ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, НЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ К ИЗГИБАМ, С УЛУЧШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОДОРОДА Российский патент 2016 года по МПК G01V8/16 

Перекрестная ссылка

В настоящей заявке испрашивается конвенционный приоритет по дате подачи заявки US 12/634,296, поданной 9 декабря 2009 г. на изобретение "Оптическое волокно, не чувствительное к изгибам, с улучшенной стойкостью к воздействию водорода".

Уровень техники

Для измерений на поверхности и внутри скважины различных характеристик, таких как давление, температура, деформации и механическое напряжение, часто используются волоконно-оптические датчики. Примеры волоконно-оптических датчиков включают оптические волокна, содержащие ряд волновых решеток Брэгга. Распределение длин волн таких решеток зависит от температуры или механических напряжений, действующих на волокно, и, таким образом, волокна могут использоваться для измерения температуры и механических напряжений.

В некоторых волоконно-оптических датчиках используется сердцевина, легированная фоточувствительными материалами. Фоточувствительные материалы, такие как германий, используются для упрощения производства решеток, однако они легко реагируют с водородом при температурах, превышающих 100°C, что ухудшает характеристики решеток при работе в неблагоприятных условиях внутри скважины. Кроме того, эти материалы в сердцевине часто сильно легированы для увеличения числовой апертуры, чтобы снизить чувствительность к микро- и макроизгибам. Один из примеров такого волокна, изготовленного способом модифицированного химического осаждения из паровой фазы, имеет кварцевую сердцевину, легированную германием, внутреннюю оболочку, легированную фтором и фосфором, и внешнюю оболочку из чистого кварца.

Условия в скважине обычно суровые, и волокна могут подвергаться действию высокого давления и повышенных температур. Когда оптические волокна, такие как кварцевые волокна, легированные германием, подвергаются действию такой среды, потери на затухание могут существенно увеличиваться. Эти потери по меньшей мере частично связаны с действием на волокна водорода. Например, потери, указываемые в настоящем описании как потери, вызываемые срезанием в области коротких длин волн, связаны с недостаточностью легирующего элемента (например, германия) на некоторых участках по длине волокна. Атомы водорода будут присоединяться к любым открытым или ослабленным связям в структуре стекла, таким как некоторые атомы легирующего элемента (например, Ge, Sn, Pb, Sb, B, P) возле кислородно-дефицитных центров, и формировать SiOH и/или ("атом легирующего элемента") OH. Например, для волокон, легированных германием, затухание быстро увеличивается при повышении температуры.

Оптические волокна с сердцевиной из чистого кварца часто используются во внутрискважинном оборудовании в связи с присущей им стойкостью к действию водорода, вызывающему увеличение затухания, при температурах выше 80°C. В сердцевине из чистого кварца отсутствуют фоточувствительные материалы, предпочтительные для использования в стандартных процессах изготовления решеток, работающие на длине волн 248 нм или 193 нм.

Увеличение концентрации фоточувствительного материала, такого как германий, приводит к увеличению чувствительности волоконно-оптических датчиков к неблагоприятному действию водорода. Таким образом, оптические волокна с большой числовой апертурой, имеющие сердцевину с высоким содержанием фоточувствительного легирующего элемента, хотя и имеют сравнительно большую числовую апертуру и пониженную чувствительность к микро- и макроизгибам, однако характеризуются высоким затуханием, вызываемым водородом, особенно при работе в скважинах.

Раскрытие изобретения

В изобретении предлагается оптическое волокно, содержащее:

сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга;

депрессированную оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления; и

внешнюю оболочку, окружающую депрессированную оболочку и имеющую третий показатель преломления, превышающий показатель преломления депрессированной оболочки.

В частных вариантах осуществления числовая апертура оптического волокна превышает 0,10.

Концентрация фоточувствительного материала может быть по существу равна минимальной концентрации, которая позволяет изготовить волоконные решетки Брэгга посредством облучения фоточувствительного материала электромагнитным излучением.

