Геофизический волоконно-оптический стабилизированный кабель

Область техники
Полезная модель относится к геофизике и нефтяной промышленности и предназначена для повышения точности определения расстояний при смежном и раздельном проведении геофизических исследований и работ в скважинах с волоконно-оптическим каналом, а также к конструкции кабеля.
Уровень техники
Известна конструкция геофизического кабеля, включающая 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 [Патент на полезную модель RU 156786, МПК Н01В 11/22, опубл. 20.11.2015].
Недостатком известного кабеля является его невысокая механическая прочность, что при снижении гидростатического давления в скважине (создании депрессии) приведет к разгерметизации кабеля, а в случае ошлангования (покрытия) полимером, может привести к разрыву внешней полимерной оболочки. Кроме того, кабель при стабилизации под нагрузкой может выбрать весь избыток волокна, заложенного для температурной компенсации расширения стальных проволок. Это может привести или к обрыву оптических волокон, или к существенному уменьшению избытка волокна, что приведет к невозможности выполнения измерений во всем температурном диапазоне.
Известна конструкция геофизического кабеля, для эксплуатации преимущественно в нефтяных скважинах. Кабель состоит из центральной металлической трубки, в которой размещены оптические волокна в гидрофобном геле, силовых элементов в виде стальных проволок, расположенных по окружности, и наружного полимерного покрытия [Патент US 23225471, опубл. 21.03.2003].
Известна конструкция геофизического кабеля, включающая наружный и внутренний слои брони с возможным слоем изоляции между ними, подушки изолятора, расположенные вокруг центрального стального капилляра из нержавеющей стали, являющегося дополнительной токопроводящей жилой и носителем, вмещающим оптическое волокно [Патент на полезную модель RU 131897, МПК H01B 7/24, опуб. 27.08.2013]. Данная конструкция кабеля взята за прототип для предлагаемого технического решения.
Недостатком вышеперечисленных технических решений является центральное расположение оптических волокон в конструкции кабеля, в центральном канале, образуемом стальной витой проволокой или стальной трубкой, именуемой капиллярным каналом. Данная структурная особенность не позволяет произвести стабилизацию геофизического кабеля.
Одной из важнейших задач, которую выполняет геофизический кабель: определение с высокой точностью расстояния до события внутри скважины. Допуск на удлинение в 0,03%. Для того, чтобы длина кабеля не изменялась при воздействии переменных осевых усилий в течение срока эксплуатации, на завершающей стадии изготовления кабель должен быть подвергнут стабилизации, для достижения оптимального (нормируемого) значения коэффициента остаточного относительного удлинения.
Остаточные удлинения нового кабеля довольно велики, это объясняется технологическими особенностями при изготовлении кабеля. При растяжении кабеля проволоки брони вытягиваются, в них выравниваются напряжения и ликвидируются существующие зазоры, уменьшается диаметр кабеля, возникают остаточные деформации вращения и кручения. Результатом является линейное удлинение, которое зависит от физико-механических свойств элементов кабеля и может достигать нескольких процентов.
В ходе стабилизации кабель перематывается под нагрузкой нормируемой как величина, не превышающая 60% от номинального разрывного усилия для данной конструкции. Эта операция позволяет придать постоянство механической длине кабеля не хуже чем в 0,03% погрешности (30 см на 1 км). Нанесение магнитных меток вдоль кабеля позволяет проводить измерения расстояния с необходимой точностью.
-7
-1
-5
-1
С другой стороны, в гибридном кабеле используются оптические волокна, для измерения температурных аномалий вдоль длины геофизического кабеля. Современные методы в премиальных волоконно-оптических распределенных датчиках на Рамановском рассеянии (RDTS) позволяют получить пространственное разрешение 25-30 см, с шагом дискретизации 12,5 см сопоставимое с точностью стабилизации геофизического кабеля. В конструктивном исполнении кабеля оптическое волокно помещается в металлическую трубку. Разница в коэффициентах температурного расширения материалов, из которых изготовлены оптические волокна (плавленый кварц), и металлическая трубка (нержавеющая сталь) отличаются на два порядка и примерно равны 5,2⋅10°С и 1,2⋅10°С соответственно. При нагреве модуль вытягивается сильнее, чем оптическое волокно. Поэтому в оптоволоконный модуль (металлическая трубка с оптическим волокном) необходимо заложить определенный избыток волокна. При максимальной температуре эксплуатации кабеля волокно должно находиться в ненатянутом состоянии. При нормальных условиях не должно быть изгибов, вызывающих дополнительные потери. Избыток оптического волокна, который получается в результате технологической операции изготовления металлического модуля с волокном, обычно не превышает 0,4%. Поэтому при процедуре стабилизации, возникает опасность обрыва оптических волокон.
Таким образом, с одной стороны нужен большой избыток волокна для возможности стабилизации геофизического кабеля, и работы в широком температурном диапазоне, а с другой стороны, избыток оптического волокна существенно ухудшает пространственное разрешение волоконно-оптического метода.
