РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КОМПОЗИТНЫЙ КАБЕЛЬ-ДАТЧИК

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим кабелям-датчикам, и может быть использована в системах, предназначенных для измерения геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах всех типов: вертикальных, горизонтальных, наклонных, горизонтально-наклонных, восходящих.
Распределенные волоконно-оптические кабели-датчики входят в состав оптоволоконных систем для геофизических исследований скважин, предназначенных для измерения акустических колебаний, вибрации, давления, деформации, механического напряжения, температуры и других физических величин. Известные распределенные волоконно-оптические кабели-датчики содержат одно оптическое волокно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины кабеля-датчика. Оптическое волокно одновременно являются датчиком физических величин (чувствительным элементом) 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, распределенные волоконно-оптические кабели-датчики имеют следующие преимущества:
- возможность измерения поля (профиля) физических величин по длине ствола скважины в реальном времени без перемещения кабеля-датчика;
- возможность исследования и мониторинга скважин со сложной схемой заканчивания, включая горизонтальные дополнительные стволы, многоствольные скважины, скважины с размещением в стволе управляемого оборудования и управляющих устройств, конструкция которых не позволяет размещать в стволе приборы ГИС;
- высокая стабильность функционирования и помехозащищенность кабеля-датчика;
- использование одного волоконно-оптического кабеля-датчика для измерения разных физических величин.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик для нефтяных и газовых скважин (заявка WO 2006/003477 Intervention rod, дата публикации: 12.01.2006, МПК: E21B 17/20, G02B 6/44), содержащий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно), проходящую (проходящее) вдоль длины кабеля-датчика, жесткую внешнюю структуру, обеспечивающую самовыпрямление кабеля-датчика (материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе), защитный слой, отделяющий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно) от жесткой внешней структуры (материала, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе).
Защитный слой, отделяющий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно) от жесткой внешней структуры (материала, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе) может представлять собой металлический слой или воздушный зазор, или металлический слой с воздушным зазором. Защитный слой (буферная зона) может быть выполнен в виде металлической буферной трубки, заполненной гидрофобным гелем, предохраняющим оптические волокна от влаги.
Распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик может содержать наружный защитный слой, уменьшающий или предотвращающий образование микротрещин в жесткой внешней структуре (материале, обеспечивающем выпрямление кабеля-датчика при сгибе).
Известный распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик изготовлен из материалов с разными физическими свойствами, на границе раздела которых происходит искажение внешних воздействий физических величин. Распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит буферную зону из воздуха или гидрофобного геля, расположенную между по меньшей мере одним оптическим волокном и материалом, обеспечивающим выпрямление кабеля-датчика при сгибе, что приводит к снижению точности измерения геофизических параметров и сужению диапазона измерений геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности измерений геофизических параметров и в расширении диапазона измерений геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляется распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе, отличающийся тем, что 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.
Полимерный композиционный материал может являться 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.
Примеры конструктивного исполнения заявляемой полезной модели поясняются иллюстрациями.
На фиг. 1 представлен распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик в разрезе, где:
1 - оптическое волокно (1 шт.);
2 - полимерный композиционный материал.
На фиг. 2 представлен распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик в разрезе, где:
1 - оптическое волокно (3 шт.);
2 - полимерный композиционный материал (3 слоя).
При каждом возможном варианте конструктивного исполнения распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит по меньшей мере одно оптическое волокно 1, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, которое размещено внутри полимерного композиционного материала 2, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе.
В примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 1, распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит одномодовое оптическое волокно 1, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, размещенное внутри полимерного композиционного материала 2, армированного стеклянными волокнами (стеклопластика). Кабель-датчик данной конструкции имеет высокие прочностные свойства при низкой стоимости изготовления.
В примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 2, распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит три одномодовых оптических волокна 1, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, размещенных внутри многослойного полимерного композиционного материала 2, включающего внутренний слой стеклопластика, слой углепластика, наружный слой стеклопластика.
Механические свойства распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика (жесткость, прочность, упругость) определяются свойствами полимерного композиционного материала 2. Свойства полимерного композиционного материала 2 зависят от характеристик армирующих элементов, свойств полимерной матрицы, вида и текстуры армирующих элементов, прочности связи и количественного соотношения между армирующими элементами и полимерной матрицей.
Для изготовления распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика используют метод пултрузии. Стеклянные волокна (в примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 1) или стеклянные и углеродные волокна (в примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 2), а также одномодовые оптические волокна 1 в защитной оболочке подаются с катушек и пропускаются через полимерную ванну, где они пропитываются полимером. Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство, которое выравнивает волокна и придает волоконно-полимерному составу круглую форму. Затем волокна и незатвердевший полимер пропускаются через нагретую пресс-форму (фильеру). Отвержденный кабель вытягивается из фильеры вытяжной машиной, разрезается в нарезной машине на куски необходимой длины.
Заявляемый распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик может быть использован в оптоволоконных системах, предназначенных для измерения геофизических параметров, а именно акустических колебаний, вибрации, давления, деформации, механического напряжения, температуры и других физических величин в нефтяных и в газовых скважинах всех типов: вертикальных, горизонтальных, наклонных, горизонтально-наклонных, восходящих. Оптоволоконные системы помимо заявляемого композитного кабеля-датчика, размещаемого в стволе скважины в исследуемом интервале, включают оптический рефлектометр, устанавливаемый на поверхности. Работа оптического рефлектометра основана на регистрации Романовского рассеяния, рассеяния Мандельштама-Брюллюэна, на принципе оптической рефлектометрии временной области, регистрируемой величиной является изменение свойств рассеянного излучения (амплитуды, фазы, спектра, поляризации и т.д.), происходящее под воздействием измеряемых физических величин.
В заявляемом распределенном волоконно-оптическом композитном кабеле-датчике одно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, являющихся чувствительными к внешним воздействиям измеряемых физических величин (геофизических параметров), размещены внутри полимерного композиционного материала; буферная зона из воздуха или гидрофобного геля отсутствует, что приводит к уменьшению искажения внешних воздействий физических величин, происходящего на границах раздела фаз - слоев и оболочек композитного кабеля-датчика. За счет уменьшения искажения внешних воздействий физических величин происходит повышение точности измерений геофизических параметров и расширение диапазона измерений геофизических параметров: кабель-датчик позволяет регистрировать меньшие по амплитуде колебания температуры, акустические колебания, вибрации.
Таким образом, использование заявляемого распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика в оптоволоконных системах для измерения геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах позволит повысить точность измерений геофизических параметров и расширить диапазон измерений геофизических параметров.