DE3227083C2 - - Google Patents

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    • D07B1/147Ropes or cables with incorporated auxiliary elements, e.g. for marking, extending throughout the length of the rope or cable comprising electric conductors or elements for information transfer

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit wenigstens einer Laserlichtquelle und wenigstens einer optischen Faser zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch.The invention relates to an optical transmission device for borehole measurements with at least one laser light source and at least one optical fiber for transmitting laser light from and to an underground site in a borehole.

Die größte Übertragungsrate, mit der Bits über elektromechanische Kabel aus den tiefsten Ölbohrungen von etwa 10 000 Metern übertragen werden können, beträgt einige Zehn Kilohertz. Dagegen machen die zur Zeit in Entwicklung befindlichen, besonders ausgeklügelt und mit einer großen Zahl von Sensoren ausgestatteten Sonden eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit erforderlich. Die bekannten Breitbandeigenschaften der optischen Fasern in Verbindung mit den ohne Zwischenverstärkung zu erreichenden großen Übertragungslängen erfüllen diesen Zweck. Die Faser muß natürlich in einem armierten Kabel angeordnet werden, um dadurch merkliche Lichtverluste aufgrund von Störungen der Faser oder Mikrobiegungen zu vermeiden.The largest transfer rate, with the bits over electromechanical Cable from the deepest oil wells of about 10 000 meters can be transmitted is a few tens of kilohertz. On the other hand are currently under development, especially sophisticated and equipped with a large number of sensors Probes require a higher transmission speed. The well-known broadband properties of the optical Fibers in conjunction with those without intermediate reinforcement to reach Large transmission lengths fulfill this purpose. The Fiber must of course be placed in a reinforced cable, thereby noticeable loss of light due to interference to avoid the fiber or microbending.

Das Problem der Benutzung eines faseroptischen Übertragungssystems entsteht durch die äußerst harten Einsatzbedingungen in sehr tiefen Bohrungen. Diese sind mit korrodierender Sole angefüllt, die vielfach Hydrogensulfide enthält. Der Druck im Bohrschlamm kann 2110 kg/cm² (30 000 psi) betragen, die Temperatur 250°C. Andere Einschränkungen ergeben sich dadurch, daß elektrische Kraft und Raum in einer Bohrlochsonde nur beschränkt verfügbar sind. Schließlich gehen auch oft Sonden im Bohrloch verloren. Die Übertragungseinrichtung darf deshalb nicht sehr teuer sein.The problem of using a fiber optic transmission system created by the extremely tough conditions in very deep holes. These are with corrosive brine filled, which often contains hydrogen sulfides. The pressure in the drilling mud may be 2110 kg / cm² (30,000 psi), the Temperature 250 ° C. Other restrictions arise as a result of that electrical force and space in a borehole probe are only limited available. Finally, go too often lost probes in the borehole. The transmission device therefore may not be very expensive.

Aus der US 39 05 010 ist ein Zustandsüberwachungssystem bekannt, das der Überwachung des Lagerstättendrucks und der Temperatur im Bohrloch dient. Das Meßsystem wird innerhalb einer Verrohrung am Bohrlochgrund als Dauermeßstation eingesetzt. Die Meßdaten von Untertage werden über eine Lichtleitfaser von einer untertägig angeordneten Laserlichtquelle zu einem übertage angeordneten Detektor übertragen. Steuerimpulse werden von übertage mit einer zweiten Laserlichtquelle und einer zweiten Faser nach untertage übermittelt. Es handelt sich dabei um eine optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit zwei Laserlichtquellen und zwei Fasern zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch, wobei ein thermisch und druckdicht gekapselter Modulator zur Modulation des Laserlichts mit einem Datensignal vorhanden ist und ein Demodulator zur Demodulation der Datensignale des am oberen Ende des Kabels empfangenen modulierten Laserlichts vorgesehen ist.From US 39 05 010 a condition monitoring system is known, that of monitoring the reservoir pressure and the  Temperature in the borehole is used. The measuring system is within a casing at the bottom of the hole used as a permanent measuring station. The measurements of underground are via an optical fiber from an underground laser light source transmitted to a remote detector arranged. control pulses be from overage with a second laser light source and a second fiber transmitted to underground. It is an optical transmission device for borehole measurements with two laser light sources and two fibers for transmitting laser light from and to one underground place in a borehole, being a thermal and Pressure-tight encapsulated modulator for modulating the laser light with a data signal is present and a demodulator for the demodulation of the data signals of the upper end the cable is received modulated laser light is provided.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß der zur Datenübertragung nach übertage benötigte Laser am Meßort den Druck- und Temperaturbedingungen im Bohrloch ausgesetzt ist. Ferner sind die Lichtleitfasern nicht gegen Störungen, wie etwa Mikroverbiegungen, geschützt. Ein kontinuierliches Messen während im Bohrloch durchgeführter Meßfahrt ist nicht vorgesehen.A disadvantage of this device is that for data transmission after the laser was required, the laser required and temperature conditions in the borehole is exposed. Further the optical fibers are not against interference, such as Microbending, protected. A continuous measurement while carried out in the borehole Meßfahrt is not provided.

Eine technisch ähnliche Lösung auf einem gänzlich anderen Fachgebiet wird in dem DE-GM 72 41 689 beschrieben. Die Vorrichtung dient zur Übertragung von Meßgrößen von einem auf Hochspannungspotential liegenden Meßort zu einem Anzeigeort mittels Lichtstrahlen als Informationsträger. Das zu modulierende Licht wird von einer Laserstrahlquelle am Anzeigeort über eine Glasfaserleitung zu einer Lichtmodulationseinrichtung geführt. Von dort wird das modulierte Licht zum Anzeigeort über eine Glasfaserleitung zurückgeführt und an einem Fotodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Damit ist sowohl die Laserlichtquelle als auch die Demodulationseinrichtung am Anzeigeort angeordnet.A technically similar solution on a completely different Subject area is described in DE-GM 72 41 689. The device serves for the transmission of measured quantities from one to High voltage potential lying measuring location to a display location by means of light rays as information carrier. The to be modulated Light is from a laser beam source at the display location via a glass fiber cable to a light modulation device guided. From there, the modulated light becomes Display location returned via a fiber optic cable and to  a photodetector converted into an electrical signal. Thus, both the laser light source and the demodulation device arranged at the display location.

Auch bei dieser Vorrichtung fehlt ein Übertragungsmechanismus, um kontinuierliches Messen bei relativ zum Anzeigeort bewegten Meßort zu ermöglichen. Besondere Schutzmaßnahmen für die Lichtleitfaser sind ebenfalls nicht angegeben.Also in this device lacks a transmission mechanism, to continuously measure when moving relative to the display location To allow the measuring location. Special protective measures for the Optical fiber are also not indicated.

Ein Übertragungsmechanismus ist in der DE-OS 25 51 527 beschrieben. Diese Vorrichtung dient der Informationsübertragung zwischen zwei sich zueinander drehenden Anordnungen, bei denen die Übertragung der in Lichtleitfasern geführten Trägerlichtstrahlen über einander gegenüberliegende Enden der Lichtleitfasern erfolgt, wobei die Enden auf zur Drehachse der beiden Anordnungen zentrischen Kreisflächen angeordnet sind.A transmission mechanism is described in DE-OS 25 51 527. This device is used for information transmission between two mutually rotating arrangements at the transmission of the guided in optical fibers carrier light beams over opposite ends of the optical fibers takes place, the ends of the axis of rotation of the two arrangements are arranged centric circular surfaces.

Nachteilig ist, daß bei dieser Anordnung hohe Streuverluste an den gegenüberliegenden Enden der Lichtleitfasern auftreten.The disadvantage is that in this arrangement high leakage losses occur at the opposite ends of the optical fibers.

Ein ähnlicher Übertragungsmechanismus ist auch in der DE-OS 19 54 643 offenbart. Dort ist eine Einrichtung zur Meßwertübertragung zwischen gegeneinander rotierenden Systemen beschrieben, bei der in dem einen System ein Analog-Digitalumformer zur Umformung der Meßwertgrößen in digitale Signale vorgesehen ist und diese Signale als Licht von dem einen System auf das andere System übertragen werden, wobei in dem empfangsseitigen System ein Digital-Analogumformer vorgesehen ist. Dabei liegen mehrere Signalgeber gegenüber von an ihnen vorbeibewegten Empfängern, wobei jeder einzelne Signalgeber einen digitalen Wert (1 Bit) darstellt. A similar transmission mechanism is also in the DE-OS 19 54 643 discloses. There is a device for the transmission of measured values between systems rotating against each other, when in the one system an analog-to-digital converter for converting the measured value quantities into digital signals is provided and these signals as light from the one system be transferred to the other system, wherein in the receiving system provided a digital-to-analog converter is. There are several signal transmitter opposite to them passing recipients, each individual signaling device represents a digital value (1 bit).  

