ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ПРОХОДНИКОМ
OPTICAL CONVERTER WITH INTEGRATED PASS ELEMENT

ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ В СООТВЕТСТВИИ С §119 РАЗДЕЛА 35 КОДЕКСА ЗАКОНОВ США
[0001] По этой заявке испрашивается преимущество приоритета предварительной заявки №61/608569 на патент США, поданной 8 марта 2012 года под названием “Optical transducer with integrated feedthrough”, которая полностью включена в эту заявку путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В общем, варианты осуществления изобретения относятся к проходникам, а более конкретно к проходникам, подходящим для использования при высоком давлении, высокой температуре и/или в других суровых условий окружающих средах.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0003] Во многих отраслях промышленности и прикладных областях используют приборные сенсоры для измерения параметров, таких как давление. В некоторых случаях в таких сенсорах могут использоваться оптические волноводы, которые выполнены с возможностью пропускания через стену, перегородку или другую проходную деталь, в которой относительно высокий перепад давления текучей среды существует по проходной детали. В дополнение к этому одна или обе стороны проходной детали могут подвергаться воздействию относительно высоких температур и других суровых условий эксплуатации, таких как агрессивные или летучие газы, жидкости или другие материалы. Например, может потребоваться проходная перегородка для уплотнения оптического волновода при высоких давлениях около 138000 килопаскаль (кПа) и выше и высоких температурах от около 150°C до 300°C и выше при эксплуатационном сроке службы от 5 до 20 или более лет.
[0004] Несколько сложных проблем существует при конструировании сенсора с использованием такого проходного оптического волокна. Одна из этих проблем включает в себя чувствительность стеклянного волокна к повреждению и разрыву вследствие его небольших размеров, гибкости и хрупкости. Другая проблема включает в себя возможность утечек, когда оптическое волокно уплотнено в проходном отверстии с использованием эпоксидной смолы и других связующих материалов, которые могут растрескиваться, когда подвергаются воздействию температур и давлений в экстремальных диапазонах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В общем, варианты осуществления изобретения относятся к проходникам (например, проходникам для оптических сенсоров, проводных линий, каротажного кабеля, других электрически или оптически проводящих линий или разводок цепей и т.п.), пригодных для использования при высоком давлении, высокой температуре и/или других суровых условий окружающих средах.
[0006] Согласно некоторым вариантам осуществления предложен оптический преобразователь. Измерительный участок преобразователя может подвергаться воздействию текучих сред высокого давления, высокой температуры, когда оптический преобразователь развертывают (например, в стволе скважины или других промышленных применениях). Преобразователь может включать в себя оптический волновод с первым участком, который образует первое уплотнение, изолирующее «приборный» участок преобразователя от воздействия высокого давления и текучих сред, воздействию которых может подвергаться измерительный участок. Кроме того, преобразователь может включать в себя второе уплотнение со «стопкой» элементов материала, которые контактируют со вторым участком оптического волновода также для изоляции приборного участка преобразователя от воздействия высокого давления и текучих сред, воздействию которых может быть подвергнут измерительный участок.
[0007] Совместно первое и второе уплотнения можно считать образующими первичное и вторичное уплотнения, обеспечивающие избыточность и некоторую гарантию уплотнения (дублирование) даже в случае, когда целостность одного уплотнения нарушается. Можно относительно произвольно считать уплотнение первичным или вторичным. Требуемые материалы различных компонентов преобразователя могут быть выбраны на основании заданных характеристик давления и температурных критериев. Например, второе уплотнение может включать в себя стопку из двух или большего количества (возможно, чередующихся) материалов, выбранных для достижения заданной температурной характеристики и в то же время сохранения целостности формы при надлежащей герметизации.
[0008] Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предоставлен оптический преобразователь. В общем, оптический преобразователь включает в себя по меньшей мере один оптический волновод; по меньшей мере один сенсорный элемент, образованный на участке оптического волновода; и проходной элемент выполненный с возможностью изоляции первого участка преобразователя, находящегося в связи с сенсорным элементом, от второго участка преобразователя, содержащего сенсорный элемент, при этом проходной элемент содержит по меньшей мере первое уплотнение, образованное первым участком оптического волновода в контакте с отверстием, продолжающимся через корпус проходного элемента, и второе уплотнение, образованное контактом между компоновкой уплотняющих элементов со вторым участком оптического волновода и внутренней поверхностью корпуса проходного элемента.
