JP2011027533A - Optical fiber type acoustic-wave logging system and soil logging structure - Google Patents

Optical fiber type acoustic-wave logging system and soil logging structure Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact acoustic-wave logging system using an optical fiber. <P>SOLUTION: The optical fiber type acoustic-wave logging system D which is applied when logging a geological layer as an object to be detected surrounding a boring hole H bored in an appraisal drilling of an oil field, includes: a WDM light source 10; a sonic module 20; a measuring device 30; a relay optical fiber 40 and a sound source device 50. The sonic module 20 contains a plurality of FOD sensor parts and is outward fit to a casing pipe to be inserted into the boring hole H. A gap between the boring hole H and the casing pipe is filled up with a cement, thereby fixing the sonic module 20 to the surrounding geological layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、検知対象物を伝搬する音波の速度に基づき前記検知対象物の材質を特定する光ファイバ式音波検層システム、及びこれが適用された土質検層構造に関する。   The present invention relates to an optical fiber acoustic wave logging system that identifies the material of the detection object based on the velocity of sound waves propagating through the detection object, and a soil logging structure to which the optical fiber acoustic wave logging system is applied.

油田の試掘に際して、商業的に利用可能な油層の存在を確認するために、掘削孔の周囲地層を検層することが求められる。このような地層の検層手法として、例えば非特許文献1に記載されているような音波検層方法がある。この方法は、音波の伝搬時間が地層の種類によって相違することを利用している。図13は音波検層の測定原理を示す模式図である。その一端側に音波発信器91が、他端側に互いに間隔を置いて第1、第2音波受信機92、93が取り付けられた長尺の柱状体プローブ90が、掘削孔9内に投入される。   In the case of oil field exploration, it is required to log the formation around the excavation hole in order to confirm the existence of a commercially available oil reservoir. As such a well logging technique, there is a sound wave logging method as described in Non-Patent Document 1, for example. This method uses the fact that the propagation time of sound waves varies depending on the type of formation. FIG. 13 is a schematic diagram showing the measurement principle of sonic logging. A long columnar probe 90 having a sound wave transmitter 91 on one end side and first and second sound wave receivers 92 and 93 spaced from each other on the other end side is inserted into the excavation hole 9. The

音波発信器91から音波パルスが発信されると、音波伝搬の臨界角度でA点より掘削孔の周壁に入射し、該周壁及びその周辺地層に沿って伝搬する。その後音波パルスは、B点より近い側の第1音波受信機92に、続いてC点より遠い側の第2音波受信機93にそれぞれ入射する。音波パルスの発信後、第1音波受信機92で前記音波パルスが検出されるまでの時間t1と、第2音波受信機93で前記音波パルスが検出されるまでの時間t2との時間差Δtとを求めることで、A点からC点付近の地層を推定することができる。   When a sound wave pulse is transmitted from the sound wave transmitter 91, it enters the peripheral wall of the excavation hole from the point A at a critical angle of sound wave propagation, and propagates along the peripheral wall and the surrounding formation. Thereafter, the sound wave pulse is incident on the first sound wave receiver 92 on the side closer to the point B and subsequently on the second sound wave receiver 93 on the side farther than the point C. After the transmission of the sound wave pulse, a time difference Δt between a time t1 until the sound wave pulse is detected by the first sound wave receiver 92 and a time t2 until the sound wave pulse is detected by the second sound wave receiver 93 is obtained. By determining, it is possible to estimate the formation in the vicinity of point C from point A.

ところで、音波のような振動を検知するセンサ要素として、例えば非特許文献2に示されているようなFOD(Fiber Optic Doppler)センサが知られている。FODセンサは、光ファイバに与えられた振動で光ファイバの経路長が伸縮することに伴い、伝送光の周波数がドップラー効果により変調されることを利用したセンサである。このようなFODセンサは、岩盤の微小破壊音の計測用途への適用も検討されている(例えば非特許文献3参照)。   By the way, as a sensor element for detecting vibration such as a sound wave, for example, a FOD (Fiber Optic Doppler) sensor as shown in Non-Patent Document 2 is known. The FOD sensor is a sensor that utilizes the fact that the frequency of transmitted light is modulated by the Doppler effect as the path length of the optical fiber expands and contracts due to vibration applied to the optical fiber. Such FOD sensors are also being studied for application to the measurement of microfault sound of rock (see Non-Patent Document 3, for example).

独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構発行「石油・天然ガス用語辞典」/「音波検層」の項目“Oil and Natural Gas Glossary of Terms” / “Sonic Logging” issued by the Japan Natural Oil and Metals National Corporation ”Doppler Effect in Flexible and Expandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration/Acoustic Sensor”, Kazuro Kageyama et al, JOUNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.24, NO.4, APRIL 2006“Doppler Effect in Flexible and Expandable Light Waveguide and Development of New Fiber-Optic Vibration / Acoustic Sensor”, Kazuro Kageyama et al, JOUNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.24, NO.4, APRIL 2006 「光ファイバ振動センサの高感度化と軟岩供試体破壊時のAE測定」森孝生他、第36回岩盤力学に関するシンポジウム講演論文集2007.1、pp.239−244"High-sensitivity optical fiber vibration sensor and AE measurement when soft rock specimen is broken" Takao Mori et al., Proceedings of the 36th Symposium on Rock Mechanics 2007.1, pp. 239-244

従来の音波検層手法に用いられている音波発信器及び音波受信機は、専ら電気的な機器である。このため、電線類の配線が必須となり、分解能を向上させるために音波受信機を多数搭載すると、その配線は複雑化すると共にプローブの大型化も避けられない。さらに、これら電気機器は掘削された生産油井に恒久的に据置することが困難であり、産油を続ける生産油井の周辺地層の変化をモニターすることができないという課題があった。   The sound wave transmitter and the sound wave receiver used in the conventional sound wave logging method are exclusively electrical devices. For this reason, wiring of electric wires becomes indispensable, and when many sound wave receivers are mounted in order to improve resolution, the wiring becomes complicated and an increase in the size of the probe is inevitable. Furthermore, it is difficult to permanently install these electrical devices in the drilled production well, and there is a problem that it is impossible to monitor changes in the surrounding formations of the production well where oil production continues.

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、光ファイバを利用したコンパクトな音波検層システム、及びこれが恒久的に適用された土質検層構造を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a compact acoustic logging system using an optical fiber and a soil logging structure to which this is permanently applied.

本発明の一の局面に係る光ファイバ式音波検層システムは、波長が異なる複数の検知光を発生するWDM光源と、前記複数の検知光が個々に入射される、複数の音波検知用の光ファイバセンサ部を有するソニックモジュールと、前記光ファイバセンサ部を経由した前記複数の検知光を検出する計測手段と、前記複数の検知光を、前記WDM光源及び前記計測手段と、前記光ファイバセンサ部との間で伝送する中継光ファイバと、前記中継光ファイバと前記光ファイバセンサ部との接続部に介在され、前記中継光ファイバ内を伝送される複数の検知光のうちの一つが、各光ファイバセンサ部にそれぞれ割り当てられる伝送状態を形成する光合分波手段と、音波を伝搬可能な検知対象物に前記ソニックモジュールを固着させる固定手段と、を備えることを特徴とする(請求項1)。   An optical fiber acoustic wave logging system according to one aspect of the present invention includes a WDM light source that generates a plurality of detection lights having different wavelengths, and a plurality of sound detection lights that are individually incident on the plurality of detection lights. A sonic module having a fiber sensor; a measuring means for detecting the plurality of detection lights passing through the optical fiber sensor; the plurality of detection lights; the WDM light source; the measurement means; and the optical fiber sensor. One of a plurality of detection lights transmitted through the repeater optical fiber is interposed between the repeater optical fiber transmitted between the repeater optical fiber and a connection part between the repeater optical fiber and the optical fiber sensor unit. Optical multiplexing / demultiplexing means for forming a transmission state assigned to each of the fiber sensor units, and fixing means for fixing the sonic module to a detection target capable of propagating sound waves. Characterized in that (claim 1).

この構成によれば、ソニックモジュールが固定手段により検知対象物に固定されるので、各光ファイバセンサ部に検知対象物から音波が伝搬される。また、各光ファイバセンサ部にはそれぞれ検知光が伝送される。音波が印加された状態の光ファイバセンサ部を経由した検知光は特性が変化するので、計測手段で該検知光を計測することで、前記光ファイバセンサ部への音波の到着を検知することができる。ここで、ソニックモジュールに伝送される複数の検知光は、WDM光源から中継光ファイバで一括して伝送され、光合分波手段で各々の光ファイバセンサ部に割り振られる構成であるので、システム構成を簡素化することができる。さらには、検知対象物に沿って、光ファイバを用いた光通信路を確保することも可能となる。   According to this configuration, since the sonic module is fixed to the detection target by the fixing means, the sound wave is propagated from the detection target to each optical fiber sensor unit. Also, detection light is transmitted to each optical fiber sensor unit. Since the characteristics of the detection light that has passed through the optical fiber sensor unit to which the sound wave has been applied change, it is possible to detect the arrival of the sound wave to the optical fiber sensor unit by measuring the detection light with a measuring means. it can. Here, the plurality of detection lights transmitted to the sonic module are collectively transmitted from the WDM light source through the relay optical fiber, and are allocated to the respective optical fiber sensor units by the optical multiplexing / demultiplexing means. It can be simplified. Furthermore, an optical communication path using an optical fiber can be secured along the detection target.

上記構成において、前記検知対象物を伝搬させる音波を発生する音源装置をさらに備えることが望ましい(請求項2)。この構成によれば、検知対象物を伝搬させる音波を自発的に発生させることができるので、音波検層作業の効率化を図ることができる。   In the above configuration, it is desirable to further include a sound source device that generates a sound wave that propagates the detection target. According to this configuration, the sound wave propagating through the detection target can be spontaneously generated, so that the efficiency of the sound wave logging work can be improved.

或いは、前記検知対象物が地層であって、該地層を伝搬させる音波として、微小地震を活用しても良い(請求項3)。この構成によれば、高い頻度で自然発生する微小地震を利用するので、音源装置のシステムへの組み入れを省くことができる。   Alternatively, the detection object is a formation, and a microearthquake may be used as a sound wave propagating through the formation (Claim 3). According to this configuration, since micro earthquakes that occur naturally at a high frequency are used, the incorporation of the sound source device into the system can be omitted.

上記構成において、前記光ファイバセンサ部が、ドップラー効果を利用した光ファイバ振動センサで構成され、前記中継光ファイバは、前記WDM光源から前記光ファイバセンサ部へ前記検知光を伝送する第1中継光ファイバと、前記光ファイバセンサ部から前記計測手段へ前記検知光を伝送する第2中継光ファイバとを含み、前記計測手段は、前記光ファイバ振動センサを通過した前記検知光の周波数変調を検出する構成とすることができる(請求項4)。この構成によれば、いわゆるFOD(Fiber Optic Doppler)センサを用いて、音波の到着を検出させることができる。   In the above configuration, the optical fiber sensor unit includes an optical fiber vibration sensor using a Doppler effect, and the relay optical fiber transmits the detection light from the WDM light source to the optical fiber sensor unit. A second relay optical fiber that transmits the detection light from the optical fiber sensor unit to the measurement unit, and the measurement unit detects frequency modulation of the detection light that has passed through the optical fiber vibration sensor. It can be set as a structure (Claim 4). According to this configuration, the arrival of a sound wave can be detected using a so-called FOD (Fiber Optic Doppler) sensor.

