CN101311493A - 用于井筒加热和分布式温度传感的有源电缆 - Google Patents

Abstract

一种永久固定在井筒内的用于井筒加热和分布式温度传感的有源电缆，允许已知量的热量传入地下地层，以改善其中的温度测量。通过将电缆形成为两部分：携带电流而不产生大量热的上部和通过电流产生热的下部，从而将热量引入井内的目标区。通过测量沿电缆长度延伸的光纤中的各种散射机制，执行连续的分布式温度传感。

Description

用于井筒加热和分布式温度传感的有源电缆

技术领域

本发明涉及一种井筒电缆以及制造和使用这种电缆的方法。更具体地，本发明涉及固定在套管井的水泥壁内的永久井筒加热电缆，例如用于与永久分布式温度传感监测电缆结合以分析井筒附近的地层，以及涉及这种电缆的应用。

背景技术

由于石油储量变得越来越稀缺和难以找到，改善的井下环境信息对于成功勘探和生产来说变得日益重要。井下温度波动的知识有助于识别井下的物质和流速，因此成为特别有远景的数据组。在特定的温度和/或压力条件下，已知天然气水合物(gas hydrate)会分解、形成或以其他方式被影响。更好地了解井下环境中的这种现象的参数，将是对地下资源更有效的勘探和开发的重要进步。特别地，这种信息被证明在开发作为能源资源的天然气水合物和重油方面很有帮助。因此，热量测量的采集和分析对于地下结构的静态和动态特征都是很重要的。

包括例如天然气水合物和重油之类的碳氢化合物的地层流体的稳定性对压力和温度的变化很敏感。在这点上，当压力和/或温度条件穿过平衡边界，天然气水合物分解或形成。模拟地下地层热性质(例如热传导、扩散和容量的测量)的常规方法要求在井下多个位置进行被动温度测量，然后在实验室执行岩心分析(core analysis)(试图在实验室中复制井底条件)，并比较结果。然而，含水合物区域的实验室岩心分析通常是很困难的，因为复制井底条件是不容易的。另外，实验室模拟的准确度依赖于一些参数，例如由井下水合物的动态分解/形成过程引起的岩心条件、不同压力下的压缩系数差异，而且有时依赖于特定深度层段处缺失岩心样品的推断数据。另外，当利用在井下多个地下位置的被动温度测量时，获得的数据在增加不确定性的特定假设(例如，热流动是稳定的，来自钻井或泥浆循环的热扰动是可忽略的)下被解释。

可获得多种商业的分布式温度传感器(DTS)应用，其为仓库(warehouse)中的火灾探测和温度控制给出沿电缆的整个长度的温度测量，并且包括耐高温DTS电缆。这种DTS电缆由光纤回路组成，并利出各种散射现象来感知沿光纤回路长度的温度。光纤中散射现象的出现是由于温度、压力和张力导致光纤散射的光频变化。这种散射效应包括由温度变化和光纤内的张力引起的布里渊散射(Brillouin scattering)，以及仅由光纤温度变化引起的拉曼散射(Ramanscattering)。

市场上可用的DTS装置在实验室岩心分析中是有用的，然而，将基于实验室的主动温度测量方法应用到现场地层测量会导致许多技术和后勤的困难。在一个例子中，DTS电缆被下入已完井的井的流体中并进行连续测量。然而，这种方法降低了来自井筒的流动，因为DTS电缆阻塞了井筒的一部分，而且，温度测量很大程度上受到流过的物质的温度的影响，而且与地层本身的特性的相关性更差。

除希望精确测量沿整个井筒的温度以更好地模拟地层之外，有时希望通过向井筒引入热量来影响水合物的分解或者形成，来操作地层流体。这通常通过将加热元件下入井筒并加热与加热元件相邻的地层来引导期望的水合物的形成或者分解。然而，这导致井筒进一步阻塞。

发明内容

从上文看，显然需要一种引导热进入地层的装置，例如，用于与分布式温度传感器电缆一起模拟地层。一种结合这些特征的装置将提供附加的优点。

附图说明

图1是水泥套管井筒的剖面图，显示了分布式温度传感器，其监测和加热电缆，该电缆接近围绕地层设置，位于井筒和套管之间的环状空间(annulus)中，并被水泥固定在适当的位置。

