JP5697155B2 - 流速および流れ方向を計測するためのタービン流量計 - Google Patents

Description

技術の分野

本発明の一つの特徴は、流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスに関する。

本発明の別の特徴は、流体流れの速度および方向を計測するための方法に関する。

本発明の特定の用途は、過酷な環境、例えば油田サービス産業で見られる高圧で高温の環境での流体流れの計測に関する。

発明の背景

流体流れの速度、かくして井坑（well-bore、井戸状の穴） 内を流れる流体の流量を現場で計測するためのデバイス（装置）は、当該技術分野で既知である。流れの計測は、インペラー（impeller）またはスピナー（spinner）の回転速度の計測値に基づいて行うことができる。スピナーの回転速度は、計測デバイスを通過する流量と関連している。スピナーには、螺旋状スピナー、ベーン状スピナー（vane-like spinner）、フルボアスピナー（full-bore spinner）、または、様々な種類の流れ集中−拡散スピナーといった幾つかの種類がある。スピナーが最も一般的な流量計であるが、トルク流量計および相互相関流量計も使用され得る。

例えば、日本国特許公開公報特開平８−１６５８７９号には、坑穴流速計測デバイスが記載されている。この計測デバイスは、坑穴（bore-hole）に流入する高圧高温の流体の速度を計測する。計測装置は、流動している流体内に位置決めされるプロペラを含む。流体の速度は、プロペラの回転に変換され、これがスリットディスクに伝達される。スリットディスクは、光路を通過して送られてきた光を遮断する。光路は、第１光ファイバ、第１レンズ、圧力容器に設けられたガラスウィンドウ、反射器、第２レンズ、および、第２光ファイバから構成される。スリットディスクは、光を、断続した変調光信号に変換し、これが光検出器に提供される。断続した変調光信号は電気パルス信号に変換される。流体の速度は、単位時間当たりのパルス信号の数を計数することによって計測される。

この計測デバイスは、流れている流体の方向に関する表示を提供することができず、例えば低速流れ状態、不規則な流れ状態、等の特定の情況では正確でない。

さらに、米国特許第３，７７１，３６２号には、プロペラ型の流速インジケータが記載されている。このインジケータは、プロペラ、プロペラシャフト、光源および光検出器、並びに、光源と光検出器との間でプロペラシャフトに取り付けられたコーディング手段を含んでいる。コーディング手段は、不均一に間隔が隔てられた不透明な突出部を含む。流体の流れの速度および方向は、検出器が受け取った光から決定される。

この流速インジケータは、流れている流体の方向に関する表示を提供することができるが、例えば低速流れ状態、不規則な流れ状態、等の特定の情況では正確でない。

本発明の目的は、流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスであって、従来技術の計測デバイスの欠点の少なくとも一つを解決するデバイスを提案することである。

第１の特徴によれば、本発明は、流体流れＦＦの速度および方向を計測するためのデバイスに関するものであり、このデバイスは、
流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスであって、
前記流体流れにさらされた場合に、前記流体流れの速度および方向に依存した枢動可能手段回転速度および方向で、回転するようになされた枢動可能な手段と、
前記枢動可能な手段と連結されたモジュレータであって、前記枢動可能な手段と連動して回転するようになされたモジュレータと、
入射ビームを前記モジュレータに提供し前記モジュレータから戻りビームを受けるための光ファイバ装置と、を備え、
前記入射ビームは入射信号を含み、前記戻りビームは変調信号を含み、前記モジュレータは、前記入射信号を変調して、前記枢動可能な手段の回転速度および方向に応じた前記変調信号を形成する。

前記モジュレータは、第１角度セクタと、第２角度セクタと、第３角度セクタと、を少なくとも有するエンコーダを含んでおり、各角度セクタは所定の減衰率を有し、これにより、前記エンコーダが完全に一回転する度に、前記変調信号は第１部分、第２部分および第３部分を少なくとも含むようになる。前記デバイスは、前記変調信号の少なくとも前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分に基づいて前記流体流れの速度および方向を決定するための演算処理手段を、さらに備える。

前記エンコーダは振幅エンコーダである。前記第１角度セクタ、前記第２角度セクタおよび前記第３角度セクタは実質的に同じ角度を有し、各セクタは、他のセクタとは異なる所定のパーセンテージで前記入射ビームを透過させる。

前記モジュレータは、前記枢動可能な手段と磁気的または機械的に連結されているようにしてもよい。

有利には、前記振幅エンコーダはディスク形状を有し、前記第１角度セクタは第１半径を有し、前記第２角度セクタは第２半径を有し、前記第３角度セクタは第３半径を有し、各セクタは、前記入射ビームを実質的に遮断する材料によって形成されている。

任意であるが、前記入射ビームは、第１ビームおよび第２ビームに分割されるようにしてもよい。前記第２半径および前記第３半径は、前記第１ビーム用の第１トラックを画定するように選択される。前記第１角度セクタおよび第２角度セクタが前記第１ビームを実質的に透過させ、その一方で、前記第３角度セクタが前記第１ビームを実質的に遮断する。前記第１半径および前記第２半径は、前記第２ビーム用の第２トラックを画定するように選択される。前記第１角度セクタが前記第２ビームを実質的に透過させ、その一方で。前記第２角度セクタおよび第３角度セクタが前記第２ビームを実質的に遮断する。

代わりに、前記振幅エンコーダがディスク形状を有し、前記第１角度セクタは第１フィルタエレメントによって形成され、前記第２角度セクタは第２フィルタエレメントによって形成され、前記第３角度セクタは第３フィルタエレメントによって形成されるようにしてもよい。

前記光ファイバ装置は、
前記入射ビームを発生させるためのレーザー源と、
前記戻りビームを電気信号に変換するための検出器と、
前記レーザー源および前記検出器を光ファイバの一端に連結するためのカプラーと、
前記光ファイバの他端に設けられたビームシェーパであって、前記入射ビームを前記モジュレータに提供し前記戻りビームを前記モジュレータから受けるためのビームシェーパと、
前記ビームシェーパへ前記戻りビームを反射させるための鏡と、を含むようにしてもよい。

