CN105209948A - 光纤地震感测线缆 - Google Patents

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Abstract

描述了一种特别适合于地震感测的改进的光纤线缆。和标准的光纤线缆相比，这一改进的光纤线缆减小了尺寸、更轻并且更加柔韧。这些特征使光纤线缆对于可重复使用的应用更耐用。由于光纤设计的改进，地震感测线缆的尺寸和重量可以显著地减少。其允许更长的地震感测线缆以及更多的地震传感器箱被卷在给定尺寸的卷轴上，并且使地震感测线缆的部署更快速、更方便并且更加廉价。用于达到这些目的的优选的线缆设计包括具有刚才描述的设计的，被封装在丙烯酸酯树脂的双层光纤缓冲封装件内的多个光纤。

Description

光纤地震感测线缆
技术领域
本发明涉及用于陆地地震或者海底地质构造测绘的光纤线缆。
背景技术
用于地下地质构造的地震测绘的先进技术使用遍布被测量区域的部署成大型x-y阵列的多个地震传感器箱。该传感器箱通常是运动传感器，例如加速度传感器。在现有技术的方法和系统中，该传感器箱通过将检测到的运动转换成光学信号来记录地震活动。来自地震传感器箱的光学信号被传输到基站，来自传感器箱阵列的数据在该基站被收集和处理。每个地震传感器箱通过其专用的光纤与基站通信。
在通常的地震传感器箱阵列中，长度为数米的主光纤地震感测线缆跨正被测绘的陆地或者海底区域的一部分部署。许多线缆(通常以平行阵列布置)可用来覆盖被测绘的区域。对于海底测绘，该多线缆阵列可以通过海轮跨海底牵引。
地震感测光纤线缆的相对独有的特性是它们在线缆的服役年限期间会被多次部署和重新部署。这与被安装在一个位置并且在线缆的服役年限保持静止的大部分光纤线缆相反。因此本说明书指地震感测线缆的部署而不是安装。
在通常的地震感测线缆中，许多地震传感器箱通过单独的光纤与数据采集单元连接。在沿着地震感测线缆的合适的间隔，地震传感器箱与光纤线缆中的光纤的一个拼接。安装有传感器箱的光纤线缆，通常缠绕在线缆卷筒上，并且通过跨正在被测绘的区域展开光纤线缆而部署。在测绘完一个区域之后，光纤线缆在卷筒上被重绕并且在另一位置重复该部署过程。因此通常的光纤线缆在线缆的服役年限期间被多次缠绕和重绕。应当理解的是，对于这一应用，地震感测线缆的特殊特征是最重要的。这些特征包括尺寸、重量和柔韧性。
地震感测线缆和地震感测线缆部署的改进代表了地震技术的重要进步。
发明内容
我们已经开发了一种改进的光纤线缆，其特别适合于在地震感测中使用。与标准的地震光纤线缆相比，这一改进的线缆减小了尺寸、更轻并且更加柔韧。这些特征使地震感测线缆对于可重复使用的应用更耐用。由于线缆中的光纤设计的修改，地震感测线缆的尺寸和重量被显著地减少。其允许地震感测线缆的长度以及地震传感器箱在给定尺寸的卷筒上更高效地卷绕，并且使地震感测线缆的部署更快速、更方便并且更加廉价。用于达到这些目的的优选的线缆设计包括特殊设计的，被封装在丙烯酸酯树脂的双层光纤缓冲封装件内的多个光纤。该缓冲封装件包括柔性的丙烯酸酯内层，其保护光纤并且将向光纤的应力传送最小化，以及提供抗压碎性的硬的、坚固的丙烯酸酯外层。一个或多个双层光纤缓冲封装件可以用加强层覆盖并且封装在外部保护性护套中。
附图说明
图1是光纤地震感测线缆的表示，示出了附连到光纤网络的地震传感器箱；
图2是特别适合于地震光纤线缆的光纤的示意性表示；
图3是光纤地震感测线缆的子单元的示意图，示出了双层光纤缓冲封装件；并且