图2是井筒和套管之间的环状空间中的分布式温度传感器监测和加热电缆的一个实施例，具有连接的温度监测装置和加热设备。

图3A和3B是图2中的分布式温度传感器监测和加热电缆的上部和下部的剖面图。

图4A是图2中的分布式温度传感器监测和加热电缆缆芯(conductor)的捻角示意图。

图4B是图2中的分布式温度传感器监测和加热电缆缆芯之间的连接的示意图。

图5是井筒和套管之间的环状空间中的分布式温度传感器监测和加热电缆的不同实施例的示意图，其具有连接的温度监测装置和加热设备。

图6A和6B是图5中的分布式温度传感器监测和加热电缆的上部和下部的剖面图。

图7A是图5中的分布式温度传感器监测和加热电缆缆芯的捻角示意图。

图7B是图5中的分布式温度传感器监测和加热电缆缆芯之间的连接的示意图。

具体实施方式

在以下的详细说明中，附图标记被安排在附图中，附图通过图示的方式显示了本发明可能被实施的特定实施例。这些实施例描述了充分的细节，以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解，尽管本发明的各实施例彼此不同，但不是必定互斥的。例如，这里在一个实施例中描述的特别的特征、结构或特点可以在其他实施例中实施，而不脱离本发明的精神和范围。另外，应当理解，每个公开的实施例中的单个元件的位置或设置可以改变，而不脱离本发明的精神和范围。因此，以下详细说明并不具备限制意义，而且本发明的范围仅由合理解释的所附权利要求以及权利要求被赋予的等同特征的全部范围来限定。在附图中，相同的数字代表多个图中相同或相似的功能。

还应当注意，在任何这种实际的实施例的开发中，必须进行多次的实施-具体的决定，以获得开发者的特定目标，例如符合与系统相关和与商业相关的约束，这对于一个和另一个实施例之间将是不同的。而且，应当意识到，这种开发尝试可能是复杂和费时的，但是尽管如此，对于本领域技术人员来说，在本公开的帮助下这只是一种常规任务。

给出的描述和实施例目的只是展示本发明优选的实施例，不应被解释为被申请范围和适用性的限制。尽管这里描述的本发明的组成部分包括特定的材料，应当理解，组成部分可以选择性地包括两种或更多不同的化学物质。另外，组成部分还可以包括除一些已提及的成分之外的成分。在本发明的发明内容和这里的详细描述中，每个数值应当首先被理解为曾经利用术语“大约”修饰过(除非已经清楚地这样修饰)，而除非上下文中有另有说明，则再被理解为没有被这样修饰过。而且，在本发明的发明内容和详细描述中，应当理解，任何所列或所描述的有用的、适当的或类似的被提及的数值范围是指该范围内的任何和每一点，包括端点，都被认为与上面所声明的一样。例如，“范围1到10”将被理解为指示了在大约1到大约10之间的连续区间中的每个可能的数值。因此，即使仅有详细说明的几个中明确地确定或提到了在该范围内的特定数值点，或者甚至范围内没有数值点，应当理解，发明人意识到并理解范围内的任何和所有数值都被认为是被详细说明了，发明人占有整个范围以及范围内的所有点。

通过被永久固定在井筒内，这里描述的分布式温度传感器和加热电缆获得了改进的井筒内地层温度测量。加热部分允许分布式温度传感器的温度测量有更大的井下校准(calibration)，使得可以对地层更好的模拟。而且，加热地下结构的能力改进了控制水合物形成和分解的能力。

引论

如为图解目的的附图所示，本发明涉及井筒电缆以及制造和使用这种电缆的方法。在一个方面，本发明涉及永久分布式温度传感器监测和加热电缆，其固定在套管井的水泥壁内以用于分析井筒附近的地层，以及这种电缆的制造方法和这种电缆的应用。这种永久监测电缆能够连续进行分布式温度监测和有源(active)加热，以建立井下环境受控和已知的温度分布。通过分析响应主动制造的扰动而产生的地下变化，预期可改进井下特征的精度。

这里描述的电缆包括在期望的深度向井下地层施加已知数量的热量。这种电缆被称为“有源的”。电缆可能沿其整体长度或者只在部分长度上是有源的。只有部分长度有源的电缆被设计为两个部分。在一个部分，通常是上部，如铜这样的低电阻率缆芯具有一尺寸、被绝缘并以一捻角使用，从而当施加设计范围的电流时散发可忽略的热量。在“有源”部分，通常是下部，缆芯材料变为如钢这样的具有更高电阻率的导线，并且改变尺寸、绝缘和捻角，从而当施加设计范围的电流时能够产生热量。施加在设计范围内的不同电流能够在电缆有源部分产生已知的、预先校准的热量。这允许热操作在现场环境下得到“实验室型”精度。根据本发明的电缆可以只起井筒加热电缆的作用，或者可以被构造成电缆执行附加的功能，例如分布式温度监测。