Отношение диаметра D внутренней оболочки к диаметру d сердцевины превышает 2 или превышает 8,5.

Разница между первым и вторым показателями преломления превышает по меньшей мере 0,003 или находится в диапазоне от примерно 0,002 до примерно 0,06.

Оптическое волокно может быть сконфигурировано в виде волоконно-оптического датчика и содержащее по меньшей мере один измерительный компонент.

Фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, содержит по меньшей мере одну легирующую добавку, в частности, включающую германий, для повышения первого показателя преломления. При этом концентрация по меньшей мере одной легирующей добавки в сердцевине достаточна для повышения первого показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину, находящуюся в диапазоне от примерно 0,001 до примерно 0,006, и/или указанная концентрация находится в диапазоне от примерно 0,03 до 5 мол. % от состава сердцевины.

Оболочка может также включать по меньшей мере одну легирующую добавку для уменьшения второго показателя преломления по сравнению с чистым кварцем, имеющую концентрацию, достаточную для уменьшения второго показателя преломления в такой степени, что разница между первым и вторым показателями преломления составляет по меньшей мере примерно 0,001.

По меньшей мере одна легирующая добавка сердцевины может иметь первую концентрацию, достаточную для увеличения первого показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,04, и по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки имеет вторую концентрацию, достаточную для уменьшения второго показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,02.

Упомянутая по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки может быть также выбрана из группы, состоящей из фтора и бора.

В частных вариантах в оболочку вводят по меньшей мере одну дополнительную легирующую добавку, выбранную из группы, включающей германий, олово, фосфор, тантал, титан, свинец, лантан, алюминий, галлий и сурьму.

В изобретении также предлагается оптическое волокно, содержащее:

сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга; и

оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления, причем оболочка включает по меньшей мере одну легирующую добавку для уменьшения второго показателя преломления.

В изобретении также предлагается устройство для определения по меньшей мере одного параметра среды в скважине, содержащее:

волоконно-оптический датчик, выполненный с возможностью размещения в скважине и включающий оптическое волокно, содержащее сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга, и содержащее депрессированную оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления.

по меньшей мере один измерительный компонент внутри оптического волокна;

источник света, выполненный с возможностью передачи оптического сигнала в оптическое волокно; и

приемник, выполненный с возможностью приема обратного сигнала, передаваемого по меньшей мере одним измерительным компонентом, и формирования данных, представляющих по меньшей мере один параметр.

Краткое описание чертежей

Приведенное ниже описание содержит ссылки на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые элементы указываются одинаковыми ссылочными номерами и на которых показано:

на фиг. 1 - вид спереди сечения одного из вариантов оптического волокна по настоящему изобретению;

на фиг. 2 - график изменения показателя преломления оптического волокна фиг. 1;

на фиг. 3 - график изменения показателя преломления для одного из вариантов конструкции оптического волокна;

на фиг. 4 - вид сбоку сечения одного из вариантов измерительного устройства, в котором используется оптическое волокно фиг. 3;

на фиг. 5 - схематический вид внутрискважинного измерительного устройства, в котором используется оптическое волокно фиг. 3;

на фиг. 6 - блок-схема способа изготовления оптического волокна.

Осуществление изобретения

На фиг. 1, 2 иллюстрируется, соответственно, поперечное сечение оптического волокна 10 и график изменения его показателя преломления для одного из вариантов осуществления изобретения. Как показано на фиг. 1, оптическое волокно 10 содержит сердцевину 12 диаметром d из фоточувствительного материала, имеющего первый показатель n_серд. преломления, и оболочку 14 внешним диаметром D, имеющую второй показатель преломления n_обол.. Первый показатель преломления больше второго показателя преломления, то есть, n_серд.>n_обол.. В одном из вариантов оптическое волокно 10 имеет депрессированную оболочку или очень депрессированную оболочку. Оптическое волокно с очень депрессированной оболочкой - это обычно одномодовое оптическое волокно, которое имеет оболочку с очень низким показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердцевины и внешнюю оболочку, показатель преломления которой примерно равен показателю преломления сердцевины. В одном из вариантов оптическое волокно с депрессированной оболочкой - это оптическое волокно, в котором разница между n_серд. и n_обол., указываемая как Δn, равна по меньшей мере примерно 0,008. В одном из вариантов оболочка 14 легирована материалом, подходящим для снижения величины n_обол. по сравнению с чистым кварцем и/или с материалом внешней оболочки (n_внеш.). Числовая апертура определяется как

