BR112018013042B1 - Cabo ótico/elétrico para ambientes de fundo de poço - Google Patents
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Abstract
cabo ótico/elétrico para ambientes furo abaixo, e, cabo híbrido. trata-se de um cabo ótico/elétrico para ambientes furo abaixo que inclui uma pluralidade de fibras óticas dispostas dentro de um tubo de metal interior. uma camada condutora de eletricidade circunda o tubo de metal interior, uma camada de isolamento circunda e está em contato com a camada condutora de eletricidade, e um tubo de metal exterior circunda e está em contato com a camada de isolamento.
Description
[001] A presente descrição refere-se, genericamente, a um cabo ótico/elétrico e, mais particularmente, a um cabo para aplicações em ambientes de fundo de poço tendo uma pluralidade de fibras óticas encerradas em um tubo de metal e uma camada condutora de eletricidade circundando coaxialmente o tubo de metal para condução de corrente elétrica.
[002] Existem diversos tipos de cabos para monitoramento das condições ambientais, envio de comunicações e para provimento de energia elétrica dentro de um ambiente perigoso, como, por exemplo, uma aplicação para ambientes de fundo de poço em um poço de óleo ou gás. Um destes tipos reside em um cabo (TEC) “condutor encerrado em tubo”. Um cabo TEC possui como característica um condutor elétrico disposto dentro de um tubo de metal para proteção do condutor contra ambientes perigosos. Os cabos TEC são usados para transmissão de força elétrica a vários dispositivos na extremidade distal do cabo que monitoram as condições nos ambientes de fundo de poço, como, por exemplo, a temperatura e a pressão.
[003] Outro tipo de cabo para ambientes perigosos consiste em um cabo (TEF) “fibra encerrada em tubo” (TEF). De modo similar aos cabos TEC, os cabos TEF protegem uma fibra ótica do ambiente dispondo a fibra dentro de um pequeno tubo de metal (referido como “fibra em tubo de metal” ou “FIMT”). Os cabos TEF podem ser usados em poços de óleo e gás, tanto como guias de onda para transferência de dados provenientes das ferramentas em ambientes de fundo de poço, ou como sensores para aplicações de sensoriamento de temperatura distribuído (DTS), sensoriamento acústico distribuído (DAS), e outros sensoriamentos.
[004] Quando o cabo contém condutores elétricos e fibras óticas encerrados em um ou mais tubos, o cabo é referido como um cabo TEC/TEF. Os cabos para ambientes de fundo de poço TEC/TEF disponíveis no mercado podem ter um tubo de aço de 6,35 mm (por exemplo, ^ polegada de diâmetro) com um revestimento externo. Ele contém um condutor isolado e outro tubo de aço encerrando uma fibra ótica. Os cabos TEC/TEF de 6,35 mm (^ de polegada) de diâmetro são usados tipicamente para instalação permanente em um poço de óleo.
[005] Como conhecido a partir, por exemplo, do site na internet http://petrowiki.org/Coiled_tubing_drilling, levantamentos de tubagem bobinada e perfuração com tubagem bobinada também são aplicações comuns de cabos para ambientes de fundo de poço. O termo “tubagem bobinada” refere-se a um tubo de metal longo, normalmente de 2,5 cm a 8,25 cm de diâmetro, que é bobinado em um grande carretel. O tubo é usado para intervenções em poços de óleo e gás e, por vezes, como tubagem de produção em poços de gás esgotados. O termo “perfuração por tubagem bobinada” refere-se a uma combinação de tubagem bobinada e perfuração direcional (por exemplo, poços não verticais de perfuração) que usam um motor de lama para criar um sistema para reservatórios de perfuração.
[006] Uma técnica emergente para tubagem bobinada é perfilar um poço de óleo com sensor de temperatura distribuído (DTS) ou com técnicas (DAS) para sistema de aquisição de dados usando sensores de fibra ótica dentro de um cabo TEF. Os cabos TEF de pequeno diâmetro, ou seja, cabos com um diâmetro externo de no máximo 4 mm, podem ser injetados à coluna de tubagem bobinada antes de a tubagem bobinada ser abaixada no poço de óleo e gás.
[007] Para aumentar mais o perfil do poço, podem ser usados sensores de pressão eletromecânica quando se efetua sensoriamento com tubagem bobinada. Esses sensores requerem, no entanto, corrente elétrica não provida por um cabo TEF. O tubo de aço inoxidável como parte do FIMT dentro de um cabo TEF geralmente não possui capacidade portadora de corrente porque sua resistência é muito alta. Os cabos TEC/TEF disponíveis no mercado, que de fato proveem tanto sensoriamento de fibra como corrente elétrica, são muito grandes e pesados para serem posicionamento em tubagem bobinada com seus 6,35 mm (% de polegada) de diâmetro. As experiências de campo com os cabos TEF para posicionamento de tubagem bobinada têm demonstrado que o maior diâmetro externo para cabos de sensoriamento que podem ser usados é de 4 mm.
