增强的井筒电缆的制作方法

专利名称：增强的井筒电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及井筒电缆(wellbore electric cable)以及制造和使用这种电缆 的方法。 一方面，本发明涉及耐久的和密封转矩均衡的增强电缆，制造它 的方法，以及这种电缆的用途，所述电缆与井筒设备一起使用以分析邻近 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 构造高的电阻率。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 石大得多的孔隙率，但是，由于页岩的粒度(grainsize)非常小，分离页岩中 所积存的石油或气可能非常困难。因此，需要在井完成之前，测量邻近井 的地质建造的各种特性，以帮助确定含石油和/或石油气构造的位置，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(loggingtool)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y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。测井电缆(wireline 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，测井电缆通过滑轮从卡车中巻出，并下到井中。测井电缆通常由金属导线、绝缘材料、填料、护套和金属铠装线(armor wire)的组合形成。通常，井筒电缆的使用寿命典型地仅限于约6至24个月， 这是因为该电缆可能由于暴露于极其腐蚀性的成分，或很少或没有进行电 缆强度元件如铠装线的维护而受到损害。限制测井电缆寿命的主要因素是 铊装线的失效，其中井下井筒环境中存在的流体导致铠装线的腐蚀和失效。铠装线通常由涂覆有防腐用锌的冷拔珠光体钢(cold-drawn pearliticsteel)构成。虽然锌在中等温度(moderatetemperature)保护钢，但是已知，在 高温和特定环境条件下可能容易发生腐蚀。虽然电缆芯材可能仍然可发挥 功能，更换铠装线通常在经济上是不可行的，并且必须丢弃整个电缆。一 旦腐蚀性流体渗入环隙(annular gap)中，就难以或不可能完全除去它们。即 使在清理电缆之后，腐蚀性流体保留在间隙(interstitial spaces)中损害电缆。 结果，电缆腐蚀基本上是一个连续的过程，该过程可开始于测井电缆浸入 井中的第一次行程。 一旦铠装线开始被侵蚀，很快就会失去强度，并且必 须更换整个电缆。井筒电缆中的铠装线也有几个操作上的问题，包括铠装 线各层之间的转矩不平衡、难以密封不均勻的外部结构，和松散或破碎的 乾装线(loose or broken armor wire)。在具有表面压力的井中，电缆穿过一个或几个一定长度的填充有润滑 脂的管道(也称为流管)，以密封井中的气压，同时容许测井电缆进出该井。 因为铠装线层具有未填充的环隙或间隙，来自井的危险气体会向上朝较低 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，可将该铠装线分展开或轻微地分离并且释放增压气体，此处会 成为着火或爆炸的隐患。另外，当具有两层铠装线的电缆处于张力下时， 通常以相反的铺设角(lay angle)形成电缆的内部和外部铠装线以相反的方向 轻微旋转，这会导致转矩不平衡的问题。为了产生转矩平衡的电缆，内部 铠装线将必须比外部铠装线稍微大一些，但是较小的外部线会由于摩擦和 暴露于腐蚀性流体而迅速失效。因此，将较大的铠装线置于测井电缆的外 侧，这会导致转矩不平衡。铠装的井筒电缆也会由于铠装线之间的点对点接触而磨损。点对点接 触磨损可发生在内部和外部铠装线层之间，或者甚至是同一层中铠装线之 间的面对面接触。当在张力下并且当电缆越过滑轮时，径向负载导致外部 和内部铠装线之间的点负载。铠装线层之间的点负载会除去锌涂层，并在 内部和外部铠装线中的接触点处切出槽(groves )。这导致强度降低，导致过早腐蚀并可加速电缆疲劳失效。