ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМЫЙ СКВАЖИННЫЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ И СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕГО РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
AIR-PERMEABLE BOREHOLE FIBRE-OPTIC CABLE AND METHOD OF RESTORING OPERATIONAL CHARACTERISTICS THEREOF

[01] Настоящая заявка притязает на приоритет по предварительной заявке США Nо. 60/862666, поданной 24 октября 2006 года, которая полностью включена в настоящее описание.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[02] Настоящее изобретение, в целом, относится к оптоволоконным кабелям, и, в частности, к воздухопроницаемому оптоволоконному кабелю, вентилируемому для снижения парциального давления водорода вблизи оптоволокна.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[03] Существующие оптоволоконные кабели, устанавливаемые в нефтяных скважинах, имеют недостатки, одним из главных среди которых является водородное потемнение оптоволокна. В скважине нередко присутствует свободный водород, который может легко проникать сквозь материалы кабеля и диффундировать в оптоволокно, что приводит к увеличению потерь при передаче. В зависимости от величины оптических потерь, применение систем, в которых использовано оптоволокно, таких, как оптоволоконные датчики давления и распределенные датчики температуры, может затрудняться или становиться невозможным. В связи с этим в существующих конструкциях кабелей нередко используют поглотители водорода различных видов для поглощения присутствующего водорода. В других кабелях для противодействия образованию водорода оптоволокно покрыто углеродным слоем, который замедляет диффузию водорода в стекловолокно. Однако некоторые поглотители водорода непригодны при температурах свыше 150°С, при которых, как считают, они высвобождают поглощенный ими водород. Применение углеродного слоя также показало снижение его эффективности при повышении температуры. Еще одним способом увеличения устойчивости к водороду является использование в кабеле дополнительных металлических слоев, замедляющих диффузию водорода. Для этого особенно пригодны такие металлы, как медь, золото или алюминий. Покрытое металлом оптоволокно предлагают такие производители, как Fiber Guide и Oxford Electronics. Однако описанные выше меры способны лишь продлить срок службы кабеля, и со временем в присутствии водорода оптические потери в структуре таких кабелей будут расти.
[04] Например, в одном из оптоволоконных кабелей, предназначенном для работы при температурах, близких к 150°С, сердцевина оптоволокна выполнена из чистого диоксида кремния. В этом случае диффундирующий в сердцевину оптоволокна водород не будет реагировать с примесями, поскольку сердцевина оптоволокна из чистого диоксида кремния их не содержит. Нередко для улучшения характеристик оптоволокна производители добавляют в него примеси, такие, как германий, фтористые и фосфористые соединения. Этот вопрос подробно описан в работе R. Normann, J. Weiss, J. Krumhansl. Development of Fibers Optic Cables for Permanent Geothermal Wellbore Deployment. Из нее следует, что скорость диффузии водорода в оптоволокне из чистого диоксида кремния и в легированном оптоволокне одинакова, следовательно, при одинаковой концентрации водорода в оптоволокне обоих типов будут потери на затухание. Однако сердцевина из чистого диоксида кремния будет иметь более высокие рабочие характеристики, поскольку потери, обусловленные реакцией между водородом и примесями, превышают потери, обусловленные распределением водорода в междоузлиях кристаллической решетки стекловолоконной сердцевины. Потери, связанные с реакцией водорода с примесями при температуре 100°С, приведены в работе Joshua Jacobs. The Impact of Hydrogen on Optical Fibers.
[05] Таким образом, до настоящего времени для увеличения срока службы скважинных оптоволоконных кабелей использовали защиту от проникновения водорода. Однако проникновение водорода в сердцевину оптоволокна, особенно при повышенных температурах, неизбежно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[06] Варианты реализации настоящего изобретения преодолевают описанные выше и другие недостатки. Однако настоящее изобретение не обязательно преодолевает описанные выше недостатки, а конкретный вариант реализации изобретения может не преодолевать какой-либо из описанных выше недостатков. Настоящее изобретение предлагает конструкцию оптоволоконного кабеля, в котором может быть обеспечена воздухопроницаемость или вентиляция для снижения парциального давления водорода вблизи сердцевины оптоволокна, а также способ восстановления рабочих характеристик оптоволоконного кабеля.
