(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
累層を横断する坑井内のダウンホールで摂氏約１１５゜を超える高温で作動するように構成された地下工具であって、
摂氏約１１５゜を超える温度のダウンホール用途に対して構成又は設計された光学装置と、
前記光学装置に入力光を供給するために該光学装置に光学的に接続された少なくとも１つの光源と、
を含み、
前記光源は、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有する１つ又はそれよりも多くのレーザダイオードを含み、該レーザダイオードは、能動冷却なしで摂氏約１１５゜を超える温度のボアホール内のダウンホールで作動するように構成又は設計された、
ことを特徴とする工具。
【請求項２】
前記光学装置は、アップリンク電気−光（ＥＯ）変調器とボアホール内のダウンホールの前記レーザダイオードとを含むダウンホール光学遠隔測定カートリッジを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の地下工具。
【請求項３】
前記高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有するレーザダイオードは、縁部発光レーザダイオード又は垂直キャビティ面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の地下工具。
【請求項４】
前記レーザダイオードは、約１．０から約１．２μｍの波長で作動するように構成又は設計される、
ことを特徴とする請求項１に記載の地下工具。
【請求項５】
地表遠隔測定ユニットを含む地表データ取得ユニットと、
ダウンホール電気−光学ユニットを含むダウンホール光学遠隔測定カートリッジと、
前記地表データ取得ユニットと前記ダウンホール光学遠隔測定カートリッジの間の光ファイバインタフェースと、
ダウンホール工具と、
前記ダウンホール電気−光学ユニットと前記ダウンホール工具の間に作動的に接続されたダウンホール電動工具バスと、
を含み、
前記ダウンホール電気−光学ユニットは、
電気−光（ＥＯ）変調器と、
能動冷却なしで摂氏約１１５゜を超える温度のボアホール内のダウンホールで作動するように構成又は設計された、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有するレーザダイオードと、
を含む、
ことを特徴とするダウンホール遠隔測定システム。
【請求項６】
累層を横断する坑井内で摂氏約１１５゜を超える高温でダウンホールを作動するように構成された流体解析システムであって、
広い連続スペクトル範囲にわたってボアホール内のダウンホールの入力光を発生させる少なくとも第１の光源と、
前記第１の光源に光学的に接続され、かつ該光源によって発生された前記入力光によって作動し、関連の信号を測定してボアホール内のダウンホールの累層流体の特性を判断する光センサと、
を含み、
前記第１の光源は、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有する１つ又はそれよりも多くのレーザダイオードを含み、該レーザダイオードは、能動冷却なしの摂氏約１１５゜を超える温度のボアホール内のダウンホールで作動するように構成又は設計された、
ことを特徴とする流体解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本件は、２００４年１２月２０日出願の「単一光ファイバ遠隔測定の方法及び器具」という名称の米国特許出願第１１／０１７，２６４号の一部継続出願であり、２００４年１２月２８日出願の「電気−光学混成遠隔測定の方法及び器具」という名称の米国特許出願第１１／０２３，９５６号の一部継続出願であり、かつ２００６年９月１９日出願の「ダウンホールでの光電力変換方法及び器具」という名称の米国特許出願第１１／５３２，９０４号の一部継続出願であり、これらの特許の内容全体は、本明細書において引用により組み込まれている。
【０００２】
本発明の開示は、地下層からデータを収集するダウンホールシステムに一般的に関する。より具体的には、本発明の開示は、摂氏約１１５°を超える温度のボアホール内の高温作動のために構成又は設計された装置を有するダウンホールシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ボアホールのロギング及びモニタリングは、油脈及びガス脈の実収率を強化及び観測するために長年の間行われている。ボアホールのロギングにおいては、地下で測定を行う１つの方法は、地表システムに接続したワイヤ線に１つ又はそれよりも多くの工具を取り付ける段階を含む。次に、ワイヤ線により工具をボアホール内に下降させ、測定値を採取しながらボアホールを通じて地表に引き戻す（ログされる）。ワイヤ線は、通常、有限のデータ伝送機能を有する導電ケーブルである。同様に、常設モニタリングシステムは、同じく一般的に電気ケーブルに取り付けられた常設センサで確立される。
【０００４】
ワイヤ線ロギング工具及び常設モニタリングシステムのためのより高速のデータ伝送に対する要求は、より高解像度のセンサ、より高速のロギング速度、及び単一ワイヤ線ストリングに利用可能である付加的工具の理由で急増している。現在の電子遠隔測定システムは進化し、データ伝送速度は、この１０年間にわたって約５００ｋｂｐｓ（キロビット／秒）から２Ｍｂｐｓ（メガビット／秒）に増加したが、電子遠隔測定システムのデータ伝送速度は、より高解像のセンサの機能に遅れを取っている。実際、従来のロギング工具と共に使用される音響工具／撮像工具の一部の組合せに対して、望ましいデータ伝送速度は、４Ｍｂｐｓを超える。
【０００５】
更に、データ伝送高速化が望ましいが、現在使用中の多くの工具は、新たなデータ伝送技術を取り入れるために完全に再加工又は交換する必要があるであろう。既存の工具及び機器の変更を最小にしてデータ伝送高速化を促進することが望ましいと考えられる。
【０００６】
更に、光ファイバセンサの油田用途は、ある一定のパラメータのモニタリングに向けて近年進歩している。しかし、多くのダウンホール用途では、高温作動が必要であり、レーザダイオードのような光学装置は、高温で急速に劣化するか又は適正に作動しない。従って、ボアホール内の高温条件における地表システムとダウンホール工具の間の通信のための光ファイバの使用、並びにダウンホールセンサの使用は限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１１／０１７，２６４号
【特許文献２】米国特許出願第１１／０２３，９５６号
【特許文献３】米国特許出願第１１／５３２，９０４号
【特許文献４】米国特許公報第２００７／００３５７３６号
【特許文献５】米国特許公報第２００７／０１７１４１４号