或いは、前記光ファイバセンサ部が、ファイバーブラッググレーティングで構成され、前記中継光ファイバは、前記WDM光源から前記光ファイバセンサ部へ前記検知光を伝送する第3中継光ファイバを含み、前記計測手段は、前記ファイバーブラッググレーティングで反射された前記検知光の反射光のブラッグ波長シフトを検出する構成とすることができる(請求項5)。この構成によれば、いわゆるFBG(Fiber Bragg Grating)センサを用いて、音波の到着を検出させることができる。   Alternatively, the optical fiber sensor unit is configured by a fiber Bragg grating, and the relay optical fiber includes a third relay optical fiber that transmits the detection light from the WDM light source to the optical fiber sensor unit, and the measurement unit includes The Bragg wavelength shift of the reflected light of the detection light reflected by the fiber Bragg grating can be detected. According to this configuration, the arrival of a sound wave can be detected using a so-called FBG (Fiber Bragg Grating) sensor.

上記構成において、前記ソニックモジュールは、複数の前記光ファイバセンサ部を互いに離間させた状態で保持する保持部材を備えることが望ましい(請求項6)。この構成によれば、ソニックモジュールの取り扱い性を向上させることができ、検知対象物への据え付け固定作業を容易にすることができる。   In the above-described configuration, it is desirable that the sonic module includes a holding member that holds the plurality of optical fiber sensor portions in a state of being separated from each other. According to this configuration, it is possible to improve the handleability of the sonic module and facilitate the installation and fixing work to the detection target.

この場合、前記保持部材が、前記検知対象物よりも伝音性が低い弾性部材からなることが望ましい(請求項7)。この構成によれば、前記保持部材の伝音性を低下させ、光ファイバセンサ部間において音波を減衰させることができる。   In this case, it is desirable that the holding member is made of an elastic member having lower sound transmission than the detection target. According to this configuration, the sound transmission property of the holding member can be reduced, and sound waves can be attenuated between the optical fiber sensor portions.

上記構成において、前記検知対象物が地層であり、前記固定手段がセメントであることは、好ましい態様の一つである(請求項8)。この構成によれば、ソニックモジュールの地層に対する固着性、つまり地層からの伝音性を良好なものとすることができる。   In the above configuration, it is one of preferred embodiments that the detection object is a formation and the fixing means is cement (Claim 8). According to this configuration, the adherence of the sonic module to the formation, that is, the sound transmission from the formation can be improved.

本発明の他の局面に係る土質検層構造は、土中に掘削された掘削孔に挿入されるケーシングパイプと、前記掘削孔の周囲地層を検層する上記の光ファイバ式音波検層システムとを備え、前記ソニックモジュールが、前記ケーシングパイプの所定位置に添設されていることを特徴とする(請求項9)。この構成によれば、油田の試掘等に際して、掘削孔の周囲の地層の素性を探知できるコンパクトな土質検層構造を提供することができる。   A soil logging structure according to another aspect of the present invention includes a casing pipe inserted into a drilling hole excavated in the soil, and the above-described optical fiber type acoustic logging system for logging a surrounding formation of the drilling hole. The sonic module is attached to a predetermined position of the casing pipe (claim 9). According to this configuration, it is possible to provide a compact soil logging structure capable of detecting the features of the formation around the excavation hole when the oil field is tested.

この場合、前記掘削孔の周壁と前記ケーシングパイプ外周面との間に隙間が存在し、前記ソニックモジュールが、前記ケーシングパイプの外周部に添設され、前記固定手段が、前記隙間を埋めるセメントであることが望ましい(請求項10)。この構成によれば、地層からソニックモジュールへの伝音性を良好なものとすることができる。   In this case, a gap exists between the peripheral wall of the excavation hole and the outer peripheral surface of the casing pipe, the sonic module is attached to the outer peripheral portion of the casing pipe, and the fixing means is cement that fills the gap. It is desirable to be present (claim 10). According to this structure, the sound transmission property from the formation to the sonic module can be improved.

本発明によれば、光ファイバによる音波検知技術を用いて、構成がシンプルで、コンパクトな音波検層システム、及びこれが適用された土質検層構造を提供することができる。従って、油田の試掘等に際して行われる検層作業の効率化に寄与することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a compact acoustic logging system having a simple configuration and a soil logging structure to which the acoustic logging system is applied, using an acoustic detection technique using an optical fiber. Therefore, it can contribute to the efficiency improvement of the logging work performed at the time of oil field trial drilling or the like.

本発明の実施形態に係る光ファイバ式音波検層システムの概略構成を示す図である。It is a figure showing a schematic structure of an optical fiber type sound wave logging system concerning an embodiment of the present invention. ソニックモジュールの一例を示す図であって、(a)は側面図、(b)は上面図である。It is a figure which shows an example of a sonic module, (a) is a side view, (b) is a top view. ソニックモジュールの他の例を示す側面図である。It is a side view which shows the other example of a sonic module. (a)〜(c)は、油井の掘削手順を示す模式的な側断面図である。(A)-(c) is typical sectional drawing which shows the excavation procedure of an oil well. 油井の構造を示す模式的な側断面図である。It is a typical sectional side view which shows the structure of an oil well. ソニックモジュールの敷設態様を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the installation aspect of a sonic module. 光ファイバ式音波検層システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of an optical fiber type acoustic logging system. FODセンサ方式による音波検出を説明するためにブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the sound wave detection by a FOD sensor system. 光ファイバ式音波検層システムの他の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other structure of an optical fiber type acoustic logging system. FBGセンサ方式のソニックモジュールの例を示す側面図である。It is a side view which shows the example of the sonic module of a FBG sensor system. FBGセンサ方式による音波検出を説明するためにブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the sound wave detection by a FBG sensor system. ソニックモジュールによる音波検層を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the sound wave logging by a sonic module. 従来の音波検層を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the conventional sonic logging.

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る光ファイバ式音波検層システムD(土質検層構造)の概略構成を示す図である。本実施形態では、油田の試掘において掘削されるボーリング孔H(掘削孔)の周囲地層を検知対象として検層する場合に適用される光ファイバ式音波検層システムDを例示する。音波検層システムDは、WDM(Wavelength Division Multiplexing)光源10、ソニックモジュール20、計測装置30(計測手段)、中継光ファイバ40及び音源装置50を含む。WDM光源10及び計測装置30はユニット化され、一つの検層装置100内に組み付けられている。この検層装置100は、地上に配置される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical fiber type acoustic logging system D (soil logging structure) according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, an optical fiber type acoustic logging system D applied when logging around a borehole H (excavation hole) drilled in an oil field trial drilling as a detection target is illustrated. The acoustic logging system D includes a WDM (Wavelength Division Multiplexing) light source 10, a sonic module 20, a measuring device 30 (measuring means), a relay optical fiber 40, and a sound source device 50. The WDM light source 10 and the measuring device 30 are unitized and assembled in one logging device 100. The logging device 100 is disposed on the ground.

WDM光源10は、波長が異なる複数の検知光を発生する光源である。このWDM光源10としては、異なる発光波長を有するレーザダイオード(LD)が複数搭載された多波長光源、同種のLDを複数搭載した光源であって、各LDの素子温度、駆動電流或いはフィルタ条件を異ならせることで多波長化した光源を用いることができる。若しくは、スーパーコンティウム(SC)光源、ASE光源等も用いることができる。中継光ファイバ40としてシングルモード光ファイバが用いられる場合は、伝送損失を抑制できる1.3μm帯域又は1.5μm帯域において複数の波長の光を発生できる光源であることが望ましい。   The WDM light source 10 is a light source that generates a plurality of detection lights having different wavelengths. The WDM light source 10 includes a multi-wavelength light source in which a plurality of laser diodes (LDs) having different emission wavelengths are mounted, and a light source in which a plurality of the same type of LDs are mounted. The element temperature, drive current, or filter condition of each LD is determined. By making them different, a light source having multiple wavelengths can be used. Alternatively, a super continuum (SC) light source, an ASE light source, or the like can also be used. When a single mode optical fiber is used as the relay optical fiber 40, it is desirable that the light source be capable of generating light of a plurality of wavelengths in the 1.3 μm band or 1.5 μm band that can suppress transmission loss.

ソニックモジュール20は、複数の音波検知用の光ファイバセンサ部(図2、図3に基づき後述する)を有する、音響情報検出のためのモジュールである。本実施形態では、ソニックモジュール20は、ボーリング孔Hの周囲地層(検知対象物)を伝搬する音波を検出する。このため、ソニックモジュール20は、ボーリング孔Hの検層対象箇所に、該ボーリング孔Hの周壁からの伝音が良好に行われるように、前記周壁に対して固定される。この固定構造については、図6に基づき後述する。   The sonic module 20 is a module for detecting acoustic information having a plurality of optical fiber sensor units for detecting sound waves (described later based on FIGS. 2 and 3). In the present embodiment, the sonic module 20 detects sound waves that propagate in the surrounding formation (detection target) of the borehole H. For this reason, the sonic module 20 is fixed to the peripheral wall so that sound transmission from the peripheral wall of the borehole H can be satisfactorily performed at the logging target portion of the borehole H. This fixing structure will be described later with reference to FIG.

計測装置30は、ソニックモジュール20の各光ファイバセンサ部を通過(経由)した複数の検知光を検出し、各光ファイバセンサ部が音波を検知したか否かを、時間情報に関連付けて測定する。本実施形態では、光ファイバセンサ部として、ドップラー効果を利用した光ファイバ振動センサ(FODセンサ)が用いられる例を先ず示す。この場合、計測装置30は、FODセンサを通過した前記検知光の周波数変調を検出することで、音波を検知する(詳細は図7、図8に基づき後述する)。なお、光ファイバセンサ部として、ファイバーブラッググレーティングセンサ(FBGセンサ)が用いられる他の実施形態では、FBGセンサで反射された前記検知光の反射光のブラッグ波長シフトを検出することで、音波を検知する(詳細は図9〜図11に基づき後述する)。   The measuring device 30 detects a plurality of detection lights that have passed (via) each optical fiber sensor unit of the sonic module 20, and measures whether or not each optical fiber sensor unit has detected a sound wave in association with time information. . In the present embodiment, an example in which an optical fiber vibration sensor (FOD sensor) using the Doppler effect is used as the optical fiber sensor unit will be described first. In this case, the measuring device 30 detects sound waves by detecting frequency modulation of the detection light that has passed through the FOD sensor (details will be described later with reference to FIGS. 7 and 8). In another embodiment in which a fiber Bragg grating sensor (FBG sensor) is used as the optical fiber sensor unit, a sound wave is detected by detecting a Bragg wavelength shift of the reflected light of the detection light reflected by the FBG sensor. (Details will be described later with reference to FIGS. 9 to 11).

中継光ファイバ40は、WDM光源10が発する複数の検知光を、WDM光源10及び前記計測装置30(地上に配置)と、ソニックモジュール20の光ファイバセンサ部(ボーリング孔H内に配置)との間で伝送する。本実施形態では、中継光ファイバ40は、WDM光源10からソニックモジュール20の光ファイバセンサ部へ前記検知光を伝送する第1中継光ファイバ41と、前記光ファイバセンサ部を通過した前記検知光を、計測装置30へ伝送する第2中継光ファイバ42とを含む。   The relay optical fiber 40 is configured to detect a plurality of detection lights emitted from the WDM light source 10 between the WDM light source 10 and the measuring device 30 (arranged on the ground) and the optical fiber sensor unit (arranged in the borehole H) of the sonic module 20. Transmit between. In the present embodiment, the relay optical fiber 40 includes the first relay optical fiber 41 that transmits the detection light from the WDM light source 10 to the optical fiber sensor unit of the sonic module 20, and the detection light that has passed through the optical fiber sensor unit. , And a second relay optical fiber 42 that transmits to the measuring device 30.

