CN104641201B - 物体的体积变化测量方法 - Google Patents

Abstract

在从外部对固定有光纤的标准部件施加了已知的压力的情况下，让试验光射入所述光纤，进行标准布里渊测量和标准瑞利测量的至少其中之一，所述标准布里渊测量基于布里渊散射现象求出标准布里渊频移量，所述标准瑞利测量基于瑞利散射现象求出标准瑞利频移量。从这些测量结果求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数。将光纤固定于体积变化未知的样本部件，进行相同的样本布里渊测量或样本瑞利测量，求出频移量。从所述样本布里渊频移量或样本瑞利频移量以及布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，求出所述样本部件的体积变化。

Description

物体的体积变化测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用光纤的布里渊频移(Brillouin frequency shift)或瑞利频移(Rayleigh frequency shift)现象，测量物体的体积变化以及其分布的方法。

背景技术

已知有利用光纤的布里渊散射现象及瑞利散射现象的各种测量方法(例如专利文献1)。作为其中一例可举出利用因变形(压力)被施加于光纤而产生的布里渊频移及瑞利频移的分布型压力传感器。由于这些频移依赖于施加于光纤的变形，因此，通过测量其频移量可以测量被施加的压力。

这种利用光纤的压力测量技术可应用于物体的体积变化的测量。例如，孔隙性砂岩在被流体填充前和填充后体积发生变化，因此，成为所述压力测量技术的应用领域的其中之一。近年来，作为全球变暖的对策，正在开发一种将二氧化碳存积在地下的技术，而上述的压力测量技术有助于构建在二氧化碳被积存在地下时监视二氧化碳在砂岩中的存积状况的系统、以及监视处于砂岩上层的盖层(caprock layer)(泥质岩等)的力学的稳定性或安全性的系统。

然而，还未提出正确地检测例如包含存在于地下的未知组成的砂岩的体积变化的方法。如果使用电压力传感器，则能够检测在某点的压力变化。但是，无法确定该点的压力变化是否为伴随流体被压入砂岩的变化、即是否为依赖于砂岩的体积变化的变化。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开小册子第2006/001071号

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够正确地测量体积变化程度或其分布未知的物体的体积变化以及其分布的物体的体积变化测量方法。

为达成此目的本发明的一方面所涉及的物体的体积变化方法包括：

将光纤固定于体积变化已知的标准部件，以便伴随从外部对该标准部件施加的压力来追随该标准部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的标准部件施加了已知的压力的状态下，让试验光射入所述光纤，进行标准布里渊测量和标准瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述标准布里渊测量基于布里渊散射现象求出标准布里渊频移量，所述标准瑞利测量基于瑞利散射现象求出标准瑞利频移量；

基于在各测量时的体积变化和每单位压力的频移量的关系，从所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的结果求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤；

将光纤固定于体积变化未知的样本部件，以便伴随从外部对该样本部件施加的压力来追随该样本部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的样本部件施加了已知的压力的状态下，让试验光射入所述光纤，进行样本布里渊测量和样本瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述样本布里渊测量基于布里渊散射现象求出样本布里渊频移量，所述样本瑞利测量基于瑞利散射现象求出样本瑞利频移量；

根据所述样本布里渊频移量或样本瑞利频移量和布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，求出所述样本部件的体积变化的步骤。

本发明的目的、特征及优点通过以下的详细说明和附图将更为显著。

附图说明

图1是概略地表示本发明所涉及的体积变化测量方法的程序的流程图。

图2是表示在校准工序中执行对标准部件的测量的测量系统的示意图。

图3(A)和(B)是表示图2的测量系统的压力施加模式的图。

图4是表示标准布里渊测量的结果的图解。

图5是表示标准瑞利测量的结果的图解。

图6是用于说明通过标准布里渊测量所求出的布里渊测量用系数的图解。

图7是用于说明通过标准瑞利测量所求出的瑞利测量用系数的图解。

图8是表示在实际测量工序中执行对样本部件的测量的测量系统的示意图。

图9是表示光纤在样本部件的固定状况的示意图。

图10是表示图8的测量系统的压力施加模式的图。

图11是表示样本布里渊测量中的压力和频移的关系的图解。

图12是表示样本瑞利测量中的压力和频移的关系的图解。

图13是表示样本布里渊测量中的压力和体积应变的关系的图解。

图14是表示样本瑞利测量中的压力和体积应变的关系的图解。

图15是表示样本布里渊测量中的压力和体积弹性率的关系的图解。

图16是表示样本瑞利测量中的压力和体积弹性率的关系的图解。

图17是表示将超临界状态的二氧化碳注入砂岩样品的试验装置的示意图。

图18是表示体积变化的测量点的砂岩样品的周面展开图。

图19是表示各测量点的体积变化的图解。

图20是评价超临界二氧化碳和纯水之间的界面的进展速度的图解。

图21是二氧化碳地下积存和积存状况的监视系统的概略图。

图22是图21的箭头F部的放大图。

图23是传感电缆的剖面图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行详细的说明。图1是概略地表示本发明的实施方式所涉及的体积变化测量方法的总体程序的流程图。本实施方式的体积变化测量方法总的来看包括“校准工序(calibration step)”和“样本部件的实际测量工序”，在校准工序中将光纤固定于体积变化已知的标准部件进行布里渊测量和瑞利测量，并求出测量用系数，在样本部件的实际测量工序中利用上述测量用系数，将光纤固定于体积变化未知的样本部件进行布里渊测量和瑞利测量，并求出样本部件的体积变化。