永久监测电缆的一个实施例包括执行分布式温度监测的光纤。光纤中的光信号具有不同的散射机理。作为光纤中温度差的结果，拉曼散射作为背向散射被观察到。温度变化与施加在光纤上的张力的结合引起布里渊散射的波动。本发明利用光纤中的拉曼或者布里渊散射来测量沿着安装在井下环境中的永久监测电缆的温度分布(例如，参见Thermal Effects of Brillouin Gain Spectra in Single-ModeFibers，Toshio Kurashima，et al，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.2，No.10，1990年10月)。当沿纤维传播的光脉冲遇到上升的温度时，“散射”的脉冲传回脉冲的起点。由于光速是常数，这些散射脉冲不仅允许对温度的测量，还能查明这些温度的位置。

图1是水泥套管井的剖面图，显示了分布式温度传感器监测和加热结合的电缆200，其接近周围地层100设置，且位于井筒102和井套管106之间的环状空间中，并被水泥104固定在适当的位置。通过定位在围绕套管的水泥中，电缆200适用于在套管井的整个使用期限内使用。

加热/DTS电缆w/返回缆芯

图2是一个简图，显示了分布式温度传感器监测和加热结合的电缆(此后称为加热/DTS电缆)200的一个实施例，电缆200被永久固定在井筒102和井套管106之间的环状空间的水泥104中，并连接到控制装置300，控制装置300包括探测加热/DTS电缆200内的拉曼和布里渊散射的分布式温度传感器装置310，以及控制缆芯内电流的加热器电流控制装置320。加热/DTS电缆200具有上部210和下部230。下部230与地层的下部区域101相对应，在此处需要更高的分布式温度传感器精度和额外的热量。上部210主要用于传输电力给下部230。

图3A和3B分别是加热/DTS电缆200的上部210和下部230的剖面图，都位于垂直于电缆长度方向的平面内。在上部210中，上部缆芯212(本实施例中显示了6个)是铜的并具有尺寸214、绝缘层216，并采用比较小的捻角218，如图4A所示，因此它们在沿加热/DTS电缆200传输设计范围的电流时散发的热量是非常低的。在下(有源)部230中，下部缆芯232(本实施例中也显示了6个)是钢的并具有尺寸234、绝缘层236，并采用比较大的捻角238，如图4A所示，因此当施加设计范围的电流时将产生热量。下部缆芯232更高的电阻率意味着设计范围的电流将在下部缆芯232单位长度产生比上部缆芯212更多的热量。下部210更大的捻角238导致下部缆芯232有更大的覆盖范围(即下部230单位长度上的下部缆芯232的长度比上部210单位长度上的上部缆芯212的长度更大)。下部缆芯232的高电阻率和下部230的大捻角238的结合使下部230起到加热元件的作用。施加设计范围内的不同电流将在下部230产生已知的、预先校准的热量。这允许在现场环境下的热操作和监测得到“实验室型”精度。

电流的返回通过沿加热/DTS电缆200整个长度延伸的一层铜返回缆芯258(即，返回缆芯258穿过上部210和下部230)。返回缆芯258包围(be cabled)在电缆中心的钢管254(如下所述)上。返回缆芯258也具有一尺寸并被绝缘，因此当施加设计范围的电流时只有微量热量产生。图4B示意性地显示了上部缆芯212、下部缆芯232和返回缆芯258之间的连接。在此，每条上部缆芯212串联到一下部缆芯232。在加热/DTS电缆200底部，所有下部缆芯232成组连接在一起并成组连接到返回缆芯258。

加热/DTS电缆200具有一根或多根光纤250，沿加热/DTS电缆200的整个长度延伸，作为分布式温度传感器。分布式温度传感器可以用一根光纤250作为开路系统实现，或用一对光纤250形成回路而起作用。本实施例有4根沿加热/DTS电缆200的整个长度延伸的光纤，如图4B所示的那样连接形成2个光纤250的回路。光纤250的回路连接到分布式温度传感器装置310，以在井下环境下采集温度数据。光纤250的回路设置在钢管254内部，在空气或例如聚烯烃这样适当的充填物252中。钢管254沿加热/DTS电缆200的整个长度延伸。充填物252的使用改善了热扩散，阻止水分迁移并改善了光纤250的回路的机械稳定性。当使用充填物252时，加热/DTS电缆200可以被构造成这样，光纤250回路的长度略长于周围的钢管254的长度。例如，每10英尺长的加热/DTS电缆200与10英尺长的钢管254一起构造，但与10.01英尺长的由充填物252保持在适当位置的光纤250的回路一起构造。这样，少得多的张力施加在光纤250的回路上，并且减少了布里渊散射的相应张力影响，得到更精确的温度测量。

