JP2011021966A - 光ファイバ温度計測システム及びそれに用いる温度計測用光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】 ジェリーを使わなくても金属管挿入状態でマイクロベンド損失を生じず、水素の存在する高温環境において水素による伝送損失の増加を引き起こすことのない高温用途光ファイバにて温度が高精度に計測可能な光ファイバ温度計測システム及びそれに用いる温度計測用光ファイバを得る。
【解決手段】 光ファイバ温度計測システム１００において、純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに計測波長においてシングルモードである温度計測用光ファイバ２９と、この温度計測用光ファイバ２９にパルス光を入射するとともに温度計測用光ファイバ２９からのラマン散乱光を測定する測定部１５と、測定部１５の動作を制御するとともに測定部１５からの情報を管理する制御部１７とを設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば油井、ガス井等の地中高温（２５０℃以上）環境下において好適に用いることのできる光ファイバ温度計測システム及びそれに用いる温度計測用光ファイバに関する。

２５０℃を超える高温の環境下において、温度測定が要求されることがある。例えば、地下の高粘度の原油を含む砂岩層（オイルサンド）から採油する場合、常温では粘性が高く流動性を持たないオイルサンドに水蒸気を注入して流動性を高めて地上に採取するＣＳＳ（Cyclic Steam Stimulation）法やＳＡＧＤ（Steam Assisted Gravity Drainage）法が採用され、これらの方法では地中の温度分布を測定することが要求される。

ＣＳＳ法とは、オイルサンドの存在する深さ（地下５００〜６００ｍ）まで垂直に坑井を掘削し、その垂直坑井からオイルサンド層へ水蒸気を注入し、ビチューメン（Bitumen）と呼ばれる砂粒に付着している極めて粘度の高い重質の炭化水素を加湿することによって流動性を高めて砂粒と分離し採取する方法である。また、ＳＡＧＤ法とは、２本の垂直坑井の下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井を掘削し、２本の水平坑井のうちの上方坑井からオイルサンド層へ水蒸気を注入し、加熱されて流動化したビチューメンが重力により下方坑井へ到達し、それを下方坑井より採取する方法であり、高い生産性が得られる方法として知られている。

ＣＳＳ法、ＳＡＧＤ法の何れにしても、採油効率を上げる重要なポイントは熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層内に伝達することであり、このため坑井の長手方向の温度分布を監視することが肝要となる。従来は、温度分布の監視には電気的方法（熱電対）を用いていたが、熱電対は点観測であり長手方向の温度分布を得るには測定点を多くする必要があり、コスト増となり経済性が悪い。

そこで、光ファイバそのものを温度センサとした分布型光ファイバ温度計測システム（Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing System；ＤＴＳ）が注目されている。分布型光ファイバ温度計測システム（以下、単に「光ファイバ温度計測システム」とも称す。）は、光ファイバそのものを温度センサとすることで、数ｋｍの長距離にわたり光ファイバに沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定する。光ファイバの一端に入射したレーザーパルスは散乱光を発生しながら光ファイバ中を進む。散乱光の成分中のラマン散乱光は温度感受性が有り、二種の異なるラマン散乱光（ストークス光と反ストークス光）の強度比から温度を知ることができる。その温度を示す位置は光ファイバ中の光速度とレーザ入射後の時間から知ることができる。したがって、光路に沿って戻る後方散乱光を時系列的に強度特定することで光ファイバ全長に沿った温度分布を測定することが可能となる（非特許文献１参照）。

このような高温環境下で使用可能な光ファイバとして、光ファイバの外周に芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、シリコン系樹脂からなる第二の被覆層と、第一の被覆層と同等の耐熱性を有する耐湿性樹脂、例えばＰＦＡからなる第三の被覆層とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、過酷かつ水素含有雰囲気における温度センサとして使用される光ファイバには、コアが純シリカとフッ素からなるグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）の屈折率分布を有するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第００／０７６９３１号パンフレット 米国特許第６，８５３，７９８号明細書