图4是本发明的大光纤数的地震感测线缆的示意图，其中多个双层光纤缓冲封装件被捆绑在一起。
具体实施方式
图1以概括的方式示出了本发明的用于减小了尺寸的光纤线缆的优选应用。图1示出了光纤地震感测线缆11、12、13和14的阵列，每根光纤线缆携带多个地震传感器箱17。附图不是按比例的。用于感测地震数据的传感器箱通常是加速度计或者其他形式的运动传感器。传感器箱沿着光纤线缆的间隔通常是2至30米，更通常是5至15米。该光纤感测线缆可以附连到牵引线(用16表示)并且牵引线附连到牵引车(在图1中用18表示)。来自多个地震传感器的光学数据被传输到通常位于牵引车上的数据存储装置。附图标记19示意地表示出光学连接。
该数据存储装置通常是计算机，其检测光学信号并且储存代表该光学数据的数据。数据被数据处理器处理以产生期望的地震图。数据存储装置可以包括光学接收器或者光学收发机。
在光纤地震感测线缆中使用的光纤是为这一应用特别设计的光纤。其在这里指地震线缆光纤(SCOF)。其在图2中被示意地示出，其中21代表玻璃光纤的纤芯，并且22代表包层。光纤涂覆层被显示为23。纤芯21是单模光纤纤芯，其直径通常在4-10微米的范围内。纤芯优选是掺锗二氧化硅(silica)，并且优选地具有折射率差(delta)以减少曲折损耗。包层22具有75至85微米的直径。小的包层直径有利于本发明的目的。涂覆层可以是单层涂覆层，或者双层涂覆层，但直径为170微米或者更少，优选为155-170微米。
参照图3，12根光纤的光纤缓冲封装件的实施例被显示为具有12根光纤31，该12根光纤31被封装并且嵌入在软的丙烯酸酯基体32内。同样，图中的元件不是按比例绘制。围绕并且封装软的丙烯酸酯基体的是相对硬的丙烯酸酯封装层33。光纤、丙烯酸酯基体以及丙烯酸酯封装层一起组成了圆形的双层光纤缓冲封装件。该光纤缓冲封装件是光纤地震感测线缆的子单元。在该实施例中，光纤缓冲封装件包括12根光纤，但其可以包括2-24根光纤。具有4至12根光纤的光纤缓冲封装件在商业实践中预计是最通用的。
具有软的内层和硬的外层的光纤缓冲封装件的双层丙烯酸酯结构具有最小化传递至光纤的弯曲和挤压力的功能，从而最小化信号衰减。可选择地，光纤缓冲封装件可具有椭圆截面。
术语基体意在表示具有基体材料截面的主体，其他主体(光纤)被嵌入在其中。封装件意在表示既围绕又接触另一主体或者层的层。
软的丙烯酸酯基体和硬的丙烯酸酯封装件优选是可紫外线固化的丙烯酸酯。其他聚合物可以作为替代物。可紫外线固化的树脂可以包括阻燃剂以提高线缆的总体耐火性。
在双层丙烯酸酯缓冲封装件中使用可紫外线固化的丙烯酸酯的优点是用于施加可紫外线固化的涂覆层的成缆操作快速并且经济合算。以下描述以高成缆速度生产双层丙烯酸酯缓冲封装件。所使用的方法是将涂覆层材料应用为预聚合物，并且使用紫外线固化该预聚合物。双层丙烯酸酯涂覆层被顺次或者同时施加(使用双隔室双模具敷料器)。在顺次进行的方法中，第一涂覆层被涂敷，并且被固化，并且第二涂覆层被涂敷在固化的第一层之上，并且被固化。在同时进行的双涂覆层布置中，两个涂覆层在预聚合物状态被涂敷并且同时被固化。该可紫外线固化的聚丙烯酸酯预聚合物对于紫外线固化辐射(即波长通常在200-400纳米的范围内)是足够透明的，以允许以高的牵引速度充分固化。其他透明涂覆层材料，诸如烷基取代硅酮和倍半硅氧烷、脂肪族聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯和乙烯醚，同样可以被用作紫外线固化的涂覆层。