用于油气井下探测的探测光缆、探测系统和探测方法

摘要

本发明公开了用于油气井下探测的探测光缆、探测系统和探测方法，探测光缆包括耐腐蚀不锈钢丝、铝管、冷却管和光单元，冷却管位于铝管内，以用于通入循环的冷却剂；光单元有多根并且它们均位于所述铝管内，每根光单元分别具有套管及设置在套管内的传感光纤。探测系统包括探测光缆、压缩机、冷凝器、连接块和单向阀。探测方法为：在探测光缆的传感光纤的未探测油气井下的物理量时，通过让冷却剂循环来带出探测光缆中的热量；在探测光缆的传感光纤的探测油气井下的物理量时，关闭单向阀，通过压缩机抽出冷却管内的冷却剂并存放在冷凝器。本发明可降低光缆内部光纤周围的环境问题，以提高光单元的传感光纤的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于油气井下探测设施领域，更具体地，涉及用于油气井下探测的探测光缆、探测系统和探测方法。

背景技术

目前，光纤监测在油气领域的应用比较活跃，复杂环境下的油气资源勘探开发过程中，采用光纤传感器技术、大数据分析和人工智能算法技术等可以提升效率降低油气开采成本，世界各大油公司投入巨资研究和开发光纤传感器在石油工业的应用。在油气开采领域，油气开采用光纤传感器部署在最深可达10km的油井下，井下含有次生H

基于以上应用，相应的传感光缆包括：耐高温温度传感光缆、振动传感光缆、应变传感光缆等多个类型；光缆使用温度范围150℃～300℃、短期350℃以上，同时需耐受井下高压高腐蚀环境。

现阶段受限于光纤的制备技术，光纤不能长时间处于高温环境。原有套管中含有的光纤油膏，如果长时间一直处于温度超过200℃环境下，容易在高温下板结成块，对光单元造成微弯压迫，降低光单元中的光纤的使用寿命。

美国专利文件US20220236509A1提供了一种采用制冷剂维持温度的光缆。然而这种光缆由于制冷剂排放，导致只能采用空气、或水等安全制冷剂，采用空气制冷由于空气热导率低，制冷效果不能满足高温环境，而采用水冷则不适合井下作业的环境。如果采用氟利昂、二甲基硅油等制冷剂则会带来安全隐患和环境污染。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了用于油气井下探测的探测光缆、探测系统和探测方法，其探测光缆可耐油气腐蚀，探测系统可在探测光缆需要检测油气井下物理量的时段准确的完成传感功能，在无需检测油气井下物理量的时段，可降低光缆内部光纤周围的环境问题，以提高光单元的传感光纤的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了用于油气井下探测的探测光缆，包括耐腐蚀不锈钢丝、铝管、冷却管和光单元，其中：

多根所述耐腐蚀不锈钢丝绞合在所述铝管的外侧；

所述冷却管位于所述铝管内，所述冷却管形成封闭的回路的一部分，用于通入循环的冷却剂；

所述光单元有多根并且它们均位于所述铝管内，每根所述光单元分别具有套管及设置在套管内的传感光纤。

优选地，所述铝管内的冷却管为一根并且与所述铝管同轴设置，所有的所述光单元绞合在所述冷却管的外侧；来自两根光缆的冷却管连通形成封闭回路，所述来自两根光缆的冷却管分别形成封闭回路的下行段和上行段；或者，

