RU141140U1

RU141140U1 - DISTRIBUTED FIBER OPTICAL COMPOSITE SENSOR CABLE

Info

Publication number: RU141140U1
Application number: RU2013157490/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Кузин; Евгений Владимирович Шароварин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Геоптикс"
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-05-27

Abstract

1. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе, отличающийся тем, что материалом, обеспечивающим выпрямление кабеля-датчика при сгибе, является полимерный композиционный материал, по меньшей мере одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, размещено внутри полимерного композиционного материала.2. Кабель-датчик по п.1, отличающийся тем, что полимерный композиционный материал является однослойным.3. Кабель-датчик по п.1, отличающийся тем, что полимерный композиционный материал является многослойным.4. Кабель-датчик по п.3, отличающийся тем, что дополнительно содержит защитную полимерную оболочку, расположенную между слоями полимерного композиционного материала.5. Кабель-датчик по п.1, отличающийся тем, что полимерным композиционным материалом является стеклопластик или углепластик, или полимерный композиционный материал, армированный арамидными волокнами, или полимерный композиционный материал, армированный базальтовыми волокнами.6. Кабель-датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит наружную защитную полимерную оболочку.1. Distributed fiber optic sensor cable, containing at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable, a material for straightening the sensor cable during bending, characterized in that the material for straightening the sensor cable during bending is a polymer composite material, at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable is placed inside the polymer composite material. 2. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is single-layer. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is multilayer. The sensor cable according to claim 3, characterized in that it further comprises a protective polymer sheath located between the layers of the polymer composite material. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is fiberglass or carbon fiber, or a polymer composite material reinforced with aramid fibers, or a polymer composite material reinforced with basalt fibers. The sensor cable according to claim 1, characterized in that it further comprises an outer protective polymer sheath.

Description

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим кабелям-датчикам, и может быть использована в системах, предназначенных для измерения геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах всех типов: вертикальных, горизонтальных, наклонных, горизонтально-наклонных, восходящих.The utility model relates to fiber-optic technologies, in particular to distributed fiber-optic sensor cables, and can be used in systems designed to measure geophysical parameters in oil and gas wells of all types: vertical, horizontal, inclined, horizontally inclined, ascending .

Распределенные волоконно-оптические кабели-датчики входят в состав оптоволоконных систем для геофизических исследований скважин, предназначенных для измерения акустических колебаний, вибрации, давления, деформации, механического напряжения, температуры и других физических величин. Известные распределенные волоконно-оптические кабели-датчики содержат одно оптическое волокно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины кабеля-датчика. Оптическое волокно одновременно являются датчиком физических величин (чувствительным элементом) и средством передачи информации.Distributed fiber optic sensor cables are part of fiber optic systems for geophysical well surveys designed to measure acoustic vibrations, vibration, pressure, deformation, mechanical stress, temperature and other physical quantities. Known distributed fiber optic sensor cables comprise one optical fiber or several optical fibers extending along the length of the sensor cable. Optical fiber is simultaneously a physical quantity sensor (sensitive element) and a means of transmitting information.

По сравнению со стандартными датчиками для измерения геофизических параметров скважин, которые являются объемными и зачастую искажают картину внешних воздействий физических величин, распределенные волоконно-оптические кабели-датчики имеют следующие преимущества:Compared with standard sensors for measuring the geophysical parameters of wells, which are three-dimensional and often distort the picture of the external effects of physical quantities, distributed fiber-optic sensor cables have the following advantages:

- возможность измерения поля (профиля) физических величин по длине ствола скважины в реальном времени без перемещения кабеля-датчика;- the ability to measure the field (profile) of physical quantities along the length of the wellbore in real time without moving the sensor cable;

- возможность исследования и мониторинга скважин со сложной схемой заканчивания, включая горизонтальные дополнительные стволы, многоствольные скважины, скважины с размещением в стволе управляемого оборудования и управляющих устройств, конструкция которых не позволяет размещать в стволе приборы ГИС;- the ability to study and monitor wells with a complex completion scheme, including horizontal additional wells, multilateral wells, wells with the placement of controlled equipment and control devices in the trunk, the design of which does not allow the placement of well logging devices in the well;

- высокая стабильность функционирования и помехозащищенность кабеля-датчика;- high stability of operation and noise immunity of the sensor cable;