NA=(n_серд. ²-n_обол. ²)^1/2.

В одном из вариантов числовая апертура оптического волокна 10 равна по меньшей мере примерно 0,08.

В одном из вариантов сердцевина 12 является сердцевиной одномодового волокна, имеющего постоянный коэффициент преломления по продольной оси сердцевины. Сердцевина 12 может быть изготовлена из подходящих оптических материалов, таких как кварцевое стекло или кварц. В одном из вариантов сердцевину 12 легируют одним или несколькими материалами, такими как фоточувствительные материалы, так что показатель n_серд. преломления сердцевины может увеличиваться или иным образом изменяться по сравнению с показателем преломления исходного материала, без легирующих добавок. Примеры таких легирующих материалов включают германий (Ge), олово (Sn), фосфор (Р), тантал (Та), титан (Ti), свинец (Рb), лантан (La), алюминий (А1), галлий (Ga), сурьма (Sb) и любые другие материалы, подходящие для легирования стекла или других материалов сердцевины. В одном из вариантов в сердцевину 12 добавляют фоточувствительный материал, обеспечивающий слабое легирование. В одном из вариантов термин "слаболегированный материал" используется в отношении материала, в котором концентрация легирующей добавки достаточна для увеличения коэффициента преломления примерно на 0,0001 или меньше. Например, концентрация легирующей добавки может быть достаточна для увеличения n_серд. от примерно 0,0001 до примерно 0,04. В одном из вариантов концентрация легирующей добавки может быть достаточна для увеличения n_серд. от примерно 0,003 до примерно 0,01. В других вариантах концентрацию фоточувствительного материала уменьшают, однако не ниже минимальной концентрации, которая позволяет изготовить волновую решетку Брэгга или другое измерительное устройство.

В одном из вариантов для обеспечения увеличенного коэффициента преломления сердцевину легируют германием или другим материалом, повышающим коэффициент преломления, в количестве от примерно 0,5 вес. % до примерно 15 вес. %. В одном из вариантов концентрация легирующей добавки сердцевины находится в диапазоне от примерно 2,5% до примерно 10% от веса сердцевины.

Оболочка 14 представляет собой слой оптического материала, такого как кварцевое стекло, который легирован добавкой, обеспечивающей снижение коэффициента n_обол. по сравнению с исходным материалом, без такой добавки. Примеры таких легирующих добавок для оболочки включают фтор и бор. Оболочка 14 имеет концентрацию легирующей добавки, достаточную для обеспечения разницы показателей преломления относительно чистого кварца в оптическом волокне 10 по меньшей мере примерно -0,001. В одном из вариантов оболочку 14 легируют небольшим количеством легирующей добавки, достаточным для снижения показателя преломления материала оболочки по сравнению с чистым кварцем по меньшей мере на 0,001. Например, концентрация легирующей добавки может быть достаточной для уменьшения n_обол. на величину от примерно 0,001 до примерно 0,02. В одном из вариантов концентрация легирующей добавки может быть достаточной для увеличения n_обол. на величину от примерно 0,003 до примерно 0,01.

В одном из вариантов для обеспечения уменьшенного коэффициента преломления оболочку легируют фтором или другим материалом, понижающим коэффициент преломления, в количестве от примерно 0,03 вес. % до примерно 5 вес. %. Например, концентрация легирующей добавки оболочки может находиться в диапазоне от примерно 0,5% до примерно 3% от веса оболочки.

