CN102305965B - 用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆 - Google Patents

Abstract

用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，包括被金属钢带分为外保护缓冲层与内保护缓冲层的高强度耐高温耐腐蚀材料层，内保护缓冲层的内部呈品字型布置有一号耐高温铠装松套光纤、二号耐高温铠装松套光纤与耐高温耐腐蚀紧套光纤，且在一号耐高温铠装松套光纤、二号耐高温铠装松套光纤、耐高温耐腐蚀紧套光纤的正中间设置有金属加强芯，一号耐高温铠装松套光纤内部设置有耐高温单模光纤，二号耐高温铠装松套光纤内部设置有耐高温多模光纤，耐高温耐腐蚀紧套光纤内部设置有耐高温单模光纤。本设计不仅最终获得的压力值的精确度较高，具有较强的耐高温、耐腐蚀性与机械强度，而且安全性较高，格性较统一，便于制造与施工。

Description

用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆

技术领域

本发明涉及一种传感光缆，尤其涉及一种用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，具体适用于深层、稠油、热采等油井的油管内温度、压力的同时实时监测。

背景技术

随着光纤技术的发展，光纤传感应用技术逐步应用到了油井测试领域。光缆作为光信号的传输媒介和传感媒介，已成为油井光纤测井系统的最核心组成部分。目前使用的光缆一般为传输光缆，该种传输光缆虽然能对光缆内实施信号传输、温度信号监测的光纤进行多重有效的保护，但不能对温度和压力进行同时监测，其原因如下：

1、现有的传输光缆一般都使用钢管保护层对传感光纤进行保护，由于钢管在受到外界压力的情况下不会有明显的变形，因而就不能将外界压力的影响传导到传感光纤上，因此它无法获得准确的压力测量值；

2、现有的传输光缆在传感光纤的选择上太过单一，无法实现温度和压力两种参数同时实时监测的功能。

中国专利授权公告号为CN201392418Y，授权公告日为2010年1月27日的实用新型专利公开了一种复合型传感光缆，其用于检测应变和温度的变化，它包括无卤聚烯烃护层、间隔设置在护层内的紧包光纤和松套光纤，所述紧包光纤包括单模光纤、包覆在单模光纤外周且与护层紧密结合的紧包层；所述的松套光纤包括松套管、设置在松套管内的着色光纤以及填充在松套管内的纤膏。虽然该实用新型能结合松套光纤上测出的温度数值、紧包光纤中测出的应变–温度参数进行补偿计算以得到应变测量值（压力值），实现了温度和压力的同时实时监测，但其仍旧具有以下缺陷：

首先，该实用新型包括的两个紧包光纤与一个松套光纤在无卤聚烯烃护层上呈一横列间隔设置，松套光纤位于两个紧包光纤之间，且间隔距离较大，这造成了紧包光纤、松套光纤之间测量环境的差异，导致其分别测得的应变–温度参数与温度数值之间的配合性较差，难以通过补偿计算获得较准确的应变测量值，因此其获得的压力值的精确度较低；

其次，该实用新型通过松套光纤测得温度数值，通过紧包光纤测得应变–温度参数，但其没有考虑到松套光纤与紧包光纤并不是同一种光纤，各自测量值的产生上存在差异，如果仅仅依靠这两个测量值进行计算，难免会降低最终计算值的准确度，从而再次降低获得的压力值的精确度；

再次，该实用新型所依赖的松套光纤与紧包光纤都设置在无卤聚烯烃护层的内部，紧包光纤依赖无卤聚烯烃护层形变对它的冲击来测得应变–温度参数，但由于紧包光纤设置在无卤聚烯烃护层的两端，且与无卤聚烯烃护层之间没有任何缓冲设计，因而在测量时，紧包光纤受到的冲击较大，不仅会影响测量值的精确度，而且会降低其使用寿命；

最后，由于该实用新型的应用环境为土木工程或油气管道表面，因而其采用的无卤聚烯烃护层、松套光纤、紧包光纤的结构与制作设计都只能满足普通使用环境的需要，而没有较强的耐高温与耐腐蚀性，也没有较高的机械强度，不适合于高温、高压的使用环境，应用范围较窄，至少不能适用于高温、高压的油井油管环境，更不用提环境更加恶劣的深层、稠油或热采油井油管。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的获得的压力值的精确度较低，耐高温、耐腐蚀性、机械强度较差的缺陷与问题，提供一种获得的压力值的精确度较高，耐高温、耐腐蚀性、机械强度较好的用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，该传感光缆包括高强度耐高温耐腐蚀材料层、耐高温耐腐蚀紧套光纤与耐高温铠装松套光纤，所述耐高温耐腐蚀紧套光纤、耐高温铠装松套光纤均设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层的内部；