上述校准工序包含将光纤固定到标准部件的步骤(步骤S1)、执行标准布里渊测量和标准瑞利测量的步骤(步骤S2)、求出标准布里渊频移量和标准瑞利频移量的步骤(步骤S3)、以及求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤(步骤S4)。此外，样本部件的实际测量工序包含将光纤固定到样本部件的步骤(步骤S5)、执行样本布里渊测量和样本瑞利测量的步骤(步骤S6)、求出样本布里渊频移量和样本瑞利频移量的步骤(步骤S7)、以及求出样本部件的体积变化的步骤(步骤S8)。以下，对本实施方式的体积变化测量方法的测量原理以及上述的各步骤进行详细的说明。

<测量原理>

如果让光射入光纤并对其散射光进行频率分析，则可观测到频率与入射光大致相同的瑞利散射光、频率与入射光大不相同的拉曼散射光(Raman scattered light)、以及频率与入射光有数GHz～数十GHz程度不同的布里渊散射光。布里渊散射现象是在光射入光纤时通过光纤中的音响声子光能移动的现象。入射光和布里渊散射光的频率差被称为布里渊频移，该布里渊频移与光纤中的音速成比例，而且，该音速依赖于光纤的变形和温度。因此，通过测量布里渊频移可以测量施加于光纤的应变及/或温度。

瑞利散射现象是光由于光纤中的折射率的波动而发生散射时所引起的散射现象。入射光和瑞利散射光的频率差被称为瑞利频移。该瑞利频移也随施加于光纤的应变及/或温度发生变化。

(校准工序)

在温度恒定的条件下，由下面的(1)式、(2)式给出承受压力变化△P的光纤的布里渊频移量△ν_B和瑞利频移量△ν_R。

Δv_B＝α_B·ΔP+β_B·Δe＝α_B·ΔP+β′C₁₁·Δe·····(1)

Δv_R＝α_R·ΔP+β_R·Δe＝α_R·ΔP+β′C₂₁·Δe·····(2)

在上述的(1)式、(2)式中，下标符号“B”、“R”分别表示布里渊测量、瑞利测量。△e表示体积应变(体积膨胀率)的增加量。此外，α_B为布里渊测量用系数，α_R为瑞利测量用系数，β’为布里渊测量和瑞利测量双方共同适用的系数，是通过对体积弹性率已知的材料进行校准试验而决定的系数。并且，C₁₁为布里渊测量的应变灵敏度系数(＝0.0507MHz/με)，C₂₁为瑞利测量的应变灵敏度系数(＝-0.155GHz/με)。

对于相对于压力变化△P体积弹性率K保持恒定的线形材料，下面的(3)式成立。

$K=-\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{de}}=-\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;e}}=\mathrm{const}......\left(3\right)$

在此情况下，由上述(1)式和(2)式所示的布里渊频移量△ν_B和瑞利频移量△ν_R可以如下面的(4)式和(5)式所示变形。

$\mathrm{\&Delta;}{v}_B=({\mathrm{\&alpha;}}_B-{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{11}\frac{1}{K})\mathrm{\&Delta;P}.....\left(4\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{v}_R=({\mathrm{\&alpha;}}_R-{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{21}\frac{1}{K})\mathrm{\&Delta;P}.....\left(5\right)$

因此，作为上述校准试验，对体积弹性率K已知的多个材料进行压力负荷试验。然后，针对体积弹性率的倒数1/K，标绘△ν_B/△P和△ν_R/△P的值。将这些结果进行线形近似，根据该近似线的斜率和截距决定布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R以及共同系数β’。

在此，体积应变的增加量△e和体积弹性率K是供固定光纤的基体材料(后述的标准部件或样本部件)的物理性质。设想在压力被施加于光纤的前提下，光纤被固定在所述基体材料上随着该基体材料可以变动，当基体材料被设置在压力变动的环境下该基体材料发生了收缩或膨胀变形时，伴随其变形光纤也随之变形。

(样本部件的实际测量工序)

如果通过上述的校准试验预先求出布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R以及共同系数β’，则可以通过进行布里渊测量及/或瑞利测量来求出体积弹性率未知的基体材料(样本部件)的体积变化、即体积应变的增加量△e和体积弹性率K。另外，关于体积弹性率K未知的材料，由于体积弹性率K相对于压力变化△P并不一定总是保持恒定，因此，采用如下述导出的公式。

根据上述的(1)式至(5)式，体积应变的增加量△e可以用下面的(6)式来表示。

$\mathrm{\&Delta;e}=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{11}}(\frac{{\mathrm{dv}}_B}{\mathrm{dP}}-{\mathrm{\&alpha;}}_B)\mathrm{\&Delta;P}=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{21}}(\frac{{\mathrm{dv}}_R}{\mathrm{dP}}-{\mathrm{\&alpha;}}_R)\mathrm{\&Delta;P}.....\left(6\right)$

假设标准状态下的压力为P₀，从该P₀变化到某压力P。如果从压力P₀到压力P对上述的(6)式进行积分，则成为下面的(7)式。

$e\left(P\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{11}}\{v_B\left(P\right)-v_B\left(P_0\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_B\left({P-P}_0\right)\}+e\left(P_0\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{21}}\{v_R\left(P\right)-v_R\left(P_0\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_R\left({P-P}_0\right)\}+e\left(P_0\right).....\left(7\right)$

由于体积应变的定义为K＝-(dP/de)，因此，体积弹性率K由下面的(8)式给出。

$K=\frac{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{11}}{{\mathrm{\&alpha;}}_B-\frac{{\mathrm{dv}}_B}{\mathrm{dP}}}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}{C}_{21}}{{\mathrm{\&alpha;}}_R-\frac{{\mathrm{dv}}_R}{\mathrm{dP}}}.....\left(8\right)$

在上述的(7)式中，dν_B/dP和dν_R/dP的计算可以通过将施加于样本部件的压力和瑞利及布里渊频移的测量结果进行函数拟合(例如三次多项式)，并对其函数进行微分而求得。