[07] Согласно варианту реализации настоящего изобретения предложен оптоволоконный кабель, содержащий:
- внешнюю защитную трубку;
- оптоволоконную трубку, в которой расположены оптические волокна;
- по меньшей мере, одну кольцевую полость, расположенную между наружной защитной трубкой и оптоволоконной трубкой; и
- по меньшей мере, один проход, проходящий вдоль длины оптоволоконного кабеля и образующий канал для протекания продувочного газа для удаления из оптоволоконного кабеля водорода.
[08] В одном из вариантов реализации продувочный газ проходит по проходу и выходит из него на нижнем конце оптоволоконного кабеля. Оптоволоконный кабель также может быть снабжен пустой трубкой, проходящей вдоль его длины. Проходом может служить оптоволоконная трубка, пустая трубка или кольцевая полость.
[09] Еще один вариант реализации может быть снабжен двумя проходами, первый из которых служит для протекания продувочного газа по оптоволоконному кабелю вниз, а второй - для возврата продувочного газа по указанному кабелю вверх. Первый и второй проходы соединены друг с другом на нижнем конце кабеля посредством проходного соединителя, так что продувочный газ, нагнетаемый в оптоволоконный кабель через первый проход, через проходной соединитель переходит во второй проход и возвращается по нему. Первым и вторым проходами могут служить оптоволоконная трубка, пустая трубка, или кольцевая полость, при условии, что первый и второй проходы не занимают один и тот же канал.
[10] Кроме того, оптоволоконный кабель может содержать защитный слой, выполненный из углерода или металла, например алюминия, золота или меди, и расположенный между двумя кольцевыми полостями. Каждая кольцевая полость может служить каналом, образующим первый или второй проход, при условии, что первый и второй проходы не занимают один и тот же канал.
[11] Продувочный газ также может протекать по двум отдельным проходам в одном направлении. Например, продувочный газ может протекать к нижнему концу кабеля по двум кольцевым полостям.
[12] Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения предложен способ восстановления рабочих характеристик оптоволоконного кабеля, согласно которому:
- берут оптоволоконный кабель, содержащий, по меньшей мере, один проход, проходящий вдоль его длины и предназначенный для протекания продувочного газа для удаления из оптоволоконного кабеля водорода; и
- нагнетают в указанный, по меньшей мере, один проход продувочный газ, в который из оптоволокон оптоволоконного кабеля диффундирует водород.
[13] Способ восстановления рабочих характеристик оптоволоконного кабеля также может включать мониторинг оптического ослабления в оптических волокнах и/или мониторинг содержания водорода в возвратном продувочном газе.
В одном из вариантов реализации мониторинг может включать:
- определение уровня оптического ослабления в оптических волокнах на основании мониторинга содержания водорода в возвратном продувочном газе; и
- нагнетание продувочного газа в первый проход, если уровень оптического ослабления превышает предварительно заданное пороговое значение.
Еще в одном варианте реализации мониторинг может включать:
- измерение уровня оптического ослабления в оптических волокнах путем анализа сигналов;
- определение времени, когда уровень оптического ослабления в оптических волокнах превышает предварительно заданное пороговое значение; и
- автоматическое нагнетание в указанное время продувочного газа в первый проход.
[14] Для усиления эффекта настоящего изобретения в нем могут быть использованы защита от проникновения водорода и поглотители водорода.
[15] В частности, оптоволоконный кабель может содержать защитный слой, расположенный на наружной поверхности оптоволокна. Например, в этом варианте реализации может быть использован углеродный слой. Альтернативно можно использовать металлический слой, например медный, золотой или алюминиевый.
[16] Кроме того, оптоволоконный кабель может содержать поглотитель водорода, диффундировавшего в оптоволокно.