【特許文献６】米国特許第７，２９２，３４５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の開示は、上述の欠陥及びその他に対処するものである。具体的に、本発明の開示は、地下の調査工具に特に有用であると考えられるダウンホール高温システム及び方法のための装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の開示の一態様では、地下工具は、累層を横断する坑井内のダウンホールを高温で作動するように構成される。本明細書の一部の態様では、ダウンホール工具は、摂氏約１１５°を超える温度のダウンホール使用に向けて構成又は設計された光学装置と、光学装置に入力光を供給するために光学的に光学装置に接続された少なくとも１つの光源とを含み、光源は、１つ又はそれよりも多くのレーザダイオードを含み、レーザダイオードは、摂氏約１１５°を超える温度でのボアホール内のダウンホールの作動に向けて構成又は設計される。本出願人は、本発明の開示のレーザ装置が、能動冷却なしで摂氏約１１５°を超える温度のダウンホール用途に適切であることを認識した。しかし、能動冷却は、例えば、本発明で開示する装置の作動範囲を拡張する一部の状況では望ましい場合があると想定している。この点において、能動冷却は、摂氏約１７５°を超える温度のレーザ装置の効率的かつ確実な作動を必要とする状況において利用することができる。
【００１０】
本発明の開示のある一定の実施形態では、光学装置は、ダウンホール光学遠隔測定モジュール又はカートリッジを含むことができる。他の実施形態では、光学装置は、ダウンホール光センサを含むことができる。本発明の開示の更に他の実施形態では、光学装置は、例えば、光電池に接続した１つ又はそれよりも多くの高温レーザダイオードでセンサに電源を供給するダウンホール構成を含むことができる。更に他の実施形態では、光学装置は、本明細書で開示する中でもとりわけ、例えば、流量計、流体撮像器、分光計、干渉センサのようなダウンホール感知システムに関連した１つ又はそれよりも多くの高温レーザダイオードを含むことができる。本明細書で説明する更に別の実施形態では、光学装置は、本明細書で開示する中でもとりわけ、例えば、電気−光学アイソレータ回路、無線遠隔測定のための光コネクタ、工具内及び工具間光通信を提供するように構成又は設計された１つ又はそれよりも多くの光感応検出器と組み合わされた１つ又はそれよりも多くの高温レーザダイオードを含むことができる。
【００１１】
高温レーザダイオードは、ダウンホール光学遠隔測定システムをもたらすためにボアホール内でダウンホールで電気−光（ＥＯ）変調器と結合することができる。この点において、本発明の開示は、高温レーザダイオードを変調するためにＥＯ変調器を高温レーザダイオードに電気的に接続することができ、変調光信号は、光ファイバケーブルに入力することができるように想定している。代替的に又は追加的に、高温レーザダイオードは、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）変調器のようなＥＯ変調器に光学的に接続することができ、変調光信号は、光ファイバケーブルに入力することができる。
【００１２】
本発明の開示の更に別の実施形態では、レーザダイオードは、ボアホール内でダウンホールで光学デジタル感知システムに光学的に接続することができる。レーザダイオードは、摂氏約１５０°を超える温度のボアホール内のダウンホール用途に向けて構成又は設計することができる。レーザダイオードは、ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓを有する端部放射レーザダイオード、及び／又はＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓを有する垂直キャビティ面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）を含むことができる。レーザダイオードは、約１．０から約１．２μｍの波長で作動するように構成又は設計することができる。レーザダイオードは、マルチモード又は単一モードレーザダイオードとすることができる。この点において、本発明の開示の単一モードレーザダイオードは、本明細書で開示する形式の干渉感知装置及び高速データ遠隔測定に適する場合があると考えられている。
【００１３】
本発明の開示の態様では、光ファイバは、光学装置に光学的に接続することができ、光ファイバは、単一モード光ファイバ及びマルチモード光ファイバのうちの少なくとも一方を含み、光ファイバは、ダウンホール電子機器への及びそこからのデータを伝送する。
【００１４】
地下システムは、累層を横断する坑井内のダウンホールを摂氏約１１５°を超える高温で作動するように構成される。システムは、ダウンホール工具と、ダウンホール工具と地表データ取得システムの間に延びる光ファイバとを含む。本発明の開示の態様では、ダウンホール工具は、少なくとも１つの電気−光（ＥＯ）変調器を有するダウンホール光学遠隔測定カートリッジと、ＥＯ変調器に接続したレーザダイオード光源とを含み、レーザダイオード光源は、能動冷却なしの摂氏約１１５°を超える温度及び約１．０から約１．２μｍの波長でボアホール内のダウンホールを作動するように構成又は設計される。一実施形態では、ＥＯ変調器は、光ファイバケーブルへの入力に向けて光信号を変調するために電気的にレーザダイオードと接続することができる。別の実施形態では、レーザダイオードは、ＥＯ変調器に光学的に接続することができ、被変調光信号は、光ファイバケーブルに入力することができる。
【００１５】
流体解析システムは、累層を横断する坑井内で摂氏約１１５°を超える高温でダウンホールを作動するように構成される。少なくとも第１の光源は、広い連続スペクトル範囲にわたってボアホール内でダウンホールの入力光を生成し、光センサは、第１の光源に光学的に接続され、かつ光源によって発生された入力光により作動し、関連の信号を測定してボアホール内でダウンホールで累層流体の特性を判断し、第１の光源は、１つ又はそれよりも多くのレーザダイオードを含み、レーザダイオードは、能動冷却なしで摂氏約１１５°を超える温度のボアホール内のダウンホールの作動に向けて構成又は設計される。ダウンホール光センサは、光ファイバに取り付けることができる。ダウンホール光センサは、基板上に配置されたＭＥＭＳセンサを含むことができる。第２のレーザダイオードは、アップホールの通信に向けて設けられ、かつアップホールでセンサデータを通信する光ファイバに光学的に接続することができる。光ファイバは、１つだけの単一モード光ファイバを含むことができ、単一モード光ファイバは、ダウンホールセンサ電子機器への及びそこからのデータを伝送する。
【００１６】
本発明の開示の態様では、ダウンホール光センサは、ワイヤ線工具上に位置することができる。ダウンホール光センサは、常設ダウンホールセンサとすることができる。システムは、１つの光ファイバを更に含むことができ、１つの光ファイバは、ワイヤ線工具又は常設ダウンホールセンサへの及びそこからのデータを伝送する。
【００１７】
ダウンホール長波長光学光源と、ダウンホールに位置する少なくとも１つの地下センサと、光学光源に結合され、かつ地表データ取得システムまで延びる単一モード及びマルチモード光ファイバ線の少なくとも一方とを含み、光学光源が、１つ又はそれよりも多くのレーザダイオードを含み、レーザダイオードが、能動冷却なしで少なくとも摂氏１１５°の温度のボアホール内のダウンホールの作動に向けて構成又は設計される地下センサシステムを提供する。本明細書の態様では、少なくとも１つの地下センサは、複数のセンサを含むことができ、各ダウンホールセンサは、単一モード及びマルチモード光ファイバ線の少なくとも一方に光学的に結合される。センサシステムは、アップホールでセンサ情報を中継するように構成された光ファイバ線に光学的に結合されてアップホールの通信のためのレーザダイオードを有する遠隔測定システムを更に含むことができ、レーザダイオードは、能動冷却なしで少なくとも摂氏１１５°の温度のボアホール内のダウンホールの作動に向けて構成又は設計される。
【００１８】
