ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК G01D5/353 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к волоконно-оптическому кабелю, имеющему защищающую (армирующую) оптическое волокно металлическую трубку, которая является усовершенствованием обычного волоконно-оптического кабеля для измерения физических величин, т.е., распределений, например, температуры и деформации (напряжения) объекта измерения, и более конкретно к волоконно-оптическому кабелю, который обеспечивает возможность измерения, такого как распределение давления и распределение деформации объекта измерения с более высокой точностью, чем когда-либо ранее, без использования волоконно-оптического кабеля, имеющего предопределенный зазор, образованный посредством водорастворимого слоя или подобного между защищающей сенсорное оптическое волокно металлической трубкой и ее многослойными армирующими проводами.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Трубка типа “волокно в металле” (FIMT), которая представляет собой защищающую оптическое волокно металлическую трубку, обычно использовалась во многих областях, включая радиационный термометр, ввиду ее преимуществ, состоящих в том, что она может оплетать (армировать) множество оптоволоконных элементов и демонстрирует хорошие характеристики герметизации по отношению к воде или газообразному водороду и имеет необходимую механическую прочность, такую как прочность на растяжение (разрыв) без упрочнения, и дополнительно из-за того, что она обладает функциональной возможностью датчика температуры и способна измерять непрерывное распределение температуры на большом расстоянии вдоль оптического волокна ввиду того факта, что оптическое волокно в FIMT не подвергается действию никакой силы за счет давления.

[0003] В качестве примера волоконно-оптического кабеля, использующего такую FIMT, как описано выше, раскрыт волоконно-оптический кабель, который выполнен из центрального медного проводника; внутренней оболочки, выполненной из полиэтилена низкой плотности и цилиндрически окружающей проводник; первого слоя, сформированного из множества стальных проводов, и FIMT, использующих трубку из нержавеющей стали одинакового диаметра и намотанных спирально вокруг внутреннего слоя; второго слоя из множества стальных проводов, намотанных спирально вокруг первого слоя в направлении, противоположном первому слою; и внешнего слоя, сформированного из полиэтилена средней плотности и окружающего второй слой (см., например, патентный документ 1).

[0004] Также недавно предложен волоконно-оптический кабель в качестве другого примера использования FIMT. Волоконно-оптический кабель выполнен из первого оптического волокна, расположенного в центре и непосредственно открытого к внешней среде для измерения распределения давления вдоль осевого (продольного) направления оптоволоконного кабеля, не только распределения температуры; первого слоя, сформированного из множества металлических проводов и трубки из нержавеющей стали, вмещающей второе оптическое волокно, и окружающего первое оптическое волокно; и второго слоя, сформированного из множества металлических проводов и окружающего первый слой, причем по меньшей мере один из множества металлических проводов в первом слое и по меньшей мере один из множества металлических проводов во втором слое имеют их внешний диаметр, уменьшенный с интервалами в продольном направлении, чтобы первому оптическому волокну быть открытым к давлению от масла или газа (см., например, патентный документ 2).

[0005] Кроме того, раскрыт волоконно-оптический кабель, используемый в распределенной волоконно-оптической системе для измерения распределений температуры, давления и деформации. Волоконно-оптический кабель сформирован, чтобы иметь постоянный зазор между цилиндрическими многослойными армирующими проводами, сформированными из множества стальных проводов, и сенсорной защищающей оптическое волокно металлической трубкой, чтобы дополнительно улучшить точность измерения деформации объекта измерения с сенсорным оптическим волокном, причем, чтобы сформировать постоянный зазор, зазор между защищающей сенсорное оптическое волокно металлической трубкой и многослойными армирующими проводами заполняется водорастворимой смолой или маслорастворимой смолой на раннем этапе производства волоконно-оптического кабеля, и слой водорастворимой смолы или слой маслорастворимой смолы удаляется путем погружения волоконно-оптического кабеля в воду или масло на более позднем этапе, и затем эпоксидная смола или подобное вводится в волоконно-оптический кабель с подходящими интервалами вдоль его осевого (продольного) направления, чтобы зафиксировать защищающую сенсорное оптическое волокно металлическую трубку и многослойные армирующие провода по отношению друг к другу (см., например, патентный документ 3).

Документы предшествующего уровня техники

Патентные документы

[0006] Патентный документ 1: US4,971,420 В2

Патентный документ 2: US9,244,239 B2

Патентный документ 3: WO2014/181617 A1

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема, которую должно решить изобретение

[0007] Измерение распределений давления, температуры и деформации с использованием распределенной системы давления, температуры и деформации (DPTSS) до настоящего времени было реализовано путем предоставления соответственно по меньшей мере одного оптического волокна (далее упоминаемого как T-волокно), которое не подвергается воздействию давления, и по меньшей мере одного оптического волокна (далее упоминаемого как P-волокно), которое подвергается воздействию давления, как раскрыто в патентном документе 2. Защищающая оптическое волокно металлическая трубка (также упоминается как трубка типа “волокно в металле” и далее сокращается как “FIMT”) используется для T-волокна, не подвергаемого воздействию давления. В реальном измерении давления и других величин, однако, P-волокно для измерения давления подвергается воздействию давления и деформации кабеля в то же самое время; следовательно, сигналы как давления, так и деформации необходимо разделить. Кроме того, P-волокно требуется вывести из работы в процессе концевой заделки волоконно-оптического кабеля. Это также вызывает проблему приложения больших усилий, например, из-за возможного спутывания P-волокна.

