具有絞合線強度元件的電纜的製作方法
2023-09-17 03:33:30 2
專利名稱：具有絞合線強度元件的電纜的製作方法
技術領域：
本發明涉及鎧裝井筒測井電纜(logging electric cables)。一方面，本發明涉及基於絞合強度元件的高強度電纜，其與各種設備一起使用來分析鄰近井筒的地質構造。
背景技術：
一般地，地球中含石油和/或石油氣的地質建造具有可能與地層包含這種產品的能力有聯繫的性質。例如，含石油或石油氣的地層具有比含水的地層高的電阻率。通常包括砂巖或石灰石的地層可能含有石油或石油氣。通常包括頁巖(頁巖也可封裝含石油的地層)的地層可具有比砂巖或石灰石大得多的空隙率，但是，由於頁巖的粒度(grain size)非常小，分離頁巖中所積存的石油或氣可能非常困難。因此，需要測量鄰近井的地質構造的各種特性，以幫助確定含石油和/或石油氣地層的位置，以及積存在該地層中的石油和/或石油氣的量。
可將通常為長管形設備的測井工具(logging tool)放下到井中，以測量井的不同深度處的這種特性。這些測井工具可包括γ射線發射器/接收器、測徑規設備、電阻測量設備、中子發射器/接收器等，這些工具用來偵測鄰近該井的地層的特性。鎧裝鋼絲的測井電纜(wireline armored logging cable)連接測井工具與在地表的一個或多個電源和數據分析裝置，以及當沿著井放下和提起測井工具時給測井工具提供結構支撐。通常，測井電纜(wirelinecable)通過幾個滑輪從卡車或海上裝置的磁鼓設備(drum unit)中卷出，並下到井中。鎧裝的測井電纜常常必須具有高強度，以懸掛工具的重量以及電纜本身的重量。
測井電纜通常由金屬導線、絕緣材料、填料、護套和鎧裝線(Armor wire)的組合形成。護套常常包圍電纜芯材，其中，該芯材含有金屬導線、絕緣材料、填料等。鎧裝線常常圍繞該護套和芯材。測井電纜中使用的鎧裝線用於幾個目的。當該電纜在井下表面上受到磨損時，它們給電纜芯材中的導線提供物理保護。它們負擔下井儀器串(tool string)和懸掛在井中的幾千英尺長的電纜的重量。導致測井電纜損害的兩種通常原因是鎧裝線腐蝕和轉矩不平衡。腐蝕通常會導致形成弱化的或破碎的鎧裝線。
鎧裝線通常由塗覆有用於防腐的鋅的冷拉珠光體鋼(cold-drawnpearlitic steel)構成。雖然鋅在中溫保護鋼，但是研究表明，在升高的溫度時會發生鋅在水中的鈍化(也即，失去它的防腐性)。一旦鎧裝線開始生鏽，它就迅速失去強度和延展性。雖然電纜芯材可能仍然有用，但是更換鎧裝線在經濟上是不可行的，所以必須丟棄整個電纜。一旦腐蝕性流體滲入到環狀間隙中，就難以或者不可能完全除去它們。甚至是在清潔電纜之後，腐蝕性流體仍然保留在環狀空隙中腐蝕該電纜。結果，電纜腐蝕基本上是一個連續的過程，其開始於測井電纜首次進入到井中的行程。
當將軸向載荷施加到電纜上時，鎧裝線的螺旋狀排列導致該電纜產生扭轉載荷(torsional load)。該載荷的大小取決於鎧裝線的螺旋狀排列和尺寸。有兩種減小所產生的轉矩的大小的常規方法(1)大量增加螺旋長度(helixlength)，或者(2)在外側上使用較小直徑的鎧裝線，而在內側使用較大直徑的鎧裝線。這些選擇對於測井電纜都不是非常實用。第一種方法增加該電纜對撓曲的剛性。第二種方法會由於磨損問題導致電纜壽命降低。該電纜也會由於在電纜載荷過程中產生的徑向力而經歷直徑的減小。這會壓縮電纜芯材，並且會導致導線上的絕緣蠕變(insulation creep)，從而可能導致短路或導線斷裂。在電纜的扭轉載荷過程中，該電纜的有效斷裂載荷(effectivebreak load)會由於載荷在兩層鎧裝線上的分布而降低。同樣，當使用內部和外部線鎧裝層(各自具有螺旋結構定向的線)時，這會導致當電纜經受軸向載荷時產生轉矩。
常規的鎧裝線電纜遇到的另一問題發生在高壓井中，該測井電纜穿過一個或幾個長度的管道系統，其填充有潤滑脂，以密封井中的氣壓同時容許該電纜在井中穿進穿出。因為該鎧裝線層具有未填充的環狀空隙，來自井中的氣體會向上朝較低壓方向遷移到這些縫隙中並穿過這些縫隙移動。當測井電纜穿過填充潤滑脂的管道移動時，該氣體往往會保持在原位。當測井電纜越過管道頂部的上滑輪時，該鎧裝線往往會輕微地分展開並且釋放增壓氣體，此處會成為爆炸的隱患。
因此，需要具有改善的耐腐蝕性和扭矩平衡，同時可有效地製造的高強度鎧裝的井筒電纜(wellbore electric cable)。另外，需要幫助防止或最小化氣體從井筒中遷移的電纜。非常需要能夠克服一種或多種以上詳述的問題、同時傳導更大量的功率、具有顯著的數據信號傳遞能力的電纜，通過以下發明至少部分滿足這種需要。
發明內容
本發明涉及井筒電纜，尤其是，本發明涉及由強度元件形成的高強度電纜。藉助於各種設備使用該電纜來分析鄰近井筒的地質構造。本發明的電纜可為任何實際設計，包括單芯電纜(monocable)、同軸電纜、四芯電纜(quadcable)、七芯電纜(heptacable)、滑線電纜(slickline cable)、多線電纜(multi-line cables)等。此處所述的電纜具有改善的耐腐蝕性、扭矩平衡，並且也可幫助防止或最小化危險氣體從井筒向表面遷移。
