新型测井光缆研制及应用.pdf

五油管材与仪器16PETROLEUMTUBULARGOODS&INSTRUMENTS2023年1 0 月开发与设计新型测井光缆研制及应用*李剑,陈金宏,黄益,陈晓冬,宁卫东,董军（中国石油集团测井有限公司华北分公司河北任丘0 6 2 5 5 2）摘要：分布式光纤测井将井下光缆作为传感器，一次测量就可以获取整个光缆覆盖区域内的温度、声波等信号。作为分布式光纤测井传感器使用的光缆，除了要具有优秀的抗拉强度外，还必须具有耐高温、耐高压、抗腐蚀等特性。详细介绍了新型测井光缆的光纤选型原则和光单元封装流程。根据光纤声波传感与温度传感的不同特性，结合光纤本身的材料特性，选取G.652D型单模光纤作为声波传感光纤，选取OM1多模光纤作为温度传感光纤。同时，根据不同井下温度条件选用相应的光纤涂覆材料。分析了高温纤膏选型条件，选取了与光缆材料有较好相容性、可作为光纤缓冲材料、防水能力强、密封性好的光纤纤膏。通过将中心管式传感光缆作为基本组成单元，形成了完整的新型测井光缆产品序列。根据光纤测井不同的应用环境选择相应的传感光缆可以防止井下事故发生，提高作业效率。关键词：分布式光纤测井；测井光缆；材料选型；光缆类型设计；光单元封装；现场应用中图法分类号:P631.8*1D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.05.004Abstract:Distributed optical fiber logging uses underground optical fiber cables as sensors,which can obtain temperature,sound waves andother signals within the entire optical fiber cable coverage area in one measurement.As distributed optical fiber logging sensors,optical fibercables must not only have excellent tensile strength,but also have characteristics such as high temperature resistance,high pressure resist-ance and corrosion resistance.This article provides a detailed introduction on the selection principles of optical fibers and the packagingprocess of optical units for the new logging optical fiber cable.Considering the difference between optical fiber acoustic sensing and opticalfiber temperature sensing,and combined with the characteristics of various optical fibers,G.652D single mode optical fiber was selected asthe distributed acoustic sensing optical fiber,and OMl multimode optical fiber was selected as the distributed temperature sensing optical fi-ber.Meanwhile,different optical fiber coating materials was selected based on the underground temperature.With analyses of the selectionconditions for high-temperature fiber paste,fiber paste was selected which has good compatibility with optical cable materials,can be usedas a buffer material for optical fibers and has strong waterproof ability and good sealing