[0008] Обычная FIMT, как правило, демонстрирует хорошие характеристики герметизации. Однако если даже одно микроотверстие (очень малое отверстие) существует в металлической защитной трубке, функция блокирования давления теряется, и это также вызывает проблему, состоящую в том, что становится невозможно выполнять высокоточное измерение давления. То есть, если существует микроотверстие, флюид объекта измерения проникает внутрь FIMT через микроотверстие и никакая разность давлений не устанавливается между внутренней областью и внешней средой FIMT. Это вызывает проблему, состоящую в том, что становится невозможно выполнить измерение давления. Однако если влияние микроотверстие может быть ограничено локально, то становятся доступными многие другие точки измерения, тем самым исключая препятствия к действительному измерению распределения давления.

[0009] Кроме того, если волоконно-оптический кабель имеет структуру такую, что внешнее давление распространяется в его осевом (продольном) направлении, распределение давления испытывает влияние в продольном направлении. Поскольку это вызывает проблему в измерении продольного распределения давления, продольное распространение давления должно прерываться в максимально возможной степени. Кроме того, недавно было обнаружено, что, возможно, может вызываться проблема, поясняемая ниже, если волоконно-оптический кабель изготовлен с использованием слоя водорастворимой смолы, как раскрыто в патентном документе 3. Эта проблема детально поясняется ниже со ссылкой на чертежи.

[0010] Фиг. 1 показывает результат измерения деформации, создаваемой в оптическом волокне, с волоконно-оптическим кабелем, изготовленном с использованием слоя водорастворимой смолы, раскрытого в патентном документе 3, посредством бриллюэновского (Brillouin) оптического анализа во временной области с импульсной пред-накачкой (PPP-BOTDA). Здесь, для того чтобы измерить остаточную деформацию после того, как волоконно-оптический кабель изготовлен, центральные частоты бриллюэновского рассеяния измеряются в осевом направлении с использованием волоконно-оптического кабеля в отсутствие силы. На чертеже, горизонтальная ось представляет расстояние (в единицах метров) от опорного положения волоконно-оптического кабеля, а вертикальная ось представляет центральную частоту (в единицах ГГц). Следует отметить, что использование PPP-BOTDA обусловлено тем фактом, что оно известно как имеющее возможность получения высокого пространственного разрешения.

[0011] В волоконно-оптическом кабеле, используемом в измерении, защищающая оптическое волокно металлическая трубка и армирующие провода закреплены относительно друг друга с интервалами около одного метра. Очевидно, что отражение от такого крепления, которое имеет подобное пилообразному регулярное изменение центральной частоты бриллюэновского рассеяния, наблюдается в каждой из всех измерительных секций. Во-первых, из результата измерения найдено, что во всех секциях с интервалом около одного метра, максимальные значения измеренных центральных частот бриллюэновского рассеяния отличаются друг от друга, и их минимальные значения также отличаются друг от друга. Однако проблема состоит не в том, что эти значения различны, а в том, что измеренные значения, хотя они должны, по существу, иметь постоянное значение, демонстрируют пилообразное изменение во всех секциях с интервалом в один метр. Одной из причин этого считается то, что слой водорастворимой смолы в волоконно-оптическом кабеле не полностью растворен и остается в волоконно-оптическом кабеле. Кроме того, сплошными квадратиками на графике показаны точки измерения выборок, которые берутся измерительным инструментом.

[0012] Далее, фиг. 2 показывает результат измерения частотных сдвигов рэлеевского рассеяния с использованием P-волокна с остаточной деформацией, наложенной на него перед этим. Измерение выполнялось с тем же самым волоконно-оптическим кабелем, показанным на фиг. 1, с использованием когерентной оптической рефлектометрии временной области с настраиваемой длиной волны (TW-COTDR) в положениях, отличающихся от показанных на фиг. 1, при различных температурных условиях (от 40°C до 20°C). На этом чертеже, горизонтальная ось представляет расстояние (в единицах метров) от опорного положения волоконно-оптического кабеля, а вертикальная ось представляет рэлеевский частотный сдвиг (в единицах ГГц).

[0013] Поскольку на фиг. 2 защищающая оптическое волокно металлическая трубка и армирующие провода закреплены относительно друг друга с интервалами около одного метра, как описано при пояснении фиг. 1, рэлеевские частотные сдвиги в соответствующих секциях (например, секции с расстояниями от 28 м до 29 м и секции с расстояниями от 29 м до 30 м) показывают независимые изменения при различных температурных условиях.

[0014] Для того чтобы количественно оценить изменения сдвигов рэлеевского рассеяния, изменения сдвигов рэлеевского рассеяния (температурной чувствительности оптического волокна), измеренные в каждых секциях при соответствующих температурных условиях, графически представлены на графике на фиг. 3A. Можно сказать, что изменения рэлеевского частотного сдвига (далее упоминается как “коэффициент температурной чувствительности”) в секциях иных, чем секции 2, показывают, по существу, постоянные значения для изменения температуры от 20°C до 40°C. Однако коэффициенты температурной чувствительности в секциях от 2 до 4 весьма различаются от таковых в секциях 1 и 5. Таким образом, различие конкретно представлено на фиг. 3B числовыми значениями. Каждое значение на фиг. 3B указывает величину изменения рэлеевского частотного сдвига (ГГц), когда температура изменяется на 1°C.

