光ファイバ分布計測の孔井観測におけるトレンド
ニューブレクス株式会社 岸田 欣増
2023年12月

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Kishida@neubrex.com

Copyright NEUBREX 20231Contents•Neubrex/RFS reputation established at UrTech 2022 HFTS-2•DFOS計測の技術流れ（How many interrogators?）•光センシングケーブルの最新動向••

Downhole Optic Sensing Cable at harsh environment•

Helical Surface Seismic of 2C and 3C

DFOSの最新動向••••

RFAS – slow and fast
超音波DAS 3MHz/30Km
強地震対応型DASDFOS from option to necessary
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Neubrex/RFS reputation
established at UrTech 2022
HFTS-2
日本はDFOSの発祥地にも関わらず長い間に応用学術界に注目されていなかった。現在は海外から押しつけられてDASのブームになっている最中であるが、DASの認識は味わいであり、ひずみやほかの計測にほぼ知られていな
い。米国の国プロHFTS-2での成果と影響を紹介する。
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DFOS Reputation established on frac in HFTS-2, 2022

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4Illustration of SRV and DRV
DRV(Drainage Rock volume)

Microseismic events

Gustavo et al, UrTec, 2021

SRV observed by microseimic
has big misleading to DRV.
Whiles strain monitoring isreasonable.
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Strain at vertical well

5Planar frac and crack swamps®

Table 1: Compare of fracture
toughness of shale, glass andFracturesteel Shale
Soda-lime
Pyrex glass
toughness

MPa.m-1/2

Xin-zen Li, et al, 1998

Steelglass

0.98~1.8

1.02.062

The main view, in the past, was ‘crackswarms’ which was supported by DAS
observation of frac noise. However,observation of strain ended theargument and ‘Single planar frac’ withlimited DRV is finally accepted.
6DRV is small portion of frac®

Monitor well by strain (RFS,Neubrex) observation exam theDRV performance ofnonconventional well.
Dhuldhoya et al, 2022
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DRV is small portion of frac®

• Recent studies (Raterman et al., 2017,2019, Karan et al, Li et al, 2022) havedemonstrated that proppant can only
propagate in very short distance along
the hydraulic fractures compared withentire hydraulic fracture length.
DRV ~ 10% of SRV

Dhuldhoya et al, 2022

• The present recovery rates from theunconventional reservoirs are low, i.e.
around 16% ~26% !
8

E and P? now stress more on P (production)®

For tight rock, strain is more effective thanpressure
RFS-DSS strain change waterfall plot during the initial interference
testing. Each external gauge is placed at its measured depth as adashed line. As the gauges are drawn down, a colored line will
deviate from the gauge location. Vertical dashed lines represent
when individual wells were put on production or had chokechanges. The left edge of the Figure shows triangles representing
cross well strain intersections during the 5H and 3H refrac and thewells respective completion designs. Two logs are overlain on thedata, the DAS strain change during the 5H and 3H refrac (left log)
and the final strain change at the end of the interference test (rightlog).
Haustveit et al, 2023

9DFOS計測の技術流れ
ラーマンはMMFファイバにほぼ限定され様々な問題がありながら普及されていた。ブリルアンはほぼ日本限定で日本独自な技術。最近十年はレイリー散乱で注目され、RFS（TW-COTDR）とDASは2大分野となり、Neubrex社は常にリーディング位置であった。
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Value Chain and Architecture
E&P Team(EOR effects)

Information expert
teamValue/communication

Installation- Running cost
- Reliability of service(Local office)

Site

Industrial production
Develop specific machine
For manufacture cables

SystemInterrogator
Units
Cable
GlassPure SilicaDone

FO
Harsh coating
Ormocer/Neubrex/Fraunhofer

Functions and cost impact in E&P- Pressure- Strain (Acoustic)- Temperature- Chemistry- Reliability- fatigue life

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11世界最先端の要素技術と事業モデル
必要な4つの要素技術とサービスを全て自社開発・提供する最先端の事業モデル

