(57)【要約】  衝撃吸収が向上した光センサデバイス。本発明は、光ファイバ（２）、トランスデューサ（３−７）および光ファイバ（２）に埋設された固有ファイバ光センサ（５）を含む光センサデバイス（１）を開示し、ここで、トランスデューサ（３−７）は、入力動作を受け取り、そのような入力動作を固有光ファイバセンサ（５）上の比例歪みに変換するように配置され、少なくともトランスデューサ（３−７）および固有光ファイバセンサ（５）は筐体（６）によって囲まれており、筐体（６）は、熱応答性物質または圧力応答性物質で充填され、物質が、周囲条件から作業条件への変化に伴って粘度が少なくとも７０％低下した物質であることを特徴とする。
2018532993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサデバイスであって、
光ファイバと、
トランスデューサと、
前記光ファイバに埋設された固有光ファイバセンサと
を含み、
前記トランスデューサは、入力動作を受け取り、そのような入力動作を前記固有光ファイバセンサ上の比例歪みに変換するように配置され、少なくとも前記トランスデューサおよび前記固有光ファイバセンサは筐体によって囲まれており、前記筐体は、熱応答性物質または圧力応答性物質で充填され、前記物質が、周囲条件から作業条件への変化に伴って粘度が少なくとも７０％低下する物質であることを特徴とするデバイスである光センサデバイス。
【請求項２】
前記作業条件が２００°Ｃを超える温度を含むことを特徴とする請求項１に記載の光センサデバイス。
【請求項３】
前記作業条件が１０ＭＰａを超える圧力を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光センサデバイス。
【請求項４】
周囲条件が、２５°Ｃの温度および／または１００ｋＰａの圧力を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項５】
その粘度が２０°Ｃ〜２００°Ｃの温度範囲にわたって少なくとも７０％低下するように、前記物質が材料相特性遷移を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項６】
前記物質の粘度が、周囲条件で１００００ｃＰを超え、且つ、作業条件下で１０００ｃＰ未満であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項７】
前記物質の融点が６０〜１００°Ｃであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項８】
前記物質が、ワックス、パラフィン、オイル、ゲル、グリセリン、シリコーンまたはそれらの２つ以上の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項９】
前記物質が、所定の温度ウィンドウにおいて少なくとも７０％の粘度変化を有するように調製された材料の混合物であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項１０】
前記物質が、所定の圧力ウィンドウにおいて少なくとも７０％の粘度変化を有するように調製された材料の混合物であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項１１】
前記センサが加速度計である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項１２】
前記センサが、圧力センサ、温度センサまたはフローセンサを含む群から選択されるセンサである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光センサデバイス。
【請求項１３】
地震測定のためのセンサケーブルシステム、特に請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光センサデバイスを含む坑内地震センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の目的
本発明は、衝撃吸収特性が向上した光センサデバイスに関する。特に、本発明は、圧力応答性または熱応答性衝撃吸収機構を含む光学歪み系センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
従来技術から、光ファイバに加えられる歪みに基づく種々の構成およびタイプのセンサから知られている。そのようなタイプのセンサの中で、測定される最も一般的な物理的特性は、温度、圧力および加速度であり、最も一般的なタイプの歪み系センサはＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）系センサである。
【０００３】
光検知は、電気信号に対するその非依存性および単一のファイバに複数のタイプのセンサを含む可能性を考慮すると、ますます使用される技術である。また、油井などの過酷な環境では、ファイバ光学は、高温および高圧の動作範囲、低電磁干渉のピックアップ、高い信号対雑音特性、最小サイズおよびケーブル数で通信する多数のセンサの利点をもたらす。