也由于内部铠装线和电缆芯材之间有环 隙或间隙，当测井电缆处于张力下时，电缆芯材材料往往会蠕变，由此减 小电缆直径，并导致电缆的线型伸长以及过早的电短路(electrical short)。当将井筒电缆放下到畅通无阻的井中时，下井仪器串旋转以释放电缆 中的转矩，这是很正常的。当下井仪器串卡在井中(例如在一个阻塞处或在斜钻井(deviated well)中的弯曲处)时，电缆张力通常是循环的，直到电缆能 够连续上或下该井为止。这种跳跃运动导致张力和转矩的迅速变化，这会 导致几个问题。张力的突然改变会导致张力在电缆长度方向上的不均匀， 这会导致铠装线"形成圓拱结构(birdcage)"。松弛的电缆也会自成环并在测 井电缆中形成结。同样，对于井筒电缆，通常的解决方案是用"笼筐(cage)" 保护铠装线。在笼筐的设计中，将聚合物护套施用在外部铠装线上。直接 施用在铠装线的标准外层上的护套实质上是一个套管(sleeve)。这种类型的 设计具有几个问题，例如当护套受到损害时，有害的井流体进入并被限制 在护套和铠装线之间，导致腐蚀，并且由于损害发生在护套之下，所以它 可能会继续进行而不被注意，直到导致灾难性失效。同样，在井筒操作过程中，例如在斜钻井中测井，井筒电缆与井筒表 面显著接触。电缆的铠装线形成的螺旋脊(spiraled ridge)通常在井筒侧面侵 蚀出槽，并且由于井内侧的压力往往高于井外侧的压力，所以电缆倾向于 卡在形成的槽中。另外，接触并相对井筒壁移动的电缆的活动可从铠装线 除去保护性锌涂层，导致腐蚀速度的增加，由此降低电缆寿命。因此，防止井筒气体迁移和逃逸的井筒电缆需要是抗转矩的，具有耐 用的护套，避免形成圆拱结构(birdcaging)、由于高铠装而导致的铠装线渗水 (milking)、 成环和打结的问题，并且耐拉伸(stretch-resistant)， 耐压碎 (crush-resistant), 以及抗材料蠕变和压差卡住(differential sticking),其中所 述护套抗剥离、褶皱、刺穿、腐蚀、摩擦。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。发明内容本发明的一个方面提供井筒电缆。该电缆包括至少一根绝缘导线、至 少一层包围(surrounding)该绝缘导线的铠装线，和聚合物材料，所述聚合物 材料置于铠装线之间形成的间隙以及铠装线层和绝缘导线之间形成的间隙 中。该绝缘导线由多根包覆(encase)在绝缘护套中的金属导线形成。在本发 明的一些实施方式中，聚合物材料形成包围外部铠装线层或第二铠装线层 的聚合物护套。可以这种方式选择和加工聚合物材料，以促进连续结合(bond)
的材料层。该聚合物材料选自聚烯烃、聚芳基醚醚酮、聚芳基醚酮、聚苯 硫醚、乙烯-四氟乙烯的聚合物、聚(l,4-亚苯基)的聚合物、聚四氟乙烯、全 氟烷氧基聚合物、氟化的乙烯丙烯聚合物、全氟曱氧基聚合物，及其任何 混合物，并且还可包括耐磨粒子或者甚至是短纤维。本发明的电缆的 一种实施方式包括绝缘导线，其包括包覆在带或绝缘护套中的单芯电缆(monocable)构型的七根金属导线、包围该绝缘导线的内 部和外部铠装线层、聚合物材料，所述聚合物材料置于内部铠装线和外部 铠装线之间形成的间隙中以及内部铠装线层和绝缘导线之间形成的间隙 中，并且其中将该聚合物材料延伸以形成包围铠装线外层的聚合物护套。 可以这种方式选择和加工聚合物材料，以促进连续结合的材料层。该聚合 物材料选自聚烯烃、聚芳基醚醚酮、聚芳基醚酮、聚苯硫醚、乙烯-四氟乙 烯的聚合物、聚(l，4-亚苯基)的聚合物、聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、 氟化的乙烯丙烯聚合物、全氟曱氧基聚合物，及其任何混合物，并且还可 包括耐磨粒子或者甚至是短纤维。同样，外部护套置于聚合物护套的周围， 其中该外部护套与聚合物护套结合。本发明的一些其它电缆包括绝缘导线，其为同轴电缆、四芯电缆 (quadcable)或甚至是七芯电缆(heptacable)设计。在本发明的同轴电缆中，多 根金属导线包围绝缘导线，并且围绕与绝缘导线相同的轴周围布置。