СКВАЖИННЫЙ КАБЕЛЬ С УМЕНЬШЕННЫМ ДИАМЕТРОМ Российский патент 2020 года по МПК H01B11/22 

[001] Настоящее раскрытие относится в основном к оптическому/электрическому кабелю, а точнее, к кабелю для скважинных применений, имеющему несколько оптических волокон, упакованных в металлическую трубу, и электропроводящий слой, коаксиально окружающий металлическую трубку, для пропускания электрического тока.

Уровень техники

[002] Для мониторинга состояния окружающей среды существуют несколько типов кабелей, позволяющих отправлять сообщения и обеспечивать электроэнергию в опасной среде, например, в скважинном применении в нефтяной или газовой скважине. Один тип кабеля представляет собой кабель типа «проводника, упакованного в трубку» («tube encased conductor», TEC). TEC-кабель характерным образом имеет электрический проводник, расположенный внутри металлической трубки, для защиты проводника от опасной окружающей среды. TEC-кабели используют для передачи электроэнергии к различным устройствам на удаленном конце кабеля, которые осуществляют мониторинг режима работы в среде скважины, например, температуры и давления.

[003] Другим типом кабеля для опасных сред является кабель типа «волокна, упакованного в трубку» («tube encased fiber», TEF). Аналогично TEC-кабелям, TEF-кабели защищают оптическое волокно от окружающей среды за счет размещения волокна в небольшой металлической трубке (называемого «волокном в металлической трубке» или «FIMT»). TEF-кабели могут быть использованы в нефтяных и газовых скважинах в качестве волоконных волноводов для передачи данных от скважинных инструментов, либо в качестве датчиков для распределенного измерения температуры (distributed temperature sensing, DTS), измеренных акустических измерений (distributed acoustical sensing, DAS) и других измерительных применений.

[004] Когда кабель содержит, как электрические проводники, так и оптические волокна, упакованные в одну или более трубок, кабель называется кабелем TEC/TEF. Серийно выпускаемые скважинные кабели TEC/TEF могут иметь стальную трубку с диаметром ¼ дюйма (например, 6,35 мм), в качестве внешнего кожуха. Он содержит изолированный проводник и другую стальную трубку, вмещающую в себя оптоволокно. TEC/TEF-кабели диаметром ¼ дюйма обычно используют для постоянного размещения в нефтяной скважине.

[005] Как известно, например, из интернет-сайта http://petrowiki.org/Coiled_tubing_drilling, контроль гибких насосно-компрессорных труб и бурение забойным двигателем на гибких трубах также имеют общие применения для скважинных кабелей. Термин «гибкие насосно-компрессорные трубки» относится к длинной металлической трубке, обычно 2,5-8,25 см в диаметре, которую наматывают на большой барабан. Трубку используют для введения в нефтяные и газовые скважины, а иногда как лифтовую насосно-эксплуатационную колонну в обедненных газовых скважинах. Термин «бурение забойным двигателем на гибких трубах» относится к комбинированию гибких насосно-компрессорных труб и наклонно-направленного бурения (например, к бурению не вертикальных скважин), с использованием гидравлического забойного двигателя для создания системы для бурения резервуаров.

[006] Развивающаяся технология для гибких насосно-компрессорных труб состоит в формирования профиля нефтяной скважины с помощью технологий распределенного температурного датчика (DTS) или системы сбора данных (DAS), с использованием оптоволоконных датчиков в TEF-кабеле. TEF-кабели небольшого диаметра, т.е., кабели, обладающие внешним диаметром не более 4 мм, могут быть введены в колонну гибких насосно-компрессорных труб перед опусканием гибких насосно-компрессорных труб в нефтяную или газовую скважину.

[007] Для дальнейшего улучшения профиля скважины, для проведения измерений в гибких насосно-компрессорных трубах могут быть использованы электромеханические датчики давления. Однако, для этих датчиков требуется электрический ток, не обеспечиваемый TEF-кабелем. Трубка из нержавеющей стали как часть FIMT в TEF-кабеле, как правило, не обладает достаточной допустимой нагрузкой по току, поскольку ее электросопротивление слишком высоко. Серийно выпускаемые TEC/TEF-кабели, которые должны обеспечивать, как волоконное измерение, так и электрический ток, слишком велики и тяжелы для их размещения в гибких насосно-компрессорных трубах с их диаметрами ¼ дюйма (6,35 мм). Опыт эксплуатации с размещением TEF-кабелей для гибких насосно-компрессорных труб показал, что наибольший внешний диаметр для измерительных кабелей, который может быть использован, составляет 4 мм.