前記鏡は、截頭光ファイバによって形成された前記ビームシェーパと関連した凹面鏡であってもよい。

前記鏡は、コリメータによって形成された前記ビームシェーパと関連したコーナーキューブ鏡であってもよい。

前記鏡は、焦合器によって形成された前記ビームシェーパと関連した平面鏡であってもよい。

代わりに、前記光ファイバ装置は、
前記入射ビームを発生させるためのレーザー源と、
前記戻りビームを電気信号に変換するための検出器と、
前記レーザー源を前記モジュレータに連結する第１光ファイバであって、前記入射ビームを前記モジュレータに提供するための第１光ファイバと、
前記モジュレータを前記検出器に連結する第２光ファイバであって、前記戻りビームを前記検出器に提供するための第２光ファイバと、を含むようにしてもよい。

別の特徴によれば、本発明は、流体流れＦＦの速度および方向を計測するための計測装置に関するものであり、この計測装置であって、複数の波長を搬送する入射ビームを提供するレーザー源と、前記複数の波長を分離し再結合するためのマルチプレクサーと、複数の本発明によるデバイスと、を備える。各計測デバイスは特定の波長に応答し前記特定の波長に応じた戻しビームを提供する。計測装置は、前記特定の波長にしたがって複数の専用の検出器へ前記戻しビームを分配するデマルチプレクサーを、さらに備える。

さらに別な特徴によれば、本発明は、流体流れの速度および方向を計測するための方法に関する。この方法は、
前記流体流れにさらされた場合に前記流体流れの速度および方向に依存した枢動可能手段回転速度および方向で回転する枢動可能な手段と、連動して回転するモジュレータであって、複数の角度セクタを含むモジュレータに、入射信号を含む入射ビームを提供する工程と、
前記枢動可能な手段の回転速度および方向に応じて前記入射信号を変調することにより、変調信号を含む戻しビームを発生させる工程と、
前記モジュレータから前記戻しビームを受け、前記変調信号を演算処理する工程と、を備え、
前記入射信号を変調する工程は、エンコーダが完全に一回転する度に、前記変調信号が少なくとも一連の第１部分、第２部分および第３部分を含むように、前記変調信号をエンコードする工程を含み、
前記変調信号を演算処理する工程は、前記変調信号の少なくとも前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分に基づいて前記流体流れの方向を決定するため、前記一連の部分をデコーディングする工程を含み、
少なくとも前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分は、異なる振幅を有し、各角度セクタにそれぞれ対応する。

前記変調信号を演算処理する工程は、前記流体流れの速度を決定するため、単位時間当たりの前記一連の部分の数を計数する工程を、さらに含むようにしてもよい。

前記変調信号を演算処理する工程は、前記流体流れの方向を決定するため、一連の部分内での前記部分の順番を確認する工程を、さらに含むようにしてもよい。

本発明は、計測デバイスの全光学的呼掛け(全光学的問い合わせ、all-optical interrogation) を可能にする。本発明により、電子回路の機能を過酷な環境によって損なってしまうことのある計測位置の近くに電子回路が配置されることがないようにする。

したがって、本発明によれば、従来技術の計測デバイスと比較して、コンパクトさおよび信頼性の程度を高くすることができる。

さらに、本発明によれば、複数の部分を含み且つこれらの部分間の移行部がはっきりとしている変調信号を得ることができ、これにより、計測デバイスの精度が向上する。

さらに、本発明の計測デバイスは、多重通信技術を使用して、非常に効率的な方法で、同じファイバ上で様々な光学式計測デバイスと組み合わせることができる。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下に記載された実施形態を参照して明らかに説明される。

同様の参照番号を同様のエレメントに付した添付図面に、限定でなく例として本発明を示す。

図１は、代表的な陸上炭化水素井戸を示す概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態による流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスを示す概略図である。 図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の第１実施形態に適合された三種類のビームシェーパを示す図である。 図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の第１実施形態に適合された三種類のビームシェーパを示す図である。 図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の第１実施形態に適合された三種類のビームシェーパを示す図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第１変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第１変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第２変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第２変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第３変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第３変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第４変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、本発明による振幅エンコーダの第４変形例および対応するエンコード信号を示す図である。 図８は、本発明の第２実施形態による流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスを示す概略図である。 図９は、本発明の第３実施形態による流体流れの速度および方向を計測するためのデバイスを示す概略図である。 図１０は、複数の多重通信計測デバイスを含む本発明による一つの計測装置の概略図である。

図１は、井坑（well-bore）ＷＢの掘削作業を実施し、ケーシングストリング（casing string）ＣＳを延ばし、環状部ＣＡ（すなわち井坑ＷＢとケーシングストリングＣＳとの間の空間）をシールするためにセメント作業を実施した後における代表的な陸上炭化水素井戸（hydrocarbon well）の位置関係および表面機器（surface equipment、地表設備、地表機器）ＳＥを概略的に示している。

この段階では、鑿井検層(logging operation) を実施してもよい。鑿井検層は、炭化水素井戸地層の様々なパラメータ（例えば、様々な深さでの抵抗、多孔度等）、および、井坑内の様々なパラメータ（例えば、様々な深さでの温度、圧力、流体の種類、流体の流量等）を計測するのに役立つ。こうした計測は、検層工具（logging tool）ＴＬによって行われる。検層工具は、一般的には、少なくとも一つのセンサ（例えば、抵抗ゾンデ、機械的ゾンデ、γ線中性子ゾンデ、加速度計、圧力センサ、温度センサ、流量計、等）を含み、少なくとも一つのパラメータを計測する。一つまたはそれ以上のパラメータを計測する、同一または異なる複数のセンサを有していてもよい。ケーブルＬＮによって様々なパラメータについてのデータを集めるため、検層工具を坑穴（bore hole）内で上下に移動させる。

本発明によれば、ケーブルは、光ケーブルであり、井坑内に存在する潜在的に過酷な環境に対して保護されたファイバラインを含んでいる。光ケーブルは、光信号を、検層工具ＴＬから表面ユニット（地表ユニット）、例えば車輛ＳＵまで伝送する。