【０００４】
歪み系光ファイバ検知の場合、センサを設計する際に考慮しなければならない条件の１つは、歪みが数μｍに制限されていることであり、数μｍを超えるとファイバを比較的容易に破損し、光ファイバ全体を交換して再取り付けする必要があることを意味する。これは、加速度計（または動き検出器）において特に能力が試され、それにより、高精度の必要性が、しばしば、わずかな動きが伝達され、光ファイバの感度領域の影響力の広がりを形成する比較的大きな可動部品をもたらす。そのようなセンサでは、衝撃や大きな加速度によって、伝達機構の接合部、（ファイバ）接続点、およびファイバ自体に破壊的な力が加わる可能性がある。
【０００５】
したがって、従来の技術では、このファイバの過度の歪みを回避するように設計された、いくつかの機構が存在し、そのような機構の１つは、繊維が過度に伸びないようにするストッパの使用が挙げられるが、このストッパは、数μｍさらにサブμｍレベルに至る非常に精密な位置決めを必要とし、部品の製造および組立てにおいて達成することが困難であり、結果として比較的高価なシステムをもたらす。さらに、このようなストッパの製造されたギャップおよび許容差は、そのとき、非常に高い圧力値であっても安定したままでなければならず、非常に堅牢な筐体設計を必要とする。
【０００６】
従来技術から知られている別の解決策は、より硬質の材料をケーシングの構造体に使用する、またはケーシングの質量を増加してセンサのケーシングの硬度を高めることである。しかし、この解決策は理想的ではなく、センサの全体的な質量が増え、一部の環境で使用するのが難しくなるからである。この解決策は、また、ケーシング損傷の問題を解決するのみであり、センサの内部部品の損傷の問題を解決しないという欠点を有する。
【０００７】
例えば、石油およびガス産業における坑内動作などのいくつかの環境条件下では、センサは、それらが設置される間、すなわちそれらの動作が開始する前に、１００〜１５００ｇ‐力＊質量（１４７１５＊ｍ［Ｎ］、キログラムで表されたセンサの質量ｍ）の非常に大きな大きさの衝撃に耐えることができる。また、このようなセンサは、動作中、約１００〜２１００ｂａｒ（１０〜２１０ＭＰａ）の圧力および約３００°Ｃまでの温度に耐えなければならない。
【０００８】
必要とされるサブミクロンの加工精度は、ストッパの使用ではほとんど達成できず、１５００ｇ‐力＊質量の力の下では、センサ内の他の可動部品の完全性を維持するには不十分であり得る。また、そのような条件に耐えるようにセンサの硬度および質量を増加させると、センサが大きすぎて使用することができなくなる。したがって、従来技術のセンサは、坑内動作の困難な条件の要件を満たすことができないと結論づけられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、多くの場合、高衝撃によるシステムの故障の主な問題は、しばしば、取扱い、輸送、現場での準備、および装置の設置中に発生する。この間、多くの場合、装置はその動作温度よりかなり低い温度に留まっている。このように、本質的に、衝撃保護は、比較的低い温度の間に最良の状態であり、一方、センサの可動部品は、高い動作温度で最小の抵抗で自由に機能する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の説明
本発明は、圧力応答性または温度応答性衝撃吸収機構のいずれかを使用することによって、従来技術のデバイスの問題を克服する。この機構は、センサが低温環境にある場合にファイバの歪みを実質的に妨げ、高温環境でファイバの歪みを許容することにより、センサが高度の保護を有することを可能にする。
【００１１】
特に、本発明は、光センサデバイスを開示し、
光ファイバと、
トランスデューサと、
光ファイバに埋設された固有光ファイバセンサと
を含み、トランスデューサは、入力動作を受け取り、そのような入力動作を固有光ファイバセンサ上の比例歪みに変換するように配置され、少なくともトランスデューサおよび固有光ファイバセンサは筐体によって囲まれている。本発明では、筐体は、熱応答性物質または圧力応答性物質で充填され、物質が、周囲条件から作業条件への変化に伴って粘度が少なくとも７０％低下する物質であることを特徴とする。
【００１２】
周囲条件および作業条件によって、本発明の光センサは作業施設に設置されることを意味することが理解されるべきであり、ここで、動作中、センサが曝される物理的条件は、例えば、それが設置または輸送されている間にセンサが試す周囲条件のものとは異なる。
【００１３】
好ましい実施形態において、作業条件は、２００°Ｃを超える温度および／または１０ＭＰａを超える圧力を含む。周囲条件により、標準周囲温度および圧力（ＳＡＴＰ）、すなわち２９８．１５Ｋ（２５°Ｃ、７７°Ｆ）の温度および１００ｋＰａ（１ｂａｒ、１４．５ｐｓｉ、０．９８６９ａｔｍ）の圧力が考慮され、それにもかかわらず、特定の実施形態では、周囲温度および圧力条件は、特定の温度または圧力のウィンドウに関して変更することができ、したがって、周囲条件は、デバイスが例えば、設置または運搬中に動作するように構成されていない第１のセットの条件であり、作業条件は、デバイスが測定を行うように構成されている条件であることが理解されるべきである。
