WO2013041494A1 - Faseroptisches kabel - Google Patents
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- G02B6/4416—Heterogeneous cables
Definitions
- the present invention relates to a fiber optic cable
- the fiber optic cable is in
- Radiation or optical signal it is meant electromagnetic radiation in the optical spectral range, in particular from XUV to FIR. Accordingly, in the context of this application, an optical waveguide as
- Transmission medium for electromagnetic radiation in the optical spectral range serve.
- Tubing enclosing tube for hermetic protection is also known.
- the proposed constructions allow higher strains.
- irreversible strains can occur in the longitudinal tensile and torsional forces which are present in the application, which leads to local stress (local increase in attenuation) on the sensor fibers to lead.
- local stress local increase in attenuation
- Tube enclosing optical waveguide this not hermetically protected, which is disadvantageous in terms of accelerated
- Wiline describes the benefits of wireline technology (starting on page 38) in onshore oil and gas production. Through the application “Wireline” technical facilities are implemented, which measures the measurements within a wellbore while simultaneously
- a drive unit travels down the underground borehole to perform various tasks (maintenance, measurement), and the power supply and data transfer take place via the wireline cable.
- the tractor and wireline cable remain permanently in the wellbore and, if necessary, the tractor can be retracted with the wireline cable back to the wellhead exit point.
- the optical sensor technology measures physical quantities such as temperature.
- WO 2011/037974 A2 deals with the requirements for torsion properties, the cable weight and the frictional resistance for the wireline cables.
- various constructive solutions of wireline cables are presented in this document, which should realize improved torsional properties (torque balanced) compared to the existing wireline cables.
- the solution is represented by an additional smooth outer jacket in the wireline cable.
- the question remains to what extent the smooth properties of a thin plastic sheath are maintained under difficult environmental conditions. There is also the risk that the jacket can rub off and / or rupture.
- No. 7,324,730 B2 shows that the use of stainless steel tubes for the protection of optical fibers in the wireline cable application is not or only insufficiently suitable. Due to the high cable strains which can occur with the wireline cables within the application, the stainless steel tubes are at risk of deformation. In the worst case, the optical fibers within the stainless steel tubes also become
- a fiber optic cable of the aforementioned type is known from US 2006/0120675 A1.
- the cable described therein comprises a stainless steel tube with an optical fiber therein.
- a reinforcing layer of aramid fibers and outside of the reinforcing layer Teflontiken for friction reduction are provided outside of the tube.
- the problem underlying the present invention is the provision of a fiber optic cable of the type mentioned, in which the risk of damage to the integrated tube is reduced.
- the fiber optic cable comprises release means, which leads to a mechanical decoupling
- the mechanical decoupling of the individual components of the cable from one another reduces the risk of damaging the integrated tube, in particular if the separating means can contribute to or cause a mechanical decoupling of the at least one tube from the at least one further layer.
- the separating means are formed as at least one film, which is arranged radially between the at least one tube and the at least one further layer.
- the at least one further layer is designed as an electrical conductor or as a reinforcing means.
- Such reinforcing agents can absorb tensile forces and, for example, comprise fibers, in particular aramid fibers, or consist of fibers, in particular aramid fibers.
- the reinforcing means may be formed as a reinforcement, in particular as a cross-beat.
- the separating means comprise two films, between which a further layer of the cable is arranged.
- the outer of the two foils is surrounded by parts of a pull rope, which may preferably be conductive.
- a pull rope which may preferably be conductive.
- Voltage supply can be ensured via the cable, for example, a second conductor can be arranged on the outside of the tube.
- the outer of the two films can ensure a mechanical decoupling of the inner layers of the cable from the outer pull rope, which can also serve to absorb tensile forces.
- Fig. 1 shows a schematic cross section through a first
- Fig. 2 is a schematic cross section through a second
- Fig. 3 is a schematic cross section through a third
- Fig. 5 is a schematic cross section through a fifth
- Fig. 6 is a schematic cross section through a sixth
- Fig. 7 is a schematic cross section through a seventh
- the invention is intended to measures to protect a metallic
- Tube (preferably made of stainless steel, alternative
- the optical fibers should therefore be used mechanically stress-free for the sensors (mainly DTS).
- the availability and reliability for the use of optical fibers is increased and the failure rate is reduced equally. An interruption due to the failure of the optical fibers when operating the downhole wells should be avoided.
- the first approach (FIGS. 1 to 4) is a downhole
- Wireline Cable with optical fibers for protection in a metallic sheath preferably a stainless steel tube
- a metallic sheath preferably a stainless steel tube
- the modification consists, for example, in the replacement of the metallic ones
- the elongation is sufficiently reduced by the lower cable weight and the smaller modulus of elasticity of aramid, so that the deformations of the stainless steel tube under tensile load are excluded.
- Fig. 1 The embodiment shown in Fig. 1 comprises a metallic tube 1, preferably made of stainless steel, alternatively
- double-layered, three-layered or multi-layered tube is formed.
- Such a design is usually mechanically stable than standard metal tube and is kink resistant and pressure resistant.
- two light guides 2 are arranged in the illustrated embodiment. It is quite possible to provide more or less than two optical fibers 2.
- an additional filling compound such as a gel may be provided.
- the light guides 2 can for fiber optic sensors of
- the light guides 2 may be single-mode or multi-mode fibers, which may be provided with a coating of, for example, acrylate, carbon, or preferably polyimide to increase the mechanical, chemical and thermal resistance.