[008] O documento de Patente U.S. 8.295.665 (a patente ‘665) descreve um cabo do tipo híbrido para ambientes de fundo de poço, incluindo um tubo de aço inoxidável preenchido com fibra/gel central com um fio de cobre enrolado em torno do tubo e uma camada de isolamento em torno do tubo de fio de cobre. O fio de cobre é disposto no espaço helicoidal formado pelo tubo de metal. O tubo de metal e o elemento de cobre são colocados em um tubo metálico. O tubo metálico possui um diâmetro de 6,35 mm (% de polegada).
[009] O documento de Patente U.S. 5.493.626 (a patente ‘626) descreve um cabo de instrumento elétrico/ótico para ambientes de fundo de poço, para uso em um sistema de perfilagem de poço em ambientes de alta pressão. O cabo inclui uma única fibra ótica selada hermeticamente para sinalização circundada por camadas de material protetor e um gel e encapsulada por uma bainha protetora. A bainha pode ser um tubo de metal soldado a laser. Uma camada de condutores elétricos entre um isolador interno opcional e uma camada de isolador externa circunda o tubo protetor e é formada de cobre entrançado em vez de um “servidor” helicoidal de cobre. Uma pluralidade de filamentos de elemento de reforço circunda a camada de isolador externa. Os membros de reforço incluem uma camada interna de filamentos de aço inoxidável enrolada em espiral em torno da camada de isolador externa em uma direção, e uma camada externa de filamentos de aço inoxidável enrolada em espiral em torno da camada interna dos filamentos de membro de reforço em um servidor ou enrolamento oposto. Os filamentos e a camada entrançada de cobre são condutivos e podem prover um ciclo de fornecimento de energia elétrica. O diâmetro total do cabo é de aproximadamente 5,77 mm, mas ele pode variar dentro de uma faixa de cerca de 4,76 mm a cerca de 7,94 mm.
[0010] O documento de Patente U.S. 8.931.549 (a patente ‘549) descreve um cabo para perfilagem de poço em poços marinhos de óleo e gás submergíveis e subterrâneos. A patente ‘549 conclui que cabos de perfilagem convencionais com fios de aço revestidos e condutores de cobre sólidos não são suficientes para poços offshore profundos. O cabo descrito inclui pelo menos uma fibra ótica encapsulada em um material polimérico em que o cabo de fibra ótica é disposto frouxamente dentro um tubo de liga de berílio. O tubo de liga de berílio, que é condutivo, é encapsulado em um material dielétrico amorfo, que é adicionalmente encapsulado em sua superfície externa por um material condutivo de eletricidade polimérico amorfo. Esta camada externa pode ser de zinco, estanho ou outro material revestido, pulverizado, ou dopado na superfície para formar uma proteção contra efeitos mecânicos e eletromagnéticos.
[0011] A Publicação Internacional PCT WO 2009/143461 (a publicação ‘461) descreve cabos para uso em ambientes de fundo de poço, como, por exemplo, de óleo e gás, para transporte de ferramentas de perfilagem de poço. Em particular, a publicação ‘461 descreve um cabo que inclui um núcleo central cilíndrico formado preferencialmente de um elemento de comunicação capaz de carregar sinais de dados, tais como uma fibra ótica, que pode ser encerrada em um tubo de metal protetor. O cabo então inclui camadas concêntricas destinadas a proteger uma camada de fibra de polímero no tubo protetor. É preferível que pelo menos uma e, possivelmente ambas as camadas interna e externa em torno da camada de fibra de polímero, sejam formadas de um condutor elétrico sólido, como, por exemplo, um condutor metálico. Uma camada interna à camada de fibra de polímero pode ser desnecessária se o núcleo for concebido para eliminar gás, água, e migração corrosiva para cima e para baixo do núcleo acrescentando um agente ou fluido “bloco de água”. Na eventualidade de que a camada interna ou camada externa não seja formada de um material metálico, essa camada será formada então preferencialmente de um material plástico, como, por exemplo, poliéter-éter-cetona (PEEK), ou outro polipropileno de alta densidade. A bainha protetora externa novamente será formada preferencialmente de PEEK, ou outro material plástico com resistência excepcional a abrasão, temperatura e materiais invasivos. A publicação ‘461 descreve que os cabos com um diâmetro externo de aproximadamente entre cerca de 7 a 13 mm (0,3 polegada e 0,5 polegada), beneficiar-se-ão mais desta construção.
