(57)【要約】【課題】  油井探査・採掘事業において１０ｋｍ以上の深度に対応する３００℃以上の高温でも、光センサシステム探査を行うことができる光ファイバケーブルを得る。【解決手段】  冷却手段２０によって光ファイバ１１の外層側を冷却するので、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムのような高温に晒される場所にも使用することができ、光センサシステムを用いた探査が可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆を施した光ファイバを収納する収納空間を有し、前記収納空間を介し前記光ファイバを冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする光ファイバケーブル。
【請求項２】
前記収納空間にはゲル状物が充填され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。
【請求項３】
前記ゲル状物は、３００℃でゲル化していることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバケーブル。
【請求項４】
前記冷却手段は、ケーブル内に設けられ、ケーブルの長手方向に冷却剤を流通させる冷却管であり、前記冷却剤を前記冷却管に注入することにより、ケーブルの先端が３００℃の高温下に晒されても、前記先端から１０ｍのところでは、前記光ファイバの表面温度が１００℃以下とな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。
【請求項５】
前記冷却管をケーブル内の２ヵ所以上に設けたことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
【請求項６】
前記冷却管の冷却剤の流路の断面積は、６．０〜２４．０（ｍｍ２／管）の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
【請求項７】
前記冷却剤は、液体ヘリウム、液体アルゴン等の低温液化ガスであることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
【請求項８】
ケーブルの一端側から前記冷却管に前記冷却剤を注入し、ケーブルの他端側で、前記冷却管をケーブル内の他の冷却管に接続し、前記一端側に前記冷却剤を循環させることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
【請求項９】
ケーブルの一端側から前記冷却管に前記冷却剤を注入し、ケーブルの他端側に、前記冷却剤を流出させる流出口を設けたことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１０】
前記流出口は、前記他端側のケーブルの側面に形成された貫通孔を含むことを特徴とする請求項９に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１１】
前記貫通孔は、直径が０．５〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１２】
前記貫通孔は、２個以上／管であることを特徴とする請求項１０に記載の光ファイバケーブル。
【請求項１３】
ケーブルの先端側に油井採掘用ドリルを装着し、ケーブル先端側のケーブル内の温度をモニタする機能を設けたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光ファイバケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバケーブルに係り、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムに使用される冷却機構を備えた耐熱性光ファイバケーブルであり、３００℃以上の高温下でも使用することができる光ファイバケーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、油井採掘に用いられる温度監視センサシステムにおいては、その有効性から従来用いられていた電気信号によるセンサから光信号によるセンサが多く用いられるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
この温度監視センサシステムにおけるセンサは、油井採掘用ドリルに付随する形で用いられ地中で使用される。従って、通常、地底から２〜３ｋｍの深度で使用され、その際、地熱により周りの温度は１５０−２００℃に達する。これまで、この環境で使用される光ファイバケーブルにおいては、光ファイバケーブル材料は金属、ファイバ被覆材料には耐熱性を持つポリイミド樹脂あるいはテフロン樹脂が用いられてきた。
【０００３】
図７には、従来より用いられている光ファイバケーブルが例示してある。図７（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は縦断面図である。
図７に示すように、油井探査に用いられる一般的な光ファイバケーブル１００では、外層１０１には耐熱・耐防腐性に優れたインコネル等の金属が用いられ、内層１０２には耐熱性に優れたステンレス等の金属が用いられている。そして、内層１０２の内側に防水の目的でジェリー１０３が用いられており、中心部には前述したような耐熱性を有する材料によって被覆された光ファイバ１０４が収納されている。