- the light guides 2 lie with an excess length in the tube 1, wherein the excess length
- the tube 1 is on the outside with a conductor 3, preferably made of copper, alternatively of aluminum or other good conductive
- the conductor 3 is formed as Umseilung, as a fabric or as a foil banding and serves as an inner conductor for the power supply of the fiber optic cable.
- the training as Umseilung, tissue or foil banding results in an additional corset effect as a mechanical protection for the tube. 1
- an electrically conductive fabric / braid preferably made of copper, and additionally an electrically conductive layer, preferably of copper, on the tube 1 may be provided.
- the first embodiment further comprises a film 4 arranged outside the conductor 3 as a release agent or banding.
- the film 4 is preferably made of PTFE.
- the film 4 can as
- longitudinal fibers 5, preferably of aramid, are provided outside the film 4, which serve as reinforcing means or as strain relief elements for the tube 1.
- fibers 5 may be a two-ply or multi-ply
- Umseilung be provided with left and right blow.
- Another film 6 is provided outside the fibers 5 or the two-ply Umseilung with left and right blow.
- the further film 6 can be designed as a banding or longitudinally running and preferably consist of PTFE.
- the further film 6 can also serve as a release agent or release layer of the mechanical decoupling.
- High-voltage insulation which consists in particular of a chemically resistant and temperature-resistant plastic such as fluoropolymer, preferably EPR or ETFE.
- longitudinal fibers 8 preferably made of aramid, are provided which serve as reinforcing means or as additional strain relief elements for the insulation 7.
- a two- or multi-ply Umseilung be provided with left and right blow.
- a banding 9 preferably made of metal foil, to protect the
- the traction cable 10 is further provided on the outside as a two-ply reinforcement, which in particular has a cross-stroke with left and right parts 10a, 10b.
- a multi-layered reinforcement which in particular has a cross-stroke with left and right parts 10a, 10b.
- a metallic material As the material of the traction cable 10, a metallic material,
- the pull cable 10 can serve as a return conductor.
- an outer jacket 11 made of chemically resistant and heat-resistant plastic, for example of fluoropolymer, preferably PEEK or ETFE, with a smooth surface is arranged outside the pull cable 10.
- an outer jacket may additionally be extruded.
- the functionality of the optical fibers 2 can be expected without further restrictions.
- Fig. 3 shows an embodiment with a metallic tube 1, in the interior thereof as in the first and the second
- Embodiment light guide 2 are provided.
- the embodiment according to FIG. 3 provides that the aramid arrays are preferably made longitudinally acting as reinforcing means fibers 5 are arranged on the outside of the tube 1 and perform the function of strain relief for the tube 1.
- a two- or multi-ply Umseilung be provided with left and right swing.
- the film 4 is surrounded by the conductor 3, which in particular has the same properties as that associated with FIG. 1
- Embodiment also can serve as a release agent or release layer of the mechanical decoupling.
- the insulation 7 is arranged.
- the insulation 7 is arranged.
- comparable longitudinal fibers serving as reinforcing means 8 may also be provided alternatively or additionally on the inside of the insulation 7.
- an outer shell 11 is provided.
- this outer jacket 11 may be extruded.
- Fig. 5 shows an embodiment with a metallic tube 1, in the interior of which, as in the first to fourth embodiments, optical fibers 2 are provided.
- a metallic tube 1 in the interior of which, as in the first to fourth embodiments, optical fibers 2 are provided.
- Embodiment is provided on the outside of the tube 1, a conductor 3, the conductor 3 of the first
- Embodiment can correspond.
- an insulation 7 is provided, which may correspond to the insulation 7 of the first embodiment.
- an additional conductor 12 is arranged, which is also preferably made of copper, alternatively of aluminum or other highly conductive alloys or metals consists.
- the conductor 12 is as Umseilung, as tissue or as
- outside the fibers 5 serving as a banding foil 6 is arranged, which preferably consists of PETP.
- the film 6 can serve as a release agent or release layer of the mechanical decoupling.
- the embodiment according to FIG. 5 furthermore comprises an outer jacket 11, which is arranged outside the film 6 and made of chemically resistant and heat-resistant plastic, for example
- Fluoropolymer preferably PEEK or ETFE, with a smooth surface.
- the embodiment depicted in FIG. 6 comprises a metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more light guides 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more light guides 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more light guides 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the
- Tube 1 may be provided an additional filling compound such as a gel.
- the conductor insulation can be made of a chemically resistant and temperature-resistant plastic
- fluoropolymer preferably EPR or ETFE.
- a stranding 14 is provided which surrounds the tube 1 and the two electrical conductors 13. It is still longitudinal fibers 5, preferably of aramid, provided outside the stranding 14, which serve as reinforcing means
- fibers 5 may be a two-ply or multi-ply
- Umseilung be provided with left and right blow.
- outside the fibers 5 serving as a banding foil 6 is arranged, which preferably consists of PETP.
- the film 6 can serve as a release agent or release layer of the mechanical decoupling.
- the embodiment according to FIG. 6 furthermore comprises an outer jacket 11, which is arranged outside the film 6 and made of chemically resistant and heat-resistant plastic, for example
- Fluoropolymer preferably PEEK or ETFE, with a smooth surface.