performance.By using the central tube type sensingoptical fiber cable as the basic component unit,a complete product series of new logging optical fiber cable has been formed.Selecting cor-responding sensing optical fiber cable according to the different application environments can prevent underground accidents and improve op-erational efficiency.Key words:distributed optical fiber logging;logging optical fiber cable;material selection;optical fiber cable type design;optical unitpackaging;field application文献标识码：ADevelopment and Application of a New Type ofLogging Optical Fiber CableLI Jian,CHEN Jinhong,HUANG Yi,CHEN Xiaodong,NING Weidong,DONG Jun(North China branch,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Renqu,Hebei 062552,China)文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 5-0 0 1 6-0 6初投稿收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 8;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 6*基金项目：中国石油集团测井有限公司科研项目“新型承荷复合光缆关键技术研究”（编号：CPL2020A 1 9）第一作者简介：李剑，男，1 9 8 0 年生，高级工程师，2 0 0 4年毕业于长江大学电子信息工程学院电子信息工程专业，获硕士学位，从事光纤测并技术开发与应用。E-mail:2023年第9 卷第5 期0引言分布式光纤测井技术从分布式光纤传感技术发展而来，已经成为光纤测井技术的重要组成部分。近年来分布式光纤测井发展势头迅猛，作为关键部件的传感光缆需求量也不断增长，应用场景的多样性也要求传感光缆有相匹配的光缆类型。国外，罗杰斯特公司专业生产分布式光纤测井使用的测井光缆，采用双层或者三层铠装实现承荷，传感光纤采用专用涂覆材料，光单元进行不锈钢管束管密封，耐温能够达到5 0 0，光缆类型满足绞车起下布设、油管外固定布设、套管外固定布设、连续油管布设等多种方式使用要求。国内部分院校和光缆生产厂家已经开始尝试设计、加工生产测井光缆，但是存在光缆类型单一，耐温、耐压性能待提高等方面的问题。分布式光纤测井技术包括分布式光纤温度测井和分布光纤声波测井，分布式光纤温度测井使用多模光纤作为传感媒介，分布光纤声波测井使用单模光纤作为传感媒介。用于周界安防、管道监测、桥梁检测等方面的传感光缆基本结构及常规设计原理已经有较为详细的叙述，但是用于分布式光纤测井光缆相关材料选型及光缆类型设计方面资料较为缺乏1-2 。本文详述了传感光纤选型、光单元加工、光单元内传感光纤余长计算等方面的原理，可为开发完整的传感光缆产品序列提供技术支持。1光纤、涂层、纤膏的选型1.1光纤构成光纤由高度透明的石英经复杂的工艺拉制而成，其结构如图1 所示。裸光纤典型结构为多层同轴圆柱体，一般由折射率较高的纤芯,折射率较低的包层及涂覆层构成。纤芯和包层作为光纤结构的主体,对光波在其中的传播起决定性的作用，涂覆层的主要作用则是用于隔离杂散光，提高光纤强度，保护光纤。纤芯包层涂覆层图1 传感光纤结构示意图1.2声波传感光纤选型分布式光纤声波传感技术基于相位敏感光时域反射技术开发，在光纤中传播单一模式的光波，避免了模李剑等：新型测井光缆研制及应用式色散,有利于提高采集信噪比,达到相位敏感监测的目的。分布式光纤声波传感选用单模光纤，由于输人信号波段为1 31 0 nm和1 5 5 0 nm,要求选用的传感光纤在这2个波段均有较好的性能。