耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システム
【課題】高温で水素分圧が高い過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失の増加を引き起こすこともなく良好な伝送特性を維持することのできる耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システムを提供する。
【解決手段】耐熱光ファイバ１０は、コア２とクラッド３を含む石英系のガラスファイバ１であって、コア２の少なくとも一部が純石英からなり、純石英の部分がガラスファイバ１の中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバ１と、ガラスファイバ１の外周に形成されたハーメチック薄膜４と、ハーメチック薄膜４の外周に形成された耐熱性の被覆層と、を有する。
【解決手段】耐熱光ファイバ１０は、コア２とクラッド３を含む石英系のガラスファイバ１であって、コア２の少なくとも一部が純石英からなり、純石英の部分がガラスファイバ１の中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバ１と、ガラスファイバ１の外周に形成されたハーメチック薄膜４と、ハーメチック薄膜４の外周に形成された耐熱性の被覆層と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温で水素分圧の高い環境下で光信号の伝送に用いる耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境下で使用可能な耐熱光ファイバとして、光ファイバの外周に芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、シリコーン系樹脂からなる第二の被覆層と、第一の被覆層と同等の耐熱性を有する耐湿性樹脂、例えばＰＦＡ（Tetrafluoroethylene Perfluoroalkylvinylether copolymer）からなる第三の被覆層とを被覆した被覆部を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、過酷かつ水素含有雰囲気における温度センサーとして使用される光ファイバとして、コアが純シリカとフッ素からなるグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）の屈折率分布を有するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、光ファイバを温度センサーとして利用した温度測定方法として、分布型光ファイバ温度計測システム（Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing System；ＤＴＳ）が知られている。この測定方法は、光ファイバそのものを温度センサーとすることで、数ｋｍの長距離にわたり光ファイバに沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定する。光ファイバの一端に入射したレーザーパルスは、散乱光を発生しながら光ファイバ中を進む。散乱光の成分中のラマン散乱光は温度感受性が有り、二種の異なるラマン散乱光（ストークス光と反ストークス光）の強度比から温度を知ることができる。その温度を示す位置は光ファイバ中の光速度とレーザ入射後の時間から知ることができる。したがって、光路に沿って戻る後方散乱光を時系列的に強度特定することで、光ファイバ全長に沿った温度分布を測定することが可能となる。
【０００５】
また、高温で水素分圧が高い過酷な環境下における温度測定が要求される場として、原子力発電所や油井またはガス井等が挙げられる。例えば、地下に埋蔵されたオイルサンド（高粘度の原油を含む砂岩層）から採油する方法として、常温では粘性が高く流動性を持たないオイルサンドに高温水蒸気を注入して流動性を高めて地上に採取するＣＳＳ（Cyclic Steam Stimulation）法やＳＡＧＤ（Steam Assisted Gravity Drainage）法が開発されており、これらの方法では地中の温度分布を測定することが要求される。
【０００６】
なお、ＣＳＳ法とは、オイルサンドの存在する深さ（例えば地下５００〜６００ｍ）まで垂直に坑井を掘削し、その垂直坑井からオイルサンド層へ高温水蒸気を注入し、ビチューメン（Bitumen）と呼ばれる砂粒に付着している極めて粘度の高い重質の炭化水素を加熱することによって流動性を高めて砂粒と分離し採取する方法である。
一方、ＳＡＧＤ法とは、２本の垂直坑井の下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井を掘削し、２本の水平坑井のうちの上方坑井からオイルサンド層へ高温水蒸気を注入し、加熱されて流動化したビチューメンが重力により下方坑井へ到達し、それを下方坑井より採取する方法であり、高い生産性が得られる方法として知られている。
【０００７】
ＣＳＳ法、ＳＡＧＤ法の何れにしても、採油効率を上げる重要なポイントは熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層内に伝達することであり、このため坑井の長手方向の温度分布を監視することが肝要である。従来は、温度分布の監視には電気的方法（熱電対）を用いていたが、熱電対は点観測であり長手方向の温度分布を得るには測定点を多くする必要があるため、コスト増となり経済性が悪い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第００／０７６９３１号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６，８５３，７９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような過酷な環境下における温度測定をＤＴＳにより行なう場合、コアに屈折率調整用としてゲルマニウムを含有させた一般的な光ファイバを用いると、雰囲気中に含まれる水素によって経時的に波長依存性を有する伝送損失が増加してしまうため、高精度の温度測定を行う事ができない。つまり、波長の異なるアンチストークス光とストークス光とに異なる伝送損失の増加が生じるために両者の光強度から算出される温度検出精度が悪化してしまう。例えば、ＳＡＧＤ法の坑井では、２５０℃を超えるような高温で水素が存在する環境であるため、比較的短期間で水素分子とガラス欠陥の非可逆的な化学結合による伝送損失増加により、高精度の温度測定ができなくなる。
【００１０】
そこで、過酷な環境下でも使用できる光ファイバをセンサーとして用いたＤＴＳを使用することが考えられるが、例えば特許文献１，２に記載された光ファイバを用いたとしても、ロス増や耐熱性の問題が生じるため、良好な測定を行なうには不十分であった。一旦敷設された光ファイバは長期間（年単位）にわたり使用されるため、過酷な環境下でも長期間安定した特性を維持することが望まれる。
一般的に、応力により経時的に光ファイバの強度が劣化することが知られているが、この現象は水分の存在する環境下で促進される。これはＳｉ−Ｏ結合と水との化学反応に基づく応力腐食過程によって微細な亀裂が成長することによると考えられている。
【００１１】
特許文献１に記載された光ファイバでは、耐熱性及び耐湿性を得るための被覆を有しているが、水素が内部のガラスファイバまで到達することを完全に防ぐことはできず、上記のような過酷な環境下で長期間にわたって使用すると伝送損失が増加してしまう。また、高湿度環境下では芳香族ポリイミド系樹脂層とシリコーン系樹脂層が劣化しやすいため、外力等で最外層の第三の被覆層が損傷した場合にはガラスファイバの強度を維持することが困難となる。
また、特許文献１には、ガラスファイバと被覆との間にカーボン被覆（カーボンコートと呼ばれる）を設けて水素ガスが内部のガラスファイバに到達することを防止することが記載されているが、温度が高くなると水素の浸透速度が上がるため、長時間にわたって水素の浸入を防止できるのはせいぜい２００℃までであり、２５０℃を超える高温水素環境下では効果を発揮できない。そのため、２５０℃を越える高温水素環境下で使用される光ファイバには、カーボンコート以外の水素対策が必要となる。
【００１２】
また、特許文献２に記載されたマルチモード光ファイバでは、コアにゲルマニウムを含まないことから水素による経時的な伝送損失の増加は防ぐことができるが、上記のような過酷な環境下における曲げや引張り等の機械的強度に耐えるには不十分である。例えば、ＳＡＧＤ法では坑井内に光ファイバを敷設すると垂直坑井の下端に光ファイバの余長部分が溜まりやすく、光ファイバの局所的な曲がりが発生し易い。曲げや引張りによって光ファイバが損傷することが予見される。敷設のための金属管に光ファイバを挿入する際に、金属管内にジェリーを充填することも考えられるが、２５０℃を超える温度ではジェリーが沸騰してしまうため適用することができない。