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß eine Datenübertragung nur zu diskreten Drehstellungen der gegeneinander rotierenden Systeme möglich ist und die Übertragungsgeschwindigkeit direkt vom apparativen Aufwand, nämlich der Anzahl der Signalgeber und -empfänger, abhängt. Eine für die Bohrlochmeßtechnik erforderliche Datenübertragungsrate läßt sich mit dieser Vorrichtung nicht erzielen.A disadvantage of this device is that a data transmission only to discrete rotational positions of the mutually rotating Systems is possible and the transmission speed directly from the expenditure on equipment, namely the number of Signal transmitter and receiver, depends. One for the logging technique required data transfer rate can be with Do not achieve this device.

Ausgehend von der US 39 05 010 ist es Aufgabe der Erfindung, eine optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen anzugeben, die den Druck- und Temperaturbedingungen im Bohrloch standhält, nur geringen Raum- und Energiebedarf in der Bohrlochsonde aufweist und eine kontinuierliche Datenaufzeichnung bei Bohrlochmeßfahrt ermöglicht.Starting from the US 39 05 010 it is an object of the invention an optical transmission device for borehole measurements indicate the pressure and temperature conditions in the borehole withstands only small space and energy requirements in the Borehole probe and a continuous data recording in Bohrlochmeßfahrt enabled.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein für Bohrlochsonden in tiefen Bohrlöchern verwendbares optisches Übertragungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.To solve this problem according to the invention for borehole probes optical transmission system usable in deep boreholes created with the features of claim 1. Embodiments of the invention are in the subclaims characterized.

In einer praktischen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße System ein armiertes Kabel mit einer oder mehreren, glasumkleideten optischen Fasern innerhalb einer rohrförmigen Feuchtigkeitssperre, einen Neodym-Laser in der Kabeltrommel zur Einstrahlung von Infrarot-Licht in eine der Fasern, einen Modulator in dem unten im Bohrloch befindlichen Kabelanschlußstück zur Modulierung von Licht und dessen Rücksendung nach der Oberfläche, und einen Halbleiter-Detektor in der Trommel zur Demodulation des Daten-Signals aus dem zurückgeleiteten Licht. In a practical embodiment, the inventive System a armored cable with one or more, Glass-lined optical fibers within a tubular Moisture barrier, a neodymium laser in the cable drum for irradiating infrared light into one of the fibers, a modulator in the downhole Cable connector for modulating light and its Return to the surface, and a semiconductor detector in the drum for demodulating the data signal the returned light.  

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Neodym-Laser auf Schwingungen in einer Wellenlänge von etwa 1,32 µm beschränkt. In dieser Wellenlänge sind die Rayleigh-Streuverluste minimal im Vergleich zu kürzeren Wellenlängen, und andererseits ist die thermische Störung im Detektor klein im Vergleich zu der bei größeren Wellenlängen.According to a further feature of the invention, the Neodymium laser on vibrations in one wavelength limited by about 1.32 microns. In this wavelength the Rayleigh scattering losses are minimal in comparison to shorter wavelengths, and on the other hand is the thermal disturbance in the detector is small compared to at larger wavelengths.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigt Further advantages and features of the invention will become apparent from the claims and from the description below and the drawings in which the invention, for example is explained and illustrated. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems für Bohrlochsonden, Fig. 1 is a schematic representation of a transmission system according to the invention for borehole probe,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 shows a modified embodiment of the invention,

Fig. 3 ein Anschlußstück in ausführlicher Darstellung, Fig. 3 shows a connecting piece in detail representation,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein armiertes Kabel mit faseroptischen Leiter, Fig. 4 shows a cross section through an armored cable, fiber optic strands,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch einen Achsansatz einer Kabeltrommel für die Übertragung von drei gesonderten Lichtstrahlen, Fig. 5 is an axial section through an axle-a cable drum for transmission of three separate light beams,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine wahlweise zu verwendende Ausführungsform einer optischen Schleifring-Einrichtung zur Übertragung von Lichtsignalen aus einer sich drehenden Achse nach einem stationären Detektor, und Fig. 6 is a section through an optionally to be used embodiment of an optical slip ring device for transmitting light signals from a rotating shaft to a stationary detector, and

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 6. Fig. 7 is a section along the line 7-7 of Fig. 6.

Ein faseroptisches Übertragungssystem für in Bohrlochsonden aufgenommene Daten, Fig. 1, weist einen Neodym- Laser 21a als Lichtquelle und einen Detektor 34a auf, die in dem eigentlichen Trommelteil 36a einer Kabeltrommel untergebracht sind. Elektrische Anschlüsse werden durch Drähte 39a über nicht dargestellte Schleifringe nach einer Grundplatte hergestellt. Das armierte Kabel 58a führt von der Trommel über nicht dargestellte Rollen in das Bohrloch und endet im Inneren der Kupplungshülse 10a des Kabelendes. Der Laserstrahl wird durch eine Linse 22a in den Kern der mit Glas umkleideten Faser 23a des Kabels gerichtet. An dem im Bohrloch befindlichen Ende ist die Faser mit einem Lichtmodulator 31 innerhalb einer Kammer 40a verbunden, die gegen die äußere Umgebung abgedichtet ist. Der Modulator erhält Strom über Drähte 37a zugeführt, die von einer mehrpoligen elektrischen Kupplung 13a herkommen, die in den nicht dargestellten Instrumententeil bzw. die Sonde oder eine zweite Kupplungshälfte paßt, die mit der Sonde durch ein kurzes Stück eines elektrischen Kabels verbunden ist. Damit wird das Problem einer genauen Übertragung das Lichtes durch eine sogenannte make-break-Kupplungsfläche vermieden. Das Kabel enthält auch nicht dargestellte Kraft- und Steuerleitungen, die nach dem Kupplungsteil 13a geführt sind.A fiber optic transmission system for recorded in borehole probes data, Fig. 1, has a neodymium laser 21 a as a light source and a detector 34 a, which are housed in the actual drum portion 36 a of a cable drum. Electrical connections are made by wires 39 a via slip rings, not shown, to a base plate. The armored cable 58 a leads from the drum via rollers, not shown, in the borehole and ends inside the coupling sleeve 10 a of the cable end. The laser beam is directed through a lens 22 a in the core of the glass-clad fiber 23 a of the cable. At the downhole end, the fiber is connected to a light modulator 31 within a chamber 40 a, which is sealed against the external environment. The modulator receives power via wires 37 a supplied to come from a multi-pole electrical coupling 13 a, which fits into the not shown tool part or the probe or a second coupling half, which is connected to the probe by a short piece of electrical cable. This avoids the problem of accurate transmission of the light through a so-called make-break coupling surface. The cable also includes force and control lines, not shown, which are performed after the coupling part 13 a.