[0009] Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставлен оптический преобразователь. В общем, оптический преобразователь включает в себя по меньшей мере один оптический волновод; по меньшей мере один сенсорный элемент, расположенный на участке оптического волновода; и проходной элемент, выполненный с возможностью изоляции первого участка преобразователя, находящегося в связи с сенсорным элементом, от второго участка преобразователя, содержащего сенсорный элемент, при этом проходной элемент содержит уплотнение, образованное первым участком оптического волновода в контакте с отверстием, продолжающимся через корпус проходного элемента, и при этом участок сопряженной поверхности отверстия для образования уплотнения подрезан для уменьшения по меньшей мере одного из величины или градиента распределения напряжений в области перехода от высокого напряжения к отсутствию напряжения вдоль первого участка оптического волновода.
[0010] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предоставлен проходной узел. В общем, проходной узел включает в себя по меньшей мере одну проводящую линию и проходной элемент, выполненный с возможностью изоляции первого участка узла от второго участка узла, при этом проходной элемент содержит первое уплотнение, образованное первым участком упомянутой линии в контакте с отверстием, продолжающимся через корпус проходного элемента, и при этом участок сопряженной поверхности отверстия для образования первого уплотнения подрезан для уменьшения по меньшей мере одного из величины или градиента распределения напряжений в области перехода от высокого напряжения к отсутствию напряжения вдоль первого участка линии. По меньшей мере одна проводящая линия может включать в себя по меньшей мере одно из оптического волновода или проводной линии. Согласно некоторым вариантам осуществления предварительно нагружающая сила приложена, чтобы способствовать герметизации первого уплотнения до развертывания в рабочих условиях. Согласно некоторым вариантам осуществления проходной элемент дополнительно включает в себя второе уплотнение, образованное контактом между компоновкой уплотняющих элементов со вторым участком линии и внутренней поверхностью корпуса проходного элемента.
[0011] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложен проходной узел. В общем, проходной узел включает в себя по меньшей мере одну проводящую линию и проходной элемент, выполненный с возможностью изоляции первого участка узла от второго участка узла, при этом проходной элемент содержит по меньшей мере первое уплотнение, образованное первым участком линии в контакте с отверстием, продолжающимся через корпус проходного элемента, и второе уплотнение, образованное контактом между компоновкой уплотняющих элементов со вторым участком линии и внутренней поверхностью корпуса проходного элемента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Чтобы исчерпывающе понять перечисленные выше признаки настоящего изобретения, можно обратиться к более подробному описанию изобретения, кратко изложенному выше, с вариантами осуществления, некоторые из которых показаны на прилагаемых чертежах. Однако следует отметить, что прилагаемыми чертежами иллюстрируются только типичные варианты осуществления этого изобретения, и поэтому они не должны рассматриваться как ограничивающие его объем, для изобретения можно предположить другие, в равной мере эффективные варианты осуществления.
[0013] Фиг. 1 является видом в разрезе оптического преобразователя с интегрированным проходником согласно вариантам осуществления изобретения;
[0014] Фиг. 2 является видом в разрезе проходного участка оптического преобразователя, показанного на фиг. 1, согласно вариантам осуществления изобретения;
[0015] Фиг. 3 показывает пример стопки материалов для динамического уплотнения согласно вариантам осуществления изобретения;
[0016] Фиг. 4 является видом в разрезе примера предварительно нагруженного участка преобразователя, показанного на фиг. 1, согласно вариантам осуществления изобретения;
[0017] Фиг. 5 показывает пример внешнего вида участка преобразователя, показанного на фиг. 4, согласно вариантам осуществления изобретения; и
[0018] Фиг. 6 показывает пример вида готового узла преобразователя согласно вариантам осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0019] В общем, варианты осуществления изобретения относятся к проходным узлам, пригодным для использования в условиях эксплуатации при высокой температуре, высоком давлении. Хотя ниже подробно описываются преобразователи с проходными узлами для оптических волноводов, варианты осуществления изобретения также применимы к проходникам других видов (например, к проходным узлам для проводных линий, в которых проводная линия для электрической связи, каротажа или спуска и извлечения скважинных приборов изолирована от суровых условий окружающих сред).