[0015] Коэффициент чувствительности от температуры дополнительно поясняется ниже. Известно, что изменение рэлеевского частотного сдвига ΔV_R в зависимости от изменения температуры задается следующим выражением (см., например, патентный документ 3):

ΔV_R=С₂₂⋅ΔT+K⋅α⋅C₂₁⋅ΔT (1)

где C₂₂ и C₂₁ являются коэффициентами, представляющими характеристики чувствительности оптического волокна, т.е., константы, указывающие температурную чувствительность и деформационную чувствительность к рэлеевскому рассеянию, соответственно, K является константой, принимающей значение между 0 и 1, α является коэффициентом линейного растяжения, и ΔT является величиной температурного изменения. В приведенном выше выражении учитывается, что в случае K=0, измеренные значения отражают чувствительность элемента оптического волокна, а в случае K=1, измеренные значения отражают коэффициент линейного растяжения α проводов.

[0016] В этом измерении, используемые провода являются теми же самыми, и различные результаты были получены в зависимости от измеряемых секций, как показано на фиг. 2 и 3; следовательно, считается, что значение K рассматривается как почти равное нулю. То есть, результат, показанный на фиг. 2, состоящий в том, что величина изменения рэлеевского частотного сдвига в каждой секции отличается один от другого для того же самого температурного изменения (см. фиг. 3B), рассматривается как обусловленный тем фактом, что предельная длина оптического волокна в каждой секции перед измерением отличается одна от другой. Кроме того, на фиг. 2, резкие изменения частотного сдвига рэлеевского рассеяния на обеих границах каждой секции предполагают, что прочность фиксации между защищающей оптическое волокно металлической трубкой и армирующими проводами может, вероятно, быть неконтролируемой во время производства.

[0017] Настоящее изобретение создано в свете вышеописанных проблем и нацелено на обеспечение волоконно-оптического кабеля (далее также упоминается как кабель DPTSS) для измерения распределений давления, температуры и деформации, который включает в себя FIMT, вмещающую оптическое волокно датчика давления в его цилиндрической металлической защитной трубке с множеством малых отверстий; и множество стальных проводов, не имеющих специальной формы, и является простым в изготовлении и способным измерять с высокой точностью распределение, например, давления объекта измерения.

Средства для решения проблемы

[0018] Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации в соответствии с настоящим изобретением включает в себя внутренний слой, сформированный из защищающей оптическое волокно металлической трубки и металлических проводов, поддерживающих защищающую оптическое волокно металлическую трубку, причем защищающая оптическое волокно металлическая трубка и металлические провода совместно расположены коаксиально вокруг центральной оси волоконно-оптического кабеля; и внешний слой, сформированный из множества металлических проводов, расположенных коаксиально с внутренним слоем, чтобы окружать внутренний слой, причем внутренний слой и внешний слой сформированы в многослойную многожильную структуру, и многожильная структура имеет секции блокировки давления, сформированные с интервалами в осевом направлении волоконно-оптического кабеля, чтобы блокировать влияние давления, распространяющегося в осевом направлении волоконно-оптического кабеля; и причем защищающая оптическое волокно металлическая трубка вмещает оптическое волокно датчика давления для измерения распределения давления объекта измерения на основе изменений частоты бриллюэновского рассеяния и рэлеевского рассеяния импульсного лазерного света, введенного в оптическое волокно датчика, и сформирована со сквозными отверстиями.

Полезный результат изобретения

[0019] В соответствии с настоящим изобретением, защищающая оптическое волокно металлическая трубка имеет отверстия, сформированные в ней, хотя обычные защищающие оптическое волокно металлические трубки не предполагали наличие отверстий, для того чтобы оптическое волокно, размещенное внутри, воспринимало силу от давления объекта измерения, при этом обеспечивая возможность измерять распределения давления объекта измерения, даже с использованием защищающей оптическое волокно металлической трубки с отверстиями. Кроме того, зазор между оптическим волокном датчика и цилиндрической металлической защитной трубкой может быть сделан более равномерным, при этом обеспечивая возможность получения высокой точности измерения, которую не может достичь обычный волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0020] Фиг. 1 является графиком, представляющим пример проблемы в обычном кабеле DPTSS;

Фиг. 2 является графиком, представляющим другой пример проблемы в обычном кабеле DPTSS;

Фиг. 3A и 3B являются графиком и таблицей, показывающими чувствительность к температуре обычного кабеля DPTSS, определенного из фиг. 2;

Фиг. 4A, 4B и 4C являются видами для пояснения примера базовой структуры кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения;

Фиг. 5 является диаграммой для пояснения работы кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения, когда кабель применяется в реальном месте измерения измерение;

Фиг. 6 является видом, показывающим пример конфигурации в поперечном сечении секции восприятия давления кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения;

Фиг. 7A и 7B являются видами, показывающими пример детальной структуры FIMT, используемой в кабеле DTPSS в соответствии с вариантами осуществления 1-3;

Фиг. 8 является видом для пояснения эффекта FIMT, используемой в кабеле DPTSS в соответствии с вариантами осуществления 1-3 настоящего изобретения;

Фиг. 9 является диаграммой для пояснения спецификаций FIMT, используемой в измерении;

Фиг. 10 является диаграммами, показывающими пример результата измерения, полученного с использованием кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения;

Фиг. 11 является видом, показывающим пример конфигурации поперечного сечения секции восприятия давления кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 2 настоящего изобретения; и

Фиг. 12 является видом, показывающим пример конфигурации поперечного сечения секции восприятия давления кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 3 настоящего изобретения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант осуществления 1

[0021] Вариант осуществления 1 настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на чертежи. Прежде всего, пример базовой структуры кабеля DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения описывается со ссылкой на фиг. 4A, 4B и 4C. Фиг. 4A, 4B и 4C являются видами для пояснения базовой структуры кабеля DPTSS 100, который является примером волоконно-оптического кабеля в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения.