[0012] A Publicação de Patente Europeia EP 0945876 (a publicação ‘876) descreve um cabo híbrido para instalação em condutos de meios fluidos (por exemplo, água residual, água potável, ou linhas de gás), com pelo menos uma guia de onda disposta em uma bainha protetora, um ou mais condutores elétricos, e uma camisa circundando o condutor elétrico e a bainha protetora. Em particular, a publicação ‘876 descreve um cabo híbrido com dois tubos de metal concêntricos, dos quais pelo menos o externo é corrugado. Uma camada isolante separa os dois tubos de metal, e uma camisa de polietileno circunda o tubo externo. O tubo interno circunda uma pluralidade de fibras óticas. Em muitos casos, a condutividade do tubo de metal interno pode ser atingida suficientemente revestindo sua superfície com um metal de alta condutividade.
[0013] A publicação Internacional PCT WO 2015/038150 (a publicação ‘150) descreve um núcleo elétrico de fibra ótica que pode ser incorporado em um cabo de aço de fibra ótica (aplicação que é desenvolvida em uma linha de transmissão substancialmente inferior a cerca de 6,35 mm, ou seja, 0,25 polegadas, de diâmetro externo total). Uma ou mais roscas de fibra ótica, cada uma protegida por um tampão polimérico convencional, pode ser colocada dentro de um tubo de aço soldado de uma maneira frouxa com uma camada de polímero isolante de eletricidade suficientemente espessa ou próximo a isso, e circundada por um membro condutivo. O membro condutivo de eletricidade também pode estar circundado por uma camisa de polímero isolante. Para completar o cabo de aço de fibra ótica, o núcleo elétrico de fibra ótica pode estar circundado por uma camada de fibra sintética. A aderência entre uma camada de revestimento subsequente e a camada de fibra sintética pode ser aumentada por intermédio da camada aderente interveniente. A camada de revestimento pode ser uma camada baseada em metal convencional, como, por exemplo, uma camisa de metal.
[0014] A Requerente enfrentou o problema de prover um cabo para ambientes de fundo de poço TEC/TEF com diâmetro mínimo, particularmente com um diâmetro de no máximo 4 mm adequado para aplicações de perfuração com tubagem bobinada. Esses cabos precisam ser capazes de ser inseridos em uma coluna de tubagem bobinada antes de a tubagem bobinada ser abaixada no poço de óleo e gás. Os cabos TEC/TEF concebidos para aplicações de perfilagem de poço são muito grandes, tipicamente tendo um diâmetro externo de 6,35 mm, o que pode ser difícil de serem inseridos em uma tubagem bobinada e para comprimento limitado (não superior a 3 km). Embora alguns cabos TEF tendo diâmetros dentro de 4 mm sejam conhecidos, esses cabos TEF de pequeno diâmetro não possuem condutores elétricos, nem possuem suficiente capacidade de carregamento de corrente devido à alta resistência elétrica de seus tubos de aço inoxidável.
[0015] No intuito de prover uma capacidade de carregamento de corrente dentro do pequeno espaço, a Requerente provê o condutor na forma de uma camada condutora de eletricidade circundando coaxialmente o tubo de metal que encerra as fibras óticas. Com o desenho coaxial, tanto a camada condutora como as fibras óticas podem encaixar-se dentro de um cabo de pequeno diâmetro (por exemplo, não superior a 4 mm) que atende às exigências de tamanho para a perfuração com tubagem bobinada. O cabo TEC/TEF configurado coaxialmente contém um número suficiente de fibras óticas para sensoriamento de temperatura distribuído (DTS) e sensoriamento acústico distribuído (DAS) em conjunto com um caminho condutivo isolado eletricamente que transmite energia elétrica para uma ferramenta de ambientes de fundo de poço, todas em um tubo externo tendo um diâmetro não superior a 4 mm.
[0016] A Requerente verificou que os cabos para aplicações em ambientes de fundo de poço tendo um diâmetro não superior a 4 mm para uso em aplicações de perfuração com tubagem bobinada podem ser adquiridos com uma estrutura de cabo em que as fibras óticas são encerradas em um tubo de metal soldado, uma camada condutora de eletricidade é disposta coaxialmente em torno do tubo de metal, uma camada isolante circunda a camada condutora de eletricidade, e um tubo de metal externo circunda a camada isolante.
[0017] O termo “coaxial” usado aqui refere-se à configuração onde um eixo de simetria de um tubo interno ou camada é substancialmente o mesmo que um eixo de simetria de um tubo externo ou camada.