音源装置50は、ボーリング孔Hの周囲地層に伝搬させる音波を発生する。音源装置50としては、20kHz〜30kHz程度の超音波パルスを電気的に発生する超音波発信器を用いることができる。勿論、可聴音を発生する音源装置50であっても良い。音源装置50は、ボーリング孔Hの適所に配置することができ、例えば図1で示しているように孔底に配置したり、ボーリング孔Hの周壁に取り付けたり、或いは吊止部材でボーリング孔H内に吊設したりすることができる。音源装置50に対する電気供給は、電線のボーリング孔Hへの敷設、電池電源の内蔵の手段を採用することができる。或いは、中継光ファイバ40としてメタルコート光ファイバを用いるようにし、そのメタル層を音源装置50に対する給電経路として用いるようにしても良い。   The sound source device 50 generates a sound wave to be propagated to the surrounding stratum around the borehole H. As the sound source device 50, an ultrasonic transmitter that electrically generates an ultrasonic pulse of about 20 kHz to 30 kHz can be used. Of course, the sound source device 50 that generates an audible sound may be used. The sound source device 50 can be arranged at an appropriate position of the boring hole H. For example, as shown in FIG. 1, the sound source device 50 is arranged at the hole bottom, attached to the peripheral wall of the boring hole H, or a boring hole H with a suspension member. It can be hung inside. For supplying electricity to the sound source device 50, it is possible to use a means for laying the electric wire in the boring hole H or incorporating a battery power source. Alternatively, a metal-coated optical fiber may be used as the relay optical fiber 40 and the metal layer may be used as a power supply path for the sound source device 50.

図2は、光ファイバセンサ部としてFODセンサを備えたソニックモジュール20A(20)の一例を示す図であって、(a)はその側面図、(b)は上面図である。このソニックモジュール20Aは、保持部材21と、第1光合分波器22及び第2光合分波器23(光合分波手段)と、複数のFODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snとを含む。   2A and 2B are diagrams showing an example of a sonic module 20A (20) provided with an FOD sensor as an optical fiber sensor unit. FIG. 2A is a side view and FIG. 2B is a top view. The sonic module 20A includes a holding member 21, a first optical multiplexer / demultiplexer 22, a second optical multiplexer / demultiplexer 23 (optical multiplexing / demultiplexing means), and a plurality of FOD sensor units S1, S2, S3, S4,. Including.

保持部材21は、複数のFODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snを互いに離間させた状態で保持する部材であり、後述するケーシングパイプに外嵌可能なサイズを有する円筒型の部材である。保持部材21を構成素材としては種々の材料を用いることが出来るが、ボーリング孔Hの周囲地層よりも明らかに伝音性が低い弾性部材を用いることが好ましい。例えばカーボン繊維を用いて円筒型に成型された部材は、好ましい保持部材の一つである。このような保持部材21であれば、該保持部材21の伝音性を低下させ、FOD部センサ部S1、S2、S3、S4・・・Sn間における音波の伝搬を周囲地層に依存させることができる。   The holding member 21 is a member that holds a plurality of FOD sensor portions S1, S2, S3, S4,... Sn in a state of being separated from each other, and is a cylindrical member having a size that can be fitted onto a casing pipe described later. It is. Although various materials can be used as the constituent material of the holding member 21, it is preferable to use an elastic member that clearly has lower sound transmission than the surrounding formation of the borehole H. For example, a member formed into a cylindrical shape using carbon fiber is one of the preferable holding members. With such a holding member 21, the sound transmission property of the holding member 21 is lowered, and the propagation of sound waves between the FOD sensor units S1, S2, S3, S4,. it can.

第1光合分波器22及び第2光合分波器23は、例えばWDM通信用に用いられるアレイ導波路型回折格子(AWG)を用いた光合分波器である。第1光合分波器22は、第1中継光ファイバ41とFODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snとの接続部に介在され、第1中継光ファイバ41を伝送される複数の検知光を、それぞれのFODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snに一つの検知光が伝送されるように分波する。また、第2光合分波器23は、FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snと第2中継光ファイバ42との接続部に介在され、FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snを通過した複数の検知光を合波し、第2中継光ファイバ42に伝送させる。第1光合分波器22及び第2光合分波器23は、それぞれ保持部材21の外周面に取り付けられた台座221、231に固定されている。   The first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the second optical multiplexer / demultiplexer 23 are optical multiplexers / demultiplexers using, for example, an arrayed waveguide type diffraction grating (AWG) used for WDM communication. The first optical multiplexer / demultiplexer 22 is interposed in a connection portion between the first relay optical fiber 41 and the FOD sensor units S1, S2, S3, S4... Sn, and is transmitted through the first relay optical fiber 41. The detection light is demultiplexed so that one detection light is transmitted to each of the FOD sensor units S1, S2, S3, S4... Sn. Further, the second optical multiplexer / demultiplexer 23 is interposed in the connection portion between the FOD sensor units S1, S2, S3, S4,... Sn and the second relay optical fiber 42, and the FOD sensor units S1, S2, S3, S4. ... A plurality of detection lights that have passed through Sn are combined and transmitted to the second repeater optical fiber 42. The first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the second optical multiplexer / demultiplexer 23 are fixed to pedestals 221 and 231 attached to the outer peripheral surface of the holding member 21, respectively.

FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snは、それぞれ、保持部材21の外周面に所定ターン数だけ巻回された光ファイバ431、432、433、434・・・43nからなる。FODセンサ部S1を構成する光ファイバ431は、一端が第1光合分波器22に、他端が第2光合分波器23に各々接続され、その中間部分が保持部材21の外周面に巻回されている。また、FODセンサ部S2を構成する光ファイバ432も、同様に一端が第1光合分波器22に、他端が第2光合分波器23に各々接続され、その中間部分が、光ファイバ431の巻回位置に対して所定間隔を置いて、保持部材21の外周面に巻回されている。その他の光ファイバ433、434・・・43nも同様である。   The FOD sensor portions S1, S2, S3, S4,... Sn are made of optical fibers 431, 432, 433, 434,... 43n wound around the outer peripheral surface of the holding member 21 by a predetermined number of turns. The optical fiber 431 constituting the FOD sensor unit S1 has one end connected to the first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the other end connected to the second optical multiplexer / demultiplexer 23, and an intermediate portion wound around the outer peripheral surface of the holding member 21. It has been turned. Similarly, one end of the optical fiber 432 constituting the FOD sensor unit S2 is connected to the first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the other end thereof is connected to the second optical multiplexer / demultiplexer 23, and an intermediate portion thereof is connected to the optical fiber 431. The holding member 21 is wound around the outer peripheral surface at a predetermined interval with respect to the winding position. The same applies to the other optical fibers 433, 434,.

FODセンサは、検知対象物の振動に合わせて光ファイバが伸縮することに伴い、伝送光の波長が伸縮する現象を利用している。すなわち、周波数fの検査光が伝送されている状態において光ファイバが伸縮し経路長が変化すると、当該光ファイバの一端から他端までの間に存在する検査光の波数は一定であることから、検査光の波長が伸縮することになる。つまり、検査光の伝搬速度は一定であるので、周波数がfだけ変化するようになる(レーザドップラー効果)。この周波数変調量fは、光ファイバの伸縮時の変位速度に比例する。 The FOD sensor utilizes a phenomenon in which the wavelength of transmitted light expands and contracts as the optical fiber expands and contracts in accordance with the vibration of the detection target. That is, when the optical fiber expands and contracts and the path length changes in a state where the inspection light having the frequency f 0 is transmitted, the wave number of the inspection light existing from one end to the other end of the optical fiber is constant. The wavelength of the inspection light expands and contracts. That is, the propagation speed of the inspection light because it is constant, so the frequency is changed by f d (laser Doppler effect). This frequency modulation amount fd is proportional to the displacement speed when the optical fiber is expanded and contracted.

従って、FODセンサ部分の光ファイバ長を可及的に長くすれば、音波振動が与えられた際に、光ファイバの伸縮変位速度を早くしてセンシング感度を高くすることができる。このため、光ファイバ431、432、433、434・・・43nは、なるべく保持部材21へのターン数を増やし、各FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snにおける光ファイバ長を長尺化することが望ましい。   Therefore, if the optical fiber length of the FOD sensor portion is made as long as possible, the sensing sensitivity can be increased by increasing the expansion / contraction displacement speed of the optical fiber when a sound wave vibration is applied. For this reason, the optical fibers 431, 432, 433, 434... 43n increase the number of turns to the holding member 21 as much as possible, and increase the optical fiber length in each FOD sensor unit S1, S2, S3, S4. It is desirable to scale.

光ファイバ431、432、433、434・・・43nを保護するために、地層からの伝音性を阻害しないシート類若しくは熱収縮チューブ等で、光ファイバが巻回された保持部材21の周囲を覆うようにしても良い。或いは、保持部材21の内部に、光ファイバ431、432、433、434・・・43nを埋め込むようにしても良い。   In order to protect the optical fibers 431, 432, 433, 434... 43 n, around the holding member 21 around which the optical fiber is wound with a sheet or a heat-shrinkable tube that does not impair sound transmission from the formation. It may be covered. Alternatively, optical fibers 431, 432, 433, 434... 43 n may be embedded in the holding member 21.

図3は、FODセンサを備えた他の態様のソニックモジュール20B(20)を示す図である。このソニックモジュール20Bにおいて、保持部材21と、第1光合分波器22及び第2光合分波器23とは、図2のソニックモジュール20Aと同じである。相違するのは、複数のFODセンサ部S11、S12、S13・・・S1nにおける光ファイバ441、442、443・・・44nの設置態様である。   FIG. 3 is a diagram illustrating another embodiment of the sonic module 20B (20) including the FOD sensor. In the sonic module 20B, the holding member 21, the first optical multiplexer / demultiplexer 22, and the second optical multiplexer / demultiplexer 23 are the same as the sonic module 20A of FIG. The difference is the installation mode of the optical fibers 441, 442, 443... 44n in the plurality of FOD sensor units S11, S12, S13.

FODセンサ部S11に用いられている光ファイバ441は、一端が第1光合分波器22に、他端が第2光合分波器23に各々接続され、その中間部分に、保持部材21の周面上でループ状に巻回された受感部441Rが設けられている。また、FODセンサ部S12に用いられている光ファイバ442も同様に、一端が第1光合分波器22に、他端が第2光合分波器23に各々接続され、その中間部分に、受感部441Rに対して所定間隔を置いた位置に形成されたループ状の受感部442Rを有している。他の光ファイバ443、・・・44も同様であり、それぞれのループ状の光ファイバ巻回部からなる受感部443R、・・・44nRを有している。   The optical fiber 441 used in the FOD sensor unit S11 has one end connected to the first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the other end connected to the second optical multiplexer / demultiplexer 23. A sensing part 441R wound in a loop on the surface is provided. Similarly, the optical fiber 442 used in the FOD sensor unit S12 has one end connected to the first optical multiplexer / demultiplexer 22 and the other end connected to the second optical multiplexer / demultiplexer 23, respectively. It has a loop-shaped sensing part 442R formed at a position spaced apart from the sensing part 441R. The other optical fibers 443,... 44 are the same, and each has a sensing part 443R,.

