專利名稱：：用于井筒加熱和分布式溫度傳感的有源電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種井筒電纜以及制造和使用這種電纜的方法。更具體地，本發(fā)明涉及固定在套管井的水泥壁內(nèi)的永久井筒加熱電纜，例如用于與永久分布式溫度傳感監(jiān)測(cè)電纜結(jié)合以分析井筒附近的地層，以及涉及這種電纜的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：由于石油儲(chǔ)量變得越來(lái)越稀缺和難以找到，改善的井下環(huán)境信息對(duì)于成功勘探和生產(chǎn)來(lái)說變得日益重要。井下溫度波動(dòng)的知識(shí)有助于識(shí)別井下的物質(zhì)和流速，因此成為特別有遠(yuǎn)景的數(shù)據(jù)組。在特定的溫度和/或壓力條件下，已知天然氣水合物(gashydrate)會(huì)分解、形成或以其他方式被影響。更好地了解井下環(huán)境中的這種現(xiàn)象的參數(shù)，將是對(duì)地下資源更有效的勘探和開發(fā)的重要進(jìn)步。特別地，這種信息被證明在開發(fā)作為能源資源的天然氣水合物和重油方面4艮有幫助。因此，熱量測(cè)量的采集和分析對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征都是很重要的。包括例如天然氣水合物和重油之類的碳?xì)寤衔锏牡貙恿黧w的穩(wěn)定性對(duì)壓力和溫度的變化很敏感。在這點(diǎn)上，當(dāng)壓力和/或溫度條件穿過平衡邊界，天然氣水合物分解或形成。模擬地下地層熱性質(zhì)(例如熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散和容量的測(cè)量)的常規(guī)方法要求在井下多個(gè)位置進(jìn)行被動(dòng)溫度測(cè)量，然后在實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行巖心分析(coreanalysis)(試圖在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制井底條件)，并比較結(jié)果。然而，含水合物區(qū)域的實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析通常是很困難的，因?yàn)閺?fù)制井底^f牛是不容易的。另夕卜，實(shí)驗(yàn)室模擬的準(zhǔn)確度依賴于一些參數(shù),例如由井下水合物的動(dòng)態(tài)分解/形成過程引起的巖心條件、不同壓力下的壓縮系數(shù)差異，而且有時(shí)依賴于特定深M段處缺失巖心樣品的推斷數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)利用在井下多個(gè)地下位置的被動(dòng)溫度測(cè)量時(shí)，獲得的數(shù)據(jù)在增加不確定性的特定假設(shè)(例如，熱流動(dòng)是穩(wěn)定的，來(lái)自鉆井或泥漿循環(huán)的熱擾動(dòng)是可忽略的)下被解釋?？色@得多種商業(yè)的分布式溫度傳感器(DTS)應(yīng)用，其為倉(cāng)庫(kù)(warehouse)中的火突探測(cè)和溫度控制給出沿電纜的整個(gè)長(zhǎng)度的溫度測(cè)量，并且包括耐高溫DTS電纜。這種DTS電纜由光纖回路組成，并利出各種散射現(xiàn)象來(lái)感知沿光纖回路長(zhǎng)度的溫度。光纖中散射現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于溫度、壓力和張力導(dǎo)致光纖散射的光(Brillouinscattering)，以及僅由光纖溫度變化引起的拉曼散射(Ramanscattering)。市場(chǎng)上可用的DTS裝置在實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析中是有用的，然而，將基于實(shí)驗(yàn)室的主動(dòng)溫度測(cè)量方法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)地層測(cè)量會(huì)導(dǎo)致許多技術(shù)和后勤的困難。在一個(gè)例子中，DTS電纜被下入已完井的井的流體中并進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。然而，這種方法降低了來(lái)自井筒的流動(dòng)，因?yàn)镈TS電纜阻塞了井筒的一部分，而且，溫度測(cè)量很大程度上受到流過的物質(zhì)的溫度的影響，而且與地層本身的特性的相關(guān)性更差。除希望精確測(cè)量沿整個(gè)井筒的溫度以更好i^莫擬地層之外，有時(shí)希望通過向井筒引入熱量來(lái)影響水合物的分解或者形成，來(lái)操作地層流體。這通常通過將力口熱元件下入井筒并加熱與加熱元件相鄰的地層來(lái)引導(dǎo)期望的水合物的形成或者分解。然而，這導(dǎo)致井筒進(jìn)一步阻塞。
