が実現できる。ただし、圧力不感部においては周りの圧力との一致性はない。また、アーマード各層間の相対すべりが無ければ、光ファイバ芯線の歪は、アーマード層の歪と高度（例えば１με程度）に一致する。
さらに、本光ファイバケーブルについては、ケーブルが切れない限り寿命が保てる。本来、光ファイバの引っ張り強度は鋼鉄よりも大きいので、アーマード構成にすれば鋼鉄の寿命より先に切れることはないはずであるが、アーマード層製造時においては、光ファイバ中に高い歪を残留させることがあり、このことが、光ファイバケーブルが断線する主因となっている。本発明では先に示した図８のステップ３の工程において、一旦光ファイバーをフリーにさせるため、残留ひずみを解放する効果があり、光ファイバケーブル強度に影響を与えることなく、アーマード強度を十分に強化することができ、光ファイバケーブル全体を長寿命化できる効果がある。
実施の形態２．
ところで、本光ファイバケーブルの製造においては、通常２０℃程度の常温下で上述の水溶性樹脂層１４をオーバーコートするが、油井などで実際に使用する際、油井の温度はこの常温に比べて１００℃以上の高温（最大で３００℃になる場合もある）になっており、光ファイバケーブル自体の温度は、この油井の温度に応じて、１００℃以上の高温まで上昇する。この結果、光ファイバ芯線１には２０００με程度の歪が生じ、場合によっては断線するおそれもあり、測定精度を確保する上で問題があった。
そこで、本光ファイバケーブルの製造において、水溶性樹脂層１４をオーバーコートする際、常温ではなく、１００℃程度（１００±１０℃）の高温度下で行い、光ファイバ芯線１に張力を付加した状態のまま常温まで冷却する。この結果、光ファイバ芯線１が歪をもったままの光ファイバケーブルのオーバーコート品ができることになる。その後の工程で水溶性樹脂層１４を除去すれば、光ファイバ芯線１が所定の歪をもったまま光ファイバケーブルの中心に設置され、これを図３で示したように、一定の間隔ｄで固定する。そして、このような高温下で処理を行った光ファイバケーブル７１を上述の高温の油井に実装した際には、光ファイバ芯線１に生ずる歪は、高温下で処理を行わなかった場合に比較して、所定の歪の量だけ減ることになり、このような光ファイバケーブル７１の寿命を延長できる効果がある。
実施の形態３．
また、別のケースとして、油井の坑内の流体に、典型的には砂として扱われるプロパント（proppant)と呼ばれる物質が含まれている場合がある。このプロパントが含まれている流体中に光ファイバケーブルが実装された場合においては、この流体中の砂が金属ワイヤに含まれる鉄（Ｆｅ）を侵食するという問題点がある。特に、光ファイバケーブルが厳重に撚られて作られている場合には、光ファイバケーブルが断線することもある。
このような断線を防止するため、光ファイバケーブル７に用いられている多層アーマードケーブル５を、複数のワイヤを撚り合わせたストランド（strand）とする場合において、図１４に示すように、撚り合わせるワイヤを通常の金属製ワイヤに比べて硬度の軟らかいプラスチック材料などを用いて、上記撚り合わせるワイヤを包み込むように袋状の形態にした膨張部１５を、前記複数のワイヤ各々の飛び飛びの箇所に設ける方法が有効である。図１４（ａ）は、ストランド前の、最外層(３層目)に膨張部１５を形成した後の多層アーマードケーブル５の最外層の一例を示したモデル図であり、図１４（ｂ）は、ワイヤを撚り合わせた、ストランド後の螺旋状の多層アーマードケーブル５の一部を示す図である。そして、この方法により膨張部を設けた光ファイバケーブル７２を保護することが可能となる。すなわち、膨張部１５は上記プロパントが含まれている流体の運動速度を減少させるため、このプロパントにより、光ファイバケーブルを用いた測定を行う上で問題となる光ファイバケーブル７２の摩耗損量を小さくすることができる。また材質を変更したことによる光ファイバケーブル摩耗損量の改善効果もある。
実施の形態４．
実施の形態１で述べた多層アーマードケーブルを構成するＦＩＭＴは、通常、溶接加工によって製造される。その製造時の品質検査でも検出されなかった光ファイバケーブルのピンホール欠陥が、実証試験での温度分布測定などにおいて、漏れ信号（一部の急激に変化する信号）を検出することなどを通じて見つかる場合がある。また、光ファイバケーブルの現場での実装時にピンホール欠陥が生ずる場合もありうる。ＦＩＭＴに、もしこのようなピンホール欠陥があると、光ファイバケーブルの使用中に、ガスや水分を含んだ油性の液体がＦＩＭＴ内に侵入し、被測定体の温度分布、歪分布、あるいは圧力分布の測定精度に影響を及ぼすだけでなく、測定自体ができなくなり、さらには、地下の油井内の高温、高圧の油等が地上に漏れ出て事故につながる恐れもある。この問題に対して、従来は光ファイバケーブルの外周に高分子樹脂の被覆を施すなどで対応していたが、処理時間がかさむとともに光ファイバケーブルを製造する上でコスト高の要因にもなっていた。
そこで、図１５に示すように、光ファイバケーブルの径方向で、ＦＩＭＴ４と光ファイバ芯線１の間に隔離体１６を設ける。この隔離体１６は、光ファイバケーブルの製造時（ＦＩＭＴの成型時まで）に予め樹脂を注入し、図に示すように光ファイバケーブルの長尺方向に所定の間隔Ｌｐ（例えば１０ｍ程度）で設置するか、ＦＩＭＴの成型後、ＦＩＭＴに穴を開けて樹脂を注入し、同様に所定の間隔Ｌｐで設置することにより、圧力を隔離するブロックの機能を持つものとして、光ファイバケーブル内に設置する。このような隔離体１６を設置した光ファイバケーブル７３においては、たとえＦＩＭＴにピンホール欠陥があったとしても、その影響は当該ピンホール欠陥が生じている隔離区間（ある隔離体と隣接する隔離体との間の区間）に止まり、光ファイバケーブル７３全体としての測定機能には影響が及ばないという効果がある。
