RU221920U1 - Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим кабелям-датчикам, и может быть использована для улучшения характеристик систем оптического мониторинга механических напряжений, в том числе для мониторинга нефтяных и газовых скважин всех типов, в системах, предназначенных для измерения геофизических параметров, системах для контроля состояния зданий и сооружений.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике, содержащем наружную защитную оболочку, оптические волокна расположены внутри одной или нескольких герметичных металлических круглых трубок, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, при этом внутри металлических трубок оптические волокна расположены в буферном покрытии некруглого сечения, с осуществлением неполного касания буферного покрытия с металлической трубкой по окружности, при этом буферное покрытие связано с внутренней поверхностью металлических трубок в отдельных областях сечения по всей ее длине.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике оптическое волокно может быть расположено в буферном покрытии в форме правильного многоугольника или в форме правильной фигуры, вписанной в окружность, с закругленными краями в сечении.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенными в повиве и имеющими общую защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно с металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными в повиве и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно с металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является возможность создания различных вариантов распределенных волоконно-оптических кабель-датчиков, характеризующихся повышенной стойкостью к изгибам, обеспечивающих большую равномерность натяжения оптического волокна в кабеле, снижение нагрузки на оптическое волокно при излишнем кратковременном удлинении кабеля за счет создания оптического кабеля-датчика с оптическим волокном в буферном покрытии внутри металлической трубки, имеющим неполную механическую связь с ней.

Технический результат заключается в создании распределенного волоконно-оптический кабель-датчика, обеспечивающего высокую эксплуатационную надежность, заключающуюся в повышенной стойкости к изгибам, большей равномерности натяжения оптического волокна в кабеле, снижении нагрузки на оптическое волокно при излишнем кратковременном удлинении кабеля, повышении точности и достоверности определения механических напряжений в системах оптического мониторинга с использованием кабель-датчиков, снижении требований к применяемому оптическому волокну и точности воспроизведения технологических параметров при производстве. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим кабелям-датчикам, и может быть использована для улучшения характеристик систем оптического мониторинга механических напряжений, в том числе для мониторинга нефтяных и газовых скважин всех типов, в системах, предназначенных для измерения геофизических параметров, системах для контроля состояния зданий и сооружений.

Современные конструкции оптических кабелей-датчиков для использования в системах мониторинга механических напряжений, представляют собой центральную герметичную круглую металлическую трубку с помещенным в нее оптическим волокном в буферном покрытии, причем буферное покрытие плотно соприкасается с металлической трубкой по всей ее внутренней поверхности. Поверх металлической трубки могут быть наложены повивы проволок и защитные полимерные оболочки.

Функция стальной трубки состоит в защите оптического волокна от воздействия факторов окружающей среды, не подлежащих мониторингу, а также, в сочетании с буферным покрытием оптического волокна, состоит в передаче внешних механических напряжений к оптическому волокну; наружные повивы проволок противостоят механической растягивающей нагрузке, а защитные полимерные оболочки предохраняют внутреннюю часть кабеля от проникновения газов, жидкостей и твердых частиц.

Воздействие механических усилий на кабель (растягивающего усилия и изгиба) приводит, к возникновению механических напряжений в оптическом волокне, распределенных вдоль его длины. Эти механические напряжения приводят, в свою очередь, к изменению оптических характеристик волокна, и их величина и локализация могут быть установлены с использованием оборудования оптического мониторинга параметров, после чего, они могут быть пересчитаны в параметры механического воздействия (удлинение, механическое напряжение).

Известен распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно, проходящее вдоль длины кабеля-датчика, материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе, 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. Полимерный композиционный материал может являться однослойным и 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.

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. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно может содержать наружную защитную полимерную оболочку, препятствующую образованию микротрещин в полимерном композиционном материале (см. патент РФ на полезную модель №141140 «Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик», опубл. 27.05.2014, МПК G02B 6/44).

Недостатком известного распределенного волоконно-оптический кабель-датчика является невозможность долгое время эксплуатировать его в агрессивной среде, в частности, в работающей скважине в зоне высоких температур до 400°С и избыточного давления 105 МПа, не выдерживают значительные ударные нагрузки, поперечные усилия в работающих нефтяных и газовых скважинах.

Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий наружную защитную оболочку, оптические волокна, проходящие вдоль длины кабеля-датчика, наружная защитная оболочка выполнена из нескольких слоев, при этом внутренний и внешний слои защитной оболочки выполнены из герметичной трубки из нержавеющей стали, внутри которой расположены оптические волокна.

В распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно введен промежуточный слой, выполненный из герметичной алюминиевой трубки, установленной между внешним и внутренним слоями, выполненными из герметичных трубок из нержавеющей стали, при этом распределенный волоконно-оптический кабель-датчик дополнительно снабжен внешним полимерным покрытием стойким к агрессивным средам, установленным поверх внешнего слоя, выполненного из герметичной трубки из нержавеющей стали. В конструкции распределенного волоконно-оптического кабель-датчика наружная защитная оболочка выполнена из нескольких слоев, внутренний и внешний слои защитной оболочки выполнены из герметичной трубки из нержавеющей стали, а промежуточный слой - из герметичной алюминиевой трубки и внешнего полимерного покрытия стойкого к агрессивным средам, (см. патент РФ на полезную модель №175594 «Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик», опубл. 11.12.2017, МПК G02B 6/44).

В известной полезной модели в сердечнике содержится, по меньшей мере, одно оптическое волокно, проходящее вдоль кабель-датчика, расположенное в круглом буферном покрытии, в свою очередь, помещенное в круглую стальную трубку, так что волокно оказывается конструктивно жестко связанным со стальной трубкой, и деформация трубки (растяжение, изгиб) передается оптическому волокну.

Недостатком известных распределенных волоконно-оптических кабель-датчиков является их чувствительность к изгибам, сложность обеспечения стабильных параметров при производстве, большие нагрузки, испытываемые оптическим волокном при кратковременном излишнем удлинении, что влечет необходимость использования оптических волокон с повышенной стойкостью к растяжениям.

Технической задачей, решаемой предложенной полезной моделью, является исключение указанных недостатков известных оптических кабелей-датчиков для регистрации натяжения, и создание распределенного волоконно-оптический кабель-датчика, обеспечивающего высокую эксплуатационную надежность, заключающуюся в повышенной стойкости к изгибам, большей равномерности натяжения оптического волокна в кабеле, снижении нагрузки на оптическое волокно при излишнем кратковременном удлинении кабеля, повышении точности и достоверности определения механических напряжений в системах оптического мониторинга с использованием кабель-датчиков, снижении требований к применяемому оптическому волокну и точности воспроизведения технологических параметров при производстве.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике, содержащем наружную защитную оболочку, оптические волокна, расположены внутри одной или нескольких герметичных металлических круглых трубках, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, при этом внутри металлических трубок оптические волокна расположены в буферном покрытии некруглого сечения, с осуществлением неполного касания буферного покрытия с металлической трубкой по окружности, при этом буферное покрытие связано с внутренней поверхностью металлических трубок в отдельных областях сечения по всей ее длине.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике оптическое волокно может быть расположено в буферном покрытии в форме правильного многоугольника в сечении, например, квадрата.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике оптическое волокно может быть расположено в буферном покрытии в форме правильной фигуры, вписанной в окружность, с закругленными краями в сечении, например, в форме цветка.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенными в повиве и имеющими общую защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно со металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными в повиве, и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик может быть выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно с металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является возможность создания различных вариантов распределенных волоконно-оптических кабель-датчиков, характеризующихся повышенной стойкостью к изгибам, обеспечивающих большую равномерность натяжения оптического волокна в кабеле, снижение нагрузки на оптическое волокно при излишнем кратковременном удлинении кабеля за счет создания оптического кабеля-датчика с оптическим волокном в буферном покрытии внутри металлической трубки, имеющим неполную механическую связь с ней.

Предложенная полезная модель исключает недостатки известных оптических кабелей-датчиков для регистрации натяжения, содержащих оптическое волокно в буферном покрытии, жестко связанной с наружной стальной трубкой по всей ее внутренней поверхности.

Заявителю не известны конструкции распределенных волоконно-оптических кабелей-датчиков, представляющих совокупность всех признаков, характеризующих конструкцию предлагаемой полезной модели, что говорит о новизне заявляемого объекта.

Предложенная конструкция полезной модели иллюстрируется чертежами, на которых представлены конструкции распределенного волоконно-оптического кабеля - датчика в поперечном сечении:

на фиг. 1 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля - датчика с центральной металлической трубкой с буферным покрытием оптического волокна в форме правильного многоугольника в сечении, например, квадрата, в наружной защитной оболочке;

на фиг. 2 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика с центральной металлической трубкой с буферным покрытием оптического волокна в форме правильной фигуры, вписанной в окружность, с закругленными краями, например, в форме цветка, в наружной защитной оболочке;

на фиг. 3 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенных в повиве и имеющих общую наружную защитную оболочку;

на фиг. 4 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика с несколькими металлическими трубками с оптическим волокном в буферном покрытии различной формы, расположенными в повиве совместно со стальной трубкой с оптическими волокнами, свободно расположенными в ней, и имеющими общую наружную защитную оболочку;

на фиг. 5 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика с несколькими металлическими трубками с оптическими волокнами в буферном покрытии различной формы, расположенными параллельно, и имеющими общую наружную защитную оболочку;