例如，孔隙性砂岩等在流体被填充于其砂岩时和未被填充时体积弹性率会发生变化。此外，由于砂岩一般是非均质的材料，因此，实际的二氧化碳的存积状况会产生不均匀。该不均匀作为砂岩的体积弹性率的空间分布而被表现出来。因此，通过在二氧化碳的积存地层配置光纤，对该光纤进行布里渊测量及/或瑞利测量，可以监视在所述积存地层的二氧化碳的积存状况。

<步骤S1>

图2是表示在校准工序中执行对标准部件1的测量的测量系统M1的示意图。在步骤S1，将测量用光纤2固定于体积变化已知的标准部件1。作为标准部件1可以采用圆筒形的金属部件。在本实施方式中，采用铝(Al)圆管和不锈钢(SUS)圆管。作为光纤2可以采用在包含芯部和包层的石英纤维线上具备UV涂层的光纤芯线。

测量用光纤2的一部分被螺旋状地卷绕在标准部件的周面上，另一部分离开标准部件1而不受标准部件1的压力影响。由此，测量用光纤2形成卷绕部21和不受标准部件1束缚的自由光纤部22。在熔接部2A，分别将第1引导光纤25熔接在测量用光纤2的第1端部23，第2引导光纤26熔接在第2端部24。

在卷绕部21，测量用光纤2以伴随着标准部件1在从外部对标准部件1施加压力时而产生的变形的方式带有指定的压力而被卷绕在标准部件1的周面上，并利用环氧粘合剂而被牢固地粘合。此外，使标准部件1的外径相对于测量用光纤2的外径充分地大。由此，在标准部件1处于高压力下其外径收缩的情况下，卷绕部21也同样收缩，卷绕内径与收缩后的标准部件1的外径相等。通过形成这样的卷绕部21，伴随标准部件1的体积变化的压力恰当地作用于测量用光纤2，从而压力变化被正确地反映于布里渊测量及瑞利测量。另一方面，自由光纤部22处于不被施加张力的状态，以便能够纯粹地测量伴随作用于测量用光纤2的外部压力的布里渊频移量及瑞利频移量。

标准部件1和测量用光纤2被封入圆筒形的压力容器3的内部。压力容器3是能够在例如1至50MPa的范围形成压力环境的腔室(chamber)，并附加设置控制该腔室的压力的压力控制装置3P。此外，在压力容器3的开口部还具备压力隔壁31。保持第1、第2引导光纤25、26的馈通(feed through)32贯通该压力隔壁31。

<步骤S2>

将标准部件1及一部分(卷绕部21)被固定在标准部件1上的测量用光纤2密封在压力容器3内，在已知的压力被施加于标准部件1的状态下，让试验光射入测量用光纤2，进行基于布里渊散射现象求出标准布里渊频移量的标准布里渊测量，以及基于瑞利散射现象求出标准瑞利频移量的标准瑞利测量。使温度恒定在30℃。

如图2所示，为了进行标准布里渊测量和标准瑞利测量，在第1引导光纤25的端部，通过循环器251连接有泵浦光源27和检测器29，在第2引导光纤26的端部连接有探针光源28。测量用光纤2被共同用于标准布里渊测量和标准瑞利测量。

泵浦光源27以半导体激光等为光源，产生包含脉冲光的泵浦光。该泵浦光通过第1引导光纤25射入测量用光纤2的第1端部23。探针光源28同样以半导体激光等为光源，产生包含连续光的探针光。该泵浦光通过第2引导光纤26射入测量用光纤2的第2端部24。

检测器29具备受光元件，接收在测量用光纤2内受到受激布里渊散射现象的影响的光(受激布里渊散射光)，或者受到瑞利散射现象的影响的光(瑞利后方散射光)。此外，检测器29还具备运算处理装置，通过分析受激布里渊散射光和瑞利后方散射光的光谱，进行求出标准布里渊频移量的运算以及求出标准瑞利频移量的运算。另外，循环器251将从测量用光纤2到达第1引导光纤25的返回光分离使其射入检测器29。

在由测量系统M1进行标准布里渊测量时，泵浦光源27产生主光脉冲和副光脉冲，让这些光脉冲作为泵浦光射入测量用光纤2的第1端部23。此外，探针光源28使包含连续光的探针光射入测量用光纤2的第2端部24。另外，所述主光脉冲发挥作用以便将在测量用光纤2中因音响声子而散射的能量传送给探针光，副光脉冲发挥作用以便为了主光脉冲而激发音响声子。此时，检测器29检测受激布里渊散射光。

另一方面，在由测量系统M1进行标准瑞利测量时，泵浦光源27产生1种脉冲光，并让其射入测量用光纤2的第1端部23。另外，不使用探针光源28。此时，检测器29检测瑞利后方散射光。

在进行标准布里渊测量和标准瑞利测量时，通过压力控制装置3P来操作压力容器3的内部压力。图3示出压力操作的一个例子，图3(A)示出压力变化模式，图3(B)示出在各期间所施加的压力。如图3(A)所示，作为优选的压力操作的一例的模式，决定低压力期间A、中压力期间B及高压力期间C，将各单位期间设为90分钟，使压力按低压力期间A→中压力期间B→高压力期间C→中压力期间B→低压力期间A的顺序而变化。然后，如图3(B)所示，将低压力期间A的压力设为1MPa，并使中压力期间B及高压力期间C的压力在第1天、第2天及第3天分别为各不相同的强度。由此，可以在1MPa至30MPa的之间，以每5MPa进行标准布里渊测量和标准瑞利测量。另外，在各单位期间取90分钟的维持时间是为了使光纤2的压力反应稳定。