Electronics Letter 20th June 1985 Vol.21 No.13 P.569-570 研究実用化報告第３５巻第６号(1986) P.625-631,NTT JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL LT-4,NO8,AUGUST 1986 P.1144-1150

粘度が高く採取が難しい油田の探査が年々増えており、このような油田ではCSS法やSAGD法などにより高温蒸気を利用することから２５０℃前後、油田によっては３００℃以上の温度計測が必要となる。
ＤＴＳにおいては温度分解能を高めるためにコア径及び開光数が大きくＳ／Ｎが高いマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）が一般的に使用されているが、距離分解能を優先させたい場合には分散の小さいシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いることもできる。但しいずれの光ファイバを使用する場合でも油田のような水素ガスが多い高温環境では水素による伝送損失増加の対策が必要となる。これは、コアに屈折率調整用のゲルマニウムを含有させた一般的な光ファイバを用いると、雰囲気中に含まれる水素によって経時的に波長依存性を有する伝送損失増加が生じてしまい正確な温度計測ができなくなってしまうからである（非特許文献２参照）。

特許文献１には、ガラスファイバと被覆との間にカーボン被覆（カーボンコートと呼ばれる）を設けて水素ガスが内部のガラスファイバに到達することを防止して水素ガスによる伝送損失増加を防止することが記載されているが、温度が高くなると水素の浸透能力が上がるため、長期間にわたって水素の侵入を防止できるのは２００℃前後までであり、２５０℃を超える高温水素環境下では効果を発揮できない。そのため、高温水素環境下で使用される光ファイバにはカーボンコート以外の水素対策が必要となる。

また、特許文献２に記載されたマルチモード光ファイバでは、コアにゲルマニウムを含まないことから水素による経時的な伝送損失の増加は防ぐことが可能であるが（非特許文献３参照）、高温環境下での敷設においてマイクロベンドロス増が生じやすい欠点がある。敷設のための金属管に光ファイバを挿入する際に、金属管内にジェリーを充填することで光ファイバと金属管内壁との直接接触によるマイクロベンドロス増を軽減できることが知られているが、２５０℃を超える温度ではジェリーが沸騰してしまうため適用することができず、光ファイバはほぼ全長が金属管内壁に直接接触し、僅かであるがその接触部分にて応力を受けることになる。このときコア径の大きなマルチモード光ファイバでは、マイクロベンド損失が生じやすい。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、２５０℃を超える高温環境下においてジェリーを使わなくてもマイクロベンド損失が増加しにくく、水素による伝送損失の増加も引き起こすことのない温度計測用光ファイバ及びそれを使った光ファイバ温度計測システムを提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 光ファイバを使用し２５０℃の高温環境下での温度分布計測を行う温度分布計測システムであって、
金属管内に余長を持って収納され、且つ純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに計測波長においてシングルモードである温度計測用光ファイバと、該温度計測用光ファイバにパルス光を入射するとともに該温度計測用光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、該測定部の動作を制御するとともに該測定部からの情報を管理する制御部と、を備えることを特徴とする光ファイバ温度計測システム。

この光ファイバ温度計測システムによれば、シングルモード光ファイバを用いることで、マルチモード光ファイバに比べてコア径を大幅に小さくすることができ、これによってマイクロベンド耐性を格段に向上させることができる。また開口数が一般的なシングルモード光ファイバより大きいので、更にマイクロベンド耐性を向上させることができるとともに、後方散乱光強度を増大させ、コア径の減少によるＳ／Ｎの低下をある程度改善することで良好な温度分解能を得ることができる。加えて純石英コアを用いることでコア部のＧｅを不要とし耐水素特性を向上させることもできる。

（２） 前記温度計測用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいてモードフィールド径が１０．０μｍ以下であることを特徴とする（１）の光ファイバ温度計測システム。