[0020] Согласно некоторым вариантам осуществления оптический преобразователь может включать в себя проходной узел, имеющий первое уплотнение, образованное стеклянной пробкой, имеющей форму усеченного конуса, расположенной в выемке (например, в расточенном отверстии) корпуса проходника. Стеклянная пробка может образовывать стержневой волновод большого диаметра, герметизированный в выемке корпуса и обеспечивающий оптическую связь на протяжении корпуса. Все варианты осуществления, описанные в этой заявке, обеспечиваются для уплотнения относительно корпуса или вокруг стеклянной пробки, когда стеклянная пробка приводится в контакт с уплотняющей поверхностью выемки.
[0021] Используемые в этой заявке термины «оптическое волокно», «стеклянная пробка» и более общий термин «оптический волновод» относятся к любому устройству для передачи оптических сигналов по заданному пути. Например, каждый из этих терминов может относиться к одномодовым, многомодовым, двулучепреломляющим, сохраняющим поляризацию, поляризационным, многожильным или многооболочечным оптическим волноводам, или плоским или планарным волноводам. Оптические волноводы могут быть изготовлены из любого стекла (например, кварцевого стекла, фосфатного стекла или из других стекол), стекла и пластика или только из пластика. Кроме того, любой из оптических волноводов можно частично или полностью покрывать геттером и/или блокирующим агентом (таким как золото), чтобы образовывать барьер для водорода, который защищает волновод.
[0022] На фиг. 1 показан пример оптического преобразователя 100, включающего в себя проходной элемент 105, который изолирует первый (измерительный) участок 110 преобразователя от второго (приборного) участка 120 преобразователя. Измерительный участок 110 преобразователя может использоваться для восприятия параметра (например, температуры или давления) и преобразования воспринятого параметра в изменяющийся оптический сигнал. Приборным участком 120 может обеспечиваться интерфейс для передачи оптических сигналов к электронному сенсорному оборудованию через соединитель и оптический кабель, имеющий одно или несколько оптических волокон.
[0023] Как показано, согласно некоторым аспектам преобразователь 100 может быть преобразователем давления, а измерительный участок 110 может включать в себя нажимную лапу и сильфонный узел 130, которые могут перемещаться в осевом направлении в ответ на внешнее давление, в результате чего изменения давления передаются к заполняющей жидкости внутри сильфонного узла и к сенсорному элементу. Сенсорный элемент может быть образован из оптического волновода, имеющего одну или несколько образованных в нем решеток Брэгга. Изменения давления в заполняющей жидкости могут вызывать изменение длины волны решетки. Одну или несколько дополнительных решеток можно изолировать от изменений давления или выполнить с возможностью реагирования с различными чувствительностями, обеспечивающими получение однозначных и отстоящих друг от друга значений изменений давления и температуры путем нахождения решений получающейся системы многочисленных уравнений.
[0024] Сенсорный элемент может находиться в заполняющей жидкости (например, в силиконовом масле), обеспечивающей некоторую защиту и демпфирование, а также передачу изменений давления к сенсорному элементу. Как показано, этот участок можно заполнять через интегрированное заливное отверстие 140, которое может быть уплотнено для гарантии отсутствия связи между окружающей средой (например, скважинными текучими средами) вне преобразователя и корпусом, содержащим заполняющую жидкость. В некоторых случаях это уплотнение может быть выполнено посредством уплотняющего элемента, а в некоторых вариантах осуществления посредством резьбового элемента. Резьбовым элементом может обеспечиваться упрочнение уплотняющего элемента, и он может действовать как резервное уплотнение для сдерживания любых утечек при повреждениях уплотняющего элемента.