図2のソニックモジュール20Aでは、円筒状の保持部材21の全周に光ファイバをターンさせているので、そのターンの径方向はボーリング孔Hの延伸方向と直交する方向である。従って、ソニックモジュール20AのFODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snは、ボーリング孔Hを水平に横切る方向に伝搬する横波(せん断波)に感度が高い。一方、図3のソニックモジュール20Bでは、保持部材21の周面上の一部に光ファイバのループを形成しているので、そのループの径方向はボーリング孔Hの延伸方向と平行な方向である。従って、ソニックモジュール20BのFODセンサ部S11、S12、S13・・・S1nは、ボーリング孔Hの延伸方向に伝搬する縦波に感度が高い。   In the sonic module 20 </ b> A of FIG. 2, since the optical fiber is turned around the entire circumference of the cylindrical holding member 21, the radial direction of the turn is a direction orthogonal to the extending direction of the boring hole H. Therefore, the FOD sensor portions S1, S2, S3, S4,... Sn of the sonic module 20A are highly sensitive to a transverse wave (shear wave) propagating in a direction horizontally across the borehole H. On the other hand, in the sonic module 20 </ b> B of FIG. 3, an optical fiber loop is formed on a part of the peripheral surface of the holding member 21, so the radial direction of the loop is a direction parallel to the extending direction of the boring hole H. . Therefore, the FOD sensor units S11, S12, S13,... S1n of the sonic module 20B are highly sensitive to longitudinal waves propagating in the extending direction of the boring hole H.

好ましいソニックモジュール20の態様は、このような2つのソニックモジュール20A、20Bを、一つの保持部材21に設置することである。例えば、ターン型FODセンサ部S1の配置位置の近傍にループ型FODセンサ部S11を、ターン型FODセンサ部S2の配置位置の近傍にループ型FODセンサ部S12を各々配置するというように、一つの検音ポイントにおいて、図2のターン型及び図3のループ型の光ファイバの双方を配置する。このことは、各検音ポイントにおいて、横波及び縦波に感度が高いセンサ部を具備させることになるので、音波の検知感度を高めることができる。   A preferred embodiment of the sonic module 20 is to install such two sonic modules 20 </ b> A and 20 </ b> B on one holding member 21. For example, one loop type FOD sensor unit S11 is arranged in the vicinity of the arrangement position of the turn type FOD sensor unit S1, and one type of loop type FOD sensor unit S12 is arranged in the vicinity of the arrangement position of the turn type FOD sensor unit S2. At the sound detection point, both the turn type optical fiber of FIG. 2 and the loop type optical fiber of FIG. 3 are arranged. This means that at each sound detection point, a sensor unit having high sensitivity to the transverse wave and the longitudinal wave is provided, so that the detection sensitivity of the sound wave can be increased.

このようなソニックモジュール20は、ボーリング孔Hの周囲地層から音波が伝搬されるように、ボーリング孔Hの周壁面に固着される。本実施形態では、この固着のためにコンクリートCe(図6参照)が用いられる。かかる固着構造を説明する前に、一般的な油井の構造について説明する。図4の(a)〜(c)は、油井の掘削手順を示す模式的な側断面図である。   Such a sonic module 20 is fixed to the peripheral wall surface of the borehole H so that the sound wave is propagated from the surrounding formation of the borehole H. In this embodiment, concrete Ce (see FIG. 6) is used for this fixation. Before explaining such a fixing structure, a general oil well structure will be explained. (A)-(c) of Drawing 4 is a typical sectional side view showing the excavation procedure of an oil well.

先ず、図4(a)に示すように、地上面Gから地中に向けて、例えばロータリー掘削法により第一次孔H1(ボーリング孔Hの一部)が掘削される。ロータリー掘削法は、先端に岩盤を破壊するビットが取り付けられたドリルストリングを軸回りに回転させつつ、掘削流体の循環によって掘り屑を除去して地層を掘り進む掘削法である。所定の深度の第一次孔H1が掘削されたら、一旦ドリルストリングが引き上げられる。   First, as shown in FIG. 4 (a), the primary hole H1 (a part of the boring hole H) is excavated from the ground surface G into the ground by, for example, a rotary excavation method. The rotary excavation method is an excavation method in which a drill string having a bit attached to a rock at the tip is rotated around an axis, and excavation fluid is circulated to remove digging waste and dig into the formation. Once the primary hole H1 having a predetermined depth is excavated, the drill string is once pulled up.

所定の深度の第一次孔H1が掘削されたら、図4(b)に示すように、第一次孔H1内に第1ケーシングパイプCa1が挿入される。この第1ケーシングパイプCa1は、掘削した第一次孔H1の保護のために挿入されるもので、シームレス鉄パイプ等からなり、その外径は第一次孔H1の孔径よりもやや小さい。その後、第1ケーシングパイプCa1と第一次孔H1との間の隙間にセメント液が圧入され、第1セメント層Ce1が第1ケーシングパイプCa1の周囲に形成される。このセメンチングによって、第1ケーシングパイプCa1が固定化される。   When the primary hole H1 having a predetermined depth is excavated, as shown in FIG. 4B, the first casing pipe Ca1 is inserted into the primary hole H1. The first casing pipe Ca1 is inserted to protect the excavated primary hole H1, and is composed of a seamless iron pipe or the like, and its outer diameter is slightly smaller than the diameter of the primary hole H1. Thereafter, the cement liquid is press-fitted into the gap between the first casing pipe Ca1 and the primary hole H1, and the first cement layer Ce1 is formed around the first casing pipe Ca1. By this cementing, the first casing pipe Ca1 is fixed.

続いて、図4(c)に示すように、同様な手法でさらに深い掘削孔が形成される。すなわち、第1ケーシングパイプCa1内を通して上記ドリルストリングが下降され、第一次孔H1の底面からさらに深部へ地層が掘り進められ、第二次孔H2が掘削される。第二次孔H2は、第1ケーシングパイプCa1の内径とほぼ同じである。この第二次孔H2内に第2ケーシングパイプCa2が挿入されると共に、第二次孔H2と第2ケーシングパイプCa2との間の隙間にセメント液が圧入され、第2セメント層Ce2が形成される。以下、同様な手順で、所望の深度まで掘り進められる。近年では、深いもので5000m以上の深さの孔が掘削される。   Subsequently, as shown in FIG. 4C, a deeper excavation hole is formed by the same method. That is, the drill string is lowered through the inside of the first casing pipe Ca1, the formation is further dug deeper from the bottom surface of the primary hole H1, and the secondary hole H2 is excavated. The secondary hole H2 is substantially the same as the inner diameter of the first casing pipe Ca1. The second casing pipe Ca2 is inserted into the secondary hole H2, and the cement liquid is press-fitted into the gap between the secondary hole H2 and the second casing pipe Ca2, thereby forming a second cement layer Ce2. The Thereafter, digging is carried out to a desired depth in the same procedure. In recent years, holes deeper than 5000 m have been excavated.

図5は、油井の構造を示す模式的な側断面図である。n番目に掘削された第n次孔Hnの周囲地層に油層が存在したとする。この場合、第n次孔Hnに挿入されている第nケーシングパイプCan、及びその周囲の第nセメント層Cenの一部が爆破され、パーフォレーション部Ca−Pが形成される。油層に含浸されている原油は、パーフォレーション部Ca−Pを通して第n次孔Hn内に進入する。   FIG. 5 is a schematic side sectional view showing the structure of an oil well. It is assumed that there is an oil layer in the formation surrounding the n-th n-th hole Hn excavated n-th time. In this case, the n-th casing pipe Can inserted into the n-th hole Hn and a part of the surrounding n-th cement layer Cen are blasted to form a perforation part Ca-P. Crude oil impregnated in the oil layer enters the n-th hole Hn through the perforation part Ca-P.

その後、ボーリング孔H内に、原油の汲み上げのためのチューブTuが挿入される。チューブTuの下端は、パーフォレーション部Ca−Pの近傍に配置される。されに、パーフォレーション部Ca−Pよりも上方位置においてチューブTuの周囲にパッカーP(蓋)が配置される。   Thereafter, a tube Tu for pumping crude oil is inserted into the borehole H. The lower end of the tube Tu is disposed in the vicinity of the perforation part Ca-P. In addition, the packer P (lid) is disposed around the tube Tu at a position above the perforation portion Ca-P.

以上が、油井の一般的な構造であるが、上記の油層の探知のために、同様な手法で試掘ボーリング孔が掘削される。すなわち、該試掘ボーリング孔も、ケーシングパイプと、その周囲のセメント層を有している。実施形態に係る光ファイバ式音波検層システムDは、このような試掘ボーリング孔に適用され、音波の伝搬速度に基づき孔周囲に油層が存在するか否かを探知する。   The above is the general structure of an oil well, but a borehole is drilled by a similar method in order to detect the oil reservoir. That is, the trial drilling hole also has a casing pipe and a surrounding cement layer. The optical fiber type acoustic logging system D according to the embodiment is applied to such a test boring hole, and detects whether or not an oil layer exists around the hole based on the propagation speed of the sound wave.

図6は、ソニックモジュール20の試掘用のボーリング孔HAに対する敷設態様を示す側断面図である。このボーリング孔HAには、ケーシングパイプCaが挿入されている。このケーシングパイプCaの外周に、ソニックモジュール20(ここでは、図2に示したソニックモジュール20Aを例示している)が添設されている。具体的には、ケーシングパイプCaの外周に保持部材21が被嵌され、該保持部材21の外周に配置されているFODセンサ部S1、S2、S3がボーリング孔HAの周壁と対向している。   FIG. 6 is a side cross-sectional view illustrating a laying mode of the sonic module 20 with respect to the boring hole HA for trial digging. A casing pipe Ca is inserted into the boring hole HA. A sonic module 20 (here, the sonic module 20A illustrated in FIG. 2 is illustrated) is attached to the outer periphery of the casing pipe Ca. Specifically, the holding member 21 is fitted on the outer periphery of the casing pipe Ca, and the FOD sensor portions S1, S2, and S3 disposed on the outer periphery of the holding member 21 are opposed to the peripheral wall of the boring hole HA.

この状態で、ケーシングパイプCaとボーリング孔HAとの間の隙間が、セメント層Ceで埋められている。結果として、FODセンサ部S1、S2、S3とボーリング孔HAの周壁面との間には実質的に空隙が存在せず、両者はセメント層Ceを介して地続きになっている。この構成により、ソニックモジュール20の、ボーリング孔HA周辺の地層に対する固着性、つまり地層からのFODセンサ部S1、S2、S3に対する伝音性を良好なものとすることができる。   In this state, the gap between the casing pipe Ca and the boring hole HA is filled with the cement layer Ce. As a result, there is substantially no air gap between the FOD sensor portions S1, S2, S3 and the peripheral wall surface of the boring hole HA, and both are grounded via the cement layer Ce. With this configuration, the adhesion of the sonic module 20 to the formation around the boring hole HA, that is, the sound transmission from the formation to the FOD sensor portions S1, S2, and S3 can be improved.

ソニックモジュール20の敷設に際しては、予めケーシングパイプCaの所定位置にソニックモジュール20を外嵌して固定しておくことが望ましい。そうすれば、ソニックモジュール20付きのケーシングパイプCaをボーリング孔HAに挿入し、しかる後、セメント液を該ケーシングパイプCaとボーリング孔HAとの間の隙間に注入するという掘削孔形成の通常の手法で、ソニックモジュール20を敷設することができる。   When laying the sonic module 20, it is desirable that the sonic module 20 is fitted and fixed in advance at a predetermined position of the casing pipe Ca. Then, the normal method for forming the excavation hole in which the casing pipe Ca with the sonic module 20 is inserted into the boring hole HA and then the cement liquid is injected into the gap between the casing pipe Ca and the boring hole HA. Thus, the sonic module 20 can be laid.