この光ファイバ温度計測システムによれば、モードフィールド径が１０．０μｍ以下となることでマイクロベンド耐性を向上させることができる。

（３） ２５０℃以上の高温環境下での温度分布計測を行う温度計測用光ファイバであって、
前記光ファイバは、純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに波長１５５０ｎｍにおいてシングルモードでありモードフィールド径が１０．０μｍ以下であることを特徴とする温度計測用光ファイバ。

この温度計測用光ファイバによれば、純石英コアを用いることでＧｅの添加を不要とすることができ、耐水素特性を向上させることができる。また、シングルモード光ファイバとすることで、マルチモード光ファイバよりも大幅にコア径を小さくでき、マイクロベンド耐性を格段に向上させることができる。また、開口数が一般的なシングルモード光ファイバよりも大きいので、更にマイクロベンド耐性を向上させることができるとともに、後方散乱光強度を増大させ、コア径の減少によるＳ／Ｎの低下をある程度改善することで良好な温度分解能を得ることができる。なお、特許文献２に記載されているフッ素添加ＧＩ型マルチモード光ファイバは、フッ素の濃度制御が困難なために実際に製造することが難しいが、シングルモード光ファイバとすることによりＧｅを添加しない純石英コアによる光ファイバ製造を比較的容易に実現できる。また、この温度計測用光ファイバによれば、モールドフィールド径が１０．０μｍ以下となることでマイクロベンド耐性を向上させることができる。

本発明に係る光ファイバ温度計測システムによれば、金属管内に余長を持って収納され、且つ純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに計測波長においてシングルモードである温度計測用光ファイバと、温度計測用光ファイバにパルス光を入射するとともに温度計測用光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、測定部の動作を制御するとともに測定部からの情報を管理する制御部とを備えるので、２５０℃を超える高温の油井やガス井において高精度で正確な温度計測を行うことが可能となる。すなわち、開口数が一般的なＳＭＦの開口数より大きく限定されるので、後方散乱光強度の増大を通してＳ／Ｎが改善し、測定精度（温度分解能）を向上させることができる。純石英コアを用いることでＧｅの添加を不要とし、耐水素特性を向上させることができる。また、コア径を小さくできるので、ジェリーを使わなくても金属管への挿入に起因するマイクロベンドロスの発生を抑制することができる。

本発明に係る温度計測用光ファイバによれば、金属管と、金属管に余長を有して収納された光ファイバとを備え、光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいてシングルモードであるので、コア径を小さくでき、金属管収容用途に供してもジェリーを使用せずにマイクロベンド耐性を向上させることができる。開口数が０．１３０以上であり、一般的なシングルモード光ファイバの開口数より大きいので、後方散乱光強度の増大を通してＳ／Ｎを改善でき、測定精度（温度分解能）を向上させることができる。

本発明に係る温度計測システムの構成図である。 図１に示した温度計測システムの作用を表す模式図である。 図１に示した温度計測システム用光ファイバケーブルの軸線直交方向の断面図である。 図１に示した温度計測用光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図で、（ａ）に本発明に適用されるシングルモード光ファイバを、（ｂ）に一般的なシングルモード光ファイバを示す。 オイルサンド層から採油するＳＡＧＤ法の概念図である。 レーリー散乱光とラマン散乱光の波長と、光強度の相関を表すグラフである。

以下、本発明に係る光ファイバ温度計測システム及びそれに用いる温度計測用光ファイバの好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る温度計測システムの構成図、図２は図１に示した温度計測システムの作用を表す模式図、図３は図１に示した温度計測用光ファイバケーブルの軸線直交方向の断面図、図４は図１に示した温度計測用光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
本実施の形態による分布型光ファイバ温度計測システム（ＤＴＳ）１００は、図１に示すように、温度計測用光ファイバケーブル１１と、温度計測用光ファイバケーブル１１が接続された光スイッチ１３と、光スイッチ１３を介して温度計測用光ファイバ２９にパルス光を入射するとともに温度計測用光ファイバ２９からのラマン散乱光を測定する測定部１５と、測定部１５の動作を制御するとともに測定部１５からの情報を管理する制御部１７とを備える。

