专利名称：具有绞合线强度元件的电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及铠装井筒测井电缆(logging electric cables)。一方面，本发明涉及基于绞合强度元件的高强度电缆，其与各种设备一起使用来分析邻近井筒的地质构造。
背景技术：
一般地，地球中含石油和/或石油气的地质建造具有可能与地层包含这种产品的能力有联系的性质。例如，含石油或石油气的地层具有比含水的地层高的电阻率。通常包括砂岩或石灰石的地层可能含有石油或石油气。通常包括页岩(页岩也可封装含石油的地层)的地层可具有比砂岩或石灰石大得多的空隙率，但是，由于页岩的粒度(grain size)非常小，分离页岩中所积存的石油或气可能非常困难。因此，需要测量邻近井的地质构造的各种特性，以帮助确定含石油和/或石油气地层的位置，以及积存在该地层中的石油和/或石油气的量。
可将通常为长管形设备的测井工具(logging tool)放下到井中，以测量井的不同深度处的这种特性。这些测井工具可包括γ射线发射器/接收器、测径规设备、电阻测量设备、中子发射器/接收器等，这些工具用来侦测邻近该井的地层的特性。铠装钢丝的测井电缆(wireline armored logging cable)连接测井工具与在地表的一个或多个电源和数据分析装置，以及当沿着井放下和提起测井工具时给测井工具提供结构支撑。通常，测井电缆(wirelinecable)通过几个滑轮从卡车或海上装置的磁鼓设备(drum unit)中卷出，并下到井中。铠装的测井电缆常常必须具有高强度，以悬挂工具的重量以及电缆本身的重量。
测井电缆通常由金属导线、绝缘材料、填料、护套和铠装线(Armor wire)的组合形成。护套常常包围电缆芯材，其中，该芯材含有金属导线、绝缘材料、填料等。铠装线常常围绕该护套和芯材。测井电缆中使用的铠装线用于几个目的。当该电缆在井下表面上受到磨损时，它们给电缆芯材中的导线提供物理保护。它们负担下井仪器串(tool string)和悬挂在井中的几千英尺长的电缆的重量。导致测井电缆损害的两种通常原因是铠装线腐蚀和转矩不平衡。腐蚀通常会导致形成弱化的或破碎的铠装线。
铠装线通常由涂覆有用于防腐的锌的冷拉珠光体钢(cold-drawnpearlitic steel)构成。虽然锌在中温保护钢，但是研究表明，在升高的温度时会发生锌在水中的钝化(也即，失去它的防腐性)。一旦铠装线开始生锈，它就迅速失去强度和延展性。虽然电缆芯材可能仍然有用，但是更换铠装线在经济上是不可行的，所以必须丢弃整个电缆。一旦腐蚀性流体渗入到环状间隙中，就难以或者不可能完全除去它们。甚至是在清洁电缆之后，腐蚀性流体仍然保留在环状空隙中腐蚀该电缆。结果，电缆腐蚀基本上是一个连续的过程，其开始于测井电缆首次进入到井中的行程。
当将轴向载荷施加到电缆上时，铠装线的螺旋状排列导致该电缆产生扭转载荷(torsional load)。该载荷的大小取决于铠装线的螺旋状排列和尺寸。有两种减小所产生的转矩的大小的常规方法(1)大量增加螺旋长度(helixlength)，或者(2)在外侧上使用较小直径的铠装线，而在内侧使用较大直径的铠装线。这些选择对于测井电缆都不是非常实用。第一种方法增加该电缆对挠曲的刚性。第二种方法会由于磨损问题导致电缆寿命降低。该电缆也会由于在电缆载荷过程中产生的径向力而经历直径的减小。这会压缩电缆芯材，并且会导致导线上的绝缘蠕变(insulation creep)，从而可能导致短路或导线断裂。在电缆的扭转载荷过程中，该电缆的有效断裂载荷(effectivebreak load)会由于载荷在两层铠装线上的分布而降低。同样，当使用内部和外部线铠装层(各自具有螺旋结构定向的线)时，这会导致当电缆经受轴向载荷时产生转矩。
常规的铠装线电缆遇到的另一问题发生在高压井中，该测井电缆穿过一个或几个长度的管道系统，其填充有润滑脂，以密封井中的气压同时容许该电缆在井中穿进穿出。因为该铠装线层具有未填充的环状空隙，来自井中的气体会向上朝较低压方向迁移到这些缝隙中并穿过这些缝隙移动。当测井电缆穿过填充润滑脂的管道移动时，该气体往往会保持在原位。当测井电缆越过管道顶部的上滑轮时，该铠装线往往会轻微地分展开并且释放增压气体，此处会成为爆炸的隐患。
因此，需要具有改善的耐腐蚀性和扭矩平衡，同时可有效地制造的高强度铠装的井筒电缆(wellbore electric cable)。另外，需要帮助防止或最小化气体从井筒中迁移的电缆。非常需要能够克服一种或多种以上详述的问题、同时传导更大量的功率、具有显著的数据信号传递能力的电缆，通过以下发明至少部分满足这种需要。
发明内容
本发明涉及井筒电缆，尤其是，本发明涉及由强度元件形成的高强度电缆。借助于各种设备使用该电缆来分析邻近井筒的地质构造。本发明的电缆可为任何实际设计，包括单芯电缆(monocable)、同轴电缆、四芯电缆(quadcable)、七芯电缆(heptacable)、滑线电缆(slickline cable)、多线电缆(multi-line cables)等。此处所述的电缆具有改善的耐腐蚀性、扭矩平衡，并且也可帮助防止或最小化危险气体从井筒向表面迁移。