参见例如S.A.Shama，E.S.Poklacki，J.M.Zimmerman的美国专利No.4,956,198(1990)的“Ultraviolet-curablecationicvinyletherpolyurethanecoatingcompositions”；S.C.Lapin，A.C.Levy的美国专利No.5,139,872(1992)的“Vinyletherbasedopticalfibercoatings”；P.J.Shustack的美国专利No.5,352,712(1994)的“Ultravioletradiation-curablecoatingsforopticalfibers”。使用可紫外线固化的材料的涂覆层技术已经得到了良好发展。也可以使用采用可见光(即在400-600纳米范围内的光)来固化涂覆层。优选的涂覆层材料是增添有紫外线光敏引发剂的丙烯酸酯或者氨基甲酸乙酯-丙烯酸酯。
适用于用在本发明线缆的光纤缓冲封装件中的涂覆层材料的例子是：
内层外层
例1DSMDesotechDU-1002DSMDesotech850-975
例2DSMDesotechDU-0001DSMDesotech850-975
例3DSMDesotechDU-1003DSMDesotech850-975
内层和外层材料可以以多种方式表征。从以上的一般说明，很明显的是内层的模量应该小于外层的模量。使用ASTMD882标准测量方法，推荐的内层的拉伸模量在0.1至50MPa的范围内，优选为0.5至10MPa。用于外层的合适范围是100MPa至2000MPa，优选为200MPa至1000MPa。
层材料也可以使用玻璃化转变温度来表征。推荐的是内层的Tg小于20摄氏度，并且外层的Tg大于40摄氏度。为了这里说明的目的，玻璃化转变温度(Tg)是损耗正切值曲线(tandeltacurve)的峰值点。
用于芳族聚酰胺层的合适的芳族聚酰胺纱可以从TeijinTwaronBV获得，被标识为1610dTex型2200Twaron纱。该纱可以是直线的或者具有扭曲。
SCOF线缆的尺寸不是传统的。如上所述的12根光纤的缓冲封装件的通常直径是0.9毫米。在大多数的实施例中，2至12根光纤的缓冲封装件的直径将会小于1毫米。加强纱层以及外护层通常会将线缆直径增加1.5至2.5mm。例如，外护层可以为0.5至2毫米。整个线缆直径优选为小于6毫米。
与在相当的光纤线缆相比，具有如上所述的SCOF的光纤缓冲封装件的设计有助于明显更柔韧的线缆。
具有多于一个的光纤缓冲封装件的光纤地震线缆提供了有吸引力的替代设计，该设计产生了增加的光纤数，同时还相对小并且紧凑。任何数量的缓冲封装件(例如2-10)可以被组合在一个护套内。一个这样的实施例在图4中显示，其中多个封装件SCOF线缆被显示为具有4个光纤缓冲封装件41。该设计具有更小的中心缓冲封装件42，以在SCOF线缆中产生总共52根光纤。可选择的，中央空间可以被中央加强件占据。这一SCOF线缆的实施例具有芳族聚酰胺纱层43和外护层44。各个光纤可被彩色编码以帮助识别和组织用于拼接的光纤。在图4所示的实施例中，光纤缓冲封装件还可以由标记或者颜色编码，以提供用于识别和选择光纤的额外帮助。光纤缓冲封装件的紧凑尺寸允许制造比通常在竞争线缆设计中发现的线缆更小的线缆。