光スイッチ１３は、複数本の温度計測用光ファイバケーブル１１を順次切り換えて測定するときに使用するものであり、温度計測用光ファイバケーブル１１を１本のみ使用する場合では不要となる。
図２に示すように、測定部１５は、光源１９と、スプリッター２１と、コンパレータ２２と、検出器２３ａ，２３ｂと、信号処理部２５とを有する。測定部１５は、制御部１７からの指令に基づき、光源１９からスプリッター２１を介して温度計測用光ファイバ２９にパルス光を入射するとともに、スプリッター２１に戻された温度計測用光ファイバ２９のラマン散乱光をコンパレータ２２を通して検出器２３ａ，２３ｂにて成分ごとに強度検出し、信号処理部２５にてそれを変換する。
制御部１７は、測定部１５の動作を制御するとともに測定部１５からの温度情報を収集して管理する。制御部１７は例えば表示画面を備えたコンピュータ機器であり、ユーザの操作部としても機能する。

図３に示すように、ＤＴＳ１００に用いられる温度計測用光ファイバケーブル１１は、金属管２７と、金属管２７に収納された温度計測用光ファイバ２９とからなる。温度計測用光ファイバケーブル１１は、ジェリーを使用せず、温度計測用光ファイバ２９が０．４％以上の余長を有して金属管２７内に収納される。このように大きな余長率が必要なのは、金属管２７の線膨張係数が光ファイバのそれよりも大きく、２５０℃を超える温度下でも光ファイバが金属管２７の膨張によって引っ張られないようにするためである。温度計測用光ファイバ２９は、コア３１がステップ型の屈折率分布を有し、計測波長でシングルモードである光ファイバとなる。ガラスファイバ３３は、中央のコア３１とその周囲のクラッド３５を含む石英系のガラスファイバであって、コア３１が純石英からなり、その純石英コアの部分がガラスファイバ３３の中で最も高い屈折率となっている。

コア３１は、純石英で構成されており、また、クラッド３５は、コア３１より屈折率が低くなるようにフッ素が添加されている。なお、コア３１は製造の過程で塩素が含まれていてもよい。ガラスファイバ３３は、コア３１を実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、高温下での水素分子とガラス欠陥との化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより、例えば３００℃の高温環境下においても水素に起因した伝送損失の増加が実用上十分に防止される。

具体的な屈折率分布の一例としては、図４（ａ）に示すように、クラッド３５の屈折率ｎ０に対するコア３１の屈折率ｎ１の比屈折率差は、０．４３％である。また、具体的な各部の大きさの一例として、コア３１の直径ｄ１が９．５μｍであり、クラッド３５の直径ｄ０が１２５μｍである。なお、図４（ｂ）には、比較のため一般的なシングルモード光ファイバにおける屈折率分布の一例を示す。

温度計測用光ファイバ２９は、水素雰囲気に曝されると伝送損失が増加する。水素による伝送損失増加の原因は２つあり、１つは、温度計測用光ファイバ２９中に浸透した水素ガスが伝送光を吸収することによって生じる伝送損失の増加であり（以下、水素分子吸収と称す）、もう１つは、温度計測用光ファイバ２９中に浸透した水素と光ファイバ中のガラス欠陥とが結合して形成されたＯＨ基による伝送光の吸収によって生じる伝送損失の増加である（以下、ＯＨ基吸収と称す）。前者は温度計測用光ファイバ２９を水素雰囲気から取り出せば、水素ガスが温度計測用光ファイバ２９の外へ抜けていくため伝送損失の増加は解消されるが、後者は安定した結合であるため不可逆的であり、伝送損失の増加を解消することができない（非特許文献２参照）。

