Оптоволоконный бронированный кабель для измерения температурного профиля нефтяных и газовых скважин

Полезная модель относится к области оптических кабелей и может быть использована для измерения температурного, акустического распределения в паронагнетательных и добывающих скважинах, а также в качестве канала передачи данных и энергии к традиционным геофизическим приборам при проведении исследований и длительном мониторинге нефтяных и газовых скважин.
Из уровня техники известен волоконно-оптический кабель для измерения температурного распределения в паронагнетательных скважинах (патент РФ №2238578, МПК G02B 6/44, опубликовано 20.10.2004 г.), включающий размещенное в герметичной металлической трубке, заполненной наполнителем, покрытое защитной оболочкой оптическое волокно. Защитная оболочка представляет собой слой металлизации, прилегающий к оптическому волокну, и охватывающую его оплетку из стеклонити, при этом в качестве наполнителя применен инертный газ.
Недостатками данного кабеля являются его плохая гибкость, обусловленная наличием в конструкции кабеля жесткой стальной трубки, что затрудняет монтаж кабеля в скважине; слабая механическая стойкость к поперечному сжатию, деформация герметичной металлической трубки в результате воздействия сдавливающих нагрузок внешней среды, которая может привести к нарушению целостности защитных оболочек и повреждению оптического волокна; применение металлизированного оптического волокна удорожает стоимость и ограничивает строительную длину кабеля, что связано с высоким уровнем затухания сигнала.
Известен геофизический волоконно-оптический кабель (патент РФ №156786, МПК H01B 11/22, опубликовано 20.11.2015 г.), включающий трос из металлических проволок, уложенных таким образом, что в центре образован свободный канал, и одно или несколько оптических волокон, уложенных в указанный свободный канал, причем указанный свободный канал и свободное пространство между металлическими проволоками троса заполнено материалом с низким модулем упругости.
Недостатками данного кабеля являются сложность зачистки оптоволокна от силикона или другого компаунда, которым заливается полость с оптическим волокном; низкая механическая прочность конструкции кабеля к раздавливающим и изгибающим нагрузкам; низкая стойкость к высоким давлениям внешней среды; сложность герметизации кабеля на запорной арматуре скважины.
Известен грузонесущий геофизический кабель (патент РФ №50337, МПК Н01В 7/24, опубликовано 27.12.2005 г.), включающий наружный и внутренний слои брони со слоем изоляции между ними, а также оптоволоконный модуль в центре. Оптоволоконный модуль размещен в металлическом капилляре, например, из нержавеющей стали, который одновременно является токопроводящей жилой, и имеет снаружи подушку-изолятор, а с внутренней - гидрофобный заполнитель с размещенными оптоволоконными каналами. Внутренний слой брони с наложенной на него изоляцией является токопроводящей жилой и каркасом, воспринимающим на себя внешнее давление.
Недостатками данного кабеля являются низкая температурная стойкость, ограниченная верхним пределом в +135°С, трудоемкость разделки оболочек кабеля, сложность конструкции, низкая стойкость к раздавливающим и изгибающим нагрузкам, сложность герметизации кабеля на запорной арматуре скважины.
Известен волоконно-оптический кабель для измерения температурного распределения в паронагнетательных скважинах (патент РФ №2614662, МПК G02B 6/44, опубликовано 28.03.2017 г.), включающий оптическое волокно с защитным покрытием, свободно уложенное в модульной металлической трубке, которая размещена внутри внешней металлической трубки. При этом внутри внешней металлической трубки размещены две одинаковые защитные металлические трубки, отношение внутреннего диаметра которых к внешнему диаметру модульной металлической трубки больше чем 3/2, а модульная металлическая трубка с оптическим волокном размещена внутри одной из защитных металлических трубок.
Недостатками данного кабеля являются его плохая гибкость, обусловленная наличием в конструкции кабеля четырех жестких стальных трубок, что затрудняет монтаж кабеля в скважине; большие габариты кабеля, затрудняющие его прокладку в скважине; наличие в конструкции кабеля четырех стальных трубок значительно повышают стоимость кабеля.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей оптоволоконного кабеля.