在钢管254外面，类似EPC的聚合物内层256被挤出成形。在聚合物内层256的顶部，类似

(ExxonMobil生产的热塑性塑料)的柔软热塑性弹性体层257被挤出成形。聚合物内层256和柔软热塑性弹性体层257互相结合。返回缆芯258嵌入柔软热塑性弹性体层257中。然后，柔软热塑性弹性体中间层260施加在返回缆芯258上，密封返回缆芯258，并结合到靠内的柔软热塑性弹性体层257上。

在加热/DTS电缆200的上部210，上部缆芯212用例如聚胺脂或含氟聚合物的适当聚合物形成绝缘层216，而且包围在柔软热塑性弹性体中间层260上并稍嵌入柔软热塑性弹性体中间层260中。绝缘层216不结合到柔软热塑性弹性体中间层260。在加热/DTS电缆200的下部230，下部缆芯232用适当的抗高温聚合物或含氟聚合物(例如Tefzel，EPC，PFA，MFA，PTFE等)形成绝缘层236，而且包围在柔软热塑性弹性体中间层260上并稍嵌入柔软热塑性弹性体中间层260中。绝缘层236不结合到柔软热塑性弹性体中间层260。

在加热/DTS电缆200的上部210和下部230，在绝缘的缆芯212和232上挤出柔软热塑性弹性体外层262以完成电缆芯部。柔软热塑性弹性体外层262结合到柔软热塑性弹性体中间层260，但不结合到聚合物绝缘的缆芯212和232。

在柔软热塑性弹性体外层262上挤出聚合物材料(例如尼龙)的薄的内套层(jacket layer)264。内套层264可结合到柔软热塑性弹性体外层262上。强度钢缆266包围在内套层264上并稍嵌入内套层264中。在强度钢缆266上挤出聚合物材料的外套层268，且其结合到内套层264上。内套层264和外套层268所用的聚合物是能结合到套管井106内的水泥104的聚合物材料。

加热/DTS电缆w/out返回缆芯

图5显示了井筒和套管之间的环状空间中的加热和分布式温度传感器监测电缆(此后称为加热/DTS电缆)400的另一实施例，电缆400被永久地固定在井筒102和井套管106之间的环状空间的水泥104中，并连接到控制装置300，控制装置300包括分布式温度传感器装置310，以及加热器电流控制装置320。加热/DTS电缆400具有上部410和下部430。下部430与地层的下部区域101相对应，在此处需要更高的分布式温度传感器精度和额外的热量。加热/DTS电缆400在结构和使用上类似上面描述的加热/DTS电缆200，因为加热/DTS电缆400具有上部410和下部430。图6A和6B分别显示了加热/DTS电缆400的上部410和下部430的剖面。主要的区别在于加热/DTS电缆400没有返回缆芯258。代替的是，提供的电流经过一半的缆芯412a和432a，并且返回电流经过另一半的缆芯412b和432b。图7B示意性地显示了连接。在此，每条上部缆芯412a串联到相应的下部缆芯432a，并且每条上部缆芯412b串联到相应的下部缆芯432b。在加热/DTS电缆400底部，每个下部缆芯432a只连接到一个下部缆芯432b。因此，加热电缆向下流过上部缆芯412a，并向下流过相应的下部缆芯432a，然后向上流回连接的下部缆芯432b，并向上流回相应的上部缆芯412b。如图7A所示，上部缆芯412的捻角418小于下部缆芯432的捻角438。

如图7B所示，加热/DTS电缆400具有一根或多根光纤450，沿加热/DTS电缆400的整个长度延伸，以用作开路或回路模式的分布式温度传感器。本实施例有4根沿加热/DTS电缆400的长度延伸的光纤，如图7B所示的那样连接形成光纤450的2个回路。再次，光纤450的回路设置在钢管454内部，在空气或例如聚烯烃的适当的充填物452中。在钢管454外面，挤出了例如EPC的聚合物内层456。在聚合物内层456的顶部，挤出了柔软热塑性弹性体层457。聚合物内层456和柔软热塑性弹性体层457互相结合。在加热/DTS电缆400的上部410，上部缆芯412包围在靠内的柔软热塑性弹性体层457上并稍嵌入靠内的柔软热塑性弹性体层457中。绝缘层416不结合到靠内的柔软热塑性弹性体层457。在加热/DTS电缆400的下部430，下部缆芯432包围在靠内的柔软热塑性弹性体层457上并稍嵌入柔软热塑性弹性体内层457中。绝缘层434不结合到靠内的柔软热塑性弹性体层457。然后，在加热/DTS电缆400的上部410和下部430，在绝缘缆芯412和432上挤出柔软热塑性弹性体外层462以完成电缆芯部。最后，在柔软热塑性弹性体外层462上挤出聚合物材料的薄的内套层464，强度钢缆466包围在之上，并且在强度钢缆466上挤出聚合物材料的外套层468，并结合到内套层464上。