以上的标准布里渊测量和标准瑞利测量最好利用作为标准部件1的不同的材料进行多次实施。在本实施方式中，利用铝圆管及不锈钢圆管两种进行了上述的标准布里渊测量和标准瑞利测量。

<步骤S3>

在各已知的压力下的标准布里渊测量中，检测器29通过检测上述的受激布里渊散射光，分别求出测量用光纤2的长度方向的各区域部分的布里渊光谱。然后，基于各区域部分的布里渊光谱，分别求出各区域部分的布里渊频移量。此外，在各压力下的标准瑞利测量中，检测器29基于上述的瑞利后方散射光分别求出测量用光纤2的长度方向的各区域部分的瑞利光谱。然后，基于各区域部分的瑞利光谱，分别求出各区域部分的瑞利频移量。

图4示出了在标准布里渊测量中所得到的1MPa至30MPa之间的布里渊频移量。在图4中，“Al”的标绘图表示作为标准部件1利用铝圆管时在测量用光纤2的卷绕部21的布里渊频移量。此外，“SUS”的标绘图表示作为标准部件1利用不锈钢圆管时在测量用光纤2的卷绕部21的布里渊频移量。并且，“free(自由)”的标绘图表示在测量用光纤2的自由光纤部22的布里渊频移量。如图4所示，在铝圆管上的卷绕部21、不锈钢圆管上的卷绕部21以及自由光纤部22，布里渊频移量对压力的反应都呈“负”的线形变化。此外，可知，自由光纤部22对压力的反应最大。

图5示出了在标准瑞利测量中所得到的1MPa至30MPa之间的瑞利频移量。在图5中，“Al”、“SUS”及“free”的标绘图与图4的情况相同。如图5所示，在自由光纤部22和铝圆管上的卷绕部21，瑞利频移量对压力的反应呈“正”的线形变化，而在不锈钢圆管上的卷绕部21的瑞利频移量对压力的反应呈“负”的线形变化。可知，在标准瑞利测量中，也是自由光纤部22对压力的反应最大。根据标准部件1的材料，存在压力和瑞利频移的关系呈“正”的变化的情况和呈“负”的变化的情况，这暗示了通过检测布里渊频移量和瑞利频移量能够确定各种物体的体积变化。

<步骤S4>

基于各自测量中的体积变化和每单位压力的频移量的关系，从上述步骤S3的标准布里渊测量及标准瑞利测量的结果求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数。在本实施方式中，利用铝圆管上的卷绕部21、不锈钢圆管上的卷绕部21以及自由光纤部22的，3种压力和布里渊及瑞利频移的关系，求出系数。

图6是用于求出从标准布里渊测量的结果所得到的布里渊测量用系数的图解。图6的图解的横轴为体积弹性率K的倒数，纵轴为从图4的图解导出的每单位压力的频移量。铝的体积弹性率为75.5(Gpa)，不锈钢的体积弹性率为160(Gpa)，作为测量用光纤2的构成材料的石英的体积弹性率为36.9(Gpa)。因此，图6的标绘点P11是与不锈钢圆管上的卷绕部21对应的标绘点，P12是与铝圆管上的卷绕部21对应的标绘点，P13是与自由光纤部22对应的标绘点。

图7是用于求出从标准瑞利测量的结果所得到的瑞利测量用系数的图解。图7的图解的横轴为体积弹性率K的倒数，纵轴为从图5的图解导出的每单位压力的频移量。与图6相同，图7的标绘点P21是与不锈钢圆管上的卷绕部21对应的标绘点，P22是与铝圆管上的卷绕部21对应的标绘点，P23是与自由光纤部22对应的标绘点。

从图6和图7的结果可导出布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R以及共同系数β’。图6所示的表示每单位压力的标准布里渊频移量与体积弹性率K的倒数的相关的近似线R1可以通过下面的(9)式表示为一次函数，图7所示的表示每单位压力的标准瑞利频移量与体积弹性率K的倒数的相关的近似线R2可以通过下面的(10)式表示为一次函数。

y＝-9.719x-0.475…(9)

y＝31.606x-0.205…(10)

布里渊测量用系数α_B为上述(9)式的截距＝-0.475，此外，瑞利测量用系数α_R为上述(9)式的截距＝-0.205。共同系数β’可以通过分别用上述(10)式的斜率＝-9.719除以布里渊测量的应变灵敏度系数C₁₁(＝0.0507MHz/με)，用上述(10)式的斜率＝31.606除以瑞利测量的应变灵敏度系数C₂₁(＝0.155GHz/με)而求出。如果计算则为布里渊测量的共同系数β’＝0.192×10⁶，瑞利测量的共同系数β’＝0.204×10⁶。另外，上述共同系数β’的“10⁶”是用于单位调整的乘数，可以将两者都近似地处理为“0.2”。

共同系数β’为测量用光纤2从标准部件1承受的应变的比率。根据上述的计算例，测量用光纤2承受到标准部件1的体积应变的20％。体积应变e用x轴、y轴、z轴的3轴的应变之和(e＝εx+εy+εz)来表示。另一方面，石英玻璃系光纤仅对沿着其长度方向的方向的应变有反应。因此，如果标准部件1为各向同性材料，测量用光纤2也各向同性地变形，则理论上测量用光纤2应该承受标准部件1的体积应变e的1/3(β’＝0.333)。但是，根据发明人的试验，承受的应变的比率不是1/3而是1/5，此外，还判明在布里渊测量及瑞利测量的两种测量中为几乎相同的值。关于这些情况的主要原因现在还无法确定。

由以上，上述(8)式的常数全部被求出。即，

布里渊测量用系数α_B＝-0.475(MHz/MPa)

