CN114026658A - 机械响应性光纤线组件 - Google Patents

Abstract

一种配置有累积间隙的光纤线组件，用于产生机械响应并防止微弯损坏。所述组件可以结合到钢缆电缆或钢丝电缆中，以便在井中应用期间获得准确性提高的光纤读数。所述间隙经过独特调整以允许在将所述电缆部署到所述井中期间自然减小，从而提高准确度。然而，所述间隙也足以帮助避免因将所述电缆部署到所述井内时产生的所得机械响应而导致的微弯曲损坏。

Description

机械响应性光纤线组件

相关申请

本专利文档根据35U.S.C.§120主张2019年6月28日提交的标题为“光纤输送线架构以及制造技术(Optical Fiber Conveyance Line Architecture and ManufacturingTechniques)”的第62/868,139号美国申请的优先权，且所述美国申请通过引用全文并入本文中。

背景技术

对油气井和其它井进行勘探、钻探和完井通常是复杂、耗时、最终也是非常昂贵的工作。考虑到这些费用，人们更加重视与完井和井寿命期间的维护相关的效率。因此，例如，在测井、射孔或许多介入应用方面提高效率可能会效益显著，尤其在井复杂性和深度不断增加，通常超过30,000英尺时。

为了测井、射孔或各种其它介入应用而将井下工具输送到井中的一种方式是使用钢缆电缆或钢丝电缆。钢缆电缆通常具有遥测和电源功能，而钢丝电缆可能轮廓较小且功能有限。更具体地，钢丝电缆只能提供用于将工具或工具串垂直落入井中的结构运输工具。

然而，随着对效率的日益关注，可以为钢缆电缆和钢丝电缆提供光纤能力。以这种方式，钢丝电缆可以配备实时遥测功能。此外，对于钢缆电缆和钢丝电缆两者，添加光纤线有助于通过传统的分布式应变和温度(DST)技术进行位置特定的温度和压力或应变测量。这样，可以通过运输工具提供一定程度的实时情报和潜在的响应。也就是说，从油田地面设备控制工具的方式是可用的，工具与地面设备之间的实时通信也是可用的。

将一根或多根光纤线结合到钢缆电缆或钢丝电缆中的传统方法通常涉及将线松散地放置到线路的周围架构中。例如，组件的光纤部分通常称为FIMT(金属管中的光纤)。从可制造性角度来看，这种包装是实用的。另外，允许管内的光纤在应用过程中浮动或迁移可能有助于防止由于周围管的机械弯曲和扭矩而对光纤造成应变引起的损坏。

遗憾的是，将光纤松散地放置在金属管内会牺牲从光纤获取数据方面的精度。例如，因为光纤线可能与管的结构相距显著距离，所以管中的弯曲可能不会转化成光纤线中立即可检测的或相同的弯曲。类似地，在线与管道之间留有空隙意味着管道在给定井下位置处暴露的温度可能不容易转化到光纤线。出于同样的原因，在电缆的任何给定位置处，线可以随机地在给定时刻与管道紧密地物理连通。在此类时间和位置，通过线进行的应变或温度检测实际上可能相当准确。当然，操作员和/或地面设备无法解释相对于任何其它时刻具有相对提高的准确性的这些时刻。因此，这个事实只会使事情复杂化。

当然，可以消除松动并将光纤线视为任何其它电缆部件。例如，带护套线可以在结构上紧靠金属管或某一其它护套结构定位。理论上，使用这种架构会提高从线获得的数据的准确性。遗憾的是，这个理论失败了，因为周围的结构往往会在光纤线中引起微弯曲断裂。在进入井中的电缆深度相当长的情况下尤其如此。在这种情况下，由此产生的周围结构的拉伸会对线造成挤压，从而即使在没有任何过度弯曲的情况下也会引起这种损坏。因此，操作员通常只能依赖不准确的光纤，而不是使用容易出现故障的一次性光纤电缆。