本发明的电缆使用装有聚合物护套的绞合丝线(stranded filaments)作为增强元件。丝线是单一连续的金属线，其具有电缆的长度。捆束多根丝线以形成强度元件，并且可包括包围该丝线的聚合物护套。该强度元件可用作中心强度元件，或者甚至是铺设在中心轴向设置的组件或强度元件周围，以形成强度元件层。也可形成多于一层的强度元件。
在一种实施方式中，该电缆是井筒电缆，其包括中心组件(centralcomponent)和强度元件的内层。该层包括至少三个(3)强度元件，其中该内层邻近中心组件以铺设角(lay angle)设置。每个形成该层的强度元件包括中心丝线、邻近中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线，和包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套。
在一种实施方式中，该电缆包括中心组件、强度元件的内层、由至少四个(4)强度元件形成的层，其中该内层邻近中心组件以铺设角设置。每个强度元件包括中心丝线、邻近中心丝线螺旋地设置的至少三根(3)丝线，和包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套。另外，至少一个铠装线层螺旋地设置在该强度元件的外周表面。
本发明也披露了井筒电缆，其由中心组件、邻近中心组件设置的至少四个(4)强度元件、置于该强度元件上的聚合物护套，以及邻近聚合物护套螺旋地设置的铠装线层所形成。
附图简述 可通过参考以下描述，结合附图理解本发明，在附图中
图1A和1B说明一种实施方式，其中单独丝线相对于形成电缆的强度元件的方向以反向旋转角(counter-rotational angle)被绞合在一起。
图2表示形成强度元件的方法，所述强度元件的空隙空间填充有聚合物材料，该聚合物材料有粘结该强度元件与电缆的聚合物护套的能力。
图3说明包埋和成型设置在聚合物层上的外部丝线的一种方法。
图4通过强度元件本身的横截面图说明图2中所述的制备。
图5A、5B、5C和5D说明用于本发明某些电缆的绞合的丝线强度元件的几个实施方式。
图6说明含有转矩平衡的绞合线强度元件的电缆的制备。
图7A至7F通过横截面显示图6中上述的单芯电缆的制备步骤。
图8A至8F通过横截面显示根据本发明的同轴电缆。
图9A至9F通过横截面说明本发明具有转矩平衡的绞合丝线强度元件的七芯电缆实施方式。
图10A至10E说明具有转矩平衡的强度元件和螺旋状绝缘导线的电缆。
图11A、11B、11C和11D通过横截面说明本发明具有转矩平衡的绞合线强度元件的地震管式电缆(seismic gun cable)的构造。
图12用横截面视图说明，根据本发明使用强度元件和单独的导线装配电缆。
图13通过横截面显示使用长连续纤维聚合物复合材料作为强度元件的电缆实施方式。
图14通过横截面说明一种电缆，其使用邻近中心导线设置的小强度元件，由此形成该电缆的中心组件。
具体实施例方式 以下描述本发明的说明性实施方式。为了清楚起见，本说明书中并不描述所有实际实施的特征。当然应该理解，在任何这种实际实施方式的开发中，必须做出许多具体实施的决定以获得开发者的具体目标，例如顺应于体系相关的和事情相关的约束，这些约束会根据实施的不同而变化。此外，应该理解，这种开发的努力可能是复杂和耗时的，但是虽然如此，它对于理解本文的本领域普通技术人员来说是例行的事情(routineundertaking)。
本发明涉及包括作为强度元件的绞合线的高强度电缆，其中该电缆被分派到井筒中用于借助于设备分析邻近井的地质构造。也披露了制造这种电缆的方法，和该电缆在地震和井筒操作中的用途。本发明的电缆具有改善的耐腐蚀性，以及改善的转矩平衡。本发明的一些电缆实施方式也帮助防止或最小化危险气体从井筒向表面迁移。另外，可以比常规的铠装井筒电缆更加有效地制造本发明的电缆。
本发明的电缆利用绞合的丝线作为强度元件。本申请所用的术语″丝线″是指单一连续的金属线，其具有用它形成的电缆的长度，并且除非另外指出，应该考虑铠装线的等价物。捆束多根丝线以形成″强度元件″，并且可包括包围该丝线的聚合物护套。该强度元件可用作中心强度元件，或者甚至是铺设在中心轴向放置的组件或强度元件周围，以形成强度元件的层。也可形成强度元件的多个层。另外，当电导性丝线用于形成强度元件时，如果该强度元件具有足够高的电导率，那么可将它用于导电。
如说明本发明电缆的一种实施方式的图1A和1B中所说明的，可将单独丝线102(仅指出了一个)以旋转方向A在中心丝线104周围螺旋地绞合(捆束)到一起，形成强度元件106。当将强度元件铺设到电缆108的中心组件110之上时，方向A是相对于图1B中形成电缆108的多个螺旋捆束的强度元件106(仅指出了一个)的旋转取向B的反-旋转方向。电缆108还包括含有多个强度元件106和中心组件110的护套112，以及包围强度元件106的丝线102 104的聚合物护套112。当捆束形成电缆108时，可调节该绞合的丝线强度元件106中的丝线104的铺设角，和强度元件106的铺设角，以使转矩平衡最优。可以连续粘结用于形成包围丝线102 104的护套112的聚合物材料和多个强度元件106(图1B中仅指出了一个)，以保持该元件处于合适的位置。可用短纤维改进该聚合物，以提供如下优势例如增加的强度或耐磨性。最后，可包含无纤维的聚合物层，以提供耐撕裂和划破的最优的密封表面。
