CN112504306A - 密绕光纤型超敏油井传感光缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高温弹性体增敏结构上密绕光纤以显著增强声波、温度灵敏度的耐高温双参数传感光缆，涉及光纤分布式传感及井中油气勘探开发领域。传感光缆内部包含耐高温材料涂覆的传感光纤，可同时感知外界声波及温度信息。光缆内光纤间段紧密缠绕于耐高温弹性体增敏结构上，使单位长度内被测信号变化量更大，可显著提高传感光缆的声压及温度灵敏度。弹性增敏结构表面镀有金属层，可进一步提高弹性增敏结构导热性能及传感光缆的温度灵敏度。本发明具有传感灵敏度显著提高，双参量能同时测量等优点，传感光缆的声压灵敏度及温度灵敏度可望得到数量级的提升，可用于井中高温环境下长时期、高灵敏的勘探与开发监测。
Description
技术领域
本发明涉及传感光缆技术领域，具体是指密绕光纤型超敏油井传感光缆。
背景技术
传统井中油气勘探采用电子检波器进行测试，每次测量中单个电子检波器仅能测量单点信息，串联多个电子检波器的方案成本较高，难以实现单炮覆盖全井范围的探测。然而，光纤分布式传感技术利用传感光缆作为传感媒介，可以对传感光缆内光纤上每一点的信息进行探测，空间分辨率及性价比要高很多。因此，光纤分布式传感技术应用于井中油气勘探开发时，探测效率显著提升，整体成本大幅下降，具有巨大的社会及经济效益。
现有光纤分布式传感系统在实际应用中，使用的光缆内传感光纤多为竖直状态或以较大螺距缠绕于中心加强件，传感光缆灵敏度有限。同时，由于现有传感光缆内部大多仅包含单根光纤，在使用单波长信号光源的情况下难以实现多参量测量。此外，现有普通传感光缆多应用于地面监测或管道安防监测等常温环境，难以满足井中油气勘探开发对传感光缆具有良好耐高温性能的要求。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种密绕光纤型超敏油井传感光缆，针对现有传感光缆灵敏度较低的问题，利用传感光纤间断紧密缠绕于弹性增敏结构的方法，有效提升了传感光缆的灵敏度，使其满足井中油气勘探开发高精度、高效率的要求。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
密绕光纤型超敏油井传感光缆，包括外护套、固化层、传感光纤、弹性增敏结构和抗拉加强件；传感光纤缠绕在弹性增敏结构上并通过固化层固定，传感光纤由交错分布的密绕段和非密绕段构成。
作为一种优选的方式，传感光纤的密绕段以100μm～1mm的螺距缠绕在弹性增敏结构上；传感光纤的非密绕段以1mm～1000mm的螺距缠绕在弹性增敏结构上。
作为一种优选的方式，传感光纤包括一根单模光纤，单模光纤内通过有两个不同波长的光信号，用于实现同时对声波和温度的分离测量。
作为一种优选的方式，传感光纤包括两根单模光纤，两根单模光纤分别用于声波和温度的测量。
作为一种优选的方式，外护套、所述弹性增敏结构采用耐高温材料制成；传感光纤表面涂覆有耐高温材料涂层。
作为一种优选的方式，弹性增敏结构为实心结构。
作为一种优选的方式，弹性增敏结构为弹性支撑层和空气层构成的空心结构。
作为一种优选的方式，弹性支撑层和空气层之间设有金属支撑层。
作为一种优选的方式，弹性增敏结构外表面镀有金属增敏层。
作为一种优选的方式，金属增敏层由铜构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明传感光纤利用交错分布的密绕段和非密绕段结构间断紧密缠绕在弹性增敏结构上，可在保证较长传感距离的同时，使缠绕部分单位长度上的光纤实际长度更长，受到外界扰动累积的散射光信号变化更强。且弹性增敏结构受到外界环境影响产生形变及温度变化可进一步提升传感光纤产生形变及温度变化，使得传感光缆的声压灵敏度及温度灵敏度能够得到数量级的提高。