検層工具は、適合した表面機器ＳＥによって井坑内部に展開してもよい。表面機器ＳＥは、車輛ＳＵおよび適合した展開システム、例えば掘削リグＤＲ等を含んでいてもよい。検層工具ＴＬで集めた炭化水素地層ＧＦまたは井坑ＷＢに関するデータを、表面に、例えば適当な電子装置ＥＡを装備した車輛にリアルタイム（実時間）で伝送するようにしてもよい。電子装置は、データ収集−分析コンピュータを有していてもよく、データ収集−分析ソフトウェアが組み込まれていてもよい。

図１は、さらに、工具ＴＬがセントラライザーＣＴによって位置決めされている、表面層を備えた井坑の一部の拡大図を示している。工具ＴＬは、流量計ゾンデ（flow-meter sonde）ＦＳに連結された枢動可能な手段、例えばスピナー２を含んでいる（流体流れの速度および方向を本発明にしたがって計測するためのデバイスのこの部分を以下においてさらに詳細に説明する）。スピナーの回転速度および方向は、工具のレベルを流れる流体ＦＦの量と関連（連動）する。図１は、生産井（production well）、すなわち表面に向かって（上向きの矢印）流れる原油およびガスを産出する井戸である井坑を示している。しかしながら、井坑は、圧入井（injection well）、すなわち流体を表面から地層に向かって圧入する井戸であってもよい。

工具ＴＬは、他のセンサＯＳを含んでいてもよい。工具ＴＬは、接続ラインＬＮを通して表面機器に計測値を提供する。この検出値を工具ＴＬによる深さの計測値と相関することによって、深さに対する流れの計測値の記録（検層、log）を行うことができる。

図２は、流体流れの速度および方向を計測するための本発明の第１実施形態によるデバイス１を概略的に示している。

流体流れの速度および方向を計測するためのデバイス１は、流量計ゾンデＦＳと、光ファイバ４と、電子装置ＥＡと、を含んでいる。

流量計ゾンデＦＳは、スピナー２と、モジュレータ３と、ビームシェーパ４５と、鏡４６と、を含んでいる。モジュレータ３、ビームシェーパ４５および鏡４６は、ハウジング７内に収容されている。ハウジング７は、井坑内に存在するであろう過酷な環境（高圧、高温、振動等）に対して適切な保護をもたらし、光学的エレメントの調整された状態を許容範囲内に維持する。スピナー２はハウジングの外に配置されており、流体流れＦＦにさらされている（接触している）。スピナーは、流体流れＦＦの軸線方向成分（矢印で示す）に依存するスピナー回転速度および方向で回転する。

モジュレータ３はスピナー２に連結されており、スピナーと関連（連動）して回転する。好ましくは、モジュレータ３およびスピナー２は互いに磁気で連結されている。この構成は、流量計ゾンデＦＳの光学的エレメントを清浄な環境に維持することができる簡単な構成である。

変形例（図示せず）として、モジュレータ３およびスピナー２を互いに機械的に連結してもよい。機械的連結は、例えば、直接的なシャフトリンクと、シャフトおよびハウジング間の適当なシールと、によって形成され得る。

光ファイバ４は、流量計ゾンデＦＳを電子装置ＥＡに接続する。光ファイバ４はケーブルＬＮ内に設けられている。ケーブルＬＮには、外装が設けられていてもよい。これは、光ファイバを塩水、水素および化学的攻撃から保護し、ワイヤ−ライン作業（wire-line operation）を行うための機械的引張強度を提供する。光ファイバは、単モードファイバ（single mode fiber）および多モードファイバ（multi mode fiber）のいずれであってもよい。

電子装置ＥＡは、レーザー源４１と、検出器４２と、光カプラー４３と、電子回路５と、を含んでいる。電子装置ＥＡは、カプラー４３によって光ファイバ４に接続されている。レーザー源４１および検出器４２の光側がカプラー４３に接続されている。レーザー源４１および検出器４２の電子側が電子回路５に接続されている。電子回路５は演算処理手段６を有している。この演算処理手段は、例えば、マイクロプロセッサおよび適当なソフトウェアを組み込んだメモリー装置であってもよい。

レーザー源は、レーザービームの形態で入射ビームＩＢを生成する。レーザービームは、単波長、例えば１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍを含むようにしてもよい。波長の選択は、電子装置と流量計ゾンデとの間に配置された光ファイバの長さ（ディポート距離（deport distance））で決まる。ディポート長さが数ｍである場合には、可視領域の波長を使用してもよい。ディポート長さが数ｋｍである場合には、近赤外領域の波長が好ましい。これは、減衰が小さいためである。さらに、レーザー源の出力の選択は、展開した光ファイバの長さおよび光学的構成要素の存在に依存する。例えば、検出器での戻りビームの出力は、数μＷ程度またはそれよりも高くなければならない。

検出器４２は、戻りビームＲＢを電気信号に変換し、この信号を電子回路５に提供する。有利には、検出器４２は、光ダイオードである。

有利には、カプラーは５０／５０カプラー（50/50 coupler）であり、戻りビームＲＢを二つの等しい部分に分割する。

ビームシェーパ（beam shaper、ビーム形成器）４５および鏡４６は、距離が短い（数ｍｍ程度）何もない空間（自由空間）を形成している。スピナーの回転と関連した情報にしたがってビームを変調することができるようにして、モジュレータがこの何もない空間（自由空間）内に配置されている。ビームシェーパ４５および鏡４６は、低い損失および調整された許容範囲を維持するように設計されている。様々なビームシェーパおよび鏡の構成が可能である。

図３Ａは、ビームシェーパおよび鏡の第１の構成を示す。ビームシェーパは、截頭ファイバ（切頭ファイバ、先端が切り取られたファイバ、truncated fiber）４５Ａの形態を取っており、凹面鏡４６Ａと関連している。代表的には、截頭ファイバが提供する入射ビームは、所定の開口数ＮＡ（光軸に関する発散角）の発散ビームである。良好な整合を得るため、光ファイバの先端は、好ましくは、鏡の球中心ＳＣＰの位置に位置決めされる。この構成は、ファイバ先端の位置における許容範囲が厳密となるが、先端を中心とした光ファイバの回転による影響を受けない。