計測機技術光ケーブル技術

情報解析技術データサービス

Neubrexの保有技術・サービス
DTS

RFS
独自技術

DTSS-B

DAS

石油向
けHPHT

最高性能

土木・変位

放射線
環境

独自技術・最高性能

減肉

３D
変位

（英）

横河電機

Silixa

（英）

３D
地震波

20年間の解析ノウハウ蓄積

pipeLine
LYTT

Prysmian(伊)Silixa

油井流
れ圧力専用
商品群

日米欧の3拠点に専門技術者を配置
海外で9年間のサービス提供実績

LYTT
（英）

（英）

Solifos

（スイス）

Opta
Sense(米）
Sintela（英）Apsensing（独）

競合他社技術の状況
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光センシングケーブルの最新動向(1)

Downhole Optic Sensing Cable at harshenvironment（計測機＋ケーブル）は計測システムである。光計測ケーブルはシステム成敗の大半が握っている、通信用のケーブルと全く異なる哲学であり、ここでHPHT（高温高圧）坑内ケーブルを簡要に紹介する。

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DFOS from single FO to composite of FOs
DFOS = T, ɛ, A

DFOS = P (HPHT downhole )By single optic fiber

need multi-FO in one cable but still is a line
information• DTS – dominated by Raman
Need MMF for precision• DSS – Brillouin like PPP-BOTDAor single end PSP-BOTDR• DSS – RFS ( Rayleigh IntensityPattern)• DAS – Rayleigh phase shift• DPATS have 3 optic fibers➢ ‘loose FO’ in FIMT for temperature➢ SK wires for absolute strain,➢ H-FIMT pressure cells in space of designed span at
precision of 1 psi.

Strain-Fiber

T-Fiber

P-Fiber cell

Hole as pressurechannelPressure precision better than 1 psi!

Lessen learnt in the past 15 years

What was wrong?

regard DFOS as a large scale commodity= lower unit price x large quantity

Need many companies on tec and cost competition= many kinds of products, cost reduced by expand of number

Grow market= No expectation for big growth in predictable future.
Both operators and service majors are expecting
sustainable, not expand

What can we do next?

DFOS is a small scale but high-tech business- high unit price x small number x high reliability

Few companies, now the uni-pole of Neubrex is the fact
- stable price x reliable selected products x data processing. interpretation fit
operator’s needs

Limited market and exceeded- stable price x reliable selected products x data processing. interpretation fit
operator’s needs

The close cooperation between operator and service sides is needed to make a ‘domestic’ solution.

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Risk No.1: Tough installation request• Load request during cableinstallation in horizontalwell.

Safety method
established• Downhole cablestrength quantitatively
certificated by Fiber
Optic sensing criteria.

With centralizer
L=43ftResults of cable load during installation

Method and results of cable strength test in plant

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Cost and Failure rate are still highHaustveit et al, 2023

Jin et al, 2023,

Problem No.1: Slippage of loose tube

Risk No.2: Terminal failurewww.neubrex.com

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Neubrex Armored DTSS Improvements over TraditionalCables••••••The cable size is 0.288”. Fit the proven Cannon
clamp which is possible to fix 2 other‘conventional’ cables or control lines.
Proven centralizer and cable protector
installation procedures.
Fits through casing/tubing hangers andconventional well heads that keep the strengthand reliability of the fibers in the cable.
Standard size and installation hardware
reduces the installation ops and provides costcontrol.
FO is fully embedded inside silicon resin thus
are chemically protected against acid and other
downhole fluids and gases that may darken
fibers.
Conventional metal is GIP. However, user canchoose stainless for high corrosion fluids suchas Carbonic Acid with is crucial in CCUS.

DSS cable OD 0.288”

1.35 mm braided
strain FO module
developed
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Quantitative Strength Analysis on Fibers In DSS Cable
Strength of FO
module(N/mm)

Safety factor (failurerate)

P-fiber:
580

2(5%)

Installation results in horizontal
well

1 break near peak load inhorizontal 10,000ft

T-Fiber: >1720

6 (4/Million)

No break

Convention:>2000

6 (4/Million)

No breakNew cable> 1200

5(0.000057%)

Should be survived during
installation

How to link safety factor withfailure rate

• Number in circle is safety factor.
• Shadow area is the failure rate

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Field Installation on 12,500 Vertical Well. SuccessfulInstallation
Same tools which were used in other installation
were used here and proven
Mid Joint Clamp
Centralizer
Cross-coupling
Clamp