- the embodiment shown in Fig. 7 comprises a metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more optical fibers 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more optical fibers 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the metallic tube 1, which may be formed like the tube of the first embodiment and also has one or more optical fibers 2 in its interior. Furthermore, in the cavity of the
- Tube 1 may be provided an additional filling compound such as a gel.
- the conductor insulation can be made of a chemically resistant and temperature-resistant plastic
- fluoropolymer preferably EPR or ETFE.
- strain relief elements 15 preferably made of FRP.
- FRP strain relief elements
- a stranding 14 is provided which surrounds the tube 1, the two electrical conductors 13 and the strain relief elements 15.
- the seventh embodiment further comprises a film 4 disposed outside the stranding 14 for supporting the film 4
- the film 4 is preferably made of PTFE.
- the film 4 can also be used as a release agent or release layer of
- longitudinal fibers 5, preferably of aramid, are provided outside the film 4, which serve as reinforcing means or as strain relief elements for the tube 1.
- fibers 5 may be a two-ply or multi-ply
- Umseilung be provided with left and right blow.
- Another film 6 is provided outside the fibers 5 or the two-ply Umseilung with left and right blow.
- the further film 6 can be designed as a banding or longitudinally running and preferably consist of PTFE.
- the further film 6 can also serve as a release agent or release layer of the mechanical decoupling.
- the embodiment according to FIG. 7 furthermore comprises an outer sheath 11 made of chemically resistant and temperature-resistant plastic, which is arranged outside the foil 6, for example
- Fluoropolymer preferably PEEK or ETFE, with a smooth surface.
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Abstract
Faseroptisches Kabel, insbesondere für den Einsatz in einem Bohrloch, umfassend mindestens einen Lichtwellenleiter (2), mindestens ein metallisches Röhrchen (1), das den mindestens einen Lichtwellenleiter (2) zumindest abschnittsweise umgibt, sowie mindestens eine weitere Lage, die das mindestens eine Röhrchen (1) zumindest abschnittsweise umgibt, wobei das faseroptische Kabel Trennmittel umfasst, die zu einer mechanischen Entkopplung einzelner Komponenten des faseroptischen Kabels beitragen können oder diese bewirken können.
Description
„Faseroptisches Kabel"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faseroptisches Kabel,
insbesondere für den Einsatz in einem Bohrloch, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Das faseroptische Kabel wird im
Nachfolgenden auch Wireline-Kabel genannt.
Definitionen: Wenn im Folgenden die Begriffe Licht, optische
Strahlung oder optisches Signal verwendet werden, ist damit elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich, insbesondere vom XUV bis zum FIR, gemeint. Entsprechend soll im Rahmen dieser Anmeldung ein Lichtwellenleiter als
Übertragungsmedium für elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich dienen.
In Erdöl- und Ergaswells werden zu sensorischen, wie auch zu wartungstechnischen Zwecken multifunktionale mobile Werkzeuge („Traktoren") eingesetzt. Diese werden konventionell über bekannte Wireline-Kabelkonstruktionen mit Energie versorgt. Bis dato
ausgeführte Wireline-Kabel mit in einem Edelstahlröhrchen
integrierten Lichtwellenleitern sind in der praktischen Anwendung zur verteilten faseroptischen Sensorik unzureichend, da unterschiedliche Dehnungskoeffizienten von Kabel und Röhrchen beim Ein- und
Herausführen des Kabels, sowie beim Fahren des Traktors extreme Längszugskräfte und Torsion auftreten können. Diese können zu lokalen mechanischen Deformationen bis hin zum Abriss des
Röhrchens führen. Die alternative Ausführung ohne ein die
Lichtwellenleiter umschließendes Röhrchen zum hermetischen Schutz ist ebenfalls bekannt. Die dabei vorgeschlagenen Konstruktionen lassen zwar höhere Dehnungen zu. Jedoch ist zu erwarten, dass bei den in der Anwendung vorliegenden Längszug- und Torsionskräften beispielsweise irreversible Dehnungen auftreten können, die zu lokalem Stress (lokale Dämpfungszunahme) auf den Sensorfasern
führen. Zusätzlich sind durch den Verzicht auf ein die
Lichtwellenleiter umschließendes Röhrchen diese nicht hermetisch geschützt, welches nachteilig in Bezug auf beschleunigte
Alterungseffekte (Hydrogen-Ingression, hohe Temperaturen im
Bohrloch von 200°C bis 300°C oder höher) in dieser Applikation ist. Beide oben genannten Varianten weisen den Nachteil auf, dass im dauerhaften Betrieb des Wireline-Kabels mechanische Kräfte
(Längszugkräfte und Torsion) zu temporären oder dauerhaften lokal unterschiedlichen Beeinträchtigungen der sensorischen Eigenschaften von Lichtwellenleitern als ortsverteilte faseroptische Sensoren führen können. Diese beeinträchtigten die Qualität von Kalibrierung und Messauflösung von faseroptischen Verfahren zur Messung
physikalischer Größen.
In Wassink, Sandra, EX-Zeitschrift 2011 , Seite 34 - 41 , „Wireline sind die Vorteile der Wireline-Technik (ab Seite 38) bei der Öl- und Gasförderungen an Land beschrieben. Über die Applikation „Wireline" sind technische Einrichtungen umgesetzt, welche die Messungen innerhalb eines Bohrloches als Eingriff während gleichzeitiger
Förderung zulassen.