図7は、光ファイバ式音波検層システムDの構成を示すブロック図である。システムDは、先に説明したWDM光源10、ソニックモジュール20、計測装置30、中継光ファイバ40、第1光合分波器22及び第2光合分波器23に加えて、第1ハーフミラー11、第2ハーフミラー12、周波数変調器(AOM)13、第3光合分波器24及び第4光合分波器25を備えている。これらのエレメントは、ソニックモジュール20及び中継光ファイバ40を除いて、検層装置100の内部に組み付けられている。検層装置100はさらに、CPU101と、このCPU101で動作されるコントローラ102とを含んでいる。ここでは、ソニックモジュール20として、図2に示したソニックモジュール20Aが適用され、これに対応した計測装置30Aが備えられている例を示している。   FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber acoustic logging system D. As shown in FIG. The system D includes the first half mirror 11, in addition to the WDM light source 10, the sonic module 20, the measuring device 30, the repeater optical fiber 40, the first optical multiplexer / demultiplexer 22, and the second optical multiplexer / demultiplexer 23 described above. A second half mirror 12, a frequency modulator (AOM) 13, a third optical multiplexer / demultiplexer 24, and a fourth optical multiplexer / demultiplexer 25 are provided. These elements are assembled in the logging apparatus 100 except for the sonic module 20 and the relay optical fiber 40. The logging apparatus 100 further includes a CPU 101 and a controller 102 operated by the CPU 101. Here, an example in which the sonic module 20A shown in FIG. 2 is applied as the sonic module 20 and a measurement device 30A corresponding to the sonic module 20A is provided.

第1ハーフミラー11は、WDM光源10と第3光合分波器24との間において、WDM光源10が発生する各チャンネルの検知光λ、λ、λ、λ、・・・λが伝送される出力光ファイバ411に組み付けられ、各検知光λ、λ、λ、λ、・・・λの一部を出力光ファイバ411から分岐させる。その分岐光は、チャンネル毎の分岐光ファイバ413により導出される。 The first half mirror 11 includes detection light λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ of each channel generated by the WDM light source 10 between the WDM light source 10 and the third optical multiplexer / demultiplexer 24. n is assembled into an output optical fiber 411 that transmits n , and a part of each of the detection lights λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... λ n is branched from the output optical fiber 411. The branched light is led out by a branched optical fiber 413 for each channel.

第2ハーフミラー12は、第4光合分波器25と計測装置30Aとの間において、ソニックモジュール20Aを通過した各検知光λ′、λ′、λ′、λ′、・・・λ′が伝送される入力光ファイバ412に組み付けられ、各チャンネルの分岐光ファイバ413を入力光ファイバ412に合流させる。 The second half mirror 12 is arranged between the fourth optical multiplexer / demultiplexer 25 and the measuring device 30A so that the detected lights λ 1 ′, λ 2 ′, λ 3 ′, λ 4 ′,. The λ n ′ is assembled to the input optical fiber 412 to be transmitted, and the branch optical fiber 413 of each channel is joined to the input optical fiber 412.

AOM13は、一定周波数(例えば80MHz)の基準光を発生する発信回路を備え、分岐光ファイバ413の中間に配置されている。AOM13は、分岐光ファイバ413により導出された各検知光λ、λ、λ、λ、・・・λに基準光を加え、各検知光λ、λ、λ、λ、・・・λの周波数を変調する。変調後の各検知光λ、λ、λ、λ、・・・λは、第2ハーフミラー12を介して、入力光ファイバ412を伝送する各検知光λ′、λ′、λ′、λ′、・・・λ′に重畳される。これらの構成は、光ヘテロダイン方式で、ドップラー効果により生じる検知光の周波数変調を検出するための構成である。 The AOM 13 includes a transmission circuit that generates reference light having a constant frequency (for example, 80 MHz), and is disposed in the middle of the branch optical fiber 413. The AOM 13 adds reference light to each of the detection lights λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ,... Λ n derived by the branch optical fiber 413, and detects each of the detection lights λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4, to modulate the frequency of ··· λ n. Each detection light lambda 1 after modulation, λ 2, λ 3, λ 4, ··· λ n via the second half mirror 12, the detection light lambda 1 for transmitting an input optical fiber 412 ', lambda 2 ′, Λ 3 ′, λ 4 ′,... Λ n ′. These configurations are configurations for detecting frequency modulation of detection light caused by the Doppler effect in an optical heterodyne method.

第3、第4光合分波器24、25は、第1、第2光合分波器22と同様に、AWGを用いた光合分波器である。第3光合分波器24は、出力光ファイバ411と第1中継光ファイバ41との接続部に介在され、WDM光源10が発生する各チャンネルの検知光λ、λ、λ、λ、・・・λを合波し、第1中継光ファイバ41に伝送させる。第4光合分波器25は、第2中継光ファイバ42と入力光ファイバ412の接続部に介在され、第2中継光ファイバ42で伝送される各検知光λ′、λ′、λ′、λ′、・・・λ′が、各チャンネルの入力光ファイバ412でそれぞれ伝送されるよう分波する。 Similarly to the first and second optical multiplexer / demultiplexers 22, the third and fourth optical multiplexer / demultiplexers 24 and 25 are optical multiplexers / demultiplexers using AWG. The third optical multiplexer / demultiplexer 24 is interposed in the connection portion between the output optical fiber 411 and the first repeater optical fiber 41, and the detection light λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 of each channel generated by the WDM light source 10. the · · · lambda n multiplexes, is transmitted to the first relay optical fiber 41. The fourth optical multiplexer / demultiplexer 25 is interposed at the connection between the second repeater optical fiber 42 and the input optical fiber 412, and detects each of the detection lights λ 1 ′, λ 2 ′, λ 3 transmitted through the second repeater optical fiber 42. ′, Λ 4 ′,... Λ n ′ are demultiplexed so as to be transmitted through the input optical fibers 412 of the respective channels.

計測装置30Aは、光電変換部(O/E)31、周波数/電圧変換部(F/V)32及び表示装置33を含む。O/E31は、フォトダイオード等からなり、入力光ファイバ412を介して計測装置30Aに入射される検知光を電気信号に変換する。O/E31の出力信号は、周波数変調情報を有するドップラー信号を含む。F/V32は、周波数変調情報を電圧値に変換し復調信号を生成する素子である。表示装置33は、F/V32が出力する復調信号に基づき音波検知信号を生成し、これを画像表示させる装置である。   The measurement device 30 </ b> A includes a photoelectric conversion unit (O / E) 31, a frequency / voltage conversion unit (F / V) 32, and a display device 33. The O / E 31 includes a photodiode or the like, and converts detection light incident on the measurement device 30A via the input optical fiber 412 into an electrical signal. The output signal of the O / E 31 includes a Doppler signal having frequency modulation information. F / V 32 is an element that converts frequency modulation information into a voltage value and generates a demodulated signal. The display device 33 is a device that generates a sound wave detection signal based on the demodulated signal output from the F / V 32 and displays the image.

コントローラ102は、WDM光源10及び計測装置30Aの他、検層装置100の各種機器の動作を制御する。CPU101は、予め記憶されたプログラムに従い、コントローラ102を所定のシーケンスで動作させる。ユーザから操作信号が与えられると、CPU101はコントローラ102を起動させ、コントローラ102はシーケンスに基づいてWDM光源10、計測装置30A及びその周辺機器を動作させて音波検層動作を実行させる。   The controller 102 controls the operation of various devices of the logging apparatus 100 in addition to the WDM light source 10 and the measurement apparatus 30A. The CPU 101 operates the controller 102 in a predetermined sequence according to a program stored in advance. When an operation signal is given from the user, the CPU 101 activates the controller 102, and the controller 102 operates the WDM light source 10, the measuring device 30A, and peripheral devices based on the sequence to execute the sound wave logging operation.

次に、光ファイバ式音波検層システムDの動作を図8に基づき説明する。図8は、FODセンサ方式による音波検出を説明するためにブロック図である。ここでは、FODセンサ部Sの一つのチャンネルを抜き出して模式的にシステム構成を表しており、FODセンサ部Sに音波が到来することに伴う検知光の周波数変調量を、ヘテロダイン干渉法により検出するシステムを示す。   Next, the operation of the optical fiber type acoustic logging system D will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a block diagram for explaining sound wave detection by the FOD sensor method. Here, one channel of the FOD sensor unit S is extracted to schematically represent the system configuration, and the frequency modulation amount of the detected light accompanying the arrival of the sound wave at the FOD sensor unit S is detected by heterodyne interferometry. Indicates the system.

WDM光源10から出射された周波数fのレーザ光(検知光)は、第1ハーフミラー11により、第1中継光ファイバ41を通してソニックモジュール20AのFODセンサ部Sに向かう光と、AOM13へ向かう光とに分波される。FODセンサ部Sにおける光ファイバの経路長をLとすると、音波振動により生じる経路長Lの時間変化dL/dtに比例した周波数変調fが、FODセンサ部Sを通過する検知光に発生する。従って、音波振動が与えられた状態のFODセンサ部Sを通過し、第2中継光ファイバ42を伝送される検知光は、その周波数がf−fとなる。 Laser light (detection light) having a frequency f 0 emitted from the WDM light source 10 is transmitted by the first half mirror 11 to the FOD sensor unit S of the sonic module 20A through the first relay optical fiber 41 and to the AOM 13. And demultiplexed. Assuming that the path length of the optical fiber in the FOD sensor unit S is L, frequency modulation f d proportional to the time change dL / dt of the path length L caused by the sound wave vibration is generated in the detection light passing through the FOD sensor unit S. Therefore, the frequency of the detection light transmitted through the second repeater optical fiber 42 through the FOD sensor unit S in a state in which sound wave vibration is applied is f 0 −f d .

一方、AOM13へ向かう検知光には、AOM13により周波数fの基準光(80MHz)が重畳され、f+fに変調される。このf+fの変調光と、上記のFODセンサ部Sを経由したf−fの変調光とは、第2ハーフミラー12で合流され、両者の周波数差が顕在化したf+fの変調光が検波される。かかる変調光f+fは、O/E31で光電変換され、ドップラー信号に変換される。そしてドップラー信号は、F/V32により周波数変調量に応じた電圧信号(復調信号)に変換され、該復調信号の波形が表示装置33に表示されるものである。 On the other hand, the reference light (80 MHz) having the frequency f M is superimposed on the detection light traveling toward the AOM 13 and modulated to f 0 + f M. The modulated light of f 0 + f M and the modulated light of f 0 -f d passing through the FOD sensor unit S are merged by the second half mirror 12 and f M + f in which the frequency difference between the two is manifested. The modulated light d is detected. The modulated light f M + f d is photoelectrically converted by the O / E 31 and converted into a Doppler signal. The Doppler signal is converted into a voltage signal (demodulated signal) corresponding to the frequency modulation amount by the F / V 32, and the waveform of the demodulated signal is displayed on the display device 33.

