本公开内容一般地涉及光学/电气缆线，并且尤其涉及用于井下应用的缆线，缆线具有包裹在金属管中的多个光纤以及同轴地包围金属管用于传导电流的导电层。
背景技术：
存在几种类型的缆线用于在危险环境下，诸如在油井或者气井中的井下应用中监控环境状况、发送通信和提供电功率。一种类型是“管包裹导体”(tec)缆线。tec缆线表示特性地具有布置在金属管内的电导体，金属管用于保护导体不受危险环境破坏。tec缆线用于将电功率传输到位于缆线远端、监控诸如温度和压力这样井下环境中的状况的各种设备。
用于危险环境的另一种类型的缆线是“管包裹纤维”(tef)缆线。与tec缆线相类似，tef缆线通过将纤维布置在小的金属管内(称作“金属管中纤维”或者“fimt”)保护光纤不受环境破坏。tef缆线可以在油井和气井中用作纤维波导以传送来自井下工具的数据，或者作为用于分布式温度感测(dts)、分布式声感测(das)或者其他感测应用的传感器。
当缆线包含包裹在一个或多个管中的电导体和光纤时，缆线称作tec/tef缆线。市售的tec/tef井下缆线可以具有1/4英寸(例如，6.35mm)直径钢管作为外壳。它包含绝缘的导体和包裹光纤的另一个钢管。1/4英寸直径的tec/tef缆线典型地用于油井中的永久安装。
如从例如因特网站点http://pertrowiki.org/coiled_tubing_drilling知道，盘绕管勘测和盘绕管钻井也是井下缆线的常见应用。术语“盘绕管(coiledtubing)”指卷在大的卷轴上的长金属管，通常直径为2.5cm至8.25cm。管用于油井和气井中的干预并且有时作为枯竭气井的生产管。术语“盘绕管钻井”指盘绕管和定向钻井(例如，非垂直钻井)的组合，使用泥浆马达为钻井储层创建系统。
关于盘绕管的新兴技术是使用tef缆线内的光纤传感器根据分布式温度传感器(dts)或者数据采集系统(das)技术对油井建立剖面(profile)。小直径的tef缆线，亦即，外径不超过4mm的缆线可以在盘绕管下降到油井或者气井中之前注入到盘绕管中。
为了进一步增强井身剖面，当使用盘绕管进行感测时，可以使用机电压力传感器。然而，那些传感器需要不由tef缆线提供的电流。作为tef缆线内fimt的部分的不锈钢管通常由于它的电阻太高而不具有充足的载流容量。提供纤维感测和电流的市售tec/tef缆线对于部署在直径为1/4英寸(6.35mm)的盘绕管中来说太大且太重。关于用于盘绕管部署的tef缆线的现场经验已经例证可以使用的感测缆线的最大外径是4mm。
美国专利8,295,665(’665专利)公开一种井下混合型缆线，包括中央纤维/凝胶填充的不锈钢管，铜线环绕该管，以及围绕铜线管的绝缘层。铜线布置在由金属管形成的螺旋空间中。金属管和铜元素放置到金属管内。金属管具有1/4英寸直径(6.35mm)。
美国专利5,493,626(’626专利)公开一种对于高压环境用于在测井系统中使用的井下电气/光学仪器缆线。缆线包括由保护材料和凝胶层包围并且由保护套管封装的用于信号通信的单个、密闭光纤。套管可以是激光焊接金属管。可选内部绝缘体与外部绝缘体层之间的一层电导体包围保护管并且由除了铜的螺旋“伺服”之外的编织铜形成。多个强力构件绞股包围外部绝缘体层。强力构件包括在一个方向螺旋地缠绕外部绝缘体层的不锈钢绞股的内部层，以及以相反的伺服或者缠绕螺旋地缠绕强力构件绞股的内部层的不锈钢绞股的外部层。绞股和铜编织层传导并且可以提供电功率供给回路。缆线的总直径近似为5.77mm，但是它可以在大约4.76mm至大约7.94mm的范围内变化。
美国专利8,931,549(’549专利)公开用于海洋潜水和地下油井和气井的测井的缆线。’549专利得出结论具有环绕钢线和实心铜导体的常规测井缆线对于深海井是不足够的。公开的缆线包括封装在聚合材料中的至少一个光纤，其中光纤缆线宽松地布置在铍合金管中。传导性的铍合金管封装在非晶介电材料中，非晶介电材料进一步在它的外表面由非晶聚合导电材料封装。这个外层可以是锌、锡或者其他材料环绕、溅射或者掺杂表面以形成对于机械和电磁效应的防护。