所述铝管内的冷却管有两根，来自一根光缆的两根冷却管连通形成封闭回路，所述两根冷却管分别形成封闭回路的下行段和上行段。

优选地，至少一根所述光单元包括耐腐蚀不锈钢套管以及设置在耐腐蚀不锈钢套管内的光纤和吸氢纤膏；

和/或，

至少一根所述光单元为全干式光单元，并且包括护套以及设置在护套内的芳纶和紧套光纤。

优选地，所述冷却剂为在油气井下可气化的冷却剂。

优选地，所述冷却剂为沸点在155℃～220℃的二甲基硅油，以在油气井下被气化。

按照本发明的另一个方面，还提供了探测系统，包括所述的探测光缆，所述冷却管有两根；

这两根冷却管位于同一根探测光缆内，或者这两根冷却管位于两根探测光缆内；

所述探测系统还包括压缩机、冷凝器、连接块和单向阀，所述压缩机与所述冷凝器通过管道连接并且所述压缩机与所述冷凝器均位于油气井外，并且：

所述连接块用于放置在油气井下，并且所述连接块上设置有作为冷却剂流动通道的流道，所述流道具有冷却剂进入口和冷却剂流出口；

其中一根所述冷却管的一端与所述冷却剂入口连通且密封连接而另一端与所述冷凝器连接，以用于让液态的冷却剂流入油气井下的连接块内，并且该冷却管与所述冷凝器之间设置所述单向阀；

另一根所述冷却管的一端与所述冷却剂出口连通且密封连接而另一端与所述压缩机连接，以用于将在油气井下气化的冷却剂抽到所述压缩机进行压缩后传送到冷凝器冷凝成液态。

优选地，如果两根冷却管位于同一根探测光缆内，则所述连接块的冷却剂进入口和冷却剂流出口处分别安装有密封接头，并且每个所述密封接头的一端分别螺纹连接在所述连接块上而另一端分别插入一根所述冷却管内。

优选地，如果这两根冷却管位于两根探测光缆内，则一根所述探测光缆的一端插入所述连接块的冷却剂进入口内，而另一根所述探测光缆的一端插入所述连接块的冷却剂出口内；

所述冷却剂进入口和所述冷却剂出口处分别密封安装有密封组件，以实现连接块与所述探测光缆的密封连接。

优选地，所述连接块在冷却剂进入口处和所述冷却剂出口处均设置有内螺纹；

所述密封组件包括外螺纹压紧螺母、第一圆形密封圈、第二圆形密封圈和锥形密封圈，所述外螺纹压紧螺母包括连接在一起的压头和螺杆，所述螺杆具有外螺纹，并且所述螺杆的外螺纹连接在所述连接块的内螺纹上，所述压头与所述连接块之间设置有第一圆形密封圈，所述第二圆形密封圈位于所述螺杆和所述锥形密封圈之间，所述锥形密封圈远离第二圆形密封圈的一端抵靠在所述连接块上；

每根所述探测光缆分别穿过一个所述密封组件并且与密封组件密封连接。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的探测系统的探测方法，在探测光缆的传感光纤的未探测油气井下的物理量时，通过让冷却剂循环来带出探测光缆中的热量，从而降低探测光缆中的光单元的温度；

在探测光缆的传感光纤的探测油气井下的物理量时，关闭单向阀，通过压缩机抽出冷却管内的冷却剂并存放在冷凝器，使两根冷却管内均没有冷却剂，从而让探测光缆的温度升高至与油气井下的环境温度相适应，让探测光缆的传感光纤检测油气井下的物理量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的探测光缆，通过设置冷却管形成封闭的回路，可在冷却管内通入循环的冷却剂，在探测光缆未探测油气井下的物理量时通过强制冷却的方法降低探测光缆在工作中产生的温升，同时避免由于排除冷却剂导致的安全隐患或者环境污染；尤其是为了适应油气井下可能达到的300℃高温环境，冷却管能的循环冷却剂，可以通过改变物态进行气态-液态转换来提高冷却效率，使传感光纤可以不用一直处于油气井下的高温环境中，从而可提高探测光缆的使用寿命。此外，耐腐蚀不锈钢丝和铝管也可对光单元进行保护，有效减少探测光缆的腐蚀。

2)探测系统的两根冷却管和连接块连接在一起，方便冷却剂进行循环，连接块上的流道方便冷却剂从冷凝器流动到油气井下被气化，压缩机和冷凝器可保证冷却剂循环流动，从而有助于降低探测光缆的温度。