Der übliche, optisch arbeitende Kristall-Laser, der mit Neodym-Ionen, Nd3+, dotiert ist, schwingt im Bereich der Wellenlänge λ=1,06 µm. Wenn jedoch der Laser-Resonator bei λ=1,06 µm verlustbehaftet gemacht wird, kann der Laser zum Schwingen im Bereich von λ=1,32 µm gezwungen werden. Dies ist erwünscht, da in glasumkleideten Fasern Licht durch Streuung an Inhomogenitäten verloren geht, die während der Herstellung eingeführt werden. Die Verlustgröße aufgrund dieser Eigenschaft schwankt mit λ-4. Daher ist nach Durchlaufen von 20 km Faser nach unten und wieder zurück nach oben ein Unterschied von etwa 15 dB im Lichtleitungsverlust bei diesen beiden Wellenlängen. Der Neodym-Laser liefert ausreichende Lichtleistung, oberhalb von 0,1 Watt, so daß das Licht hin und zurück läuft und ausreichende Leistung empfangen wird. Das vermeidet die Notwendigkeit, in der Bohrlochsonde oder in dem Kupplungsteil etwas einzubauen, was im günstigsten Fall ein wenig brauchbarer und platzverbrauchender Laser sein würde.The usual optically operating crystal laser doped with neodymium ions, Nd 3+ , oscillates in the wavelength range λ = 1.06 μm. However, if the laser resonator is made lossy at λ = 1.06μm, the laser can be forced to oscillate in the range of λ = 1.32μm. This is desirable because in glass-clad fibers, light is lost due to scattering of inhomogeneities introduced during manufacture. The loss size due to this property varies with λ -4 . Therefore, after passing 20 km of fiber down and back up, there is a difference of about 15 dB in the light conduction loss at these two wavelengths. The neodymium laser provides sufficient light output, above 0.1 watts, so that the light goes back and forth and sufficient power is received. This avoids the need to install anything in the borehole probe or coupling part, which would be a viable and space consuming laser at best.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines für die Erfindung vorgesehenen Kabels. In diesem Fall sind drei mit Glas umkleidete Fasern 51, von denen eine der Faser 23a der Fig. 1 entspricht, in einem Mantel 53 eingeschlossen, der die folgenden, wesentlichen Eigenschaften hat: Fig. 4 shows the cross section of a cable provided for the invention. In this case, three glass-clad fibers 51 , one of which corresponds to the fiber 23 a of FIG. 1, are enclosed in a cladding 53 having the following essential properties:

  • A) Er muß hart und steif sein, um die Fasern gegen Biegung während der nachfolgenden Herstellungsschritte des Kabels, wie der Auflage der äußeren Armierung 58d, zu schützen. Dies ist wesentlich, da "Mikrobiegungen" dem Licht das Auslecken aus der Faserumkleidung ermöglichen, das heißt, die Dämpfung erhöhen. Irgendwelche Blasen oder Leerstellen in dem ersten "Puffer"-Überzug 52 aus weichem Kunststoff um die Fasern 51 werden zusammengedrückt und führen dabei zu Mikrobiegungen, falls nicht der Mantel ausreichend inkrompessibel ist, daß der umgebende Druck nicht übertragen wird. A) It must be tough and rigid to protect the fibers against bending during subsequent manufacturing steps of the cable, such as the support of the outer reinforcement 58 d. This is essential because "microbending" allows the light to leak out of the fiber cladding, that is, to increase damping. Any bubbles or voids in the first "soft" plastic "buffer" liner 52 around the fibers 51 are compressed causing microbending unless the jacket is sufficiently impermeable that the surrounding pressure is not transmitted.
  • B) Der Mantel 53 muß nadelloch-frei sein und der Diffusion von Flüssigkeit aus der Umgebung widerstehen. Damit soll nicht nur der Druck niedrig gehalten werden, sondern auch die Faser und ihr Kunststoff-Puffer gegen chemische Angriffe geschützt werden. Die Mikrorisse in der Oberfläche einer glasumkleideten Faser unter Spannung setzen sich in Gegenwart von Feuchtigkeit fort und verursachen, daß die Faser bricht.B) The jacket 53 must be pinhole-free and resist the diffusion of liquid from the environment. This should not only keep the pressure low, but also protect the fiber and its plastic buffer against chemical attack. The microcracks in the surface of a glass-clad fiber under tension continue in the presence of moisture, causing the fiber to break.

In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die drei Fasern 51 durch Tauchen mit einem Silikongummi-Elastomer 52 beschichtet, um einen symmetrischen, gepufferten Kern zu bilden. Eine zusätzliche Pufferung kann mit einer zusätzlichen Kunststoffhülle erreicht werden. Während des Beschichtungsvorganges werden die Fasern zu einer Schraube mit großer Steigung verdrillt, zum Beispiel etwa 3,75 cm. Dadurch wird eine Biegung des Kernes erleichtert, und diese Schraubenverdrillung hat den zusätzlichen Vorteil, daß, falls das fertige Kabel einer Spannungsbeanspruchung ausgesetzt wird, die Fasern zu einer geraden Ausrichtung neigen. Dadurch wird das Elastomer zusammengedrückt und der Kern verlängert sich, ohne daß die Glasfasern selbst einer so großen Beanspruchung wie das gesamte Kabel ausgesetzt werden. Damit wird die Möglichkeit eines Bruches verringert.In the example shown in Fig. 4, the three fibers 51 are dipped with a silicone rubber elastomer 52 to form a symmetrical buffered core. An additional buffering can be achieved with an additional plastic shell. During the coating process, the fibers are twisted into a high pitch screw, for example about 3.75 cm. This facilitates flexing of the core, and this helical twisting has the additional advantage that if the finished cable is subjected to stress, the fibers tend to straighten out. This compresses the elastomer and elongates the core without exposing the glass fibers themselves to as much stress as the entire cable. This reduces the possibility of breakage.

Der gepufferte Kern 52 wird mit einem harten Mantel umhüllt, der widerstandsfähig gegen den austretenden Druck ist und ein so geringes Diffusionsvermögen hat, daß die inneren Komponenten gegen einen Angriff der Bohrlochflüssigkeit geschützt sind. Der Mantel kann mehrere Schichten aufweisen. Zum Beispiel kann eine Schicht 53 hart und widerstandsfähig gegen Bruchkräfte sein, während eine zweite Schicht 54 geringes Diffusionsvermögen hat und widerstandsfähig gegen korrodierende Einflüsse ist. Die zwei Schichten 53 und 54 liefern daher in Kombination die erforderlichen Manteleigenschaften. Zum Beispiel kann die Schicht 53 ein Hochtemperatur-Epoxy- Polymer sein, das mit in Längsrichtung laufenden Glas­ fasersträngen gefüllt ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Hüllenmaterial, das durch das bekannte "Pultrusion"- Verfahren aufgebracht wird, sehr wenig zu dem Lichtverlust in den Fasern aufgrund von Mikrobiegungen beiträgt, selbst bei hohem Druck oder Spannung. Bei Aushärtung oder Polymerisation des flüssigen Epoxids paßt es sich genau den gepufferten Fasern ohne Verursachung von Mikrobiegungen an. Falls das Material thermisch gehärtet wird, zieht es sich zusammen und drückt dabei die Faser in Längsrichtung zusammen. Dies wirkt in gewissem Umfange dem Effekt einer Spannungsbeanspruchung und thermischen Ausdehnung in der Kabelarmierung entgegen. Die Schicht 54 kann ein Fluor-Kunststoff sein, wie zum Beispiel ein unter dem Handelsnamen Teflon erhältlicher Kunststoff. Derartige Kunststoffe sind chemisch inert und haben eine äußerst geringe Durchlässigkeit für Diffusion. Statt dessen und besonders für Einsätze bei höchsten Temperaturen kann die Hüllenschicht 53 ein gegen Wasser undurchlässiges Metallrohr sein. Zum Beispiel ist ein geschweißtes Rohr aus einer Nickel-Stahl- Legierung mit einem äußeren Durchmesser von 2,413 mm und einer Wandstärke von 0,21 mm bis zu einer Belastung von 1055 kg/cm² geprüft worden, ohne daß es zusammengebrochen ist. The buffered core 52 is wrapped with a hard shell which is resistant to the exiting pressure and has such low diffusibility that the internal components are protected from attack by the wellbore fluid. The jacket can have several layers. For example, a layer 53 may be hard and resistant to breaking forces, while a second layer 54 may have low diffusivity and be resistant to corrosive influences. The two layers 53 and 54 therefore provide in combination the required shell properties. For example, the layer 53 may be a high temperature epoxy polymer filled with longitudinal fiber glass strands. It has been found that this casing material, applied by the known "pultrusion" process, contributes very little to the loss of light in the fibers due to microbending, even at high pressure or stress. Upon curing or polymerization of the liquid epoxide, it will conform exactly to the buffered fibers without causing microbending. If the material is thermally cured, it contracts and compresses the fiber lengthwise. This counteracts to some extent the effect of stress and thermal expansion in the cable reinforcement. The layer 54 may be a fluoroplastic, such as a plastic available under the trade name Teflon. Such plastics are chemically inert and have extremely low permeability to diffusion. Instead, and especially for high temperature applications, the sheath layer 53 may be a water impermeable metal tube. For example, a welded tube made of a nickel-steel alloy having an outer diameter of 2.413 mm and a wall thickness of 0.21 mm has been tested to a load of 1055 kg / cm² without collapse.