本發明的電纜使用裝有聚合物護套的絞合絲線(stranded filaments)作為增強元件。絲線是單一連續的金屬線，其具有電纜的長度。捆束多根絲線以形成強度元件，並且可包括包圍該絲線的聚合物護套。該強度元件可用作中心強度元件，或者甚至是鋪設在中心軸向設置的組件或強度元件周圍，以形成強度元件層。也可形成多於一層的強度元件。
在一種實施方式中，該電纜是井筒電纜，其包括中心組件(centralcomponent)和強度元件的內層。該層包括至少三個(3)強度元件，其中該內層鄰近中心組件以鋪設角(lay angle)設置。每個形成該層的強度元件包括中心絲線、鄰近中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線，和包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套。
在一種實施方式中，該電纜包括中心組件、強度元件的內層、由至少四個(4)強度元件形成的層，其中該內層鄰近中心組件以鋪設角設置。每個強度元件包括中心絲線、鄰近中心絲線螺旋地設置的至少三根(3)絲線，和包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套。另外，至少一個鎧裝線層螺旋地設置在該強度元件的外周表面。
本發明也披露了井筒電纜，其由中心組件、鄰近中心組件設置的至少四個(4)強度元件、置於該強度元件上的聚合物護套，以及鄰近聚合物護套螺旋地設置的鎧裝線層所形成。
附圖簡述 可通過參考以下描述，結合附圖理解本發明，在附圖中
圖1A和1B說明一種實施方式，其中單獨絲線相對於形成電纜的強度元件的方向以反向旋轉角(counter-rotational angle)被絞合在一起。
圖2表示形成強度元件的方法，所述強度元件的空隙空間填充有聚合物材料，該聚合物材料有粘結該強度元件與電纜的聚合物護套的能力。
圖3說明包埋和成型設置在聚合物層上的外部絲線的一種方法。
圖4通過強度元件本身的橫截面圖說明圖2中所述的製備。
圖5A、5B、5C和5D說明用於本發明某些電纜的絞合的絲線強度元件的幾個實施方式。
圖6說明含有轉矩平衡的絞合線強度元件的電纜的製備。
圖7A至7F通過橫截面顯示圖6中上述的單芯電纜的製備步驟。
圖8A至8F通過橫截面顯示根據本發明的同軸電纜。
圖9A至9F通過橫截面說明本發明具有轉矩平衡的絞合絲線強度元件的七芯電纜實施方式。
圖10A至10E說明具有轉矩平衡的強度元件和螺旋狀絕緣導線的電纜。
圖11A、11B、11C和11D通過橫截面說明本發明具有轉矩平衡的絞合線強度元件的地震管式電纜(seismic gun cable)的構造。
圖12用橫截面視圖說明，根據本發明使用強度元件和單獨的導線裝配電纜。
圖13通過橫截面顯示使用長連續纖維聚合物複合材料作為強度元件的電纜實施方式。
圖14通過橫截面說明一種電纜，其使用鄰近中心導線設置的小強度元件，由此形成該電纜的中心組件。
具體實施例方式 以下描述本發明的說明性實施方式。為了清楚起見，本說明書中並不描述所有實際實施的特徵。當然應該理解，在任何這種實際實施方式的開發中，必須做出許多具體實施的決定以獲得開發者的具體目標，例如順應於體系相關的和事情相關的約束，這些約束會根據實施的不同而變化。此外，應該理解，這種開發的努力可能是複雜和耗時的，但是雖然如此，它對於理解本文的本領域普通技術人員來說是例行的事情(routineundertaking)。
本發明涉及包括作為強度元件的絞合線的高強度電纜，其中該電纜被分派到井筒中用於藉助於設備分析鄰近井的地質構造。也披露了製造這種電纜的方法，和該電纜在地震和井筒操作中的用途。本發明的電纜具有改善的耐腐蝕性，以及改善的轉矩平衡。本發明的一些電纜實施方式也幫助防止或最小化危險氣體從井筒向表面遷移。另外，可以比常規的鎧裝井筒電纜更加有效地製造本發明的電纜。
本發明的電纜利用絞合的絲線作為強度元件。本申請所用的術語″絲線″是指單一連續的金屬線，其具有用它形成的電纜的長度，並且除非另外指出，應該考慮鎧裝線的等價物。捆束多根絲線以形成″強度元件″，並且可包括包圍該絲線的聚合物護套。該強度元件可用作中心強度元件，或者甚至是鋪設在中心軸向放置的組件或強度元件周圍，以形成強度元件的層。也可形成強度元件的多個層。另外，當電導性絲線用於形成強度元件時，如果該強度元件具有足夠高的電導率，那麼可將它用於導電。
如說明本發明電纜的一種實施方式的圖1A和1B中所說明的，可將單獨絲線102(僅指出了一個)以旋轉方向A在中心絲線104周圍螺旋地絞合(捆束)到一起，形成強度元件106。當將強度元件鋪設到電纜108的中心組件110之上時，方向A是相對於圖1B中形成電纜108的多個螺旋捆束的強度元件106(僅指出了一個)的旋轉取向B的反-旋轉方向。電纜108還包括含有多個強度元件106和中心組件110的護套112，以及包圍強度元件106的絲線102 104的聚合物護套112。當捆束形成電纜108時，可調節該絞合的絲線強度元件106中的絲線104的鋪設角，和強度元件106的鋪設角，以使轉矩平衡最優。可以連續粘結用於形成包圍絲線102 104的護套112的聚合物材料和多個強度元件106(圖1B中僅指出了一個)，以保持該元件處於合適的位置。可用短纖維改進該聚合物，以提供如下優勢例如增加的強度或耐磨性。最後，可包含無纖維的聚合物層，以提供耐撕裂和劃破的最優的密封表面。