本发明也披露制备电缆的方法，其中将聚合物材料的第 一层挤出到芯 材位置上的至少一根绝缘导线上，并且将内部铠装线层施用于其上。然后 可通过例如加热，使聚合物材料软化，以使内部铠装线部分包埋在聚合物 材料中，由此消除聚合物材料和铠装线之间的间隙。然后将聚合物材料的 第二层挤出到内部铠装线上，并且可与聚合物材料的第一层结合。然后将 外部铠装线层施用于聚合物材料的第二层上。重复软化过程，以使外部铠 装线部分包埋在聚合物材料的第二层中，并且除去内部铠装线和外部铠装 线之间的任何间隙。然后将聚合物材料的第三层挤出到包埋在聚合物材料 的第二层中的外部铠装线上，并且可与聚合物材料的第二层结合。还可将 外部护套置于聚合物材料的第三层上并与其结合，以防止磨损并提供刺穿 抗性。本发明还披露在地震和井筒操作中使用本发明的电缆的方法，其包括 测井操作。该方法通常包括，将该电缆与井筒工具连在一起，并将其展开
到井筒中。可将该井筒密封或不密封。在该方法中，本发明的电缆可最小 化或者甚至是消除对填充润滑脂的流管和相关装置的需要，以及最小化电 缆摩擦、井筒硬件和井筒管道上的磨损和压差卡住。而且，本发明的电缆可以是如井筒是密封的井筒操作中所用的缝接电缆(spliced cable)。


可通过结合附图参考以下描述来理解本发明图1是本发明电缆的格式化(stylized)的横截面的一般表示。图2是本发明七芯电缆的格式化的横截面图。图3是本发明单芯电缆的格式化的横截面图。图4是本发明的同轴电缆的格式化的横截面图。图5是本发明的电缆的横截面图，所述电缆包括由聚合物材料形成的 外部护套，其中外部护套包围含短纤维的聚合物材料层。图6是本发明的电缆的横截面图，所述电缆具有由含短纤维的聚合物 材料形成的外部护套，其中外部护套包围聚合物材料层。图7是本发明的电缆的横截面图，所述电缆包括部分置于外部铠装线 周围的聚合物材料。图8是横截面图，其说明在外部铠装线层中包括涂覆的铠装线的电缆。图9是横截面图，其说明在内部和外部铠装线层中包括涂覆的铠装线 的电缆。图IO是横截面图，其说明在外部铠装线层中包括嵌条组分(filler rod component)的电缆。
具体实施方式
下面描述本发明说明性实施方式。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，例如根据体 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。而且， 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(routine undertaking),本发明涉及井筒电缆和制造它的方法及其用途。 一方面，本发明涉及 用于分析邻近井筒的地质建造的设备的增强电缆，制造它的方法，和该电 缆在地震和井筒操作中的用途。本申请所述的本发明的电缆是增强的，并提供如下优点防止气体迁移和逃逸，以及具有耐用的护套的抗转矩电缆，所述护套抗剥离、褶皱、刺穿、腐蚀、摩擦。已经发现，用耐用的护套材 料保护铠装线提供优良密封的表面，该表面是转矩平衡的并显著减小曳力，该护套材料从电缆芯材邻接地(contiguously)延伸至光滑的外护套。在操作 上，本发明的电缆消除由于井筒气体穿过铠装线的迁移和逃逸而引起的着 火和爆炸、形成圆拱结构、绞合的铠装、由于高铠装而导致的铠装线渗水、 成环和打结的问题。本发明的电缆也耐拉伸，耐压碎，以及抗材料蠕变和 压差卡住。本发明的电缆通常包括至少 一根绝缘导线，至少 一层包围该绝缘导线 的铠装线，和聚合物材料，所述聚合物材料置于铠装线之间形成的间隙中 和铠装线层和绝缘导线之间形成的间隙中。在本发明的实施方式中有用的 绝缘导线包括包覆在绝缘护套中的金属导线。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、覆镍铜(nickel coated copper)或铝。优选 的金属导线是铜导线。虽然可使用任何合适数目的金属导线来形成该绝缘 导线，优选使用l至约60根金属导线，更优选7、 19或37根金属导线。 可由任何合适的本领域已知的材料制备绝缘护套。