所述传感光缆还包括金属加强芯与环型的金属钢带，该金属钢带设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层的内部，且将高强度耐高温耐腐蚀材料层分为外保护缓冲层与内保护缓冲层，外保护缓冲层位于金属钢带的外部，内保护缓冲层位于金属钢带的内部；

所述耐高温铠装松套光纤的数量为两根，分别为一号耐高温铠装松套光纤与二号耐高温铠装松套光纤，所述耐高温耐腐蚀紧套光纤的数量为一根，一号耐高温铠装松套光纤、二号耐高温铠装松套光纤、耐高温耐腐蚀紧套光纤呈品字型设置在内保护缓冲层的内部，且在一号耐高温铠装松套光纤、二号耐高温铠装松套光纤、耐高温耐腐蚀紧套光纤的正中间设置有金属加强芯；

所述一号耐高温铠装松套光纤包括金属铠装管及其内部设置的至少两根耐高温单模光纤，二号耐高温铠装松套光纤包括金属铠装管及其内部设置的至少两根耐高温多模光纤，耐高温耐腐蚀紧套光纤包括一根耐高温单模光纤及其外部包裹的耐高温紧包涂覆材料层。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层、金属钢带、耐高温紧包涂覆材料层的横截面都是圆形。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层的制造材料是乙烯–四氟乙烯共聚物或可溶性聚四氟乙烯。

所述耐高温单模光纤、耐高温多模光纤均包括纤芯及其外部涂覆的涂覆层，纤芯的制造材料为纯石英，涂覆层的制造材料为金、银、镍或碳。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层的直径大于7mm，所述金属钢带的内径大于5mm，厚度小于1mm，所述金属加强芯为实心结构，其外径小于1.5mm，所述耐高温单模光纤、耐高温多模光纤的直径均为0.5mm，所述金属铠装管的外径小于1.5mm，所述耐高温紧包涂覆材料层的外径小于1.5mm，且耐高温紧包涂覆材料层的外径与金属铠装管的外径相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆在高强度耐高温耐腐蚀材料层的内部设置有呈品字型布置的一号耐高温铠装松套光纤、二号耐高温铠装松套光纤与耐高温耐腐蚀紧套光纤，其中，一号耐高温铠装松套光纤的内部设置有至少两根耐高温单模光纤以测得应变–温度参数，二号耐高温铠装松套光纤的内部设置有至少两根耐高温多模光纤以测得温度数值，耐高温耐腐蚀紧套光纤的内部设置有耐高温单模光纤以测得应变–温度参数，该设计的优点如下：首先，由于两根铠装松套光纤与一根紧套光纤呈品字型布置，不仅距离很近，具有相同的测量环境，使得各自的测得值之间具有较强的配合性，而且结构对称，方便传感信号的采集，这都有利于提高最终获得的压力值的精确度；其次，两根铠装松套光纤分别测得一个温度数值与一个应变–温度参数，一根紧套光纤测得一个应变–温度参数，这就考虑到铠装松套光纤与紧套光纤的种类差异，在进行补偿计算时，以铠装松套光纤测得的温度数值、紧套光纤测得的应变–温度参数为主，同时以铠装松套光纤测得的应变–温度参数为辅以进行修正，从而避免了铠装松套光纤、紧套光纤之间种类差异所造成的误差，有利于提高最终获得的压力值的精确度。因此本发明最终获得的压力值的精确度较高。

2、本发明用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆在高强度耐高温耐腐蚀材料层的内部设置有金属钢带，该金属钢带将高强度耐高温耐腐蚀材料层分为外保护缓冲层与内保护缓冲层，内保护缓冲层的内部设置有耐高温铠装松套光纤与耐高温耐腐蚀紧套光纤，该设计的优点如下：首先，金属钢带能够加强内保护缓冲层和传感光纤的保护，具有较强的缓冲作用，可确保光纤不直接面对光缆形变的冲击，不仅有利于提高光纤测量值的准确度，而且安全性较高，能够延长光纤的使用寿命；其次，由于金属钢带是非密封性的结构，因而在外界压力对光缆表面进行压缩时，金属钢带能够随着外界压力对外保护缓冲层的压缩而同步变形，并将这种压缩变形传导到内保护缓冲层，从而将外界压力作用传导到内层压力测试传感光纤（一号耐高温铠装松套光纤、耐高温耐腐蚀紧套光纤）上，不会对光纤测量造成妨碍。因此本发明不仅能提高光纤测量值的准确度，而且安全性较高。