參考圖1B，可用聚合物材料填充本發明的電纜中形成於絲線102 104、強度元件106和導線110之間的環狀空隙114(僅示出了一個)，以使井下流體和氣體的滲入、積聚和/或輸送最小化。該聚合物護套112也可用作許多腐蝕性流體的過濾器或捕集器。通過最小化強度元件106暴露於這些材料，並且防止腐蝕性流體在環狀空隙114中的積聚，認為這顯著提高了該絲線102 104，以及該電纜的使用壽命。
雖然本發明的實施方式不受任何具體的理論或操作機理的束縛，以下描述可說明本發明的某些電纜的轉矩平衡。在張力T下成纜之前，每個絞合的絲線強度元件具有給定的轉矩值(Twri)(給所有的轉矩一個給定的參考張力)。所有給定類型的強度元件的值之和為總轉矩值(Tc)。可以調節在強度元件中用於單獨絲線的鋪設角，和使完成的強度元件在電纜芯材上成纜時的鋪設角，以提供最優的轉矩平衡，這通過以下表達式來解釋 Twri＝成纜之前一個絞合線強度元件的轉矩 TwriT＝∑Twri TwriC＝將一個絞合線強度元件在電纜芯材上成纜產生的轉矩(對抗Twri的) TwriCT＝∑TwriC TwrtT＝TwriCT 以相對於強度元件中的單獨外部絲線的旋轉方向的反方向，使強度元件在電纜的中心組件上成纜，產生滑線和多線規模的電纜，它能夠經受較高的工作載荷(即500kgf至1000kgf)。
本發明鎧裝的井筒電纜通常包括中心組件和鄰近該中心組件設置的至少三個(3)強度元件。每個強度元件包括中心絲線、鄰近中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線，和包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套。該中心組件可為絕緣導線、導線或強度元件。該中心組件可為這種構造，從而形成單芯電纜、滑線、多線、七芯電纜、地震的、四芯電纜，或者甚至是同軸電纜。優選將該強度元件螺旋地設置在中心組件的周圍。優選至少部分地用纖維增強物質改進該聚合物護套。
本發明的電纜可使用任何合適的材料，來形成具有高強度並提供例如耐腐蝕性、低摩擦力、低磨損和高疲勞閾值(fatigue threshold)等優勢的絲線。這種材料的非限制性例子包括鋼、碳含量為約0.6wt％至約1wt％的鋼、強度大於2900mPa的任何高強度鋼絲，等。使用輪胎簾線製造強度元件使得可以使用較低的鋪設角，這可得到具有較高工作強度的電纜。該絲線材料也可為高強度有機材料例如但不限於長連續纖維增強的複合材料，其由聚合物形成，所述聚合物例如PEEK、PEK、PP、PPS、氟聚合物、熱塑性塑料、熱塑性彈性體、熱固性聚合物等，並且該連續纖維可為碳、玻璃、石英或任何合適的合成材料。
如上文所述，本發明的電纜可包括加護套的絞合絲線。同樣，可用聚合物材料填充形成於強度元件(絞合絲線)之間，和強度元件與中心組件之間的空隙空間。用於形成該聚合物護套和填充間隙的聚合物材料可為任何合適的聚合物材料。合適的例子包括但不限於聚烯烴(例如EPC或聚丙烯)、其它聚烯烴、聚醯胺、聚氨酯、熱塑性聚氨酯、聚芳基醚醚酮(PEEK)、聚芳基醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)、改性的聚苯硫醚、乙烯-四氟乙烯的聚合物(ETFE)、聚(1，4-亞苯基)的聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)聚合物、氟化的乙烯丙烯(FEP)聚合物、聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(MFA)聚合物、Parmax(R)、乙烯氯-三氟乙烯(例如Halar(R))、氯化的乙烯丙烯，及其任何混合物。優選的聚合物材料是乙烯-四氟乙烯聚合物、全氟烷氧基聚合物、氟化的乙烯丙烯聚合物和聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物。
聚合物材料可從電纜的中心至鎧裝線的最外層連續設置，甚至可延伸至外周之外形成完全包圍該鎧裝線的聚合物護套。″連續設置″是指聚合物材料以未斷裂的方式接觸或連接整個電纜，形成包圍和隔開其它電纜組件的基體，所述的其它電纜組件例如中心組件和強度元件的絲線。又參考圖1A和1B，這種包圍和隔開其它電纜組件的連續基體的例子由聚合物護套112表示，也用聚合物材料填充空隙空間114。在某些情況下，當使用不同的聚合物材料時，形成聚合物護套的材料也可以化學地和/或機械地彼此粘接。在某些實施方式中，可化學地和/或機械地從最內層至最外層連續粘接該聚合物材料。另一方式，可從該電纜的中心至其周邊連續粘接該聚合物材料，形成耐劃破的光滑護套。可將短碳纖維、玻璃纖維或其它合成纖維加到該護套材料中以增強該熱塑性塑料或熱塑性彈性體，並提供對切入的保護。此外，可將石墨、陶瓷或其它粒子加到該聚合物基體中以增加耐磨性。
本發明的電纜可包括金屬導線，以及在某些情況下，一根或多根光纖。參考圖1，導線和光纖，當使用時，通常被包含在電纜的中心組件中，如導線116(僅指出了一個)所示。同樣，可將導線和光纖置於電纜的其它區域中，包括間隙114。可使用任何合適的金屬導線。金屬導線的例子包括但不限於銅、鍍鎳的銅、或鋁。優選的金屬導線是銅導線。雖然可使用任何數量的金屬導線來形成中心組件110，優選使用1至約60根金屬導線，更優選1、7、19、或37根金屬導線。在圖1中，示出的中心組件110含有七根(7)導線116，以形成單芯電纜。