[008] В Патенте США 8,295,665 (патент '665) раскрыт кабель скважинного гибридного типа, включающий в себя трубку из нержавеющей стали, заполненную в центре волокном/гелем, с медной проволокой, намотанной вокруг трубки, и изолирующим слоем вокруг трубки с медной проволокой. Медная проволока расположена в спиралевидном пространстве, образованном металлической трубкой. Металлическую трубку и медный элемент помещают в металлическую трубку. Металлическая трубка обладает диаметром ¼ дюйма (6,35 мм).

[009] В Патенте США 5,493,626 (патент '626) раскрыт скважинный электрический/оптический кабель КИП для использования в каротажном зонде для условий высокого давления. Кабель включает в себя одиночное, герметизированное оптоволокно для подачи сигналов, окруженное слоями защитного материала и гелем, и окруженное защитной оболочкой. Оболочка может представлять собой металлическую трубку, полученную лазерной сваркой. Слой электрических проводников между возможным внутренним изолятором и слоем внешнего изолятора окружает защитную трубку и образован из сплетенной меди, а не из спиралевидной «обмотки» из меди. Несколько прочных нитевых элементов окружают слой внешнего изолятора. Прочные элементы включают в себя внутренний слой нитей из нержавеющей стали, намотанных спиралеобразно вокруг внешнего слоя изолятора в одном направлении, и внешний слой нитей из нержавеющей стали, намотанных спиралеобразно вокруг внутреннего слоя прочных нитевидных элементов, с противоположным направлением или обмоткой. Нити и медный плетеный слой являются проводящими и могут обеспечивать контур подачи электроподачи. Общий диаметр кабеля составляет приблизительно 5,77 мм, но он может изменяться в диапазоне примерно 4,76-7,94 мм.

[010] В Патенте США 8,931,549 (патент '549) раскрыт кабель для скважинного каротажа в морских подводных и подземных нефтяных и газовых скважинах. В Патенте '549 заключено, что стандартные каротажные кабели с намотанными стальными проводами и сплошными медными проводниками являются недостаточными для глубоких морских скважин. Раскрытый кабель включает в себя, по меньшей мере, одно оптоволокно, инкапсулировано в полимерный материал, в котором оптоволоконный кабель свободно расположен внутри трубки из сплава бериллия. Трубка из сплава бериллия, который является проводящим, инкапсулирована в аморфный диэлектрический материал, который дополнительно инкапсулирован на своей внешней поверхности в аморфный полимерный электропроводящий материал. Этот внешний слой может представлять собой цинк, олово или другой материал, намотанный, напыленный или внедренный в поверхность, с образованием экрана, как для механических, так и для электромагнитных эффектов.

[011] В Международной публикации PCT WO 2009/143461 (публикации '461) раскрыты кабели для использования в среде скважины, например, в нефтяных или газовых скважинах, для перемещения каротажных приборов. В частности, в публикации '461 раскрыт кабель, включающий в себя цилиндрическую центральную жилу, предпочтительно образованную из соединительного элемента, пригодного для передачи сигналов данных, такого как оптоволокно, которое может быть заключено в защитную металлическую трубку. Кабель тогда включает в себя концентрические слои, предназначенные для защиты слоя из полимерных волокон в защитной трубке. Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, один, а возможно и оба слоя, - внутренний и внешний, вокруг слоя полимерных волокон, были образованы из сплошного электрического проводника, такого как металлический проводник. Слой, более внутренний по отношению к слою полимерных волокон, может быть необязательным, если жила предназначена для исключения газовой, водяной и коррозионной миграции вверх и вниз по жиле, за счет добавления «водоблокирующего» агента или текучей среды. В случае, когда любой из внутреннего слоя и внешнего слоя не образован из металлического материала, тогда является предпочтительным, чтобы этот слой был образован из пластического материала, такого как полиэфирэтилкетона (PEEK) или другого высокоплотного полипропилена. Также является предпочтительным, чтобы внешняя защитная оболочка была образована из PEEK или другого пластического материала, обладающего исключительной стойкостью к истиранию, к высокой температуре и к агрессивным материалам. В публикации '461 раскрыто, что кабели с внешним диаметром приблизительно 0,3-0,5 дюйма (примерно 7-13 мм), будут больше всего выигрывать от этой конструкции.