瑞利测量用系数α_R＝-0.205(GHz/MPa)

共同系数β’＝0.2×10⁶

布里渊测量的应变灵敏度系数C₁₁＝0.0507(MHz/με)

瑞利测量的应变灵敏度系数C₂₁＝-0.155(GHz/με)。

因此，如果施加已知的压力P求出布里渊频移量△ν_B和瑞利频移量△ν_R，则可以针对体积变化未知的样本部件求出体积应变e和体积弹性率K。

<步骤S5>

接着，转移到样本部件的实际测量工序。图8是表示在实际测量工序中执行对样本部件10的测量的测量系统M2的示意图。在此，将测量用光纤4固定于体积变化未知的样本部件10，以便伴随着该样本部件10在从外部对该样本部件10施加压力时而产生的变形。所用的光纤4与上述的校准工序中所用的测量用光纤2相同。在本实施方式中，样本部件10采用了被切成圆柱形的内部具有空隙的砂岩样品。

测量用光纤4的一部分被螺旋状地卷绕在样本部件10的周面上，由此形成卷绕部41。图9是表示测量用光纤4在样本部件10的固定状况的示意图，将圆柱形的样本部件10平面展开进行图示。在本实施方式中，使光纤4的匝距(turn pitch)为25mm，卷边与样本部件10的轴方向端缘的距离为10mm。在卷绕部41，测量用光纤4被用环氧系粘合剂等而牢固地固定在样本部件10的周面上。在固定的状态下，如果样本部件10处于高压力下其外径收缩，卷绕部41也同样收缩，卷绕内径与收缩后的样本部件10的外径相等。

测量用光纤4的另一部分在不会受到来自样本部件10的压力的影响的位置被卷束，形成第1卷束部42。该第1卷束部42与图2所示的自由光纤部22相同，处于不被施加张力的状态，以便能够纯粹地测量伴随作用于测量用光纤4的外部压力的布里渊频移量及瑞利频移量。在熔接部4A，分别将第1通过光纤(through optical fiber)451熔接在测量用光纤4的第1端部43，将第2通过光纤452熔接在第2端部44。

样本部件10和测量用光纤4被收容于压力试验器5的内部。压力试验器5是能够利用油压在例如1至50MPa的范围形成压力环境的腔室，在腔室内填充有油。压力试验器5内的压力通过压力控制装置5P而被控制。在压力试验器5的开口部还具备压力隔壁51。保持第1、第2通过光纤451、452的馈通(feed through)52贯通该压力隔壁51。

在熔接部4B，第1、第2参照光纤461、462的一端部被分别熔接在第1、第2通过光纤451、452的另一端部。第1参照光纤461的中间部具备通过卷束光纤而形成的第2卷束部47。并且，在熔接部4C，第1、第2引导光纤481、482的一端部被分别熔接在第1、第2参照光纤461、462的另一端部。另外，第1卷束部42和第2卷束部47并不直接参与样本部件10的体积变化测量，而是以温度测量等为目的而设置的，因此，也可以省去这些卷束部的形成。

第1、第2引导光纤481、482的另一端部与测量装置6连接。测量装置6是具有前面图2所示的泵浦光源27、探针光源28及检测器29的功能的测量装置。测量装置6让泵浦光从第1引导光纤481的一侧射入测量用光纤4的第1端部43。此外，为了布里渊测量让探针光从第2引导光纤482的一侧射入测量用光纤4的第2端部44。

<步骤S6>

利用图8所示的测量系统M2，在已知的压力被施加于测量用光纤4的状态下，让试验光射入测量用光纤4，对样本部件10进行基于布里渊散射现象求出样本布里渊频移量的样本布里渊测量，以及基于瑞利散射现象求出样本瑞利频移量的样本瑞利测量。使温度恒定在40℃。样本布里渊测量和样本瑞利测量的测量方法本身与上述的标准布里渊测量和标准瑞利测量的测量方法相同。

在进行样本布里渊测量和样本瑞利测量时，通过压力装置5P来操作压力试验器5的内部压力。图10示出在本实施方式中实行的压力变化模式(压力曲线)。在此，将0.5MPa作为标准数据，使压力从2MPa到12MPa以每2MPa变化。对各压力强度确保维持时间，在确认了测量用光纤4的压力反应稳定之后，进行了样本布里渊测量和样本瑞利测量。

<步骤S7>

在各压力强度下的样本布里渊测量中，测量装置6通过检测受激布里渊散射光，分别求出测量用光纤4的长度方向的各区域部分的布里渊光谱。然后，基于各区域部分的布里渊光谱，分别求出各区域部分(尤其是卷绕部41)的布里渊频移量。此外，在各压力下的样本瑞利测量中，测量装置6基于瑞利后方散射光分别求出测量用光纤4的长度方向的各区域部分的瑞利光谱。然后，基于各区域部分的瑞利光谱，分别求出各区域部分的瑞利频移量。

图11是表示利用样本部件10针对测量用光纤4的卷绕部41所观测到的样本布里渊测量中的压力和频移的相关的图解，图12表示样本瑞利测量中的压力和频移的相关的图解。是否因为样本部件10是具有空隙的砂岩样品，使在样本布里渊测量和样本瑞利测量中，压力和频移的关系都是非线性的关系。另外，虽然省略了图示，但针对第1卷束部42所观测到的布里渊频移量和瑞利频移量都是线性的量。

<步骤S8>

从在步骤S7求出的样本布里渊频移量和样本瑞利频移量、以及在步骤S4求出的布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，求出样本部件10的体积变化。如图11和图12所示，通过样本布里渊测量和样本瑞利测量，针对样本部件10求出了压力P和布里渊频移量△ν_B的关系、压力P和瑞利频移量△ν_R的关系。通过将这些值与在先前的校准工序中求出的布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R、共同系数β’、布里渊测量的应变灵敏度系数C₁₁以及瑞利测量的应变灵敏度系数C₂₁一起代入上述的(7)式，可以求出样本部件10的体积应变e。