3)探测方法可靠易操作，针对传感光纤探测期间和非探测期间来让探测系统工作，节能效果好。

附图说明

图1a是本发明中一根探测光缆的铝管内有两根冷却管的示意图；

图1b是本发明中一根探测光缆的铝管内只有一根冷却管的示意图；

图2是本发明中探测系统的示意图；

图3是两根探测光缆安装在连接块上的示意图；

图4是本发明中用于连接两根探测光缆的连接块的示意图；

图5是本发明中外螺纹压紧螺母的示意图；

图6是本发明中第一圆形密封圈或第二圆形密封圈的示意图；

图7是本发明中锥形密封圈的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-耐腐蚀不锈钢丝，2-铝管，3-冷却管，4-光单元，41-套管，42-传感光纤，4011-冷却剂入口，4012-冷却剂出口，401-流道，100-探测光缆，200-压缩机，300-冷凝器，400-连接块，500-单向阀，51-外螺纹压紧螺母，52-第一圆形密封圈，53-第二圆形密封圈，54-锥形密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1a、图1b，用于油气井下探测的探测光缆100，包括耐腐蚀不锈钢丝1、铝管2、冷却管3和光单元4，其中：

多根所述耐腐蚀不锈钢丝1绞合在所述铝管2的外侧；

对于耐腐蚀不锈钢，一般来讲，单一含有H

油井使用的耐腐蚀不锈钢可参考API5CT标准中的耐腐蚀油井管钢种。

所述冷却管3位于所述铝管2内，所述冷却管3形成封闭的回路的一部分，用于通入循环的冷却剂；铝管2可采用防锈铝，防锈铝主要包括Al-Mn系和Al-Mg系的合金。冷却剂在冷却管3内可起到对探测光缆100的冷却作用，并且循环的冷却剂可带走探测光缆100的热量，防止探测光缆100一直在很高的温度。

所述光单元4有多根并且它们均位于所述铝管2内，每根所述光单元4分别具有套管41及设置在套管41内的传感光纤42。

现有的传感光纤42可将非光信号的物理量转变成光信号，经传感光纤42感知传递，最后再转换成所测的物理量，可测量温度、压力、位移、速度、电压、电流和熔液的浓度等物理量。本发明的这些光单元4内的传感光纤42主要探测油气井中温度、振动等信息。

进一步，所述铝管2内的冷却管3为一根并且与所述铝管2同轴设置，所有的所述光单元4绞合在所述冷却管3的外侧。如果一根探测光缆100内只有一根冷却管3，则至少需要两根探测光缆100来形成冷却剂回路，使得冷却剂循环。

或者，所述铝管2内的冷却管3有两根。如果一根探测光缆100内有多根冷却管3，则探测光缆100自身的这些冷却管3可以形成冷却剂回路，让冷却剂循环流动。

进一步，至少一根所述光单元4包括耐腐蚀不锈钢套管41以及设置在耐腐蚀不锈钢套管41内的光纤和吸氢纤膏；吸氢纤膏具有吸氢性能，消除了由于纤膏和不锈钢不相容性及焊接工艺中产生的氢气，使光纤晶格中的缺陷减少，减少了光纤的损耗，提高了光纤的传输性能。

和/或，

至少一根所述光单元4为全干式光单元4，并且包括护套以及设置在护套内的芳纶和紧套光纤。全干式光单元4没有使用纤膏，杜绝了纤膏在高温下板结成块的情况。

进一步，所述冷却剂为在油气井下可气化的冷却剂。气化后，方便被压缩机200抽出，冷却剂不建议采用冷却水，防止传感光纤42遇水受损。优选地，所述冷却剂为沸点在155℃～220℃的二甲基硅油，以在油气井下被气化。

参照图2～图7，按照本发明的另一个方面，还提供了探测系统，包括所述的探测光缆100，所述冷却管3有两根，并且这两根冷却管3位于同一根探测光缆100内，所述探测系统还包括压缩机200、冷凝器300、连接块400和单向阀500，所述压缩机200与所述冷凝器300通过管道连接并且所述压缩机200与所述冷凝器300均位于油气井外，连接块400用于置入油气井下，并且：

所述连接块400用于放置在油气井下，并且所述连接块400上设置有作为冷却剂流动通道的流道401，所述流道401具有冷却剂进入口和冷却剂流出口。

其中一根所述冷却管3的一端与所述冷却剂入口4011连通且密封连接而另一端与所述冷凝器300连接，以用于让液态的冷却剂流入油气井下的连接块400内，并且该冷却管3与所述冷凝器300之间设置所述单向阀500；单向阀500使得冷却剂只能由冷凝器300向冷却剂入口4011流动，单向阀500在探测光缆100的传感光纤42的非检测时段可关闭。