付加的な利点及び新しい特徴は、以下の説明に示され、又はこれらの内容を読むか又は本発明を実施することによって当業者によって習得することができる。本発明のこれらの利点は、添付の特許請求の範囲に記載した手段を通じて達成することができる。
【００１９】
添付図面は、本発明の実施形態を例示し、かつ本明細書の一部である。以下の説明と共に、図面は、本発明の原理を明らかにして説明するものである。
【００２０】
図面を通して、同一参照番号及び説明は、類似であるが必ずしも同一でない要素を示している。本発明は、様々な修正及び代替形態を受け入れやすいが、特定の実施形態を一例として図に示し、本明細書で以下に詳細に説明する。しかし、本発明を開示する特定の形態に限定することを意図していないことを理解すべきである。むしろ、本発明は、特許請求の範囲に定めるような本発明の精神及び範囲に該当する全ての修正、均等物、及び代替物を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の開示の一実施形態によるダウンホール光学遠隔測定カートリッジを有する１つのシステムの概略図である。
【図１Ｂ】本発明の開示の別の実施形態によるダウンホール送信機を有する別の可能なシステムの概略図である。
【図２Ａ】本発明の開示の更に別の実施形態によるダウンホール光センサカートリッジを有する１つのシステムの概略図である。
【図２Ｂ】本発明の開示の一実施形態によるダウンホール光電源を有する１つのシステムの概略図である。
【図３Ａ】本発明の開示の一実施形態による流量計を有する１つの可能なダウンホール感知システムの概略図である。
【図３Ｂ】本発明の開示の一実施形態による撮像器を有する別のダウンホール感知システムの概略図である。
【図３Ｃ】本発明の開示の一実施形態による格子分光計を有する更に別のダウンホール感知システムの概略図である。
【図３Ｄ】本発明の開示の一実施形態によるラマン分光計を有する別のダウンホール感知システムの概略図である。
【図３Ｅ】本発明の開示の一部の実施形態によるファイバベースのバルク干渉計を有するダウンホール干渉感知システムの概略的な様々な構成を示す図である。
【図４Ａ】本発明の開示の一実施形態による電気−光学アイソレータ回路（オプトカプラ）の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の開示の一実施形態によるピア・ツー・ピア無線遠隔測定のための光コネクタの概略図である。
【図４Ｃ】本発明の開示の一実施形態によるネットワーク無線遠隔測定のための光コネクタの概略図である。
【図４Ｄ】本発明の開示の一実施形態によるツール・ツー・ツールデータ通信のための光コネクタの概略図である。
【図４Ｅ】本発明の開示の一実施形態によるツール・ツー・ツールデータ通信のための別の光コネクタの概略図である。
【図５Ａ】高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有するファブリー・ペロー端部放射型レーザダイオードの概略図である。
【図５Ｂ】ファブリー・ペロー端部放射型レーザダイオードの温度特性のグラフである。
【図６Ａ】垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）型レーザダイオードの温度特性のグラフである。
【図６Ｂ】ＶＣＳＥＬ型レーザダイオードの構造の概略図である。
【図６Ｃ】２次元ＶＣＳＥＬアレイの概略図である。
【図７Ａ】量子ドット型レーザダイオードの構造の概略図である。
【図７Ｂ】量子ドット型及び歪量子井戸型レーザダイオードの温度特性をグラフに示す図である。
【図８】ドープシリカ光ファイバ内への水素（Ｈ2）及び−ＯＨ吸収を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
例示的な実施形態及び態様を以下に説明する。あらゆるそのような実際の実施形態の開発においては、開発者の特定の目標を達成するために、実施例により変わることになるシステム関連及びビジネス関連の制約条件の遵守のような多くの実施例固有の判断を行うべきであることは言うまでもなく認められるであろう。更に、このような開発努力は、複雑かつ時間を消費するものである場合があるが、それにも関わらず、本発明の開示の恩典を受ける当業者には日常的な仕事であると考えられることが認められるであろう。
【００２３】
本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」又は「一部の実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通した様々な箇所で語句「一実施形態では」又は「実施形態では」又は「一部の実施形態では」が登場したとしても、全てが必ずしも同じ実施形態を指すというわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ又はそれよりも多くの実施形態においてあらゆる適切な方法で組み合わせることができる。
【００２４】
本明細書及び特許請求の範囲を通して使用する時に、用語「ダウンホール」は、特に坑井における地下環境を指す。「ダウンホール工具」は、ロギング工具、撮像工具、音響工具、常設モニタリング工具、及び組合せ工具を含むがこれらに限定されない地下環境に使用されるあらゆる工具を意味するのに広義に使用される。「長い」波長は、９４０ｎｍを超える光波長を指す。「光学装置」は、電磁放射線を生成、操作、又は測定するあらゆる装置、すなわち、光を生成又は制御する装置を意味するために広義に使用される。「高温」は、摂氏約１１５°を超えるダウンホール温度を指す。「含む」及び「有する」という語は、「含む」という語と同じ意味を有するものとする。
【００２５】
更に、本発明の態様は、単一の開示する実施形態の全ての特徴に該当するわけではない。従って、「発明を実施するための形態」に続く特許請求の範囲は、ここでこの「発明を実施するための形態」に明示的に組み込まれ、各請求項は、個別の実施形態として自立するものである。
【００２６】
公知のように、従来のレーザダイオード装置は、一般的に摂氏約８５°で作動するように構成又は設計される。このような従来の装置は、効率的な作動に適しておらず、一部の場合には、高温、すなわち、摂氏８５°を超えると、例えば、摂氏約１１５°を超える温度では作動させることができない。この点において、このようなレーザダイオードを利用する公知のダウンホール光学装置の固有の低温作動範囲（摂氏８５°又はそれよりも低い）により、光学構成要素が例えば摂氏１１５°を超え、一部の場合には、摂氏１５０°を超える温度で作動する必要がある高温ダウンホール用途においては、これらの装置の使用が制限される。
【００２７】
一般的に、高温作動では、熱電冷却器（ＴＥＣ）のような能動冷却装置が、レーザダイオードが作動するのに必要である。能動冷却装置では、温度制御及び電力のための更に別の構成要素が必要である。工具アーキテクチャにおける更に別の複雑性のために信頼性が低減される。本明細書で開示する形式の高温レーザダイオード装置は、工具設計を簡素化し、かつ殆どの場合に高温用途においてレーザダイオード装置の能動冷却を不要にすることにより、ダウンホール工具の信頼性を改善するものである。
【００２８】