[012] В Европейской патентной публикации EP 0945876 (публикации '876) раскрыт гибридный кабель для установки в трубопроводах для текучих сред (например, в линиях для сточной воды, свежей воды или газа), по меньшей мере, с одним оптическим волноводом, установленным в защитной оболочке, один или более электрических проводников и кожух, окружающий электрический проводник и защитную оболочку. В частности, в публикации '876 раскрыт гибридный кабель с двумя концентрическими металлическими трубками, из которых, по меньшей мере, внешняя трубка является гофрированной. Изоляционный слой разделяет две металлические трубки, а кожух из полиэтилена окружает внешнюю трубку. Внутренняя трубка окружает несколько оптических волокон. Во многих случаях, проводимость внутренней металлической трубки может быть в достаточной мере достигнута за счет покрытия ее поверхности металлом с высокой проводимостью.

[013] В Международной публикации PCT WO 2015/038150 (публикации '150) раскрыта оптоволоконная электрическая жила, которая может быть встроена в оптоволоконную скользящую муфту (устройство, которое движется по транспортной линии, которое составляет примерно менее 0,25 дюймов, т.е. 6,35 мм по общему внешнему диаметру). Одна или более оптоволоконных нитей, каждая из которых обложена стандартным полимерным буфером, может быть помещена в сварную стальную трубку в свободном состоянии, с достаточно толстым электроизолирующим полимерным слоем, расположенным поблизости, и окруженным проводящим элементом. Электропроводящий элемент также может быть окружен изолирующим полимерным кожухом. Для завершения оптоволоконной скользящей муфты, оптоволоконная электрическая жила может быть окружена синтетическим волоконным слоем. Прилипание между последующим плакирующим слоем и волоконным синтетическим слоем может быть усилено путем введения вязкого слоя. Плакирующий слой может представлять собой стандартный металлический слой, такой как стальной кожух.

[014] Заявитель обратился к проблеме обеспечения скважинного кабеля TEC/TEF с минимальным диаметром, в частности, с диаметром не более 4 мм, подходящим для применений в бурении забойным двигателем на гибких трубах. Эти кабели должны быть пригодными для введения в колонну гибких насосно-компрессорных труб перед погружением гибких насосно-компрессорных трубу в нефтяную или газовую скважину. TEC/TEF-кабели, предназначенные для применений в скважинном каротаже, слишком велики, и обычно обладают внешним диаметром 6,35 мм, и его может быть трудно вставлять в гибкие насосно-компрессорные трубы, и это возможно сделать на ограниченную длину (не более 3 км). Тогда как известны некоторые TEF-кабели, обладающие диаметрами в пределах 4 мм, эти TEF-кабели мелкого диаметра не имеют ни электрических проводников, ни обладают достаточной допустимой нагрузкой по току, из-за высокого электросопротивления их трубки из нержавеющей стали.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[015] Для обеспечения достаточной допустимой нагрузки по току в небольшом пространстве, Заявитель обеспечил создание проводника в форме электропроводящего слоя, коаксиально окружающего металлическую трубку, в которой упакованы оптические волокна. При коаксиальной конструкции, как проводящий слой, так и оптические волокна могут быть введены в кабель небольшого диаметра (например, не более 4 мм), который отвечает требованиям по размеру для бурения забойным двигателем на гибких трубах. Коаксиально сконфигурированный TEC/TEF-кабель содержит достаточное количество оптических волокон для распределенного измерения температуры (distributed temperature sensing, DTS) и распределенного акустического измерения (distributed acoustic sensing, DAS), наряду с электрически изолированной проводящей дорожкой, которая передает электроэнергию скважинному инструменту, и все расположены в одной внешней трубке, имеющей диаметр не более 4 мм.

[016] Заявитель обнаружил, что кабели для скважинных применений, обладающих диаметром не более 4 мм, для использования в применениях, связанных с бурением забойным двигателем на гибких трубах, могут быть получен с помощью структуры кабеля, в которой оптические волокна упакованы в сварную металлическую трубку, электропроводящий слой расположен коаксиально вокруг металлической трубки, изоляционный слой окружает электропроводящий слой, а внешняя металлическая трубка окружает изоляционный слой.

[017] Термин «коаксиальный», используемый в настоящей работе, относится к конфигурации, где ось симметрии внутренней трубки или слоя является почти той же, что и ось симметрии внешней трубки или слоя.

[018] Заявитель обнаружил, что эта коаксиальная конфигурация может снизить внешний диаметр кабелей, таким образом, чтобы кабели могли отвечать требованиям по размерам для применений, связанных с бурением забойным двигателем на гибких трубах, при обеспечении также достаточной допустимой нагрузки по току для электронного оборудования на удаленном конце кабеля. Одновременно, кабель включает в себя одно или более оптических волокон, сконфигурированных для передачи данных и/или измерения или обнаружения параметров окружающих среды, таких как температура, давление, растяжение, и т.д. Оптические волокна расположены в металлической трубке (например, FIMT).