Für die Kraftversorgung im Bohrloch unten ist der die Fasern schützende Mantel 53, 54 von einem Ring umgeben, der Leiter 55 enthält, die jeweils Gruppen bilden, die durch Abstandshalter 56 voneinander isoliert sind. Statt dessen können die Drahtbündel auch jeweils ihre eigene Isolation haben. Die Leiter sind ihrerseits mit einer durch Extruder aufgebrachten, isolierenden Kunststoffschicht 57d umhüllt, die wiederum vorzugsweise ein Fluor-Kunststoff ist, der widerstandsfähig gegen chemische Angriffe bei hohem Druck und hoher Temperatur ist. In einer anderen Ausführungsform kann die Schicht 57d wie der Mantel 53, 54 aufgebaut sein. Das heißt, daß die Fasern 51 und die Leiter 55 in dem harten, gegen Druck widerstandsfähigen und nur geringes Diffusionsvermögen zeigenden Mantel enthalten sein können.For downhole power supply, the fiber protecting jacket 53, 54 is surrounded by a ring containing conductors 55 , each forming groups isolated from each other by spacers 56 . Instead, the wire bundles may each have their own isolation. The conductors are in turn encased d with an applied by the extruder, the insulating resin layer 57, which is a fluorine plastic again preferably, is resistant to chemical attack at high pressure and high temperature. In another embodiment, the layer 57 d may be constructed like the jacket 53, 54 . That is, the fibers 51 and conductors 55 may be included in the hard, pressure resistant and low diffusivity facing jacket.

Die Schicht 57d ist nicht nur eine Sperre gegen aggressive Bohrlochflüssigkeit, sondern dient auch zur Einbettung der doppelschichtigen, gegenläufig geschraubten und gegen Verdrehung entlasteten Armierung 58d. Diese Armierung muß auf der Außenseite eines im Bohrloch zu verwendenden Sondenkabels vorgesehen werden, um gegen den Abrieb zu schützen, der beim Einfahren und Ausfahren der Sonde auftritt.The layer 57 d is not only a barrier against aggressive well fluid, but also serves to embed the double-layered, counter-screwed and torsion relieved reinforcement 58 d. This reinforcement must be provided on the outside of a probe cable to be used in the borehole in order to protect against the abrasion that occurs during retraction and extension of the probe.

Ohne in irgendeiner Weise die vorstehende Beschreibung einzuschränken, werden in der nachfolgenden Tabelle I die Größen der verschiedenen Bestandteile des in Fig. 4 gezeigten armierten faseroptischen Kabels angegeben, das für die Übertragung von Daten aus Bohrlochsonden benutzt werden soll. Without limiting in any way the foregoing description, Table I below sets forth the sizes of the various components of the armored fiber optic cable shown in Figure 4 to be used for the transmission of data from well probes.

Glasumkleidete Faser 51 , Durchmesser jeder der drei Fasern|140 µm Glass-clad fiber 51 , diameter of each of the three fibers | 140 μm Silikongummipuffer 52 , Äußerer Durchmesser Silicone rubber buffer 52 , outer diameter 0,813 mm 0.813 mm Mit Glasfasern verstärkte Epoxy-Schicht 53 , Äußerer Durchmesser Glass fiber reinforced epoxy layer 53 , outer diameter 1,37 mm 1.37 mm Teflon-PFA-Schicht 54 , Äußerer Durchmesser Teflon PFA layer 54 , outer diameter 1,63 mm 1.63 mm 4 Gruppen Cu-Drähte 55 , Durchmesser 4 groups of copper wires 55 , diameter 0,226 mm 0,226 mm PFA-Isolierung und Armierungsbett 57 d, Äußerer Durchmesser PFA insulation and reinforcing bed 57 d, outer diameter 2,996 mm 2.996 mm 2 Schichten Stahlarmierung 58 d, Äußerer Durchmesser 2 layers steel reinforcement 58 d, outer diameter 4,699 mm 4,699 mm

Das armierte faseroptische Kabel, Fig. 1, endet unten im Bohrloch innerhalb der Kabelkopf-Kupplungshülse 10a. Die Armierung 58a, die das Hauptfestigkeitselement des Kabels bildet, kann im Kabelkopf in irgendeiner bekannten Weise verankert werden. Zum Beispiel kann sie um den Ring 27a gebogen und in das konische Ende des Kupplungsteiles 1a eingezwängt werden. Die geringen Druck enthaltende Kammer 40a ist von der gefluteten Kammer 41a durch die Sperre 8a isoliert. Abstandshalter und andere Einzelheiten sind zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen. Die Sperre 8a ist gegen die Kupplungshülse 10a durch den O-Ring 15a und gegen die Kabelschicht 57a geringen Diffusionsvermögens durch einen elastomeren Schuh 7a abgedichtet. Falls die Kammer 41a nicht vorher mit einem schützenden Fett gefüllt wird, sollte der Schuh 7a aus einem Fluor-Kunststoff zum Schutz gegen chemische Einflüsse hergestellt werden. The armored fiber optic cable, Fig. 1, ends down in the borehole within the cable head coupling sleeve 10 a. The reinforcement 58 a, which forms the main strength element of the cable can be anchored in the cable head in any known manner. For example, it can be bent around the ring 27 a and be squeezed into the conical end of the coupling part 1 a. The low-pressure chamber 40 a is isolated from the flooded chamber 41 a through the barrier 8 a. Spacers and other details are omitted to simplify the drawing. The lock 8 a is sealed against the coupling sleeve 10 a through the O-ring 15 a and against the cable layer 57 a low diffusivity by an elastomeric shoe 7 a. If the chamber 41 a is not previously filled with a protective grease, the shoe 7 a should be made of a fluorine plastic for protection against chemical influences.

Fig. 3 zeigt in halbem Maßstab die Kabelkopf-Kupplung, die für das in Fig. 4 und Tabelle I beschriebene Kabel tatsächlich hergestellt und benutzt worden ist. Die Anordnung und Funktion der Kupplung ist die gleiche, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, mit Ausnahme einer zusätzlich vorgesehenen Schuhdichtung 7e. Die Schuhdichtung 7e ist Rücken an Rücken mit der Schuhdichtung 7c angeordnet, um eine Druckprüfung der Dichtungen der Faserseele 57c vor dem Einfahren in das Bohrloch zu ermöglichen. Die Prüfung wird dadurch ausgeführt, daß Öl mit hohem Druck durch die Löcher eingeleitet wird, die später durch Schrauben 6 verschlossen werden. FIG. 3 shows, in half scale, the cable head coupling actually made and used for the cable described in FIG. 4 and Table I. FIG . The arrangement and function of the coupling is the same as described with reference to FIG. 1, with the exception of an additionally provided shoe seal 7 e. The shoe seal 7 e is arranged back to back with the shoe seal 7 c to allow a pressure test of the seals of the fiber core 57 c prior to entering the wellbore. The test is carried out by introducing high pressure oil through the holes, which are later closed by screws 6 .

Das in das Bohrloch übertragene Licht wird mit dem Datenstrom moduliert und an die Erdoberfläche zurückübertragen, wobei eine der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen benutzt wird.The light transmitted into the borehole is modulated with the data stream and transmitted back to the earth's surface, using one of the embodiments shown in FIGS. 1 and 2.

In dem Beispiel nach Fig. 1 wird das Laserlicht durch die Faser 23a nach unten übertragen, in der Kammer 40a moduliert, durch eine zweite Faser 28 nach oben zurückübertragen und durch die Linse 33a auf den Detektor 34a fokussiert. Der Detektor und sein Verstärker erhalten elektrische Kraft durch Leitungen 38a, die mit nicht gezeigten Schleifringen verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor eine Germanium- Avalanche-Photodiode.In the example of Fig. 1, the laser light is transmitted through the fiber 23 a down, modulated in the chamber 40 a, transmitted back through a second fiber 28 and focused by the lens 33 a on the detector 34 a. The detector and its amplifier receive electrical power through lines 38 a, which are connected to slip rings, not shown. In a preferred embodiment, the detector is a germanium avalanche photodiode.

