一种油气井光缆设计方法及油气井光缆技术

技术编号：40646519 阅读：5 留言：0更新日期：2024-03-13 21:26

本发明专利技术公开了一种油气井光缆设计方法及油气井光缆，属于特种光缆设计制备领域，其通过设计油气井光缆的结构选型，设计具有外层抗压层、气密屏蔽层和光单元的光缆，再结合外层抗压层塌陷屈服强度、光缆受自重和外部机械应力影响所导致光缆应变、光缆受温度影响所导致光缆应变的分别设计计算，可准确完成外层抗压层的选型设计以及光缆的光纤余长的设计，配合气密屏蔽层的选型设计，可以准确完成油气井光缆的设计，保证设计得到的油气井光缆可与实际的应用场景对应，满足光缆在不同环境条件油气井下的应用需求，提升油气井光缆的使用可靠性，保证油气井光缆信号传输和使用的精度，延长油气井光缆的使用寿命。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特种光缆设计制备领域，具体涉及一种油气井光缆设计方法及油气井光缆。

技术介绍

1、近年来，随着光纤光缆研究与制备技术的发展，满足不同特种环境下应用的特种光缆得到了越来越多的应用，光缆的极限使用性能也得到了大幅地提升。其中，光纤光缆的最高使用温度较之传统光缆有了大幅的提升，从85℃提升至300℃甚至更高水平。

2、伴随着光纤光缆使用温度的提升，结合目前传感dts、das及相关技术读取温度、压力、振动信号的能力，为光纤光缆应用于油气井进行相关参数的监测提供了可能。

3、不过，由于油气井下一般为高温高压状态，且光缆在服役过程中会受到自重及机械外力的影响，再加上光缆内外材料的性能差异，导致光纤光缆极易产生应变，造成光纤较大的附加衰减。而对于das和dts传感应用来说，较小的衰减变化往往便会导致测试结果出现较大的漂移，进而影响实际测试准确度及精度，导致现有光纤光缆在油气井环境下的应用存在极大的局限性。此外，由于油气井中的条件复杂性，导致国内外油气井光缆的使用寿命通常较短，应用成本较高。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本专利技术提供了一种油气井光缆设计方法及油气井光缆，能够准确实现油气井光缆的设计，充分考虑各种因素对于油气井光缆使用性能的影响，提升油气井光缆在实际应用环境下的使用性能，延长油气井光缆的使用寿命。

2、为实现上述目的，本专利技术的一个方面，提供一种油气井光缆设计方法，其包括如下过程：

<p>3、（1）根据光缆在油气井中的使用需求，设计油气井光缆的结构，设计由内至外依次包括光单元、气密屏蔽层和外层抗压层的光缆；其中，光单元包括套管设置在套管中的光纤；

4、（2）根据光缆使用环境的环境压力 p和外层抗压层的塌陷屈服强度 py进行外层抗压层的设计选型；其中， py＞ p，且塌陷屈服强度 py由如下公式计算：

5、

6、式中， py为外层抗压层的塌陷屈服强度； δ为外层抗压层所用材料的屈服强度； d为外层抗压层的外径； t为外层抗压层的厚度；

7、（3）根据光缆的使用环境参数，进行气密屏蔽层的设计选型；

8、（4）根据光缆的使用需求，对光纤的类型进行选型，并根据如下公式完成光纤余长的设计：

9、

10、

11、

12、式中，为光纤余长；光纤在套管中按螺旋曲线方式进行计算， l为螺旋线一个周期的节距； d0为套管的内径； εcmax为单位长度光缆的受力应变最大值； εtmax为单位长度光缆的温度应变最大值； l为服役光缆垂直下井长度； ρ为光缆密度； g为重力加速度， mc为光缆复合弹性模量； cc和 cf分别代表光缆以及光纤的热膨胀系数；为光缆实际使用温度和光缆室温条件下的温度差。

13、作为本专利技术的进一步改进，在过程（3）中，针对气密屏蔽层的设计选型，利用气体在外层抗压层中扩散速率的计算来判断，其利用如下公式计算：

14、

15、式中， j为气体通过单位厚度材料层的扩散速率； a为和材料相关的常数； p为环境压力； k为与扩散相关的已知常数； t为环境温度。

16、作为本专利技术的进一步改进，在过程（3）中，预设计有常规设计尺寸下不同材料的扩散速率随温度变化的拟合曲线图；如此，在完成气体在外层抗压层中扩散速率的计算后，直接通过所述拟合曲线图确定气密屏蔽层的材料选型。