合适的绝缘护套材料的 例子包括但不限于聚四氟乙烯-全氟曱基乙烯基醚聚合物(MFA)、全氟-烷 氧基烷烃聚合物(perfluoro-alkoxyalkane)(PFA)、聚四氟乙烯聚合物(PTFE)、 乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)、乙烯-丙烯共聚物(EPC)、聚(4-曱基-l-戊 烯)(TPX⑧得自Mitsui Chemicals, Inc.)、其它聚烯烃、其它氟聚合物、聚芳基 醚醚酮聚合物(PEEK)、聚苯硫醚聚合物(PPS)、改性的聚苯硫醚聚合物、聚 醚酮聚合物(PEK)、马来酸酐改性的聚合物、Parmax SRP聚合物(由 Mississippi Polymer Technologies, Inc制造的自增强聚合物，该聚合物基于取 代的聚(1,4-亚笨基)结构，其中每个亚苯基环具有源于多种有机基团的取代 基R基团)，等，及其任何混合物。在本发明的一些实施方式中，该绝缘导线是具有电场抑制特性的堆叠 的介电纟色纟彖导线(stacked dielectric insulated conductors), 例如美国专利 6,600,108 (Mydur等)中所述的电缆中所用的那些，该专利在本申请中引入作 为参考。这种堆叠的介电绝缘导线通常包括置于金属导线周围的第一绝缘
护套层和置于第 一绝缘护套层周围的第二绝缘护套层，其中该第 一绝缘护套层具有第一相对介电常数(relative permittivity),第二绝缘护套层具有小于 第一相对介电常数的第二相对介电常数。第一相对介电常数在约2.5至约 10.0的范围内，第二介电常数在约1.8至约5.0的范围内。本发明的电缆包括至少一个包围绝缘导线的铠装线层。该铠装线通常 可由高抗拉强度材料制造，所述高抗拉强度材料包括但不限于电镀增强 的犁钢(galvanized improved plow steel)、合金钢等。在本发明优选的实施方 式中，电缆包括包围绝缘导线的内部铠装线层和布置在内部铠装线层周围 的外部铠装线层。可将保护性聚合物涂层施用到每股铠装线上，以防腐蚀 或甚至促进铠装线和置于间隙中的聚合物材料之间的结合。如此处所用的， 术语结合意图包括化学结合、机械结合或其任何组合。可使用的涂层材料 的实例包括但不限于氟聚合物、氟化的乙烯丙烯(FEP)聚合物、乙烯-四氟 乙烯聚合物(Tefze鹏)、全氟-烷氧基烷烃聚合物(PFA)、聚四氟乙烯聚合物 (PTFE)、聚四氟乙烯-全氟曱基乙烯基醚聚合物(MFA)、聚芳基醚醚酮聚合 物(PEEK)、或聚醚酮聚合物(PEK)与氟聚合物的组合、聚苯硫醚聚合物 (PPS)、 PPS和PTFE的组合、胶乳或橡胶涂料等。也可用材料镀敷每个铠 装线，以防腐蚀或甚至促进铠装线和聚合物材料之间的结合。合适的镀敷 材料的非限制性例子包括黄铜、铜合金等。镀敷的铠装线甚至可为线(cords) 例如轮胎帘线。虽然可使用任何有效厚度的镀敷或涂覆材料，但是厚度优 选为约IO微米至约100微米。将聚合物材料置于铠装线之间形成的间隙和铠装线和绝缘导线之间形 成的间隙中。虽然本发明不受任何具体的功能理论(functioning theories)束 缚，但是认为，除了其它优点之外，将聚合物材料置于整个铠装线间隙或 未填充的环隙中可防止危险井气(well gas)迁移进去并穿过这些空间或间隙 向上移向低压区域，在低压区域井气会有着火或者甚至是爆炸的危险。在 本发明的电缆中，铠装线被聚合物材料部分或完全密封，该聚合物材料完 全填充所有的间隙，因此消除了气体迁移用的任何通道。而且，聚合物材料在间隙中的引入提供了转矩平衡的两个铠装线层电缆，这是因为外部铠 装线被原位固定并受坚韧的聚合物护套保护，所以外层不需要较大的直径， 因此緩和了转矩平衡的问题。此外，由于填充了间隙，所以腐蚀性井下流 体不能渗透并聚集在铠装线之间。聚合物材料也可用作许多腐蚀性流体的 过滤器。通过使铠装线的暴露最小化和防止腐蚀性流体的聚集，可极大增 加电缆的使用寿命。同样，用聚合物材料填充铠装线之间的间隙和分离内部和外部铠装线， 减少铠装线之间的点对点接触，由此提高强度、延长疲劳寿命，并且同时 防止铠装线过早被腐蚀。因为填充了间隙，所以容纳了整个电缆芯材，并 缓和了蠕变，其结果是电缆直径更稳定，以及显著降低了电缆拉伸。