烃监视电缆

1.一种定位于井下环境中的烃监视电缆，该烃监视电缆包括：
光纤芯；
围绕所述光纤芯的碳层，用于提供保护以免暴露于井下环境中引起光纤缺陷的介质，所述碳层具有第一热膨胀系数；
外聚合物层，围绕所述碳层并具有第二热膨胀系数；
中间聚合物层，被置于所述碳层和所述外聚合物层之间，所述中间聚合物层具有基于第一和第二热膨胀系数选择的第三热膨胀系数；和
围绕所述外聚合物层的带正电荷的导电层，用于从所述光纤芯排斥井下环境中引起光纤缺陷的介质。
2.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中所述光纤电缆被配置用于传送温度信息。
3.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中所述碳层的热膨胀系数小于大约10ppm/℃，所述外聚合物层的热膨胀系数大于大约30ppm/℃。
4.如权利要求3所述的烃监视电缆，其中所述中间聚合物层的热膨胀系数介于大约
10ppm/℃和大约30ppm/℃之间。
5.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中中间聚合物层的热膨胀系数小于外聚合物层的热膨胀系数，而大于碳层的热膨胀系数。
6.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中所述中间聚合物层比所述外聚合物层软。
7.如权利要求6所述的烃监视电缆，其中所述中间聚合物层和所述外聚合物层包括相同类型的聚合物。
8.如权利要求7所述的烃监视电缆，其中所述聚合物为聚酰亚胺、丙烯酸、乙烯、聚烯烃和三元乙丙橡胶其中之一。
9.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中所述带正电荷的导电层配置为传送电阻率测量值。
10.如权利要求1所述的烃监视电缆，其中所述带正电荷的导电层包括围绕所述光纤芯螺旋缠绕的导体束。
11.如权利要求10所述的烃监视电缆，其中所述导体束为铜、镀铜钢、和镀镍材料之一。
12.如权利要求10所述的烃监视电缆，其中所述导体束的尺寸基于其将容纳的电荷量确定。
13.一种烃监视组件，包括：
设置在油田中的地面设备；和
根据权利要求1的光纤电缆，连接至所述地面设备以为其提供井信息。
14.权利要求1所述的烃监视组件，其中引起光纤缺陷的介质为氢。
15.一种定位于井下环境中的烃监视电缆，该烃监视电缆包括：
光纤芯；以及
围绕所述光纤芯的带正电荷的导电层，用于从所述光纤芯排斥环境中引起光纤缺陷的介质。
16.权利要求15所述的烃监视电缆，其中所述带正电荷的导电层配置为传送电阻率测量值。
17.权利要求15所述的烃监视电缆，其中所述带正电荷的导电层包括围绕所述光纤芯螺旋缠绕的导体束。
18.权利要求17所述的烃监视电缆，其中所述导体束为铜、镀铜钢和镀镍材料之一。
19.权利要求17所述的烃监视电缆，其中所述导体束的尺寸基于其将容纳的电荷量确定。

烃监视电缆\n技术领域\n[0001] 所描述的实施例涉及用于监视烃(碳氢化合物)井中井下状况的烃监视电缆。特\n1\n别是，描述了烃监视电缆的实施例，其配置为在延长的时间期间，可能介于大约1/2和5年之间，布置和相对连续地监视井。\n背景技术\n[0002] 各种烃应用涉及使用设置在烃井中的电缆。例如，从井中生产烃期间可将烃电缆设置在井中以监视生产时的井状况。可提供光纤芯穿过电缆以获得井状况信息例如温度。\n实际上，由于光纤的性质，可获得井的温度曲线图，读数源自每个沿着光纤芯的点。可采用这样的信息以对在生产应用中有用的生产数据进行外推。例如，可通过检测由这样的烃监视电缆所采集的温度曲线图上的温度差计算流量的估计值。\n[0003] 当采用上述烃监视电缆时，该电缆可沿着数千英尺的井置于合适位置并暴露于烃\n1\n井环境延长的时间。例如，烃生产可在大约1/2到5年的过程中进行，并试图在该时间内将电缆置于合适的地方(地层内)。采用该方式，可应用对井状况的实时监视。同样，可根据井中变化的状况改变生产应用。\n[0004] 可惜的是，将烃监视电缆延长暴露于井中的井下状况使光纤芯易形成缺陷，从而影响其性能。