發(fā)明內(nèi)容從上文看，顯然需要一種引導(dǎo)熱ii7v地層的裝置，例如，用于與分布式溫度傳感器電纜一起模擬地層。一種結(jié)合這些特征的裝置將提供附加的優(yōu)點(diǎn)。圖l是水泥套管井筒的剖面圖，顯示了分布式溫度傳感器，其監(jiān)測(cè)和加熱電纜，該電纜接近圍繞地層設(shè)置，位于井筒和套管之間的環(huán)狀空間(annuhis)中，并被水泥固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。圖2是井筒和套管之間的環(huán)狀空間中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜的一個(gè)實(shí)施例，具有連接的溫>^測(cè)裝置和加熱設(shè)備。圖3A和3B是圖2中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜的上部和下部的剖面圖。圖4A是圖2中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜纜芯(conductor)的捻角示意圖。圖4B是圖2中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜纜芯之間的連接的示意圖5是井筒和套管之間的環(huán)狀空間中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜的不同實(shí)施例的示意圖，其具有連接的溫^J3i測(cè)裝置和加熱設(shè)備。圖6A和6B是圖5中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜的上部和下部的剖面圖。圖7A是圖5中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜纜芯的捻角示意圖。圖7B是圖5中的分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜纜芯之間的連接的示意圖。具體實(shí)施例方式在以下的詳細(xì)說明中，附圖標(biāo)iM皮安排在附圖中，附圖通過圖示的方式顯示了本發(fā)明可能被實(shí)施的特定實(shí)施例。這些實(shí)施例描述了充分的細(xì)節(jié)，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，盡管本發(fā)明的各實(shí)施例彼此不同，但不是必定互斥的。例如，這里在一個(gè)實(shí)施例中描述的特別的特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)可以在其他實(shí)施例中實(shí)施，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。另夕卜，應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)公開的實(shí)施例中的單個(gè)元件的位置或設(shè)置可以改變，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，以下詳細(xì)說明并不M限制意義，而且本發(fā)明的范圍僅由合理解釋的所附權(quán)利要求以及權(quán)利要求*武予的等同特征的^#范圍來(lái)限定。在附圖中，相同的數(shù)字代表多個(gè)圖中相同或相似的功能。還應(yīng)當(dāng)注意，在^f可這種實(shí)際的實(shí)施例的開發(fā)中，必須進(jìn)行多次的實(shí)施-具體的決定，以獲得開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如符合與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的約束，這對(duì)于一個(gè)和另一個(gè)實(shí)施例之間將是不同的。而且，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這種開發(fā)嘗試可能是復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但是盡管如此，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說，在本乂>開的幫助下這只是一種常規(guī)任務(wù)。給出的描述和實(shí)施例目的只M示本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，不應(yīng)^^釋為被申請(qǐng)范圍和適用性的限制。盡管這里描述的本發(fā)明的組成部分包括特定的材料，應(yīng)當(dāng)理解，組成部分可以選擇性地包括兩種或更多不同的化學(xué)物質(zhì)。另外，組成部分還可以包括除一些已提及的成分之外的成分。在本發(fā)明的
發(fā)明內(nèi)容和這里的詳細(xì)描述中，每個(gè)數(shù)值應(yīng)當(dāng)首先被理解為曾經(jīng)利用術(shù)語(yǔ)"大約"修飾過(除非已經(jīng)清楚地這樣修飾)，而除非上下文中有另有說明，則再被理解為沒有被這樣修飾過。而且，在本發(fā)明的
發(fā)明內(nèi)容和詳細(xì)描述中，應(yīng)當(dāng)理解，^i可所列或所描述的有用的、適當(dāng)?shù)幕蝾愃频谋惶峒暗臄?shù)值范圍是指該范圍內(nèi)的任何和每一點(diǎn)，包括端點(diǎn)，都被認(rèn)為與上面所聲明的一樣。例如，"范圍l到10"將被理解為指示了在大約1到大約IO之間的連續(xù)區(qū)間中的每個(gè)可能的數(shù)值。因此，即^f吏僅有詳細(xì)說明的幾個(gè)中明確地確定或提到了在該范圍內(nèi)的特定數(shù)值點(diǎn)，或者甚至范圍內(nèi)沒有數(shù)值點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)理解，發(fā)明人意識(shí)到并理解范圍內(nèi)的任何和所有數(shù)值都被認(rèn)為是被詳細(xì)說明了，發(fā)明人占有整個(gè)范圍以及范圍內(nèi)的所有點(diǎn)。通過被永久固定在井筒內(nèi)，這里描述的分布式溫度傳感器和加熱電纜獲得了改進(jìn)的井筒內(nèi)地層溫度測(cè)量。加熱部分允許分布式溫度傳感器的溫度測(cè)量有更大的井下4交準(zhǔn)(calibration),使得可以對(duì)地層更好的才莫擬。而且，加熱地下結(jié)構(gòu)的能力改進(jìn)了控制水合物形成和分解的能力。