图13是表示基于样本布里渊测量的结果计算出的压力(横轴)和体积应变(纵轴)的关系的图解。此外，图14是表示基于样本瑞利测量的结果计算出的压力和体积应变的关系的图解。由于样本部件10是内部具有空隙的砂岩样品，因此，体积随着压力的上升而减小。在砂岩中的空隙充分存在的期间，体积应变的减小率较大，但随着空隙减少体积应变的减小率也降低。图13和图14的结果表明了这种倾向。

此外，通过将压力P和布里渊频移量△ν_B、或压力P和瑞利频移量△ν_R的值与在先前的校准工序中求出的布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R、共同系数β’、布里渊测量的应变灵敏度系数C₁₁以及瑞利测量的应变灵敏度系数C₂₁一起代入上述的(8)式，可以求出样本部件10的体积弹性率K。

图15是表示基于样本布里渊测量的结果计算出的压力(横轴)和体积弹性率(纵轴)的关系的图解。此外，图16是表示基于样本瑞利测量的结果计算出的压力和体积弹性率的关系的图解。由于样本部件10是内部具有空隙的砂岩样品，因此，随着压力的上升，砂岩中的空隙被压溃，刚性逐渐增强，即体积弹性率增大。图15和图16的结果表明了这种倾向。

如上所述，根据本实施方式所涉及的体积变化测量方法，通过标准布里渊测量或标准瑞利测量可以掌握标准部件1的体积变化和每单位压力的频移量的关系。从该结果可以求出作为校准数据的布里渊测量用系数α_B、瑞利测量用系数α_R及共同系数β’。然后，对样本部件10进行同样的样本布里渊测量或样本瑞利测量，求出布里渊频移量△ν_B及压力P和瑞利频移量△ν_R，并将该实际测量值和上述的系数α_B、α_R及β’代入上述(7)式、(8)式、从而可以求出样本部件10的体积应变e以及体积弹性率K(体积变化)。

<体积变化的分布的测量例>

接着，示出将上述说明的体积变化测量方法应用于当二氧化碳被封入砂岩样品中时该砂岩样品的体积变化的分布测量的例子。图17是表示在模拟地下的状态时将超临界状态的二氧化碳注入被切成圆柱形的具有空隙的砂岩样品10A的试验装置的示意图。

测量用光纤61被螺旋状地卷绕在圆柱形砂岩样品10A的外周面上。虽然省略了图示，但可进行瑞利测量和布里渊测量的测量装置与该测量用光纤61连接。被卷绕有测量用光纤61的砂岩样品10A收容在充满封闭压力油(confining pressure oil)621的压力容器62内。另外，在砂岩样品10A的外周面，为了防止封闭压力油621侵入砂岩样品10A内而设置了硅涂层622。此外，在压力容器62的外面安装有使压力容器62的温度保持恒定的加热器63。

封闭压力(静水压)负载用的第1注射泵(syringe pump)64、纯水注入用的第2注射泵65及二氧化碳注入用的第3注射泵66与压力容器62连接。第1注射泵64是为了从外部对砂岩样品10A施加压力而将封闭压力油注入压力容器62内的泵浦。第2注射泵65是用于将纯水注入孔隙性砂岩样品10A的内部的泵浦。第3注射泵66是用于将二氧化碳注入积存有纯水的状态下的砂岩样品10A的内部让二氧化碳取代所述纯水的一部分的泵浦。

举出利用了上述试验装置的试验条件的一例。压力容器62内的温度通过加热器63而恒定地维持在40℃。首先，让第1注射泵64运转，对压力容器62内的砂岩样品10A施加12MPa的静水压。接着，让第2注射泵65运转，以10MPa的注水压向砂岩样品10A的空隙内注入纯水。由此，在高压力下砂岩样品10A的空隙处于被纯水填满的状态，正好模拟预定在地下积存二氧化碳的砂岩层。

在维持着上述12MPa的静水压以及10MPa的纯水注水压的状态下让第3注射泵66运转，以10.05MPa的压力向砂岩样品10A内注入超临界二氧化碳。通过此注入，砂岩样品10A内的上述纯水的一部分被超临界状态的二氧化碳取代。此状态为模拟了二氧化碳被注入所述砂岩层的状态。

一边进行上述的注入动作，一边通过测量用光纤61以及其测量装置测量砂岩样品10A的体积变化分布。图18是表示测量点的砂岩样品的周面展开图，图19是表示各测量点的体积变化的图解。在图18中，圆圈数字1至8表示测量点。这些测量点1至8在圆周方向上以90度的间距被设定。由于测量用光纤61螺旋状地卷绕在砂岩样品10A的周面上，因此，如果从砂岩样品10A的轴方向来看测量点1至8，测量点1处在超临界二氧化碳的注入方向的最上游侧，测量点8处在最下游侧。

如图19所示，在超临界二氧化碳注入前的时间带T₀，在测量点1至8都检测出砂岩样品10A发生了大约-0.12％的体积应变(压缩)。在时间带T₀以后，体积应变因二氧化碳的注入而增加。即，砂岩样品10A膨胀(压缩状态被缓和)。可知体积应变开始增加的时刻随测量点1至8而不同。即，在二氧化碳的注入方向的最上游的测量点1的体积应变增加最早开始，以下，越是下游的测量点开始得越晚。由此可知，超临界二氧化碳和纯水之间的界面在砂岩样品10A中向下游侧移动的动向。

