JP6553299B2 - 物質の圧力、温度、ひずみ分布測定用ケーブル - Google Patents

Description

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。

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。

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）。

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）。

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）。

米国特許第４９７１４２０号明細書 米国特許第９２４４２３９号明細書 国際公開２０１４／１８１６１７号

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。

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。

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。

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-PrePump 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。

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。

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 Reflectometry) 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。

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。

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。

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_Ｒ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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 測定に使用したＦＩＭＴの諸元を説明するための図である。 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。 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。 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。

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。

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_１、Ｐ_２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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

まず、図７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。

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。

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。

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。

また、図７（ａ）において、符号Ａ_Ｐ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_Ｔ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。

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。

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_Ｅ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_Ｅ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_Ｅに限定できるため、実際の計測においては、この区間Ａ_Ｅ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。

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。

この場合、Ｐファイバ１は、符号Ａ_Ｐ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。

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。

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。

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。

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。

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_ｈ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (6)

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。
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。
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。
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。
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。
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。

Images