[17] Преимуществом предлагаемой структуры и/или системы является то, что в ней отсутствует постоянный рост оптического ослабления. Хотя оно может возрастать, процесс продувки позволяет восстановить рабочие характеристики кабеля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[18] Приведенные выше и другие аспекты настоящего изобретения станут более понятны из нижеследующего описания предпочтительных вариантов реализации, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
[19] фиг.1 изображает поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;
[20] фиг.2 изображает поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
[21] фиг.3 изображает поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
[22] фиг.4 иллюстрирует способ восстановления рабочих характеристик оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;
[23] фиг.5 иллюстрирует способ мониторинга рабочих характеристик оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;
[24] фиг.6 иллюстрирует способ мониторинга рабочих характеристик оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
[25] фиг.7 изображает вид в разрезе нижнего конца оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;
[26] фиг.8 изображает вид в разрезе нижнего конца оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
[27] Одни и те же элементы, признаки и структуры на всех чертежах имеют одинаковые номера позиций.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[28] Рассмотренные в настоящем описании вопросы, такие, как подробное описание конструкции и элементов, разобраны только в качестве примеров для лучшего понимания вариантов реализации. Для специалистов очевидно, что описанные здесь варианты реализации могут быть изменены и модифицированы без выхода за рамки объема и сущности настоящего изобретения. Кроме того, для ясности и краткости описание известных функций и конструкций опущено.
[29] Фиг.1 изображает поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
[30] Оптоволоконный кабель 10 содержит внешнюю защитную трубку 11, пластмассовый профиль 12 и кольцевую полость 13, расположенную между ними. В профиле 12 размещены оптоволоконная трубка 14, в которой расположены оптические волокна 16, и пустая трубка 18. Вдоль длины кабеля 10 проходит, по меньшей мере, один проход, образующий канал для протекания продувочного газа для удаления из оптоволоконного кабеля водорода. Таким проходом может служить полость 13, трубка 14 или трубка 18.
[31] Внешняя защитная трубка 11 может быть изготовлена из металла, например нержавеющей стали, инколоя 825 и др. Кроме того, внешняя оболочка трубки 14 может быть выполнена из нержавеющей стали или пластмассы. Трубка 14 заполнена оптическими волокнами и может быть «сухой», то есть без геля, или заполненной гелем.
[32] Для протекания продувочного газа для удаления водорода из сердцевины кабеля 10 можно использовать один проход или два прохода.
[33] При использовании одного прохода нагнетаемый продувочный газ может протекать вниз по полости 13, трубке 14 и/или трубке 18 и, проходя через проход, выходить из него на нижнем конце кабеля 10. В этом примере, как показано на фиг.7, на нижнем конце оптоволоконного кабеля расположен обратный клапан 19, обеспечивающий возможность выхода продувочного газа из прохода. Клапан 19 помогает преодолеть давление в скважине.
[34] При использовании двух проходов нагнетаемый продувочный газ может протекать по оптоволоконному кабелю вниз, а затем возвращаться по кабелю вверх по другому проходу. Нисходящий и восходящий проходы соединены на нижнем конце кабеля 10 через проходной соединитель. Например, нижний конец кабеля 10 может быть снабжен заглушкой 22, как показано на фиг.8, так что два прохода сообщаются, а сила нагнетания продувочного газа, создаваемая, например, нагнетающим насосом, вынуждает продувочный газ возвращаться по второму проходу. Проходы могут также быть соединены трубкой (не показано). Проходами могут служить полость 13, трубка 14 или трубка 18, при условии, что первый и второй проходы не занимают один и тот же канал. Например, продувочный газ может протекать:
(1) вниз по трубке 14 и вверх по трубке 18;
(2) вниз по трубке 14 и вверх по полости 13;
(3) вниз по трубке 18 и вверх по трубке 14;
(4) вниз по трубке 18 и вверх по полости 13;
(5) вниз по полости 13 и вверх по трубке 18; или
(6) вниз по полости 13 и вверх по трубке 14.
