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 062552)

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500 ℃,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、耐压性能亟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。

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,由于输入信号波段为1 310 nm 和1 550 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.653、G.654、G.655 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1 260～ 1 625 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1 360 ～ 1 530 nm,G.652D 是单模光纤中指标最好的一种,综合了A/ B/ C这3 种光纤的优点,并且在1 550 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1 550 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1 550 nm 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、OM2、OM3、OM4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用相应涂覆层材料。

1)85 ℃ ～ 150 ℃ 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)150 ℃ ～ 200 ℃ 温度段,使用有机硅胶涂覆材料。有机硅胶涂覆材料能够在200 ℃ 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 ℃ ～ 300 ℃ 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400 ℃ 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 ～ 150 ℃)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入光纤,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

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,从成型台引入,在成型台弯曲成型。其次光纤从放线架引入,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。

图2 光纤松套管加工流程图

2.2 光单元光纤余长工艺控制

新型测井光缆基本结构为中心管式,基本特点是光缆中的光单元位于光缆中最受保护的中心位置(零应变位置),外界应力只能通过外部铠装部件传递到光单元内部,有效减小对传感光纤的损伤。中心管式传感光缆基本铠装方式分为钢管铠装和钢丝铠装,光单元内的光纤余长只能依靠在不锈钢管内弯曲来保证。光单元中的传感光纤必须保证一定的余长,以此来保证光缆的使用寿命、机械物理性能、温度性能和光学特性。中心管式传感光缆原理图[9-10]如图3所示。

图3 中心管式传感光缆原理图

新型测井光缆光单元制作过程中主要有以下几方面影响光纤余长因素:

1)光纤放纤 光纤放纤张力必须控制在一个合理范围内,张力过大影响光纤向前运动进入切边钢带内,在光单元不易居中余长变小,同时过大的纵向拉力影响光纤寿命;张力过小,会引起光纤抖动,影响纤膏注入质量,造成余长变大。光纤放纤同时对光纤进行张力筛选,及时发现造成光纤强度降低的裂纹等缺陷。

2)纤膏注入 纤膏在不同温度情况下黏度不同,黏度越大流动性越差导致摩擦阻力越大,光纤运动受到的阻力越大,超过一定程度后就会造成光纤余长过小,因此需要将纤膏加热至一定温度,使其保证基本性质不变的情况下具有良好的流动性,新型测井光缆选择的纤膏在注入时需保持30-50 ℃恒温。同时根据光纤前进速度选择适合的注入量,保证纤膏在不锈钢光单元内不会溢出,同时经过缩径拉拔后充满光单元内部空间。

3)光单元缩径拉拔 光单元直径需要根据光纤纤芯数量来决定,纤芯数量决定最后不锈钢光单元最后的直径大小,不锈钢光单元在经过焊接成型后制成外径较大的钢管,在经过数级缩径拉拔后生产出符合规定要求的不锈钢光单元。钢管经过缩径拉拔时其机械物理性能发生较大变化,外径减小同时长度增加,其中的光纤处于自由状态且长度不会发生任何变化,通过精确控制就产生所需光纤余长。光单元使用主牵引轮收线时,不锈钢光单元经过冷水槽冷却收缩,同时收线张力完全作用在不锈钢光单元上,收线张力可以部分抵消光单元的收缩,张力越大得到的光纤余长越大,通过张力控制保证光纤余长。

3 现场应用

3.1 新型测井光缆性能测试

新型测井光缆已经形成系列化产品,其中光单元性能测试见表2。光单元最高承压95 MPa,封装2根多模传感光纤,2根单模传感光纤,成缆后光衰减优于设计指标。光单元内填充高温纤膏保证在155 ℃环境中连续工作12个月以上[11-12]。

表2 新型测井光缆性能测试表

3.2 新型测井光缆产品序列

以中心管式传感光缆为基本组成单元,形成了完整的新型测井光缆产品序列,适用于绞车起下布设、油管外固定布设、套管外固定布设、连续油管布设等多场景分布式光纤监测需求。主要分为以下3个系列[13-14],见表3。