[0018] A Requerente verificou que esta configuração coaxial pode reduzir o diâmetro externo dos cabos, de tal modo que os cabos podem atender às exigências de tamanho para aplicações de perfuração com tubagem bobinada, ao mesmo tempo que também proveem capacidade de carregamento de corrente suficiente para equipamento eletrônico na extremidade distal do cabo. De modo simultâneo, o cabo inclui uma ou mais fibras óticas configuradas para comunicação e/ou medição de dados ou sensoriamento de parâmetros ambientais, tais como temperatura, pressão, deformação, etc. As fibras óticas são dispostas dentro de um tubo de metal (por exemplo, FIMT).
[0019] A Requerente verificou que o cabo com um diâmetro reduzido pode prover capacidade suficiente de corrente com uma camada condutora de eletricidade (também referida como uma camada condutora ou camada condutiva) na forma de uma fita (por exemplo, fita revestida), folha soldada longitudinalmente, ou tubo. A camada condutora pode incluir uma única camada ou uma pluralidade de camadas. A camada condutora é envolvida em torno do tubo de metal que encerra as fibras óticas, e, em consequência, é coaxial ao tubo de metal.
[0020] A camada condutora é circundada por e em contato direto com uma camada eletricamente isolante (também referida como uma camada isolante ou camada de isolamento). A camada de isolamento é, por sua vez, circundada por um tubo de metal externo. A camada condutora disposta coaxialmente e FIMT, em oposição a condutores elétricos discretos ou entrançados de cobre espessos, permite a redução do diâmetro total de um cabo TEC/TEF padrão de 6,35 mm a um diâmetro total de cerca de 4 mm, ou possivelmente menor se for suficiente uma capacidade de carregamento de corrente inferior. Além disso, a Requerente identificou que um cabo com a estrutura descrita evita a necessidade de entrançar a FIMT e um condutor, simplificando o processo de fabricação.
[0021] Portanto, em um aspecto, um cabo ótico/elétrico para ambientes de fundo de poço consistente com as modalidades descritas compreende uma pluralidade de fibras óticas opcionalmente embutidas em um gel e dispostas dentro de um primeiro tubo de metal interior (também referido como um primeiro tubo de metal ou um tubo de metal interior). O cabo também inclui uma camada condutora de eletricidade circundando o primeiro tubo de metal. Uma camada de isolamento circunda e entra em contato com a camada condutora de eletricidade, e um segundo tubo de metal exterior (também referido como um segundo tubo de metal ou um tubo de metal exterior) circunda e entra em contato com a camada de isolamento. O tubo de metal exterior possui um diâmetro externo de no máximo 4,0 mm.
[0022] Em algumas modalidades, o tubo de metal interior possui um diâmetro externo de cerca de 1,8 mm. Ele pode ser confeccionado de aço inoxidável. Em algumas modalidades, o tubo de metal exterior possui uma espessura de cerca de 0,56 mm. Ele pode ser confeccionado de uma liga de aço. O tubo de metal interior e a camada condutora de eletricidade podem ter uma espessura combinada de cerca de 0,28 mm.
[0023] Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade na forma de uma fita é enrolada em espiral ou revestida cilindricamente em torno do primeiro tubo de metal. Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade inclui cobre. Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade apresenta-se na forma de um tubo feito de cobre. Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade é uma folha formada em um tubo de cobre e soldada longitudinalmente ao longo de sua costura. A camada condutora de eletricidade pode ter um diâmetro externo de cerca de 2,05 mm.
[0024] Uma camada separadora pode ser provida entre a camada condutora de eletricidade e o primeiro tubo de metal. A camada separadora pode ser uma fita de tereftalato de polietileno.
[0025] Em algumas modalidades, a camada de isolamento inclui pelo menos um entre polipropileno, propileno etileno fluorado (FEP), perfluoroalcoxi (PFA), etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE), liga co- cristalizada epitaxial (ECA).
[0026] Em outro aspecto, um cabo TEC/TEF com uma construção coaxial inclui um tubo de metal exterior, um isolador, um condutor tubular em camadas, e uma pluralidade de fibras óticas. O tubo de metal exterior pode ter um diâmetro externo não superior a 4,0 mm e uma espessura suficiente para proteger o interior do tubo de condições ambientais externas em um fundo de poço. O condutor tubular em camadas compreende a camada condutora de eletricidade circundando e em contato direto com o tubo de metal interior, onde a camada condutora de eletricidade possui uma condutividade elétrica superior à do tubo de metal interior. O condutor em camadas pode ter uma espessura de cerca de 0,28 mm. O condutor em camadas possui com vantagens uma composição suficiente para conduzir até 1 ampère de corrente de 600 volts ou menos. O isolador separa o condutor tubular em camadas do tubo de metal exterior. As fibras óticas são alojadas dentro do tubo de metal interior.