[35] Фиг.2 иллюстрирует поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
[36] Кабель 10 содержит защитный слой 20, который выполнен из углерода или металла, например алюминия, золота или меди, и расположен между первой кольцевой полостью 13а и второй кольцевой полостью 13б. Полость 13а, слой 20 и полость 13б лежат между внешним защитным слоем 11 и трубкой 14. Полости 13а и 13б и трубка 14 могут служить проходом для протекания продувочного газа, проходящим вдоль длины кабеля 10.
[37] Аналогично тому, как это было описано применительно к фиг.1, для удаления водорода с помощью продувочного газа может быть использован один проход или два прохода.
[38] При использовании одного прохода нагнетаемый продувочный газ может протекать вниз по полости 13а, полости 13б и/или трубке 14.
[39] При использовании двух проходов, каждым из проходов могут служить полость 13а, полость 13б или трубка 14, при условии, что проходы не занимают один и тот же канал. Например, продувочный газ может протекать:
(1) вниз по трубке 14 и вверх по полости 13а;
(2) вниз по трубке 14 и вверх по полости 13б;
(3) вниз по полости 13а и вверх по трубке 14;
(4) вниз по полости 13а и вверх по полости 13б;
(5) вниз по полости 13б и вверх по полости 13а и
(6) вниз по полости 13б и вверх по трубке 14.
[40] Фиг.3 иллюстрирует поперечное сечение оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
[41] Кабель 10 содержит слой 20, расположенный на наружной поверхности трубки 14, внешний защитный слой 11 и полость 13, расположенную между ними. Полость 13 и трубка 14 могут служить проходом для протекания продувочного газа, проходящим вдоль длины кабеля 10.
[42] Аналогично тому, как было описано применительно к фиг.1, для удаления водорода с помощью продувочного газа может быть использован один проход или два прохода.
[43] При использовании одного прохода нагнетаемый продувочный газ может протекать вниз по полости 13 и/или трубке 14 (см. фиг.7).
[44] При использовании двух проходов каждым из проходов могут служить полость 13 или трубка 14, при условии, что проходы не занимают один и тот же канал. Например, продувочный газ может протекать
(1) вниз по трубке 14 и вверх по полости 13 и
(2) вниз по полости 13 и вверх по трубке 14 (см. фиг.8).
[45] Кроме того, оптоволокно выбирают таким, из которого водород может диффундировать с восстановлением рабочих характеристик этого оптоволокна. При низких температурах, например 0-100°С, можно использовать стандартное оптоволокно с примесями, а при более высоких температурах, например, более 100°С, следует использовать оптоволокно из чистого диоксида кремния. Покрытие оптоволокна также должно быть устойчивым к воздействию рабочих температур. Например, для обеспечения устойчивости к воздействию температур, близких к 300°С, может быть использовано полиамидное покрытие.
[46] Для усиления эффекта настоящего изобретения в нем вместо слоя 20 - или в дополнение к нему - могут быть использованы поглотители водорода (не показаны). Например, поглотители водорода могут быть добавлены для поглощения водорода, диффундировавшего в кабель 10.
[47] Принимая во внимание вышесказанное, требуется установить кабель 10 и начать использовать оптоволокно в нормальном режиме. При росте оптического ослабления по структуре кабеля можно нагнетать продувочный газ. Структура кабеля 10 может быть такой, что продувочный газ может проходить вдоль длины кабеля и выходить на его конце в нижней части скважины. В этом случае необходимо, чтобы в нижней части скважины имелся клапан 19 и чтобы давление нагнетаемого газа было высоким для преодоления давления в скважине. Кабель 10 может также содержать первый проход для перемещения продувочного газа по кабелю 10 вниз, второй проход для перемещения продувочного газа по кабелю 10 вверх и средства соединения первого и второго проходов. В этом случае можно нагнетать продувочный газ под меньшим давлением, а обратный клапан в нижней части скважины не нужен. Еще одним преимуществом такой структуры является то, можно выполнять мониторинг содержания водорода в возвратном продувочном газе. Это позволяет пользователю отслеживать уменьшение содержания водорода во время продувки. Данные мониторинга могут быть использованы для периодической профилактической продувки системы с целью поддержания рабочих характеристик оптоволокна в пределах необходимых нормативов.