这一点可能源自暴露于某些井下物质，该物质作为引起光纤芯中的光学缺陷的引起光纤缺陷的介质。例如活烃井中大量存在的氢容易扩散进光纤芯中与其玻璃材料相互反应以形成损坏性羟基。这反过来将引起光纤芯的内部破裂和恶化，并造成穿过其中的信号传输分散。井下环境中的高温可加速该过程，最终使得电缆对于光纤监视和通信无用。\n实际上，光纤芯通常为环形结构，将光信号带入井下并提供到达井上的返回路径以在井表面进行测量和分析。因此，沿着光纤芯路径形成该缺陷的可能性从电缆的长度看是双重的。\n[0005] 为避免氢或者其它引起光纤缺陷的介质扩散(attenuation)入光纤芯，该芯可由许多作为护罩的涂层、凝胶和/或金属层环绕。碳涂层例如对防止下层光纤芯受到氢侵袭特别有效。可惜，下层光纤芯的有效防护可使监视电缆的整个剖面具有不切实际的尺寸，或许较大程度地堵塞井自身。另外，这样的防护还使得光纤芯易受热引起的缺陷。即，即使在例如采用薄碳涂层可获得减小的剖面的情况下，添加该防护层涉及为电缆引入具有自己的热膨胀系数的新材料。该新引入的防护材料的热膨胀系数可能不匹配围绕防护材料的其它材料层的热膨胀系数，例如导体层或者外聚合物护套。由于监视电缆防护层和其它外层之间热膨胀系数不匹配，下层光纤芯可受到机械应力。因此，当电缆长时间处于井的总体高温的井下环境中时，可形成芯中的缺陷。\n[0006] 不论防护类型，具有实际尺寸的常规烃监视电缆的光纤性能在处于井下用于井下监视数月后将总体无用。常规烃井的高压、高温、氢环境最终使得电缆对于整个生产过程中连续光纤监视井下状况无效。\n[0007] 发明概述\n[0008] 提供了一种定位于井的井下环境中的烃监视电缆。该电缆包括光纤芯，所述光纤芯具有围绕其的碳层，以提供防护以免暴露于井下环境中引起缺陷的介质，即氢。碳层本身具有第一热膨胀系数，而围绕碳层的外聚合物层具有第二热膨胀系数。具有第三热膨胀系数的中间聚合物层被置于碳层和外聚合物层之间。基于第一和第二热膨胀系数选择中间聚合物层以避免来自井下环境的引起光纤缺陷的热膨胀。\n[0009] 在另一个实施例中，烃监视电缆可包括光纤芯，所述光纤芯具有围绕其的导电层。\n导电层可带正电荷以排斥环境中引起光纤缺陷的介质。而且，在另一个实施例中，烃监视电缆可包括光纤芯，所述光纤芯具有设置在所述光纤芯周围以吸收环境中引起光纤缺陷的介质的基于聚合物的吸收层。特别是，基于聚合物的吸收层可包括分散在其中用于吸收的硅石玻璃和碳的其中一个。\n附图说明\n[0010] 图1是设置在井内的烃监视电缆实施例的侧视横截面图。\n[0011] 图2是图1的烃监视电缆沿2-2的放大横截面图。\n[0012] 图3是烃监视电缆的替代实施例的横截面图。\n[0013] 图4是烃监视电缆另一个实施例的横截面图。\n[0014] 图5是在油田生产井中所采用的烃监视电缆的实施例的部分横截面概图。\n具体实施方式\n[0015] 参考一些烃监视电缆描述实施例。描述了用于长期布置在烃生产井中和监视烃生产井中的井状况的电缆结构。也就是说，可采用各种结构。无论如何，所描述的特别实施例可包括延长电缆光纤芯有效寿命的特征。可以以多种方式实现这一点，包括从光纤芯屏蔽、排斥或者吸收引起缺陷的介质。另外，可通过在外层之间添加中间层来减小围绕芯的外层之间的热不匹配的效应而延长芯的寿命。中间层可以是具有基于外层热膨胀系数而选择的热膨胀系数的软聚合物(soft polymer)，下面将详细描述。\n[0016] 现在参考图1，描述了烃井180中的烃监视电缆100的实施例。井180可包括邻近井壁170并且横穿地质层190的套筒150。当井为活井时，可通过井180从地层190生产烃。在该生产过程中，烃监视电缆100可连至地面设备并用于实时监视井180的状况。从以该方式监视井180所获得的信息然后可动态地用于例如根据随时间改变的井状况来根据需要改变井生产应用。\n[0017] 在采集上述井状况信息时可利用电缆100的光纤芯125。实际上，给定光纤芯的性质和电缆100在整个井180中的定位，可从沿着光纤芯125的每个点的读数构造井状况的动态曲线。特别是可以该方式采集和利用温度信息。例如，在一个实施例中，可通过考察利用该烃监视电缆100所构造的温度图上的温度差而计算流量的估计值。