加热例子

在以下的讨论中，将只参考在图2和3所示的加热/DTS电缆200和相关的特征。然而，所述的特征同样适用于加热/DTS电缆400。如上所述，上部缆芯212以小的捻角218设置并具有尺寸214，以在传输通过电缆的设计范围的电流时散发的热量非常低。小的捻角218意味着上部210的表面区域很少被上部缆芯212占据(也就是说，上部缆芯212的给定长度邻近加热/DTS电缆200的大的表面区域)。尺寸214是相当大的直径，因此上部缆芯212的总电阻很小。因此，当在上部缆芯212上施加设计范围的电流时，产生的热量是可忽略的。在下部230，下部缆芯232具有更小的直径尺寸234，并施加相对更大的捻角238。更小的尺寸234意味着下部缆芯232的总电阻很高。更大的捻角238导致下部缆芯232对下部230的表面区域有更大的覆盖范围。因此，当在下部230施加设计范围的电流时，下部230作为加热元件，允许在已知深度将电缆加热到已知的温度。

下面的方程用于计算沿加热/DTS电缆200的上部210和下部230散发的功率。方程1以加热/DTS电缆200单位长度的瓦特给出了通用功率损耗方程。方程1考虑了导电材料参数；电阻率(ρ)，单位为欧姆-米；电缆截面积(A)，单位为平方米。电缆结构也被考虑：导线的数量(N)和损耗系数(1)(用于从“线性”或“直电缆”值推导真实导线长度的参数)。最后，加热/DTS电缆200的期望电流(I)也是一个参数。

方程1：沿电缆的功率损耗通用方程

其中：

ρ＝材料的电阻率，[Ω·单位距离]

I＝电流，[安培]

n＝包括的导线数量

A＝包括的导线中的一条的截面积

l_f＝成缆损耗系数

方程2将方程1应用于加热/DTS电缆200的上部210，方程3将方程1应用于加热/DTS电缆200的下部230。在设计电流下，钢(下部缆芯232的材料)的电阻率大约为铜(上部缆芯212的材料)的十倍，上部缆芯212的尺寸214通常大约为下部缆芯232的尺寸的9倍，上部缆芯212的损耗系数比下部缆芯232的损耗系数大约低1/5。总起来看，下部缆芯232的电阻率大约是上部缆芯212的电阻率的百倍。这意味着在同样的电流下，下部缆芯232产生的热量将远大于上部缆芯212。

方程2：上部电阻率    方程3：下部电阻率

从上部到下部的功率损耗的增量可以用下面的例子来说明。表1给出了具有铜的上部缆芯212和具有钢的下部缆芯232的加热/DTS电缆200的典型参数。将这些参数用于铜线，上部210的功率损耗(P_上)是0.43瓦/米，下部230的功率损耗(P_下)是37.38瓦/米。因此，下部230散发的能量大约为上部210散发的能量87倍高。

表1：功率损耗的例子

参数	数值	单位
			铜电阻率(ρCu)	1.911E-08	Ω·m
铜线截面积(ACu)	8.1949E-07	m2
			铜损耗系数(lfCu)	1.0361
钢电阻率(ρSteel)	1.9192E-07	Ω·m
			钢线截面积(ASteel)	1.1401E-07	m2
钢损耗系数(lfSteel)	1.2337
			电流(I)	1.5	A
导线数量(n)	8

制造考虑的事项

在以下分布式温度传感器监控和加热电缆的制造考虑的事项的讨论中，将参考加热/DTS电缆200，除非另有指示。然而，描述的实施例并不限于只在加热/DTS电缆200中使用。

