Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим кабелям-датчикам, и может быть использована для мониторинга нефтяных и газовых скважин всех типов, в системах, предназначенных для измерения геофизических параметров.
В состав оптоволоконных систем для геофизических исследований скважин, предназначенных для измерения акустических колебаний, вибрации, давления, деформации, механического напряжения, температуры и других физических величин входят волоконно-оптические кабели-датчики.
Известен геофизический оптический кабель, содержащий, по меньше мере, одну токопроводящую жилу и наружную оболочку, выполненную из полимерного материала - гелькоута, при этом, по меньшей мере, одна токопроводящая жила расположена в массе полимерного композиционного материала, армированного стеклянными или углеродными волокнами, параллельно, по меньшей мере, одной токопроводящей жиле в массе полимерного композиционного материала расположен стальной трос и оптическое волокно (Патент РФ №147382 «Геофизический кабель для исследования горизонтальных и восходящих участков скважин», опубл. 10.11.2014 г.).
Известен геофизический волоконно-оптический кабель, который включает 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 РФ №156786 «Геофизический волоконно-оптический кабель», опубл. 20.11.2015 г.).
Известные волоконно-оптические кабели-датчики содержат одно оптическое волокно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины кабеля-датчика. Оптическое волокно одновременно являются датчиком физических величин и средством передачи информации.
По сравнению со стандартными датчиками для измерения геофизических параметров скважин, которые являются объемными и зачастую искажают картину внешних воздействий физических величин, волоконно-оптические кабели-датчики имеют следующие преимущества: возможность измерения физических величин по длине ствола скважины в реальном времени без перемещения кабеля-датчика, возможность исследования и мониторинга скважин со сложной схемой закачивания, высокая стабильность функционирования и помехозащищенность кабеля-датчика, использование одного волоконно-оптического кабеля-датчика для измерения разных физических величин.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе, материалом, обеспечивающим выпрямление кабеля-датчика при сгибе, является полимерный композиционный материал, по меньшей мере, одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, размещено внутри полимерного композиционного материала. Полимерный композиционный материал может являться однослойным и многослойным, при этом между слоями полимерного композиционного материала может быть расположена защитная полимерная оболочка, которая предохраняет, по меньшей мере, одно оптическое волокно от деформации и расслаивания.
Для изготовления распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика в качестве полимерного композиционного материала может быть использован стеклопластик или углепластик, или полимерный композиционный материал, армированный арамидными волокнами, или полимерный композиционный материал, армированный базальтовыми волокнами. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно может содержать наружную защитную полимерную оболочку, препятствующую образованию микротрещин в полимерном композиционном материале (см. патент РФ на полезную модель №141140 «Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик», опубл. 27.05.2014, МПК G02B 6/44).
Недостатком известного распределенного волоконно-оптический кабель-датчика является невозможность долгое время эксплуатировать его в агрессивной среде, в частности, в работающей скважине в зоне высоких температур до 400°С и избыточного давления 105 МПа, не выдерживают значительные ударные нагрузки, поперечные усилия в работающих нефтяных и газовых скважинах.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание распределенного волоконно-оптического кабель-датчика, предназначенного для измерения геофизических параметров с возможностью длительной его эксплуатации в агрессивной среде, в зоне высоких температур до 400°С и избыточного давления 105 МПа в работающих нефтяных и газовых скважинах всех типов, и позволяющего выдерживать значительные ударные нагрузки и поперечные усилия, а также в создание распределенного волоконно-оптического кабель-датчика с минимальной прочностью на разрыв, в пределах от 0,5 до 30,0 кН, стойким к раздавливающему усилию, в пределах от 3,0 до 15,0 кН/100 мм, с обеспечением не менее 20 циклов изгибов на угол ±90° по радиусу изгиба не менее 60-кратного наружного диаметра кабеля при нормальных климатических условиях и при температуре минус 30°С, стойким к воздействию ударных нагрузок с начальной энергией удара от 5 до 30 Дж., стойким к воздействию повышенной рабочей температуры от плюс 85°С до плюс 400°С, стойким к воздействию пониженной рабочей температуры от минус 10°С до минус 50°С, стойкими к воздействию циклической смены температур, а также стойким к воздействию повышенного давления до 200 МПа.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности, в расширении диапазона и точности измерений геофизических параметров с возможностью длительной эксплуатации распределенного волоконно-оптического кабель-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.
Технический результат достигается тем, что в распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике, содержащем наружную защитную оболочку, оптические волокна, проходящие вдоль длины кабеля-датчика, 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.
В распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно введен промежуточный слой, выполненный из герметичной алюминиевой трубки, установленной между внешним и внутренним слоями, выполненными из герметичных трубок из нержавеющей стали, при этом распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно снабжен внешним полимерным покрытием стойким к агрессивным средам, установленным поверх внешнего слоя, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали.
Основной отличительной особенностью предлагаемой конструкции распределенного волоконно-оптического кабель-датчика является выполнение наружной защитная оболочка из нескольких слоев, при том внутренний и внешний слои защитной оболочки выполнены из герметичной трубки из нержавеющей стали, а также введением промежуточного слоя из герметичной алюминиевой трубки и внешнего полимерного покрытия стойкого к агрессивным средам.
Применение трубок из нержавеющей стали для внешнего и внутреннего слоев защитной оболочки в предлагаемой конструкции распределенного волоконно-оптического кабель-датчика при повышенных температурах и высоком давлении обеспечивает: - защиту оптических волокон от значительных ударных нагрузок, избыточного давления и возникающих при этом поперечных усилий при работе в нефтяных и газовых скважинах за счет высокой прочности по сравнению с обычным полимерным покрытием; - увеличение времени нахождения без разрушений в агрессивной среде за счет своей низкой химической активности. Применение промежуточного алюминиевого слоя обеспечивает дополнительное демпфирование ударных нагрузок, избыточного давления и возникающих при этом поперечных усилий, а также дополнительно позволяет сохранять распределенному волоконно-оптическому кабелю-датчику приданную при монтаже форму. Применение полимерного покрытия, стойкого к агрессивным средам, увеличивает время нахождения без разрушений в агрессивной среде, в том числе при повышенных температурах за счет своей низкой химической активности.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает более надежную сохранность и длительную эксплуатацию расположенных внутри кабеля-датчика оптических волокон, обеспечивающих передачу информации о состоянии нефтяной или газовой скважины.
Заявителю не известны конструкции распределенных волоконно-оптических кабелей-датчиков, представляющих совокупность всех признаков, характеризующих конструкцию предлагаемой полезной модели, что говорит о новизне заявляемого объекта.
Предложенная конструкция полезной модели иллюстрируется чертежами, на которых представлены конструкции распределенного волоконно-оптического кабеля - датчика в поперечном сечении, на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 представлены некоторые возможные варианты исполнения волоконно-оптического кабеля - датчика.
Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик содержит наружную защитную оболочку, оптические волокна 1, проходящие вдоль длины кабеля-датчика.
Наружная защитная оболочка выполнена из нескольких слоев, при этом внутренний 2 и внешний 3 слои защитной оболочки выполнены из герметичной трубки из нержавеющей стали, внутри которой расположены оптические волокна 1.
Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно снабжен промежуточным слоем 4, который выполнен из герметичной алюминиевой трубки и установлен между внешним 3 и внутренним 2 слоями, выполненными из герметичных трубок из нержавеющей стали.
Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть дополнительно снабжен внешним полимерным покрытием 5 стойким к агрессивным средам, установленным поверх внешнего 3 слоя, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали.
На фиг. 1 - представлена конструкция распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика, наружная защитная оболочка, которого состоит из двух слоев внутреннего слоя 2, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали и внешнего слоя 3, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали, и оптических волокон 1, расположенных внутри внутреннего слоя 2, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали.
На фиг. 2 - представлена конструкция распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика, наружная защитная оболочка, которого состоит из двух слоев внутреннего слоя 2, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали и внешнего слоя 3, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали, и оптических волокон 1, при этом между внешним 3 и внутренним 2 слоем, выполненных из герметичной трубки из нержавеющей стали наложен промежуточный слой 4, который выполнен из герметичной алюминиевой трубки.
На фиг. 3 - представлена конструкция распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика, наружная защитная оболочка, которого состоит из двух слоев внутреннего слоя 2, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали и внешнего слоя 3, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали, и оптических волокон 1, причем кабель-датчик дополнительно снабжен внешним полимерным покрытием 5 стойким к агрессивным средам, который наложен поверх внешнего 3 слоя, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали.
Предлагаемая конструкция распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика, соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость», поскольку его реализация возможна на базе известного оборудования, материалов и технологий, существующих в кабельной промышленности. Сборку предлагаемых конструкций распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика осуществляют с помощью традиционного оборудования, применяемого при их производстве.
Во всех предлагаемых конструктивных вариантах исполнения распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика обеспечивается повышение эксплуатационной надежности, расширение диапазона и точности измерений геофизических параметров, а также дает возможность длительной эксплуатации распределенного волоконно-оптического кабель-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.