pct国际公布wo2009/143461(’461公布)公开用于在井下环境中，诸如油井或者气井中使用、用于传达测井工具的缆线。特别地，’461公布公开包括优选地由能够载运数据信号的通信元件形成的圆柱形中央芯线，诸如光纤的缆线，中央芯线可以包裹在保护性金属管中。缆线然后包括目的在于在保护性管中保护聚合物纤维层的同心层。围绕聚合物纤维层的内层和外层的至少一个，以及可能地全部两个由实心电导体，诸如金属导体形成是优选的。如果芯线被设计为通过增加“水封”剂或者液而消除芯线上上下下的气体、水和腐蚀性迁移，那么聚合物纤维层内部的层可能是不必要的。如果内层和外层的任一不是由金属材料形成，那么那层将优选地由塑料材料，诸如聚醚乙酮(peek)或者另一种高密度聚丙烯形成。外部保护性套管将再次优选地由peek，或者对于磨损、温度和侵入性材料具有出色阻抗的另一种塑料材料形成。’461公布公开外径大致在0.3英寸与0.5英寸(大约7-13mm)之间的缆线将最大受益于该构造。
欧洲专利公布ep0945876(’876公布)公开用于安装在流体介质的管道中(例如，在污水、淡水或者气体管线中)的混合缆线，具有排列在保护性套管中的至少一个光学波导、一个或多个电导体以及包围电导体和保护性套管的护套。特别地，’876公布公开具有两个同心金属管的混合缆线，其中至少外部一个是褶皱的。绝缘层分离两个金属管，并且聚乙烯的护套包围外部管。内部管包围多个光纤。在许多情况下，内部金属管的传导性可以通过使用高传导性的金属覆盖它的表面而充分地实现。
pct国际公布wo2015/038150(’150公布)公开可以合并到光纤钢丝(在总体外径基本上小于大约0.25英寸，亦即6.35mm的输送线上运行的应用)中的光纤电芯。每个由常规聚合缓冲形成护套的一个或多个光纤线可以以宽松的方式放置在焊接的钢管中，足够厚的电绝缘聚合物层在那附近并且由传导部件包围。导电部件也可以由绝缘聚合物护套包围。为了完成光纤钢丝，光纤电芯可以由人造纤维层包围。在随后的披覆层与纤维人造层之间的粘结可以借助于介于中间的粘结层而增强。披覆层可以是常规基于金属的层，诸如钢护套。
申请人已经面临提供具有极小直径，尤其适合于盘绕管钻井应用的不超过4mm直径的tec/tef井下缆线的问题。那些缆线需要能够在盘绕管下降到油井或者气井之前插入到盘绕管柱中。设计用于测井应用的tec/tef缆线太大，典型地具有6.35mm的外径，这可能难以插入盘绕管中并且插入有限的长度(不大于3km)。虽然已知直径在4mm内的一些tef缆线，但是那些小直径的tef缆线不具有电导体，由于它们的不锈钢管的高电阻，它们也不具有足够的载流容量。
技术实现要素：
为了在小空间内提供充足的载流容量，申请人以同轴地包围包裹光纤的金属管的导电层的形式提供导体。使用同轴设计，传导层和光纤可以适合在满足盘绕管钻井尺寸需求的小直径(例如，不超过4mm)缆线内。同轴配置的tec/tef缆线将用于分布式温度感测(dts)和分布式声感测(das)的充足数量的光纤，连同将电功率传输到井下工具的电隔离传导路径全部包含在直径不超过4mm的一个外部管中。
申请人已经发现直径不超过4mm用于在盘绕管钻井应用中使用的用于井下应用的缆线可以使用如下缆线结构获得，其中光纤包裹在焊接的金属管中，导电层同轴地围绕金属管而布置，绝缘层包围导电层，并且外部金属管包围绝缘层。
本文中使用的术语“同轴”指内部管或者层的对称轴与外部管或者层的对称轴基本上相同的配置。
申请人已经发现该同轴配置可以减小缆线的外径，使得缆线可以满足关于盘绕管钻井应用的需求，同时也为位于缆线远端的电子装备提供充足的载流容量。同时，缆线包括配置用于数据通信和/或环境参数，诸如温度、压力、应力等的测量或者感测的一个或多个光纤。光纤布置在金属管内(例如，fimt)。
申请人已经发现具有减小直径的缆线可以使用带(例如环绕带)、纵向焊接金属箔或者管形式的导电层(也称作传导层或者传导性层)提供充足的电流容量。传导层可以包括单层或者多个层。传导层环绕包裹光纤的金属管，并且因此与金属管同轴。