実施の形態５
以上で説明した光ファイバケーブルでは、ケーブル全体がいわゆるパッシブな構造であることから、単に光を伝播するだけであり、ケーブル自らは、信号光を発生したり、目的場所に光信号を伝達するための伝送経路の変更といった、いわゆるアクティブな機能を持っていない。そこで、本実施の形態では光ファイバケーブル中に加熱のための加熱ワイヤを設置することにより、被測定物の温度、歪特性を非パッシブ的に把握することができることを以下説明する。
図１６に本実施の形態の加熱ワイヤの要部の断面構造の模式図を示す。この図において、加熱ワイヤ１７は多層アーマードケーブル５を構成するアーマードケーブル層のうち、最外層５ｃの部分に１箇所設けられており（加熱ワイヤ１７は１箇所に限らず複数箇所設けてもよい）、例えば、中心部の導電線（例えば銅線）１８とこれを囲む外周部の絶縁層１９とから構成される。そして、この導電線１８に電流を流すことにより、このようなワイヤを加熱する機能を持つ加熱ワイヤを設けた光ファイバケーブル７４全体に、その単位長さ当たりに換算して均一な加熱（例えば加熱しない場合に比較して５℃程度温度を上げることができる）を行うことができる。また、流していた電流を止めることで、光ファイバケーブルの降温過程と変形状況を観察することにより、被測定物の温度、歪特性を調べることができる。
なお、本発明は、上記各実施の形態に示した内容に止まらず、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、変形、省略することが可能である。
１ 光ファイバ芯線、２ 空隙層、３、３ａ、３ｂ、３ｃ 固定材、
４ ＦＩＭＴ（Fiber in Metallic Tube）、
５ 多層アーマードケーブル、
５ａ、５ｂ、５ｃ アーマードケーブル層、
６ ハイブリッド型後方散乱測定機（Ｒ＆Ｂ測定系）、
７、７１、７２、７３、７４ 光ファイバケーブル、
８ 分布型光ファイバシステム、１１ 光ファイバ導波路、
１２ 第一被膜、１３ 第二被膜、１４ 水溶性樹脂層、
１５ 膨張部、１６ 隔離体、１７ 加熱ワイヤ、１８ 導電線、
１９ 絶縁層。
Ｐ 圧力、Ｔ 温度、ε 歪。

Claims (8)

  1. 被測定体中または被測定体に沿って当該被測定体とともに変形するよう敷設された光ファイバケーブルに入射された光が、前記光ファイバケーブル内で散乱された散乱光からブリルアン周波数シフトおよびレイリー周波数シフトにより前記被測定体の圧力、温度、歪の分布を計測するための光ファイバケーブルであって、
    前記被測定体の圧力を計測する光ファイバ芯線と、前記被測定体の温度を計測する多層アーマードケーブルから構成され、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブル間に環状の空隙層を形成し、前記光ファイバ芯線と前記多層アーマードケーブルを固定する固定材を前記光ファイバケーブルの軸方向に間隔をおいて設けたことを特徴とする光ファイバケーブル。
  2. 前記多層アーマードケーブルは、前記多層アーマードケーブルを構成する金属製ワイヤを飛び飛びの箇所で袋状に包みこむ膨張部、または電流を流す導電線を備え前記金属製ワイヤの一部を構成する加熱ワイヤのいずれか一方または両方を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
  3. 前記光ファイバケーブルの径方向であって前記多層アーマードケーブルのＦＩＭＴと光ファイバ芯線との間に、光ファイバケーブルを長尺方向に所定の長さで区分する樹脂製の隔離体を設けることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバケーブル。
  4. 前記レイリー周波数シフトに代えてレイリー位相シフトを用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバケーブル。
  5. 圧力を計測する光ファイバケーブルの光ファイバ芯線の最外層部に、所望の厚さの水溶性樹脂層を環状に被覆し、
    前記光ファイバケーブルのアーマード層をアーマード化した後、
    前記水溶性樹脂層を除去する工程と、
    前記水溶性樹脂層を除去した後、前記光ファイバ芯線と前記アーマード層を固定材により固定化する工程と、
    を含む光ファイバケーブルの製造方法。
  6. 前記水溶性樹脂層の被覆は、常温より高温の下で行うことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバケーブルの製造方法。
  7. 請求項１に記載の光ファイバケーブルを用いて、
    この光ファイバケーブル内で散乱された散乱光のブリルアン周波数シフト及びレイリー周波数シフトから、物質の圧力、温度、歪の分布を解析して求めるブリルアン散乱・レイリー散乱のハイブリッド型後方散乱測定機により、
    被測定体の圧力、温度、歪の分布を一括して求める分布型測定システム。
  8. 請求項４に記載の光ファイバケーブルを用いて、
    この光ファイバケーブル内で散乱された散乱光のブリルアン周波数シフト及びレイリー位相シフトから物質の圧力、温度、歪の分布を解析して求めるブリルアン散乱の後方散乱測定機及びレイリー位相測定機により、
    被測定体の圧力、温度、歪の分布を一括して求める分布型測定システム。
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