水素ガスのガラス中への浸透速度及び溶解度は、石英系ガラスをベース材料とする光ファイバであれば、光ファイバのガラスに対して添加された添加物による差は殆どないため、水素分子吸収は添加物の種類による差がないが、ＯＨ基吸収は添加物の種類によって大きな差が生じる。一般的に、光が伝搬する部分であるコア３１の屈折率を上げるための添加物としてはゲルマニウムやリンが使用されることが多いが、これらの添加物を添加した光ファイバが高温環境下で水素雰囲気に曝されると、伝送損失が大幅に増加してしまう。これは、ゲルマニウムやリンが光ファイバ製造工程においてガラス欠陥を生じさせやすく、そのガラス欠陥と水素とが結合してＯＨ基を容易に形成してしまうためである（非特許文献２参照）。

しかしながら、本実施の形態のガラスファイバ３３では、所定の屈折率分布を得るために、コア３１には何も添加せずにクラッド３５にフッ素を添加しているため、ＯＨ基吸収による伝送損失の増加が殆ど起こらない。そのため、２５０℃以上の高温環境下で水素雰囲気に曝されても良好な伝送特性が得られる（非特許文献３参照）。

コア３１は、最大受光角となる開口数(Numerical Aperture;ＮＡ)が０．１３０以上であり、一般的なシングルモード光ファイバの開口数よりも大きい。開口数ＮＡはコア−クラッド間の比屈折率差(relative refractive index difference)Δを用い、
ＮＡ＝ｎ1（２Δ）^１／２
で表される。Δは通常％で表される。後述の実施例で例示する純石英コアＳＭＦでは、ｎ1＝１．４６，Δｎ＝０．４２％とすれば、
ＮＡ＝１．４６×（２×０．００４２）^１／２＝０．１３４
となる。

温度計測用光ファイバ２９は、波長１５５０ｎｍにおいてモードフィールド径ＭＦＤが１０．０μｍ以下である。なお、ＭＦＤは、光強度（パワー密度）分布の直径であり、コア径を計測することが難しいため、マルチモード光ファイバのコア径に相当する指標として使われるパラメータであり開口数ＮＡを上げることで小さくなる。シングルモードである温度計測用光ファイバ２９は、マルチモード光ファイバよりもコア径（ＭＦＤ）が小さくマイクロベンド損失耐性に優れ、またモード分散を持たないため分散が小さい、つまり距離分解能に優れる利点がある。また、一般的なシングルモード光ファイバのＭＦＤは１０．５μｍ程度以上であるため、それよりＭＦＤが小さい温度計測用光ファイバ２９はさらにマイクロベンド耐性に優れる。

コア径あるいはＭＦＤが大きいとマイクロベンド損失が大きくなる。これは、応力の加わるガラス表面から光の分布している領域までの距離が短くなることが理由に挙げられる。後述の実施例で示されるように同一のクラッド径におけるマイクロベンド耐性は、ＧＩ型＜一般的なＳＭＦ＜本実施形態のＳＭＦとなる。

技術的な可能性としてクラッド３５の径を太くすることによって応力の加わるガラス表面から光の分布している領域までの距離を遠くし、マイクロベンド損失耐性を向上させることも考えられるが、ＩＴＵ−Ｔなどに定められたクラッド径の国際標準である１２５μｍから大きく逸脱してしまうと、適合する光学部品（主にコネクタ）の入手が困難となってしまい、経済性に難が出る。

温度計測用光ファイバ２９は、ガラスファイバ３３の外周にハーメチック薄膜３７が形成されてもよい。さらに、ハーメチック薄膜３７の外周に樹脂の被覆層３９が形成されてもよい。ハーメチック薄膜３７は、水素の侵入を防止するとともに水分によってガラスの強度が低下することを防止させるものであり、２５０℃以上の高温環境下においても一定の効果が期待できる。

