CN114779421A - 一种防热冲击耐高压光缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防热冲击耐高压光缆，包括从内至外依次布置的光缆子单元、PI膜、纤膏、内层钢管、发泡层、外层钢管和外护套，光缆子单元包括子单元护套和多根光纤，PI膜绕包在子单元护套的外表面，内层钢管、发泡层以及外层钢管，组成限制空气流动的三明治结构，外层钢管厚度在0.9mm‑1.0mm，发泡层厚度在1.0mm‑1.5mm，内层钢钢管厚度在0.25mm‑0.3mm。本发明通过内、外双层钢管保证了光缆的抗压性能，同时也保证了光缆的拉力性能，使光缆能够应对高温高压的环境，同时发泡层对光缆提供了缓冲和保温隔热等作用，进一步提升了光缆的生存能力，本光缆耐压能力高、抗拉能力强、耐腐蚀、耐高温等特点。

Description

一种防热冲击耐高压光缆

技术领域

本发明属于光缆领域，更具体地，涉及一种防热冲击耐高压光缆。

背景技术

油气开发需监测井下温度和压力。通过井下测试，可以掌握油气储层在采油过程中的动态变化信息，并对所测得的信息进行综合分析，可以得到油气水在油藏的分布状态，由此了解整个油区的开发动态，从而为调整、优化油田开发方案及提高原油采收率提供科学依据。

油田早期使用的是机械式井下压力计，其精度低，一般只用来测取井下静压，现在已较少使用。电子压力计由于测试精度高，使用操作简单，现在正被广泛使用。但是电子压力计在高温、高压、腐蚀性的油气井下环境中，电子产品的长期稳定性和可靠性极其有限，测试精度大受影响。

由于光纤传感器及光纤传输具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、可工作于恶劣环境、传输距离远、信息量大、使用寿命长、灵敏度高、重量轻、体积小、可挠曲、便于复用、便于成网测量及对被测介质影响小等优点，因此非常适合在石油及化工行业中应用。光纤传感器，例如基于光纤光栅的传感器、基于F-P腔的传感器，都受到温度影响，在温度剧烈变化的冲击效应之下，测试结果受到干扰，而不能有效排除。特殊的应用环境，例如油田深井，在钻头工作期间温度急剧上升，而钻头停止工作温度急剧下降，随着钻头的工作规律，传感光缆反复处于环境温度急剧上升和急剧下降的变化之中，受到热冲击影响，导致测试结果不准，信号丢失，严重的情况会导致测试结果失效甚至光纤损坏。另一方面，油井不仅仅温度变化剧烈，同时高压环境不利于本身十分脆弱的光纤工作，容易断裂造成信号丢失，普通的光纤难以使用在高温高压环境下，如果有需要，则需要特别的保护才能长久稳定的在油田深井中运行，这也限制了光纤在油田深井中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种防热冲击耐高压光缆，其采用内、外双层钢管铠装以及在内层钢管和外层钢管之间设置发泡层，保证了光缆的抗压、抗冲击和温度性能，大大提高了光缆在高温高压环境下的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种防热冲击耐高压光缆，其包括从内至外依次布置的光缆子单元、PI膜、纤膏、内层钢管、发泡层、外层钢管和外护套，所述光缆子单元包括子单元护套和设置在子单元护套内的多根光纤，所述PI膜绕包在所述子单元护套的外表面，所述内层钢管、发泡层以及外层钢管，组成限制空气流动的三明治结构，所述外层钢管厚度在0.9mm-1.0mm，所述发泡层厚度在1.0mm-1.5mm，所述内层钢钢管厚度在0.25mm-0.3mm。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述外层钢管上以设定节距绕包钢丝，并且所述钢丝嵌入所述外护套内。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述外护套的横截面的外边缘为圆弧四边形，其中，所述圆弧四边形为四条圆弧取代矩形的四条边形成的结构。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述外层钢管抗侧压大于5000N，所述内层钢管抗侧压强度大于2000N。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述外护套采用磁性聚氯乙烯制成。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述光缆子单元还包括位于所述子单元护套内部的阻水芳纶。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述子单元护套采用聚四氟乙烯挤塑而成。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述发泡层采用聚丙烯和发泡剂的共混材料挤在所述内层钢管上形成。

优选地，所述防热冲击耐高压光缆，其所述内层钢管和外层钢管分别采用多节管材通过激光焊接的方式连接而成，并且，所述管材采用316不锈钢。

按照本发明的另一方面，提供了所述的一种防热冲击耐高压光缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）光纤着色；