参考图1B，可用聚合物材料填充本发明的电缆中形成于丝线102 104、强度元件106和导线110之间的环状空隙114(仅示出了一个)，以使井下流体和气体的渗入、积聚和/或输送最小化。该聚合物护套112也可用作许多腐蚀性流体的过滤器或捕集器。通过最小化强度元件106暴露于这些材料，并且防止腐蚀性流体在环状空隙114中的积聚，认为这显著提高了该丝线102 104，以及该电缆的使用寿命。
虽然本发明的实施方式不受任何具体的理论或操作机理的束缚，以下描述可说明本发明的某些电缆的转矩平衡。在张力T下成缆之前，每个绞合的丝线强度元件具有给定的转矩值(Twri)(给所有的转矩一个给定的参考张力)。所有给定类型的强度元件的值之和为总转矩值(Tc)。可以调节在强度元件中用于单独丝线的铺设角，和使完成的强度元件在电缆芯材上成缆时的铺设角，以提供最优的转矩平衡，这通过以下表达式来解释 Twri＝成缆之前一个绞合线强度元件的转矩 TwriT＝∑Twri TwriC＝将一个绞合线强度元件在电缆芯材上成缆产生的转矩(对抗Twri的) TwriCT＝∑TwriC TwrtT＝TwriCT 以相对于强度元件中的单独外部丝线的旋转方向的反方向，使强度元件在电缆的中心组件上成缆，产生滑线和多线规模的电缆，它能够经受较高的工作载荷(即500kgf至1000kgf)。
本发明铠装的井筒电缆通常包括中心组件和邻近该中心组件设置的至少三个(3)强度元件。每个强度元件包括中心丝线、邻近中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线，和包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套。该中心组件可为绝缘导线、导线或强度元件。该中心组件可为这种构造，从而形成单芯电缆、滑线、多线、七芯电缆、地震的、四芯电缆，或者甚至是同轴电缆。优选将该强度元件螺旋地设置在中心组件的周围。优选至少部分地用纤维增强物质改进该聚合物护套。
本发明的电缆可使用任何合适的材料，来形成具有高强度并提供例如耐腐蚀性、低摩擦力、低磨损和高疲劳阈值(fatigue threshold)等优势的丝线。这种材料的非限制性例子包括钢、碳含量为约0.6wt％至约1wt％的钢、强度大于2900mPa的任何高强度钢丝，等。使用轮胎帘线制造强度元件使得可以使用较低的铺设角，这可得到具有较高工作强度的电缆。该丝线材料也可为高强度有机材料例如但不限于长连续纤维增强的复合材料，其由聚合物形成，所述聚合物例如PEEK、PEK、PP、PPS、氟聚合物、热塑性塑料、热塑性弹性体、热固性聚合物等，并且该连续纤维可为碳、玻璃、石英或任何合适的合成材料。
如上文所述，本发明的电缆可包括加护套的绞合丝线。同样，可用聚合物材料填充形成于强度元件(绞合丝线)之间，和强度元件与中心组件之间的空隙空间。用于形成该聚合物护套和填充间隙的聚合物材料可为任何合适的聚合物材料。合适的例子包括但不限于聚烯烃(例如EPC或聚丙烯)、其它聚烯烃、聚酰胺、聚氨酯、热塑性聚氨酯、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-亚苯基)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。优选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。
聚合物材料可从电缆的中心至铠装线的最外层连续设置，甚至可延伸至外周之外形成完全包围该铠装线的聚合物护套。″连续设置″是指聚合物材料以未断裂的方式接触或连接整个电缆，形成包围和隔开其它电缆组件的基体，所述的其它电缆组件例如中心组件和强度元件的丝线。又参考图1A和1B，这种包围和隔开其它电缆组件的连续基体的例子由聚合物护套112表示，也用聚合物材料填充空隙空间114。在某些情况下，当使用不同的聚合物材料时，形成聚合物护套的材料也可以化学地和/或机械地彼此粘接。在某些实施方式中，可化学地和/或机械地从最内层至最外层连续粘接该聚合物材料。另一方式，可从该电缆的中心至其周边连续粘接该聚合物材料，形成耐划破的光滑护套。可将短碳纤维、玻璃纤维或其它合成纤维加到该护套材料中以增强该热塑性塑料或热塑性弹性体，并提供对切入的保护。此外，可将石墨、陶瓷或其它粒子加到该聚合物基体中以增加耐磨性。
本发明的电缆可包括金属导线，以及在某些情况下，一根或多根光纤。参考图1，导线和光纤，当使用时，通常被包含在电缆的中心组件中，如导线116(仅指出了一个)所示。同样，可将导线和光纤置于电缆的其它区域中，包括间隙114。可使用任何合适的金属导线。金属导线的例子包括但不限于铜、镀镍的铜、或铝。优选的金属导线是铜导线。虽然可使用任何数量的金属导线来形成中心组件110，优选使用1至约60根金属导线，更优选1、7、19、或37根金属导线。在图1中，示出的中心组件110含有七根(7)导线116，以形成单芯电缆。