ハーメチック薄膜３７の厚さは、製造性の観点から厚くすることが難しい。ハーメチック薄膜３７はクラッド３５の周囲にコーティングされたアモルファスカーボンの被覆膜であり、その厚さは０．０４μｍ程度である。このコーティング方法としては、光ファイバ用ガラス母材から線引きされたガラスファイバ３３の表面に原料ガスを化学反応させて、アモルファスカーボンを析出させるＣＶＤ法が成膜速度及び膜質の点で有利であることが知られている。このようにしてガラスファイバ３３の周囲にアモルファスカーボンの薄膜がコーティングされた光ファイバは、カーボンコートファイバ（ＣＣＦ）と呼ばれる。
なお、カーボンの他にハーメチック薄膜３７として用いられる材質は、錫、金、チタン、アルミニウム、銅を例示できる。また、材質の異なる複数のハーメチック薄膜を多層化して設けることもできる。

被覆層３９は、耐熱性高分子材料を用いる。３００℃程度の耐熱性が得られる熱硬化型ポリイミド樹脂、紫外線硬化型シリコーン樹脂、熱硬化型シリコーン樹脂の何れかを選択的に使用する。

このように、ＤＴＳ１００では温度計測用光ファイバ２９を、ＳＭＦとすることで、コア径を小さくでき、マイクロベンド耐性を向上させるとともに測定精度（距離分解能）を向上させることができる。開口数が一般的なシングルモード光ファイバより大きいので、後方散乱光強度を増大させ、Ｓ／Ｎを改善でき、測定精度（温度分解能）を向上させることができる。コア３１に純石英コアを用いることでＧｅの添加を無くし、耐水素特性を向上させることができる。なお、シングルモードとすることによりＧＩ型では製造困難とされる純石英コアによる光ファイバ製造を実現可能としている。

次に、上記ＤＴＳ１００を使用した温度計測について説明する。
図５はオイルサンド層から採油する方法として知られたＳＡＧＤ法の概念図を示すものである。
ＳＡＧＤ法では、地中に２本の垂直坑井４１，４３を掘削し、その下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井４５，４７を掘削する。このように形成された２本の水平坑井４５，４７のうち、上方に形成された坑井４５が蒸気圧入井であり、下方に形成された坑井４７が採油井である。そして、蒸気圧入井４５からオイルサンド層Ｄ１へ水蒸気を注入し、３００℃前後に加熱されて流動化したビチューメンが重力により採油井４７へ到達し、それを採油井４７から採取することができる。採油効率を上げる重要なポイントは、熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層Ｄ１内に伝達することであり、このため蒸気圧入井４５の長手方向の温度分布を監視することが肝要となる。なお、符号５３は蒸気が届いている領域を示している。

温度計測用光ファイバケーブル１１は、１本または複数本が蒸気圧入井４５の長手方向に沿って敷設される。温度計測用光ファイバ２９は金属管２７内に収容されて敷設される。オイルサンド層Ｄ１内には大量の水素ガスが存在し、高温蒸気により加熱された水素ガスは、容易に金属管２７を通り抜けて温度計測用光ファイバ２９に到達する。しかしながら温度計測用光ファイバ２９は、コア３１を実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、水素分子とガラス欠陥との化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより水素に起因した伝送損失の増加が防止される。さらに、温度計測用光ファイバ２９は上記のハーメチック薄膜３７により水分による強度低下が抑えられているため、長期間にわたり安定した温度計測が可能となる。

図６はレーリー散乱光とラマン散乱光の波長と、光強度の相関を表すグラフである。
ＤＴＳ１００では、温度計測用光ファイバ２９へ入射した光のラマン散乱光を検出し、そのストークス光λsと反ストークス光λasの強度比から温度を換算する。ＤＴＳ１００では、温度計測用光ファイバ２９そのものを温度センサとして、数ｋｍの長距離にわたり温度計測用光ファイバケーブル１１に沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定する。