[48] Преимуществом предложенной структуры и/или системы является то, что в ней оптическое ослабление в оптических волокнах не растет постоянно. Хотя оно может расти, процесс продувки восстанавливает рабочие характеристики кабеля.
[49] Фиг.4 иллюстрирует способ восстановления рабочих характеристик оптоволоконного кабеля согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[50] Согласно способу восстановления рабочих характеристик берут кабель 10, содержащий, по меньшей мере, один проход (операция 41) и нагнетают в указанный, по меньшей мере, один проход продувочный газ (операция 43). Продувочный газ протекает по указанному проходу и удаляет водород из кабеля 10. Когда продувочный газ нагнетают в один из проходов, водород диффундирует из оптических волокон 16, расположенных в кабеле 10.
[51] Фиг.5 иллюстрирует способ мониторинга рабочих характеристик оптоволоконного кабеля в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
[52] Согласно способу мониторинга рабочих характеристик кабеля 10 берут кабель 10, содержащий два прохода (операция 51). Далее выполняют мониторинг оптических потерь в оптоволокне для отслеживания увеличения оптических потерь (операция 52). Если оптические потери возрастают до заданного пользователем значения (операция 53), то в один из проходов нагнетают продувочный газ, возвращаемый по второму проходу (операция 54). Можно выполнять мониторинг содержание водорода в возвратном продувочном газе (операция 55). Кроме того, можно проводить мониторинг оптического ослабления в оптоволокне (операция 56). Иными словами, пользователь, на основании данных о концентрации водорода или об оптическом ослаблении, может определить наиболее подходящий момент для прекращения продувки. Если оптическое ослабление превышает предварительно заданное пороговое значение или если в оптоволоконном кабеле все еще присутствует водород (операция 57), то нагнетание продувочного газа продолжают (операция 54). С другой стороны, если оптическое ослабление вернулось к заданному пользователем приемлемому уровню или если выявлено отсутствие водорода, то продувку прекращают (операция 58). Приемлемый уровень оптического ослабления пользователь определяет, исходя из решаемых задач и потребностей. Иными словами, приемлемый уровень может быть разным на разных рабочих площадках и зависит от конкретной работы, выполняемый пользователем с помощью оптоволоконного кабеля, а также, например, от глубины скважины и используемого оборудования. При увеличении оптического ослабления цикл начинают заново.
[53] Фиг.6 иллюстрирует способ мониторинга рабочих характеристик оптоволоконного кабеля в соответствии еще с одним вариантом реализации настоящего изобретения.
[54] Согласно способу мониторинга рабочих характеристик кабеля 10 берут кабель 10, содержащий, по меньшей мере, один проход (операция 61) и выполняют мониторинг оптического ослабления в оптических волокнах (операция 62). Если оптические потери возрастают до предварительно заданного пользователем значения (операция 63), то, по меньшей мере, в один из проходов оптоволоконного кабеля нагнетают продувочный газ (операция 64). После этого определяют, уменьшена ли величина оптических потерь до приемлемого уровня, определяемого пользователем (операция 65). Если оптические потери не возвращены к приемлемому уровню, процесс продувки продолжают (операция 64). Если оптическое ослабление упало до приемлемого уровня, то процесс продувки прекращают (операция 66). После этого процесс начинают заново. По мере того, как пользователь собирает данные о временных интервалах между продувками, он может определить ожидаемое время, по истечении которого уровень оптического ослабления превысит предварительно заданное пороговое значение (операция 67), и автоматизировать нагнетание продувочного газа в проход в заданное время (операция 68).