[0025] Как показано на фиг. 2, уплотняющий участок 204 оптического волновода 200 может быть конической формы (или может иметь форму усеченного конуса) и сопряженным с сопряженной поверхностью отверстия комплементарной формы в металлическом корпусе 202, в результате чего образуется уплотнение 203 стекла с металлом. Естественное давление, возникающее во время развертывания и работы (например, в стволе скважины), может вдавливать уплотняющий участок 204 к сопряженной поверхности с образованием уплотнения. Как будет описано более подробно ниже, также можно обеспечивать механизм для предварительного нагружения уплотнения 203 стекла с металлом во время изготовления преобразователя 100 до транспортировки и развертывания.
[0026] Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения элемент, такой как тонкая шайба 306 (показанная на фиг. 3), может использоваться между уплотняющим участком 204 и сопряженной поверхностью корпуса 202, чтобы способствовать уплотнению (например, путем заполнения любых дефектов между уплотняемыми поверхностями, а также уменьшения концентрации контактных напряжений). Шайба 306 может содержать любой подходящий материал, способствующий уплотнению 203 стекла с металлом, такой как мягкий металл (например, золото).
[0027] Как описывалось выше, оптический волновод 200 на приборном участке 120 может быть соединен с оптическим кабелем для передачи оптических сигналов к электронному сенсорному оборудованию. Аналогичным образом в проходном узле для проводных линий, например, одна или несколько проводных линий могут проходить через корпус проходного элемента и соединяться с соединителем и электрическим кабелем, имеющим один или несколько проводов, для передачи электрических сигналов, проходящих по проводным линиям, к электронному оборудованию.
[0028] В отличие от обычных проходных оптических преобразователей оптический волновод 200 представляет собой монолитную структуру, предусматривающую аспекты восприятия и сквозного прохода. В противоположность этому обычные преобразователи, как правило, включают в себя два отдельных компонента для достижения этих аспектов: сенсорный оптический волновод и отдельную проходную стеклянную пробку, соединенную с сенсорным волноводом через оптическую волоконную перемычку. Кроме того, в обычных конструкциях оптическая волоконная перемычка подвергается воздействию высоких давлений и потенциально вредных текучих сред. Исключением такой волоконной перемычки из вариантов осуществления изобретения снижается риск ухудшения характеристик.
[0029] При нагружении в осевом направлении элементов из хрупкого материала, такого как стекло, как в настоящем примере, напряжения могут быть относительно линейными по сопряженным поверхностям элементов до неожиданного появления области перехода от «высокого напряжения сжатия» к «отсутствию напряжения» на конце сопряженной поверхности. Этот резкий переход может приводить к концентрации растягивающего напряжения в этой области, что может приводить к деформации хрупкого материала и, в конечном счете, к разрушению. Однако в соответствии с некоторыми аспектами величину и градиент распределения переходных напряжений можно уменьшать, как показано на рис. 2, путем удаления (например, подрезания) участка сопряженной поверхности корпуса 202, так что создается зазор 206, когда стеклянную пробку уплотняют в комплементарном расточенном отверстии корпуса. Это удаление можно осуществлять, например, путем подрезания корпуса 202 вдоль внутреннего кольца сопряженной поверхности отверстия. В этом случае, как показано на фиг. 2, получающаяся поверхность корпуса 202, противоположная расточенному отверстию, может иметь круговую внутреннюю выемку. В случае других вариантов осуществления уменьшение величины и градиента распределения переходных напряжений может быть выполнено путем литья или формирования иным способом корпуса 202, исходно имеющего круговую внутреннюю выемку напротив расточенного отверстия, так что не будет необходимости выполнять удаление. Это снижение величины и градиента распределения переходных напряжений от высокого сжатия к отсутствию сжатия может способствовать предотвращению разрушения. В случае преобразователя 100 при такой модификации сопряженной поверхности исключается режим разрушения, в результате чего возрастают надежность и срок службы преобразователя.