【００１３】
本発明は、高温で水素分圧が高い過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失の増加を引き起こすこともなく良好な伝送特性を維持することのできる耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決することのできる本発明に係る耐熱光ファイバは、コアとクラッドを含む石英系のガラスファイバであって、前記コアの少なくとも一部が純石英からなり、前記純石英の部分が当該ガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバと、前記ガラスファイバの外周に形成されたハーメチック薄膜と、を有することを特徴とする。
なお、本明細書における純石英とは、完全に純粋な石英だけでなく、フッ素、塩素等が微量に含有していても良く、純石英と略同等の屈折率を有するものが含まれる。
【００１５】
本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ガラスファイバは、前記コアがステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモードファイバであることが好ましいが、前記コアがグレーデッドインデックス型の屈折率分布を有するマルチモードファイバであってもよく、前記コアの屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有するものであってもよい。
【００１６】
また、本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ハーメチック薄膜は、カーボン薄膜であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ハーメチック薄膜の外側に、紫外線硬化型アクリレート樹脂層を有することが好ましい。
または、前記ハーメチック薄膜の外側に、熱硬化型シリコーン樹脂層を有するものでもよい。
【００１８】
上記課題を解決することのできる本発明に係る耐熱光ファイバによる測定方法は、上記本発明に係る耐熱光ファイバを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用することを特徴とする。
【００１９】
また、前記耐熱光ファイバを、高温で水素分圧が高い過酷な環境下のセンサーとして使用することが好ましい。
さらに、前記耐熱光ファイバを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することが好ましい。
【００２０】
上記課題を解決することのできる本発明に係る分布型光ファイバ温度計測システムは、上記本発明に係る耐熱光ファイバと、前記耐熱光ファイバにパルス光を入射するとともに前記耐熱光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、前記測定部の動作を制御するとともに前記測定部からの情報を管理する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の耐熱光ファイバは、コアの少なくとも一部が純石英からなり、その純石英の部分がガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有する。純石英は低損失であり化学結合が安定している（ガラス欠陥がない）ため、コアを純石英とした光ファイバは耐水素特性、耐放射線特性、及び低損失特性を有する。また、ガラスファイバの外周にはハーメチック薄膜が形成されており、これにより曲げや引張り等の機械的強度を向上させ、高温環境下においても十分な強度を得ることができる。
【００２２】
このように、本発明の耐熱光ファイバは、高温で水素分圧が高い油井等の過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失増加が生じず、良好な伝送特性を維持することができる。したがって、この耐熱光ファイバを分布型光ファイバ温度計測システム等のセンサーとして使用することで、過酷な環境下であっても長期間安定した特性を維持することができ、高精度の温度測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る耐熱光ファイバの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図３】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図４】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図８】オイルサンド層から採油する方法であるＳＡＧＤ法の概念図である。
【図９】本発明に係る分布型光ファイバ温度計測システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る耐熱光ファイバの実施形態の例について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施形態の耐熱光ファイバを光軸に垂直な面で切断したときの断面図であり、図２はガラスファイバの屈折率分布を示す模式図である。
図１に示すように、耐熱光ファイバ１０は、コア２とクラッド３を含む石英系のガラスファイバ１が中央に配置され、その外周にハーメチック薄膜４が形成されている。さらに、ハーメチック薄膜４の外周に樹脂の被覆層５が形成されている。
【００２５】
ガラスファイバ１の外径は、例えば１２５μｍ±２μｍであり、耐熱光ファイバ１０に要求される曲げ損失特性や耐熱光ファイバ１０を収容するＳＵＳ管やケーブルの条件によっては広範囲にわたって外径を変更することができる。
【００２６】
ハーメチック薄膜４は、ガラスファイバ１への水素の侵入を防止するとともに、水分によってガラス強度が低下するのを防止するものであり、２５０℃〜３００℃程度の高温環境下においても一定の効果が期待できる。ハーメチック薄膜４の厚さは、製造性の観点から０．１μｍ以下とすることが好ましい。このコーティング方法としては、光ファイバ用ガラス母材から線引きされたガラスファイバ１の表面に原料ガスを化学反応させて、アモルファスカーボンを析出させるＣＶＤ法が成膜速度及び膜質の点で有利であることが知られている。このようにしてガラスファイバ１の周囲にアモルファスカーボンの薄膜がコーティングされた光ファイバは、カーボンコートファイバ（ＣＣＦ）と呼ばれ、疲労係数ｎが１００以上、場合によっては２００以上となる。そのため、曲げなどの負荷に対して破断寿命の低下を防止することができる。
なお、カーボンの他にハーメチック薄膜４として用いられる材質は、錫、金、チタン、アルミニウム、銅を例示できる。また、材質の異なる複数のハーメチック薄膜を多層化して設けることもできる。
【００２７】
被覆層５は、耐熱性高分子材料を用いる。本実施形態では、２５０℃〜３００℃程度の耐熱性が得られる熱硬化型ポリイミド樹脂、紫外線硬化型アクリレート樹脂、熱硬化型シリコーン樹脂の何れかを選択的に使用する。本発明において要求される耐熱性高分子材料とは、１００℃を超える高温環境下に１週間以上曝された後の光ファイバの伝送損失増が初期値と比較して０．０５ｄＢ／ｋｍ以下、かつ破断強度が初期値の８５％以上の強度を保持することができるものである。
【００２８】
単層の被覆層５として熱硬化型ポリイミド樹脂を使用する場合には、製造性や耐熱性の観点から、その厚さが１０μｍ〜３０μｍであることが好ましい。また、紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる被覆層５は、内層と外層の２層に形成されていても良い。
【００２９】
単層の被覆層５として紫外線硬化型アクリレート樹脂を使用する場合には、その厚さを薄く形成しても２５０℃〜３００℃程度の耐熱性を得ることができ、例えば、１２．５μｍ〜６２．５μｍであることが好ましい。
紫外線硬化型アクリレート樹脂の具体例として、トリアジン化合物を含有する紫外線硬化型アクリレート樹脂を例示できる。また、シリコーン系の紫外線硬化型樹脂を使用してもよい。
紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる被覆層５は、内層と外層の２層に形成されていても良い。その場合、内層のヤング率に比べて、外層のヤング率が高くなるように構成することが望ましい。このような構成により、内層が側圧に対する緩衝層となってガラスファイバ１はマイクロベンドが発生しにくくなるため、外力に強い安定した伝送損失を得ることができる。
【００３０】
単層の被覆層５として熱硬化型シリコーン樹脂を使用する場合には、製造性や耐熱性の観点から、その厚さが３７．５μｍ〜１３７．５μｍであることが好ましい。
熱硬化型シリコーン樹脂は、耐熱性が良好である他、被覆層５として用いると光ファイバの側圧特性を向上させることができる。
【００３１】