以上の通りの原理で、ソニックモジュール20Aの各FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snに対する音波の到達が検知される。計測装置30Aでは、各FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Snへの音波到達時刻が特定される。そして、FODセンサ部S1、S2、S3、S4・・・Sn間の到達時間差をセンサ間周辺地層の音波伝搬時間と扱い、当該音波伝搬時間に基づき周辺地層の構成物質が推定される。   Based on the principle as described above, the arrival of sound waves to each of the FOD sensor units S1, S2, S3, S4,... Sn of the sonic module 20A is detected. In the measuring device 30A, the arrival time of the sound wave to each FOD sensor unit S1, S2, S3, S4... Sn is specified. And the arrival time difference between FOD sensor part S1, S2, S3, S4 ... Sn is handled as the sound wave propagation time of the surrounding stratum between sensors, and the constituent material of the surrounding stratum is estimated based on the sound wave propagation time.

続いて、他の実施形態として、FBG方式を用いた光ファイバ式音波検層システムD1について説明する。図9は、光ファイバ式音波検層システムS1の構成を示すブロック図である。システムD1は、先に説明したWDM光源10、FBG方式の光ファイバセンサ部を備えたソニックモジュール20C、計測装置30B、第3中継光ファイバ44、第5光合分波器26、第6光合分波器27、第7光合分波器28、サーキュレータ14及び分岐光ファイバ45を備えている。   Subsequently, as another embodiment, an optical fiber acoustic wave logging system D1 using the FBG method will be described. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber acoustic logging system S1. The system D1 includes the WDM light source 10 described above, the sonic module 20C including the FBG optical fiber sensor unit, the measuring device 30B, the third relay optical fiber 44, the fifth optical multiplexer / demultiplexer 26, and the sixth optical multiplexer / demultiplexer. 27, a seventh optical multiplexer / demultiplexer 28, a circulator 14 and a branch optical fiber 45.

ソニックモジュール20Cは、光ファイバセンサ部として、並列的に配置された複数のFBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nを備えている。FBGセンサは、光ファイバコアの長手方向に、屈折率が周期的に変化したブラッグ反射部(回折格子)が形成され、格子間ピッチに応じた波長(ブラッグ波長)の光を反射させる。光ファイバのブラッグ反射部の形成部分に歪み等の外力が加わると、格子間ピッチが変化することに伴い、当該ブラッグ反射部で反射される反射光の波長が変化する。この波長変化はブラッグ波長シフトと呼ばれ、そのシフト量は与えられた歪みの大きさに比例する。   The sonic module 20C includes a plurality of FBG sensor units S21, S22, S23, S24,... S2n arranged in parallel as optical fiber sensor units. In the FBG sensor, a Bragg reflector (diffraction grating) whose refractive index is periodically changed is formed in the longitudinal direction of the optical fiber core, and reflects light having a wavelength (Bragg wavelength) corresponding to the pitch between the gratings. When an external force such as strain is applied to the formation part of the Bragg reflection part of the optical fiber, the wavelength of the reflected light reflected by the Bragg reflection part changes as the interstitial pitch changes. This wavelength change is called a Bragg wavelength shift, and the shift amount is proportional to the magnitude of the applied distortion.

各FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nは、1つのブラッグ反射部を有し、それぞれ検知光λ11、λ12、λ13、λ14、・・・λ1nが入射される。各々のブラッグ反射部は、これらの波長の検知光をブラッグ波長とする格子間ピッチを有している。検知光λ11、λ12、λ13、λ14、・・・λ1nは、各々のブラッグ反射部で反射され、反射光λ11′、λ12′、λ13′、λ14′、・・・λ1n′が発生する。FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nに、音波の到来に伴う歪みが加わると、格子間ピッチは音波の大きさに応じて変化し、反射光λ11′、λ12′、λ13′、λ14′、・・・λ1n′の中心波長がブラッグ波長シフトする。一方、歪みが与えられない場合は、イニシャルのブラッグ波長の光が反射光となる。 Each of the FBG sensor units S21, S22, S23, S24,... S2n has one Bragg reflector, and the detection lights λ 11 , λ 12 , λ 13 , λ 14 ,. . Each Bragg reflector has an interstitial pitch with the detection light of these wavelengths as the Bragg wavelength. Detection light λ 11 , λ 12 , λ 13 , λ 14 ,... Λ 1n is reflected by each Bragg reflector, and reflected light λ 11 ′, λ 12 ′, λ 13 ′, λ 14 ′,. • λ 1n ′ is generated. When distortion accompanying the arrival of sound waves is applied to the FBG sensor units S21, S22, S23, S24... S2n, the pitch between lattices changes according to the magnitude of the sound waves, and the reflected light λ 11 ′, λ 12 ′, The center wavelengths of λ 13 ′, λ 14 ′,... λ 1n ′ are shifted by the Bragg wavelength. On the other hand, when no distortion is given, the light with the initial Bragg wavelength becomes reflected light.

変形実施形態として、各FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nは、2つ以上のブラッグ反射部を有していても良い。例えばFBGセンサ部S21は、センサ部用光ファイバの長手方向に、所定間隔を置いて、検知光λ11に対応した複数のブラッグ反射部を備えていても良い。 As a modified embodiment, each FBG sensor unit S21, S22, S23, S24... S2n may have two or more Bragg reflectors. For example FBG sensor section S21 is in the longitudinal direction of the sensor unit for optical fiber, at a predetermined interval, may be provided with a plurality of Bragg reflection portions corresponding to the detected light lambda 11.

図10に示すように、ソニックモジュール20Cは、先に図2に例示したものと同様な円筒型の保持部材21Cを含む。保持部材21Cの外周面には、それぞれFBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nが形成された光ファイバ461、462、463、464・・・46nが縦添えされている。各FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nは、ボーリング孔Hの延伸方向に所定間隔を置いて配置されている。この保持部材21CもケーシングパイプCaに外嵌され、図6に示したと同様に、セメント層Ceで固定化される。   As shown in FIG. 10, the sonic module 20C includes a cylindrical holding member 21C similar to the one illustrated in FIG. Optical fibers 461, 462, 463, 464,... 46n each having FBG sensor portions S21, S22, S23, S24... S2n formed thereon are vertically attached to the outer peripheral surface of the holding member 21C. Each FBG sensor part S21, S22, S23, S24... S2n is arranged at a predetermined interval in the extending direction of the boring hole H. This holding member 21C is also fitted on the casing pipe Ca, and is fixed by the cement layer Ce as shown in FIG.

第5、第6、第7光合分波器26、27、28は、第1光合分波器22と同様に、AWGを用いた光合分波器である。第5光合分波器26は、WDM光源10の出力端に接続された出力光ファイバ414と第3中継光ファイバ44との接続部に介在され、WDM光源10が発生する各チャンネルの検知光λ11、λ12、λ13、λ14、・・・λ1nを合波し、第3中継光ファイバ44に伝送させる。第6光合分波器27は、第3中継光ファイバ44とFBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nとの接続部に介在され、第3中継光ファイバ44を伝送される複数の検知光を、それぞれのFBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nに一つの検知光が伝送されるように分波する。第7光合分波器28は、分岐光ファイバ45と計測装置30Bの入力端に接続された入力光ファイバ415との接続部に介在され、分岐光ファイバ45で伝送される各反射光λ11′、λ12′、λ13′、λ14′、・・・λ1n′が、各チャンネルの入力光ファイバ415でそれぞれ伝送されるよう分波する。 Similarly to the first optical multiplexer / demultiplexer 22, the fifth, sixth, and seventh optical multiplexer / demultiplexers 26, 27, and 28 are optical multiplexers / demultiplexers using AWG. The fifth optical multiplexer / demultiplexer 26 is interposed in a connection portion between the output optical fiber 414 connected to the output end of the WDM light source 10 and the third relay optical fiber 44, and detects light λ of each channel generated by the WDM light source 10. 11 , λ 12 , λ 13 , λ 14 ,... Λ 1n are combined and transmitted to the third repeater optical fiber 44. The sixth optical multiplexer / demultiplexer 27 is interposed in the connection between the third relay optical fiber 44 and the FBG sensor units S21, S22, S23, S24... S2n, and is transmitted through the third relay optical fiber 44. The detection light is demultiplexed so that one detection light is transmitted to each of the FBG sensor units S21, S22, S23, S24... S2n. The seventh optical multiplexer / demultiplexer 28 is interposed in the connection portion between the branch optical fiber 45 and the input optical fiber 415 connected to the input end of the measuring device 30B, and each reflected light λ 11 ′ transmitted through the branch optical fiber 45. , Λ 12 ′, λ 13 ′, λ 14 ′,... Λ 1n ′ are demultiplexed so as to be transmitted through the input optical fibers 415 of the respective channels.

サーキュレータ14は、入射光と射出光とがその端子番号に循環関係を有する非可逆性の光部品である。すなわち、第1端子に入射した光は、第2端子から射出される一方で第3端子からは射出されず、第2端子に入射した光は、第3端子から射出される一方で第1端子からは射出されず、第3端子に入射した光は、第1端子から射出される一方で第2端子からは射出されない。サーキュレータ14の第1端子には第5光合分波器26から延出する第3中継光ファイバ44が、第2端子には第6光合分波器27へ向かう第3中継光ファイバ44が、第3端子には分岐光ファイバ45が夫々接続されている。従って、WDM光源10が発生する検査光は、第3中継光ファイバ44を通してソニックモジュール20Bに向かい、その反射光は、WDM光源10には向わず、第7光合分波器28(計測装置30B)に入射される。   The circulator 14 is an irreversible optical component in which incident light and outgoing light have a cyclic relationship with their terminal numbers. That is, the light incident on the first terminal is emitted from the second terminal while not emitted from the third terminal, and the light incident on the second terminal is emitted from the third terminal while the first terminal. The light incident on the third terminal is not emitted from the first terminal, but is emitted from the first terminal, but not from the second terminal. A third relay optical fiber 44 extending from the fifth optical multiplexer / demultiplexer 26 is provided at the first terminal of the circulator 14, and a third relay optical fiber 44 extending toward the sixth optical multiplexer / demultiplexer 27 is provided at the second terminal. Branch optical fibers 45 are connected to the three terminals, respectively. Accordingly, the inspection light generated by the WDM light source 10 is directed to the sonic module 20B through the third relay optical fiber 44, and the reflected light is not directed to the WDM light source 10, but the seventh optical multiplexer / demultiplexer 28 (measurement device 30B). ).

計測装置30Bは、光電変換部(O/E)34、バンドパスフィルタ(BPF)35及び表示装置36を含む。O/E34は、フォトダイオード等からなり、入力光ファイバ415を介して計測装置30Bに入射される反射光を電気信号に変換する。BPF35は、ブラッグ波長周辺の信号を抽出するフィルタ回路である。表示装置33は、BPF35が出力する電気信号に基づき、波長−光強度特性を示すグラフを生成し、これを画像表示させる装置である。   The measurement device 30B includes a photoelectric conversion unit (O / E) 34, a band pass filter (BPF) 35, and a display device 36. The O / E 34 includes a photodiode or the like, and converts the reflected light incident on the measuring device 30B via the input optical fiber 415 into an electrical signal. The BPF 35 is a filter circuit that extracts a signal around the Bragg wavelength. The display device 33 is a device that generates a graph indicating the wavelength-light intensity characteristics based on the electrical signal output from the BPF 35 and displays the graph.

次に、光ファイバ式音波検層システムD1の動作を図11に基づき説明する。図11は、FBGセンサ方式による音波検出を説明するためにブロック図である。ここでは、FBGセンサ部SBの一つのチャンネルを抜き出して模式的にシステム構成を表しており、FBGセンサ部SBに音波が到来することに伴う反射光のブラッグ波長シフトを検出するシステムを示す。   Next, the operation of the optical fiber acoustic wave logging system D1 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a block diagram for explaining sound wave detection by the FBG sensor method. Here, a system configuration is schematically shown by extracting one channel of the FBG sensor unit SB, and shows a system that detects a Bragg wavelength shift of reflected light accompanying a sound wave arriving at the FBG sensor unit SB.