本出願の発明者は、例えば、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）構造を利用するレーザダイオード技術により能動冷却なしに高温ダウンホール条件下で作動させることができるレーザダイオード装置が得られると認識した。本明細書で、本発明者は、このようなレーザダイオード技術に基づく光学装置は、例えば、光学遠隔測定システム及び光感知システムのための高温ダウンホール光源のような高温ダウンホール用途が可能になることを見出している。本発明の発明者は、本発明の開示の光学装置は、能動冷却なしに摂氏約８５°を超える、例えば、摂氏約１１５°を超える温度で確実かつ効率的な結果が得られることを更に認識した。しかし、本発明の開示では、望ましいか又は必要に応じて、作動範囲及び効率を拡張するように本明細書で説明する光学装置を冷却することを考えている。
【００２９】
本発明の開示は、当業技術で公知の上述のように特定した問題及び他の問題の１つ又はそれよりも多くの影響を改善又は少なくとも低減することに向けられた一部の実施形態を提供する。多くの可能な実施形態の１つでは、高温ダウンホール油田センサシステムを提供する。他の可能な実施形態では、高温ダウンホール光学遠隔測定システムを提供する。高温ダウンホール油田システムは、ダウンホール光源、ダウンホール光学装置、任意的に、ダウンホールシステムと地表データ取得システムの間に延びる光ファイバを含み、ダウンホール光源は、少なくとも摂氏１１５°の高温作動に耐えることに適するレーザダイオードのような高温ダウンホール用途に向けて構成又は設計されたレーザダイオードを含む。
【００３０】
本明細書で説明する原理では、高温用途においてダウンホール工具及びセンサを使用して、光センサで又は他の方法で光通信及び感知を容易にする方法及び装置が考えられている。ダウンホール工具と地表の間の光ファイバの使用により、利用可能なデータ伝送速度を凌ぐデータ伝送速度が得られる。本明細書で説明する原理により、ダウンホール工具及びセンサと関連の地表システムとの間に高温環境においてさえも光ファイバによる感知及び通信が容易にされる。以下に説明する方法及び装置の一部は、長波長、単一モード通信を使用することができるシステムを含み、それによって長距離にわたる分散及び損失が低減される。
【００３１】
上述のように、ロギング工具に関する高解像度化及びデータ伝送高速化に対する要求は急増している。より長い工具の組合せ及び撮像改善に対する要求は、現在利用可能な遠隔測定帯域が不適切であることを意味する。本発明の開示は、高温ダウンホール環境における高速遠隔測定プラットフォーム及び感知システムのための実用化技術を提供する。本明細書で提案する解決法は、工具及びシステム経費を低減し、遠隔測定アーキテクチャを簡素化することによって工具信頼性を改善し、工具センサとの直接の高速通信を行うものである。本明細書で説明する工具アーキテクチャは、既存の工具アーキテクチャに大きな拡張機能に与え、機能性及びサービスの増大を既存の工具によって達成することができる。この点において、本発明の開示における着想の結果として、現在利用可能な遠隔測定機能では達成可能でなかった新たな工具設計及び用途が可能である。
【００３２】
本発明の発明者により認識され、かつ本発明の開示により説明される別の問題は、高温での光ファイバの水素不明瞭化に関するものである。そのような現象は、本発明の開示で説明する形式の高温油田用途において特に懸念されることが認められるであろう。図７は、ドープシリカ光ファイバへの水素（Ｈ2）及び−ＯＨ吸収を示すグラフである。市販の単一モード（ＳＭ）光ファイバは、１．３μｍ及び１．５５μｍの標準的なレーザダイオード波長で作動する。しかし、両方の上述の波長は、水素不明瞭化に影響されやすい。従って、専用コーティングを使用する光ファイバの気密密封は、単一モードファイバを強化し、かつ水素不明瞭化から保護するのに必要である。専用コーティングは、高価であり、専用コーティングにより遠隔測定ケーブルに有意な経費が追加される。本発明の発明者は、約１．０μｍから約１．２μｍで作動するレーザダイオード光源によって水素不明瞭化の影響が大幅に低減されることを認識した。この点において、１．２μｍレーザダイオード源は、水素不明瞭化として公知である現象及び単一モード光ファイバの高価な気密密封に関する要件を最小にする。
【００３３】
本明細書で開示する態様は、コイル状配管、又はケーブル線、ワイヤ線、スリック線、又はあらゆる他の適切なダウンホール配備手段に沿って取り付けられた複数の装置と組み合わされた光ファイバ通信及びセンサシステムの恩典を含む。
【００３４】
光ファイバセンサシステムの利用により、光ファイバシステムによって提供される多くの利点からの恩典が得られる。例えば、光ファイバシステムは、受動的に作動させることができ、従って、ダウンホール電子機器及びダウンホール電子機器を操作する地表からの関連の電力は不要である。ダウンホール電子機器を排除することができることにより、特により高温の環境においてダウンホールセンサシステムの信頼性が改善する。センサアレイを操作することに必要な電子機器は、地表に位置することができ、地表電子機器は、比較的高価である場合があるので他の坑井と共有し、かつ複数のダウンホール光ファイバセンサシステムに利用することができる。また、光ファイバ技術により、システム小型化及び軽量化が可能である。更に、これらの機能の全ては、高いデータ伝送機能を有する大きなセンサアレイを必要とする音響撮像用途及び地震撮像用途に有利である。この点に関しては、光ファイバセンサは、光ファイバ線を通じた多機能測定をサポートすることができる。この特徴には、ワイヤ線用途又はケーブル線用途、並びに生産モニタリングセンサシステム及び累層モニタリングセンサシステムにおいて大きな利点がある。
【００３５】
本発明の開示の目的に対して、用語のワイヤ線、ケーブル線、スリック線、又はコイル状配管又は運搬のいずれか１つが使用される時、先に参照した配備手段のいずれか又はあらゆる他の適切な同等の手段を本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の開示と共に使用することができることが理解される。
【００３６】
図１（Ａ）は、本発明の開示の原理によるダウンホール光学遠隔測定システム（１００）の概略図である。光学遠隔測定システム（１００）は、地表遠隔測定ユニット（１０４）と電気通信しているか又はその一部としての地表データ取得ユニット（１０２）を含む。地表遠隔測定ユニット（１０４）は、光学遠隔測定モジュールである場合もあれば、そうでない場合もある。地表遠隔測定ユニット（１０４）は、光学アップリンクデータを受信してデータ取得ユニット（１０２）により収集することができる電気信号に変換する光検出器又はダイオード（１０８）を有するアップリンク光−電気（ＯＥ）復調器（１０６）を含む。
【００３７】
地表遠隔測定ユニット（１０４）はまた、ダウンリンク電気−光変調器（ＥＯ）（１１０）を含む。光源（１１２）、例えば、レーザダイオードは、ダウンリンクＥＯ変調器（１１０）と共に示されている。代替的に、光源（１１２）は、ボアホール内にダウンホールで配置することができる。ＥＯ変調器（１１０）は、あらゆる利用可能なＥＯ変調器を含むことができる。アップリンクＯＥ復調器（１０６）及びダウンリンクＥＯ変調器（１１０）は、光ファイバインタフェース（１１４）、例えば、単一の光ファイバに作動的に接続されている。光ファイバインタフェース（１１４）は、地表遠隔測定ユニット（１０４）とダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）の間の高伝送速度光通信リンクをもたらす。ダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）は、光学遠隔測定システム（１００）の一部であり、かつダウンホール電気−光学ユニット（１１８）を含む。ダウンホール電気−光学ユニット（１１８）は、ダウンリンクＯＥ復調器（１２０）及びアップリンクＥＯ変調器（１２２）を含む。ダウンリンクＯＥ復調器（１２０）は、光学ダウンリンクデータを受信して電気信号に変換する光検出器又はダイオード（１２４）を含む。ＥＯ変調器（１２２）は、能動冷却がないアップリンク高温レーザダイオードなどの光源（１２６）を含む。