发明内容

钢缆电缆具有光纤线。线结合到附近的封装中。这种结合使得线在使用电缆的应用期间对封装进行机械响应。然而，在线与封装之间提供总共至少约0.002英寸的累积间隙。

附图说明

图1A是其中具有机械响应性光纤线组件的图2的电缆的前截面图。

图1B是机械响应性光纤线组件的放大截面图。

图2是油田的概览，其中在油田应用中部署在其中采用机械响应性光纤线组件的电缆。

图3A是采用图1B的机械响应性光纤线组件的电缆的实施方案。

图3B是采用图1B的机械响应性光纤线组件的电缆的另一实施方案。

图3C是采用图1B的机械响应性光纤线组件的电缆的又另一实施方案。

图4是单一光纤种类的机械响应性光纤线组件的替代实施方案的侧视截面图。

图5A是采用图4的机械响应性光纤线组件的电缆的第一实施方案。

图5B是采用图4的机械响应性光纤线组件的电缆的第二实施方案。

图5C是采用图4的机械响应性光纤线组件的电缆的第三实施方案。

图5D是采用图4的机械响应性光纤线组件的电缆的第四实施方案。

图6是概述在油田的应用中采用机械响应性光纤线组件的实施方案的流程图。

具体实施方式

参考某些电缆和井下应用来描述实施方案。具体地，本文所描绘的实施方案集中于例如在井中执行测井应用的钢缆或钢丝应用。然而，采用这种电缆的替代应用可以利用本文详述的独特特性。如本文所用，术语“钢丝”是指在总外径基本低于0.25至0.5英寸的输送线上运行的应用，而钢缆应用可能使用轮廓略微较大的电缆。无论如何，只要电缆具有光纤线，所述光纤线包括在应用期间转化成机械响应性总共至少约0.002英寸的累积间隙，就可以实现可观的益处。

现在具体参考图1A，图2的电缆110的前截面图示为其中具有机械响应性光纤线组件115。更具体地，另外参考图1B，以截面示出在部署于油田应用(例如，图2中所示的测井应用)中之前的电缆110和组件115。因此，此时，缠绕的电缆110保持在无展开负载下。因此，对光纤线组件115的仔细检查揭示带护套穿线件(threading)105与相邻金属管(116、117)之间的间隙100、101的程度。在所示实施方案中，其中设置有穿线件105的金属管以半圆形导体116、117的形式提供。

与传统的FIMT构造不同，光纤线组件115被配置成确保带护套的穿线件105对导体116、117在图2中所示的应用期间所暴露的条件进行机械响应。事实上，电缆110的其余结构，例如外聚合物层120、140、其它导体130、强度构件167、185等也是如此。也就是说，所有此结构在组件中物理地联接在一起，而没有任何可测量的间隙，例如内部组件的间隙100、101。此外，如下详述，即使间隙100、101如图1A和图1B中所示存在于组件115处，它在如图2所示的应用时基本上被消除。因此，在此应用期间向带护套的穿线件105提供机械响应特性。

继续具体参考图1A，示例电缆110另外具有标准构造，所述标准构造具有绝缘层120、125、140、150、155、175、导体130、强度构件167、185和外护套190。具体参考图1B，放大并更详细地示出在电缆110的核心处的光纤线组件115。在此视图中，带护套穿线件105之间的累积间隙100、101是显而易见的。它被示为在中心定位的穿线件105的两侧具有空间的“累积间隙”100、101。当然，在构造时，穿线件105可以以非中心方式定位或甚至完全位于组件115内部的一侧，使得仅存在一个间隙100或101。出于这个原因，术语“累积间隙”用于表示穿线件105与金属管(例如，116、117)内部之间的总空间，如沿着穿过穿线件105中心的任何轴向直径测量并持续至相邻管道。

在所示的实施方案中，累积间隙100、101在大约0.002英寸与大约0.004英寸之间。也就是说，在理论上，完全消除间隙可以为如图2所示的应用提供对穿线件105的机械响应。然而，这也会对穿线件105产生应力，因为如图2中所示，电缆110的重量将由于电缆悬挂在井280中而倾向于对周围结构施加负载。因此，不允许电缆110挤压金属管(116、117)而直接影响无间隙穿线件105，而是有意将累积间隙100、101构建到电缆110的架构中。以此方式，随着图2的应用的进行，所呈现的负载导致金属管116、117上的压缩足以最小化间隙100、101并提供机械响应，而不会对穿线件105施加不适当的应力。因此，即使已经提供了机械响应性，也可以基本上避免单个光纤线106、107、108出现微裂纹的可能性。值得注意的是，虽然图1A和图1B的实施方案揭示用于线组件115的螺旋缠绕的三重带护套光纤线(106、107、108)，但如本文进一步详述，可以采用其它光纤配置，包括单光纤配置。

现在参考图2，示出了油田200的概览，其中图1A的电缆110与其中的机械响应性光纤线组件115(参见例如图1B)一起使用。值得注意的是，如上文所建议，在所示油田应用中使用电缆110为内部光纤线组件115提供机械响应特性。具体而言，在此视图中，很容易理解电缆悬挂时的自重负载。例如，额外参考图1A，电缆110的高度聚合内部结构将导致悬挂期间的拉伸，所述拉伸将趋向于朝向和/或抵靠组件115压缩。