(2)本发明通过波分复用技术向传感光缆内传感光纤打入不同波长的探测信号光，在接收端对不同波长信号光分离解调，可实现单根传感光缆多参量同时测量。
(3)本发明光缆应用于光纤分布式传感技术领域，通过采用耐高温的聚醚醚酮等材料制作外护套，聚酰亚胺等耐高温材料对传感光纤进行涂覆，硅橡胶等低杨氏模量的耐高温材料制作弹性增敏结构，使光缆具备耐高温特性，使其更适于在200～300℃高温环境的油气井中进行长久监测。
(4)本发明通过传感光缆内弹性增敏结构外镀一层金属增敏层，在保证弹性增敏结构提升传感光缆声压灵敏度的同时，提高弹性增敏结构的导热性能，进一步提升传感光纤温度变化，提高传感光缆的温度灵敏度。
附图说明
本申请将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述，其中：
图1为本发明的横截面示意图；
图2为本发明的传感光纤与弹性增敏结构缠绕结构示意图；
图3为本发明的温度变化时传感光纤未缠绕时沿距离的光强积分效应示意图；
图4为本发明的温度变化时传感光纤缠绕时沿距离的光强积分效应示意图；
图5为本发明的空心弹性增敏结构示意图；
图6为本发明的含有金属支撑层的弹性增敏结构示意图；
图7为本发明的镀有金属增敏层的弹性增敏结构示意图。
其中，1外护套，2固化层，3传感光纤，4弹性增敏结构，401弹性支撑层，402空气层，403金属支撑层，5金属增敏层，6抗拉加强件。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
图1～2和图5～7是本申请一些实施例所示的密绕光纤型超敏油井传感光缆的结构示意图，以下将结合图1～2和图5～7对本申请所涉及的密绕光纤型超敏油井传感光缆进行介绍。需要注意的是，图1～2和图5～7仅作为示例，并不对密绕光纤型超敏油井传感光缆的具体形状和结构形成限定。
参阅图1～2，在本实施方式中，密绕光纤型超敏油井传感光缆包括外护套1、固化层2、传感光纤3、弹性增敏结构4和抗拉加强件6；传感光纤3缠绕在弹性增敏结构4上并通过固化层2固定，传感光纤3由交错分布的密绕段和非密绕段构成。
在本实施例中，传感光纤3利用交错分布的密绕段和非密绕段结构间断紧密缠绕在弹性增敏结构4上，可在保证较长传感距离的同时，使缠绕部分单位长度上的光纤实际长度更长，受到外界扰动累积的散射光信号变化更强。且弹性增敏结构4受到外界环境影响产生形变及温度变化可进一步提升传感光纤3产生形变及温度变化，使得传感光缆的声压灵敏度及温度灵敏度能够得到数量级的提高。
其中，外护套1与抗拉加强件6用于对传感光纤3和弹性增敏结构4进行保护并增强光缆整体强度。具体的，抗拉加强件6为钢丝缠绕形成的铠装结构。
具体的，固化层2是胶水固化形成的。固化层2除用于加固传感光纤3与弹性增敏结构4的连接外，亦可对传感光纤3起到一定的保护作用。
在一些实施例中，传感光纤3的密绕段以100μm～1mm的螺距缠绕在弹性增敏结构上；传感光纤3的非密绕段以1mm～1000mm的螺距缠绕在弹性增敏结构4上。
在本实施例中，传感光纤3的缠绕方式如图2所示，传感光纤3一段以一定预应力以1mm～1000mm较大螺距缠绕于弹性增敏结构4上，一段以无缝隙紧挨横向缠绕或以100μm～1mm较小螺距缠绕于弹性增敏结构4上，往复如此。其中，传感光纤3密绕段紧密缠绕在弹性体增敏结构4上以增强传感光缆的声压及温度灵敏度，传感光纤3非密绕段以较大螺距缠绕于弹性增敏结构4上以防止光纤受弯曲影响断裂。
在一些实施例中，传感光纤3包括一根单模光纤，单模光纤内通过有两个不同波长的光信号，用于同时实现对声波和温度的分离测量。
在本实施例中，传感光纤3中同时传输两个不同波长的探测信号光，通过波分复用技术使得单根光缆可对多个参量同时进行测量，大大提高了传感光纤3的测量效率。此外，系统探测到的温度信息除可实时监测外界环境变化外，还可用于对分布式声波传感系统进行温度补偿。