引論如為圖解目的的附圖所示，本發(fā)明涉及井筒電纜以及制造和使用這種電纜的方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及永久分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱電纜，其固定在套管井的水泥壁內(nèi)以用于分析井筒附近的地層，以及這種電纜的制造方法和這種電纜的應(yīng)用。這種永久監(jiān)測(cè)電纜能夠連續(xù)進(jìn)行分布式溫度監(jiān)測(cè)和有源(active)加熱，以建立井下環(huán)境受控和已知的溫度分布。通過分析響應(yīng)主動(dòng)制造的擾動(dòng)而產(chǎn)生的地下變化，預(yù)期可改進(jìn)井下特征的精度。這里描述的電纜包括在期望的深度向井下地層施力口已知數(shù)量的熱量。這種電纜被稱為"有源的"。電纜可能沿其整體長(zhǎng)度或者只在部分長(zhǎng)度上是有源的。只有部分長(zhǎng)度有源的電纜被設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分。在一個(gè)部分，通常是上部，如銅這樣的低電阻率纜芯具有一尺寸、被絕緣并以一掄角使用，從而當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)tt可忽略的熱量。在"有源"部分，通常是下部，纜芯材料變?yōu)槿玟撨@樣的具有更高電阻率的導(dǎo)線，并且改變尺寸、絕緣和捻角，從而當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)能夠產(chǎn)生熱量。^口在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的不同電流能夠在電纜有源部分產(chǎn)生已知的、預(yù)先校準(zhǔn)的熱量。這允許熱操作在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下得到"實(shí)驗(yàn)室型"精度。根據(jù)本發(fā)明的電纜可以只起井筒加熱電纜的作用，或者可以被構(gòu)造成電纜執(zhí)行附加的功能，例如分布式溫復(fù)監(jiān)測(cè)。永AJ&測(cè)電纜的一個(gè)實(shí)施例包括I^亍分布式溫M測(cè)的光纖。光纖中的光信號(hào)具有不同的散射機(jī)理。作為光纖中溫度差的結(jié)果，拉曼散射作為背向散射被觀察到。溫度變化與施加在光纖上的張力的結(jié)合引起布里淵散射的波動(dòng)。本發(fā)明利用光纖中的拉曼或者布里淵散射來(lái)測(cè)量沿著安裝在井下環(huán)境中的永久監(jiān)測(cè)電纜的溫度分布(例如，參見ThermalEffectsofBrillouinGainSpectrainSingle-ModeFibers,ToshioKurashima，etal,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.2，No.10,1990年10月)。當(dāng)沿纖維傳播的iy永沖遇到上升的溫度時(shí)，"散射"的脈沖傳回脈沖的起點(diǎn)。由于M是常數(shù)，這些散射脈沖不僅允許對(duì)溫度的測(cè)量，還能查明這些溫度的位置。圖l是水泥套管井的剖面圖，顯示了分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱結(jié)合的電纜200,其接近周圍地層IOO設(shè)置，且位于井筒102和井套管106之間的環(huán)狀空間中，并被水泥104固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。通過定位在圍繞套管的水泥中，電纜200適用于在套管井的整個(gè)使用期限內(nèi)使用。加熱/DTS電纜w/返回纜芯圖2是一個(gè)筒圖，顯示了分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)和加熱結(jié)合的電纜(此后稱為加熱/DTS電纜)200的一個(gè)實(shí)施例，電纜20C^皮永久固定在井筒102和井套管106之間的環(huán)狀空間的水泥104中，并連接到控制裝置300,控制裝置300包括探測(cè)加熱/DTS電纜200內(nèi)的拉曼和布里淵散射的分布式溫度傳感器裝置310，以及控制纜芯內(nèi)電流的加熱器電流控制裝置320。加熱/DTS電纜200具有上部210和下部230。下部230與地層的下部區(qū)域101相對(duì)應(yīng)，在此處需要更高的分布式溫度傳感器精度和額外的熱量。上部210主要用于傳輸電力給下部230。圖3A和3B分別是加熱/DTS電纜200的上部210和下部230的剖面圖，都位于垂直于電纜長(zhǎng)度方向的平面內(nèi)。在上部210中，上部纜芯212(本實(shí)施例中顯示了6個(gè))是銅的并具有尺寸214、絕緣層216，并釆用比較小的捻角218,如圖4A所示，因此它們?cè)谘丶訜?DTS電纜200傳輸設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)散發(fā)的熱量是非常低的。在下(有源)部230中，下部纜芯232(本實(shí)施例中也顯示了6個(gè))是鋼的并具有尺寸234、絕緣層236,并采用比較大的捻角238,如圖4A所示，因此當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)將產(chǎn)生熱量。下部纜芯232更高的電阻率意味著設(shè)計(jì)范圍的電流將在下部纜芯232單位長(zhǎng)度產(chǎn)生比上部纜芯212更多的熱量。下部210更大的捻角238導(dǎo)致下部纜芯232有更大的覆蓋范圍(即下部230單位長(zhǎng)度上的下部纜芯232的長(zhǎng)度比上部210單位長(zhǎng)度上的上部纜芯212的長(zhǎng)度更大)。下部纜芯232的高電阻率和下部230的大捻角238的結(jié)合使下部230起到加熱元件的作用?？