【特許文献１】特開平６−３００９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、油井探査深度は年々深くなる傾向（現在は５〜７ｋｍで将来的には１０ｋｍまで検討している段階）にあり、それに伴い環境温度も２００〜３００℃、将来的には３００℃以上になることが考えられている。このため、光ファイバケーブルに要求される耐熱温度も３００℃以上が要求されており、図７において説明したようなこれまでの光ファイバケーブルでは、高温に耐えきれず適正な測定を行うことができないという不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、油井探査・採掘事業において１０ｋｍ以上の深度に対応する３００℃以上の高温でも、光センサシステム探査を行うことができる光ファイバケーブルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するために、本発明にかかる光ファイバケーブルは、被覆を施した光ファイバを収納する収納空間を有し、前記収納空間を介し前記光ファイバを冷却する冷却手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却手段によって光ファイバの外層側を冷却するので、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムのような高温に晒される場所にも使用することができ、光センサシステムを用いた探査が可能となる。なお、ここで光ファイバとは、コアおよびクラッドからなる裸ファイバを中心にして樹脂被覆により被覆したものをいう。
また、光ファイバを冷却手段により冷却するとともに、光ファイバを収納空間内に収納することにより、空間が断熱材の役目をして光ファイバが高温になるのを防止することができることになる。
【０００８】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを収納する前記収納空間にはゲル状物が充填されていることを特徴としている。
【０００９】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、光ファイバの外層側に設けられている収納空間にゲル状物質を充填することにより防水を図ることができる。
【００１０】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、前記ゲル状物は、３００℃でゲル化していることを特徴としている。
【００１１】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、３００℃以上の高温に晒されてもゲル状物が介在することにより、光ファイバが側圧を受けても特性の低下を生じさせない。
【００１２】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを冷却する冷却手段を備えたものであって、前記冷却手段は、ケーブル内に設けられ、ケーブルの長手方向に冷却剤を流通させる冷却管であり、前記冷却剤を前記冷却管に注入することにより、ケーブルの先端が３００℃の高温下に晒されても、前記先端から１０ｍのところでは、前記光ファイバの表面温度が１００℃以下となることを特徴としている。
【００１３】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却手段により、ケーブルの先端が３００℃の高温に晒されても、ケーブルの先端から１０ｍのところでは光ファイバの表面温度が１００℃以下となるように冷却するので、高温の環境でも光ファイバを使用することができる。
【００１４】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを冷却する冷却手段を備えたものであって、前記冷却管をケーブル内の２ヵ所以上に設けたことを特徴としている。
【００１５】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、光ファイバをケーブル内の２ヵ所以上に設けた冷却管により冷却するので、より高温の環境でも外部の温度を遮断して内部の温度を所定温度以下にすることが可能になり、高温下での使用を可能にすることができる。
【００１６】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを冷却する冷却手段として冷却剤を充填する冷却管をケーブル内の２ヵ所以上に設けたものであって、前記冷却管の冷却剤の流路の断面積は、６．０〜２４．０（ｍｍ２／管）の範囲であることを特徴としている。
【００１７】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、コストおよび構造面から光ファイバケーブルの外径をできるだけ細くしたいが、あまり細くすると冷却剤がスムーズに供給できなくなり、十分な冷却効果を得ることが困難になる。このため、冷却管の冷却剤の流路の断面積を６．０〜２４．０（ｍｍ２／管）の範囲に制限することにより、外径が大きくなるのを防止して、十分な冷却効果を得るようにした。
【００１８】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを冷却する冷却手段として冷却剤を充填する冷却管をケーブル内の２ヵ所以上に設けたものであって、前記冷却剤は、液体ヘリウム、液体アルゴン等の低温液化ガスであることを特徴としている。
【００１９】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却管に液体ヘリウム、液体アルゴン等の超低温の液化ガスを充填して光ファイバを冷却するので、高温が内部にまで達するのを防ぐことができ、光ファイバが高温になるのを防ぐことができる。