График коэффициента преломления одного из вариантов оптического волокна 10 приведен на фиг. 3. Такое оптическое волокно 10 содержит кварцевую сердцевину (SiO₂), легированную германием (GeO₂). Сердцевина легирована германием в такой степени, что разница показателей преломления сердцевины с легирующей добавкой и без легирующей добавки не превышает примерно 0,006. Оболочка легирована фтором (F) для уменьшения показателя преломления, так что разница показателей преломления оболочки с легирующей добавкой и без легирующей добавки находится в диапазоне от примерно 0,005 до примерно 0,006. Соответственно, как показано в этом примере, общая разница показателей преломления сердцевины и оболочки превышает примерно 0,010.

Оптическое волокно 10 в рассматриваемом примере содержит одномодовую сердцевину 12, легированную германием, которая характерна для типичного волокна, используемого для передачи информации. Сердцевина 12 изготовлена из кварца с небольшим количеством легирующей добавки, например, с концентрацией германия, составляющей примерно 3 вес. %. В одном из вариантов концентрация германия в легированной сердцевине достаточна для повышения n_серд. примерно на 0,0055 по сравнению с материалом без легирующей добавки. Оболочка 14 из кварца легирована фтором и/или бором, причем концентрация легирующей добавки достаточна для снижения n_обол. по меньшей мере на 0,001 по сравнению с чистым кварцем.

Числовая апертура такого волокна находится в диапазоне 0,16-0,20, причем обычно при изготовлении такого волокна необходимо использовать только половину германия по сравнению с волокном, имеющим оболочку из чистого кварца. Такое волокно имеет повышенную стойкость к действию водорода, увеличивающего потери на затухание, а также к микро- и макроизгибам, и может использоваться в конструкциях кабелей или других устройств, которые передают напряжения на волокна, таких как полиимидные покрытия и композитные структуры.

В одном из вариантов используется двухслойная оболочка 14, содержащая внутреннюю оболочку 14 и внешнюю оболочку 15. Внешняя оболочка 15 окружает внутреннюю оболочку 14, которая, в свою очередь, окружает сердцевину 12. Показатель n_обол. преломления внутренней оболочки меньше n_серд.. Внешняя оболочка имеет показатель n_внеш. преломления, который в одном из вариантов превышает n_обол.. Показатель n_внеш. преломления может быть меньше или по меньшей мере примерно равен В одном из вариантов величины диаметра D оболочки и диаметра d сердцевины находятся в соотношении D/d, которое превышает 2. В одном из вариантов отношение D/d превышает 8,5.

На фигуре 4 приведен вид оптического волокна 10, используемого в качестве волоконно-оптического датчика. В этом варианте оптическое волокно 10 содержит по меньшей мере один измерительный компонент 16. Например, измерительный компонент 16 может быть волоконной решеткой Брэгга (ВРБ), которая находится внутри сердцевины и обеспечивает отражение части оптического сигнала (отраженный сигнал), который может быть измерен и/или проанализирован для оценки параметра оптического волокна 10 и/или окружающей его среды.

ВРБ представляет собой постоянное периодическое изменение показателя преломления на некотором участке сердцевины оптического волокна, которая имеет заданную длину в диапазоне от 1 мм до 100 мм. ВРБ отражает свет в узком диапазоне длин волн с центральной длиной λ_B волны Брэгга. Длина λ_B волны Брэгга света, отраженного от ВРБ, изменяется в соответствии с изменениями характеристик среды, окружающей волокно, таких как температура и давление, причем эти изменения достаточны для изменения эффективного показателя преломления для распространяющегося света и/или физического периода решетки. Измеряя длину λ_B волны Брэгга света, отраженного решеткой ВРБ, можно получать указанные характеристики окружающей среды. Решетки ВРБ могут использоваться в качестве датчиков давления, поскольку длина волны Брэгга изменяется при сжатии волокна.