【００１４】
好ましい実施形態では、物質の粘度は周囲条件で１００００ｃＰであり、作業条件で１０００ｃＰ未満である。
【００１５】
一実施形態では、物質は、その粘度が１００°Ｃ〜３００°Ｃの温度範囲にわたって少なくとも７０％低下するような材料相特性遷移を有する。あるいは、この温度のウィンドウを予め選択することができ、物質の組成を変更することにより、異なるウィンドウ温度に適合させることができ、これは実験によって達成される。
【００１６】
特に好ましい実施形態では、物質の融点は６０〜１００°Ｃである。これは、周囲温度では、物質が固体状態のままであり、それにより筐体（トランスデューサなど）内のファイバおよび全ての可動部品を比較的固定された状態に維持し、デバイスが作動状態にあるとき（この特定の場合、６０〜１００°Ｃを超える）、物質が溶解してセンサの内部部品が移動し、それによって測定が達成される。
【００１７】
物質の例としては、ワックス、パラフィン、オイル、ゲル、グリセリン、シリコーンまたはそれらの２種以上の組み合わせを含む物質が挙げられ得る。
【００１８】
前に述べたように、物質は、その成分を変更することによって特定の場合ごとに製造し得る。特に、物質は、物質が、予め選択された温度および／または圧力ウィンドウにおいて少なくとも７０％の粘度変化を有するように調製された材料の混合物であり、ここで、この温度および／または圧力ウィンドウは、それぞれの特定の場合に適合させることができる。
【００１９】
本発明は、特に有利であり、ここで、このセンサが、特にその設置中に、衝撃によって引き起こされる過度の張力によるファイバの破損を最も受けやすいことを考えれば、センサは加速度計である。それにもかかわらず、それは、圧力センサ、温度センサおよび／またはフローセンサの場合にも有用である。
【００２０】
さらに、本発明は、本明細書で開示される光センサデバイスを使用することによって、地震測定、特に坑内地震センサ用のセンサケーブルシステムに組み込むことができる。
【００２１】
説明を補足し、本発明の特徴のより良い理解を助けるために、その実用的な実施形態の好ましい実施例に従って、一連の図面が前記説明の不可欠な部分として添付されており、実例となる非限定的な特徴で以下のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による光センサの例示的な実施形態を示す。
【図２】様々な温度で粘度の変化を示す例示的な物質の４つのグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明による光センサの一例を示す。この図には、筐体６に取り付けられた第１の光ファイバ部分３および第２の光ファイバ部分４を備えた光ファイバ２を含む光センサ１が示されている。そのような光ファイバ２は、歪み感応部分５を含み、例えばＦＢＧとすることができる。
【００２４】
この実施形態が物理的パラメータを検知することができるように、筐体６は、その第１の光ファイバ部分３およびその第２の光ファイバ部分４上のファイバ２に、例えばクランプおよび／または糊付けによって取り付けられる。この特定の実施形態では、筐体６は、検知体として作用し、したがってその大きさは測定されるべき物理的性質に対応する。例えば、圧力を測定するために、筐体は、増減する圧力で収縮、膨張する材料からなることができる。したがって、筐体６の長さの変化は、ファイバ２の長さの変化、特に、その歪み感応部分５上に変換される。
【００２５】
光センサ１のこの例示的な実施形態の主な欠点の１つは、例えば、その設置中のセンサの衝撃による圧力の増加により、ファイバが過度に歪み、その後破損する可能性があることである。したがって、本発明は、充填物質７を筐体に使用することを想定しており、そのような充填物質は、周囲条件での所定の挙動および作業条件での別の挙動を有する。そのような挙動は、例えば、周囲条件での粘度の増加および作業条件での粘度の低下であり得る。
【００２６】
最も明瞭な例では、充填物質７は、周囲条件で固体であり、例えば、それは、パラフィンまたはワックスとすることができる。周囲条件で物質７が固体であるため、ファイバの歪み感応部分５は、充填物質７によって保護されると考えると、いくらかの衝撃をより受けにくい。１つの光センサ１が設置されていて、作業条件では物質７の粘度が低下し、またはパラフィンやワックスの場合には、それが溶融してファイバの歪み感応部分が歪み、したがって、測定を行うことができる。
【００２７】
センサの別の例は、剛性である筐体の内側部分にトランスデューサを組み込んだタイプのものであり、トランスデューサは、所定の物理的特性、例えば、圧力、加速度、温度、流量などの観点で、歪み感応部分５上で歪みを変化するように配置されている。この場合、ファイバ２の歪み感応部分５が損傷しやすいだけでなく、トランスデューサや伝達アームなどの内部部品も損傷しやすい。したがって、充填物質は、変換要素およびファイバ２の両方を保護する。