[0030] Как показано на фиг. 2, проходной элемент 105 может также включать в себя одно или более динамических уплотнений (обычно называемых «шевронными» уплотнениями или v-уплотнениями в соответствии с «v»-формой в поперечном сечении) в качестве второго уплотняющего элемента. В собранном изделии эти динамические уплотнения могут контактировать со вторым участком оптического волновода 200 и корпусом 202, обеспечивая дублирование уплотнения 203 стекла с металлом (или же уплотнение стекла с металлом можно рассматривать как обеспечивающее дублирование динамических уплотнений). Когда прикладывается большее давление, динамические уплотнения сжимаются в осевом направлении и, кроме того, расширяются в радиальном направлении, в результате чего уплотнение между оптическим волноводом 200 и корпусом 202 сжимается. Кроме того, динамические уплотнения также могут центрировать оптический волновод 200 в преобразователе 100 относительно отверстия корпуса 202 проходника и уплотнения 203 стекла с металлом.
[0031] Как описывалось ранее, требуемые материалы различных компонентов преобразователя 100 можно выбирать на основании заданных характеристик и температурных критериев. Например, как показано на фиг. 3, второй уплотняющий элемент может включать в себя «стопку» 300 из двух или более (возможно, чередующихся) материалов 302, 304. Материалы 302, 304 можно выбирать, чтобы достигать заданных температурных характеристик, в то же время, поддерживая целостность их формы для надлежащего уплотнения. Примеры таких материалов могут включать в себя полиэфирэфиркетон, тефлон, полиимид и другие полимеры. В некоторых случаях для относительно высоких предельных температур (например, до 250°C) преобразователь может включать в себя стопку, в которой чередуются полиэфирэфиркетон и тефлон. Еще более высокие предельные температуры (например, >300°C) могут достигаться при использовании в стопке 300 графита, упрочненных графитом полимеров или некоторых полиимидов с улучшенными характеристиками, таких как PMR-15. Конечно, в случае необходимости возможны обычные замены материалов, а материалы других частей также можно заменять для увеличения предельной температуры и надежности.
[0032] Еще одной особенностью конструкции, благодаря которой повышаются предельная температура и надежность преобразователя 100, является отсутствие эпоксидной смолы или другого связующего материала, используемого на измерительном участке 110. В обычных конструкциях оптических проходников эпоксидная смола, используемая в качестве уплотняющего элемента на измерительном участке 110, подвергается воздействию высоких температур. Однако структурная целостность эпоксидной смолы может нарушаться при таких высоких температурах, что приводит к неприемлемым утечкам в уплотнении. При использовании в вариантах осуществления настоящего изобретения уплотнения 203 стекла с металлом и/или динамических уплотнений нет необходимости использовать эпоксидную смолу в преобразователе 100.
[0033] Удаление материала для снижения величины и градиента распределений напряжений на границах раздела компонентов, описанное выше, также можно использовать на предварительно нагруженном участке 400 преобразователя 100, показанном на фиг. 4. Как показано, форма волновода 200 может быть выполнена с возможностью приложения осевой силы 406 к волноводу во время процесса сборки. Эта предварительная нагрузка может способствовать поддержанию контакта в уплотнении 203 стекла с металлом до воздействия рабочего давления. Однако концентрации напряжений, которые развиваются в областях контакта между волноводом 200 и одним или более элементами 402 (например, зажимами), используемыми для приложения силы во время предварительного нагружения, могут приводить к повреждению оптического волновода. Поэтому, как показано на фиг. 4, один или более участков 404 элемента 402 можно удалять (например, подрезать), в попытке уменьшения величины и градиента концентраций напряжений, прикладываемых к оптическому волноводу 200 во время предварительной нагрузки. Элементы 402 могут быть набраны из любого подходящего материала, такого как пластик, и могут удерживаться на месте кольцом на предварительно нагруженном участке 400.
[0034] Согласно некоторым вариантам осуществления осевая предварительно нагружающая сила также может быть приложена к стопке 300 во время изготовления преобразователя 100. Эту предварительно нагружающую силу можно использовать для сжатия в осевом направлении и расширения в радиальном направлении динамических уплотнений и образования уплотнения между оптическим волноводом 200 и корпусом 202. Как показано на фиг. 2 и 4, в некоторых вариантах осуществления предварительно нагружающая сила может прикладываться устройством 208 предварительного нагружения v-уплотнения.