谠O(shè)計(jì)范圍內(nèi)的不同電流將在下部230產(chǎn)生已知的、預(yù)先校準(zhǔn)的熱量。這允許在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的熱操作和監(jiān)測(cè)得到"實(shí)-險(xiǎn)室型"精度。電流的返回通過沿加熱/DTS電纜200整個(gè)長(zhǎng)度延伸的一層銅返回纜芯258(即，返回纜芯258穿過上部210和下部230)。返回纜芯258包圍(becabled)在電纜中心的鋼管254(如下所述)上。返回纜芯258也具有一尺寸并被絕緣，因此當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)只有微量熱量產(chǎn)生。圖4B示意性地顯示了上部纜芯212、下部纜芯232和返回纜芯258之間的連接。在此，每條上部纜芯212串聯(lián)到一下部纜芯232。在加熱/DTS電纜200底部，所有下部纜芯232成組連接在一起并成組連接到返回纜芯258。加熱/DTS電纜200具有一才Ml多根光纖250，沿加熱/DTS電纜200的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，作為分布式溫度傳感器。分布式溫度傳感器可以用一4艮光纖250作為開路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，或用一對(duì)光纖250形成回路而起作用。本實(shí)施例有4根沿加熱/DTS電纜200的整個(gè)長(zhǎng)度延伸的光纖，如圖4B所示的那樣連接形成2個(gè)光纖250的回路。光纖250的回路連接到分布式溫度傳感器裝置310,以在井下環(huán)境下采集溫度數(shù)據(jù)。光纖250的回路設(shè)置在鋼管254內(nèi)部，在空氣或例如聚烯烴這樣適當(dāng)?shù)某涮钗?52中。鋼管254沿加熱/DTS電纜200的整個(gè)長(zhǎng)度5^f申。充填物252的使用改善了熱擴(kuò)散，阻止水分遷移并文善了光纖250的回路的才;U射急定性。當(dāng)使用充填物252時(shí)，加熱/DTS電纜200可以被構(gòu)造成這樣，光纖250回路的長(zhǎng)度略長(zhǎng)于周圍的鋼管254的長(zhǎng)度。例如，每10英尺長(zhǎng)的加熱/DTS電纜200與10英尺長(zhǎng)的鋼管254"""^構(gòu)造，但與10.01英尺長(zhǎng)的由充填物252保持在適當(dāng)位置的光纖250的回路一起構(gòu)造。這樣，少得多的張力施加在光纖250的回路上，并且減少了布里淵散射的相應(yīng)張力影響，得到更精確的溫度測(cè)量。在鋼管254外面，類似EPC的聚合物內(nèi)層256被擠出成形。在聚合物內(nèi)層256的頂部，類似Santoprene(ExxonMobil生產(chǎn)的熱塑性塑料)的柔軟熱塑性彈性體層257被擠出成形。聚合物內(nèi)層256和柔軟熱塑性彈性體層257互相結(jié)合。返回纜芯258嵌入柔軟熱塑性彈性體層257中。然后，柔軟熱塑性彈性體中間層260施加在返回纜芯258上，密封返回纜芯258，并結(jié)合到靠?jī)?nèi)的柔軟熱塑性彈性體層257上。在加熱/DTS電纜200的上部210,上部纜芯212用例如脂或含氟聚合物的適當(dāng)聚合物形成絕緣層216,而且包圍在柔軟熱塑性彈性體中間層260上并稍"柔軟熱塑性彈性體中間層260中。絕緣層216不結(jié)合到柔軟熱塑性彈性體中間層260。在加熱/DTS電纜200的下部230，下部纜芯232用適當(dāng)?shù)目垢邷鼐酆衔锘蚝酆衔?例如Tefzel,EPC，PFA，MFA,PTFE等)形成絕緣層236，而且包圍在柔軟熱塑性彈性體中間層260上并稍嵌入柔軟熱塑性彈性體中間層260中。絕緣層236不結(jié)合到柔軟熱塑性彈性體中間層260。在加熱/DTS電纜200的上部210和下部230,在絕緣的纜芯212和232上擠出柔軟熱塑性彈性體外層262以完成電纜芯部。柔軟熱塑性彈性體外層262結(jié)合到柔軟熱塑性彈性體中間層260，但不結(jié)合到聚合物絕緣的纜芯212和232。在柔軟熱塑性彈性體外層262上擠出聚合物材料(例如尼龍)的薄的內(nèi)套層(jacketlayer)264。內(nèi)套層264可結(jié)合到柔軟熱塑性彈性體外層262上。強(qiáng)度鋼纜266包圍在內(nèi)套層264上并稍^v內(nèi)套層264中。在強(qiáng)度鋼纜266上擠出聚合物材料的外套層268,且其結(jié)合到內(nèi)套層264上。內(nèi)套層264和外套層268所用的聚合物是能結(jié)合到套管井106內(nèi)的水泥104的聚合物材料。加熱/DTS電纜w/out返回纜芯圖5顯示了井筒和套管之間的環(huán)狀空間中的加熱和分布式溫>1傳感器監(jiān)測(cè)電纜(此后稱為加熱/DTS電纜)400的另一實(shí)施例，電纜400被永久地固定在井筒102和井套管106之間的環(huán)狀空間的水泥104中，并連接到控制裝置300,控制裝置300包括分布式溫>1傳感器裝置310,以及加熱器電流控制裝置320。加熱/DTS電纜400具有上部410和下部430。下部430與地層的下部區(qū)域101相對(duì)應(yīng)，在此處需要更高的分布式溫度傳感器精度和額外的熱量。加熱/DTS電纜400在結(jié)構(gòu)和使用上類似上面描述的加熱/DTS電纜200,因?yàn)榧訜?DTS電纜400具有上部410和下部430。圖6A和6B分別顯示了加熱/DTS電纜400的上部410和下部430的剖面。主要的區(qū)別在于加熱/DTS電纜400沒有返回纜芯258。代替的是，提供的電流經(jīng)過一半的纜芯412a和432a，并且返回電流經(jīng)過另一半的纜芯412b和432b。圖7B示意性地顯示了連接。在此，每條上部纜芯412a串聯(lián)到相應(yīng)的下部纜芯432a，并且每條上部纜芯412b串4關(guān)到相應(yīng)的下部纜芯432b。