继续参考图2，电缆110具体地悬挂在井280内以部署用于测井应用的测井工具285。这样，当工具285穿过各种地层275、295时，可以获取井特征信息。因此，测井应用和工具285可以受益于通过电缆110的光纤进行遥测的能力。例如，如图2中所示，油田200配备有例如卡车210的大量地面设备250，以便从卷筒215进行移动电缆输送。然而，在所示实施方案中，卡车210还容纳控制单元230，所述控制单元可以容纳用于与井下测井工具285介接的处理器和电源装置。因此，不是使用限于井下电池和记录器的工具运行测井应用以供以后分析，而是可以运行其中工具285被提供足够的电力并且单元230实时从其获取数据的应用。

为了有效地运行如上所述的这种实时井下应用，电缆110具有独特的架构，所述架构增强获得的光纤读数的准确性，而不会对光纤部件施加不适当的应力。具体地，如上所述，由于上述原因，在电缆110中采用累积间隙100、101在大约0.002英寸与大约0.004英寸之间的架构最终在应用期间提供机械响应性光纤架构(参见图1B)。

继续另外参考图1A和图1B，术语“机械响应性”用于强调在应用期间累积间隙100、101的显著减少或消除。也就是说，周围结构围绕金属管116、117并最终朝向穿线件105挤压。因此，例如，可以以更高的准确度确定机械电缆弯曲的光纤检测。然而，还值得注意的是，随着在应用期间间隙100、101的机械减小或消除，机械响应不是唯一增强的光纤检测。事实上，压力、温度或可从光纤部件确定的任何检测也得到增强。例如，考虑以间隙100、101的形式减少或消除空间将如何增加光纤对来自井280的温度读数的灵敏度。本质上，电缆110以具有间隙100、101的独特方式构造以保护脆弱的光纤部件，这在部署时减少以增强光纤检测而不会对部件造成过度伤害。

现在参考图3A至图3C，示出不同的电缆实施方案并且每个实施方案采用与图1B类似的机械响应性光纤线组件315。具体地，图3A示出具有嵌入聚合物中的多层强度构件350的带厚护套电缆，所述强度构件具有更中心的功率传导芯(参见导体封装325)。电缆的此中心芯还包括内部强度构件封装375以及两个不同的机械响应性光纤线组件315。因此，就光纤而言，可以从电缆的两个不同侧获取增强的准确读数。此外，对于图3B的实施方案，第三线组件315设置在电缆的正中央。因此，可以获取中心读数和边读数两者以进行比较分析。

现在参考图3C，示出采用机械响应性光纤线组件315的电缆的另一实施方案。在此实施方案中，组件315直接结合到强度构件(例如，350)中。因此，例如，代替将导体116、117用于金属管功能，采用更传统的金属管，但具有定制的累积间隙100、101的附加特征(参见图1B)。在所示的实施方案中，导体封装325再次位于中央，而多层加强构件350位于更外部。因此，通过将机械响应性光纤线组件315结合到强度构件位置，可以获得靠近井眼的更多外部读数。另外，应注意，在此实施方案中，光纤可以是如图1B所示的螺旋三重种类或如下面讨论的单光纤种类。

现在参考图4，示出机械响应性光纤线组件415的替代实施方案的侧视截面图。如上所述，图4的组件是单光纤种类，在其芯位置具有单光纤线406。类似于图1B的实施方案，提供护套405以及导体416、417形式的金属管。再次值得注意的是，为了在应用期间提供可靠的机械响应，提供介于约0.002英寸与约0.004英寸之间的调整后累积间隙400、401。

现在参考图5A至图5D，示出采用图4的单光纤机械响应性光纤线组件415的不同电缆实施方案。具体地，图5A示出具有类似于图3A的实施方案的内部导体封装425和加强构件450的外部层的带厚护套实施方案。此外，线组件415位于电缆中心部分的两个不同侧，以便从不同的电缆侧获得比较读数。此外，在此实施方案中，将三重螺旋光纤替换为单光纤种类有助于在不改变轮廓的情况下为每个组件415确定更大的导体尺寸。

图5B和图5C示出类似于图5A但是利用第三单光纤机械响应性组件415的实施方案。因此，例如，类似于在图3B的实施方案中，除了在中心电缆区域的任一侧的组件415之外，还可以使用位于中心的组件415。此外，如图5C所示，组件415可以以三重配置提供。实际上，在一个实施方案中，此三重组件415本身可以在电缆的整个长度上彼此螺旋缠绕。

现在参考图5D，示出采用图4的单纤维机械响应性光纤线组件415的电缆的又一个实施方案。在此实施方案中，另一个三重组件415在中心位置具有导体封装425和强度构件450的更多外部层。在此实施方案中，组件的导体是不均匀的种类。也就是说，可以采用多种导体形态，而不是图1B中更常见的、新月形、尺寸均匀的介接导体116、117。同样，只要累积间隙400、401在0.002英寸至0.004英寸的范围内，就可以在应用期间获得光纤的机械响应，而没有光纤微断裂的过度风险。