[0022] Со ссылкой на фиг. 4A, 4B и 4C, кабель DPTSS 100 имеет два вида основных секций, сформированных отдельно в осевом направлении кабеля. В частности, кабель DPTSS имеет, как показано на фиг. 4A, секции 11 блокировки давления (секции, не имеющие возможности восприятия давления), указанные стрелкой Q, и секции 12 восприятия давления, указанные стрелками P₁ и P₂ рядом с секциями 11 блокировки давления. Кабеля DPTSS включает в себя защищающие сенсорное оптическое волокно цилиндрические металлические трубки, которые являются компонентами кабеля DPTSS, расположенными по всей длине двух типов основных секций 11 блокировки давления и секций 12 восприятия давления. В частности, здесь расположены предложенная здесь FIMT 10 новой структуры, которая сформирована из цилиндрической металлической защитной трубки 3, вмещающей внутри P-волокно 1, оптическое волокно для измерения давления, и обычная FIMT 20, которая сформирована из цилиндрической металлической защитной трубки 7, вмещающей внутри T-волокно 6, оптическое волокно для измерения температуры. FIMT 10 цилиндрической металлической защитной трубки 3 имеет отверстия 8 для восприятия давлений, сформированные по длине трубки с соответствующими интервалами (см. фиг. 4A). В каждой секции 11 блокировки давления, зазор между сердцевиной, внутренним слоем, расположенным вокруг сердцевины, и внешним слоем, расположенным вокруг внутреннего слоя, заполнен межслойным заполнителем 14, как показано на фиг. 4B, для формирования структуры блока изолятора давления (PIB) для блокировки продольного распространения давления. В каждой секции 12 восприятия давления, напротив, зазор между сердцевиной, внутренним слоем, расположенным непосредственно вокруг сердцевины, и внешним слоем, расположенным вокруг внутреннего слоя, не заполнен межслойным заполнителем, как показано на фиг. 4C, для формирования пустого пространства. То есть, межслойный заполнитель 14 является обязательным компонентом для секций 11 блокировки давления, но может быть не обязательным для секций 12 восприятия давления (в случае отсутствия межслойного заполнителя, зазор в секциях пустой). Кроме того, отсутствие формирования отверстий 8 не вызывает проблемы для части FIMT 10 кабеля, установленного на небольшой глубине вблизи поверхности земли.

[0023] Кабель DPTSS, сконструированный таким образом с секциями 11 блокировки давления, заполненными межслойным заполнителем 14, прерывает влияние внешнего давления, распространяющегося в продольном направлении по секциям 12 восприятия давления рядом с секциями 11 блокировки давления. Иными словами, секции 12 восприятия давления изолированы, каждая, от других секций восприятия давления смежными двумя из секций 11 блокировки давления, сформированных в осевом направлении. Структура описана более детально ниже.

[0024] Фиг. 5 является диаграммой, показывающей пример использования кабеля DPTSS, имеющего FIMT 10 новой структуры, в реальном месте измерения. Более конкретно, распределение давления вдоль объекта измерения горизонтального канала в реальном месте измеряется с помощью P-волокна в кабеле DPTSS 100 в соответствии с вариантом осуществления 1 настоящего изобретения.

[0025] В этом измерении, кабель DPTSS 100, имеющий FIMT 10, окружен оболочкой и установлен вдоль горизонтального канала, как показано на чертеже. Цемент проложен по всему горизонтальному каналу, т.е., на стороне, противоположной кабелю DPTSS 100. Измерительный флюид протекает в горизонтальный канал через множество щелей, указанных символом “F” на чертеже, созданных в подстилающей породе как на стороне цемента, так и на стороне оболочки, где установлен кабель DPTSS 100. В этой установке, распределение давления в направлении потока флюида вдоль горизонтального канала измеряется с помощью P-волокна в FIMT 10. В этом измерении, секции 11 блокировки давления и секции 12 восприятия давления, которые являются основными компонентами кабеля DPTSS, сформированы друг за другом в направлении потока флюида вдоль горизонтального канала, как показано на чертеже. И окаймленная часть, обозначенная символом “S”, указывает область изоляции давления. То есть, путем обеспечения области S изоляции давления, имеющей структуру блока изолятора давления, сформированную секциями 11 блокировки давления и цементом, давление p1 на левой стороне области S изоляции давления не влияет на давление p2 на ее правой стороне. Отметим, что это не зависит от числа секций 11 блокировки давления (одна или несколько дают примерно тот же эффект изоляции).

[0026] Для того чтобы описать более детально секцию восприятия давления кабеля DPTSS 100, показанного на фиг. 4A, 4B и 4C, вид в поперечном сечении, взятый перпендикулярно к оси кабеля, показан на фиг. 6. Фиг. 6 является видом поперечного сечения кабеля DPTSS 100, взятым в ортогональном направлении к его оси и не в положении отверстий 8, сформированных в осевом (продольном) направлении FIMT 10 новой структуры, предложенной здесь. Как показано на чертеже, цилиндрическая центральная трубка 13 проводки расположена в центре, имеющем внешний диаметр больший, чем у других проводов, используемых в кабеле DPTSS 100, и совместно вмещает различные, но не оптические волокна, виды линий (не показаны), такие как, например, линия питания, линия передачи данных. Первый слой и второй слой, включающие в себя множество проводов и цилиндрические металлические трубки, коаксиально расположены вокруг центральной трубки 13 проводки. Более конкретно, первый слой расположен как внутренний слой, который сформирован из FIMT 10, вмещающей P-волокно 1 в ее центре; FIMT 20 обычного типа, вмещающей T-волокно 6 в ее центре; и множества металлических (например, стальных) проводов 4, каждый из которых окружает и спирально обматывает центральную трубку 13 проводки в непосредственно внешнем положении по существу одинакового радиуса окружности центральной трубки 13 проводки. Второй слой далее расположен как внешний слой, который сформирован из множества металлических (например, стальных) проводов 5, каждый из которых окружает и спирально обматывает первый слой во внешнем положении по существу одинакового радиуса окружности первого слоя. Внутренний слой и внешний слой оба сформированы в так называемую многожильную структуру. Кроме того, множества металлических проводов не имеют специальной формы, как раскрыто в патентном документе 2.