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Cable Installation to 12,000 ft. Cement Monitoring with Fiber

Curing
PeriodCement front
at right depthand exact time ofoperation

Example of Rayleigh Frequency Shift Distributed Strain Sensing (RFS DSS) strain change results after
installation of the DSS Cable outside of Pipe and Cemented into well. The cement front was clearlyobserved with high resolution and quality. The know-how of DSS fiber optic cable installation is achieved.
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光センシングケーブルの最新動向(２)

Road to 3C surface seismic by helicalOmni-seismic was the target since 2016 (As MFOSS JIP of Neubrex and Petronas).
The effects of helical is limited by the small size of downhole cable. However,surface cable can expect a good helical effects, and better impedance matching. 2C
to 3C Surface Seismic Cable (SSC) in rapidly on the way of developing.
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From GNR to Surface Seismic application

GNR
Surface Seismic
Ref. paper

Inner
outer
helicalSS-cable model

pitch(mm)FO D(mm)

360
360
100105

11.5
15.5
20.0
20.0

FO helicalα (deg)length(mm)
361.8
363.3
118.1
122.4

Outer sheath removed

84.27
82.30
57.86
59.10

cos^20.010
0.018
0.283
0.264

Shealththickness

Real core(mm)2.22.2/800800800/

Inner sheath removed
straight

Outer sheath

Helical #2
Inner sheath

Helical #1
Helical #3

Outer and Inner sheathwww.neubrex.com

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Inversion theory: Mechanics
Pure axial strain

Pure pressure

Axial strain
felt by central straight fiber
𝜀𝑠 = 𝜀𝑧

Only helical fibers can feel the pressure𝑑2𝜀ℎ = 𝜀𝑡 cos 𝛼 =− 1 cos 2 𝛼 = 𝑘 𝑃 cos 2 𝛼𝐷felt by three helical fibers
𝜀ℎ,1 = 𝜀ℎ,2 = 𝜀ℎ,3 = 𝜀𝑧 sin2 𝛼𝑘 < 0, pressure-strain coefficient

Pure axial strain + Pure pressure
Strainfelt by central straight fiber
𝜀𝑠 = 𝜀𝑧felt by three helical fibers
𝜀ℎ,1 = 𝜀ℎ,2 = 𝜀ℎ,3 = 𝜀𝑧 sin2 𝛼 + 𝑘 𝑃 cos 2 𝛼
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the value is when 𝜀𝑧 is zero.
Then you can still see the signalof seismic, that is the portion
perpendicular to cable24

Inversion: Obtain Strain Rate and Pressure Rate•

Through conducting the inversion 𝒔 = 𝑨𝑻 𝑨 + 𝝀𝟐𝑪𝑻 𝑪−𝟏 𝑻𝑨 𝜺𝒎, strain rate and pressure rate are obtained.

Inversed axial strain rate

Inversed radial pressure rate

Trace at 0.05 sec

Trace at 0.05 sec

www.neubrex.com25DFOSの最新動向 (1)RFAS – Rayleigh Frequency Acoustic and Strain
Capable from slow to fast.
With fingerprint remembered as initial state, and can view the history of changes.

www.neubrex.com Kobe/Houston/Baden26各空間分解による測定結果
２．動的変化の測定(PZTにSin波に加える信号を50Hz、ΔV=20Vにし、約 1.2μεになります。）
2-1-2-2
NBX-7800
Chirp幅=2GHz
Sub Band=50MHz(2m)Chirp周波数範囲：200MHz～1800MHz
Step:12MHzCounts:128
測定速度：1KSps
記録時間：5s
表示範囲：0.5s、1040m～1140m

DFOSの最新動向 (2)超音波DAS 3MHz/30Km +Capable from slow to fast.
With fingerprint remembered as initial state, and can view the history of changes.