In der WO 2011/037974 A2 wird die Wireline-Technik mit der
Erweiterung von zusätzlichen Wartungsaufgaben innerhalb eines Bohrloches beschrieben. Eine Antriebseinheit (Traktor) fährt zur Durchführung unterschiedlicher Aufgaben (Wartung, Messung) das unterirdische Bohrloch ab und über das Wireline-Kabel erfolgen die Spannungsversorgung und der Datentransfer.
Der Traktor und das Wireline-Kabel verbleiben permanent in dem Bohrloch und im Bedarfsfall kann der Traktor mit dem Wireline-Kabel wieder zum Ausgangspunkt des Bohrloches zurückgezogen werden. Über den Einsatz von optischen Fasern innerhalb des Wireline-Kabel
wird gleichzeitig die optische Sensorik (Messung) von physikalischen Größen wie zum Beispiel Temperatur realisiert.
Die WO 2011/037974 A2 behandelt in diesem Zusammenhang die Anforderungen an die Torsionseigenschaften, das Kabelgewicht und den Reibwiderstand für die Wireline-Kabel. Hierzu sind in dieser Schrift verschiedene konstruktive Lösungen von Wireline-Kabeln dargestellt, die im Vergleich zu den bestehenden Wireline-Kabeln verbesserte Torsionseigenschaften (torque balanced) realisieren sollen.
Zur Reduzierung des Reibwiderstandes wird die Lösung über einen zusätzlichen glatten Außenmantel bei dem Wireline-Kabel dargestellt. Es besteht die Frage, inwieweit die glatten Eigenschaften eines dünnen Kunststoffmantels unter erschwerten Umgebungsbedingungen erhalten bleiben. Ebenso besteht das Risiko, dass der Mantel sich abreiben und/oder aufreißen kann.
In der US 7,324,730 B2 ist dargestellt, dass die Verwendung von Edelstahlröhrchen zum Schutz von optischen Fasern in der Wireline- Kabel-Applikation nicht oder nur unzureichend geeignet ist. Aufgrund von hohen Kabeldehnungen, die bei den Wireline-Kabeln innerhalb der Applikation auftreten können, besteht bei den Edelstahlröhrchen das Risiko von Deformationen. Im schlimmsten Fall werden die optischen Fasern innerhalb der Edelstahlröhrchen ebenfalls
beschädigt.
Als Neuerung werden in der US 7,324,730 B2 konstruktive Lösungen ohne metallische Röhrchen als unmittelbaren Schutz für die optischen Fasern aufgezeigt. Mit diesen Lösungen sollen Beschädigungen der optischen Fasern im Falle von höherer Kabeldehnung zu vermeiden sein.
Entsprechend der vorliegenden Erkenntnisse sind auch bei den Konstruktionen nach WO 2011/037974 A2 keine zusätzlichen
Konstruktionsmerkmale aufgezeigt, die bei hoher Dehnung des
Wireline-Kabels ein Edelstahlröhrchen ausreichend gegen
Deformation oder Beschädigung schützen könnten.
Somit bestehen in Verbindung mit dem ortsveränderlichen Einsatz eines Traktors keine geeigneten Schutzmaßnahmen für die sichere Verwendung von Edelstahlröhrchen bei der Wireline-Kabel- Applikation. Es ist daher wünschenswert, über eine geeignete
Konstruktion eines Wireline-Kabels mit in einem Röhrchen,
beispielsweise aus Edelstahl, und mindestens einem integrierten Lichtwellenleiter die verteilte faseroptische Messung von
physikalischen Größen entlang der Kabelstrecke in der oben
genannten Applikation dauerhaft zu ermöglichen und die oben genannten Nachteile zu minimieren.
Ein faseroptisches Kabel der eingangs genannten Art ist aus der US 2006/0120675 A1 bekannt. Das darin beschriebene Kabel umfasst ein Edelstahlröhrchen mit einer darin befindlichen Lichtleitfaser.
Weiterhin sind außerhalb des Röhrchens eine Verstärkungslage aus Aramidfasern und außerhalb der Verstärkungslage Teflonschichten zur Reibungsverminderung vorgesehen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung eines faseroptischen Kabels der eingangs genannten Art, bei dem das Risiko der Beschädigung des integrierten Röhrchens reduziert ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein faseroptisches Kabel der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das faseroptische Kabel Trennmittel umfasst, die zu einer mechanischen Entkopplung
einzelner Komponenten des faseroptischen Kabels beitragen können oder diese bewirken können. Die mechanische Entkopplung der einzelnen Komponenten des Kabels voneinander reduziert das Risiko der Beschädigung des integrierten Röhrchens, insbesondere dann, wenn die Trennmittel zu einer mechanischen Entkopplung des mindestens einen Röhrchens von der mindestens einen weiteren Lage beitragen können oder diese bewirken können.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Trennmittel als mindestens eine Folie ausgebildet sind, die radial zwischen dem mindestens einen Röhrchen und der mindestens einen weiteren Lage angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine weitere Lage als elektrischer Leiter oder auch als Verstärkungsmittel ausgebildet ist. Derartige Verstärkungsmittel können Zugkräfte aufnehmen und beispielsweise Fasern, insbesondere Aramidfasern, umfassen oder aus Fasern, insbesondere Aramidfasern, bestehen. Alternativ können die Verstärkungsmittel als Armierung, insbesondere als Kreuzschlag ausgebildet sein.