所述光纤可为任何可商购的光纤。该光纤可为单模光纤或多模光纤(multi-mode fibers)，其或者为密封地被涂覆的，或者为未涂覆的。当为密封地被涂覆的时，通常在光纤上施涂碳或金属涂层。可将光纤置于标准测井电缆芯材构型的任何位置。可将光纤居中地(轴向地)或螺旋地置于电缆中。可将一种或多种其它涂层施涂于光纤上，所述涂层例如但不限于丙烯酸类涂层、硅涂层、硅/PFA涂层、硅/PFA/有机硅涂层或聚酰亚胺涂层。可商购的涂覆的光纤可涂覆另一种软聚合物材料的涂层，所述软聚合物材料例如有机硅、EPDM等，以容许包埋设置在光纤周围的任何金属导线。这种涂层可容许完全填充光纤和金属导线之间的空间，以及降低光纤的数据传输能力的衰减。
可将保护性聚合物涂层施涂到每根丝线上以用于防腐。涂层的非限制性例子包括氟聚合物涂层例如FEP、Tefzel(R)、PFA、PTFE、MFA；具有氟聚合物组合的PEEK或PEK；PPS和PTFE的组合；胶乳涂层；或橡胶涂层。也可将丝线电镀约0.5-mil至约3-mil的金属涂层，这可增强丝线对聚合物护套材料的粘接。电镀材料可包括这种材料例如ToughMet(R)(BrushWellman制造的高强度铜-镍-锡合金)、黄铜、铜、铜合金等。
可选择聚合物护套材料和丝线涂层材料，使得该丝线不粘接至其上，并能够在该护套中移动。在这种情况下，该护套材料可包括聚烯烃(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。
在某些情况下，形成该护套的新聚合物(virgin polymers)不具有足以经受25,000lbs的拉力或压缩力(当在滑轮上拉该电缆时)的机械性质，所以可用短纤维改进该聚合物材料。该纤维可为碳、玻璃纤维、陶瓷、Kevlar(R)、Vectran(R)、石英、纳米碳(nanocarbon)或任何其它合适的合成材料。因为用短纤维改进的聚合物的摩擦力可能显著高于新聚合物的摩擦力，为了提供较低的摩擦力，可在纤维改进的护套上添加1-至15-mil的新材料层(layer ofvirgin material)。
可将粒子加入形成护套的聚合物材料中，以改善耐磨性和其它机械性质。这可通过施涂在护套的外侧或整个护套的聚合物基体上的1-至15-mil层的形式来完成。该粒子可包括Ceramer(TM)、氮化硼、PTFE、石墨或其任何组合。作为Ceramer(TM)的替代，可用纳米粒子增强氟聚合物或其它聚合物，以改善耐磨性和其它机械性质。这可为施涂在护套的外侧或整个护套的聚合物基体上的约1-至10-mil护套的形式。纳米粒子可包括纳米粘土(nanoclays)、纳米二氧化硅(nanosilica)、纳米碳束(nanocarbon bundles)、纳米碳纤维(nanocarbon fibers)或任何其它合适的纳米材料。
可将软聚合物(硬度小于50肖氏A)挤出到本发明中使用的强度元件中的中心丝线上。合适的材料包括但不限于Santoprene，或通过添加合适的增塑剂软化的任何其它聚合物。
可将填料棒置于形成于本发明的电缆的强度元件之间，以及强度元件和中心组件之间的空隙中。另外，一些填料棒包括耐压缩棒(compression-resistant rod)和包围该棒的耐压缩聚合物。该填料棒可由几个紧紧地扭转的合成纱或单丝形成。用于制备该耐压缩填料棒的材料包括但不限于四氟乙烯(TFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、氟聚合物和合成纤维例如聚酯、聚酰胺、Kevlar(R)、Vectran(R)、玻璃纤维、碳纤维、石英纤维等。用于包围该填料棒的耐压缩聚合物的例子包括但不限于Tefzel、MFA、全氟烷氧基树脂(PFA)、氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚烯烃(例如[EPC]或聚丙烯[PP])、碳纤维增强的氟聚合物等。这些纤维棒也可最小化对光纤的损害，这是因为当施加高的张力时电缆可更好地保持几何形状。
形成在本发明的电缆中使用的护套材料的材料还可在该材料混合物中包括氟聚合物添加剂或多种氟聚合物添加剂，以形成电缆。这种添加剂可用于以高制造速度制造高质量的长电缆长度。合适的氟聚合物添加剂包括但不限于聚四氟乙烯、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。该氟聚合物也可为四氟乙烯和乙烯和任选的第三共聚单体的共聚物、四氟乙烯和偏二氟乙烯和任选的第三共聚单体的共聚物、氯三氟乙烯和乙烯和任选的第三共聚单体的共聚物、六氟丙烯和乙烯和任选的第三共聚单体的共聚物，以及六氟丙烯和偏二氟乙烯和任选的第三共聚单体的共聚物。氟聚合物添加剂应该具有低于挤出加工温度的熔融峰温度，优选在约200℃至约350℃的范围内。为了制备该混合物，将氟聚合物添加剂与聚合物材料混合。可将该氟聚合物添加剂以混合物总重量的约5％或以下、优选约1％或以下、更优选约0.75％或以下的量结合到该混合物中。
可将本发明的电缆中使用的组件相对于电缆的中心轴以0铺设角或任何合适的铺设角放置。通常，将中心组件以0铺设角放置，而将包围该中心绝缘导线的强度元件以期望的铺设角螺旋地设置在该中心组件的周围。