如上所述的线缆设计可以进一步被改变以增加额外的抗压缩性、强度和耐用性。这样的改变的设计实质上是图4的线缆，其被增加有第二聚合物包覆物和第二护套。第二包覆物可以类似于包覆物43，即，强化带或者纱的包覆物，优选为聚芳酰胺，尽管可以使用玻璃纱。该带或者纱可以为直线的或者可以被螺旋形扭曲。芳族聚酰胺纱可以涂覆有遇水膨胀涂覆层，其可以防止顺着线缆长度渗水。其他阻水装置(诸如带、纱或者粉末)也可以被用来限制渗水。术语聚合物包覆物意在描述沿着线缆长度缠绕或者绑缚的任何细长聚合材料。该材料可以是带、纱、网、用纤维(FRP)或者玻璃(GRP)强化的塑料或其他合适的选择。
除了上面提到的之外，存在其他有用的线缆护套设计。例如，芳族聚酰胺纱或者带可被结合在聚合物中并且被用作单独层。芳族聚酰胺纱或者带可被粘合剂覆盖以提高线缆结构内的粘合性。
第二聚合物护套可以与护套44类似，并且被形成作为第二包覆物周围的封装件。如在护套44的情况下，合适的聚合物是聚乙烯、聚丙烯、尼龙及适合于该使用的其他材料。外护套可以包括紫外线稳定剂，而在这样情况下可能不必向内护套44增加紫外线稳定剂。
除了上面提到的之外，存在其他有用的线缆护套设计。例如，芳族聚酰胺纱或者带可被结合在聚合物中并且被用作单独层。芳族聚酰胺纱或者带可被粘合剂覆盖以提高线缆结构内的粘合性。所有这些线缆护套设计可被一般地分类为强化的聚合物线缆护套。
从上述说明中应该明显得出的是，缓冲封装件包括线缆的子单元，其含义是作为光纤的子组件分别地被制备，然后在保护性的纱和保护性护套中与多个缓冲封装件成缆。对于缓冲封装件子单元和第一聚合物包覆物以及第一护套组合的情形也是如此。这些也可以组成更大线缆设计的子单元。
安装有感测箱的SCOF线缆被如上所述地使用并且再使用。其在现场通常不会被安装在固定的位置。因此，其不具有通常的安装辅助物，例如拉环等等。
通常的的SCOF线缆的长度是几百米(例如200至几千，例如2000或者3000米)，如前所述的，传感器箱每隔2-30米的规律间隔安装，优选为5-15米。为了帮助安装传感器箱，SCOF线缆可以以合适的间隔(例如，每10米)标记基准标记(例如，一个或多个″X″)，来指示传感器箱安装的位置。
对于安装传感器箱的另一帮助在于包括由工厂在线缆护套内有意的传感器箱的位置中的每处提供狭缝，以便于将传感器箱与SCOF线缆中所选光纤拼接。每个狭缝沿着线缆长度的长度可以大约为100至200毫米，优选为130毫米至170毫米。
在线缆中使用非传统的SCOF造成使用更少的材料、更小的卷筒、更低的运输和装卸成本、更方便的线缆部署、便于访问以及识别光纤。就SCOF的性能而言，如上所述的更小、更轻、更柔韧的SCOF线缆给出了这些特定的特征。
如上所述的SCOF线缆经得起150N的额定拉力，并且最大值达到1800N。另外，比较装载之前和之后，利用工艺EC60794-1-2-E11具有12.5毫米的弯曲半径情况下，无衰减变化，并且比较装载之前和之后，利用光纤单元弯曲IEC60794-1-2-G1具有10毫米的弯曲半径的情况下，无衰减变化。
SCOF的优选的光学性质是：
截止波长1410±50纳米
1550纳米处的模场直径6.0±0.5μm
1550纳米处的最大衰减0.50dB/km
1550纳米处的由于90°弯曲和1.6毫米半径引起的最大衰减6.0dB
1550纳米处的通过围绕4毫米半径芯轴50圈的弯曲衰减＜0.01dB
1550纳米处的耗散4至8ps/nm/km
本领域技术人员可以想到本发明的其他不同修改。与基本上依靠通过其改进工艺的原理和它们的等同的本说明书的特定教导的所有偏差，应当被适当地考虑在本发明描述和要求的范围内。