所述光纖可為任何可商購的光纖。該光纖可為單模光纖或多模光纖(multi-mode fibers)，其或者為密封地被塗覆的，或者為未塗覆的。當為密封地被塗覆的時，通常在光纖上施塗碳或金屬塗層。可將光纖置於標準測井電纜芯材構型的任何位置。可將光纖居中地(軸向地)或螺旋地置於電纜中。可將一種或多種其它塗層施塗於光纖上，所述塗層例如但不限於丙烯酸類塗層、矽塗層、矽/PFA塗層、矽/PFA/有機矽塗層或聚醯亞胺塗層。可商購的塗覆的光纖可塗覆另一種軟聚合物材料的塗層，所述軟聚合物材料例如有機矽、EPDM等，以容許包埋設置在光纖周圍的任何金屬導線。這種塗層可容許完全填充光纖和金屬導線之間的空間，以及降低光纖的數據傳輸能力的衰減。
可將保護性聚合物塗層施塗到每根絲線上以用於防腐。塗層的非限制性例子包括氟聚合物塗層例如FEP、Tefzel(R)、PFA、PTFE、MFA；具有氟聚合物組合的PEEK或PEK；PPS和PTFE的組合；膠乳塗層；或橡膠塗層。也可將絲線電鍍約0.5-mil至約3-mil的金屬塗層，這可增強絲線對聚合物護套材料的粘接。電鍍材料可包括這種材料例如ToughMet(R)(BrushWellman製造的高強度銅-鎳-錫合金)、黃銅、銅、銅合金等。
可選擇聚合物護套材料和絲線塗層材料，使得該絲線不粘接至其上，並能夠在該護套中移動。在這種情況下，該護套材料可包括聚烯烴(例如EPC或聚丙烯)、氟聚合物(例如Tefzel(R)、PFA或MFA)、PEEK或PEK、Parmax或甚至是PPS。
在某些情況下，形成該護套的新聚合物(virgin polymers)不具有足以經受25,000lbs的拉力或壓縮力(當在滑輪上拉該電纜時)的機械性質，所以可用短纖維改進該聚合物材料。該纖維可為碳、玻璃纖維、陶瓷、Kevlar(R)、Vectran(R)、石英、納米碳(nanocarbon)或任何其它合適的合成材料。因為用短纖維改進的聚合物的摩擦力可能顯著高於新聚合物的摩擦力，為了提供較低的摩擦力，可在纖維改進的護套上添加1-至15-mil的新材料層(layer ofvirgin material)。
可將粒子加入形成護套的聚合物材料中，以改善耐磨性和其它機械性質。這可通過施塗在護套的外側或整個護套的聚合物基體上的1-至15-mil層的形式來完成。該粒子可包括Ceramer(TM)、氮化硼、PTFE、石墨或其任何組合。作為Ceramer(TM)的替代，可用納米粒子增強氟聚合物或其它聚合物，以改善耐磨性和其它機械性質。這可為施塗在護套的外側或整個護套的聚合物基體上的約1-至10-mil護套的形式。納米粒子可包括納米粘土(nanoclays)、納米二氧化矽(nanosilica)、納米碳束(nanocarbon bundles)、納米碳纖維(nanocarbon fibers)或任何其它合適的納米材料。
可將軟聚合物(硬度小於50肖氏A)擠出到本發明中使用的強度元件中的中心絲線上。合適的材料包括但不限於Santoprene，或通過添加合適的增塑劑軟化的任何其它聚合物。
可將填料棒置於形成於本發明的電纜的強度元件之間，以及強度元件和中心組件之間的空隙中。另外，一些填料棒包括耐壓縮棒(compression-resistant rod)和包圍該棒的耐壓縮聚合物。該填料棒可由幾個緊緊地扭轉的合成紗或單絲形成。用於製備該耐壓縮填料棒的材料包括但不限於四氟乙烯(TFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、氟聚合物和合成纖維例如聚酯、聚醯胺、Kevlar(R)、Vectran(R)、玻璃纖維、碳纖維、石英纖維等。用於包圍該填料棒的耐壓縮聚合物的例子包括但不限於Tefzel、MFA、全氟烷氧基樹脂(PFA)、氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚烯烴(例如[EPC]或聚丙烯[PP])、碳纖維增強的氟聚合物等。這些纖維棒也可最小化對光纖的損害，這是因為當施加高的張力時電纜可更好地保持幾何形狀。
形成在本發明的電纜中使用的護套材料的材料還可在該材料混合物中包括氟聚合物添加劑或多種氟聚合物添加劑，以形成電纜。這種添加劑可用於以高製造速度製造高質量的長電纜長度。合適的氟聚合物添加劑包括但不限於聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、乙烯四氟乙烯共聚物、氟化的乙烯丙烯聚合物、全氟化的聚(乙烯-丙烯)及其任何混合物。該氟聚合物也可為四氟乙烯和乙烯和任選的第三共聚單體的共聚物、四氟乙烯和偏二氟乙烯和任選的第三共聚單體的共聚物、氯三氟乙烯和乙烯和任選的第三共聚單體的共聚物、六氟丙烯和乙烯和任選的第三共聚單體的共聚物，以及六氟丙烯和偏二氟乙烯和任選的第三共聚單體的共聚物。氟聚合物添加劑應該具有低於擠出加工溫度的熔融峰溫度，優選在約200℃至約350℃的範圍內。為了製備該混合物，將氟聚合物添加劑與聚合物材料混合。可將該氟聚合物添加劑以混合物總重量的約5％或以下、優選約1％或以下、更優選約0.75％或以下的量結合到該混合物中。