Материалы, входящие в состав сердцевины 12 и оболочки 14, такие как фоточувствительные материалы и легирующие добавки, не ограничиваются материалами, указанными в настоящем описании. При необходимости могут использоваться любые материалы, подходящие для использования в оптических волокнах для изменения показателя преломления. Кроме того, диаметры или размеры сердцевины 12 и оболочки 14 не ограничиваются указанными в описании и могут быть изменены в соответствии с конкретным применением или конкретной конструкцией. Далее, состав оптического волокна 10 не ограничивается конкретными материалами или концентрациями легирующих добавок, указанными в описании. Концентрации (которые могут быть выражены в мольных процентах, весовых процентах или в плотности) могут изменяться при необходимости для изменения показателя преломления и числовой апертуры.

Пример применения оптического волокна 10 и/или волоконно-оптического датчика представлен на фиг. 5, на которой иллюстрируется внутрискважинное измерительное устройство 20. Такое устройство 20 предназначено для измерения различных параметров внутри скважины, таких как деформации, механическое напряжение, температура и давление. В одном из вариантов устройство 20 содержит оптическое волокно, имеет конфигурацию, обеспечивающую его использование в качестве волоконно-оптического датчика деформаций. Хотя оптическое волокно 10, раскрытое в настоящем описании, указывается как волокно, обеспечивающее измерения деформаций, оно может использоваться для измерения разных параметров среды в скважине или на поверхности или же может использоваться для других целей, например, для передачи информации.

Устройство 20 содержит измерительный блок 22 на поверхности и по меньшей мере один волоконно-оптический датчик 24. Волоконно-оптический датчик 24 содержит оптическое волокно 10. В одном из вариантов волоконно-оптический датчик 24 содержит измерительные компоненты 16, такие как волоконные решетки Брэгга (ВРБ), распределенные по длине оптического волокна 10.

Измерительный блок 22 на поверхности содержит лазер 26 с перестройкой частоты, приемник 28 и блок 30 обработки данных. Приемник 28 может быть любым подходящим фотодетектором, таким как диодная сборка. Приемник 28 выполнен с возможностью приема обратных сигналов, отраженных на измерительных компонентах (например, на решетках ВРБ) 16, и формирует данные измерений.

Волоконно-оптический датчик 24 выполнен с возможностью его опускания на требуемую глубину скважины 32. С помощью волоконно-оптического датчика можно измерять такие параметры, как температура, деформации, давление, положение, форма и вибрация.

В одном из вариантов волоконно-оптический датчик 24 расположен на держателе или корпусе 32, таком как сегмент бурильной колонны, внутрискважинный инструмент или забойная часть бурильной колонны. Например, группа волоконно-оптических датчиков 24 может быть встроена в песчаный фильтр 24, установленный в скважине, для контроля растяжения и для формирования трехмерной картины деформаций фильтра 24. Термин "скважина", как он используется в настоящем описании, относится к одному каналу, который составляет всю пробуренную скважину или ее часть. Кроме того, термин "держатель", как он используется в настоящем описании, относится к любой конструкции, подходящей для спуска в скважину или для соединения бурового инструмента с поверхностью, и не ограничивается лишь конструкциями или конфигурациями, указанными в описании. Примеры держателей включают трубы обсадной колонны, кабели и тросы, зонды на кабелях, зонды на тросах, внутрискважинные переводники и муфты, вставки буровых колонн, их модули, внутренние кожухи и другие части.

Устройство 20 может использоваться в связи со способами оценки различных параметров среды в скважине и/или самого устройства 20. Например, способ включает размещение волоконно-оптического датчика 24 и/или держателя 32 в скважине, излучение измерительного сигнала лазером 26 и распространение сигнала по оптическому волокну 10. Решетки Брэгга или другие измерительные компоненты 16 отражают часть сигнала по оптическому волокну 10 назад в блок 22 на поверхности. Длина волны этого отраженного сигнала сдвигается относительно измерительного сигнала в соответствии с такими параметрами, как деформации и температура. Отраженный сигнал принимается блоком 22 на поверхности, который осуществляет его анализ для определения требуемых параметров.