Предполагается, что при создании избытка волокна в трубке оно преднамеренно или самопроизвольно укладывается в цилиндрическую спираль внутри трубки. При строгой регулярности расположения спирали в трубке, еще можно надеяться на точность измерения местоположения. Но так как в вертикальном центральном модуле под собственным весом, под влиянием движения заполняющего геля (в случае низкотемпературных кабелей), под влиянием неравномерного распределения температуры вдоль кабеля, при смотке и намотке геофизического кабеля на барабан и т.д. распределение оптического волокна вдоль металлической трубки может меняться. Таким образом, появляется неоднозначность в определении местоположения события, превышающего разрешающую способность оптического метода.
Для достижения увязки местоположения регистрируемых событий необходимо производить привязку длины кабеля по магнитным меткам и длины оптоволокна по тепловым меткам во время спуска кабеля в скважину. Бронирование геофизического кабеля производится, путем нанесения металлических проволок на внутренние слои изделия в продольном направлении под углом, обеспечивающим круговое непрерывное наложение с постоянным шагом.
эi
В предлагаемой конструкции кабеля, металлический модуль, один или несколько, с оптическими волокнами, в геофизическом кабеле выполнен в качестве одной или нескольких проволок внешней брони. Известно, что при повиве модуля появляется дополнительный избыток волокна. Это связано с тем, что в идеальном варианте оптическое волокно располагается в центре трубки, повторяя ее контур. Однако при стабилизации, т.е. при возникновении механической нагрузки, кабель начинает вытягиваться, и оптическое волокно отклоняется от условного первоначального положения к внутренней стенке металлической трубки по направлению к центральной оси кабеля. Кроме того, во время стабилизации кабеля происходит его удлинение. При возникновении растягивающих нагрузок в стабилизированном кабеле с оптическим волокном возникают механические изменения, отражающиеся в уменьшении диаметра кабеля ΔD, определяющего величину запаса оптоволокна, и увеличении длины шага скрутки брони ΔS. Численное значение данных параметров определяется деформационными свойствами стали (как модуль упругости Юнга Е), используемой для изготовления брони, и структурными особенностями кабеля как изделия в целом. Определение последних показателей, в том числе и относительной вытяжки кабеля, лучше проводить экспериментальным путем, отразим их совокупность в качестве эмпирических коэффициентов K, применяемых для определения конечных деформаций в уравнениях ниже:
эПр
1
2
Р⋅K⋅S=ΔS=S-S;
эПп
1
2
Р⋅K⋅D=ΔD=D-D;
1
2
1
2
эПр
эПп
-1
где P - напряжение, действующее на кабель, Па; S - шаг скрутки, мм; S, S - шаг скрутки до и после вытяжки, мм; D - диаметр кабеля, мм; D, D - диаметр кабеля до и после вытяжки, мм; ΔS - абсолютная продольная деформация кабеля, мм; ΔD - абсолютная поперечная деформация кабеля, мм; K, K - эмпирические коэффициенты воздействия продольных и поперечных деформаций, Па. См. Схему деформации растяжения кабеля на Фиг. 1
В итоге можно записать необходимое условие на избыток волокна в оптическом модуле, которое должно быть после изготовления кабеля:
0
1
2
где ε - избыток волокна, закладываемый в процессе изготовления модуля, ε - относительное изменения избытка волокна в модуле в процессе вытяжки кабеля; ε - относительное значение избытка волокна в модуле за счет повива; Δ - нормируемое значения коэффициента остаточного относительного удлинения кабеля пересчитанного для металлического модуля с волокном.
Из вышесказанного следует, что ключевыми параметрами при расчете оптоволоконной части конструкции кабеля должны быть: температурный диапазон, геометрические размеры модуля, шаг скрутки, радиус волокна с отсутствием изгибных потерь в волокне. Последнее значение задается производителем для данного типа волокна. И он является важным параметром, который необходимо учитывать при расчете конструкции. Так как предлагаемая конструкция кабеля имеет две спиральных скрутки, то необходимо рассчитать наложение двух радиусов кривизны, причем должно выполняться условие:
1
2
где ρ суммарная кривизна радиусов спирали, не менее величины заданной производителем, ρ - радиус кривизны спирали, по которому волокно уложено внутри модуля, ρ - радиус кривизны спирали, которое образуется при повиве металлического модуля.
Сущность полезной модели
Проблема, решаемая полезной моделью - создание простой и надежной конструкции геофизического кабеля, свободной от недостатков прототипа.
Выше указанная проблема решается и достигается технический результат с помощью указанных в 1-м пункте формулы полезной модели признаков, общих с прототипом, таких как геофизический волоконно-оптический кабель включающий, внешнюю и внутреннюю броню, состоящую из металлических проволок со слоем изоляции между ними и как минимум один оптоволоконный модуль, и отличительных существенных признаков, таких как один или более волоконных модулей размещены в повиве внутренней брони, каждый из которых выполнен в виде металлической трубки с оптическими волокнами внутри с избытком длины, а в центре кабеля расположенными электрическими проводниками в полимерной изоляции и наполнителем.
Согласно п. 2 формулы полезной модели диаметр трубки оптоволоконного модуля равен диаметру проволок внутренней брони.