Техническим результатом полезной модели является повышение устойчивости к внешним воздействиям, таким как механические и температурные нагрузки и агрессивные среды.
Технический результат полезной модели достигается оптоволоконным бронированным кабелем, содержащим центральный оптический модуль с как минимум одним оптическим волокном, имеющим герметичное углеродное покрытие и высокотемпературное полиимидное покрытие, заключенное в первую стальную трубку, заполненную инертным газом, вокруг которой расположена внутренняя броневая оболочка, выполненная из двух слоев оцинкованной стальной проволоки и размещенная внутри второй стальной трубки, покрытой внешней броневой оболочкой, выполненной из двух слоев оцинкованной стальной проволоки.
Согласно полезной модели центральный оптический модуль дополнительно содержит как минимум один металлический проводник, имеющий эмалевое высокотемпературное покрытие, заключенный в первую стальную трубку.
Согласно полезной модели оптическое волокно имеет чистую кварцевую сердцевину.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано поперечное сечение оптоволоконного кабеля, на фиг. 2 показан общий вид сегмента оптоволоконного кабеля.
Оптоволоконный бронированный кабель содержит центральный оптический модуль с как минимум одним оптическим волокном 1, имеющим герметичное углеродное покрытие и высокотемпературное полиимидное покрытие, и как минимум одним металлическим проводником 2, имеющим эмалевое высокотемпературное покрытие. Оптическое волокно 1 и металлический проводник 2 заключены в первую стальную трубку 3, заполненную инертным газом. Вокруг стальной трубки 3 расположена внутренняя броневая оболочка 4, выполненная из двух слоев оцинкованной стальной проволоки и размещенная внутри второй стальной трубки 5, покрытой внешней броневой оболочкой 6, выполненной из двух слоев оцинкованной стальной проволоки.
2
В случае конкретного выполнения оптоволоконного бронированного кабеля оптическое волокно 1, изготовленное с чистой кварцевой сердцевиной, имеет герметичное углеродное и высокотемпературное полиимидное покрытия. Металлический проводник 2 выполнен из медного провода и покрыт эмалевой высокотемпературной изоляцией. Первая стальная трубка 3 изготовлена из нержавеющей стали марки AISI 316 диаметром 1,35 мм с толщиной стенки 0,15 мм и заполнена инертным газом, например азотом особой чистоты (N 99,996%). Внутренняя броневая оболочка 4 выполнена из двух слоев оцинкованной стальной проволоки диаметром 0,5 мм. Вторая стальная трубка 5 диаметром 4,0 мм с толщиной стенки 0,3 мм выполнена из нержавеющей стали марки AISI 316. Внешняя броневая оболочка 6 выполнена из двух слоев оцинкованной стальной проволоки диаметром 0,85 мм.
Спуск кабеля в скважину и его расположение в ней осуществляют известным способом. Измерение температурного или акустического распределения в скважине осуществляют с помощью известной аппаратуры известным способом.
Конструкция оптоволоконного кабеля обеспечивает:
- расширение диапазона рабочих температур от -55° с до +300°С и кратковременно до +400°С, за счет применения высокотемпературного полиимидного покрытия оптического волокна, а также отсутствия в конструкции кабеля полимерных материалов;
- стойкость к агрессивным средам, в том числе содержащим пары водорода, за счет использования оптического волокна с герметичным углеродным покрытием, а также заполнения полости первой стальной трубки инертным газом;
- высокую прочность и стойкость к механическим, растягивающим, раздавливающим и изгибающим воздействиям, работоспособность при давлениях до 60 Мпа;
- хорошую гибкость кабеля;
- грузонесущую возможность кабеля, позволяющую использовать его для доставки приборов в скважину;
- возможность подключения и обеспечения питания традиционных геофизических приборов;
- возможность использования типовых трубных обжимных фитингов для герметизации по телу кабеля, что позволяет надежно герметизировать конец кабеля и выполнять герметичные вводы и выводы кабеля из приборов и запорной устьевой арматуры нефтяных и газовых скважин;
- простую и удобную разделку кабеля;
- малые габариты кабеля.
Таким образом, предложенная конструкция оптоволоконного кабеля повышает его эксплуатационные возможности, за счет повышения устойчивости к внешним воздействиям.