На фиг. 6 приведена блок-схема способа изготовления оптического волокна 10. Способ 40 включает одну или несколько стадий 41-46. В одном из вариантов способ 40 включает выполнение всех стадий 41-46 в указанном порядке. Однако некоторые стадии могут быть опущены, могут быть добавлены дополнительные стадии, или может быть изменен порядок выполнения стадий.

На стадии 41, используя один из известных подходящих способов, изготавливают преформу фоточувствительного оптического волокна. К таким способам относятся способы, в которых используется осаждение, такие как химическое осаждение из паровой фазы, модифицированное химическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы с использованием плазмы, осевое осаждение из паровой фазы и внешнее осаждение из паровой фазы. В одном из вариантов преформа содержит сердцевину с первой концентрацией фоточувствительного материала, такого как германий. Преформа содержит слой оболочки со второй концентрацией по меньшей мере одной легирующей добавки, такой как фтор и/или бор. В одном из вариантов сердцевина преформы представляет собой слаболегированную сердцевину, включающую оптический материал, такой как кварц, слабо легированный германием (например, в количестве, не превышающем 10 мольн. %).

В одном из вариантов преформа (и изготовленное из нее оптическое волокно) включает зону сердцевины, зону оболочки и зону внешней оболочки. Сердцевина имеет увеличенный показатель преломления по сравнению с чистым кварцем благодаря введению легирующих добавок, таких как германий. Оболочка имеет уменьшенный показатель преломления по сравнению с чистым кварцем благодаря легирующим добавкам, понижающим показатель преломления, таким как бор и фтор. Внешняя оболочка может быть из чистого кварца или же может содержать легирующие добавки для увеличения показателя преломления. В одном из вариантов внешнюю оболочку формируют из трубки преформы, используемой в способе модифицированного химического осаждения из паровой фазы. Соответственно, для преформы и получаемого из нее оптического волокна в этом варианте n_серд.>n_обол., n_серд.>n_внеш., и n_внеш.>n_обол..

В одном из вариантов преформа (и изготовленное из нее оптическое волокно) включает зону сердцевины и зону оболочки. Преформа может быть изготовлена в этом варианте таким способом, как внешнее осаждение из паровой фазы или осевое осаждение из паровой фазы. Сердцевина содержит фоточувствительный материал, который повышает показатель преломления, и оболочка имеет уменьшенный показатель преломления по сравнению с чистым кварцем благодаря введению легирующих добавок, понижающих показатель преломления. Оболочку легируют таким образом, чтобы ее показатель преломления существенно уменьшился, так что меньшая концентрация легирующих добавок требуется в сердцевине для повышения ее показателя преломления и получения такой же числовой апертуры, как и в случае отсутствия в оболочке легирующих добавок.

На второй стадии 42 из преформы вытягивают оптическое волокно.

На третьей стадии 43 в оптическом волокне формируют измерительные компоненты, такие как волоконные решетки Брэгга (ВРБ). Измерительные компоненты могут быть изготовлены либо при вытягивании волокна, например, на волочильной установке, либо после вытягивания. Для формирования ВРБ может использоваться травление или запись с помощью УФ-излучения. Например, решетки ВРБ могут быть сформированы в фоточувствительном волокне (то есть, в волокне, содержащем добавку фоточувствительного материала, такого как германий) путем воздействия на волокно периодическим интерференционным узором, формируемым УФ-излучением лазера.

Конструкция оптического волокна, раскрытого в настоящем описании, подходит для самых разных измерительных устройств. Например, оптическое волокно 10 хорошо подходит для использования в качестве волоконно-оптического датчика с ВРБ. Конструкция оптического волокна обеспечивает баланс между фоточувствительностью, необходимой для изготовления решетки, стойкостью к действию водорода низкой чувствительностью к микро- и макроизгибам.

