CN114127604A - 绞合光纤电缆 - Google Patents

Abstract

一种用于结合到电缆中以在井中使用的光纤束。所述束包括多根光纤线，它们以零度捻角相互螺旋缠绕以用于结构加固。此外，采用所述束的所述电缆可以在自然和气密条件下耦合，从而使所述光纤在机械上响应以提高在井应用中使用期间的检测准确度。

Description

绞合光纤电缆

优先权要求/相关申请的交叉引用

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“耦合光学微束线(Coupled Optical Microbundle Line)”的第62/868,321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，带护套线可以直接由金属管包围，而不允许任何中介间隔或间隙。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，采用此种架构设计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

公开一种用于部署到井中的光纤电缆。电缆包括多根光纤线，这些光纤线相互绞合以形成线束。然后围绕束提供封装，使得束和线以耦合方式对封装进行机械响应。

附图说明

图1是将多根光纤线接合成微束的应用的侧面示意图。

图2A是图1应用的侧面示意图，其中额外引入间隙填料以形成微束。

图2B是具有间隙填料的图2A微束的侧面截面图。

图3是油田的概览，其描绘在由电缆结合图2B微束支撑的井中的应用。

图4A是图2A应用的侧面示意图，其中额外引入中心填料以形成微束。

图4B是具有中心填料的图4A微束的侧面截面图。

图5A是图4A应用的侧面示意图，其中额外引入向微束供应护套以形成图3的电缆。

图5B是图3和图5A电缆的侧面截面图。

图6A是增加了包层的图5A微束和电缆的侧面截面图。

图6B是具有对称导体和护套的附加架构的图2B微束的侧面截面图。

图6C是具有不对称导体和护套的附加架构的图2B微束的侧面截面图。

图6D是具有强度构件、铠装电线和包层的附加架构的图2B微束的侧面截面图。

图6E是具有导体、包层和护套的附加架构的图2B微束的侧面截面图。

图6F是具有处于同轴配置的导体的附加架构的结合到电缆中的图2B多个微束的侧面截面图。

图7是概述制造具有微束的电缆的实施方案的流程图，所述微束具有相互绞合的多根光纤线。

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，只要电缆具有以耦合方式相互绞合的多根光纤线，所述光纤线在应用期间转化成机械响应，就可以实现可观的益处。

现在具体参考图1，示出了以耦合方式将多根光纤线110、120、130接合到微束100中的应用的侧面示意图。如图所示，线110、120、130以具有直接接触的耦合方式相互缠绕。也就是说，与传统的FIMT相比，相对精细的光纤线110、120、130不仅物理耦合到相邻结构，而且它们物理耦合到另一根线110、120、130的相邻结构。更具体地，线110、120、130可以如图所示以零度捻角缠绕在一起以用于结构增强。因此，通常更容易因弯曲而受到微断裂损坏的这些光纤特征可以通过它们耦合在一起得到加强。这在本文中被称为提供零度捻角。这也可以被认为是直角并且术语“零度捻角”意在包括直角。

继续参考图1，线110、120、130可以穿过单独的张力传感器160、165、167并被导向绞合设备150。更具体地，所示设备150包括分隔板175和聚集模具180，其被配置成分别将线110、120、130引导和螺旋缠绕到由收线单元115拉动的所述微束100中。聚集模具180与收线单元115之间的紧密协调由来自张力传感器160、165、167的信息引导，这些信息可以帮助确定线110、120、130的缠绕和绞合以确保组装的微束100的自增强。还提供切断模具190，用于一旦达到预定长度就终止微束100。

由于线110、120、130的所描述耦合，组装的微束100可以用于具有对微弯引发的断裂的改进抵抗力的FIMT类型的光纤线路中。然而，随着对这种光纤损坏的抵抗力的提高，在将微束100并入下文详述的更耦合的结构实施方案中的情况下，可以发生更准确的光纤读数。

图1的微束100保护下面的线110、120、130免受大弯曲和小弯曲的影响，以允许在制造期间和操作期间的低光学预算和应变，如图3(下文)所示。如下详述，所述概念可以用于带或不带铠装的单芯、同轴、三芯、四芯和/或七芯电缆配置，以及半片、单片或包层种类。与其它光纤线路一样，微束100可以针对多轴分布应变、振动、压力和/或温度测量进行优化，并结合导电能力的特征。因此，当定位在井中时，可以向地表和从地表提供数据和功率传递函数。随着对线微断裂的改进的功能和抵抗力，微束100可以具有更长的长度并且部署到更大的井深。再次，避免FIMT架构可构建在气密配置中采用微束100的电缆。