図３Ｂは、ビームシェーパおよび鏡の第２の構成を示す。このビームシェーパは、コーナーキューブ鏡（二枚の鏡で形成したＬ字形状断面を持つ鏡）４６Ｂと関連したコリメータ４５Ｂの形態を取っている。代表的には、コリメータが提供する入射ビームは、開口数が発散ビームの開口数よりも小さい平行化ビームである。コーナーキューブ鏡（corner cube mirror）は、入射角に関わらず、入射ビームを反射して入射方向に戻す。かくして、この構成は、角度および長さ方向についての許容範囲が良好であるが、横方向許容範囲が厳密である。良好な整合を得るためには、キューブのコーナーＣＣＣを入射ビーム経路の中央に置かなければならない。そうでない場合には、戻りビームが平行にシフトする。

図３Ｃは、ビームシェーパおよび鏡の第３の構成を示す。このビームシェーパは、平面鏡４６Ｃと関連した焦合器（フォーカサー、focuser）４５Ｃの形態を取っている。代表的には、焦合器が提供する入射ビームは、開口数が平行化ビームの開口数よりも大きい焦合ビームである。この形体は、長さ方向および角度についての許容範囲が良好であり、横方向で自動的に整合する。良好な整合を得るため、鏡を焦点ＦＰに位置決めし、鏡を光軸に対して垂直にする。

好ましいビームシェーパおよび鏡の構成は、第２の構成および第３の構成である。これらの構成は、高温による変形が加わった状態で安定しており、整合された状態を容易に維持することができる。

しかしながら、複数の多重通信デバイスを含む計測装置でデバイスを使用する場合には、ビームの経路でスペクトルフィルタを使用してもよい。この場合、第２のビームシェーパおよび鏡の構成が好ましい。

流体流れの速度および方向を計測するための図２に示すデバイス１は以下のように作動する。

レーザー源４１は、入射信号を含む入射ビームＩＢを発生する。入射ビームＩＢは、カプラー４３、光ファイバ４およびビームシェーパ４５を介してモジュレータ３に提供される。流体流れＦＦがデバイス１を通過するとき、スピナー２がスピナー回転速度および方向にしたがって回転する。スピナー２とモジュレータ３との間の連結により、モジュレータ３はスピナー２と協調して回転する。モジュレータ３は、入力信号を変調し、スピナーの回転速度および方向に応じて変調信号を形成する。鏡４６は、変調信号を含む戻りビームを、ビームシェーパ４５、光ファイバ４およびカプラー４３を介し、検出器４２に向けて反射する。検出器４２は、光型変調信号を電気型変調信号に変換し、この電気型変調信号を電子回路５に提供する。演算処理手段６は、変調信号に基づいて流体流れの速度および方向を計算する。

様々な可能なモジュレータの変形例およびこれらの変形例のそれぞれの作動を、以下に詳細に説明する。

図４Ａは、第１の変形例による振幅エンコーダ３０の形態を取ったモジュレータを示している。

振幅エンコーダ３０は、直径がＤであるディスク形状を有している。このディスク形状の材料には、レーザービームを実質的に遮断する特定のパターンが切り込んである。例えば、特定のパターンが金属プレートに切り込んである。エンコーダ３０は、シャフト（図示せず）に連結するための穴３８を有している。エンコーダ３０は、第１部分３１および第２部分３２を含み、これらの部分の各々は、１８０°の角度セクタを構成する。第１部分３１は、第１角度セクタ３４と、第２角度セクタ３５と、第３角度セクタ３６と、を含んでいる。第１角度セクタ３４は、第１半径Ｒ１を有し、角度θ１によって画定（形成）されている。第２角度セクタ３５は、第２半径Ｒ２を有し、実質的に同一の角度θ１によって画定（形成）されている。第３角度セクタ３６は、第３半径Ｒ３を有し、実質的に同一の角度θ１によって画定（形成）されている。

図４Ａの例では、角度θ１は６０°である。単一のビーム（シングルビーム、一光束、single beam）は所定の大きさ（横断面）を有している。かくして、第１半径Ｒ１は、単一のビームＳＢが第１角度セクタに入射したとき、前記ビームを実質的に通すように選択されている。第２半径Ｒ２は、単一のビームＳＢが第２角度セクタに入射したとき、前記ビームのほぼ半分を通すように選択されている。第３半径Ｒ３は、単一のビームＳＢが第２角度セクタに入射したとき、前記ビームを実質的に遮断するように選択されている。

第２部分３２は実質的に同一であり、したがって、これ以上説明しない。

一例として、直径Ｄは９ｍｍであり、第１半径Ｒ１は２ｍｍであり、第２半径Ｒ２は３．２５ｍｍであり、第３半径Ｒ３は４．５ｍｍである。単一のビームの直径は０．８ｍｍ乃至２ｍｍである。

図４Ｂは、図４Ａの振幅エンコーダ３０で得られたエンコード信号を示している。

エンコーダ３０が矢印にしたがって（反時計廻り方向に）回転すると、入射信号の振幅が以下のスキームにしたがって変調される。０°乃至６０°において、第１角度セクタは、入射ビームを実質的に通す。エンコード信号は、入射ビームのほぼ１００％の透過Ｔと対応する第１部分６４を含むようになる。６０°乃至１２０°において、第２角度セクタは、入射ビームのほぼ半分を通す。エンコード信号は、入射ビームのほぼ５０％の透過Ｔと対応する第２部分６５を含むようになる。１２０°乃至１８０°において、第３角度セクタは、入射ビームを実質的に遮断する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ０％の透過Ｔと対応する第３部分６６を含むようになる。単一のビームＳＢがエンコーダの第２部分３２に入射するとき、同じスキームが１８０°乃至３６０°で繰り返される。したがって、本例では、変調信号は、エンコーダが完全に一回転する度毎に、一連の第１部分６４、第２部分６５および第３部分６６を、二度繰り返す。