[019] Заявитель обнаружил, что кабель со сниженным диаметром может обеспечивать достаточную допустимую нагрузку по току с электропроводящим слоем (также называемым токопроводящим слоем или проводящим слоем) в форме ленты (например, намотанной ленты), продольно сваренной фольги или трубки. Токопроводящий слой может включать в себя одиночный слой или несколько слоев. Токопроводящий слой наматывают вокруг металлической трубки, которая вмещает в себя оптические волокна, а следовательно, является коаксиальной по отношению к металлической трубке.

[020] Токопроводящий слой окружен и находится в непосредственном контакте с электрически изоляционным слоем (также называемым изоляционным слоем или изолирующим слоем). Изолирующий слой, в свою очередь, окружен внешней металлической трубкой. Коаксиально расположенный токопроводящий слой и FIMT, в отличие от дискретных электрических проводников или толстых медных оплеток, предусматривает снижение общего диаметра нити TEC/TEF-кабеля толщиной 6,35 мм вплоть до общего диаметра примерно 4 мм, или возможно меньше, если нижняя допустимая нагрузка по току является достаточной. В дополнение, Заявитель идентифицировал, что кабель с раскрытой структурой позволяет избежать необходимости в наличии нити FIMT и проводника, с упрощением способа изготовления.

[021] Следовательно, в одном аспекте, оптический/электрический кабель для скважинных сред, совместимый с раскрытыми вариантами воплощения содержит несколько оптических волокон, встроенных (не обязательно) в гель и расположенных в первой внутренней части металлической трубки (также называемой первой металлической трубкой или внутренней частью металлической трубки). Кабель также включает в себя электропроводящий слой, окружающий первую металлическую трубку. Изолирующий слой окружает и контактирует с электропроводящим слоем, а вторая внешняя металлическая трубка (также называемая второй металлической трубкой или внешней металлической трубкой) окружает и контактирует с изолирующим слоем. Внешняя металлическая трубка обладает внешним диаметром, по большей мере, 4,0 мм.

[022] В некоторых вариантах воплощения, внутренняя часть металлической трубки обладает внешним диаметром примерно 1,8 мм. Она может быть изготовлена из нержавеющей стали. В некоторых вариантах воплощения, внешняя металлическая трубка обладает толщиной примерно 0,56 мм. Она может быть изготовлена из легированной стали. Внутренняя часть металлической трубки и электропроводящий слой могут обладать комбинированной толщиной примерно 0,28 мм.

[023] В некоторых вариантах воплощения, электропроводящий слой в форме ленты спирально наматывают или цилиндрически наматывают вокруг первой металлической трубки. В некоторых вариантах воплощения, электропроводящий слой включает в себя медь. В некоторых вариантах воплощения, электропроводящий слой присутствует в форме трубки, изготовленной из меди. В некоторых вариантах воплощения электропроводящий слой представляет собой фольгу, образованную в виде медной трубки и продольно сваренной вдоль ее шва. Электропроводящий слой может обладать внешним диаметром примерно 2,05 мм.

[024] Между электропроводящим слоем и первой металлической трубкой может быть обеспечен разделительный слой. Разделительный слой может представлять собой ленту полиэтилентерефталата.

[025] В некоторых вариантах воплощения изолирующий слой включает в себя, по меньшей мере, один из полипропилена, фторированного этилен-пропилена (fluorinated ethylene propylene, FEP), перфторалкокси (perfluoroalkoxy, PFA), этиленхортрифторэтилен (Ethylene ChloroTriFluoroEthylene, ECTFE), эпитаксиальный совместно кристаллизованный сплав (Epitaxial Co-Crystallized Alloy, ECA).

[026] В другом аспекте TEC/TEF-кабель с коаксиальной конструкцией включает в себя внешнюю металлическую трубку, изолятор, многослойный трубчатый проводник и несколько оптических волокон. Внешняя металлическая трубка может обладать внешним диаметром не более 4,0 мм и толщиной, достаточной для защиты внутренней части трубки от внешних состояний окружающей среды в скважине. Многослойный трубчатый проводник содержит электропроводящий слой, окружающий и находящийся в непосредственном контакте с внутренней частью металлической трубки, где электропроводящий слой обладает электропроводностью, большей, чем у внутренней части металлической трубки. Многослойный проводник может обладать толщиной примерно 0,28 мм. Многослойный проводник выгодно обладает составом, достаточным для пропускания до 1 ампера тока при 600 вольтах или менее. Изолятор отделяет многослойный трубчатый проводник от внешней металлической трубки. Оптические волокна помещены внутрь металлической трубки.