\n[0018] 继续参考图1，可将烃监视电缆100设置为穿过井180到达数千英尺的深度。以该方式可在延长的时间期间例如烃生产应用的持续时间上将电缆100设置在适当位置。如\n1\n所示出的，当从地层190提取烃时，这一点可使电缆100暴露于烃井180环境大约1/2至大约5年的时间。因此，烃监视电缆100特别是其光纤芯125可暴露于压力和温度极限以及大量的氢离子140或者其它产生缺陷的介质。实际上，这些极限和这样的介质的丰富程度可能随着井180的深度增加而提高。但是，如下所述，可采取措施保证电缆100和芯125尽管暴露于所描述的恶劣井下环境但是在直到大约5年的监视期间仍维持足够的功能性。\n[0019] 由于其内在特征烃监视电缆100的监视性能可延长至如所指出的大约5年，保持氢离子140扩散(attenuation)到光纤芯125的扩散率最小。例如，在一个实施例中，光纤芯125长度可以是大约为10km，公差(tolerance)为100dBm。即，芯125可保持用于监视目的的功能直到扩散达到使芯125的通信性能降低大约100dBm的水平。同样，下面所描述的实施例可包括防护物，其慢化氢离子140到芯125的扩散率，从而通信性能每年大约降低少于20dBm(例如帮助保证电缆100的5年使用期限)。\n[0020] 还参考图2，可由配置为将氢离子140与内芯220和覆层240隔开的碳层260或者涂层围绕光纤芯125。以该方式，从氢到芯125的扩散率可如上所述降低。同样，可尽量减弱和延迟芯125的玻璃材料与氢离子140之间的反应形成破坏性羟基，从而延长烃监视电缆100的寿命。\n[0021] 除了碳层260以外，还向烃监视电缆100提供外聚合物层280或者护套。如所示出的，碳层260可配置为集中于防止下层芯125与氢离子140或者其它可能扩散到电缆100中的引起缺陷的介质的直接接触。但是，考虑到更直接地暴露于井180的整个环境，可配置外聚合物层280。同样，外聚合物层280的耐久性、耐湿性和其它特有特征可与碳层260显著不同。因此，外聚合物层280的热膨胀系数可能与碳层260的大大不同。\n[0022] 给定烃监视电缆100在井180深度上可能经受的温度极限，上述热膨胀系数的差异可能是显著的。即，由于井下暴露于温度极线，一层(例如260)和下一层(例如280)之间的热膨胀性质的不同可能相当明显。但是，如下所述，烃监视电缆100具有配置为尽量减小该不同的热膨胀系数相对于下层光纤芯125的应力的中间聚合物层200。同样，可尽量减小芯125中的热产生的缺陷或者微弯，并延长电缆100的寿命。\n[0023] 继续参考图2，中间聚合物层200示出为介于外聚合物层280和碳层260之间。中间聚合物层200可以是比外聚合物层280大致更软的聚合物。中间聚合物层200还可包括根据相邻层260、280的不同热膨胀系数所选择的热膨胀系数。例如，在一个实施例中，中间聚合物层200的热膨胀系数介于相邻层260、280的热膨胀系数之间。因此，中间聚合物层\n200能够适应相邻层260、280的膨胀而对其没有显著的阻力。因此，一个相邻层(例如280)的膨胀应力不会明显地经过中间聚合物层200转移至另一个相邻层(例如260)。\n[0024] 由于上述的各层，可避免由热特征大为不同的附近材料层260、280的应力在光纤芯125内部所引起的裂缝。即，通过将外聚合物层280与碳层260隔开，在其间设置热协同介质(即中间聚合物层200)，可基本上消除由于层260、280的不同热膨胀特性所引起的机械应力。同样，可避免光纤芯125暴露于该机械应力，从而延长电缆100的使用期限。\n[0025] 如所示出的，碳层260配置为保护光纤芯125以减少和氢离子140之间直接接触。\n因此，碳层260可以为具有预定的可能小于每摄氏度大约10ppm的热膨胀系数的碳基材料。\n可选择地，外聚合物层280可以为热膨胀系数大于碳层260、可能超过每摄氏度大约30ppm的硬聚合物。因此，中间聚合物层200可以为适应碳层260和外聚合物层280的热膨胀的软聚合物，而不会将明显的膨胀力从一层转移至另一层，如上所述。