本发聚合物材料和铠装线层固定在一起大大减少了电缆变形；第二，聚合物材料也可消除任何环隙(annular space),否则电缆芯材会蠕变到其中。本发明 的电缆可改善笼复铠装设计(caged armor designs)遇到的问题，这是因为可连续结合封装铠装线的聚合物材料，不能轻易地将它从铠装线刹离。因为本 发明中使用的方法容许保持标准铠装线覆盖度(93-98%的金属)，所以与通常 的笼筐铠装设计相比，在施用聚合物材料时可不牺牲电缆强度。丙烯)、其它聚烯烃、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-全氟曱基乙烯基醚(MFA)聚合物、Parmax⑧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-全氟曱基乙烯基醚聚合物。可将本发明的电缆中使用的聚合物材料从绝缘导线至铠装线的最外层 邻接地放置，或者甚至可延伸出外周之外，由此形成完全包围铠装线的聚 合物护套。形成护套的聚合物材料和铠装线的涂覆材料可任选地选择，从 而该铠装线不与聚合物护套结合，并可在其内移动。在本发明的 一些实施方式中，聚合物材料可不具有足够的机械性质来 承受例如在滑轮上拉电缆时的高拉力或压缩力，并且因此，聚合物材料还 可包括短纤维。虽然可使用任何合适的纤维来提供足以承受这种力的性质， 其例子包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、Kevlar 纤维、Vectran 、 石英、纳米碳或任何其它的合适材料。而且，由于包括短纤维的聚合物材 料的摩擦可能显著高于单独的聚合物材料，所以可将没有短纤维的聚合物 材料的外部护套置于电缆的外周周围，从而使得电缆的外表面具有低的摩 擦性质。用于形成聚合物护套或本发明电缆外部护套的聚合物材料也可包括粒 子，所述粒子在井筒中使用时提高电缆耐磨性。合适的粒子的例子包括Ceramer 、氮化硼、PTFE、石墨、纳米粒子(例如纳米粘土、纳米二氧化 硅、纳米碳、纳米碳纤维或其它合适的纳米材料)，或任何上述粒子的组合。也可使用涂覆的铠装线代替本发明电缆的一根或多根铠装线。该涂层 可由与上述的那些聚合物材料相同的材料组成。这可通过降低强度、重量 或者甚至是外部铠装线层的尺寸来帮助改进转矩平衡，同时也改进聚合物 材料与外部铠装线层的结合。在本发明的一些实施方式中，电缆的铠装线层可包括至少一种嵌条组 分。在这种电缆中，用嵌条组分代替一根或多根铠装线，该嵌条组分可包 括多束合成长纤维或长纤维纱线。可使用任何合适的聚合物涂覆该合成长 纤维或长纤维纱线，该合适的聚合物包括上述的那些聚合物材料。可将聚 合物挤出到这种纤维或纱线上以促进它与聚合物护套材料的结合。这还可 提供剥离抗性。同样，当嵌条组分代替外部铠装线时，还可进一步提高内 部和外部铠装线层之间的转矩平衡。本发明的电缆可为任何实用设计，包括单芯电缆、同轴电缆、四芯电 缆、七芯电缆等。在本发明的同轴电缆设计中，多根金属导线包围绝缘导 线，并且置于与绝缘导线相同的轴周围。同样，对于任何本发明的电缆， 可将绝缘导线进一步包覆在带中。可选择置于绝缘导线周围的包括该带的 所有材料，从而使得它们会化学地和/或机械地彼此结合。本发明的电缆的外部直径可为约lmm至约125mm,并且直径优选为约2mm至约10mm。对于形成绝缘层的材料和用于本发明电缆的聚合物材料，还可将一种 氟聚合物添加剂或多种氟聚合物添加剂包括到该材料的混合物中，以形成 该电缆。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 有低于挤出加工温度的熔融峰温度，优选在约200°C至约350°C的范围内。为了制备该混合物，将氟聚合物添加剂与绝 缘护套或聚合物材料混合。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。下面参考图l，图l是本发明的一些电缆实施方式的横截面的一般表示。 该电缆包括芯材102，其包括绝缘导线，该绝缘导线的构型为例如七芯电缆、 单芯电缆、同轴电缆或者甚至是四芯电缆。聚合物材料108邻接地置于铠 装线104和106之间形成的间隙以及铠装线104和芯材102之间形成的间 隙中。