Insbesondere wenn die Trennmittel zwischen dem mindestens einen Röhrchen und den Verstärkungsmitteln angeordnet sind, reduziert die dadurch hervorgerufene mechanische Entkopplung des Röhrchens von den Verstärkungsmitteln sehr wirksam das Risiko der
Beschädigung des Röhrchens.
Es kann vorgesehen sein, dass die Trennmittel zwei Folien umfassen, zwischen denen eine weitere Lage des Kabels angeordnet ist. Dabei kann beispielsweise die innere der beiden Folien das Röhrchen mittelbar oder unmittelbar umgeben, wohingegen zwischen den beiden
Folien die Verstärkungsmittel angeordnet sein können. Auf diese Weise kann auch eine mechanische Entkopplung des Röhrchens und der Verstärkungsmittel von den außerhalb der äußeren der beiden Folien angeordneten Lagen oder Teilen des Kabels erfolgen.
Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass die äußere der beiden Folien von Teilen eines Zugseils umgeben ist, das vorzugsweise leitend sein kann. Auf diese Weise kann einerseits eine
Spannungsversorgung über das Kabel gewährleistet werden, wobei beispielsweise ein zweiter Leiter auf der Außenseite des Röhrchens angeordnet sein kann. Andererseits kann die äußere der beiden Folien eine mechanische Entkopplung der inneren Lagen des Kabels von dem äußeren Zugseil gewährleisten, das ebenfalls der Aufnahme von Zugkräften dienen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig.4 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine fünfte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine sechste
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch eine siebte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels.
ln den Figuren werden gleiche oder funktional gleiche Teile oder Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei den Wireline-Kabeln gemäß dem Stand der Technik besteht aufgrund von Dehnungen das Risiko der Beschädigung des
integrierten Edelstahlröhrchens.
Die Erfindung soll Maßnahmen zum Schutz eines metallischen
Röhrchens (vorzugsweise aus Edelstahl, alternative
Nickellegierungen, Aluminium, ...) aufzeigen, so dass die Vorteile des hermetisch geschlossenen Metallröhrchens als Umhüllung von optischen Fasern bei der„Down hole Wire line Cable Application" realisiert werden.
Im Gegensatz zur Verwendung von optischen Fasern zur
Kommunikationszwecken, bestehen bei der faseroptischen Sensorik (beispielsweise DTS - distributed temperature sensing) besondere Anforderungen an eine mechanisch stressfreie Sensorstrecke. Zeitlich oder örtlich Variante Zusatzdämpfungen durch temporären oder lokalen mechanischen Stress können direkt die Messung der
physikalischen Größe beeinträchtigen, welches eine erneute
Kalibrierung des Messsystems erfordern könnte.
Die optischen Fasern sollen daher für die Sensorik (vornehmlich DTS) mechanisch stressfrei einzusetzen sein.
Die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit für den Einsatz der optischen Fasern wird erhöht und die Ausfallrate gleichermaßen reduziert. Eine Unterbrechung bedingt durch den Ausfall der optischen Fasern beim Betreiben des Downhole Wells soll vermieden werden.
Als erster Lösungsansatz (Fig. 1 bis Fig.4) soll ein Downhole
Wireline Cable mit optischen Fasern zum Schutz in einer metallischen Umhüllung (vorzugsweise ein Edelstahlröhrchen) erweitert werden.
Die ursprünglich mechanischen Eigenschaften des Downhole Wireline Cable sollen hierbei erhalten bleiben.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem mechanische
Belastungen (insbesondere Längsdehnungen) bei Verwendung eines Metall- oder Edelstahlröhrchens mit integrierten Lichtleitern
problematisch ist, werden erfindungsgemäß geeignete konstruktive Maßnahmen vorgestellt, die das Metall- oder Edelstahlröhrchen weitestgehend von den mechanischen Belastungen über das
eigentliche Wireline Cable entkoppeln.
In einem weiteren Lösungsansatz (Fig. 5 bis Fig. 7) besteht die Modifikation beispielsweise in dem Austausch der metallischen
Zugentlastungselemente gegen „Low-Modulus Aramid" Fasern.
Die Längsdehnung wird durch das geringere Kabelgewicht und das kleinere Elastizitätsmodul von Aramid ausreichend reduziert, so dass die Deformationen des Edelstahlröhrchens unter Zugbelastung ausgeschlossen sind.
Die in Fig. 1 abgebildete Ausführungsform umfasst ein metallisches Röhrchen 1, das vorzugsweise aus Edelstahl, alternativ aus
Nickellegierungen oder Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht. Es kann vorgesehen sein, dass das Röhrchen als
doppellagiges, dreilagiges oder mehrlagiges Röhrchen ausgebildet ist. Eine derartige Gestaltung ist in der Regel mechanisch stabiler als Standard-Metallröhrchen und ist knickfest sowie druckfest.
ln dem Röhrchen 1 sind in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel zwei Lichtleiter 2 angeordnet. Es besteht durchaus die Möglichkeit, mehr oder weniger als zwei Lichtleiter 2 vorzusehen. Weiterhin kann im Hohlraum des Röhrchens 1 eine zusätzliche Füllmasse wie beispielsweise ein Gel vorgesehen sein.