[0027] As fibras óticas podem agir como sensores óticos ou como fibras óticas de comunicação. O tubo de metal interior pode alojar junto tanto uma ou mais fibras óticas agindo como um sensor ótico e uma ou mais fibras óticas agindo como uma fibra ótica de comunicação.
[0028] Para os fins da presente descrição e das reivindicações apensas, exceto onde for indicado o contrário, todos os números que expressam valores, quantidades, porcentagens, etc., devem ser compreendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”, se ainda não modificado. Igualmente, todas as faixas incluem qualquer combinação dos pontos máximo e mínimo descritos e incluem quaisquer faixas intermediárias das mesmas, as quais podem ou não estar especificamente enumeradas neste documento.
[0029] Doravante, as modalidades descritas serão descritas agora mais amplamente fazendo-se referência ao desenho anexo, em que algumas, mas não todas as modalidades da invenção estão mostradas. O desenho que ilustra a modalidade é uma representação esquemática fora de escala.
[0030] A única Figura mostra uma vista esquemática em seção transversal de um cabo, consistente com a modalidade descrita.
[0031] Será feita agora referência mais detalhadamente às presentes modalidades de exemplo, cujos exemplos estão ilustrados no desenho anexo. A presente descrição, no entanto, pode ser incorporada de muitas formas diferentes e não deve ser interpretada como limitada às modalidades expressas neste documento.
[0032] A única figura ilustra uma vista em seção transversal de um cabo ótico/elétrico ou cabo TEC/TEF 100, consistente com a modalidade descrita. O cabo 100 é adequado para aplicações em ambientes de fundo de poço, como, por exemplo, em perfuração com tubagem bobinada, na indústria de óleo e gás. O cabo 100 é um cabo TEC/TEF que inclui tanto fibras óticas para funcionar como sensores de parâmetros ambientais e/ou para transmitir dados, com um condutor elétrico para transmitir força aos dispositivos presentes dentro dos poços de óleo e gás.
[0033] O cabo 100 inclui pelo menos uma fibra ótica para sensoriamento e/ou transmissão de dados. O exemplo mostrado na figura inclui duas fibras óticas 105 e duas fibras óticas 110, em conjunto com outras fibras óticas que não estão referenciadas. As fibras óticas 105 e 110 podem ser quaisquer fibras óticas adequadas dependendo da temperatura nominal do cabo 100 para aplicações em ambientes de fundo de poço. As fibras óticas 105 e 110 podem ser do mesmo tipo de fibras óticas, ou de diferentes tipos de fibras óticas. No exemplo mostrado na figura, as duas fibras óticas 105 são fibras óticas revestidas de acrilato 50/125 85 °C, coloridas de azul e laranja (são usados diferentes padrões para as seções transversais das fibras a fim de representar esquematicamente as diferentes cores na figura). As duas fibras óticas 110 são fibras óticas revestidas de acrilato modo simples 85 °C, coloridas de verde e marrom (são usados diferentes padrões para as seções transversais das fibras para representar esquematicamente as diferentes cores na figura).
[0034] Pelo menos uma das fibras óticas 105 e 110 funciona para o sensoriamento de um parâmetro ambiental em um poço de óleo e/ou gás. Os parâmetros ambientais podem incluir medições de temperatura, de pressão, e/ou acústicas. Pelo menos uma das fibras óticas 105 e 110 funciona para prover transmissão de dados entre outros sensores ou dispositivos posicionados poço abaixo, e um dispositivo receptor de dados (por exemplo, um computador, um dispositivo de armazenamento de dados, um monitor de exibição, um processador de sinal, etc.) posicionados fora do poço.
[0035] As fibras óticas são dispostas dentro de um espaço interno definido por um primeiro tubo de metal interior 120 (também referido como um tubo de metal interior 120 ou um primeiro tubo de metal 120). O espaço é preenchido com um gel 115. As fibras óticas 105 e 110 são embutidas dentro do gel 115. A combinação das fibras óticas 105, 110, o gel 115, e o primeiro tubo de metal 120 pode ser referida como uma unidade chamada FIMT (fibra em tubo de metal). Em algumas modalidades, o diâmetro externo da unidade FIMT pode ser de 2,2 mm.