ガラスファイバ１は、中央のコア２とその周囲のクラッド３を含む石英系のガラスファイバであって、コア２の少なくとも一部が純石英からなり、その純石英の部分がガラスファイバ１の中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するものである。例えば、図２に示すように、コア２は、中心の第１コア層２ａから径方向外方へ向かって第２コア層２ｂ、第３コア層２ｃを有した複数層（ここでは一例として３層）構造とされている。
【００３２】
図２に示すコア２は、純シリカガラスに対してフッ素の添加量を調節することにより、各コア層２ａ，２ｂ，２ｃの屈折率が調節されており、また、クラッド３は、コア２の最外層である第３コア層２ｃより屈折率が低くなるようにフッ素が添加されている。なお、コア層２ａは製造の過程で塩素が含まれていてもよい。
ガラスファイバ１は、コア層２ａを実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、高温下での水素分子とガラス欠陥の化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより、例えば３００℃の高温環境下においても水素に起因した伝損損失の増加が実用上十分に防止される。
【００３３】
具体的な屈折率分布の一例としては、図２に示すように、コア２は、屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有し、純石英（シリカガラス）に対するフッ素の添加量が全体として外層ほど多くなるように調節されている。なお、コアの最内層から最外層へ段階的に屈折率が減少しているが、その途中に少しだけ屈折率が増加している層があるものも本発明には含まれる。
【００３４】
また、具体的な各部の大きさの一例としては、コア２の第１コア層２ａの直径ｄ１が２５μｍ、第２コア層２ｂの直径ｄ２が４０μｍ、第３コア層２ｃの直径ｄ３が５０μｍであり、クラッド３の直径ｄ０が１２５μｍである。
そして、このガラスファイバ１は、例示した上記の構造の場合、伝送帯域が２６０ＭＨｚ・ｋｍであり、温度測定用として良好な伝送特性を備えたマルチモード光ファイバとなる。
【００３５】
また、温度測定用として良好な伝送特性を得るためには、クラッド３と第１コア層２ａとの比屈折率差Δｎ１は、０．５％〜１．０％とするのが好ましい。
【００３６】
また、各コア層２ａ，２ｂ，２ｃ及びクラッド３の屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３及びｎ０の各屈折率差は、クラッド３と第１コア層２ａとの屈折率差をΔｎ、コア２の層数をＭとした場合に、Δｎｉ＝Δｎ／Ｍで求められる平均値とすることが好ましいが、必ずしも平均化しなくても良く、平均値に対して小さい層や大きい層があっても構わない。理想的には、ＧＩ型のマルチモード光ファイバの屈折率分布に近い伝送特性を得るために、α乗型の屈折率分布に近似するように各層の屈折率及び直径を設定すると良い。
【００３７】
すなわち、コア２の屈折率分布は、径方向の中心部（コア層２ａの中心）及び端部（コア層２ｃの外縁）を理想的なα乗の屈折率分布である下記式（１）
ｎ（ｒ）＝ｎ１｛１−２Δ（ｒ／ａ）α｝１／２， ２．０≦α≦２．１ …（１）
ｎは屈折率差、ｎ１はコア中心の屈折率、Δは比屈折率差、ａはコア半径、ｒはコア中心からの距離、αは屈折率分布係数、
に一致させた場合に、中心の第１コア層２ａを除く各コア層２ｂ、２ｃのうち少なくとも一層が、前記式（１）の理想的屈折率分布と接触または交差していることが好ましい。また、各コア層２ｂ、２ｃの全ての層が、前記式（１）の理想的屈折率分布と接触または交差していることが好ましい。
なお、中心のコア層２ａは、理想的なα乗の屈折率分布と当然に接触するものである。
【００３８】
上記の光ファイバ１が線引きされる光ファイバ母材を製造する方法としては、第１コア層２ａとなるガラスロッドを第２コア層２ｂとなるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化（所謂ロッドインコラプス）し、次に、これを第３コア層２ｃとなるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化し、さらに、これをクラッド３となるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化する方法が一例として挙げられる。
【００３９】
このようにロッドインコラプス法で製造する場合、ガラスロッド及び各ガラスパイプを、フッ素の添加量をそれぞれ一定にして製造し、それぞれ所望の屈折率としておくことにより、極めて容易にマルチモードのガラスファイバ１用の母材を製造することができる。ロッドインコラプス法では、各層のガラスをＯＶＤ法やＶＡＤ法等により別々に形成すればよいため、各層に対するフッ素の添加量を調節することが容易である。また、ロッドインコラプス法により各層のガラスを一体化させることで、２００ＭＨｚ・ｋｍ以上の伝送帯域を容易に得ることができる。
【００４０】
そして、このようにして製造した光ファイバ母材を、線引き装置によって線引きすることにより、屈折率が段階的に調節された上記のガラスファイバ１を得ることができる。
【００４１】
光ファイバは、水素雰囲気に曝されると伝送損失が増加する。水素による伝送損失増加の原因は２つあり、１つは、“（Ａ）光ファイバ中に浸透した水素ガスが伝送光を吸収することによって生じる伝送損失の増加”であり、もう１つは、“（Ｂ）光ファイバ中に浸透した水素と光ファイバ中のガラス欠陥とが結合して形成されたＯＨ基による伝送光の吸収によって生じる伝送損失の増加”である。（Ａ）は光ファイバを水素雰囲気から取り出せば、水素ガスが光ファイバの外へ抜けていくため伝送損失の増加は解消されるが、（Ｂ）は安定した結合であるため不可逆的であり、伝送損失の増加を解消することができない。
【００４２】
水素ガスのガラス中への浸透速度及び溶解度は、石英系ガラスをベース材料とする光ファイバであれば、光ファイバのガラスに対して添加された添加物による差は殆どないため、前記（Ａ）は添加物の種類による差がないが、前記（Ｂ）は添加物の種類によって大きな差が生じる。一般的に、光ファイバの添加物にはゲルマニウムやリンが使用されることが多いが、これらの添加物を添加した光ファイバが高温環境下で水素雰囲気に曝されると、伝送損失が大幅に増加してしまう。これは、ゲルマニウムやリンが光ファイバ製造工程においてガラス欠陥を生じさせやすく、そのガラス欠陥と水素とが結合してＯＨ基を容易に形成してしまうためである。
【００４３】
本実施形態のガラスファイバ１では、コアを実質的に純石英としており、ガラス欠陥が少ないため、前記（Ｂ）の伝送損失の増加が殆ど起こらない。そのため、２５０℃〜３００℃程度の高温環境下で水素雰囲気に曝されても良好な伝送特性が得られるとともに、一般的なＧＩ型のマルチモード光ファイバと同等のＳ／Ｎ及び開口数ＮＡが得られる。ガラスファイバ１は、コア２が、その最内層である第１コア層２ａから最外層である第３コア層２ｃへ段階的に屈折率が減少する複数層構造とされているため、各層ごとにフッ素の添加量を調節するだけで容易に製造することができる。
【００４４】
なお、ガラスファイバ１は、コア２が複数層構造であるものを例示したが、コア２は中央部が実質的に純石英であって単峰状の屈折率分布を有するものであれば良い。例えば、図３に示すように中央部に向けてコア２の屈折率が高くなる屈折率分布を有するグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）のマルチモードファイバであってもよい。また、図４に示すようにコア２がステップインデックス型（ＳＩ型）の屈折率分布を有するシングルモードファイバであってもよい。その他、略ステップ形状であるが周辺近傍で屈折率が僅かに高くなっている屈折率分布や、略ステップ形状であるが周辺近傍で屈折率が漸減している屈折率分布であってもよい。なお、クラッド３はシリカガラスに対してフッ素または他の屈折率降下物質が添加された実質的に一定屈折率であると良い。
【００４５】
図１に示した耐熱光ファイバ１０は、被覆層５が単層構造であったが、熱硬化型ポリイミド樹脂、紫外線硬化型アクリレート樹脂、熱硬化型シリコーン樹脂を選択的に使用した複層構造としても良い。
【００４６】
例えば、図５に示す耐熱光ファイバ１０Ａのように、被覆層５が、内層である第１被覆層６と外層である第２被覆層７とからなる異なる樹脂の２層構造であってもよい。
この場合、第１被覆層６を熱硬化型シリコーン樹脂により形成し、第２被覆層７を紫外線硬化型アクリレート樹脂により形成することが好ましい。熱硬化型シリコーン樹脂は耐熱性及び側圧特性が良好であるが、表面が粘着質となる。そのため、熱硬化型シリコーン樹脂からなる第１被覆層６の外周に紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる第２被覆層７を設けることで、耐熱光ファイバ１０Ａを取り扱い性の良好なものとすることができる。