\n[0026] 中间聚合物层和外聚合物层200、280可以采用各种材料。一个实施例中，可对层200、280选择相同聚合物类型的软和硬形式。例如，中间聚合物层200可以为软聚酰亚胺，而外聚合物层280可以为硬聚酰亚胺。相似地，中间聚合物层200可以为软丙烯酸(acrylic)而外聚合物层280可以为硬丙烯酸。其它软一硬聚合物组合可包括软和硬形式的三元乙丙橡胶以及软和硬形式的聚烯烃。可选择地，在另一个实施例中，中间聚合物层200可以为软硅氧烷(silicone)，而外聚合物层280可以为氟塑料例如聚甲醛(polyoxymethylene)。另外，中间聚合物层200的软聚合物可以为氟橡胶、全氟橡胶(perfluoroelastomer)和全氟乙醚(perfluoroether)。\n[0027] 现在继续参考图3，烃监视电缆300可包括传送电能和电信号例如电阻率测量值的导体310、315层。导体310、315还可用作电缆300的强度增强元件，可能为围绕光纤芯\n325螺旋缠绕的股线(线束)(和所示出的前进导体310的情形)。在所示出的实施例中，导体310、315为经受腐蚀性井下环境的铜、镀铜钢和/或镀镍材料(nickel plated)。\n[0028] 在所描述的实施例中，导体310、315为提供通过电缆300的电子路径的前进导体\n310和返回导体环315的形式。这样的结构可包括由外护套390容纳和由悬浮聚合物层302悬浮或者隔离的导体310、315。另外，可在与图2实施例相似的外聚合物层380、中间聚合物层301、碳层360和光纤芯325的下层构造周围提供所有特征310、315、302、390。\n[0029] 在图3所实施例中，导体310、315可以为具有自身的特定热膨胀系数的材料，所述热膨胀系数可与电缆300的其它材料层360、301、380的热膨胀系数显著不同。例如，导体\n310、315可以为铜或者镀铜钢，而材料层360、301、380可以为参考图2实施例在上文所描述的聚合物和碳材料。因此，为减小应力，主要是光纤芯325上的应力，悬浮聚合物层302可围绕导体310、315邻近地设置。悬浮聚合物层302可以为软聚合物，并且可基于芯325周围的外聚合物层380的热膨胀系数以及导体310、315的热膨胀系数选择其热膨胀系数。\n[0030] 采用其间的热配合(或协同)介质(即悬浮聚合物层302)将导体310、315和外聚合物层380隔开，可减小否则可能由导体310、315和下层外聚合物层380的不同热膨胀特性产生的机械应力。即，悬浮聚合物层302可以为参考图2实施例所描述的材料类型的软聚合物。因此，可实现向光纤芯325传递的机械应力的减小，从而还可减小芯325中的机械应力和微弯缺陷。\n[0031] 如所指出的，采用例如图3的结构，可减小由于导体310、315和外聚合物层380之间不同的热膨胀系数所产生的机械应力。但是，在所示出的实施例中，可通过在外聚合物层\n380和光纤芯325上的下层碳层360之间包括中间聚合物层301而再次进一步减小机械应力。即，和图2的实施例一样，中间聚合物层301可用作碳层360和外聚合物层380之间的媒介从而尽量减小它们之间不同热膨胀特性的影响。因此，可再次减小光纤芯325上的机械应力。\n[0032] 中间聚合物层301、外聚合物层380和悬浮聚合物层302可以选择各种材料类型。\n例如，中间聚合物层301和外聚合物层380可以分别是如上所述的图2实施例中的中间聚合物层200和外聚合物层280的材料类型。同样，悬浮聚合物层302可以是和中间聚合物层301相同的软聚合物材料。\n[0033] 在一个实施例中，特别是，由具有在其周围的软中间聚合物层301的碳层360屏蔽光纤芯325。在其周围提供与中间聚合物层301的聚合物类型相同的硬外聚合物层380。用于中间聚合物层301的相同的软聚合物可类似地以悬浮聚合物层302的形式设置，在该悬浮聚合物层302内导体310、315被隔离。由于悬浮聚合物层302和中间聚合物层301的软介质，可减小在光纤芯325中由于材料层360、380和周围导体310、315不同的热特性而形成的缺陷。\n[0034] 继续参考图3，并且参考图1，可通过采用带正电(示出为正电荷340)的导体310、\n315进一步减小光纤芯325中的缺陷。