Claims (19)

1.一种地震光纤线缆，包括：
被第一加强层围绕的至少两根光纤，该光纤包括纤芯、包层以及聚合物涂覆层，其中，纤芯和包层具有75-85微米范围内的组合直径，并且光纤的总直径小于170微米，
围绕第一加强层的聚合物护套，
围绕第一聚合物护套的第二加强层，以及
围绕第二加强层的第二聚合物护套。
2.如权利要求1所述的地震光纤线缆，其中，至少一个加强层包括强化纱的包覆物。
3.如权利要求1所述的地震光纤线缆，其中，至少一个加强层包括强化带的包覆物。
4.一种地震光纤线缆，包括：
(a)光纤缓冲封装件，其包括：
i.封装在聚合物基体中的至少两根光纤，该光纤包括纤芯、包层以及聚合物涂覆层，其中，纤芯和包层具有75-85微米范围内的组合直径，并且光纤的总直径小于170微米，
聚合物基体具有第一模量，
ii.封装聚合物基体的聚合物层，该聚合物层具有第二模量，其中第二模量大于第一模量，
(b)围绕光纤缓冲封装件的经强化的聚合物线缆护套，该经强化的聚合物线缆护套具有圆形截面。
5.一种地震光纤线缆，包括：
(a)多个的N根光纤的缓冲封装件，该多个光纤缓冲封装件中的每个包括：
i.封装在聚合物基体中的至少两根光纤，该光纤包括纤芯、包层以及聚合物涂覆层，其中，纤芯和包层具有75-85微米范围内的组合直径，并且光纤的总直径小于170微米，
聚合物基体具有第一模量，
ii封装聚合物基体的聚合物层，该聚合物层具有第二模量，其中第二模量大于第一模量，
(b)围绕光纤缓冲封装件的经强化的聚合物线缆护套，该经强化的聚合物线缆护套具有圆形截面。
6.如权利要求5所述的地震光纤线缆，其中，N在2-12的范围内。
7.如权利要求6所述的地震光纤线缆，其中，线缆护套包括在沿着地震光纤线缆的、待安装传感器箱的间隔位置处的穿过线缆护套的狭缝。
8.如权利要求7所述的地震光纤线缆，其中，间隔位置之间的间距相等并且在2-30米的范围内。
9.如权利要求8所述的地震光纤线缆，其中，狭缝长100-200毫米。
10.如权利要求6所述的地震光纤线缆，其中，线缆护套被在沿着地震光纤的间隔位置处标记有基准标记，以指示待安装传感器箱的位置。
11.如权利要求10所述的地震光纤线缆，其中，间隔位置之间的间距相等并且在2-30米的范围内。
12.如权利要求6所述的地震光纤线缆，还包括与地震光纤线缆连接并且在沿着地震光纤的间隔位置处定位的传感器箱。
13.如权利要求12所述的地震光纤线缆，其中，间隔位置之间的间距相等并且在2-30米的范围内。
14.如权利要求6所述的光纤线缆，其中，聚合物基体和聚合物层两者都包括紫外线固化的丙烯酸酯。
15.如权利要求6所述的光纤线缆，其中，聚合物基体的模量在0.1至50MPa的范围内。
16.如权利要求6所述的光纤线缆，其中，聚合物基体的模量在0.5至10MPa的范围内。
17.如权利要求6所述的光纤线缆，其中，聚合物层的模量在200MPa至1000MPa的范围内。
18.如权利要求6所述的地震光纤线缆，其中，线缆护套的截面具有小于6毫米的直径。
19.如权利要求6所述的光纤线缆，另外包括：
(d)围绕第一线缆护套的第二聚合物包覆物加强层，以及
(e)围绕第二聚合物包覆物加强层的第二线缆护套，该线缆护套具有圆形截面。
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