表3 新型测井光缆产品系列

1)经典构型传感光缆 主要采用双层钢丝铠装中心管式传感光缆,包括外径Φ5.6 mm、Φ8 mm等型号,兼容现有电缆测井防喷装备,应用于注水/注气剖面、产出剖面动态监测、井筒完整性检测等作业。在井筒微渗漏、低产出动态监测取得了良好的应用效果,在CCUS注入剖面动态监测取得突破性进展,光缆耐腐蚀性能、抗拉性能、耐压性能经受现场检验。

2)油(套)管固定传感光缆 长期布设包括油管外固定布设和套管外固定布设两种。主要采用Φ4.0 mm双层钢管铠装光缆和Φ5.75 mm复合铠装光缆(内层为钢丝铠装,外层为钢管铠装)作为传感单元。基本型采用聚丙乙烯作为外护套,能够有效防止井液对光缆外铠的腐蚀,外形为11 mm×11 mm。加强型在基本型基础上增加两道抗拉钢缆,加大额定拉断力,外形为11 mm×22 mm,尤其适合套管外光缆固定布设。抗拉钢缆将额定拉断力增加到70 kN,可以有效防止布设过程中纵向拉力对传感单元的的伤害。

3)光电复合缆 光电复合缆由于挂接爬行器进行水平井布设,还可挂接常规测井仪器进行光电并测作业,兼容电学仪器测量参数丰富和分布式光纤测井嵌入式、不间断、全空间的特点。光电复合缆采用同轴构型,现主要有8.0 mm和12.4 mm两种,光学单元处于复合缆中央,电单元使用绞合方式置于光单元外,采用双层钢丝铠装保证足够的抗拉强度[14-15]。

3.3 新型测井光缆典型布设方式

随着油井动态监测技术发展,需要油井建设及生产全过程中实时、准确地获得各种井下参数。光纤测井以新型测井光缆本身作为传感器和信号传输媒介,配合地面采集系统连续获得沿光缆分布的所有测量信息。由于光缆本身有良好的绝缘、抗电磁干扰、耐高温、耐高压、性能稳定等优点,因此光纤测井技术可以在不干扰油井常规动态环境情况下高效获得温度、声波、压力等参数。图4为新型测井光缆的3种主要布设方式:油管内起下布设(图4(a))、油管外固定布设(图4(b))、套管外固定布设(图4(c))。

图4 新型测井光缆布设方式示意图

1)油管内起下布设 油管内起下布设主要包括绞车起下布设、连续油管起下布设、爬行器牵引布设等三种布设方法,主要应用于短期注入、产出剖面动态监测,油管完整性检测等。主要使用双层钢丝铠装5.6 mm新型测井光缆、双层钢丝铠装8 mm新型测井光电复合缆,配合防喷设备使用,最大限度降低作业风险。

2)油管外固定布设 将传感光缆使用专用保护卡固定在油管接箍处,随油管一同下入井内,在不占用生产通道情况下达到长期、不间断监测的目的,主要应用于产出剖面动态监测、注入剖面动态监测、井筒完整性监测等。主要使用钢管铠装6 mm新型测井光缆、护套型8 mm新型测井光缆,配合地面静密封装置使用。

3)套管外固定布设 将传感光缆使用专用保护卡固定在套管接箍处,随同套管一起下入井内,经过固井作业后,传感光缆永久固定在井内。主要应用于长期实时连续进行产出剖面动态监测、注入剖面动态监测、油井完整性监测。此外,通过监测水泥凝固时发生放热反应的环空温度,立即确认水泥反高位置,快速评估水泥凝固质量;还可在压裂作业时,实时监测各压裂段进液情况,判断是否出现层间窜液,为压裂方案调整提供准确数据。主要使用11 mm×22 mm新型测井光缆。

4 结 论

1)研究了新型测井光缆开发所需的光纤选型、光纤纤膏选型和两种传感光缆的优化设计,开发并形成了较为完整的产品序列,产品覆盖了注入剖面监测、产出剖面监测、井筒完整性检测、压裂效果检测、压裂实时监测等分布式光纤动态监测等应用场景。

2)相关产品已经通过测试并成功在现场应用,取得了较好的应用效果,完全胜任深井(井深>6 000 m)和高温井(200 ℃≤井温≤250 ℃)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亟待开发;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。