17、作为本专利技术的进一步改进，在过程（1）中，根据光缆实际使用要求在外层抗压层的外周设计对应截面尺寸的外层护套，并根据光缆的实际使用环境确定外层护套的选材。

18、作为本专利技术的进一步改进，在过程（4）中，考虑到油气井光缆应用环境的复杂性，其光纤余长通过下式表征：

19、。

20、本专利技术的另一个方面，提供一种油气井光缆，其利用所述的油气井光缆设计方法设计得到，

21、所述油气井光缆包括由内至外依次设置的光单元、气密屏蔽层和外层抗压层；

22、所述光单元包括套管、穿设于所述套管内并具有一定光纤余长的光纤。

23、作为本专利技术的进一步改进，所述外层抗压层为316l不锈钢、625合金或者825合金材料制成；

24、和/或

25、所述油气井光缆的最高使用温度低于180℃，且所述气密屏蔽层由改性聚丙烯、改性尼龙、全氟乙烯丙烯共聚物fep、乙烯-四氟乙烯共聚物etfe或者聚四氟乙烯pfa制成；或者，所述油气井光缆的最高使用温度大于180℃，且所述气密屏蔽层由铝材料制成。

26、作为本专利技术的进一步改进，所述套管为不锈钢材料制成；

27、和/或

28、所述套管内填充设置有缓冲材料；所述缓冲材料为填充设置的耐温油膏或者纤维材料。

29、作为本专利技术的进一步改进，所述光纤的光纤余长介于0.2%~0.9%之间；

30、和/或

31、所述光纤为涂炭光纤。

32、作为本专利技术的进一步改进，在所述外层抗压层的外周还设置有外层护套。

33、上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

34、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

35、（1）本专利技术的油气井光缆设计方法，其通过设计油气井光缆的结构选型，设计具有外层抗压层、气密屏蔽层和光单元的光缆，再结合外层抗压层塌陷屈服强度、光缆受自重和外部机械应力影响所导致光缆应变、光缆受温度影响所导致光缆应变的分别设计计算，可准确完成外层抗压层的选型设计以及光缆的光纤余长的设计，配合气密屏蔽层的优选设计，可以准确完成油气井光缆的选型设计，保证光缆在不同环境条件油气井下的使用可靠性，提升油气井光缆信号传输和使用的精度，延长油气井光缆的使用寿命。

36、（2）本专利技术的油气井光缆设计方法，其通过引入气体扩散理论，并进行不同材料的扩散速率随温度变化的拟合曲线图的预设计，可以快速完成氢气在外层抗压层中扩本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种油气井光缆设计方法，其特征在于，包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的油气井光缆设计方法，其特征在于，在过程（3）中，针对气密屏蔽层的设计选型，利用气体在外层抗压层中扩散速率的计算来判断，其利用如下公式计算：

3.根据权利要求2所述的油气井光缆设计方法，其特征在于，在过程（3）中，预设计有常规设计尺寸下不同材料的扩散速率随温度变化的拟合曲线图；如此，在完成气体在外层抗压层中扩散速率的计算后，直接通过所述拟合曲线图确定气密屏蔽层的材料选型。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的油气井光缆设计方法，其特征在于，在过程（1）中，根据光缆实际使用要求，在所述外层抗压层的外周还设计有对应截面尺寸的外层护套，并根据光缆的实际使用环境确定外层护套的选材。

5.根据权利要求1~3中任一项所述的油气井光缆设计方法，其特征在于，在过程（4）中，考虑到油气井光缆应用环境的复杂性，其光纤余长通过下式表征：

6.一种油气井光缆，其利用权利要求1~5中任一项所述的油气井光缆设计方法设计得到，其特征在于，

7.根据权利要求6所述

8.根据权利要求5~7中任一项所述的油气井光缆，其特征在于，所述套管为不锈钢材料制成；和/或，所述套管内填充设置有缓冲材料，所述缓冲材料为耐温油膏或者纤维材料。

9.根据权利要求5~7中任一项所述的油气井光缆，其特征在于，所述光纤的光纤余长介于0.2%~0.9%之间；和/或，所述光纤为涂炭光纤。

10.根据权利要求5~7中任一项所述的油气井光缆，其特征在于，在所述外层抗压层的外周还设置有外层护套。

...

【技术特征摘要】

1.一种油气井光缆设计方法，其特征在于，包括如下过程：

5.根据权利要求1~3中任一项所述的油气井光缆设计方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志新，尹赵毅，付辉，蔡召洲，蔡晶，水彪，杨坤，杨晨，
申请(专利权)人：长飞光纤光缆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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