分布式温度传感器监控和加热电缆的其它实施例包括一根或多根缆芯。虽然可以使用任意合适数目的缆芯，但是通常是从1到60的任何数字。一些优选的构造包括7、19或37根缆芯。任何适合的金属材料都可以用于缆芯(例如铜、包镍铜、铝、钢)。上部缆芯212和返回缆芯258的优选材料是铜，而下部缆芯232的优选材料是钢。缆芯212、232或258可以被包裹在绝缘外套内部。外套可以是具有电场抑制特性的层叠介电型，例如那些用于美国专利No.6,600,108(授予Mydur等人)的电缆的那些。这种层叠介电绝缘缆芯通常包括围绕金属缆芯设置的第一绝缘外套层以及围绕第一绝缘外套层设置的第二绝缘外套层，其中第一绝缘外套层具有第一相对介电常数，第二绝缘外套层具有低于第一相对介电常数的第二相对介电常数。第一相对介电常数在大约2.5到大约10.0的范围内，第二相对介电常数在大约1.8到大约5.0的范围内。

优选具有一个或多个光纤250的回路。光纤250的回路可以是多模式的或单模式的光纤。光纤250的回路可以被绝缘外套包裹。

根据本发明，加热/DTS电缆200的不同组成部分，例如缆芯、光纤(或者作为单根光纤，或者作为回路)、铠装线和充填物，相对于电缆的中心轴线可以被设置为零螺旋角或任何适当的螺旋角。通常，中心绝缘缆芯被设置为零螺旋角，而围绕中心绝缘缆芯的组成部分以期望的螺旋角围绕中心绝缘缆芯螺旋设置。一对分层的铠装线层可能相反地螺旋缠绕(例如以相反的螺旋角设置)。

任何适当的聚合物材料可以用于加热/DTS电缆200，包括但不限于聚烯烃类(比如EPC或者聚丙烯)、聚四氟乙烯-全氟代甲基乙烯基醚聚合物(MFA，polyetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether polymer)、全氟代烷氧基烷烃聚合物(PFA，perfluoro-alkoxyalkane polymer)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE，polyetrafluoroethylene polymer)、乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE，ethylene-tetrafluoroethylene polymer)、乙烯-丙烯共聚物(EPC，ethylene-propylenecopolymer)、聚(4-甲基-1-戊烯)(poly(4-methyl-1-pentene)，可从Mitsui Chemicals，Inc得到的

)、氟化乙丙烯(FEP，fluorinated ethylene propylene)聚合物、其它的含氟聚合物、聚醚醚酮聚合物(PEEK，polyaryletherether ketone polymer)、聚苯硫聚合物(PPS，polyphenylene sulfide polymer)、聚四氟乙烯-全氟代甲基乙烯基醚(MFA)聚合物改性聚苯硫聚合物(polyphenylene sulfide polymer)、聚醚酮聚合物(PEK，polyether ketone polymer)、马来酐改性聚合物、

SRP聚合物(Mississippi Polymer Technologies，Inc基于取代聚(1，4-苯撑)结构生产的自-加强聚合物，其中每个苯撑环具有从大量不同的有机基团中获得的取代R基团)、

或者类似物以及它们的混合物，可能还包括耐磨性粒子或者甚至短纤维。

加热/DTS电缆200可以进一步地包括围绕绝缘缆芯的至少一个电缆铠装层或强度构件。它们一般可以由任何高拉伸强度材料制成，包括但不限于电镀改进的犁钢、合金钢等等。保护性的聚合物覆盖层可以用于每个或任何铠装线以抗腐蚀或甚至促进铠装线和设置在间隙内的聚合物材料之间的结合。如此处使用的，术语“结合”是指包括化学结合、机械结合或它们的任意组合。覆盖层材料的例子包括但不限于含氟聚合物、氟化乙丙烯(FEP)聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物()、全氟代烷氧基烷烃聚合物(PFA)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE)、聚四氟乙烯-全氟代甲基乙烯基醚聚合物(MFA)、聚醚醚酮聚合物(PEEK)，或聚醚酮聚合物(PEK)与含氟聚合物的组合物、聚苯硫聚合物(PPS)、PPS与PTFE的组合物、乳胶或橡胶覆盖层，以及类似物。每个铠装线也可以镀上防腐蚀或甚至促进铠装线和聚合物材料之间的结合的材料。适当的镀层材料的非限制性例子包括黄铜、铜合金及类似物。镀层铠装线甚至可以是诸如轮胎帘布这样的绳索。尽管可以使用任何有效厚度的镀层或覆盖层材料，优选的厚度为大约10微米到100微米。铠装线/强度部件可以被形成为绞合线，例如以钢缆的形式。而且，铠装线/强度部件可以是双金属的或复合结构的。