2）光缆子单元生产；

3）在光缆子单元的外表面绕包PI膜；

4）将带有PI膜的光缆子单元套入内层钢管内；

5）在PI膜与内层钢管之间填充纤膏；

6）将发泡层直接成型在内层钢管的外表面；

7）在发泡层外套装外层钢管；

8）通过导轮校直器对内层钢管和外层钢管进行校直，其中，所述导轮校直器包括支架及共同安装在所述支架上的多个第一导轮和多个第二导轮，每个所述第一导轮的中心线相互平行，每个所述第二导轮的中心线相互平行，并且所述第一导轮的中心线垂直于所述第二导轮的中心线；

9）通过设定的节距将钢丝绕包在外层钢管外表面；

10）通过挤塑工艺在绕包有钢丝的外层钢管上成型外护套。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1）本发明通过内层钢管和外层钢管这双层钢管，保证了光缆的抗压性能，同时也保证了光缆的拉力性能，使光缆能够应对油井下面恶劣的环境，同时内层钢管和外层钢管之间的发泡层，对光缆提供了缓冲和防热冲击等作用，进一步提升了光缆的生存能力，本结构光缆耐压能力高、抗拉能力强、耐腐蚀、耐高温等特点。内、外双层钢管和其间填充的发泡层组成三明治结构，能有效的防止热冲击并且耐高压，适合油井恶劣的工作环境，有效提升了油井下光缆的工作寿命。

2）本发明在钢管外铠装一层钢丝，不但提高了光缆的抗拉性能，同时提高光缆的抗压性能。

3）本发明采用耐高温光纤和PI膜绕包保护，可以保证光纤长期工作在高温环境下。

4）本发明磁性弧形，磁性聚氯乙烯护套具有耐腐蚀、自熄阻燃、耐磨等性能，进一步对光缆进行保护。同时光缆本身具有磁性，非常方便施工，光缆可直接自粘在沉管上，对于深井下面的环境可进行全天候的检测，为安全高效生产提供了保障。

附图说明

图1是本发明的防热冲击耐高压光缆的结构示意图；

图2是本发明中导轮校直器的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光纤；2-阻水芳纶；3-子单元护套；4-PI膜；5-纤膏；6-内层钢管；7-发泡层；8-外层钢管；9-钢丝；10-外护套；11-支架；12-第一导轮；13-第二导轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2，一种防热冲击耐高压光缆，包括从内至外依次布置的光缆子单元、PI膜4、纤膏5、内层钢管6、发泡层7、外层钢管8和外护套10，所述光缆子单元包括子单元护套3和设置在子单元护套3内的多根光纤1，光缆子单元的芯数可以从2芯至12芯，光纤1通过着色进行颜色区分。纤膏5采用耐高温纤膏5，在高温环境下纤膏5性能无明显改变；所述PI膜4绕包在所述子单元护套3的外表面，绕包的PI膜4可以进一步对光缆子单元进行保护，所述发泡层7用于在防热冲击耐高压光缆工作在高温高压环境时进行和机械缓冲，所述高温高压环境是指温度在50℃~180℃，压力在25Mpa~50Mpa的环境下。所述发泡层7采用聚丙烯和发泡剂的共混材料挤在所述内层钢管6上形成。当光缆受到冲击或挤压时，发泡层7能够起到很好的机械缓冲作用，而且发泡层7能有效避免外界环境的温度变化对内部的光缆子单元造成太大影响，防止内部的光缆子单元发生大的温度变化，能缓冲温度变化导致的结构变形，还能延长光缆的使用寿命，提高光缆的耐用性。为进一步提高光缆的耐压和保温性能，发泡层7外采用了外层钢管8再进行保护。

特别的，所述内层钢管、发泡层以及外层钢管，组成限制空气流动的三明治结构，能有效的防止光缆受到热冲击影响，使其内部的温度变化趋于平稳，保证传感光缆的测试结果可用。一般来说采用发泡层是防止热冲击的有效手段，然而为了取得良好的隔热效果，需要采用较厚的发泡层。然而光缆尤其是传感光缆的缆直径受到限制，为了达到防热冲击的效果，会导致光缆直径过大，不利于弯曲收卷、运输和使用。另外一种有效的手段是形成真空层，例如不锈钢保温杯的双层内胆。由于光缆是长条状两端开口的结构，无法通过双层密封的钢管形成隔热层。本发明创造性的将双层钢管和发泡层结合在一起，形成三明治结构，配合双层钢管，只需要1.0mm-1.5mm的发泡层。热量传导至外层不锈钢管，将主要沿热导率良好的外层钢管周向和轴向方向传导；而在径向方向，受到热不良导体的发泡层的隔热作用的限制，热量不能有效的传导；少量传导到内层钢管的热量，也能有效的沿内层光缆的轴向和轴向方向传导。三明治结构结合内外导热中间隔热的特殊设计，采用疏导和阻隔相结合的原理，能有效的防止温度剧烈变化引起的热冲击，在缆直径可接受的前提下，提高光缆在热冲击环境下的工作寿命。