可將本發明的電纜中使用的組件相對於電纜的中心軸以0鋪設角或任何合適的鋪設角放置。通常，將中心組件以0鋪設角放置，而將包圍該中心絕緣導線的強度元件以期望的鋪設角螺旋地設置在該中心組件的周圍。
本發明的電纜可為任何實際設計，包括單芯電纜、同軸電纜、四芯電纜、七芯電纜、滑線電纜、多線電纜等。在本發明的同軸電纜設計中，多根金屬導線鄰近該中心組件的外周設置。同樣，對於本發明的任何電纜，還可將該絕緣導線包圍在帶中。所有的材料(包括置於該絕緣導線周圍的帶)都可選擇，從而使得它們能夠化學地和/或機械地彼此粘接。本發明的電纜可具有約1mm至約125mm的外部直徑，並且優選地，約2mm至約20mm的直徑。
在本發明的某些實施方式中，製造強度元件，在單獨絲線之間形成的空隙空間中填充聚合物材料，並且同時使得該強度元件與電纜的聚合物護套粘接。以下在圖2、3和4中說明它。圖2說明形成強度元件的方法，空隙空間填充有聚合物材料，並且該聚合物材料有粘結該強度元件與電纜的聚合物護套的能力。在圖2中，聚合物材料202被壓縮擠出(compression-extruded)到擠出機206中的中心絲線204上。聚合物材料202可為無纖維增強的(non-fiber-reinforced)聚合物、短纖維增強的聚合物、成形的聚合物(formed polymer)或軟聚合物。將外部絲線208(僅指出了一個)從線軸(spool)210釋放，並且在加工點(process point)以合適的鋪設角在聚合物材料202上成纜，形成強度元件214。在一種實施方式中，如果使用短纖維增強的聚合物作為聚合物材料202，則該強度元件214可穿過熱源216(例如電磁熱源)，所述的熱源216充分地加熱聚合物材料202，從而使得外部絲線208變得部分包埋在聚合物材料202中。如果使用軟聚合物或成形的聚合物作為聚合物材料202，則可能不需要熱源216。該強度元件214可穿過一組滾筒(roller)218，並且如圖3中所表示的，其用於進一步將外部絲線包埋到聚合物材料202中，並且保持一致的橫截面結構。然後可將可被短纖維增強的外部聚合物護套220壓縮擠出到外部絲線208上，以完成該強度元件224。該聚合物護套消除了電線之間的空隙空間，並使得當強度元件成纜到鎧裝的電纜上時，它被粘接在合適的位置。
在一些實施方式中，強度元件214可最多具有兩層包圍中心絲線204的絲線，每層具有9根或以下外部絲線208。可通過重複圖2中所述的方法施用這些層。可將聚合物材料202設置在每層絲線之上。
下面參考圖3，如以上圖2中所述的一種技術，其利用偏離約90度角的兩組可調節滾筒302和304。如圖3中所示，當該強度元件在方向C上移動時，滾筒中具有精確大小的槽306將成纜的外部絲線208均勻地擠壓到聚合物材料202中，結果得到牢固接觸和包埋的外部絲線208。圖4還通過強度元件本身的橫截面圖說明以上圖2中所述的製備。在圖4中，聚合物材料202被壓縮擠出到中心絲線204上。然後，將外部絲線208(僅指出了一個)在聚合物材料202上成纜。然後將外部絲線208包埋在聚合物材料202中。然後可將外部聚合物護套220擠出到外部絲線208上，以完成該強度元件224。
圖5A、5B、5C和5D說明用於本發明某些電纜的絞合的絲線強度元件的幾個實施方式。在圖5A中，可將軟聚合物或成形的聚合物502設置在強度元件的中心絲線504上。軟聚合物或成形的聚合物502填充形成於外部絲線506(僅指出了一個)和中心絲線504之間的空隙空間，並且聚合物護套508(其可為短纖維增強的聚合物護套)鄰近外部絲線506放置。同樣，形成強度元件510時不需要加熱。在圖5B中，該設計基本上與圖5A中的相同，所不同的是沒有填充形成於外部絲線506和中心絲線504之間的空隙空間512，而形成強度元件514。圖5C中的強度元件522使用完全並連續置於中心絲線504之上的短纖維增強的聚合物材料524，並且隔離絲線504和外部絲線506。圖5D，沒有加聚合物護套的絞合線強度元件532僅由外部絲線506和中心絲線504組成。
圖6和7A-7F說明本發明的某些電纜實施方式，和那些電纜的製備，所述電纜是具有轉矩平衡的絞合線強度元件的單芯電纜。在圖6中，用擠出機606將纖維增強的聚合物護套602壓縮擠出到中心組件604上，其為單芯電纜導線，例如圖1B中的中心組件110。將絞合的絲線強度元件608(僅指出了一個)以合適的鋪設角從線軸610(僅指出了一個)成纜到聚合物護套602上。該鋪設角可與強度元件608中的絲線使用的角度相反(也即，如果將該外部線順時針成纜到強度元件元件上，則將該完成的強度元件反時針成纜到電纜上)。接著，包括強度元件608和聚合物護套602的中心組件604的電纜，沿方向D移動，穿過電磁熱源612。熱量輕微地使纖維增強的護套602熔融在電纜中心組件604和強度元件608上，並使得強度元件608變得至少部分包埋在電纜中心組件604的聚合物護套602中。然後該電纜穿過一組滾筒614以進一步包埋強度元件608，並保持一致的橫截面結構。任選地，可將任選塗覆在纖維增強的聚合物中的填料棒616(僅指出了一個)或其它合適的填料物質從線軸618(僅指出了一個)施用到強度元件608的外表面之間的槽中。穿過第二熱源620將使得該填料616至少部分地處於護套602的聚合物中。第二組滾筒622能夠進一步將該填料棒616包埋到合適的位置並保持電纜的結構。然後可將外部纖維增強的聚合物護套從擠出機624壓縮擠出到強度元件608和任選的填料棒616上，形成單芯電纜626。
