КАБЕЛЬ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОМЕТРИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ (СТВОР)

Область применения
[1] Полезная модель относится к области волоконной оптики, а именно к волоконно-оптическим кабелям, предназначенным как для применения в системах связи, так и для их использования в качестве датчиков, например датчиков температуры в системах термометрии.
Уровень техники
[2] Волоконно-оптические кабели обладают широким спектром применения, например, они могут использоваться в системах связи, позволяющих передавать информацию по ним на большие расстояния ввиду более высокой скорости передачи данных, чем в электронных системах связи. Однако в ряде случаев они также применяются для создания датчиков на их основе. Например, протяженные волоконно-оптические кабели показывают себя эффективными датчиками при необходимости измерять температуру вдоль протяженного объекта.
[3] Такой способ измерения температуры может применяться во многих отраслях, в частности, в исследовательских работах. Система измерения температуры на основе волоконно-оптического кабеля может позволить измерять температуру в водоемах, например на дне океана, измерять температуру протяженных рельс и других областях, в которых требуется измерение температуры вдоль протяженных объектов. Также настоящий волоконно-оптического кабель может применяться в нефтедобывающей отрасли.
[4] В нефтедобывающей отрасли важным этапом в процессе добычи нефти является ее подогрев. Благодаря предварительному нагреву нефти происходит снижение вязкости нефти и облегчается процесс коалесценции капель воды. Особенно важен фактор вязкости нефти в неглубоких скважинах, т.е. в которых температура нефти ниже, чем в глубоких. Вязкость нефти мешает ее эффективной добыче.
[5] Для нагрева нефтяного пласта обычно применяют технологию SAGD (от англ. Steam Assisted Gravity Drainage — термогравитационное дренирование пласта). Она применяется на месторождениях с вязкой нефтью и заключается в предварительном нагреве до жидкого состояния с последующим извлечением из коллектора на поверхность. Отличие бурения от классических скважин заключается в горизонтальном расположении ствола с целью увеличения площади отбора флюида.
[6] В патенте US 8864374 B2 (опубл. 21.10.2014 г.; МПК: G01K 11/00; G01K 11/32; G02B 6/44) раскрывается сенсорный кабель, имеющий узел сенсорного волокна, который включает пару сенсорных волокон, соединенных поворотной секцией с модальным фильтром на конце сенсорных волокон. Чувствительный кабель также включает в себя внутренний рукав, который окружает узел чувствительного волокна, и армированный кожух, который закрывает конечный конец внутреннего рукава. Сенсорный кабель имеет низкий профиль, и каждый его компонент изготовлен из материалов, устойчивых к высоким температурам и водороду, и способен длительно работать при высоких температурах, таких как до 300°С, в водородной среде на больших участках волокна. Запросчик распределенного теплового зондирования (DTS) подключается к сенсорному кабелю и выполняет измерение DTS в соответствии с протоколами и алгоритмами, которые используют модальный фильтр поворотной секции для расчета показаний температуры вдоль сенсорного волоконно-оптического узла. Первым недостатком является то, что в аналоге выполнен всего один слой брони кабеля. При отсутствии второго слоя брони, повитого в противоположном направлении, кабель может распускаться при обрезании. К тому же, один слой брони дает меньшую защиту. Еще один недостаток выражается в том, что в аналоге кабель загнут таким образом, что оба его конца остаются снаружи скважины и подключены к измерительной системе, а середина кабеля (изогнутая) является конечной точкой кабеля в скважине. Такое решение значительно увеличивает себестоимость системы измерения, т.к. требует в два раза больше материалов для производства кабеля оптоволокна.