Оптические волокна, устройства и способы, раскрытые в настоящем описании обладают различными достоинствами и преимуществами по сравнению с известными способами и устройствами. Например, такие оптические волокна имеют большую числовую апертуру и в то же время содержат меньшее количество фоточувствительной легирующей добавки с поддержанием необходимого уровня фоточувствительности, а также отличаются хорошей стойкостью к изгибам и к действию водорода, увеличивающему потери на затухание. Например, оптические волокна, раскрытые в настоящем описании, отличаются получением высокой величины Δn без необходимости увеличения уровней германия, вводимого в качестве легирующей добавки, в результате чего повышается стойкость к действию водорода по сравнению с известными фоточувствительными волокнами. Это является преимуществом по сравнению с обычными фоточувствительными волокнами, в которых для достижения большой числовой апертуры необходимо использовать больше германия, что повышает чувствительность волокна к действию водорода.

В связи с принципами изобретения, раскрытыми в заявке, для анализа могут использоваться различные средства анализа, включая цифровые и/или аналоговые системы. Устройство может содержать такие компоненты, как процессор, накопители данных, средства ввода и вывода данных, линия связи (проводная, беспроводная, оптическая и т.п.), средства интерфейса пользователя, программы, сигнальные процессоры (цифровые или аналоговые) и другие компоненты (резисторы, конденсаторы, индуктивности и т.п.) для обеспечения работы устройства и осуществления способов, раскрытых в описании, с использованием технологий, хорошо известных в технике. Предполагается, что изобретение может быть реализовано с использованием компьютерных программ, записанных на машиночитаемом носителе, включая запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ), оптические или магнитные носители или другие типы носителей, и при выполнении этих программ компьютер будет осуществлять способ по настоящему изобретению. Выполнение этих программ может обеспечивать работу оборудования, управление, накопление и анализ данных, а также другие функции, которые сочтет необходимыми разработчик, владелец, пользователь или другие лица, в дополнение к вышеописанным функциям устройства.

Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления, однако специалистам в данной области техники будет очевидно, что в эти варианты могут быть внесены различные изменения, и их элементы могут быть заменены эквивалентами без выхода за пределы объема изобретения. Кроме того, специалистами могут быть предложены различные модификации для адаптации изобретения к конкретным приборам, применениям или материалам без отклонения от сущности и объема изобретения. Поэтому изобретение не должно ограничиваться конкретным примером, описанным в качестве наиболее предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам на основе решеток Брэгга. Оптическое волокно содержит сердцевину, которая включает фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления. Сердцевина имеет первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, необходимую для формирования волоконных решеток Брэгга. Волокно также содержит депрессированную оболочку, которая окружает сердцевину и имеет второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления. Внешняя оболочка окружает депрессированную оболочку и имеет третий показатель преломления, превышающий показатель преломления депрессированной оболочки. Дополнительно раскрыт второй вариант оптического волокна без депрессированной оболочки и устройство для определения параметров среды в скважине на основе оптического волокна. Технический результат - обеспечение большой числовой апертуры и содержание меньшего количества фоточувствительной легирующей добавки с поддержанием необходимого уровня фоточувствительности, а также хорошей стойкости к изгибам и воздействию водорода. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптическое волокно, содержащее:
Сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга;
депрессированную оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления; и
внешнюю оболочку, окружающую депрессированную оболочку и имеющую третий показатель преломления, превышающий показатель преломления депрессированной оболочки.

2. Оптическое волокно по п. 1, числовая апертура которого превышает 0,10.

3. Оптическое волокно по п. 1, в котором концентрация фоточувствительного материала по существу равна минимальной концентрации, которая позволяет изготовить волоконные решетки Брэгга посредством облучения фоточувствительного материала электромагнитным излучением.

4. Оптическое волокно по п. 1, в котором отношение диаметра D внутренней оболочки к диаметру d сердцевины превышает 2 или превышает 8,5.

5. Оптическое волокно по п. 1, в котором разница между первым и вторым показателями преломления превышает по меньшей мере 0,003 или находится в диапазоне от примерно 0,002 до примерно 0,06.