[0035] Согласно некоторым аспектам один или несколько диагностических сенсоров (например, решеток Брэгга) могут использоваться для мониторинга величины силы, прикладываемой во время предварительного нагружения. В некоторых случаях такой диагностический сенсор может быть помещен в любом подходящем месте вдоль волновода 200, которое подвергается воздействию сил предварительной нагрузки, например, между предварительно нагруженным участком 400 и уплотняющим участком 204 оптического волновода 200. Таким диагностическим сенсором можно, например, осуществлять контроль во время предварительного нагружения и при этом использовать другой диапазон длин волн, чем используется в сенсорном элементе.
[0036] На фиг. 5 показан внешний вид предварительно нагруженного участка 400, изображенного на фиг. 4. Предварительно нагруженный участок 400 может включать в себя корпус 500 устройства предварительного нагружения, который окружает оптический волновод, предварительно нагруженный при использовании элемента (элементов) 402. Фланец 504 корпуса устройства предварительного нагружения может поддерживаться в осевом направлении одним или более удерживающими элементами устройства 208 предварительного нагружения v--уплотнения, такими как штыковидные детали 502, показанные на фиг. 5. Поддержание корпуса устройства предварительного нагружения этим способом позволяет радиально сдвигать корпус, так что центр корпуса можно располагать на оси или незначительно смещать от оси относительно отверстия корпуса 202 (и оси устройства 208 предварительного нагружения v-уплотнения). При этом потенциальном радиальном сдвиге корпуса устройства предварительного нагружения изгибающая сила на оптическом волноводе 200 устраняется или по меньшей мере уменьшается во время сборки преобразователя 100. Минимизацией изгибающей силы устраняется напряжение оптического волновода, так что оптический волновод не разрывается при ударных нагрузках и преобразователь не повреждается.
[0037] Во время сборки преобразователя корпус устройства предварительного нагружения можно располагать над устройством 208 предварительного нагружения v-уплотнения, чтобы окружать элементы 402, поворачивая так, чтобы фланец 504 удерживался деталями 502, и позиционируя радиально в попытке устранить или по меньшей мере уменьшить изгибающие силы, действующие на оптический волновод 200. Затем фланец 504 корпуса устройства предварительного нагружения можно приварить над устройством 208 предварительного нагружения v-уплотнения. В случае нарушения сварных соединений фланца во время работы преобразователя детали 502 предотвратят осевое перемещение корпуса 500 устройства предварительного нагружения от устройства 208 предварительного нагружения v-уплотнения.
[0038] На фиг. 6 показан пример готовой сборки преобразователя 600 согласно аспектам настоящего раскрытия. Установка законченного узла может быть относительно простой, например, с нажимной лапой сенсорного участка, закрепляемой болтами на шпинделе канала нагнетания в области измерений. Соединения для приборов могут быть выполнены на приборной стороне 602 с использованием изоляции от среды измерений, обеспечиваемой уплотняющими элементами, описанными выше.
[0039] Варианты осуществления изобретения обладают несколькими преимуществами по сравнению с обычными оптическими преобразователями с компонентами проходников. Например, преобразователи, описанные выше, могут достигать более высокую рабочую температуру в течение длительного времени (по меньшей мере до 200°C, а в некоторых случаях свыше 300°C), чем обычные преобразователи, отказ которых обычно наступает при температуре выше 150°C (например, вследствие разрушения эпоксидной смолы, клея или другого связующего материала). При использовании сильфонного узла на измерительном участке преобразователя любое оптическое волокно или другие стеклянные компоненты изолированы от опасных текучих сред. Кроме того, применение элементов, описанных выше, для снижения или исключения повреждения хрупких материалов, приводит к значительно сниженному риску повреждения во время транспортировки, развертывания и работы преобразователя. В общем, различные атрибуты, описанные выше, ведут к получению проходных оптических преобразователей с повышенными надежностью и сроком службы по сравнению с обычными проходными преобразователями.
[0040] Хотя изложенное ориентировано на варианты осуществления настоящего изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления изобретения могут быть разработаны без отступления от его основного объема, а его объем определяется формулой изобретения, которая следует ниже.