なお、低温液化ガスは、不活性ガスなどの不燃性ガスであることは勿論である。
【００２０】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、光ファイバを冷却する冷却手段として冷却剤を充填する冷却管をケーブル内の２ヵ所以上に設けたものであって、ケーブルの一端側から前記冷却管に前記冷却剤を注入し、ケーブルの他端側で、前記冷却管をケーブル内の他の冷却管に接続し、前記一端側に前記冷却剤を循環させることを特徴としている。
【００２１】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却剤を複数本の冷却管にわたって循環させるので、冷却剤を外部に排出することなく再利用することが可能であり、コストの面でも環境面でも有効である。
【００２２】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、ケーブルの一端側から前記冷却管に前記冷却剤を注入し、ケーブルの他端側に、前記冷却剤を流出させる流出口を設けたことを特徴としている。
【００２３】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、液化された冷却剤が昇温して気化してもケーブルの他端側に設けられている流出口から放出されるので、冷却剤がケーブル内に充満するのを防止するとともに、新しい冷却剤を他端側までスムーズに供給することができる。
【００２４】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、冷却剤をケーブルの一端側より冷却管に注入し、ケーブルの他端側に、冷却剤を外部へ流出させる流出口を装備したものであって、前記流出口は、前記他端側のケーブルの側面に形成された貫通孔を含むことを特徴としている。
【００２５】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却剤を外部へ流出させる流出口をケーブルの側面に形成された貫通孔を含む構成としたので、容易に形成することができるとともに、貫通孔から流出する冷却剤がケーブルの側面に沿って上昇し、、全体を効率よく冷却することができる。
【００２６】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、冷却剤を外部へ流出させる流出口をケーブルの側面に形成された貫通孔を含む構成したものであって、前記貫通孔は、直径が０．５〜２．０ｍｍの範囲であることを特徴としている。
【００２７】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、適度の大きさの流出口を設けることにより、冷却剤を冷却管に充填状態で保持するとともに、冷却剤の外部への流出効率を高めることができる。
【００２８】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、前述したように、冷却剤をケーブルの一端側より冷却管に注入し、ケーブルの他端側に、冷却剤を外部へ流出させる流出口としての貫通孔を装備したものであって、前記貫通孔は、２個以上／管であることを特徴としている。
【００２９】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、貫通孔を複数個設けることにより、冷却剤の外部への排気効率を高めることができる。
【００３０】
また、本発明にかかる光ファイバケーブルは、ケーブルの先端側に油井採掘用ドリルを装着し、ケーブル先端側のケーブル内の温度をモニタする機能を設けたことを特徴としている。
【００３１】
このように構成された光ファイバケーブルにおいては、冷却手段によって光ファイバの外層側を冷却するので、油井採掘等の温度監視センサシステムのような高温に晒される場所にも使用することができ、光センサシステムを用いた探査が可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、冷却手段によって光ファイバの外層側を冷却するので、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムのような高温に晒される場所にも使用することができ、光センサシステムを用いた探査が可能となるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明に係る好適な一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（Ａ）は本発明の光ファイバケーブルを油井探査に用いたシステムの概要を示す説明図、図１（Ｂ）は深度と地底温度の関係を示す説明図である。
図１（Ａ）に示すように、海上にはステーション１があり、海底２の油井５の探査や掘削作業をコントロールしている。海上ステーション１から海底２に向かって油を吸い上げるパイプ３が垂直に敷設され、先端部には海底２に穴を開けるドリル４が据え付けられている。温度センサ用の光ファイバケーブル１０は耐熱性光ファイバケーブルであり、パイプ３に付随して設けられる。
なお、図１（Ｂ）に示すように、海底２からの深度が増すに従って地熱による影響が大きくなり環境温度も上昇する。例えば、深度８〜１０ｋｍでは、温度が３００℃以上に達することがわかる。
【００３４】