本发明的电缆可为任何实际设计，包括单芯电缆、同轴电缆、四芯电缆、七芯电缆、滑线电缆、多线电缆等。在本发明的同轴电缆设计中，多根金属导线邻近该中心组件的外周设置。同样，对于本发明的任何电缆，还可将该绝缘导线包围在带中。所有的材料(包括置于该绝缘导线周围的带)都可选择，从而使得它们能够化学地和/或机械地彼此粘接。本发明的电缆可具有约1mm至约125mm的外部直径，并且优选地，约2mm至约20mm的直径。
在本发明的某些实施方式中，制造强度元件，在单独丝线之间形成的空隙空间中填充聚合物材料，并且同时使得该强度元件与电缆的聚合物护套粘接。以下在图2、3和4中说明它。图2说明形成强度元件的方法，空隙空间填充有聚合物材料，并且该聚合物材料有粘结该强度元件与电缆的聚合物护套的能力。在图2中，聚合物材料202被压缩挤出(compression-extruded)到挤出机206中的中心丝线204上。聚合物材料202可为无纤维增强的(non-fiber-reinforced)聚合物、短纤维增强的聚合物、成形的聚合物(formed polymer)或软聚合物。将外部丝线208(仅指出了一个)从线轴(spool)210释放，并且在加工点(process point)以合适的铺设角在聚合物材料202上成缆，形成强度元件214。在一种实施方式中，如果使用短纤维增强的聚合物作为聚合物材料202，则该强度元件214可穿过热源216(例如电磁热源)，所述的热源216充分地加热聚合物材料202，从而使得外部丝线208变得部分包埋在聚合物材料202中。如果使用软聚合物或成形的聚合物作为聚合物材料202，则可能不需要热源216。该强度元件214可穿过一组滚筒(roller)218，并且如图3中所表示的，其用于进一步将外部丝线包埋到聚合物材料202中，并且保持一致的横截面结构。然后可将可被短纤维增强的外部聚合物护套220压缩挤出到外部丝线208上，以完成该强度元件224。该聚合物护套消除了电线之间的空隙空间，并使得当强度元件成缆到铠装的电缆上时，它被粘接在合适的位置。
在一些实施方式中，强度元件214可最多具有两层包围中心丝线204的丝线，每层具有9根或以下外部丝线208。可通过重复图2中所述的方法施用这些层。可将聚合物材料202设置在每层丝线之上。
下面参考图3，如以上图2中所述的一种技术，其利用偏离约90度角的两组可调节滚筒302和304。如图3中所示，当该强度元件在方向C上移动时，滚筒中具有精确大小的槽306将成缆的外部丝线208均匀地挤压到聚合物材料202中，结果得到牢固接触和包埋的外部丝线208。图4还通过强度元件本身的横截面图说明以上图2中所述的制备。在图4中，聚合物材料202被压缩挤出到中心丝线204上。然后，将外部丝线208(仅指出了一个)在聚合物材料202上成缆。然后将外部丝线208包埋在聚合物材料202中。然后可将外部聚合物护套220挤出到外部丝线208上，以完成该强度元件224。
图5A、5B、5C和5D说明用于本发明某些电缆的绞合的丝线强度元件的几个实施方式。在图5A中，可将软聚合物或成形的聚合物502设置在强度元件的中心丝线504上。软聚合物或成形的聚合物502填充形成于外部丝线506(仅指出了一个)和中心丝线504之间的空隙空间，并且聚合物护套508(其可为短纤维增强的聚合物护套)邻近外部丝线506放置。同样，形成强度元件510时不需要加热。在图5B中，该设计基本上与图5A中的相同，所不同的是没有填充形成于外部丝线506和中心丝线504之间的空隙空间512，而形成强度元件514。图5C中的强度元件522使用完全并连续置于中心丝线504之上的短纤维增强的聚合物材料524，并且隔离丝线504和外部丝线506。图5D，没有加聚合物护套的绞合线强度元件532仅由外部丝线506和中心丝线504组成。
图6和7A-7F说明本发明的某些电缆实施方式，和那些电缆的制备，所述电缆是具有转矩平衡的绞合线强度元件的单芯电缆。在图6中，用挤出机606将纤维增强的聚合物护套602压缩挤出到中心组件604上，其为单芯电缆导线，例如图1B中的中心组件110。将绞合的丝线强度元件608(仅指出了一个)以合适的铺设角从线轴610(仅指出了一个)成缆到聚合物护套602上。该铺设角可与强度元件608中的丝线使用的角度相反(也即，如果将该外部线顺时针成缆到强度元件元件上，则将该完成的强度元件反时针成缆到电缆上)。接着，包括强度元件608和聚合物护套602的中心组件604的电缆，沿方向D移动，穿过电磁热源612。热量轻微地使纤维增强的护套602熔融在电缆中心组件604和强度元件608上，并使得强度元件608变得至少部分包埋在电缆中心组件604的聚合物护套602中。然后该电缆穿过一组滚筒614以进一步包埋强度元件608，并保持一致的横截面结构。任选地，可将任选涂覆在纤维增强的聚合物中的填料棒616(仅指出了一个)或其它合适的填料物质从线轴618(仅指出了一个)施用到强度元件608的外表面之间的槽中。穿过第二热源620将使得该填料616至少部分地处于护套602的聚合物中。第二组滚筒622能够进一步将该填料棒616包埋到合适的位置并保持电缆的结构。然后可将外部纤维增强的聚合物护套从挤出机624压缩挤出到强度元件608和任选的填料棒616上，形成单芯电缆626。