另外巧妙的是，钢管同时可以作为铠装层对抗外部高压厚度在0.9mm-1.0mm，抗侧压强度大于5000N的外层钢管和厚度在0.25mm-0.3mm、抗侧压强度大于2000N的内层钢管，组成的双层铠装能对抗油井50℃~180℃，25Mpa~50Mpa.发泡层同时刻作为缓冲层对抗机械压力，因此三明治结构同时可以有效的防止高压工作环境对光纤的影响，提高光缆在高压环境下的工作寿命。

具有三明治结构的光缆具有防热冲击和耐高压双重作用，特别适合温度变化剧烈并且工作环境高压的油井，能够较好的保护内部的传感光纤，数据准确或可用，具有良好的工作寿命。

进一步，所述外层钢管8上以设定节距绕包钢丝9，并且所述钢丝9嵌入所述外护套10内。为了进一步提高光缆抗压性能，需要在发泡层7外套装外层钢管8，钢管外绕包细圆钢丝9，可以进一步提高光缆的抗拉和压扁性能。

进一步，所述外护套10的横截面的外边缘为圆弧四边形，其中，所述圆弧四边形为四条圆弧取代矩形的四条边形成的结构。这样方便光缆施工时易于固定钢管上，而不需要单独对光缆进行绑扎固定。

进一步，所述光纤1为耐高温光纤，光纤1的涂覆层采用聚酰亚胺或金属（铝/铜/金），使光纤1可以在更高温度下工作。

进一步，所述外护套10采用磁性聚氯乙烯制成。磁性聚氯乙烯制成的外护套10具有耐腐蚀、自熄阻燃、耐磨等性能，进一步对光缆进行保护。同时形成的光缆本身具有磁性，非常方便施工，光缆可直接自粘在沉管上。

进一步，所述光缆子单元还包括位于所述子单元护套3内部的阻水芳纶2。着色的光纤1和阻水芳纶2一起通过在外围挤塑聚四氟乙烯（聚四氟乙烯为形成光缆子单元外护套10的材料）做成光缆子单元。使用聚四氟乙烯材料可以起到耐高温、耐腐蚀，并具有优良的电绝缘性、耐老化等。

进一步，所述内层钢管6和外层钢管8分别采用多节管材通过激光焊接的方式连接而成，并且，所述管材采用316不锈钢。通过激光焊接的方式成管，提高了钢管的机械性能，还增加了钢管的抗侧压性能，可以更大幅度提高光缆的抗压能力。

通过本发明制成的光缆，可以工作在油井内的高温高压环境下，通过光纤1光栅测温系统，将油井里面的温度和压力通过光纤1传输到地面检测系统，同时本光缆采用耐高温光纤和PI膜4，对光纤1在高温下工作提供了保障，可保障光纤1长期工作在150℃-180℃的高温下，通过双层钢管铠装和钢丝9铠装，保证了光缆的抗压、抗冲击和温度性能，大大提高了光缆在油井的高温高压环境下的生存能力，采用弧形磁性聚氯乙烯护套，不需要对光缆进行绑扎，更加方便施工，从而更高效、更持续进行油气开采。本结构光缆耐压能力高、抗拉能力强、耐腐蚀、耐高温等特点，对于深井下面的环境可进行全天候的检测，为安全高效生产提供了保障。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述防热冲击耐高压光缆的制备方法，包括以下步骤：

1）光纤1着色；

为区别光缆子单元中的光纤1，需要对光纤1进行着色，采用UV固化油墨，可以和耐高温光纤的聚酰亚胺涂覆层有更好的相容性，可保证着色层颜色鲜明、不褪色、不迁移，方便识别和施工。

