ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОРНЫЙ КАБЕЛЬ
OPTICAL SENSOR CABLE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве оптического сенсорного кабеля для проведения измерений температурного распределения по скважине при добыче нефти и газа с применением технологии внутрипластового горения (ВПГ), термогазового воздействия (ТГВ), водогазового воздействия (ВГВ) на пласт и иных высокотемпературных окислительных технологий увеличения нефтеотдачи.
Известен распределенный волоконно-оптический кабель-датчик (RU175594U1, 11.12.2017), содержащий наружную защитную оболочку, оптические волокна, проходящие вдоль длины кабеля-датчика, причем наружная защитная оболочка выполнена из нескольких слоев, при этом внутренний и внешний слои защитной оболочки выполнены из герметичной трубки из нержавеющей стали, внутри которой расположены оптические волокна. При технологических ограничениях производства герметичной металлической однослойной трубки с достаточной толщиной стенки для защиты оптических волокон от агрессивного воздействия скважинной жидкости и внутрипластового давления, применение многослойной конструкции позволяет повысить эксплуатационную надежность, с возможностью длительной эксплуатации распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика в агрессивной среде, в зоне высоких температур до 400°С и избыточного давления 105 МПа, позволяющего выдерживать значительные ударные нагрузки, поперечные усилия в работающих нефтяных и газовых скважинах всех типов. Недостатком известного волоконно-оптического кабеля-датчика является отсутствие конструктивных решений, обеспечивающих предотвращение выброса по трубке с волокном в случае потери герметичности трубки.
Наиболее близким техническим решением является волоконно-оптический кабель для измерения температурного распределения в паро-нагнетательных скважинах (патент RU 2238578, 20.10.2004), содержащий размещенное в герметичной металлической трубке, заполненной наполнителем, покрытое защитной оболочкой оптическое волокно, при этом защитная оболочка представляет собой слой металлизации, прилегающий к оптическому волокну, и охватывающую его оплетку из стеклонити, причем в качестве наполнителя применен инертный газ, который находится под давлением примерно 1 атм.
Недостатком известного кабеля является то, что заполняющий трубку инертный газ не обеспечивает противовыбросовую защиту в случае потери герметичности металлической трубки под воздействием коррозионных веществ и высокого пластового давления в скважинах, эксплуатируемых с применением технологий ВПГ, ТГВ, ВГВ и иных высокотемпературных окислительных методах увеличения нефтеотдачи (до 600°С и выше).
Техническая проблема состоит в разработке высокотемпературного геофизического оптического сенсорного кабеля для проведения методом оптической термометрии геофизических исследований и мониторинга окислительных процессов в скважинах, эксплуатируемых с применением технологий ВПГ, ТГВ, ВГВ и иных высокотемпературных окислительных технологий увеличения нефтеотдачи, при этом материалы и конструкция кабеля должны обеспечивать стойкость высокотемпературного геофизического оптического сенсорного кабеля до 600°С, а также предотвращение выброса по трубке с волокном в случае потери герметичности трубки.
Техническим результатом является повышение стойкости оптического сенсорного кабеля, обеспечение предотвращения выброса по трубке с волокном в случае потери ее герметичности и увеличение температурного диапазона эксплуатации оптического сенсорного кабеля.
Технический результат достигается тем, что оптический сенсорный кабель для проведения геофизических исследований скважин методом оптической термометрии содержит защитную оболочку в виде внешней и по меньшей мере одной внутренней герметичных металлических трубок, расположенных коаксиально, при этом внутри центральной внутренней герметичной металлической трубки вдоль длины всего кабеля свободно уложено по меньшей мере одно кварцевое оптическое волокно, имеющее покрытие, причем покрытие выполнено из меди или золота, а центральная внутренняя герметичная трубка заполнена металлическим расплавом, сохраняющим жидкое состояние в диапазоне температур эксплуатации кабеля.
Кроме того, между стенками герметичных металлических трубок может содержаться металлический расплав, сохраняющий жидкое состояние в диапазоне температур эксплуатации кабеля.
Причем в качестве металлического расплава может использоваться расплав легкоплавкого металла или его сплава.
Причем в качестве металлического расплава может использоваться расплав сплава галлия.