熱硬化型シリコーン樹脂からなる第１被覆層６の厚さは、１５μｍ〜１８０μｍとすれば良く、紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる第２被覆層７の厚さは、１０μｍ〜４０μｍとすれば良い。
【００４７】
また、図６に示す耐熱光ファイバ１０Ｂのように、被覆層５が、被覆層５を内層である第１被覆層６と中間層である第２被覆層７と外層である第３被覆層８とからなる異なる樹脂の３層構造であってもよい。
この場合、第１被覆層６を熱硬化型ポリイミド樹脂により形成し、第２被覆層７を熱硬化型シリコーン樹脂により形成し、第３被覆層８を紫外線硬化型アクリレート樹脂により形成することが好ましい。これにより、図５に示した耐熱光ファイバ１０Ａの特性に加えて、熱硬化型ポリイミド樹脂により更なる耐熱性の向上を図ることができる。
【００４８】
なお、上記耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂの外周に、さらにＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）等の樹脂層９をオーバーコートしても良い（図７参照）。
【００４９】
以上説明した本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、高温で水素分圧が高い油井等の過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失増加が生じず、良好な伝送特性を維持することができる。したがって、この耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用する測定方法が有効となる。この測定方法によれば、原子力発電所や油井またはガス井における過酷な環境下においても、温度、圧力、歪等の分布型測定を高精度に行なうことが可能である。特に、本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することが好ましい。
【００５０】
図８は、オイルサンド層から採油する方法として知られたＳＡＧＤ法の概念図を示すものである。ＳＡＧＤ法では、地中に２本の垂直坑井２１，２３を掘削し、その下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井２２，２４を掘削する。このように形成された２本の坑井のうち、水平坑井が上方に形成された坑井が蒸気圧入井であり、水平坑井が下方に形成された坑井が採油井である。そして、蒸気圧入井２２からオイルサンド層Ｄ１へ水蒸気を注入し、３００℃前後に加熱されて流動化したビチューメンが重力により採油井２４へ到達し、それを採油井２４から採取することができる。
採油効率を上げる重要なポイントは、熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層Ｄ１内に伝達することであり、このため蒸気圧入井２２の長手方向の温度分布を監視することが肝要である。なお、符号２８は上記の水蒸気が届いている領域を示している。
【００５１】
そこで、本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃをセンサーとして使用した分布型光ファイバ温度計測システム（ＤＴＳ)が有効である。ＤＴＳの装置概要を図９に示す。
図９に示すＤＴＳ３０は、複数本の耐熱光ファイバ１０（または１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、以降の符号１０はこれらと置換可能）と、それらが接続された光スイッチ３１と、光スイッチ３１を介して耐熱光ファイバ１０にパルス光を入射するとともに耐熱光ファイバ１０からのラマン散乱光を測定する測定部３２と、測定部３２の動作を制御するとともに測定部３２からの情報を管理する制御部３３と、を備えている。
【００５２】
耐熱光ファイバ１０は、１本または複数本が蒸気圧入井２２（図８参照）の長手方向に沿って敷設される。その際、耐熱光ファイバ１０はＳＵＳ管やケーブル内にジェリーを使用せず収容されて敷設される。その際、垂直坑井２１の下端に耐熱光ファイバ１０の余長部分が溜まりやすく、耐熱光ファイバ１０の局所的な曲がりが発生する場合がある。また、蒸気圧入井２２内では高い分圧の水素が存在し、２５０℃〜３００℃程度の高温環境となる。本発明に係る耐熱光ファイバ１０は、コア２の一部を実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、水素分子とガラス欠陥の化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより、過酷な環境下である蒸気圧入井２２内においても、水素に起因した伝損損失の増加が防止される。さらに、耐熱光ファイバ１０は上記のハーメチック薄膜４により曲げや引っ張りに対して強いため、蒸気圧入井２２内に敷設された状態でも長期間にわたりガラスファイバ１の劣化を抑制できる。
【００５３】
光スイッチ３１は、複数本の耐熱光ファイバ１０を順次切り換えて測定するときに使用するものであり、耐熱光ファイバ１０を１本のみ使用する場合では不要となる。
測定部３２は、制御部３３からの指令に基づき耐熱光ファイバ１０にパルス光を入射するとともに、耐熱光ファイバ１０からのラマン散乱光を測定し、それを温度情報に変換する。
制御部３３は、測定部３２の動作を制御するとともに測定部３２からの温度情報を収集して管理する。制御部３３は例えば表示画面を備えたコンピュータ機器であり、ユーザの操作部としても機能する。また、測定した温度分布が異常と判断した場合にそれを音や表示で報知する。
【００５４】
このように、ＤＴＳ３０では、耐熱光ファイバ１０へ入射した光のラマン散乱光を検出し、そのストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を換算するシステムとなっている。このシステムでは、耐熱光ファイバ１０そのものを温度センサーとして、数ｋｍの長距離にわたり耐熱光ファイバ１０に沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定することができる。
水素により光ファイバの伝送損失が経時的に増加し、かつ波長に依存して増加してしまうと、ラマン散乱光の強度比も経時的に変化して温度測定精度が低下し、測定した温度の絶対値も変わってしまう。したがって、ＤＴＳに使用される光ファイバには、特に耐水素特性が要求されることとなる。本実施形態の耐熱光ファイバ１０は、ＤＴＳの使用波長域に渡って水素による伝送損失増加がなく、ＤＴＳに使用される光ファイバとして極めて好適である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 光ファイバ
２ コア
２ａ 第１コア層
２ｂ 第２コア層
２ｃ 第３コア層
３ クラッド
４ ハーメチック薄膜
５ 被覆層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温で水素分圧の高い環境下で光信号の伝送に用いる耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境下で使用可能な耐熱光ファイバとして、光ファイバの外周に芳香族ポリイミド系樹脂からなる第一の被覆層と、シリコーン系樹脂からなる第二の被覆層と、第一の被覆層と同等の耐熱性を有する耐湿性樹脂、例えばＰＦＡ（Tetrafluoroethylene Perfluoroalkylvinylether copolymer）からなる第三の被覆層とを被覆した被覆部を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、過酷かつ水素含有雰囲気における温度センサーとして使用される光ファイバとして、コアが純シリカとフッ素からなるグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）の屈折率分布を有するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、光ファイバを温度センサーとして利用した温度測定方法として、分布型光ファイバ温度計測システム（Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing System；ＤＴＳ）が知られている。この測定方法は、光ファイバそのものを温度センサーとすることで、数ｋｍの長距離にわたり光ファイバに沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定する。光ファイバの一端に入射したレーザーパルスは、散乱光を発生しながら光ファイバ中を進む。散乱光の成分中のラマン散乱光は温度感受性が有り、二種の異なるラマン散乱光（ストークス光と反ストークス光）の強度比から温度を知ることができる。その温度を示す位置は光ファイバ中の光速度とレーザ入射後の時間から知ることができる。したがって、光路に沿って戻る後方散乱光を時系列的に強度特定することで、光ファイバ全長に沿った温度分布を測定することが可能となる。