図５Ａは、第２の変形例による振幅エンコーダの形態を取ったモジュレータを示している。

振幅エンコーダ１３０は、直径がＤであるディスク形状を有している。このディスク形状の材料には、レーザービームを実質的に遮断する特定のパターンが切り込まれている。エンコーダ１３０は、シャフト（図示せず）に連結するための穴１３８を有している。エンコーダ１３０は、第１部分１３１および第２部分１３２を含み、これらの部分の各々は、１８０°の角度セクタを構成する。第１部分１３１は、第１角度セクタ１３４と、第２角度セクタ１３５と、第３角度セクタ１３６と、を含んでいる。第１角度セクタ１３４は、第１半径Ｒ１を有し、角度θ２によって画定（形成）されている。第２角度セクタ１３５は、第２半径Ｒ２を有し、実質的に同じ角度θ２によって画定（形成）されている。第３角度セクタ１３６は、第３半径Ｒ１３を有し、実質的に同じ角度θ２によって画定（形成）されている。

図５Ａの例では、角度θ２は６０°である。さらに、第１半径Ｒ１、第２半径Ｒ２および第３半径Ｒ３は、第１トラック１３９Ａおよび第２トラック１３９Ｂを形成するように選択されている。

第２部分１３２は実質的に同一であり、したがって、これ以上説明しない。

第２の変形例においては、単一のビームの代りに二つのビーム（デュアルビーム、二光束、dual beam）が用いられる。二つのビームは、単一のビームと比較して小さい第１ビームＤＢ１および第２ビームＤＢ２を含んでいる。第１ビームＤＢ１および第２ビームＤＢ２は、スプリット装置（図示せず）によって、発生させられる。スプリット装置は、スプリッターおよび二つの平行なコリメータを含んでいる。

第１ビームＤＢ１は、エンコーダの第１トラック１３９Ａに入射するように位置決めされる。第２ビームＤＢ２は、エンコーダの第２トラック１３９Ｂに入射するように位置決めされる。かくして、第１ビームＤＢ１は、第１および第２の角度セクタに入射したとき、実質的に通過する。第１ビームＤＢ１は、第３角度セクタに入射したとき、実質的に遮断される。第２ビームＤＢ２は、第２角度セクタおよび第３角度セクタに入射したとき、実質的に遮断される。第２ビームＤＢ２は、第１角度セクタに入射したとき、実質的に通過する。両ビームは、スプリット装置のところで再度組み合わせられて単一の戻りビームとなる。

一例として、直径Ｄは９ｍｍであり、第１半径Ｒ１は２ｍｍであり、第２半径Ｒ２は３．２５ｍｍであり、第３半径Ｒ３は４．５ｍｍである。二つのビームの各々の直径は０．２ｍｍ乃至０．４ｍｍである。

図５Ｂは、図５Ａの振幅エンコーダで得られたエンコード信号を示している。

エンコーダ１３０が矢印にしたがって（反時計廻り方向に）回転すると、入射信号の振幅が以下のスキームにしたがって変調される。０°乃至６０°において、第１部分の第１角度セクタは、第１ビームを実質的に通す。第２部分の第１角度セクタは、第２ビームを実質的に通す。エンコード信号は、入射ビームのほぼ１００％の透過Ｔと対応する第１部分１６４を含むようになる。６０°乃至１２０°において、第１部分の第２角度セクタは、第１ビームを実質的に通す。第２部分の第２角度セクタは、第２ビームを実質的に遮断する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ５０％の透過Ｔと対応する第２部分１６５を含むようになる。１２０°乃至１８０°において、第１部分および第２部分の第３角度セクタは、第１ビームおよび第２ビームをそれぞれ実質的に遮断する。エンコード信号は、入射した二つのビームのほぼ０％の透過Ｔと対応する第３部分１６６を含むようになる。第１ビームＤＢ１がエンコーダの第２部分１３２に入射し、第２ビームＤＢ２がエンコーダの第１部分１３１に入射するとき、同じスキームが１８０°乃至３６０°で繰り返される。

このように、本例では、変調信号は、エンコーダが完全に一回転する度毎に、一連の第１部分１６４、第２部分１６５および第３部分１６６を、二度繰り返す。

この変形例では、異なる部分間での移行を第１の変形例よりもはっきりとさせることができる。

図６Ａは、第３の変形例による振幅エンコーダの形態を取ったモジュレータを示している。

この振幅エンコーダ２３０は、直径がＤであるディスク形状を有している。エンコーダ２３０は、シャフト（図示せず）に連結するための穴２３８を有している。エンコーダ２３０は、３６０°の角度セクタを形成する単一の部分２３１でできている。単一の部分２３１は、第１角度セクタ２３４と、第２角度セクタ２３５と、第３角度セクタ２３６と、を含んでいる。各角度セクタは、１２０°の角度θ３によって画定（形成）されている。第１角度セクタは、第１フィルタエレメントで形成されており、第２角度セクタは、第２フィルタエレメントで形成されており、第３角度セクタは、第３フィルタエレメントで形成されている。第１フィルタエレメントは、入射ビームのほぼ１００％を透過する。第２フィルタエレメントは、入射ビームのほぼ５０％を透過する。第３フィルタエレメントは、入射ビームを実質的に遮断する。本例では、フィルタエレメントは、幅がＷとなっているエンコーダの外周部に配置されている。幅は、単一のビームＳＢが外周部に入射したときにこのビームよりも実質的に大きい大きさのウィンドウを形成するように選択されている。

一例として、直径Ｄは９ｍｍであり、周囲の幅Ｗは２ｍｍであり、単一のビームの直径は０．８ｍｍ乃至２ｍｍである。エンコーダは、透明材料、例えばガラスプレートで形成されている。様々なフィルタエレメントは、フォトリソグラフィープロセスによってガラスプレートに付着させられ厚さが制御された金属コーティングから形成されている。別の反射防止コーティングをエンコーダの両側に付着させて反射損を減少させるようにしてもよい。