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長距離超音波DASの取り込み（NEDO洋上風力）30km先の洋上風力を3MHzの超音波速度での監視。DASの速度限界を突破する

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29

DFOSの最新動向 (3)強地震対応型DASCapable from slow to fast.
With fingerprint remembered as initial state, and can view the history of changes.

www.neubrex.com Kobe/Houston/Baden30レイリー散乱と位相計測の基礎
５ｍ光パルスに得られた信号例

NA

Good signal
S=A+N
SNR=S/N~3 = 1.7dB

S:signal
A: Truth
N: Noise

Bad signal ー 有効的な位相を見えない（Phase fading）
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Dark pulse to achieve higher Spatial resolution（競合他社）
理想

空間分解能
2nd pulse

1st pulse

2nd pulse

1st pulse

現実

空間分解能

200MhzのAOMを用いた場合、立上げる時間は5ns （50cm、One-sigma）, Dark Pulseの間隔は1m以下できない。

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Noise floor comparison with other manufacture’s DAS• Comparison
undersameconditions• Same gauge length 40m• Same IU-rate 500Hz• Same fiber under test
• As shown in right figures, silent
area (waterfall) and PSD result are
given, and the noise floor are
summarized in table below.
Superiority of Neubrex DAS isobvious.

Neubrex(a) Neubrex DAS, silent area

Neubrex

Manufacture B(b) Manufacture B DAS, silent area

Manufacture B(c) Neubrex DAS, noise floor(d) Manufacture B DAS, noise floor

Lowest noise floor (10 -100Hz)= -71.19dB

Lowest noise floor (10 -100Hz)= -44.09dB

Neubrexwww.neubrex.com

Manufacture B

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Saturation observed by beam Vibration experiment•

Measurement performed at:
Interrogation rate: 5ksps
recording time: 5 min
Vibration starts from ~3 sec•This measurement aims at demonstrating thevibration decay with time, so we measured along time, 5 minutes. The temporal signal isgiven in Fig.1. It is seen that the decay
pattern starts from ~10 sec, and themaximum strain is 79με.

•According to the decay trend plotted on Fig.1
with red curve and the experiences onvibrating the Al plate, there should be muchlarger strain in the range of [3sec,10 sec], butthere is not. We think that the reason is thefailure of unwrapping, because the strainchanges too much (unwrapping condition isnot satisfied anymore) between the adjacentpulses during this period.

•The zoom-in figure is given in next page.

Fig.1 Temporal signal and distribution along distancewww.neubrex.com

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DFOS from option to necessary
Capable from slow to fast.
With fingerprint remembered as initial state, and can view the history of changes.

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35ニューブレクス株式会社

概要

会社概要
◼
◼
◼
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◼
◼
◼

会社名 ニューブレクス株式会社
住所 神戸市中央区栄町通１－１－２４
設立 ２００２年１１月
資本金 １億円
代表者 代表取締役 岸田 欣増
関連会社


事業内容
光ファイバ高精度ひずみ・温度分布計測器「NEUBRESCOPE」の開発・製造・販売
 計測データ管理・解析のためのソフトウェア「NEUBREGATE」・サービスの開発・販売
 光ファイバセンサケーブルの開発・製造・販売
 これらを統合した構造物の監視システムの提供
◼

Neubrex Energy Services(US), LLC：米国
・北米での油井モニタリングサービス事業
Neubrex Infra AG：スイス
・欧州、中東向け計測機・ケーブル販売拠点

採用実績




エネルギー分野：国内・米国石油開発大手企業
土木インフラ分野：国内各大手ゼネコン
原子力廃棄物分野：国内・欧州の管理機関
その他、電線・ケーブルメーカー、研究機関等

油井への光ファイバセンサ
ケーブル設置作業

DFOS技術での取り組み◼
◼

独自のバリューチェン認識で技術を発展に取り込んでいる。単独項目にしても、製品構成も常に業界のリーダー役を維持してきた。
各分野のリーディング大学、研究機関、企業と緊密な連携を行い、次々新技術製品を創造し続けている。

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Neubrex Group: | Neubrex | Energy Services | Infra

www.neubrex.com | Kobe | Houston | Baden

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Evolution of Neubrex
Team perfect for the value chain of M-FOSS. Provide one-stop shop for all the fabrication, fielddeployment, data analysis and service, and inhouse operator experts to provide value to thecustomers.