在加熱/DTS電纜400底部，每個(gè)下部纜芯432a只連接到一個(gè)下部纜芯432b。因此，加熱電纜向下流過上部纜芯412a,并向下流過相應(yīng)的下部纜芯432a,然后向上流回連4妄的下部纜芯432b,并向上流回相應(yīng)的上部纜芯412b。如圖7A所示，上部纜芯412的捻角418小于下部纜芯432的捻角438。如圖7B所示，加熱/DTS電纜400具有一才Ml多根光纖450，沿加熱/DTS電纜400的整個(gè)長(zhǎng)yl延伸，以用作開路或回路模式的分布式溫度傳感器。本實(shí)施例有4根沿加熱/DTS電纜400的長(zhǎng)度延伸的光纖，如圖7B所示的那樣連接形成光纖450的2個(gè)回^^。再次，光纖450的回路i殳置在鋼管454內(nèi)部，在空氣或例如聚烯烴的適當(dāng)?shù)某涮钗?52中。在鋼管454外面，擠出了例如EPC的聚合物內(nèi)層456。在聚合物內(nèi)層456的頂部，擠出了柔軟熱塑性彈性體層457。聚合物內(nèi)層456和柔^:熱塑性彈性體層457互相結(jié)合。在加熱/DTS電纜400的上部410，內(nèi)的柔軟熱塑性彈性體層457上并稍嵌入靠?jī)?nèi)的柔軟熱塑性彈性體層457中。絕緣層416不結(jié)合到靠?jī)?nèi)的柔軟熱塑性彈性體層457。在加熱/DTS電纜400的下部430,下部纜芯432包圍在靠?jī)?nèi)的柔軟熱塑性彈性體層457上并稍^v柔軟熱塑性彈性體內(nèi)層457中。絕緣層434不結(jié)合到靠?jī)?nèi)的柔軟熱塑性彈性體層457。然后，在加熱/DTS電纜400的上部410和下部430,在絕緣纜芯412和432上擠出柔軟熱塑性彈性體外層462以完成電纜芯部。最后，在柔軟熱塑性彈性體外層462上擠出聚合物材料的薄的內(nèi)套層464,強(qiáng)度鋼纜466包圍在之上，并iUt強(qiáng)度鋼纜466上擠出聚合物材料的外套層468，并結(jié)合到內(nèi)套層464上。力口熱例子在以下的討i侖中，將只參考在圖2和3所示的加熱/DTS電纜200和相關(guān)的特征。然而，所述的特征同樣適用于加熱/DTS電纜400。如上所述，上部纜芯212以小的搶角218設(shè)置并具有尺寸214,以在傳輸通過電纜的設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)散發(fā)的熱量非常低。小的搶角218意味著上部210的表面區(qū)域很少被上部纜芯212占據(jù)(也就是說，上部纜芯212的給定長(zhǎng)度鄰il^口熱/DTS電纜200的大的表面區(qū)域)。尺寸214是相當(dāng)大的直徑，因此上部纜芯212的總電阻很小。因此，當(dāng)在上部纜芯212上施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)，產(chǎn)生的熱量是可忽略的。在下部230,下部纜芯232具有更小的直徑尺寸234,并施加相對(duì)更大的捻角238。更小的尺寸234意味著下部纜芯232的總電PiU艮高。更大的捻角238導(dǎo)致下部纜芯232對(duì)下部230的表面區(qū)域有更大的M范圍。因此，當(dāng)在下部230施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)，下部230作為加熱元件，允許在已知深度將電纜加熱到已知的溫度。下面的方程用于計(jì)算沿加熱/DTS電纜200的上部210和下部230散發(fā)的功率。方程1以加熱/DTS電纜200單位長(zhǎng)度的瓦特給出了通用功率損耗方程。方程1考慮了導(dǎo)電材料^#1;電阻率(p),單位為歐姆-米；電纜截面積(A)，單位為平方米。電纜結(jié)構(gòu)也被考慮導(dǎo)線的數(shù)量(N)和損耗系數(shù)(l)(用于從"線性"或"直電纜"值推導(dǎo)真實(shí)導(dǎo)線長(zhǎng)度的參數(shù))。最后，加熱/DTS電纜200的期望電流(I)也是一個(gè)參數(shù)。方程l:沿電纜的功率損耗通用方程其中p=材料的電阻率，[Q'單位距離]ii1=電流，[安培]11=包括的導(dǎo)線數(shù)量A二包括的導(dǎo)線中的一條的截面積l產(chǎn)成纜損耗系數(shù)方程2將方程1應(yīng)用于加熱/DTS電纜200的上部210,方程3將方程1應(yīng)用于加熱/DTS電纜200的下部230。在設(shè)計(jì)電流下，鋼(下部纜芯232的材料)的電阻率大約為銅(上部纜芯212的材料)的十倍，上部纜芯212的尺寸214通常大約為下部纜芯232的尺寸的9倍，上部纜芯212的損耗系數(shù)比下部纜芯232的損耗系數(shù)大約低1/5。總起來(lái)看，下部纜芯232的電阻率大約是上部纜芯212的電阻率的百倍。這意味著在同樣的電流下，下部纜芯232產(chǎn)生的熱量將遠(yuǎn)大于上部纜芯212。方程2:上部電阻率方程3:下部電阻率上[^ft^]=f)尸雄器=(")&血')從上部到下部的功率損耗的增量可以用下面的例子來(lái)說明。表1給出了具有銅的上部纜芯212和具有鋼的下部纜芯232的加熱/DTS電纜200的典型參凄t。將這些參數(shù)用于銅線，上部210的功率損耗(P上)是0.43瓦/米，下部230的功率損耗(Pt)是37.38瓦/米。因此，下部230散發(fā)的能量大約為上部210散發(fā)的能量87倍高。表l:功率損耗的例子<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>制造考慮的事項(xiàng)在以下分布式溫度傳感器監(jiān)控和加熱電纜的制造考慮的事項(xiàng)的討論中，將參考加熱/DTS電纜200,除非另有指示。然而，描述的實(shí)施例并不限于只在加熱/DTS電纜200中使用。分布式溫度傳感器監(jiān)控和加熱電纜的其它實(shí)施例包括一根或多根纜芯。雖然可以使用任意合適數(shù)目的纜芯，但是通常是從1到60的任何數(shù)字。一些優(yōu)選的構(gòu)造包括7、19或37根纜芯。任何適合的金屬材料都可以用于纜芯(例如銅、包鎳銅、鋁、鋼)。