на фиг. 6 представлено выполнение распределенного волоконно-оптического кабеля-датчика с несколькими металлическими трубками с оптическими волокнами в буферном покрытии различной формы, расположенными параллельно, совместно со стальной трубкой с оптическими волокнами, свободно расположенными в ней, и имеющими общую наружную защитную оболочку.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик содержит наружную защитную оболочку 1, внутреннюю защитную оболочку в виде металлических трубок 2, в которых расположены оптические волокна 3, проходящие вдоль длины кабеля-датчика, при этом внутри металлических трубок 2 оптические волокна 3 расположены в буферном покрытии 4 некруглого сечения, с возможностью неполного касания буферного покрытия 4 с металлической трубкой 2 по окружности, при этом буферное покрытие 4 связано с внутренней поверхностью металлических трубок 2 в отдельных областях сечения по всей ее длине.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике оптическое волокно 3 может быть расположено в буферном покрытии в форме правильного многоугольника в сечении, например, квадрата 4 (фиг. 1), с возможностью неполного касания буферного покрытия с металлической трубкой по окружности, при этом буферное покрытие связано с внутренней поверхностью металлической трубки в отдельных областях сечения по всей ее длине.

В распределенном волоконно-оптическом кабель-датчике оптическое волокно 3 может быть расположено в буферном покрытии в форме правильной фигуры, вписанной в окружность, с закругленными краями в сечении, например, в форме цветка 5 (фиг. 2), с возможностью неполного касания буферного покрытия с металлической трубкой по окружности, при этом буферное покрытие связано с внутренней поверхностью металлической трубки в отдельных областях сечения по всей ее длине.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик (фиг. 3) может быть выполнен с несколькими металлическими трубками 2 с буферными покрытиями оптических волокон 3 различной формы 4, 5, 6, расположенными в повиве и имеющими общую наружную защитную оболочку 1.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик (фиг. 4) может быть выполнен с несколькими металлическими трубками 2 с буферными покрытиями оптических волокон 3 различной формы 4, 6 совместно со стальной трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами 7, расположенными в повиве, и имеющими общую наружную защитную оболочку 1.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик (фиг. 5) может быть выполнен с несколькими металлическими трубками 2 с буферными покрытиями оптических волокон 3 различной формы 4, 5, 6, расположенных параллельно и имеющих общую наружную защитную оболочку 1.

Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик (фиг. 6) может быть выполнен с несколькими металлическими трубками 2 с буферными покрытиями оптических волокон 3 различной формы 4, 5 совместно с металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами 7, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку 1.

Под наружной защитной оболочкой 1 может пониматься как оболочка из полимерного компаунда или защитный покров из металлических или композитных материалов (броня из проволок или прутков, металлическая трубка, ленты, нити и т.п.) или их комбинация.

В описанном распределенном оптическом кабель-датчике возможно выполнение нескольких оптических волокон в одном буфере с целью повышения надежности или информативности системы мониторинга.

Геометрия различных форм буферного покрытия оптического волокна была определена расчетным и экспериментальным путем с учетом эксплуатационных характеристик распределенного волоконно-оптического кабель-датчика.

По сравнению со стандартными датчиками для измерения геофизических параметров скважин, которые являются объемными и зачастую искажают картину внешних воздействий физических величин, волоконно-оптические кабели-датчики имеют следующие преимущества: возможность измерения физических величин по длине ствола скважины в реальном времени без перемещения кабеля-датчика, возможность исследования и мониторинга скважин со сложной схемой закачивания, высокая стабильность функционирования и помехозащищенность кабеля-датчика, использование одного волоконно-оптического кабеля-датчика для измерения разных физических величин.

Теоретическое обоснование предложенного технического решения основано на сведениях из разделов нелинейной оптики теории оптоволоконных световодов и сведений о проблемах систем мониторинга оптических параметров.

Системы оптического мониторинга механических напряжений используют определение параметров вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна - величины сдвига спектра рассеяния, обычно определяемой по точкам его максимума. При этом, особенностью таких систем является неоднозначность результата измерения, зависящего как от механического напряжения участка волокна, так и от его температуры. Кроме того, форма спектра рассеяния зависит от свойств используемого оптического волокна, что также может вносить неоднозначность в измерение.

Для устранения неоднозначности используют измерение амплитуды спектра рассеяния, используя измерение потерь в оптическом волокне на релеевском рассеянии. Однако в измерение этих потерь вносят погрешность, как погрешности самого метода, так и дополнительные потери на изгибах волокна зависящие, в том числе от чувствительности кабеля к изгибам.

С целью устранения неоднозначности результата измерения, дополнительно применяют калибровочные процедуры и вычислительные методы, с использованием данных измерений температуры и напряжений в кабеле до приложения нагрузки и при приложении фиксированных нагрузок. При этом равномерность исходного натяжения в оптическом волокне кабеля вдоль него на всем протяжении и его устойчивость к посторонним внешним факторам (в первую очередь, малая чувствительность к изгибам) оказывают влияние на точность измерений.