3、本发明用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆中金属加强芯的设计是为了实现更加全面的强度保护，当光缆在油管中放缆时，金属加强芯能够承受较大范围内的拉力，从而对光缆内部材料起到很好的保护作用，而且品字型的布置设计能够进一步提高金属加强芯对周围光纤保护的均匀性；高强度耐高温耐腐蚀材料层、金属钢带、耐高温紧包涂覆材料层的横截面都是圆形设计的目的是为了对油管内各种液相的作用基本保持对称，方便传感信号的采集；高强度耐高温耐腐蚀材料层、耐高温单模光纤、耐高温多模光纤的结构与制作设计是为了满足油管内高温高压的需求，因为油管内充满着各种高温的蒸汽和油水混合物，光缆在高压下温度将会上升的很高，若不具有较强的耐高温、耐腐蚀性与机械强度，则难以在油井油管内对传感光纤起到很好的保护，并确保传感光缆长期稳定工作在油管内。因此本发明具有较强的耐高温、耐腐蚀性与机械强度，能够对光纤进行较好的保护。

4、本发明用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆中对高强度耐高温耐腐蚀材料层、金属钢带、金属加强芯、耐高温单模光纤、耐高温多模光纤、金属铠装管以及耐高温紧包涂覆材料层的大小（外径、直径或厚度）都进行了一定的数值限定，该种数值设计可在达到性能的同时，使得光缆外形规则、规格统一，不仅便于制作，也便于施工，还能避免光缆在下井的过程中被损伤。因此本发明规格性较统一，便于制造与施工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：高强度耐高温耐腐蚀材料层1，外保护缓冲层11，内保护缓冲层12，耐高温耐腐蚀紧套光纤2，耐高温铠装松套光纤3，一号耐高温铠装松套光纤31，二号耐高温铠装松套光纤32，金属钢带4，金属加强芯5，金属铠装管6，耐高温单模光纤7，耐高温多模光纤8，耐高温紧包涂覆材料层9。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，该传感光缆包括高强度耐高温耐腐蚀材料层1、耐高温耐腐蚀紧套光纤2与耐高温铠装松套光纤3，所述耐高温耐腐蚀紧套光纤2、耐高温铠装松套光纤3均设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层1的内部；

所述传感光缆还包括金属加强芯5与环型的金属钢带4，该金属钢带4设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层1的内部，且将高强度耐高温耐腐蚀材料层1分为外保护缓冲层11与内保护缓冲层12，外保护缓冲层11位于金属钢带4的外部，内保护缓冲层12位于金属钢带4的内部；

所述耐高温铠装松套光纤3的数量为两根，分别为一号耐高温铠装松套光纤31与二号耐高温铠装松套光纤32，所述耐高温耐腐蚀紧套光纤2的数量为一根，一号耐高温铠装松套光纤31、二号耐高温铠装松套光纤32、耐高温耐腐蚀紧套光纤2呈品字型设置在内保护缓冲层12的内部，且在一号耐高温铠装松套光纤31、二号耐高温铠装松套光纤32、耐高温耐腐蚀紧套光纤2的正中间设置有金属加强芯5；

所述一号耐高温铠装松套光纤31包括金属铠装管6及其内部设置的至少两根耐高温单模光纤7，二号耐高温铠装松套光纤32包括金属铠装管6及其内部设置的至少两根耐高温多模光纤8，耐高温耐腐蚀紧套光纤2包括一根耐高温单模光纤7及其外部包裹的耐高温紧包涂覆材料层9。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层1、金属钢带4、耐高温紧包涂覆材料层9的横截面都是圆形。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层1的制造材料是乙烯–四氟乙烯共聚物或可溶性聚四氟乙烯。

所述耐高温单模光纤7、耐高温多模光纤8均包括纤芯及其外部涂覆的涂覆层，纤芯的制造材料为纯石英，涂覆层的制造材料为金、银、镍或碳。

所述高强度耐高温耐腐蚀材料层1的直径大于7mm，所述金属钢带4的内径大于5mm，厚度小于1mm，所述金属加强芯5为实心结构，其外径小于1.5mm，所述耐高温单模光纤7、耐高温多模光纤8的直径均为0.5mm，所述金属铠装管6的外径小于1.5mm，所述耐高温紧包涂覆材料层9的外径小于1.5mm，且耐高温紧包涂覆材料层9的外径与金属铠装管6的外径相同。

本发明的原理说明如下：

要实现光纤分布式温度和压力的监测，光缆设计必须满足：

1、传感光纤不受外界压力影响，能够准确测得光缆所处环境中的温度值；

2、另一类传感光纤需要对外界压力有响应，能够对光缆所处环境的压力和温度进行监测，这样在实现了温度和压力同时实时监测之后，温度的监测数值同时还能对压力监测数值进行校正。