此外，对于传感光纤3来说，在一些实施例中，亦可采用传感光纤包括两根单模光纤的结构，两根单模光纤分别用于声波和温度的测量。
其中，本实施例中所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆其灵敏度提高的原理如下：
首先，光纤的声压灵敏度是指声信号引起的光纤的相位差与声场中心位置处的自由场声压的比值：
其中，
由于声压作用导致的传感光纤3中传输光束的相位变化可分为两部分，一部分是声压直接作用在传感光纤3上引起的相位变化
另一部分是声压作用于弹性增敏结构4引起的形变带动传感光纤3产生相位变化
可表示为：
其中，L为光纤有效传感长度，β为光纤中的传播常数，n为光纤的纤芯折射率，D为纤芯直径，V为归一化频率，V与光纤的归一化波导折射率b有一定的对应关系。ΔL1为由光纤直接在外界压力作用下的长度变化，ΔL2为弹性增敏结构4在声压作用下的形变引起的光纤长度变化。
通过计算可知，
比
高一个数量级，因此声压作用于弹性增敏结构4产生形变带动传感光纤3内光束的相位变化远大于声压单独施加在传感光纤3上引起的光束相位变化。因此，本发明中采用传感光纤3间断紧密缠绕于弹性增敏结构4的结构，可以显著提高传感光缆的声压灵敏度。
其次，在光纤中，斯托克斯光子数Ns及反斯托克斯光子数Na为：
其中，Ks和Ka分别为与斯托克斯光和反斯托克斯光截面有关的系数，S为后向散射因子，vs和va分别为斯托克斯和反斯托克斯光的频率，α0、αs、αa分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的传输损耗，z为待测点距离，Rs(T)和Ra(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数。
根据已知的T0时刻传感光纤3中的斯托克斯和反斯托克斯光子数，可以对外界温度变化进行传感，其光子数变化关系为：
光纤分布式温度传感技术是将系统空间分辨率范围内光纤中的拉曼散射光强度进行积分计算反演外界温度，如图3所示，当传感光纤3未缠绕时，拉曼散射光强仅在温度变化点处增强，若空间分辨率大于热辐射范围，系统的计算结果与实际温度场将产生测量误差；而如图4所示，将传感光纤3缠绕于弹性增敏结构4上可提高单位长度内传感光纤3的实际长度，即在外界温度场发生变化时，即使空间分辨率大于热辐射范围，单位长度内DTS系统积分计算的拉曼散射光强度仍准确，系统精度及空间分辨率更高。在本实施例中，DTS系统空间分辨率为20m，将传感光纤3紧密缠绕于外径15mm的弹性体上，则缠绕20m传感光纤3的实际距离为0.106m。根据上述公式可知，此时DTS的接收信号强度可提高22.76dB。
在一些实施例中，外护套1、弹性增敏结构4采用耐高温材料制成；传感光纤3表面涂覆有耐高温材料涂层。
具体的，在在本实施例中，可采用耐高温的聚醚醚酮材料制作外护套1，聚酰亚胺等耐高温材料对传感光纤3进行涂覆，硅橡胶等低杨氏模量的耐高温材料制作弹性增敏结构4，使光缆具备耐高温特性，使其更适于在200～300℃高温环境的油气井中进行长久监测。
在一些实施例中，弹性增敏结构4为实心结构。实心结构的弹性增敏结构4机械强度高，但耗材多，光缆总体重量较重。
参阅图5，在一些实施例中，弹性增敏结构4为弹性支撑层401和空气层402构成的空心结构。
在本实施例中，空心结构的弹性增敏结构4灵敏度相对于实心结构更高，光缆总重量较轻，耗材少，但是机械强度略差。假设传感光纤3的纤芯杨氏模量为72GPa，泊松比为0.17，弹性增敏结构4中的弹性支撑层401的杨氏模量为500MPa，泊松比为0.465，外径为15mm，内径为6mm，通过计算可知传感光纤3的声压灵敏度为-184.45dB re rad/μPa，而经缠绕于弹性增敏结构4后传感光纤3的声压灵敏度为-155.39dB re rad/μPa。
