CN112394459A - 一种用于套管外安装的油气井用传感光缆 - Google Patents

Abstract

一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，包括有中心光缆、钢丝绳和护套，护套为扁平状且挤塑套设于中心光缆和钢丝绳的外部，中心光缆的两侧设置有钢丝绳，中心光缆包括有护层钢管、至少一个钢管光纤单元和多根加强件，加强件与钢管光纤单元绞合形成缆状结构，缆状结构设置于护层钢管内且与护层钢管的内侧紧密贴合。本发明提供的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆结构简单且紧凑，感知灵敏，同时又具有较高的抗侧压性能，使得套管外井下施工作业更加安全可靠。

Description

一种用于套管外安装的油气井用传感光缆

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种用于套管外安装的油气井用传感光缆。

背景技术

光纤分布式声波传感技术(DAS)是一种利用后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术，利用光纤对声音(振动)的敏感特性，当外界振动作用于传感光纤时，光纤的折射率、长度将发生微小变化，从而导致光纤内传输信号的相位变化，使光强发生变化，可以实现光纤沿线动态应变(振动、声波)的长距离、分布式、定时定量检测。通过声传感技术，可以分布式的监测到地震波，通过地震波的位置与地壳运动声波来感知和预测石油分层或者其它矿藏情况，也可在生产时感知液体流速判断产量从而对生产予以指导，因此在石油天然气行业具有广阔的应用前景。

一般油气井的作业结构顺序大致为：地层钻孔，下套管、套管内放油管。目前作为传感用的油井光缆大致有4种结构且分别对应4个应用场景：(1)承载荷测井光缆，双层钢丝铠装，可反复收放、重复使用。通常下入套管内或油管内；(2)套管外永久性安装油井光缆，固定在套管外部，随套管同时下入井内，通常为一次性使用；(3)油管外永久性安装油井光缆，固定在油管外部，随油管同时下入井内，通常为一次性使用；(4)连续油管用油井光缆，在工厂或现场将光缆泵入连续油管内。

在以上4个应用场景中，套管外永久性安装的油井光缆直接与岩层接触，对外部震源的声波灵敏度最高。而其它3种场景中，声波在传输过程中受到了筒壁及筒内液体如水、泥浆等的能量吸收，传到光纤内的声波信号能量有所减弱，降低了了DAS传感系统的信噪比。向地下钻井过程中，钻头始终经历一个“走偏—复位—再走偏—再复位”的过程，因此，局部看井筒是垂直向下的，但整体看，井筒是弯弯曲曲。由于套管内充满了水或泥浆，整体重量约有几十吨，所以，在下套管时，由于井筒整体是弯曲的，故而永久性安装在套管外的油井光缆不可避免的会受到套管与岩壁之间的巨大挤压力，也是套管外油井光缆易受损坏的主要原因。而其他3个应用场景中的油井光缆，由于受到了套管的保护，布放后光纤光缆的完好率非常高，可使DAS采集过程顺利完成，因此也是目前油井光缆应用最多的使用环境。但是，当井深超过4000米时，由于地面震源传导至此处的声波本来已经很弱，再加上筒壁及泥浆的吸收，DAS光纤几乎接受不到或完全接收不到声波信号。

目前针对套管外永久性安装油井光缆易受损的问题，技术人员提出了一种套管外安装的油井光缆的结构，参见图1所示，主要结构由位于中心的中心光缆1、位于中心光缆1两侧的钢丝绳2以及整个高分子材料护套3组成。并且提供一到两种现有常见的中心光缆结构，参见图2所示，中心光缆结构组成为：内部设置有光纤7的钢管光纤单元4、次外层钢管5、外层钢管6，参见图3所示，中心光缆结构组成为：内部设置有光纤7的钢管光纤单元4、次外层铝管8、外层钢管6。从结构上看，目前的中心光缆结构主要由钢管+钢管/铝管组成，虽然根据不同的外护层钢管/铝管厚度，中心光缆具有一定的抗挤压能力，但总体看实际为内部为空心结构，在套管的巨大挤压力下，一旦中心光缆两侧的钢丝绳出现压扁变形，则中心光缆因不具有抗挤压能力而随之被压扁，其结果是光纤被压断，DAS系统无法工作。

因此，针对上述中心光缆结构存在的缺陷以及导致整个套管外永久性安装用油井光缆受损的问题，有必要重新设计一种用于套管外安装的油气井用传感光缆以满足目前安装使用环境的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，该传感光缆结构简单且紧凑，感知灵敏，同时又具有较高的抗侧压性能，使得套管外井下施工作业更加安全可靠。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，包括有中心光缆、钢丝绳和护套，所述护套为扁平状且挤塑套设于所述中心光缆和所述钢丝绳的外部，所述中心光缆的两侧设置有所述钢丝绳，所述中心光缆包括有护层钢管、至少一个钢管光纤单元和多根加强件，所述加强件与所述钢管光纤单元绞合形成缆状结构，所述缆状结构设置于所述护层钢管内且与所述护层钢管的内侧壁紧密贴合。