【００３８】
ダウンホール電気−光学ユニット（１１８）は、ダウンホール電動工具バス（図示せず）に作動的に接続することができる。ダウンホール電動工具バスは、ダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）と１つ又はそれよりも多くダウンホール工具（全体的にダウンホールデータ取得システム１３０として図示）との間の電気通信リンクをもたらす。ダウンホール工具の各々は、坑井内の特定のパラメータを測定する１つ又はそれよりも多くセンサ及びデータを送受信する送受信機を有することができる。
【００３９】
図１（Ａ）のダウンホール光学遠隔測定システムは、ダウンホール構成要素（光学遠隔測定カートリッジ、ダウンホール工具）と地表データ取得ユニット間の高帯域光ファイバインタフェース（１１４）の利点を有するダウンホールの標準的な電気遠隔測定及びセンサ技術を使用することができる混成光学電気器具とすることができる。地表データ取得ユニットとダウンホール工具（ダウンホールデータ取得システム１３０として図示）の１つとの間の通信及びデータ転送に対して以下に説明する。
【００４０】
データ取得ユニット（１０２）からの電子「ダウン指令」が、地表遠隔測定ユニット（１０４）に電気的に送られる。地表遠隔測定ユニット（１０４）のダウンリンクＥＯ変調器（１１０）は、電子「ダウン指令」を光学信号に変調し、光学信号は、ダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）に光ファイバインタフェース（１１４）を通じて伝送される。光ファイバインタフェース（１１４）の形式には、単一光ファイバ又は複数の光ファイバを含むワイヤ線ケーブルがある。ダウンリンクＯＥ復調器（１２０）は、光信号を電子信号に復調し、ダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）は、ダウンホール電動工具バス（図示せず）に沿って復調された電子信号を伝送し、そこで、電子信号は、ダウンホール工具により受信される。
【００４１】
同様に、ダウンホール工具からの「アップリンク」データは、ダウンホール光学遠隔測定カートリッジ（１１６）にダウンホール電動工具バス（図示せず）を通じてアップホールで伝送され、アップリンクデータは、光信号にアップリンクＥＯ変調器（１２２）により変調されると、アップホールで地表遠隔測定ユニット（１０４）に光ファイバインタフェース（１１４）を通じて伝送される。ダウンホール工具のセンサは、アナログ信号を供給することができる。従って、本発明の開示の一部の態様により、アナログ／デジタル変換器は、望ましいか又は必要に応じて、各ダウンホール工具と共に、又はダウンホール工具とアップリンク及びダウンリンク変調器／復調器との間のいずれかの位置に含めることができる。その結果、センサからのアナログ信号は、デジタル信号に変換され、デジタル信号は、地表へのアップリンクＥＯ変調器（１２２）により変調される。一部の実施形態によると、ダウンホール光源（１２６）は、光ファイバ（１１４）を通じて入力され、ＥＯ変調器（１２２）により変調されると、地表光学遠隔測定ユニット（１０４）に同じ光ファイバ（１１４）を通じて出力される。アップリンクＯＥ復調器（１０６）は、この信号を電子信号に復調し、電子信号は、次に、データ取得ユニット（１０２）に伝達される。アップリンク信号及びダウンリンク信号は、いずれも、波長分割多重（ＷＤＭ）で全二重で伝送されることが好ましい。
【００４２】
図１（Ａ）は、ダウンホールから地表にデータを搬送する高温レーザダイオード光源（１２６）を有する直接変調を利用する光学遠隔測定システムを示している。アップリンクデータ（１つ又はそれよりも多くのダウンホール工具に接続したダウンホール工具バスから）は、アップリンクＥＯモジュレータ（１２２）に入力され、次に、レーザダイオード（１２６）で直接に変調される。レーザダイオード（１２６）からの出力光学光は、被変調信号を担持し、被変調信号は、例えば、単一モード光ファイバ（例えば、１０ｋｍよりも大きい長さを有する）を通じて伝送されて地表フォトダイオード（１０８）により受信される。地表光ダイオード（１０８）は、電気信号に光学データを変換するためにアップリンクＯＥ復調器（１０６）に信号を入力する。データは、地表データ取得システム（１０２）により受信される。
【００４３】
図１（Ａ）システムの高温ダウンホールレーザダイオードにより、ダウンホール電子回路設計が簡素化され、電力消費量が低減され、パワーマネージメント方式の単一化が行われ、かつ工具信頼性が改善する。
【００４４】
図１（Ａ）の高温ダウンホール光学遠隔測定システムの別の可能な実施形態では、高温レーザダイオードは、電気−光（ＥＯ）変調器のためのダウンホール連続波（ＣＷ）及び一定（又は非調節）光源として光学遠隔測定システムに利用される。ＥＯ変調器は、被変調電気信号を被変調光学信号に変換し、光ファイバ、例えば、長い単一モード光ファイバを通じて地表に信号を伝送する。ＥＯ変調器は、図１（Ａ）に示す直接変調高温レーザダイオード（１２６）と比較すると、速いデータ速度（１Ｇｂｐｓを超える）をもたらす。
【００４５】
図１（Ｂ）は、本発明の開示の別の実施形態による光学遠隔測定システムを有するダウンホールシステムの概略図である。図１（Ｂ）の光学遠隔測定システムは、地表にある送信機（１０３）及び受信機（１０５）の対と共に地下高温環境においてダウンホールで配置され、かつ単一マルチモード光ファイバ（１０９）を通じて光学的に接続した送信機（１１３）及び受信機（１１１）の対を含む。マルチモード波長分割マルチプレクサ又は光サーキュレータ（１０７、１１５）は、マルチモード光ファイバで送信機／受信機対を光学的に接続するために設けられている。図１（Ｂ）システムは、単一マルチモード光ファイバケーブルを有する全二重通信システムを示している。図１（Ｂ）システムの他の態様では、システムは、図１（Ａ）に関連して上述した関連の電子機器を２つのマルチモード光ファイバに設けることによって冗長性を追加するように二重化することができる。
【００４６】
本発明の開示の態様では、マルチモード又は単一モード光ファイバに言及しているが、開示する実施形態がそのように制限されることは意図されていない。この点において、本発明の開示では、単一モードのその１つ又はそれよりも多くを考えており、マルチモード光ファイバケーブルは、本明細書で説明する目的に対して望ましいか又は必要に応じて使用することができる。
【００４７】
本発明の開示では、図１（Ｂ）の光学遠隔測定システムのダウンホール送信機の目的のために本明細書で説明する形式の高温レーザダイオードを利用することを考えている。
【００４８】