Измерение распределения механического напряжения в оптическом волокне вдоль образцов кабеля проводилось при помощи Бриллюэновского рефлектометра, присоединенного к одному концу измеряемого кабеля, при этом кабель был свернут в бухту диаметром около 40 см, длина образцов кабеля составляла около 200 м и 250 м.

Испытания проводились на двух образцах кабеля-датчика. Оба кабеля содержали одно оптическое волокно типа G.652 в буферном покрытии, помещенное в стальную центральную трубку с внутренним диаметром 1,4 мм, стальная трубка покрыта полиэтиленовой оболочкой.

Кабель-датчик имеет буферное покрытие оптического волокна круглой в сечении формы внутри круглой стальной трубки, плотно соприкасающееся с ней по внутренней поверхности.

Кабель-датчик имеет буферное покрытие оптического волокна квадратной в сечении формы внутри круглой стальной трубки, соприкасающееся с ней по внутренней поверхности в четырех областях по всей длине кабель-датчика (фиг. 1).

Результаты измерений показали, что разброс значений механического напряжения вдоль трассы составляет:

- в образце кабеля с круглым буферным покрытием - до 650 мкстр (мкм/м) в основной части трассы, с выбросами до 1000 мкстр по краям.

- в образце кабеля с квадратным буферным покрытием - до 450 мкстр по всей трассе, без выбросов по краям.

Таким образом, видно, что образец кабеля с оптическим волокном в буферном покрытии квадратной в сечении формы в круглой стальной трубке обеспечивает не менее чем в 1,5 раза меньшую неоднородность механического напряжения вдоль кабеля, чем кабель с оптическим волокном в буферном покрытии круглой в сечении формы, соприкасающийся с поверхностью трубки повсеместно.

Отличительной особенностью предложенной полезной модели является использование конструкции кабеля-датчика, содержащего оптическое волокно в буферном покрытии некруглого сечения внутри стальной трубки круглого сечения, с неполным касанием стенки буферного покрытия стальной трубки по окружности, при этом буферное покрытие связано со стальным модулем в отдельных областях в сечении по окружности, например, для квадратного в сечении буферного покрытия в 4-х областях по углам квадрата.

Тем самым повышается устойчивость кабеля к изгибам, повышается равномерность натяжения оптического волокна вдоль кабеля, ограничивается нагрузка на оптическое волокно при кратковременном удлинении кабеля.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность и достоверность определения механических напряжений в системах оптического мониторинга с использованием кабель-датчиков, снизить требование к применяемому оптическому волокну и точности воспроизведения технологических параметров при производстве.

Указанный технический результат достигается тем, что оптический кабель-датчик содержит оптическое волокно в буферном покрытии некруглой в сечении формы, расположенном внутри металлической трубки круглой формы, так, что буферное покрытие оптического волокна и стальная трубка в сечении соприкасаются не по всей поверхности, а в отдельных областях окружности трубки.

Предлагаемые варианты исполнения конструкций кабеля-датчика позволяют повысить точность и достоверность измеряемого при помощи кабель-датчика механического напряжения внешнего воздействия. Кроме того, происходит снижение кратковременной нагрузки на оптическое волокно.

В целом предлагаемые варианты исполнения конструкций кабель-датчиков позволяют повысить эксплуатационную надежность систем оптического мониторинга механических напряжений.

Claims (7)

1. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, содержащий наружную защитную оболочку, оптические волокна в буферном покрытии, расположенные внутри герметичных металлических трубок, проходящих вдоль длины кабеля-датчика, отличающийся тем, что в металлических трубках оптические волокна расположены в буферном покрытии некруглого сечения, с возможностью неполного касания буферного покрытия с металлической трубкой по окружности, при этом буферное покрытие связано с внутренней поверхностью металлических трубок в отдельных областях сечения по всей ее длине.

2. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно в металлических трубках может быть расположено в буферном покрытии в форме правильного многоугольника в сечении, например, квадрата.

3. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно в металлических трубках может быть расположено в буферном покрытии в форме правильной фигуры, вписанной в окружность, с закругленными краями в сечении, например, в форме цветка.

4. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенных в повиве и имеющих общую защитную оболочку.

5. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно со стальной трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными в повиве, и имеющими общую наружную защитную оболочку.

6. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.

7. Распределенный волоконно-оптический кабель-датчик, выполненный по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что выполнен с несколькими металлическими трубками с буферными покрытиями оптических волокон различной формы совместно с металлической трубкой со свободно расположенными оптическими волокнами, расположенными параллельно и имеющими общую наружную защитную оболочку.