すなわち、温度計測用光ファイバ２９から入った光信号（レーザ光）の一部には、散乱して入射端方向に戻ってくる後方散乱光があり、この散乱光に含まれるラマン散乱光の強度は温度依存性をもつ。温度計測用光ファイバ２９へ入射した光の後方散乱光が入射側ヘ戻ってくるまでの時間とラマン散乱光の強度から、その散乱光の発生した場所と温度を測定する。温度計測用光ファイバ２９中の光の伝搬速度は予め分かるので、光の入射側へ戻ってくるまでの往復時間を測定することによって、どの地点で発生した散乱光かを知ることができる。また、散乱光には、微弱であるがその光強度が温度に依存している図６に示すストークス光λsと反ストークス光λasの２成分が含まれ、この２成分の強度比は温度の関数で表される。これを測定部１５にて検出することにより、光ファイバの温度を求めることができる。

ここで、水素により光ファイバの伝送損失が経時的に増加し、かつその増加量が波長によって異なると、ラマン散乱光のストークス光と反ストークス光との強度比が経時的に変化することになり正しい温度が測定できなくなってしまうため、水素ガスの存在する環境でＤＴＳに使用される光ファイバには、特に耐水素特性が要求されることとなる。本実施の形態による温度計測用光ファイバ２９は、ＤＴＳ１００の使用波長域にわたって水素による経時的な伝送損失増加が無いので、ＤＴＳ１００に使用される光ファイバとして極めて好適となる。

したがって、本実施の形態による光ファイバ温度計測システム１００によれば、純石英コア３１を有し開口数ＮＡが０．１３０以上であるとともに計測波長においてシングルモードである温度計測用光ファイバ２９と、温度計測用光ファイバ２９にパルス光を入射するとともに温度計測用光ファイバ２９からのラマン散乱光を測定する測定部１５と、測定部１５の動作を制御するとともに測定部１５からの情報を管理する制御部１７とを備えるので、金属管収納によるマイクロベンド損失増加、及び水素ガスが存在し２５０℃を超える高温環境下での水素による伝送損失増加を抑えて、正確な温度計測を行うことができる。開口数が一般的なシングルモード光ファイバより大きいので、後方散乱光強度を増大させ、Ｓ／Ｎを改善でき、測定精度（温度分解能）を向上させることができる。純石英コア３１を用いることでコアへのＧｅ添加を不要とすることができ、耐水素特性を向上させることができる。コア径を小さくできるので、これによってもマイクロベンド耐性を向上させることができる。この結果、ジェリーを使わなくても金属管収納による損失増加が生じず、２５０℃を超える高温環境下であっても温度を高精度かつ正確に計測できる。

また、本実施の形態による温度計測用光ファイバケーブル１１によれば、金属管２７と、金属管２７に余長を有して収納された温度計測用光ファイバ２９とを備え、温度計測用光ファイバ２９は、計測波長においてシングルモードであるので、コア径を小さくでき、ジェリーを使用せずに金属管収容用途に供してもマイクロベンド耐性を向上させることができる。開口数ＮＡが０．１３０以上であり、一般的なシングルモード光ファイバの開口数より大きいので、後方散乱光強度を増大させ、Ｓ／Ｎを改善でき、測定精度（温度分解能）を向上させることができる。また、マルチモード光ファイバでは、モード分散のために長距離の測定においては測定精度（距離分解能）が低くなるが、シングルモード光ファイバである温度計測用光ファイバ２９は、モード分散が無いため分散が小さく、長距離の測定においても高い距離分解能を得ることが出来る。

次に、上記した実施の形態と同一構成の温度計測用光ファイバ（(1)）と、従来構成のコアにＧｅを添加した光ファイバ（(2)ＳＭＦ，(3)ＧＩ）を比較した結果を説明する。
各光ファイバのクラッド径は一般的な１２５μｍとした。
(1) Δn＝0.43％、MFD＝9.9μｍ、λcc＝1390ｎｍ NA：0.135
(2) Δn＝0.36％、MFD＝10.4μｍ、λcc＝1230ｎｍ NA：0.124
(3) Δn＝1％、 コア径＝50μｍ NA：0.206