Photonic teamData/Analysis Team

Operator Expert Team

Creative Only-One
interrogators in DFOS as
Japanese national team.
Technical roots from 1987

Boardless data service,processing and analysis team
Data to information 100% self
developed software tools onInterNet

Key persons from ConocoPhilips
and Shell in their DFOS team.
+ plus Petronas leading

2002 20072008 ~2016

2018

2022

Sensing Cable Team

Field TeamTop page of JPT

Fabricate Fiber Optic sensing
cable from NEEDS andPOSSIBILITY
Experts 40+ know-how,worldwide facilities committed

Partner of biggest installationcompany (SageRider) and own
field technicians.
Most experiences team on
downhole cable.

Downhole Strain introduced topetroleum 1st time in history.
Direct sales to Exxonmobile andmeeting in its head quarter
during Kishida visit.

STRICTLY CONFIDENTIAL NEUBREX

201838光ファイバがインフラの見守り役になる（実用・実証済み）
数十年の開発期間を経て、この技術は日本での革新的なインフラ監視手法として認知された
橋梁やトンネル，ダムなど高度経済成長期に集中的に整備されたわが国のインフラが，経年劣化や自然災害による損傷によって急速に老朽化していくことが懸念されている。
そのような中，鹿島は光ファイバの計測技術を，直接視認できない箇所のひずみ・温度・振動を高精度かつ広範囲にわたりリアルタイムで把握できる革新的な技術へ発展。
世界で初めてインフラに導入した。
今後，施工管理から維持管理へ，さらには新たな付加価値をもつインフラの実現へ，世界に大きな変革をもたらす可能性を秘めた
当社開発の光ファイバでどんな世界が描けるのか，実適用事例とともに紹介する。
https://www.kajima.co.jp/news/digest/apr_2023/feature/index.html

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光ファイバ散乱光の利用とニューブレクスの新しい計測技術
レイリー散乱ラマン散乱：温度により散乱光レベルが変化；旧来より利用
強度

ブリルアン散乱：圧力・温度・ひずみにより散乱光周波数が変化；旧来より利用されていたが、精度が低かった

ブリルアン散乱
ラマン散乱

従来の光ファイバとして認識されている技術
波長

レイリー散乱：強度が強く、圧力・温度・ひずみにより散乱光の波形が変化することがわかっていたが、高度な光周波数制御と大量高速の信号処理が困難で分布計測に活用することが出来なかった。
ニューブレクスによるこれからの光ファイバ計測技術
独自のハード技術（高度な光周波数制御から大量高速信号処理まで自社技術を確立）
独自のソフト技術（散乱光の分析：温度とひずみの分離・計測位置とその変化の特定、自動データ処理など）により、高精度、高空間分解能、短計測時間の分布計測を実現

項目

電気計測

光ファイバ分布計測
ニューブレ
従来技術
クス
レイリー方 ブリルアン式
方式

センサ

ひずみゲージ
Pt温度計

光ファイバ 光ファイバ

最大計測範囲数cm程度

最小サンプリング間隔

ー

ひずみ計測精度

1με程度

温度計測精度
最高空間分解能
計測時間
長期耐久性
防爆性

1℃程度
(0.5～3cm)程度*
ー*2△
×(要対策)

数十km
1cm

数十km
1m程度

1με以下 50～100με
10.１℃以下
2cm
数分/回

5℃程度
1m程度
数十分/回
○
○

＊1：ひずみゲージのベース長＊2：分布計測ではないので比較しない（測点数が多いと時間がかかる）

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40ニューブレクス光ファイバ計測の高精度の実証
従来技術に比べ圧倒的に高精度ひずみゲージ計測値に一致、この高精度でさらに分布計測が可能
引用元：樽谷早智子,新原雄二,新井崇裕,
今井道男,平佐健一,野津厚,小濱英司,大矢陽介,山路徹:羽田空港 D 滑走路における光ファイバレイリー計測による維持管理への適用検討,土木学会第78回年次学術講演会講演概要集( CS9-15) 78th, 2023年

羽田空港D滑走路の既設の光ファイバにNB技術を適用。これまでの技術で計測出来なかった高精度のデータを取得

精度の違いは明らかラボー試験で精度検証

N杭AP-24m地点のひずみレイリー計測はひずみゲージの計測値と一致

引用元：黒川紗季,岡田侑子, 小泉悠,升元一彦,今井道男, 川
端淳一, “光ファイバによるトンネル支保の応力計測に関する室内検討”, 土木学会第75回年次学術講演会講演概要集(Ⅲ-105) 75th, 2020年
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