Die Enden der Fasern 23a und 28 sind genau in den Brennpunkten der Linsen 29a bzw. 30 angeordnet. Dadurch wird das aus der Faser 23a austretende, infrarote Licht zum Strahl 59a geformt und ausgerichtet und geht durch die optischen Elemente 35, 31 und 32 und wird dann erneut für die Rückleitung nach oben an die Oberfläche in die Faser 28 fokussiert. Die optischen Elemente 35, 31 und 32 sind Komponenten eines Lichtstrahl-Modulators. Es gibt verschiedene Typen solcher Modulatoren, zum Beispiel akustisch-optische Modulatoren. Vorzugsweise wird ein elektro-optischer Kristall-Modulator verwendet, da diese Art unempfindlich gegen Temperaturänderungen gemacht werden kann. Die Elemente 35 sind die für diese Art von Modulator benötigten Lichtpolarisatoren. Der elektro-optische Kristall kann in vier Kristalle unterteilt sein, die so angeordnet sind, daß sie eine doppelte Kompensation ermöglichen, siehe auch Seite 17- 12 des "Handbook of Optics", herausgegeben von der Optical Society of America. Die elektro-optischen Kristalle sind vorzugsweise aus Lithiumtantalat hergestellt, das einen hohen elektro-optischen Koeffizienten, eine hohe Curie-Temperatur und eine geringe Verlusttangente bei einer hohen Modulationsfrequenz hat. Der Anschluß von elektrischen Spannungen an die Elektroden der Elemente 31 ist schematisch durch die Drähte 37a dargestellt, die an den Mehrpol-Steckerteil 13a anschließen und durch elektrische Signale aus der eigentlichen, nicht dargestellten Sonde beaufschlagt werden. Das Prisma 32 kehrt den Lauf des Lichtstrahles um und zurück in die optische Faser 28. Die verschiedenen Bestandteile des Modulators und die Faserenden sind auf einem Träger mit einem niedrigen Wärmekoeffizienten angeordnet, zum Beispiel aus "INVAR", einer Nickel-Eisen- Legierung.The ends of the fibers 23 a and 28 are located exactly at the focal points of the lenses 29 a and 30 , respectively. Thereby, the light emerging from the fiber 23 a, infrared light to the beam 59 a is formed and aligned and passes through the optical elements 35 , 31 and 32 and is then focused again for the return up to the surface in the fiber 28 . The optical elements 35, 31 and 32 are components of a light beam modulator. There are several types of such modulators, for example acousto-optic modulators. Preferably, an electro-optic crystal modulator is used since this type can be made insensitive to temperature changes. The elements 35 are the light polarizers needed for this type of modulator. The electro-optic crystal may be divided into four crystals arranged to allow double compensation, see also pages 17-12 of the "Handbook of Optics" issued by the Optical Society of America. The electro-optic crystals are preferably made of lithium tantalate, which has a high electro-optic coefficient, a high Curie temperature and a low loss tangent at a high modulation frequency. The connection of electrical voltages to the electrodes of the elements 31 is shown schematically by the wires 37 a, which connect to the multipolar plug part 13 a and are acted upon by electrical signals from the actual probe, not shown. The prism 32 reverses the travel of the light beam and back into the optical fiber 28 . The various components of the modulator and the fiber ends are arranged on a carrier with a low thermal coefficient, for example of "INVAR", a nickel-iron alloy.

Das in Fig. 1 gezeigte, optische Übertragungssystem arbeitet mit direkter Wahrnehmung von amplitudenmoduliertem Licht. Ein Vorzug dieser Arbeitsweise ist der, daß Multimode-Fasern mit einem Kern- oder Seelen-Durchmesser von 50 µm oder mehr benutzt werden können. Das erleichtert die Aufgabe, die Lage eines fokussierten Lichtflecks auf dem Ende der Faser zu halten. Eine gesonderte Faser 28 ist in dem Kabel für die Rückleitung des Lichtes nach dem Detektor enthalten. Dies gestattet die optische Isolierung des Detektorendes der Faser 28 von dem Laserende der Faser 23a und vermeidet die Aufnahme von Licht, das vom Laserende der Faser 23a zurück gestreut wird. Es vermeidet auch den Verlust von Licht an einem Strahlteiler, der erforderlich sein würde, falls eine einzelne Faser für die Abwärts- und Aufwärts-Leitung benutzt würde. Dieses System ist außerdem unempfindlich gegenüber einer Streckung des Kabels.The optical transmission system shown in Fig. 1 operates with direct perception of amplitude modulated light. An advantage of this operation is that multimode fibers having a core or core diameter of 50 μm or more can be used. This facilitates the task of keeping the location of a focused spot on the end of the fiber. A separate fiber 28 is included in the cable for the return of the light to the detector. This allows the optical isolation of the detector end of the fiber 28 from the laser end of the fiber 23 a and avoids the absorption of light, which is scattered back from the laser end of the fiber 23 a. It also avoids the loss of light at a beam splitter, which would be required if a single fiber were used for the downlink and uplink. This system is also insensitive to extension of the cable.

Falls mehr als ein optischer Kanal benötigt wird, können mehrere Fasern vorgesehen sein, um das Licht von mehreren getrennten Modulatoren zur Erdoberfläche zurückzuführen. Jedoch ist nur eine Faser 23a erforderlich, um das Licht vom Laser nach unten auf die verschiedenen Modulatoren zu übertragen. Das Licht aus der Faser 23a kann dort durch mehrere Strahlteiler geteilt werden.If more than one optical channel is needed, multiple fibers may be provided to return the light from several separate modulators to the earth's surface. However, only one fiber 23 a is required to transmit the light from the laser down to the different modulators. The light from the fiber 23 a can be shared by several beam splitters.

Die in Fig. 2 dargestellte andere Ausführungsform der Erfindung benutzt optische Homodyn-Erfassung anstelle der direkten Erfassung des modulierten, von der Sonde im Bohrloch nach oben übertragenen Lichtes. Gemäß der Erfindung wird der Neodym-Laser 21b zu Schwingungen bei einer Wellenlänge λ=1,32 µm gezwungen. Ein wesentlicher Teil des austretenden Strahls wird durch die Linse 22b in die Seele der optischen Faser 23b gerichtet. Dieses Licht wird dort nach unten in die Sondenkupplung übertragen, mit dem Meßsignal moduliert und in derselben Faser zurück übertragen. Das austretende Licht wird teilweise durch den Strahlteiler 60 aus den Detektor 34b gerichtet.The other embodiment of the invention shown in Figure 2 uses optical homodyne detection rather than direct detection of the modulated light transmitted uphole by the probe. According to the invention, the neodymium laser 21 b is forced to oscillate at a wavelength λ = 1.32 μm. A substantial portion of the exiting beam is directed through the lens 22 b in the soul of the optical fiber 23 b. This light is transmitted down there into the probe coupling, modulated with the measurement signal and transmitted back in the same fiber. The emerging light is partially directed by the beam splitter 60 from the detector 34 b.

In dem bekannten Homodyn-Demodulationsverfahren wird der mit dem Signal modulierte Strahl kohärent mit einem Teil des unmodulierten Laserstrahles zusammengefaßt, der gewöhnlich als örtlicher Oszillatorstrahl bezeichnet wird. Das heißt, daß die zwei Strahlen mit parallelen Wellenfronten überlagert werden, wenn sie durch die Linse 33b auf den Detektor gegeben werden. Dies wird durch einen Strahlteiler 60 und den Reflektor 61 erreicht. Statt dessen kann auch der Reflektor 61 weggelassen und der lokale Oszillatorstrahl als Reflexion von der Vorderseite des Faserkernes erhalten werden, um Koinzidenz der Wellenfronten zu gewährleisten.In the known homodyne demodulation method, the signal modulated beam is coherently combined with a portion of the unmodulated laser beam, commonly referred to as a local oscillator beam. That is, the two beams are superimposed with parallel wavefronts when they are put on the detector by the lens 33b . This is achieved by a beam splitter 60 and the reflector 61 . Instead, the reflector 61 may be omitted and the local oscillator beam may be obtained as a reflection from the front of the fiber core to ensure coincidence of the wavefronts.