Согласно п. 3 формулы полезной модели для создания волоконно-оптического канала используют одномодовые оптические волокна.
Согласно п. 4 формулы полезной модели для создания волоконно-оптического канала используют многомодовые оптические волокна.
Согласно п. 5 формулы полезной модели для создания волоконно-оптического канала используют произвольную комбинацию одномодовых и многомодовых оптических волокон.
Согласно п. 6 формулы полезной модели для создания волоконно-оптического канала используют произвольную комбинацию одномодовых и многомодовых оптических волокон, причем часть волокон имеют нанесенные лазером решетки Брэгга.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - создание конструкции геофизического кабеля с волоконно-оптическими каналами, позволяющей проходить под нагрузкой стабилизацию кабеля, обеспечивая увязку расстояний, измеренных по двум способам: по оптоволокну по времени прихода сигнала и по физической длине кабеля, что дает точное определение местоположения геофизических событий по глубине скважины.
Перечень графических материалов. Полезная модель иллюстрируется графиком, геофизическим кабелем в поперечном разрезе и примером реализации.
Фиг. 1. Схема деформации растяжения кабеля;
Фиг. 2 геофизический кабель поперечный разрез.
Сведения, подтверждающие осуществимость полезной модели.
Геофизический волоконно-оптический кабель включает (Фиг. 2), внешнюю 1 и внутреннюю 2 броню, состоящую из металлических проволок со слоем изоляции 3 между ними и как минимум один оптоволоконный модуль 4. Один или более волоконных модулей 4 размещены в повиве внутренней брони 2, каждый из которых выполнен в виде металлической трубки 5 с оптическими волокнами 6 внутри с избытком длины, а в центре кабеля расположенными электрическими проводниками 7 в полимерной изоляции 8 с наполнителем 9.
Диаметр трубки 5 оптоволоконного модуля 4 равен диаметру проволок внутренней брони 2.
Для создания волоконно-оптического канала используют одномодовые оптические волокна или многомодовые оптические волокна или произвольную комбинацию одномодовых и многомодовых оптических волокон или произвольную комбинацию одномодовых и многомодовых оптических волокон, причем часть волокон имеют нанесенные лазером решетки Брэгга.
Пример реализации полезной модели с использованием процедур по времени прихода обратного лазерного сигнала по оптоволокну и по физической длине кабеля, измеряемой по магнитным меткам.
-3
Геофизический кабель для работы в температурном диапазоне -40°С -+150°С (фиг. 2), сердечник кабеля с медными проводниками, вокруг которого накладывается два повива брони, имеет диаметр 12,6 мм. Внутренний повив брони выполняется из стальной проволоки диаметром 1,8 мм. В этот повив помещается металлический модуль с наружным диаметром 1,8 мм и внутренним 1,4 мм. В этот модуль закладывают два многомодовых и два одномодовых волоконных световода. С учетом рабочего диапазона температур, выбираем световоды с покрытием из высокотемпературного уретан - акрилата. Внешний диаметр покрытия будет 250 мкм. Проведенные расчеты показали, что общий расчетный избыток волокна 3,9×10, что равно 0,39%.
На завершающей стадии изготовления кабель подвергают стабилизации, для достижения оптимального (нормируемого) значения коэффициента остаточного относительного удлинения. Калибровку после стабилизации оптической части проводят в процессе перемотки геофизического кабеля, с периодической остановкой, в период которой на кабель накладывают греющее устройство, зона нагрева которого равна по длине пространственному разрешению RDTS, который подключен к одному из волокон оптического модуля, сравнивая показатели прибора и отсчета по магнитным меткам, определяют коэффициент пропорциональности по формуле:
кабеля
волокна
L=K⋅L;
кабеля
волокна
где L, L длины кабеля и оптического волокна, мм; K - коэффициент пропорциональности, который учитывают при расчете расстояний оптического метода.
Эффективность предлагаемого решения достигается тем, что оптические волокна размещены в стальной трубке, находящейся в конструкции кабеля в состоянии спирального повива таким образом, что во время стабилизации геофизического кабеля и происходящих при этом процессов: удлинения кабеля за счет уплотнения элементов конструкции кабеля, уменьшения диаметра, выравнивания натяжения проволок брони и т.д.; изделие эксплуатировалось без физических разрушений. При этом длина волоконно-оптического канала остается неизменной, а компенсация за удлинение кабеля достигается за счет размещения в трубке оптоволокна с избытком длины и изменения положения его в самой трубке, что является достаточным условием при неизменной длине оптического канала. Это касается и компенсации удлинения за счет разницы коэффициентов температурного расширения материалов трубки и оптического волокна.
Данное описание и чертежи рассматривается как материал, иллюстрирующий полезную модель, сущность которой и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
Литература.
1) Б.В. Авдеев, В.А. Исаев, В.В. Моисеев, С.В. Шаталин. Новые кабельные конструкции, использующие нечувствительные к изгибу волокна. "Фотон-Экспресс", 2007, №б (62), с. 105-106.
2) Гюнтер Мальке, Петер Гессинг. Волоконно-оптические кабели. Новосибирск, 2001 г.