Die Lichtleiter 2 können zur faseroptischen Sensorik von
beispielsweise Temperatur und/oder Druck und/oder Vibration dienen. Die Lichtleiter 2 können Singlemode- oder Multimode-Fasern sein, welche zur Erhöhung der mechanischen, chemischen und thermischen Resistenz mit einem Coating aus beispielsweise Acrylat, Karbon, oder vorzugsweise Polyimid versehen sein können. Die Lichtleiter 2 liegen mit einer Überlänge im Röhrchen 1, wobei die Überlänge
beispielsweise ein Tausendstel der Länge beträgt.
Das Röhrchen 1 ist außen mit einem Leiter 3, vorzugsweise aus Kupfer, alternativ aus Aluminium oder anderen gut leitfähigen
Legierungen oder Metallen versehen. Der Leiter 3 ist als Umseilung, als Gewebe oder als Folienbandierung ausgebildet und dient als Innenleiter für die Spannungsversorgung des faseroptischen Kabels. Durch die Ausbildung als Umseilung, Gewebe oder Folienbandierung ergibt sich eine zusätzliche Korsettwirkung als mechanischer Schutz für das Röhrchen 1.
Alternativ dazu kann ein elektrisch leitendes Gewebe/Geflecht, vorzugsweise aus Kupfer, und zusätzlich eine elektrisch leitende Lage, vorzugsweise aus Kupfer, auf dem Röhrchen 1 vorgesehen werden.
Die erste Ausführungsform umfasst weiterhin eine außerhalb des Leiters 3 angeordnete Folie 4 als Trennmittel oder Bandierung. Die Folie 4 besteht vorzugsweise aus PTFE. Die Folie 4 kann als
Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen.
Es sind weiterhin längslaufende Fasern 5, vorzugsweise aus Aramid, außerhalb der Folie 4 vorgesehen, die als Verstärkungsmittel beziehungsweise als Zugentlastungselemente für das Röhrchen 1 dienen.
Anstelle der Fasern 5 kann eine zweilagige oder mehrlagige
Umseilung mit Links- und Rechtsschlag vorgesehen sein.
Eine weitere Folie 6 ist außerhalb der Fasern 5 oder der zweilagigen Umseilung mit Links- und Rechtsschlag vorgesehen. Die weitere Folie 6 kann als Bandierung oder längslaufend ausgestaltet sein und vorzugsweise aus PTFE bestehen. Die weitere Folie 6 kann ebenfalls als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen.
Außerhalb der Folie 6 ist eine Isolierung 7, insbesondere eine
Hochspannungsisolierung vorgesehen, die insbesondere aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen Kunststoff wie beispielsweise aus Fluorpolymer, vorzugsweise EPR oder ETFE besteht.
Außerhalb der Isolierung 7 sind optional längslaufende Fasern 8, vorzugsweise aus Aramid, vorgesehen, die als Verstärkungsmittel oder als zusätzliche Zugentlastungselemente für die Isolierung 7 dienen. Alternativ kann eine zwei- oder mehrlagige Umseilung mit Links und Rechtsschlag vorgesehen sein.
Ebenfalls optional kann außerhalb der längslaufenden Fasern 8 eine Bandierung 9, vorzugsweise aus Metallfolie, zum Schutz der
Isolierung gegen die innere Lage des im nachfolgenden noch beschriebenen Zugseiles 10 vorgesehen sein.
Das Zugseil 10 ist weiter außen als zweilagige Armierung vorgesehen, die insbesondere einen Kreuzschlag mit links und rechts verlaufenden Teilen 10a, 10b aufweist. Alternativ dazu kann eine mehrlagige
Ausführung im Kreuzschlag des Zugseils 10 vorgesehen sein. Als Material des Zugseils 10 kann ein metallisches Material,
vorzugsweise G-GIPS oder GHS-GEIPS, verwendet werden. Durch die Verwendung eines metallischen Materials kann das Zugseil 10 als Rückleiter dienen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist weiterhin außerhalb des Zugseils 10 ein Außenmantel 11 aus chemisch resistentem und temperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise aus Fluorpolymer, vorzugsweise PEEK oder ETFE, mit glatter Oberfläche angeordnet.
Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an den Druck innerhalb Down Hole Bore und den Außendurchmesser des Wireline- Kabels erfüllt werden, kann zusätzlich ein Außenmantel extrudiert sein.
Über die Folien 4, 6 sind die inneren Elemente mechanisch
entkoppelt, so dass ein „Gleiten" dieser inneren Elemente unter
Biegung und Zugbelastung begünstigt wird.
Unter der Voraussetzung, dass die mechanischen Belastungen des einlagigen, doppellagigen oder mehrlagigen Metallröhrchens im elastischen Bereich ablaufen, ist die Funktionalität der Lichtleiter 2 ohne weitere Einschränkungen zu erwarten.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem metallischen Röhrchen 1, in deren Innerem wie bei dem ersten und dem zweiten
Ausführungsbeispiel Lichtleiter 2 vorgesehen sind. Unterschiedlich zu diesen ersten Ausführungsbeispielen sieht die Ausführungsform gemäß Fig. 3 vor, dass die vorzugsweise aus Aramid bestehenden
längslaufenden als Verstärkungsmittel dienende Fasern 5 an der Außenseite des Röhrchens 1 angeordnet sind und die Funktion von Zugentlastungselementen für das Röhrchen 1 erfüllen.
Auch hier kann alternativ eine zwei- oder mehrlagige Umseilung mit Links und Rechtsschlag vorgesehen sein.