另一根所述冷却管3的一端与所述冷却剂出口4012连通且密封连接而另一端与所述压缩机200连接，以用于将在油气井下气化的冷却剂抽到所述压缩机200进行压缩后传送到冷凝器300冷凝成液态。

进一步，如果两根冷却管3位于同一根探测光缆100内，则所述连接块400的冷却剂进入口和冷却剂流出口处分别安装有密封接头，并且每个所述密封接头的一端分别螺纹连接在所述连接块400上而另一端分别插入一根所述冷却管3内。密封接头可采用现有的外螺纹带齿管尾接头，如果要保证密封，还可以在密封接头与冷却管3之间涂上密封胶。

进一步，如果这两根冷却管3位于两根探测光缆100内，则一根所述探测光缆100的一端插入所述连接块400的冷却剂进入口内，而另一根所述探测光缆100的一端插入所述连接块400的冷却剂出口4012内；每根探测光缆100内的光单元4的传感光纤42均可检测物理量。

所述冷却剂进入口和所述冷却剂出口4012处分别密封安装有密封组件，以实现连接块400与所述探测光缆100的密封连接。

进一步，所述连接块400在冷却剂进入口处和所述冷却剂出口4012处均设置有内螺纹；

所述密封组件包括外螺纹压紧螺母51、第一圆形密封圈52、第二圆形密封圈5353和锥形密封圈54，所述外螺纹压紧螺母51包括连接在一起的压头和螺杆，所述螺杆具有外螺纹，并且所述螺杆的外螺纹连接在所述连接块400的内螺纹上，所述压头与所述连接块400之间设置有第一圆形密封圈52，所述第二圆形密封圈5353位于所述螺杆和所述锥形密封圈54之间，所述锥形密封圈54远离第二圆形密封圈5353的一端抵靠在所述连接块400上；

每根所述探测光缆100分别穿过一个所述密封组件并且与密封组件密封连接。

外螺纹压紧螺母51、第一圆形密封圈52、第二圆形密封圈5353和锥形密封圈54确保探测光缆100与连接块400之间的密封，防止冷却剂泄露。第一圆形密封圈52、第二圆形密封圈5353和锥形密封圈54均采用硅橡胶这样的热膨胀材料。

本发明的探测光缆100为永置式，探测光缆100与连接块400相连的一端长期置入油气井下，传感光纤42探测期间冷却管3中无填充物。

在传感光纤42的非探测期间，通过向其中一根用于进冷却剂探测光缆100的冷却管3中注入高压的冷却剂(二甲基硅油等沸点高压400℃的冷却剂)，另一端用于出冷却剂的探测光缆100将冷却剂抽出，带出探测光缆100中的热量，降低探测光缆100中光单元4温度。本探测系统通过降低探测光缆100在非探测期间内的光单元4的温度，使其免于长期处于高温状态，从而延长探测光缆100的使用寿命。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的探测系统的探测方法，在探测光缆100的传感光纤42的未探测油气井下的物理量时，通过让冷却剂循环来带出探测光缆100中的热量，从而降低探测光缆100中的光单元4的温度，可延长探测光缆100的使用寿命。

在探测光缆100的传感光纤42的探测油气井下的物理量时，关闭单向阀500，通过压缩机200抽出冷却管3内的冷却剂并存放在冷凝器300，使两根冷却管3内均没有冷却剂，从而让探测光缆100的温度升高至与油气井下的环境温度相适应，让探测光缆100的传感光纤42检测油气井下的物理量。

本发明提出一款可循环填充冷却液的探测系统，不同类型的传感光纤42被铝管2、耐腐蚀不锈钢丝1等外保护层保护，分布于探测光缆100的不同位置；探测光缆100内留有冷却管3作用填充冷却介质的空间。在探测光缆100的检测期间，抽出探测光缆100内的冷却介质完成测温传感等功能；在探测光缆100的非检测期间，可通过压缩机200、凝器等陆上装置向探测光缆100中循环注入冷却介质，降低探测光缆100内部光纤周围的环境问题，以提高传感光纤42的使用寿命。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。