[7] Известен патент RU 2667344 C1 (опубл. 18.09.2018 г.; МПК: G01K 11/32), в котором раскрывается волоконно-оптический термометр, предназначенный для измерения температуры в зонах с сильными электромагнитными помехами, в зонах повышенной взрыво- и пожароопасности, при измерениях под высоким напряжением и в других условиях, где недопустимо применение стандартных электронных средств контроля температурного состояния. Описанный волоконно-оптический термометр включает также по крайней мере один волоконно-оптический датчик, т.е. волоконно-оптический кабель, в каждом из которых перед записанной на торце волоконного световода первой волоконной решеткой Брэгга записана вторая волоконная решетка Брэгга по меньшей мере с двумя фазовыми сдвигами. Недостатком известного устройства является то, что волоконный фильтр на брегговской решетке является нестабильным элементом, на который оказывают влияние температурные факторы, что ведет к снижению надежности работы устройства, основанного на таком волоконно-оптическом кабеле. Еще одним недостатком является то, что волоконный световод выполнен высокогерманатным. Большая концентрация германия в оптоволокне может влечь за собой деградацию волокна вследствие проникновения атомарного водорода. Атомарный водород нарушает кристаллическую решетку и замутняет оптоволокно. Третий недостаток заключается в том, что в аналоге оптоволокно не защищено броней. Это лишает оптоволокно дополнительной механической защиты в заявленных взрыво- и пожароопасных условиях.
[8] В патенте US 8775151 B2 (опубл. 08.07.2014 г.; МПК: G06G 7/54; G02B 6/00; G01K 11/32) раскрываются система и способ, использующие как статическое, так и переходное моделирование силовых кабелей в сочетании с измерениями в реальном времени распределенных профилей температуры как кабеля, так и его непосредственной окружающей среды для оптимизации токовых нагрузок силового кабеля. Оптические волокна, используемые для измерения распределенных температурных профилей, могут быть встроены непосредственно в контролируемые силовые кабели или проложены рядом с силовыми кабелями, в том числе с использованием оптических волокон, развернутых в системах грозозащитных тросов оптической мощности. Одним из недостатков аналога является то, что в нем выполнен всего один слой брони кабеля. При отсутствии второго слоя брони, повитого в противоположном направлении, кабель может распускаться при обрезании. К тому же, один слой брони дает меньшую защиту. Вторым недостатком является то, что в аналоге оптоволокно не выполнено с карбон-полиимидным или металлизированным покрытием. Ввиду этого оптоволокно является непригодным для эксплуатации при высоких температурах.
Краткое описание полезной модели
[9] Задачей настоящей полезной модели является создание кабеля волоконно-оптического, предназначенного для использования в системах термометрии и обеспечивающего высокие эксплуатационные свойства, такие как обеспечение механической и химической защиты кабеля, а также надежность температурных измерений.
[10] Указанная задача достигается благодаря такому техническому результату, обеспечение достоверности измерения температуры при экстремальных условиях эксплуатации, благодаря повышению надежности волоконно-оптического кабеля.
[11] Указанная задача достигается в том числе, но не ограничиваясь, благодаря
- выполнению сердцевины оптоволокна из кварца с долей примесей не более 6%;
- применению оптоволокна с покрытием, причем покрытие выполнено из материала с высокой температурной прочностью;
- бронированию оптоволокна по крайней мере двумя повивами брони, причем слои брони повиты в разных направлениях;
[12] Более полно, технический результат достигается кабелем волоконно-оптическим, состоящим из оптоволокна с сердцевиной из кварца с долей примесей не более 6% и температуростойким покрытием, оптического модуля, в который помещено оптоволокно, и двух слоев брони, которые повиты вокруг оптического модуля в разных направлениях.
[13] Причем то, что сердцевина оптоволокна выполнена из кварца с долей примесей не более 6%, необходимо для обеспечения высокой степени устойчивости к проникновению атомарного водорода в оптоволокно, и, как следствие, для предотвращения его деградации. Температуростойкое покрытие оптоволокна необходимо для обеспечения конструкционной стойкости оптоволокна при высоких температурах. Оптический модуль обеспечивает механическую защиту оптоволокна. Два слоя брони также необходимы для обеспечения механической прочности волоконно-оптического кабеля. А то, что они повиты в разных направлениях, позволяет обеспечить гибкость кабеля, а также предотвращает расплетение брони при обрезании кабеля.