传导层由电绝缘层(也称作绝缘层或者绝缘层)包围并且与电绝缘层直接接触。绝缘层又由外部金属管包围。与离散电导体或者厚铜编织物相对照，同轴布置的传导层和fimt允许标准6.35mmtec/tef缆线的总体直径减小至大约4mm的总直径，或者如果较低的载流容量就足够则可能更小。另外，申请人已经认识到具有公开结构的缆线避免编织fimt和导体的需求，简化制造工艺。
因此，在一方面，符合所公开的实施例的用于井下环境的光学/电气电缆包括可选地嵌入凝胶中并且布置在第一内部金属管(也称作第一金属管或者内部金属管)内的多个光纤。缆线也包括包围第一金属管的导电层。绝缘层包围并且接触导电层，并且第二外部金属管(也称作第二金属管或者外部金属管)包围并且接触绝缘层。外部金属管具有至多4.0mm的外径。
在一些实施例中，内部金属管具有大约1.8mm的外径。它可以由不锈钢制成。在一些实施例中，外部金属管具有大约0.56mm的厚度。它可以由钢合金制成。内部金属管和导电层可以具有大约0.28mm的组合厚度。
在一些实施例中，带形式的导电层螺旋形缠绕或者圆柱形环绕第一金属管。在一些实施例中，导电层包括铜。在一些实施例中，导电层是由铜制成的管的形式。在一些实施例中，导电层是形成为铜管并且沿着它的接缝纵向焊接的箔。导电层可以具有大约2.05mm的外径。
分离层可以提供在导电层与第一金属管之间。分离层可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯带。
在一些实施例中，绝缘层包括聚丙烯、氟化乙丙烯(fep)、全氟烷氧基(pfa)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ectfe)、外延共晶合金(eca)中的至少一个。
在另一方面，具有同轴构造的tec/tef缆线包括外部金属管、绝缘体、分层管状导体以及多个光纤。外部金属管可以具有不超过4.0mm的外径以及足够保护管的内部不受井下的外部环境状况破坏的厚度。分层管状导体包括包围内部金属管并且与内部金属管直接接触的导电层，其中导电层具有高于内部金属管的导电率。分层导体可以具有大约0.28mm的厚度。分层导体有利地具有在600伏特或者更小的情况下足够传导高达1安培电流的组成。绝缘体将分层管状导体与外部金属管分离。光纤装在内部金属管中。
光纤可以用作光学传感器或者用作通信光纤。内部金属管可以将用作光学传感器的一个或多个光纤以及用作通信光纤的一个或多个光纤装在一起。
为了本说明书和隧附权利要求书的目的，除了另外指明之外，表示量、数量、百分比等的所有数字应当理解为在所有实例中由术语“大约”而修饰，如果没有已经修饰的话。而且，所有范围包括所公开的最大点与最小点的任何组合，并且包括本文中可能具体列举或者没有具体列举的其间的任何中间范围。
附图说明
现在将参考附随附图在下文更加充分地描述所公开的实施例，其中示出本发明的一些但不是全部实施例。例示实施例的附图是不按比例的示意图。
唯一的附图1示出符合所公开实施例的缆线的示意横截面视图。
具体实施方式
现在将详细地参考本示例性实施例，实施例的示例在附随附图中例示。然而，本公开内容可以按照许多不同的形式实施并且不应当解释为局限于这里陈述的实施例。
唯一的附图1例示符合所公开的实施例的光学/电气缆线或者tec/tef缆线100的横截面视图。缆线100适合于石油和天然气工业的井下应用，诸如盘绕管钻井。缆线100是包括用作环境参数的传感器和/或传输数据的光纤，以及将功率传输到油井和气井中的设备的电导体的tec/tef缆线。
缆线100包括用于感测和/或数据传输的至少一个光纤。图中所示的示例包括两个光纤105和两个光纤110，连同没有引用的其他光纤。光纤105和110取决于用于井下应用的缆线100的温度额定值可以是任何适当的光纤。光纤105和110可以是相同类型的光纤，或者不同类型的光纤。在图中所示的示例中，两个光纤105是丙烯酸覆盖的50/12585°光纤，着色为蓝色和橘色(不同的图案用于光纤的横截面以在图中示意地表示不同的颜色)。两个光纤110是丙烯酸覆盖的单模85°光纤，着色为绿色和棕色(不同的图案用于光纤的横截面以在图中示意地表示不同的颜色)。