单模光纤分为G.652、G.6 5 3、G.6 5 4、G.6 5 5 等4种。其中G.652细分为分A,B,C,D这4类。G.652A光纤可以在1 2 6 0 1 6 2 5 nm波长范围工作,G.652B光纤在G.652A光纤工作波长范围内支持更长的传输距离，G.652C可用波长范围为1 36 0 1 5 30 nm,G.652D是单模光纤中指标最好的一种,综合了A/B/这3种光纤的优点，并且在1 5 5 0 nm波长时具有更好的性能。G.653属于特种光纤的一种,且在波长1 5 5 0 nm附近信道受到由非线性效应引起的噪声影响，不利于分布式声波传感测量。G.654的特点是模场大,纤芯损耗小，同时瑞利散射强度也相应小，但是分布式光纤声波传感主要借助光纤中的瑞利散射效应，散射强度降低了，不利于信号检测。G.655是一种改进的色散位移光纤，其波长1550nm的色散接近零，由于优点与G.652D重叠且产量较低又无成本优势，目前更多的是被G.652D光纤所取代3。综上所述，新型测井光缆采用G.652D型光纤作为分布式声波传感光纤。1.3温度传感光纤选型分布式光纤温度传感利用拉曼散射效应，其光强要远远低于瑞利散射光强，只有提高输入光强，才能增强拉曼反射光强度，有利于信号检测。由于多模光纤具有更大的纤芯和更大的数值孔径,因此可以实现比单模光纤更多的功率。同时，多模光纤较大的核心尺寸和较高的非线性阈值在反向散射信号功率方面提供了很大的改进，较单模光纤耦合效率更高，不容易产生受激拉曼散射等非线性效应。多模光纤主要有OM1、O M 2、O M 3、O M 4等4种，其中OM1芯径和数值孔径较大,具有较强的集光能力和抗弯曲特性，在作为分布式光纤温度传感方面更具优势4-5 。由于其使用量大，高温产品的种类更加丰富，可以降低成本，新型测井光缆选用OM1多模光纤作为分布式温度传感光纤。1.4光纤涂覆材料选型耐温性能是传感光纤一个重要指标，主要取决于光纤涂覆层的材料。涂覆层必须在不增加传输损耗、不改变频带带宽的情况下,具有良好的润滑、坚韧、耐磨、耐化学等性能，保证光纤在经过光缆加工后能够满足不同温度环境下使用要求。涂覆层不仅具有保持光纤强度、防止光纤微弯损耗和防止光纤受潮氢损的作用，还可有效减少光纤的机械损伤。根据实际井下温度情况可选1718用相应涂覆层材料。1)851 5 0 温度段,选用耐高温丙烯酸树脂涂覆材料。其涂层可直接使用剥线钳进行涂层剥离，性能稳定；现场熔接时工序简单可靠，其所具有的高性价比使耐高温丙烯酸树脂涂覆材料成为现阶段主流选择。2)1502 0 0 温度段，使用有机硅胶涂覆材料。有机硅胶涂覆材料能够在2 0 0 的环境温度下长期使用，且衰减附加值以及涂层失重率均较低。3)200 30 0 温度段，选用聚酰亚胺涂覆材料。聚酰亚胺涂覆材料模量较高，不能使用剥线钳施加外力进行涂层剥离，只能采用火焰烧蚀、烤箱或马弗炉加热、等离子电弧烧蚀、CO2激光器加热烧蚀等方法进行涂层剥离，现场熔接加工较为困难。4)大于40 0 温度段，选用金属涂覆材料。金属涂覆材料热膨胀系数低，基本与光纤处于同一数量级,抗腐蚀、耐应力性能最佳。金属涂覆材料的工艺最为复杂，需要精确溅射炉功率、反应物质流量、光纤收放速度相互配合适当，才能保证在裸光纤表面溅射均匀。它的生产效率极低,连续生产长度仅为1 km左右。由于金属涂覆材料同样无法使用剥线钳进行涂层剥离，只能采用加热硫酸溶解方式或王水进行溶解剥除。1.5高高温纤膏选型光纤纤膏通过注入工艺充满光单元，光纤涂覆层外的纤膏直接同光纤涂覆层接触，对光纤形成包裹作用。光纤纤膏由基础油、胶凝剂及抗氧剂组成。基础油是光纤纤膏的基材，低温柔软性、挥发度等重要性能由基础油性能决定。胶凝剂是增稠触变剂,其作用是将流动的基础油增稠成粘稠的不流动的半固体状态。抗氧剂的作用是阻止空气中的氧分子与基础油及胶凝剂接触时发生自动氧化作用,增加整个纤膏的黏度。传感光缆除了光纤本身的性能外，光纤纤膏是影响成缆光纤性能最大的因素。外界的应力和潮气对光纤的侵蚀，会大大地加快光纤的静态疲劳过程，光纤纤膏可以有效减小这两种作用，有效保证光纤的使用寿命。在光缆布设或使用过程中受到的弯曲、振动、冲击等机械外力作用下，不锈钢光单元内的光纤会产生晃动，这种晃动会影响传感光缆信噪比，同时会加快光纤随机裂纹的扩展，从而导致光纤强度下降，最后导致断裂。光纤纤膏的触变性会导致纤膏的黏度下降，尤其是高温性能出色的纤膏在井下高温情况能够对光纤起到有效的缓冲保护,防止其受到松套管的反作用力造成的微弯应力和额外的损耗。纤膏对光纤还有额外的密封保护功能，新型测井光缆还要求纤膏有优秀的吸氢性能，使其免受外界潮气的五油管材与仪器侵蚀,防止光纤产生附加的OH基吸收损耗。