形成用于加热/DTS电缆200的聚合物材料的材料还可以在形成电缆的材料混合物中包括一种或多种含氟聚合物添加剂。这样的添加剂可能有助于生产在很高的生产速度下生产高质量的长电缆。适当的含氟聚合物添加剂包括但不限于聚四氟乙烯、全氟烷基聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物、氟化乙丙烯、全氟聚(乙烯-丙烯)，以及它们的混合物。含氟聚合物也可以是四氟乙烯和乙烯以及任选的第三共聚用单体的共聚物、四氟乙烯和偏二氟乙烯以及任选的第三共聚用单体的共聚物、氯三氟乙烯和乙烯以及任选的第三共聚用单体的共聚物、六氟丙烯和乙烯以及任选的第三共聚用单体的共聚物、以及六氟丙烯和偏二氟乙烯以及任选的第三共聚用单体的共聚物。含氟聚合物添加剂应具有低于挤出工艺温度的熔点温度，优选在200℃到350℃的范围内。为了准备混合物，含氟聚合物添加剂与绝缘外套或聚合物材料混合。含氟聚合物添加剂添加到混合物中的量可以是基于混合物总重量的5％或更少，优选基于混合物总重量的大约1％或更少，更优选基于混合物总重量的大约0.75％或更少。

聚合物材料被设置在铠装线之间形成的间隙内，以及铠装线层与绝缘缆芯之间形成的间隙内。尽管本发明没有特别限定于特定的功能理论，相信沿铠装线间隙或未填满的环形缝隙设置聚合物材料，除了其他优点外，还能够防止危险的井内气体的移入和从这些间隙或缝中向上进入低压区域，其在低压区域可能着火或者甚至有爆炸的危险。在根据本发明的电缆中，铠装线部分或全部被完全填满所有间隙的聚合物材料密封，因此消除了气体进入任何导管的可能性。聚合物材料也可以用作很多腐蚀性流体的过滤器。通过最小化铠装线的暴露和防止腐蚀性流体的积聚，电缆的使用寿命可以被大大提高。

而且，用聚合物材料填充铠装线之间形成的间隙并将铠装线的内部和外部分隔开降低了铠装线之间点对点的接触，延长了疲劳寿命，同时避免了铠装线过早腐蚀。由于间隙被填充，电缆芯部被完全包裹，而且减轻了蠕变(creep)，因此电缆直径更加稳定，电缆的伸长大大降低。本发明使用的抗蠕变聚合物材料以两种方式使芯部的蠕变最小化：第一，将聚合物材料和铠装线锁定在一起大大降低了电缆的变形；第二，聚合物材料也可以消除所有电缆芯部可能蠕变进入其中的环形缝隙。由于封装铠装线的聚合物材料可以是连续结合的，其不容易从铠装线上剥离，加热/DTS电缆200可以改善笼式铠装设计遇到的问题。由于本发明采用的工艺允许保持标准铠装线范围(93％-98％金属)，与典型的笼式铠装设计相比，采用聚合物材料可以不牺牲电缆的强度。

在本发明的一些实施例中，聚合物材料可能不具有足够的机械性能来承受电缆例如用绞缆轮(sheave)拖动时的很高的拉力或压力，就这一点而言，聚合物材料还可以包括短纤维。尽管任何适当的纤维可以用于提供足够承受这种力的性能，纤维的例子包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、

纤维、

纤维、石英、纳米碳或其他任何适当的材料。另外，由于包括短纤维的聚合物材料的摩擦力可能远大于单独的聚合物材料，不含短纤维的聚合物材料外套可以环绕电缆外围设置，因此电缆外表面具有低摩擦性质。

根据本发明，用于形成聚合物外套或加热/DTS电缆200的外套的聚合物材料可以包括电缆被设置在井中时提高电缆耐磨性的颗粒。合适的颗粒的例子包括Ceramer^TM、氮化硼、PTFE、石墨、纳米颗粒(例如纳米粘土、纳米硅、纳米碳、纳米碳纤维或其他适当的纳米材料)，或以上物质的组合。

加热/DTS电缆200也可以用覆盖层铠装线代替一根或多根的铠装线。覆盖层可以由与上面所述的那些聚合物材料相同的材料组成。这有助于通过降低强度、重量或甚至铠装线外层的尺寸来提高扭矩平衡，同时也提高了聚合物材料与铠装线外层的结合。

在本发明的一些实施例中，加热/DTS电缆200可以包括至少一种在铠装线层的填充棒组分。在这种电缆中，一根或多根铠装线被填充棒组分代替，填充棒组分包括合成长纤维束或长纤维纱束。合成长纤维或长纤维纱可以用适当的聚合物覆盖，包括上面所述的那些聚合物材料。聚合物可以在这种纤维或纱上挤出以促进与聚合物外套材料的结合。这还可以防止剥离。而且，由于填充棒组件代替了铠装线，内外铠装线层之间的扭矩平衡可以进一步加强。