[027] Оптические волокна могут работать как оптические датчики или как коммуникационные оптические волокна. Внутренняя часть металлической трубки может вмещать в себя вместе, как одно или более оптических волокон, работающих как оптический датчик, так и одно или более оптических волокон, работающих как коммуникационное оптоволокно.

[028] В целях настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, за исключением случаев, где указано иное, все числа, выражающие величины, количества, процентные содержания, и т.д., следует понимать как измененные во всех случаях под термином «примерно», если они уже не были изменены. Также, все диапазоны включают в себя любые сочетания максимальных и минимальных раскрытых точек и включают в себя любые содержащиеся в них промежуточные диапазоны, которые в настоящей работе могут быть специально пронумерованы или не пронумерованы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[029] Раскрытые варианты воплощения здесь и далее будут описаны более полно, применительно к прилагаемому чертежу, на котором показаны некоторые, но не все варианты воплощения изобретения. Чертеж, иллюстрирующий вариант воплощения, представляет собой схематическое представление, приведенное не в масштабе.

[030] Единственная Фигура показывает схематический поперечный разрез кабеля, совместимый с раскрытым вариантом воплощения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

[031] Далее будет приведена более подробная ссылка на настоящие примерные варианты воплощения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемом чертеже. Однако, настоящее раскрытие может быть воплощено во многих различных формах, и его не следует рассматривать как ограниченное вариантами воплощения, изложенными в настоящей работе.

[032] Единственная Фигура иллюстрирует поперечный разрез оптического/электрического кабеля или TEC/TEF-кабеля 100, совместимого с раскрытым вариантом воплощения. Кабель 100 подходит для скважинных применений, таких как бурение забойным двигателем на гибких трубах, в нефтяной и газовой промышленности. Кабель 100 представляет собой TEC/TEF-кабель, который включает в себя, как оптические волокна для функционирования в качестве датчиков параметров окружающей среды, и/или для передачи данных, так и электрический проводник для передачи электроэнергии к устройствам в нефтяных и газовых скважинах.

[033] Кабель 100 включает в себя, по меньшей мере, одно оптоволокно для обнаружения и/или передачи данных. Пример, показанный на Фигуре, включает в себя два оптических волокна 105 и два оптических волокна 110, наряду с другими оптическими волокнами, которые не снабжены ссылками. Оптические волокна 105 и 110 могут представлять собой любые подходящие оптические волокна, в зависимости от температурного номинала кабеля 100 для скважинных применений. Оптические волокна 105 и 110 могут представлять собой один и тот же тип оптических волокон, или различные типы оптических волокон. В примере, показанном на Фигуре, два оптических волокна 105 представляют собой оптические волокна, покрытые акрилатом 50/125 85°C оптические волокна, окрашенные в синий и оранжевый цвета (для поперечных сечений волокон используют различные рисунки, для схематического отображения различных цветов на Фигуре). Два оптических волокна 110 представляют собой одномодовые, покрытые акрилатом оптические волокна, 85°C, окрашенные в зеленый и коричневый цвета (для поперечных сечений волокон используют различные рисунки, для схематического отображения различных цветов на Фигуре).

[034] По меньшей мере, одно из оптических волокон 105 и 110 функционирует для обнаружения параметров окружающей среды в нефтяных и/или газовых скважинах. Параметры окружающей среды могут включать в себя температуру, давление и/или данные акустических измерений. По меньшей мере, одно из оптических волокон 105 и 110 функционирует для обеспечения передачи данных между другими датчиками или устройствами, развернутыми вниз по скважине, и устройством для приема данных (например, компьютером, запоминающим устройством, дисплеем монитора, сигнальным процессором, и т.д.), развернутым за пределами скважины.

[035] Оптические волокна расположены во внутреннем пространстве, заданном первой внутренней частью металлической трубки 120 (также называемой внутренней частью металлической трубки 120 или первой металлической трубкой 120). Пространство заполняют гелем 115. Оптические волокна 105 и 110 встраивают в гель 115. Сочетание оптических волокон 105, 110, геля 115 и первой металлической трубки 120 может относиться к блоку, называемым FIMT (волокном в металлической трубке). В некоторых вариантах воплощения, внешний диаметр блока FIMT может составлять 2,2 мм.

[036] Гель 115 представляет собой любой тип геля, подходящего для температурного номинала кабеля 100 для скважинных применений. Гель 115 может представлять собой инертный гель, который вводят в пространство, заданное первой металлической трубкой 120, заполняющий пространство вокруг оптических волокон, включая оптические волокна 105 и 110. Гель 115 может фиксировать оптические волокна в их местоположениях и поддерживать оптические волокна в первой металлической трубке 120. Гель 115 также может функционировать для смягчения или снижения вибрации, ударного воздействия, трения и истирания, вызванного внешней окружающей средой, оказывающего влияние на оптические волокна. Гель 115 может представлять собой вязкий материал. Один пример геля 115 для заполнения оптических волокон представляет собой Sepigel™, выпускаемый компанией SEPPIC SA, используемый при избыточной длине волокна (EFL), составляющей 0,15% +/- 0,05%.