本发明正是通过耐高温铠装松套光纤与耐高温耐腐蚀紧套光纤的设计满足了这两个基本要求，同时，为了取得更好的测量效果，不仅设计两根耐高温铠装松套光纤、耐高温耐腐蚀紧套光纤在高强度耐高温耐腐蚀材料层的内部呈品字形布置，而且设计两根耐高温铠装松套的内部分别装有耐高温多模光纤与耐高温单模光纤，耐高温耐腐蚀紧套光纤的内部装有耐高温单模光纤。耐高温多模光纤主要是利用拉曼散射原理进行测温，耐高温单模光纤则利用布里渊散射原理进行应变–温度参数的测量。

实施例1：

用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，包括横截面是圆形的高强度耐高温耐腐蚀材料层1及其内部设置的环型的金属钢带4，金属钢带4将高强度耐高温耐腐蚀材料层1分为外保护缓冲层11与内保护缓冲层12，内保护缓冲层12的内部呈品字型布置有一号耐高温铠装松套光纤31、二号耐高温铠装松套光纤32与耐高温耐腐蚀紧套光纤2，且在一号耐高温铠装松套光纤31、二号耐高温铠装松套光纤32、耐高温耐腐蚀紧套光纤2的正中间设置有金属加强芯5，一号耐高温铠装松套光纤31包括金属铠装管6及其内部设置的至少两根耐高温单模光纤7，二号耐高温铠装松套光纤32包括金属铠装管6及其内部设置的至少两根耐高温多模光纤8，耐高温耐腐蚀紧套光纤2包括一根耐高温单模光纤7及其外部包裹的耐高温紧包涂覆材料层9。

由上可见，本发明不仅最终获得的压力值的精确度较高，具有较强的耐高温、耐腐蚀性与机械强度，而且安全性较高，格性较统一，便于制造与施工。 

Claims (5)

1.用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，该传感光缆包括高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）、耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）与耐高温铠装松套光纤（3），所述耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）、耐高温铠装松套光纤（3）均设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）的内部，其特征在于：

所述传感光缆还包括金属加强芯（5）与环型的金属钢带（4），该金属钢带（4）设置在高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）的内部，且将高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）分为外保护缓冲层（11）与内保护缓冲层（12），外保护缓冲层（11）位于金属钢带（4）的外部，内保护缓冲层（12）位于金属钢带（4）的内部；

所述耐高温铠装松套光纤（3）的数量为两根，分别为一号耐高温铠装松套光纤（31）与二号耐高温铠装松套光纤（32），所述耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）的数量为一根，一号耐高温铠装松套光纤（31）、二号耐高温铠装松套光纤（32）、耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）呈品字型设置在内保护缓冲层（12）的内部，且在一号耐高温铠装松套光纤（31）、二号耐高温铠装松套光纤（32）、耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）的正中间设置有金属加强芯(5)；

所述一号耐高温铠装松套光纤（31）包括金属铠装管（6）及其内部设置的至少两根耐高温单模光纤（7），二号耐高温铠装松套光纤（32）包括金属铠装管（6）及其内部设置的至少两根耐高温多模光纤（8），耐高温耐腐蚀紧套光纤（2）包括一根耐高温单模光纤（7）及其外部包裹的耐高温紧包涂覆材料层（9）。

2.根据权利要求1所述的用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，其特征在于：所述高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）、金属钢带（4）、耐高温紧包涂覆材料层（9）的横截面都是圆形。

3.根据权利要求1或2所述的用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，其特征在于：所述高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）的制造材料是乙烯–四氟乙烯共聚物或可溶性聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1或2所述的用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，其特征在于：所述耐高温单模光纤（7）、耐高温多模光纤（8）均包括纤芯及其外部涂覆的涂覆层，纤芯的制造材料为纯石英，涂覆层的制造材料为金、银、镍或碳。

5.根据权利要求2所述的用于油井油管内温度和压力同时分布式监测的传感光缆，其特征在于：所述高强度耐高温耐腐蚀材料层（1）的直径大于7mm，所述金属钢带（4）的内径大于5mm，厚度小于1mm，所述金属加强芯（5）为实心结构，其外径小于1.5mm，所述耐高温单模光纤（7）、耐高温多模光纤（8）的直径均为0.5mm，所述金属铠装管（6）的外径小于1.5mm，所述耐高温紧包涂覆材料层（9）的外径小于1.5mm，且耐高温紧包涂覆材料层（9）的外径与金属铠装管（6）的外径相同。