光纤105和110中的至少一个用于感测油井和/或气井中的环境参数。环境参数可以包括温度、压力和/或声测量。光纤105和110中的至少一个用来在部署在井下的其他传感器或者设备与部署在井外的数据接收设备(例如计算机、数据存储设备、监控显示器、信号处理器等)之间提供数据传输。
光纤布置在由第一内部金属管120(也称作内部金属管120或者第一金属管120)限定的内部空间中。空间填充有凝胶115。光纤105和110嵌入在凝胶115内。光纤105、110、凝胶115和第一金属管120的组合可以称作叫做fimt(金属管中纤维)的单元。在一些实施例中，fimt单元的外径可以为2.2mm。
凝胶115是适合于用于井下应用的缆线100的温度额定值的任何类型的凝胶。凝胶115可以是注入由第一金属管120限定的空间中，填充围绕包括光纤105和110的光纤的空间的惰性凝胶。凝胶115可以将光纤固定在它们的位置，并且将光纤支撑在第一金属管120内。凝胶115也可以用来减轻或者减小由外部环境对光纤造成的振动、冲击、摩擦和磨损。凝胶115可以是粘性材料。用于填充光纤的凝胶115的一个示例是由seppicsa.生产的sepigeltm，以0.15％+/-0.05％的纤维余长(efl)使用。
在一些实施例中，第一金属管120可以由任何适当的金属材料制成，诸如钢、铜、铝等。包括钢和合金的各种材料可以用来制造第一金属管120。这种材料的示例包括ss304、ss316l、a825和a625。在一个示例中，第一金属管120由不锈钢ss304制成，具有0.15mm(或者0.006英寸)的壁厚度以及1.8mm(或者0.071英寸)的外径。
如图中所示，缆线100包括导电层125。导电层125包括配置用于电功率传输的至少一个导体。导体可以由任何导电材料制成，诸如铜或者镀锡铜。优选地，导电材料比第一金属管120的材料具有更高的传导率，例如铜对比不锈钢。可以用于传导层125的其他传导材料包括铝、金、银等。导体可以具有任何适当的形式或者形状，诸如线、网、带、管、条等。
导电层125螺旋地缠绕第一金属管120的外表面，或者圆柱形环绕第一金属管120的外表面。导电层125可以直接接触第一金属管120的外表面，或者可以使用布置在第一金属管120的外表面与导电层125之间诸如绝缘层这样的另外的层间接接触第一金属管120的外表面。
在一些实施例中，导电层125是螺旋地缠绕在第一金属管120的外表面上的带的形式。例如，导电层125是螺旋地缠绕在第一金属管120的外表面上的金属条。
在一些实施例中，导电层125圆柱形环绕第一金属管120的外表面。例如，导电层125可以涂敷为纵向地环绕以包围第一金属管120的外表面的箔。或者导电层125可以是管焊接箔的形式。在一些实施例中，导电层125可以是接缝焊接管(例如，接缝焊接铜管)。例如，接缝焊接管可以具有0.127mm(或者0.005英寸)的厚度以及2.05mm(或者0.081英寸)的外径。当使用接缝焊接管时，fimt单元可以制造得比对于导电层125使用其他配置更小。因此，接缝焊接管的使用可以允许缆线的导电率的增加以及允许使用更厚的绝缘层(下面讨论)。
导电层125可以采用其他形式。例如，导电层125可以是连续焊接管、挤压金属管、编织线层、细线的螺旋应用层或者金属的任何其他同心应用层。
导电层125与第一金属管120同轴。即，导电层125的对称轴与第一金属管120的对称轴相同。导电层125形成用于功率传输的主要传导路径。当导电层125的内表面直接接触第一金属管120的外表面时，当用于制造第一金属管120的材料(例如，钢)的电阻高于用于制造导电层125的材料(例如，铜)的电阻时，第一金属管120也可以载运少量的总体电流。
因此，内部金属管与导电层的组合可以形成缆线的分层管状导体。由例如铜制成的导体的一层，也就是导电层125比由例如不锈钢制成的其他层，也就是内部金属管120具有更高的传导率。优选地，分层管状导体应当具有通过它的材料组成和层厚度的容量以在600伏特或者更小的情况下传导高达1安培的电流。