図２（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る光ファイバケーブルを示す横断面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は光ファイバケーブルの先端部の外観側面図である。
図２に示すように、この発明に係る光ファイバケーブル１０は、光ファイバ１１の外層側に光ファイバ１１を冷却する冷却手段２０を備えている。
光ファイバ１１と同軸に形成され冷却手段２０との間には光ファイバ１１を軸中心部に収納する収納空間１２が設けられている。この収納空間１２にはジェリー状防水混和物などのゲル状物１３が充填されており、このゲル状物１３は３００℃でゲル化している。なお、ここで光ファイバ１１とは、中心にコアおよびクラッドからなる裸ファイバ１１ａを樹脂被覆１１ｂにより被覆したものをいう。
【００３５】
一方、冷却手段２０は、ケーブル内の２ヵ所に設けられ、ケーブルの長手方向に後述する冷却剤２１を流通させる中空構造の冷却管１４，１５であり、冷却管１４，１５のそれぞれの中空空間２２ａ、２２ｂに冷却剤２１を注入することにより、ケーブルの先端が３００℃の高温に晒されても、ケーブルの先端から１０ｍのところでは、光ファイバ表面温度を１００℃以下にする冷却能力を有するものである。
なお、冷却管１４，１５は、本実施形態では、同軸に配置した２重管中空管構造としたが、このような構成に限定するものではなく、例えば、複数管を円周上に１層に配置した構成とすることもできる。
各冷却管１４，１５の冷却剤２１の流路の断面積は、６．０〜２４．０（ｍｍ２／管）の範囲に設定されている。つまり、コストおよび構造面から光ファイバケーブル１０の外径をできるだけ細くしたいが、あまり細くすると冷却剤２１がスムーズに供給できなくなり、十分な冷却効果を得ることが困難になる。このため、中空空間２２ａ、２２ｂの断面積は、６．０〜２４．０（ｍｍ２／管）の範囲に制限することにより、外径が大きくなるのを防止して、十分な冷却効果を得るようにした。
【００３６】
中空空間２２ａ、２２ｂには、冷却剤２１として、例えば液体ヘリウム（沸点−２７０℃）、液体アルゴン（沸点：−１８９．２℃）、液体窒素(沸点−２１０℃)、液体酸素（沸点−２１８．８℃）等の低温液化ガスが充填されている。低温液化ガスは、不活性ガスなどの不燃性ガスで、ステーション１（図１参照）側から圧力をかけて流動的に供給されている。
これにより、光ファイバケーブル１０外部の熱は、冷却手段２０の内側までは達せず、冷却手段２０の内側部分の温度は冷却されて所定温度以下となるように保たれている。
【００３７】
また、図２（Ｃ）に示すように、光ファイバケーブル１０の他端側の外側面２３には、光ファイバケーブル１０の一端側（上端）から冷却管１４，１５に注入した冷却剤２１を光ファイバケーブル１０の外部へ流出させることができる流出口２４が各中空空間２２ａ、２２ｂに連通して設けられている。なお、この流出口２４は貫通孔として形成されており、ケーブルの他端側（先端部）から１０ｍ以下の範囲内に形成するのが望ましい。
これにより、冷却剤２１をスムーズに光ファイバケーブル１０の先端まで供給することができ、全体を効率よく冷却することができる。また、液化された冷却剤２１が昇温して気化しても光ファイバケーブル１０の先端に設けられている貫通孔（２４）から放出されるので、光ファイバケーブル１０内に充満するのを防止することができ、安定して光ファイバ１１を冷却することができる。
【００３８】
また、貫通孔（２４）は略円形で直径が０．５〜２．０ｍｍの範囲に設定されていることが望ましく、２個以上／管に設けるようにする。
このように、適度の大きさの貫通孔（２４）を設けることにより、冷却剤２１を中空空間２２内に充填状態で保持するとともに、冷却剤２１の外部への流出効率を高めることができる。また、貫通孔（２４）を複数個設けることにより、冷却剤２１の外部への流出効率を高めることができ、光ファイバケーブル１０の先端部まで効率よく冷却することができるようになっている。
【００３９】
以上のように構成された光ファイバケーブル１０について、図３および図４を用いてその動作を説明する。
まず、油井採掘に用いられる温度監視センサシステムにおける計測方法について説明する。図６に示すように、光ファイバ１１から入った光信号（レーザ光）の一部には、散乱して光が入った所まで戻ってくる性質をもつ後方散乱光があり、この散乱光に含まれるラマン散乱光の強度は、温度により敏感に変化する性質を持っている。従って、光ファイバ１１へ入射した光が後方散乱光として入射側へ戻ってくるまでの時間とラマン散乱光の強度から、その散乱光の発生した場所と温度を測定することができる。つまり、光ファイバ１１の中の伝搬速度は予め分かるので、光の入射側へ戻ってくるまでの往復時間を測定することによって、どの地点で発生した散乱光か知ることができる。また、散乱光には、微弱であるがその光強度が温度に依存しているストークス光と反ストークス光という２成分が含まれており、この２成分の強度比は温度の関数で表されるので、これを検出することにより、光ファイバ１１の温度を求めることができる。また用いるファイバ種類によって分布型計測法とポイント型計測法とに分けられる。
【００４０】
分布型計測法とはマルチモードファイバを用い８５０ｎｍ帯あるいは１４００ｎｍ帯の光を用いて行う測定法であり、数ｋｍの広範囲を数十ｍあるいは数ｍ間隔で分布的に温度変化を測定していく方法である（図１（Ａ）中αで表示）。
一方、ポイント型測定法とはシングルモードファイバを用い１５５０ｎｍ帯の光を用いて行う測定法であり、ある一点のみの温度変化を測定する方法である（図１（Ａ）中βで表示）。
【００４１】
図３には、ポイント型測定方法を用いた場合の光ファイバケーブル１０の構造及び温度分布例を示す。