圖7A至7F通過橫截面顯示圖6中上述的具有轉矩平衡強度元件的單芯電纜的製備步驟。圖7A中，用橫截面顯示了加護套的單芯電纜導線702，其包括包圍單芯電纜絕緣導線706的外部聚合物護套704。導線706包括中心金屬導線708，以及螺旋地設置在該中心導線708上的六根外部金屬導線710(僅示出了一個)。將電絕緣聚合物材料712鄰近外部導線710設置。在圖7B中，近鄰單芯電纜導線702在第一層(或內層)中螺旋地設置多個強度元件720(在該情況下為8個，但僅指出了一個)，其類似於圖4中所示的強度元件224或者與它相同。在圖7C中，強度元件720包埋於單芯電纜導線702的外部聚合物護套704中。圖7D顯示可如何將任選的填料棒730(僅指出了一個)設置為鄰近並接觸兩個強度元件720。在圖7E中，填料棒730包埋在兩個強度元件720的聚合物護套中。圖7F顯示，可將纖維增強的聚合物護套740壓縮擠出到強度元件720和填料棒730上，以形成單芯電纜750。
圖8A至8F通過橫截面顯示根據本發明具有轉矩平衡的強度元件的同軸電纜，其通過圖6中所述的技術製備。圖8A中，以橫截面示出了加護套單芯電纜導線802，其包括包圍同軸絕緣導線806的外部聚合物護套804。導線806包括中心金屬導線808，以及螺旋地設置在該中心導線808上的六根外部金屬導線810(僅示出了一個)。將電絕緣聚合物材料812鄰近外部導線810設置，並將金屬導線814置於電絕緣聚合物材料812的外周上，以形成同軸導線。在圖8B中，近鄰導線802在第一層(或內層)中螺旋地設置多個強度元件820(僅指出了一個)。在圖8C中，強度元件820包埋於單芯導線802的外部聚合物護套804中。圖8D顯示鄰近並接觸兩個強度元820設置的填料棒830(僅指出了一個)。在圖8E中，填料棒830包埋在兩個強度元件820的聚合物護套中。圖8F顯示，可將纖維增強的聚合物護套840壓縮擠出到強度元件820和填料棒830上，以形成同軸電纜850。
圖9A至9F說明本發明的具有轉矩平衡的絞合絲線強度元件的七芯電纜實施方式。在圖9A中，纖維增強的聚合物護套904被壓縮擠出到標準的七芯電纜導線906上，其用作該電纜的中心組件902。該七芯電纜導線906基本上是一束七根圖7中所示的單芯電纜絕緣導線706，其中一根導線706a置於中心軸線上，和六根導線706b(僅指出了一個)螺旋地置於中心導線706b上。以鋪設角將強度元件920(僅指出了一個)成纜到中心組件902上的第一層(或內層)中。接著，該電纜穿過電磁熱源。熱量輕微地使纖維增強的護套904熔融在電纜中心組件902和強度元件920上，並使得強度元件920變得部分包埋在電纜芯材護套904中，並且該電纜穿過一組滾筒以進一步包埋該強度元件，並保持一致的橫截面結構，如圖9C中所示。任選地，如圖9D中所示，可將塗覆在纖維增強的聚合物中的較小的強度元件或單一絲線930(僅指出了一個)成纜到強度元件920的外表面之間的槽中。通過第二熱源，如圖9E所示，可使得該單個的較小強度元件或單一絲線930變得處於該聚合物中，並且第二組滾筒可進一步包埋並保持該電纜的結構。然後，在圖9F中，可將外部纖維增強的聚合物護套940壓縮擠出到較小強度元件或單一絲線930和強度元件920的外周上。
圖10A至10E說明本發明的又一實施方式，其為具有轉矩平衡的強度元件和螺旋的絕緣導線的電纜。如圖10A中所示，外部纖維增強的聚合物護套1002被壓縮擠出到中心強度元件224a上，例如圖4和上文中所述的224，以形成中心組件1004。然後在第一層(或內層)中將另外的強度元件224b(僅指出了一個)以鋪設角成纜到中心組件1004上。該鋪設角與形成強度元件的外部絲線208(參考圖4)所用的角度相反(也即，如果將該外部線順時針成纜到強度元件上，則將該完成的強度元件反時針成纜到電纜上)。接著，該電纜穿過熱源。熱量輕微地使纖維增強的護套熔融在中心1004和螺旋狀強度元件224b上，使得螺旋狀強度元件224b變得部分包埋在中心強度元件1004上的護套1002中(如圖10C中所示)。該電纜穿過一組滾筒以進一步將該強度元件224b包埋到護套1002中，以保持一致的結構。下面參考圖10D，在外部強度元件224b的表面上，將小的絕緣導線1006螺旋地成纜到強度元件224b之間的暴露的外周空隙空間中。選擇該導線1006的尺寸，使得它們不會伸出由總強度元件224b的圓周E表示的外部結構之外。下面參考圖10E，外部纖維增強的聚合物護套1008被壓縮擠出到強度元件224b和導線1006上，以形成電纜1010。
圖11A、11B、11C和11D通過橫截面說明本發明具有轉矩平衡的絞合線強度元件的地震管式電纜的構造。在圖11A中，聚合物護套1102(其可為纖維增強的聚合物護套)被壓縮擠出到電纜中心組件1104，其可為已知的或對本領域技術人員顯而易見的任何地震管式電纜芯材。將強度元件1106(僅示出了一個)成纜到護套1102和組件1104之上，如圖11B中所示。接著，該電纜穿過熱源，並且熱量輕微地使包圍該電纜中心組件1102和強度元件的護套熔融，使得該強度元件1106變得部分包埋在護套1102中(參見圖11C)。然後該電纜可穿過一組滾筒以進一步包埋該強度元件1106，並保持一致的結構。如圖11D中所示，將外部纖維增強的聚合物護套1108壓縮擠出到強度元件1106上，以形成地震電纜(seismic cable)1110。