WDM光源10から出射された波長λのレーザ光(検知光)は、サーキュレータ14を経て、第3中継光ファイバ44を通してソニックモジュール20CのFBGセンサ部SBに向かう。前記検知光は、FBGセンサ部SBで反射され、ブラッグ波長λの反射光が第3中継光ファイバ44を通して伝送される。この反射光は、サーキュレータ14を経て分岐光ファイバ45へ入射され、O/E34で受光され、光電変換される。その後、BPF35を経て、表示装置36で波長λの反射光の波形が表示される。 Laser light (detection light) having a wavelength λ emitted from the WDM light source 10 passes through the circulator 14 to the FBG sensor unit SB of the sonic module 20C through the third relay optical fiber 44. The detection light is reflected by the FBG sensor unit SB, and reflected light having a Bragg wavelength λ B is transmitted through the third relay optical fiber 44. The reflected light enters the branch optical fiber 45 through the circulator 14, is received by the O / E 34, and is photoelectrically converted. Thereafter, the waveform of the reflected light having the wavelength λ B is displayed on the display device 36 through the BPF 35.

ここで、FBGセンサ部SBに音波振動に起因する歪みが与えられると、上述の通り反射光の中心波長がブラッグ波長シフトする。すなわち、表示装置36で観察されている反射光の波長λが、Δλだけシフトして波長λ′の反射光が観測されるようになる。従って、音波振動のFBGセンサ部SBへの到来を知見することができる。 Here, when the distortion caused by the sound wave vibration is given to the FBG sensor unit SB, the center wavelength of the reflected light is shifted by the Bragg wavelength as described above. That is, the wavelength λ B of the reflected light observed on the display device 36 is shifted by Δλ B and the reflected light having the wavelength λ B ′ is observed. Accordingly, it is possible to know the arrival of the sound wave vibration to the FBG sensor unit SB.

以上の通りの原理で、ソニックモジュール20Cの各FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nに対する音波の到達が検知される。計測装置30Bでは、各FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2nへの音波到達時刻が特定される。そして、FBGセンサ部S21、S22、S23、S24・・・S2n間の到達時間差をセンサ間周辺地層の音波伝搬時間と扱い、当該音波伝搬時間に基づき周辺地層の構成物質が推定される。   Based on the principle as described above, the arrival of sound waves to each of the FBG sensor units S21, S22, S23, S24... S2n of the sonic module 20C is detected. In the measuring device 30B, the arrival time of the sound wave to each FBG sensor unit S21, S22, S23, S24... S2n is specified. And the arrival time difference between FBG sensor part S21, S22, S23, S24 ... S2n is handled as the sound wave propagation time of the surrounding stratum between sensors, and the constituent material of a surrounding stratum is estimated based on the said sound wave propagation time.

図12は、ソニックモジュール20A、20B又20Cによる音波検層を説明するための模式図である。ボーリング孔Hの底部に音源装置50が配置され、ボーリング孔Hの延伸方向に沿って、ソニックモジュールの光ファイバセンサ部S1〜S7が等ピッチで配置されているものとする。音源装置50から超音波パルスが発せられると、該超音波パルスは音波伝搬の臨界角度でボーリング孔Hの周壁面に入射し、ボーリング孔Hの周囲地層に沿って伝搬する。そして、音源装置50に近いセンサ部S7、S6、S5・・・の順に、超音波パルスに基づく振動が順次時刻を追って検知される。   FIG. 12 is a schematic diagram for explaining acoustic logging by the sonic modules 20A, 20B, or 20C. It is assumed that the sound source device 50 is disposed at the bottom of the boring hole H, and the optical fiber sensor portions S1 to S7 of the sonic module are disposed at an equal pitch along the extending direction of the boring hole H. When an ultrasonic pulse is emitted from the sound source device 50, the ultrasonic pulse is incident on the peripheral wall surface of the borehole H at a critical angle of propagation of the acoustic wave, and propagates along the surrounding stratum of the borehole H. And the vibration based on an ultrasonic pulse is sequentially detected over time in order of the sensor units S7, S6, S5.

一般に、ソリッドな岩盤地層では、音波の伝搬速度は速く、原油を含有するようなポーラスな岩盤地層(孔隙率が高い地層)では音波の伝搬速度は遅くなる。例えば、図12に示すように、センサ部S3の周辺地層に油層が存在し、その他の地層は孔隙率が低い地層である場合を想定する。この場合、センサ部S7、S6、S5及びS4までは、比較的高速で超音波パルスが伝搬する。しかし、センサ部S4−S3間、S3−S2間については、油層の存在により超音波パルスの伝搬速度が低下することから、センサ部S3、S2への超音波パルスの到着が遅延する。一方、センサ部S2−S1間については、油層が存在しないので、比較的高速で超音波パルスが伝搬する。   In general, the propagation speed of sound waves is high in solid rock formations, and the propagation speed of sound waves is slow in porous rock formations (layers with high porosity) that contain crude oil. For example, as shown in FIG. 12, it is assumed that an oil layer exists in the surrounding formation of the sensor unit S3 and the other formation is a formation with a low porosity. In this case, ultrasonic pulses propagate at a relatively high speed to the sensor units S7, S6, S5, and S4. However, between the sensor units S4 and S3 and between S3 and S2, the propagation speed of the ultrasonic pulse is reduced due to the presence of the oil layer, so that the arrival of the ultrasonic pulse at the sensor units S3 and S2 is delayed. On the other hand, since there is no oil layer between the sensor parts S2 and S1, ultrasonic pulses propagate at a relatively high speed.

超音波パルスは、以上のような挙動でボーリング孔Hの周辺地層を伝搬するので、各センサ部S7〜S1への超音波パルスの到着時刻を解析することで、油層の存在を知見することができる。なお、油層の深さ方向の幅は数m〜10数m程度の場合が多いので、光ファイバセンサ部S1〜S7の配置ピッチは、これに合わせて数m〜10数m程度とすることが望ましい。   Since the ultrasonic pulse propagates through the formation around the borehole H with the behavior as described above, the existence of the oil layer can be found by analyzing the arrival time of the ultrasonic pulse to each sensor unit S7 to S1. it can. In addition, since the width in the depth direction of the oil layer is often about several meters to several tens of meters, the arrangement pitch of the optical fiber sensor parts S1 to S7 should be about several meters to several tens of meters according to this. desirable.

なお、音源装置50の使用を省き、ボーリング孔Hの周辺地層を伝搬させる音波として、微小地震を活用しても良い。マグネチュード2.0〜2.9クラスの微小地震は、年間140万回程度発生している。このように、高い頻度で自然発生する微小地震を利用して、検層を行うことも出来る。この場合、震源がボーリング孔Hの底部よりも深い場合は、最深のセンサ部S7を基準センサとして、センサ部S7から他のセンサ部S6〜S1への音波振動の伝搬速度を検知すれば良い。この構成によれば、音源装置40のシステムDへの組み入れを省くことができるので、システムDを簡素化することができる。   Note that the use of the sound source device 50 may be omitted, and a microearthquake may be used as a sound wave propagating through the formation around the borehole H. A magnitude 2.0-2.9 class microearthquake occurs about 1.4 million times a year. In this way, logging can be performed using micro earthquakes that occur naturally at a high frequency. In this case, when the epicenter is deeper than the bottom of the borehole H, the propagation speed of the sonic vibration from the sensor unit S7 to the other sensor units S6 to S1 may be detected using the deepest sensor unit S7 as a reference sensor. According to this configuration, since the incorporation of the sound source device 40 into the system D can be omitted, the system D can be simplified.

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば以下のような変形実施形態をとることができる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and for example, the following modified embodiments can be taken.

(1)上記実施形態では、保持部材21に光ファイバセンサ部を構成する光ファイバを巻回する態様を例示したが、保持部材21の使用を省き、ケーシングパイプに光ファイバを直に巻回又は添設するようにしても良い。また、円筒型の保持部材21を例示したが、円弧型、短冊型の保持部材21を用いるようにしても良い。   (1) In the above embodiment, the mode in which the optical fiber constituting the optical fiber sensor unit is wound around the holding member 21 is illustrated. However, the use of the holding member 21 is omitted, and the optical fiber is wound directly on the casing pipe. You may make it attach. Further, although the cylindrical holding member 21 is illustrated, an arc-shaped or strip-shaped holding member 21 may be used.

(2)上記実施形態では、保持部材21をケーシングパイプCeの外周に配置する例を示した。これに代えて、ケーシングパイプCeの内周壁面に保持部材21を添設するようにしても良い。また、保持部材21を、鋼材のような伝音性の高い部材で構成する場合は、光ファイバセンサ部の間にスリットのような遮音部を設け、保持部材21自体の伝音性を低下させることが望ましい。   (2) In the above embodiment, an example in which the holding member 21 is disposed on the outer periphery of the casing pipe Ce has been described. Instead of this, the holding member 21 may be attached to the inner peripheral wall surface of the casing pipe Ce. Further, when the holding member 21 is formed of a member having high sound conductivity such as a steel material, a sound insulation portion such as a slit is provided between the optical fiber sensor portions to reduce the sound conductivity of the holding member 21 itself. It is desirable.

(3)上記実施形態では、FODセンサを用いたソニックモジュール20A、20Bと、FBGセンサを用いたソニックモジュール20Cとを例示した。これらFODセンサ及びFBGセンサを併用したソニックモジュールとしてもよい。すなわち、一つの保持部材21に、FODセンサ方式の光ファイバと、FBGセンサ方式の光ファイバとを搭載させるようにしても良い。   (3) In the above embodiment, the sonic modules 20A and 20B using the FOD sensor and the sonic module 20C using the FBG sensor are exemplified. It is good also as a sonic module which used these FOD sensors and FBG sensors together. That is, an FOD sensor type optical fiber and an FBG sensor type optical fiber may be mounted on one holding member 21.

(4)上記実施形態では、油井の試掘のために掘削されるボーリング孔Hの周辺地層の検層に本発明の光ファイバ式音波検層システムD、D1が適用される例を示した。検知対象物はこれに限られるものではなく、油田開発以外の用途で掘削されるボーリング孔Hの周辺地層の検層、表面地層や深海表層の検層、或いは地層以外の構造物の非破壊検層等にも本発明のシステムD、D1を適用することができる。   (4) In the above embodiment, the example in which the optical fiber type acoustic logging systems D and D1 of the present invention are applied to the logging of the formation around the borehole H drilled for the oil well test drilling is shown. The object to be detected is not limited to this. Logging of the surrounding stratum of the borehole H drilled for purposes other than oil field development, logging of surface and deep sea surface layers, or nondestructive detection of structures other than the stratum The systems D and D1 of the present invention can also be applied to layers and the like.

(5)上記実施形態では、検知対象物にソニックモジュールを固着させる固定手段としてセメント層を例示した。これは一例であり、例えば溶融樹脂で検知対象物にソニックモジュールを溶着したり、機械的な押圧力を付加して検知対象物にソニックモジュールを押し当てたりする態様であっても良い。   (5) In the said embodiment, the cement layer was illustrated as a fixing means to adhere a sonic module to a detection target. This is an example, and for example, a mode in which a sonic module is welded to a detection target with a molten resin, or a sonic module is pressed against the detection target by applying a mechanical pressing force may be used.