本測定法では光ファイバケーブル１０先端部での測定となるため、冷却剤２１を一定流量で継続供給していくことで光ファイバケーブル１０内の温度は一定に保たれる。外界温度が最も高い油井５部分のみ温度が急激に高くなるため、先端部分に油井５がある場合、先端部から冷却剤２１が流出される関係から本部分の光ファイバケーブル内温度も上昇し本温度変化をセンシングすることになる。
【００４２】
図４には、分布型測定方法を用いた場合の光ファイバケーブル構造及び温度分布例を示す。
本測定法では光ファイバケーブル１０の長手方向での測定となるため、冷却剤２１の種類・流量の調整が必要となる。一例として外層の管１５の中空空間２２ｂに液体アルゴンを注入し内層の管１４の中空空間２２ａに窒素ガス（液化）を一定流量で注入した場合を示す。この場合、両中空空間２２ａ、２２ｂに液体アルゴンを注入した時（図５中Ｂ欄参照）より冷却作用が弱まることから光ファイバケーブル１０内への熱伝導を完全に遮断することはできなくなるため、油井５が存在する非常に高い温度区域に位置した光ファイバケーブル１０内の温度は、他区域の光ファイバケーブル内の温度よりも高くなるので、その温度変化をセンシングできることになる。両中空空間２２ａ、２２ｂに注入する冷却剤２１は、外部の温度により種々の組み合わせが考えられ、その都度調整が必要となる。その他の組み合わせによる光ファイバケーブル内温度については図５に記載する。
【００４３】
図５に示すように、内層の中空空間２２ａに充填する冷却剤２１と外層の中空空間２２ｂに充填する冷却剤２１との組み合わせにより、外界温度が３５０〜４００℃に対して、光ファイバケーブル１０の内部の温度は大きく異なることがわかる。例えば、両中空空間２２ａ、２２ｂに液体ヘリウムを冷却剤２１として充填することにより、内部温度が−２０〜３０℃まで下げることができるので、被覆の材料として前述したポリイミドやテフロン等の特殊材料を用いなくてもナイロン等の汎用の被覆材料（通常８５℃程度まで使用可能）を用いた光ファイバ１１を使用することが可能になる。
なお、図５に示されている値は、同じ構造で同じ長さの光ファイバケーブル１０において、同じ流量の冷却剤２１を供給した場合について比較したものである。
【００４４】
以上、前述した光ファイバケーブル１０によれば、油井探査・採掘事業においてこれまで耐熱性の問題から対応が困難とされていた１０ｋｍ以上の深度（耐熱温度換算で３００℃以上）の領域でも光センサシステムを用いた探査が可能になる。
【００４５】
なお、本発明の光ファイバケーブルは、前述した実施の形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。
例えば、前述した実施の形態においては、光ファイバケーブル１０の先端部外側面に複数個の流出口２４を設けて、供給された冷却剤２１を外部に流出する場合について例示したが、この他、流出口を無くすとともに、多層に設けた中空空間２２を有する冷却管１４，１５を準備し、ケーブルの一端側から冷却管１５に冷却剤２１を注入し、ケーブルの他端側（先端部）で、前記冷却管１５をケーブル内の他の冷却管１４に接続して、ケーブルの一端側に冷却剤２１を循環させるようにすることができる。この場合には、冷却剤２１を再利用することが可能であり、コスト面でも環境面でも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明に係る光ファイバケーブルは、冷却手段によって光ファイバの外層側を冷却するので、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムのような高温に晒される場所にも使用することができ、光センサシステムを用いた探査が可能となるという効果を有し、例えば、油井採掘等の温度監視センサシステムに使用される冷却機構を備えた耐熱性光ファイバケーブルとして、３００℃以上の高温下でも使用することができる光ファイバケーブル等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（Ａ）は本発明の光ファイバケーブルを油井探査に用いたシステムの概要を示す説明図である。  （Ｂ）は深度と地底温度の関係を示す説明図である。
【図２】（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る光ファイバケーブルを示す横断面図である。  （Ｂ）は縦断面図である。  （Ｃ）は光ファイバケーブルの先端部の外観側面図である。
【図３】ポイント型測定方法を用いた場合の光ファイバケーブルの構造及び温度分布例を示す説明図である。
【図４】分布型測定方法を用いた場合の光ファイバケーブルの構造及び温度分布例を示す説明図である。
【図５】分布型測定法法において種々の冷却剤の組み合わせに対する冷却効果を示す表である。
【図６】光ファイバそのものを温度センサとして用いる測定原理を説明する図である。
【図７】従来の光ファイバケーブルを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
４  油井採掘用ドリル
１０  光ファイバケーブル、耐熱性光ファイバケーブル
１１  光ファイバ
１２  収納空間
１３  ゲル状物
２０  冷却手段
２１  冷却剤
２２  中空空間
２４  流出口
【図１】
2006301009.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006301009.tif 000008
【図７】
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