【０００５】
また、高温で水素分圧が高い過酷な環境下における温度測定が要求される場として、原子力発電所や油井またはガス井等が挙げられる。例えば、地下に埋蔵されたオイルサンド（高粘度の原油を含む砂岩層）から採油する方法として、常温では粘性が高く流動性を持たないオイルサンドに高温水蒸気を注入して流動性を高めて地上に採取するＣＳＳ（Cyclic Steam Stimulation）法やＳＡＧＤ（Steam Assisted Gravity Drainage）法が開発されており、これらの方法では地中の温度分布を測定することが要求される。
【０００６】
なお、ＣＳＳ法とは、オイルサンドの存在する深さ（例えば地下５００〜６００ｍ）まで垂直に坑井を掘削し、その垂直坑井からオイルサンド層へ高温水蒸気を注入し、ビチューメン（Bitumen）と呼ばれる砂粒に付着している極めて粘度の高い重質の炭化水素を加熱することによって流動性を高めて砂粒と分離し採取する方法である。
一方、ＳＡＧＤ法とは、２本の垂直坑井の下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井を掘削し、２本の水平坑井のうちの上方坑井からオイルサンド層へ高温水蒸気を注入し、加熱されて流動化したビチューメンが重力により下方坑井へ到達し、それを下方坑井より採取する方法であり、高い生産性が得られる方法として知られている。
【０００７】
ＣＳＳ法、ＳＡＧＤ法の何れにしても、採油効率を上げる重要なポイントは熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層内に伝達することであり、このため坑井の長手方向の温度分布を監視することが肝要である。従来は、温度分布の監視には電気的方法（熱電対）を用いていたが、熱電対は点観測であり長手方向の温度分布を得るには測定点を多くする必要があるため、コスト増となり経済性が悪い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第００／０７６９３１号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６，８５３，７９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような過酷な環境下における温度測定をＤＴＳにより行なう場合、コアに屈折率調整用としてゲルマニウムを含有させた一般的な光ファイバを用いると、雰囲気中に含まれる水素によって経時的に波長依存性を有する伝送損失が増加してしまうため、高精度の温度測定を行う事ができない。つまり、波長の異なるアンチストークス光とストークス光とに異なる伝送損失の増加が生じるために両者の光強度から算出される温度検出精度が悪化してしまう。例えば、ＳＡＧＤ法の坑井では、２５０℃を超えるような高温で水素が存在する環境であるため、比較的短期間で水素分子とガラス欠陥の非可逆的な化学結合による伝送損失増加により、高精度の温度測定ができなくなる。
【００１０】
そこで、過酷な環境下でも使用できる光ファイバをセンサーとして用いたＤＴＳを使用することが考えられるが、例えば特許文献１，２に記載された光ファイバを用いたとしても、ロス増や耐熱性の問題が生じるため、良好な測定を行なうには不十分であった。一旦敷設された光ファイバは長期間（年単位）にわたり使用されるため、過酷な環境下でも長期間安定した特性を維持することが望まれる。
一般的に、応力により経時的に光ファイバの強度が劣化することが知られているが、この現象は水分の存在する環境下で促進される。これはＳｉ−Ｏ結合と水との化学反応に基づく応力腐食過程によって微細な亀裂が成長することによると考えられている。
【００１１】
特許文献１に記載された光ファイバでは、耐熱性及び耐湿性を得るための被覆を有しているが、水素が内部のガラスファイバまで到達することを完全に防ぐことはできず、上記のような過酷な環境下で長期間にわたって使用すると伝送損失が増加してしまう。また、高湿度環境下では芳香族ポリイミド系樹脂層とシリコーン系樹脂層が劣化しやすいため、外力等で最外層の第三の被覆層が損傷した場合にはガラスファイバの強度を維持することが困難となる。
また、特許文献１には、ガラスファイバと被覆との間にカーボン被覆（カーボンコートと呼ばれる）を設けて水素ガスが内部のガラスファイバに到達することを防止することが記載されているが、温度が高くなると水素の浸透速度が上がるため、長時間にわたって水素の浸入を防止できるのはせいぜい２００℃までであり、２５０℃を超える高温水素環境下では効果を発揮できない。そのため、２５０℃を越える高温水素環境下で使用される光ファイバには、カーボンコート以外の水素対策が必要となる。
【００１２】
また、特許文献２に記載されたマルチモード光ファイバでは、コアにゲルマニウムを含まないことから水素による経時的な伝送損失の増加は防ぐことができるが、上記のような過酷な環境下における曲げや引張り等の機械的強度に耐えるには不十分である。例えば、ＳＡＧＤ法では坑井内に光ファイバを敷設すると垂直坑井の下端に光ファイバの余長部分が溜まりやすく、光ファイバの局所的な曲がりが発生し易い。曲げや引張りによって光ファイバが損傷することが予見される。敷設のための金属管に光ファイバを挿入する際に、金属管内にジェリーを充填することも考えられるが、２５０℃を超える温度ではジェリーが沸騰してしまうため適用することができない。
【００１３】
本発明は、高温で水素分圧が高い過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失の増加を引き起こすこともなく良好な伝送特性を維持することのできる耐熱光ファイバ、それによる測定方法、及び分布型光ファイバ温度計測システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決することのできる本発明に係る耐熱光ファイバは、コアとクラッドを含む石英系のガラスファイバであって、前記コアの少なくとも一部が純石英からなり、前記純石英の部分が当該ガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバと、前記ガラスファイバの外周に形成されたハーメチック薄膜と、を有することを特徴とする。
なお、本明細書における純石英とは、完全に純粋な石英だけでなく、フッ素、塩素等が微量に含有していても良く、純石英と略同等の屈折率を有するものが含まれる。
【００１５】
本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ガラスファイバは、前記コアがステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモードファイバであることが好ましいが、前記コアがグレーデッドインデックス型の屈折率分布を有するマルチモードファイバであってもよく、前記コアの屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有するものであってもよい。
【００１６】
また、本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ハーメチック薄膜は、カーボン薄膜であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る耐熱光ファイバにおいて、前記ハーメチック薄膜の外側に、紫外線硬化型アクリレート樹脂層を有することが好ましい。
または、前記ハーメチック薄膜の外側に、熱硬化型シリコーン樹脂層を有するものでもよい。
【００１８】
上記課題を解決することのできる本発明に係る耐熱光ファイバによる測定方法は、上記本発明に係る耐熱光ファイバを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用することを特徴とする。
【００１９】
また、前記耐熱光ファイバを、高温で水素分圧が高い過酷な環境下のセンサーとして使用することが好ましい。
さらに、前記耐熱光ファイバを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することが好ましい。
【００２０】
上記課題を解決することのできる本発明に係る分布型光ファイバ温度計測システムは、上記本発明に係る耐熱光ファイバと、前記耐熱光ファイバにパルス光を入射するとともに前記耐熱光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、前記測定部の動作を制御するとともに前記測定部からの情報を管理する制御部と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の耐熱光ファイバは、コアの少なくとも一部が純石英からなり、その純石英の部分がガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有する。純石英は低損失であり化学結合が安定している（ガラス欠陥がない）ため、コアを純石英とした光ファイバは耐水素特性、耐放射線特性、及び低損失特性を有する。また、ガラスファイバの外周にはハーメチック薄膜が形成されており、これにより曲げや引張り等の機械的強度を向上させ、高温環境下においても十分な強度を得ることができる。