聚合物材料108还可包括短纤维。当在芯材102周围形成电缆时， 内部铠装线104被均匀地隔开。铠装线104和106可为如上所述的涂覆的 铠装线。聚合物材料108可延伸出外部铠装线106，以形成聚合物护套，由 此形成聚合物包覆的电缆100。在一种制备本发明的电缆100的方法中，将聚合物材料108的第一层 挤出到芯材绝缘导线102上，并且内部铠装线104的层施用于其上。然后 通过例如加热使聚合物材料108软化，以使内部铠装线104部分包埋在聚 合物材料108中，由此消除聚合物材料108和铠装线104之间的间隙。然 后将聚合物材料108的第二层挤出到内部铠装线104上，并可使其与聚合 物材料108的第一层结合。然后将外部铠装线106的层施用于聚合物材料 108的第二层上。重复软化过程以使外部铠装线106部分包埋在聚合物材料 108的第二层中，并且除去内部铠装线104和外部铠装线106之间的任何间 隙。然后将聚合物材料108的第三层挤出到包埋在聚合物材料108的第二 层中的外部铠装线106上，并且可与聚合物材料108的第二层结合。图2说明本发明七芯电缆的横截面图。类似于图1中所述的电缆IOO， 七芯电缆包括芯材202，其包括呈七芯电缆构型的7根绝缘导线。聚合物材 料208邻接地置于铠装线204和206之间形成的间隙以及铠装线204和七 芯电缆芯材202之间形成的间隙中。铠装线204和206也可为涂覆的铠装 线。聚合物材料208可延伸出外部铠装线206，以形成密封的聚合物护套。 本发明的另一电缆实施方式示于图3中，图3是单芯电缆的横截面图。该 电缆包括单芯电缆芯材302,即被聚合物材料308包围的单绝缘导线。该单 绝缘导线由7根包覆在绝缘护套中的金属导线组成。聚合物材料置于内部 铠装线304和外部铠装线306之间形成的间隙以及内部铠装线304和绝缘
导线302之间形成的间隙中。聚合物材料308可延伸出外部铠装线306,以 形成密封的聚合物护套。图4说明本发明的又一实施方式，其为同轴电缆。该实施方式的电缆 在核芯处包括绝缘导线402,其类似于图3中所示的单芯电缆的绝缘导线 302。多根金属导线404包围该绝缘导线，并且置于与绝缘导线402相同的 轴周围。聚合物材料410邻接地置于铠装线406和408之间形成的间隙以 及铠装线406和多根金属导线404之间形成的间隙中。该内部铠装线406 被均匀隔开。铠装线406和408可为涂覆的铠装线。聚合物材料410可延 伸出外部铠装线408，以形成聚合物护套，由此包覆和密封电缆400。在本发明的电缆实施方式中，当聚合物材料延伸出外部周边形成完全 包覆铠装线的聚合物护套时，该聚合物护套由如上所述的聚合物材料形成， 并且还可包括短纤维和/或粒子。下面参考图5，图5是包括外部护套的本 发明的电缆，电缆500包括至少一根置于核芯位置上的绝缘导线502和聚 合物材料508，所述聚合物材料508邻接地置于铠装线层504和506之间形 成的间隙以及铠装线504和绝缘导线502之间形成的间隙中。聚合物材料 508延伸出外部铠装线506，以形成聚合物护套。电缆500还可包括外部护 套510,其与聚合物材料508结合并包覆聚合物材料508、铠装线504和506 以及绝缘导线502。外部护套510由聚合物材料形成，所述聚合物材料不含 任何纤维，但是可含有如上所述的粒子，从而使得电缆的外部表面具有低 的摩擦性质。聚合物材料508还可含有短纤维以赋予该电缆强度。图6说明本发明电缆的又一实施方式，其具有包括短纤维的聚合物护 套。电缆600包括至少一根在核芯的绝缘导线602和聚合物材料608,所述 聚合物材料608邻接地置于铠装线层604和606之间形成的间隙以及铠装 线604和绝缘导线602之间形成的间隙中。聚合物材料608可延伸出外部 铠装线606,以形成聚合物护套。电缆600包括外部护套610,其与聚合物 材料608结合并包覆该电缆。外部护套610由还含有短纤维的聚合物材料 形成。聚合物材料608可任选地不含任何短纤维或粒子。在一些本发明的电缆中，聚合物材料可不必延伸出外部铠装线。下面 参考图7，图7说明具有部分置于外部铠装线周围的聚合物材料的电缆，电 缆700具有至少一根在核芯位置上的绝缘导线702和聚合物材料708，所述 聚合物材料708置于铠装线704和706之间形成的间隙以及铠装线704和绝缘导线702之间形成的间隙中。