作为优选的，所述中心光缆还包括有光缆护套，所述光缆护套套设在所述护层钢管上且与所述护层钢管的外侧壁紧密贴合。

作为优选的，所述钢管光纤单元与所述加强件绞合形成的所述缆状结构至少包括一层绞合层，所述钢管光纤单元设置在所述缆状结构的中心位置、内层绞合层、外层绞合层、次外层绞合层的其中一种或多种。

作为优选的，所述钢管光纤单元包括有至少一根光纤、耐温填充物以及金属带焊接管，所述光纤设置在所述金属带焊接管内，且所述金属带焊接管的内部空间填充有所述耐温填充物，所述金属带焊接管的外径小于等于2mm。

作为优选的，所述光纤为石英光纤，且所述光纤的表面涂覆有一层耐温涂层，所述光纤的芯数至少为1芯，所述耐温填充物为纤膏。

作为优选的，所述加强件为金属线材或异形金属线材。

作为优选的，所述加强件为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝、异形金属线材或不锈钢丝的其中一种。

作为优选的，所述护层钢管为由一个单层金属带激光焊接构成的单层钢管，或是为由多个多层金属带分步骤焊接的多层钢管，所述护层钢管的总壁厚大于等于0.5mm。

作为优选的，所述光缆护套由高密度聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯的其中一种制成。

作为优选的，所述钢丝绳为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝或不锈钢丝的其中一种绞合而成，所述钢丝绳外径大于等于所述中心光缆外径。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆具有以下优点：

1)光缆结构紧凑，对声波振动感知灵敏。

2)光缆主体为金属材料，抗侧压力强，可承受150kN以上的压力而不影响光纤的通信、传感功能，降低了套管外井下施工作业光缆破损的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中油井光缆的结构示意图；

图2为现有技术中常见之一的中心光缆的结构示意图；

图3为现有技术中常见之二的中心光缆的结构示意图；

图4为本发明提供的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆的结构示意图；

图5为本发明提供的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆中中心光缆的结构示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

1、中心光缆；2、钢丝绳；3、护套；4、钢管光纤单元；5、次外层钢管；6、外层钢管；7、光纤；8、次外层铝管；9、护层钢管；10、加强件；11、金属带焊接管；12、光缆护套。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图4～图5所示，一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，包括有中心光缆1、钢丝2和护套3，护套3为扁平状且挤塑套设于中心光缆1和钢丝绳2的外部，中心光缆1的两侧设置有钢丝绳2。钢丝绳为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝或不锈钢丝的其中一种绞合而成，且钢丝绳外径大于等于中心光缆外径。

中心光缆1包括有护层钢管9、至少一个钢管光纤单元4和多根加强件10，通常采用5根加强件10与1个钢管光纤单元4绞合，当然根据光纤芯数的不同也可采用4根加强件10与2个钢管光纤单元4绞合，具体数量不做要求，根据实际生产需要确定。

加强件10与钢管光纤单元4绞合形成缆状结构，该缆状结构至少包括一层绞合层，钢管光纤单元4设置在缆状结构的中心位置、内层绞合层、外层绞合层、次外层绞合层的其中一种或多种，从而起到钢管光纤单元4不被外部机械作用而破坏。缆状结构设置于护层钢管9内且与护层钢管9的内侧壁紧密贴合，中心光缆1还包括有光缆护套12，该光缆护套12套设在护层钢管1上且与护层钢管1的外侧壁紧密贴合。

具体的，钢管光纤单元4包括有至少一根光纤7、耐温填充物(图中未示出)以及金属带焊接管11，光纤7设置在金属带焊接管11内，且金属带焊接管11的内部空间填充有耐温填充物，金属带焊接管11的外径小于等于2mm。光纤7为石英光纤，且光纤7的表面涂覆有一层耐温涂层，光纤7的芯数至少为1芯，耐温填充物可根据环境温度填充相应的填充物，如纤膏或其他保护光纤的填充材料。

光纤7表面的耐温涂层可根据光缆的应用环境要求进行选择，可采用长期工作温度达85℃的普通聚丙烯酸酯涂层、耐温等级达150℃的聚丙烯酸酯涂层，耐温等级达200℃的聚酯类涂层、硅橡胶类涂层，以及耐温等级高达350℃的聚酰亚胺类涂层，即耐温材料层可选用为聚丙烯酸酯涂层、聚氨酯涂层、聚酯类涂层、硅橡胶类涂层以及聚酰亚胺类涂层的其中一种，具体耐温材料层的选择可根据实际生产情况而定，并不局限于上述材料结构层的选择。