[0027] Отметим, что формирование центральной трубки 13 проводки так, чтобы иметь внешний диаметр больший, чем диаметры проводов и других трубок, расположенных снаружи, как показано на фиг. 6, обеспечивает преимущество увеличения структурной прочности. Соответственно, можно ожидать, что это обеспечит эффект увеличения металлической прочности кабеля DPTSS 100 в целом.

[0028] Далее, FIMT 10, используемая в кабеле DPTSS 100, структурированного таким образом, описана более детально ниже со ссылкой на фиг. 7A и фиг. 8. Отметим, что на следующих фигурах, детальные описания частей (составных компонентов), обозначенных теми же ссылочными позициями на фиг. 4A-6, опущены для краткости.

[0029] Фиг. 7A и 7B показывают примерные виды моделей FIMT 10. Фиг. 7A является видом для пояснения функции FIMT 10; и фиг. 7B является осевым видом в поперечном сечении блоков давления, имеющих структуру PIB, указанную ссылочной позицией “11a” на фиг. 7A. Структура РIB описана детально в последующем пояснении фиг. 7A и фиг. 7B.

[0030] Со ссылкой на фиг.7A и 7B, P-волокно 1 окружено и контактирует с заполнителем 2, выполненным из смолы или низкотемпературного припоя (в некоторых частях, заполнитель находится в контакте с внешней цилиндрической металлической трубкой 3). Внешняя цилиндрическая металлическая трубка 3 имеет множество сквозных отверстий 8, которые указаны малыми кружками, сформированных в ней. Отверстия 8 могут быть также использованы отверстия 9 для инжекции заполнителя 2 (см. фиг. 7A и фиг. 7B). Кроме того, символ “p” на чертеже представляет давление объекта измерения.

[0031] На фиг. 7A, блоки 11а давления, сформированные в соответствующих положениях в осевом направлении FIMT 10, соответствуют секциям 11 блокировки давления, показанным на фиг. 4A. Другие секции в осевом направлении соответствуют секциям 12 восприятия давления. Отметим, что в частях, где заполнитель 2 находится в контакте с цилиндрической металлической защитной трубкой 3, P-волокно 1 закреплено на цилиндрической металлической защитной трубке 3.

[0032] Таким образом, цилиндрическая металлическая защитная трубка 3 в частях служит в качестве уплотнительной трубки, и части для блокировки влияния внешнего давления сформированы путем заполнения зазора между P-волокном 1 и цилиндрической металлической защитной трубкой 3 заполнителем 2, иными словами, эта часть представляет собой фиксированную часть, блокирующую приток флюида снаружи внутрь и не способную воспринимать давление. Далее, структура этой части упоминается как “структура PIB”. Следует отметить, что интервал частей может быть изменен в зависимости от требуемой характеристики измерения объекта измерения.

[0033] Со ссылкой на фиг. 7A, в секции, обозначенной символом “A_P”, с отверстием 8 оптическое волокно в FIMT 10 служит в качестве P-волокна, а в секции, обозначенной символом “A_T”, без отверстий 8, с другой стороны, оптическое волокно в FIMT 10 служит не как P-волокно, а, например, как T-волокно. Иными словами, секция FIMT 10 между смежными двумя блоками 11а давления служит в качестве имеющей P-волокно, если в секции имеется по меньшей мере одно отверстие 8, или служит в качестве имеющей T-волокно, если в секции не имеется никаких отверстий 8. Если каждая секция на протяжении всей длины FIMT 10 имеет отверстие 8 между смежными двумя блоками 11а давления, вся FIMT 10 служит в качестве имеющей P-волокно, и если каждая секция на протяжении всей ее длины не имеет отверстия 8 между смежными двумя из блоков 11а давления, вся FIMT 10 служит в качестве имеющей T-волокно. Следует заметить, что каждая часть, где сформирован блок 11а давления, снабжена отверстием 9, как показано на фиг. 7A и 7B, для инжекции заполнителя 2 снаружи цилиндрической металлической трубки 3. Отверстие используется для закрепления P-волокна или T-волокна на металлической трубке.

[0034] Далее, эффект от использования в кабеле DPTSS 100 вышеописанной новой структуры FIMT 10 описывается детально со ссылкой на фиг. 8.

[0035] Фиг. 8 является видом, показывающим случай, когда микроотверстие или трещина существует в секции A_E между двумя блоками 11а давления, сформированными в цилиндрической металлической трубке 3 FIMT 10. Даже если микроотверстие или трещина, показанные на чертеже, возникают в FIMT кабеля DPTSS, используемого в месте реального измерения, FIMT, используемая в кабеле DPTSS в соответствии с вариантом осуществления 1, может ограничивать негативное влияние, обусловленное таким микроотверстием или трещиной, на секцию A_E блоками 11а давления, сформированными по обе стороны секции A_E, так что такие микроотверстие или трещина не влияют на измерение распределения давления в секциях иных, чем секция A_E в действительном измерении.