聚合物材料没有延伸至基本上包覆外部 铠装线706。可将涂覆的铠装线置于外部或内部铠装线层中，或外部和内部铠装线 层二者中。包括涂覆的铠装线可改进聚合物材料层和铠装线之间的结合， 所述涂覆的铠装线的涂层为如上所述的聚合物材料。图8中表示的电缆i兌 明在外部铠装线层中含涂覆的铠装线的电缆。电缆800具有至少一根在核 芯位置上的绝缘导线802和聚合物材料808,所述聚合物材料808置于铠装 线804和806之间形成的间隙以及铠装线804和绝纟彖导线802之间形成的 间隙中。聚合物材料延伸至基本上包覆外部铠装线806。该电缆还包括在外 部铠装线层中的涂覆的.铠装线810。参考图9，图9是在内部和外部铠装线层910和912中都包括涂覆的铠 装线的电缆。类似于图8中所示的电缆800,电缆900包括至少一根在核芯 位置上的绝缘导线902、置于间隙中的聚合物材料908、铠装线904和906, 并且聚合物材料延伸至基本上包覆外部铠装线906,以形成聚合物护套，由 此包覆和密封电缆卯O。参考图10,图IO是本发明的电缆，其在铠装线层包括嵌条组分。电缆 1000包括至少一根在核芯位置上的绝缘导线1002、置于间隙中的聚合物材 料1008和铠装线1004和1006。聚合物材料1008延伸至基本上包覆外部铠 装线1006,并且该电缆还包括在外部铠装线层中的嵌条组分1010。该嵌条 組分1010包括聚合物材料涂层，其可进一步提高嵌条组分1010和聚合物 材料1008之间的结合。本发明的电缆可包括用作电流回路线材(electrical current return wire)的 铠装线，其为井下装置或工具提供接地的路径。本发明使得铠装线能够用 于电流回路，同时最小化触电的危险。在一些实施方式中，聚合物材料分 离第 一铠装线层中的至少 一根铠装线，由此使它们能够用作电流回路线材。但是，本发明不限于仅有金属导线的电缆。为了与所连接的设备来回 传递光数据信号，可使用光纤，这会产生更高的传递速度、更低的数据损 失和更高的带宽。本发明的电缆可用于井筒设备以在井筒中进行穿透地质建造的操作， 所述地质建造可能含有气体和石油储藏。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Y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 monitoring cable)。对于具有潜在井口压力(potential well head pressure)的井筒，流管通常用 于井口压力控制，所述流管具有在压力下被抽吸到电缆和金属管之间的狭 小区域中的润滑脂。流管的数目取决于绝对井口压力和流管长度上容许的 压降。润滑脂的润滑脂泵压力通常比井口压力大20%。本发明的电缆能够 使用密封设备(pack off device),例如非限制性的例子是橡胶密封物 (pack-offs)，作为控制井口压力的摩擦密封件(frictionseal)，由此最小化或消 除对填充润滑脂的流管的需要。结果，降低了压力操作用的电缆钻机安装 (rigup)高度，以及缩小了相关井场表面装置例如起重机/吊杆的尺寸和长度。 同样，具有密封设备的本发明的电缆将减少润滑脂泵的需要和复杂性，以 及井场操作的运输和人员需要。而且，因为润滑脂的使用引起环境问题， 所以必须按照当地政府规章进行清理，包括额外的存储/运输和清理，本发 明的电缆的使用也可使润滑脂的使用显著减少或完全消除。接合的本发明的电缆可用于井场处。由于可通过石油摩擦密封装置来 避免将具有密封公差(tighttolerance)的含润滑脂的金属流管用作用于压力控 制的井口装置一部分的传统要求，所以可放宽这种密封公差。因此，可能 在井场处使用接续电缆。由于本发明的 一些电缆的外表面是光滑的或平滑的，它与类似尺寸的 铠装测井电缆相比，显著减小了摩擦力(WHE和电缆拉力)。减小的摩擦会 使得以下成为可能使用更少的重量在井筒中运行该电缆的能力和涡旋形 成的可能性减少，这导致较短的下井仪器串和钻机安装高度要求的额外降 低。