[14] То, что оптический модуль может быть выполнен из стали, позволяет обеспечить дополнительную механическую и температурную защиту оптоволокна. При этом оптический модуль может быть выполнен таким образом, что оптоволокно размещается в нем свободно. Это позволяет обеспечить свободное движения оптоволокна внутри оптического модуля и, как следствие, избежать его поломки при линейном расширении вследствие высокого градиента температур.
[15] Слои брони могут быть выполнены из проволоки и повиты спирально для обеспечения большей гибкости кабеля. При этом проволоки могут быть выполнены из стали, что делает конструкцию более прочной и устойчивой к высоким температурам.
[16] Температуростойкое покрытие может быть выполнено из карбон-полиимида. Это позволяет оптоволокну выдерживать температуры до 300 градусов Цельсия. Также это предотвращает прилипание оптоволокна к металлическому оптическому модулю. В ином варианте выполнения оно может быть выполнено металлизированным. В таком случае оптоволокно может выдерживать до 800 градусов Цельсия.
Описание чертежей
[17] Заявленная полезная модель поясняется следующими фигурами.
[18] На фиг. 1 представлена принципиальная схема волоконно-оптического кабеля(вид сбоку).
[19] На фиг. 2 представлена принципиальная схема волоконно-оптического кабеля(вид спереди).
[20] На фиг. 3 представлена принципиальная схема волоконно-оптического кабеляв разрезе.
[21] Позиция 1 – волоконно-оптический кабель.
[22] Позиция 2 – оптоволокно.
[23] Позиция 3 – сердцевина оптоволокна.
[24] Позиция 4 – температуростойкая оболочка.
[25] Позиция 5 – оптический модуль.
[26] Позиция 6 – первый слой брони.
[27] Позиция 7 – второй слой брони.
Подробное описание
[28] В приведенном ниже подробном описании реализации полезной модели приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящей полезной модели. Однако квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящая полезная модель, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящей полезной модели.
[29] Важно отметить, что приведенные в подробном описании примеры применения относятся к нефтедобывающей отрасли. Однако, настоящий кабель волоконно-оптический может использоваться и в других отраслях, в которых применяется оптоволоконные технологии, например, в различных системах связи. Наиболее оптимально при этом использование описанного волоконно-оптического кабеля в условиях эксплуатации с повышенной температурой. Однако, помимо нефтедобывающей отрасли, он может использоваться и в других отраслях, в которых важно измерять температуру вдоль протяженного объекта при условиях высокой температуры и агрессивной среды.
[30] В нефтедобывающей отрасли измерение температуры нефтяного пласта наиболее важно при применении технологии термогравитационного дренирования пласта (от англ. Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD). Эта технология применяется на месторождениях с вязкой нефтью и заключается в предварительном нагреве до жидкого состояния с последующим извлечением из коллектора на поверхность. Отличие бурения от классических скважин заключается в горизонтальном расположении ствола с целью увеличения площади отбора флюида.
[31] Обязательным и крайне необходимым условием технологии добычи на SAGD скважинах является непрерывный мониторинг температурного поля с целью поддержания необходимых технологических режимов и сохранению работоспособности оборудования в сложных физических состояниях, обусловленных воздействием высокой температуры и агрессивной средой. Непрерывной контроль температурного поля скважины может осуществляться системой термометрии волоконно-оптической распределенного типа (СТВОР) с использованием волоконно-оптического кабеля, заявленного в настоящей полезной модели.
[32] На фиг. 1-3 представлена принципиальная схема волоконно-оптического кабеля 1 (ВОК) в виде сбоку с разнесением, в виде спереди и в разрезе соответственно. ВОК 1 включает оптоволокно 2, оптический модуль 5, первый слой брони 6 и второй слой брони 7. При этом оптоловокно 2 выполнено с сердцевиной 3 из кварца с долей примесей не более 6% и температуростойким покрытием 4 и свободно размещается внутри оптического модуля 5. Вокруг оптического модуля 5 повит первый слой брони 6, а второй слой брони 7 повит вокруг первого слоя брони 6 в ином направлении. При этом важно, чтобы доля примесей в сердцевине 3 оптоволокна 2 составляла не более 6%.