[0036] O gel 115 é qualquer tipo de gel adequado para a temperatura nominal do cabo 100 para aplicações em ambientes de fundo de poço. O gel 115 pode ser um gel inerte que é injetado no espaço definido pelo primeiro tubo de metal 120, preenchendo o espaço em torno das fibras óticas incluindo as fibras óticas 105 e 110. O gel 115 pode fixar as fibras óticas em suas posições e apoiar as fibras óticas dentro do primeiro tubo de metal 120. O gel 115 também pode funcionar para mitigar ou reduzir vibração, choque, atrito e abrasão causados pelo ambiente externo sobre as fibras óticas. O gel 115 pode ser um material viscoso. Um exemplo do gel 115 para preenchimento das fibras óticas é o Sepigel™ produzido pela SEPPIC SA., usado com um extracomprimento de fibra (EFL) de 0.15 % +/- 0.05%.
[0037] Em algumas modalidades, o primeiro tubo de metal 120 pode ser feito de qualquer material de metal adequado, como, por exemplo, aço, cobre, alumínio, etc. Uma variedade de materiais, incluindo aços e ligas, pode ser usada para construir o primeiro tubo de metal 120. Exemplos destes materiais incluem SS 304, SS 316L, A825, e A625. Em um exemplo, o primeiro tubo de metal 120 é feito de aço inoxidável SS 304, com uma espessura de parede de 0,15 mm (ou 0,006 polegada), e um diâmetro externo de 1,8 mm (ou 0,071 polegada).
[0038] Como mostrado na figura, o cabo 100 inclui uma camada condutora de eletricidade 125. A camada condutora de eletricidade 125 inclui pelo menos um condutor configurado para transmissão de energia elétrica. O condutor pode ser feito de qualquer material condutor de eletricidade, como, por exemplo, cobre ou cobre estanhado. Preferencialmente, o material condutor de eletricidade possui uma condutividade mais alta que o material do primeiro tubo de metal 120, por exemplo, cobre versus aço inoxidável. Outros materiais condutivos que podem ser usados para a camada condutora 125 incluem alumínio, ouro, prata, etc. O condutor pode ter qualquer forma adequada ou formato, como, por exemplo, de fio, malha, fita, tubo, faixa, etc.
[0039] A camada condutora de eletricidade 125 é enrolada em espiral em torno de uma superfície externa do primeiro tubo de metal 120, ou é revestida cilindricamente em torno da superfície externa do primeiro tubo de metal 120. A camada condutora de eletricidade 125 pode fazer contato direto com a superfície externa do primeiro tubo de metal 120, ou pode fazer contato indireto com a superfície externa do primeiro tubo de metal 120 com uma camada adicional, como, por exemplo, a camada de isolamento, disposta entre a superfície externa do primeiro tubo de metal 120 e a camada condutora de eletricidade 125.
[0040] Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade 125 apresenta-se na forma de uma fita enrolada em espiral na superfície externa do primeiro tubo de metal 120. Por exemplo, a camada condutora de eletricidade 125 pode ser faixas de metal que são enroladas em espiral na superfície externa do primeiro tubo de metal 120.
[0041] Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade 125 é envolta cilindricamente em torno da superfície externa do primeiro tubo de metal 120. Por exemplo, a camada condutora de eletricidade 125 pode ser aplicada como uma folha envolta longitudinalmente para circundar a superfície externa do primeiro tubo de metal 120. Ou a camada condutora de eletricidade 125 pode ser na forma de uma folha soldada em tubo. Em algumas modalidades, a camada condutora de eletricidade 125 pode ser um tubo com junta soldada (por exemplo, um tubo de cobre com junta soldada). Por exemplo, o tubo de cobre com junta soldada pode ter uma espessura de 0,127 mm (ou 0,005 polegada) e um diâmetro externo de 2,05 mm (ou 0,081 in). Quando é usado um tubo com junta soldada, a unidade FIMT pode ser feita menor que com outras configurações para a camada condutora de eletricidade 125. Logo, o uso de um tubo com junta soldada pode permitir um aumento na condutividade elétrica do cabo e permitir que seja usada uma camada de isolamento mais espessa (discutido abaixo).
[0042] A camada condutora de eletricidade 125 pode assumir outras formas. Por exemplo, a camada condutora de eletricidade 125 pode ser um tubo soldado continuamente, um tubo de metal extrudado, uma camada de fio entrançado, uma camada aplicada helicoidalmente de fios finos, ou qualquer outra camada de metal aplicada concentricamente.
[0043] A camada condutora de eletricidade 125 é coaxial com o primeiro tubo de metal 120. Ou seja, o eixo de simetria da camada condutora de eletricidade 125 é o mesmo que o eixo de simetria do primeiro tubo de metal 120. A camada condutora de eletricidade 125 forma o caminho condutor primário para transmissão de força. Quando uma superfície interna da camada condutora de eletricidade 125 entra em contato direto com a superfície externa do primeiro tubo de metal 120, o primeiro tubo de metal 120 também pode carregar um pequeno valor da corrente total quando a resistência do material para confecção do primeiro tubo de metal 120 (por exemplo, o aço) é maior que a resistência do material para confecção da camada condutora de eletricidade 125 (por exemplo, o cobre).