【００２２】
このように、本発明の耐熱光ファイバは、高温で水素分圧が高い油井等の過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失増加が生じず、良好な伝送特性を維持することができる。したがって、この耐熱光ファイバを分布型光ファイバ温度計測システム等のセンサーとして使用することで、過酷な環境下であっても長期間安定した特性を維持することができ、高精度の温度測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る耐熱光ファイバの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図３】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図４】図１に示した耐熱光ファイバの屈折率分布の例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る耐熱光ファイバの他の実施形態を示す断面図である。
【図８】オイルサンド層から採油する方法であるＳＡＧＤ法の概念図である。
【図９】本発明に係る分布型光ファイバ温度計測システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る耐熱光ファイバの実施形態の例について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本実施形態の耐熱光ファイバを光軸に垂直な面で切断したときの断面図であり、図２はガラスファイバの屈折率分布を示す模式図である。
図１に示すように、耐熱光ファイバ１０は、コア２とクラッド３を含む石英系のガラスファイバ１が中央に配置され、その外周にハーメチック薄膜４が形成されている。さらに、ハーメチック薄膜４の外周に樹脂の被覆層５が形成されている。
【００２５】
ガラスファイバ１の外径は、例えば１２５μｍ±２μｍであり、耐熱光ファイバ１０に要求される曲げ損失特性や耐熱光ファイバ１０を収容するＳＵＳ管やケーブルの条件によっては広範囲にわたって外径を変更することができる。
【００２６】
ハーメチック薄膜４は、ガラスファイバ１への水素の侵入を防止するとともに、水分によってガラス強度が低下するのを防止するものであり、２５０℃〜３００℃程度の高温環境下においても一定の効果が期待できる。ハーメチック薄膜４の厚さは、製造性の観点から０．１μｍ以下とすることが好ましい。このコーティング方法としては、光ファイバ用ガラス母材から線引きされたガラスファイバ１の表面に原料ガスを化学反応させて、アモルファスカーボンを析出させるＣＶＤ法が成膜速度及び膜質の点で有利であることが知られている。このようにしてガラスファイバ１の周囲にアモルファスカーボンの薄膜がコーティングされた光ファイバは、カーボンコートファイバ（ＣＣＦ）と呼ばれ、疲労係数ｎが１００以上、場合によっては２００以上となる。そのため、曲げなどの負荷に対して破断寿命の低下を防止することができる。
なお、カーボンの他にハーメチック薄膜４として用いられる材質は、錫、金、チタン、アルミニウム、銅を例示できる。また、材質の異なる複数のハーメチック薄膜を多層化して設けることもできる。
【００２７】
被覆層５は、耐熱性高分子材料を用いる。本実施形態では、２５０℃〜３００℃程度の耐熱性が得られる熱硬化型ポリイミド樹脂、紫外線硬化型アクリレート樹脂、熱硬化型シリコーン樹脂の何れかを選択的に使用する。本発明において要求される耐熱性高分子材料とは、１００℃を超える高温環境下に１週間以上曝された後の光ファイバの伝送損失増が初期値と比較して０．０５ｄＢ／ｋｍ以下、かつ破断強度が初期値の８５％以上の強度を保持することができるものである。
【００２８】
単層の被覆層５として熱硬化型ポリイミド樹脂を使用する場合には、製造性や耐熱性の観点から、その厚さが１０μｍ〜３０μｍであることが好ましい。また、紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる被覆層５は、内層と外層の２層に形成されていても良い。
【００２９】
単層の被覆層５として紫外線硬化型アクリレート樹脂を使用する場合には、その厚さを薄く形成しても２５０℃〜３００℃程度の耐熱性を得ることができ、例えば、１２．５μｍ〜６２．５μｍであることが好ましい。
紫外線硬化型アクリレート樹脂の具体例として、トリアジン化合物を含有する紫外線硬化型アクリレート樹脂を例示できる。また、シリコーン系の紫外線硬化型樹脂を使用してもよい。
紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる被覆層５は、内層と外層の２層に形成されていても良い。その場合、内層のヤング率に比べて、外層のヤング率が高くなるように構成することが望ましい。このような構成により、内層が側圧に対する緩衝層となってガラスファイバ１はマイクロベンドが発生しにくくなるため、外力に強い安定した伝送損失を得ることができる。
【００３０】
単層の被覆層５として熱硬化型シリコーン樹脂を使用する場合には、製造性や耐熱性の観点から、その厚さが３７．５μｍ〜１３７．５μｍであることが好ましい。
熱硬化型シリコーン樹脂は、耐熱性が良好である他、被覆層５として用いると光ファイバの側圧特性を向上させることができる。
【００３１】
ガラスファイバ１は、中央のコア２とその周囲のクラッド３を含む石英系のガラスファイバであって、コア２の少なくとも一部が純石英からなり、その純石英の部分がガラスファイバ１の中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するものである。例えば、図２に示すように、コア２は、中心の第１コア層２ａから径方向外方へ向かって第２コア層２ｂ、第３コア層２ｃを有した複数層（ここでは一例として３層）構造とされている。
【００３２】
図２に示すコア２は、純シリカガラスに対してフッ素の添加量を調節することにより、各コア層２ａ，２ｂ，２ｃの屈折率が調節されており、また、クラッド３は、コア２の最外層である第３コア層２ｃより屈折率が低くなるようにフッ素が添加されている。なお、コア層２ａは製造の過程で塩素が含まれていてもよい。
ガラスファイバ１は、コア層２ａを実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、高温下での水素分子とガラス欠陥の化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより、例えば３００℃の高温環境下においても水素に起因した伝損損失の増加が実用上十分に防止される。
【００３３】
具体的な屈折率分布の一例としては、図２に示すように、コア２は、屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有し、純石英（シリカガラス）に対するフッ素の添加量が全体として外層ほど多くなるように調節されている。なお、コアの最内層から最外層へ段階的に屈折率が減少しているが、その途中に少しだけ屈折率が増加している層があるものも本発明には含まれる。
【００３４】
また、具体的な各部の大きさの一例としては、コア２の第１コア層２ａの直径ｄ１が２５μｍ、第２コア層２ｂの直径ｄ２が４０μｍ、第３コア層２ｃの直径ｄ３が５０μｍであり、クラッド３の直径ｄ０が１２５μｍである。
そして、このガラスファイバ１は、例示した上記の構造の場合、伝送帯域が２６０ＭＨｚ・ｋｍであり、温度測定用として良好な伝送特性を備えたマルチモード光ファイバとなる。
【００３５】
また、温度測定用として良好な伝送特性を得るためには、クラッド３と第１コア層２ａとの比屈折率差Δｎ１は、０．５％〜１．０％とするのが好ましい。
【００３６】
また、各コア層２ａ，２ｂ，２ｃ及びクラッド３の屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３及びｎ０の各屈折率差は、クラッド３と第１コア層２ａとの屈折率差をΔｎ、コア２の層数をＭとした場合に、Δｎｉ＝Δｎ／Ｍで求められる平均値とすることが好ましいが、必ずしも平均化しなくても良く、平均値に対して小さい層や大きい層があっても構わない。理想的には、ＧＩ型のマルチモード光ファイバの屈折率分布に近い伝送特性を得るために、α乗型の屈折率分布に近似するように各層の屈折率及び直径を設定すると良い。
【００３７】
すなわち、コア２の屈折率分布は、径方向の中心部（コア層２ａの中心）及び端部（コア層２ｃの外縁）を理想的なα乗の屈折率分布である下記式（１）
ｎ（ｒ）＝ｎ１｛１−２Δ（ｒ／ａ）α｝１／２， ２．０≦α≦２．１ …（１）
ｎは屈折率差、ｎ１はコア中心の屈折率、Δは比屈折率差、ａはコア半径、ｒはコア中心からの距離、αは屈折率分布係数、