[33] Два слоя брони 6, 7 обеспечивают высокую механическую защиту оптоволокна 2, а их повив в разных направлениях наряду с прочностью позволяет также обеспечить и гибкость заявленного волоконно-оптического кабеля 1.
[34] Слои брони 6, 7 могут иметь разную форму. Например, они могут быть выполнены из лент с прямоугольным или овальным поперечным сечением или из проволоки с круглым или многоугольным (три и более углов) поперечным сечением. Причем каждый слой брони 6, 7 может быть выполнен в форме отличной от другого слоя брони 6, 7. Так, например, первый 6 слой брони может быть выполнен из проволоки с треугольным поперечным сечением, а второй 7 – из ленты с прямоугольным поперечным сечением или наоборот. Также они могут отличаться по размерам, как, например, показано на фиг. 2. При этом необходимо соблюдать крепкость повива.
[35] Также важно, чтобы оба слоя брони 6, 7 были повиты в разных направлениях, например под разными углами и/или в противоположных направлениях. Под противоположными направлениями подразумевается вариант, когда первый слой брони 1 повит с образованием правосторонней спирали (повит против часовой стрелки), а второй слой брони 2 – левосторонней спирали (повит по часовой стрелке) или наоборот. Слоев брони может быть больше двух, причем каждый слой должен быть повит в ином направлении, чем остальные слои.
[36] Проволоки или ленты, из которых выполнены слои брони 6, 7, могут быть выполнены из стали, например из нержавеющей или оцинкованной стали. Оцинкованная сталь может применяться тогда, когда от ВОК 1 требуется прочность к нагрузкам давления, устойчивость к перепадам температуры, а также малая электропроводность. Нержавеющая сталь, в свою очередь, предпочтительна при эксплуатации в скважинах ввиду ее пластичности, прочности к ударным нагрузкам, высокой коррозионной стойкости и стойкости к высоким температурам. В случае если для повива брони 6, 7 используют проволоку с круглым поперечным сечением, оптимально применять проволоку, диаметр которой такой, что повиваемая броня не разрушается при температуре от -55 до 300 градусов Цельсия. При этом эта диаметр будет зависеть от таких параметров, как геометрия системы, используемый материал проволоки и других параметров. Также на диаметр повиваемой брони могут влиять и другие требования, помимо требования к температуре эксплуатации, как например пространственное разрешение, допустимая статическая растягивающая нагрузка, температурное разрешение и т.д.
[37] Оптический модуль 5 также необходим для обеспечения механической защиты оптоволокна 2. Он 5 также может быть выполнен из стали. Это позволяет обеспечить дополнительную механическую и температурную защиту оптоволокна 2. При этом оптический модуль 5 может быть выполнен так, что оптоволокно 2 размешается в нем свободно, как показано на фиг. 3. Это позволяет обеспечить свободное движения оптоволокна 2 внутри оптического модуля 5 и, как следствие, избежать его поломки при линейном расширении вследствие высокого градиента температур. Также благодаря свободному размещению оптоволокна 2 внутри оптического модуля 5 возможно не использовать гелевые заполнения для фиксации. Это позволяет избежать вскипанию гелевого наполнителя при высоких температурах. Также нежелательно использование гелевого наполнителя ввиду того, что гель может ускорить деградацию оптоволокна 2 при воздействии атомарного водорода. Например, оптимально выбирать металлическую ленту такой ширины, что оптический модуль не разрушается при температуре от -55 до 300 градусов Цельсия. При этом эта ширина будет зависеть от таких параметров, как геометрия системы, используемый материал металлической ленты и других параметров. Также на толщину используемой ленты могут влиять и другие требования, помимо требования к температуре эксплуатации, как например пространственное разрешение, допустимая статическая растягивающая нагрузка, температурное разрешение и т.д.
[38] Температуростойкое покрытие 4 оптоволокна 2 необходимо для обеспечения конструкционной стойкости оптоволокна 2 при высоких температурах. В противном случае, возможно появление адгезии, т.е. «прилипание» оптоволокна 2 к внутренней поверхности оптического модуля 5.