[0036] Кроме того, гель может также быть использован как заполнитель для части, указанной ссылочной позицией “2”, показанной на фиг. 7 и 8. В этом случае, гель может также инжектироваться как заполнитель без контакта с цилиндрической металлической защитной трубкой 3.

[0037] Сквозное отверстие 8, сформированное в секции, указанной символом “A_P” позволяет измерять давление объекта измерения с помощью P-волокна 1 непосредственно (для случая, когда часть, указанная ссылочной позицией “2”, является пустой) или через заполнитель из геля. Существование отверстия 8 исключает необходимость учитывать влияние давления объекта измерения путем разделения влияния на деформацию самой цилиндрической металлической защитной трубки FIMT 10 и деформацию P-волокна 1, то есть, может учитываться только деформация, создаваемая в P-волокне 1.

[0038] Кроме того, чтобы обеспечить возможность выполнения измерения с разрешением по расстоянию, требуемым для объекта измерения, блоки 11а давления сформированы на основе разрешения по расстоянию, т.е., измерительные секции FIMT 10 установлены на основе этого, и по меньшей мере одно отверстие 8 должно быть сформировано для каждой из установленных измерительных секций. Формирование отверстий 8 таким образом позволяет измерять давление флюида объекта измерения.

[0039] Использование сформированной таким образом FIMT 10 для восприятия давления обеспечивает возможность измерения непрерывного распределения давления вдоль всех секций в осевом направлении FIMT 10, поскольку FIMT 10 не имеет точек для закрепления P-волокна 1 непосредственно на цилиндрической металлической трубке, таким образом, исключая проблему, которая отмечена при объяснении фиг. 2, фиг. 3A и фиг. 3B, вызванную существованием закрепленных точек.

[0040] То есть, с использованием кабеля DPTSS, включающего в себя FIMT 10, описанную выше, можно преодолеть проблемы, описанные в предыдущем разделе “Проблема, которую должно решить изобретение”.

[0041] Для того чтобы проверить результат волоконно-оптического кабеля в соответствии с вариантом осуществления 1, a частота бриллюэновского рассеяния реально измерялась с использованием реально используемого кабеля DPTSS, имеющего вышеописанную FIMT 10 и FIMT 20, вмещающую T-волокно (оптическое волокно датчика температуры), расположенное в положениях, показанных в базовой структуре на фиг. 4A. Измерение описано со ссылкой на чертеж.

[0042] Фиг. 9 является диаграммой для пояснения спецификаций FIMT 10, имеющей структуру PIB, используемую в измерении. На этом чертеже, “Φ” представляет внешний диаметр FIMT 10 и равно 1 мм, “d” представляет диаметр оптического волокна и равно от 0,25 до 0,4 мм, и “Φ_h” представляет диаметр отверстия 8 и равно 0,15 мм. Интервал e является минимальным интервалом около одного метра среди интервалов между соседними отверстиями 8 множества отверстий 8, сформированных в FIMT 10. Кроме того, интервалы f и g представляют интервалы между другими соседними отверстиями и являются большими, чем интервал e.

[0043] Установка интервала e короче, чем разрешение измерения, не вызывает проблемы при измерении. Кроме того, установка интервала e в достаточной степени короче, чем длина секции B, причем в этой секции не прикладывается давление, но частота бриллюэновского рассеяния изменяется, как описано ниже, не вызывает погрешностей в измеренном давлении. Кроме того, подтверждающий эксперимент выполнялся в этом измерении с использованием волоконно-оптического кабеля, имеющего полную длину более чем 1 км (около 1,3 км).

[0044] Измерение частоты выполнялось для бриллюэновского рассеяния с использованием вышеописанного волоконно-оптического кабеля, имеющего FIMT 10, показанную на фиг. 9. Результаты измерений описаны ниже со ссылкой на фиг. 10.

[0045] Результат измерения показан на нижнем графике фиг. 10, а ее верхняя часть является схематичной диаграммой используемой системы измерения, чтобы показать позиционное соответствие между нижним графиком и верхней диаграммой. На нижнем графике, показывающем результат измерения, горизонтальная ось представляет расстояние (в единицах метров) от опорного положения, а вертикальная ось - центральную частоту (в единицах ГГц) бриллюэновского рассеяния. В дальнейшем, символы “A”, “B” “C” “D” на нижнем графике, в частности, показывают соответственные секции измерения в системе измерения, показанной на верхней диаграмме. Секция A (между расстояниями от 1,152 м до 1,165 м) и секция C (между расстоянием от 1,140 м до 1,152 м) являются изолированными по давлению от других секции с использованием камеры изоляции давления. Данные в секции C и секции D измеряются с использованием кабеля DPTSS с обычной FIMT 20, имеющей T-волокно 6, данные в секции C измеряются в камере изоляции давления, и данные в секции D измеряются вне камеры изоляции давления. И те, и другие измеренные данные центральной частоты бриллюэновского рассеяния изменяются существенно в этих секциях, и изменение давления, которое описано в предыдущей секции “Проблема, которую должно решить изобретение”, также наблюдается в данных, измеренных в камере изоляции давления (данных в секции C). Это показывает, что проблема остается нерешенной. Данные в секции A и секции B, с другой стороны, измеряются с использованием кабеля DPTSS 100 с предложенной FIMT 10 новой структуры, имеющей P-волокно 1, и данные в секции A измеряются в камере изоляции давления, и данные в секции B измеряются вне камеры изоляции давления. В то время как данные центральной частоты бриллюэновского рассеяния, измеренные в секции B, т.е., вне камеры изоляции давления, были не постоянными и имели изменение, данные центральной частоты бриллюэновского рассеяния, измеренные в секции A, т.е., в камере изоляции давления, показали по существу постоянное значение. Кроме того, измерение выполнялось с волоконно-оптическим кабелем, установленным так, чтобы иметь по меньшей мере одно или более отверстий 8 в секции A.