図２（Ａ）は、本発明の開示の一実施形態による光センサシステムを有する高温ダウンホールシステムの概略図である。図２（Ａ）の略示図では、ダウンホール光感知システム（１３０）は、互いに結合された光センサ（１３２）及びダウンホール遠隔測定カートリッジ（１１６）を含む。光ファイバケーブル又は銅製ケーブル（１７８）は、地表遠隔測定モジュール（１０４）とダウンホール遠隔測定カートリッジ（１１６）を接続し、地表遠隔測定モジュール（１０４）は、地表データ取得システム（１０２）に結合されている。地表遠隔測定モジュール（１０４）は、アップリンク復調器（１７０）、ダウンリンク変調器（１７２）、アップリンク復調器（１７０）に結合された受信機（１７４）、及びダウンリンク変調器（１７２）に結合されたドライバ（１７６）を含む。ダウンホール遠隔測定カートリッジ（１１６）は、ダウンリンク復調器（１８０）、アップリンク変調器（１８２）、ダウンリンク復調器（１８０）に結合された受信機（１８４）、及びアップリンク変調器（１８２）に結合されたドライバ（１８６）を有するダウンホールユニット（１７９）を含む。ダウンホール光感知システム（１３０）は、光センサ（１３２）、光ダイオード（１３４）、高温レーザダイオード（１３６）、及びコントローラ（１３８）を含む。センサ（１３２）は、本明細書で説明する目的に対して当業者に公知のものの中でもとりわけ、例えば、流量センサ、音響、すなわち、地震などの振動センサ、音波、超音波、加速度計センサ、歪みセンサ、分光計、圧力／温度センサとすることができる。
【００４９】
図２（Ａ）の光感知システムでは、光パワーは、高温ダウンホールレーザダイオードによって供給される。レーザダイオード（１３６）の光パワーは、例えば、水晶結晶圧力を励起し及び／又は温度センサ（１３２）を振動させるために使用される。共振周波数は、光変調又は運動検出技術により検出される。結晶共振周波数を表す周期的な光パルスは、次に、地表遠隔測定モジュール（１０４）内の受信機／復調器（１７４／１７０）に光ファイバ（１７８）を通じて伝達される。高温レーザダイオードは、地表システムにセンサ出力を送るダウンホール光源として使用することができる。利用可能なダウンホール電力が制限されるので、ダウンホール光源の電力消費量は小さいことが望ましい。この点において、ＶＣＳＥＬ型レーザダイオードは、電力消費量が少ないので、本明細書で説明する形式の用途のための適切な光源である。図２（Ａ）に示す感知システムは、あらゆる形式のセンサシステムに一般化することができる。
【００５０】
図２（Ｂ）は、本発明の開示の一実施形態によるダウンホール電源を有するセンサシステムを有する高温ダウンホールシステムの概略図である。図２（Ｂ）では、ダウンホール感知システム（１３０）は、互いに結合されたセンサユニット（１５０）及びダウンホール遠隔測定／電力カートリッジ（１４０）を含む。光ファイバケーブル（１４８）は、地表データ取得システム（１０２）に結合されたダウンホール／電力遠隔測定カートリッジ（１４０）とセンサモジュール（１５０）を接続する。ダウンホール遠隔測定／電力カートリッジ（１４０）は、アップリンク変調器（１４１）、アップリンク変調器（１４１）に結合された受信機（１４３）、及び高温レーザダイオード（１４４）に結合された電源ユニット（１４２）を含む。ダウンホールセンサユニット（１５０）は、センサ（１６０）、ドライバ（１５６）を通じてセンサ（１６０）に結合された光電池（１５４）、高温レーザダイオード（１５８）、及びコントローラ（１５２）を含む。センサ（１６０）は、例えば、センサ（１６０）が圧力を測定すべき流体（例えば、累層流体）を受け取る圧力口（図示せず）を有する圧力センサとすることができる。センサ（１６０）内では、流体の圧力は、圧力変換器（図示せず）により感知される。センサ（１６０）は、ドライバ（１５６）を通じて光電池（１５４）から電力を受け取ると、測定された圧力を符号化する周波数のような何らかの特性を有する高温レーザダイオード（１５８）への電子出力信号を生成する。
【００５１】
高温レーザダイオード（１４４）は、安全な領域内に位置し、入力光は、危険な又は電気ノイズがある区域においてリモートセンサ（１６０）に光ファイバ（１４８）を通じて伝達される。
【００５２】
一実施形態では、単一のファイバは、地表又はダウンホール高電力レーザ（例えば、連続（ＣＷ）レーザ）を使用する遠隔電子装置にダウンホールの電力を伝達することができる。図２（Ｂ）に注意されたい。ＣＷ光は、ダウンホールシステムに長い光ファイバで伝達され、光電池のような光電コンバータにより受け取られる。光電コンバータは、ダウンホール電子機器、ダウンホールセンサに接続したデータコンバータ及び／又はセンサ自体に電力を供給するのに使用される電圧にＣＷ光を変換する。一部の実施形態では、ダウンホール電力は、ダウンホール装置に電力供給するのに使用される同じ光ファイバに沿ってアップホールでダウンホールセンサ、電子機器、及び／又はデータコンバータからデジタルデータを伝送するために異なる波長の高温ダウンホール光源を変調するのに使用することができる。ＷＤＭ（波長分割多重）スプリッタのような光カプラ又は光サーキュレータ及びアドドロップマルチプレクサは、ダウンホールデータを中継する被変調光信号が上流側レーザから干渉なしに伝達されるように使用することができる。得られる光信号（ダウンホールデータを表す）は、ダウンホール光源波長に感応するアップホール光ダイオードにより受信して電気デジタル信号に変換することができる。図１（Ａ）に注意されたい。電気デジタル信号は、次に、記憶するか、又はダウンホール条件をモニタリングするのに使用することができる。
【００５３】
本明細書で説明する原理により、音響センサ、圧力センサ、及び温度センサ、光学的スイッチのような電力を必要とする光学構成要素、ブラッグ格子、化学流体相螢光性センサ及び検出器、撮像装置、ビデオカメラ、マイクロサファイアゲージのような低電力センサ、センサ、アクチュエータ、及び制御器により受信した信号を調整する関連の電子機器、ＭＥＭＳ装置又はＭＥＭＳセンサ、及び／又は一体型調整サポート及びデータ変換電子機器を含むがこれらに限定されないダウンホールユニットは、高温ダウンホールレーザダイオード光源により電源を供給することができる。一部の場合には、ダウンホール高温光源によって供給される電力は、センサに電源を供給するか又は電子機器をサポートするのに十分ではない恐れもあり、従って、光電コンバータにより変換された電力は、ダウンホールバッテリパックによって供給された電力をトリクル充電又は補強するために使用することができる。
【００５４】
図３（Ａ）から図３（Ｅ）は、ボアホール内でダウンホールの累層流体を感知及び／又は撮像するために高温レーザダイオードを利用する本明細書で説明する原理による様々な例示的な高温ダウンホール感知システムを概略的に示している。
【００５５】
図３（Ａ）では、高温ダウンホール感知システムは、本発明の開示の一実施形態による流量計（２００）を含む。図３（Ａ）の流量計は、周波数シフター（２０４）、光検出器（２０８）、信号増幅器（２１２）、及び信号プロセッサ／コントローラ（２１０）のようなダウンホール電子機器を含む。流量計（２００）は、レーザドップラーの原理を利用して作動し、流路（２１４）内の流体、すなわち、累層流体の流速が、流体内に含まれた粒子により散乱される光におけるドップラー効果を利用して測定される。高温レーザ（２０２）からの光は、例えば、光ファイバ（２０６）に取り付けられたコリメータ（２０５）により流路（２１４）内に注入される。注入された光は、流路内の流体内の粒子により散乱される。散乱光の一部は、再びコリメータ／光ファイバ（２０５／２０６）を通過する。流体内の粒子が流体の流動と共に移動する時に、散乱光には、ドップラー効果による周波数シフトがあり、流体速度は、周波数シフトの量から導出することができる。
【００５６】