[0044] Por conseguinte, a combinação do tubo de metal interior e a camada condutora de eletricidade pode formar um condutor tubular em camadas para o cabo. Uma camada do condutor, nomeadamente, camada condutora de eletricidade 125 feita, por exemplo, de cobre, possui uma condutividade mais alta que outras camadas, nomeadamente, o tubo de metal interior 120 feito, por exemplo, de aço inoxidável. Preferencialmente, o condutor tubular em camadas deve ter a capacidade, através de sua composição de material e das espessuras de camada, para conduzir até 1 ampère de corrente a 600 volts ou menos.
[0045] O cabo 100 também inclui uma camada elétrica de isolamento 130 circundando coaxialmente uma superfície externa da camada condutora de eletricidade 125. Uma superfície interna da camada de isolamento 130 entra em contato direto com uma superfície externa da camada condutora de eletricidade 125. A camada de isolamento 130 isola eletricamente a camada condutora de eletricidade 125 do ambiente externo. Os materiais usados para a camada de isolamento 130 dependem da temperatura nominal do cabo. Exemplos dos materiais para confecção da camada de isolamento 130 incluem polipropileno, propileno etileno fluorado (FEP), perfluoroalcoxi (PFA), etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE), liga co-cristalizada epitaxial (ECA). Em um exemplo, a camada de isolamento é feita de FEP natural e tem um diâmetro externo de 2,79 mm (ou 0,110 polegada). A espessura mínima e nominal da camada de isolamento pode ser calculada pela pessoa versada na técnica em vista da capacidade nominal de tensão do cabo.
[0046] O cabo 100 inclui um segundo tubo de metal exterior 135 (também referido como um segundo tubo de metal 135 ou um tubo de metal exterior 135) circundando coaxialmente uma superfície externa da camada de isolamento 130. Uma superfície interna do segundo tubo de metal exterior 135 pode fazer contato direto com uma superfície externa da camada de isolamento 130. O segundo tubo de metal 135 pode ser feito de qualquer material de metal adequado, preferencialmente aço ou liga de aço. Por exemplo, uma variedade de aços e ligas pode ser usada para produzir o segundo tubo de metal 135, como, por exemplo, SS 304, SS 316L, A825, e A625. Como mostrado na figura, o segundo tubo de metal 135 é um tubo simples circundando coaxialmente a superfície externa da camada de isolamento 130. Em um exemplo, o segundo tubo de metal 135 é feito de liga A825 com uma espessura de parede de 0,55 mm (ou 0,022 polegada), e um diâmetro externo (OD na figura) de 4 mm (ou 0,1575 polegada).
[0047] O diâmetro externo do segundo tubo de metal 135 (ou seja, o diâmetro total do cabo 100) é 4 mm no máximo. O diâmetro externo é substancialmente o mesmo que o diâmetro total do cabo 100. Logo, o diâmetro total do cabo 100 é não superior a 4 mm. Em algumas modalidades, quando são necessárias correntes menores ou tubos mais finos (por exemplo, o primeiro tubo de metal 120, o segundo tubo de metal 135) são possíveis, o diâmetro total do cabo 100 pode ser reduzido para ser inferior a 4 mm. Também é possível ter um diâmetro externo maior que 4 mm, embora tal modalidade possa ser limitada em suas aplicações para sensoriamento de tubagem de cabos em um ambiente de fundo de poço. No caso, o segundo tubo de metal pode atuar como condutor de retorno ou de aterramento sem qualquer modificação específica em seu desenho.
[0048] Na posição radial externa com respeito ao segundo tubo de metal, uma camisa protetora (não ilustrada) pode ser provida. A camisa protetora pode ser feita de material polimérico, como, por exemplo, polietileno, preferencialmente, polietileno de alta densidade.
[0049] O cabo descrito possui um caminho condutivo de eletricidade isolado com uma baixa tensão de 600 volts CC ou menos (por exemplo, 500 volts CC), e pode realizar uma corrente de 1 ampère. O cabo descrito pode ser usado para um comprimento contínuo de 5 quilômetros (km) ou mais. Em algumas modalidades, o cabo descrito pode tolerar uma temperatura máxima de 300 °C. O cabo descrito possui uma temperatura nominal de 175 °C (curto prazo) e 150 °C (longo prazo). Em algumas modalidades, o cabo descrito pode ter uma pressão externa de colapso de cerca de 2,0 x 108 Pa (ou 28,900 psi) e um peso de cabo de 71 kg/km (ou 48 lbs/1000ft). O cabo descrito pode ter uma resistência CC de 21,9, ohms/km (ou 6,66 ohms/1000 ft) a 20 °C para um tubo de cobre com junta soldada como a camada condutora de eletricidade 125 e um tubo de aço inoxidável para FIMT 120.