［実施例１］
外径２．２mm内径１．８mmのステンレス管に、ポリイミドを被覆して（厚さ１５μｍ）コアにゲルマニウムが添加された一般的なＳＭＦ(2)と、同じくポリイミド被覆を施した純石英コアのＳＭＦ(1)をジェリーを入れずに余長率０．４％で挿入した。
(2)の光ファイバは光パルスによる損失分布測定法（ＯＴＤＲ；Optical Time Domain Reflectometry）において全長で約０．１dB/kmのマイクロベンド損失が発生したが、(1)の光ファイバにはマイクロベンド損失の発生が見られなかった。

［実施例２］
それぞれポリイミド被覆（厚さ１５μｍ）を施した(2)のＳＭＦと(3)のＧＩを(1)の純石英コア光ファイバとともにジェリーを入れずに余長率０．４％で外径２．２mm内径１．８mmのステンレス管へ挿入後、オーブンで３００℃に保持したところ、(2)のＳＭＦと(3)のＧＩには１３８０nm付近に特徴的なピークを持つＯＨ基吸収による損失増加の発生が確認され、３００℃に保持してから１時間後には、それぞれ約１．３dB/km、約２．８dB/km、４０時間後には約８dB/km、約１６dB/kmの損失増加が１３８０nmにおいて発生した。一方、(1)のＳＭＦには損失増加は見られなかった。なお、ここで損失増加を生じさせた水素は、高温によりポリイミド被覆やステンレス管内面の残留物等から微量に発生したものである。

［実施例３］
実施例２のコアにゲルマニウムを添加したＳＭＦ(2)にカーボンコートを被覆し、更にポリイミド被覆を施して同様の実験を実施した。
その結果、３００℃保持１時間の時点では損失増加は生じなかったが４０時間では上記同様に約６dB/kmの損失増加が１３８０nmにおいて発生した。

なお、上記の実施の形態では、光ファイバ温度計測システムが油井採掘に用いられる場合を例に説明したが、本発明に係る光ファイバ温度計測システム及びそれに用いる温度計測用光ファイバは、この他、洞道内温度を測定し、洞道内火災の検出を行ったり、ケーブル表面温度を測定し、電力ケーブルの地絡事故の検出を行う電力ケーブル洞道温度分布計測や、電力用洞道、暗渠、トンネルや工場内で発生した火災や異常発熱を早期に感知し、温度分布をリアルタイムに観測して発生場所を特定する火災感知や、ＬＮＧ設備に不可欠なクールダウン運転時に各部の温度を監視するＬＮＧ蒸発塔温度分布計測や、井戸の深さ方向の温度分布を計測し、地熱発電用井戸の適用可能性を探査するための地熱井坑内温度分布計測等にも好適に用いることができ、上記同様の効果を奏するものである。

１１ 温度計測用光ファイバケーブル
１５ 測定部
１７ 制御部
２７ 金属管
２９ 温度計測用光ファイバ
３１ 純石英コア
１００ 光ファイバ温度計測システム
ＭＦＤ モードフィールド径
ＮＡ 開口数

Claims (3)

1. 光ファイバを使用し２５０℃以上の高温環境下での温度分布計測を行う温度分布計測システムであって、
   金属管内に余長を持って収納され、且つ純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに計測波長においてシングルモードである温度計測用光ファイバと、該温度計測用光ファイバにパルス光を入射するとともに該温度計測用光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、該測定部の動作を制御するとともに該測定部からの情報を管理する制御部と、を備えることを特徴とする光ファイバ温度計測システム。
2. 前記温度計測用光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいてモードフィールド径が１０．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度計測システム。
3. ２５０℃以上の高温環境下での温度分布計測を行う温度計測用光ファイバであって、
   前記光ファイバは、純石英コアを有し開口数が０．１３０以上であるとともに波長１５５０ｎｍにおいてシングルモードでありモードフィールド径が１０．０μm以下であることを特徴とする温度計測用光ファイバ。

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