[0046] Из приведенного выше результата измерения, состоящего в том, что центральная частота бриллюэновского рассеяния в секции A показывала по существу постоянное значение, ожидаемый эффект был подтвержден. Кроме того, хотя структура PIB не сформирована в секции B (между расстояниями от 1,165 м до 1,180 м), изменение считается вызванным влиянием давления в секции A.

[0047] Как описано выше, кабель DPTSS 100, который является волоконно-оптическим кабелем, предложенным здесь, включает в себя FIMT 10, вмещающую P-волокно 1 и имеющую сквозные отверстия 8, сформированные в цилиндрической металлической защитной трубке, при этом зазор между P-волокном 1 и цилиндрической металлической защитной трубкой может быть сформирован более равномерно при сохранении достоинств обычной FIMT. Это позволяет преодолеть проблему, состоящую в том, что центральная частота бриллюэновского рассеяния измеряется как имеющая изменение, таким образом, обеспечивая замечательный результат возможности измерять распределение, такое как распределение давления объекта измерения с высокой точностью по сравнению с обычным волоконно-оптическим кабелем. Следует отметить, что цилиндрические металлические защитные трубки, описанные выше, не обязательно должны иметь цилиндрическую форму. Тот же эффект обеспечивается, поскольку они являются металлическими трубками.

Вариант осуществления 2

[0048] Кабель DPTSS 200 в соответствии с вариантом осуществления 2 настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на фиг. 11. Отметим, что на фиг. 11 части (составные компоненты), обозначенные теми же ссылочными позициями, описанными ранее при пояснении фиг. 4 и 6, и что кабель DPTSS 200 имеет многожильную структуру в целом, являются теми же самыми, что и в варианте осуществления 1; их детальное описание здесь опущено для краткости.

[0049] Фиг. 11 является видом в поперечном сечении кабеля DPTSS 200, взятым в направлении ортогональном его оси и не в положении отверстий 8, сформированных в осевом (продольном) направлении FIMT 10 новой структуры, предложенной здесь. Как показано на чертеже, FIMT 10, используемая в кабеле DPTSS 200, отличается от используемой в кабеле DPTSS 100, описанной в варианте осуществления 1, тем, что FIMT 10 новой структуры, вмещающая P-волокно 1, расположена не в том же самом внутреннем слое, где расположена FIMT 20, вмещающая T-волокно 6, а в центральной части кабеля, и тем, что FIMT 10 сформирована с большим внешним диаметром, чем FIMT 20.

[0050] Кабель DPTSS 200, сформированный таким образом, способен защищать P-волокно более надежно, чем кабель DPTSS 100 в соответствии с вариантом осуществления 1, таким образом, обеспечивая эффект увеличения срока службы P-волокна и повышения надежности полученных данных измерения по сравнению с использованием кабеля DPTSS 100 согласно варианту осуществления 1.

Вариант осуществления 3

[0051] Кабель DPTSS 300 в соответствии с вариантом осуществления 3 настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на фиг. 12. Отметим, что на фиг. 12 части (составные компоненты), обозначенные теми же ссылочными позициями, описанными ранее при пояснении фиг. 4-6 и фиг. 11, и что кабель DPTSS 300 имеет многожильную структуру в целом, являются теми же самыми, что и в варианте осуществления 1; поэтому их детальное описание здесь опущено для краткости.

[0052] Фиг. 12 является видом поперечного сечения кабеля DPTSS 300, взятым в направлении, ортогональном его оси и не в положении отверстий 8, сформированных в осевом (продольном) направлении FIMT 10 новой структуры, предложенной здесь. Как показано на чертеже, кабель DPTSS 300 отличается от кабеля DPTSS 100, описанного в варианте осуществления 1, тем, что не имеет центральной трубки 13 проводки большего диаметра, расположенной в центре. Кроме того, расположение FIMT 10, вмещающей P-волокно 1, отличается от расположения FIMT 10 кабеля DPTSS 100, описанного в варианте осуществления 1. Только три типа трубок и провода: FIMT 10; FIMT 20 (имеющая по существу тот же диаметр, что и FIMT 10), вмещающая T-волокно 6; и холостой провод 15, имеющий по существу тот же диаметр, что и FIMT 10, расположены не снаружи центральной трубки 13 проводки, а расположены во внутреннем слое, т.е., расположены в первом слое в центральной части, где расположена центральная трубка 13 проводки в варианте осуществления 1. Кроме того, множество стальных проводов расположено как внешний второй слой, окружающий первый слой.

[0053] Кабель DPTSS 300, сформированный таким образом, имеет простую структуру по сравнению с кабелем DPTSS 100, с волоконно-оптическим кабелем в соответствии с вариантом осуществления 1, таким образом обеспечивая эффект облегчения производства кабеля, в дополнение к результату, обеспечиваемому кабелем DPTSS 100.