[39] Температуростойкое покрытие 4 оптоволокна 2 может быть выполнено из карбон-полиимида, или оно может быть выполнено металлизированным. В целом, покрытие 4 предназначено для удержания хрупкой сердцевины 3 оптоволокна 2, а также для его термической защиты.  Покрытие 4 из карбон-полиимида обеспечивает конструкционную стойкость оптоволокна 2 при высоких температурах, достигающих 300 градусов Цельсия. Металлизированное покрытие 4, в свою очередь, позволяет эксплуатировать оптоволокно 2 при более высоких температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Также покрытие 4, как карбон-полиимидное, так и металлизированное, предотвращает адгезию оптоволокна 2 во время эксплуатации при высоких температурах.
[40] Оптоволокно 2 может быть выполнено как одномодовым, так и много многомодовым. В первом случае оптоволокно 2 способно распространять на рабочей длине волны только одну основную (фундаментальную) моду оптического излучения. Во втором же случае в оптоволокне 2 может одновременно распространяться несколько пространственных мод оптического излучения. Количество распространяющихся мод зависит, в частности, от геометрических размеров оптоволокна 2, например диаметра оптоволокна 2.
[41] Сердцевина 3 оптоволокна 2 выполнена из кварца с долей примесей не более 6%, т.е. оптоволокно 2 выполнено преимущественно из кварца, но в нем может содержаться не более 6% других материалов, например германия. Кварц имеет широкий диапазон длин волн, а также высокую оптическую прозрачность. Также ввиду его низкого коэффициента термического расширения он может быть использован при высоких температурах. Помимо этого, у кварцевого оптоволокна 2 высокая прочность к разрывам и изгибам. Также кварц достаточно устойчив к проникновению атомарного водорода, однако, эту стойкость могут ухудшать примеси, например примеси германия. Ввиду этого необходимо использование оптоволокна 2 с сердцевиной 3 из кварца с долей примесей не более 6%.
-6
-6
-1
[1]
-6
-1
[42] Как уже было сказано выше, кварц имеет низкий коэффициент термического расширения, колеблющийся в диапазоне от 0.77⋅10 до 1.4⋅10К. При эксплуатации оптоволокна 2 в среде с высокой температурой важно сохранять этот коэффициент низким с целью повышения надежность волоконно-оптического кабеля 1 в целом. С увеличением доли примесей в кварце от 0% коэффициент термического расширения непрерывно растет для почти всех возможных видом примесей. При этом, как показали исследования , при долях примеси не более 6% коэффициент термического расширения оптоволокна 2 не достигает значений выше 2,5⋅10 К, что одного порядка с коэффициентом термического расширения чистого кварца и превышает его менее, чем в два раза. Сам же чистый кварц достаточно хрупкий из-за чего могут происходить поломки оптоволокна 2 при сильных изгибах. Ввиду этого оптимально применять сердцевину 3 оптоволокна 2 с долей примеси не более 6%, т.к. в этом случае оптоволокно 2 становится более крепким и при этом почти не теряет своих термостойких свойств, т.е. незначительно увеличивается коэффициент термического расширения. Также важно, что при этом лишь незначительно уменьшается сопротивление сердцевины 3 проникновению атомарного водорода. При этом сердцевина 3 оптоволокна 2 из чистого кварца может успешно и безопасно применяться в условиях высоких температур при отсутствии необходимости сильного изгиба ВОК 1, например при эксплуатации в вертикальных скважинах.
[43] Таким образом, заявленная полезная модель позволяет обеспечить высокие эксплуатационные свойства, такие как обеспечение механической и химической защиты кабеля, а также надежность температурных измерений при внедрении кабеля в систему термометрии.
[44] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.
[45] Cavillon M., Dragic P. D., Ballato J. Additivity of the coefficient of thermal expansion in silicate optical fibers //Optics letters. – 2017. – Т. 42. – №. 18. – С. 3650-3653.