[037] В некоторых вариантах воплощения, первая металлическая трубка 120 может быть изготовлена из любого подходящего металлического материала, такого как сталь, медь, алюминий, и т.д. Различные материалы, включающие в себя стали и сплавы, могут быть использованы для создания первой металлической трубки 120. Примеры таких материалов включают в себя SS 304, SS 316L, A825, и A625. В одном примере первая металлическая трубка 120 изготовлена из нержавеющей стали SS 304, с толщиной стенки 0,15 мм (или 0,006 дюйма) и внешним диаметром 1,8 мм (или 0,071 дюйма).

[038] Как показано на Фигуре, кабель 100 включает в себя электропроводящий слой 125. Электропроводящий слой 125 включает в себя, по меньшей мере, один проводник, сконфигурированный для передачи электроэнергии. Проводник может быть изготовлен из любого электропроводящего материала, такого как медь или луженая медь. Является предпочтительным, чтобы электропроводящий материал обладал более высокой проводимостью, чем материал первой металлической трубки 120, например медь, по сравнению с нержавеющей сталью. Другие проводящие материалы, которые могут быть использованы для токопроводящего слоя 125, включают в себя алюминий, золото, серебро, и т.д. Проводник может иметь любой подходящий внешний вид или форму, такую как проволока, сетка, лента, трубка, полоса, и т.д.

[039] Электропроводящий слой 125 спирально наматывают вокруг внешней поверхности первой металлической трубки 120 или цилиндрически наматывают вокруг внешней поверхности первой металлической трубки 120. Электропроводящий слой 125 может непосредственно контактировать с внешней поверхностью первой металлической трубки 120, или может опосредованно контактировать с внешней поверхностью первой металлической трубки 120, с дополнительным слоем, таким как изолирующий слой, расположенным между внешней поверхностью первой металлической трубки 120 и электропроводящим слоем 125.

[040] В некоторых вариантах воплощения электропроводящий слой 125 присутствует в виде ленты, спирально намотанной поверх внешней поверхности первой металлической трубки 120. Например, электропроводящий слой 125 может представлять собой металлические полосы, которые спирально намотаны поверх внешней поверхности первой металлической трубки 120.

[041] В некоторых вариантах воплощения, электропроводящий слой 125 цилиндрически наматывают вокруг внешней поверхности первой металлической трубки 120. Например, электропроводящий слой 125 может быть нанесен в виде фольги, продольно намотанной таким образом, чтобы она окружала внешнюю поверхность первой металлической трубки 120, или электропроводящий слой 125 может присутствовать в форме фольги, сваренной в трубку. В некоторых вариантах воплощения, электропроводящий слой 125 может представлять трубку со сварным швом (например, медную трубку со сварным швом). Например, трубка со сварным швом может обладать толщиной 0,127 мм (или 0,005 дюйма) и внешним диаметром 2,05 мм (или 0,081 дюйма). При использовании трубки со сварным швом, блок FIMT может быть изготовлен таким образом, чтобы он был меньше, чем в случае других конфигураций для электропроводящего слоя 125. Таким образом, использование трубки со сварным швом может способствовать повышению электропроводности кабеля и предусматривать использование более толстого изолирующего слоя (как обсуждается ниже).

[042] Электропроводящий слой 125 может принимать другие формы. Например, электропроводящий слой 125 может представлять собой непрерывно сваренную трубку, экструдированную металлическую трубку, армированный проволочный слой, спирально нанесенный слой из тонких проволок или любой другой концентрически нанесенный слой металла.

[043] Электропроводящий слой 125 является коаксиальным с первой металлической трубкой 120. То есть, ось симметрии электропроводящего слоя 125 является такой же, что и ось симметрии первой металлической трубки 120. Электропроводящий слой 125 образует первичную проводящую дорожку для электропередачи. Когда внутренняя поверхность электропроводящего слоя 125 непосредственно контактирует с внешней поверхностью первой металлической трубки 120, первая металлическая трубка 120 также может переносить небольшое количество общего тока, когда электросопротивление материала для создания первой металлической трубки 120 (например, стали) выше, чем электросопротивление материала для создания электропроводящего слоя 125 (например, меди).