Auf der Außenseite der Fasern 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienende Folie 4 angeordnet.
Die Folie 4 ist von dem Leiter 3 umgeben, der insbesondere die gleichen Eigenschaften wie der im Zusammenhang mit Fig. 1
beschriebenen Leiter 3 aufweisen kann.
Außerhalb des Leiters 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 eine weitere Folie 6 angeordnet, die wie die Folie 6 des ersten
Ausführungsbeispiels ebenfalls als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen kann.
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 außerhalb der Folie 6 die Isolierung 7 angeordnet. Optional sind wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel außerhalb der Isolierung 7 die
längslaufenden als Verstärkungsmittel dienenden Fasern 8 und die Bandierung 9 vorgesehen. Allerdings können bei dem
Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 vergleichbare längslaufende als Verstärkungsmittel dienende Fasern 8 auch alternativ oder zusätzlich auf der Innenseite der Isolierung 7 vorgesehen sein.
Außen an die Bandierung 9 schließt sich wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel das Zugseil 10 an.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 ist wie bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 2 ein Außenmantel 11 vorgesehen.
Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an den Druck innerhalb Down Hole Bore und den Außendurchmesser des Wireline- Kabels erfüllt werden, kann zusätzlich dieser Außenmantel 11 extrudiert sein.
Über den konstruktiven Aufbau der Teile 1 und 3 bis 6 sind die
Elemente des Kerns mechanisch entkoppelt, so dass ein „Gleiten" der Kernelemente gegeneinander unter Biegung und Zugbelastung begünstigt wird.
Unter der Voraussetzung, dass die mechanischen Belastungen des, insbesondere doppellagigen, Röhrchens 1 im plastischen Bereich ablaufen, ist die Funktionalität der Lichtleiter 2 ohne weitere
Einschränkungen zu erwarten.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit einem metallischen Röhrchen 1, in deren Innerem wie bei dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel Lichtleiter 2 vorgesehen sind. Wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel ist auf der Außenseite des Röhrchens 1 ein Leiter 3 vorgesehen, der dem Leiter 3 des ersten
Ausführungsbeispiels entsprechen kann.
Unterschiedlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel sieht die
Ausführungsform gemäß Fig. 5 vor, dass auf der Außenseite des Leiters 3 eine Isolierung 7 vorgesehen ist, die der Isolierung 7 des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen kann.
Auf der Außenseite dieser Isolierung 7 ist ein zusätzlicher Leiter 12 angeordnet, der ebenfalls vorzugsweise aus Kupfer, alternativ aus Aluminium oder anderen gut leitfähigen Legierungen oder Metallen
besteht. Der Leiter 12 ist als Umseilung, als Gewebe oder als
Folienbandierung ausgebildet und dient als Rückleiter für die
Spannungsversorgung des faseroptischen Kabels.
Es sind weiterhin längslaufende Fasern 5, vorzugsweise aus Aramid, außerhalb des zusätzlichen Leiters 12 vorgesehen, die als
Verstärkungsmittel oder als Zugentlastungselemente dienen.
Außerhalb der Fasern 5 ist eine als Bandierung dienende Folie 6 angeordnet, die vorzugsweise aus PETP besteht. Die Folie 6 kann als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 umfasst weiterhin einen außerhalb der Folie 6 angeordneten Außenmantel 11 aus chemisch resistentem und temperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise aus
Fluorpolymer, vorzugsweise PEEK oder ETFE, mit glatter Oberfläche.
Die in Fig. 6 abgebildete Ausführungsform umfasst ein metallisches Röhrchen 1, das wie das Röhrchen der ersten Ausführungsformen ausgebildet sein kann und ebenfalls einen oder mehrere Lichtleiter 2 in seinem Inneren aufweist. Weiterhin kann im Hohlraum des
Röhrchens 1 eine zusätzliche Füllmasse wie beispielsweise ein Gel vorgesehen sein.
Parallel zu dem Röhrchen 1 verlaufend sind zwei als elektrische Hin- und Rückleiter dienende Leiter 13, vorzugsweise aus Kupfer, mit einer Leiterisolierung angeordnet. Die Leiterisolierung kann aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen Kunststoff,
beispielsweise aus Fluorpolymer, vorzugsweise aus EPR oder ETFE bestehen.
Es ist weiterhin eine Verseilung 14 vorgesehen, die das Röhrchen 1 und die beiden elektrischen Leiter 13 umgibt. Es sind weiterhin
längslaufende Fasern 5, vorzugsweise aus Aramid, außerhalb der Verseilung 14 vorgesehen, die als Verstärkungsmittel
beziehungsweise als Zugentlastungselemente dienen.
Anstelle der Fasern 5 kann eine zweilagige oder mehrlagige
Umseilung mit Links- und Rechtsschlag vorgesehen sein.
Außerhalb der Fasern 5 ist eine als Bandierung dienende Folie 6 angeordnet, die vorzugsweise aus PETP besteht. Die Folie 6 kann als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 umfasst weiterhin einen außerhalb der Folie 6 angeordneten Außenmantel 11 aus chemisch resistentem und temperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise aus
Fluorpolymer, vorzugsweise PEEK oder ETFE, mit glatter Oberfläche.