加热/DTS电缆200可以具有从大约1mm到大约500mm的外径，而且优选地具有从大约2mm到大约250mm的外径。

加热/DTS电缆200可以包括作为电流返回线的铠装线，其为井下装置或工具提供了返回地面的途径。本发明能够使用用于电流返回的铠装线，同时使电流冲击的危险最小。在一些实施例中，聚合物材料隔离了至少一个在第一铠装线层的铠装线，由此使得它们可以用作电流返回线。

上面公开的特定实施例只是示例性的，因为本发明可以以不同但具有此处教导的优点且对于本领域技术人员来说等价的方式被修改和实施。而且，除了所附的权利要求的描述外，这里所示的构造或设计的细节不试图构成限制。因此，显然，上面公开的特定实施例可以被改变或修改，而且所有的这种变化都被认为在本发明的范围和实质内。特别是，此处公开的每个数值范围(形式为“从大约a到大约b”，或者等同地，“大约a到b”，或者等同地，“大约a-b”)应被理解为是指各个数值范围的幂集(所有子集的集合)。因此，此处要求的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (14)

1、一种井筒加热设备，包括：

电缆，包括沿所述电缆的长度延伸的一个或多个电缆芯的回路；以及

控制装置，通过向所述电缆芯的回路提供设计范围的电流来控制对所述井筒的加热，所述电流在所述电缆芯的回路中产生热量，所述热量散发到所述井筒的周围结构中和沿所述电缆的长度的周围地层中。

2、根据权利要求1所述的井筒加热设备，还包括：

上部，其中所述电缆芯具有一尺寸、被绝缘并以一捻角使用，以便当施加设计范围的电流时所述电缆芯散发小的热量；以及

下部，其中所述电缆芯具有一尺寸、被绝缘并以大于所述上部的电缆芯的捻角的捻角使用，以便当施加设计范围的电流时与所述上部相比所述电缆芯散发大的热量。

3、根据权利要求2所述的井筒加热设备，其中所述下部的电缆芯的电阻率是所述上部的电缆芯的电阻率的10到100倍大。

4、根据权利要求2所述的井筒加热设备，其中：

所述上部的电缆芯是铜的；以及

所述下部的电缆芯是钢的。

5、根据权利要求1所述的井筒加热设备，其中所述一个或多个电缆芯的回路包括：

将电流沿所述电缆向下传输的外层的电缆芯；以及

将电流沿所述电缆向上传输的内层的电缆芯，所述内层的电缆芯具有一尺寸、被绝缘并以一捻角使用，以便当施加设计范围的电流时所述电缆芯散发小的热量。

6、根据权利要求5所述的井筒加热设备，还包括：

上部，其中所述外层的电缆芯具有一尺寸、被绝缘并以一捻角使用，以便当施加设计范围的电流时所述电缆芯散发小的热量；以及

下部，其中所述外层的电缆芯具有一尺寸、被绝缘并以大于所述上部的电缆芯的捻角的捻角使用，以便当施加设计范围的电流时与所述上部相比所述电缆芯散发大的热量。

7、根据权利要求6所述的井筒加热设备，其中所述下部的电缆芯的电阻率是所述上部的外层的电缆芯和内层的电缆芯的电阻率10到100倍大。

8、根据权利要求6所述的井筒加热设备，其中：

内层的电缆芯和所述上部的外层的电缆芯是铜的；以及

所述下部的外层的电缆芯是钢的。

9、根据权利要求1所述的井筒加热设备，还包括：

沿所述电缆的长度延伸的一根或多根光纤，所述光纤设置在具有填充材料的钢管内；以及

用于沿所述光纤监测温度的控制装置，其中所述光纤被激光照射，而且对来自光脉冲的拉曼和布里渊散射图象进行评价以确定沿所述电缆的长度的井筒的温度。

10、根据权利要求9所述的井筒加热设备，其中所述填充材料是聚烯烃。

11、根据权利要求10所述的井筒加热设备，其中所述电缆被构造来使得设置在钢管给定间距内的光纤长度比该钢管间距的长度更长。

12、根据权利要求11所述的井筒加热设备，其中所述一根或多根光纤包括两个光纤回路。

13、根据权利要求1所述的井筒加热设备，其中所述电缆的外层包括：

为所述电缆提供强度和机械稳定性的钢缆；以及

保护所述电缆并提供抗磨损覆盖层的聚合物外套。

14、根据权利要求13所述的井筒加热设备，其中所述聚合物外套包括与下套管井筒内的水泥结合的材料。

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