参阅图6，在一些实施例中，弹性支撑层401和空气层402之间设有金属支撑层403。金属支撑层403可增强传感光缆的机械强度，以此在保证灵敏度的同时，克服空心结构弹性增敏结构4机械强度低的问题。假设传感光纤3及弹性增敏结构4中的弹性支撑层401的参数不变，金属支撑层403的杨氏模量为70.3GPa，泊松比为0.345，外径为8mm，内径为6mm，则此时缠绕后单模传感光纤301的声压灵敏度为-156.79dB re rad/μPa。
参阅图7，在一些实施例中，弹性增敏结构4外表面镀有金属增敏层5。
通过弹性增敏结构4镀有金属增敏层5，以提高传感光缆的温度灵敏度。
基于拉曼散射的DTS的采用反斯托克斯拉曼背向散射解调方法得到的温度灵敏度可表示为：
其中，h为普朗克系数，k为玻尔兹曼常数，Δv为光纤声子频率，T0为实时光纤温度，T为光纤某局域处温度变化量。而SiO2的导热系数约为7.6W/mK，金属的导热系数约为30～300W/mK。当本发明中传感光纤3间断紧密缠绕于表面镀有金属增敏层5的弹性增敏结构4上时，密绕段传感光纤3局域温度变化量更大，光纤拉曼散射光子通量更多，则温度灵敏度更高。
优选的，金属增敏层5由铜构成。由于铜具有良好的导热性能，可以此提高弹性增敏结构4的导热性能，以提高传感光缆的温度灵敏度。
具体的，弹性增敏结构4直径为0.5cm～2cm。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于，包括抗拉加强件(6)、外护套(1)、固化层(2)、传感光纤(3)和弹性增敏结构(4)；
所述传感光纤(3)缠绕在弹性增敏结构(4)上并通过固化层(2)固定，所述传感光纤(3)由交错分布的密绕段和非密绕段构成。
2.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述传感光纤(3)的密绕段以100μm～1mm的螺距缠绕在弹性增敏结构(4)上；
所述传感光纤(3)的非密绕段以1mm～1000mm的螺距缠绕在弹性增敏结构(4)上。
3.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述传感光纤(3)包括一根单模光纤，所述单模光纤内通过有两个不同波长的光信号，用于实现同时对声波和温度的分离测量。
4.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述传感光纤(3)包括两根单模光纤，两根单模光纤分别用于声波和温度的测量。
5.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述外护套(1)、所述弹性增敏结构(4)采用耐高温材料制成；
所述传感光纤(3)表面涂覆有耐高温材料涂层。
6.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述弹性增敏结构(4)为实心结构。
7.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述弹性增敏结构(4)为弹性支撑层(401)和空气层(402)构成的空心结构。
8.根据权利要求7所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述弹性支撑层(401)和空气层(402)之间设有金属支撑层(403)。
9.根据权利要求1所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述弹性增敏结构(4)外表面镀有金属增敏层(5)。
10.根据权利要求9所述的密绕光纤型超敏油井传感光缆，其特征在于：
所述金属增敏层(5)由铜构成。
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