図６Ｂは、図６Ａの振幅エンコーダで得られたエンコード信号を示している。

エンコーダ２３０が矢印にしたがって（反時計廻り方向に）回転すると、入射信号の振幅が以下のスキームにしたがって変調される。０°乃至１２０°において、第１角度セクタは、入射ビームを実質的に透過する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ１００％の透過Ｔと対応する第１部分２６４を含むようになる。１２０°乃至２４０°において、第２角度セクタは、入射ビームを実質的に透過する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ５０％の透過Ｔと対応する第２部分２６５を含むようになる。２４０°乃至３６０°において、第３角度セクタは、入射ビームを実質的に遮断する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ０％の透過Ｔと対応する第３部分２６６を含むようになる。

このため、本例においては、変調信号は、エンコーダが完全に一回転する度毎に、一連の第１部分２６４、第２部分２６５および第３部分２６６を、一つ含むようになる。

図７Ａは、第４の変形例による振幅エンコーダの形態を取ったモジュレータを示している。

この振幅エンコーダ３３０は、直径がＤであるディスク形状を有している。エンコーダ３３０は、シャフト（図示せず）に連結するための穴３３８を有している。エンコーダ３３０は、第１部分３３１、第２部分３３２および第３部分３３３を含み、これらの部分の各々は、１２０°の角度セクタを含んでいる。第１部分３３１は、第１角度セクタ３３４、第２角度セクタ３３５、第３角度セクタ３３６および第４角度セクタ３３７を含んでいる。各角度セクタは、３０°の角度θ４によって画定（形成）されている。第１、第２、第３および第４の角度セクタは、それぞれ、第１、第２、第３および第４のフィルタエレメントから形成されている。第１フィルタエレメントは、入射ビームを実質的に１００％透過する。第２フィルタエレメントは、入射ビームを実質的に３３％透過する。第３フィルタエレメントは、入射ビームを実質的に６６％透過する。第４フィルタエレメントは、入射ビームを実質的に遮断する。本例では、フィルタエレメントは、幅がＷとなっているエンコーダの外周部に配置されている。幅は、単一のビームＳＢが外周部に入射したとき、各フィルタエレメントが、このビームよりも実質的に大きい大きさのウィンドウを形成するように選択されている。

第２部分３３２および第３部分３３３は実質的に同じであり、したがって、これ以上説明しない。

一例として、直径Ｄは９ｍｍであり、周囲の幅Ｗは２ｍｍであり、単一のビームの直径は０．４ｍｍ乃至０．８ｍｍである。エンコーダは、透明材料、例えばガラスプレートで形成されている。様々なフィルタエレメントは、フォトリソグラフィープロセスによってガラスプレートに付着させられた、厚さが制御された金属コーティングから形成されている。別の反射防止コーティングをエンコーダの両側に付着させて反射損を減少させてもよい。

図７Ｂは、図７Ａの振幅エンコーダで得られたエンコード信号を示している。

エンコーダ３３０が矢印にしたがって（反時計廻り方向に）回転すると、入射信号の振幅は以下のスキームにしたがって変調される。０°乃至３０°において、第１角度セクタは、入射ビームを実質的に透過する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ１００％の透過Ｔと対応する第１部分３６４を含むようになる。３０°乃至６０°において、第２角度セクタは、入射ビームをほぼ３３％透過する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ３３％の透過Ｔと対応する第２部分３６５を含むようになる。６０°乃至９０°において、第３角度セクタは、入射ビームのほぼ６６％を透過する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ６６％の透過Ｔと対応する第３部分３６６を含むようになる。９０°乃至１２０°において、第４角度セクタは、入射ビームを実質的に遮断する。エンコード信号は、入射ビームのほぼ０％の透過Ｔと対応する第４部分３６７を含むようになる。

このため、本例において、変調信号は、エンコーダが完全に一回転する度毎に、一連の第１部分３６４、第２部分３６５、第３部分３６６および第４部分３６７を、四つ含むようになる。

演算処理手段は、変調信号を分析することによって、流体流れの速度および方向を決定することができる。かなりの期間に亘り、複数の連続した部分を含む一連の部分群をデコーディングすることにより、エンコーダの完全な一回転の数を決定することができる。流体の流速は、単位時間当たりのエンコーダの完全な一回転の数と比例する。かくして、速度は、単位時間当たりの一連の部分群の数を計数することによって決定される。流体の流れ方向は、一連の部分群における異なる信号部分の順番によって確認される。さらに詳細には、上文中に説明した例では、一連の部分群内での信号部分の順番は、反時計廻り方向に回転するエンコーダと対応する特定のパターンを描く（図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂおよび図７Ｂ）。信号部分の順番が逆になった場合、時計廻り方向に回転するエンコーダと対応する逆のパターンを描くようになる。

図８は、流体流れの速度および方向を計測するための本発明の第２実施形態によるデバイス１００１を概略的に示している。本発明の第２実施形態によるデバイスは、カプラーおよび単一の光ファイバの代りに、２つの光ファイバおよび第２ビームシェーパを使用する点で、第１実施形態とは異なる。

流体流れの速度および方向を計測するためのデバイス１００１は、第１光ファイバ１００４Ａおよび第２光ファイバ１００４Ｂを通して電子装置ＥＡに接続された流量計ゾンデＦＳを含んでいる。

流量計ゾンデＦＳは、スピナー１００２と、モジュレータ１００３と、第１ビームシェーパ１０４５Ａと、第２ビームシェーパ１０４５Ｂと、鏡１０４６と、を含んでいる。モジュレータ１００３、ビームシェーパ１０４５Ａおよびビームシェーパ１０４５Ｂ、並びに、鏡１０４６は、ハウジング１００７内に収容されている。ハウジング１００７は、井坑内に存在するであろう過酷な環境（高圧、高温、振動等）に対して適切な保護を提供し、光学的エレメントの調整された状態を許容範囲内に維持する。スピナー１００２はハウジングの外に配置されており、流体流れＦＦにさらされている（接触している）。スピナーは、流体流れＦＦの軸線方向成分（矢印で示す）で決まるスピナー回転速度および方向で回転する。