[044] Поэтому, сочетание внутренней части металлической трубки и электропроводящего слоя может образовывать многослойный трубчатый проводник для кабеля. Один слой проводника, а именно, электропроводящего слоя 125, изготовленного, например, из меди, обладает более высокой проводимостью, чем другие слои, а именно, внутренняя часть металлической трубки 120, изготовленной, например, из нержавеющей стали. Является предпочтительным, чтобы многослойный трубчатый проводник обладал допустимой нагрузкой по току, переносимому через состав его материала, и толщинами слоев, чтобы он мог пропускать ток до 1 ампер при напряжении 600 вольт или менее.

[045] Кабель 100 также включает в себя электрический изолирующий слой 130, коаксиально окружающий внешнюю поверхность электропроводящего слоя 125. Внутренняя поверхность изолирующего слоя 130 непосредственно контактирует с внешней поверхностью электропроводящего слоя 125. Изолирующий слой 130 электрически изолирует электропроводящий слой 125 от внешней окружающей среды. Материалы, используемые для изолирующего слоя 130, зависят от температурного номинала кабеля. Примеры материалов для создания изолирующего слоя 130 включают в себя полипропилен, фторированный этилен-пропилен (fluorinated ethylene propylene, FEP), перфторалкокси (perfluoroalkoxy, PFA), этиленхлортрифторэтилен (Ethylene ChloroTriFluoroEthylene, ECTFE), эпитаксиальный совместно кристаллизованный сплав (Epitaxial Co-Crystallized Alloy, ECA). В одном примере, изолирующий слой изготовлен из нейтрального FEP и обладает внешним диаметром 2,79 мм (или 0,110 дюйма). Минимальную и номинальную толщину изолирующего слоя специалисты в данной области техники могут рассчитать, исходя из номинального напряжения кабеля.

[046] Кабель 100 включает в себя вторую внешнюю металлическую трубку 135 (также называемую второй металлической трубкой 135 или внешней металлической трубкой 135), коаксиально окружающей внешнюю поверхность изолирующего слоя 130. Внутренняя поверхность второй внешней металлической трубки 135 может непосредственно контактировать с внешней поверхностью изолирующего слоя 130. Вторая металлическая трубка 135 может быть изготовлена из любого подходящего металлического материала, предпочтительно, из стали или легированной стали. Например, для создания второй металлической трубки 135 могут быть использованы различные стали и сплавы, такие как SS 304, SS 316L, A825 и A625. Как показано на Фигуре, вторая металлическая трубка 135 представляет собой одиночную трубку, коаксиально окружающую внешнюю поверхность изолирующего слоя 130. В одном примере, вторая металлическая трубка 135 изготовлена из сплава A825 с толщиной стенки 0,55 мм (или 0,022 дюйма) и внешним диаметром (OD на Фигуре) 4 мм (или 0,1575 дюйма).

[047] Внешний диаметр второй металлической трубки 135 (т.е., общий диаметр кабеля 100) составляет, по большей мере, 4 мм. Внешний диаметр является почти таким же, что и общий диаметр кабеля 100. Таким образом, общий диаметр кабеля 100 составляет не более 4 мм. В некоторых вариантах воплощения, когда необходимы более низкие токи, или возможны более тонкие трубки (например, первая металлическая трубка 120, вторая металлическая трубка 135), общий диаметр кабеля 100 может быть снижет так, чтобы он составлял менее 4 мм. Также можно иметь внешний диаметр более 4 мм, хотя такой вариант воплощения может быть ограничен в его применениях для измерений с использованием трубки кабеля в окружающей среде скважины. В этом случае, вторая металлическая трубка может работать как обратный или заземляющий провод, без какого-либо специального изменения ее конструкции.

[048] В радиальной внешней позиции относительно второй металлической трубки может быть обеспечен защитный кожух (не проиллюстрирован). Защитный кожух может быть изготовлен из полимерного материала, такого как полиэтилен, предпочтительно, высокоплотный полиэтилен,

[049] Раскрытый кабель имеет электрически изолированную проводящую дорожку с низким напряжением 600 вольт постоянного тока или менее (например, 500 вольт постоянного тока) и может переносить ток 1 ампер. Раскрытый кабель может быть использован на непрерывной длине 5 километров (км) или более. В некоторых вариантах воплощения раскрытый кабель может выдерживать максимальную температуру 300°C. Раскрытый кабель обладает температурным номиналом 175°C (в течение короткого времени) и 150°C (в течение длительного времени). В некоторых вариантах воплощения, раскрытый кабель может обладать давлением внешнего сжатия 28,900 фунтов на квадратный дюйм (или примерно 2,0×10⁸ Па) и массой кабеля 71 кг/км (или 48 фунтов/1000 футов). Раскрытый кабель может обладать электросопротивлением постоянного тока 21,9 Ом/км (или 6,66 Ом/1000 футов) при 20°C для медной трубки со сварным швом в качестве электропроводящего слоя 125 и трубки из нержавеющей стали для FIMT 120.