Также в качестве металлического расплава может быть использован сплав галлий-индий-олово.
Дополнительно поверх защитной оболочки может быть расположен проволочный бронепокров.
Причем герметичные металлические трубки могут быть выполнены из нержавеющей стали.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен в сечении оптический сенсорный кабель с защитной оболочкой в виде внешней и одной внутренней герметичных металлических трубок;
на фиг. 2 изображен в сечении оптический сенсорный кабель с защитной оболочкой, покрытой проволоками бронепокрова;
на фиг. 3 изображен в сечении оптический сенсорный кабель с зазором между стенками внешней и внутренней герметичных металлических трубок, заполненным металлическим расплавом;
на фиг. 4 изображен в сечении оптический сенсорный кабель с двумя внутренними герметичными металлическими трубками.
Оптический сенсорный кабель, изображенный на фиг. 1, содержит кварцевое оптическое волокно 1 с металлическим покрытием 2 из меди или золота, окружающий упомянутое волокно с покрытием наполнитель в виде металлического расплава 3, сохраняющего жидкое состояние в диапазоне температур эксплуатации кабеля, внутреннюю герметичную металлическую трубку 4, внешнюю герметичную металлическую трубку 5.
Оптический сенсорный кабель, изображенный на фиг. 2, содержит кварцевое оптическое волокно 1, выполненное с металлическим покрытием 2 из меди или золота, окружающий упомянутое волокно с покрытием наполнитель в виде металлического расплава 3, внутреннюю герметичную металлическую трубку 4, внешнюю герметичную металлическую трубку 5, проволоки бронепокрова 6.
Оптический сенсорный кабель, изображенный на фиг. 3, содержит кварцевое оптическое волокно 1 с металлическим покрытием 2 из меди или золота, окружающий упомянутое волокно с покрытием наполнитель в виде металлического расплава 3, защитную оболочку, состоящую из коаксиально расположенных с зазором внутренней герметичной металлической трубки 4 и внешней герметичной металлической трубки 5, причем металлический расплав 3 заполняет центральную внутреннюю герметичную металлическую трубку 4 и зазор между трубками.
Оптический сенсорный кабель, изображенный на фиг. 4, содержит дополнительно вторую внутреннюю герметичную металлическую трубку 7.
В качестве заполняющего герметичные металлические трубки расплава 3 могут применяться не токсичные или мало токсичные легкоплавкие металлы, например галлий с температурой плавления ниже 29,7°С, или легкоплавкие сплавы металлов, например сплавы галлия с индием, галлия с оловом, галлия с цинком, галлия с индием и оловом, в том числе с примесями цинка («русский сплав» галлий 61%, индий 25%, олово 13%, цинк 1%), с температурой плавления ниже 30°С (температура геотермы на глубине 1 км) и температурой кипения выше 1000°С.
Для измерения распределения температуры в оптическом волокне 1 используются методы, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).
Эффект КР обусловлен взаимодействием излучения с тепловыми молекулярными колебаниями в среде. Отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента используются многомодовые волокна с большой апертурой.
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами гигагерцевого диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния. Для исключения влияния деформации на измерение температуры применяется свободная укладка оптического волокна 1.
Таким образом, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, а в датчиках на основе КР - интенсивность отраженного сигнала. Оба вида датчиков позволяют определять температуру с точностью лучше 1°С при правильно заданном времени измерения.
Определение места, в котором измеряется температура, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В световод запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно вычислить температуру оптического волокна 1 в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью импульса, например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, равную 1 м. Благодаря высокому значению скорости света, в течение 1 секунды можно измерить распределение температуры в оптическом волокне длиной несколько километров.