新型测井光缆使用的纤膏必须满足3个条件：1）与光缆材料有较好的相容性，尤其在光纤涂层化学组成确定后,越不易受纤膏油液的侵蚀，相容性越好，在长期使用情况下能够保持性能稳定。2)能够在较大温度范围内（40 1 5 0)充当松套管内光纤理想的缓冲材料；在低温情况下脆性好，黏度变化小，触变性好；在高温情况下热稳定性好，挥发性小，析氢少和不滴流；从而保证光纤能够随着光缆状态的变化,应力能够得到有效释放,有效避免应力损伤。3)具有高度憎水性,防水能力强，密封性好。在光缆结构中金属材料的腐蚀及聚合物的降解都会产生氢气，氢气会通过渗透和扩散效应侵人光纤，因此要求纤膏降低析氢值,降低酸值,加强氧化稳定性6-8 。新型测井光缆选用的纤膏性能见表1。表1 新型测井光缆纤膏性能特性参数密度/(gmL-1)闪点/滴点/针人度(2 5)/1 0-mm针人度(-40)/1 0-mm含水量/%油分离(1 0 0 30 h)/%析氢(1 0 0 2 4 h)/(Lg-l)酸值/(mg KOH g-l)2光缆光单元封装2.1光单元封装流程测井光缆在高温、高压环境中长期工作，在布设过程中不断受到扭转、挤压，要求光单元必须同时具备优秀的耐温、耐压、防水等性能，保证测井光缆在恶劣的井下工作环境中能够正常工作。光单元是构成光缆的基础单元，它由光纤经过定型及完成拉力、弯曲、衰减率、温度等测试后封装而成的。首先不锈钢带通过多次剪裁，被纵向切割成所需尺寸后，从成型台引人，在成型台弯曲成型。其次光纤从放线架引人，光纤和纤膏同时填充进成型后的开槽钢管内，经过焊接后加工成松套管。最后经过焊接质量检测合格后进行缩径拉拔，保证松套管内的光纤余长。另外，测井光缆用的光单元外部会通过热挤出的方式再附上一层聚合物保护层，保证松套管的绝缘及防水性能。光纤松套管加工流程如图2 所示。2023年1 0 月纤膏指标0.8 1.052402003502000.150.5 6 0 0 0 m)和高温井（2 0 0 井温2 5 0）光纤测井需求。对标国外厂家，抗氢损传感光缆（涂炭光纤）、超高温传感光缆（金属涂层光纤)还有较大差距，需要在材料、封装工艺等方面加强研究。3)随着分布式光传感技术在油田应用的进一步发展，为了适应复杂且恶劣的多场景应用环境，超高温、超高压、高密封性、低衰减等特种分布式传感光缆呕待开发；布设方式的不同需要传感光缆具有更高等级的防水性、耐氢损、可探测性，以保证光缆在井筒内能够长期稳定工作。参考文献1刘宇光纤传感原理与检测技术M.北京：电子工业出版社,2 0 1 1:2 6 4-2 7 1.2陈炳炎光纤光缆的设计和制造M.杭州：浙江大学出版社,2 0 1 6:1-39.3余双勇,衣文索,陈昊玥,等分布式声传感特种光纤结构设计J仪器仪表学报,2 0 2 1,42（3）：5 9-6 9.(b)油管外固定布设图4新型测井光缆布设方式示意图4于海鹰，李琪,索琳，等.分布式光纤测温技术综述J.光学仪器,2 0 1 3,35(5):9 1-9 4.5张旭苹全分布式光纤传感技术M.北京：科学出版社，2013;195 206.6冯素兰.光纤涂覆材料J自然杂志,1 9 8 7(2:1 1 1-1 1 4.7朱永昌光纤松套管填充油膏的研究J合成润滑材料,2 0 0 7,34(2):1 -4.8柯旋,朱永昌光纤填充油膏的性能和评价J合成润滑材料，2 0 0 9,36(4):31-34.9石江明绞合式光缆中余长的优化设计J现代有线传输,1 9 9 4(6):43-48.10国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.通信用单模光纤第1 部分：非色散位移单模光纤特性：GB/T9771.1-2020S.北京：中国标准出版社,2 0 2 0.11中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.通信用多模光纤第1 部分：A1类多模光纤特性：GB/T12357.1-2015S.北京：中国标准出版社,2 0 1 6.12闫正和,罗东红,唐圣来,等基于光纤分布式声波传感的井下多相流测试研究J.油气并测试,2 0 1 7,2 6(2)：9-1 2.13周兴磊高精度光纤传感系统及其在油田测井中的应用D辽宁：大连理工大学,2 0 1 2.14符丁中,余永,周达钊,等.应用于石油测井工程的耐高温光缆开发及评测J.工业技术创新,2 0 1 7,4(6):1-6.15何钟,沈慈来.稠油井用耐高温测井光缆的设计J.电线电缆,2 0 0 8(3):1 7-1 9,2 2.(编辑：姜婷）(c)套管外固定布设