図３（Ｂ）は、本発明の開示の一実施形態による撮像器（３００）を有する高温ダウンホール感知システムの概略図である。撮像器（３００）は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（３０４）、能動冷却がない光学窓（３０６）を有する流路（３０８）を有する流体サンプリング器具（３１２）に対して構成及び配置された高温レーザダイオードのような光源（３０２）を含む。ボアホール又は累層（３１０）からの累層流体のような流体は、流路（３０８）を通過すると、光源（３０２）からの光及びカメラ（３０４）により撮像される。図３（Ｂ）の一実施形態では、透過光を使用する撮像のための配置が提供されており、図３（Ｂ）の別の実施形態では、後方散乱光を使用する撮像のための配置が提供されている。
【００５７】
現在特許出願中で本出願人所有の米国特許公報第２００７／００３５７３６号では、ダウンホールスペクトル撮像の更なる説明が示されており、この特許の内容全体は、本明細書において引用により組み込まれている。
【００５８】
図３（Ｂ）のダウンホール感知システム内で高温レーザダイオードを利用して、電力消費量が比較的低い高光パワー出力が得られ、高温レーザダイオードによる光パワー出力は、その高い指向性のために、光損失が少ない撮像、１．２μｍ帯域内の集束帯域幅による光吸収の影響が比較的低くかつスペクトル吸収の影響が低い撮像、及び迅速かつ有効に達成することができる撮像に向けて流路に実質的に生じる。従って、図３（Ｂ）の撮像システムは、画像解像度改善を備えた流速の高速化に対処するカメラシャッターの高速化が可能である。
【００５９】
図３（Ｃ）は、本発明の開示の一実施形態による格子分光計（４１０）を有する高温ダウンホール感知システム（４００）の概略図である。ハロゲンランプ（４１２）のようなブロードバンド光源は、サンプルセル（４０４）内のサンプル流体を照らす。チョッパー（４０６）は、ログパスフィルタ（４１４）のような光学フィルタを通じて格子分光計（４１０）に入力する光を変調するために設けることができる。信号取得同期のための光ダイオード（４０８）、強度電圧（Ｉ／Ｖ）コンバータ、アナログ／デジタル変換器、及び他の信号処理電子機器のようなダウンホール電子機器は、望ましいか又は必要に応じて設けることができる。
【００６０】
高温レーザ（４０２）は、波長基準に対して設けられる。この点において、レーザ（４０２）からの入力光は、格子分光計（４１０）に較正信号を供給するために格子分光計（４１０）に光カプラ（図示せず）を通じて入力される。公知のダウンホール温度では、レーザ（４０２）の波長（λ）は、温度による変化に対して補正され、かつ格子分光計（４１０）を較正する波長基準として使用することができる。
【００６１】
現在特許出願中で本出願人所有の米国特許公報第２００７／０１７１４１４号では、上述の形式のダウンホール格子分光計に関する更なる説明が示されており、この特許の内容全体は、本明細書において引用により組み込まれている。
【００６２】
図３（Ｄ）は、本発明の開示の一実施形態によるラマン分光計（５１０）による高温ダウンホール感知システム（５００）の概略図である。図３（Ｄ）のダウンホール感知システム（５００）は、流体累層のサンプルのようなサンプル（５０４）が、本明細書で開示する形式の高温レーザ（５０２）からのモノクロの光で照明されるレーザラマン分光学システムを提供する。分光計は、流体サンプルにより散乱された光を検査するために設けられている。レーザ光は、様々なフィルタ（５１４）を通過し、ポリクロメータ（５１０）及びＣＣＤ検出器（５１２）に適切なレンズ／ミラー（５０６／５０８／５１６）構成により誘導される。ＣＣＤ検出器（５１２）により検出された散乱は、ラマン分光学の原理による処理に向けて信号処理／コントローラ（図示せず）に入力される。
【００６３】
本発明の開示では、ラマン散乱がレイリー散乱と同じくらい良好に行われるように、単色光を供給してサンプルセル（５０４）内の流体の分子を照らすために高温レーザを利用することが考えられている。ラマン散乱の波長は、入射光波長から逸脱しており、ラマンシフトと呼ばれる波長シフトの量は、サンプル材料を構成する分子の振動モードに依存する。従って、ＣＣＤ検出器（５１２）を利用してラマンシフトを検出することにより、サンプルセル内の物質を特徴付けることができる。
【００６４】
図３（Ｅ）は、本発明の開示の一部の実施形態によるファイバベースのバルク干渉計を有する高温ダウンホール感知システムの概略的に様々な構成を示している。位相感応要素（６０６／７０６）から反応を生成する環境効果を導出するために、位相感応要素（６０６／７０６）に及び次に信号の分析に向けて信号プロセッサ／コントローラに光ダイオード（６０４／７０４）を通じて光を入力する１つ又はそれよりも多くの高温レーザ装置（６０２／７０２）が設けられている。干渉センサの原理は、当業者に公知なので本発明の開示では詳細説明を割愛する。この点において、圧力、流量制御、歪み、化学特性、及び／又は温度のような環境パラメータは、上述の形式の干渉センサを利用して導出することができる。
【００６５】
本出願人所有の米国特許第７，２９２，３４５号では、一部の干渉センサに関する説明が示されており、この特許の内容全体は、本明細書において引用により組み込まれている。
【００６６】
図４（Ａ）は、光感応検出器（８０４）に光学的に接続され、かつ接地分離を備えた高速データ伝送に向けて構成又は設計された高温レーザダイオード（８０２）を有する本発明の開示の一実施形態による電気−光学アイソレータ回路（オプトカプラ）の概略図である。レーザダイオード（８０２）は、光感応検出器（８０４）に対向するように配置され、２つの要素は、オプトカプラを構成するために電気回路内に挿入されている。レーザダイオード（８０２）と検出器（８０４）の間に絶縁間隙が設けられ、そのために電流ではなく、データを表す望ましい光波だけが間隙を通過する。従って、回路のこの２つの側面は、互いから事実上分離されている。図４（Ａ）のオプトカプラは、数百フィート又はそれよりも大きい距離を対象とする特にポイント・ツー・ポイントデータ回路におけるデータ通信に向けて利用することができる。接地電位差が存在する状況では、接地ループという現象が起き、接続した装置の間に接地電位を等しくしようとして電流がデータ線に沿って流れる可能性がある。光分離により、線のいずれかの端部でデータ線と「接地」の間の接続を実際上解除することにより、接地ループという問題が解決される。
【００６７】
図４（Ｂ）は、光感応検出器（８０４）に光学的に接続した高温レーザダイオード（８０２）を有する本発明の開示の一実施形態によるピア・ツー・ピア無線遠隔測定のための光コネクタの概略図である。例えば、図４（Ｂ）の構成は、本明細書で説明する形式のダウンホール工具においてＰＣＢ（プリント回路基板）・ツー・ＰＣＢデータ伝送に利用することができる。この点において、図４（Ｂ）の光回路では、ダウンホール工具に関して配線ハーネスを低減することにより、ダウンホールアーキテクチャが簡素化される。
【００６８】
図４（Ｃ）は、工具ハウジング（８０６）の内側で光感応検出器（８０４）に光学的に接続した高温レーザダイオード（８０２）を有する本発明の開示の一実施形態によるネットワーク無線遠隔測定のための光コネクタの概略図である。工具ハウジング（８０６）の内面上の適切な反射コーティング（８０８）及び電力線ハーネス（８１０）は、本明細書で説明する形式のダウンホール工具内のＰＣＢ・ツー・ＰＣＢ無線データ伝送に向けて施されている。この点において、図４（Ｃ）の光回路により、ダウンホール工具に関して配線ハーネスを低減することにより、ダウンホールアーキテクチャが簡素化される。
【００６９】