に一致させた場合に、中心の第１コア層２ａを除く各コア層２ｂ、２ｃのうち少なくとも一層が、前記式（１）の理想的屈折率分布と接触または交差していることが好ましい。また、各コア層２ｂ、２ｃの全ての層が、前記式（１）の理想的屈折率分布と接触または交差していることが好ましい。
なお、中心のコア層２ａは、理想的なα乗の屈折率分布と当然に接触するものである。
【００３８】
上記の光ファイバ１が線引きされる光ファイバ母材を製造する方法としては、第１コア層２ａとなるガラスロッドを第２コア層２ｂとなるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化（所謂ロッドインコラプス）し、次に、これを第３コア層２ｃとなるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化し、さらに、これをクラッド３となるガラスパイプに挿入した状態で加熱して一体化する方法が一例として挙げられる。
【００３９】
このようにロッドインコラプス法で製造する場合、ガラスロッド及び各ガラスパイプを、フッ素の添加量をそれぞれ一定にして製造し、それぞれ所望の屈折率としておくことにより、極めて容易にマルチモードのガラスファイバ１用の母材を製造することができる。ロッドインコラプス法では、各層のガラスをＯＶＤ法やＶＡＤ法等により別々に形成すればよいため、各層に対するフッ素の添加量を調節することが容易である。また、ロッドインコラプス法により各層のガラスを一体化させることで、２００ＭＨｚ・ｋｍ以上の伝送帯域を容易に得ることができる。
【００４０】
そして、このようにして製造した光ファイバ母材を、線引き装置によって線引きすることにより、屈折率が段階的に調節された上記のガラスファイバ１を得ることができる。
【００４１】
光ファイバは、水素雰囲気に曝されると伝送損失が増加する。水素による伝送損失増加の原因は２つあり、１つは、“（Ａ）光ファイバ中に浸透した水素ガスが伝送光を吸収することによって生じる伝送損失の増加”であり、もう１つは、“（Ｂ）光ファイバ中に浸透した水素と光ファイバ中のガラス欠陥とが結合して形成されたＯＨ基による伝送光の吸収によって生じる伝送損失の増加”である。（Ａ）は光ファイバを水素雰囲気から取り出せば、水素ガスが光ファイバの外へ抜けていくため伝送損失の増加は解消されるが、（Ｂ）は安定した結合であるため不可逆的であり、伝送損失の増加を解消することができない。
【００４２】
水素ガスのガラス中への浸透速度及び溶解度は、石英系ガラスをベース材料とする光ファイバであれば、光ファイバのガラスに対して添加された添加物による差は殆どないため、前記（Ａ）は添加物の種類による差がないが、前記（Ｂ）は添加物の種類によって大きな差が生じる。一般的に、光ファイバの添加物にはゲルマニウムやリンが使用されることが多いが、これらの添加物を添加した光ファイバが高温環境下で水素雰囲気に曝されると、伝送損失が大幅に増加してしまう。これは、ゲルマニウムやリンが光ファイバ製造工程においてガラス欠陥を生じさせやすく、そのガラス欠陥と水素とが結合してＯＨ基を容易に形成してしまうためである。
【００４３】
本実施形態のガラスファイバ１では、コアを実質的に純石英としており、ガラス欠陥が少ないため、前記（Ｂ）の伝送損失の増加が殆ど起こらない。そのため、２５０℃〜３００℃程度の高温環境下で水素雰囲気に曝されても良好な伝送特性が得られるとともに、一般的なＧＩ型のマルチモード光ファイバと同等のＳ／Ｎ及び開口数ＮＡが得られる。ガラスファイバ１は、コア２が、その最内層である第１コア層２ａから最外層である第３コア層２ｃへ段階的に屈折率が減少する複数層構造とされているため、各層ごとにフッ素の添加量を調節するだけで容易に製造することができる。
【００４４】
なお、ガラスファイバ１は、コア２が複数層構造であるものを例示したが、コア２は中央部が実質的に純石英であって単峰状の屈折率分布を有するものであれば良い。例えば、図３に示すように中央部に向けてコア２の屈折率が高くなる屈折率分布を有するグレーデッドインデックス型（ＧＩ型）のマルチモードファイバであってもよい。また、図４に示すようにコア２がステップインデックス型（ＳＩ型）の屈折率分布を有するシングルモードファイバであってもよい。その他、略ステップ形状であるが周辺近傍で屈折率が僅かに高くなっている屈折率分布や、略ステップ形状であるが周辺近傍で屈折率が漸減している屈折率分布であってもよい。なお、クラッド３はシリカガラスに対してフッ素または他の屈折率降下物質が添加された実質的に一定屈折率であると良い。
【００４５】
図１に示した耐熱光ファイバ１０は、被覆層５が単層構造であったが、熱硬化型ポリイミド樹脂、紫外線硬化型アクリレート樹脂、熱硬化型シリコーン樹脂を選択的に使用した複層構造としても良い。
【００４６】
例えば、図５に示す耐熱光ファイバ１０Ａのように、被覆層５が、内層である第１被覆層６と外層である第２被覆層７とからなる異なる樹脂の２層構造であってもよい。
この場合、第１被覆層６を熱硬化型シリコーン樹脂により形成し、第２被覆層７を紫外線硬化型アクリレート樹脂により形成することが好ましい。熱硬化型シリコーン樹脂は耐熱性及び側圧特性が良好であるが、表面が粘着質となる。そのため、熱硬化型シリコーン樹脂からなる第１被覆層６の外周に紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる第２被覆層７を設けることで、耐熱光ファイバ１０Ａを取り扱い性の良好なものとすることができる。
熱硬化型シリコーン樹脂からなる第１被覆層６の厚さは、１５μｍ〜１８０μｍとすれば良く、紫外線硬化型アクリレート樹脂からなる第２被覆層７の厚さは、１０μｍ〜４０μｍとすれば良い。
【００４７】
また、図６に示す耐熱光ファイバ１０Ｂのように、被覆層５が、被覆層５を内層である第１被覆層６と中間層である第２被覆層７と外層である第３被覆層８とからなる異なる樹脂の３層構造であってもよい。
この場合、第１被覆層６を熱硬化型ポリイミド樹脂により形成し、第２被覆層７を熱硬化型シリコーン樹脂により形成し、第３被覆層８を紫外線硬化型アクリレート樹脂により形成することが好ましい。これにより、図５に示した耐熱光ファイバ１０Ａの特性に加えて、熱硬化型ポリイミド樹脂により更なる耐熱性の向上を図ることができる。
【００４８】
なお、上記耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂの外周に、さらにＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）等の樹脂層９をオーバーコートしても良い（図７参照）。
【００４９】
以上説明した本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、高温で水素分圧が高い油井等の過酷な環境下においても、曲げや引張り等の機械的強度が十分で、水素による伝送損失増加が生じず、良好な伝送特性を維持することができる。したがって、この耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用する測定方法が有効となる。この測定方法によれば、原子力発電所や油井またはガス井における過酷な環境下においても、温度、圧力、歪等の分布型測定を高精度に行なうことが可能である。特に、本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することが好ましい。
【００５０】
図８は、オイルサンド層から採油する方法として知られたＳＡＧＤ法の概念図を示すものである。ＳＡＧＤ法では、地中に２本の垂直坑井２１，２３を掘削し、その下端からさらに上下に平行な２本の水平坑井２２，２４を掘削する。このように形成された２本の坑井のうち、水平坑井が上方に形成された坑井が蒸気圧入井であり、水平坑井が下方に形成された坑井が採油井である。そして、蒸気圧入井２２からオイルサンド層Ｄ１へ水蒸気を注入し、３００℃前後に加熱されて流動化したビチューメンが重力により採油井２４へ到達し、それを採油井２４から採取することができる。
採油効率を上げる重要なポイントは、熱エネルギーとして注入される水蒸気を効率的にオイルサンド層Ｄ１内に伝達することであり、このため蒸気圧入井２２の長手方向の温度分布を監視することが肝要である。なお、符号２８は上記の水蒸気が届いている領域を示している。
【００５１】
そこで、本発明に係る耐熱光ファイバ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃをセンサーとして使用した分布型光ファイバ温度計測システム（ＤＴＳ)が有効である。ＤＴＳの装置概要を図９に示す。
図９に示すＤＴＳ３０は、複数本の耐熱光ファイバ１０（または１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ、以降の符号１０はこれらと置換可能）と、それらが接続された光スイッチ３１と、光スイッチ３１を介して耐熱光ファイバ１０にパルス光を入射するとともに耐熱光ファイバ１０からのラマン散乱光を測定する測定部３２と、測定部３２の動作を制御するとともに測定部３２からの情報を管理する制御部３３と、を備えている。
【００５２】