6. Оптическое волокно по п. 1, сконфигурированное в виде волоконно-оптического датчика и содержащее по меньшей мере один измерительный компонент.

7. Оптическое волокно по п. 1, в котором фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, содержит по меньшей мере одну легирующую добавку, включающую германий, для повышения первого показателя преломления.

8. Оптическое волокно по п. 7, в котором концентрация по меньшей мере одной легирующей добавки в сердцевине достаточна для повышения первого показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину, находящуюся в диапазоне от примерно 0,001 до примерно 0,006, и/или указанная концентрация находится в диапазоне от примерно 0,03 до 5 мол.% от состава сердцевины.

9. Оптическое волокно по п. 7, в котором оболочка включает по меньшей мере одну легирующую добавку для уменьшения второго показателя преломления по сравнению с чистым кварцем.

10. Оптическое волокно по п. 9, в котором по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки имеет концентрацию, достаточную для уменьшения второго показателя преломления в такой степени, что разница между первым и вторым показателями преломления составляет по меньшей мере примерно 0,001.

11. Оптическое волокно по п. 9, в котором по меньшей мере одна легирующая добавка сердцевины имеет первую концентрацию, достаточную для увеличения первого показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,04, и по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки имеет вторую концентрацию, достаточную для уменьшения второго показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,02.

12. Оптическое волокно по п. 9, в котором по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки выбрана из группы, состоящей из фтора и бора.

13. Оптическое волокно по п. 9, в котором в оболочку вводят по меньшей мере одну дополнительную легирующую добавку, выбранную из группы, включающей германий, олово, фосфор, тантал, титан, свинец, лантан, алюминий, галлий и сурьму.

14. Оптическое волокно, содержащее:
сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга; и
оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления, причем оболочка включает по меньшей мере одну легирующую добавку для уменьшения второго показателя преломления.

15. Оптическое волокно по п. 14, сконфигурированное в виде волоконно-оптического датчика и содержащее по меньшей мере один измерительный компонент.

16. Оптическое волокно по п. 14, котором фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, содержит по меньшей мере одну легирующую добавку, включающую германий, для повышения первого показателя преломления.

17. Оптическое волокно по п. 14, в котором оболочка включает по меньшей мере одну легирующую добавку в концентрации, достаточной для уменьшения второго показателя преломления в такой степени, чтобы разница между первым и вторым показателями преломления составляла по меньшей мере примерно 0,001.

18. Оптическое волокно по п. 14, в котором фоточувствительный материал включает по меньшей мере одну легирующую добавку с первой концентрацией, достаточной для увеличения первого показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,04, и по меньшей мере одна легирующая добавка оболочки имеет вторую концентрацию, достаточную для уменьшения второго показателя преломления по сравнению с чистым кварцем на величину от примерно 0,001 до примерно 0,02.

19. Оптическое волокно по п. 14, в котором концентрация фоточувствительного материала по существу равна минимальной концентрации, которая позволяет изготовить волоконные решетки Брэгга посредством облучения фоточувствительного материала электромагнитным излучением.

20. Устройство для определения по меньшей мере одного параметра среды в скважине, содержащее:
волоконно-оптический датчик, выполненный с возможностью размещения в скважине и включающий оптическое волокно, содержащее сердцевину, включающую фоточувствительный материал, повышающий показатель преломления, и имеющую первый показатель преломления и минимальную концентрацию фоточувствительного материала, требующуюся для формирования волоконных решеток Брэгга, и содержащее депрессированную оболочку, окружающую сердцевину и имеющую второй показатель преломления, меньший, чем первый показатель преломления.
по меньшей мере один измерительный компонент внутри оптического волокна;
источник света, выполненный с возможностью передачи оптического сигнала в оптическое волокно; и
приемник, выполненный с возможностью приема обратного сигнала, передаваемого по меньшей мере одним измерительным компонентом, и формирования данных, представляющих по меньшей мере один параметр.