- использование одного волоконно-оптического кабеля-датчика для измерения разных физических величин.- the use of one fiber-optic cable-sensor for measuring different physical quantities.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик для нефтяных и газовых скважин (заявка WO 2006/003477 Intervention rod, дата публикации: 12.01.2006, МПК: E21B 17/20, G02B 6/44), содержащий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно), проходящую (проходящее) вдоль длины кабеля-датчика, жесткую внешнюю структуру, обеспечивающую самовыпрямление кабеля-датчика (материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе), защитный слой, отделяющий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно) от жесткой внешней структуры (материала, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе).The closest analogue of the claimed utility model is a distributed fiber optic composite sensor cable for oil and gas wells (application WO 2006/003477 Intervention rod, publication date: 12.01.2006, IPC: E21B 17/20, G02B 6/44) containing a service line (at least one optical fiber) passing (passing) along the length of the sensor cable, a rigid external structure that provides self-straightening of the sensor cable (material that ensures straightening of the sensor cable when bent), a protective layer separating the service line (along lesser measures one optical fiber) of the rigid external structure (material providing rectification of the sensor cable at the fold).

Защитный слой, отделяющий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно) от жесткой внешней структуры (материала, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе) может представлять собой металлический слой или воздушный зазор, или металлический слой с воздушным зазором. Защитный слой (буферная зона) может быть выполнен в виде металлической буферной трубки, заполненной гидрофобным гелем, предохраняющим оптические волокна от влаги.The protective layer separating the service line (at least one optical fiber) from the rigid external structure (the material providing straightening of the sensor cable during bending) can be a metal layer or an air gap, or a metal layer with an air gap. The protective layer (buffer zone) can be made in the form of a metal buffer tube filled with a hydrophobic gel that protects the optical fibers from moisture.

Распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик может содержать наружный защитный слой, уменьшающий или предотвращающий образование микротрещин в жесткой внешней структуре (материале, обеспечивающем выпрямление кабеля-датчика при сгибе).The distributed fiber-optic composite sensor cable may contain an outer protective layer that reduces or prevents the formation of microcracks in a rigid external structure (material that ensures straightening of the sensor cable during bending).

Известный распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик изготовлен из материалов с разными физическими свойствами, на границе раздела которых происходит искажение внешних воздействий физических величин. Распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит буферную зону из воздуха или гидрофобного геля, расположенную между по меньшей мере одним оптическим волокном и материалом, обеспечивающим выпрямление кабеля-датчика при сгибе, что приводит к снижению точности измерения геофизических параметров и сужению диапазона измерений геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах.The well-known distributed fiber optic composite sensor cable is made of materials with different physical properties, at the interface of which there is a distortion of the external effects of physical quantities. The distributed fiber-optic composite sensor cable contains a buffer zone of air or a hydrophobic gel located between at least one optical fiber and a material that straightens the sensor cable during bending, which reduces the measurement accuracy of geophysical parameters and narrows the measurement range of geophysical parameters in oil and gas wells.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности измерений геофизических параметров и в расширении диапазона измерений геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах.The technical result of the claimed utility model is to increase the accuracy of measurements of geophysical parameters and to expand the range of measurements of geophysical parameters in oil and gas wells.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляется распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий по меньшей мере одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе, отличающийся тем, что материалом, обеспечивающим выпрямление кабеля-датчика при сгибе, является полимерный композиционный материал, по меньшей мере одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, размещено внутри полимерного композиционного материала.The specified technical result is achieved by the fact that a distributed optical fiber sensor cable is claimed, comprising at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable, a material for straightening the sensor cable during bending, characterized in that the material for straightening the cable bending sensor is a polymer composite material, at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable is placed inside the polymer composite material.

Полимерный композиционный материал может являться однослойным.The polymer composite material may be single layer.

Полимерный композиционный материал может являться многослойным, при этом между слоями полимерного композиционного материала может быть расположена защитная полимерная оболочка, которая предохраняет по меньшей мере одно оптическое волокно от деформации и расслаивания.The polymer composite material may be multilayer, while between the layers of the polymer composite material may be a protective polymer sheath, which protects at least one optical fiber from deformation and delamination.