In der Praxis übersteigt das Schrotrauschen, das durch die Demodulation des lokalen Oszillatorstrahles erzeugt wird, das dem Detektor eigentümliche Geräusch. Andererseits erzeugt die Interferenz des Signals und der lokalen Oszillatorwellen in dem Detektor ein elektrisches Signal, dessen Frequenz gleich der Differenzfrequenz dieser Wellen ist, und einen Strom, der proportional dem Produkt ihrer Amplituden ist. Demnach wird das Datensignal im Verhältnis zu dem Geräusch verstärkt. Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis von Nutz- zu Stör-Signal größer sein kann als bei direkter Demodulation, selbst wenn der Detektor eine Germanium-PIN-Diode anstatt einer Avalanche-Photodiode ist, vorausgesetzt, daß die zwei Wellen am Detektor räumlich kohärent sind. Diese Bedingung bedeutet, daß die Faser 23b eine Einzelmode- Faser sein muß. Das heißt, daß die Faser nur die zwei netarteten optischen Wellenführungstypen der niedersten Ordnung überträgt.In practice, the shot noise generated by the demodulation of the local oscillator beam exceeds the noise peculiar to the detector. On the other hand, the interference of the signal and the local oscillator waves in the detector produces an electrical signal whose frequency is equal to the difference frequency of these waves and a current which is proportional to the product of their amplitudes. Thus, the data signal is amplified in proportion to the noise. It follows that the ratio of useful to interfering signal may be greater than in direct demodulation, even if the detector is a germanium PIN diode instead of an avalanche photodiode, provided that the two waves are spatially coherent at the detector , This condition means that the fiber 23 must be b a Einzelmode- fiber. That is, the fiber transmits only the two lowest-order net-type optical waveguide types.

Das in der Faser 23b nach unten laufende Licht tritt in dem abgedichteten Raum 40b innerhalb der Kupplungshülse 10b aus. Das austretende Licht wird durch die Linse 29b zu dem Strahl 59b gesammelt, der durch den Einzelkristall-Modulator 62 hindurch geht. Das Licht wird durch den Modulator 62 hindurch zurück reflektiert mittels des rückreflektierenden Würfelecken-Prismas 63, wieder in den Kern der Faser 23b fokussiert, und geht dann nach der Oberfläche. Der Kern einer Einzelmode- Faser, der das Licht umschließt, hat typisch einen Durchmesser von etwa 5 µm, verglichen mit 50 µm oder mehr einer Multimode-Faser. Da 5 µm nur 4 Wellenlängen des Neodym-Lichts sind, muß der Strahl 59b vom Modulator 62 zurückgeführt und durch die Linse 29b genau wieder auf den Kern der Faser 23b fokussiert werden, trotz der Bewegungen, die von Temperaturänderungen in der Einrichtung herrühren. Dies wird erreicht, indem ein Würfelecken-Rück-Reflektor 63 als Prisma benutzt wird. Dieses Prisma hat die Eigenschaft, einen Strahl in einer Richtung zu reflektieren, die genau entgegengesetzt zu der des auftreffenden Strahles ist.The down in the fiber 23 b light exiting in the sealed space 40 b within the coupling sleeve 10 b. The exiting light is collected by the lens 29 b to the beam 59 b, which passes through the single crystal modulator 62 . The light is passed by the modulator 62 is reflected back by means of the retroreflective cube-corner prism 63 back into the core of the fiber 23 b is focused, and then goes to the surface. The core of a single-mode fiber that encloses the light typically has a diameter of about 5 μm compared to 50 μm or more of a multimode fiber. Since 5 microns are only 4 wavelengths of neodymium light, the beam 59 b must be returned from the modulator 62 and focused by the lens 29 b exactly on the core of the fiber 23 b, despite the movements resulting from temperature changes in the device , This is achieved by using a cube corner return reflector 63 as a prism. This prism has the property of reflecting a beam in a direction exactly opposite that of the incident beam.

Der Modulator 62 kann ein akustisch-optischer Kristall- Modulator oder ein elektro-optischer Kristall-Modulator sein. Im letzteren Fall wird mit einem Einzelkristall und ohne Polarisator und Analysator der Lichtstrahl phasenmoduliert mit dem durch die Leitungsdrähte 37b angelegten Signal. Das zurückkehrende Licht kann durch das Homodyn-Demodulationssystem im Gegensatz zu der unmittelbaren Demodulation demoduliert werden.The modulator 62 may be an acousto-optic crystal modulator or an electro-optic crystal modulator. In the latter case, with a single crystal and without polarizer and analyzer, the light beam is phase modulated with the signal applied by the lead wires 37 b. The returning light can be demodulated by the homodyne demodulation system as opposed to the immediate demodulation.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform gleicht der der Fig. 1 in allen hier nicht besonders erwähnten Teilen, zum Beispiel in der Ausführung des Kabels und der Dichtung der Kammer 40b durch den Dichtungsschuh 7b, der auf den Mantel 57b geringen Diffusionsvermögens drückt.The embodiment shown in Fig. 2 is similar to that of Fig. 1 in all parts not particularly mentioned here, for example in the design of the cable and the seal of the chamber 40 b through the sealing shoe 7 b, which presses on the jacket 57 b low diffusivity ,

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das modulierte Laserlicht, das durch das Kabel nach oben kommt, erfaßt und demoduliert durch einen Empfänger, der in dem sich drehenden Trommelteil der Kabelhaspel angeordnet ist. Das elektrische Datensignal muß dann auf eine stationäre Datenverarbeitungs- oder -aufzeichnungseinrichtung übertragen werden. Falls die Datenübertragungs-Geschwindigkeit geringer als etwa 1 MHz ist, kann das Signal zuverlässig durch übliche Schleifringe auf dem Achsansatz der Kabelhaspel übertragen werden. Falls jedoch die Geschwindigkeit größer ist, wird die Bit-Fehlerzahl auf nicht annehmbare Höhen aufgrund von elektrischen Störgeräuschen und übersprechen erhöht. Dies kann vermieden werden, indem der Datenfluß optisch auf einen stationären Detektor durch eine Ausführungsform der nachstehend beschriebenen Arten von "optischen Schleifringen" übertragen wird. In this preferred embodiment of the invention is the modulated laser light coming through the cable comes up, grasped and demodulated by a Receiver in the rotating drum part of the Cable reel is arranged. The electrical data signal must then on a stationary data processing or Recording device to be transmitted. if the Data transmission speed less than about 1 MHz, the signal can be reliably through conventional Transfer slip rings on the shaft extension of the cable reel become. However, if the speed is greater is, the bit error count becomes unacceptable Heights due to electrical noise and increased crosstalk. This can be avoided by the data flow optically to a stationary detector by an embodiment of those described below Types of "optical slip rings" is transmitted.  

Fig. 5 zeigt einen Axialschnitt durch den Achsansatz einer Kabeltrommel, die für die Übertragung von drei gesonderten Lichtstrahlen durch "optische Schleifringe" eingerichtet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung werden modulierte Laser-Lichtsignale, die nach oben durch drei optische Fasern in dem Kabel übertragen worden sind, in der Trommel der Kabelhaspel demoduliert. Die sich ergebenden elektrischen Signale werden durch koaxiale Kabel 103 in der Achse auf lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Laser-Dioden 102 und 102a übertragen. Das von der Lichtquelle 102a in der Achse des sich drehenden Axialteiles abgegebene Signallicht wird durch die Linse 104a gebündelt und auf den stationären Detektor 106a fokussiert. Der Einfachheit halber sind Trägerteile und eine von den Detektoren ausgehende koaxiale Leitung weggelassen. Das Licht von den zwei oder mehr Quellen 102, die mit Bezug auf die Achse in verschiedenen radialen Abständen angeordnet sind, bleibt durch die ineinander gesetzten parabolischen Reflektoren 105 auf die stationären Detektoren 106 fokussiert, während die Strahlen um die Achse herum laufen. Ringförmige Linsenabschnitte könnten auch benutzt werden, um das Signallicht auf die Detektoren zu richten, aber die Parabol-Reflektoren werden bevorzugt, da sie zusätzlich eine optische und elektrische Abschirmung bewirken. Fig. 5 shows an axial section through the Achsansatz a cable drum, which is adapted for the transmission of three separate light beams by "optical slip rings". In this embodiment of the invention, modulated laser light signals which have been transmitted upwardly through three optical fibers in the cable are demodulated in the drum of the cable reel. The resulting electrical signals are transmitted through coaxial cables 103 in the axis to light emitting diodes (LEDs) or laser diodes 102 and 102a . The light emitted from the light source 102 a in the axis of the rotating axial part signal light is focused by the lens 104 a and focused on the stationary detector 106 a. For the sake of simplicity, carrier parts and a coaxial line emanating from the detectors have been omitted. The light from the two or more sources 102 , which are arranged at different radial distances with respect to the axis, remains focused on the stationary detectors 106 by the nested parabolic reflectors 105 , while the rays pass around the axis. Annular lens sections could also be used to direct the signal light to the detectors, but the parabolic reflectors are preferred because they additionally provide optical and electrical shielding.