降低的电缆摩擦(或者也称为电缆拉力)也会提高在螺旋状完井、高度倾 斜的、S形的和水平井筒中的运输效率。因为常规的铠装电缆由于它们的高摩擦性质易于拉锯而切入井筒壁， 所以增加差压卡住("键槽"或"压差卡住")的可能性，本发明的电缆减少 差压卡住的可能性，这是因为平滑的外表面不易于切入井筒壁，在高度倾 斜的井和S-形井身结构中尤其是这样。电缆光滑的结构会降低电缆在井筒 硬件上的摩擦载荷，并因此有效地降低管和其它井筒完井硬件(气举阀工作 筒(gas lift mandrel)、密封筒、接头等)上的摩擦。 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，其包括至少一根绝缘导线、至少一层包围该绝缘导线的铠装线，和聚合物材料，所述聚合物材料邻接地置于铠装线之间形成的间隙以及铠装线和绝缘导线之间形成的间隙中。
2. 权利要求1的电缆，其中聚合物材料形成包围外部铠装线层的聚合 物护套，并且其中绝缘导线包括多根包覆在绝缘护套中的金属导线。
3. 前述权利要求任一项的电缆，其中绝缘导线包括置于金属导线周围 的第一绝缘护套层，和置于第一绝缘护套层周围的第二绝缘护套层，其中 该第一绝缘护套层具有第一相对介电常数，第二绝缘护套层具有小于第一 相对介电常数的第二相对介电常数；其中第一相对介电常数为约2.5至约10.0，第二相对介电常数为约1.8 至约5.0。
4. 前述权利要求任一项的电缆，其还包括多根包围绝缘导线的金属导线。
5. 前述权利要求任一项的电缆，其中该聚合物材料选自聚烯烃、聚芳 基醚醚酮、聚芳基醚酮、聚苯硫醚、改性的聚苯硫醚、乙烯-四氟乙烯的聚 合物、聚(l,4-亚苯基)的聚合物、聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、氟化的 乙烯丙烯聚合物、聚四氟乙烯-全氟曱基乙烯基醚聚合物，及其任何混合物。
6. 前述权利要求任一项的电缆，其中该聚合物材料还包括耐磨粒子和/ 或短纤维。
7. 前述权利要求任一项的电缆，其包括包围绝缘导线的内部铠装线层 和布置在内部铠装线层周围的外部铠装线层。
8. 前述权利要求任一项的电缆，其中铠装线是预涂覆的铠装线，或未 涂覆的和预涂覆的铠装线的组合。
9. 前述权利要求任一项的电缆，其外部直径优选为约lmm至约 125mm，更伊乙选为约2mm至约10mm。
10. 前述权利要求任一项的电缆，其在铠装线层中还包括至少一种嵌条 组分。
11. 前述权利要求任一项的电缆，其还包括置于聚合物护套周围的外部 护套，其中该外部护套与聚合物护套结合。
12. 前述权利要求任一项的电缆，其中绝缘导线包括单芯电缆、四芯电缆、七芯电缆或同轴电缆。
13. 前述权利要求任一项的电缆，其中至少一根铠装线是电流回路线。
14. 前述权利要求任一项的电缆，其中聚合物材料邻接地置于铠装线之 间、铠装线和绝缘导线之间，并形成包围外部铠装线层的聚合物护套。
15. 前述权利要求任一项的电缆，其中聚合物材料从绝缘导线至铠装线 的最外层邻接地放置，并进一步延伸出最外铠装线的外周，由此形成包覆 铠装线的聚合物护套。
全文摘要
本发明的井筒电缆包括至少一根绝缘导线、至少一层包围该绝缘导线的铠装线，和聚合物材料，所述聚合物材料置于铠装线之间形成的间隙、和铠装线层和绝缘导线之间形成的间隙中，还可包括耐磨粒子或者甚至是短纤维，并且聚合物材料还可形成包围外部铠装线层的聚合物护套。绝缘导线由多根包装在绝缘护套中的金属导线形成。本发明也披露制备电缆的方法，包括将聚合物材料的第一层挤出到至少一根绝缘导线上；将第一铠装线层施用于聚合物材料上；使聚合物材料软化，以部分包埋铠装线；将聚合物材料的第二层挤出到铠装线上；将第二外部铠装线层施用于其上；软化聚合物材料以部分包埋第二铠装线层；并且任选地将聚合物材料的第三层挤出到包埋在聚合物材料的第二层中的外部铠装线上。本发明还披露在地震和井筒操作中使用本发明的电缆的方法，其包括测井操作。
文档编号H01B7/18GK101133464SQ200680007178
公开日2008年2月27日 申请日期2006年1月12日 优先权日2005年1月12日
发明者加鲁德·斯里达, 努尔·赛特, 约瑟夫·瓦基, 金秉俊, 韦恩·富林 申请人:施蓝姆伯格技术公司