Die in Fig. 7 abgebildete Ausführungsform umfasst ein metallisches Röhrchen 1, das wie das Röhrchen der ersten Ausführungsformen ausgebildet sein kann und ebenfalls einen oder mehrere Lichtleiter 2 in seinem Inneren aufweist. Weiterhin kann im Hohlraum des
Röhrchens 1 eine zusätzliche Füllmasse wie beispielsweise ein Gel vorgesehen sein.
Parallel zu dem Röhrchen 1 verlaufend sind zwei als elektrische Hin- und Rückleiter dienende Leiter 13, vorzugsweise aus Kupfer, mit einer Leiterisolierung angeordnet. Die Leiterisolierung kann aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen Kunststoff,
beispielsweise aus Fluorpolymer, vorzugsweise aus EPR oder ETFE bestehen.
Weiterhin sind parallel zu dem Röhrchen 1 und den Leitern 13 verlaufende Zugentlastungselemente 15, vorzugsweise aus GFK, vorgesehen. Es besteht die Möglichkeit, eine Füllung in den
Zwischenräumen zwischen dem Röhrchen 1, den Leitern 13 und den Zugentlastungselementen 15 vorzusehen.
Es ist weiterhin eine Verseilung 14 vorgesehen, die das Röhrchen 1, die beiden elektrischen Leiter 13 und die Zugentlastungselemente 15 umgibt.
Die siebte Ausführungsform umfasst weiterhin eine außerhalb der Verseilung 14 angeordnete Folie 4 zum Abstützen des
Verseilverbandes. Die Folie 4 besteht vorzugsweise aus PTFE. Die Folie 4 kann auch als Trennmittel oder Trennschicht der
mechanischen Entkopplung dienen.
Es sind weiterhin längslaufende Fasern 5, vorzugsweise aus Aramid, außerhalb der Folie 4 vorgesehen, die als Verstärkungsmittel beziehungsweise als Zugentlastungselemente für das Röhrchen 1 dienen.
Anstelle der Fasern 5 kann eine zweilagige oder mehrlagige
Umseilung mit Links- und Rechtsschlag vorgesehen sein.
Eine weitere Folie 6 ist außerhalb der Fasern 5 oder der zweilagige Umseilung mit Links- und Rechtsschlag vorgesehen. Die weitere Folie 6 kann als Bandierung oder längslaufend ausgestaltet sein und vorzugsweise aus PTFE bestehen. Die weitere Folie 6 kann ebenfalls als Trennmittel oder Trennschicht der mechanischen Entkopplung dienen.
Die Ausführungsform gemäß Fig.7 umfasst weiterhin einen außerhalb der Folie 6 angeordneten Außenmantel 11 aus chemisch resistentem und temperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise aus
Fluorpolymer, vorzugsweise PEEK oder ETFE, mit glatter Oberfläche.
Claims
1. Faseroptisches Kabel, insbesondere für den Einsatz in einem Bohrloch, umfassend mindestens einen Lichtwellenleiter (2), mindestens ein metallisches Röhrchen (1), das den mindestens einen Lichtwellenleiter (2) zumindest abschnittsweise umgibt, mindestens eine weitere Lage, die das mindestens eine Röhrchen (1) zumindest abschnittsweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das faseroptische Kabel Trennmittel umfasst, die zu einer mechanischen Entkopplung einzelner Komponenten des faseroptischen Kabels beitragen können oder diese bewirken können.
2. Faseroptisches Kabel nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, dass die Trennmittel zu einer mechanischen Entkopplung des mindestens einen Röhrchens (1) von der mindestens einen weiteren Lage beitragen können oder diese bewirken können.
3. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel als mindestens eine Folie (4, 6) ausgebildet sind, die radial zwischen dem mindestens einen Röhrchen (1) und der mindestens einen weiteren Lage angeordnet ist.
4. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Lage als elektrischer Leiter (3, 12) ausgebildet ist, und insbesondere als Hin- und/oder Rückleiter dient.
5. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das faseroptisches Kabel Verstarkungsmittel umfasst, die als Zugentlastung dienen können und/oder zu einer Gewichtsreduzierung des
faseroptischen Kabels beitragen können.
6. Faseroptisches Kabel nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verstarkungsmittel der mindestens einen weiteren Lage entsprechen oder als mindestens eine weitere Lage ausgebildet sind.
7. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel zwischen dem mindestens einen Röhrchen (1) und den Verstärkungsmitteln angeordnet sind.
8. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstarkungsmittel Fasern (5, 8) umfassen oder aus Fasern (5, 8) bestehen.
9. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstarkungsmittel
Aramidfasern und/oder Zylon und/oder Dyneema und/oder Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern umfassen oder aus Aramidfasern und/oder aus Zylon und/oder aus Dyneema und/oder aus Glasfasern und/oder aus Kohlenstofffasern bestehen.
10. Faseroptisches Kabel nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verstärkungsmittel als Armierung, insbesondere als Kreuzschlag ausgebildet sind.
11. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel zwei Folien (4, 6) umfassen, zwischen denen eine weitere Lage des Kabels angeordnet ist.
12. Faseroptisches Kabel nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die innere der beiden Folien (4, 6) das Röhrchen (1) mittelbar oder unmittelbar umgibt.
13. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Folien (4, 6) die Verstärkungsmittel angeordnet sind.
14. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere der beiden Folien (4, 6) von Teilen (10a, 10b) eines Zugseils umgeben ist, das vorzugsweise leitend sein kann.
15. Faseroptisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des
Röhrchens (1) ein Leiter (3) angeordnet sein kann.
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