2）光缆子单元生产；

为提高光缆子单元抗拉性能，光缆子单元内加入阻水芳纶2，将聚四氟乙烯通过挤塑模具制成，通过子工艺制成的光缆子单元具有抗拉、耐高温、耐腐蚀和耐老化等性能。

3）光缆子单元的外表面绕包PI膜4；

为进一步提高光纤1的耐高温性能，在光缆子单元外绕包PI膜4，PI膜4的主要成分为聚酰胺。

4）将带有PI膜4的光缆子单元套入内层钢管6内；

为提高光缆的抗压性能，在光缆子单元外套接内层钢管6，厚度为0.25mm-0.3mm，内层钢管6采用激光无缝焊接工艺，提高了钢管的机械性能，特别是抗压性能。

5）在PI膜4与内层钢管6之间填充纤膏5；

为进一步提高光缆子单元在钢管内的生存能力，在内层钢管6内填充纤膏5，进一步对光缆进行保护。

6）将发泡层7直接成型在内层钢管6的外表面；

当光缆遭受冲击和压力时，钢管外的聚丙烯发泡层7，可以有效的起到缓冲的作用，对光纤1更好的进行保护。

7）在发泡层7外套装外层钢管8；

外层钢管8采用激光无缝焊接，光缆的抗压和生存能力大大提高。

8）通过导轮校直器对内层钢管6和外层钢管8进行校直，其中，所述导轮校直器包括支架11及共同安装在所述支架11上的多个第一导轮12和多个第二导轮13，每个所述第一导轮12的中心线相互平行，每个所述第二导轮13的中心线相互平行，并且所述第一导轮12的中心线垂直于所述第二导轮13的中心线；

焊接的钢管用盘具收线后再放出，钢管有明显的弯曲，此时需要对钢管进行校直处理，使用图2的导轮校直器，通过在水平面上相互垂直的两个方向进行校直，保证放出的钢管通过校直后无弯曲，以便进行下一步的钢丝9铠装。

9）通过设定的节距将钢丝9绕包在外层钢管8外表面；

在外层钢管8外绕一层直径为0.8mm-1.2mm的细圆的钢丝9，优选1mm，通过一定的节距将钢丝9绞合在外层钢管8外，对光缆进行进一步的保护。

10）通过挤塑工艺在绕包有钢丝9的外层钢管8上成型外护套10；

采用的磁性聚氯乙烯材料制成的护套具有耐腐蚀、自熄阻燃、耐磨等性能，进一步对光缆进行保护。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，包括从内至外依次布置的光缆子单元、PI膜、纤膏、内层钢管、发泡层、外层钢管和外护套，所述光缆子单元包括子单元护套和设置在子单元护套内的多根光纤，所述PI膜绕包在所述子单元护套的外表面，所述内层钢管、发泡层以及外层钢管，组成限制空气流动的三明治结构，所述外层钢管厚度在0.9mm-1.0mm，所述发泡层厚度在1.0mm-1.5mm，所述内层钢钢管厚度在0.25mm-0.3mm。

2.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述外层钢管上以设定节距绕包钢丝，并且所述钢丝嵌入所述外护套内。

3.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述外护套的横截面的外边缘为圆弧四边形，其中，所述圆弧四边形为四条圆弧取代矩形的四条边形成的结构。

4.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述外层钢管抗侧压大于5000N，所述内层钢管抗侧压强度大于2000N。

5.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述外护套采用磁性聚氯乙烯制成。

6.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述光缆子单元还包括位于所述子单元护套内部的阻水芳纶。

7.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述子单元护套采用聚四氟乙烯挤塑而成。

8.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述发泡层采用聚丙烯和发泡剂的共混材料挤在所述内层钢管上形成。

9.根据权利要求1所述的一种防热冲击耐高压光缆，其特征在于，所述内层钢管和外层钢管分别采用多节管材通过激光焊接的方式连接而成，并且，所述管材采用316不锈钢。

10.权利要求1~9中任一权利要求所述的一种防热冲击耐高压光缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）光纤着色；

2）光缆子单元生产；

3）在光缆子单元的外表面绕包PI膜；

4）将带有PI膜的光缆子单元套入内层钢管内；

5）在PI膜与内层钢管之间填充纤膏；

6）将发泡层直接成型在内层钢管的外表面；

7）在发泡层外套装外层钢管；

8）通过导轮校直器对内层钢管和外层钢管进行校直，其中，所述导轮校直器包括支架及共同安装在所述支架上的多个第一导轮和多个第二导轮，每个所述第一导轮的中心线相互平行，每个所述第二导轮的中心线相互平行，并且所述第一导轮的中心线垂直于所述第二导轮的中心线；

9）通过设定的节距将钢丝绕包在外层钢管外表面；

10）通过挤塑工艺在绕包有钢丝的外层钢管上成型外护套。

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