上部纜芯212和返回纜芯258的優(yōu)選材料是銅，而下部纜芯232的優(yōu)選材料是鋼。纜芯212、232或258可以被包裹在絕緣外套內(nèi)部。外套可以是具有電場(chǎng)抑制特性的層疊介電型，例如那些用于美國(guó)專利No.6,600，108(授予Mydur等人)的電纜的那些。這種層疊介電絕緣纜芯通常包括圍繞金屬纜芯設(shè)置的第一絕緣外套層以及圍繞第一絕緣外套層設(shè)置的第二絕緣外套層，其中第一絕緣外套層具有第一相對(duì)介電常數(shù)，第二絕緣外套層具有低于第一相對(duì)介電常數(shù)的第二相對(duì)介電常數(shù)。第一相對(duì)介電常數(shù)在大約2.5到大約10.0的范圍內(nèi)，第二相對(duì)介電常數(shù)在大約1.8到大約5.0的范圍內(nèi)。優(yōu)選具有一個(gè)或多個(gè)光纖250的回路。光纖250的回路可以是多模式的或單才莫式的光纖。光纖250的回路可以一皮絕緣外套包裹。才艮據(jù)本發(fā)明，加熱/DTS電纜200的不同組成部分，例如纜芯、光纖(或者作為單根光纖，或者作為回路)、鎧裝線和充填物，相對(duì)于電纜的中心軸線可以被設(shè)置為零螺旋角或任何適當(dāng)?shù)穆菪?。通常，中心絕緣纜芯被設(shè)置為零螺旋角，而圍繞中心絕緣纜芯的組成部分以期望的螺旋角圍繞中心絕緣纜芯螺旋設(shè)置。一對(duì)分層的鎧裝線層可能相反地螺旋纏繞(例如以相反的螺旋角設(shè)置)。任何適當(dāng)?shù)木酆衔锊牧峡梢杂糜诩訜?DTS電纜200,包括但不限于聚晞烴類(比如EPC或者聚丙烯)、聚四氟乙烯-全氟代曱基乙烯基醚聚合物(MFA,polytetrafluoroethylene-perfluoromethylvinyletherpolymer)、全氟代烷^&烷烴聚合物(PFA,perfluoro-alkoxyalkanepolymer)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE,polytetrafluoroethylenepolymer)、乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE,ethylene-tetrafluoroethylenepolymer)、乙埽-丙歸共聚物(EPC,ethylene-propylenecopolymer)、聚(4-曱基-l-戊烯)(poly(4-methyl-l-pentene),可/人MitsuiChemicals,Inc得到的TPX)、氟化乙丙烯(FEP,fluorinatedethylenepropylene)聚合物、其它的含氟聚合物、聚醚醚酮聚合物(PEEK,polyaryletheretherketonepolymer)、聚苯硫聚合物(PPS,polyphenylenesulfidepolymer)、聚四氟乙烯-全氟代曱基乙烯基醚(MFA)聚合物改性聚苯硫聚合物(polyphenylenesulfidepolymer)、聚醚酮聚合物(PEK,polyetherketonepolymer)、馬來(lái)酑改性聚合物、ParmaxSRP聚合物(MississippiPolymerTechnologies,Inc基于取代聚(l，4-^#)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的自-加強(qiáng)聚合物，其中每個(gè)^I掌環(huán)具有從大量不同的有機(jī)基團(tuán)中獲得的取代R基團(tuán))、31111狀@或者類似物以及它們的混合物，可能還包括耐磨性粒子或者甚至短纖維。加熱/DTS電纜200可以進(jìn)一步地包括圍繞絕纟^莧芯的至少一個(gè)電纜鎧裝層或強(qiáng)度構(gòu)件。它們一般可以由任何高拉伸強(qiáng)度材料制成，包括但不限于電鍍改進(jìn)的犁鋼、合金鋼等等。保護(hù)性的聚合物覆蓋層可以用于每個(gè)或任何鎧裝線以抗腐蝕或甚至促進(jìn)鎧裝線和設(shè)置在間隙內(nèi)的聚合物材料之間的結(jié)合。如此處使用的，術(shù)語(yǔ)"結(jié)合"是指包括化學(xué)結(jié)合、機(jī)械結(jié)合或它們的任意組合。覆蓋層材料的例子包括但不限于含氟聚合物、氟化乙丙烯(FEP)聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物(Tefzel)、全氟代烷tt烷烴聚合物(PFA)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE)、聚四氟乙烯-全氟代曱基乙烯基醚聚合物(MFA)、聚醚醚酮聚合物(PEEK),或聚醚酮聚合物(PEK)與含氟聚合物的組合物、聚^5克聚合物(PPS)、PPS與PTFE的組合物、乳膠或橡^a蓋層，以及類似物。每個(gè)鎧裝線也可以鍍上防腐蝕或甚至促進(jìn)鎧裝線和聚合物材料之間的結(jié)合的材料。適當(dāng)?shù)?^材料的非限制性例子包括黃銅、銅合金及類似物。！^鎧裝線甚至可以是諸如輪胎簾布這樣的繩索。盡管可以使用任何有,鎮(zhèn)度的鍍層或覆蓋層材料，優(yōu)選的厚度為大約IO微米到IO(H鼓米。鎧裝線/強(qiáng)度部件可以被形成為絞合線，例如以鋼纜的形式。而且，鎧裝線/強(qiáng)度部件可以是雙金屬的或復(fù)合結(jié)構(gòu)的。形成用于加熱/DTS電纜200的聚合物材料的材料還可以在形成電纜的材料混合物中包括一種或多種含氟聚合物添加劑。這樣的添加劑可能有助于生產(chǎn)在很高的生產(chǎn)速度下生產(chǎn)高質(zhì)量的長(zhǎng)電纜。適當(dāng)?shù)暮酆衔锾砑觿┌ǖ幌抻诰鬯姆蚁?、全氟^^聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物、氟化乙丙烯、全氟聚(乙烯-丙烯)，以及它們的混合物。