现在参考图6，图6是概述在油田的应用中采用机械响应性光纤线组件的实施方案的流程图。即，如在615所示，钢丝电缆或钢缆电缆被构造成具有光纤容量以及将光纤和相邻金属管分离的在大约0.002与大约0.004英寸之间的累积间隙。因此，当如在640所示，将电缆部署到井中时，由于周围电缆结构(参见665)的负载，累积间隙可以自然地减小。以这种方式，可以将机械响应特性提供给光纤以提高读取精度，如在690所示。

上文详述的实施方案利用金属管与光纤之间的间隔或间隙的概念来例如在存储和运输期间保护电缆中的光纤。此外，将此间距调整为独特的尺寸，使得在使用电缆时，通过悬挂在井中来减小或消除间距，以便提供对光纤的机械响应以增强光纤读数。再一次，还对间距进行调整，以基本上避免因受挤压的金属管结构施加的接触应力而对光纤造成微弯曲损坏。因此，来自光纤的读数具有更高的准确性，而不具有损坏光纤的过度风险。

已经参考当前优选的实施方案呈现了前面的描述。这些实施方案所属领域和技术的技术人员将理解，可以在不有意义地脱离这些实施方案的原理和范围的情况下实践所描述的结构和操作方法的更改和改变。不管怎样，前面的描述不应被理解为仅与附图中描述和示出的精确结构有关，而应被理解为与以下权利要求一致并支持以下权利要求，这些权利要求将具有最完整和最公平的范围。

Claims (20)

1.一种用于部署到井中以用于其中的应用的光纤电缆，所述电缆包括：

光纤线组件，其具有周围带有金属管的光纤穿线件，在所述穿线件与所述管道之间构造的累积间隙至少约为0.002英寸；以及

绝缘层、导体层、强度构件层和护套中的至少一个，其围绕所述光纤线组件并在所述应用期间对所述光纤线组件施加负载，以减小所述累积间隙来增强来自所述穿线件的机械响应。

2.如权利要求1所述的光纤电缆，其中所述累积间隙小于约0.004英寸以确保增强所述机械响应。

3.如权利要求1所述的光纤电缆，其中所述光纤线组件是第一光纤线组件，所述电缆还包括第二光纤线组件。

4.如权利要求3所述的光纤电缆，其中所述第一和第二组件位于所述电缆的不同侧，以在所述应用期间获得比较读数。

5.如权利要求3所述的光纤电缆，其中所述组件在所述电缆的长度上彼此螺旋缠绕。

6.如权利要求3所述的光纤电缆，其中所述第二光纤线组件结合到所述强度构件层的强度构件中。

7.如权利要求6所述的光纤电缆，其中在所述应用期间，所述第二光纤线组件比所述第一光纤线组件更靠近所述井的环境定位，以增强来自其的读数。

8.一种机械响应性光纤线组件，用于结合到电缆以在井中使用，所述组件包括：

光纤穿线件；以及

围绕所述穿线件的金属管，其中其间的累积间隙在大约0.002英寸与大约0.004英寸之间。

9.如权利要求8所述的光纤线组件，其中所述穿线件包括围绕光纤线的聚合物护套。

10.如权利要求8所述的光纤线组件，其中所述穿线件包括围绕三重光纤线的聚合物护套。

11.如权利要求10所述的光纤线组件，其中所述三重是螺旋缠绕的三重。

12.如权利要求8所述的光纤线组件，其中所述金属管包括导体。

13.如权利要求12所述的光纤线组件，其中所述导体包括多个均匀的半圆形导体以形成所述金属管。

14.如权利要求12所述的光纤线组件，其中所述导体包括多个非均匀导体，所述非均匀导体接合以形成所述金属管。

15.一种通过光纤电缆在井中执行应用的方法，所述方法包括：

获得具有光纤容量的电缆，所述电缆包括将所述电缆的光纤线穿线件和围绕其的金属管分离的在约0.002英寸与约0.004英寸之间的累积间隙；

将所述电缆部署到所述井中以用于所述应用；

在所述部署期间减小所述累积间隙，以增强来自光纤线组件的机械响应；

执行所述应用；以及

由于所述累积间隙的所述减小，在所述应用的所述执行期间从所述光纤线获得增强的读数。

16.如权利要求15所述的方法，其中当电缆结构通过部署而悬挂在所述井中时，所述电缆结构围绕所述金属管的负载促进所述累积间隙的所述减小。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述减小所述累积间隙包括基本上消除所述间隙。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述消除所述间隙基本上避免对所述光纤穿线件引入微弯曲损坏。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述电缆是钢缆电缆和钢丝电缆中的一种。

20.如权利要求19所述的钢缆电缆，其中所述电缆是所述钢缆电缆，以通过应用工具的电源支持所述应用，并且支持通过所述光纤穿线件到所述井附近的地面设备的实时遥测能力。

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