图20是评价超临界二氧化碳和纯水之间的界面的进展速度的图解。图20的纵轴表示从二氧化碳的注入端到各测量点的距离z，横轴表示体积应变开始增加的时刻。针对各测量点，设定了3种阈值进行标绘。从该标绘图可以导出近似直线L。根据该近似直线L的斜率可以求出所述界面的进展速度(约41mm/小时)。

<同时利用布里渊测量和瑞利测量的意义>

在上述的实施方式中，例示了同时利用布里渊测量和瑞利测量的方式。如上所述，在试验室水准下，压力已知，温度也容易保持恒定，因此，在本发明的体积变化测量方法中，只要进行标准布里渊测量及样本布里渊测量、或标准瑞利测量及样本瑞利测量的其中至少之一，便能够导出样本部件10的体积变化。

然而，在例如对地下组成未知的砂岩测量体积变化的情况下，不能期待利用如上述例示的压力控制装置5P那样的试验设备的理想环境下的测量。即，不能期待压力产生因素是唯一的且环境温度恒定这样的环境。因此，如果同时利用布里渊测量和瑞利测量，以各测量方式取得有关体积变化的数据，则可以将作用于测量对象砂岩的膨胀收缩以外的压力因素、温度变化的因素除外的可能性得以提高。从这点来看，最好同时利用布里渊测量和瑞利测量。以下，对同时利用的优点具体地进行说明。

为了将测量值中的压力P、应变ε以及温度T的影响分开，需要3个以上独立的测定量。在此情况下，只要能准备对压力P、应变ε以及温度T的灵敏度不同的2种光纤类即可。这样的要求可以满足同时利用布里渊测量和瑞利测量。在通过布里渊测量和瑞利测量所获得的4个频移与压力P、应变ε、温度T的变化量之间，下面的(11)式的关系成立。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{v}_B^1=C_{13}^1\mathrm{\&Delta;P}+C_{12}^1\mathrm{\&Delta;T}+C_{11}^1\mathrm{\&Delta;}\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_R^1=C_{23}^1\mathrm{\&Delta;P}+C_{22}^1\mathrm{\&Delta;T}+C_{21}^1\mathrm{\&Delta;}\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_B^2=C_{13}^2\mathrm{\&Delta;P}+C_{12}^2\mathrm{\&Delta;T}+C_{11}^2\mathrm{\&Delta;}\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_R^2=C_{23}^2\mathrm{\&Delta;P}+C_{22}^2\mathrm{\&Delta;T}+C_{21}^2\mathrm{\&Delta;}\end{array}\right......\left(11\right)$

通过求解上述(11)式的联立方程式，可以将压力P、应变ε以及温度T的影响分开。在室内试验中，温度能保持恒定，而且压力P能够在压力容器内被自由设定。因此，不需要求解上述(11)式。然而，在实际进行地下的测量的情况下，压力P、应变ε以及温度T全都未知。因此，如果不基于进行布里渊测量和瑞利测量的混合测量并求解上述的联立方程式的方法，则无法求出体积变化。

图21是二氧化碳地下积存和积存状况的监视系统的概略图。图22是图21的箭头F部的放大图。在此，假设地下存在作为二氧化碳的积存层的砂岩层，在砂岩层之上存在作为密封层而发挥功能的盖层。注入井71从在地面设置的积存基地70向地下的砂岩层垂直地设置。注入井71包含圆筒形的外壳711和配置在其内部的二氧化碳的注入管712。将注入井71插入事先挖掘好的钻孔73，并在其周围抹上水泥713使注入井71固定于地下的地层。

为了沿着注入井71测量地下的压力P、应变ε以及温度T分布，在上述的水泥713的层内埋设传感电缆72。图23示出了传感电缆72的剖面结构。传感电缆72包含受到压力的影响的第1光纤721、与压力的影响隔离的第2光纤722。为了所述压力隔离，第2光纤722被松弛地收容在金属细管723内。第1光纤721及金属细管723被位于传感电缆72的最外层的电缆护套724覆盖，在其内部装有插入层725。

由于传感电缆72被埋设在水泥713的层内，因此，如果周围的地层发生了体积变化，传感电缆72会受到其影响。例如，当砂岩层因二氧化碳的封入而发生了膨胀时，传感电缆72通过水泥713的层而承受压力。此时，第1光纤721受到压力的影响，但收容在金属细管723内的第2光纤722不受影响。

针对这样的第1光纤721和第2光纤722，分别用设置于地面的测量装置74进行布里渊测量和瑞利测量，求出布里渊频移和瑞利频移。在使用该传感电缆72的情况下，用于将压力P、应变ε以及温度T的影响分开的联立方程式为下面的(12)式。由于第2光纤722不受压力的影响，因此，比上述的(11)更为简单化。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{v}_B^1=C_{13}^1\mathrm{\&Delta;P}+C_{12}^1\mathrm{\&Delta;T}+C_{11}^1\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}^1\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_R^1=C_{23}^1\mathrm{\&Delta;P}+C_{22}^1\mathrm{\&Delta;T}+C_{21}^1{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}^1\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_B^2=C_{12}^2\mathrm{\&Delta;T}+C_{11}^2{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}^2\\ \mathrm{\&Delta;}{v}_R^2=C_{22}^2\mathrm{\&Delta;T}+C_{21}^2{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}^2\end{array}\right......\left(12\right)$

通过求解上述(12)式的联立方程式，可以将地层的体积变化以外的因素除外，从而能够进行砂岩层伴随二氧化碳的封入的体积变化及其分布、盖层的稳固性的监视。

另外，上述的具体实施方式主要包含具有以下结构的发明。

发明的一方面所涉及的物体的体积变化方法包括：

将光纤固定于体积变化已知的标准部件，以便伴随从外部对该标准部件施加的压力来追随该标准部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的标准部件施加了已知的压力的情况下，让试验光射入所述光纤，进行标准布里渊测量和标准瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述标准布里渊测量基于布里渊散射现象求出标准布里渊频移量，所述标准瑞利测量基于瑞利散射现象求出标准瑞利频移量；