モジュレータ１００３は、スピナー１００２に連結されており、スピナーと関連して回転する。モジュレータ１００３およびスピナー１００２は互いに磁気で連結されていてもよいし、あるいは、機械的に連結されていてもよい。

第１光ファイバ１００４Ａおよび第２光ファイバ１００４Ｂは、流量計ゾンデＦＳを電子装置ＥＡに接続する。これらの光ファイバ１００４Ａ、１００４Ｂは、ケーブルＬＮ内に設けられている。

電子装置ＥＡは、レーザー源１０４１と、検出器１０４２と、電子回路１００５と、を含んでいる。電子回路１００５は演算処理手段１００６を有している。

レーザー源１０４１は、第１光ファイバ１００４Ａによって第１ビームシェーパ１０４５Ａに連結されている。一方の側に設けられた第１ビームシェーパ１０４５Ａおよび第２ビームシェーパ１０４５Ｂ、および、他方の側に設けられた鏡１０４６は、距離が短い（数ｍｍ）何もない空間（自由空間）をそれらの間に形成している。モジュレータ１００３は、入射ビームＩＢまたは戻りビームＲＢのいずれかをスピナーの回転と関連した情報によって変調するようにして、この何もない空間（自由空間）内に配置されている。第１光ファイバ１００４Ａおよび第１ビームシェーパ１０４５Ａは、レーザー源からモジュレータへ入射ビームＩＢを提供する。鏡が第１ビームを第２ビームシェーパ１０４５Ｂに向かって反射する。第２光ファイバ１００４Ｂおよび第２ビームシェーパ１０４５Ｂは、モジュレータから検出器への戻りビームＲＢを提供する。

有利には、鏡を除く個々のエレメントは、第１実施形態と関連して説明したものと同じ特徴を有する。好ましくは、鏡１０４６は、直交する二つの反射面を持つ直角鏡（right-angle mirror）である。入射ビームＩＢは、第１反射面に当たると、第２反射面に向かって反射される。その後、ビームは反射され、第２ビームシェーパ１０４５Ｂに戻る。入射ビームおよび戻りビームは、数ｍｍ離間されており、これにより、二つのビームシェーパを収容するのに必要な空間が確保される。モジュレータの作動原理、並びに、流体流れの速度および方向の決定は、第１実施形態に関して上文中に説明したのと同じである。

図９は、流体流れの速度および方向を計測するための本発明の第３実施形態によるデバイス２００１を概略的に示している。本発明の第３実施形態によるデバイスは、カプラー、鏡および単一の光ファイバの代りに、二つの光ファイバおよび第２ビームシェーパを使用する点で、第１実施形態と異なる。

流体流れの速度および方向を計測するためのデバイス２００１は、第１光ファイバ２００４Ａおよび第２光ファイバ２００４Ｂを通して電子装置ＥＡに接続された流量計ゾンデＦＳを含んでいる。

流量計ゾンデＦＳは、スピナー２００２と、モジュレータ２００３と、第１ビームシェーパ２０４５Ａと、第２ビームシェーパ２０４５Ｂと、を含んでいる。モジュレータ２００３、ビームシェーパ２０４５Ａおよびビームシェーパ２０４５Ｂは、ハウジング２００７内に収容されている。ハウジング２００７は、井坑内に存在するであろう過酷な環境（高圧、高温、振動等）に対して適切な保護を提供し、光学的エレメントの調整された状態を許容範囲内に維持する。スピナー２００２はハウジングの外に配置されており、流体流れＦＦにさらされている（接触している）。スピナーは、流体流れＦＦの軸線方向成分（矢印で示す）で決まるスピナー回転速度および方向で回転する。

モジュレータ２００３は、スピナー２００２に連結されており、スピナーと関連して回転する。モジュレータ２００３およびスピナー２００２は互いに磁気で連結されていてもよいし、あるいは、機械的に連結されていてもよい。

第１光ファイバ２００４Ａおよび第２光ファイバ２００４Ｂは、流量計ゾンデＦＳを電子装置ＥＡに接続する。これらの光ファイバ２００４Ａ、２００４Ｂは、ケーブルＬＮ内に設けられている。

電子装置ＥＡは、レーザー源２０４１と、検出器２０４２と、電子回路２００５と、を含んでいる。電子回路２００５は演算処理手段２００６を有している。

レーザー源２０４１は、第１光ファイバ２００４Ａによって第１ビームシェーパ２０４５Ａに連結されている。検出器２０４２は、第２光ファイバ２００４Ｂによって第２ビームシェーパ２０４５Ｂに接続されている。第１ビームシェーパ２０４５Ａおよび第２ビームシェーパ２０４５Ｂは、距離が短い（数ｍｍ）何もない空間（自由空間）をそれらの間に形成している。モジュレータ２００３は、ビームをスピナーの回転と関連した情報によって変調することができるようにして、この何もない空間（自由空間）内に配置されている。第１光ファイバ２００４Ａおよび第１ビームシェーパ２０４５Ａは、レーザー源からモジュレータへ入射ビームＩＢを提供する。第２光ファイバ２００４Ｂおよび第２ビームシェーパ２０４５Ｂは、モジュレータから検出器への戻りビームＲＢを提供する。

有利には、個々のエレメントは、第１実施形態と関連して説明したものと同じ特徴を有する。モジュレータの作動原理、並びに、流体流れの速度および方向の決定は、第１実施形態に関して上文中に説明したのと同じである。

図１０は、複数の多重通信計測デバイスを含む本発明の第３実施形態による計測装置３００１を概略的に示している。本発明の第３実施形態による計測装置３００１は、複数のゾンデ（ゾンデ群）ＰＳ、光ファイバ３００４および電子装置ＥＡを含んでいる。

複数のゾンデ（ゾンデ群）ＰＳは、第１計測デバイス３０１１、第２計測デバイス３０１２および第３計測デバイス３０１３に、第１光ファイバ３０４７Ａ、第２光ファイバ３０４７Ｂおよび第３光ファイバ３０４７Ｃのそれぞれによって接続されたマルチプレクサー（multiplexer）３０４５を含んでいる。