D、D1 光ファイバ式音波検層システム(土質検層構造)
H ボーリング孔(掘削孔)
S1、S2、S3、S4・・・Sn、S11、S12、S13、S14・・・S1n FOD部センサ部(光ファイバセンサ部)
S21、S22、S23、S24・・・S2n FBGセンサ部(光ファイバセンサ部)
Ca ケーシングパイプ
Ce セメント層(固定手段)
10 WDM光源
20、20A、20B、20C ソニックモジュール
22、23 第1光合分波器及び第2光合分波器(光合分波手段)
30、30A、30B 計測装置(計測手段)
40 中継光ファイバ
41 第1中継光ファイバ
42 第2中継光ファイバ
50 音源装置
D, D1 Optical fiber type acoustic logging system (soil logging structure)
H Boring hole (drilling hole)
S1, S2, S3, S4 ... Sn, S11, S12, S13, S14 ... S1n FOD sensor unit (optical fiber sensor unit)
S21, S22, S23, S24 ... S2n FBG sensor part (optical fiber sensor part)
Ca casing pipe Ce cement layer (fixing means)
10 WDM light source 20, 20A, 20B, 20C Sonic module 22, 23 First optical multiplexer / demultiplexer and second optical multiplexer / demultiplexer (optical multiplexing / demultiplexing means)
30, 30A, 30B Measuring device (measuring means)
40 repeater optical fiber 41 first repeater optical fiber 42 second repeater optical fiber 50 sound source device

Claims (10)

波長が異なる複数の検知光を発生するWDM光源と、
前記複数の検知光が個々に入射される、複数の音波検知用の光ファイバセンサ部を有するソニックモジュールと、
前記光ファイバセンサ部を経由した前記複数の検知光を検出する計測手段と、
前記複数の検知光を、前記WDM光源及び前記計測手段と、前記光ファイバセンサ部との間で伝送する中継光ファイバと、
前記中継光ファイバと前記光ファイバセンサ部との接続部に介在され、前記中継光ファイバ内を伝送される複数の検知光のうちの一つが、各光ファイバセンサ部にそれぞれ割り当てられる伝送状態を形成する光合分波手段と、
音波を伝搬可能な検知対象物に前記ソニックモジュールを固着させる固定手段と、
を備えることを特徴とする光ファイバ式音波検層システム。
A WDM light source that generates a plurality of detection lights having different wavelengths;
A sonic module having a plurality of optical fiber sensor parts for detecting sound waves, wherein the plurality of detection lights are individually incident;
Measuring means for detecting the plurality of detection lights via the optical fiber sensor unit;
A relay optical fiber that transmits the plurality of detection lights between the WDM light source and the measurement unit, and the optical fiber sensor unit;
One of a plurality of detection lights that are interposed in the connecting portion between the relay optical fiber and the optical fiber sensor unit and transmitted through the relay optical fiber form a transmission state assigned to each optical fiber sensor unit. Optical multiplexing / demultiplexing means to perform,
Fixing means for fixing the sonic module to a detection object capable of propagating sound waves;
An optical fiber acoustic wave logging system comprising:
前記検知対象物を伝搬させる音波を発生する音源装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ式音波検層システム。   The optical fiber acoustic logging system according to claim 1, further comprising a sound source device that generates a sound wave that propagates the detection target. 前記検知対象物が地層であって、
該地層を伝搬させる音波として、微小地震が活用されることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ式音波検層システム。
The detection object is a formation,
2. The optical fiber acoustic wave logging system according to claim 1, wherein a microearthquake is utilized as a sound wave propagating through the formation.
前記光ファイバセンサ部が、ドップラー効果を利用した光ファイバ振動センサで構成され、
前記中継光ファイバは、前記WDM光源から前記光ファイバセンサ部へ前記検知光を伝送する第1中継光ファイバと、前記光ファイバセンサ部から前記計測手段へ前記検知光を伝送する第2中継光ファイバとを含み、
前記計測手段は、前記光ファイバ振動センサを通過した前記検知光の周波数変調を検出することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバ式音波検層システム。
The optical fiber sensor unit is composed of an optical fiber vibration sensor using the Doppler effect,
The relay optical fiber includes a first relay optical fiber that transmits the detection light from the WDM light source to the optical fiber sensor unit, and a second relay optical fiber that transmits the detection light from the optical fiber sensor unit to the measurement unit. Including
The optical fiber acoustic wave logging system according to any one of claims 1 to 3, wherein the measuring means detects frequency modulation of the detection light that has passed through the optical fiber vibration sensor.
前記光ファイバセンサ部が、ファイバーブラッググレーティングで構成され、
前記中継光ファイバは、前記WDM光源から前記光ファイバセンサ部へ前記検知光を伝送する第3中継光ファイバを含み、
前記計測手段は、前記ファイバーブラッググレーティングで反射された前記検知光の反射光のブラッグ波長シフトを検出することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバ式音波検層システム。
The optical fiber sensor unit is composed of a fiber Bragg grating,
The relay optical fiber includes a third relay optical fiber that transmits the detection light from the WDM light source to the optical fiber sensor unit,
The optical fiber acoustic wave logging system according to any one of claims 1 to 3, wherein the measuring unit detects a Bragg wavelength shift of reflected light of the detection light reflected by the fiber Bragg grating.
前記ソニックモジュールは、複数の前記光ファイバセンサ部を互いに離間させた状態で保持する保持部材を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光ファイバ式音波検層システム。   The optical fiber type acoustic logging system according to claim 1, wherein the sonic module includes a holding member that holds the plurality of optical fiber sensor units in a state of being separated from each other. 前記保持部材が、前記検知対象物よりも伝音性が低い弾性部材からなることを特徴とする請求項6に記載の光ファイバ式音波検層システム。   The optical fiber acoustic wave logging system according to claim 6, wherein the holding member is made of an elastic member having a lower sound transmission property than the detection object. 前記検知対象物が地層であり、前記固定手段がセメントであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光ファイバ式音波検層システム。   The optical fiber acoustic logging system according to any one of claims 1 to 7, wherein the detection object is a formation, and the fixing means is cement. 土中に掘削された掘削孔に挿入されるケーシングパイプと、
前記掘削孔の周囲地層を検層する請求項1〜7のいずれかに記載の光ファイバ式音波検層システムと、を備え、
前記ソニックモジュールが、前記ケーシングパイプの所定位置に添設されていることを特徴とする土質検層構造。
A casing pipe inserted into a drilling hole drilled into the soil;
The optical fiber type acoustic logging system according to any one of claims 1 to 7, which logs the formation around the excavation hole,
A soil logging structure characterized in that the sonic module is attached to a predetermined position of the casing pipe.
前記掘削孔の周壁と前記ケーシングパイプ外周面との間に隙間が存在し、
前記ソニックモジュールが、前記ケーシングパイプの外周部に添設され、
前記固定手段が、前記隙間を埋めるセメントであることを特徴とする請求項9に記載の土質検層構造。

There is a gap between the peripheral wall of the excavation hole and the outer peripheral surface of the casing pipe,
The sonic module is attached to the outer periphery of the casing pipe,
The soil logging structure according to claim 9, wherein the fixing means is cement filling the gap.

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015141043A (en) * 2014-01-27 2015-08-03 国立研究開発法人海上技術安全研究所 Device and method for measuring radioactive material distribution
JP2016532108A (en) * 2013-07-30 2016-10-13 レイセオン カンパニー Optical fiber vibration detection
CN109283584A (en) * 2018-11-09 2019-01-29 青岛大地新能源技术研究院 Distribution type fiber-optic sonic test method and device applied to three-dimensional physical simulation
KR102096540B1 (en) * 2018-11-14 2020-04-02 한국지질자원연구원 Optical fiber sensor cable system for vertical seismic profiling
KR20210077237A (en) * 2019-12-17 2021-06-25 한국지질자원연구원 Optical fiber sensor cable system for measuring 3 components vibration of seismic profiling
KR20210077239A (en) * 2019-12-17 2021-06-25 한국지질자원연구원 Semipermanent optical fiber sensor cable system for vertical seismic profiling
JPWO2020208769A1 (en) * 2019-04-11 2021-12-16 株式会社東芝 Strain detector, strain detection method and electrical equipment

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09211142A (en) * 1996-01-31 1997-08-15 Schlumberger Overseas Sa Sound wave detection method and system
JP2000075041A (en) * 1998-08-28 2000-03-14 Okumura Corp Body and method for measuring wave propagation speed in bore hole
WO2003002956A1 (en) * 2001-06-27 2003-01-09 Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd. Device and method for vibration measurement
JP2003505700A (en) * 1999-07-23 2003-02-12 ウェザーフォード/ラム インコーポレーテッド An array of selective apertures for earthquake monitoring
JP2004503754A (en) * 2000-07-10 2004-02-05 ウェザーフォード/ラム インコーポレーテッド Seismic exploration method and apparatus for soil structure related to borehole
JP2005321376A (en) * 2004-04-07 2005-11-17 Tama Tlo Kk Elastic wave sensing device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09211142A (en) * 1996-01-31 1997-08-15 Schlumberger Overseas Sa Sound wave detection method and system
JP2000075041A (en) * 1998-08-28 2000-03-14 Okumura Corp Body and method for measuring wave propagation speed in bore hole
JP2003505700A (en) * 1999-07-23 2003-02-12 ウェザーフォード/ラム インコーポレーテッド An array of selective apertures for earthquake monitoring
JP2004503754A (en) * 2000-07-10 2004-02-05 ウェザーフォード/ラム インコーポレーテッド Seismic exploration method and apparatus for soil structure related to borehole
WO2003002956A1 (en) * 2001-06-27 2003-01-09 Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd. Device and method for vibration measurement
JP2005321376A (en) * 2004-04-07 2005-11-17 Tama Tlo Kk Elastic wave sensing device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6013033297; N. Zeng, C.Z. Shi, M. Zhang, L.W. Wang, Y.B. Liao, S.R. Lai: 'A 3-component fiber-optic accelerometer for well logging' Optics Communications Vol. 234, Issues 1-6,, 20040415, P. 153-162 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016532108A (en) * 2013-07-30 2016-10-13 レイセオン カンパニー Optical fiber vibration detection
JP2015141043A (en) * 2014-01-27 2015-08-03 国立研究開発法人海上技術安全研究所 Device and method for measuring radioactive material distribution
CN109283584A (en) * 2018-11-09 2019-01-29 青岛大地新能源技术研究院 Distribution type fiber-optic sonic test method and device applied to three-dimensional physical simulation
KR102096540B1 (en) * 2018-11-14 2020-04-02 한국지질자원연구원 Optical fiber sensor cable system for vertical seismic profiling
JPWO2020208769A1 (en) * 2019-04-11 2021-12-16 株式会社東芝 Strain detector, strain detection method and electrical equipment
JP7259016B2 (en) 2019-04-11 2023-04-17 株式会社東芝 STRAIN DETECTION DEVICE, STRAIN DETECTION METHOD, AND ELECTRICAL DEVICE
KR20210077237A (en) * 2019-12-17 2021-06-25 한국지질자원연구원 Optical fiber sensor cable system for measuring 3 components vibration of seismic profiling
KR20210077239A (en) * 2019-12-17 2021-06-25 한국지질자원연구원 Semipermanent optical fiber sensor cable system for vertical seismic profiling
KR102285803B1 (en) 2019-12-17 2021-08-04 한국지질자원연구원 Optical fiber sensor cable system for measuring 3 components vibration of seismic profiling
KR102285806B1 (en) 2019-12-17 2021-08-04 한국지질자원연구원 Semipermanent optical fiber sensor cable system for vertical seismic profiling

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