圖12說明本發明的又一電纜實施方式。在圖12中，該電纜由強度元件和單獨導線裝配。將各自含有多根絲線1204(僅指出了一個)的四個強度元件1202成纜到中心導線1206周圍。虛線圓圈F(僅指出了一個)代表強度元件1202的有效外周。將四根外部絕緣導線1208(僅指出了一個)置於強度元件1202的外側之間的空間中。在整個電纜中使用具有任何合適尺寸的單獨鎧裝線1210(僅指出了一個)作為間隙填料。可將外部導線1208包含在金屬封套1216中。例如，該中心導線1206可為包含在線的不鏽鋼管或元件(serve)中的纖維光學元件。任選地，可將置於金屬封套中的一根或多根導線1208置於該電纜的中心作為導線1206。將設置的(served)鎧裝線的至少一個層(在該實施方式中為兩層)1212和1214置於該高強度電纜芯材電纜的外側周圍。任選地，可將聚合物填料置於整個高強度電纜芯材中，以填充所有的間隙空間(interstitial void)。
圖13說明本發明的另一電纜實施方式。在該情況下，長連續纖維聚合物複合材料1302(僅指出了一個)在電纜芯材中用作強度元件。可將具有其它各種直徑的聚合物材料1304(僅指出了一個)置於整個電纜芯材中。將聚合物護套1306擠出到含有聚合物複合材料1302和1304的高強度芯材上。將小鎧裝線的層1308在內部護套1306周圍螺旋地成纜，以保持該組件在合適的位置。將聚合物材料與內部護套1306相同的外部護套層1310置於該鎧裝線1308上。因為它們由相同的材料製成，所以內部1306和外部1310護套可通過鎧裝線1308之間的空間粘接。可用石墨或短合成纖維進一步增強該外部護套1310以提高耐磨性和對切入的抗性(cut-through resistance)。該高強度芯材可含有絕緣導線1312(僅指出了一個)或包含在管或線套中的光纖1314。
本發明的任何電纜中，導線和強度元件的數目和尺寸可根據具體的設計需要而變化。例如，如果使用12至18-AWG線，可使用四根導線1312，如圖13中所示。但是，如果使用8至11-AWG線，那麼可使用兩根導線1312。
圖14通過橫截面說明本發明的另一實施方式，其使用鄰近中心導線設置的小強度元件，這種組合形成該電纜的中心組件。強度元件1402(僅指出了兩個)彼此固定，給中心導線1404提供耐壓縮性或耐破裂性。該中心導線1404可為纖維光學元件或抗壓的(compression-resistant)金屬包封的導線，如上文所述。單獨的鎧裝線1406(僅指出了一個)可用作強度元件1402之間的間隙填料。任選地，可直線鋪設該強度元件1402，並用帶鬆散地包封，以使它們在構造過程中保持在合適的位置。因為僅臨時使用該帶，它可以不需要重疊。可將設置的鎧裝線的兩個或更多層1408包封在強度元件1402的內層1410周圍。可將絕緣導線1412(僅指出了一個)均勻地分開，分布在強度元件1402的外層1414以內。將設置的鎧裝線的另外的層1416和1418置於包括外部導線1412和強度元件1402的層1414上。
根據本發明，也可使用絞合線強度元件的內部和外部層獲得轉矩平衡的電纜。例如，電纜能夠具有鄰近強度元件內層設置的強度元件的外層，其中該外層由至少四個(4)外部強度元件形成。可以以與形成強度元件內層的強度元件的鋪設角相反的鋪設角，來定向形成該外層的強度元件。
電纜可包括用作電流回流線(electrical current return wire)的鎧裝線，其給井下設備或工具提供接地的路徑。本發明使得可以將鎧裝線用於電流回流，同時最小化觸電的危險。在某些實施方式中，該聚合物材料隔開鎧裝線的第一層中的至少一根鎧裝線，由此使得它們可用作電流回流線。
本發明的電纜可與井筒設備一起使用以在穿透地質建造的井筒中進行操作，所述地質建造可能含有天然氣和石油儲藏。該電纜可用於將測井工具連接至井外的一個或多個電源和數據記錄裝置，所述工具例如γ射線發生器/接收器、測徑設備(caliper devices)、電阻率測量設備、地震設備、中子發生器/接收器等。本發明的電纜也可用於地震操作，其包括水下(subsea)和地下地震操作。該電纜也可用作井筒的永久監視電纜(permanent monitoringcable)。
以上披露的具體實施方式
僅是說明性的，對於理解了本申請教導的本領域技術人員明顯的是，可以以不同但是等價的方式修改和實施本發明。而且，本發明並不意圖限於本申請中所示的構造和設計的細節，而僅由所附權利要求限制。因此很明顯，可改變或修改以上披露的具體實施方式
，並且認為所有這些改變都在本發明的範圍和精神內。尤其是，本申請披露的每個值的範圍(「從約a至約b」的形式，或者等價地，「從約a至b」，或者等價地，「約a-b」)應該理解為是指值的各自範圍的冪集(power set)(所有子集的集)。因此，本申請要求的保護範圍如所附權利要求所示。
權利要求
1.井筒電纜，其包括
a.中心組件；和