图7A至7F通过横截面显示图6中上述的具有转矩平衡强度元件的单芯电缆的制备步骤。图7A中，用横截面显示了加护套的单芯电缆导线702，其包括包围单芯电缆绝缘导线706的外部聚合物护套704。导线706包括中心金属导线708，以及螺旋地设置在该中心导线708上的六根外部金属导线710(仅示出了一个)。将电绝缘聚合物材料712邻近外部导线710设置。在图7B中，近邻单芯电缆导线702在第一层(或内层)中螺旋地设置多个强度元件720(在该情况下为8个，但仅指出了一个)，其类似于图4中所示的强度元件224或者与它相同。在图7C中，强度元件720包埋于单芯电缆导线702的外部聚合物护套704中。图7D显示可如何将任选的填料棒730(仅指出了一个)设置为邻近并接触两个强度元件720。在图7E中，填料棒730包埋在两个强度元件720的聚合物护套中。图7F显示，可将纤维增强的聚合物护套740压缩挤出到强度元件720和填料棒730上，以形成单芯电缆750。
图8A至8F通过横截面显示根据本发明具有转矩平衡的强度元件的同轴电缆，其通过图6中所述的技术制备。图8A中，以横截面示出了加护套单芯电缆导线802，其包括包围同轴绝缘导线806的外部聚合物护套804。导线806包括中心金属导线808，以及螺旋地设置在该中心导线808上的六根外部金属导线810(仅示出了一个)。将电绝缘聚合物材料812邻近外部导线810设置，并将金属导线814置于电绝缘聚合物材料812的外周上，以形成同轴导线。在图8B中，近邻导线802在第一层(或内层)中螺旋地设置多个强度元件820(仅指出了一个)。在图8C中，强度元件820包埋于单芯导线802的外部聚合物护套804中。图8D显示邻近并接触两个强度元820设置的填料棒830(仅指出了一个)。在图8E中，填料棒830包埋在两个强度元件820的聚合物护套中。图8F显示，可将纤维增强的聚合物护套840压缩挤出到强度元件820和填料棒830上，以形成同轴电缆850。
图9A至9F说明本发明的具有转矩平衡的绞合丝线强度元件的七芯电缆实施方式。在图9A中，纤维增强的聚合物护套904被压缩挤出到标准的七芯电缆导线906上，其用作该电缆的中心组件902。该七芯电缆导线906基本上是一束七根图7中所示的单芯电缆绝缘导线706，其中一根导线706a置于中心轴线上，和六根导线706b(仅指出了一个)螺旋地置于中心导线706b上。以铺设角将强度元件920(仅指出了一个)成缆到中心组件902上的第一层(或内层)中。接着，该电缆穿过电磁热源。热量轻微地使纤维增强的护套904熔融在电缆中心组件902和强度元件920上，并使得强度元件920变得部分包埋在电缆芯材护套904中，并且该电缆穿过一组滚筒以进一步包埋该强度元件，并保持一致的横截面结构，如图9C中所示。任选地，如图9D中所示，可将涂覆在纤维增强的聚合物中的较小的强度元件或单一丝线930(仅指出了一个)成缆到强度元件920的外表面之间的槽中。通过第二热源，如图9E所示，可使得该单个的较小强度元件或单一丝线930变得处于该聚合物中，并且第二组滚筒可进一步包埋并保持该电缆的结构。然后，在图9F中，可将外部纤维增强的聚合物护套940压缩挤出到较小强度元件或单一丝线930和强度元件920的外周上。
图10A至10E说明本发明的又一实施方式，其为具有转矩平衡的强度元件和螺旋的绝缘导线的电缆。如图10A中所示，外部纤维增强的聚合物护套1002被压缩挤出到中心强度元件224a上，例如图4和上文中所述的224，以形成中心组件1004。然后在第一层(或内层)中将另外的强度元件224b(仅指出了一个)以铺设角成缆到中心组件1004上。该铺设角与形成强度元件的外部丝线208(参考图4)所用的角度相反(也即，如果将该外部线顺时针成缆到强度元件上，则将该完成的强度元件反时针成缆到电缆上)。接着，该电缆穿过热源。热量轻微地使纤维增强的护套熔融在中心1004和螺旋状强度元件224b上，使得螺旋状强度元件224b变得部分包埋在中心强度元件1004上的护套1002中(如图10C中所示)。该电缆穿过一组滚筒以进一步将该强度元件224b包埋到护套1002中，以保持一致的结构。下面参考图10D，在外部强度元件224b的表面上，将小的绝缘导线1006螺旋地成缆到强度元件224b之间的暴露的外周空隙空间中。选择该导线1006的尺寸，使得它们不会伸出由总强度元件224b的圆周E表示的外部结构之外。下面参考图10E，外部纤维增强的聚合物护套1008被压缩挤出到强度元件224b和导线1006上，以形成电缆1010。
图11A、11B、11C和11D通过横截面说明本发明具有转矩平衡的绞合线强度元件的地震管式电缆的构造。在图11A中，聚合物护套1102(其可为纤维增强的聚合物护套)被压缩挤出到电缆中心组件1104，其可为已知的或对本领域技术人员显而易见的任何地震管式电缆芯材。将强度元件1106(仅示出了一个)成缆到护套1102和组件1104之上，如图11B中所示。接着，该电缆穿过热源，并且热量轻微地使包围该电缆中心组件1102和强度元件的护套熔融，使得该强度元件1106变得部分包埋在护套1102中(参见图11C)。然后该电缆可穿过一组滚筒以进一步包埋该强度元件1106，并保持一致的结构。如图11D中所示，将外部纤维增强的聚合物护套1108压缩挤出到强度元件1106上，以形成地震电缆(seismic cable)1110。