现在参考图2A和图2B，示出额外引入间隙填料以形成填充的微束200的图1应用的侧面示意图。具体地，图1的微束100穿过填充装置225以供应聚合物填料250，以获得填充的微束200。因此，如图2B的截面中所示，间隙空间可以填充有填料250，从而使得填充的微束100例如在图3的电缆300的结构中具有改进的可加工性，如下文进一步详述。应注意，即使在引入填料250之前，光纤结构275在所描绘的实施方案中也是带护套的。然而，这不一定是必需的。

在一个实施方案中，聚合物填料250是硅。当然，可以使用其它合适的材料。无论如何，填充初始微束100的间隙空间可以有助于防止气体迁移以及为应用目的增加支撑和保护，如图3所示。在所示的实施方案中，填充装置225还用于当填充的微束200开始离开装置225时例如通过紫外线(UV)辐射或加热的方式固化。然而，可以在填充的微束200到达收线盘115之前采用替代的固化技术。

现在具体参考图3并另外参考图2A和图2B，示出了油田301的概览，其中由填充的微束200构成的电缆300部署在井380中以支持测井应用。假设填充的微束电缆300包括彼此耦合的光纤线110、120、130，则整个电缆300可以包括光纤机械响应的方式耦合。也就是说，与传统的FIMT组件相比，图3的井380中的电缆300可以包括物理耦合到结构并一直到电缆300的外表面的光纤，光纤检测可能更直接的和/或更具“机械响应的”。这是由于不存在通过将线110、120、130彼此直接绞合而实现的中空管结构。

继续参考图3，电缆300具体地悬挂在井280内以部署用于测井应用的测井工具385。这样，当工具385穿过各种地层375、395时，可以获取井特征信息。因此，测井应用和工具385可以受益于通过电缆300的光纤进行遥测的能力。例如，如图3中所示，油田301配备有例如卡车310的大量地面设备350，以便从卷筒315进行移动电缆输送。然而，在所示实施方案中，卡车310还容纳控制单元330，所述控制单元可以容纳用于与井下测井工具385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385被提供足够的电力并且单元330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300具有独特的架构，所述架构增强获得的光纤读数的准确性，而不会由于上述零捻角耦合而对光纤部件施加不适当的应力。继续另外参考图2A和图2B，术语“机械响应”用于强调大幅减少或消除使用空心管来容纳填充的微束200。也就是说，如下文在实施方案中详述，电缆300的周围结构与微束200直接接触。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，由于消除空心管结构，机械响应性并不是唯一得到增强的光纤检测。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，考虑减少或消除空域如何提高光纤对来自井380的温度读数的灵敏度。本质上，在没有空心管的情况下以独特的耦合方式且以保护精密光纤组件的方式构造电缆300。因此，增强了光纤检测，而不会对部件造成过度伤害。

现在参考图4A和图4B，示出添加填料支撑物400的另一个填充的微束200。也就是说，结合光纤线110、120、130的绞合，填料支撑物400的绞线可以耦合到线110、120、130。更具体地，如图4B的截面所示，位于线110、120、130之间的区域中的填料支撑物400可以独特地定位以增加结构支撑。这在线110、120、130的数目为三个或更多个并且自然地产生此区域的情况下是特别有利的。以此方式，除了从以所述零度捻角彼此耦合获得的支撑之外，线110、120、130还可以获得来自填料支撑物400的支撑。填料支撑件400可以是聚对苯二甲酰对苯二甲酸乙二醇酯、芳纶纱、聚合物填充纱、例如含氟聚合物或聚醚醚酮的聚合物单丝，或其它合适的材料。

现在参考图5A和图5B，完成如图3所示的电缆300可能是用聚合物护套500包覆填充的微束200。例如，在所示的实施方案中，微束100可以被加工成具有填料支撑物400的填充微束200，然后在类似于填充装置225的挤出装置550处带护套。实际上，在所示的实施方案中，与如上所述在填充装置处固化填充物250的方式类似，护套500的固化也可以在挤出装置550处发生。当然，如下详述，多种其它架构配置可以受益于如上所述的耦合的光纤微束100的可用性。

现在参考图6A至图6F，填充的微束200被示为结合到电缆300的各种不同架构配置中，例如可以部署在如图3所示的应用中。图6A的实施方案例如是图5A和图5B的带护套电缆300，包括填料支撑物400，其已进一步进行加工以添加外部金属包层601。