[0050] As fibras óticas dentro do cabo podem funcionar como fibras de sensoriamento e como fibras de comunicação. Em algumas modalidades, a atenuação é de ≤ 3,5 dB/km para modo múltiplo a 850 nm, 1,5 dB/km para modo múltiplo a 1300 nm. A atenuação é de ≤ 0,7 dB/km para modo simples a 1310 nm, e ≤ 0,7 dB/km para modo simples a 1550 nm.
[0051] O cabo descrito pode atender às exigências típicas de aplicação em ambientes de fundo de poço, tais como, por exemplo, pressão máxima de 6.89 x 107 Pa (ou 10,000 psi), e temperatura máxima de 150 °C.
[0052] O cabo descrito pode ser usado como um cabo de sensoriamento de fibra ótica “aquecível” de perfil inferior. O termo cabos para ambientes de fundo de poço “aquecível” refere-se a uma técnica onde os condutores elétricos são aquecidos por um período temporário e a taxa de resfriamento é monitorada pelas fibras óticas para calcular as propriedades térmicas que circundam o cabo TEC/TEF.
[0053] O cabo descrito pode ser usado em uma variedade de aplicações industriais, tais como em levantamentos em ambientes de fundo de poço de óleo e gás, instalações permanentes de óleo e gás para ambientes de fundo de poço, e aplicações de sensoriamento em ambientes de fundo de poço ausentes de óleo e gás, tais como monitoramento de sequestro de energia geotérmica ou de dióxido de carbono.
[0054] Ficará aparente para aqueles que são versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na estrutura do cabo descrito aqui sem se afastar do escopo ou do espírito da invenção. Outras modalidades da invenção ficarão aparentes para aqueles que são versados na técnica a partir da consideração do relatório e da reprodução da invenção descrita neste documento. Pretende-se que o relatório e os exemplos sejam considerados apenas como exemplos, com um escopo verdadeiro e espírito da invenção sendo indicado pelas reivindicações a seguir.
Claims (10)
1. Cabo ótico/elétrico (100) para ambientes de fundo de poço compreendendo: uma pluralidade de fibras óticas (105, 110) dispostas dentro de um tubo de metal interior (120); uma camada condutora de eletricidade (125) circundando o tubo de metal interior (120) e sendo coaxial ao tubo de metal interior (120); e uma camada de isolamento (130) que circunda e que está em contato com a camada condutora de eletricidade (125); caracterizado pelo fato de que o cabo (100) compreende um tubo de metal exterior (135) que circunda e que está em contato com a camada de isolamento (130) e a camada condutora de eletricidade (125) está na forma de uma fita, uma folha soldada longitudinalmente, ou um tubo com junta soldada envolvendo em torno do tubo de metal interior (120).
2. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de metal exterior (135) tem um diâmetro externo de 4,0 mm no máximo.
3. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de metal interior (120) compreende aço inoxidável.
4. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tubo de metal exterior (135) compreende uma liga de aço.
5. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada condutora de eletricidade (125) inclui cobre.
6. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma camada de separação é provida entre a camada condutora de eletricidade (125) e o tubo de metal interior (120).
7. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as fibras óticas (105, 110) estão embutidas em um gel (115).
8. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as fibras óticas (105, 110) agem como um sensor ótico ou como uma fibra ótica de comunicação, e o tubo de metal interior (120) aloja, juntas, fibras óticas (105, 110) que agem como um sensor ótico e fibras óticas que agem como uma fibra ótica de comunicação.
9. Cabo ótico/elétrico (100) de acordo com a reivindicação 1 tendo uma construção coaxial e compreendendo: um condutor tubular em camadas (120, 125) compreendendo a camada condutora de eletricidade (125) e o tubo de metal interior (120), em que a camada condutora de eletricidade (125) este em contato direto com o tubo de metal interior (120) e tem uma condutividade elétrica maior que a do tubo de metal interior (120), e caracterizado pelo fato de que o cabo (100) compreende o condutor tubular em camadas (120, 125) posicionado coaxialmente dentro do tubo de metal exterior (135) e a camada de isolamento (130) separando o condutor tubular em camadas (120, 125) do tubo de metal exterior (135).
10. Cabo (100) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o tubo de metal exterior (135) tem um diâmetro externo de 4,0 mm no máximo.
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