图12说明本发明的又一电缆实施方式。在图12中，该电缆由强度元件和单独导线装配。将各自含有多根丝线1204(仅指出了一个)的四个强度元件1202成缆到中心导线1206周围。虚线圆圈F(仅指出了一个)代表强度元件1202的有效外周。将四根外部绝缘导线1208(仅指出了一个)置于强度元件1202的外侧之间的空间中。在整个电缆中使用具有任何合适尺寸的单独铠装线1210(仅指出了一个)作为间隙填料。可将外部导线1208包含在金属封套1216中。例如，该中心导线1206可为包含在线的不锈钢管或元件(serve)中的纤维光学元件。任选地，可将置于金属封套中的一根或多根导线1208置于该电缆的中心作为导线1206。将设置的(served)铠装线的至少一个层(在该实施方式中为两层)1212和1214置于该高强度电缆芯材电缆的外侧周围。任选地，可将聚合物填料置于整个高强度电缆芯材中，以填充所有的间隙空间(interstitial void)。
图13说明本发明的另一电缆实施方式。在该情况下，长连续纤维聚合物复合材料1302(仅指出了一个)在电缆芯材中用作强度元件。可将具有其它各种直径的聚合物材料1304(仅指出了一个)置于整个电缆芯材中。将聚合物护套1306挤出到含有聚合物复合材料1302和1304的高强度芯材上。将小铠装线的层1308在内部护套1306周围螺旋地成缆，以保持该组件在合适的位置。将聚合物材料与内部护套1306相同的外部护套层1310置于该铠装线1308上。因为它们由相同的材料制成，所以内部1306和外部1310护套可通过铠装线1308之间的空间粘接。可用石墨或短合成纤维进一步增强该外部护套1310以提高耐磨性和对切入的抗性(cut-through resistance)。该高强度芯材可含有绝缘导线1312(仅指出了一个)或包含在管或线套中的光纤1314。
本发明的任何电缆中，导线和强度元件的数目和尺寸可根据具体的设计需要而变化。例如，如果使用12至18-AWG线，可使用四根导线1312，如图13中所示。但是，如果使用8至11-AWG线，那么可使用两根导线1312。
图14通过横截面说明本发明的另一实施方式，其使用邻近中心导线设置的小强度元件，这种组合形成该电缆的中心组件。强度元件1402(仅指出了两个)彼此固定，给中心导线1404提供耐压缩性或耐破裂性。该中心导线1404可为纤维光学元件或抗压的(compression-resistant)金属包封的导线，如上文所述。单独的铠装线1406(仅指出了一个)可用作强度元件1402之间的间隙填料。任选地，可直线铺设该强度元件1402，并用带松散地包封，以使它们在构造过程中保持在合适的位置。因为仅临时使用该带，它可以不需要重叠。可将设置的铠装线的两个或更多层1408包封在强度元件1402的内层1410周围。可将绝缘导线1412(仅指出了一个)均匀地分开，分布在强度元件1402的外层1414以内。将设置的铠装线的另外的层1416和1418置于包括外部导线1412和强度元件1402的层1414上。
根据本发明，也可使用绞合线强度元件的内部和外部层获得转矩平衡的电缆。例如，电缆能够具有邻近强度元件内层设置的强度元件的外层，其中该外层由至少四个(4)外部强度元件形成。可以以与形成强度元件内层的强度元件的铺设角相反的铺设角，来定向形成该外层的强度元件。
电缆可包括用作电流回流线(electrical current return wire)的铠装线，其给井下设备或工具提供接地的路径。本发明使得可以将铠装线用于电流回流，同时最小化触电的危险。在某些实施方式中，该聚合物材料隔开铠装线的第一层中的至少一根铠装线，由此使得它们可用作电流回流线。
本发明的电缆可与井筒设备一起使用以在穿透地质建造的井筒中进行操作，所述地质建造可能含有天然气和石油储藏。该电缆可用于将测井工具连接至井外的一个或多个电源和数据记录装置，所述工具例如γ射线发生器/接收器、测径设备(caliper devices)、电阻率测量设备、地震设备、中子发生器/接收器等。本发明的电缆也可用于地震操作，其包括水下(subsea)和地下地震操作。该电缆也可用作井筒的永久监视电缆(permanent monitoringcable)。
以上披露的具体实施方式
仅是说明性的，对于理解了本申请教导的本领域技术人员明显的是，可以以不同但是等价的方式修改和实施本发明。而且，本发明并不意图限于本申请中所示的构造和设计的细节，而仅由所附权利要求限制。因此很明显，可改变或修改以上披露的具体实施方式
，并且认为所有这些改变都在本发明的范围和精神内。尤其是，本申请披露的每个值的范围(“从约a至约b”的形式，或者等价地，“从约a至b”，或者等价地，“约a-b”)应该理解为是指值的各自范围的幂集(power set)(所有子集的集)。因此，本申请要求的保护范围如所附权利要求所示。
权利要求
1.井筒电缆，其包括
a.中心组件；和
b.强度元件的内层，该层包括至少三个(3)强度元件，其中该内层邻近中心组件以铺设角设置，并且其中每个强度元件包括