含氟聚合物也可以是四氟乙烯和乙烯以及任選的第三共聚用單體的共聚物、四氟乙烯和偏二氟乙烯以及任選的第三共聚用單體的共聚物、氯三氟乙烯和乙烯以及任選的第三共聚用單體的共聚物、六氟丙烯和乙烯以及任選的第三共聚用單體的共聚物、以及六氟丙烯和偏二氟乙烯以及任選的第三共聚用單體的共聚物。含氟聚合物添加劑應(yīng)具有低于擠出工藝溫度的熔點(diǎn)溫度，優(yōu)選在20(TC到35(TC的范圍內(nèi)。為了準(zhǔn)備混合物，含氟聚合物添加劑與絕緣夕卜套或聚合物材料混合。含氟聚合物添加劑添加到混合物中的量可以A&于混合物總重量的5%或更少，優(yōu)逸基于混合物總重量的大約1%或更少，更優(yōu)選基于混合物總重量的大約0.75%或更少。聚合物材料被設(shè)置在鎧裝線之間形成的間隙內(nèi)，以及鎧裝線層與絕緣纜芯之間形成的間隙內(nèi)。盡管本發(fā)明沒有特別限定于特定的功能理論，相信沿鎧裝線間隙或未填滿的環(huán)形縫隙設(shè)置聚合物材料，除了其他優(yōu)點(diǎn)外，還能夠防止危險(xiǎn)的井內(nèi)氣體的移入和從這些間隙或縫中向上iiA低壓區(qū)域，其在低壓區(qū)域可能著火或者甚至有爆炸的危險(xiǎn)。在根據(jù)本發(fā)明的電纜中，鎧裝線部分或全部被完全填滿所有間隙的聚合物材料密封，因此消除了氣體i^v任何導(dǎo)管的可能性。聚合物材料也可以用作很多腐蝕性流體的過濾器。通過最小化鎧裝線的暴露和防止腐蝕性流體的積聚，電纜的使用壽命可以被大大提高。而且，用聚合物材料填充鎧裝線之間形成的間隙并將鎧裝線的內(nèi)部和外部分隔開降低了鎧裝線之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸，延長(zhǎng)了疲勞壽命，同時(shí)避免了鎧裝線過早腐蝕。由于間隙^皮填充，電纜芯部^皮完全包裹，而且減輕了蠕變(creep),因此電纜直徑更加穩(wěn)定，電纜的伸長(zhǎng)大大降低。本發(fā)明使用的抗蠕變聚合物材料以兩種方式使芯部的蠕變最小化第一，將聚合物材料和鎧裝線鎖定在-"^大大降低了電纜的變形；第二，聚合物材料也可以消除所有電纜芯部可能蠕變ii^其中的環(huán)形縫隙。由于封裝鎧裝線的聚合物材料可以是連續(xù)結(jié)合的，其不容易從鎧裝線上剝離，加熱/DTS電纜200可以改善籠式鎧裝設(shè)計(jì)遇到的問題。由于本發(fā)明采用的工藝允^^呆持標(biāo)準(zhǔn)鎧裝線范圍(93%-98%^^屬)，與典型的籠式鎧裝設(shè)計(jì)相比，采用聚合物材料可以不犧牲電纜的強(qiáng)度。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，聚合物材料可能不具有足夠的機(jī)械性能來(lái)承受電纜例如用絞纜輪(sheave)拖動(dòng)時(shí)的很高的拉力或壓力，就這一點(diǎn)而言，聚合物材料還可以包括短纖維。盡管任何適當(dāng)?shù)睦w維可以用于提供足夠承受這種力的性能，纖維的例子包括^f旦不限于-友纖維、玻璃纖維、陶資纖維、Kevla^纖維、Vectran纖維、石英、納米碳或其他任何適當(dāng)?shù)牟牧稀Ａ硗?，由于包括短纖維的聚合物材料的摩擦力可能遠(yuǎn)大于單獨(dú)的聚合物材料，不含短纖維的聚合物材料外套可以環(huán)繞電纜外圍設(shè)置，因此電纜外表面具有^#擦性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明，用于形成聚合物外套或加熱/DTS電纜200的外套的聚合物材料可以包括電纜被設(shè)置在井中時(shí)提高電纜耐磨性的顆粒。合適的顆粒的例子包括Ceramer、氮化硼、PTFE、石墨、納米顆粒(例如納米粘土、納米J圭、納米碳、納米碳纖維或其他適當(dāng)?shù)募{米材料)，或以上物質(zhì)的組合。加熱/DTS電纜200也可以用覆蓋層鎧裝線代替一根或多根的鎧裝線。覆蓋層可以由與上面所述的那些聚合物材料相同的材料組成。這有助于通過降低強(qiáng)度、重量或甚至鎧裝線外層的尺寸來(lái)提高扭矩平衡，同時(shí)也提高了聚合物材料與鎧裝線外層的結(jié)合。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，加熱/DTS電纜200可以包括至少一種在鎧裝線層的填充棒組分。在這種電纜中，一才^多根鎧裝線被填充棒組分代替，填充棒組分包括合成長(zhǎng)纖維束或長(zhǎng)纖維紗束。合成長(zhǎng)纖維或長(zhǎng)纖維紗可以用適當(dāng)?shù)木酆衔锔采w，包括上面所述的那些聚合物材料。聚合物可以在這種纖維或紗上擠出以促進(jìn)與聚合物外套材料的結(jié)合。這還可以防止剝離。而且，由于填充棒組件代替了鎧裝線，內(nèi)外鎧裝線層之間的扭矩平衡可以進(jìn)一步加強(qiáng)。加熱/DTS電纜200可以具有從大約lmm到大約500mm的外徑，而且優(yōu)選地具有^人大約2mm到大約250mm的外徑。加熱/DTS電纜200可以包括作為電流返回線的鎧裝線，其為井下裝置或工具提供了返回地面的途徑。本發(fā)明能夠使用用于電流返回的鎧裝線，同時(shí)使電流沖擊的危險(xiǎn)最小。在一些實(shí)施例中，聚合物材料隔離了至少一個(gè)在第一鎧裝線層的鎧裝線，由此使得它們可以用作電流返回線。上面公開的特定實(shí)施例只是示例性的，因?yàn)楸景l(fā)明可以以不同但具有此處教導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說等價(jià)的方式被修改和實(shí)施。而且，除了所附的權(quán)利要求的描述外，這里所示的構(gòu)造或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)不試圖構(gòu)成限制。因此，顯然，上面公開的特定實(shí)施例可以被改變或修改，而且所有的這種變化都被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)。特別是，此處公開的每個(gè)數(shù)值范圍(形式為"從大約a到大約b",或者等同地，"大約a到b",或者等同地，"大約a-b")應(yīng)被理解為是指各個(gè)數(shù)值范圍的冪集(所有子集的集合)。