[050] Оптические волокна в кабеле могут функционировать как измерительные волокна и как коммуникационные волокна. В некоторых вариантах воплощения коэффициент затухания составляет ≤ 3,5 дБ/км для многомодового режима при 850 нм, 1,5 дБ/км для многомодового режима при 1300 нм. Коэффициент затухания составляет ≤ 0,7 дБ/км для одномодового режима при 1310 нм, и ≤ 0,7 дБ/км для одномодового режима при 1550 нм.

[051] Раскрытый кабель может отвечать типичным требованиям для скважинных применений, например, таким, как максимальное давление 6,89×10⁷ Па (или 10000 фунтов на квадратный дюйм) и максимальная температура 150°C.

[052] Раскрытый кабель может быть использован как низкопрофильный «нагреваемый» оптоволоконный измерительный кабель. Термин «нагреваемые» скважинные кабели относится к технологии, где электрические проводники нагревают в течение временного периода, а скорость охлаждения контролируют с помощью оптических волокон, для расчета тепловых свойств в среде, окружающей TEC/TEF-кабель.

[053] Раскрытый кабель может быть использован в различных промышленных применениях, таких как исследования нефтяных и газовых скважин, постоянные установки в нефтяных и газовых скважинах и применения для измерений в не нефтегазовых скважинах, таких как мониторинг геотермальной энергии или секвестрации диоксида углерода.

[054] Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что для структуры кабеля, раскрытой в настоящей работе, могут быть сделаны различные модификации и изменения, без отступления от объема или сущности изобретения. Другие варианты воплощения изобретения должны быть ясны специалистам в данной области техники из рассмотрения спецификации и из применения на практике изобретения, раскрытого в настоящей работе. Предполагается, что спецификация и примеры рассматриваются лишь как примерные, с подлинным объемом и сущностью изобретения, указанными в следующей формуле изобретения.

Оптический электрический кабель для скважинных сред включает в себя несколько оптических волокон, расположенных внутри металлической трубки. Электропроводящий слой окружает внутреннюю часть металлической трубки, изолирующий слой окружает и контактирует с электропроводящим слоем, а внешняя металлическая трубка окружает и контактирует с изолирующим слоем. Изобретение решает проблему обеспечения скважинного кабеля с минимальным диаметром, в частности с диаметром не более 4 мм, подходящим для применений в бурении забойным двигателем на гибких трубах и обеспечивали пригодность для введения в колонну гибких насосно-компрессорных труб перед погружением гибких насосно-компрессорных труб в нефтяную или газовую скважину. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический электрический кабель для скважинных сред, содержащий:

- несколько оптических волокон, расположенных внутри металлической трубки;

- электропроводящий слой, окружающий внутреннюю часть металлической трубки;

- изолирующий слой, окружающий и контактирующий с электропроводящим слоем; и

- внешнюю металлическую трубку, окружающую и контактирующую с изолирующим слоем.

2. Кабель по п. 1, в котором внешняя металлическая трубка обладает внешним диаметром, по большей мере, 4,0 мм.

3. Кабель по п. 1, в котором внутренняя часть металлической трубки содержит нержавеющую сталь.

4. Кабель по п. 1, в котором внешняя металлическая трубка содержит легированную сталь.

5. Кабель по п. 1, в котором электропроводящий слой включает в себя медь.

6. Кабель по п. 1, в котором между электропроводящим слоем и внутренней частью металлической трубки обеспечен разделительный слой.

7. Кабель по п. 1, в котором оптические волокна встроены в гель.

8. Кабель по п. 1, в котором оптические волокна работают как оптический датчик или как коммуникационное оптоволокно, а внутренняя часть металлической трубки вмещает в себя вместе оптические волокна, работающие как оптический датчик, и оптические волокна, работающие как коммуникационное оптоволокно.

9. Гибридный кабель с коаксиальной конструкцией, содержащий:

- внешнюю металлическую трубку;

- многослойный трубчатый проводник, расположенный коаксиально внутри внешней металлической трубки, содержащий электропроводящий слой, окружающий и находящийся в непосредственном контакте с внутренней частью металлической трубки, где электропроводящий слой обладает электропроводностью, большей, чем у внутренней части металлической трубки;

- изолятор, отделяющий многослойный трубчатый проводник от внешней металлической трубки; и

- оптические волокна, помещенные внутрь металлической трубки.