具体参考图6B，对称的电导体619已位于填充的微束200周围。已再次提供包层617以及附加的周边导体610和聚合物护套615。当然，如图6C所示，内部导体625可以是不对称的或“楔形”而不是对称的，并且包层可以位于内部导体和周边导体的外部。参考图6D，内部导体650可以是对称的，但数目为奇数。

参考图6E，通过使用内部强度构件639、铠装线630、包层637和外部聚合物护套635，电容可能不是重点。此外，如图6F所示，填充的微束200甚至可以提供两份。因此，可以分析来自电缆300的不同侧的读数。在所示的实施方案中，还采用了嵌入聚合物护套690中的导体670、补充光纤和附加铠装线680。

不管具体实施方案如何，在单独的光纤之间采用零度捻角的耦合微束200的可用性意味着它可以被填充并用于构建任何数量的机械响应性光纤电缆300。电缆300不仅可以具有增强的光纤耐用性，而且还可以基本上没有空隙空间，因此在应用过程中不太容易发生气体迁移。因此，电缆300本身也可以具有增强的可靠性。

现在参考图7，示出概述制造具有微束的电缆的实施方案的流程图，所述微束具有相互绞合的多根光纤线。如在710和730处所指示，供应至少两根光纤线，使得它们可用于相互绞合。因此，如在750处所指示，采用零度捻角，使得通常使用精细的光纤来彼此加强。如在770处所指示，可以用附加结构封装所得束。因此，机械响应性光纤组件可以可靠地用于井下应用中(参见790)。

上文详述的实施方案避免在常规FIMT构造中发现的松散和空心方面。因此，所提供的光纤线路实施方案显示出机械响应以增加井下检测的准确性。另外，实施方案还通过利用以零度捻角彼此耦合的多根线来为光纤提供增强的可靠性。因此，光纤包括增强耐用性的结构加固，并允许在井应用中实际地且可靠地使用线路。

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)

1.一种用于结合到电缆中以支持井中的应用的光纤束，束式电缆包括：

第一光纤线；

第二光纤线，其以零度捻角与所述第一光纤线绞合。

2.如权利要求1所述的光纤束，其中所述线彼此螺旋缠绕。

3.如权利要求1所述的光纤束，其中所述电缆是FIMT构造和耦合配置中的一种。

4.如权利要求3所述的光纤束，其中在所述井中的所述应用期间，耦合配置的所述电缆是气密电缆和光纤光学机械响应电缆中的一种。

5.如权利要求3所述的光纤束，其中耦合配置的所述电缆还包括：

至少第三光纤线，其与所述第一和第二线绞合；以及

填料支撑物，其在所述光纤线之间的位置处。

6.如权利要求5所述的光纤束，其中所述填料支撑物具有选自由以下项组成的群组的材料：聚对苯二甲酰对苯二甲酸乙二醇酯、芳纶纱、聚合物填充纱、聚合物单丝、含氟聚合物和聚醚醚酮。

7.如权利要求3所述的光纤束，其中耦合配置的所述电缆包括围绕所述束的间隙填料以形成填充束。

8.如权利要求7所述的光纤束，其中耦合配置的所述电缆包括第二填充束。

9.如权利要求7所述的光纤束，其中耦合配置的所述电缆包括围绕所述填充束的护套。

10.如权利要求9所述的光纤束，其中所述护套还结合聚合物层、包层、导体、铠装线和强度构件中的一种。

11.一种方法，其包括：

供应第一光纤线；以及

以耦合方式以零度捻角将第二光纤线绞合在所述第一光纤线处以形成光纤束。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述绞合包括将所述线彼此螺旋缠绕。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述绞合包括采用来自张力传感器的信息来引导收线单元驱动所述绞合。

14.如权利要求11所述的方法，还包括围绕所述束构造封装以形成具有光纤机械响应性的气密耦合结构。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

将所述封装的束结合到电缆中；以及

使用所述电缆在井中执行应用。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述结合包括用聚合物、包层、导体、铠装线和强度构件中的一种为所述束加护套。

17.一种用于制造光纤束的系统，所述系统包括用于以零度捻角将光纤线相互绞合的绞合设备。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述绞合设备包括：

分隔板，用于引导所述线；以及

聚集模具，用于在将所述线绞合在一起期间将所述线相互缠绕。

19.如权利要求17所述的系统，还包括用于每根线的专用张力传感器。

20.如权利要求19所述的系统，还包括用于驱动所述绞合的收线单元，所述收线单元的所述驱动基于来自所述张力传感器的信息。

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