【００２８】
図２は、特定の用途に対して所定の粘度を達成するために組み合わされた異なる物質を示す。これらの物質は、濃度および／またはそれらの組成が、所定の温度ウィンドウで所定の粘度を達成するための実験によって容易に変更されることができるため、単なる例示であると理解されるべきである。
【００２９】
特に、図２は、パラフィンの濃度が異なる油の組み合わせを示す。これらのグラフは、Ｂｒａｚｉｌｉａｎ  ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  ａｎｄ  ｇａｓ、ｖ．３  ｎ．４、ｐ．１４９−１５７、２００９、ＩＳＳＮ  １９８２−０５９３に開示された実験に対応する。この文献では、異なる粘度を有する物質が研究されているが、本発明の特定の目的のためではない。
【００３０】
物質の第１の例において、図２（ａ）は、１％、５％および１０％のパラフィン濃度でのテルペンチンの使用を開示する。この場合、パラフィンの濃度が１％の場合、物質は１５°Ｃで約１．３ｃＰの粘度を達成し、この粘度は、パラフィン濃度が５％に増加すると１．６を超えて増加することが明らかである。これらのオプションはいずれも、約１５°Ｃ〜２０°Ｃでの粘度の増加が必要とされ、３０°Ｃを超えてより低い粘度が必要とされ、ここで、これらの物質は約０．７ｃＰの実質的線形挙動を示す場合に、良好なオプションである。パラフィン濃度を１０％に変更すると、物質の挙動は１５°Ｃで約１０ｃＰの粘度に、温度が３１°Ｃを超えると１ｃＰの線形挙動に変更される。したがって、この場合、センサの筐体の充填材としてこの物質を使用することが有利であり、ここで、物質が可動部品の動き、およびファイバの２０°Ｃより下での可能性のある過度の歪みを制限し、作業条件、すなわち３０°Ｃを超える温度でのそのような動きの制限を少なくすることを考えれば、センサは約１５°Ｃ〜２０°Ｃの設置または周囲条件および３０°Ｃを超える作業条件にある。
【００３１】
第２の実施例では、図２（ｂ）は、１％、５％、および１０％の濃度のパラフィンを用いたディーゼルの使用を想定している。この場合、図２（ａ）と同様の挙動が観察され、周囲条件および作業条件の両方でより高い粘度に達した。この場合、５％濃度と１０％濃度の周囲条件は２５°Ｃ未満の温度とすることができ、作業条件は３０°Ｃを超える温度であり、それにも関わらず、約２０°Ｃの温度での１％濃度については、粘度は１５°Ｃで１３ｃｐ〜５ｃｐに低下し、したがって、この濃度の作業条件は約２０°Ｃとすべきである。
【００３２】
物質の第３の実施例では、図２（ｃ）は、パラフィン濃度が１％、５％および１０％のＮ−パラフィンの使用を想定している。特に、この実施例は、１％濃度のパラフィンは、異なる温度で粘度を実質的に変化させず、したがって、本発明の筐体を充填するための物質としては有益ではないことを示す。一旦、濃度が５％および１０％に増加すると、周囲温度である間のより高い濃度を有する追求された効果が達成され、この場合、周囲温度および作動温度との間の遷移ウィンドウが小さいことを考えると、効果は、５％パラフィン濃度のわずかに良好な挙動を有する両方の濃度において非常に類似している。
【００３３】
最後に、物質の第４の実施例において、図２（ｄ）は、パラフィンの１％、５％および１０％の濃度でのナフタの使用を示す。ナフタを使用することにより、１％および５％の濃度に関しても、粘度が約１９°Ｃの温度から劇的に減少し始めるので、より低い周囲温度が要求されることが明らかであり、２３°Ｃを超える温度での挙動が変化し、１０％濃度の場合のように線形ではないことが観察される。したがって、可能な全ての作業温度で物質の挙動を特徴とし、粘度が間接的に全ての可能な場合に決定されることができ、測定は、各温度に従って補正することができるように本発明による光センサの近傍に温度センサを含むことを有益とすることができることが明らかであるようである。
【００３４】
これらの物質は、異なる物質が、所定のウィンドウへの周囲温度／圧力および異なるウィンドウへの作業条件を変更するように適合され得る異なる挙動を達成し得ることを示すために、単なる例であることを理解されるべきである。本発明は、最も広い意味で理解されるべきであり、ここで、使用される物質が、所定の圧力および／または温度ウィンドウ（周囲条件）でより高い粘度、および所定の圧力および／または温度条件（作業条件）でより低い粘度を有する物質である。好ましい実施形態では、物質の粘度は、少なくとも作業条件および周囲条件における粘度が公知であり、温度センサによって測定された温度に従って測定が補正できるように、温度センサが含まれることを予め特徴とする。
【図１】
2018532993.tif 000003
【図２】
2018532993.tif 000004
【国際調査報告】
2018532993.tif 000005
2018532993.tif 000006
2018532993.tif 000007