図４（Ｄ）は、第２の工具Ｂの対応するレーザダイオード及び光感応検出器対と光学的に接続した第１の工具Ａの高温レーザダイオード（８０２）及び光感応検出器（８０４）を有する本発明の開示の一実施形態によるツール・ツー・ツールデータ通信のための光コネクタの概略図である。図４（Ｅ）は、ピン及びソケット配置で複数のレーザダイオード及び光感応検出器コネクタ対を有するツール・ツー・ツールデータ通信のための別の光コネクタの概略図である。図４（Ｄ）及び図４（Ｅ）に示す構成は、高い光パワー及び大きい許容範囲により強固な光結合を提供する。この点において、図４（Ｄ）及び図４（Ｅ）の光コネクタは、高いデータ伝送速度による光通信に適切である。
【００７０】
図５から図７を参照すると、特に本明細書で説明するシステム及び方法に適すると本発明の発明者により特定されたレーザダイオード技術に関する説明が示されている。この点において、本発明者は、驚くべきことに、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸レーザダイオードとして公知である形式のレーザダイオードが、光学遠隔測定及びダウンホール感知のための高温ダウンホールユニット内での使用に適することを見出した。高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）構造を利用する１．２μｍの高温端部放射レーザダイオード（４ｍＷ、ＣＷ、Ｉｆ＝３００ｍＡ）は、有効なダウンホール光源になることが本発明の発明者により認められた。この点において、本発明の発明者は、このような構造が、高温条件下でさえ活動層において高い搬送波密度を維持することができる点に注目した。上述のレーザダイオード構造を使用する装置は、能動冷却がなくても摂氏１８０°まで作動することが明らかにされた。
【００７１】
図５（Ａ）は、高歪ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸構造を有するファブリー・ペロー端部放射型レーザダイオードの概略図である。図５（Ｂ）は、摂氏１８０°までのファブリー・ペロー端部放射型レーザダイオードの電力−電流特性のグラフである。
【００７２】
本明細書で説明する目的に対して特定されたレーザダイオード構造の別の形式は、上述のファブリー・ペロー端部放射型レーザダイオードと同じか又は類似の構造を有する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。この点において、摂氏８５°まで作動する低温ＶＣＳＥＬを開発した（４０ｍＡのＩｆでＩｍＷ）。図６（Ａ）から図６（Ｃ）は、ＶＣＳＥＬ型レーザダイオード、すなわち、２次元ＶＣＳＥＬアレイの構造、及びＶＣＳＥＬ型レーザダイオードの温度特性を示している。単一モード光源が単一モードファイバを使用する長距離の高データ転送速度通信に好ましいと考えられるので、ＶＣＳＥＬ型レーザダイオードは、低い閾値トリガ電力、ウェーハレベル検査、簡単なファイバ結合、高密度２次元アレイの簡単な構成、及び低価格のようないくつかの利点を有する。図６（Ａ）は、摂氏１８０°までのＶＣＳＥＬ型レーザダイオードの温度特性をグラフに示している。本発明の発明者は、更に、量子ドット高温レーザダイオードを本発明の開示の原理に従って利用することができることを認識した。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、量子ドット型レーザの構造及び温度特性を示している。この点において、量子ドットレーザは、半導体レーザでは以前に可能でなかった温度感応出力変動を最小にすることができる。新開発の量子ドットレーザは、電流調節なしに摂氏２０°から摂氏７０°の温度範囲にわたって１０ギガビット／秒（Ｇｂｐｓ）の高速作動をもたらすことができ、かつ温度変化により引き起こされる出力変動を最小にすることができることに注意されたい。本発明の発明者は、このような技術により本明細書に開示する装置の目的に対してコンパクトで低価格かつ電力消費量が低い光学光源をもたらすことができることを認識した。上述のレーザダイオードは、摂氏１２０°まで、恐らく摂氏１５０°まで作動可能である。
【００７３】
上述の方法及び器具の一部は、井戸掘削及び生産を計画するためのボアホール調査を提供し、かつ実際の坑井生産中にボアホールデータをモニタリングするための適用性を有する。このようなボアホール調査には、ボアホール地震調査が含まれ、ボアホールデータのこのようなモニタリングには、一時的又は永久的なモニタリングが含まれる。光ファイバ技術には、高いデータ転送速度で複数のチャンネルを多重化する機能があり、従って、高いデータ伝送機能を有する大規模センサアレイを必要とする音響撮像及び地震撮像用途に対する要求が満たされる。本明細書の実施形態における光ファイバ技術の使用により、プロフィールの小型化、軽量化、及び地表からのダウンホール電子機器又は電力が不要であるという事実のために、シャトル数の増加も可能である。
【００７４】
ボアホール環境に使用されるセンサは、高解像度化したセンサに対する必要性が増大すると、帯域幅の一層の増大を要求する。ボアホール内のロギングに使用される銅製ケーブルは、達成可能な帯域幅の限界に到達している。光ファイバケーブルは、新設高解像度センサに向けて有意により高い帯域幅をもたらすことができる。光ファイバケーブルの使用には高温ダウンホール光学装置が必要であり、センサ信号を調整し、かつダウンホールからアップホールまで遠隔測定を行うために使用される電子機器には電力が必要である。
【００７５】
上述のように、光ファイバケーブルは、多くの場合に４０ｋｍまでの距離で数百メガバイト／秒程度の非常に有効な伝達機能を有し、かつ銅製遠隔測定システムと異なってＥＭＩ又は伝送損失が発生しない。しかし、光伝送システムには、光データ伝送を制御するのに必要とされる関連の電子機器を駆動する電力が必要である。ボアホールに関連する光伝送システムは、関連電子機器により振幅変調された高温ダウンホールレーザダイオード光源を含むことができる。効率的な通信に対して、一部の実施形態では、光源は、全二重化通信を可能にするためにアップホール及びダウンホールの両方に配置することができる。
【００７６】
以前の説明は、本発明及びその実施の一部の例を例示かつ説明するためだけに示したものである。網羅的であること又は開示したいずれの正確な形態にも本発明を制限することを意図したものではない。上述の教示に照らして多くの修正及び変形が可能である。
【００７７】
本発明の原理及びその実際的な応用を最も良く説明するために好ましい態様を選択した。以上の説明は、当業者が、考えられる特定の使用に適するように様々な修正を行って様々な実施形態及び態様の本発明を最も有効に利用することを可能にするように意図している。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められるように意図している。
【符号の説明】
【００７８】
１００  ダウンホール光学遠隔測定システム
１０２  地表データ取得ユニット
１０４  地表遠隔測定ユニット
１０６  アップリンク光−電気（ＯＥ）復調器
１０８  光検出器又はダイオード
【図１Ａ】
0005680538.tif 000002
【図１Ｂ】
0005680538.tif 000003
【図２Ａ】
0005680538.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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