2
Температурный диапазон эксплуатации оптических кварцевых волокон ограничен свойствами материала покрытия оптического волокна 1, а не самого кварцевого стекла, из которого изготовлен световод. Так, волоконные световоды, применяемые в связных оптических кабелях, с покрытием из акрилатных компаундов (эпокси- или уретан-акрилатов) имеют верхнюю границу эксплуатации 85°С. При использовании в качестве покрытия специальных акрилатных полимерных композиций с увеличенным температурным диапазоном можно изготовить волокна, стойкие до 160°С, при использовании кремнийорганических компаундов до 200°С. Наиболее термостойкое полимерное покрытие из полиимида, применяемое для оптических волокон, позволяет поднять верхнюю границу температуры эксплуатации до 300°С. При более высоких температурах полимерные покрытия испытывают термодеструкцию и не обеспечивают защиту волокна. Для применения оптических волокон при температурах свыше 350°С, в качестве защитной оболочки кварцевых оптических волокон применяются металлы, температура плавления которых ниже температуры размягчения кварцевого стекла. Кроме того, металлическая оболочка обеспечивает герметичную защиту кварцевому световоду от проникновения гидроксильной группы и водорода, диффузия которых является основной причиной роста оптического затухания в волокне при долговременной эксплуатации, за счет образования в кварце SiO гидроксильной группы ОН и кислород-дефицитного центра SiO.
3
В оптическом сенсорном кабеле для проведения геофизических исследований скважин методом оптической термометрии, имеющем в своей конструкции центральную герметичную металлическую трубку 4 из нержавеющей стали и свободно уложенное в ней оптическое кварцевое волокно 1, выполненное с металлическим покрытием 2 из меди или золота, трубка 4 с волокном 1, имеющем упомянутое покрытие, заполнена металлическим расплавом 3, сохраняющим жидкое состояние в диапазоне температур эксплуатации кабеля. Применение жидкого металлического расплава, например легкоплавкого металла или его сплава, сплава галлия с индием, или сплава галлий-индий-олово, окружающего упомянутое покрытие кварцевого волокна в качестве наполнителя трубки, позволяет обеспечить предотвращение выброса по трубке с оптическим волокном 1 в случае потери герметичности трубки при работе с высокими температурами. За счет высокой плотности заполняющего трубку жидкого расплава (например, у сплавов галлий-индий-олово плотность более 6 г/см) гидростатическое давление столба жидкости в трубке выше пластового давления. Метод использования жидкости более высокой плотности традиционно применяется при бурении и глушении скважин в качестве противовыбросовых мер при работах на скважинах.
Сплавы галлий-индий-олово имеют широкий диапазон температур, в котором они сохраняют жидкое состояние, например галинстан (68,5% Ga, 21,5% In, 10,0% Sn) имеет температуру затвердевания минус 19°С, температуру кипения свыше 1000°С и при этом низкую токсичность. При этом эти сплавы совместимы с материалом стальной трубки и материалом покрытия кварцевого волокна (медь или золото). Таким образом применение кварцевого оптического волокна 1 с металлическим покрытием 2 из меди или золота, герметичных металлических трубок 4,5 из нержавеющей стали, а также металла или сплава, сохраняющего жидкое состояние при температурах эксплуатации кабеля (например сплава галлий-индий-олово), в качестве наполнителя 3 герметичных металлических трубок обеспечивает высокотемпературную стойкость предлагаемого оптического сенсорного кабеля до 600°С и достижение противовыбросового эффекта в случае потери герметичности трубки при эксплуатации кабеля в скважинах.
На фиг. 3 показан кабель, содержащий четыре оптических кварцевых волокна 1 диаметром 200 микрон с легированной оксидом германия сердцевиной диаметром 5 Омикрон, имеющие защитное покрытие из меди толщиной 15 мкм, расположенные в центральной герметичной трубке 4 из нержавеющей стали диаметром 2,7 мм, толщиной стенки 0,2 мм, заполненной жидким расплавом сплава галлия («русский сплав» галлий 61%, индий 25%, олово 13%, цинк 1%), которая в свою очередь размещена внутри герметичной трубки 5 из нержавеющей стали диаметром 3,2 мм с толщиной стенки 0,2 мм, причем зазор между внутренней и наружной трубками 4,5 заполнен жидким расплавом сплава галлия («русский сплав» галлий 61%, индий 25%, олово 13%, цинк 1%). Сплав можно заменить на галинстан (68,5% галлия, 21,5% индия и 10% олова).
Изготовление кабеля осуществляют на существующем кабельном оборудовании по изготовлению стального оптического модуля (см. например, URL: https://www.nbg.tech/fiber-in-metal-tubes-overview/ дата обращения 21.06.2021), с применением коммерчески доступных оптических волокон с металлическим покрытием из промышленно выпускаемых и коммерчески доступных материалов.