基于在各测量时的体积变化和每单位压力的频移量的关系，从所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的结果求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤；

将光纤固定于体积变化未知的样本部件，以便伴随从外部对该样本部件施加的压力来追随该样本部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的样本部件施加了已知的压力的情况下，让试验光射入所述光纤，进行样本布里渊测量和样本瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述样本布里渊测量基于布里渊散射现象求出样本布里渊频移量，所述样本瑞利测量基于瑞利散射现象求出样本瑞利频移量；

根据所述样本布里渊频移量或样本瑞利频移量和布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，求出所述样本部件的体积变化的步骤。

根据该测量方法，通过标准布里渊测量或标准瑞利测量，可掌握标准部件的体积变化和每单位压力的频移量的关系。从该结果可求出作为校准数据的布里渊测量用系数或瑞利测量用系数。然后，通过针对样本部件进行同样的样本布里渊测量或瑞利测量求出频移量，并对频移量应用布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，从而可以求出样本部件的体积变化。

在上述结构中，优选，进行所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的步骤包含：让试验光射入处于未被固定于所述标准部件的状态的光纤，测量标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的第1测量；和针对分别被固定于采用不同材料的至少2种标准部件的光纤，测量所述标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的第2测量，求出所述布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤是求出将在所述第1测量和第2测量所得到的所述标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的每单位压力的频移量标绘在体积变化的轴上而得到的一次函数的斜率及截距的步骤。

根据该结构，从处于未被固定于标准部件的状态的光纤和被固定于至少2种不同的标准部件的光纤，求出至少3种标准布里渊频移量或标准瑞利频移量。因此，可以将体积变化和每单位压力的频移量的关系表示成一次函数，布里渊测量用系数或瑞利测量用系数可以作为所述一次函数的斜率及截距而被求出。由此，能够容易且正确地进行系数的导出。

在上述结构中，优选，将光纤固定于所述标准部件的步骤包含将一根光纤的一部分卷绕在圆筒形的标准部件上、并让所述光纤的另一部分离开所述标准部件而形成自由光纤部分的步骤，进行所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的步骤包含将所述光纤在标准部件上的卷绕部分和所述自由光纤部分封入压力容器内的步骤。

根据该结构，能用一次测量进行上述第1测量和第2测量，从而可提高测量效率。

在上述结构中，优选，所述样本部件为非均质且多孔性的部件，求出所述样本部件的体积变化的步骤为求出该样本部件的体积弹性率及体积膨胀率的步骤。

根据本发明，可提供能够正确地测量体积变化程度或其分布未知的物体的体积变化以及其分布的物体的体积变化测量方法。因此，可求出例如流体进入孔隙性砂岩的填充率或其分布，能够有助于构建在二氧化碳被积存在地下时监视二氧化碳在砂岩中的存积状况的系统，并且还能够测量作为密封层而发挥功能的盖层的体积变化分布。

Claims (4)

1.一种物体的体积变化测量方法，其特征在于包括：

将光纤固定于体积变化已知的标准部件，以便伴随从外部对该标准部件施加的压力来追随该标准部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的标准部件施加了已知的压力的状态下，让试验光射入所述光纤，进行标准布里渊测量和标准瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述标准布里渊测量基于布里渊散射现象求出标准布里渊频移量，所述标准瑞利测量基于瑞利散射现象求出标准瑞利频移量；

基于在各测量时的体积变化和每单位压力的频移量的关系，从所述标准布里渊测量或标准瑞利测量的结果求出布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤；

将光纤固定于体积变化未知的样本部件，以便伴随从外部对该样本部件施加的压力来追随该样本部件的变形的步骤；

在从外部对固定有所述光纤的样本部件施加了已知的压力的状态下，让试验光射入固定在所述样本部件的所述光纤，进行样本布里渊测量和样本瑞利测量的至少其中之一的步骤，所述样本布里渊测量基于布里渊散射现象求出样本布里渊频移量，所述样本瑞利测量基于瑞利散射现象求出样本瑞利频移量；

根据所述样本布里渊频移量或样本瑞利频移量和布里渊测量用系数或瑞利测量用系数，求出所述样本部件的体积变化的步骤。

2.根据权利要求1所述的物体的体积变化测量方法，其特征在于，

进行所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的步骤包含：

让试验光射入处于未被固定于所述标准部件的状态的光纤，测量标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的第1测量；和

针对分别被固定于采用不同材料的至少2种标准部件的光纤，测量所述标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的第2测量，

求出所述布里渊测量用系数或瑞利测量用系数的步骤是求出将在所述第1测量和第2测量所得到的所述标准布里渊频移量或标准瑞利频移量的每单位压力的频移量标绘在体积变化的轴上而得到的一次函数的斜率及截距的步骤。

3.根据权利要求2所述的物体的体积变化测量方法，其特征在于：

将光纤固定于所述标准部件的步骤包含将一根光纤的一部分卷绕在圆筒形的标准部件上，并让所述一根光纤的另一部分离开所述标准部件而形成自由光纤部分的步骤，

进行所述标准布里渊测量或所述标准瑞利测量的步骤包含将所述一根光纤在标准部件上的卷绕部分和所述自由光纤部分封入压力容器内的步骤。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的物体的体积变化测量方法，其特征在于：

所述样本部件为非均质且多孔性的部件，

求出所述样本部件的体积变化的步骤为求出该样本部件的体积弹性率及体积膨胀率的步骤。