Для изготовления распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика в качестве полимерного композиционного материала может быть использован стеклопластик или углепластик, или полимерный композиционный материал, армированный арамидными волокнами, или полимерный композиционный материал, армированный базальтовыми волокнами.For the manufacture of a distributed fiber optic sensor cable, fiberglass or carbon fiber reinforced plastic, or aramid fiber reinforced polymer composite, or basalt fiber reinforced polymer composite material can be used as the polymer composite material.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно может содержать наружную защитную полимерную оболочку, препятствующую образованию микротрещин в полимерном композиционном материале.The distributed fiber optic sensor cable may further comprise an outer protective polymer sheath that prevents the formation of microcracks in the polymer composite material.

Примеры конструктивного исполнения заявляемой полезной модели поясняются иллюстрациями.Examples of the design of the claimed utility model are illustrated by illustrations.

На фиг. 1 представлен распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик в разрезе, где:In FIG. 1 shows a sectional view of a distributed fiber optic composite sensor cable, where:

1 - оптическое волокно (1 шт.);1 - optical fiber (1 pc.);

2 - полимерный композиционный материал.2 - polymer composite material.

На фиг. 2 представлен распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик в разрезе, где:In FIG. 2 shows a sectional view of a distributed fiber optic composite sensor cable, where:

1 - оптическое волокно (3 шт.);1 - optical fiber (3 pcs.);

2 - полимерный композиционный материал (3 слоя).2 - polymer composite material (3 layers).

При каждом возможном варианте конструктивного исполнения распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит по меньшей мере одно оптическое волокно 1, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, которое размещено внутри полимерного композиционного материала 2, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе.In every possible embodiment, the distributed fiber-optic composite sensor cable contains at least one optical fiber 1 extending along the length of the sensor cable, which is located inside the polymer composite material 2, which provides straightening of the sensor cable during bending.

В примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 1, распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит одномодовое оптическое волокно 1, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, размещенное внутри полимерного композиционного материала 2, армированного стеклянными волокнами (стеклопластика). Кабель-датчик данной конструкции имеет высокие прочностные свойства при низкой стоимости изготовления.In the embodiment shown in FIG. 1, the distributed fiber optic composite sensor cable comprises a single-mode optical fiber 1 extending along the length of the sensor cable, housed inside a polymer composite material 2 reinforced with glass fibers (fiberglass). The sensor cable of this design has high strength properties at a low manufacturing cost.

В примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 2, распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик содержит три одномодовых оптических волокна 1, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, размещенных внутри многослойного полимерного композиционного материала 2, включающего внутренний слой стеклопластика, слой углепластика, наружный слой стеклопластика.In the embodiment shown in FIG. 2, the distributed fiber-optic composite sensor cable contains three single-mode optical fibers 1 extending along the length of the sensor cable located inside the multilayer polymer composite material 2, including an inner layer of fiberglass, a layer of carbon fiber, an outer layer of fiberglass.

Механические свойства распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика (жесткость, прочность, упругость) определяются свойствами полимерного композиционного материала 2. Свойства полимерного композиционного материала 2 зависят от характеристик армирующих элементов, свойств полимерной матрицы, вида и текстуры армирующих элементов, прочности связи и количественного соотношения между армирующими элементами и полимерной матрицей.The mechanical properties of the distributed fiber-optic composite sensor cable (stiffness, strength, elasticity) are determined by the properties of the polymer composite material 2. The properties of the polymer composite material 2 depend on the characteristics of the reinforcing elements, the properties of the polymer matrix, the type and texture of the reinforcing elements, the bond strength and the quantitative ratio between reinforcing elements and a polymer matrix.

Для изготовления распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика используют метод пултрузии. Стеклянные волокна (в примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 1) или стеклянные и углеродные волокна (в примере конструктивного исполнения, представленном на фиг. 2), а также одномодовые оптические волокна 1 в защитной оболочке подаются с катушек и пропускаются через полимерную ванну, где они пропитываются полимером. Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство, которое выравнивает волокна и придает волоконно-полимерному составу круглую форму. Затем волокна и незатвердевший полимер пропускаются через нагретую пресс-форму (фильеру). Отвержденный кабель вытягивается из фильеры вытяжной машиной, разрезается в нарезной машине на куски необходимой длины.For the manufacture of a distributed fiber optic composite sensor cable, the pultrusion method is used. Glass fibers (in the embodiment shown in FIG. 1) or glass and carbon fibers (in the embodiment shown in FIG. 2), as well as single-mode optical fibers 1 in a protective sheath, are fed from coils and passed through a polymer bath, where they are impregnated with polymer. The polymer-impregnated fibers are passed through a preforming device that aligns the fibers and gives the fiber-polymer composition a round shape. Then the fibers and the uncured polymer are passed through a heated mold (die). The cured cable is pulled out of the die by a drawing machine, cut into pieces of the required length in a cutting machine.