缆线100也包括同轴地包围导电层125的外表面的电绝缘层130。绝缘层130的内表面直接接触导电层125的外表面。绝缘层130使得导电层125与外部环境电绝缘。用于绝缘层130的材料取决于缆线温度额定值。用于制造绝缘层130的材料的示例包括聚丙烯、氟化乙丙烯(fep)、全氟烷氧基(pfa)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ectfe)、外延共晶合金(eca)。在一个示例中，绝缘层由天然fep制成并且具有2.79mm(或者0.110英寸)的外径。绝缘层的最小和标称厚度可以由本领域技术人员考虑缆线电压额定值而计算。
缆线100包括同轴地包围绝缘层130的外表面的第二外部金属管135(也称作第二金属管135或者外部金属管135)。第二外部金属管135的内表面可以直接接触绝缘层130的外表面。第二金属管135可以由任何适当的金属材料制成，优选地钢或者钢合金。例如，各种钢和合金可以用来制造第二金属管135，诸如ss304、ss316l、a825和a625。如图中所示，第二金属管135是同轴地包围绝缘层130的外表面的单个管。在一个示例中，第二金属管135由合金a825制成，具有0.55mm(或者0.022英寸)的壁厚度和4mm(或者0.1575英寸)的外径(图中od)。
第二金属管135的外径(亦即，缆线100的总体直径)是至多4mm。外径与缆线100的总体直径基本上相同。因此，缆线100的总体直径不超过4mm。在一些实施例中，当需要较低的电流或者更细的管(例如，第一金属管120、第二金属管135)可能时，缆线100的总体直径可以减少至小于4mm。外径大于4mm也是可能的，虽然这种实施例可能在它用于井下环境中缆线管感测的应用时受限。在这种情况下，第二金属管可以在对它的设计不做任何具体修改的情况下用作返回或者接地导体。
在相对于第二金属管的径向外部位置，可以提供保护性护套(未例示)。保护性护套可以由聚合材料制成，诸如聚乙烯，优选地高密度聚乙烯。
所公开的缆线在600伏特dc或者更小(例如，500伏特dc)的低电压下具有电气隔离的传导路径，并且可以载运1安培的电流。所公开的缆线可以用于5公里(km)或者更长的连续长度。在一些实施例中，所公开的缆线可以承受300℃的最大温度。所公开的缆线具有175℃(短期)和150℃(长期)的温度额定值。在一些实施例中，所公开的缆线可以具有28,900psi(或者大约2.0x108pa)的外部坍塌压力以及71kg/km(或者48lbs/1000ft)的缆线重量。对于接缝焊接铜管作为导电层125和不锈钢管用于fimt120，所公开的缆线可以在20℃下具有21.9ohm/km(或者6.66ohm/1000ft)的dc电阻。
缆线内的光纤可以用作感测纤维和用作通信纤维。在一些实施例中，衰减对于850nm处的多模为≤3.5db/km，对于1300nm处的多模为1.5db/km。衰减对于1310nm处的单模为≤0.7db/km，并且对于1550nm处的单模为≤0.7db/km。
所公开的缆线可以满足典型的井下应用需求，诸如，例如，6.89x107pa(或者10,000psi)的最大压力和150℃的最大温度。
所公开的缆线可以用作下断面“可加热”光纤感测缆线。术语“可加热”井下缆线指加热电导体达临时时间段并且由光纤监控冷却速率以计算包围tec/tef缆线的热属性的技术。
所公开的缆线可以在各种工业应用中使用，诸如石油和天然气井下勘测，石油和天然气井下永久安装，以及非石油和天然气井下感测应用，诸如地热能量或者二氧化碳封存监控。
可以在不背离本发明的范围或者精神的情况下对本文中所公开的缆线的结构进行各种修改和变化，对于本领域技术人员将是显然的。从本文中公开的本发明的说明书和实践的考虑中，本发明的其他实施例对于本领域技术人员将是显然的。说明书和示例打算仅考虑为示例性，并且本发明的真实范围和精神由随附的权利要求书指示。