i.中心丝线，
ii.邻近中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线，和
iii.包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套。
2.权利要求1的电缆，其中所述中心组件是绝缘的导线。
3.权利要求1的电缆，其中该中心组件是强度元件，其包括中心导线、邻近中心导线螺旋设置的至少三根(3)丝线和包围所述中心导线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套基体。
4.权利要求1的电缆，其中所述强度元件螺旋地设置在中心组件的周围。
5.权利要求1的电缆，其中所述聚合物护套还包括纤维增强物质。
6.权利要求1的电缆，其中所述丝线可包括高强度金属或有机复合材料。
7.权利要求6的电缆，其中所述丝线是高强度钢。
8.权利要求6的电缆，其中所述丝线是高强度长连续纤维增强的复合材料。
9.权利要求1的电缆，其包括螺旋地置于中心组件周围的至少四个(4)强度元件。
10.权利要求9的电缆，其包括邻近中心丝线螺旋地设置的至少六根(6)丝线，和包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套基体。
11.权利要求1的电缆，还包括设置于高强度绞线之间的至少一根导线，所述高强度绞线邻近中心组件设置。
12.权利要求1的电缆，其包括螺旋地设置在中心组件周围的两层强度元件，其中的空隙空间填充有纤维增强的聚合物材料，并且其中该电缆具有光滑的外表面。
13.权利要求1的电缆，其中所述中心组件是强度元件，所述强度元件包括中心丝线、邻近中心组件螺旋地设置的至少三根(3)绞线和绝缘的金属导线，优选铜或镀镍的铜，所述金属导线设置于螺旋设置的强度元件之间形成的空隙中，和聚合物护套，所述聚合物护套包围该中心组件、强度元件和绝缘的金属导线，其中该电缆具有光滑的外表面。
14.权利要求1的电缆，其包括螺旋地设置在中心组件周围的两个强度元件层，其中的空隙空间填充有铠装线，并且配置至少一个铠装线层，其中该电缆具有光滑的外表面。
15.权利要求1的电缆，其中该中心组件包括光纤。
16.权利要求1的电缆，还包括邻近强度元件的内层设置的强度元件的外层，所述外层包括至少四个(4)强度元件，其中构成该外层的强度元件以与构成该内层的强度元件的铺设角相反的铺设角定向，并且其中形成该外层的每个强度元件都包括中心丝线和邻近该中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线。
17.权利要求16的电缆，其中形成该内层和外层的强度元件各自都包括邻近中心丝线螺旋地设置的九根(9)丝线。
18.权利要求1的电缆，其中至少一个强度元件具有高电导性。
19.井筒电缆，其包括
a.中心组件；
b.强度元件的内层，该层包括至少四个(4)强度元件，其中该内层邻近中心组件以铺设角设置，并且其中每个强度元件包括
i.中心丝线，
ii.邻近中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线，和
iii.包围所述中心丝线和邻近中心丝线设置的丝线的聚合物护套；
和，
c.邻近所述至少四个(4)强度元件的外周表面螺旋地设置的至少一个铠装线层。
20.权利要求19的井筒电缆，其中所述中心组件包括包围在电线的管或元件中的光纤。
21.权利要求19的井筒电缆，还包括设置在形成于强度元件和铠装线层之间的空隙中的至少四根(4)绝缘的导线。
22.权利要求19的井筒电缆，还包括邻近所述强度元件的内层设置的强度元件的外层，所述外层包括至少四个(4)强度元件，其中构成该外层的强度元件以与构成该内层的强度元件的铺设角相反的铺设角定向，并且其中形成该外层的每个强度元件都包括中心丝线和邻近中心丝线螺旋设置的至少三根(3)丝线。
23.井筒电缆，其包括
a.中心组件；
b.邻近该中心组件设置的至少四个(4)强度元件，
c.设置于该强度元件上的聚合物护套，和
d.邻近该聚合物护套螺旋地设置的铠装线层。
24.权利要求23的井筒电缆，其中所述中心组件包括包围在电线的管或元件中的光纤。
25.权利要求23的井筒电缆，还包括设置在形成于强度元件和铠装线层之间的空隙中的至少四根(4)绝缘的导线。
全文摘要
本发明披露了由多个强度元件形成的高强度井筒电缆。该强度元件由几个绞合的丝线形成，所述的丝线线可被包围在聚合物材料的护套中。该强度元件可用作中心强度元件，或者甚至是铺设在中心轴向放置的组件或强度元件周围，以形成强度元件的层。本发明的电缆可为任何实际设计，包括单芯电缆、同轴电缆、四芯电缆、七芯电缆、滑线电缆、多线电缆等，并具有改善的防腐性、转矩平衡和从井筒至表面的气体迁移。
文档编号H01B7/18GK101253580SQ200680031934
公开日2008年8月27日 申请日期2006年6月27日 优先权日2005年6月30日
发明者约瑟夫·瓦基, 加鲁德·斯里达 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司