Заявляемый распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик может быть использован в оптоволоконных системах, предназначенных для измерения геофизических параметров, а именно акустических колебаний, вибрации, давления, деформации, механического напряжения, температуры и других физических величин в нефтяных и в газовых скважинах всех типов: вертикальных, горизонтальных, наклонных, горизонтально-наклонных, восходящих. Оптоволоконные системы помимо заявляемого композитного кабеля-датчика, размещаемого в стволе скважины в исследуемом интервале, включают оптический рефлектометр, устанавливаемый на поверхности. Работа оптического рефлектометра основана на регистрации Романовского рассеяния, рассеяния Мандельштама-Брюллюэна, на принципе оптической рефлектометрии временной области, регистрируемой величиной является изменение свойств рассеянного излучения (амплитуды, фазы, спектра, поляризации и т.д.), происходящее под воздействием измеряемых физических величин.The inventive distributed fiber-optic composite sensor cable can be used in fiber-optic systems designed to measure geophysical parameters, namely acoustic vibrations, vibration, pressure, deformation, mechanical stress, temperature and other physical quantities in oil and gas wells of all types: vertical, horizontal, inclined, horizontally inclined, ascending. Fiber-optic systems, in addition to the inventive composite sensor cable placed in the wellbore in the studied interval, include an optical reflectometer mounted on the surface. The operation of an optical reflectometer is based on the registration of Romanovsky scattering, Mandelstam-Bryllouin scattering, on the principle of optical time domain reflectometry, the recorded value is the change in the properties of scattered radiation (amplitude, phase, spectrum, polarization, etc.) that occurs under the influence of measured physical quantities.

В заявляемом распределенном волоконно-оптическом композитном кабеле-датчике одно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, являющихся чувствительными к внешним воздействиям измеряемых физических величин (геофизических параметров), размещены внутри полимерного композиционного материала; буферная зона из воздуха или гидрофобного геля отсутствует, что приводит к уменьшению искажения внешних воздействий физических величин, происходящего на границах раздела фаз - слоев и оболочек композитного кабеля-датчика. За счет уменьшения искажения внешних воздействий физических величин происходит повышение точности измерений геофизических параметров и расширение диапазона измерений геофизических параметров: кабель-датчик позволяет регистрировать меньшие по амплитуде колебания температуры, акустические колебания, вибрации.In the inventive distributed fiber-optic composite sensor cable, one or more optical fibers extending along the length of the sensor cable that are sensitive to external influences of measured physical quantities (geophysical parameters) are placed inside the polymer composite material; there is no buffer zone from air or a hydrophobic gel, which leads to a decrease in the distortion of the external effects of physical quantities occurring at the phase boundaries - layers and sheaths of the composite sensor cable. By reducing the distortion of the external effects of physical quantities, the measurement accuracy of geophysical parameters is increased and the measurement range of geophysical parameters is expanded: the cable-sensor allows you to register smaller in amplitude temperature fluctuations, acoustic vibrations, and vibrations.

Таким образом, использование заявляемого распределенного волоконно-оптического композитного кабеля-датчика в оптоволоконных системах для измерения геофизических параметров в нефтяных и в газовых скважинах позволит повысить точность измерений геофизических параметров и расширить диапазон измерений геофизических параметров.Thus, the use of the inventive distributed fiber-optic composite sensor cable in fiber optic systems for measuring geophysical parameters in oil and gas wells will improve the accuracy of measurements of geophysical parameters and expand the range of measurements of geophysical parameters.

Claims

1. Distributed fiber optic sensor cable, containing at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable, a material for straightening the sensor cable during bending, characterized in that the material for straightening the sensor cable during bending is polymer composite material, at least one optical fiber extending along the length of the sensor cable is placed inside the polymer composite material.

2. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is single-layer.

3. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is multilayer.

4. The sensor cable according to claim 3, characterized in that it further comprises a protective polymer sheath located between the layers of the polymer composite material.

5. The sensor cable according to claim 1, characterized in that the polymer composite material is fiberglass or carbon fiber, or a polymer composite material reinforced with aramid fibers, or a polymer composite material reinforced with basalt fibers.

6. The sensor cable according to claim 1, characterized in that it further comprises an outer protective polymer sheath.