耐熱光ファイバ１０は、１本または複数本が蒸気圧入井２２（図８参照）の長手方向に沿って敷設される。その際、耐熱光ファイバ１０はＳＵＳ管やケーブル内にジェリーを使用せず収容されて敷設される。その際、垂直坑井２１の下端に耐熱光ファイバ１０の余長部分が溜まりやすく、耐熱光ファイバ１０の局所的な曲がりが発生する場合がある。また、蒸気圧入井２２内では高い分圧の水素が存在し、２５０℃〜３００℃程度の高温環境となる。本発明に係る耐熱光ファイバ１０は、コア２の一部を実質的に純石英とすることでガラス欠陥が殆どない状態としており、水素分子とガラス欠陥の化学結合が無視できる程度に小さくなるようにしている。これにより、過酷な環境下である蒸気圧入井２２内においても、水素に起因した伝損損失の増加が防止される。さらに、耐熱光ファイバ１０は上記のハーメチック薄膜４により曲げや引っ張りに対して強いため、蒸気圧入井２２内に敷設された状態でも長期間にわたりガラスファイバ１の劣化を抑制できる。
【００５３】
光スイッチ３１は、複数本の耐熱光ファイバ１０を順次切り換えて測定するときに使用するものであり、耐熱光ファイバ１０を１本のみ使用する場合では不要となる。
測定部３２は、制御部３３からの指令に基づき耐熱光ファイバ１０にパルス光を入射するとともに、耐熱光ファイバ１０からのラマン散乱光を測定し、それを温度情報に変換する。
制御部３３は、測定部３２の動作を制御するとともに測定部３２からの温度情報を収集して管理する。制御部３３は例えば表示画面を備えたコンピュータ機器であり、ユーザの操作部としても機能する。また、測定した温度分布が異常と判断した場合にそれを音や表示で報知する。
【００５４】
このように、ＤＴＳ３０では、耐熱光ファイバ１０へ入射した光のラマン散乱光を検出し、そのストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を換算するシステムとなっている。このシステムでは、耐熱光ファイバ１０そのものを温度センサーとして、数ｋｍの長距離にわたり耐熱光ファイバ１０に沿った連続的な温度分布をリアルタイムに測定することができる。
水素により光ファイバの伝送損失が経時的に増加し、かつ波長に依存して増加してしまうと、ラマン散乱光の強度比も経時的に変化して温度測定精度が低下し、測定した温度の絶対値も変わってしまう。したがって、ＤＴＳに使用される光ファイバには、特に耐水素特性が要求されることとなる。本実施形態の耐熱光ファイバ１０は、ＤＴＳの使用波長域に渡って水素による伝送損失増加がなく、ＤＴＳに使用される光ファイバとして極めて好適である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 光ファイバ
２ コア
２ａ 第１コア層
２ｂ 第２コア層
２ｃ 第３コア層
３ クラッド
４ ハーメチック薄膜
５ 被覆層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとクラッドを含む石英系のガラスファイバであって、前記コアの少なくとも一部が純石英からなり、前記純石英の部分が当該ガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバと、
前記ガラスファイバの外周に形成されたハーメチック薄膜と、を有することを特徴とする耐熱光ファイバ。
【請求項２】
前記ガラスファイバは、前記コアがステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項３】
前記ガラスファイバは、前記コアがグレーデッドインデックス型の屈折率分布を有するマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項４】
前記ガラスファイバは、前記コアの屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項５】
前記ハーメチック薄膜は、カーボン薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項６】
前記ハーメチック薄膜の外側に、紫外線硬化型アクリレート樹脂層を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項７】
前記ハーメチック薄膜の外側に、熱硬化型シリコーン樹脂層を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一項に記載の耐熱光ファイバを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用することを特徴とする耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項９】
前記耐熱光ファイバを、高温で水素分圧が高い過酷な環境下のセンサーとして使用することを特徴とする請求項８に記載の耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項１０】
前記耐熱光ファイバを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することを特徴とする請求項９に記載の耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項１１】
請求項１から７の何れか一項に記載の耐熱光ファイバと、前記耐熱光ファイバにパルス光を入射するとともに前記耐熱光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、前記測定部の動作を制御するとともに前記測定部からの情報を管理する制御部と、を備えていることを特徴とする分布型光ファイバ温度計測システム。
【請求項１】
コアとクラッドを含む石英系のガラスファイバであって、前記コアの少なくとも一部が純石英からなり、前記純石英の部分が当該ガラスファイバの中で最も高い屈折率となる屈折率分布を有するガラスファイバと、
前記ガラスファイバの外周に形成されたハーメチック薄膜と、を有することを特徴とする耐熱光ファイバ。
【請求項２】
前記ガラスファイバは、前記コアがステップインデックス型の屈折率分布を有するシングルモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項３】
前記ガラスファイバは、前記コアがグレーデッドインデックス型の屈折率分布を有するマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項４】
前記ガラスファイバは、前記コアの屈折率が中心領域ほど高く階段型に変化する同心円状の複数層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項５】
前記ハーメチック薄膜は、カーボン薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項６】
前記ハーメチック薄膜の外側に、紫外線硬化型アクリレート樹脂層を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項７】
前記ハーメチック薄膜の外側に、熱硬化型シリコーン樹脂層を有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱光ファイバ。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一項に記載の耐熱光ファイバを、温度、圧力、歪のうち少なくとも１つを測定するためのセンサーとして使用することを特徴とする耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項９】
前記耐熱光ファイバを、高温で水素分圧が高い過酷な環境下のセンサーとして使用することを特徴とする請求項８に記載の耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項１０】
前記耐熱光ファイバを、２５０℃以上の温度環境下における油井またはガス井におけるセンサーとして使用することを特徴とする請求項９に記載の耐熱光ファイバによる測定方法。
【請求項１１】
請求項１から７の何れか一項に記載の耐熱光ファイバと、前記耐熱光ファイバにパルス光を入射するとともに前記耐熱光ファイバからのラマン散乱光を測定する測定部と、前記測定部の動作を制御するとともに前記測定部からの情報を管理する制御部と、を備えていることを特徴とする分布型光ファイバ温度計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１０７４１５（Ｐ２０１１−１０７４１５Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２３３３（Ｐ２００９−２６２３３３）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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