[0054] Как описано выше, хотя кабель DPTSS, имеющий FIMT новой структуры, предложенную здесь, то есть цилиндрическую металлическую защитную трубку с отверстиями, сформированными в ней, дает различные эффекты, могут ожидаться другие эффекты, такие как повышение гибкости проектирования: например, P-волокно может быть установлено не только в центре кабеля, но также даже в слое вне центра; P-волокно датчика и T-волокно датчика могут быть защищены от вещества, называемого “проппант” (расклинивающий наполнитель), который преимущественно состоит из песка и содержится во флюиде объекта измерения, таком как вода или масло, поскольку эти волокна датчиков не расположены в самом внешнем слое; и срок службы оптических волокон может быть увеличен, так как заполнитель из геля имеет свойство поглощать водород.

[0055] Следует отметить, что каждый вариант осуществления настоящего изобретения может свободно комбинироваться или соответственно модифицироваться и может быть опущен в рамках объема и сущности изобретения. Например, хотя Р-волокно описано как датчик давления, деформация может также быть определена на основе давления, измеренного с помощью волокна.ʺ

[0056] Кроме того, хотя центральная трубка проводки и цилиндрическая металлическая защитная трубка в центре, показанные на фиг. 4, 6, 11, описаны как имеющие внешний диаметр больший, чем диаметр проводов, расположенных во внешних слоях, вариант не обязательно такого отличающегося внешнего диаметра, а диаметра, сопоставимого с диаметром проводов во внешнем слое, также обеспечивает примерно такой же эффект. Кроме того, если цилиндрические металлические защитные трубки имеют не цилиндрическую форму, но, если они имеют цилиндроподобную форму, это обеспечивает примерно тот же эффект. Кроме того, хотя цилиндрические металлические защитные трубки описаны как выполненные, например, из нержавеющей стали, металлические защитные трубки, выполненные из стали, обеспечивают примерно тот же эффект.

Ссылочные позиции

[0057]

1: P-волокно (волокно восприятия давления);

2: заполнитель;

3,7: цилиндрическая металлическая защитная трубка;

4,5: провода;

6: T-волокно (волокно восприятия температуры);

8: отверстия;

9: инжекционные отверстия;

10: FIMT (вмещающая P-волокно);

11: секции блокировки давления;

11a: блок давления;

12: секции восприятия давления;

13: центральная трубка проводки;

14: межслойный заполнитель;

15: холостые провода;

20: FIMT (вмещающая T-волокно) и

100, 200, 300: кабель DPTSS.

Изобретение относится к волоконно-оптическому кабелю для измерения температуры, давления и деформации. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации содержит внутренний слой, сформированный из защищающей оптическое волокно металлической трубки и металлических проводов, поддерживающих защищающую оптическое волокно металлическую трубку, причем защищающая оптическое волокно металлическая трубка и металлические провода совместно расположены коаксиально вокруг центральной оси волоконно-оптического кабеля. При этом внешний слой сформирован из множества металлических проводов, расположенных коаксиально с внутренним слоем, чтобы окружать внутренний слой, причем внутренний слой и внешний слой сформированы в многослойную многожильную структуру, и многожильная структура имеет секции блокировки давления, сформированные с интервалами в осевом направлении волоконно-оптического кабеля, чтобы блокировать влияние давления, распространяющегося в осевом направлении волоконно-оптического кабеля. И защищающая оптическое волокно металлическая трубка вмещает оптическое волокно датчика давления для измерения распределения давления объекта измерения на основе изменений частоты бриллюэновского рассеяния и рэлеевского рассеяния импульсного лазерного света, введенного в оптическое волокно датчика, и сформирована со сквозными отверстиями. Технический результат – повышение точности измерения давления. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации, содержащий:

внутренний слой, сформированный из защищающей оптическое волокно металлической трубки и металлических проводов, поддерживающих защищающую оптическое волокно металлическую трубку, причем защищающая оптическое волокно металлическая трубка и металлические провода совместно расположены коаксиально вокруг центральной оси волоконно-оптического кабеля; и

внешний слой, сформированный из множества металлических проводов, расположенных коаксиально с внутренним слоем, чтобы окружать внутренний слой, причем внутренний слой и внешний слой сформированы в многослойную многожильную структуру, и многожильная структура имеет секции блокировки давления, сформированные с интервалами в осевом направлении волоконно-оптического кабеля, чтобы блокировать влияние давления, распространяющегося в осевом направлении волоконно-оптического кабеля; и

причем защищающая оптическое волокно металлическая трубка вмещает оптическое волокно датчика давления для измерения распределения давления объекта измерения на основе изменений частоты бриллюэновского рассеяния и рэлеевского рассеяния импульсного лазерного света, введенного в оптическое волокно датчика, и сформирована со сквозными отверстиями.

2. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации по п. 1, в котором зазоры между внутренним слоем и внешним слоем в секциях блокировки давления заполнены межслойным заполнителем.

3. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации по п. 1, в котором по меньшей мере одно из отверстий сформировано в защищающей оптическое волокно металлической трубке в положении в каждой из секций измерения, где распределение давления объекта измерения должно измеряться в осевом направлении волоконно-оптического кабеля.

4. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации по п. 1, в котором часть между оптическим волокном датчика давления и защищающей оптическое волокно металлической трубкой кольцеобразно заполнена заполнителем, так что заполнитель находится в контакте с поверхностью оптического волокна датчика давления.

5. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации по п. 4, в котором заполнитель находится в контакте с внутренней поверхностью защищающей оптическое волокно металлической трубки, вмещающей оптическое волокно датчика давления.

6. Волоконно-оптический кабель для измерения распределений давления, температуры и деформации по п. 4 или 5, в котором заполнитель является гелем, смолой или низкотемпературным припоем.