Grundsätzlich könnten die Enden der optischen Fasern aus dem Kabel unmittelbar bis zur Stelle der Lichtquellen 102 und 102a geführt werden, anstelle einer Regenerierung der Lichtsignale. Die Stärke des an die Erdoberfläche zurückkehrenden Laserlichtes ist jedoch gering und würde noch weiter gedämpft durch den Verlust, der sich durch die Einfügung von optischen Schleifringen ergäbe. Dies würde aber bei allen Komponenten zu besonders Engen Toleranzen führen. Auch würden anstatt kleiner PIN-Dioden für die Detektoren 106 und 106a ziemlich umfangreiche Avalanche-Photodioden benötigt.In principle, the ends of the optical fibers could be led out of the cable directly to the location of the light sources 102 and 102 a, instead of regenerating the light signals. However, the intensity of the laser light returning to the earth's surface is low and would be further attenuated by the loss that would result from the insertion of optical slip rings. However, this would lead to particularly tight tolerances for all components. Also, rather than small PIN diodes, detectors 106 and 106 would require fairly large avalanche photodiodes.

Die Lichtquelle 102 a und der Detektor 106 a können auch vertauscht werden, um in der entgegengesetzten Richtung zu übertragen und Befehlssignale nach unten in die Sonde zu leiten. The light source 102 a and the detector 106 a can also be reversed to transmit in the opposite direction and to direct command signals down into the probe.

Die optische Schleifring-Anordnung wird gegen die äußere Umgebung durch ein stationäres Gehäuse 107 geschützt, das eng an den Ansatz 108 anschließt, der sich mit der Achse 100 dreht. The optical slip ring assembly is protected against the external environment by a stationary housing 107 which closely adjoins the lug 108 , which rotates with the axis 100 .

Fig. 6 und 7 zeigen schematisch eine andere Ausführungsform eines optischen Schleifringes zur Übertragung von Lichtsignalen aus der sich drehenden Achse auf einen benachbart angeordneten stationären Detektor. Fig. 6 ist eine Ansicht in Richtung der Achse, Fig. 7 ein Schnitt entlang der Linie 7-7. Eine Lichtquelle 120 ist auf der Achse angeordnet und strahlt ein moduliertes Lichtsignal nach allen radialen Richtungen in eine transpartente Scheibe 121, die eine kleine Bohrung im Zentrum für die Lichtquelle aufweist. Die Scheibe kann aus einem Acrylharz oder einem ähnlichen durchsichtigen Kunststoff hergestellt sein. Das Licht ist durch innere Totalreflexion auf die Scheibe beschränkt und tritt an der Kante der Scheibe aus. Ein stationäres transparentes Blech 122 von etwa derselben Dicke wie die Scheibe ist an einen merklichen Teil des Scheibenumfangs bis auf einen Zwischenraum angepaßt, der die Drehung der Scheibe mit der Achse ermöglicht. Die Außenkante 125 des Bleches reflektiert das Licht nach einem Dioden-Detektor 123, der mit einer koaxialen Leitung 124 verbunden ist. Die Form des Blechrandes 125 ist Teil einer Ellipse, bei der die Lichtquelle und der Detektor in den Brennpunkten liegen. Daher wird ein merklicher Teil des von der Quelle ausgestrahlten Lichtes am Detektor gesammelt. Figures 6 and 7 show schematically another embodiment of an optical slip ring for transmitting light signals from the rotating axis to an adjacent stationary detector. Fig. 6 is a view in the direction of the axis, Fig. 7 is a section along the line 7-7. A light source 120 is disposed on the axis and radiates a modulated light signal in all radial directions into a transparent disk 121 having a small bore in the center for the light source. The disc may be made of an acrylic resin or similar transparent plastic. The light is limited by total internal reflection on the disc and exits at the edge of the disc. A stationary transparent sheet 122 of about the same thickness as the disk is fitted to a substantial portion of the disk periphery except for a clearance which permits rotation of the disk with the axle. The outer edge 125 of the sheet reflects the light to a diode detector 123 which is connected to a coaxial line 124 . The shape of the sheet edge 125 is part of an ellipse in which the light source and the detector are in the focal points. Therefore, a significant portion of the light emitted from the source is collected at the detector.

Die Lichtquelle kann eine rand-emittierende LED sein, oder, falls die Frequenz des modulierten Signales größer als etwa 30 MHz ist, kann eine Laser-Diode verwendet werden. Da eine Laser-Diode in ihrer Übergangsebene nicht über volle 360° abstrahlt, kann das gewünschte Muster der Abstrahlung in die Scheibe dadurch erreicht werden, daß der Laser so gestellt wird, daß er einen Strahl entlang der Achse abgibt. Der Strahl wird dann radial in die Scheibe durch einen konischen Reflektor abgelenkt, der koaxial bei 120 angeordnet wird, wobei der Scheitel zum Laser gerichtet ist. Statt dessen kann der Laser in der Trommel der Haspel zusammen mit seinem elektronischen Treiberkreis angeordnet werden. Das abgegebene Lichtsignal wird dann durch einen kurzen Abschnitt einer optischen Faser in der Achse nach dem Scheitel des reflektierenden Kegels geführt.The light source may be an edge-emitting LED, or, if the frequency of the modulated signal greater than about 30 MHz, a laser diode may be used become. As a laser diode in its transition plane does not radiate over full 360 °, the desired Pattern of radiation into the disk thereby be achieved that the laser is placed so that he emits a beam along the axis. The beam is then radially in the disc by a conical Reflector deflected, which is arranged coaxially at 120 with the apex facing the laser. Instead of of which the laser can be in the drum of the reel together arranged with its electronic driver circuit become. The emitted light signal is then through a short section of an optical fiber in the axis guided to the apex of the reflective cone.

Für mehrere optische Faserkanäle wird eine Übertragung durch gesonderte optische Schleifringe vorgesehen, die alle die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform haben und die entlang der Achse des Achsansatzes der Kabelhaspel angeordnet sind. Die Schlitze 126 in der das Licht umschließenden Scheibe 121 dienen dazu, daß irgendwelche Bauteile und elektrische oder Licht-Leiter durch die Scheibe hindurch geführt werden können, ohne dadurch mehr als einen kleinen Bruchteil des Lichtes zu verdecken.For multiple optical fiber channels, transmission is provided by separate optical slip rings, all of which have the embodiment shown in FIG. 6 and which are arranged along the axis of the axle extension of the cable reel. The slots 126 in the light enclosing disk 121 serve to allow any components and electrical or light conductors to be passed through the disk without obscuring more than a small fraction of the light.

Claims (11)

1. Optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit wenigstens einer Laserlichtquelle ( 21 a, 21 b) und wenigstens einer optischen Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch, wobei a) die in einem armierten Kabel ( 52-58 ) angeordnete optische Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) mit einem Puffermaterial ( 52 ) umgeben und spiralförmig mit großer Steigung gewickelt ist, b) am unteren Ende des Kabels eine Kabelkopfkupplung ( 10 a) vorgesehen ist, c) im Kabelkopf ein thermisch und druckdicht gekapselter Modulator ( 31, 62 ) zur Modulation des Laserlichts mit einem Datensignal vorhanden ist,
  • 1. Optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit wenigstens einer Laserlichtquelle ( 21 a, 21 b) und wenigstens einer optischen Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch, wobei a) die in einem armierten Kabel ( 52-58 ) angeordnete optische Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) mit einem Puffermaterial ( 52 ) umgeben und spiralförmig mit großer Steigung gewickelt ist, b) am unteren Ende des Kabels eine Kabelkopfkupplung ( 10 a) vorgesehen ist, c) im Kabelkopf ein thermisch und druckdicht gekapselter Modulator ( 31, 62 ) zur Modulation des Laserlichts mit einem Datensignal vorhanden ist,
  • 1. Optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit wenigstens einer Laserlichtquelle ( 21 a, 21 b) und wenigstens einer optischen Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch, wobei a) die in einem armierten Kabel ( 52-58 ) angeordnete optische Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) mit einem Puffermaterial ( 52 ) umgeben und spiralförmig mit großer Steigung gewickelt ist, b) am unteren Ende des Kabels eine Kabelkopfkupplung ( 10 a) vorgesehen ist, c) im Kabelkopf ein thermisch und druckdicht gekapselter Modulator ( 31, 62 ) zur Modulation des Laserlichts mit einem Datensignal vorhanden ist,
  • 1. Optische Übertragungseinrichtung für Bohrlochmessungen mit wenigstens einer Laserlichtquelle ( 21 a, 21 b) und wenigstens einer optischen Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) zur Übertragung von Laserlicht von und zu einem untertägigen Ort in einem Bohrloch, wobei a) die in einem armierten Kabel ( 52-58 ) angeordnete optische Faser ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) mit einem Puffermaterial ( 52 ) umgeben und spiralförmig mit großer Steigung gewickelt ist, b) am unteren Ende des Kabels eine Kabelkopfkupplung ( 10 a) vorgesehen ist, c) im Kabelkopf ein thermisch und druckdicht gekapselter Modulator ( 31, 62 ) zur Modulation des Laserlichts mit einem Datensignal vorhanden ist,
  • d) ein Demodulator ( 34 a, 34 b) zur Demodulation der Datensignale des am oberen Ende des Kabels empfangenen modulierten Laserlichts vorgesehen ist und die Datensignale über einen optischen Schleifring regeneriert werden. d) a demodulator ( 34 a, 34 b) is provided for demodulating the data signals of the modulated laser light received at the upper end of the cable and the data signals are regenerated via an optical slip ring.
1. Optical transmission device for borehole measurements with at least one laser light source ( 21 a, 21 b) and at least one optical fiber ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) for transmitting laser light from and to an underground place in a borehole, wherein 1. Optical transmission device for borehole measurements with at least one laser light source ( 21 a, 21 b) and at least one optical fiber ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) for transmitting laser light from and to an underground place in a borehole, wherein
  • a) the optical fiber ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) arranged in a reinforced cable ( 52-58 ) is surrounded by a buffer material ( 52 ) and spirally wound with a large pitch, a) the optical fiber ( 23 a, 23 b, 28 , 51 ) arranged in a reinforced cable ( 52-58 ) is surrounded by a buffer material ( 52 ) and spirally wound with a large pitch,
  • b) a cable head coupling ( 10 a) is provided at the lower end of the cable, b) a cable head coupling ( 10 a) is provided at the lower end of the cable,
  • c) a thermally and pressure-tight encapsulated modulator ( 31, 62 ) for modulating the laser light with a data signal is present in the cable head, c) a thermally and pressure-tight encapsulated modulator ( 31, 62 ) for modulating the laser light with a data signal is present in the cable head,
  • d) a demodulator ( 34 a, 34 b) is provided for demodulating the data signals of the modulated laser light received at the upper end of the cable and the data signals are regenerated via an optical slip ring. d) a demodulator ( 34 a, 34 b) is provided for demodulating the data signals of the modulated laser light received at the upper end of the cable and the data signals are regenerated via an optical slip ring.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Lichtquelle ( 21 a, 21 b) ein Neodym-Laser ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the laser light source ( 21 a, 21 b) is a neodymium laser.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neodym-Laser ( 21 b) zu Schwingungen bei einer Wellenlänge von etwa 1,32 µm erregt wird. 3. Device according to claim 2, characterized in that the neodymium laser ( 21 b) is excited to oscillate at a wavelength of about 1.32 microns.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (51), die in dem Kabel das modulierte Licht von der Sonde nach über Tage überträgt, eine mit Bezug auf die Faser, die das Licht abwärts nach der Sonde überträgt, gesonderte Faser ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optical fiber ( 51 ), which transmits in the cable, the modulated light from the probe to the surface, with respect to the fiber, the light down to the Probe transmits, is separate fiber.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung von moduliertem Licht von der Sonde nach über Tage über dieselbe optische Faser ( 51 ) geht, die das Licht nach der Sonde leitet. 5. Device according to one of claims 1-3, characterized in that the transmission of modulated light from the probe goes to the surface over the same optical fiber ( 51 ) which directs the light to the probe.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung des modulierten Lichtes in die Faser ( 51 ) eine Reflektoreinrichtung ( 63 ) vorgesehen ist. 6. Device according to claim 5, characterized in that a reflector device ( 63 ) is provided for the return of the modulated light in the fiber ( 51 ).
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung in der optischen Faser ( 51 ) auf zwei optische Modi beschränkt ist. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission in the optical fiber ( 51 ) is limited to two optical modes.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Demodulation des Datensignals aus dem modulierten Licht eine optische Homodyn-Aufnahme- und -Demodulations-Einrichtung ist. 8. Device according to claim 7, characterized in that the Means for demodulating the data signal from the modulated Light an optical homodyne recording and demodulation device is.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das armierte Kabel ( 51-58 ) ein für Wasser undurchlässiges Metallrohr enthält, in dem wenigstens eine optische Faser ( 51 ) enthalten ist. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the armored cable ( 51-58 ) contains a water-impermeable metal pipe in which at least one optical fiber ( 51 ) is included.
10. Optische Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, zur Übertragung einer Mehrzahl von Lichtsignalen vom Ende einer rotierenden Haspel auf stationäre Detektoren, gekennzeichnet durch a) gesonderte Quellen für jedes Lichtsignal in der Haspel zur Aussendung von gesonderten Lichtstrahlen in unterschiedlichen radialen Abständen von der Haspelachse,
  • 10. Optische Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, zur Übertragung einer Mehrzahl von Lichtsignalen vom Ende einer rotierenden Haspel auf stationäre Detektoren, gekennzeichnet durch a) gesonderte Quellen für jedes Lichtsignal in der Haspel zur Aussendung von gesonderten Lichtstrahlen in unterschiedlichen radialen Abständen von der Haspelachse,
  • b) gesonderte, stationäre, konzentrische und drehungssymmetrische Mittel zur Fokussierung der gesonderten Lichtstrahlen auf gesonderte Stellen, die entlang der Verlängerung der Haspelachse angeordnet sind und b) separate, stationary, concentric and rotationally symmetrical means for focusing the separate light beams on separate locations which are arranged along the extension of the reel axis and
  • c) gesonderte Detektoren, die an den gesonderten Stellen angeordnet sind, um Lichtsignale aufzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln. c) separate detectors which are arranged at the separate locations in order to pick up light signals and convert them into electrical signals.
10. Optical transmission device according to claim 1, for transmitting a plurality of light signals from the end of a rotating reel to stationary detectors, characterized by 10. Optical transmission device according to claim 1, for transmitting a plurality of light signals from the end of a rotating reel to stationary detectors, characterized by
  • a) separate sources for each light signal in the reel for emitting separate light beams at different radial distances from the reel axis, a) separate sources for each light signal in the reel for emitting separate light beams at different radial distances from the reel axis,
  • b) separate, stationary, concentric and rotationally symmetrical means for focusing the separate light beams to separate locations, which are arranged along the extension of the reel axis and b) separate, stationary, concentric and rotationally symmetrical means for focusing the separate light beams to separate locations, which are arranged along the extension of the reel axis and
  • c) separate detectors, which are arranged at the separate locations to receive light signals and convert them into electrical signals. c) separate detectors, which are arranged at the separate locations to receive light signals and convert them into electrical signals.
11. Optische Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle mit einer Wellenlänge von mehr als 1 µm schwingt, daß eine Kammer in der Kabelkopf-Kupplung vorgesehen ist, die gegen die umgehende Flüssigkeit abgedichtet ist, in die das Kabel einläuft, wobei die Kammer thermisch und druckdicht isoliert ist und das Ende der wenigstens einen optischen Faser den Modulator zur Modulation des Laserlichts mit den Datensignalen aufnimmt, und daß ein elektrischer Mehrpol-Verbinder zum Anschluß an eine Instrumentensonde vorgesehen ist, durch den ein optischer Faser-Verbinder am unteren Ende des Kabels vermieden wird.11. Optical transmission device according to claim 1, characterized characterized in that the laser light source with a wavelength of more than 1 micron swings that a chamber in the Cable head coupling is provided, which is against the immediate Liquid is sealed, in which the cable enters, where the chamber is insulated thermally and pressure tight and the end of the at least one optical fiber the modulator to modulate the laser light with the data signals, and that a multi-pole electrical connector for connection to an instrument probe is provided, through which an optical Fiber connector at the bottom of the cable avoided becomes.
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