即，如上所述，烃监视电缆300可被配置导体310、\n315，以通过其传递电信号。这些导体310、315例如在制造时通过常规手段带有正电荷340。\n以该方式，例如图1中所描述的氢离子140可被排斥离开烃监视电缆100。即，电缆100可被配置为至少在由导体310、315所保持的正电荷量的程度上排斥氢离子140。\n[0035] 在采用多种类型导体310、315的结构中，可对选择的导体310、315例如前进导体\n310或者返回导体315单独提供正电荷。可选择地，和图3的实施例相同，所有的导体310、\n315可带正电荷340以使光纤芯325从带正电荷的导体310、315获得最大量的防护。另外，可部分基于所提供的电荷量确定导体310、315的尺寸。相似地，可基于导体310、315所提供的电荷量确定相邻设置的电隔离层(即外护套390和悬浮聚合物层302)的尺寸和材料。\n[0036] 现在参考图4，描述了烃监视电缆400的选择实施例。在图4的实施例中，电缆400的层在性质上可以例如通过采用玻璃或者碳而吸收氢。例如，在一个实施例中，聚合物层例如外护套490可装载氢吸收剂440。即，和图3所描述的正电荷340相反，氢吸收剂440例如碳纳米管和/或碳或者玻璃纤维可提供到整个外护套490或者光纤芯425外部的其它聚合物层中。通过该方式，可吸收氢离子140例如图1所描述的氢离子，与吸收剂440结合，阻止其到达芯425。可选择地，电缆400可以具有导体410、415，一旦该氢吸收剂440饱和，则该导体被带电荷以排斥氢离子140。另外，为延迟饱和，在一个实施例中，如下所述的护套490以及下层悬浮聚合物层402、外聚合物层480、和中间聚合物层401每个都可容纳氢吸收剂440。\n[0037] 还参考图3，图4的电缆400可同样包括由碳层460保护的光纤芯425。另外，可以邻近外聚合物层480在内部提供中间聚合物层401，作为减少在芯425内由于上述热膨胀系数不匹配产生的机械应力而引起的微弯的手段。还如上所述，电缆400可具有导体410、\n415。在所示出的实施例中，可如上所述对导体410、415充以电荷以保护下层芯425不暴露于氢离子140(如图1所示出)。\n[0038] 烃监视电缆100、300、400的实施例可采用上面所描述的附加特征以延长其使用期限。例如，可代替返回导体315、415或者除了其以外另外采用管状或者环状铅护套以提供附加的氢屏蔽。另外，电缆100、300、400的最外层可包括钢基合金，其包括铁、镍铬、或者其它相对于井下环境的腐蚀抑制剂。\n[0039] 现在参考图5，在生产井575内采用根据上述实施例的烃监视电缆500以延长使用期限而无需更换。如所示出，在井575上的油田550上设置地面设备525，并且当通过地层555、560提取烃时在井中设置电缆500。但是，即使生产烃时(参见烃生产箭头580)，电缆500也可包括光纤芯组件，而且在烃生产的大部分时间内保持在合适的位置而无需更换。即，由于上述的热相容性和氢屏蔽特征，烃监视电缆500的光纤芯可在延长的时间期间内保持可使用，该时间可能覆盖烃生产期(例如达到大约5年)。\n[0040] 上述烃监视电缆的实施例包括延迟引起缺陷的介质进入光纤芯的扩散率的特征。\n因此，在以电缆监视生产应用时将芯内的光学缺陷保持为最小。因此，维持光纤通信的完整性，允许进行测量、分析和生产本身而不会因为电缆更换而中断。另外，可以通过避免采用易影响井本身可用直径的高剖面(profile)凝胶和金属层结构实现这一点。另外，可以以基本上避免芯内的热引起的缺陷的方式对电缆特征分层。\n[0041] 参考当前的优选实施例进行了前面的描述。本领域和这些实施例相关的技术领域的技术人员将理解，在不有意偏离这些实施例的原理和范围的情况下可进行所描述结构和操作方法的更改和变化。例如，可采用各种制造技术形成根据上述实施例的烃监视电缆。在一个该例子中，在电缆形成前吸收剂可以和流体聚合物混合并在随后在电缆形成过程中一起挤出。另外，前面的描述不应理解为仅仅和在附图中所描述和示出的精确结构相关，而是应理解为和下面的具有最完整和最适当范围的权利要求书一致并且作为对其的支持。