各計測デバイスは、上文中に説明したスピナー流量計であってもよく、光学的に問い合わせ可能（呼掛け可能）な任意の他の種類のセンサであってもよい。光ファイバ３００４は、複数のゾンデ（ゾンデ群）ＰＳを電子装置ＥＡに接続する。光ファイバ３００４Ａは、ケーブルＬＮ内に設けられている。

電子装置ＥＡは、レーザー源３０４１と、三つの検出器３０４２Ａ、３０４２Ｂおよび３０４２Ｃと、５０／５０光カプラー３０４３と、デマルチプレクサー３０４８と、電子回路３００５と、を含んでいる。電子装置ＥＡは、カプラー３０４３によって光ファイバ３００４に接続されている。レーザー源３０４１の光側およびデマルチプレクサー（de-multiplexer）３０４８の入力ポートは、カプラー３０４３に接続されている。各検出器の光側は、デマルチプレクサー３０４８の各出力ポートに接続されている。レーザー源３０４１の電子側、並びに、検出器３０４２Ａ、３０４２Ｂおよび３０４２Ｃの電子側は、電子回路３００５に接続されている。電子回路３００５は、演算処理手段３００６を含んでいる。

好ましくは、レーザー源３０４１は、複数の波長ＢＢで伝播する入射ビームを提供する広帯域源である。マルチプレクサー３０４５は、第１計測デバイス３０１１、第２計測デバイス３０１２および第３計測デバイス３０１３に、第１入射ビームＩＢ１、第２入射ビームＩＢ２および第３入射ビームＩＢ３を、それぞれ提供する。第１入射ビームＩＢ１、第２入射ビームＩＢ２および第３入射ビームＩＢ３は、それぞれ、異なる波長、すなわち第１波長Ｂ１、第２波長Ｂ２および第３波長Ｂ３で進む。第１計測デバイス３０１１、第２計測デバイス３０１２および第３計測デバイス３０１３は、第１戻りビームＲＢ１、第２戻りビームＲＢ２および第３戻りビームＲＢ３のそれぞれをマルチプレクサー３０４５に提供する。各戻りビームは、計測した量（例えば流体流れの速度および方向）についての情報を含む変調信号を含んでいる。マルチプレクサー３０４５は、複数の変調波長を搬送する戻りビームＲＢを、カプラー３０４３を介して、デマルチプレクサー３０４８に提供する。デマルチプレクサー３０４８は、複数の信号をそれらの波長にしたがって分離し、変調信号ＲＢ１、ＲＢ２およびＲＢ３の各々を、専用の検出器３０４２Ａ、３０４２Ｂおよび３０４２Ｃのそれぞれに送出する。これらの検出器から提供される電気信号を電子回路３００５によって分析する。

別の態様では、マルチプレクサーまたはデマルチプレクサー、あるいは、これらの両方の代りに、カプラーを使用してもよく、各計測デバイスおよびその対応する検出器は、特定の波長の中央に帯域フィルタをさらに有するようにしてもよい。かくして、各計測デバイスは、計測した量を特定の波長にしたがってエンコードする。

［最終意見］
以上において、エンコーダの様々な変形例を説明した。これらのエンコーダの変形例の各々は、所定の部品点数および角度セクタによって、各角度セクタの角度によって、あるいは、各角度セクタの半径によって特徴付けられる。これらが単なる例であるということは当業者には明らかであろう。部品点数、角度セクタ、角度および半径が異なるこの他のエンコーダの変形例もまた、本発明の範疇で可能である。詳細には、エンコーダにさらに多くの角度セクタまたはさらに細かい角度セクタを設けると、さらに複雑なパターンおよび順序が発生し、エンコーダの角度解像度が向上するということは当業者には明らかであろう。

さらに、様々な実施形態で言及した透過率または減衰率のパーセンテージは単なる例である。順序が、演算処理手段によって互いから区別することができる部分を含む場合には、透過率または減衰率のこの他のパーセンテージを使用してもよいということは当業者には明らかであろう。

陸上ワイヤライン検層と関連した特定の例を詳細に説明したけれども、本発明は、この他の情況（掘削中、海洋上、等のワイヤライン）にも適用することができる。

添付図面およびこれらの図面についての以上の説明は、本発明を限定しようとするものではない。

特許請求の範囲の参照番号および参照符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。「含む（含んでいる）、有する（有している）、備える（備えている）」という用語は、特許請求の範囲に列挙した以外の要素の存在を除外するものではない。単数形で示した要素は、それが複数個存在することを除外しない。

Claims (4)

1. 流体流れの速度および方向を計測するための方法において、
   前記流体流れにさらされた場合に前記流体流れの速度および方向に依存した回転速度および方向で回転する枢動可能な手段と、連動して回転するモジュレータであって、実質的に同じ角度を有する複数の角度セクタを有し且つ各セクタが他のセクタと異なる所定の割合で入射光を透過させるエンコーダを含むモジュレータに、光ファイバ装置を介して入射信号を含む入射光を提供する工程と、
   前記枢動可能な手段の回転速度および方向に応じて前記入射信号を変調することにより、変調信号を含む戻し光を発生させる工程と、
   前記モジュレータから前記光ファイバ装置を介して前記戻し光を受け、前記変調信号を演算処理する工程と、を備え、
   前記入射信号を変調する工程は、前記エンコーダが完全に一回転する度に、前記変調信号が少なくとも一連の第１部分、第２部分および第３部分を含むように、前記入射信号をエンコードする工程を含み、
   前記変調信号を演算処理する工程は、前記変調信号の少なくとも前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分に基づいて前記流体流れの方向を決定するため、前記一連の部分をデコーディングする工程を含み、
   少なくとも前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分は、異なる振幅を有し、各角度セクタにそれぞれ対応する、方法。
2. 前記変調信号を演算処理する工程は、前記流体流れの速度を決定するため、単位時間当たりの前記一連の部分の数を計数する工程を、さらに含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記変調信号を演算処理する工程は、前記流体流れの方向を決定するため、一連の部分内での前記部分の順番を確認する工程を、さらに含む、
   請求項１に記載の方法。
4. 井坑内での流体流れの速度および方向を計測するための方法である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

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