加强件10采用金属线材或异形金属线材，具有良好的耐蚀性，可为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝、不锈钢丝或其他符合上述要求且具有良好耐蚀性的金属材料。护层钢管9可为由一个单层金属带激光焊接构成的单层钢管，也可为由多个多层金属带分步骤焊接的多层钢管，护层钢管9的壁厚大于等于0.5mm，可以采用不锈钢、镍基合金等耐蚀性材料。

光缆护套12采用高密度聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯的其中一种制成，同样的，光缆护套材料的选择需根据实际井下应用环境而定，并不局限于上述材料。

实施例一，光纤为单模光纤，光纤的芯数为2芯，光纤的耐温材料层为丙烯酸酯类涂覆材料，长期工作温度可达150℃。光纤的耐温材料层直径为245um±10um，光纤的模场直径为7.6～10um，光纤的包层直径为125um。钢管光纤单元外径为1.45mm，壁厚为0.2mm，材质为S30408，光纤单元填充物为耐150℃的光纤阻水油膏。加强件为1.45mm不锈钢丝，材质为S30408，将6根不锈钢丝与钢管光纤单元绞合成缆，钢管光纤单元位于外层。护层钢管外径为6.35mm，壁厚为0.89mm，材质为S31603。钢丝绳为6根2.1mm镀锌钢丝与1根2.15mm镀锌钢丝绞合成外径为6.35mm的钢丝绳。光缆护套采用为聚偏氟乙烯(PVDF)，尺寸为11mm×23mm。所得的油气井传感光缆的抗侧压力＞150kN。

上述中心光缆的制造方法如下：

S1、裸光纤采用耐150℃涂料着色，紫外光固化。

S2、着色的光纤置于放纤架，不锈钢带置于放带架经成型模具后采用激光焊接，焊接稳定后光纤放纤，经拉拔后收线。

S3、钢管光纤单元与不锈钢丝按一定节距绞合，钢管光纤单元置于外层，绞合紧密，无隙缝、散股，形成缆状结构。

S4、采用0.89mm厚的不锈钢带将步骤S3中的缆状结构包裹后激光管焊接，在线拉拔，然后收线，形成护层钢管。

S5、将护层钢管外挤塑出聚偏氟乙烯(PVDF)光缆护套，尺寸为11×23mm。

本发明提供的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，结构简单且紧凑，感知灵敏，探测结构精准，同时又具有较高的抗侧压性能，使得套管外井下施工作业更加安全可靠。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，包括有中心光缆、钢丝绳和护套，所述护套为扁平状且挤塑套设于所述中心光缆和所述钢丝绳的外部，所述中心光缆的两侧设置有所述钢丝绳，其特征在于：所述中心光缆包括有护层钢管、至少一个钢管光纤单元和多根加强件，所述加强件与所述钢管光纤单元绞合形成缆状结构，所述缆状结构设置于所述护层钢管内且与所述护层钢管的内侧壁紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述中心光缆还包括有光缆护套，所述光缆护套套设在所述护层钢管上且与所述护层钢管的外侧壁紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述钢管光纤单元与所述加强件绞合形成的所述缆状结构至少包括一层绞合层，所述钢管光纤单元设置在所述缆状结构的中心位置、内层绞合层、外层绞合层、次外层绞合层的其中一种或多种。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述钢管光纤单元包括有至少一根光纤、耐温填充物以及金属带焊接管，所述光纤设置在所述金属带焊接管内，且所述金属带焊接管的内部空间填充有所述耐温填充物，所述金属带焊接管的外径小于等于2mm。

5.根据权利要求4所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述光纤为石英光纤，且所述光纤的表面涂覆有一层耐温涂层，所述光纤的芯数至少为1芯，所述耐温填充物为纤膏。

6.根据权利要求1～3任意一项所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述加强件为金属线材或异形金属线材。

7.根据权利要求6任意一项所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述加强件为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝或不锈钢丝的其中一种。

8.根据权利要求1～3任意一项所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述护层钢管为由一个单层金属带激光焊接构成的单层钢管，或是为由多个多层金属带分步骤焊接的多层钢管，所述护层钢管的总壁厚大于等于0.5mm。

9.根据权利要求2所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述光缆护套由高密度聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯的其中一种制成。

10.根据权利要求1所述的一种用于套管外安装的油气井用传感光缆，其特征在于：所述钢丝绳为镀锌钢丝、高碳钢丝、磷化钢丝或不锈钢丝的其中一种绞合而成，所述钢丝绳外径大于等于所述中心光缆外径。

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