因此，此處要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求確定。權(quán)利要求1、一種井筒加熱設(shè)備，包括電纜，包括沿所述電纜的長(zhǎng)度延伸的一個(gè)或多個(gè)電纜芯的回路；以及控制裝置，通過向所述電纜芯的回路提供設(shè)計(jì)范圍的電流來(lái)控制對(duì)所述井筒的加熱，所述電流在所述電纜芯的回路中產(chǎn)生熱量，所述熱量散發(fā)到所述井筒的周圍結(jié)構(gòu)中和沿所述電纜的長(zhǎng)度的周圍地層中。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒加熱設(shè)備，還包括上部，其中所述電纜芯具有一尺寸、被絕緣并以一捻角使用，以便當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)所述電纜芯散發(fā)小的熱量；以及下部，其中所述電纜芯具有一尺寸、纟皮絕緣并以大于所述上部的電纜芯的捻角的捻角使用，以便當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)與所述上部相比所述電纜芯M大的熱量。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述下部的電纜芯的電阻率是所述上部的電纜芯的電阻率的10到100倍大。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述上部的電纜芯是銅的；以及所述下部的電纜芯^3岡的。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述一個(gè)或多個(gè)電纜芯的回路包括將電流沿所述電纜向下傳輸?shù)耐鈱拥碾娎|芯；以及將電流沿所述電纜向上傳輸?shù)膬?nèi)層的電纜芯，所述內(nèi)層的電纜芯具有一尺寸、被絕緣并以一搶角使用，以便當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)所述電纜芯tt小的熱量。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的井筒加熱設(shè)備，還包括上部，其中所述外層的電纜芯具有一尺寸、被絕緣并以一搶角使用，以便當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)所述電纜芯散發(fā)小的熱量；以及下部，其中所述外層的電纜芯具有一尺寸、被絕緣并以大于所述上部的電纜芯的掄角的捻角使用，以便當(dāng)施加設(shè)計(jì)范圍的電流時(shí)與所述上部相比所述電纜芯散發(fā)大的熱量。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述下部的電纜芯的電阻率是所述上部的外層的電纜芯和內(nèi)層的電纜芯的電阻率10到100倍大。8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的井筒加熱設(shè)備，其中內(nèi)層的電纜芯和所述上部的外層的電纜芯^4同的；以及所述下部的外層的電纜芯^J閃的。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒加熱設(shè)備，還包括沿所述電纜的長(zhǎng)度延伸的一根或多根光纖，所述光纖設(shè)置在具有填充材料的鋼管內(nèi)；以及用于沿所述光纖監(jiān)測(cè)溫度的控制裝置，其中所述光纖被激光照射，而且對(duì)來(lái)自光脈沖的拉曼和布里淵散射圖象進(jìn)行評(píng)價(jià)以確定沿所述電纜的長(zhǎng)度的井筒的溫度。10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述填充材料是聚烯烴。11、根據(jù)權(quán)利要求10所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述電纜被構(gòu)造來(lái)使得設(shè)置在鋼管給定間距內(nèi)的光纖長(zhǎng)度比該鋼管間距的長(zhǎng)度更長(zhǎng)。12、根據(jù)權(quán)利要求11所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述一根或多根光纖包括兩個(gè)光纖回路。13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述電纜的外層包括為所述電纜提供強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性的鋼纜；以及保護(hù)所述電纜并提供抗磨損覆蓋層的聚合物外套。14、根據(jù)權(quán)利要求13所述的井筒加熱設(shè)備，其中所述聚合物外套包括與下套管井筒內(nèi)的水泥結(jié)合的材料。全文摘要一種永久固定在井筒內(nèi)的用于井筒加熱和分布式溫度傳感的有源電纜，允許已知量的熱量傳入地下地層，以改善其中的溫度測(cè)量。通過將電纜形成為兩部分?jǐn)y帶電流而不產(chǎn)生大量熱的上部和通過電流產(chǎn)生熱的下部，從而將熱量引入井內(nèi)的目標(biāo)區(qū)。通過測(cè)量沿電纜長(zhǎng)度延伸的光纖中的各種散射機(jī)制，執(zhí)行連續(xù)的分布式溫度傳感。文檔編號(hào)E21B47/06GK101311493SQ200810096670公開日2008年11月26日申請(qǐng)日期2008年2月5日優(yōu)先權(quán)日2007年2月7日發(fā)明者威廉·A·威杰恩伯格,弗拉迪米爾·赫南德茲-索利斯,勝?gòu)?約瑟夫·瓦基,蒙蒂·W·莫里森申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司