b.強度元件的內層，該層包括至少三個(3)強度元件，其中該內層鄰近中心組件以鋪設角設置，並且其中每個強度元件包括
i.中心絲線，
ii.鄰近中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線，和
iii.包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套。
2.權利要求1的電纜，其中所述中心組件是絕緣的導線。
3.權利要求1的電纜，其中該中心組件是強度元件，其包括中心導線、鄰近中心導線螺旋設置的至少三根(3)絲線和包圍所述中心導線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套基體。
4.權利要求1的電纜，其中所述強度元件螺旋地設置在中心組件的周圍。
5.權利要求1的電纜，其中所述聚合物護套還包括纖維增強物質。
6.權利要求1的電纜，其中所述絲線可包括高強度金屬或有機複合材料。
7.權利要求6的電纜，其中所述絲線是高強度鋼。
8.權利要求6的電纜，其中所述絲線是高強度長連續纖維增強的複合材料。
9.權利要求1的電纜，其包括螺旋地置於中心組件周圍的至少四個(4)強度元件。
10.權利要求9的電纜，其包括鄰近中心絲線螺旋地設置的至少六根(6)絲線，和包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套基體。
11.權利要求1的電纜，還包括設置於高強度絞線之間的至少一根導線，所述高強度絞線鄰近中心組件設置。
12.權利要求1的電纜，其包括螺旋地設置在中心組件周圍的兩層強度元件，其中的空隙空間填充有纖維增強的聚合物材料，並且其中該電纜具有光滑的外表面。
13.權利要求1的電纜，其中所述中心組件是強度元件，所述強度元件包括中心絲線、鄰近中心組件螺旋地設置的至少三根(3)絞線和絕緣的金屬導線，優選銅或鍍鎳的銅，所述金屬導線設置於螺旋設置的強度元件之間形成的空隙中，和聚合物護套，所述聚合物護套包圍該中心組件、強度元件和絕緣的金屬導線，其中該電纜具有光滑的外表面。
14.權利要求1的電纜，其包括螺旋地設置在中心組件周圍的兩個強度元件層，其中的空隙空間填充有鎧裝線，並且配置至少一個鎧裝線層，其中該電纜具有光滑的外表面。
15.權利要求1的電纜，其中該中心組件包括光纖。
16.權利要求1的電纜，還包括鄰近強度元件的內層設置的強度元件的外層，所述外層包括至少四個(4)強度元件，其中構成該外層的強度元件以與構成該內層的強度元件的鋪設角相反的鋪設角定向，並且其中形成該外層的每個強度元件都包括中心絲線和鄰近該中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線。
17.權利要求16的電纜，其中形成該內層和外層的強度元件各自都包括鄰近中心絲線螺旋地設置的九根(9)絲線。
18.權利要求1的電纜，其中至少一個強度元件具有高電導性。
19.井筒電纜，其包括
a.中心組件；
b.強度元件的內層，該層包括至少四個(4)強度元件，其中該內層鄰近中心組件以鋪設角設置，並且其中每個強度元件包括
i.中心絲線，
ii.鄰近中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線，和
iii.包圍所述中心絲線和鄰近中心絲線設置的絲線的聚合物護套；
和，
c.鄰近所述至少四個(4)強度元件的外周表面螺旋地設置的至少一個鎧裝線層。
20.權利要求19的井筒電纜，其中所述中心組件包括包圍在電線的管或元件中的光纖。
21.權利要求19的井筒電纜，還包括設置在形成於強度元件和鎧裝線層之間的空隙中的至少四根(4)絕緣的導線。
22.權利要求19的井筒電纜，還包括鄰近所述強度元件的內層設置的強度元件的外層，所述外層包括至少四個(4)強度元件，其中構成該外層的強度元件以與構成該內層的強度元件的鋪設角相反的鋪設角定向，並且其中形成該外層的每個強度元件都包括中心絲線和鄰近中心絲線螺旋設置的至少三根(3)絲線。
23.井筒電纜，其包括
a.中心組件；
b.鄰近該中心組件設置的至少四個(4)強度元件，
c.設置於該強度元件上的聚合物護套，和
d.鄰近該聚合物護套螺旋地設置的鎧裝線層。
24.權利要求23的井筒電纜，其中所述中心組件包括包圍在電線的管或元件中的光纖。
25.權利要求23的井筒電纜，還包括設置在形成於強度元件和鎧裝線層之間的空隙中的至少四根(4)絕緣的導線。
全文摘要
本發明披露了由多個強度元件形成的高強度井筒電纜。該強度元件由幾個絞合的絲線形成，所述的絲線線可被包圍在聚合物材料的護套中。該強度元件可用作中心強度元件，或者甚至是鋪設在中心軸向放置的組件或強度元件周圍，以形成強度元件的層。本發明的電纜可為任何實際設計，包括單芯電纜、同軸電纜、四芯電纜、七芯電纜、滑線電纜、多線電纜等，並具有改善的防腐性、轉矩平衡和從井筒至表面的氣體遷移。
文檔編號H01B7/18GK101253580SQ200680031934
公開日2008年8月27日 申請日期2006年6月27日 優先權日2005年6月30日
發明者約瑟夫·瓦基, 加魯德·斯裡達 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司